微型计算机课件第09章外设

第9章PC系列微机外部设备接口9.1键盘、鼠标与打印机接口9.2软盘和硬盘驱动器接口9.3显示器和显示接口9.4声卡及其接口9.5IEEE1394总线及接口1 9.1键盘、鼠标与打印机接口9.1.1键盘1.键盘的分类微型的计算机使用的键盘有机械触点式和电容式二类：（1）触点式按键：键被按下后两触点导通。手感差，易磨损，故障率较高。（2）电容式按键：通过改变电容器电极之间的距离，产生电容的变化。电容式键盘手感好，寿命长，目前使用的计算机键盘多为电容式无触点键盘2 按照控制形态，有非编码键盘和编码键盘二类：（1）非编码键盘：这种键盘的编码需要由CPU扫描后获得，CPU效率低，主要用于小型应用系统。（2）编码键盘：由专用控制器对键盘进行扫描，产生对应的编码。这种键盘结构稍复杂，但使用方便。2．PC机键盘结构PC系列微机使用编码式键盘，它的内部由专门的单片机（如8048，8049等）完成键盘开关矩阵的扫描、键盘扫描码的读取和发送。键盘开关矩阵为l6行×8列，按下键时的编码称为接通扫描码（通码），松开键时的编码称为断开扫描码（断码）。3 图9-1（1）增强型扩展键盘的结构4 （2）键盘扫描码的发送8048单片机从DATAOUT端输出扫描码，送到五芯插头的2脚，并由CLOCKOUT输出时钟定时信号，送到五芯插头的1脚。主板上的键盘接口电路按照这两个脚的信号同步串行接收数据。主机也可以通过接口1，2引脚向键盘发送信息，包括复位、重新发送、启动、设置速率等。5 3.键盘接插件标准目前PC上常用的键盘插口有2种:比较老式的直径13mm的5芯PC键盘插口；最常用的直径8mm的6芯PS／2键盘插口。图9-26 4.IBM-PC机键盘中断服务主板上的键盘接口收到一个字节数据后，通过8259的IRQ1向CPU请求中断。键盘中断类型码为09H。（1）从键盘接口（8255的PA端口，地址60H）读取键盘扫描码。（2）将扫描码转换成ASCII码或扩展码，存入键盘缓冲区。（3）如果是换档键（如CapsLock，Ins等），将状态存人BIOS数据区的键盘标志单元。（4）如果是组合键（如Ctrl+A1t+Del）则直接执行，完成其对应的功能。（5）对于中止组合键（如Ctrl+C或Ctrl+BreaK），强行中止程序的执行，返回系统。7 9.1.2鼠标1.鼠标的结构和工作原理鼠标结构可分为光电机械式、光电式、轨迹球等。光电机械式是目前最常见的鼠标。鼠标内置X方向滚轴和Y方向滚轴。X，Y滚轴上装有带孔的译码轮，它的转动会阻断或导通LED发出的光线，在光敏晶体管上产生表示位移的脉冲。光电鼠标用发光二极管向底部发射光线，光敏三极管接收经反射的光线，将位移信号转换为电脉冲。由于没有橡胶滚球，日常维护方便。鼠标按照按键数目可分为两类：两键鼠标（MSMOUSE）和三键鼠标（PCMOUSE）。三键鼠标常用中键来控制翻页操作。8 2.鼠标接口标准鼠标接口有传统的COM、PS/2和新型的USB三种。（1）串行通信口鼠标串口鼠标使用9针D型接口，采用RS-232C标准进行通信。（2）PS／2鼠标PS／2鼠标最早用在IBMPS／2系列微机上而得名。它使用专用的鼠标接插座（6芯DIN型头），安装灵活方便，不占用串口资源。鼠标器软件中断使用指令INT33H。9 图9-310 9.1.3打印机接口1.打印机接口信号图9-4所示是打印机接口的接插件。左边为打印机适配器接口（25芯DB25），右边为打印机联接器（36芯Centronics）。图9-411 打印机接口的主要控制信号（输出）：STROBE#：数据选通，低电平有效。AUTO_FD：自动换行，高电平有效。INIT#：初始化信号，低电平有效。SEL：联机控制位，高电平有效。主要状态信号（输入）：BUSY：忙信号，高电平有表示打印机忙。ACK#：确认，低电平有效。PE：纸尽信号，高电平有效。SLCTIN：选择信号，高电平有效。ERROR#:出错信号，低电平有效，表示打印机出错。12 2.