计算机系统的输入设备和输出设备.docx
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计算机系统的输入设备和输出设备
1．输入设备
输人设备是外部向计算机传送信息的装置。
其功能是将数据、程序及其他信息，从人们熟悉的形式转换成计算机能接受的信息形式，输入到计算机内部。
计算机的输入设备按功能可分为下列几类：
●字符输入设备:
键盘；
●光学阅读设备:
光学标记阅读机，光学字符阅读机；
●图形输入设备:
鼠标器、图形板，（电子游戏机中的）操纵杆（移动）操纵杆是将纯粹的物理动作（手部的运动）完完全全地转换成数学形式（一连串0和1所组成的计算机语言）。
轨迹球是另外一种类型的鼠标，其工作原理与机械式鼠标相同，内部结构也类似。
轨迹球占用空间小，多用于笔记本电脑等便携机。
轨迹球有两个按钮，一个用于用户单击或双击，而另一个提供为选择菜单和拖动对象后需要的动作。
轨迹球通过读取可滚动的球滚动的方向和速度来定位。
、跟踪球或轨迹球，光笔、画笔（或游动标）；
（3）图形板和游动标输入
图形板和游动标结合构成二维坐标的输入系统，
主要用于输入工程图等。
将图纸贴到图形板上，游动标沿着图纸上的图形移动，
读取图形坐标，即可输入工程图。
游动标是一个手持的方形坐标读出器，上面有一块透明玻璃，玻璃上刻有十字标记。
十字标记的中心就是游动标的中心。
使用时将十字标中心对准在图形的坐标点上即可。
图形板是一种二维的A/D变换器，因此它又称作数字化板。
坐标测量的方法有电阻式、电容式、电磁感应式、超声波式几种。
●图像输入设备:
摄像机、扫描仪、传真机,数字相机
●模拟输入设备：
模数转换器（模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。
通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。
故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小）,语音输入设备
条形码阅读器,触摸感应屏幕,
纸带输入机、声音识别输入
利用人的自然语音实现人-机对话是新一代多媒体计算机的重要标志之一。
下图为一种语音输入/输出设备的原理方框图：
图7.7语音输入/输出原理框图
语音识别器作为输入设备，可以将人的语言声音转换成计算机能够识别的信息，并将这些信息送入计算机。
而计算机处理的结果又可以通过语音合成器变成声音输出，以实现真正的“人机对话”。
通常语音识别器与语言合成器放在一起做成语音输入/输出设备。
2．输出设备
输出设备（OutputDevice）是人与计算机交互的一种部件，用于数据的输出。
它把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。
输出设备的功能是将计算机内部二进制形式的信息转换成人们所需要的或其他设备能接受和识别的信息形式。
常见的输出设备有打印机、显示器、绘图仪、数／模转换器、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。
录像机，摄影机：
图像
有的设备兼有输入、输出两种功能，如磁盘机、磁带机等，它们既是输入设备，也是输出设备
◎在多用户的计算机系统中，计算机终端既是输入设备，又是输出设备;
◎在多媒体计算机系统中，录象机、VCD、DVD、语音输入、语音输出等是输入输出设备。
9.2.1键盘
按结构原理划分：
按键分有触点和无触点类型
触点式利用机械触点的分离与闭合判断电路的通断，由于磨损、氧化等易产生接触不良等故障
无触点式，通过按键上下运动使电容的电量发生变化，达到检测开关的通断，不存在磨损和接触不良等问题，且密封组装有防尘特性
按与主机通信信息划分:
编码键盘和非编码键盘
