第四单元 第四讲
输入设备和输出设备
外部设备
? 输入 /输出设备
? 外存储器
? 脱机输入 /输出设备
? 主要完成人机交互
? 是电子、机械、光学、化学等多学科的交叉
? Anyway,Anywhere,Anytime,Anyone
外部设备功能
? 完成数据的输入（和 /或）输出
– 信号转换
– 数据采样
? 与接口进行连接
– 接口信号，电平标准等
? 与主机进行通信
– 通过总线进行
– 速度和方式
输入设备
? 键盘
? 鼠标
? 扫描仪
键盘
? 功能要求
– 能完成字符的输入
? 设计要求
– 完成功能
– 稳定可靠
键盘的运行原理
计算机的键盘，用于向主机内敲入字符、功能键、汉字等符号，
通过逐次敲击键盘上不同的键来完成。被敲击的键将以一个特定的编
码被表示并被存入计算机主机。故键盘的运行原理，是把敲击的键在
键盘上的位置对应为一个编码。
…...
并行接口
并
行
接
口
+5V
10K?
0列 1列 m列
0行
1行
n行
键
盘
键
..。,.,
,。
。
。。。。
。。。
。 。 。 。
。
。
。
。
。。
。。
。
。
键盘的运行原理
把每个键在键盘上的位置对应为一个编码。
具体实现：是用行列扫描的方法，即把每个键分
配在一个 m 列 * n 行矩阵的一个交叉点上，通过并行
接口向 n 行依次送出仅有一行为零、其余各行均为一
的值，再用并行接口读入 m 列上的取值。
当该值不为 FFH （全 1 码）时，表明有键按下，
若该值仅含一位零，表明取值为 0 的行、列的交叉点
的键被按下，用一个对照表即可得到相应键的编码。
尚需解决如下的一些问题：键的抖动、多键同时
按下、由哪个部件完成这些操作过程。
并行接口
并
行
接
口
+5V
10K?
0列 1列 m-1列
0行
1行
n-1行
键
盘
键
...,
,。
。
。。。。
。。
。 。 。 。
。
。
。
。
。。
。
。
…...
0
1
1
A键
1 1 0 1...
并行接口送来 1 0 … 1 的 n 位数值到二极管的负极,并行接口接收 键
盘线路 m 列送出的 m 位数据。当 A键 按下去后,5V电源送出经电阻,A键,
二极管到 0 信号处的电流，从而在 第 2列产生 0 电平（红线所示），其他各
列都给出高电平（黑线所示），故 并行接口接收到的是 1 1 0 … 1 这样的 m
位数据
1
1
0...
。
1 1 0 1...
二极管
POS机键盘
? 功能要求
– 抗污染和腐蚀
? 设计实现
键盘接口
? 采用串行口或者并行口
? 中断方式
? 总线
– USB
– 慢速总线
鼠标
? 鼠标的产生
– 图形界面的出现，需要鼠标来进行拖动等操作
? 鼠标功能
– 根据鼠标的移动，在屏幕上移动位置
– 选中某个对象
机械鼠标
? 如何获得 X和 Y方向的位移量？
– 通过鼠标球的滚动
? 机械鼠标原理
– 底部有 1个圆球，连接有两个滑动变阻器
– 圆球在移动时，带动变阻器，使 X和 Y方向电流
产生变化
– 计算机主机由此计算出 X和 Y方向的位移，并将
它在屏幕上进行相应的移动
– 鼠标命令由鼠标表面的按键决定
光电鼠标
? 光学式鼠标
– 发光二极管取代小球，
– 特制鼠标垫配合，垫上有小格
– 根据感应的格数来计算位移量
? 光电式鼠标
– 不用专门的鼠标垫
– 在鼠标球上开裂缝
– 计数器统计光脉冲数
与主机通信
? 接口
– 串口
– USB
? 总线
– 慢速总线
– USB
? 协议
– 定时，向主机发送 3个字节,X,Y和当前按键状态。
– 主机根据这 3个字节的内容，将屏幕上的箭头移动到规
定位置，并响应按键命令。
扫描仪
? 被扫描对象放置在平板上，由底部光源照
射。
? 通过电荷耦合装置，当检测到光照射时，
电荷耦合装置被充电。
? 收集这些信息，并将其转换为数字表示，
可得到点阵信息，传送给主机。
? 彩色扫描，可通过不同光源进行扫描。
实时输入设备
? 语音
? 图形
智能输入设备
? 语音识别
? 手写体识别
? 印刷体识别
输出设备概述
? 点阵式输出设备（视觉）
– 以点阵的组合来表示不同的形状
– 提供每个点的存储输出属性
– 点阵输出设备将点按属性规定的颜色和灰度输出
