微机原理与接口技术第10章微型计算机常用外设接口技术课件

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1、第第1010章章 微型计算机常用外设接口技术微型计算机常用外设接口技术本章要点本章要点 了解常用输出设备显示器和显示卡的结构、功能和主要技术指标 了解常用输入设备键盘和鼠标的分类、结构、功能和主要技术指标 了解打印机的分类、结构、功能和工作原理 掌握D/A和A/D转换器的功能、结构、工作原理和应用10.1 10.1 显示器与显示接口显示器与显示接口10.1.1 10.1.1 显示器与显示卡显示器与显示卡 1 1显示器概述显示器概述显示器又称监视器(Monitor)，是计算机系统的一种常用的输出设备。显示器能将计算机的工作状态、运算结果和输入的文本及程序等信息转换为字符、图形和图像等显示出来。显

2、示器分类 按照显示颜色的不同可把显示器分为单色显示器和彩色显示器。按照工作器件不同可把显示器分为阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子显示器(PDP：Plasma Display Panel）、发光二极管(LED)等等。按支持最高显示模式不同可把显示器分为MDA、CGA、EGA、VGA、SVGA及XGA等等 表10-1 几种常见显示模式的性能参数2 2显示卡显示卡显示卡（简称显卡）是连接CPU与显示器的接口电路。在现代的微型计算机中，显示卡多制作成插卡的形式，在连接时把它直接插在主板上的对应插槽中（PCI显卡插在PCI插槽中，AGP显卡插在AGP插槽中），它的另一端漏在主机箱的外边

3、，用于连接显示器。显示卡能够把CPU的数字信号转换为视频信号，并控制显示器的显示。显示卡的结构显示卡的结构 显示控制芯片 显示存储器 RAM-DAC Video BIOS 显示器接口 总线接口 显示卡的分类显示卡的分类根据显示方式的不同显示卡被分为MDA、CGA、EGA、VGA和SVG等几类。根据是否具有图形处理功能显示卡被分为普通VGA显卡、2D图形加速显卡和3D图形加速显卡。根据总线结构的不同显示卡被分为ISA显卡、PCI显卡和AGP显卡，目前ISA和PCI结构的显卡除了在某些特殊的领域应用，已几乎不再使用。VGA VGA显示接口显示接口目前，微型计算机的显示器与显示卡之间几乎都使用VGA

4、接口连接。VGA显示接口是一个15芯D型（梯型）接口，其接口外形如图10-1所示，与之相连接的显示器配有15针的D型插头。D型接口分为三排，每排从左到右分别为1-5芯、6-10芯和11-15芯，其各芯功能如表10-2所示。图10-1 15针VGA接口示意图 表10-2 15针D型插头针脚信号表10.1.2 CRT10.1.2 CRT显示器及接口显示器及接口 CRT显示器主要由阴极射线管（CRT）、字符发生器、显示缓冲器以及CRT控制器几部分组成。其中阴极射线管是组成CRT显示器的主要部件，决定着显示器的显示效果和质量。1 1阴极射线管阴极射线管CRTCRT阴极射线管CRT的结构如图10-2所示

5、。由图10-2可知，CRT主要由阴极、栅极、加速极、阳极、聚焦极、偏转系统和荧光屏几部分组成。图10-2 CRT结构示意图 2 2光栅扫描光栅扫描 光点在屏幕上移动就会形成一个图案，这个过程称为扫描。有两种扫描光点在屏幕上移动就会形成一个图案，这个过程称为扫描。有两种扫描的方式，一种是随机扫描，即哪个位置上需要画线，光点就打到那里并的方式，一种是随机扫描，即哪个位置上需要画线，光点就打到那里并沿线移动。另一种是光栅扫描。微型计算机系统中的沿线移动。另一种是光栅扫描。微型计算机系统中的CRTCRT显示器普遍采显示器普遍采用光栅扫描方式。用光栅扫描方式。3 3字符发生器字符发生器 当要在CRT显示

6、器上显示字符时，通常把显示屏幕划分成许多方块，每个方块被称为字符窗口，要显示的字符就位于字符窗口中。把每个字符窗口对应的字符代码存储在一个显示缓冲区中，这个缓冲区被称为视频存储器（VRAM）。VRAM的容量由分辨率和灰度级决定，分辨率和灰度级越高，所需要的VRAM容量就越大。4 4CRTCRT控制器控制器 CRT控制器用于光栅扫描显示器与微型计算机系统之间的接口，常用的CRT控制器有Intel8275和MC6845等，其主要功能如下：接收来自计算机要显示字符的代码。设定每行和每帧显示的数目。控制光标位置。产生光栅扫描的水平和垂直同步信号。例如：产生视频抑制、视频消隐以及视频信号倒相等视频控制信

