输出设备(output device)是计算机硬件系统的终端设备,用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等,也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。

(1)显示器

显示器(display)是计算机不可缺少的输出设备,用户通过它可以很方便地查看输入计算机的程序、数据和图形等信息,以及经过计算机处理后的中间结果和最后结果,它是人机对话的主要工具。

按照显示器的类型主要分为CRT、LCD、LED等。

1)CRT(Cathode Ray Tube)阴极射线管显示器

如图3.20所示,CRT是人们所熟悉的产品。CRT显示器历经球面、平面直角、柱面和纯平面等几代产品。早期的球面显像管因为在水平与垂直方向上都有弯曲,所以其屏幕边缘会出现图像的失真变形,这显然无法满足需要。1994年开始出现了平面直角显示器,对图像变形及反射干扰的减少使其在很长一段时间内成为市场上的主流产品。

2)LCD(Liquid Crystal Display)液晶显示器

如图3.21所示,LCD是一种采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。与CRT显示器相比,可通过是否透光来控制亮和暗,当色彩不变时,液晶也保持不变,这样就无须考虑刷新率的问题。对于画面稳定、无闪烁感的液晶显示器,刷新率不高,但图像也很稳定。LCD显示器通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光,它做到了真正的完全平面。一些高档的数字LCD显示器采用了数字方式传输数据来显示图像,这样就不会产生由显卡造成的色彩偏差或损失;其次,LCD的电磁辐射很小,即使长时间观看LCD显示器屏幕也不会对眼睛造成很大的伤害;再次,它体积小、能耗低,这也是CRT显示器所无法比拟的,一般一台15 in LCD显示器的耗电量相当于17 in纯平CRT显示器的1/3。

图3.20　CRT

图3.21　LCD

图3.22　LED

3)LED(Light-Emitting Diode)显示器

如图3.22所示为LED,与LCD显示器相比,LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面,都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为1∶10,而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现,能提供宽达170°的视角,有机LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1 000倍,在强光下也可以照看不误,并且适应-40℃的低温。利用LED技术,可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器,拥有广泛的应用前景。

显示器的主要性能指标有屏幕尺寸、点距、屏幕分辨率和屏幕刷新频率等。

1)屏幕尺寸

用矩形屏幕的对角线长度来反映显示屏幕的大小,单位为in。目前,常见的显示器屏幕尺寸有17、19、20、22和24 in等。

2)点距

屏幕上相邻两个像素点之间的距离。从原理上讲,普通显像管的荧光屏里有一个网罩,上面有许多细密的小孔,被称为“荫罩式显像管”。电子枪发出的射线穿过这些小孔,照射到指定的位置并激发荧光粉,然后就显示出了一个点。许多不同颜色的点排列在一起就组成了五彩缤纷的画面。而液晶显示器的像素数量则是固定的,因此,在尺寸与分辨率都相同的情况下,大多数液晶显示器的像素间距基本相同。

3)屏幕分辨率

屏幕像素的点阵,通常写成:水平像素点数×垂直像素点数,如一台显示器的分辨率为800×600像素,则其中的800表示屏幕上水平方向显示的像素点数量,600表示竖直方向显示的像素点数量。一般来说,屏幕分辨率越高,屏幕上能显示的像素数量也就越大,图像也越细腻。对于CRT显示器,通常可以支持多种分辨率,而LCD显示器由于像素间距已经固定,所以只有在最佳分辨率下,才能显示最佳影像。

4)屏幕刷新频率

显示器每秒刷新屏幕的次数,单位为Hz。刷新频率越高,画面闪烁越小。对于CRT显示器来说,只有当刷新频率高于75 Hz时,人眼才不会明显地感到屏幕闪烁。而对于LCD显示器,由于像素的亮灭状态只有在画面内容改变时才有变化,因此即使刷新频率很低(一般为60 Hz),也能保证稳定的显示。

显示适配卡(video adapter)又称为“显卡”(图3.23),是主板与显示器之间的连接设备,作用是控制显示器的显示。显卡的核心是显示芯片,它的性能好坏直接决定了显卡性能的好坏。显卡的另一个重要部件是显存,它的优劣和容量大小会直接关系显卡的最终性能表现。可以这样说,显示芯片决定了显卡所能提供的功能和其基本性能,而显卡性能的发挥则在很大程度上取决于显存。

