8.1 概述
8.2 键盘接口
8.3 鼠标器接口
8.4 显示器接口
8.5 打印机接口
8.6 磁盘接口第 8章 人机接口返回主目录第 8章 人机接口微型计算机系统中,根据外部设备在计算机系统中的作用,将其大致分为 4类：输入／输出设备,外存储器,终端设备,脱机设备 。 输入／输出设备是计算机系统的重要组成部分 。 输入设备把程序,原始数据,操作命令传送给 CPU。 输出设备则将 CPU处理的中间数据和最终结果以人们可以接受的数字,字符,图形等形式记录或显示出来 。
8.1 概述常用输入设备有键盘,鼠标；输出设备有显示设备,打印机 。 随着计算机多媒体技术的发展,输入,输出设备种类越来越多 。 如光学字符识别设备,图形数字化仪,图像扫描仪,
声音输入／输出设备,触摸屏等 。 这些设备使计算机系统以更接近人类感知外部世界的方式输入或输出信息,使计算机更加人性化 。
目前常用的外存储设备主要有磁表面存储设备,如磁带机,
软磁盘存储设备,硬磁盘存储设备 。 磁表面存储设备不仅记录密度高,容量大,成本低,且存储信息不易丢失,可重复读写且读写速度快 。 此外,由于光存储设备具有容量高,成本低,
盘片可换的特点,因而也得到了广泛应用 。
8.2 键盘接口键盘是计算机系统的标准输入设备,它由排列成矩阵形式的按键组成 。 PC系列微机的键盘有 83键,84键的标准键盘和
101键,102键的扩展键盘两种 。 其中 XT和 AT机使用的是标准键盘,286机,386机和 486机使用的是扩展键盘 。 586机使用的是 104键键盘 。
8.2.1PC系列键盘特点
PC系列键盘具有两个基本特点：
① 按键开关均为无触点的电容开关 。 它通过按键的上下动作,使电容量发生变化,来检测按键的断开与接通 。
② PC系列键盘属于非编码键盘 。
按键盘功能,可把键盘分为编码键盘和非编码键盘。
编码键盘：使用这种键盘时，当有键按下，系统可以自动检测,并能提供按键对应的键值。这种键盘接口简单，使用方便，但价格较贵。
非编码键盘：这种键盘只简单提供键的行列位置 （ 位置码或称扫描码 ）,按键的识别和键值的确定等工作由软件完成 。
PC系列键盘不是由硬件电路输出按键所对应的 ASCII码值,
而是由单片机扫描程序,并识别按键的当前位置,然后再向键盘接口输出该键的扫描码 。 按键的识别,键值的确定以及键代码存入键缓冲区等工作全部由软件完成 。
8.2.2
我们把 PC系列键盘视为二维矩阵的行列结构,键盘的识别采用的是行列扫描法,如图 8 - 1 所示 。 键盘扫描程序周期性地对行列结构的按键进行扫视 。 根据回收的信息,确定当前的行,列位置码 。
行列扫描法工作过程,7位计数器处于定时工作方式,每
96 μs加 1。 计数器输出分别送至两个译码器 （ 行译码和列译码 ）,高 4位译码形成 Y0～ Y15共 16行扫描驱动线；低 3位译码形成 X0～ X7共 8列扫描驱动线 。 由于计数器的特点,列扫描驱动线随着时钟而步进 1列；行扫描驱动线是经过 8个时钟而步进 1行 。
图 8- 1 行列扫描法
Y
15
…
…
…
…
… …
检测器
4 / 1 6
译码器
Y
1
Y
0
X
7
3 / 8
译码器
X
0
…
计数器键已按假设计数器初值为 0,则行译码 Y0为高电平,经反向为低电平 。 此时,随着计数器的步进,列扫描驱动线也随之步进 1列,依次检查 X0～ X7这 8列有无键按下 。 如果无键按下,
经过 8个时钟之后,行译码 Y1成为低电平,则检查 Y1行的
X0～ X7这 8列有无键按下 。 重复上述过程 。 一旦发现有键按下,检测器便有信号输出,此时,计数器的值即为键扫描码的值 。
8.2.3工作原理及键盘接口
1,键盘工作原理
PC系列键盘主要由 8048单片机,译码器和 16行 × 8列的键开关阵列三部分组成,如图 8 - 2 所示 。
8048单片机承担了键盘扫描,消抖并生成键扫描码,对扫描码进行并串转换,并将串行的键扫描码和时钟送到主机 。
单片机中的计数器用于定时工作方式,每 96 μs计数器增 1。
P20输出一个选通信号时,则行,列译码电路开始工作 。 8位计数器的 b6～ b3位和 b2～ b0位,经 DB总线送至键盘阵列的行扫描,
列扫描译码电路,进行行列扫描 。
图 8 –2 键盘硬件逻辑图
8 0 4 8
V
CC
V
DD
V
SS
4 5 r
I N T
EA
X
1
X
2
P
20
4 / 1 6
译码器选通
DB
6 ～ 3
1 6 × 8
键盘阵列
Y
0
Y
15
…
3 / 8
译码器
DB
2 ～ 0
析测器
…
X
0
X
7
…
T1
R E S
P
21
P
10
双向时钟 ( C L O C K )
P
22 双向数据 ( D A T A )
P
11
1 3
4 5
2
5V
检测电路检测有无键按下,并将检测信号送至 8048的 T1脚 。
若有键按下,此时计数器的低 7位的值为键扫描码,计数器最高位输出为 0,8位键扫描码经 P22串行输出 。 由 DATA线以异步串行方式,将按键的扫描码送至键盘接口,在扫描码输出的同时,
P20输出时钟信号 。
8048最多可存 20个键扫描码,P11,P10分别用于请求输入和命令输入 。 当键按下时,键盘向接口发送的是 1字节的扫描码 。
当键抬起时,键盘向接口发送的断开的扫描码是 2字节,也就是在接通扫描码前,再加 F0字节 。
2.
PC键盘接口安装在系统板上,通过五芯插头座与键盘相连,接口硬件逻辑如图 8 - 3 所示 。
图 8 – 3 扩展键盘接口硬件逻辑图
8 0 4 2
V
CC
V
DD
SS
＋ 5V
P R O G
V
SS
RD
R E S E T
T E S T
0
P
14
P
20
跨接器开关
EA
WR
CS
I O R
I O W
片选
A
0
A
2
R E S E T
P C L K
P C L K
X T A L T
1
X T A L T
2
键盘时钟
T E S T
1
键盘数据
P
27
P
26
1 3
4 5
2
＋ 5V
P
13 ～
P
10
NC
P
15
R E M S E L
P
16
P
17
显示器类型开关键盘锁定开关
S Y N C NC
RC
P
21
A
20
P
22
NC
P
23
NC
P
24
输出缓冲器满
8 2 5 9
I R Q 1
P
25
NC
D
7 ～
D
0
I N T R
C P U
A S C I I 码键缓冲区
R A M
1
1
1
1
1
键扫描码系统复位选通
PC键盘接口采用 8042作为键盘的智能接口 。 Intel 8042是个有 40引脚的单片微处理器,它包括 8位 CPU,2 KB的 ROM、
128 B的 RAM,两个 8位 I／ O端口,一个 8位定时／计数器和时钟发生器 。
(1) 8042芯片各引脚作用如下：
① 时钟信号 。
XTALT1和 XTALT2外接晶体振荡器和 LC电路或直接输入时钟信号,以确定振荡频率 。
SYNC输出时钟信号 。 每个指令周期输出一次,可用作选通输出信号或单步操作输入信号 。
② 复位与片选信号。
,低电平有效的复位信号 。
,低电平有效的片选信号 。
③ 控制信号 。
,低电平有效的读信号,允许 CPU读 。
,低电平有效的写信号,允许 CPU写 。
A0,最低位地址输入信号 。 当 A0＝ 0 时,进行数据传送；
当 A0＝ 1时,进行命令传送 。
PROG：用于芯片编程脉冲输入信号 （ 此时 VDD＝ 21V） 。
如果访问 I／ O扩展器 8243时,该引脚作为地址数据选通信号 。
SS为低电平有效的单步信号,当它与 SYNC引脚相连时,则芯片进入单步运行状态 。
WR
RD
CS
RESET
EA：允许外部访问信号 。 用于芯片的仿真,测试或
ROM校检 。 不用时接地 。
TEST0,TEST1：用于供测试条件的输入定时信号 。
④ I／ O端口 。
P17～ P10,P1口 8条 I/O引脚 。
P27～ P20,P2口 8条 I/O引脚 。
⑤ 电源与地线 。
VCC,5 V电源
VDD,电源正常操作接 5 V,编程时接 21 V。
VSS,地线 。
(2) 键盘接口功能如下：
① 接收键盘输出的键扫描码 。
接口通过 TEST0和 TEST1两个引脚分别接收由键盘传来的时钟信号和数据信号 。 TEST1是在键盘时钟同步下接收数据的 。 数据信号是异步串行格式,第一位是起始位,第 2～ 9
位是 8位键扫描码 （ D0在前,D7在后 ）,第 10位是奇偶校验位,11位是停止位 。
当键盘接口接收串行数据,完成串并转换,奇偶校验正确后,接口将键扫描码转换成系统扫描码,并保存在输出缓冲器中 。
② 产生键盘中断 。
当系统扫描码送入输出缓冲区后,输出缓冲器满置位,
P24引脚为高电平 。 用此信号作为键盘中断请求信号 （ IRQ1） 。
当 IRQ1被 CPU响应后,则系统调用 9号中断服务程序进行键盘代码处理转换,最后存入键盘缓冲区 （ RAM） 。
键盘中断服务程序先从输出缓冲器中读取键盘扫描码,
然后对按键进行识别 。 为了确保 CPU读取扫描码,在读数期间,键盘控制器强制时钟线为低 。 禁止键盘输出下一个键盘扫描码 。 当输出缓冲器为空时,时钟线变高,又重新允许键盘输出扫描码 。
③ 接收并执行系统命令 。
键盘接口通过 P26,P27把系统发给键盘的命令送至键盘 。
键盘接收命令后,在指定的时间内作出响应 。
3.
计算机系统通过两个中断与键盘发生联系,一个是硬件中断 09H,另一个是软中断 16H。
(1) 9号中断 。
9号中断是由按键动作引发的硬件中断,对键盘上所有的键给予定义 。 它对键盘上 8个特殊键,Ctrl,Alt,Shift-L、
Shift-R,Num Lock,Scroll Lock,Caps Lock,Ins只建立标志状态,控制后续键代码生成；对其他键均可以完成把键的扫描转换为两个字节的 ASCII码或扩展码,送到内存 BIOS数据区中的键盘缓冲区 。
9号中断完成两种转换：
① 把键扫描码转换成为 ASCII码,则低字节为 ASCII码,
其高字节是系统的扫描码 。
② 把键扫描码转换为扩展码,其低字节为 0,高字节对应值为 0～ 255。 通常功能键和某些组合键对应的是扩展码,如表
8 - 1 所示 。
这两种各自独立的中断程序,借助于键盘缓冲区作为中间媒介来传递键符 。
(2) BIOS INT 16H。
INT 16H软中断用于检查是否有键输入,并完成从键盘缓冲区取出键值的操作 。 INT16H软中断共有 3个子功能,如表 8 -
2 所示 。
这两种各自独立的中断程序,借助于键盘缓冲区作为中间媒介来传递键符 。
(3) 键盘缓冲区的作用 。
① 实现键盘实时输入要求 。
用户按键完全是随机实时的,与主机运行是异步的 。 开辟键盘缓冲区可实现随机实时键入的要求 。
② 满足随机应用的需要 。
应用程序需要的键值时间不一定与按键同步 。 键盘缓冲区可事先存放应用程序所需的全部键符 。 此外,盘缓冲区还可满足快速操作员键入的要求 。
键盘缓冲区是由 16个字组成的先进先出循环队列 。 键盘缓冲区的循环队列形式由软件实现 。 进队列由中断 9H处理程序完成； 出队列由 INT 16H程序来完成 。 为此,循环队列需要设置头,尾两个指针 。 头指针 Head总是指向缓冲区最早压入的键符位置,尾指针 Tail总是指向最后压入的键符的下一个位置,如图 8 - 4 所示 。
队列操作如下：
进队列,键符进入尾指针 Tail所指向的单元 。 同时调整尾指针,指向下一单元 。 当尾指针指向队列末端时,则返回到队列始端 。
出队列,键符从头指针 Head指向的单元中取出,同时调整头指针,指向下一单元 。
图 8 – 4 键盘缓冲区循环队列示意图
0
键符
1
2
B u f f e r
H e a d ( 队列头)
由 I N T 1 6 H
取键符
…
由中断 9H
送键符
15
T a i l
键缓冲区队列结构
H e a d
T a i l
队列一般情况键符
H e a d
T a i l
队列空
H e a d
T a i l
队列满当头指针指向队列末端时,则返回到队列始端 。
队列空,当头指针和尾指针相等时,表明队列己空,无键符可取 。
队列满,当尾指针修正为新的尾指针之后,它与头指针相等,表明队列己满,键符不能再存进键盘缓冲区 。 键盘缓冲区共占 32字节,当尾指针 +2等于头指针时,为队列满,故键盘缓冲区最多可存 15个键符 。
8.3 鼠 标 器 接 口
8.3.1
鼠标器通常通过微机中的串行口与主机连接 。
当在平面上移动鼠标器时,把鼠标器移动的距离和方向转换成两个脉冲信号传送给计算机,计算机鼠标驱动程序将脉冲个数转换为鼠标器的水平方向,垂直方向的位移量,从而达到移动鼠标箭头的目的 。
8.3.2鼠标器的种类目前常用的鼠标器有机械式,光电式和光机式鼠标 。
1,机械式鼠标机械式鼠标底部有一个被橡胶包裹着的金属球,紧靠着橡胶球有两个相互垂直的转轴,在转轴上装有旋转编码器和相应的电路 。 当鼠标器移动时,球便滚动,使两个转轴旋转,由编码器及相应电路可计算沿水平方向和垂直方向的偏移量 。 这种鼠标结构简单,价格便宜,操作方便,但准确度,灵敏度较差 。
2.