打印机接口内的端口打印机适配器的端口地址可通过跳线或CMOS设置选择378H～37FH（LPT1）或278H～27FH（LPT2）：数据输出端口378H，状态输入端口379H，控制输出端口37AH。控制寄存器格式：状态寄存器格式：D7D6D5D4D3D2D1D0未定义允许中断联机INIT#自动换行选通D7D6D5D4D3D2D1D0BUSY#ACK#PESELTERROR#未定义13 3.打印机I／O功能调用中断INT17H提供了BIOS的打印机I／O功能，如表9-3所示。调用号入口参数出口参数功能AH＝0DX＝打印机号（0～2AL＝打印数据AH＝打印机状态将AL的内容送打印机输出，并读打印机状态AH＝1DX＝打印机号（0～2）AH＝打印机状态初始化打印机，并读打印机状态AH＝2DX＝打印机号（0～2）AH＝打印机状态读打印机状态14 4.打印机适配器的工作过程（1）在INIT#上发出负脉冲，对打印机进行初始化。（2）发送打印数据。（3）向打印机发送选通脉冲。由STROBE端向打印机发出一个负脉冲信号，使数据进入打印机。（4）中断方式下，打印机输出一个数据后，返回应答信号ACK#，产生IRQ7请求信号送往8259A。查询方式下，CPU检查BUSY信号，为0时发送下一个字符。重复过程（2）（3）和（4），直到打印完成。15 9.2软盘和硬盘驱动器接口9.2.1软盘驱动器和接口标准1．软盘驱动器软盘驱动器由主轴驱动、磁头定位和读、写、擦除电路等部分组成。主轴电机以每分钟300转的速度转动。索引孔旋转到检测点时，检测电路发出索引信号，表示当前位置为一周的起始位置。盘片上下两面各有一个磁头，盘面号就是磁头号。步进电机带动磁头作径向运动，使磁头移向所要求的磁道。磁头移到0磁道（最外圈）时，发出0道信号。驱动器接到主机发送来的读／写命令时，通过控制电路使主轴电机和磁头步进电机工作，把磁头定位在指定扇区的上方，然后由读写电路进行读/写操作。16 2．软盘控制器软盘控制器(FloppyDiskControlor,FDC)的主要功能：（1）接收并识别处理器输出的各种命令；（2）根据命令要求向驱动器输出相应的控制信号，控制驱动器完成指定操作；（3）监测驱动器有关状态（如定位到00磁道，写保护等），通知处理器；（4）对处理器要存取的数据进行处理：写入时将并行数据转换成串行数据，并按照记录方式编码送驱动器。读出时分离时钟和数据位，将串行数据转换成并行数据，进行校验。一个软盘控制器最多可接4个软盘驱动器。现在该控制器集成在SuperIO芯片中，通过主板的34针插座与驱动器连接。17 3.磁盘数据的错误校验为了保证数据的可靠性，在读、写数据时要进行数据校验：循环冗余码（CRC）校验：写磁盘时用一个16阶的生成多项式产生16bit的CRC校验码，跟在数据后面写入磁盘。读磁盘时把读出的数据连同校验码用相同的生成多项式进行校验。如果检查出错误，进行重读，重读仍未成功，报告错误。18 9.2.2硬盘驱动器和接口标准1.硬盘驱动器结构与读写过程微型计算机中使用的是温彻斯特硬磁盘，它把磁头、盘片、小车、导轨以及主轴等制作成一个整体，密封安装，简称“温盘”。硬盘存储器由磁头、盘片、硬盘驱动器和读/写控制电路组成。盘片用铝合金材料制成，表面涂有磁性材料。盘面上的一个同心圆周称为一条磁道，数据信息记录在磁道上。磁道从外缘向圆心方向编号，通常把根目录和文件分配表（FAT）存放在0号磁道。每条磁道可分为若干段，每一段称为一个扇区。19 硬盘的读写过程查找磁道:驱动机构把磁头定位在目标磁道上方，目标扇区旋转到磁头下方时，读/写操作开始。写入时，数据经编码电路变换成相应的写电流，送到磁头写线圈，磁化盘面上的表面磁层，形成一个微小的磁化单元。读出时，磁化单元高速经过磁头，在磁头读线圈中感应出电压信号，经放大，整形和选通后输出。20 2.硬盘的主要技术指标（1）磁头类型：磁阻磁头MR（MagnetoResistiveheads）和巨磁组磁头GMR（GiantMagnetoResistiveheads）（2）单碟容量：单张碟片的容量越大，硬盘的总容量随之增大。