显卡通常由总线接口、PCB板、显示芯片、显存、RAMDAC、VGA BIOS、VGA功能插针、D-sub插座及其他外围组件构成,显卡大多还具有VGA、DVI显示器接口或者HDMI接口及S-Video端子和Display Port接口。

显示芯片(video chipset)是显卡的主要处理单元,因此又称为图形处理器(Graphic Processing Unit,GPU),GPU是NVIDIA公司在发布GeForce 256图形处理芯片时首先提出的概念。尤其是在处理3D图形时,GPU使显卡减少了对CPU的依赖,并完成部分原本属于CPU的工作。GPU所采用的核心技术有硬件T＆L(几何转换和光照处理)、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等,而硬件T＆L技术可以说是GPU的标志。

显卡所支持的各种3D特效由显示芯片的性能决定,采用什么样的显示芯片大致决定了这块显卡的档次和基本性能,比如NVIDIA的GT系列和AMD的HD系列。

由显示器和显示适配卡所组成的系统称为显示系统。

图3.23　显卡

显卡的性能指标如下:

1)显卡频率

显卡频率主要指显卡的核心频率和显存频率,均以MHz(兆赫)为单位。

①核心频率。显卡的核心频率是指显示核心的工作频率,其工作频率在一定程度上可以反映出显示核心的性能,但显卡的性能是由核心频率、流处理器单元、显存频率、显存位宽等多方面的情况所决定的。因此,在显示核心不同的情况下,核心频率高并不代表此显卡性能强劲。比如GTS250的核心频率达到了750 MHz,要比GTX260﹢的576 MHz高,但在性能上GTX260﹢绝对要强于GTS250。在同样级别的芯片中,核心频率高的则性能要强一些。主流显示芯片只有AMD和NVIDIA两家,两家都提供显示核心给第三方的厂商,在同样的显示核心下,部分厂商会适当提高其产品的显示核心频率,使其工作在高于显示核心固定的频率上能达到更高的性能。

②显存频率。显存频率在一定程度上反映着该显存的速度,显存频率的高低和显存类型有非常大的关系。

显存频率与显存时钟周期是相关的,二者呈倒数关系,也就是显存频率(MHz)=1/显存时钟周期(ns)×1 000。但要明白的是,显卡制造时,厂商设定了显存实际工作频率,而实际工作频率不一定等于显存最大频率,此类情况较为常见。

2)显示存储器

显示存储器简称显存(也称为“帧缓存”),其主要功能就是暂时储存显示芯片处理过或即将提取的渲染数据,类似于主板的内存,是衡量显卡的主要性能指标之一。

显存与系统内存一样,其容量也是越多越好,图形核心的性能越强,需要的显存也就越大,因为显存越大,可以存储的图像数据就越多,支持的分辨率与颜色数也就越高,游戏运行起来就更加流畅。主流显卡基本上具备的是6 GB容量,一些中高端显卡则配备了6 GB、8 GB的显存容量。

3)显存类型

显存类型即显卡存储器采用的存储技术类型。市场上主要的显存类型有SDDR2、GDDR2、GDDR3和GDDR5几种,但主流的显卡大都采用了GDDR3的显存类型,也有一些中高端显卡采用的是GDDR5,与DDR3相比,DDR5类型的显卡拥有更高的频率,性能也更加强大。

4)显存位宽

显存位宽指的是一次可以读入的数据量,即表示显存与显示芯片之间交换数据的速度。位宽越大,显存与显示芯片之间数据的交换就越顺畅。通常说的某个显卡的规格是2 GB 128 bit,其中128 bit指的就是这块显卡的显存位宽。

5)流处理器单元

在DX10显卡出来以前,并没有“流处理器”这个说法。GPU内部由“管线”构成,分为像素管线和顶点管线,它们的数目是固定的。简单来说,顶点管线主要负责3D建模,像素管线负责3D渲染。由于它们的数量是固定的,这就出现了一个问题,当某个游戏场景需要大量的3D建模而不需要太多的像素处理,就会造成顶点管线资源紧张而像素管线大量闲置,当然也有截然相反的另一种情况。这都会造成某些资源的不够和另一些资源的闲置浪费。在这样的情况下,人们在DX10时代首次提出了“统一渲染架构”,显卡取消了传统的“像素管线”和“顶点管线”,统一改为流处理器单元,它既可以进行顶点运算也可以进行像素运算,这样在不同的场景中,显卡就可以动态地分配进行顶点运算和像素运算的流处理器数量,达到资源的充分利用。

