《微机原理与接口技术》课件第10章.pptx
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- 微机原理与接口技术 微机 原理 接口 技术 课件 10
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1、第10章 人机接口技术第10章 人机接口技术10.1 概概述述10.2 键盘与键盘接键盘与键盘接口口10.3 鼠标及鼠标接鼠标及鼠标接口口10.4 显示显示器及显器及显卡卡10.5 打印机及接打印机及接口口10.6 网卡与调制解调网卡与调制解调器器10.7 磁盘存储磁盘存储器器10.8 光存储器光存储器习题习题10第10章 人机接口技术10.1 概概 述述人机接口技术,指的是计算机和人之间信息交互的连接与控制方式,通过人机接口技术可以实现计算机与外设之间的信息交换。第10章 人机接口技术10.1.1 人机交互设备分类人机交互设备分类人机交互设备是计算机系统中最基本的设备之一,是人和计算机之间建
2、立联系、交换信息的外部设备。常见的人机交互设备可分为输入设备和输出设备两类。1输入设备输入设备输入设备是人向计算机输入信息的设备,按输入信息的形态可分为字符(包括汉字)输入、图形输入、图像输入及语音输入等设备。常见的输入设备有:第10章 人机接口技术(1)键盘。这是人向计算机输入信息的最基本的设备,人们可以通过按键向计算机输入数字、字母、特定字符和命令。(2)鼠标。鼠标是一种光标指点设备,通过移动光标进行操作选择以实现操作控制。(3)扫描仪。扫描仪是继键盘和鼠标之后的第三代计算机输入设备,它是将各种形式的图像信息输入计算机的重要工具。第10章 人机接口技术2输出设备输出设备输出设备是直接向人们
3、提供计算机运行结果的设备。常见的输出设备有:(1)显示器。显示器是将电信号转换成视觉信号的一种装置,可以以字符、图形、图像等方式显示计算机处理信息的结果,它与键盘一起构成最基本的人机对话环境。(2)打印机。打印机将计算机的处理结果以字符或图形的形式印刷到纸上,便于人们阅读和保存,是计算机最基本的输出设备。第10章 人机接口技术10.1.2 人机接口的功能人机接口的功能人机接口是计算机同人机交互设备之间实现信息传输的控制电路。主机和外设之间进行信息交换为什么一定要通过接口呢?这是因为主机和外设在信息形式和工作速度上具有很大的差异,接口正是为了解决这些差异而设置的。图10.1为常见的主机、人机接口
4、、外设的连接示意图。第10章 人机接口技术图10.1 接口与主机、外设间的连接示意图第10章 人机接口技术人机接口电路通常要完成两个任务:一个是信息形式的转换,把外界信息转换成计算机能接收、处理的信息,或把计算机处理后的信息转换成外部设备能显现的形式;另一个是计算机与人机交互设备之间的速度匹配,也就是完成信息交换速率与传输速率的匹配控制。第10章 人机接口技术10.2 键盘与键盘接口键盘与键盘接口键盘是输入设备,人们通过它可以向计算机输入信息。键盘按获取键码的方式,分为两类:非编码键盘与编码键盘。10.2.1 非编码键盘非编码键盘非编码键盘主要用软件来识别按键,获取键值,主要有线性键盘和矩阵键
5、盘两种,相对而言其硬件简单。第10章 人机接口技术1.非编码键盘的基本工作原理非编码键盘的基本工作原理1)线性键盘线性键盘线性键盘是最简单的键盘,如图10.2所示,其中,每一个键对应I/O端口的一位,无键闭合时各位均处于高电平。图10.2 线性键盘示意图第10章 人机接口技术2)矩阵式键盘矩阵式键盘通常用的键盘是矩阵式结构,如图10.3所示。有一M N个键的键盘,若采用简单键盘设计方法,则需要M N位端口,而采用矩阵式结构以后,便只要M+N位端口。图10.3为一个8 8键盘,有64个键。只要用两个8位I/O端口即可。第10章 人机接口技术图10.3 矩阵式键盘示意图第10章 人机接口技术识别矩
6、阵式键盘闭合键的方法有两种:行扫描法与行反转法。行扫描法识别闭合键的原理是:先通过行端口输出数据,使第0行接低电平,其余行为高电平:然后从列端口读入列线状态,检查是否有列线为低电平。第10章 人机接口技术在实际应用中,为提高CPU的工作效率,一般先快速检查键盘中有无键按下,如有键按下,再具体识别是哪一个键。快速检查的方法是:先向行端口送出全“0”,使所有行同时接低电平;再检查是否有列线也处于低电平。如果有列线为0,则表明有键按下,再用行扫描法来确定具体位置。矩阵式键盘识别流程如图10.4所示。第10章 人机接口技术图10.4 矩阵式键盘识别流程图第10章 人机接口技术【例10-1】根据图10.