7、号。5 5显示器接口显示器接口图10-3给出了由MC6845组成的字符CRT显示器接口框图。10.1.3 LCD10.1.3 LCD显示器及接口显示器及接口1 1概述概述液晶是一种具有规则性分子排列的有机化合物，它即不是固体也不是液体，而是介于固态和液态之间的一种物质，加热时它会呈现透明的液体状态，冷却时它则出现结晶颗粒的混浊固体状态。液晶按照分子结构排列的不同可分为粘土状的（Smectic）液晶、细柱形的（Nematic）液晶和软胶胆固醇状的（Cholestic）液晶三种。液晶显示器的组成结构如图10-4所示。2 2液晶显示器的分类及工作原理液晶显示器的分类及工作原理 被动矩阵式LCD 被动

8、矩阵式LCD又可分为TN-LCD(Twisted Nematic-LCD，扭曲向列LCD)、STN-LCD(Super TN-LCD，超扭曲向列LCD)和DSTN-LCD(Double layer STN-LCD，双层超扭曲向列LCD)。它们的显示原理基本相同，不同之处是液晶分子的扭曲角度有些差别。主动矩阵式LCD TFT-LCD液晶显示器的结构与TN-LCD液晶显示器基本相同，只不过将TN-LCD上夹层的电极改为FET晶体管，而下夹层改为共通电极。3 3LCDLCD显示接口显示接口 液晶显示器一种采用15针D-Sub接口与显示卡相连，这是目前使用最普遍的显示接口；另一种是采用DVI（Digi

9、tal Visual Interface，数字视频接口），有的液晶显示器同时具有这两种接口。目前的DVI接口分为两种，一种是DVI-D接口，这种接口只能接收数字信号，接口上只有3排8列共24个针脚，其中右上角的一个针脚为空。DVI-D的物理接口见图10-5所示。另外一种则是DVI-I接口，可同时兼容模拟和数字信号。通过一个转换接头可以接收模拟信号，一般采用这种接口的显卡都会带有相关的转换接头。DVI-I物理接口见图10-6所示。图10-5 DVI-D 实物接口 图10-6 DVI-I 实物接口 10.1.4 PDP10.1.4 PDP显示器显示器 等离子显示器PDP是指一种利用气体放电而发光的

10、平板显示器，是近几年来高速发展的等离子平面屏幕技术的新一代显示设备。PDP按工作方式不同可分为DC-PDP（直流）和AC-PDP（交流）两种基本类型。AC-PDP从结构上又可分为双基板对向放电型和单基板表面放电型两类。1 1PDPPDP概述概述2 2PDPPDP工作原理工作原理在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生紫外光，从而激励平板显示器上的红绿蓝三基色荧光粉发出可见光。每个等离子管作为一个像素，由这些像素的明暗和颜色变化组合成各种灰度和色彩的图像。10.2 10.2 键盘与鼠标键盘与鼠标10.2.110.2.1键盘的工作原理键盘的工作原理 键盘是微型计算机

11、系统不可缺少的输入设备，通过键盘上的按键可以键盘是微型计算机系统不可缺少的输入设备，通过键盘上的按键可以直接直接 向计算机输入各种信息。键盘主要由键开关（按键）和键扫描电向计算机输入各种信息。键盘主要由键开关（按键）和键扫描电路两部分组成。路两部分组成。1.1.键盘的分类键盘的分类 按照键盘的构造原理可分为触点式开关按键键盘和无触点开关按键键盘按照键盘的构造原理可分为触点式开关按键键盘和无触点开关按键键盘两类。两类。按照键盘物理结构可分机械式、薄膜式和电容式三种。按照键盘物理结构可分机械式、薄膜式和电容式三种。按照键盘按键数的多少可分为按照键盘按键数的多少可分为8383（8484）键、）键、1

12、01101（102102）键、）键、104104键和键和107107键。其中键。其中104104键为键为Windows95Windows95键盘，键盘，107107键为键为Windows98Windows98键盘。键盘。按照判断按键位置的方法不同键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种。按照判断按键位置的方法不同键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种。按照外形不同键盘可分为标准键盘和人体工学键盘两种。按照外形不同键盘可分为标准键盘和人体工学键盘两种。按照与主机的连接键盘可分为有线键盘和无线键盘。无线键盘的连接又按照与主机的连接键盘可分为有线键盘和无线键盘。无线键盘的连接又分为红外线方式和无线电方式两种。