编码键盘就是当某个键被按下后，能够提供一个与之相对应的的编码信息，功能全部由硬件完成。
非编码键盘是用较为简单的硬件和专用的程序来识别被按键的位置，提供一个与位置相对应的中间代码（扫描码），然后又专用软件将其转换成规定的编码。
即功能由软件完成。
9.2.2鼠标器
鼠标器是控制计算机显示器上光标移动的输入设备。
一般有2个键，PS/2接口和USB接口方式。
特点：
快速、精确地光标定位，优良的人机交互。
分类
机电式一个外涂橡胶的钢球，两对发光、光电管和栅轮组成，进行代表X、Y方向的定位和测距
光电式没有机械滚动部分，代之以两对互为直角的光电探测器，分别代表X、Y方向进行定位。
与计算机通信方式有线和无线（红外和无线电）
指标：
分辨率、轨迹速度等
在操作系统中安装鼠标器的驱动程序，就可在系统中配置使用鼠标器。
IBM-PC机，通过软中断INT33H调用鼠标器驱动程序，可进行的操作有鼠标器初始化、开始显示光标、停止显示光标、读光标位置与按钮状态、设置光标位置、读鼠标位移量等。
9.2.3扫描仪
扫描仪是把图形图像和字符变为二进制图像数据的计算机输入设备。
分类
台式、手持
黑白和彩色
指标分辨率、扫描幅面、扫描速度
原理与接口配有专用软件的扫描仪可以把图形、图像和文字、字符变为二进制图像数据存入计算机存储器，另一方面通过显示器将输入的图形、图像显示出来。
其接口有并行口和SCSI接口两种形式。
9.2.4数字相机
当想把一幅美丽的风景变成计算机能够处理的图像，传统的处理过程是：
通过使用胶片相机把风景拍摄下来，冲成照片，再通过扫描仪把照片扫描成计算机能够处理的图像。
现在，有了数字相机，这一系列工序变得简单多了，当数字相机把某个风景拍摄下来时，它已经是计算机能够处理的图像了。
数字相机与扫描仪类似,采用数千个微小的光传感器将反射光转换为电脉冲。
数字拍摄时，数字相机的镜头和普通胶片相机一样打开，但在相机后面接受反射光的不是基于卤化银的胶卷，而是一个布满成千上万个光敏晶体管的微型芯片,这些晶体管就是著名的电荷耦合设备CCD，将光转换成电脉冲，光线越强,电荷量越大。
CCD可以把亮度分级，但并不认识颜色。
和所有的数字设备一样，这些产品通过把三个基本色混合到一个像素来产生自然的彩色。
为了做到这一点．数字相机必须分三次来完成一幅彩色相片。
数字相机用三个彩色滤色镜来为CCD提供合适的光线:
红色、绿色、蓝色。
对每一种颜色,数字相机存储8位颜色信息（即256种颜色），这样每个像素经过三次拍摄,最后可以达到24位的颜色信息（即1670万种颜色），这个数值远远超过了人眼能够分辨的颜色数量。
CCD的精度决定了最高分辨率，这是选购数字相机时就考虑的一个重要参数，当然镜头的质量和图像处理技术也是一个重要的性能指标。
一旦按下快门，镜头和CCD完成了相应的感光工作,最后的彩色图像便以压缩图像的格式存放在数字相机的存储器里。
一个专门的压缩芯片（通常采用标准的JPEG压缩方法）使原始位图图像压缩到只有原来大小的几十分之一甚至更小，然后数据存入数字相机的存储器里。
大多数字相机允许用户设置图像质量,至少有两种：
高质量和低质量。
高质量相片通常可达到800*600个像素甚至更高。
一般的数字相机只能存放有限的高质量图像，通常只有几十张，这主要是由数字相机存储器的大小决定的。
如果是存储低质量的图像照片,那么可以存储上百张或几百张。
数字相机多数使用集成的硅存储器。
现在Intel、Kodak和其它一些厂商推出基于PC卡的存储器规范作为数字相机的标准,主要的特点是模块化。
当数字相机的存储器用完时只要插入另一块PC卡,就像以前装一个新的胶卷一样。
而如果采用的是集成存储器保存相片，当存储器用完时,必须连上计算机,把相片传给计算机后,才能拍摄新的照片。
数字相机的照片是以0、1来保存的数字图像信息,所以如果数字相片不送入计算机那就没有多少价值了。