光电式鼠标是通过两对相互垂直的光电监视器中的光敏三极管检测发光二极管照射到鼠标下面的垫板上产生的反射光 。
该垫板是画有黑白格子的专用垫板,当发光二极管发出的光线照到黑格子上时,光线被吸收,当光线照到白格子上时,则有反光 。 随之光敏三极管依据有无反射光而产生高,低电平,形成脉冲信号 。 这种鼠标器传送速率快,灵敏度和准度高,但需用专用垫板,价格较贵 。
3.
光机式鼠标是光学机械混合鼠标器 。 它有滚动橡胶球,不需专用垫板；用两个相互垂直的滚轴紧靠橡胶球上,两个滚轴顶端都装一个边缘开槽的光栅轮 。 光栅轮的两边分别装着发光二极管和光敏三极管,用于光电检测 。 当鼠标器移动时,橡胶球滚动,
带动滚轴及光栅轮转动 。 光线通过光栅轮的开槽透光,未开槽不透光,从而使光敏三极管产生高低电平,形成脉冲信号 。
鼠标器最重要的参数是分辨率,以 dpi（ 像素／英寸 ） 为单位,表示鼠标器移动 1英寸所通过的像素数 。 一般鼠标器的分辨率为 150～ 200 dpi,高的可达 300～ 400 dpi。 若屏幕分辨率为 640× 480时,鼠标器只要移动 1英寸,则可对应屏幕
300～ 400像素的位置,基本遍历屏幕的 2／ 3。 鼠标的分辨率越高,鼠标器移动距离就越短 。
鼠标器顶部都装有 2个或 3个控制按键,3个按键的中间按键很少使用 。 一般 2个按键便可 。
8.4 显 示 器 接 口显示是一项重要的人机交互方式 。 计算机系统通过显示设备以多种方式向外部输出各种信息,如字符,图形和表格等显示计算机数据处理的结果 。 一般的计算机系统主要采用
CRT（ Cathode Ray Tube阴极射线管 ） 显示器 。 但是在一些简单或专用的微机系统中,往往只要显示数字,在这种情况下,
一般使用简单的数码管来构成系统的显示设备 。
8.4.1概述
CRT显示终端是 20世纪 70年代发展起来的技术 。 早期的显示终端内没有微处理器 。 70年代末期,超大规模集成电路技术不断成熟,使得微处理器占据了高性能和低价位两方面的优势 。
目前的显示终端几乎都用了微处理器,甚至有些终端还用了两个或更多的微处理器 。 CRT显示终端本身就是一个含有微处理器的控制系统,这是当前 CRT技术的一个重要特点 。
CRT显示器是用来显示字符和图像的,是计算机系统的标准输出设备,它与键盘合称为计算机终端,是人机交互必备的外设 。 显示器的结构及原理与电视机相似,由阴极射线管,视频放大电路和同步控制电路组成 。 彩色显示器通常是由红,
绿,蓝三枪扫描叠加而成的 。 目前也有单枪彩色显示器,它是由一个电子枪作 RGB三次扫描叠加而成的 。
随着大规模集成电路技术的发展,CRT接口采用了单片机的智能控制,并且有了大容量屏幕缓冲存储器 。 近年来的显示器对亮度,对比度,行场中心调整等因素均由原来模拟量的控制方法改为数据量控制方法,使得彩色显示器性能有了很大提高 。
视频显示器接口就是彩色图形显示器的适配器,简称显卡 。
常见的显卡有以下几种：
(1) MDA适配卡,单色字符显示接口 。
它只支持 25行 × 80列单色字符显示,不支持图形方式 。
(2) CGA适配卡,彩色图形／字符显示接口 。
它支持彩色图形和字符双重显示,但显示质量较差 。 在图形方式下,当分辨率为 640× 200时,只能显示黑白两色；当分辨率
320× 200时,可显示 4色 。
(3) EGA适配卡,增强型图形显示接口 。
当分辨率为 640× 350时,可显示 16色,显示质量比 CGA
卡高 。
(4) VGA适配卡：视频图形阵列彩色显示接口 。 颜色可达 256色 。 当分辨率为 800× 600时,可显示 16色；当分辨率为 1024× 768时,可显示 8色 。
(5) TVGA卡,全功能视频图形阵列显示接口 。
当分辨率为 1024× 768时,可显示高彩色或真彩色 。
MDA适配卡,CGA适配卡适用 XT机； EGA适配卡适用于 AT,286,386机； VGA,TVGA适配卡适用于 386,486、
586机 。
8.4.2CRT
CRT显示器主要部分是阴极射线管 。 阴极射线管由阴极,
栅极,加速极和聚焦极以及荧光屏组成 。 阴极用来发射电子,
所以也叫电子枪 。 阴极发射的电子在栅极,加速极,高压极和聚焦极产生的电磁场作用下,形成具有一定能量的电子束,
射到荧光屏上使荧光粉发光产生亮点,从而达到显示的目的 。
为了在整个屏幕上显示出字符或图形,必须采用光栅扫描方式 。 CRT显示器中有水平和垂直偏转线圈,电子枪产生的电子束通过水平偏转线圈产生的磁场后从左到右做水平方向移动,到右端之后,又立刻回到左端；通过垂直偏转线圈产生的磁场后从上到下做垂直方向移动,到底部之后,又立刻回到上面 。
由于电子束从左到右,从上到下有规律地周期运动,在屏幕上会留下一条条扫描线,这些扫描线形成了光栅,这就是光栅扫描 。 如果电子枪根据显示的内容产生电子束,就可以在荧光屏上显示出相应的图形或字符 。
光栅扫描方法一般有两种,一种是逐行扫描,一种是隔行扫描 。 隔行扫描时,要两次才能扫描完一帧 。 其中一次对所有奇数行进行扫描,一次对所有偶数行进行扫描 。
对于黑白显示器来说,内部仅仅有一个电子束；对于彩色显示器来说,内部有红 （ R）,绿 （ G）,蓝 （ B） 3个电子枪发射 3个电子束,这 3个电子束和亮度信号 I通过组合,可以得到 16种颜色 。
8.4.3CRT显示器接口显示器接口是把计算机要显示的内容变成使 CRT显示器能稳定显示的各种 CRT控制信号 。 在 IBM PC系列微机中,
CPU与显示器之间的电路就是显示适配器 。 显示适配器有两种,单色显示适配器和彩色图形显示适配器 。 它们都以 PC机插件板的形式安装在 I/O通道插座上 。
图 8 - 5 为显示适配器原理框图 。 对于单色显示适配器来说,它由 CRT控制器,显示缓冲器,数据锁存器,字符发生器,字符移位寄存器,图形移位寄存器等组成 。 对于彩色显示适配器,则需要在上述基础上再增加色彩编码器,选色和综合扫描,工作方式控制,时序产生与控制,合成彩色产生器等 。
图 8 – 5 显示适配器原理框图显示缓冲区数据锁存区字符发生器地址数据字符移位寄存器图形移位寄存器色彩编码器色彩选择工作方式控制时序产生与控制合成彩色产生器基频信号
CRT
控制器水平同步垂直同步
R
G
B
I
1.
(1) 单色显示适配器的组成及工作原理 。
① 视频控制器 （ CRTC） MC6845。
MC6845控制器是一个可编程的画面显示控制芯片,可用作执行光栅扫描和存储变换控制功能的显示器接口 。 MC6845
产生显示器扫描控制信号,显示缓冲区地址和字符发生器 ROM
地址 。 扫描控制信号包括垂直同步信号 VS和水平信号 HS； 显示缓冲区地址由 MC6845中的线性地址发生器产生；字符发生器地址由列控制逻辑产生 。
MC6845是可编程接口芯片,其编程内容包括指定每个字符的点阵和光栅数,每行字符数,光标的形式等 。 MC6845芯片内的 19个寄存器分别保存上述控制参数,其中 18个数据寄存器由 1个地址寄存器索引 。
MC6845控制器由水平定时发生器,垂直定时发生器,线性地址发生器和光标控制逻辑等组成 。 它能完成显示控制的大部分工作,IBM-PC系列机中显示适配器是以 MC6845为核心的器件 。
② 显示缓冲器 。
显示缓冲器是显示缓冲寄存器的简称 。 CPU所要显示的数据通过数据总线按先后次序存入显示缓冲器 。 一般偶数地址单元存字符的 ASCII码,奇数地址单元存该字符的属性 。 字符属性有前景,背景,亮度和闪烁 。 所谓前景和背景,指的是黑色背景,白色字符或白色背景,黑色字符 。 字符属性字节的含义如图 8 - 6 及表 8 - 3所示 。
图 8 – 6 单色属性代码的定义闪烁 背景 前景亮度
B R G B I R G B
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
③ 字符发生器 。
字符发生器的功能是产生所要显示的字符的点阵数据 。
它主要由控制逻辑电路,字符库和字符产生电路组成 。
字符库用来存放字符的点阵数据,一个存储单元存一个字符中的一行数据 。 对于 88点阵的字符,一个字符占 8个字节 。 通常字符点阵库也可叫字符发生器 。 图 8 - 7 为字符,A”
的点阵形式 。 IBM-PC的字符发生器采用 8 KB ROM存放字符的点阵数据 。 显示时,由 CRTC提供缓冲器的地址,将要显示字符的 ASCII码逐个读出,经数据锁存器到字符发生器 。
CRTC向字符发生器提供行地址后,字符发生器将点阵数据中的每行数据依次送到移位寄存器 。
图 8 – 7 字符,A”的点阵属性数据和来自移位寄存器的点阵数据被送到视频逻辑,
视频输出信号由适配器发出,送至显示器显示 。
字符发生器中除字符库外,也可以设置汉字库 。 由于汉字笔划较多,所以每个汉字一般至少要用 16× 16点阵表示；
再考虑字间隔和行间隔后,则每个汉字一般至少要用 16× 18
点阵表示,这样每个汉字的点阵占用 36个地址单元 。 汉字库所需存储容量很大,往往采用外存储设备来存储汉字库 。 计算机需要显示汉字时,再从外存储设备上读入汉字点阵码输入显示器,以显示汉字 。
(2) 单色显示适配器 I／ O端口 。
IBM-PC分配给单色显示适配器的输入 /输出口地址为
3B8H,3BAH,3B4H和 3B5H。 对相应端口的操作可设定显示器工作方式以及工作参数 。
① CRT控制寄存器 。
CRT控制寄存器用于控制显示器的工作方式,其端口地址为 3B8H。 8位控制字的含义如图 8 - 8 所示 。
② CRT状态寄存器 。
CRT状态寄存器用来保存 CRT的工作状态信息,其端口地址为 3BAH。 CPU可以用输入指令读取 CRT状态字,状态字如图 8 - 9 所示 。
其中,,CRT正在水平扫描,位用于访问显示缓冲区时对当前 CRT工作状态的判断 。 只有在 CRT处于水平或垂直回扫时,
才能向显示缓冲区写入字符及其属性,以免引起屏幕显示混乱 。
图 8-8 CRT控制寄存器
1,允许闪烁
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
1,高分辨率模式
8 0 × 2 5
1,允许视频输出图 8 –9 CRT状态寄存器
1,视频信号
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
1,CRT 正在水平扫描其中,,CRT正在水平扫描,位用于访问显示缓冲区时对当前 CRT工作状态的判断 。 只有在 CRT处于水平或垂直回扫时,
才能向显示缓冲区写入字符及其属性,以免引起屏幕显示混乱 。
③ CRT索引寄存器 。
CRT索引寄存器是 MC6845的内部地址寄存器 。 它用于寻址 MC6845内部的 18个数据寄存器,其端口地址为 3B4H。 该寄存器的格式如图 8 - 10 所示 。 CPU要访问 MC6845中的任何寄存器,首先要使用 OUT指令向索引寄存器送出索引值,再通过
CRT的数据寄存器 （ 端口寄存器地址为 3B5H） 送出各种参数 。
图 8 – 10 CRT索引寄存器
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
选择 C R T C 内部 I / O 端口
2.