13、分为红外线方式和无线电方式两种。2 2键开关和键盘矩阵键开关和键盘矩阵 微型计算机的标准键盘上通常安排有上百个按键，每个按键相当于一个开关，故又称为键开关。键开关分为接触式和非接触式两大类。图10-7 键盘的矩阵结构3 3键盘的工作原理键盘的工作原理 编码键盘的工作原理编码键盘又有静态编码键盘和动态编码键盘之分。静态编码键盘静态编码键盘采用硬件编码电路来实现编码。当按下个键时，通过硬件编码器直接产生其对应的代码送入主机。这种键盘响应速度快，但它是以复杂的硬件为代价的，而且其复杂性随着键数的增加而增加。由于每个键都必须有条输入线，故通常仅适用于小键盘。动态编码键盘动态编码键盘采用硬件电路扫描键盘

14、的工作方式，故又称为电子扫描式键盘。非编码式键盘的工作原理 非编码键盘通过执行键盘扫描程序识别按键的位置，并提供与按键对应的位置码(扫描码)，然后通过查ROM表将位置码转换成对应的ASCII码。10.2.2 PC10.2.2 PC机键盘接口机键盘接口 标准键盘接口是一个5芯的圆形插座，插座上的5个插空非均匀地分布，在插座的正上方有一个导向槽，以示正确的插接方向。5芯键盘接口各引脚的定义见表10-3所示。微型计算机中，常采用Intel 8279和Intel 8042芯片作为键盘接口，其中Intel 8279可以构成64按键的阵列，多用于16位的微型计算机中。Intel 8042可构成168的键盘

15、阵列，多用于32位的微型计算机中。用Intel 8042构成168键盘扫描电路如图10-8所示。图10-8 微型计算机键盘扫描电路 Intel 8042芯片有40个引脚，采用双列直插式封装，内部有1个8位的CPU、1KB ROM、64B RAM、1个8位的定时器/计数器、2个8位的并行接口P1和P2组成。Intel 8042通过计数信号线CNT64 CNT01对扫描电路进行控制和管理.如图10-9所示 图10-9 Intel 8042控制键盘原理图 10.2.3 10.2.3 鼠标的工作原理鼠标的工作原理 鼠标器器是由位置传感器、专用处理芯片和采样机构组成，如图10-10所示。鼠标分类光电式、

16、机械式、光机式 10.2.4 10.2.4 鼠标接口鼠标接口鼠标接口主要有串行通信（COM）接口、PS/2和新型的USB接口3种类 10.3 10.3 打印机打印机10.3.1 10.3.1 概述概述按照打印原理的不同可以把打印机分为针式打印机、喷墨打印机和激光打印机三种。各种打印机的性能见表10-4所示。10.3.2 10.3.2 打印机工作原理打印机工作原理 1 1针式打印机的工作原理及特点针式打印机的工作原理及特点针式打印机又称为点阵式打印机，是一种击打式打印机，它由打印头、打印头定位控制部件、走纸装置、色带和打印控制部件等组成,其结构如图10-11所示。其中打印头里有若干根打印针，通常

17、所说的24针打印机就是指其打印头里有24根打印针。当CPU输出数据时，这些数据打印控制部件转换为响应的控制信号，使打印头中的一部分打印针有力地敲击在打印色带上，打印色带就会在打印纸的相应位置着色，印出字符、汉字或图形。图10-11 针式打印机的结构框图2 2喷墨打印机的工作原理及特点喷墨打印机的工作原理及特点 喷墨打印机是一种非击打式打印机，它利用特别技术的换能器将带电的墨水从喷嘴喷出。喷出的墨水由聚焦系统将微粒聚成一条射线，再由偏转系统控制微粒线在纸上扫描，绘出字符、汉字或图形。3 3激光打印机的工作原理及特点激光打印机的工作原理及特点 激光打印机是一种光、机、电一体、高度自动化的计算机输出

