計算機系統005 - 硬件組件之IO設備

上一篇計算機系統004 - 硬件組件概況中已經歸納介紹了五大組件及其協做方式，如文中所述，後續將有系列文章對各組件進行單獨探討，按照任務描述的轉化步驟：

• 將天然語言轉化爲電信號，過程當中涉及到輸入設備
• 將計算機中電信號以天然語言形式反饋回來，過程當中涉及到輸出設備

天然語言

人類和計算機間可以交換的天然語言主要以下：

• 視覺：字符、圖案
• 聽覺：聲音
• 觸覺、嗅覺等：電流驅動機械

但歸根結底，計算機只能接受電信號，全部支持的天然語言最終仍需轉換爲電信號形式輸入，並從電信號轉換爲天然語言後輸出。也就是說，輸入輸出設備一般是以交互語言爲中心的成對設備，這也是爲何本篇要同時介紹輸入輸出兩種設備類型的緣由。

1. 視覺字符

文字是對現實世界的抽象，經過各類文字符號，描述物體間關係。在與計算機進行交互時，天然不能繞開這最基礎的文字形式。

計算機要輸出文字，須要藉助輸出設備顯示器。

1.1 輸出設備：文字顯示

早期的CRT顯示器也好，如今普及最廣的液晶顯示器也好，其原理均使用三原色混疊而成。三原色具體指紅綠藍三種，對應爲RGB，選擇這三種的理由是人眼內感光細胞分別對黃綠、綠色和藍紫色的光最爲敏感，同時感光細胞帶寬較大，紅綠藍可以獨立刺激這三種顏色的受光體從而感知顏色。

所以，當將三色光以不一樣的比例複合後，人眼能夠感知到各類顏色感受的效果。且當三色光相加時會感知爲白色光，三色光均無是感知爲黑色。這些都是基於生理模型，只須要記住便可。

顯示器爲了可以在屏幕上顯示一個不一樣顏色的點，就必須在顯示位置按照不一樣比例複合三色光，也就是說必須在發射處以發射不一樣強度的三色光以達到顯式效果。以CRT爲例，其內部原理以下圖所示：

到目前爲止，咱們已經知道顯示器屏幕上如何顯示一個不一樣顏色的點，那麼如何將點造成更有符號意義的文字呢？和正常書寫同樣，當咱們只在白紙上點出一個點，不光有多圓潤多標準，所能表達的意義都十分有限，而當咱們以線條的形式，勾勒出文字符號的每一部分，組合成字，其中信息量就大幅上升。所以，爲了在屏幕上顯示出文字，就必須追加更多的點，經過組合的形式，呈現出文字的形狀，最終表示爲一個文字。

小結一下，顯示器之因此可以顯示文字是由於按照某種點陣組合在屏幕上投射三色光，人眼接收三色光後，感知點陣，並轉換爲抽象文字。那麼下一次若是顯示器上出現了亂碼，應該從如下幾個點來考慮這件事：

• 點陣組合
  點陣組合實際上就是另外一個專業詞彙，字符集。字符集定義了每一個文字所對應的編碼及其點陣的映射，不一樣字符集所創建的映射關係並不相同，所支持的字符數量、內容也各有差別。這裏不聊各國發展字符集制定標準的歷史，只粗略談談業界標準Unicode。

Unicode最大的功勞是對世界上大部分文字系統進行了整理、編碼，換句話說，也就是創建了世界上大部分文字系統編碼及點陣的映射。這樣一來，你們傳遞的二進制消息就能正確解釋爲文字。至於顯示出來的效果，或是字體類型、或是大小粗細等細節，也一樣跟不一樣字體所使用的點陣相關，畢竟不一樣文字使用不一樣寫法更便於閱讀，天然要使用不一樣字體才更加美觀便捷。

• 轉換抽象
  一個呈如今屏幕上的點陣被主觀判斷爲亂碼，不能徹底賴在點陣上，有時候也是我的主觀因素。好比顯示器盡忠職守地呈現出蒙古語點陣，但因爲我自己不認識蒙古語，那麼這個文字對於我來說，和亂碼沒什麼區別。這時候要麼找個翻譯，要麼只能本身提高技能了。

1.2 輸入設備：文字錄入

前面講到，顯示器負責將二進制值轉換爲電信號，並最終打印出點陣文字。那麼終歸這裏的二進制值要有個來源，不論是早已存儲其中仍是外界輸入，都須要輸入設備的支持。常見的文字錄入設備就是鍵盤，固然其餘的好比什麼寫字板、鼠標之類的換湯不換藥，基本都是在輸入方式轉換爲二進制值前作些手腳，更加貼近用戶使用方式罷了。