有几种方法可以把图像从数字相机传送到计算机中：
使用串行电缆,USB电缆、闪存卡。
现在，大部分数字相机使用标准的串行电缆,串口连接意味着任何台式计算机或笔记本计算机均能与数字相机通信（当然需要有相应的软件）。
但是，串行连接也意味着速度慢,可能会发生冲突，电缆也比较粗大笨拙。
更新的数字相机具有USB总线功能。
USB提供了更快的传输速度,可以达到12MB／S，而串口通信最多只能达到每秒几百KB,所以传送照片时USB的数字相机比基于串行方式连接的数字相机快得多。
同时，采用USB方式的相机与计算机相连时，不需要拨下调制解调器或其它串行设备,因为它采用另外的端口。
另一个正在发展的选项是使用前面提到过的标准的PC卡模块,这是一种闪存卡，可以存储高达几十MB的数据，而且存储满后可以换卡，当暂时没有计算机用来传送数据时，这种进项就极为重要了，这种卡对一个常在郊外或山地进行摄影工作的摄影工作者来说是非常有意义的。
9.2.5数字摄像机
数字摄像机的工作和普通摄像机非常相似,但有更多的功能和更快的速度。
它和数字相机类似，采用电荷耦合器件CCD获取光线井将其转换成模拟电脉冲,然后再转换成0、1的数字信息。
彩色摄像机通常用三个CCD芯片来建立真彩色合成。
摄像机还必须获取模拟的声音,对波形进行采样获取相应的数字信息。
同时,数字摄像机也面临把数据传送至计算机的挑战，即使是USB的12MB／s数据传输速率也不足以传送巨大的视频动态文件。
9.2.6语音与文字输入系统
目前计算机输入字符与数据，主要用键盘敲入，人们正在研究如何让机器能够听懂话，识别字的功能。
为了达此目的，一系列相应学科正在形成与发展。
其中包括模式识别、人工智能、信号处理和图像处理。
语音与文字输入的实质是要让计算机从语音的声波和文字的形状中领会到含义，并将它转换成计算机可以处理的代码。
其核心环节是对声波和文字图形的识别，从学科上说这属于模式识别（Patternrecognition）范畴。
这里把待辨认的一段声波或一个文字图形称为‘样本’，把它们的类别叫做模式（nattern）。
实现将样本划定其模式的系统叫做模式识别系统，具体来讲就称为语音识别系统或文字识别系统。
①信息获取利用传感器（sensor）将语音或文字转换成电信号，并进一步将模拟量转换成数字量，这就是信息获取过程。
语音与文字识别系统的系统构成
语音通过空气振动产生的声波，传到话筒引起话筒内
部簧片振动，又转换成电流变化，在这里话筒就是传感
器。
至于文字常用扫描器（scanner）作传感器，当文
件放入扫描器中时，扫描器从上到下对文件进行逐行
扫描，从纸面上反射的光强与该点的黑、白有关。
根
据光的强弱转换成二进制码。
一般从传感器输出的是模拟量，要将它转换成数字
量。
②预处理
从传感器采集到的信号，往往有畸变或噪音，预处
理阶段的一个主要任务是消除或削弱噪音。
例如用对
同一页纸扫描若干次，再取平均值等方法来减轻噪音
的影响。
预处理阶段还包含对输入信息进行划分的内容。
例
如，按字符、单词或词组进行分段，以便进一步识
别。
③特征提取
语音或文字输入到计算机后，通过与机内已存入的标准语音或文字相比较。
找出其最相似者而实现识别。
所以机器内存有标准语音库或文字库，统称模型库。
④分类器学习
分类器学习是将作为标准的文字或语音送入机器，它的方法是人们一方面用键盘敲入某个字符的代码。
另一方面同时用传感器送入它的语音或文字，计算机将该字符的代码及从语音或文字抽取得到的特征表示，一起存到模型库内以备样本比较用。
文字输入系统要送入不同字体或手写体模型。
语音输入系统若按使用者来分，有特定人专用与非特定人使用两类。
特定人专用，则要让指定的使用人按所用词汇逐个对机器进行训练；非特定人使用的系统需要选择若干口音不同的人对机器进行训练。
⑤分类决策
分类决策是对输入信号进行识别，并赋予识别结果、此时输入信号已转换成特征表示方式。
