计算机系统005 - 硬件组件之IO设备

上一篇计算机系统004 - 硬件组件概况中已经归纳介绍了五大组件及其协做方式，如文中所述，后续将有系列文章对各组件进行单独探讨，按照任务描述的转化步骤：

• 将天然语言转化为电信号，过程当中涉及到输入设备
• 将计算机中电信号以天然语言形式反馈回来，过程当中涉及到输出设备

天然语言

人类和计算机间可以交换的天然语言主要以下：

• 视觉：字符、图案
• 听觉：声音
• 触觉、嗅觉等：电流驱动机械

但归根结底，计算机只能接受电信号，全部支持的天然语言最终仍需转换为电信号形式输入，并从电信号转换为天然语言后输出。也就是说，输入输出设备一般是以交互语言为中心的成对设备，这也是为何本篇要同时介绍输入输出两种设备类型的缘由。

1. 视觉字符

文字是对现实世界的抽象，经过各类文字符号，描述物体间关系。在与计算机进行交互时，天然不能绕开这最基础的文字形式。

计算机要输出文字，须要借助输出设备显示器。

1.1 输出设备：文字显示

早期的CRT显示器也好，如今普及最广的液晶显示器也好，其原理均使用三原色混叠而成。三原色具体指红绿蓝三种，对应为RGB，选择这三种的理由是人眼内感光细胞分别对黄绿、绿色和蓝紫色的光最为敏感，同时感光细胞带宽较大，红绿蓝可以独立刺激这三种颜色的受光体从而感知颜色。

所以，当将三色光以不一样的比例复合后，人眼能够感知到各类颜色感受的效果。且当三色光相加时会感知为白色光，三色光均无是感知为黑色。这些都是基于生理模型，只须要记住便可。

显示器为了可以在屏幕上显示一个不一样颜色的点，就必须在显示位置按照不一样比例复合三色光，也就是说必须在发射处以发射不一样强度的三色光以达到显式效果。以CRT为例，其内部原理以下图所示：

到目前为止，咱们已经知道显示器屏幕上如何显示一个不一样颜色的点，那么如何将点造成更有符号意义的文字呢？和正常书写同样，当咱们只在白纸上点出一个点，不光有多圆润多标准，所能表达的意义都十分有限，而当咱们以线条的形式，勾勒出文字符号的每一部分，组合成字，其中信息量就大幅上升。所以，为了在屏幕上显示出文字，就必须追加更多的点，经过组合的形式，呈现出文字的形状，最终表示为一个文字。

小结一下，显示器之因此可以显示文字是由于按照某种点阵组合在屏幕上投射三色光，人眼接收三色光后，感知点阵，并转换为抽象文字。那么下一次若是显示器上出现了乱码，应该从如下几个点来考虑这件事：

• 点阵组合
  点阵组合实际上就是另外一个专业词汇，字符集。字符集定义了每一个文字所对应的编码及其点阵的映射，不一样字符集所创建的映射关系并不相同，所支持的字符数量、内容也各有差别。这里不聊各国发展字符集制定标准的历史，只粗略谈谈业界标准Unicode。

Unicode最大的功劳是对世界上大部分文字系统进行了整理、编码，换句话说，也就是创建了世界上大部分文字系统编码及点阵的映射。这样一来，你们传递的二进制消息就能正确解释为文字。至于显示出来的效果，或是字体类型、或是大小粗细等细节，也一样跟不一样字体所使用的点阵相关，毕竟不一样文字使用不一样写法更便于阅读，天然要使用不一样字体才更加美观便捷。

• 转换抽象
  一个呈如今屏幕上的点阵被主观判断为乱码，不能彻底赖在点阵上，有时候也是我的主观因素。好比显示器尽忠职守地呈现出蒙古语点阵，但因为我自己不认识蒙古语，那么这个文字对于我来说，和乱码没什么区别。这时候要么找个翻译，要么只能本身提高技能了。

1.2 输入设备：文字录入

前面讲到，显示器负责将二进制值转换为电信号，并最终打印出点阵文字。那么终归这里的二进制值要有个来源，不论是早已存储其中仍是外界输入，都须要输入设备的支持。常见的文字录入设备就是键盘，固然其余的好比什么写字板、鼠标之类的换汤不换药，基本都是在输入方式转换为二进制值前作些手脚，更加贴近用户使用方式罢了。

