Lecture 25：知识 - 外部设备

描述：外设把人与物理世界的信息同计算机交换。输入设备的重点是“把动作/信号编码后送主机”，显示设备的核心计算是显存容量和刷新带宽，打印机常按击打方式辨析。

6.1 输入设备

输入设备将外部信息转换成主机可接收的二进制编码，并经 I/O 接口送入计算机。

6.1.1 键盘

一次按键输入的基本链路：

键盘控制电路检测按下的是哪一个键。
将键位翻译成主机接受的编码，例如 ASCII 码（实际系统也可用扫描码再由软件转换）。
把编码经接口传送给主机。

键盘的“按键”本身不是 CPU 可直接处理的字符；CPU 最终看到的是接口缓冲区中的编码数据。

6.1.2 鼠标

鼠标底部传感器检测平面移动的方向和距离，再由控制器把位移信息转换为相应的光标运动。它通常传送的是相对位移、按键状态等数据，而不是“屏幕绝对坐标”本身。

6.2 输出设备与视频存储器 VRAM

显示输出要持续读取一帧图像信息，故需要显示存储器（Video RAM，VRAM），也称刷新存储器。显示控制器按照刷新节奏读取 VRAM，把数据转换成屏幕信号；CPU/图形系统则更新其中的显示内容。

原资料列出的显示器参数要分开理解：屏幕尺寸是可视区域对角线长度，常用英寸表示；分辨率是横向与纵向像素数；灰度级/色深决定每像素可表达的亮度或颜色数量；刷新率是每秒更新画面的次数，单位 Hz。屏幕尺寸不直接决定像素总数，刷新率也不改变单帧的存储容量，但会影响持续读取带宽。

6.2.1 显存容量

设水平、垂直分辨率为 $H,V$，每个像素的颜色/灰度位数为 $b$，帧缓冲数为 $n$，则：

$$ \begin{aligned} \text{一帧像素数}&=H\times V\ \text{一帧大小（bit）}&=H\times V\times b\ \text{VRAM 容量（最低）}&=n\times H\times V\times b \end{aligned} $$

若题目只给“分辨率”和“灰度级”，先把灰度级转换成每像素位数：$b=\log_2(\text{灰度级数})$。
分辨率越高、灰度级/色深越多、采用双缓冲等更多帧缓冲时，所需显存越大。
单位换算：$8,bit=1,B$；计算得到 bit 后要除以 8 才是字节数。

6.2.2 刷新带宽

一帧数据每秒必须读取 $f$ 次（帧频/刷新率），仅刷新读取所需带宽为：

$$BW_{refresh}=H\times V\times b\times f$$

该式的单位为 bit/s；换算为 B/s 需除以 8。题目所称 VRAM 带宽是显存的读写传输能力，而非只看显存容量。

例：$1600\times1200$、24 bit 色深、85 Hz 的刷新读取带宽为 $$1600\times1200\times24\times85=3916.8,Mb/s$$ 若显存总带宽中只有 50% 可用于刷新，则总带宽至少为 $3916.8/0.5=7833.6,Mb/s$，约 $7834,Mb/s$。

集成显卡常从系统主存划出一部分作为显存，因此其显示带宽会与 CPU 等共享内存带宽。
计算题要读清题干是问“刷新所需带宽”还是“显存总带宽”：若只允许比例 $p$ 用于刷新，需用 $BW_{refresh}/p$，而不是再乘 $p$。

6.3 CRT 显示器与显示方式

6.3.1 字符显示器（光栅扫描）

字符显示以 $m\times n$ 的点阵为基础；点阵大小影响字符质量和字符窗口大小。字符窗口包括字符显示点阵和字符间隔。

每个待显示字符的 ASCII 代码等字符码存放在 VRAM 中。
由 ROM 构成的字符发生器保存每种字符的点阵字形。
CRT 光栅扫描时，依据字符码从字符发生器依次取出点阵。
点阵位为 0 或 1 控制电子束关/开，于屏幕相应位置形成字符。