7、3所示的8 8键盘的硬件连接,利用行扫描法把闭合键的键值放入AX。假设行端口和列端口分别接在8255的A端口和B端口,8255的端口地址分别为PA、PB、PC、PCTRL。程序如下:第10章 人机接口技术第10章 人机接口技术第10章 人机接口技术2.行反转法识别闭合键的原理行反转法识别闭合键的原理采用行反转法识别闭合键时,要求矩阵式键盘的行线和列线分别接在可编程输入与输出端口。例如,图10.3中行线接可编程并行接口8255的A端口,列线接B端口。识别键时,先使行端口工作在输出方式,列端口工作在输入方式。然后使行端口输出全“0”,从列端口读入列线数据(列值),如有列线位为“0”,则表明有键按下
8、。再使行端口作为输入端口,列端口作为输出端口,把刚才读入的列值从列端口输出,从行端口读入行值,把该数据和刚才从列端口读入的列值合成键号,根据键号判断是哪行哪列的键被按下了。第10章 人机接口技术【例10-2】根据图10.3所示的8 8键盘的硬件连接,利用行反转法识别闭合键的键值。行端口和列端口分别接在8255的A端口和B端口。程序中CALL DELAY指令的作用是延时以消除键的抖动。由于键盘的结构及操作员的操作,当一个键被按下或释放以后,键往往要闭合断开几次才能稳定闭合或释放,这段时间一般不大于10 ms。对操作员来说极短,但对CPU来说很长,可能引起识别出错。因此在识别键时必须去抖动。可以用
9、硬件的方法去抖动,但软件去抖动也非常容易,只要延时一段时间等抖动消失以后再读入键码,就可以消除抖动对识别键的影响。第10章 人机接口技术10.2.2 编码键盘接口编码键盘接口矩阵式结构的键盘使接口引线大大减少,但当键盘的行或列线多于8条时,键盘与主机的接口以及键的扫描和识别的复杂性随之增加。在这种情况下,需要对键盘的行线或/和列线进行编码后通过接口再送往微计算机。这时键扫描和识别的方法及相应的硬件连接也相应有所改变。1.IBM-PC键盘及接口技术键盘及接口技术图10.5为IBM-PC键盘及键盘与主机系统接口框图。第10章 人机接口技术图10.5 IBM-PC键盘及键盘与主机系统接口框图第10章
10、 人机接口技术图10.5左侧为IBM-PC编码式键盘,它主要由单片微机和键盘矩阵构成。单片计算机控制键盘的扫描和识别。键接通和断开时,键盘单片微机根据键的位置发出两个不同的扫描码,扫描码的最高位为“0”,表明键闭合;为“1”,表明键放开。在键被识别之后,键盘以串行通信方式把键的扫描码而非ASCII码送给微机系统。主机部分键盘接口由两部分构成:一部分是以74LS322为主的串-并变换逻辑,另一部分是8255并行接口芯片。第10章 人机接口技术大部分键盘的字符码为标准的ASCII码;没有ASCII码的键,如Alt和功能键(F1F10),字符码为0;其他没有ASCII码的键则产生一个指定的操作,如屏
11、幕打印等。转换后的字符码及扫描码存储在ROMBIOS的键盘缓冲区中。键盘缓冲区的结构如下:第10章 人机接口技术键盘缓冲区是一个队列。当BUPF_HEAD和BUFF_TAIL相等时,表明键盘缓冲区空,当CPU要获取键盘输入时,就调用BIOS键盘例行程序,按接收顺序从缓冲区内取出字符码及扫描码。当缓冲区满时,如此时又按键盘,则BIOS就不再处理,只发出“嘀”的声音。键盘与主机通过4芯接口电缆相连。4根信号线分别为+5V、GND、Keyboard Data和Keyboard Clock。其中,Keyboard Data为键盘送往主机的串行数据,Keyboard Clock为发送串行数据的时钟。第1