彩色图形适配器也是以 MC6845为核心的部件 。 从图 8 - 5
中可以看出,与单色显示适配器相比,彩色显示适配器多了几个电路 。 下面加以说明 。
(1) 工作方式控制 。
在彩色显示适配器中有一个工作方式选择寄存器作为工作方式控制 。 在 IBM-PC机中,其端口地址为 3D8H。 在彩色图形适配器支持下,彩色图形显示器有两种工作方式：字符方式和图形方式 。
① 字符方式 。
显示器以字符为单位在屏幕上显示字母和数字 。 在低分辨率显示方式下,屏幕可显示 40× 25个字符,在高分辨率显示方式下,屏幕可显示 80× 25个字符 。
② 图形方式 。
在图形方式下,通过控制各点的亮度或颜色,显示出图形 。 IBM-PC支持两种图形显示方式：高分辨率方式和中分辨率方式 。 在高分辨率方式下,每屏显示 640（ 列 ） × 200（ 行 ）
点,每点可取黑白两种颜色 。
在中分辨率方式下,每屏显示 320（ 列 ） × 200（ 行 ） 点,
每点可取两类 4种颜色 。
图 8 - 11 为工作方式选择寄存器各位的含义 。 其低 6位有效 。 除第 3位用于表示视频信号输出的允许与否,第 5位表示字符方式下的闪烁属性外,其余 4位都用于表示显示器的工作方式 。 各种工作方式下方式选择寄存器的设定如表 8 [CD*2] 4
所示 。
图 8 – 11 工作方式选择寄存器
1,允许闪烁
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
1,6 4 0 × 2 0 0黑白图形方式
0,色彩选定
1,开视频信号
0,关视频信号
1,8 0 × 2 5 字符方式
0,4 0 × 2 5 字符方式
1,3 2 0 × 2 0 0图形方式
0,字符方式
1,黑白方式
0,彩色方式
(2) 显示缓冲器 。
彩色图形适配器的显示缓冲区为 16KB,在 IBM-PC机中,
其起始地址为内存中的 B8000H。
在彩色字符方式下,其显示缓冲区结构与单色显示缓冲区类似,字符的 ASCII码保存 于偶数地址单元,而彩色属性字节保存于奇数地址单元 。 彩色属性代码的含义如图 8 - 12 所示 。 其中背景亮度由彩色选择寄存器的 D3位决定 。 表 8 - 5为 I、
R,G,B与颜色的对应关系 。
在图形方式下,显示缓冲区不是按字节与显示内容对应,
而是一个字节对应多个显示点图像 。 在高分辨率方式下,每个字节对应 8个显示点,即一个二进制位对应一个点,这个二进制位被称为像素 。
图 8 – 12 彩色属性代码的定义闪烁 背景颜色 前景颜色前景亮度
B R G B I R G B
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
像素值决定屏幕对应显示点的亮与不亮 。 亮为 1,不亮为 0。
在中分辨率下,每个字节对应 4个显示点,即两个二进制位对应一个点 。 两位二进制数可确定 4种颜色,表示为 00～ 03,这样在中分辨率下的每个像素就可以具有彩色属性 。 当此二位为 00时,像素颜色与背景色相同,为其他值时,分别对应两个色彩组中的一种颜色,色彩组的选择由彩色选择寄存器中的 D5位确定 。
显示缓冲区的 B8000,0000H~B8000,1F3FH对应屏幕的偶数扫描行 （ 2,4,…,198） ；而显示缓冲区的 B8000：
2000H~B8000,3F3FH对应奇数扫描行 （ 1,3,…,199） 。
(3) 彩色选择 。
无论彩色字符显示方式还是彩色图形显示方式都涉及到彩色选择设定 。 在彩色显示适配器中由彩色选择寄存器确定彩色图形显示器的色彩选择,在 IBM-PC机中,其端口地址为
3D9H,寄存器格式如图 8 - 13 所示 。
在不同的工作方式下,彩色选择寄存器各位的意义有些差别：
D0～ D3在彩色字符方式下,代表屏幕上矩形显示区边界颜色 。 每个字符本身的显示颜色以及它所在屏幕的底色,并不是由彩色选择寄存器中的 I,R,G,B所决定的,而是由每个字符的属性字节的内容决定的 。 在 320× 200分辨率图形方式下,它表示背景的亮度和颜色 。 I,R,G,B可以组合成表
8 - 5 所示的 16种不同的颜色 。
图 8 – 13 彩色选择寄存器
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
中分辨率图形方式下彩色组选择
0,第一色彩组
1,第二色彩组彩色选择亮度字母/ 数字方式下背景亮度
D4在字符方式下用来选择背景亮度,它和字符属性字节中的 D4～ D6一起决定背景的颜色 。 D5在 320× 200彩色图形方式下,不同像素值对应选择第一色彩组和第二色彩组的颜色,
如表 8 - 6 所示 。
(4) 色彩编码器 。
彩色选择寄存器的值和显示缓冲器内的彩色属性码送到色彩编码器 。 在色彩编码器内合成后,输出 R,G,B,I4 个控制信号,其中,R,G,B3 个信号控制彩色 CRT的 3 个控制栅极； I信号控制 CRT的亮度 。
例如,显示缓冲器输出的属性字节 （ 来自奇数单元 ） 为
0EH,那么色彩编码器输出端上的 R和 G端有脉冲信号,B端无脉冲信号,结果,有脉冲信号的两个控制栅极使电子束增强,
所对应的红色和绿色荧光小点发光,无脉冲信号的控制栅极使电子束变弱,所对应的蓝色荧光小点不发光 。 根据表 8 - 4
的规定,红色和绿色荧光合成黄色光点 。
3,彩色图形适配器的 I/O端口彩色图形适配器包括 5个 I／ O寄存器,它们分别是索引寄存器,数据寄存器,工作方式选择寄存器,彩色选择寄存器和状态寄存器 。 CPU通过输入 /输出指令访问这些寄存器,以完成对彩色图形显示器的控制 。
索引寄存器和数据寄存器与单色图形适配器的作用相同,
其端口地址分别为 3D4H和 3D5H。
工作方式选择寄存器和彩色选择寄存器在前面已做了说明,在此不再赘述 。 状态寄存器用于标志彩色图形显示器的工作情况 。 其中 2位用于光笔标志 。 状态寄存器的端口地址为 3DAH,格式如图 8 - 14 所示 。 图 8 - 14 中 D0位和 D3位的含义与单色显示器一样 。 D0位用来指出 CRT显示器是否处在水平扫描或垂直扫描的回扫期,若是,则 CPU可以向显示缓冲区中送入新的显示信息而不影响屏幕画面； D3位是字符显示时视频输出信号的瞬间状态,目的是检查是否有视频信号输出,以便于系统的故障诊断与分析 。
图 8-14 彩色图形适配器状态寄存器
1,视频信号输出
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
0,光笔开关接通
1,正在水平扫描
1,光笔触发置位
4,显示适配器与 CRT
显示适配器与 CRT的接口从其信号形式可分为两大类：
数字信号接口和模拟信号接口 。 所谓数字信号接口,是指显示适配器送往 CRT显示器的信号为数字信号 。 如前所述的彩色显示适配器,它用数字信号 I,R,G,B来控制显示的色彩,
只能显示 16色 。 要增加显示的颜色数,必须增加接口信号线,
这使得接口信号不易规范 。 以前的 CGA和 EGA显示系统采用的就是这种 TTL方式的 9针数字信号接口 。
目前,绝大部分显示系统采用的是模拟信号接口 。 在模拟信号接口中,显示适配器只需 3路信号线向 CRT显示器传送表征显示颜色的模拟信号,模拟信号的幅值范围为 0～ 5V，
不同的幅值表示不同的颜色深度 。 由于模拟信号的连续性,
这 3个信号可以组合出无限的颜色 。 目前的 VGA和 TVGA显示系统采用的就是这种 15针模拟信号接口 。
图 8-15 为模拟显示原理图 。 其中视频 DAC把表示颜色的数字信号转换为模拟信号后向模拟显示器输出 。
图 8 –15 模拟显示原理图
C P U
显示处理器显示存储器视频
D A C
模拟显示器
8.5 打 印 机 接打印机是计算机系统中标准的输出设备之一 。 它可打印字符,字母,数字,图形和表格 。 打印机种类很多,按打印原理可分为击打式打印机和非击打式打印机 。
击打式打印机是用机械的方法,使字符击打色带和打印纸,则纸上印出字符 。 非击打式打印机不是用击打方式打印字符,而是通过激光,喷墨,静电,热敏等方式,将字符印在打印纸上,也称为印字机 。
8.5.1
目前常见的非击打式打印机有如下 5种 。
1.
使用很细的喷嘴,把印字的墨水喷在纸上完成印字 。 它有纵列 28点的墨水喷嘴,在点阵中要印出墨点的相应位置的墨水微粒不带电；而不印墨点的位置的墨水微粒带电 。 这样当墨水微粒经过电场时,带电的微粒被吸附下来；未带电的微粒按点阵字的形式凝集在纸上形成字符 。 当打印时,黑,
红,黄,绿色墨水一起喷点,则可形成漂亮的彩色打印,
这种印字机字迹清晰,美观,速度快 。
2,激光打印机通过激光技术和电子照相技术完成印字 。 它是一种高精度,高速度,低噪声的非击打式打印机 。
激光打印机的基本工作原理,如图 8 - 16 所示 。 它主要由激光扫描系统,电子照相系统和控制系统三部分组成 。 激光扫描系统主要作用是使激光器产生的激光经调制后,变成载有字符或图形信息的激光束,该激光束经扫描偏转装置在感光鼓上扫描,形成,静电潜像,。 电子照相系统把带有
,静电潜像,的感光鼓接触带有相同极性电荷的干墨粉,鼓面被激光照射的部位,将吸附墨粉,便显影图像 。 该图像转印在纸上,经红外线热辐射定影后,使墨分子渗透到纸纤维中 。
图 8 – 16 激光打印机工作原理激光器调制激光束 偏转装置有静电潜像感光鼓电子照相红外线热幅射定影调制与驱动电路纸输入纸输出控制系统包括激光扫描控制,电子照相系统控制,缓冲存储器和接口控制等 。 控制系统完成接收和处理主机的各种命令和数据,以及向主机发送状态 。 激光打印机打印速度可达每分钟 2000行,是目前打印机中最快的一种 。
3,热敏打印机热敏打印机印字头由点阵式的发热元件组成 。 其特点是低功耗,低噪音,低价格 。 根据其印字原理,可分成两种类型 。
热敏纸印字机：当发热印字头与热敏纸接触后,点阵发热部分便使纸上变为黑点,实现印字 。
热传导印字机,这种印字机的色带上涂有很细的蜡制颗粒,蜡膜内装有渍墨 。 当发热印字头与热敏色带接触后,色带受热,蜡膜熔化,油墨就打印在纸上 。
4,液晶印字机液晶印字机是由产生均匀单色光的灯和液晶器件的光开关代替激光部件的印字机 。 通常液晶分子排列无序,也不透光 。 在电场作用下,可沿场强方向作定向排列,便可以透光 。
液晶光开关将光聚焦成清晰的图像,射到感光鼓上 。 其工作原理与激光印字机相似 。 该印字机精度高,造价低,寿命长 。
5.
类似于热敏纸印字机 。 其印字头是静电元件,打印纸为静电感应纸 。 打印时,行先在打印纸上加上高压,形成静电荷潜影；然后,通过静电吸附原理吸附有色物质,形成图像；
最后经过定影,得到固定的字符和图形 。
8.5.2击打式打印机目前虽流行各式各样的打印机,然而仍以击打式打印机为主 。 常见的击打式打印机有如下 6 种 。
1,点阵打印机在目前流行的打印机中仍以点阵打印机为主流,点阵打印机主要优点是成本低,字迹清晰,维修方便,缺点是噪音大 。
点阵式打印机的打印头是一列打印针头组成的,打印针头有 9
针,16针,24针等几种 。 打印时,打印针头横向移动,进行一列一列地纵向打印字符点阵,一行字符点阵打印完毕,走纸一行 。
点阵打印机分为字符和图形两种打印机,其中 16针,24针一般都属于图形的打印机 。 图形打印机可用于汉字打印 。
点阵打印机的结构主要由带动打印头的步进电机,走纸步进电机,色带及接口控制电路组成 。 接口控制工作原理如图 8
- 17 所示 。
接口控制电路的功能是接收系统的打印数据,返口打印机状态 。 系统向打印机输出数据有两种：一种是可打印的
ASCII码；另一种是控制字符,如回车符,换行符,制表,走纸等等 。 前一种数据,直接送至打印行缓冲器；后一种数据送至输入控制电路,然后,该电路向打印时序控制电路发送信息,
产生相应控制信号和相应的动作 。
字符打印过程如下：主机检查打印机状态,若打印机处于,忙,,则主机等待；若处于,不忙,,则主机输出数据同时发送,选通信号,。 主机输出的数据经打印接口的输出缓冲器送至打印行缓冲器 。
图 8 – 17 点阵打印机控制逻辑框图字符代码接口控制电路输入控制电路
DB
选通响应忙打印行缓冲器
R A M
地址计数器时序控制逻辑字符发生器
R O M
列计数器字符点阵列信息驱动电路
送打印针头走纸信息同时,地址计数器加 1,向主机发,响应信号,,通知主机可发送下一个数据,如此重复传送数据,直至主机发出行结束或输入缓冲器满时,接口电路回答,忙,信号,则主机停止发送数据,打印机进入打印阶段 。
当接口电路处于忙状态时,主机不再传送数据,打印机开始打印 。 先在行缓冲器中取一个 ASCII码,作为字符发生器的高位地址,列计数器作为字符发生器的低位地址,从字符发生器取出字符一列点阵信息,送至驱动电路,驱动打印针头,打印出相应的字符一列的点迹 。 每打印 1列,列计数器加
1,字符发生器依据列计数器的值,依次取出字符点阵各列信息 。 打印一个字符点阵后,地址计数器加 1,再取出下一个字符打印 。
打印头在打印时序电路控制下,自左向右边打边移动,
一行打印完后,发控制走纸一行信息 。 打印头返回到最左端,
这样开始输入新一行数据 。
图形打印时,主机发送的打印数据本身是点阵数据,存放在行缓冲器中 。 行缓冲器中的点阵码数据直接送到驱动器,
控制打印头的动作 。 不需要从行缓冲器到字符发生器之间的代码变换 。
2,转鼓打印机打印机的字符都设置在圆柱形的鼓面上 。 径向的每一行都是相同字符,圆周方向上是一套字符 。 打印时通过鼓的旋转选字符,然后打字键把纸和色带压在字符上,字便可印出来 。
3,球式打印机打印机字符刻在球的表面上,按环状排列,字符的选择是通过球旋转和转轴倾斜实现的 。 选定字符后,击打纸和色带,实现印字 。
4.