18、设备，其打印原理与静电复印机相似，结构比针式打印机和喷墨打印机都复杂得多，其结构如图10-12所示。激光打印机是将激光扫描技术和电子显像技术相结合的非击打式打印机，它主要由激光器、激光扫描系统、以碳粉与感光鼓为主的碳粉盒、字型发生器、电子照相转印机构和控制电路部分组成。CPU送来的打印信息经打印控制电路调制在激光束上，然后扫描到感光鼓上，成像机构把照射到感光鼓上的图文映像转印到打印纸。图10-12 激光打印机的结构框图 10.3.3 10.3.3 主机与打印机接口主机与打印机接口 1 1并行打印机连接接口并行打印机连接接口 并行打印机与主机连接的连接接口按Centronics标准定义，连接打印

19、机的一端用36芯D型插座，连接主机的一端用25芯D型插座，各引脚的定义见表10-5所示。接下表接上表表10-5 并行打印机与主机连接的连接接口引脚功能表2 2串行打印机连接接口串行打印机连接接口串行打印机采用串行接口与主机连接。常用USB接口标准或RS-232C标准作为连接接口。图10-13给出了采用RS-232C标准作为连接接口的示意。10.4 D/A10.4 D/A与与A/DA/D转换接口技术转换接口技术 在实际应用中常常使用连续变化的物理量，不能被计算机直接处理的，必须转换为数字信号，才能输入计算机进行加工处理。计算机进行加工处理的结果是数字量，必须转换为模拟信号，才能加以应用。实现数字

20、量到模拟量转换的器件称为D/A转换器，实现模拟量到数字量转换的器件称为A/D转换器。10.4.1 D/A 10.4.1 D/A 转换器转换器1.1.D/A D/A 转换器的基本原理转换器的基本原理D/AD/A转换器（转换器（DACDAC）从工作原理上可分为并行）从工作原理上可分为并行DACDAC和串行和串行DACDAC。并行。并行D/AD/A转转换器的转换速度快，换器的转换速度快，为当前主流，被广泛应用。为当前主流，被广泛应用。图图10-1410-14为为4 4位采用位采用T T型电阻网络的并行型电阻网络的并行D/AD/A转换器原理图。转换器原理图。图10-14 4位采用T型电阻网络D/A转换

21、器2.D/A2.D/A转换器的性能指标转换器的性能指标 分辨率 转换精度 转换时间 线性度 输出电平3.DAC08323.DAC0832芯片芯片DAC0832芯片的内部结构如图10-15所示。图10-15 DAC0832内部结构10.4.2 A/D10.4.2 A/D转换器转换器1.A/D1.A/D转换器的转换过程转换器的转换过程AD转换器将模拟量转换为N位二进制数字量，需要经过采样、保持、量化和编码四个过程 2 2逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器工作原理转换器工作原理逐次逼近式A/D转换器由逐次逼近寄存器、D/A转换器、比较器、缓冲寄存器以及控制电路几部分组成。如图10-16所示。图1

22、0-16 逐次逼近式A/D转换器3 3双积分式双积分式A/DA/D转换器工作原理转换器工作原理 双积分型A/D转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路几部分组成，如图10-17所示。图10-17 双积分式A/D转换器 4 4A/DA/D转换器主要性能指标转换器主要性能指标 转换精度 分辨率 转换时间5 5ADC0809ADC0809芯片芯片 ADC0809芯片的性能分辨率为8位，转换时间为100s。不可调误差在1/2LSB和1LSB之间。具有琐存控制的8路多路开关，输出具有三态缓冲控制，且与TTL兼容。使用单一+5V电源，模拟输入电压范围为0 5V。工作温度范围为-400C 850C。ADC0

23、809芯片内部结构及引脚功能 ADC0809芯片内部结构如图10-18所示。ADC0809有包括比较器、逐次逼近寄存器SAR、256R电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路几部分组成。图10-18 ADC0809内部结构10-18图中ADC0809各引脚功能如下：D7D0：8位数字数据输出端。IN7IN0：8路模拟信号输入端。ADDC、ADDB、ADDA：8路模拟信号输入通道的地址选择线。ALE：地址锁存允许，其正跳变锁存地址选择线状态，经译码选通对应的模拟输入信号。START：启动转换信号输出端，上升沿使片内所有寄存器清零，下降沿启动A/D转换。EOC：转换结束状态信号输出端。转换开始后，此引脚变为低电平，转换一结束，此引脚变为高电平。OE：输出数据允许控制信号输入端，此引脚为高电平有效，当有效时，芯片内部三态数据输出锁存缓冲器被打开，转换结果送到D7D0。CLOCK：时钟，最高可达1280KHz，由外部提供。REF（+）、REF（-）：基准电压正极、负极，通常REF（+）接Vcc，REF（-）接GND。Vcc：电源，+5V，GND：地线