而且，由于存储密度增大，数据读写速度也得到提高。（3）转速：转速多为5400rpm和7200rpm两种。某些SCSI硬盘的转速已经超过10000rpm。转速越高，硬盘的传输速率越快，但由此也带来发热量和噪声增大等问题。（4）Cache：Cache的容量越大，硬盘的实际传输率就越大。目前采用的Cache多为512KB和2MB两种。（5）平均寻道时间：磁头寻找目标磁道的时间直接影响磁盘的工作速度。（6）传输速率：影响传输速率的因素有电机转速、存储密度、Cache容量、接口方式等。21 3.IDE接口IDE的全称是IntegretedDriverElectronics，即集成驱动器电子部件，由Compaq公司开发，WesternDigital公司生产，是广泛使用的硬盘控制器接口。IDE接口在ST506的基础上进行了改进，把控制器集成到驱动器内。IDE采用40线单组电缆连接，除了对系统总线上的信号做必要的处理之外，其余信号基本上是原封不动地送往硬盘驱动器。IDE实际上是系统级的接口，有的资料上因此也称IDE为ATA（AT-Attachment，AT嵌入式）接口。IDE由于具有多种优点，且成本低廉，在微型计算机中得到了广泛的应用。22 4.EIDE接口IDE只能管理容量在512MB以下的硬盘，不能满足技术的快速发展。WesternDigital在原有基础上开发了新的EIDE（增强型IDE）接口，它已经成为新一代的标准。与IDE相比，EIDE有以下几个方面的特点：支持大容量的硬盘。EIDE提供两个插座，称为主插座和辅插座，每个插座可连接主、从两个设备，一共可连接4个设备。最大突发数据传输率可达16MB/s（IDE为3MB/s）。EIDE支持三种硬盘工作模式：普通模式（Normal）、逻辑块寻址模式（LogicalBlockAddressing）、大硬盘模式（Large）。23 9.2.3现代硬盘接口技术UltraDMAATA接口UltraDMA接口是在ATA上发展起来的新型硬盘接口标准。仍然采用40脚插座，但是在连接线缆的每根信号线之间增加了1根地线，线缆宽度达到80。如果使用普通的40线硬盘线，则把UltraDMA/66当作UltraDMA/33接口的硬盘来使用。UltraDMA接口的数据传输速率可以达到66MBps、100MBps、133MBps24 2.SerialATA接口SATA1.0接口采用串行差分方式在硬盘和接口之间传输数据，使用1.5GHz的频率工作，数据传输速率150MBps。最新的SATA2.0接口把数据传输速率提高到3000MBps。25 9.3显示器和显示接口9.3.1显示器1．显示器的分类阴极射线管显示器（CRT）CRT显示器在电子枪与荧光屏间有一个布满栅孔的金属荫罩板，因此也称为荫罩式显示器。CRT显示器分辨率高，图像质量好，价格便宜，使用寿命较长，但体积大，能耗大。26 液晶显示器（LCD）有源矩阵：又称为薄膜晶体管液晶显示器（TFT）每一个像素点用一个薄膜晶体管控制液晶的透光率。优点：色彩鲜艳，视角宽，图像质量高，响应速度快缺点：成品率低，价格昂贵。无源矩阵：用电阻代替有源晶体管优点：成本低，制造较容易缺点：色彩饱和度差，图像不够清晰，对比度较低，视角窄，响应速度慢。与CRT显示器相比：外尺寸相同的LCD显示器可视面积更大，体积小（薄），外形美观，图形清晰，不存在刷新频率和画面闪烁的问题价格高，分辨率稍低，产品的寿命受背灯影响27 2．显示器的技术指标（1）尺寸由于显像管的边框占了一部分面积，实际显示面积小于标称尺寸。例如，17英寸的显示器的可视范围只有15英寸。（2）显像管的形状有球面、平面直角、柱面和纯平四种。（3）逐行／隔行扫描隔行扫描显示器在低分辨率下逐行扫描，在高分辨率下改为隔行扫描。隔行扫描显示器对同一屏幕的图像先扫描奇数行，再扫描偶数行，容易造成水平线上的抖动。逐行扫描可以有效地避免上述不足。28 （4）点距相同颜色的两个相邻荧光体间的距离。