打印字盘像个扁平的菊花瓣,每个菊花瓣末端压制一个字符 。 字盘铸在可横向移动的轮子上,当菊花轮移至打印位置并选定打印字符后,击键将字符印在纸上 。
5.
打印字符压制在由两个齿轮带动的链条的外缘上,通过链条的移动实现选字 。 击打使纸和色带与链条上的字符接触实现印字 。
6.
打印机有个字轮,轮上有各种字符,每个字符位置配个转轮,每个转轮被控制转到预定的位置,然后整行打印 。
8.5.3打印机接口控制主机和打印机之间数据传输,既可用并行方式,也可用串行方式 。 因此,主机既可使用并行接口连接打印机,也可使用串行接口连接打印机 。
并行打印机通常采用 Centronics并行接口标准,如表 8 - 7
所示 。 该标准定义了 36脚插头座 。 而 PC／ XT的并行接口通常采用 25脚的口型插座,如图 8 - 18 所示 。 一般并行输出时,
使用 36芯插座； 串行输出时,使用 25芯插座 。
表 8-7 Centronics 并行接口标准主机
DB
AB
I O R / I O W
并行接口
25
脚
36
脚并行打印机图 8-18 并行打印机信息传送示意图图 8 - 19 给出并行打印机接口逻辑图 。 当主机要向打印机写数据时,由命令译码器产生的控制信号将数据经,数据发送／接收器,送至输出数据寄存器等待写入打印机,同样主机向打印机发送命令时,欲写入的控制信号通过,发送／
接收器,送至控制寄存器；反之,主机欲读状态寄存器时,
状态寄存器内容经,数据发送／接收器,传送至主机 。
(1) 并行接口内的寄存器 。
并行接口内部逻辑共设有 3个寄存器端口：数据寄存器,
控制寄存器和状态寄存器 。 主机依据端口的地址进行 5种操作：
读／写数据寄存器,读／写控制寄存器和读状态寄存器 。
数据端口：主机可通过对该端口的写操作将打印数据送至打印机； 或者通过该端口读操作将打印机的数据读到主机 。
图 8-19 并行打印机接口逻辑框图数据接收发送器
DB
命令计码器输入数据缓冲器读数据写数据控制寄存器写控制
A E N
A
9
～ A
0
I O R
I O W
读控制状态寄存器读状态输出数据寄存器
DB
打印机命令状态控制端口,主机通过对该端口的读／写操作,完成对控制寄存器的访问,控制寄存器 8位的定义如下：
① 主机要打印数据时,首先查 BUSY。 当 BUSY＝ 0,打印机不忙时,主机才能把数据送到数据总线上 。
② 数据送到 DATA线之后,发选通信号,以便通知打印机 。
③ 打印机收到选通信号,便发,忙,信号接收数据； 存入行缓冲器之后,打印机发响应信号 （ 宽度为 5 μs的负脉冲 ）,
表示打印机准备好,可接收新数据 。
④ 响应信号的上升沿清,忙,信号,以便通知主机再向打印机传送数据 。
(3) 串行接口连接的打印机 。 主机采用串行接口连接的打印机是串行打印机 。 串行打印机是由并行打印机再加上输入缓冲器和串行接口组成的,如图 8 - 21 所示 。
图 8- 21 主机与串行打印机连接示意图主机
T X D
D S R 串行接口并行打印机串行接口
R X D
D TR
输入缓冲器数据选通响应忙串行打印机通常在打印的同时,主机仍可以向打印机传送数据 。 为此,要求输入缓冲容量较大,但是由于主机传送数据比打印数据的速度快,因此,会出现输入缓冲器满的现象 。
当输入缓冲器满时,由打印机的 引脚发出未准备好信号,
送至主机的串口 DSR引脚,主机接到此信号便停止发送数据 。
DTR
8.6 磁盘接口
8.6.1
1,磁表面存储的基本原理任何一个磁记录过程都可以看成一个电磁转换的过程,
这个过程是通过磁头及其做相对运动的磁记录介质 （ 称为媒体 ） 的相互作用来实现的,如图 8 - 22 所示 。 图 8 - 22 中,
磁头是由铁芯和铁芯上的线圈等组成 。 铁芯的下方靠近记录介质的地方开有很窄的缝隙,称为前隙 。 磁记录介质涂敷在非磁性衬底上 。
图 8 –22 磁记录原理示意图
S - N N - S S - N N - S S - N N - S S - N N - S
～
电流信号磁头磁层介质基底
S - N N - S
当磁头线圈中通以电流时,就在铁芯及前隙附近空气中产生磁场,使磁头下方的磁记录介质被磁化 。 磁化状态随电流的变化而变化 。 这样,电流所代表的信息 （ 可以是声音,
图像,数码等 ） 就通过磁性介质永久地保存下来 。 当需要将这些信息再现时,介质上已记录信息的磁化单元在磁头下运动,使通过磁头线圈中的磁通发生变化 。 根据电磁感应定律,
它可使线圈中感应出电动势并转化成电流 。 再经一系列变换,
则可还原为原来输入的信息 （ 如声音,图像,数码等 ） 。
根据记录信号的不同,磁记录可分为模拟磁记录和数字磁记录两种 。 (1) 模拟磁记录：被记录的信号是连续的模拟信号,记录介质上留下的是连续的上弦波磁化分布 。
(2) 数字磁记录,被记录的信号是脉冲信号,记录介质上留下的是一连串等距或不等距的饱和磁化翻转 。 这种磁记录主要要求磁化翻转快,读出可靠,重写性好等,多用于计算机外存储设备中的数字信号记录 。
2.
在进行数字磁记录时,信息的写入是一个电磁转换过程 。
它将二进制数据按特定规律转换成相应的磁化反转 。 这种规律就称为记录编码 。 记录编码对外存储设备的数据记录密度,
读出可靠性和存储速度有较大的影响 。
主要的记录编码方式有：见 1就翻的不归零制 （ NRZI）,
调频制 （ FM） 与改进调频制 （ MFM） 和三单元调制码等 。 有关编码方式的具体内容,本书不做详细讨论 。
8.6.2
软磁盘存储器由软磁盘机与控制器组成 。 软磁盘机在控制器的控制下,完成数据的读出与存储 。 它包括软磁盘驱动器
（ 简称 FDD） 及记录媒体软磁盘片 。
1.
图 8 - 23 是软磁盘驱动器 （ 以下简称 FDD） 的组成结构示意图 。 下面对其工作原理做简单的说明 。 盘片插入驱动器后,
被定位和夹紧在主轴的驱动轮上,当要进行读写操作时,主轴电机控制系统控制主轴电机带动盘片匀速旋转,同时,定位系统控制步进电机带动磁头沿盘片径向运动,进行寻道操作,
以定位在目标磁道上 。 定位以后,读写抹电路分别完成读写操作 。 在写操作时,抹电路控制抹磁头对写入时不整齐的磁化区域进行修整,以消除磁道间的干扰 。
图 8 – 23 软磁盘驱动器软盘控制器读/ 写/ 抹电路定位系统主轴电机控制系统步进电机读电压磁头写电流
00 道信号主轴电机转速写保护软盘片索引
(1) 软磁盘控制器 。
FDC接收 CPU的命令向 FDD发出控制信号,可控制 FDD
按规定的数据格式写入软磁盘或从磁盘读出数据 。 其组成部分如图 8 - 24 所示 。
软磁盘控制器控制芯片：它可以接收 CPU的 8位并行数据,并转换成对 FDD的串行写数据信号 。 也可以接收从 FDD
读出的串行数据,并转换成 8位并行数据,传送给 CPU。 数据传送方式可采用 DMA或非 DMA方式 。
译码电路,用来产生 FDD选择信号 。
锁相电路,对来自 FDD的读出数据提供检读窗口 。
写补偿电路,用来减小读出数据峰点漂移。
图 8 – 24 IBM PC/XT FDD接口及控制器组成示意图系统总线
F D C
控制芯片
I
O
W
R
I
O
R
D
D
0
～
D
7
I
R
Q
6
D R Q
2
D A C K
2
T / C
US
0
US
1
译码电路
DS
0 ～
DS
3
锁相电路
M F M
VS
DW
RD
RD
写补偿
PS
0
PS
1
WD
WD
FD
R A M
写补偿电路,用来减小读出数据峰点漂移 。
(2) 软磁盘控制器与 CPU的接口 。
FDC与 CPU的接口是 I/O通道 。 除了通常的数据信号,地址信号,读写信号,中断请求信号等控制信号外,由于主机和 FDD常采用 DMA数据传送方式,因此还用到 I/O通道中的
DRQ2,DACK2,T/C信号,它们分别表示 DMA请求,DMA
确认,计数结束 。
采用 DMA传送方式进行数据传送时,FDC向 DMA控制器发出 DMA请求信号 DRQ,DMA控制器再向 CPU发出总线请求,
获得总线使用权后,DMA控制器向 FDC发出 DMA确认信号
DACK,开始进行数据传送 。 传送结束后,DMA控制器向
FDC发出计数结束信号 T/C。
8.6.3
与软磁盘存储器相比,硬磁盘存储器存储容量大,存取速度快,作为主要的外存储设备,广泛应用于计算机系统中 。
1,硬磁盘驱动器的组成结构及工作原理图 8 - 25 是硬磁盘驱动器 （ 简称 HDD） 的组成结构示意图 。
它主要由磁头定位系统,主轴系统,控制及读写电路组成 。
目前,HDD普遍采用温彻斯特技术 。 该技术有两个特点：
一是采用全密封的头盘组件 （ HDA）,即把盘片,磁头,磁头小车等全部密封在一个超净的盘盒内,主轴电机直接带动盘片旋转； 二是采用轻质浮动磁头,在 HDD工作时,靠盘片旋转时产生的气流浮在盘片上,磁头与盘片的间隙只有亚微米级 。
图 8 – 25 硬磁盘驱动器逻辑结构示意图硬盘控制器音圈电机驱动电路音圈电机磁头小车控制电路板 H D A 组件读写电路磁头电路前置放大接口电路
D S P
主轴电机驱动电路主轴电机反馈信号
2.