显卡的分类如下:

1)集成显卡

配置核芯显卡的CPU通常价格不高,同时低端核显难以胜任大型游戏。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其融为一体的元件。集成显卡的显示芯片有单独的,但大部分都集成在主板的北桥芯片中;一些主板集成的显卡也在主板上单独安装了显存,但其容量较小。集成显卡的显示效果与处理性能相对较弱,不能对显卡进行硬件升级,但可以通过CMOS调节频率或刷入新BIOS文件实现软件升级来挖掘显示芯片的潜能。集成显卡的优点是功耗低、发热量小,部分集成显卡的性能已经可以媲美入门级的独立显卡。因此,很多喜欢自己动手组装计算机的人不用花费额外的资金来购买独立显卡,便能得到满意的性能。集成显卡的缺点是性能相对略低,且固化在主板或CPU上,本身无法更换,如果必须换,就只能换主板或者CPU。

2)独立显卡

独立显卡是指将显示芯片、显存及其相关电路单独制做在一块电路板上,自成一体而作为一块独立的板卡存在,它需占用主板的扩展插槽(ISA、PCI、AGP或PCI-E)。独立显卡的优点是单独安装有显存,一般不占用系统内存,在技术上也较集成显卡先进得多,性能也不差于集成显卡,容易进行显卡的硬件升级。独立显卡的缺点是系统功耗有所加大,发热量也较大,需额外花费购买显卡的资金,同时(特别是对笔记本电脑)占用更多空间。由于显卡性能的不同,对显卡的要求也不一样,独立显卡实际分为两类:一类是专门为游戏设计的娱乐显卡,另一类则是用于绘图和3D渲染的专业显卡。

3)核芯显卡

核芯显卡是Intel产品新一代的图形处理核心,与以往的显卡设计不同,Intel凭借其在处理器制程上的先进工艺以及新的架构设计,将图形核心与处理核心整合在同一块基板上,构成一个完整的处理器。智能处理器架构这种设计上的整合大大缩减了处理核心、图形核心、内存及内存控制器间的数据周转时间,有效提升处理效能,并大幅降低芯片组整体功耗,有助于缩小核心组件的尺寸,为笔记本、一体机等产品的设计提供了更大选择空间。

显卡接口的分类如下:

1)ISA显卡

ISA显卡是以前最普遍使用的VGA显示器所能支持的古老显卡。

2)VESA显卡

VESA是“Video Electronic Standards Association”的缩写(视频电子工程标准协会),由多家计算机芯片制造商于1989年联合创立。1994年底,VESA发表了64位架构的“VESA Local Bus”标准,80486的个人计算机大多采用这一标准的显卡。

3)PCI显卡

PCI(Peripheral Component Interconnect)显卡,通常被用于较早期或精简型的计算机中,此类计算机由于将AGP标准插槽移除而必须依赖PCI接口的显卡。PCI显卡主要被用于486到Pentium II早期的时代。但直到显示芯片无法直接支持AGP之前,仍有部分厂商持续制造以AGP转PCI为基底的显卡。已知最新型的PCI接口显卡,是GeForce GT 610 PCI(SPARKLE制)型号为GRSP610L1024LC、ATIHD 4350 PCI(HIS制)、HIS HD 5450 PCI(HIS制)和HIS 5450 Silence 512MB DDR3 PCIDVI/HDMI/VGA,产品编号H545H512P。

4)AGP显卡

AGP(Accelerated Graphics Port)是Intel公司在1996年开发的32位总线接口,用以增强计算机系统中的显示性能。分别有AGP 1X、AGP 2X、AGP 4X及最后的AGP 8X,带宽分别为266 MB/s、533 MB/s、1 066 MB/s以及2 133 MB/s。其中AGP 4X以后已跟之前的电压不兼容。其中3DLABS的“Wildcat4 7210”是最强的专业级AGP图形加速卡,而ATI公司的RadeonHD 4670、HD3850,是当年(2007)性能最强的消费级AGP图形加速卡。

