计算机组成原理课件第7章

1、主讲教师 庄春兴7.1 7.1 外围设备概述外围设备概述 外围设备的功能是在计算机和其他设备之间，外围设备的功能是在计算机和其他设备之间，以及计算机与用户之间提供联系。以及计算机与用户之间提供联系。外围设备由三个基本部件组成：外围设备由三个基本部件组成：（1 1）存储介质，它具有保存信息的物理特征存储介质，它具有保存信息的物理特征。（2 2）驱动装置，它用于移动存储介质驱动装置，它用于移动存储介质（3 3）控制电路，它向）控制电路，它向存储介质发送数据或从存存储介质发送数据或从存储介质接受数据。储介质接受数据。7.1.1 7.1.1 外围设备的一般功能外围设备的一般功能外围设备外围设备层次：层

2、次：中央部分是CPU和主存和主存，通过总线与第二层的适配器适配器(接口接口)部件相连，第三层是各种外围设备控制外围设备控制器器，最外层则是外围设备外围设备。 外围设备分类：外围设备分类：输入设备、输出设备、外存设备、数据通输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备和过程控制设备信设备和过程控制设备。7.2 7.2 显示设备显示设备7.2.1 7.2.1 显示设备的分类与有关概念显示设备的分类与有关概念以扫描方式不同分以扫描方式不同分光栅扫描光栅扫描随机扫描随机扫描以显示的颜色分类以显示的颜色分类彩色显示器彩色显示器单色显示器单色显示器以对角线的长度分以对角线的长度分1414英寸英寸1212英寸

3、英寸1515英寸英寸1717英寸英寸列列(点点)数数点行数点行数分辨率分辨率 1024 1024768 768 （列数（列数 行数）行数）分辨率分辨率是指显示器所能表示的象素个数是指显示器所能表示的象素个数灰度灰度是指灰白显示器中是指灰白显示器中所显示的象素点的亮暗所显示的象素点的亮暗差别数差别数2.2.刷新和刷新存储器刷新和刷新存储器3.3.随机扫描和光栅扫描随机扫描和光栅扫描随机扫描随机扫描光栅扫描光栅扫描逐行扫描逐行扫描隔行扫描隔行扫描字形的产生过程字形的产生过程0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 00 1 0 00 1 0 00 1

4、 0 10 1 0 10 1 1 00 1 1 01 1 1 11 1 1 10 1 1 10 1 1 10 0 1 10 0 1 11010H H2828H H4444H H8282H H8282H HFEHFEH8282H H8282H H0000H H字符字符发生器发生器( ( R O M )R O M )ASCIIASCII字符代码字符代码8 84 4RA3 - RA0RA3 - RA0( (a)a) A A 的点阵表示的点阵表示( (b)b)字符发生器的结构字符发生器的结构( (来自来自VRAM)VRAM)( (来自光栅地址来自光栅地址计数器输出计数器输出) )RARA3 3 - -

5、RARA0 0D D7 7D D0 0D D7 7D D0 0ASCIIASCII代码代码(41(41H H) )指向这个字形指向这个字形7.2.2字符图形显示器字符图形显示器灯丝灯丝阴极阴极聚焦极聚焦极石墨层石墨层荧光屏荧光屏显示屏显示屏阳极帽阳极帽偏转线圈偏转线圈栅极栅极阳极阳极电子枪电子枪电子束电子束p电子束有足够的强度和速度电子束有足够的强度和速度p电子束要足够细电子束要足够细p电子束运动方向要高度可控电子束运动方向要高度可控p荧光粉的颗粒要足够精细和均匀荧光粉的颗粒要足够精细和均匀p有关术语：有关术语： 单色和彩色单色和彩色 灰度级和颜色灰度级和颜色 , 分辨率分辨率 随机扫描和光珊