与软盘控制器相同,硬盘控制器是 HDD与 CPU之间的接口 。
随着磁记录技术和集成电路技术的发展,目前的 HDD已部分包括了以前硬盘控制器的功能 。 硬盘控制器应该具有以下功能：
① 接收主机 CPU的命令,并对命令进行译码,以产生相应的控制信号,控制 HDD完成相应的操作 。
② 向 CPU提供命令执行结果及各种状态信号 。
③ 完成主机与 HDD间的 DMA数据传送。
(1) 硬盘控制器与 CPU的接口 。
硬盘控制器中的 I/O接口逻辑,实现硬盘控制器与 CPU
的连接 。 实现控制器与 CPU之间的信息传递 。 除地址线,数据线外,还要用到一些控制信号线和状态信号线 。
(2) 硬盘控制器与 HDD的接口 。
硬盘控制器与 HDD的接口标准多采用的是 SCSI和 IDE
标准 。
SCSI标准不是 HDD的接口标准,而是一种系统级的标准通用接口标准 。 它主要用于磁盘与主机的信息交换,同时也用于 CD-ROM,SCANNER,计算机网络,多媒体系统等 。
目前硬盘控制器与 HDD的接口标准大多采用 IDE标准 。
IDE接口采用 16位数据并行传输,工作速度快 。 以前的 IDE接口只适用于容量在 528 MB以下的 HDD。 为克服这个限制,
提出了 ATA-2,ATA-3.x 和 ATA-4.0 等标准,即 E-IDE
（ Enhanced IDE） 标准 。 这些标准不仅可以使 IDE接口适应大容量硬盘,而且进一步提高了传输速度 。
8.2 键盘接口
8.3 鼠标器接口
8.4 显示器接口
8.5 打印机接口
8.6 磁盘接口第 8章 人机接口返回主目录第 8章 人机接口微型计算机系统中,根据外部设备在计算机系统中的作用,将其大致分为 4类：输入／输出设备,外存储器,终端设备,脱机设备 。 输入／输出设备是计算机系统的重要组成部分 。 输入设备把程序,原始数据,操作命令传送给 CPU。 输出设备则将 CPU处理的中间数据和最终结果以人们可以接受的数字,字符,图形等形式记录或显示出来 。
8.1 概述常用输入设备有键盘,鼠标；输出设备有显示设备,打印机 。 随着计算机多媒体技术的发展,输入,输出设备种类越来越多 。 如光学字符识别设备,图形数字化仪,图像扫描仪,
声音输入／输出设备,触摸屏等 。 这些设备使计算机系统以更接近人类感知外部世界的方式输入或输出信息,使计算机更加人性化 。
目前常用的外存储设备主要有磁表面存储设备,如磁带机,
软磁盘存储设备,硬磁盘存储设备 。 磁表面存储设备不仅记录密度高,容量大,成本低,且存储信息不易丢失,可重复读写且读写速度快 。 此外,由于光存储设备具有容量高,成本低,
盘片可换的特点,因而也得到了广泛应用 。
8.2 键盘接口键盘是计算机系统的标准输入设备,它由排列成矩阵形式的按键组成 。 PC系列微机的键盘有 83键,84键的标准键盘和
101键,102键的扩展键盘两种 。 其中 XT和 AT机使用的是标准键盘,286机,386机和 486机使用的是扩展键盘 。 586机使用的是 104键键盘 。
8.2.1PC系列键盘特点
PC系列键盘具有两个基本特点：
① 按键开关均为无触点的电容开关 。 它通过按键的上下动作,使电容量发生变化,来检测按键的断开与接通 。
② PC系列键盘属于非编码键盘 。
按键盘功能,可把键盘分为编码键盘和非编码键盘。
编码键盘：使用这种键盘时，当有键按下，系统可以自动检测,并能提供按键对应的键值。这种键盘接口简单，使用方便，但价格较贵。
非编码键盘：这种键盘只简单提供键的行列位置 （ 位置码或称扫描码 ）,按键的识别和键值的确定等工作由软件完成 。
PC系列键盘不是由硬件电路输出按键所对应的 ASCII码值,
而是由单片机扫描程序,并识别按键的当前位置,然后再向键盘接口输出该键的扫描码 。 按键的识别,键值的确定以及键代码存入键缓冲区等工作全部由软件完成 。
8.2.2
我们把 PC系列键盘视为二维矩阵的行列结构,键盘的识别采用的是行列扫描法,如图 8 - 1 所示 。 键盘扫描程序周期性地对行列结构的按键进行扫视 。 根据回收的信息,确定当前的行,列位置码 。
行列扫描法工作过程,7位计数器处于定时工作方式,每
96 μs加 1。 计数器输出分别送至两个译码器 （ 行译码和列译码 ）,高 4位译码形成 Y0～ Y15共 16行扫描驱动线；低 3位译码形成 X0～ X7共 8列扫描驱动线 。 由于计数器的特点,列扫描驱动线随着时钟而步进 1列；行扫描驱动线是经过 8个时钟而步进 1行 。
图 8- 1 行列扫描法
Y
15
…
…
…
…
… …
检测器
4 / 1 6
译码器
Y
1
Y
0
X
7
3 / 8
译码器
X
0
…
计数器键已按假设计数器初值为 0,则行译码 Y0为高电平,经反向为低电平 。 此时,随着计数器的步进,列扫描驱动线也随之步进 1列,依次检查 X0～ X7这 8列有无键按下 。 如果无键按下,
经过 8个时钟之后,行译码 Y1成为低电平,则检查 Y1行的
X0～ X7这 8列有无键按下 。 重复上述过程 。 一旦发现有键按下,检测器便有信号输出,此时,计数器的值即为键扫描码的值 。
8.2.3工作原理及键盘接口
1,键盘工作原理
PC系列键盘主要由 8048单片机,译码器和 16行 × 8列的键开关阵列三部分组成,如图 8 - 2 所示 。
8048单片机承担了键盘扫描,消抖并生成键扫描码,对扫描码进行并串转换,并将串行的键扫描码和时钟送到主机 。
单片机中的计数器用于定时工作方式,每 96 μs计数器增 1。
P20输出一个选通信号时,则行,列译码电路开始工作 。 8位计数器的 b6～ b3位和 b2～ b0位,经 DB总线送至键盘阵列的行扫描,
列扫描译码电路,进行行列扫描 。
图 8 –2 键盘硬件逻辑图
8 0 4 8
V
CC
V
DD
V
SS
4 5 r
I N T
EA
X
1
X
2
P
20
4 / 1 6
译码器选通
DB
6 ～ 3
1 6 × 8
键盘阵列
Y
0
Y
15
…
3 / 8
译码器
DB
2 ～ 0
析测器
…
X
0
X
7
…
T1
R E S
P
21
P
10
双向时钟 ( C L O C K )
P
22 双向数据 ( D A T A )
P
11
1 3
4 5
2
5V
检测电路检测有无键按下,并将检测信号送至 8048的 T1脚 。
若有键按下,此时计数器的低 7位的值为键扫描码,计数器最高位输出为 0,8位键扫描码经 P22串行输出 。 由 DATA线以异步串行方式,将按键的扫描码送至键盘接口,在扫描码输出的同时,
P20输出时钟信号 。
8048最多可存 20个键扫描码,P11,P10分别用于请求输入和命令输入 。 当键按下时,键盘向接口发送的是 1字节的扫描码 。
当键抬起时,键盘向接口发送的断开的扫描码是 2字节,也就是在接通扫描码前,再加 F0字节 。
2.
PC键盘接口安装在系统板上,通过五芯插头座与键盘相连,接口硬件逻辑如图 8 - 3 所示 。
图 8 – 3 扩展键盘接口硬件逻辑图
8 0 4 2
V
CC
V
DD
SS
＋ 5V
P R O G
V
SS
RD
R E S E T
T E S T
0
P
14
P
20
跨接器开关
EA
WR
CS
I O R
I O W
片选
A
0
A
2
R E S E T
P C L K
P C L K
X T A L T
1
X T A L T
2
键盘时钟
T E S T
1
键盘数据
P
27
P
26
1 3
4 5
2
＋ 5V
P
13 ～
P
10
NC
P
15
R E M S E L
P
16
P
17
显示器类型开关键盘锁定开关
S Y N C NC
RC
P
21
A
20
P
22
NC
P
23
NC
P
24
输出缓冲器满
8 2 5 9
I R Q 1
P
25
NC
D
7 ～
D
0
I N T R
C P U
A S C I I 码键缓冲区
R A M
1
1
1
1
1
键扫描码系统复位选通
PC键盘接口采用 8042作为键盘的智能接口 。 Intel 8042是个有 40引脚的单片微处理器,它包括 8位 CPU,2 KB的 ROM、
128 B的 RAM,两个 8位 I／ O端口,一个 8位定时／计数器和时钟发生器 。
(1) 8042芯片各引脚作用如下：
① 时钟信号 。
XTALT1和 XTALT2外接晶体振荡器和 LC电路或直接输入时钟信号,以确定振荡频率 。
SYNC输出时钟信号 。 每个指令周期输出一次,可用作选通输出信号或单步操作输入信号 。
② 复位与片选信号。
,低电平有效的复位信号 。
,低电平有效的片选信号 。
③ 控制信号 。
,低电平有效的读信号,允许 CPU读 。
,低电平有效的写信号,允许 CPU写 。
A0,最低位地址输入信号 。 当 A0＝ 0 时,进行数据传送；
当 A0＝ 1时,进行命令传送 。
PROG：用于芯片编程脉冲输入信号 （ 此时 VDD＝ 21V） 。
如果访问 I／ O扩展器 8243时,该引脚作为地址数据选通信号 。
SS为低电平有效的单步信号,当它与 SYNC引脚相连时,则芯片进入单步运行状态 。
WR
RD
CS
RESET
EA：允许外部访问信号 。 用于芯片的仿真,测试或
ROM校检 。 不用时接地 。
TEST0,TEST1：用于供测试条件的输入定时信号 。
④ I／ O端口 。
P17～ P10,P1口 8条 I/O引脚 。
P27～ P20,P2口 8条 I/O引脚 。
⑤ 电源与地线 。
VCC,5 V电源
VDD,电源正常操作接 5 V,编程时接 21 V。
VSS,地线 。
(2) 键盘接口功能如下：
① 接收键盘输出的键扫描码 。
接口通过 TEST0和 TEST1两个引脚分别接收由键盘传来的时钟信号和数据信号 。 TEST1是在键盘时钟同步下接收数据的 。 数据信号是异步串行格式,第一位是起始位,第 2～ 9
位是 8位键扫描码 （ D0在前,D7在后 ）,第 10位是奇偶校验位,11位是停止位 。
当键盘接口接收串行数据,完成串并转换,奇偶校验正确后,接口将键扫描码转换成系统扫描码,并保存在输出缓冲器中 。
② 产生键盘中断 。
当系统扫描码送入输出缓冲区后,输出缓冲器满置位,
P24引脚为高电平 。 用此信号作为键盘中断请求信号 （ IRQ1） 。
当 IRQ1被 CPU响应后,则系统调用 9号中断服务程序进行键盘代码处理转换,最后存入键盘缓冲区 （ RAM） 。
键盘中断服务程序先从输出缓冲器中读取键盘扫描码,
然后对按键进行识别 。 为了确保 CPU读取扫描码,在读数期间,键盘控制器强制时钟线为低 。 禁止键盘输出下一个键盘扫描码 。 当输出缓冲器为空时,时钟线变高,又重新允许键盘输出扫描码 。
③ 接收并执行系统命令 。
键盘接口通过 P26,P27把系统发给键盘的命令送至键盘 。
键盘接收命令后,在指定的时间内作出响应 。
3.
计算机系统通过两个中断与键盘发生联系,一个是硬件中断 09H,另一个是软中断 16H。
(1) 9号中断 。
9号中断是由按键动作引发的硬件中断,对键盘上所有的键给予定义 。 它对键盘上 8个特殊键,Ctrl,Alt,Shift-L、
Shift-R,Num Lock,Scroll Lock,Caps Lock,Ins只建立标志状态,控制后续键代码生成；对其他键均可以完成把键的扫描转换为两个字节的 ASCII码或扩展码,送到内存 BIOS数据区中的键盘缓冲区 。
9号中断完成两种转换：
① 把键扫描码转换成为 ASCII码,则低字节为 ASCII码,
其高字节是系统的扫描码 。
② 把键扫描码转换为扩展码,其低字节为 0,高字节对应值为 0～ 255。 通常功能键和某些组合键对应的是扩展码,如表
8 - 1 所示 。
这两种各自独立的中断程序,借助于键盘缓冲区作为中间媒介来传递键符 。
(2) BIOS INT 16H。
INT 16H软中断用于检查是否有键输入,并完成从键盘缓冲区取出键值的操作 。 INT16H软中断共有 3个子功能,如表 8 -
2 所示 。
这两种各自独立的中断程序,借助于键盘缓冲区作为中间媒介来传递键符 。
(3) 键盘缓冲区的作用 。
① 实现键盘实时输入要求 。
用户按键完全是随机实时的,与主机运行是异步的 。 开辟键盘缓冲区可实现随机实时键入的要求 。
② 满足随机应用的需要 。
应用程序需要的键值时间不一定与按键同步 。 键盘缓冲区可事先存放应用程序所需的全部键符 。 此外,盘缓冲区还可满足快速操作员键入的要求 。
键盘缓冲区是由 16个字组成的先进先出循环队列 。 键盘缓冲区的循环队列形式由软件实现 。 进队列由中断 9H处理程序完成； 出队列由 INT 16H程序来完成 。 为此,循环队列需要设置头,尾两个指针 。 头指针 Head总是指向缓冲区最早压入的键符位置,尾指针 Tail总是指向最后压入的键符的下一个位置,如图 8 - 4 所示 。
队列操作如下：
进队列,键符进入尾指针 Tail所指向的单元 。 同时调整尾指针,指向下一单元 。 当尾指针指向队列末端时,则返回到队列始端 。
出队列,键符从头指针 Head指向的单元中取出,同时调整头指针,指向下一单元 。
图 8 – 4 键盘缓冲区循环队列示意图
0
键符
1
2
B u f f e r
H e a d ( 队列头)
由 I N T 1 6 H
取键符
…
由中断 9H
送键符
15
T a i l
键缓冲区队列结构
H e a d
T a i l
队列一般情况键符
H e a d
T a i l
队列空
H e a d
T a i l
队列满当头指针指向队列末端时,则返回到队列始端 。
队列空,当头指针和尾指针相等时,表明队列己空,无键符可取 。
队列满,当尾指针修正为新的尾指针之后,它与头指针相等,表明队列己满,键符不能再存进键盘缓冲区 。 键盘缓冲区共占 32字节,当尾指针 +2等于头指针时,为队列满,故键盘缓冲区最多可存 15个键符 。
8.3 鼠 标 器 接 口
8.3.1
鼠标器通常通过微机中的串行口与主机连接 。
当在平面上移动鼠标器时,把鼠标器移动的距离和方向转换成两个脉冲信号传送给计算机,计算机鼠标驱动程序将脉冲个数转换为鼠标器的水平方向,垂直方向的位移量,从而达到移动鼠标箭头的目的 。
8.3.2鼠标器的种类目前常用的鼠标器有机械式,光电式和光机式鼠标 。
1,机械式鼠标机械式鼠标底部有一个被橡胶包裹着的金属球,紧靠着橡胶球有两个相互垂直的转轴,在转轴上装有旋转编码器和相应的电路 。 当鼠标器移动时,球便滚动,使两个转轴旋转,由编码器及相应电路可计算沿水平方向和垂直方向的偏移量 。 这种鼠标结构简单,价格便宜,操作方便,但准确度,灵敏度较差 。
2.