12、0章 人机接口技术2.键盘键盘I/O程序设计程序设计在IBM-PC中,BIOS和DOS中断提供了主机与键盘通信的中断功能调用。BIOS的INT 16H提供了基本的键盘操作。DOS的INT 21H也提供了键盘功能调用,它可以读入单个字符,也可以读入字符串。BIOS和DOS提供的键盘功能调用见表10-1和表10-2。第10章 人机接口技术第10章 人机接口技术第10章 人机接口技术BIOS INT 16H的02H功能能够读取状态字节,状态字节反映了Shift、Ctrl、Alt、NumLock、ScrollLock、CapsLock和Insert这些不具备ASCII码的键的状态。具体含义如图10.6
13、所示。第10章 人机接口技术图10.6 键盘状态字节的格式第10章 人机接口技术【例10-3】分别利用DOS和BIOS键盘中断功能调用编程。要求:检测功能键F1。如有F1键按下,则转HELP执行。用BIOS INT 16H中断00H功能调用编程。或采用DOS的INT 21H中断07H功能调用编程。由于功能键没有ASCII码,在采用DOS INT 21H键盘功能调用读键盘输入时,如果有功能键输入,那么返回的字符码都为00H,因此采用DOS INT 21H键盘功能调用读功能键输入时,必须进行两次DOS功能调用。第一次回送00,第二次回送扫描码。BIOS键盘中断(16H)能同时回送字符码和扫描码,比
14、较适合于要使用功能键和变换键的程序设计。而对于一般简单的键盘操作,用DOS INT 21H提供的键盘中断服务更合适。第10章 人机接口技术10.3 鼠标及鼠标接口鼠标及鼠标接口微型计算机上常使用两键或三键鼠标。按接口不同,鼠标可分为MS串行鼠标、PS/2鼠标、总线鼠标和USB鼠标。第10章 人机接口技术1MS串行鼠标接口串行鼠标接口MS串行鼠标是通过RS-232C与微型计算机相连的,一般将DB-9的9针接口连到微型计算机的COM1或COM2端口上。MS串行鼠标不需要专门的电源线,直接使用RS-232C串行通信接口线路中的RTS作为驱动信号,SGND作为信号地,TxD用来发送数据,DTR作为主机
15、的回答信号,如图10.7所示。第10章 人机接口技术图10.7 MS串行鼠标接口示意图第10章 人机接口技术2PS/2鼠标接口鼠标接口PS/2鼠标接口如图10.8所示。在连接器中,只有4个有效的引脚:GND、+5 V、data、clock。其中,+5 V是由主机提供给外设的电源,data和clock都是具有集电极开路性质的双向信号线,每个信号线在外设及主机端都有一个上拉电阻。信号线的这种性质使得外设、主机和数据线处于高电平状态(+5 V),但它们可以很容易地被主机或外设拉成低电平(0 V)。第10章 人机接口技术图10.8 PS/2鼠标接口示意图第10章 人机接口技术MS串行鼠标器采用RS-2
16、32C逻辑电平标准,即逻辑高电平“1”为-3-15 V,逻辑低电平“0”为+3+15 V。PS/2鼠标器采用TTL标准,即逻辑高电平“1”为5 V,逻辑低电平“0”为0 V。第10章 人机接口技术10.4 显示器及显卡显示器及显卡显示器是计算机最常用的输出设备,可用来显示字符、图形、图像。显示输出设备由显示器和显卡两部分组成。第10章 人机接口技术1液晶显示器液晶显示器液晶的物理特性是:通电时导通,排列变得有秩序,使光线容易通过;不通电时排列混乱,阻止光线通过。利用此特性,可制成液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)。按照物理结构,LCD可分为双扫描无源阵列显示器和
17、薄膜晶体管有源阵列显示器。第10章 人机接口技术双扫描无源阵列(Dual Scan Tortuosity Nomograph,DSTN)是液晶的一种。虽然这种液晶体所构成的液晶显示器其对比度和亮度较差,可视角度小,色彩欠丰富,但是它结构简单,价格低廉。薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)显示器是指液晶显示器上的每个液晶像素点都由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。与DSTN LCD相比,TFT LCD具有屏幕反应速度快、对比度和亮度高、可视角度大、色彩丰富等特点,克服了DSTN LCD的许多固有缺点,是当前的主流显示设备。液晶显示器的主要参数如下:第10章 人机接口技术(1