点距越小，显示出来的图像越细腻，分辨率越高。目前大多数显示器的点距是0.28mm和0.25mm。（5）刷新频率每秒屏幕刷新的次数。刷新频率越低，图像闪烁得就越明显。一般显示器要求在1024×768的分辨率下要能达到75Hz的刷新率。还有行频和带宽。行频是每秒扫描的行数，如65K/S，与这个指标有关的85K/S等。带宽是每秒扫描像素的点数，常见的是几十兆赫兹，高性能显示器的带宽在100MHz以上。（6）分辨率水平方向和垂直方向上最大像素个数．用水平方向像素数×垂直方向像素数来表示。29 9.3.2显示接口1．显示卡的种类MDA（MonochromeDisplayAdaptor）：单色显示适配器。只有字符方式，无图形能力，在早期的PC机中使用。CGA（ColorGraphicsAdaptor）：彩色图形适配器。它支持字符、图形两种方式。分辨率不高，颜色种类较少，是最早的显示卡产品，目前已不使用。EGA（EnhanceColorGraphicsAdaptor）：增强型图形适配器，其字符、图形功能比CGA卡有较大提高，显示分辨率也较高，显示方式也比CGA卡丰富，有11种标准模式。30 VGA（VideoGraphicsArray）：视频图形阵列，标准分辨率为640×480，16种颜色。VGA卡兼容了上述各种显示卡的显示模式，支持更高的分辨率和更多的颜色种类。SVGA（SupperVideoGraphicsArray），超级VGA。SVGA是VESA（VideoElectronicsStandardsAssociation—视频电子标准协会）所推荐的一种比VGA更强的显示标准。SVGA的标准模式是800×600，新型显示器分辨率可达1280×1024、1600×1200等。随着计算机技术的高速发展，特别是GUI（UserGraphicInterface，用户图形接口）方式操作系统（如Windows系列）的普及，对视频显示系统的要求也越来越高。显示适配器从早期的文本显示方式，到现在第四代3D图形加速卡，在功能、显示速度等方面都有着极大的提高。31 2．显示卡的性能指标（1）显示分辨率显示器上每个点的信号来自显示接口，显卡的分辨率不应低于显示器的分辨率。（2）刷新速度显卡的刷新频率与显示器的扫率频率相同时，才能得到满意的效果。（3）颜色和灰度色彩数由显卡上每个像素使用的存储器位数决定。例如，每个点用16bit存储，可以有65536种不同的色彩，也称为“16位色”。彩色图形卡连接单色显示器时，用灰度等级代替颜色。32 9.3.3显示接口组成显示接口卡上包括CRT控制器（CRTC）、寄存器、显示存储器、视频BIOS和总线接口等部件。早期的CRT控制器芯片常采用MC6845CRT，新一代的显示控制器则以Nvidia公司的GeForce、ATI公司的Radeon系列为典型代表。它们不仅能高速显示二维图形，而且提供了强大的三维显示能力。1．视频控制芯片CRTC视频控制芯片（CRTC）是整个视频显示接口电路的核心部件，它决定了整个显示适配器的性能。芯片内含微处理器、定时／计数器、中断寄存器、程序存储器ROM和多个可编程端口寄存器。33 2．显示存储器（VRAM）显示器有二类不同的工作模式：文本方式和图形方式文本方式：VRAM中存放每个待显示字符的编码和属性。字符的编码通过“字符发生器”转变成这个字符字形的点阵信息送显示器。属性规定了字符的颜色（前景色），背景色，闪烁及高亮度等参数。图形显示方式：VRAM中存放每个像素的色彩信息。显示的分辨率越高，颜色越多，显示内存也就越大。1024×768、32位彩色所需的显存为1024×768×32／8＝3147728字节≈3.15MB。为了进行快速的三维图形显示，VRAM还需要储存大量的其他信息。现在的3D显示卡上大多配置了8MB～64MB显存以满足高质量图形的输出。VRAM的读写速度直接影响显卡的工作速度。34 3．DAC寄存器DAC视频部件含有256个宽18位的寄存器，既用于供用户执行调色板选择功能调用，还具有转换显示数据的作用。