Transcript 第7章外围设备
第7章 外围设备 学习目标 • 了解：常用的外围设备的种类；输入/输出 设备和辅助存储器的分类； • 理解：输入/输出设备和辅助存储设备的基 本功能 • 掌握：常用的输入/输出设备和辅助存储器 的基本原理； 知识结构 键盘 鼠标 触摸屏 外围设备概述 图像输入设备 条形码识别仪器 输入设备 外 围 设 备 光笔、光学等 显示器 打印机 输出设备 辅助存储器 汉字处理技术 硬磁盘 光盘 常用输入设备案例 优盘 磁带 固态盘 7.1 外围设备概述 • 外围设备（peripheral device）过去常称 作外部设备（external device）。在计算 机硬件系统中，外围设备是相对于计算机 主机来说的。凡在计算机主机处理数据前 后，负责把数据输入计算机主机、对数据 进行加工处理及输出处理结果的设备都称 为外围设备，而不管它们是否受中央处理 器的直接控制。一般说来，外围设备是为 计算机及其外部环境提供通信手段的设备。 7.1 外围设备概述 • 7.1.1外围设备的分类 • 外围设备可分为输入设备、输出设备、外 存设备、数据通信设备和过程控制设备几 大类。每一种外围设备，都是在它自己的 设备控制器控制下进行工作，而设备控制 器则通过适配 • 器和主机连接，并受主机控制。 7.1 外围设备概述 • • • • • • • 外围设备的分类： 1.输入设备 2.输出设备 3.外存储器设备 4.多媒体设备 5.网络与通信设备 6.输入输出处理机 7.1 外围设备概述 • 7.1.2 外围设备的基本功能 • 在计算机系统中，外围设备的作用显然非常重要。一台普 通的微机系统中，外围设备的价格已经远远超过主机的价 格。外围设备的作用归纳起来有以下几方面。 • 1. 提供人机对话 • 2. 完成数据媒体的变换 • 3. 存储系统软件和大型应用软件 • 4. 为各类计算机应用领域提供应用手段 • 由此可见，无论哪一个领域，都是由于有了相应的外围设 备作为数据的输入输出的桥梁，才使计算机获得广泛的应 用。从数据输入输出的角度看，磁盘（硬盘和软盘）和磁 带也可以被看作输入/输出设备。当从磁盘或磁带读取文 件时，它们是输入设备，当向磁盘或磁带保存文件时，它 们是输出设备。 7.2 输入设备 • 输入设备是外界向计算机传送信息的装置。 常用的输入设备是键盘，其它输入设备有 鼠标、触摸屏、图像输入设备、条形码识 别仪、光笔和光学输入设备等。 7.2 输入设备 • 7.2.1键盘原理及功能 • 键盘（Keyboard）是常 用的输入设备（如图7.2所 示），主要有按键识别、 去抖、重键处理、发送扫 描码、自动重发、接收键 盘命令、处理命令等。计 算机的用户编写程序、程 序运行过程中所需要的数 据以及各种操作命令等都 是由键盘输入的。 图7.2常用的键盘外观 7.2 输入设备 • 目前常用的键盘是由一组开关矩阵 组成，包括数字键、字母键、符号 键、功能键及控制键等。按下一个 键就产生一个相应的扫描码。不同 位置的按键对应不同的扫描码。当 按下某个键时，键盘接口将该键的 二进制代码送入计算机主机中，并 将按键字符显示在显示器上。当快 速大量输入字符，主机来不及处理 时，先将这些字符的代码送往内存 的键盘缓冲区，然后再从该缓冲区 中取出进行分析处理。 • 键盘接口电路多采用单片微处理器， 由它控制整个键盘的工作，如上电 时对键盘的自检、键盘扫描、按键 代码的产生、发送及与主机的通讯 等。 图7.3矩阵键盘工作原理 7.2 输入设备 • 7.2.2 鼠标原理及功能 • 鼠标器现在也已经成为计 算机上普遍配置的输入设 备（如图7.4所示）。从 外形看，鼠标器是一个可 以握在手掌中的小盒子， 通过一条缆线与计算机连 接，就像老鼠拖着一条长 尾巴。 图7.4常用的鼠标外观 7.2 输入设备 • 1、机械鼠标及其工作 原理 • 机械式鼠标的结构最 为简单，由鼠标底部 的胶质小球带动X方向 滚轴和Y方向滚轴，在 滚轴的末端有译码轮， 译码轮附有金属导电 片与电刷直接接触。 图7.5 机械鼠标工作原 理: 图7.5 机械鼠标工作原理 7.2 输入设备 • 2、光机鼠标及其工作原理 • 所谓光机鼠标,顾名思义就是一种光电和机械相结合的鼠 标，是目前市场上最常见的一种鼠标。光机鼠在机械鼠标 的基础上，将磨损最厉害的接触式电刷和译码轮改进成为 非接触式的LED对射光路元件（主要是由一个发光二极管 和一个光栅轮）,在转动时可以间隔的通过光束来产生脉 冲信号。