光电式鼠标是通过两对相互垂直的光电监视器中的光敏三极管检测发光二极管照射到鼠标下面的垫板上产生的反射光 。
该垫板是画有黑白格子的专用垫板,当发光二极管发出的光线照到黑格子上时,光线被吸收,当光线照到白格子上时,则有反光 。 随之光敏三极管依据有无反射光而产生高,低电平,形成脉冲信号 。 这种鼠标器传送速率快,灵敏度和准度高,但需用专用垫板,价格较贵 。
3.
光机式鼠标是光学机械混合鼠标器 。 它有滚动橡胶球,不需专用垫板；用两个相互垂直的滚轴紧靠橡胶球上,两个滚轴顶端都装一个边缘开槽的光栅轮 。 光栅轮的两边分别装着发光二极管和光敏三极管,用于光电检测 。 当鼠标器移动时,橡胶球滚动,
带动滚轴及光栅轮转动 。 光线通过光栅轮的开槽透光,未开槽不透光,从而使光敏三极管产生高低电平,形成脉冲信号 。
鼠标器最重要的参数是分辨率,以 dpi（ 像素／英寸 ） 为单位,表示鼠标器移动 1英寸所通过的像素数 。 一般鼠标器的分辨率为 150～ 200 dpi,高的可达 300～ 400 dpi。 若屏幕分辨率为 640× 480时,鼠标器只要移动 1英寸,则可对应屏幕
300～ 400像素的位置,基本遍历屏幕的 2／ 3。 鼠标的分辨率越高,鼠标器移动距离就越短 。
鼠标器顶部都装有 2个或 3个控制按键,3个按键的中间按键很少使用 。 一般 2个按键便可 。
8.4 显 示 器 接 口显示是一项重要的人机交互方式 。 计算机系统通过显示设备以多种方式向外部输出各种信息,如字符,图形和表格等显示计算机数据处理的结果 。 一般的计算机系统主要采用
CRT（ Cathode Ray Tube阴极射线管 ） 显示器 。 但是在一些简单或专用的微机系统中,往往只要显示数字,在这种情况下,
一般使用简单的数码管来构成系统的显示设备 。
8.4.1概述
CRT显示终端是 20世纪 70年代发展起来的技术 。 早期的显示终端内没有微处理器 。 70年代末期,超大规模集成电路技术不断成熟,使得微处理器占据了高性能和低价位两方面的优势 。
目前的显示终端几乎都用了微处理器,甚至有些终端还用了两个或更多的微处理器 。 CRT显示终端本身就是一个含有微处理器的控制系统,这是当前 CRT技术的一个重要特点 。
CRT显示器是用来显示字符和图像的,是计算机系统的标准输出设备,它与键盘合称为计算机终端,是人机交互必备的外设 。 显示器的结构及原理与电视机相似,由阴极射线管,视频放大电路和同步控制电路组成 。 彩色显示器通常是由红,
绿,蓝三枪扫描叠加而成的 。 目前也有单枪彩色显示器,它是由一个电子枪作 RGB三次扫描叠加而成的 。
随着大规模集成电路技术的发展,CRT接口采用了单片机的智能控制,并且有了大容量屏幕缓冲存储器 。 近年来的显示器对亮度,对比度,行场中心调整等因素均由原来模拟量的控制方法改为数据量控制方法,使得彩色显示器性能有了很大提高 。
视频显示器接口就是彩色图形显示器的适配器,简称显卡 。
常见的显卡有以下几种：
(1) MDA适配卡,单色字符显示接口 。
它只支持 25行 × 80列单色字符显示,不支持图形方式 。
(2) CGA适配卡,彩色图形／字符显示接口 。
它支持彩色图形和字符双重显示,但显示质量较差 。 在图形方式下,当分辨率为 640× 200时,只能显示黑白两色；当分辨率
320× 200时,可显示 4色 。
(3) EGA适配卡,增强型图形显示接口 。
当分辨率为 640× 350时,可显示 16色,显示质量比 CGA
卡高 。
(4) VGA适配卡：视频图形阵列彩色显示接口 。 颜色可达 256色 。 当分辨率为 800× 600时,可显示 16色；当分辨率为 1024× 768时,可显示 8色 。
(5) TVGA卡,全功能视频图形阵列显示接口 。
当分辨率为 1024× 768时,可显示高彩色或真彩色 。
MDA适配卡,CGA适配卡适用 XT机； EGA适配卡适用于 AT,286,386机； VGA,TVGA适配卡适用于 386,486、
586机 。
8.4.2CRT
CRT显示器主要部分是阴极射线管 。 阴极射线管由阴极,
栅极,加速极和聚焦极以及荧光屏组成 。 阴极用来发射电子,
所以也叫电子枪 。 阴极发射的电子在栅极,加速极,高压极和聚焦极产生的电磁场作用下,形成具有一定能量的电子束,
射到荧光屏上使荧光粉发光产生亮点,从而达到显示的目的 。
为了在整个屏幕上显示出字符或图形,必须采用光栅扫描方式 。 CRT显示器中有水平和垂直偏转线圈,电子枪产生的电子束通过水平偏转线圈产生的磁场后从左到右做水平方向移动,到右端之后,又立刻回到左端；通过垂直偏转线圈产生的磁场后从上到下做垂直方向移动,到底部之后,又立刻回到上面 。
由于电子束从左到右,从上到下有规律地周期运动,在屏幕上会留下一条条扫描线,这些扫描线形成了光栅,这就是光栅扫描 。 如果电子枪根据显示的内容产生电子束,就可以在荧光屏上显示出相应的图形或字符 。
光栅扫描方法一般有两种,一种是逐行扫描,一种是隔行扫描 。 隔行扫描时,要两次才能扫描完一帧 。 其中一次对所有奇数行进行扫描,一次对所有偶数行进行扫描 。
对于黑白显示器来说,内部仅仅有一个电子束；对于彩色显示器来说,内部有红 （ R）,绿 （ G）,蓝 （ B） 3个电子枪发射 3个电子束,这 3个电子束和亮度信号 I通过组合,可以得到 16种颜色 。
8.4.3CRT显示器接口显示器接口是把计算机要显示的内容变成使 CRT显示器能稳定显示的各种 CRT控制信号 。 在 IBM PC系列微机中,
CPU与显示器之间的电路就是显示适配器 。 显示适配器有两种,单色显示适配器和彩色图形显示适配器 。 它们都以 PC机插件板的形式安装在 I/O通道插座上 。
图 8 - 5 为显示适配器原理框图 。 对于单色显示适配器来说,它由 CRT控制器,显示缓冲器,数据锁存器,字符发生器,字符移位寄存器,图形移位寄存器等组成 。 对于彩色显示适配器,则需要在上述基础上再增加色彩编码器,选色和综合扫描,工作方式控制,时序产生与控制,合成彩色产生器等 。
图 8 – 5 显示适配器原理框图显示缓冲区数据锁存区字符发生器地址数据字符移位寄存器图形移位寄存器色彩编码器色彩选择工作方式控制时序产生与控制合成彩色产生器基频信号
CRT
控制器水平同步垂直同步
R
G
B
I
1.
(1) 单色显示适配器的组成及工作原理 。
① 视频控制器 （ CRTC） MC6845。
MC6845控制器是一个可编程的画面显示控制芯片,可用作执行光栅扫描和存储变换控制功能的显示器接口 。 MC6845
产生显示器扫描控制信号,显示缓冲区地址和字符发生器 ROM
地址 。 扫描控制信号包括垂直同步信号 VS和水平信号 HS； 显示缓冲区地址由 MC6845中的线性地址发生器产生；字符发生器地址由列控制逻辑产生 。
MC6845是可编程接口芯片,其编程内容包括指定每个字符的点阵和光栅数,每行字符数,光标的形式等 。 MC6845芯片内的 19个寄存器分别保存上述控制参数,其中 18个数据寄存器由 1个地址寄存器索引 。
MC6845控制器由水平定时发生器,垂直定时发生器,线性地址发生器和光标控制逻辑等组成 。 它能完成显示控制的大部分工作,IBM-PC系列机中显示适配器是以 MC6845为核心的器件 。
② 显示缓冲器 。
显示缓冲器是显示缓冲寄存器的简称 。 CPU所要显示的数据通过数据总线按先后次序存入显示缓冲器 。 一般偶数地址单元存字符的 ASCII码,奇数地址单元存该字符的属性 。 字符属性有前景,背景,亮度和闪烁 。 所谓前景和背景,指的是黑色背景,白色字符或白色背景,黑色字符 。 字符属性字节的含义如图 8 - 6 及表 8 - 3所示 。
图 8 – 6 单色属性代码的定义闪烁 背景 前景亮度
B R G B I R G B
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
③ 字符发生器 。
字符发生器的功能是产生所要显示的字符的点阵数据 。
它主要由控制逻辑电路,字符库和字符产生电路组成 。
字符库用来存放字符的点阵数据,一个存储单元存一个字符中的一行数据 。 对于 88点阵的字符,一个字符占 8个字节 。 通常字符点阵库也可叫字符发生器 。 图 8 - 7 为字符,A”
的点阵形式 。 IBM-PC的字符发生器采用 8 KB ROM存放字符的点阵数据 。 显示时,由 CRTC提供缓冲器的地址,将要显示字符的 ASCII码逐个读出,经数据锁存器到字符发生器 。
CRTC向字符发生器提供行地址后,字符发生器将点阵数据中的每行数据依次送到移位寄存器 。
图 8 – 7 字符,A”的点阵属性数据和来自移位寄存器的点阵数据被送到视频逻辑,
视频输出信号由适配器发出,送至显示器显示 。
字符发生器中除字符库外,也可以设置汉字库 。 由于汉字笔划较多,所以每个汉字一般至少要用 16× 16点阵表示；
再考虑字间隔和行间隔后,则每个汉字一般至少要用 16× 18
点阵表示,这样每个汉字的点阵占用 36个地址单元 。 汉字库所需存储容量很大,往往采用外存储设备来存储汉字库 。 计算机需要显示汉字时,再从外存储设备上读入汉字点阵码输入显示器,以显示汉字 。
(2) 单色显示适配器 I／ O端口 。
IBM-PC分配给单色显示适配器的输入 /输出口地址为
3B8H,3BAH,3B4H和 3B5H。 对相应端口的操作可设定显示器工作方式以及工作参数 。
① CRT控制寄存器 。
CRT控制寄存器用于控制显示器的工作方式,其端口地址为 3B8H。 8位控制字的含义如图 8 - 8 所示 。
② CRT状态寄存器 。
CRT状态寄存器用来保存 CRT的工作状态信息,其端口地址为 3BAH。 CPU可以用输入指令读取 CRT状态字,状态字如图 8 - 9 所示 。
其中,,CRT正在水平扫描,位用于访问显示缓冲区时对当前 CRT工作状态的判断 。 只有在 CRT处于水平或垂直回扫时,
才能向显示缓冲区写入字符及其属性,以免引起屏幕显示混乱 。
图 8-8 CRT控制寄存器
1,允许闪烁
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
1,高分辨率模式
8 0 × 2 5
1,允许视频输出图 8 –9 CRT状态寄存器
1,视频信号
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
1,CRT 正在水平扫描其中,,CRT正在水平扫描,位用于访问显示缓冲区时对当前 CRT工作状态的判断 。 只有在 CRT处于水平或垂直回扫时,
才能向显示缓冲区写入字符及其属性,以免引起屏幕显示混乱 。
③ CRT索引寄存器 。
CRT索引寄存器是 MC6845的内部地址寄存器 。 它用于寻址 MC6845内部的 18个数据寄存器,其端口地址为 3B4H。 该寄存器的格式如图 8 - 10 所示 。 CPU要访问 MC6845中的任何寄存器,首先要使用 OUT指令向索引寄存器送出索引值,再通过
CRT的数据寄存器 （ 端口寄存器地址为 3B5H） 送出各种参数 。
图 8 – 10 CRT索引寄存器
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
选择 C R T C 内部 I / O 端口
2.
