计算机组成原理外存与IO设备

1、计算机组成原理计算机组成原理武汉科技大学武汉科技大学计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院第七章第七章 外存与外存与I/O设备设备n本章内容本章内容7.1 7.1 外围设备概述外围设备概述7.2 7.2 磁盘存储设备磁盘存储设备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7.4 7.4 磁带存储设备磁带存储设备7.5 7.5 光盘和磁光盘存储设备光盘和磁光盘存储设备7.6 7.6 显示设备显示设备7.7 7.7 输入设备和打印设备输入设备和打印设备7.1.1 7.1.1 外围设备的一般功能外围设备的一般功能什么是外围设备什么是外围设备除除CPUCPU和内存外的部件和内存外的部

2、件2.2. 外设的发展方向外设的发展方向低成本低成本( (价格价格) )；小体积；高速度；大容量；低功耗；小体积；高速度；大容量；低功耗3. 3. 外围设备的功能外围设备的功能在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系4. 4. 外围设备的基本组成外围设备的基本组成存储介质、驱动装置、控制电路存储介质、驱动装置、控制电路5. 5. 外围设备的共同特点外围设备的共同特点工作速度、信息类型和格式、电气特性等工作速度、信息类型和格式、电气特性等7.1 外围设备概述外围设备概述目录目录7.1.2 外围设备的分类外围设备的分类可分为五大类可分

3、为五大类: :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I/O接口接口7.2 磁盘存储设备磁盘存储设备7.2.1 7.2.1 磁记录原理磁记录原理磁表面存储设备磁表面存储设备用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息，如磁盘存储器、磁带存储器塑料表面作载磁体来存储信息，如磁盘存储器、磁带存储器 磁表面存储器的优点磁表面存储器的优点：(1)(1)存储容量大，位价格低存储容量大，位价格低 (2)(2)记录记录介质可以重复使用介质可以重复使用 (3)(3)记录信息可以长期保存而不丢失，甚至记录信息可

4、以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档可以脱机存档 (4)(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磁表面存储器的缺点磁表面存储器的缺点：存取速度较慢，机械结构复杂，对：存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高工作环境要求较高磁表面存储器常作为辅助大容量存储器使用磁表面存储器常作为辅助大容量存储器使用目录目录磁性材料的磁滞回线磁性材料的磁滞回线电流电流I I磁场磁场H H磁感应磁感应强度强度B B磁感应强度磁感应强度B B不随电流的不随电流的消失而回零，在磁滞回消失而回零，在磁滞回线上形成两个稳态：线上形成两个稳态：+Br(+Br(正剩磁状态正剩磁状态) )

5、和和-Br(-Br(负剩磁状态负剩磁状态) )用用来记录来记录“1 1”和和“0 0”磁化元磁化元( (存储元存储元) )1. 1.磁性材料的物理特性磁性材料的物理特性2.2.磁表面存储器的读写原理磁表面存储器的读写原理磁头磁头是由软磁材料做铁芯绕有读写线圈的电磁铁，用于是由软磁材料做铁芯绕有读写线圈的电磁铁，用于形成形成和判别和判别磁层中的不同磁层中的不同磁化状态磁化状态(1)(1)写操作写操作通过通过电电- -磁变换磁变换，利用，利用磁头写线圈中的脉冲电流磁头写线圈中的脉冲电流，把一位二进，把一位二进制代码转换成磁载体存储元的不同剩磁状态制代码转换成磁载体存储元的不同剩磁状态一个磁化元就是

6、一个存储元一个磁化元就是一个存储元，存储一位二进制信息；当载磁体相，存储一位二进制信息；当载磁体相对于磁头运动时对于磁头运动时 ，就可连续写入一连串的二进制信息，就可连续写入一连串的二进制信息(2)(2)读操作读操作 利用利用磁磁- -电变换电变换，利用，利用磁头读出线圈磁头读出线圈，可将存储元的不同剩磁，可将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状态表示的二进制代码转换成电信号输出磁头对载磁体作相对运动时，读出线圈中的感应的电动势为：磁头对载磁体作相对运动时，读出线圈中的感应的电动势为： 不同的磁化状态，产生的感应电势方向不同不同的磁化状态，产生的感应电势方向不同dtdke记录

