第五章 外部设备（I/O设备）
一、输入设备（Input Device）
1、键盘（Keyboard）
（1）按键特点
- “QWERTY”排列，亦称“柯蒂”键盘 //如此排列主要是避免按键卡死
- 按键数目 早期83键 //无功能区（F1—F12）和小数字区
101键和102键 //386和486普遍使用
108键或更多 //现在普遍采用
（2）工作原理 - 逐行扫描法（以8行×8列为例）
上图为8行×8列示意图，所有按键均在行和列的交叉点上，无按键按下时，列线与行线无连接，所以读列线状态均为+5V（即逻辑1），如有按键按下，则按键位置处，列线与行线导通，相应列线状态会改变。
扫描方式为逐行改变行线电位状态，初始时第0行为0V（逻辑0），其余行均为+5V，如果改行有按键按下，则相应位置列线与行线导通，对应的列线读出为0V（逻辑0），根据行线和列线的位置可确定该按键。然后第1行为0V，执行上述操作确定该行是否有按键按下，然后各行依次为0V状态，循环执行上述操作。 - 如果8行×16列，可有128键（3位行地址，4位列地址，共7位数据）
（3）键盘分类 - 按是否有接触点
触点式键盘——按下按键时，触点接通，松开按键时，触点断开 //存在抖动
电容式键盘——按键下为一逻辑电容，按下时电容改变，引起电流和电压的变化 - 按是否有编码
编码键盘——返回按键的信息编码（如ASCII码或其它编码） //原理略复杂
非编码键盘——仅返回按键的扫描码（即位置值） //需辅助处理、速度慢
（4）接口类型 - 五芯接口：时钟、数据（串行操作，仅1位）、复位、电源、地
- USB接口（通用性强）
2、鼠标（Mouse）
（1）机械式鼠标 - 内置塑胶滚球，带动相互垂直的辊（gǔn）轴，产生x、y的位移量
- 特点：原理简单、可靠性差（易磨损）
（2）光电鼠标 //原理类似一个小型的数码照相机和图像处理器 - 主要部件
发光二极管（发出光束）
棱镜、透镜（实现光线的折射和聚焦）
光感应器件（微成像器） //移动轨迹会记录成一组高速拍摄连贯的图像
图像分析芯片（DSP数字微处理器）//通过特征点位置变化来定位移动的方向和距离 - 技术指标
DPI——每移动一英寸所能检测出的点数（值越大，精度越高）
帧速率——DSP每秒能处理图像的帧数（值越大，灵敏度越好）
（3）接口类型 - 五芯接口：时钟、数据（串行操作，仅1位）、复位、电源、地
- USB接口（通用性强）
二、输出设备（Output Device）
1、显示器
（1）CRT显示器（阴极射线管）
- 电子束击中屏幕产生光色，余辉时间决定显示性能，适合人眼为中余辉（1-100ms）
- 电子束经过水平偏转场和垂直偏转场击中屏幕上不同的位置，一次仅显示一点，逐点显示完成一屏图像（称一帧，Frame），利用人眼的视觉暂留（0.1s）观察者可看到一幅完整图像
- 多次重复显示形成稳定画面，每秒重绘次数称为帧刷新频率，对于人眼85Hz为无闪烁频率
（2）液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD） - 液态晶体——一种介于液体与固体之间的物质 //本身不发光
在不同的电场作用下，内部晶体排列会发生改变，影响透光性 - 彩色液晶
每个像素点，显示RGB三色（Red、Green、Blue），每种颜色用8位数据（即256级）
24位真彩色（三种颜色共256×256×256级），人眼无法分辨这么多颜色 - 光源
通常采用冷阴极荧光灯（CCFLS）
注意：液晶显示器的原理类似街头的广告灯箱
（3）LED显示器
- LED（Light-emitting Diode）即发光二极管