6、扫描随机扫描和光珊扫描 刷新和刷新存储器刷新和刷新存储器 字符，图形，字符，图形， 图象图象字符显示的一般原理字符显示的一般原理移位移位寄存器寄存器S LS L字符字符发生器发生器( (ROM)ROM)加载控制加载控制水平消隐水平消隐行间消隐行间消隐垂直消隐垂直消隐水平同步电路水平同步电路垂直同步电路垂直同步电路点振荡器点振荡器点计数器点计数器水平地址计数器水平地址计数器光栅地址计数器光栅地址计数器垂直地址计数器垂直地址计数器定时控制定时控制电路电路垂直同步信号垂直同步信号水平同步信号水平同步信号字符时钟字符时钟ASCIIASCII代码代码控制控制OSCOSCVRAMVRAM19 9180+1

7、880+1819+59+5125+125+1视频视频信号信号RARA3 3 - - RA RA0 0（16.25716.257MHz)MHz)显示器控制器显示器控制器系统系统总线总线接口接口及及FIFOFIFO控制寄存器控制寄存器模式寄存器模式寄存器时序控制电路时序控制电路 。位、块传递。位、块传递 。画线。画线 。填域。填域 。颜色扩充。颜色扩充 。颜色空间转换。颜色空间转换 等专门工具等专门工具调色板调色板CLUTCLUT（256256* *2424）R R, ,G G, ,B BDACDACVFC VFC 端口端口硬件光标硬件光标显示存储器接口显示存储器接口电时钟和存储器电时钟和存储器时

8、钟发生器时钟发生器显示存储器显示存储器（1，2或或4MB）至显至显示器示器ROMROMBIOSBIOS系统系统总线总线PCI或或VL总线总线与视频卡等连接与视频卡等连接14.31814.318MHzMHzR RG GB BHsyncHsyncVsyncVsync主主板板显显示示适适配配器器显示器控制器显示器控制器7.3 输入设备和打印设备输入设备和打印设备7.3.1 输入设备输入设备 p图形输入图形输入n键盘输入键盘输入 n鼠标器输入鼠标器输入 p语音输入语音输入p图像输入图像输入n最理想的图像输入设备是数字摄像机最理想的图像输入设备是数字摄像机键盘的运行原理键盘的运行原理计算机的键盘，是用于

9、向主机内敲入字符、功能键、汉字等符号。计算机的键盘，是用于向主机内敲入字符、功能键、汉字等符号。这是通过逐次敲击键盘上的不同位置（标有键名）的键来完成的。这是通过逐次敲击键盘上的不同位置（标有键名）的键来完成的。被敲击的每个键将以一个特定的编码被表示并被存入计算机主机。被敲击的每个键将以一个特定的编码被表示并被存入计算机主机。故键盘的基本运行原理，是把键在键盘上的位置对应为一个编码。故键盘的基本运行原理，是把键在键盘上的位置对应为一个编码。1010K K键盘键盘.并行接口并行接口并行接口并行接口+5+5V V0 0列列1 1列列m m列列0 0行行1 1行行n n行行键键. . .。. . .

10、 . .。.键盘的运行原理键盘的运行原理键盘运行的基本原理，是把每键在键盘上的位置对应为一个编码。键盘运行的基本原理，是把每键在键盘上的位置对应为一个编码。并行接口并行接口并行接口并行接口+5+5V V1010K K0 0列列1 1列列m m列列0 0行行1 1行行n n行行键盘键盘键键.。.。具体实现，是用行列扫描的方法，即把每个键分配在一个具体实现，是用行列扫描的方法，即把每个键分配在一个m m* *n n矩阵的交叉点上，矩阵的交叉点上，通过并行接口依此送出仅有一行为零、其余各行均为一的值，用并行接口读通过并行接口依此送出仅有一行为零、其余各行均为一的值，用并行接口读m m列列的取值，当该