有两种分类决策方法：
1、将输入的特征表示与模型库中的模型（特征表示）逐个进行比较，找出最相似者，输出其类别代号。
2、根据模型库所有模型特点设计出一些决策规则并使用这些规则对输入信号进行计算，确定其类别。
9.2.7汉字识别
汉字识别主要分为脱机手写汉字识别、联机手写
汉字识别和印刷体汉字识别三类，其难易程度也按上
述次序从难到易排列。
汉字识别实际上是一个模式识别问题，其困难首
先在于常用汉字的数量极大，相似字较多；其次是汉
字字形的多变性，不仅手写体如此，即使是印刷体汉
字，不同字体（宋、仿宋、黑、楷等）、不同字号
（从特大号到小七号）不同印刷方法（铅印、激光打
印、胶印和计算机打印等）和不同印刷厂所印刷的汉
字也是不同的。
由于印刷文本的输入工作量很大，因
此迫切需要解决自动输入问题。
目前我国已有几个商
品化的印刷汉字识别系统出现，其识别率可达到95
％～98％、如要实现完全的印刷文本自动输入，还
有相当多困难待解决。
而计算机是串行工作的，使字符的正确切分变得很困难。
在目前的识别系统中，大约有30％误识来自切分错误。
对计算机来说，识别一篇文章是逐段、逐行、逐字地从上至下和从左到右进行的。
对于报纸和杂志等版面较复杂的文章（即除了文字外，还有图或表格），则需要将一个版面分成很多块将图和表格区分出来，并把文字一行一行、一字一字划分开来。
预处理模块的作用是利用上下文关系对若干个尚无完全确定的字（或词组），识别出正确结果；同时还要进行类似于人工校稿的工作，诸如编排文字、调整结构和修改错误等。
至于联机手写输入（笔输入）指的是以手写的形式实现人与计算机交互的手段，它除了上述各特点外，还具有以下功能。
笔输入由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括“笔’与供书写和定位的‘手写板’、手写板又有电磁式和电阻式两种。
对于电磁式手写板必须与电磁式专用笔（有线与无线均可）相配合，而电阻式手写板，可以用一般的尖状硬物作为笔。
笔输入技术采用绝对定位技术，使得手写板上写入的内容能以自然的方式从上到下、从左到右出现在计算机显示器屏幕上。
笔迹保留是笔输入技术所提供的独特功能同时能方便地完成绘画、作图等功能。
手写字符识别是笔输入技术中的核心问题、定位控制、笔迹保留和字符识别等功能均由软件完成。
9.2.8语言识别系统
语言识别系统，有孤立单词识别系统和连续语言识别系统两种。
在语言理解系统中要求适应自然语言，自然语言的语法不很规范并带有习惯性的无意义的发音。
语言识别系统根据使用范围的不同又可分成供特定人使用的和供任意人使用的两种。
孤立单词和连续语言又有词汇量大小问题，美国的某些公司和大学，在大词汇量语言识别方面取得了较好的成绩。
9.2.9条形码及其技术
条形码又叫条码。
条码的定义是由一组宽度和反射率不同的平行相邻的“条’和“空”，按照预先规定的编码规则组合起来，用以表示一组数据的符号。
这组数据可以是数字、字母或某些符号。
条码元素用以组成条码符号的条和空，统称条码元素。
条与空可规定几种不同的宽度，由若干条和空组成一个字符。
条码是表示数据的符号，在市场上即表示某种商品的代号，这个符号可由机器自动识别并送入计算机中。
在超级市场中的商品，都用条码识别。
条码也可应用于仓库管理、图书管理等领域。
条码技术主要包括条码编码规则及标准、条码译码技术、印刷技术、光电扫描技术、通信技术、计算机技术等。
扫描器将扫描得到的脉冲数字信号送到译码器译码，按照一定的编码规则解释成计算机可识别的信号，并通过数据通信接口送入计算机。
通常条码译码器采用微处理器及相应硬件来完成译码工作。
80年代后期已有专用译码芯片上市。
扫描器和译码器合起来称为阅读器。
一个完整的条码符号由两侧静区、起始字符、数据字符、校验字符（可选）和终止字符组成。
在印制条码符号时要留出静区。