- LED的特点：功耗低、亮度高、色域宽广（更艳丽的色彩）、环境适应强、绿色环保（无水银之类有害元素）、低电磁辐射
- 现在所说的LED显示器通常指具有LED背光技术的液晶显示器
即液晶显示器的每个像素点后面设置一个发光二极管作为光源，具有比LCD显示器更省电的优点
（4）分辨率和点间距 - 物理分辨率（Physical Resolution）：单位面积所能显示的最大光点数
逻辑分辨率（Logical Resolution）：整个屏幕所能容纳的光点数
//屏幕的大小决定显示的精细程度，例如均为1024×768分辨率，在20寸屏幕和在7寸屏幕上显示的效果截然不同 - 点间距（Dot Pitch）
指两个相邻光点（像素）中心的距离，有时亦称行距
也可以用像素密度来描述，像素密度是指单位长度的像素数，单位PPI（每英寸像素数）
例：显存用DRAM实现，显示分辨率为1600×1200，颜色采用24bit真彩色，帧频85Hz，显示总带宽的50%用来刷新屏幕，则显存总带宽为多少？显存至少多大容量？
总带宽为[（1600×1200）×3Byte×85]÷50%＝7834MB/s
显存容量为（1600×1200）×3Byte＝5760000 Byte＝5.49 MB //以1024＝1K计算
（5）图形显示卡
简称显卡，有时亦称为图形适配器（Graphics Adapter Card），具体操作要涉及到屏幕的模拟量操作（控制显示屏的电压或电流值） - 主要包含部件
图形处理芯片GPU（Graphics Processing Unit） //与CPU对立区别
显存——一帧图像要显示的相关数据（数据量）
RAMDAC（数/模转换存储器） //其中DAC（Digital-to-Analog Converter） - 显示模式
字符模式——在屏幕上按字符阵列为最小处理单位（仅可显示字符，图像处理复杂）
图形模式——在屏幕上按像素点为最小处理单位（把字符当图像处理）
2、打印机 - 打印模式
击打式（Impact）——用机械力量击打字锤或字模来完成打印
非击打式（Nonimpact）——用物理或化学方法将油墨印在纸张上
（1）针式打印机 - 用字车（Carriage，也称打印头）击打纸张来完成字符的打印 //仅能打印字符
- 字车分单列（7针或9针）和双列（14针：7×2或24针：12×2）两种
- 字模格式
英文字符——5×7、7×7、7×9、9×9
汉字字符——24×24 //点阵越大，显示越细腻
上面左图示意的是5×7的英文点阵，即5列7行，共35个点，右图示意击打后的“A”点阵，即把需要的点击打出来，构成一个大写的A。针式打印机在某些特定场合还在使用。
（2）激光打印机（Laser Printer）
- 感光鼓（硒鼓） //类似于老式相机的底片
- 简要过程描述
a、硒鼓充电（表面均匀布满电荷）
b、激光束扫描照射硒鼓（被照射部分产生光电流，电荷消失） //生成翻转图像
c、硒鼓表面吸附碳粉（仅有电荷部分能吸附上） //要打印的图像
d、打印纸通过硒鼓，纸后面有转印电晕丝（用其磁场把硒鼓上带电荷的碳粉吸附在纸上）
e、热辊定影（把纸上的碳粉固定在纸上）
f、硒鼓放电，清扫刷清其表面的碳粉（除像），为下一次做准备
注意：激光打印机是用物理方式来完成的打印
（3）喷墨打印机（Ink-Jet Printer） - 喷嘴喷射代垫墨滴束，经过水平和垂直的偏转电场到达纸张表面
//偏转电场原理类似CRT显示器中的偏转电场 - 单色打印——黑色墨滴
彩色打印——CMYK混色（即青色、品红色、黄色和黑色4种墨滴）