11、值不为的取值，当该值不为FFHFFH时，表明有键按下，若该值仅含一位零，表明取值为时，表明有键按下，若该值仅含一位零，表明取值为 0 0的行、列的交叉点的键被按下，用一个对照表即可得到相应键的编码。尚需解决的行、列的交叉点的键被按下，用一个对照表即可得到相应键的编码。尚需解决如下的一些问题：键的抖动、多键按下、由谁（哪个部件）完成这些操作过程。如下的一些问题：键的抖动、多键按下、由谁（哪个部件）完成这些操作过程。针式打印机构造针式打印机构造打印纸打印纸导轨导轨打印针打印针永磁铁永磁铁 铁芯铁芯衔铁衔铁 线圈线圈色带色带色带保护片色带保护片滚筒滚筒p弹弹簧簧打印针打印针电磁铁线圈电磁铁线圈衔铁衔

12、铁壳帽壳帽外壳外壳导轨导轨p 色带色带弹簧弹簧打印针打印针永久磁铁永久磁铁电磁铁线圈电磁铁线圈 纸纸滚筒滚筒 激光打印机的组成激光打印机的组成激光部分激光部分印字机印字机控制部分控制部分(微处理机汉字字形库微处理机汉字字形库)记录鼓记录鼓( (硒鼓硒鼓) )显象显象部分部分+ +. . .定形部分定形部分 加热辊加热辊预热板预热板输纸用辊输纸用辊转写转写清扫辊清扫辊带电器带电器印写部分印写部分清扫部分清扫部分转写部分转写部分接纸接纸 部分部分纸纸激光激光喷墨技术喷墨技术连续喷墨连续喷墨随机的按需喷墨随机的按需喷墨墨水从一个喷嘴连续喷射墨水从一个喷嘴连续喷射喷墨打印机喷墨打印机有一组垂直方向排列

13、的喷嘴，根据点有一组垂直方向排列的喷嘴，根据点阵的需要，从喷嘴中，靠压力喷出墨阵的需要，从喷嘴中，靠压力喷出墨滴。墨滴的飞行方向不变，在纸上形滴。墨滴的飞行方向不变，在纸上形成一列墨点，移动喷头打印其余列成一列墨点，移动喷头打印其余列。压力喷射压力喷射压电方式压电方式热泡热泡方式方式每个喷头可每个喷头可达达5050个喷嘴个喷嘴加速电极加速电极偏转线圈偏转线圈回收器回收器打印纸打印纸泵泵墨水罐墨水罐高压源高压源驱动器驱动器控制器控制器字符发生器字符发生器模模/ /数数数数/ /模模X XY YX X/ /Y Y喷头喷头数据缓冲器数据缓冲器时序器时序器偏转板偏转板数据数据控制信号控制信号连续喷墨技

14、术原理图连续喷墨技术原理图供墨导管供墨导管压电体压电体喷嘴喷嘴墨水墨水加热元件加热元件气泡气泡挤出墨水挤出墨水形成墨滴形成墨滴墨滴墨滴喷出喷出热泡喷墨原理热泡喷墨原理压电喷墨原理压电喷墨原理喷头喷头p磁盘驱动器属于直接存取（寻道）、串行读写设备。磁盘驱动器属于直接存取（寻道）、串行读写设备。 磁盘是用得最多的外存设备，磁盘是用得最多的外存设备，其主要特点是其主要特点是：存储位成本低存储位成本低容量大容量大速度速度高高它是用磁头产生或者感应变化的电磁场，把二进制信息它是用磁头产生或者感应变化的电磁场，把二进制信息写进盘状材料表面磁层中或从磁层中读出。写进盘状材料表面磁层中或从磁层中读出。工作原理

15、工作原理主要的追求目标主要的追求目标提高信息的存储密度和容量，提高信息的读写速度和入出提高信息的存储密度和容量，提高信息的读写速度和入出吞吐量，降低信息存储成本，提高其运行可靠性，吞吐量，降低信息存储成本，提高其运行可靠性， 磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在计算机系统中做为辅磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在计算机系统中做为辅助大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量助大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据信息。程序与数据信息。7.4.1 磁记录原理与记录方式磁记录原理与记录方式所谓所谓磁表面存储磁表面存储，是用某些磁性材料薄地涂在