? 听觉
– 音乐、语音合成
? 触觉
– 可穿戴计算机
? 嗅觉
点阵输出设备
? 显示器
– CRT
– LCD
– PDP
? 打印机
– 针式打印机
– 激光打印机
– 喷墨打印机
阴极射线管 (CRT)显示器
? 成像原理
– 通过电子束撞击荧光板上的荧光粉，发光产生
亮点
? 组成
– 电子枪、显示屏和偏转控制装置
灯丝
阴极
聚焦极
石墨层
荧光屏
显示屏
阳极帽
偏转线圈
栅极
阳极
电子枪
电子束
阴极射线管（ CRT）的构成和工作原理
CRT的几个概念
? 光栅扫描和随机扫描
– 电子束从左到右，从上到下扫描整个屏幕
– 只扫描需要显示的点
? 刷新和帧存储器
– 为了得到稳定的图象，需要重复扫描整个屏幕
– 为了重复扫描，需要存储图象信息。
? 分辨率和灰度级
– 像素个数
– 亮暗差别
? 图形和图像
– 线条的有无表示
– 自然景物、照片等
字符显示的一般原理
移位
寄存器
S L
字符
发生器
( ROM)
加载控制 水平消隐 行间消隐 垂直消隐
水平同步电路 垂直同步电路
点振荡器 点计数器 水平地址计数器 光栅地址计数器 垂直地址计数器
定时控制
电路
垂直同步信号水平同步信号
字符时钟
ＡＳＣＩＩ
代码
ＣＰＵ控制
OSC
VRAM
1
9
1
80+18
1
9+5
1
25+1
视频
信号
RA3 - RA0
字形的产生过程
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
1 1 1 1
0 1 1 1
0 0 1 1
10H
28H
44H
82H
82H
FEH
82H
82H
00H
字符
发生器
( R O M )
ASCII
字符代码
8
4RA3 - RA0
(a), A,的点阵表示 (b)字符发生器的结构
(来自 VRAM)
(来自光栅地址
计数器输出 )
RA3 -RA0 D7 D0
D7
D0
ASCII代码 (41H)
指向这个字形
CRT图形显示器
? 大的 VRAM
– 存储点阵属性
– 分辨率,1024*768，真彩色，
1024*768*3Byte=2.3MB
? 高速总线
– 50场 /秒，带宽为 2.3*50MB/s=112.5MB/s
– 需要连接 PCI总线
? 专用接口
– 分辨率更高的图形设备将采用专用接口
液晶显示器
? 显示原理
– 利用液晶的光学特性
– 平板后面设置光源
– 通过液晶改变透射光的偏振性（从水平到垂直）
– 电场控制
? 特点
– 平板显示，不需要高压电，移动方便
– 无辐射
– 价格较高
液晶显示器
等离子显示器
? 成像原理
– 利用惰性气体在一定电压作用下产生气体放电的特性
– 产生紫外线，紫外线激发荧光粉发光
– 在玻璃板之间隔开成象素，每个象素点内有惰性气体
和三色荧光粉，用电极控制
? 特点
– 易于实现大画面显示
– 全色显示，色纯度与 CRT相当
– 视角达 160度
– 寿命长
– 功耗大、成本高、对比度差。
针式打印机
? 打印原理
– 用钢针或钨铼合金针撞击色带，将色带的颜色印到打印纸上，完
成一个点的输出
– 完成全部点阵后输出完毕
? 组成
– 打印头与字车、输纸机构、色带机构及控制器
– 打印控制器包括字符缓冲存储器、字符发生器、时序控制电路和
接口电路四部分
? 打印过程
– 字车将打印头横向移动到打印起始位置，
– 取出输出对象点阵的第一列，驱动打印针撞击色带
– 字车移动一小格，输出下一列，直到本行输出完毕
– 回车
– 输纸机构进纸
– 输出下一行
针式打印机构造
打印纸
导轨 打印针
永磁铁
铁芯
衔铁
线圈色带色带保护片
滚筒
螺管式电磁铁
打印针
电磁铁线圈
衔铁 壳帽 外壳
导轨
弹簧
激光打印机
? 输出原理
– 利用激光束照射硒鼓，使之放电，不再吸附墨粉来产
生打印的形状
? 结构
– 见下图
? 输出过程
– 硒鼓带电后吸附墨粉
– 激光束使硒鼓表面被照射的部分放电，释放墨粉
– 将墨粉压到纸上，并用高温烘烤，使之固化在打印纸
上
– 将硒鼓放电，清扫剩余墨粉
激光打印机的组成
激
光
部
分
印字机
控制部分
(微处理机汉字字形库 )
记录鼓
(硒鼓 )
显象
部分
+ …..