//不同颜色的混色来形成彩色打印
三、辅存设备
1、硬盘
特点：容量大、每位价格低，非易失性
（1）基本组成部件
- 盘片——一种金属合金 //硬盘名字来源于此
- 磁头——硬盘的磁头工作时是非接触式 //悬浮0.2-0.5微米，不同于早期的软磁盘
通常设置一个读头和一个写头，主要因为读写操作和时间均不相同 - 磁盘驱动器（HDD，Hard Disk Driver）
磁盘控制器（HDC，Hard Disk Controller） //外围电路，驱动和控制磁盘工作
注意：现在硬盘多为温盘，即温彻斯特盘的简称，是把上述部件集成为一体，使用时不用具体了解内部结构。
（2）磁道（Track）——工作时磁头所形成的轨迹 - 对于磁盘是磁盘面若干半径不同的同心圆，对于磁带是沿着带面方向的一条直线
- 柱面（Cylinder）——多盘片结构时，各盘面中相同半径的磁道可以构成一个虚拟的柱面，有时磁道亦称作柱面
扇区（Sector）——盘面上的磁道被分成的若干弧，每一段弧线即为一个扇区 - 不同半径的扇区角速度相同（磁盘转速恒定）
- 不同半径的扇区的容量恒定（由于弧长不同，所以记录密度不同） //便于控制
注意：磁盘地址格式如下所示
磁盘地址不同于主存地址，主存地址是按单元编址，磁盘是按块（扇区）编址。
（3）磁记录原理
写入——磁化磁盘盘面介质
写1：正向驱动电流，盘面上产生正向磁通
写0：反向驱动电流，盘面上产生反向磁通 - 读出——用磁头在盘面上移动，产生相应的感生电动势e
e＝－n（dφ／dt）＝－n（dφ／dl）（dl／dt）＝－n（dφ／dl）v
//其中l为长度，（dl／dt）为单位时间长度的变化，即线速度，dφ为磁通量的变化
注意：由于驱动电流很小，所以产生的磁通φ也不是很大，要想获得一个有效的感生电动势e，就得增大匝数n，另外还要有一个很大的线速度（磁盘高速转动的一个原因）。
同时要清楚，稳定的磁通由于没有变化，所以产生不了感生电动势e，感生电动势e只有在磁通变化处才有。
（4）磁记录方式 - 归零制（RZ）
信号1用正向电流（+I）驱动，信号0用反向电流（-I）驱动，信号之间驱动电流为0（归零制名称的由来）
特点：原理简单、有单倍电流驱动（φ和e都小）、记录密度低 - 不归零制（NRZ） //见变就翻转
驱动电流只在信号交界处翻转，翻转时为（+I-I）或（-I+I），仅当前后信号不同时，驱动电流才翻转，如前后信号相同时，保持驱动电流+I或-I不变。无0值驱动电流，所以称非归零制
特点：波形简单，记录密度大，需外加辅助电路（触发器标识0或1、同步时钟记录信号个数），某位出错会影响其后的若干位（故障敏感） - 不归零制（NRZ-1） //见1就翻转，一种改进的不归零制
记录波形与NRZ相似，不同之处在于驱动电流翻转的条件，仅当新来信号为1时，驱动电流翻转（+I-I）或（-I+I），否则保持驱动电流+I或-I不变。
特点：波形简单，记录密度大，需同步时钟记录信号个数，某位出错不会影响其后的数值（故障不敏感）。
- 调相制（PM）
驱动电流包括两种相位（+I-I）和（-I+I），用其中的一种表示0，另一种就可以表示1，波形相对复杂，但具有一定的自同步能力，不再需要同步时钟，磁带通常采用此法。 - 调频制（FM）
驱动电流在所有信号的交界处均翻转，0信号内部不翻转，1信号内部翻转，即1信号的翻转频率是0信号翻转频率的2倍。具有完全的自同步能力，不需外加同步时钟，磁盘通常采用此法。
（5）磁表面存储的主要技术指标 - 记录密度
a、道密度：沿磁盘半径方向，单位长度的磁道数，单位TPI（Track Per Inch）