7、方式的写读过程波形图记录方式的写读过程波形图磁头在磁表面存储信息原理磁头在磁表面存储信息原理1 10 01 11 11 10 01 11 1通过磁头线圈通过磁头线圈的写电流的写电流信息记录后的信息记录后的磁层磁化状态磁层磁化状态磁载体磁磁载体磁化单元化单元读出信号读出信号波形波形选通脉冲选通脉冲硬磁盘硬磁盘的记录介质为的记录介质为硬质圆形盘片硬质圆形盘片7.2.2 磁盘的组成和分类磁盘的组成和分类主要由三部分组成主要由三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硬磁盘逻辑结构图硬磁盘逻辑结构图写入和读出操作写入和读出操作写入时写入时，将计算机并行送来的数据变为串行数据

8、，然后一位，将计算机并行送来的数据变为串行数据，然后一位一位地由写电流驱动器作功率放大并加到写磁头线圈上产一位地由写电流驱动器作功率放大并加到写磁头线圈上产生电流，从而在盘片磁层上形成按位的磁化存储元生电流，从而在盘片磁层上形成按位的磁化存储元读出时读出时，当记录介质相对磁头运动时，位磁化存储元形成的，当记录介质相对磁头运动时，位磁化存储元形成的空间磁场在读磁头线圈中产生感应电势，此读出信息经放空间磁场在读磁头线圈中产生感应电势，此读出信息经放大检测就可还原成原来存入的数据；由于数据是一位一位大检测就可还原成原来存入的数据；由于数据是一位一位串行读出的，故要送至串串行读出的，故要送至串- -并

9、变换寄存器变换为并行数据，并变换寄存器变换为并行数据，再送至计算机再送至计算机(1)(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：一片或一组盘片固定在主轴：一片或一组盘片固定在主轴上，盘片不可更换，盘片上，盘片不可更换，盘片每面只有一个磁头每面只有一个磁头，存取数据时磁头，存取数据时磁头沿盘面径向移动沿盘面径向移动(2)(2)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：盘片可更换，磁头可沿盘面：盘片可更换，磁头可沿盘面径向移动；盘片可脱机保存，同种型号的盘片可互换径向移动；盘片可脱机保存，同种型号的盘片可互换(3)(3)固定磁头磁盘机固定磁头磁盘机：磁头位置固定，：磁头

10、位置固定，每一个磁道对应一个磁头每一个磁道对应一个磁头，盘片不可更换；存取速度快，但结构复杂盘片不可更换；存取速度快，但结构复杂 p温彻斯特磁盘机温彻斯特磁盘机：简称：简称温盘温盘，是一种采用先进技术研制的，是一种采用先进技术研制的可移可移动磁头固定盘片动磁头固定盘片的磁盘机，是一种的磁盘机，是一种密封组合式密封组合式的硬磁盘，工作的硬磁盘，工作时，高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头平稳浮起；防尘性能时，高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头平稳浮起；防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高好，可靠性高，对使用环境要求不高常见温盘的直径：常见温盘的直径：5.255.25、3.53.5、2.52.5、1

11、.751.75英寸等英寸等硬磁盘机的分类硬磁盘机的分类硬磁盘硬磁盘按盘片结构可分成按盘片结构可分成可换盘片式与固定盘片式可换盘片式与固定盘片式两种两种磁头也分为磁头也分为可移动磁头和固定磁头可移动磁头和固定磁头两种两种1. 1.磁盘驱动器磁盘驱动器 各磁盘驱动器各磁盘驱动器的基本结构相同，主要由的基本结构相同，主要由定位驱动系统、主轴定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统系统和数据转换系统组成组成2.2.磁盘控制器磁盘控制器 磁盘控制器磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口；由于磁盘存储是主机与磁盘驱动器之间的接口；由于磁盘存储器是高速外存设备，故与主机之间采用成批交换数据方式器是高速外存设备，