由于采用的是非接触部件使磨损率下降，从而大 大地提高了鼠标的寿命，也能在一定范围内提高鼠标的精 度。光机鼠的外形与机械鼠标没有区别，不打开鼠标的外 壳很难分辨。出于这个原因，虽然市面上绝大部分的鼠标 都采用了光机结构，但习惯上人们还称其为机械式鼠标。 7.2 输入设备 • 3、光电鼠标及其工作原理 • 电鼠标通过发光二极管（LED）和光敏管协作来 测量鼠标的位移，一般需要一块专用的光电板将 LED发出的光束部分反射到光敏接收管，形成高 低电平交错的脉冲信号。这种结构可以做出分辨 率较高的鼠标，且由于接触部件较少，鼠标的可 靠性大大增强，适用于对精度要求较高的场合， 不仅手感舒适操控简易而且实现了免维护，使新 一代轨迹球的寿命大大的提高。在笔记本电脑中 则广泛采用压力感应板和操纵杆替代传统的小球 体，使抗污垢的能力有大幅的增强。 7.2 输入设备 • 4、无线鼠标及其工作原理 • 这种无线鼠标利用数字、电子、程序语言 等原理，内装微型遥控器，以干电池为能 源，可以远距离控制光标的移动。由于这 种新型无线鼠标与电脑主机之间无需用线 连接，操作人员可在一米左右的距离自由 遥控，并且不受角度的限制，所以这种鼠 标与普通鼠标相比有较明显的优点。 7.2 输入设备 • 7.2.3 触摸屏原理及功能 • 触摸屏是计算机的输入设备，与能实现输 入的键盘和能点击的鼠标不同，它能让用 户通过触摸屏幕来进行选择（如图7.6所 示）。具有触摸屏的计算机的所需的储存 空间不大，移动部分很少，而且能进行封 装。触摸屏在使用起来比键盘和鼠标更为 直观，而且培训成本也很低。 7.2 输入设备 • 7.2.3 触摸屏原理及功能 • 触摸屏是计算机的输入设备， 与能实现输入的键盘和能点击 的鼠标不同，它能让用户通过 触摸屏幕来进行选择（如图7.6 所示）。具有触摸屏的计算机 的所需的储存空间不大，移动 部分很少，而且能进行封装。 触摸屏在使用起来比键盘和鼠 标更为直观，而且培训成本也 很低。 图7.6常用的触摸屏外观 7.2 输入设备 • 7.2.4 图像输入设备原理及功能 • 扫描仪是图像信号输入设备 （如图7.7所示）。它对原稿进 行光学扫描，然后将光学图像 传送到光电转换器中变为模拟 电信号，又将模拟电信号变换 成为数字电信号，最后通过计 算机接口送至计算机中。 图7.7常用的扫描仪外观 7.2 输入设备 • 7.2.5 条形码识别仪器原理及功能 • 条形码是主要的自动收集技术，用 来收集有关任何人物、地点或物品 的资料.它的应用范围是无限的.条码 被用来进行物品追踪、控制库存、 记录时间和出勤、监视生产过程、 质量控制、检进检出、分类、订单 输入、文件追踪、进出控制、个人 识别、送货与收货、仓库管理、路 线管理、售货点作业以及包括追踪 药物使用和病人收款等在内的医疗 保健方面的应用。 图7.8常用的条形码识别仪的外观 7.2 输入设备 • 7.2.6 光笔、光学等输入设 备 • 1.光笔 • 光笔，英文名为：Light pen.一种输入设备，其使用 光感探测器在显示屏上进行 操作。用户可以通过光笔直 接点击任务图标来进行操作。 电子计算机的一种输入装置， 与显示器配合使用。对光敏 感，外形像钢笔，多用电缆 与主机相连。可以在屏幕上 进行绘图等操作。 图7.9常用的光笔外观 7.2 输入设备 • 2.光学输入设备 • 常见的光学输入设备 有光学字符识别器。 OCR是英文Optical Character Recognition的缩写， 意思是光学字符识别， 也可简单地称为文字 识别，是文字自动输 入的一种方法。 图7.10光学字符识别器 7.3 输出设备的显示器与打印机 • 7.3.1 显示器的相关技术 • 显示器又称监视器(Monitor)，作为计算机最主要 的输出设备之一，显示器是用户与计算机交流的 主要渠道。 • 显示器技术的发展历史，大体可以分为以下3 个 阶段。 • 1.TTL 显示器 • 2.模拟显示器 • 3.多行频自动跟踪及微电脑控制显示器 7.3 输出设备的显示器与打印机 • • • • • • • • • • • • 显示器的主要技术指标： 1.显示区域尺寸 2.点距 3.分辨率 4.场频和行频 5.扫描方式 6.色温 7.调节方式 8.视频带宽 9.CRT (Cathode Ray Tub ，阴极射线管)涂层 10.绿色功能 11.安全认证 7.3 输出设备的显示器与打印机 • 7.3.2 显示器设备的种类 • 显示设备种类繁多。