彩色图形适配器也是以 MC6845为核心的部件 。 从图 8 - 5
中可以看出,与单色显示适配器相比,彩色显示适配器多了几个电路 。 下面加以说明 。
(1) 工作方式控制 。
在彩色显示适配器中有一个工作方式选择寄存器作为工作方式控制 。 在 IBM-PC机中,其端口地址为 3D8H。 在彩色图形适配器支持下,彩色图形显示器有两种工作方式：字符方式和图形方式 。
① 字符方式 。
显示器以字符为单位在屏幕上显示字母和数字 。 在低分辨率显示方式下,屏幕可显示 40× 25个字符,在高分辨率显示方式下,屏幕可显示 80× 25个字符 。
② 图形方式 。
在图形方式下,通过控制各点的亮度或颜色,显示出图形 。 IBM-PC支持两种图形显示方式：高分辨率方式和中分辨率方式 。 在高分辨率方式下,每屏显示 640（ 列 ） × 200（ 行 ）
点,每点可取黑白两种颜色 。
在中分辨率方式下,每屏显示 320（ 列 ） × 200（ 行 ） 点,
每点可取两类 4种颜色 。
图 8 - 11 为工作方式选择寄存器各位的含义 。 其低 6位有效 。 除第 3位用于表示视频信号输出的允许与否,第 5位表示字符方式下的闪烁属性外,其余 4位都用于表示显示器的工作方式 。 各种工作方式下方式选择寄存器的设定如表 8 [CD*2] 4
所示 。
图 8 – 11 工作方式选择寄存器
1,允许闪烁
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
1,6 4 0 × 2 0 0黑白图形方式
0,色彩选定
1,开视频信号
0,关视频信号
1,8 0 × 2 5 字符方式
0,4 0 × 2 5 字符方式
1,3 2 0 × 2 0 0图形方式
0,字符方式
1,黑白方式
0,彩色方式
(2) 显示缓冲器 。
彩色图形适配器的显示缓冲区为 16KB,在 IBM-PC机中,
其起始地址为内存中的 B8000H。
在彩色字符方式下,其显示缓冲区结构与单色显示缓冲区类似,字符的 ASCII码保存 于偶数地址单元,而彩色属性字节保存于奇数地址单元 。 彩色属性代码的含义如图 8 - 12 所示 。 其中背景亮度由彩色选择寄存器的 D3位决定 。 表 8 - 5为 I、
R,G,B与颜色的对应关系 。
在图形方式下,显示缓冲区不是按字节与显示内容对应,
而是一个字节对应多个显示点图像 。 在高分辨率方式下,每个字节对应 8个显示点,即一个二进制位对应一个点,这个二进制位被称为像素 。
图 8 – 12 彩色属性代码的定义闪烁 背景颜色 前景颜色前景亮度
B R G B I R G B
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
像素值决定屏幕对应显示点的亮与不亮 。 亮为 1,不亮为 0。
在中分辨率下,每个字节对应 4个显示点,即两个二进制位对应一个点 。 两位二进制数可确定 4种颜色,表示为 00～ 03,这样在中分辨率下的每个像素就可以具有彩色属性 。 当此二位为 00时,像素颜色与背景色相同,为其他值时,分别对应两个色彩组中的一种颜色,色彩组的选择由彩色选择寄存器中的 D5位确定 。
显示缓冲区的 B8000,0000H~B8000,1F3FH对应屏幕的偶数扫描行 （ 2,4,…,198） ；而显示缓冲区的 B8000：
2000H~B8000,3F3FH对应奇数扫描行 （ 1,3,…,199） 。
(3) 彩色选择 。
无论彩色字符显示方式还是彩色图形显示方式都涉及到彩色选择设定 。 在彩色显示适配器中由彩色选择寄存器确定彩色图形显示器的色彩选择,在 IBM-PC机中,其端口地址为
3D9H,寄存器格式如图 8 - 13 所示 。
在不同的工作方式下,彩色选择寄存器各位的意义有些差别：
D0～ D3在彩色字符方式下,代表屏幕上矩形显示区边界颜色 。 每个字符本身的显示颜色以及它所在屏幕的底色,并不是由彩色选择寄存器中的 I,R,G,B所决定的,而是由每个字符的属性字节的内容决定的 。 在 320× 200分辨率图形方式下,它表示背景的亮度和颜色 。 I,R,G,B可以组合成表
8 - 5 所示的 16种不同的颜色 。
图 8 – 13 彩色选择寄存器
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
中分辨率图形方式下彩色组选择
0,第一色彩组
1,第二色彩组彩色选择亮度字母/ 数字方式下背景亮度
D4在字符方式下用来选择背景亮度,它和字符属性字节中的 D4～ D6一起决定背景的颜色 。 D5在 320× 200彩色图形方式下,不同像素值对应选择第一色彩组和第二色彩组的颜色,
如表 8 - 6 所示 。
(4) 色彩编码器 。
彩色选择寄存器的值和显示缓冲器内的彩色属性码送到色彩编码器 。 在色彩编码器内合成后,输出 R,G,B,I4 个控制信号,其中,R,G,B3 个信号控制彩色 CRT的 3 个控制栅极； I信号控制 CRT的亮度 。
例如,显示缓冲器输出的属性字节 （ 来自奇数单元 ） 为
0EH,那么色彩编码器输出端上的 R和 G端有脉冲信号,B端无脉冲信号,结果,有脉冲信号的两个控制栅极使电子束增强,
所对应的红色和绿色荧光小点发光,无脉冲信号的控制栅极使电子束变弱,所对应的蓝色荧光小点不发光 。 根据表 8 - 4
的规定,红色和绿色荧光合成黄色光点 。
3,彩色图形适配器的 I/O端口彩色图形适配器包括 5个 I／ O寄存器,它们分别是索引寄存器,数据寄存器,工作方式选择寄存器,彩色选择寄存器和状态寄存器 。 CPU通过输入 /输出指令访问这些寄存器,以完成对彩色图形显示器的控制 。
索引寄存器和数据寄存器与单色图形适配器的作用相同,
其端口地址分别为 3D4H和 3D5H。
工作方式选择寄存器和彩色选择寄存器在前面已做了说明,在此不再赘述 。 状态寄存器用于标志彩色图形显示器的工作情况 。 其中 2位用于光笔标志 。 状态寄存器的端口地址为 3DAH,格式如图 8 - 14 所示 。 图 8 - 14 中 D0位和 D3位的含义与单色显示器一样 。 D0位用来指出 CRT显示器是否处在水平扫描或垂直扫描的回扫期,若是,则 CPU可以向显示缓冲区中送入新的显示信息而不影响屏幕画面； D3位是字符显示时视频输出信号的瞬间状态,目的是检查是否有视频信号输出,以便于系统的故障诊断与分析 。
图 8-14 彩色图形适配器状态寄存器
1,视频信号输出
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
0,光笔开关接通
1,正在水平扫描
1,光笔触发置位
4,显示适配器与 CRT
显示适配器与 CRT的接口从其信号形式可分为两大类：
数字信号接口和模拟信号接口 。 所谓数字信号接口,是指显示适配器送往 CRT显示器的信号为数字信号 。 如前所述的彩色显示适配器,它用数字信号 I,R,G,B来控制显示的色彩,
只能显示 16色 。 要增加显示的颜色数,必须增加接口信号线,
这使得接口信号不易规范 。 以前的 CGA和 EGA显示系统采用的就是这种 TTL方式的 9针数字信号接口 。
目前,绝大部分显示系统采用的是模拟信号接口 。 在模拟信号接口中,显示适配器只需 3路信号线向 CRT显示器传送表征显示颜色的模拟信号,模拟信号的幅值范围为 0～ 5V，
不同的幅值表示不同的颜色深度 。 由于模拟信号的连续性,
这 3个信号可以组合出无限的颜色 。 目前的 VGA和 TVGA显示系统采用的就是这种 15针模拟信号接口 。
图 8-15 为模拟显示原理图 。 其中视频 DAC把表示颜色的数字信号转换为模拟信号后向模拟显示器输出 。
图 8 –15 模拟显示原理图
C P U
显示处理器显示存储器视频
D A C
模拟显示器
8.5 打 印 机 接打印机是计算机系统中标准的输出设备之一 。 它可打印字符,字母,数字,图形和表格 。 打印机种类很多,按打印原理可分为击打式打印机和非击打式打印机 。
击打式打印机是用机械的方法,使字符击打色带和打印纸,则纸上印出字符 。 非击打式打印机不是用击打方式打印字符,而是通过激光,喷墨,静电,热敏等方式,将字符印在打印纸上,也称为印字机 。
8.5.1
目前常见的非击打式打印机有如下 5种 。
1.
使用很细的喷嘴,把印字的墨水喷在纸上完成印字 。 它有纵列 28点的墨水喷嘴,在点阵中要印出墨点的相应位置的墨水微粒不带电；而不印墨点的位置的墨水微粒带电 。 这样当墨水微粒经过电场时,带电的微粒被吸附下来；未带电的微粒按点阵字的形式凝集在纸上形成字符 。 当打印时,黑,
红,黄,绿色墨水一起喷点,则可形成漂亮的彩色打印,
这种印字机字迹清晰,美观,速度快 。
2,激光打印机通过激光技术和电子照相技术完成印字 。 它是一种高精度,高速度,低噪声的非击打式打印机 。
激光打印机的基本工作原理,如图 8 - 16 所示 。 它主要由激光扫描系统,电子照相系统和控制系统三部分组成 。 激光扫描系统主要作用是使激光器产生的激光经调制后,变成载有字符或图形信息的激光束,该激光束经扫描偏转装置在感光鼓上扫描,形成,静电潜像,。 电子照相系统把带有
,静电潜像,的感光鼓接触带有相同极性电荷的干墨粉,鼓面被激光照射的部位,将吸附墨粉,便显影图像 。 该图像转印在纸上,经红外线热辐射定影后,使墨分子渗透到纸纤维中 。
图 8 – 16 激光打印机工作原理激光器调制激光束 偏转装置有静电潜像感光鼓电子照相红外线热幅射定影调制与驱动电路纸输入纸输出控制系统包括激光扫描控制,电子照相系统控制,缓冲存储器和接口控制等 。 控制系统完成接收和处理主机的各种命令和数据,以及向主机发送状态 。 激光打印机打印速度可达每分钟 2000行,是目前打印机中最快的一种 。
3,热敏打印机热敏打印机印字头由点阵式的发热元件组成 。 其特点是低功耗,低噪音,低价格 。 根据其印字原理,可分成两种类型 。
热敏纸印字机：当发热印字头与热敏纸接触后,点阵发热部分便使纸上变为黑点,实现印字 。
热传导印字机,这种印字机的色带上涂有很细的蜡制颗粒,蜡膜内装有渍墨 。 当发热印字头与热敏色带接触后,色带受热,蜡膜熔化,油墨就打印在纸上 。
4,液晶印字机液晶印字机是由产生均匀单色光的灯和液晶器件的光开关代替激光部件的印字机 。 通常液晶分子排列无序,也不透光 。 在电场作用下,可沿场强方向作定向排列,便可以透光 。
液晶光开关将光聚焦成清晰的图像,射到感光鼓上 。 其工作原理与激光印字机相似 。 该印字机精度高,造价低,寿命长 。
5.
类似于热敏纸印字机 。 其印字头是静电元件,打印纸为静电感应纸 。 打印时,行先在打印纸上加上高压,形成静电荷潜影；然后,通过静电吸附原理吸附有色物质,形成图像；
最后经过定影,得到固定的字符和图形 。
8.5.2击打式打印机目前虽流行各式各样的打印机,然而仍以击打式打印机为主 。 常见的击打式打印机有如下 6 种 。
1,点阵打印机在目前流行的打印机中仍以点阵打印机为主流,点阵打印机主要优点是成本低,字迹清晰,维修方便,缺点是噪音大 。
点阵式打印机的打印头是一列打印针头组成的,打印针头有 9
针,16针,24针等几种 。 打印时,打印针头横向移动,进行一列一列地纵向打印字符点阵,一行字符点阵打印完毕,走纸一行 。
点阵打印机分为字符和图形两种打印机,其中 16针,24针一般都属于图形的打印机 。 图形打印机可用于汉字打印 。
点阵打印机的结构主要由带动打印头的步进电机,走纸步进电机,色带及接口控制电路组成 。 接口控制工作原理如图 8
- 17 所示 。
接口控制电路的功能是接收系统的打印数据,返口打印机状态 。 系统向打印机输出数据有两种：一种是可打印的
ASCII码；另一种是控制字符,如回车符,换行符,制表,走纸等等 。 前一种数据,直接送至打印行缓冲器；后一种数据送至输入控制电路,然后,该电路向打印时序控制电路发送信息,
产生相应控制信号和相应的动作 。
字符打印过程如下：主机检查打印机状态,若打印机处于,忙,,则主机等待；若处于,不忙,,则主机输出数据同时发送,选通信号,。 主机输出的数据经打印接口的输出缓冲器送至打印行缓冲器 。
图 8 – 17 点阵打印机控制逻辑框图字符代码接口控制电路输入控制电路
DB
选通响应忙打印行缓冲器
R A M
地址计数器时序控制逻辑字符发生器
R O M
列计数器字符点阵列信息驱动电路
送打印针头走纸信息同时,地址计数器加 1,向主机发,响应信号,,通知主机可发送下一个数据,如此重复传送数据,直至主机发出行结束或输入缓冲器满时,接口电路回答,忙,信号,则主机停止发送数据,打印机进入打印阶段 。
当接口电路处于忙状态时,主机不再传送数据,打印机开始打印 。 先在行缓冲器中取一个 ASCII码,作为字符发生器的高位地址,列计数器作为字符发生器的低位地址,从字符发生器取出字符一列点阵信息,送至驱动电路,驱动打印针头,打印出相应的字符一列的点迹 。 每打印 1列,列计数器加
1,字符发生器依据列计数器的值,依次取出字符点阵各列信息 。 打印一个字符点阵后,地址计数器加 1,再取出下一个字符打印 。
打印头在打印时序电路控制下,自左向右边打边移动,
一行打印完后,发控制走纸一行信息 。 打印头返回到最左端,
这样开始输入新一行数据 。
图形打印时,主机发送的打印数据本身是点阵数据,存放在行缓冲器中 。 行缓冲器中的点阵码数据直接送到驱动器,
控制打印头的动作 。 不需要从行缓冲器到字符发生器之间的代码变换 。
2,转鼓打印机打印机的字符都设置在圆柱形的鼓面上 。 径向的每一行都是相同字符,圆周方向上是一套字符 。 打印时通过鼓的旋转选字符,然后打字键把纸和色带压在字符上,字便可印出来 。
3,球式打印机打印机字符刻在球的表面上,按环状排列,字符的选择是通过球旋转和转轴倾斜实现的 。 选定字符后,击打纸和色带,实现印字 。
4.