5)PCIExpress显卡

PCIExpress(也称PCI-E)是显卡最新的图形接口,用来取代AGP显卡,面对日后3D显示技术的不断进步,AGP的带宽已经不足以应付庞大的数据运算。性能最高的PCI-Express显卡是nVidia公司的“NVIDIA Titan V”和AMD公司的“Radeon Pro Duo(Fiji)”。2007年后出产的显卡可支持双显卡技术(nVIDIA的SLi、nvlink,AMD的CrossFire)。(www.daowen.com)

6)外接PCIExpress显卡

用USB或Thunderbolt高带宽线材连接到外接PCIExpress显卡盒,需要用独立电源供应。

(2)绘图仪

绘图仪在绘图软件的支持下可绘制出复杂、精确的图形,主要可绘制各种管理图表和统计图、大地测量图、建筑设计图、电路布线图、各种机械图与计算机辅助设计图等。绘图仪的性能指标主要有绘图笔数、图纸尺寸、分辨率、接口形式及绘图语言等。

现代的绘图仪已具有智能化的功能,它自身带有微处理器,可以使用绘图命令,具有直线和字符演算处理以及自检测等功能,如图3.24所示。

绘图仪一般是由驱动电机、插补器、控制电路、绘图台、笔架、机械传动等部分组成的。绘图仪除了必要的硬设备之外,还必须配备丰富的绘图软件。只有软件与硬件结合起来,才能实现自动绘图。软件包括基本软件和应用软件两种。绘图仪的种类很多,按结构和工作原理可以分为滚筒式和平台式两大类:

①滚筒式绘图仪。当X向步进电机通过传动机构驱动滚筒转动时,链轮就带动图纸移动,从而实现X方向运动。Y方向的运动,是由Y向步进电机驱动笔架来实现的。这种绘图仪结构紧凑,绘图幅面大,但它需要使用两侧有链孔的专用绘图纸。

②平台式绘图仪。绘图平台上装有横梁,笔架装在横梁上,绘图纸固定在平台上。X向步进电机驱动横梁连同笔架,作X方向运动;Y向步进电机驱动笔架沿着横梁导轨,作Y方向运动。图纸在平台上的固定方法有三种,即真空吸附、静电吸附和磁条压紧。平台式绘图仪绘图精度高,对绘图纸无特殊要求,应用比较广泛。

图3.24　现代绘图仪

(3)触摸屏

触摸屏(touch panel)又称为“触控屏”“触控面板”,是一种可接收触头等输入信号的感应式液晶显示装置,当接触了屏幕上的图形按钮时,屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置,可用以取代机械式的按钮面板,并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。利用这种技术,用户只要用手指轻轻地触碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作,从而使人机交互更为直截了当。这种技术极大方便了用户,是极富吸引力的全新多媒体交互设备。触摸屏的本质是传感器,它由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。触摸检测部件安装在显示器屏幕前面,用于检测用户触摸位置,接收后传输到触摸屏控制器;触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置接收触摸信息,并将它转换成触点坐标送给CPU,同时能接收CPU发来的命令并加以执行。触摸屏作为一种最新的电脑输入设备,它是简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒体崭新的面貌,是极富吸引力的全新多媒体交互设备,主要用于公共信息的查询、工业控制、军事指挥、电子游戏、多媒体教学等。

(4)扫描仪

扫描仪(scanner)是一种将各种形式的图像信息输入计算机中的重要工具,如各种图片、照片、图纸和文字稿件等,都可用扫描仪输入计算机中。现在,家用计算机中用得最多的是平板式扫描仪,又称台式扫描仪,一般采用CCD或CIS技术,具有价格低廉、体积小等优点。图3.25为清华紫光扫描仪。

图3.25　清华紫光扫描仪

扫描仪的性能指标包括以下几个方面的内容:

1)分辨率

扫描仪的分辨率决定了最高扫描精度。在扫描图像时,扫描分辨率设得越高,生成的图像效果就越精细,生成的图像文件也越大。

DPI是指用扫描仪输入图像时,在每英寸上得到的像素点的个数。

扫描仪的分辨率等于其光学部件的分辨率加上其自身通过硬件及软件进行处理分析所得到的分辨率。

分辨率为1200 DPI的扫描仪,往往其光学部分的分辨率只占400～600 DPI。扩充部分的分辨率由硬件和软件联合生成,这个过程是通过计算机对图像进行分析,对空白部分进行插值处理所产生的。