18、)可视角度。若可视角度为左右80,则表示站在与屏幕法线成80角的位置时,仍可清晰地看见屏幕图像。由于每个人的视力不同,因此以对比度为准。在最大可视角度时,所测量到的对比度越大越好。一般而言,LCD的可视角度都是左右对称的,但上下就不一定了,而且常常是上下角度小于左右角度。可视角度越大越好。(2)亮度。TFT LCD的可接受亮度为150 cd/m2以上。目前,国内能见到的TFT LCD其亮度都在200 cd/m2以上。亮度低,人会感觉暗。第10章 人机接口技术(3)响应时间。响应时间反映了液晶显示器各像素点对输入信号的反应速度,即像素由暗转亮或由亮转暗的速度。响应时间越短越好。若响应时间短,则使
19、用者在看运动画面时,不会出现尾影拖曳的感觉。(4)显示色数。几乎所有15英寸LCD都只能显示高彩(218种颜色),因此许多厂商使用了所谓的FRC(Frame Rate Control)技术,利用仿真的方式来表现全彩的画面。第10章 人机接口技术2显卡显卡显卡的全称是显示接口卡(Video Card或Graphics Card),又称为显示适配器(Video Adapter),是计算机最基本的组成部分之一。显卡的作用是将计算机所需要的显示信息进行转换驱动,并向显示器提供行扫描信号,控制显示器的正确显示。显卡是连接显示器和计算机主板的重要部件。第10章 人机接口技术1)显卡的结构显卡的结构显卡由图
20、形处理器(Graphic Processing Unit,GPU)、显存、随机读/写存储数模转换器(RAMDAC)和显卡BISO四部分组成。(1)图形处理器(GPU)。GPU是显卡的核心部件,使显卡减少了对CPU的依赖。它完成部分原本CPU的工作,尤其是在进行3D图像处理时,具有3D图像和特效处理功能。GPU采用的核心技术是硬件多边形转换与光源处理(Transform and Lighting,T&L)。T&L是3D渲染中的一个重要部分,其作用是计算多边形的3D位置和处理动态光线效果,也称为“几何处理”模式。第10章 人机接口技术2)显存。显存是显示内存的简称,是显卡的重要组成部分,其主要功能
21、是存储要处理图形的数据信息。屏幕上所显现出的每个像素都由432位数据来控制它的颜色和亮度。GPU对这些数据进行控制,RAMDAC读入数据并将数据输出到显示器上。(3)随机读/写存储数模转换器(RAMDAC)。(4)显卡BIOS。显卡BIOS主要用于存放显示芯片与驱动程序之间的控制程序,另外还存有显卡的型号、规格、生产厂家及出厂时间等信息。第10章 人机接口技术2)显卡的工作原理显卡的工作原理数据从CPU到达显示屏,需要经过以下四个步骤。(1)从数据总线传送至微机北桥电路,再传送至图形处理器GPU,进行数据处理。(2)将处理完的数据传送至显卡芯片组(Video Chipset),进入显存。(3)
22、从显存读取数据送至RAMDAC,进行数据转换(数字信号转成模拟信号)。(4)将RAMDAC转换后的模拟信号送至显示器,在显示屏上显示。第10章 人机接口技术3)显卡的分类显卡的分类显卡有集成显卡和独立显卡两类。(1)集成显卡。集成显卡是将显示芯片、显存及其相关电路都集成在主板上,与主板融为一体。(2)独立显卡。独立显卡是将显示芯片、显存及其相关电路单独做在一块电路板上,自成一体而作为一块独立的板卡存在,它需要占用主板的扩展插槽(ISA、PCI、AGP或PCI-E)。第10章 人机接口技术4)显卡接口显卡接口显卡接口是指显卡与主板连接所采用的接口。显卡的接口决定着显卡与系统之间数据传输的最大带宽
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