白中英第五版计算机组成原理第7章

1、1第七章第七章 外围设备外围设备第7章 外围设备u 外围设备概述外围设备概述u 磁盘存储设备磁盘存储设备u 磁带存储设备磁带存储设备u 光盘和磁光盘存储设备光盘和磁光盘存储设备u 显示设备显示设备u 输入设备和打印设备输入设备和打印设备7.1 7.1 外围设备概述外围设备概述n除了除了CPUCPU和主存，其他部件都是和主存，其他部件都是“外设外设”。n外设的功能外设的功能q提供不同计算机之间的联系；提供不同计算机之间的联系；q提供计算机与用户的联系。提供计算机与用户的联系。n外设的基本组成外设的基本组成q存储介质存储介质: 具有保存信息的物理特征具有保存信息的物理特征 q驱动装置驱动装置: 用

2、于移动存储介质用于移动存储介质-用于转动磁盘和定位。用于转动磁盘和定位。 q控制电路控制电路: 向存储介质发送数据或从存储介质接受数据。向存储介质发送数据或从存储介质接受数据。 外设的分类外设的分类接口接口 输入设备输入设备 输出设备输出设备 外存设备外存设备 数据通信设备数据通信设备 过程控制设备过程控制设备play7.2 磁盘存储设备磁盘存储设备n磁表面存储器磁表面存储器q将磁性材料涂布在薄介质上，记录信息。将磁性材料涂布在薄介质上，记录信息。q例：磁带、软磁盘和硬磁盘例：磁带、软磁盘和硬磁盘n优点优点q容量大、位价格低；容量大、位价格低；q可改写；可改写；q非易失、可脱机保存；非易失、可

3、脱机保存；q非破坏性读出。非破坏性读出。n缺点缺点q存储速度较慢；存储速度较慢；q需要复杂的机械结构。需要复杂的机械结构。n 磁表面存储器一般用作计算机的辅存磁表面存储器一般用作计算机的辅存(即外存即外存)。磁性材料的物理特性磁性材料的物理特性n矩形磁滞回线矩形磁滞回线q磁化后，有两个剩磁状态。磁化后，有两个剩磁状态。q+Br（正剩磁）状态表示（正剩磁）状态表示“1”； Br（负剩磁）状态表示（负剩磁）状态表示“0”；磁感应强度磁感应强度外加磁场外加磁场play磁表面存储器的读写能力磁表面存储器的读写能力S NS N写线圈写线圈读线圈读线圈铁芯铁芯磁层磁层载磁体载磁体运动方向运动方向磁头磁头

4、写写：通过电：通过电- -磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可把一位二磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可把一位二进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态；进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态； 读读：通过磁：通过磁- -电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储元的不同剩电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储元的不同剩磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出。磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出。 如何实现写操作和读操作？如何实现写操作和读操作？7.2.2 7.2.2 硬磁盘机的基本组成硬磁盘机的基本组成并并- -串转换电路串转换电路总线来的并行数据总线来的并行数据写电流驱动写电流驱动读放电

5、路读放电路串串- -并转换电路并转换电路去总线的并行数据去总线的并行数据读写开关读写开关地控制逻辑控制逻辑/ /时钟时钟play硬磁盘机的分类硬磁盘机的分类n可移动磁头可移动磁头固定盘片固定盘片的磁盘机的磁盘机n固定磁头固定磁头磁盘机磁盘机n可移动磁头可移动磁头可换盘片可换盘片的磁盘机的磁盘机n温彻斯特磁盘机温彻斯特磁盘机( (温盘温盘) )每面一个磁头，盘片旋转，磁头径向移动；每面一个磁头，盘片旋转，磁头径向移动；每磁道一个磁头每磁道一个磁头n磁头径向移动；磁头径向移动；n盘片可更换盘片可更换n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；n目前微机中使用的是温盘。目前微机中使用的

6、是温盘。7.2.3 7.2.3 硬磁盘硬磁盘驱动驱动器器由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统组成由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统组成 7.2.3 7.2.3 硬磁盘硬磁盘控制控制器器n主机和磁盘驱动器之间的主机和磁盘驱动器之间的接口接口；n向主机一侧向主机一侧（又称系统级接口）（又称系统级接口） 接系统总线接系统总线n向驱动器一侧向驱动器一侧（设备级接口）（设备级接口） 根据主机命令控制设备的操作根据主机命令控制设备的操作7.2.4 7.2.4 磁盘上信息的分布磁盘上信息的分布n盘片的盘片的上下面上下面都可记录信息；都可记录信息；q温盘最上温盘最上( (下下) )盘片只使用一个记录面。