易错：VRAM 存的是“屏幕上要显示什么字符/像素”的信息；字符发生器 ROM 存的是“某字符的字形点阵”。两者职能不同。

6.3.2 图形显示器（随机扫描）

在传统 CRT 的随机扫描（矢量扫描）方式中，可把图形坐标和绘图命令组成显示文件，放入缓冲存储器；显示文件再送至矢量（线段）产生器，产生模拟控制电压，直接控制电子束轨迹。这是教材中的历史显示结构，不应误认为现代 LCD/OLED 的通用扫描方式。

为保持图像稳定，需要周期性重复刷新。
优点：分辨率高、曲线平滑，高质量图形显示可采用这种随机扫描方式。
缺点：图形复杂时需重复绘制大量线段，可能出现闪烁。

6.4 打印机

6.4.1 按是否击打分类

类型	原理	优点	缺点
击打式	印字机构以机械动作使色带与纸相撞，形成字符	结构和耗材成本较低，可在多联纸上复写，机械击打记录便于核验	噪声大、速度慢；常见针式机分辨率和印字质量不如激光机
非击打式	用电、磁、光、喷墨等物理/化学方法成像	通常更安静，速度、分辨率和彩色图形能力较好	耗材、纸张或设备成本随具体技术而异，通常不能直接复写多联纸

“按工作方式”还可按逐字符、逐行、逐页等处理粒度区分；解题时应以题干给出的分类维度为准，不能把“击打/非击打”与“串行/并行接口”混为同一分类。

6.4.2 常见打印方式

针式打印机

针式打印机属于击打式打印机。主机送来的字符或图形先经接口、检测和控制电路形成点阵驱动信号；走纸机构使纸张纵向移动，打印头横向移动，打印针隔着色带撞击纸面形成点阵。

优点：原理简单、设备与色带成本较低，可打印多联复写票据。
缺点：噪声大、速度较慢，点阵分辨率和印字质量通常低于喷墨、激光打印。

喷墨打印机

喷墨打印机属于非击打式打印机。打印头按像素位置把微小墨滴喷到纸面；不同实现可用热气泡或压电方式产生墨滴，彩色打印通常组合青、品红、黄、黑等墨水形成所需颜色。教材中“带电墨滴经电场偏转”描述的是连续式喷墨的一种实现，不能概括所有喷墨机。

优点：噪声小、彩色能力强，设备价格通常较低，打印质量较好。
缺点：墨盒等耗材成本较高，速度、防水性和纸张适应性随机型而异。

激光打印机

激光打印机属于非击打式页式打印机。控制器把页面栅格化后调制激光扫描，在感光鼓上形成静电潜像；碳粉吸附到潜像区域，再转印到纸面并通过定影组件加热、加压固定。

优点：速度快、分辨率和印字质量高、噪声较小，适合批量文本与图形输出。
缺点：设备和耗材成本相对较高，不能像针式打印机那样直接复写多联票据。

题型：#显存容量与刷新带宽

第一部分：解题方法

先将分辨率写为像素数 $H\times V$，色深写为 $b$ bit/像素，刷新率写为 $f$ Hz。
显存容量计算“一帧像素数 $\times$ 色深”，再转 B/KB/MB；若有双缓冲、深度缓冲等按题意增加帧数或位数。
刷新带宽计算“一帧大小 $\times$ 帧频”；题目限制刷新只能占总带宽的某比例时，再除以该比例。
检查单位：题中若使用 Mb/s 是兆比特每秒，不能直接当 MB/s。

第二部分：典型易错点

色深“24 bit”是每像素 24 bit，不是每帧 24 bit；灰度级数为 256 时才可换成 8 bit/像素。
分辨率高不一定代表刷新率高；两者对带宽均为线性影响。
显存容量只够放一帧，并不意味着其带宽足以在目标刷新率下稳定显示。

6.5 本节复盘

键盘完成键位检测、编码转换、向主机传送；鼠标传感器把运动方向和距离转为光标运动数据。
VRAM 是显示/刷新存储器；容量由分辨率、色深和帧缓冲数决定，刷新带宽为分辨率乘色深乘帧频。
字符显示器以 VRAM 字符码索引字符发生器 ROM 的点阵；传统 CRT 图形随机扫描以显示文件控制矢量产生器。
击打式打印靠色带与纸碰撞，能复写但慢且噪声大；喷墨用墨滴成像，激光机经感光、显影、转印和定影完成页式打印。