在扫描条码时要从静区开始，以保证阅读效果。
条码符号的第一个字符是起始字符，是特殊规定的条空结构。
在它后面才是真正的数据字符。
条码符号最后一个字符是终止字符。
如选用的条码还要求有校验字符，则校验字符位于数据字符与终止字符之间。
有的条码符号在字符之间留有“位空”，有的则不留，分别称为离散型条码和连续型条码。
9.2.10光笔、图形板和画笔（或游动标）等输入
1.光笔（LightPen）的外形与钢笔相似，头部装有一个透镜系统，能把进入的光会聚为一个光点。
在光笔头部附有开关，当按下开关时进行光的检测，光笔就可始取显示器屏幕上的坐标。
光笔与屏幕上的光标配合，可使光标跟踪光笔移动，在屏幕上画出图形或修改图形，这个过程与人用钢笔画图的过程类似，经操作员确认后即可存入计算机。
2.画笔（Stylus）为笔状，它不是用于显示器屏幕，而是用于图形板（Tablet）。
当画笔接触到图形板上的某一位置时，画笔在图形板上的位置坐标就会自动传送到计算机中去，随着笔在板上的运动可以画出图形。
图形板和画笔结合构成二维坐标的输入系统主要用于输入工程图等。
将图纸贴在图形板上，画笔沿着图纸上的图形移动，读取图形坐标，即可输入工程图。
为了提高读图精度，常用游动标（Cursor）代替画笔与图形板配合使用。
游动标是一个手持的方形坐标读出器，游动标上有一块透明玻璃，玻璃上刻有十字标记。
十字标记的中心就是游动标的中心。
使用时将十字中心对准图形的坐标点上，它比画笔读取的坐标更精确。
3.图形板是一种二维的A／D变换器，因此图形板也称作数字化板。
坐标量测的方法有电阻式、电容式、电磁感应式和超声波式几种。
以电磁式为例，图形板是一块电磁感应板，手持的游动标中有一个感应线圈，当线圈的中心（十字标的中心）置于板上某点时，便在该点产生感应电压，得到坐标值。
图形板与画笔（或游动标）配合的输入方式，比光笔与屏幕相结合的输入方式有许多优点。
光笔不能输入纸上的图形信息，而图形板方式很容易做到。
光笔和持笔的手能挡住图形，而且由于屏幕玻璃的厚度，光的折射作用和人眼与光笔的视角等影响常使画出的图形偏离预想的位置。
而图形板无此问题，而且长时间使用光笔，悬空的手臂会感到疲劳。
由于上述种种优点，目前图形板输入方式得到广泛应用，尤其是在集成电路图、机械、建筑图等用图纸输入的系统中。
更是如此。
4.跟踪球
其原理与机械式鼠标器完全一样，只是将滚球做得大一些并放置在固定的球座里。
使用时用手指转动球，就可实现鼠标器一样的功能。
由于它的座子是固定不动的。
不需要供鼠标器滑动的额外桌面空间，甚至可安装在键盘上，这对要求尺寸紧凑和使用空间窄小的场合很有利，如便携机可用这种跟踪球。
5.操作杆
便携机中经常采用操作杆（Stick）。
其结构是在一种薄片状底盘的上面设置一个操作杆（直径约5mm的小圆杆）其露在便携机键盘面板上的部分只是这个操作杆，底盘结构也很小巧，占用很小空间。
这是鼠标器和跟踪球不能相比的，它通常被设置在空格键下面的空余地方。
使用时用手指轻压小圆杆，显示器上的光标将按照圆杆受力的方向在屏幕上移动。
一般在底盘上设置4个应变规片或压敏电阻来感受圆杆所受的压力。
当按杆时应变规片产生细微形变被检测，将其转换成电压信号。
然后将电压信号经模／数（A／D）变换器转换成数字信号，再经专用IC转换成移动光标信号。
经上述一系列变换，就把按杆的压力信号变成移动光标的信号。
9.2.11触摸屏
触摸屏就是为改善人机对话而兴起的一种输入方式，触摸屏已被广泛应用在各个应用领域的控制和查询等方面。
触摸屏是透明的，可安装在任何一种显示器屏幕的外面（表面）。
使用时，展示器屏幕上根据实际应用的需要显示出用户所需控制的项目或查询的内容（标题），供用户选择。
用户只要用手指（或其他东西）点一下所选择的项目（或标题），即可由触摸屏将此信息送到计算机中。
所以显示屏上显示的项目或标题相当于‘伪按键”。