7、盘片只使用一个记录面。n每个记录面上有几十至几百个每个记录面上有几十至几百个环形磁道环形磁道；q从外向内对磁道编号，从外向内对磁道编号，0 0、1 1、2 2、n n。qn n磁道的内侧面积磁道的内侧面积不用不用。n柱面柱面：多个盘片上具有相同编号的磁道：多个盘片上具有相同编号的磁道0 0磁道磁道n n磁道磁道n 各各磁道磁道划分为等个数的划分为等个数的扇区扇区；PCPC机中每个扇区的标准容量是机中每个扇区的标准容量是512B512B0 0磁道磁道n n磁道磁道7.2.5 7.2.5 磁盘存储器的技术指标磁盘存储器的技术指标n存储密度存储密度q道密度道密度n沿半径方向，单位长度里磁道数目。沿半

8、径方向，单位长度里磁道数目。q位密度位密度n磁道上单位长度里记录的二进制信息位数。磁道上单位长度里记录的二进制信息位数。q面密度面密度n位密度和道密度的乘积。位密度和道密度的乘积。n存储容量存储容量q非格式化容量非格式化容量n磁化单元的数目。磁化单元的数目。q格式化容量格式化容量n在磁盘被格式化为某种记录格式后，可存储信息的总在磁盘被格式化为某种记录格式后，可存储信息的总量，即用户可用的容量。量，即用户可用的容量。7.2.5 7.2.5 磁盘存储器的技术指标磁盘存储器的技术指标n平均存取时间平均存取时间q定位时间定位时间(即找道时间即找道时间) ：磁头定位到目标磁道的时间；磁头定位到目标磁道的

9、时间；q等待时间：等待时间：需要访问的数据转动到磁头下方的时间。需要访问的数据转动到磁头下方的时间。q平均找道时间：平均找道时间：最大找道时间和最小找道时间的平均值。最大找道时间和最小找道时间的平均值。q平均等待时间：平均等待时间：磁盘转动半周的时间。磁盘转动半周的时间。q平均存取时间平均存取时间= =平均找道时间平均找道时间+ +平均等待时间平均等待时间n数据传输率数据传输率Drq单位时间里，磁盘向主机传送数据的字节数。单位时间里，磁盘向主机传送数据的字节数。q若磁盘转速若磁盘转速n转转/秒，每道秒，每道N字节，则字节，则Dr=nN(字节字节/秒秒)。7.2.5 7.2.5 磁盘存储器的技术

10、指标磁盘存储器的技术指标例1：磁盘组有6张盘片，每片两个记录面，但最上和最下面不用。存储区域内径22cm，外径33cm，道密度40道/厘米，内层位密度400位/厘米，转速2400转/分钟。 共有多少柱面？共有多少柱面？答：存储区域的径向长度答：存储区域的径向长度 （33 22 ）/2 5.5 (cm) 道数道数(即柱面数即柱面数) 5.540 220 (道道)(2)(2) 盘组总容量是多少？盘组总容量是多少？答：答：内层磁道的周长内层磁道的周长 223.1469.08 (cm) 每道容量每道容量69.0840027632 (bit)3454 (B) 每面容量每面容量3454220759880

11、(B) 盘组容量盘组容量759880107598800 (B)(3) (3) 数据传输率是多少？数据传输率是多少？答：传输率答：传输率 345424006013816 (B/s)例4：磁盘组有6张盘片，每片两个记录面，但最上和最下面不用。存储区域内径22cm，外径33cm，道密度40道/厘米，内层位密度400位/厘米，转速2400转/分钟。(4) (4) 采用定长数据块记录格式，寻址的最小单位是多少？寻址采用定长数据块记录格式，寻址的最小单位是多少？寻址命令中怎样表示磁盘地址？命令中怎样表示磁盘地址？答：最小单位是记录块（即答：最小单位是记录块（即扇区扇区）。）。磁盘地址格式磁盘地址格式 磁盘

12、机号磁盘机号+柱面柱面(磁道磁道)号号+盘面盘面(磁头磁头)号号+扇区号扇区号(5) (5) 若文件长度超过一个磁道，后续信息应存在同一盘面，还若文件长度超过一个磁道，后续信息应存在同一盘面，还是同一柱面？是同一柱面？答：为避免重新找道，应存储在答：为避免重新找道，应存储在同一柱面上同一柱面上 （即（即盘面号不同、道号相同的磁道上盘面号不同、道号相同的磁道上）。）。廉价磁盘冗余阵列RAIDn1988年，Patterson教授首先提出n廉价磁盘冗余阵列RAID Redundant Array of Inexpensive Disksn简称磁盘阵列技术n磁盘阵列将数据分布存放在多个磁盘驱动器、代替