2)扫描速度

扫描速度决定了扫描仪的工作效率。一般而言,以300 DPI的分辨率扫描一幅A4幅面的黑白二值图像,时间少于10 s,在相同情况下,扫描灰度图,需10 s左右,而如果使用3次扫描成像的彩色扫描仪,则要2～3 min。

(5)打印机

打印机用于打印文字和图片信息。根据与计算机之间连接的接口类型,打印机主要分为并行接口(LPT)和USB接口。其中USB接口依靠其支持热插拔和传输速率快的特性,已成为市场主流。

根据打印的原理,打印机可分为针式打印机、喷墨打印机和激光打印机。

根据打印的颜色,打印机可分为单色打印机和彩色打印机。

根据打印的幅面,打印机可分为窄幅打印机(只能输出A4以下幅面)和宽幅打印机(可以打印A4以上的幅面)。

1)针式打印机

针式打印机是唯一依靠打印针击打介质形成文字及图形的打印机,具有打印成本低廉、易于维修、价格低和打印介质广泛等优点;但同时又具有打印质量欠佳、打印速度慢和噪声大等缺点。图3.26爱普生为针式打印机。

2)喷墨打印机

喷墨打印机通过利用喷头直接将墨水喷在打印纸上来实现打印,具有价格低、打印质量较好、打印速度较快和打印噪声较小等优点;但也具有对打印纸张要求较高、打印成本较高等缺点。图3.27所示为惠普彩色喷墨打印机。

3)激光打印机

激光打印机是激光技术和电子照相技术的复合产物,具有打印速度快、分辨率高和打印质量好等优点;缺点是价格较贵、打印成本较高,尤其是彩色激光打印机,价格非常昂贵,打印成本高。如图3.28所示为佳能激光打印机。

图3.26　爱普生针式打印机

图3.27　惠普彩色喷墨打印机

图3.28　佳能激光打印机

4)三维立体打印机

三维立体打印机,也称3D打印机(3D Printer,简称3DP)是快速成型(Rapid Prototyping,RP)的一种工艺,采用层层堆积的方式分层制作出三维模型,其运行过程类似于传统打印机,只不过传统打印机是把墨水打印到纸质上形成二维的平面图纸,而3D打印机是把液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝、石膏粉等材料通过喷射黏结剂或挤出等方式实现层层堆积叠加形成三维实体。

(6)控制杆

控制杆(图3.29)很适合用于跟踪(即追随屏幕上一个移动的目标)的原因是移动对应的光标所需的位移相对较小,同时易于变换方向。控制杆的移动带动屏幕上光标的移动。根据两者移动的关系,可将其分为两大类:位移定位和压力定位。对于位移定位的游戏杆,屏幕上的光标依据游戏杆的位移而移动。

图3.29　游戏控制杆

(7)光笔

光笔是一种较早用于绘图系统的交互输入设备,它能使用户在屏幕上点击某个点以执行选择、定位或其他任务。光笔和图形软件相配合,可以在显示器上完成绘图、修改图形和变换图形等复杂功能。光笔的形状与普通钢笔相似,它由透镜、光导纤维、光电元件、放大整形电路和接触开关组成。

1)光笔的优点

①不需要特殊的显示屏幕,与触摸屏的设备相比,价格相对便宜些。

②在一些不适宜使用鼠标的地方,可以起替代作用。

2)光笔的缺点

①手和笔迹可能会遮挡屏幕图像的一部分。

②会造成手腕的疲劳。

③光笔不能检测黑暗区域内的位置。

④光笔可能因房间背景光的影响,产生误读现象。

(8)手写液晶屏

手写液晶屏(图3.30)是液晶矩阵显示技术和高灵敏度电磁压感技术的完美结合,可以在屏幕上直接用压感笔实现高精度的选取、绘图、设计制作。

液晶屏幕上除了具备一般的液晶显示屏的特征以外,在最上面还附有一层特制保护层,确保在书写过程中屏幕保持平整不变形,液晶原来的画质不受损,同时具有高耐久性。KTV中的点歌系统触摸屏也是属于这类产品,如图3.31所示。

图3.30　手写液晶屏

图3.31　点歌系统触摸屏