定形部分
加热辊 预
热
板输
纸
用
辊
转写
清扫辊
带
电
器
印写部分
清扫部分
转写部分
接纸
部分
纸
激光
喷墨打印机
? 打印原理
– 利用喷嘴喷出墨滴到纸上
– 给墨滴充电，利用电场控制墨滴的方向
? 构造
– 见下图
? 输出过程
– 压电陶瓷受振荡电脉冲激励产生电致伸缩，喷射出墨
滴
– 给墨滴充电
– 利用电场控制墨滴的偏转方向
喷墨式打印机
墨水槽
喷墨头
过滤器 收集槽
高压
电源
振荡
发生器
字符
发生器
打
印
纸
充电电极压电陶瓷 偏转电极
墨水泵
回收器
墨
滴
偏
转
方
向
喷墨头移动方向
组成与打印原理
字符打印过程
（充了电的墨滴偏转射向打印纸，
不带电的墨滴射入回收器被回收）
( 以 7*5 点阵为例 )
打印机
? 接口
– 并行接口
? 总线
– 慢速总线
? 协议
输入设备和输出设备
外部设备
? 输入 /输出设备
? 外存储器
? 脱机输入 /输出设备
? 主要完成人机交互
? 是电子、机械、光学、化学等多学科的交叉
? Anyway,Anywhere,Anytime,Anyone
外部设备功能
? 完成数据的输入（和 /或）输出
– 信号转换
– 数据采样
? 与接口进行连接
– 接口信号，电平标准等
? 与主机进行通信
– 通过总线进行
– 速度和方式
输入设备
? 键盘
? 鼠标
? 扫描仪
键盘
? 功能要求
– 能完成字符的输入
? 设计要求
– 完成功能
– 稳定可靠
键盘的运行原理
计算机的键盘，用于向主机内敲入字符、功能键、汉字等符号，
通过逐次敲击键盘上不同的键来完成。被敲击的键将以一个特定的编
码被表示并被存入计算机主机。故键盘的运行原理，是把敲击的键在
键盘上的位置对应为一个编码。
…...
并行接口
并
行
接
口
+5V
10K?
0列 1列 m列
0行
1行
n行
键
盘
键
..。,.,
,。
。
。。。。
。。。
。 。 。 。
。
。
。
。
。。
。。
。
。
键盘的运行原理
把每个键在键盘上的位置对应为一个编码。
具体实现：是用行列扫描的方法，即把每个键分
配在一个 m 列 * n 行矩阵的一个交叉点上，通过并行
接口向 n 行依次送出仅有一行为零、其余各行均为一
的值，再用并行接口读入 m 列上的取值。
当该值不为 FFH （全 1 码）时，表明有键按下，
若该值仅含一位零，表明取值为 0 的行、列的交叉点
的键被按下，用一个对照表即可得到相应键的编码。
尚需解决如下的一些问题：键的抖动、多键同时
按下、由哪个部件完成这些操作过程。
并行接口
并
行
接
口
+5V
10K?
0列 1列 m-1列
0行
1行
n-1行
键
盘
键
...,
,。
。
。。。。
。。
。 。 。 。
。
。
。
。
。。
。
。
…...