在文本方式下，VGA视频控制器自动将刷新缓存中的数据转换成为点阵流，输出视频信号及属性信息。在图形模式下，刷新缓存中的像素信息表示每个像素的颜色。这些信息在颜色代码确定后，会自动转换为模拟视频信号输出。4．VGABIOSVGABIOS是用于显示输出的基本输入输出程序，同时还包含有字符阵列码信息。VGABIOS是用户进行标准输出的底层设备，是显示设备的重要接口。35 5．总线接口显示适配器通过总线与系统连接。ISA、EISA，与VESA部件扩展能力差，这三种总线均己淘汰。现在使用的PCI与AGP总线有较高的带宽，总线时钟频率高，传输速度快，在现代微型计算机系统中得到广泛的应用。6．显示器接口显卡通过15针（或9针）D型插座与显示器连接。其DB15型插座的形状和信号如图9-8所示图9-536 DVI显示器接口LCD液晶显示器使用数字信号控制各颜色的显示，这时就没有必要把显示存储器中的数字信号转换成模拟信号传送到显示器，再还原成数字信号。新一代的显卡使用称为“DVI（DigitalVedioInterface，数字视频接口）”与新型LCD液晶显示器相连接。DVI接口有DVI-D、DVI-I两种模式，其中DVI-D为纯数字模式，而DVI-I为数字、模拟兼容模式。37 DVI-I型显示接口接插件内信号由两部分组成：右边的十字针芯和四个点5个针脚，连同左侧的1个针脚共6个针脚，用来传输模拟视频信号。左侧3×8共24个针脚中剩余的23个针脚，用来组建TMDS通道，传输数字视频信号。使用DVI接口之后，视频信号的传输速率可以得到较大的提升，显示质量也将同步提高。38 9.3.4显卡总线类型1．PCI总线接口PCI总线的时钟频率为33MHz、峰值带宽133MB/S，已经不能满足三维应用的迅猛发展2．AGP总线接口1996年由Intel公司开发AGP总线使用与外频相同（66MHz或100MHz）的时钟频率进行数据传输，在同样32位数据总线的条件下，AGP总线的数据传输速率为266MB／S。如果再对时钟脉冲进行技术处理，重新建立66MHz的倍频或四倍频时钟，让AGP在一个时钟周期的上升沿和下降沿各传输一次数据，可实现AGP×2（533MB／s）、AGP×4（1066MB／S）的速率，加快了数据传输速率。39 3．PCI-Express总线接口2002年，由Intel公司发起，多个业界公司联合推出了PCI-Express总线。它在软件层面上与PCI总线兼容，原有的软件不加修改就可以应用在PCI-Express总线的设备上。使用一组（4根）信号线的基本型总线称为PCI-ExpressX1，双向传输时实际带宽已经达到500MB/s，比33MHzPCI总线的速度快一倍左右。在Intel915以上的芯片组构成的系统中，存储控制中心（MCH）芯片上提供了使用16组信号线组成的PCIExpress×16总线，用于连接显卡，它单向就能够提供4GB/S的带宽，远远超过AGP8X的2.1GB/s的带宽。40 9.4声卡及其接口声卡（也称为音频卡、声效卡）是多媒体计算机不可缺少的重要部件。现在的声卡不仅仅作为发声之用，还兼备了声音的采集、编辑，语音识别，网络电话等多种用途。41 在相应软件的支持下，声卡应具备以下大部分或全部功能：（1）录制、编辑和回放数字声音文件（2）控制各声源的音量并混合在一起（3）对声波文件进行压缩和解压缩（4）语音合成技术（5）MIDI接口（乐器数字接口）42 声卡的插孔（1）Line-In：连接其他外部声源，如微型CD播放器、调谐器、数字录音机等，进行播放或录音。（2）Line-Out：连接有源音箱。（3）MIC：连接语音输入话筒（麦克风）。（4）Spacker：接连无源音箱、耳机或小功率音箱。（5）游戏杆/MIDI：连接游戏操纵杆或者数字电声乐器MIDI设备，也可以用来连接其他简单控制设备。（6）CD音源连接器(CDAudioInterface)：连接光驱尾部的四针连接器。