按显示设备所用的显示器件 分类，有阴极射线管(cathoderaytube，简称 CRT)显示器，液晶显示器(1iquidcrystaldisplay， 简称LCD)，等离子显示器等。CRT就是大家所熟 悉的电视机显像管，有黑白和彩色两种。目前的 台式计算机大部分使用CRT作为显示器件。液晶 和等离子显示器是平板式显示器件，它们的特点 是体积小、功耗少，是很有发展前途的新型器件。 • 按所显示的信息内容分类，有字符显示器、图形 显示器和图像显示器三大类。 7.3 输出设备的显示器与打印机 • 1．阴极射线管(CRT) • CRT是目前广泛应用的显示器 件，最早用于电视接收机，然 后应用于计算机系统，作为字 符、图形和图像显示器。 • CRT是一个电真空器件，由电 子枪、偏转装置和荧光屏构成。 我们以单色CRT(即黑白显像 管)为例(见图7.12)说明CRT的 工作原理。 图7.12阴极射线管(CRT) 7.3 输出设备的显示器与打印机 • 2．平板显示器 • 平板显示器(FPD)一般是指显示器的深度小 于显示屏幕对角线1／4长度的显示器件， 有液晶显示(LCD)、等离子体显示(PDP)、 场发射显示(FED)、电致发光显示(ELD)等。 其中LCD本身不发光，靠调制外光源实现 显示，其余各类显示均自身发光。平板显 示器有不少优点，但目前价格尚待进一步 下降。 7.3 输出设备的显示器与打印机 • 7.3.3 打印机的种类 • 1 针式打印机 • 针式打印机的特点是：结构简单、技术成熟、性 能价格比好、消耗费用低。针式打印机虽然噪声 较高、分辨率较低、打印针易损坏，但近年来由 于技术的发展，较大地提高了针式打印机的打印 速度、降低了打印噪声、改善了打印品质，并使 针式打印机向着专用化、专业化方向发展，使其 在银行存折打印、财务发票打印、记录科学数据 连续打印、条形码打印、快速跳行打印和多份拷 贝制作等应用领域具有其他类型打印机不可取代 的功能。 7.3 输出设备的显示器与打印机 • 2 喷墨打印机 • 喷墨打印机的工作原理：早期的喷墨打印 机和当前大幅面喷墨打印机采用的都是连 续喷墨技术，而当今流行的大多数喷墨打 印机采用的是随机喷墨技术，这两者在原 理上有很大区别。 7.3 输出设备的显示器与打印机 • 7.3.4 打印机的发展趋势 • 2010年有科学家声称发明了一种打印新技术：不 仅可以打印纸张，还可以打印气味！一些常见的 气味诸如柠檬味、香草味、苹果味等等都可以被 打印出来。举例来说，你需要一张苹果图片，那 么你不仅能看到打印出来的纸张，还能闻到苹果 的气味；你需要打印一封情书给自己的女友，那 么不仅能让她看到文字，还能让她同时闻到玫瑰 花的气味；就如同3D、4D电影一样，以后的纸 张打印也将变得“多维”和“立体”起来。 7.3 输出设备的显示器与打印机 • 7.3.5 汉字处理技术 • 汉字是世界上使用人数最多的文字，汉字 的字数多，重音多，字形复杂。在微机开 始普及的80年代初，在传统上是西文一统 天下的计算机中，如何输人和处理汉字就 严峻地摆在中国人民的面前。本节将对汉 字编码标准，汉字的输人方法、存储及输 出方案作一简介。 7.4 辅助存储器 • 7.4.1 硬磁盘存储器 • 磁盘存储器（magneticdiskstorage）以磁盘为存储介质 的存储器。它是利用磁记录技术在涂有磁记录介质的旋转 圆盘上进行数据存储的辅助存储器。具有存储容量大、数 据传输率高、存储数据可长期保存等特点。在计算机系统 中，常用于存放操作系统、程序和数据，是主存储器的扩 充。发展趋势是提高存储容量，提高数据传输率，减少存 取时间，并力求轻、薄、短、小。磁盘存储器通常由磁盘、 磁盘驱动器（或称磁盘机）和磁盘控制器构成。 • 磁盘存储器利用磁记录技术在旋转的圆盘介质上进行数据 存储的辅助存储器。 7.4 辅助存储器 图7.19磁盘存储器工作原理 7.4 辅助存储器 • 7.4.2 光盘存储器 • 光盘存储器是一种采用光存储技术存储信息的存储器，它采用聚焦激光束 在盘式介质上非接触地记录高密度信息，以介质材料的光学性质(如反射率、 偏振方向)的变化来表示所存储信息的“1”或“0”。由于光盘存储器容量大、 价格低、携带方便及交换性好等特点，已成为计算机中一种重要的辅助存 储器，也是现代多媒体计算机MPC不可或缺的存储设备。 • 按光盘可擦写性分类主要包括只读型光盘和可擦写型光盘。 • 只读型光盘所存储的信息是由光盘制造厂家预先用模板一次性将信息写入， 以后只能读出数据而不能再写入任何数据。