0
1
1
A键
1 1 0 1...
并行接口送来 1 0 … 1 的 n 位数值到二极管的负极,并行接口接收 键
盘线路 m 列送出的 m 位数据。当 A键 按下去后,5V电源送出经电阻,A键,
二极管到 0 信号处的电流，从而在 第 2列产生 0 电平（红线所示），其他各
列都给出高电平（黑线所示），故 并行接口接收到的是 1 1 0 … 1 这样的 m
位数据
1
1
0...
。
1 1 0 1...
二极管
POS机键盘
? 功能要求
– 抗污染和腐蚀
? 设计实现
键盘接口
? 采用串行口或者并行口
? 中断方式
? 总线
– USB
– 慢速总线
鼠标
? 鼠标的产生
– 图形界面的出现，需要鼠标来进行拖动等操作
? 鼠标功能
– 根据鼠标的移动，在屏幕上移动位置
– 选中某个对象
机械鼠标
? 如何获得 X和 Y方向的位移量？
– 通过鼠标球的滚动
? 机械鼠标原理
– 底部有 1个圆球，连接有两个滑动变阻器
– 圆球在移动时，带动变阻器，使 X和 Y方向电流
产生变化
– 计算机主机由此计算出 X和 Y方向的位移，并将
它在屏幕上进行相应的移动
– 鼠标命令由鼠标表面的按键决定
光电鼠标
? 光学式鼠标
– 发光二极管取代小球，
– 特制鼠标垫配合，垫上有小格
– 根据感应的格数来计算位移量
? 光电式鼠标
– 不用专门的鼠标垫
– 在鼠标球上开裂缝
– 计数器统计光脉冲数
与主机通信
? 接口
– 串口
– USB
? 总线
– 慢速总线
– USB
? 协议
– 定时，向主机发送 3个字节,X,Y和当前按键状态。
– 主机根据这 3个字节的内容，将屏幕上的箭头移动到规
定位置，并响应按键命令。
扫描仪
? 被扫描对象放置在平板上，由底部光源照
射。
? 通过电荷耦合装置，当检测到光照射时，
电荷耦合装置被充电。
? 收集这些信息，并将其转换为数字表示，
可得到点阵信息，传送给主机。
? 彩色扫描，可通过不同光源进行扫描。
实时输入设备
? 语音
? 图形
智能输入设备
? 语音识别
? 手写体识别
? 印刷体识别
输出设备概述
? 点阵式输出设备（视觉）
– 以点阵的组合来表示不同的形状
– 提供每个点的存储输出属性
– 点阵输出设备将点按属性规定的颜色和灰度输出
? 听觉
– 音乐、语音合成
? 触觉
– 可穿戴计算机
? 嗅觉
点阵输出设备
? 显示器
– CRT
– LCD
– PDP
? 打印机
– 针式打印机
– 激光打印机
– 喷墨打印机
阴极射线管 (CRT)显示器
? 成像原理
– 通过电子束撞击荧光板上的荧光粉，发光产生
亮点
? 组成
– 电子枪、显示屏和偏转控制装置
灯丝
阴极
聚焦极
石墨层
荧光屏
显示屏
阳极帽
偏转线圈
栅极
阳极
电子枪
电子束
阴极射线管（ CRT）的构成和工作原理
CRT的几个概念
? 光栅扫描和随机扫描
– 电子束从左到右，从上到下扫描整个屏幕
– 只扫描需要显示的点
? 刷新和帧存储器
– 为了得到稳定的图象，需要重复扫描整个屏幕
– 为了重复扫描，需要存储图象信息。
? 分辨率和灰度级
– 像素个数
– 亮暗差别
? 图形和图像
– 线条的有无表示
– 自然景物、照片等
字符显示的一般原理
移位
寄存器
S L
字符
发生器
( ROM)
加载控制 水平消隐 行间消隐 垂直消隐
水平同步电路 垂直同步电路
点振荡器 点计数器 水平地址计数器 光栅地址计数器 垂直地址计数器
定时控制
电路
垂直同步信号水平同步信号
字符时钟
ＡＳＣＩＩ
代码
ＣＰＵ控制
OSC
VRAM
1
9
1
80+18
1
9+5
1
25+1
视频
信号
RA3 - RA0
字形的产生过程