不管是薄膜键盘仍是机械键盘，其击键原理归根接地是通断开关产生电流。

因为一块键盘上有不少按键，为了区分电流来源，业内制定了键盘扫描码标准，它规范了不一样键盘上同一字符（如A）所对应的二进制码值：

一般，一个键位对应两个码值，分别对应按下状态和释放状态。

计算机在收到输入设备产生的码值后，将其转换为Unicode编码下字符所对应编码值，以后或存储或显示都可。如前所述，其余字符输入设备所采起的操做均基于键盘原理，只是额外添加了更加适用适用场景的其余预处理而已。

2. 视觉图案

文字是天然语言的高度抽象，须要人脑进行转换加工，俗称脑补。其特色是数据量小，伴随着信息量也小，有时候因为我的缘由在转述时会出现词穷、理解误差、词不达意等现象，为了更加精确地重现须要描述的场景，有时候一张图片反而可以更加精确地表现出来。

仍是从人眼视觉出发，视觉是经过视觉系统外周感受器官（眼）接受外界环境中必定波长范围内的电磁波刺激，经中枢有关部分编码加工和分析后得到的主观感受，朴素地说，就是眼睛感觉光刺激，脑补出画面。眼睛很复杂，感受也很玄幻，这里就不去深刻讨论，只说平面图案部分。

2.1 输出设备：图案显示

想象下阅读一本纸质书，书上有各类文字、图案，撕下一张，以厘米甚至毫米为单位的正方形进行分割，最终看到的是一粒粒颜色各不相同的小正方形。显示器显示也是如此，要想完整显示一幅画，或者一页文字，就必须经过在一格格正方形中呈现不一样颜色来完成。专业一点来说，咱们将这些小方格称为像素点。

经过在每一个像素点中以不一样比例复合三基色，呈现出某种特定颜色，再组合全部像素点，就成了图案。

和不一样人对于颜色感知程度不一样同样，不一样显示设备所支持颜色数也各不相同，加上所支持像素点有多有少，所以选购时可按需选择。与显示器雷同的还有打印机等输出设备，其原理归根接地是根据图片文件中的二进制值调配出不一样比例的复合颜色，按照顺序填充便可。

2.2 输入设备：图案输入

一样，咱们能够按照图片的色彩值人工从键盘输入对应二进制值，保存为图片文件便可，但因为效率、精度等因素，一般咱们会使用其余设备如相机、扫描仪等做为图片输入设备。

以相机为例，其内部元器件有：

看起来挺复杂，说到底，流程以下图所示：

再精简一下，就是相似人眼去感觉光刺激，并转换为三原色记录下来。一样的，扫描仪也是如此。

3. 听觉声音

若是说视觉上人和人之间有所差别，那么听觉上这个差距就更加明显了。人耳能听到声音主要有以下几个步骤：

• 声源震动引发声波
• 声波机械能经过内耳转换为听觉神经上的神经冲动
• 传至大脑皮层听觉中枢产生主观感觉

不一样人所能感知到的频率和响度均不相同，同一我的随着年龄增加，听觉感知能力也会降低。

3.1 输出设备：制造声波

如前所属，声音要被听到要通过三个步骤，每一个步骤均有替代的可能，但就难度而言，第一步明显是最简单的。既然声源震动能够引发声波，那么一样只要模拟制造出声波，就能够被人耳听到。一样，若是可以直接产生神经冲动，也能够给大脑皮层制造出声音的感受，好比幻听。

这里只介绍下第一个步骤的实现方式，主流的是扬声器。

从图中能够看出，里面主要部件有线圈、磁铁以及一张震膜。既有线圈又有磁铁，说明确定跟电磁感应有关，震膜的做用就是被电磁感应产生电流大小震动，产生声波。固然也不是说非有磁铁不可，只要能震动，管他谁作功。

3.2 输入设备：采集声波

麦克风和扬声器从原理上相似，无非一个是从电信号产生声波，一个是感知声波产生电信号。

采集过程当中会将全部声波所有采集，若是须要滤掉特定频率，可添加滤波器。若有须要增大声波，能够增大电流，不过能量守恒，没有平白无故的爱，必须经过电源提供更多能量才能起到放大的效果。

4. 其余电流信号

至于其余触觉、嗅觉等输入输出设备，核心在因而否有可以完成感受到电流之间的转换元器件，若是有，都可以实现。好比经过电信号控制机械手，其执行的流程来源于计算机中二进制值，机械手收到二进制值后，作出对应操做便可。其余例子这里再也不赘述，若有兴趣，可自行搜索阅读。

5. 总结

本篇主要介绍了计算机五大组件中的输入输出设备，这一类设备的关键在于要创建起电信号与值间的映射关系。只要能解释的通，自由解释完后的信息有意义，设备就有存在的意义。至于不一样用户主观上是否定同其价值，各取所需而已。