按照盘片内容所采用的数据格 式的不同，又可以将盘片分为CD-DA、CD-I、Video-CD、CD-ROM、 DVD等。 • 可擦写型光盘是由制造厂家提供空盘片，用户可以使用刻录光驱将自己的 数据刻写到光盘上，它包括CD-R、CD-RW和相变光盘及磁光盘等。 7.4 辅助存储器 • 7.4.3 优盘存储器 • U盘，全称“USB闪存盘”，英文名“USB flash disk”。 它是一个USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存 储产品，可以通过USB接口与电脑连接，实现即插即用。 U盘的称呼最早来源于朗科公司生产的一种新型存储设备， 名曰“优盘”，使用USB接口进行连接。USB接口就连 到电脑的主机后，U盘的资料可与电脑交换。而之后生产 的类似技术的设备由于朗科已进行专利注册，而不能再称 之为“优盘”，而改称谐音的“U盘”。后来U盘这个称 呼因其简单易记而广为人知，而直到现在这两者也已经通 用，并对它们不再作区分，是移动存储设备之一。 7.4 辅助存储器 • 7.4.4 磁带存储器 • 磁带存储器（magnetictapestorage）：以磁带 为存储介质，由磁带机及其控制器组成的存储设 备，是计算机的一种辅助存储器。磁带机由磁带 传动机构和磁头等组成，能驱动磁带相对磁头运 动，用磁头进行电磁转换，在磁带上顺序地记录 或读出数据。磁带存储器是计算机外围设备之一。 磁带控制器是中央处理器在磁带机上存取数据用 的控制电路装置。磁带存储器以顺序方式存取数 据。存储数据的磁带可脱机保存和互换读出。 7.4 辅助存储器 • 7.4.5 固态盘 • 固态硬盘（Solid State Disk或Solid State Drive），也 称作电子硬盘或者固态电子盘，是由控制单元和固态存储 单元（DRAM或FLASH芯片）组成的硬盘。由于固态硬 盘没有普通硬盘的旋转介质，因而抗震性极佳。 • 固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬 盘的相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致。其芯 片的工作温度范围很宽（-40~85℃）。目前广泛应用于军 事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、 医疗、航空等、导航设备等领域。目前由于成本较高，正 在逐渐普及到DIY市场。 7.4 辅助存储器 • 7.4.6 各种辅助存储器的综合比较 • 硬盘、软盘、磁带和光盘，不仅在记录原 理上相类似，而且作为部件来说，它们都 包括磁、光、电、精密机械和马达等；作 为存储系统，它们都包括控制器及接口逻 辑；在技术上，都可采用自同步技术、定 位和校正技术以及相类似的读写系统。然 而这四种存储器在计算机系统中，还是各 有各的特点和功能，有不同的用处。 7.5 常用输入设备案例 • • • • • • • • • • 矩阵式键盘的按键识别方法 1.确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。 行扫描法 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法， 介绍过程如下。 （1）判断键盘中有无键按下 将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要 有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线 相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。 （2）判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其 方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在 确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列 线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。 下面给出一个具体的例子： 8031单片机的P1口用作键盘I/O口，键盘的列线接到P1口的低4位，键盘的行线接到 P1口的高4位。