b、位密度：单位长度磁道记录的二进制位数，单位bpi（bit per inch）
注意：逻辑上，磁盘按角速度读取数值，即每一个扇区记录的数据量相同。由于磁道周长不同，所以各磁道的位密度均不一样，习惯上取两个数值，最外磁道（位密度最小）和最内磁道（位密度最大）。 - 存储容量 c＝n×k×s 其中n为面数、k为磁道数、s为每磁道记录的位数
未格式化容量——包括一些辅助数据位
格式化容量——只包括有效的数据位 //对于用户来讲，只考虑格式化容量 - 平均访问时间
磁盘的访问时间和位置有关，各位置时间均不相同，通常采用平均值，计算时用最大值和最小值的平均数来代替（各种情况出现的几率相同，不用依次计算求平均值）
a、平均寻道时间：磁头沿半径方向找寻磁道的时间，用Tsa表示
从一端移到另一端的时间（即从最外磁道到最内磁道，或反之）
最小值为0（不需移动，要找磁道就在磁头下面）
b、平均等待时间：磁头找寻相应磁道的某扇区的时间，用Twa表示
最大值为磁道转一周的时间，最小值为0
则平均访问时间Ta＝Tsa＋Twa - 数据传输率：磁盘开始传输数据时，单位时间内所传输的数据量
此参数指标不包括寻址等待时间以及其它一些辅助操作时间 //为峰值数据
计算公式为Dr＝D×v 其中D为位密度、v为相应磁道的线速度 - 误码率：出错位数占总位数的比率
例：某磁盘组包括6片，其中最外两侧盘面不记录，存储区域内径22cm，外径33cm，道密度40道/cm，内层位密度400bit/cm，磁盘转速3600转/分钟，计算下面几个参数指标。
a、该磁盘组共有多少存储面？ n＝2×6－2＝10
b、该磁盘组共有多少柱面？ k＝40×[（33－22）÷2] ＝220
c、该磁盘组存储容量为多少？
s＝400×π×22＝27632bit c＝n×k×s＝60790400bit
d、该磁盘组数据传输率是多少？
3600÷60＝60转/s Dr＝s×60转/s＝1657920bit/s
注意：该处数据传输率没用前述公式计算，而用每磁道记录的位数×每秒磁道转数
2、光盘（Compact Disc，CD） //真实含义为压缩盘
（1）光盘结构
- 基板——无色透明的聚碳酸酯（无毒性、稳定性好、有一定强度）
- 记录层——烧录时，可产生两种截然不同的反射状态，烧灼或未烧灼
镜面反射（可假定为1）、漫反射（可假定为0） - 反射层——纯度较高的纯银金属（像小镜子）
（2）与磁盘的区别 - 光盘为螺旋形光道——以恒定的线速度旋转形成
- 光盘的扇区按时间编址——为分、秒、扇区编号（某一秒内访问的扇区次序号）
- 光点的大小（相当于磁盘的位密度）
与两个参数有关，一个是光的波长，一个是物镜的数值孔径。要提高容量（即光点要尽可能的小），则措施为，或者缩短波长（用短波长光），或者提高孔径值（涉及到具体制造工艺）
例如 早期CD 780nm不可见红外光
DVD（Digital Versatile Disc） 650nm红色激光 //数字多用光盘
BD（BLUE-ray Disc） 405nm蓝色激光 //蓝光盘
上述几种，波长越来越短，容量越来越大
** 外设总结
1、外设从工作形态上看就是数据流的传递
2、外设最直接的分类：输入设备、输出设备、双向设备
3、从每次传数的数量来看，外设分为
面向字符设备——一次请求仅传一个数（例如键盘）
面向字块设备——一次请求要传一组数（例如硬磁盘）
4、从属性分类
人可读设备（Human Readable） //例如显示器
机器可读设备（Machine Readable） //例如硬盘、传感器
通信设备（Communication） //调制解调器Modem、路由器Router