不管是薄膜鍵盤仍是機械鍵盤，其擊鍵原理歸根接地是通斷開關產生電流。

因爲一塊鍵盤上有不少按鍵，爲了區分電流來源，業內製定了鍵盤掃描碼標準，它規範了不一樣鍵盤上同一字符（如A）所對應的二進制碼值：

一般，一個鍵位對應兩個碼值，分別對應按下狀態和釋放狀態。

計算機在收到輸入設備產生的碼值後，將其轉換爲Unicode編碼下字符所對應編碼值，以後或存儲或顯示都可。如前所述，其餘字符輸入設備所採起的操做均基於鍵盤原理，只是額外添加了更加適用適用場景的其餘預處理而已。

2. 視覺圖案

文字是天然語言的高度抽象，須要人腦進行轉換加工，俗稱腦補。其特色是數據量小，伴隨着信息量也小，有時候因爲我的緣由在轉述時會出現詞窮、理解誤差、詞不達意等現象，爲了更加精確地重現須要描述的場景，有時候一張圖片反而可以更加精確地表現出來。

仍是從人眼視覺出發，視覺是經過視覺系統外周感受器官（眼）接受外界環境中必定波長範圍內的電磁波刺激，經中樞有關部分編碼加工和分析後得到的主觀感受，樸素地說，就是眼睛感覺光刺激，腦補出畫面。眼睛很複雜，感受也很玄幻，這裏就不去深刻討論，只說平面圖案部分。

2.1 輸出設備：圖案顯示

想象下閱讀一本紙質書，書上有各類文字、圖案，撕下一張，以釐米甚至毫米爲單位的正方形進行分割，最終看到的是一粒粒顏色各不相同的小正方形。顯示器顯示也是如此，要想完整顯示一幅畫，或者一頁文字，就必須經過在一格格正方形中呈現不一樣顏色來完成。專業一點來說，咱們將這些小方格稱爲像素點。

經過在每一個像素點中以不一樣比例複合三基色，呈現出某種特定顏色，再組合全部像素點，就成了圖案。

和不一樣人對於顏色感知程度不一樣同樣，不一樣顯示設備所支持顏色數也各不相同，加上所支持像素點有多有少，所以選購時可按需選擇。與顯示器雷同的還有打印機等輸出設備，其原理歸根接地是根據圖片文件中的二進制值調配出不一樣比例的複合顏色，按照順序填充便可。

2.2 輸入設備：圖案輸入

一樣，咱們能夠按照圖片的色彩值人工從鍵盤輸入對應二進制值，保存爲圖片文件便可，但因爲效率、精度等因素，一般咱們會使用其餘設備如相機、掃描儀等做爲圖片輸入設備。

以相機爲例，其內部元器件有：

看起來挺複雜，說到底，流程以下圖所示：

再精簡一下，就是相似人眼去感覺光刺激，並轉換爲三原色記錄下來。一樣的，掃描儀也是如此。

3. 聽覺聲音

若是說視覺上人和人之間有所差別，那麼聽覺上這個差距就更加明顯了。人耳能聽到聲音主要有以下幾個步驟：

• 聲源震動引發聲波
• 聲波機械能經過內耳轉換爲聽覺神經上的神經衝動
• 傳至大腦皮層聽覺中樞產生主觀感覺

不一樣人所能感知到的頻率和響度均不相同，同一我的隨着年齡增加，聽覺感知能力也會降低。

3.1 輸出設備：製造聲波

如前所屬，聲音要被聽到要通過三個步驟，每一個步驟均有替代的可能，但就難度而言，第一步明顯是最簡單的。既然聲源震動能夠引發聲波，那麼一樣只要模擬製造出聲波，就能夠被人耳聽到。一樣，若是可以直接產生神經衝動，也能夠給大腦皮層製造出聲音的感受，好比幻聽。

這裏只介紹下第一個步驟的實現方式，主流的是揚聲器。

從圖中能夠看出，裏面主要部件有線圈、磁鐵以及一張震膜。既有線圈又有磁鐵，說明確定跟電磁感應有關，震膜的做用就是被電磁感應產生電流大小震動，產生聲波。固然也不是說非有磁鐵不可，只要能震動，管他誰作功。

3.2 輸入設備：採集聲波

麥克風和揚聲器從原理上相似，無非一個是從電信號產生聲波，一個是感知聲波產生電信號。

採集過程當中會將全部聲波所有采集，若是須要濾掉特定頻率，可添加濾波器。若有須要增大聲波，能夠增大電流，不過能量守恆，沒有平白無故的愛，必須經過電源提供更多能量才能起到放大的效果。

4. 其餘電流信號

至於其餘觸覺、嗅覺等輸入輸出設備，核心在因而否有可以完成感受到電流之間的轉換元器件，若是有，都可以實現。好比經過電信號控制機械手，其執行的流程來源於計算機中二進制值，機械手收到二進制值後，作出對應操做便可。其餘例子這裏再也不贅述，若有興趣，可自行搜索閱讀。

5. 總結

本篇主要介紹了計算機五大組件中的輸入輸出設備，這一類設備的關鍵在於要創建起電信號與值間的映射關係。只要能解釋的通，自由解釋完後的信息有意義，設備就有存在的意義。至於不一樣用戶主觀上是否定同其價值，各取所需而已。