实际上触摸屏是一种定位设备，用户通过与触摸屏的直接接触，向计算机输入的是接触点的坐标位置，以后的工作就由程序去执行了。
触摸屏系统一般包括两部分，触摸屏控制器（卡）和触摸检测装置。
触摸屏控制卡上有微处理器和固化的监控程序，其主要作用是将触摸检测装置送来的触摸信息转换成触点坐标，再送给计算机。
同时它能接收计算机送来的命令，并予以执行。
触摸屏的控制卡及其电源可以安装在显示器内，称为内置式；也可放在显示器外面，称为外挂式。
触摸屏根据其所采用的技术可分成5类：
电阻式、电容式、红外线式、表面声波技术和底坐式矢量压力测力技术。
红外线触摸屏的传输介质是红外线。
安装外挂式红外触摸屏的方法非常简单，只要用双面胶将一个框架装在显示器上面即可。
监视器
打印机
9.3.1显示器概述
1.分类：
CRT、液晶、等离子
性能：
屏幕尺寸、点间距、对比度、幀频、行频、扫描方式、灰度等级或彩色数量。
显示方式：
字符/数字（A/N）方式、
全点可寻址（APA）方式
9.3.2显示器的性能指标
屏幕尺寸：
显示器屏幕的对角线长度，长宽比例为4：
3
点间距：
显示器屏幕上象素间的距离
颜色数：
每个像素点可显示的颜色数（灰度级）
对比度：
图像（字符）与背景的浓度差
帧频：
字符或图像每秒在屏幕上出现的次数
行频：
单位时间内电子束从屏幕左到右的扫描次数
扫描方式：
电子束扫过荧光屏上所有像素的方式，
分隔行和逐行扫描方式
9.3.3字符显示器
字符显示设备是计算机系统中最基本的外部设备。
光栅扫描显示器显示字符的方法是以点阵为基础的。
这种方法将字符分解成m*n个点组成阵列，将点阵存入由ROM构成的字符发生器中。
在CRT进行光栅扫描的过程中，从字符发生器中依次读出点阵，按照点阵的0和1控制扫描电子束的开关，就可以在屏幕上组成字符。
点阵的多少取决于显示字符的质量和字符块的大小。
字符块指的是每个字符在屏幕上所占的点数，也称作字符窗口，它包括字符显示点阵和字符间隔。
图9.5（a）是字符‘A’用点阵（7X9）表示的例子以及它位于字符窗口中的情况，图9.5（b）为字符发生器的逻辑结构。
汉字的显示输出过程：
输入码->机内码->字型码->显示器
9.4打印机
分类：
接口：
串行、并行
打印方式：
击打、非击打
字形：
点阵、非点阵
打印机工作原理
点阵打印机：
计算机?
接口?
打印行缓冲器?
字符发生器?
驱动电路
激光打印机：
潜像、显影、定影
喷墨打印机：
热式喷墨、压电喷墨
9.4.1点阵针式打印机
点阵针式打印机的特点是结构简单、体积小、重量轻、价格低，字符种类不受限制，较易实现汉字打印，还可以打印图形和图像。
针式打印机的印字方法是由打印针印出的n（横）×m（纵）个点阵组成字符图形。
显然，点越多，印字质量越高，西文字符的点阵通常有5X7，7X7，7X9等几种，若要打印汉字至少要加密到16X16点阵或24X24点阵。
值得注意的是，字符由n×m个点阵组成，并不意味着打印头就装有n×m根打印针。
为减少打印头制造的难度，串行点阵打印机的打印头中一般只装有一列m根打印针，每根针可以单独驱动印完一列后打印头沿水平方向移动一步微小距离，n步以后，形成一个n×m点阵，照此逐个字符打印。
针式打印机有单向打印和双向打印两种。
当打印完一行字符以后，打印纸在输纸机构控制下前进一行，同时打印头（字车）回到一行的起始位置重新由左至右打印
这个过程为单向打印。
双向打印指的是自左至右一行字符打印完毕后，字车无须回车，在输纸的同时字车走到反向打印的起始位置再从右至左打印一行。
反向打印结束，字车又回到正向打印起始位置。
由于省去了空回车时间，所以打印速度大大提高。
针式打印机由打印头与字车、输纸机构、色带机构及控制器四部分组成。
书中图9.
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