打印字盘像个扁平的菊花瓣,每个菊花瓣末端压制一个字符 。 字盘铸在可横向移动的轮子上,当菊花轮移至打印位置并选定打印字符后,击键将字符印在纸上 。
5.
打印字符压制在由两个齿轮带动的链条的外缘上,通过链条的移动实现选字 。 击打使纸和色带与链条上的字符接触实现印字 。
6.
打印机有个字轮,轮上有各种字符,每个字符位置配个转轮,每个转轮被控制转到预定的位置,然后整行打印 。
8.5.3打印机接口控制主机和打印机之间数据传输,既可用并行方式,也可用串行方式 。 因此,主机既可使用并行接口连接打印机,也可使用串行接口连接打印机 。
并行打印机通常采用 Centronics并行接口标准,如表 8 - 7
所示 。 该标准定义了 36脚插头座 。 而 PC／ XT的并行接口通常采用 25脚的口型插座,如图 8 - 18 所示 。 一般并行输出时,
使用 36芯插座； 串行输出时,使用 25芯插座 。
表 8-7 Centronics 并行接口标准主机
DB
AB
I O R / I O W
并行接口
25
脚
36
脚并行打印机图 8-18 并行打印机信息传送示意图图 8 - 19 给出并行打印机接口逻辑图 。 当主机要向打印机写数据时,由命令译码器产生的控制信号将数据经,数据发送／接收器,送至输出数据寄存器等待写入打印机,同样主机向打印机发送命令时,欲写入的控制信号通过,发送／
接收器,送至控制寄存器；反之,主机欲读状态寄存器时,
状态寄存器内容经,数据发送／接收器,传送至主机 。
(1) 并行接口内的寄存器 。
并行接口内部逻辑共设有 3个寄存器端口：数据寄存器,
控制寄存器和状态寄存器 。 主机依据端口的地址进行 5种操作：
读／写数据寄存器,读／写控制寄存器和读状态寄存器 。
数据端口：主机可通过对该端口的写操作将打印数据送至打印机； 或者通过该端口读操作将打印机的数据读到主机 。
图 8-19 并行打印机接口逻辑框图数据接收发送器
DB
命令计码器输入数据缓冲器读数据写数据控制寄存器写控制
A E N
A
9
～ A
0
I O R
I O W
读控制状态寄存器读状态输出数据寄存器
DB
打印机命令状态控制端口,主机通过对该端口的读／写操作,完成对控制寄存器的访问,控制寄存器 8位的定义如下：
① 主机要打印数据时,首先查 BUSY。 当 BUSY＝ 0,打印机不忙时,主机才能把数据送到数据总线上 。
② 数据送到 DATA线之后,发选通信号,以便通知打印机 。
③ 打印机收到选通信号,便发,忙,信号接收数据； 存入行缓冲器之后,打印机发响应信号 （ 宽度为 5 μs的负脉冲 ）,
表示打印机准备好,可接收新数据 。
④ 响应信号的上升沿清,忙,信号,以便通知主机再向打印机传送数据 。
(3) 串行接口连接的打印机 。 主机采用串行接口连接的打印机是串行打印机 。 串行打印机是由并行打印机再加上输入缓冲器和串行接口组成的,如图 8 - 21 所示 。
图 8- 21 主机与串行打印机连接示意图主机
T X D
D S R 串行接口并行打印机串行接口
R X D
D TR
输入缓冲器数据选通响应忙串行打印机通常在打印的同时,主机仍可以向打印机传送数据 。 为此,要求输入缓冲容量较大,但是由于主机传送数据比打印数据的速度快,因此,会出现输入缓冲器满的现象 。
当输入缓冲器满时,由打印机的 引脚发出未准备好信号,
送至主机的串口 DSR引脚,主机接到此信号便停止发送数据 。
DTR
8.6 磁盘接口
8.6.1
1,磁表面存储的基本原理任何一个磁记录过程都可以看成一个电磁转换的过程,
这个过程是通过磁头及其做相对运动的磁记录介质 （ 称为媒体 ） 的相互作用来实现的,如图 8 - 22 所示 。 图 8 - 22 中,
磁头是由铁芯和铁芯上的线圈等组成 。 铁芯的下方靠近记录介质的地方开有很窄的缝隙,称为前隙 。 磁记录介质涂敷在非磁性衬底上 。
图 8 –22 磁记录原理示意图
S - N N - S S - N N - S S - N N - S S - N N - S
～
电流信号磁头磁层介质基底
S - N N - S
当磁头线圈中通以电流时,就在铁芯及前隙附近空气中产生磁场,使磁头下方的磁记录介质被磁化 。 磁化状态随电流的变化而变化 。 这样,电流所代表的信息 （ 可以是声音,
图像,数码等 ） 就通过磁性介质永久地保存下来 。 当需要将这些信息再现时,介质上已记录信息的磁化单元在磁头下运动,使通过磁头线圈中的磁通发生变化 。 根据电磁感应定律,
它可使线圈中感应出电动势并转化成电流 。 再经一系列变换,
则可还原为原来输入的信息 （ 如声音,图像,数码等 ） 。
根据记录信号的不同,磁记录可分为模拟磁记录和数字磁记录两种 。 (1) 模拟磁记录：被记录的信号是连续的模拟信号,记录介质上留下的是连续的上弦波磁化分布 。
(2) 数字磁记录,被记录的信号是脉冲信号,记录介质上留下的是一连串等距或不等距的饱和磁化翻转 。 这种磁记录主要要求磁化翻转快,读出可靠,重写性好等,多用于计算机外存储设备中的数字信号记录 。
2.
在进行数字磁记录时,信息的写入是一个电磁转换过程 。
它将二进制数据按特定规律转换成相应的磁化反转 。 这种规律就称为记录编码 。 记录编码对外存储设备的数据记录密度,
读出可靠性和存储速度有较大的影响 。
主要的记录编码方式有：见 1就翻的不归零制 （ NRZI）,
调频制 （ FM） 与改进调频制 （ MFM） 和三单元调制码等 。 有关编码方式的具体内容,本书不做详细讨论 。
8.6.2
软磁盘存储器由软磁盘机与控制器组成 。 软磁盘机在控制器的控制下,完成数据的读出与存储 。 它包括软磁盘驱动器
（ 简称 FDD） 及记录媒体软磁盘片 。
1.
图 8 - 23 是软磁盘驱动器 （ 以下简称 FDD） 的组成结构示意图 。 下面对其工作原理做简单的说明 。 盘片插入驱动器后,
被定位和夹紧在主轴的驱动轮上,当要进行读写操作时,主轴电机控制系统控制主轴电机带动盘片匀速旋转,同时,定位系统控制步进电机带动磁头沿盘片径向运动,进行寻道操作,
以定位在目标磁道上 。 定位以后,读写抹电路分别完成读写操作 。 在写操作时,抹电路控制抹磁头对写入时不整齐的磁化区域进行修整,以消除磁道间的干扰 。
图 8 – 23 软磁盘驱动器软盘控制器读/ 写/ 抹电路定位系统主轴电机控制系统步进电机读电压磁头写电流
00 道信号主轴电机转速写保护软盘片索引
(1) 软磁盘控制器 。
FDC接收 CPU的命令向 FDD发出控制信号,可控制 FDD
按规定的数据格式写入软磁盘或从磁盘读出数据 。 其组成部分如图 8 - 24 所示 。
软磁盘控制器控制芯片：它可以接收 CPU的 8位并行数据,并转换成对 FDD的串行写数据信号 。 也可以接收从 FDD
读出的串行数据,并转换成 8位并行数据,传送给 CPU。 数据传送方式可采用 DMA或非 DMA方式 。
译码电路,用来产生 FDD选择信号 。
锁相电路,对来自 FDD的读出数据提供检读窗口 。
写补偿电路,用来减小读出数据峰点漂移。
图 8 – 24 IBM PC/XT FDD接口及控制器组成示意图系统总线
F D C
控制芯片
I
O
W
R
I
O
R
D
D
0
～
D
7
I
R
Q
6
D R Q
2
D A C K
2
T / C
US
0
US
1
译码电路
DS
0 ～
DS
3
锁相电路
M F M
VS
DW
RD
RD
写补偿
PS
0
PS
1
WD
WD
FD
R A M
写补偿电路,用来减小读出数据峰点漂移 。
(2) 软磁盘控制器与 CPU的接口 。
FDC与 CPU的接口是 I/O通道 。 除了通常的数据信号,地址信号,读写信号,中断请求信号等控制信号外,由于主机和 FDD常采用 DMA数据传送方式,因此还用到 I/O通道中的
DRQ2,DACK2,T/C信号,它们分别表示 DMA请求,DMA
确认,计数结束 。
采用 DMA传送方式进行数据传送时,FDC向 DMA控制器发出 DMA请求信号 DRQ,DMA控制器再向 CPU发出总线请求,
获得总线使用权后,DMA控制器向 FDC发出 DMA确认信号
DACK,开始进行数据传送 。 传送结束后,DMA控制器向
FDC发出计数结束信号 T/C。
8.6.3
与软磁盘存储器相比,硬磁盘存储器存储容量大,存取速度快,作为主要的外存储设备,广泛应用于计算机系统中 。
1,硬磁盘驱动器的组成结构及工作原理图 8 - 25 是硬磁盘驱动器 （ 简称 HDD） 的组成结构示意图 。
它主要由磁头定位系统,主轴系统,控制及读写电路组成 。
目前,HDD普遍采用温彻斯特技术 。 该技术有两个特点：
一是采用全密封的头盘组件 （ HDA）,即把盘片,磁头,磁头小车等全部密封在一个超净的盘盒内,主轴电机直接带动盘片旋转； 二是采用轻质浮动磁头,在 HDD工作时,靠盘片旋转时产生的气流浮在盘片上,磁头与盘片的间隙只有亚微米级 。
图 8 – 25 硬磁盘驱动器逻辑结构示意图硬盘控制器音圈电机驱动电路音圈电机磁头小车控制电路板 H D A 组件读写电路磁头电路前置放大接口电路
D S P
主轴电机驱动电路主轴电机反馈信号
2.
与软盘控制器相同,硬盘控制器是 HDD与 CPU之间的接口 。
随着磁记录技术和集成电路技术的发展,目前的 HDD已部分包括了以前硬盘控制器的功能 。 硬盘控制器应该具有以下功能：
① 接收主机 CPU的命令,并对命令进行译码,以产生相应的控制信号,控制 HDD完成相应的操作 。
② 向 CPU提供命令执行结果及各种状态信号 。
③ 完成主机与 HDD间的 DMA数据传送。
(1) 硬盘控制器与 CPU的接口 。
硬盘控制器中的 I/O接口逻辑,实现硬盘控制器与 CPU
的连接 。 实现控制器与 CPU之间的信息传递 。 除地址线,数据线外,还要用到一些控制信号线和状态信号线 。
(2) 硬盘控制器与 HDD的接口 。
硬盘控制器与 HDD的接口标准多采用的是 SCSI和 IDE
标准 。
SCSI标准不是 HDD的接口标准,而是一种系统级的标准通用接口标准 。 它主要用于磁盘与主机的信息交换,同时也用于 CD-ROM,SCANNER,计算机网络,多媒体系统等 。
目前硬盘控制器与 HDD的接口标准大多采用 IDE标准 。
IDE接口采用 16位数据并行传输,工作速度快 。 以前的 IDE接口只适用于容量在 528 MB以下的 HDD。 为克服这个限制,
提出了 ATA-2,ATA-3.x 和 ATA-4.0 等标准,即 E-IDE
（ Enhanced IDE） 标准 。 这些标准不仅可以使 IDE接口适应大容量硬盘,而且进一步提高了传输速度 。