列线P1.0-P1.3分别接有4个上拉电阻到正电源+5V，并把列线P1.0P1.3设置为输入线，行线P1.4-P.17设置为输出线。4根行线和4根列线形成16个相交 点。 （1）检测当前是否有键被按下。检测的方法是P1.4-P1.7输出全“0”，读取P1.0-P1.3 的状态，若P1.0-P1.3为全“1”，则无键闭合，否则有键闭合。 （2）去除键抖动。当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步的检测判断。 （3）若有键被按下，应识别出是哪一个键闭合。方法是对键盘的行线进行扫描。 P1.4-P1.7按下述4种组合依次输出： 7.5 常用输入设备案例 • P1.7 1 1 1 0 • P1.6 1 1 0 1 • P1.5 1 0 1 1 • P1.4 0 1 1 1 • 在每组行输出时读取P1.0-P1.3，若全为“1”，则表示为 “0”这一行没有键闭合，否则有键闭合。由此得到闭合键 的行值和列值，然后可采用计算法或查表法将闭合键的行 值和列值转换成所定义的键值 • （4）为了保证键每闭合一次CPU仅作一次处理，必须却 除键释放时的抖动。 • 键盘扫描程序： • 从以上分析得到键盘扫描程序的流程图所示。程序如下 7.5 常用输入设备案例 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • SCAN: MOV P1,#0FH MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,NEXT1 SJMP NEXT3 NEXT1: ACALL D20MS MOV A,#0EFH NEXT2: MOV R1,A MOV P1,A MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,KCODE; MOV A,R1 SETB C RLC A JC NEXT2 NEXT3: MOV R0,#00H RET KCODE: MOV B,#0FBH NEXT4: RRC A INC B JC NEXT4 MOV A,R1 SWAP A NEXT5: RRC A INC B INC B INC B INC B JC NEXT5 NEXT6: MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,NEXT6 MOV R0,#0FFH RET 7.5 常用输入设备案例 • 2.确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“高低电平翻转法”。 • 首先让P1口高四位为1，低四位为0,。若有按键按下，则高四位中会 有一个1翻转为0，低四位不会变，此时即可确定被按下的键的行位置。 • 然后让P1口高四位为0，低四位为1,。若有按键按下，则低四位中会 有一个1翻转为0，高四位不会变，此时即可确定被按下的键的列位置。 • 最后将上述两者进行或运算即可确定被按下的键的位置。 • 键盘处理程序就作这么一个简单的介绍，实际上，键盘、显示处理是 很复杂的，它往往占到一个应用程序的大部份代码，可见其重要性， 但说到，这种复杂并不来自于单片机的本身，而是来自于操作者的习 惯等等问题，因此，在编写键盘处理程序之前，最好先把它从逻辑上 理清，然后用适当的算法表示出来，最后再去写代码，这样，才能快 速有效地写好代码。 本章小结 • 任何一个计算机系统,都是由硬件系统和软件系统组成的。在硬件系统 中,除了主机外,必须配备相应的外围设备,计算机系统才能正常地工作。 外围设备是人和计算机系统的接口,计算机操作者是通过各种外围设备 来使用计算机的,外围设备是人类使用计算机的工具和桥梁。因此,外 围设备知识是计算机科学和技术领域知识中重要的组成部分,学习计算 机科学技术和应用的学生必须具有一定的外围设备知识。21世纪将是 信息化的世纪。进入21世纪以后,世界各国加速建设信息化,信息化建 设推动了计算机科学技术的发展,随着计算机技术的飞速发展和计算机 应用领域的不断拓展,外围设备的品种、类型和数量不断增加,外围设 备在计算机硬件系统的成本中所占的比重也不断上升。在微型机系统 中,外围设备所占硬件 • 通过本章的学习，读者以了解、使用外围设备出发点,对输入设备、输 出设备、存储设备等各种类型的外围设备的作用、分类、原理及其发 展有一定的认识,重点掌握一些典型设备的组成结构与工作原理。