16、金屑铝或塑料，是用某些磁性材料薄地涂在金屑铝或塑料表面作载磁体来存储信息。磁盘存储器表面作载磁体来存储信息。磁盘存储器. 磁表面存储器的优点磁表面存储器的优点：（1）存储容量大，位价格低；）存储容量大，位价格低；（2）记录介质可以重复使用；）记录介质可以重复使用；（1）记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档；）记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档；（4）非破坏性读出，读出时不需要再生信息。）非破坏性读出，读出时不需要再生信息。主要是存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。主要是存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。磁表面存储器也有缺点：磁表面存储器也有缺点：

17、计算机的外存储器又称磁表面存储设备。计算机的外存储器又称磁表面存储设备。矩形磁滞回线矩形磁滞回线描述了描述了磁感应强度磁感应强度B与与外加磁场外加磁场H的的关系关系. 利用这两个稳定的剩磁状态，可利用这两个稳定的剩磁状态，可以表示二进制代码以表示二进制代码1和和0。磁性材料。磁性材料上呈现剩磁状态的地方形成了一个上呈现剩磁状态的地方形成了一个磁化元或存储元，它是记录一个二磁化元或存储元，它是记录一个二进制信息位的最小单位。进制信息位的最小单位。 当磁性材料被磁化后，会形当磁性材料被磁化后，会形成两个成两个稳定的剩磁状态稳定的剩磁状态，就像触，就像触发器电路有两个稳定的状态一样。发器电路有两个稳

18、定的状态一样。 磁记录方式是指一种编码方法，即如何将一串二进制磁记录方式是指一种编码方法，即如何将一串二进制信息，通过读写电路变换成磁层介质中的磁化翻转序列。信息，通过读写电路变换成磁层介质中的磁化翻转序列。 不归零制不归零制 （NRZ）好的编码方法应该有：好的编码方法应该有：更高的读写可靠性等。更高的读写可靠性等。更高的自同步能力，更高的自同步能力，更高的编码效率，更高的编码效率，见见 1 就翻的就翻的 NRZ调相制调相制 （PM）调频制调频制 （FM） 改进调频制改进调频制 （MFM）常用的编码方式有：常用的编码方式有：NRZNRZNRZ1NRZ1PMPMFMFMMFMMFM位周期位周期1

19、 10 01 11 11 10 00 00 01 1位信息位信息特点是，磁头线圈中始终有电流，不是正向电流特点是，磁头线圈中始终有电流，不是正向电流( (代表代表1)1)就是反就是反向电流向电流( (代表代表0)0)，抗干扰性能较好，抗干扰性能较好。 在一个位周期的中间位置，电流由负到正为在一个位周期的中间位置，电流由负到正为1 1，由正到负，由正到负为为0 0，即利用电流相位的变化进行写即利用电流相位的变化进行写 11和和 00，所以通过磁头中所以通过磁头中的电流方向；定要改变一次，这种记录方式中的电流方向；定要改变一次，这种记录方式中11和和00的读出的读出信号相位不同，信号相位不同，抗干

20、扰能力较强抗干扰能力较强。另外读出信号经分离电路可。另外读出信号经分离电路可提取自同步定时脉冲，所以提取自同步定时脉冲，所以具有自同步能力具有自同步能力。磁带存储器中一。磁带存储器中一般采用这种记录方式般采用这种记录方式与与NRZNRZ的相同之处是磁头线圈中始终有电流通过。记录的相同之处是磁头线圈中始终有电流通过。记录 0 0 时电流方向不变，只有遇到时电流方向不变，只有遇到 1 1 时才改变方向。时才改变方向。 不归零制不归零制 ( (NRzNRz。) ) 见见11就翻不归零制就翻不归零制 ( (NRz1)NRz1) 调相制调相制 ( (PM)PM)调频制调频制 ( (FM)FM)改进调频制