光驱播放音乐CD时，将输出的音频信号送往声卡，处理后输出。（7）PC喇叭连接器：连接主板上的PC喇叭。43 9.5IEEE1394总线及接口9.5.1IEEE1394总线的特点9.5.2IEEE1394总线工作方式9.5.3IEEE1394接口类型9.5.4IEEE1394接口与USB接口比较44 9.5.1IEEE1394总线的特点（1）数字接口：数据以数字形式传输，无需数模转换，同时支持同步和异步两种数据传输模式。（2）点对点总线技术：通过1394接口直接连接而无需计算机的干预。（3）连接方便：IEEE1394采用设备自动配置技术，允许热插拔操作。（4）速度快：能够以200Mbps、400Mbps甚至大于800Mbps的速率来传送音频、视频信息等大容量数据。（5）物理体积小：制造成本低，易于安装。（6）非专利性：使用IEEE1394总线不存在专利问题。45 9.5.2IEEE1394总线工作方式IEEE1394采用树形或菊花链拓扑结构。AB1394接口CD图9-8IEEE1394扩展连接46 IEEE1394总线上的通讯有异步和同步两种模式。异步传输：数据发送方和接收方互换地址，然后进行数据传输。接收方收到数据包后，向发送方传回确认信息。同步传输：发送方将标志接收方的通道标识（ID）附加在所要传输的数据中一起发送。接收方对数据流进行检测，对具有特定ID信号的数据时进行接收。同步数据传输模式的优先级高于异步传输模式。47 （1）物理层物理层主要提供设备和线缆之间的电气和机械连接，处理数据传输和接收，确保在同一时刻只有一个节点传输数据，以使所有的设备对总线能进行良好的存取操作。（2）链路层链路层提供同步和异步模式下的数据包确认、定址、数据校验及数据分帧等。其中异步传送与大多数计算机应答式协议相似；而同步传送为实时带宽保证式协议。IEEE1394分层协议48 （3）处理层处理层负责处理异步数据包，支持异步协议写、读和锁定指令。写即是将发送者的数据送往接收者；读即是将有关数据返回到发送者；锁定即是写、读指令功能的组合。（4）串行总线管理串行总线管理提供全部总线的控制功能，包括确保向所有总线连接设备供应电力，优化定时机制，分配同步通道ID，处理基本错误提示等。IEEE1394分层协议49 9.5.3IEEE1394接口类型IEEE1394接口有6针和4针两种类型：六角形的接口为6针，4针用于传输数据信号，另2针向设备供电，电压8～40V，最大电流1.5A，设备之间距离最大4.5米，链接总长度为50～100米。六针接口常使用于台式电脑。小型四边形接口为4针。并且命名为iLINK。4针接口多用于DV或笔记本电脑等设备。50 9.5.4IEEE1394接口与接口比较USB要求CPU来控制数据的传输；IEEE1394不需要CPU控制。USB只支持异步传输；IEEE1394支持异步数据传输还支持同步数据传输。USB2.0数据传输速率可达到480Mbps；IEEE1394的每个设备数据传输输率能够达到400Mbps，而且将来要达到800Mbps甚至更高的3.2Gbps。USB设备需要通过HUB连接，最多127台设备；IEEE1394不需要集线器（HUB）就可连接63台设备。51 习题91.按功能分，计算机外围设备可分成哪几类？2.何谓编码键盘和非编码键盘？3.请说明101键盘接口电路的基本组成原理。4.鼠标常用接口有哪几种类型？简述光机鼠标的工作原理。5.常见打印机接口有哪几种工作方式？举例说明。6.试画出具有8bit数字输入输出功能的并行接口扩展电路图（可参见图9-6）。7.论述打印机接口的主要通信连接信号。52 8.分别叙述IDE和EIDE磁盘接口的技术特性。9.硬盘的主要技术指标包括哪些？10.简述显示器技术性能指标和显卡的种类。11.试计算1024×768分辨率、24位彩色所需的显存为多少？12.何谓AGP显示总线接口？AGP4X的数据传输速率是多少？13.简述声卡的工作原理，声音的采集和还原采用了什么技术？衡量音质好坏的技术指标有哪些？53