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
1 1 1 1
0 1 1 1
0 0 1 1
10H
28H
44H
82H
82H
FEH
82H
82H
00H
字符
发生器
( R O M )
ASCII
字符代码
8
4RA3 - RA0
(a), A,的点阵表示 (b)字符发生器的结构
(来自 VRAM)
(来自光栅地址
计数器输出 )
RA3 -RA0 D7 D0
D7
D0
ASCII代码 (41H)
指向这个字形
CRT图形显示器
? 大的 VRAM
– 存储点阵属性
– 分辨率,1024*768，真彩色，
1024*768*3Byte=2.3MB
? 高速总线
– 50场 /秒，带宽为 2.3*50MB/s=112.5MB/s
– 需要连接 PCI总线
? 专用接口
– 分辨率更高的图形设备将采用专用接口
液晶显示器
? 显示原理
– 利用液晶的光学特性
– 平板后面设置光源
– 通过液晶改变透射光的偏振性（从水平到垂直）
– 电场控制
? 特点
– 平板显示，不需要高压电，移动方便
– 无辐射
– 价格较高
液晶显示器
等离子显示器
? 成像原理
– 利用惰性气体在一定电压作用下产生气体放电的特性
– 产生紫外线，紫外线激发荧光粉发光
– 在玻璃板之间隔开成象素，每个象素点内有惰性气体
和三色荧光粉，用电极控制
? 特点
– 易于实现大画面显示
– 全色显示，色纯度与 CRT相当
– 视角达 160度
– 寿命长
– 功耗大、成本高、对比度差。
针式打印机
? 打印原理
– 用钢针或钨铼合金针撞击色带，将色带的颜色印到打印纸上，完
成一个点的输出
– 完成全部点阵后输出完毕
? 组成
– 打印头与字车、输纸机构、色带机构及控制器
– 打印控制器包括字符缓冲存储器、字符发生器、时序控制电路和
接口电路四部分
? 打印过程
– 字车将打印头横向移动到打印起始位置，
– 取出输出对象点阵的第一列，驱动打印针撞击色带
– 字车移动一小格，输出下一列，直到本行输出完毕
– 回车
– 输纸机构进纸
– 输出下一行
针式打印机构造
打印纸
导轨 打印针
永磁铁
铁芯
衔铁
线圈色带色带保护片
滚筒
螺管式电磁铁
打印针
电磁铁线圈
衔铁 壳帽 外壳
导轨
弹簧
激光打印机
? 输出原理
– 利用激光束照射硒鼓，使之放电，不再吸附墨粉来产
生打印的形状
? 结构
– 见下图
? 输出过程
– 硒鼓带电后吸附墨粉
– 激光束使硒鼓表面被照射的部分放电，释放墨粉
– 将墨粉压到纸上，并用高温烘烤，使之固化在打印纸
上
– 将硒鼓放电，清扫剩余墨粉
激光打印机的组成
激
光
部
分
印字机
控制部分
(微处理机汉字字形库 )
记录鼓
(硒鼓 )
显象
部分
+ …..
定形部分
加热辊 预
热
板输
纸
用
辊
转写
清扫辊
带
电
器
印写部分
清扫部分
转写部分
接纸
部分
纸
激光
喷墨打印机
? 打印原理
– 利用喷嘴喷出墨滴到纸上
– 给墨滴充电，利用电场控制墨滴的方向
? 构造
– 见下图
? 输出过程
– 压电陶瓷受振荡电脉冲激励产生电致伸缩，喷射出墨
滴
– 给墨滴充电
– 利用电场控制墨滴的偏转方向
喷墨式打印机
墨水槽
喷墨头
过滤器 收集槽
高压
电源
振荡
发生器
字符
发生器
打
印
纸
充电电极压电陶瓷 偏转电极
墨水泵
回收器
墨
滴
偏
转
方
向
喷墨头移动方向
组成与打印原理
字符打印过程
（充了电的墨滴偏转射向打印纸，
不带电的墨滴射入回收器被回收）
( 以 7*5 点阵为例 )
打印机
? 接口
– 并行接口
? 总线
– 慢速总线
? 协议
