上一篇計算機系統004 - 硬體元件概況中已經概括介紹了五大元件及其協作方式，如文中所述，後續將有系列文章對各元件進行單獨探討，按照任務描述的轉化步驟：

• 將自然語言轉化為電訊號，過程中涉及到輸入裝置
• 將計算機中電訊號以自然語言形式反饋回來，過程中涉及到輸出裝置

自然語言

人類和計算機間能夠交換的自然語言主要如下：

• 視覺：字元、圖案
• 聽覺：聲音
• 觸覺、嗅覺等：電流驅動機械

但歸根結底，計算機只能接受電訊號，所有支援的自然語言最終仍需轉換為電訊號形式輸入，並從電訊號轉換為自然語言後輸出。也就是說，輸入輸出裝置通常是以互動語言為中心的成對裝置，這也是為什麼本篇要同時介紹輸入輸出兩種裝置型別的原因。

1. 視覺字元

文字是對現實世界的抽象，通過各種文字元號，描述物體間關係。在與計算機進行互動時，自然不能繞開這最基礎的文字形式。

計算機要輸出文字，需要藉助輸出裝置顯示器。

1.1 輸出裝置：文字顯示

早期的CRT顯示器也好，現在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，對應為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為敏感，同時感光細胞頻寬較大，紅綠藍能夠獨立刺激這三種顏色的受光體從而感知顏色。

因此，當將三色光以不同的比例複合後，人眼可以感知到各種顏色感覺的效果。且當三色光相加時會感知為白色光，三色光均無是感知為黑色。這些都是基於生理模型，只需要記住即可。

顯示器為了能夠在螢幕上顯示一個不同顏色的點，就必須在顯示位置按照不同比例複合三色光，也就是說必須在發射處以發射不同強度的三色光以達到顯式效果。以CRT為例，其內部原理如下圖所示：

到目前為止，我們已經知道顯示器螢幕上如何顯示一個不同顏色的點，那麼如何將點形成更有符號意義的文字呢？和正常書寫一樣，當我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，而當我們以線條的形式，勾勒出文字元號的每一部分，組合成字，其中資訊量就大幅上升。因此，為了在螢幕上顯示出文字，就必須追加更多的點，通過組合的形式，呈現出文字的形狀，最終表示為一個文字。

小結一下，顯示器之所以能夠顯示文字是因為按照某種點陣組合在螢幕上投射三色光，人眼接收三色光後，感知點陣，並轉換為抽象文字。那麼下一次如果顯示器上出現了亂碼，應該從以下幾個點來考慮這件事：

• 點陣組合
  點陣組合實際上就是另一個專業詞彙，字符集。字符集定義了每個文字所對應的編碼及其點陣的對映，不同字符集所建立的對映關係並不相同，所支援的字元數量、內容也各有差異。這裡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，也就是建立了世界上大部分文字系統編碼及點陣的對映。這樣一來，大家傳遞的二進位制訊息就能正確解釋為文字。至於顯示出來的效果，或是字型型別、或是大小粗細等細節，也同樣跟不同字型所使用的點陣相關，畢竟不同文字使用不同寫法更便於閱讀，自然要使用不同字型才更加美觀便捷。

• 轉換抽象
  一個呈現在螢幕上的點陣被主觀判斷為亂碼，不能完全賴在點陣上，有時候也是個人主觀因素。比如顯示器盡忠職守地呈現出蒙古語點陣，但由於我本身不認識蒙古語，那麼這個文字對於我來講，和亂碼沒什麼區別。這時候要麼找個翻譯，要麼只能自己提升技能了。

1.2 輸入裝置：文字錄入

前面講到，顯示器負責將二進位制值轉換為電訊號，並最終列印出點陣文字。那麼終歸這裡的二進位制值要有個來源，不管是早已儲存其中還是外界輸入，都需要輸入裝置的支援。常見的文字錄入裝置就是鍵盤，當然其他的比如什麼寫字板、滑鼠之類的換湯不換藥，基本都是在輸入方式轉換為二進位制值前做些手腳，更加貼近使用者使用方式罷了。

無論是薄膜鍵盤還是機械鍵盤，其擊鍵原理歸根接地是通斷開關產生電流。

由於一塊鍵盤上有很多按鍵，為了區分電流來源，業內製定了鍵盤掃描碼標準，它規範了不同鍵盤上同一字元（如A）所對應的二進位制碼值：

通常，一個鍵位對應兩個碼值，分別對應按下狀態和釋放狀態。

計算機在收到輸入裝置產生的碼值後，將其轉換為Unicode編碼下字元所對應編碼值，之後或儲存或顯示均可。如前所述，其他字元輸入裝置所採取的操作均基於鍵盤原理，只是額外新增了更加適用適用場景的其他預處理而已。