13、一个大容量磁盘，提高性能；添加冗余磁盘存放校验信息，提高可靠性n优点：容量大、速度快、可靠性高、造价低廉7.3 7.3 磁盘存储设备的技术发展磁盘存储设备的技术发展 RAID的主要类型n主要有7个RAID级别RAID0RAID6，有些研究人员也定义了其他级别nRAID各级别具有不同结构，但有如下共性：vRAID由一组物理磁盘驱动器组成，操作系统视之为一个逻辑驱动器v数据分布在一组物理磁盘上v冗余信息被存储在冗余磁盘空间中，保证磁盘在万一损坏时可以恢复数据其中第2、3个特性在不同的RAID级别中的表现不同，RAID0不支持第3个特性RAID0n数据分块，即把数据分布在多个盘上n非冗余阵列、无冗余

14、信息n严格地说，它不属于RAID系列MNOetc.IJKLEFGHABCDRAID1n亦称镜像盘，使用双备份磁盘n每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写到另一个冗余盘，形成信息的两份复制品GGHHEEFFCCDDAABB=RAID2n位交叉式海明编码阵列n各个数据盘上的相应位计算海明校验码，编码位被存放在多个校验（Ecc）磁盘的对应位上D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3Ecc/AxEcc/BxEcc/CxEcc/DxEcc/AyEcc/ByEcc/CyEcc/DyEcc/AzEcc/BzEcc/CzEcc/Dz7.4 7.4 磁带存储设备磁带存储设备 n 磁带机的记

15、录原理与磁盘机基本相同，只是它的载磁体是一磁带机的记录原理与磁盘机基本相同，只是它的载磁体是一种带状塑料，叫做磁带。种带状塑料，叫做磁带。n 磁带存储设备由磁带机和磁带两部分组成，它通常用作为海磁带存储设备由磁带机和磁带两部分组成，它通常用作为海量存储设备的数据备份。量存储设备的数据备份。 n 磁带速度比磁盘速度慢，原因是磁带上的数据采用顺序访问磁带速度比磁盘速度慢，原因是磁带上的数据采用顺序访问方式，而磁盘则采用随机访问方式。方式，而磁盘则采用随机访问方式。7.5 7.5 光盘存储设备光盘存储设备n1. 1. CD-ROMCD-ROM光盘光盘play只读型光盘只读型光盘nCD-DA (Com

16、pact Disc Digital Audio) 数字唱盘数字唱盘q可存储可存储74分钟立体声信息。分钟立体声信息。nVCD (Video Compact Disc)q可存储可存储74分钟分钟MPEG-1高清视频和音频信息。高清视频和音频信息。nDVD-ROM nCD-ROM (Compact Disc-ROM) 只读光盘机只读光盘机 q用于用于PC外存，记录数字数据，或记录数字化视外存，记录数字数据，或记录数字化视频和音频信息频和音频信息 。一次型光盘一次型光盘 只能写一次nWORM：一次写多次读的光盘一次写多次读的光盘nCD-R (Compact Disc-Recordable) q用用C

17、D-R刻录机向空白刻录机向空白CD-R盘写数据；盘写数据；q可在可在CD-ROM驱动器中读出。驱动器中读出。nDVD R ( DVD Recordable)q用用DVD-R刻录机向空白刻录机向空白DVD-R盘写数据；盘写数据；q供供DVD-ROM光驱读取光驱读取, 也可在也可在 DVD-Video 播放机中播放机中播放。播放。 重写型光盘重写型光盘 支持写入、擦除或重写。n常用重写型光盘：常用重写型光盘：qCD-RW：在光盘上加一层可改写的染色层，通过激光在光盘上加一层可改写的染色层，通过激光可在光盘上反复多次写入数据。可在光盘上反复多次写入数据。qDVD-RW (DVD Rerecordable) 本章小结本章小结n外围设备大体分为外围设备大体分为输入设备、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、过程控制设备信设备、过程控制设备五大类。五大类。n磁盘、磁带属于磁表面存储器，特点是存储容量大，位价格磁盘、磁带属于磁表面存储器，特点是存储容量大，位价格低，记录信息永久保存，但存取速度较慢，因此在计算机系低，记录信息永久保存，但存取速度较慢，因此在计算机系统中作为辅助大容量存储器使用。统中作为辅助大容量存储器使用。 n硬磁盘按盘片结构分为可换盘片式、固定盘片式两种，磁头硬磁盘按盘片结构分为可换盘片