21、改进调频制 ( (MFM)MFM) 与调频制的区别在于只有连续记录两个或两个以上与调频制的区别在于只有连续记录两个或两个以上00时，时，才在位周期的起始位置翻转一次，而不是在每个位周期的起始才在位周期的起始位置翻转一次，而不是在每个位周期的起始处都翻转，因而进一步提高了记录密度。处都翻转，因而进一步提高了记录密度。MFMMFM可用于双密度磁盘可用于双密度磁盘存储器。存储器。其特点如下：其特点如下：(1)(1)无论记录的代码是无论记录的代码是l l或或0 0，或者连续写或者连续写1 1 或写或写0 0 ，在相邻在相邻两个存储元交界处电流都要改变方向；两个存储元交界处电流都要改变方向；(2)(2)

22、记录记录1 1时电流一定要在位周期中间改变方向，写时电流一定要在位周期中间改变方向，写1 1 电流的电流的频率是写频率是写0 0 电流频率的电流频率的2 2倍，故称为倍频法。倍，故称为倍频法。 这种记录方式的优点是记录密度高，具有这种记录方式的优点是记录密度高，具有自同步能力自同步能力。FMFM可用于单密度磁盘存储器。可用于单密度磁盘存储器。不同的记录方式具有不同的特点，不同的记录方式具有不同的特点，评价一种记录方式优劣的标准是评价一种记录方式优劣的标准是:编码效率编码效率自同步能力自同步能力检读分辨力检读分辨力信息相关性信息相关性抗干扰能力抗干扰能力信道宽度信道宽度编码译码电路编码译码电路.

23、3. 磁记录原理磁记录原理铁氧体铁氧体线圈线圈电流电流磁记录介质磁记录介质磁头结构和电磁转换示意图磁头结构和电磁转换示意图磁头，软磁材料导磁率高，磁头，软磁材料导磁率高，饱和磁感应强度大矫顽力小，饱和磁感应强度大矫顽力小，剩余磁感应强度小剩余磁感应强度小 磁记录材料，硬磁材料记磁记录材料，硬磁材料记录密度高，记录信息时间长输录密度高，记录信息时间长输出信号幅度大，噪声低表面组出信号幅度大，噪声低表面组织紧密、光滑、无麻点织紧密、光滑、无麻点 薄厚均薄厚均匀，温度、湿度影响小匀，温度、湿度影响小e = -ne = -n* * d d/dt/dt = -n = -n* * d d /dl /dl*

24、 * dl / dl /dtdt = - = -nvnv d d /dl /dl 写线圈写线圈读线圈读线圈N NN NS SS S载磁体载磁体磁磁 层层运动方向运动方向铁芯铁芯磁头在磁表面存储信息的原理磁头在磁表面存储信息的原理I I硬盘磁头与盘片的接触方式硬盘磁头与盘片的接触方式载磁体载磁体运动方向运动方向气流气流5-65-6usus浮力浮力头发直径头发直径7070usus5 5usus悬悬浮浮式式相距相距 5 5usus优点优点：没有摩擦、寿命长：没有摩擦、寿命长通过电通过电-磁变换，利用磁磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，头写线圈中的脉冲电流，可把一位二进制代码转可把一位二进制代码转换

25、成载磁体存储元的不换成载磁体存储元的不同剩磁状态；反之，通同剩磁状态；反之，通过磁过磁-电变换，利用磁头电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储读出线圈，可将由存储元的不同剩磁状态表示元的不同剩磁状态表示的二进制代码转换成电的二进制代码转换成电信号输出。这就是磁表信号输出。这就是磁表面存储器存取信息的原面存储器存取信息的原理理。 硬磁盘机是指记录介质为硬质圆形盘片的磁表面存储器。硬磁盘机是指记录介质为硬质圆形盘片的磁表面存储器。它主要由三大部分组成：它主要由三大部分组成： 磁记录介质磁记录介质 磁盘控制器磁盘控制器 磁盘驱动器磁盘驱动器磁盘控制器包括：磁盘控制器包括：控制逻辑与时序、控制逻辑与时序