2. 視覺圖案

文字是自然語言的高度抽象，需要人腦進行轉換加工，俗稱腦補。其特點是資料量小，伴隨著資訊量也小，有時候由於個人原因在轉述時會出現詞窮、理解偏差、詞不達意等現象，為了更加精確地重現需要描述的場景，有時候一張圖片反而能夠更加精確地表現出來。

還是從人眼視覺出發，視覺是通過視覺系統外周感覺器官（眼）接受外界環境中一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獲得的主觀感覺，樸素地說，就是眼睛感受光刺激，腦補出畫面。眼睛很複雜，感覺也很玄幻，這裡就不去深入討論，只說平面圖案部分。

2.1 輸出裝置：圖案顯示

想象下閱讀一本紙質書，書上有各種文字、圖案，撕下一張，以釐米甚至毫米為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，就必須通過在一格格正方形中呈現不同顏色來完成。專業一點來講，我們將這些小方格稱為畫素點。

通過在每個畫素點中以不同比例複合三基色，呈現出某種特定顏色，再組合所有畫素點，就成了圖案。

和不同人對於顏色感知程度不同一樣，不同顯示裝置所支援顏色數也各不相同，加上所支援畫素點有多有少，因此選購時可按需選擇。與顯示器雷同的還有印表機等輸出裝置，其原理歸根接地是根據圖片檔案中的二進位制值調配出不同比例的複合顏色，按照順序填充即可。

2.2 輸入裝置：圖案輸入

同樣，我們可以按照圖片的色彩值人工從鍵盤輸入對應二進位制值，儲存為圖片檔案即可，但由於效率、精度等因素，通常我們會使用其他裝置如相機、掃描器等作為圖片輸入裝置。

以相機為例，其內部元器件有：

看起來挺複雜，說到底，流程如下圖所示：

再精簡一下，就是類似人眼去感受光刺激，並轉換為三原色記錄下來。同樣的，掃描器也是如此。

3. 聽覺聲音

如果說視覺上人和人之間有所差異，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如下幾個步驟：

• 聲源震動引起聲波
• 聲波機械能通過內耳轉換為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受

不同人所能感知到的頻率和響度均不相同，同一個人隨著年齡增長，聽覺感知能力也會下降。

3.1 輸出裝置：製造聲波

如前所屬，聲音要被聽到要經過三個步驟，每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。既然聲源震動可以引起聲波，那麼同樣只要模擬製造出聲波，就可以被人耳聽到。同樣，如果能夠直接產生神經衝動，也可以給大腦皮層製造出聲音的感覺，比如幻聽。

這裡只介紹下第一個步驟的實現方式，主流的是揚聲器。

從圖中可以看出，裡面主要部件有線圈、磁鐵以及一張震膜。既有線圈又有磁鐵，說明肯定跟電磁感應有關，震膜的作用就是被電磁感應產生電流大小震動，產生聲波。當然也不是說非有磁鐵不可，只要能震動，管他誰做功。

3.2 輸入裝置：採集聲波

麥克風和揚聲器從原理上類似，無非一個是從電訊號產生聲波，一個是感知聲波產生電訊號。

採集過程中會將所有聲波全部採集，如果需要濾掉特定頻率，可新增濾波器。如有需要增大聲波，可以增大電流，不過能量守恆，沒有無緣無故的愛，必須通過電源提供更多能量才能起到放大的效果。

4. 其他電流訊號

至於其他觸覺、嗅覺等輸入輸出裝置，核心在於是否有能夠完成感覺到電流之間的轉換元器件，如果有，均可以實現。比如通過電訊號控制機械手，其執行的流程來源於計算機中二進位制值，機械手收到二進位制值後，做出對應操作即可。其他例子這裡不再贅述，如有興趣，可自行搜尋閱讀。

5. 總結

本篇主要介紹了計算機五大元件中的輸入輸出裝置，這一類裝置的關鍵在於要建立起電訊號與值間的對映關係。只要能解釋的通，自由解釋完後的資訊有意義，裝置就有存在的意義。至於不同使用者主觀上是否認同其價值，各取所需而已。