26、、数据并数据并/ /串变换电路和串变换电路和串串/ /并变换电路。并变换电路。磁盘驱动器包括：磁盘驱动器包括：写入电路与读出电路、写入电路与读出电路、读写转换开关、读写磁读写转换开关、读写磁头与磁头定位伺服系统头与磁头定位伺服系统等等串串-并变换电路并变换电路串串-并变换电路并变换电路控制逻辑控制逻辑 时钟时钟读放电路读放电路写电流驱动器写电流驱动器读写开关读写开关（来自总线）（来自总线）并行数据并行数据（送往总线）（送往总线）并行数据并行数据读读/写磁头写磁头磁性介质磁性介质磁化点磁化点载磁体载磁体p (3)可移动磁头可换盘片的磁盘机可移动磁头可换盘片的磁盘机 盘片可以更换，磁头可沿盘面径盘

27、片可以更换，磁头可沿盘面径向移动。向移动。按盘片结构分成：按盘片结构分成：可换盘片式可换盘片式与与固定盘片式固定盘片式 磁头也可分为：磁头也可分为：移动磁头移动磁头和和固定磁头固定磁头两种。两种。 (1)可移动磁头固定盘片的磁盘机可移动磁头固定盘片的磁盘机 特点是一片或一组盘特点是一片或一组盘片固定在主轴上，盘片不可更换。盘片每面只有一个磁头，片固定在主轴上，盘片不可更换。盘片每面只有一个磁头，存取数据时磁头沿盘面径向移动。存取数据时磁头沿盘面径向移动。 (2)固定磁头磁盘机固定磁头磁盘机 特点是磁头位置固定，磁盘的每一个特点是磁头位置固定，磁盘的每一个磁道对应一个磁头，盘片不可更换。优点是存

28、取速度快，省磁道对应一个磁头，盘片不可更换。优点是存取速度快，省去磁头找道时间，缺点是结构复杂。去磁头找道时间，缺点是结构复杂。（4） 温盘温盘硬磁盘机通常按以下方法分类硬磁盘机通常按以下方法分类：7.4.3 硬硬 磁磁 盘驱动器和控制器盘驱动器和控制器磁头磁头磁磁盘盘组组主轴主轴通风机通风机取数臂取数臂定位驱动器定位驱动器速度速度传感器传感器小车小车主电机主电机传动皮带传动皮带滤尘器滤尘器密封罩密封罩1.硬磁盘驱动器结构示意图硬磁盘驱动器结构示意图p记录面、磁道、扇区、柱面记录面、磁道、扇区、柱面p存储密度存储密度p存储容量存储容量p平均存取时间平均存取时间p数据传输率数据传输率7.5 磁磁

29、 带带 机机 设设 备备。磁带磁带抽风口抽风口真空积带箱真空积带箱小孔小孔增压风口供增压风口供收带盘收带盘放带盘放带盘导轮导轮左主动轮左主动轮右主动轮右主动轮读写磁头读写磁头刹块刹块刹带柱刹带柱压轮压轮双压轮真空积带箱式磁带机双压轮真空积带箱式磁带机。按读写性质分：只读型 LD、CD-DA、VCD、DVD、 D_ROM一次型重写型： MO、PC3. 写一次型光盘光学系统示意图写一次型光盘光学系统示意图90%调制器调制器He-Ne光盘光盘聚焦系统，物镜聚焦系统，物镜旋转台旋转台径向跟踪反射镜径向跟踪反射镜激光器激光器光束分离器光束分离器读出信号读出信号光束分离器光束分离器调制信号调制信号10%写光束写光束 RAID简称为