12、故与主机之间采用成批交换数据方式磁盘控制器有两个方面的接口：磁盘控制器有两个方面的接口：系统级接口系统级接口与主机的接口，控制外存与主机总线交换数据与主机的接口，控制外存与主机总线交换数据设备级接口设备级接口与设备的接口，根据主机命令控制设备的操作与设备的接口，根据主机命令控制设备的操作主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑图主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑图7.2.3 磁盘驱动器和控制器磁盘驱动器和控制器磁盘上的信息经读磁头读出以后送读出放大器，然后进行数据与磁盘上的信息经读磁头读出以后送读出放大器，然后进行数据与时钟的分离，再进行串时钟的分离，再进行串- -并变换、格式变换，最后送入数据缓冲

13、并变换、格式变换，最后送入数据缓冲器，经器，经DMA(DMA(直接存储器传送直接存储器传送) )控制将数据传送到主机总线控制将数据传送到主机总线磁盘控制器的功能全部转移到设备中，主机与设备之间采用磁盘控制器的功能全部转移到设备中，主机与设备之间采用标准的通用接口，如标准的通用接口，如SCSISCSI接口，从而使设备相对独立接口，从而使设备相对独立记录面记录面磁盘片表面磁盘片表面磁道磁道记录面上一系列同心圆；每个磁道又分若干个记录面上一系列同心圆；每个磁道又分若干个扇区扇区磁道的编址磁道的编址是是从外向内从外向内依次编号，最外一个同心圆叫依次编号，最外一个同心圆叫0 0磁道磁道，最里面的一个同心

14、圆叫最里面的一个同心圆叫n n磁道，磁道，n n磁道里面的圆面积并不用来记磁道里面的圆面积并不用来记录信息；扇区可以连续编号，也可间隔编号录信息；扇区可以连续编号，也可间隔编号磁盘地址磁盘地址记录面的面号、记录面的面号、n n磁道、磁道、mm扇区扇区例如对活动头磁盘组来说，磁盘地址是由例如对活动头磁盘组来说，磁盘地址是由记录面号记录面号( (也称磁头号也称磁头号) )、磁道号和扇区号磁道号和扇区号三部分组成三部分组成读读/ /写操作写操作以扇区为单位以扇区为单位一位一位一位一位串行串行进行；每一个扇进行；每一个扇区记录一个区记录一个定长定长的记录块的记录块数据在磁盘上的记录格式数据在磁盘上的记

15、录格式7.2.4 磁盘上信息的分布磁盘上信息的分布每个扇区开始时由磁盘控制器产生一个每个扇区开始时由磁盘控制器产生一个扇标扇标脉冲，两个扇标脉冲脉冲，两个扇标脉冲之间的一段磁道区域为一个之间的一段磁道区域为一个扇区扇区( (一个记录块一个记录块) )每个记录块由每个记录块由头部空白段、序标段、数据段、校验字段头部空白段、序标段、数据段、校验字段及及尾部空尾部空白段白段组成组成各段的作用各段的作用磁盘上的数据格式磁盘上的数据格式1. 1. 存储密度存储密度：分道密度、位密度和面密度：分道密度、位密度和面密度道密度道密度沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数；道沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数；道/ /

16、英寸英寸位密度位密度磁道单位长度上能记录的二进制代码位数；位磁道单位长度上能记录的二进制代码位数；位/ /英寸英寸面密度面密度位密度和道密度的乘积；位位密度和道密度的乘积；位/ /平方英寸平方英寸2. 2. 存储容量存储容量：一个磁盘存储器所能存储的字节总数：一个磁盘存储器所能存储的字节总数分为格式化容量和非格式化容量分为格式化容量和非格式化容量格式化容量格式化容量按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是用户可以真正使用的容量也就是用户可以真正使用的容量非格式化容量非格式化容量磁记录表面可以利用的磁化单元总数磁记录表面可以利用的磁化单元总数格式

17、化容量一般是非格式化容量的格式化容量一般是非格式化容量的60%60%70%70%7.2.5 磁盘存储器的技术指标磁盘存储器的技术指标3. 3. 平均存取时间平均存取时间：存取时间存取时间：从发出读写命令，磁头从某一起始位置移动至新的记：从发出读写命令，磁头从某一起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息加上传送数据所录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息加上传送数据所需的时间需的时间它与三个因素有关：它与三个因素有关：找道时间找道时间等待时间等待时间数据传送时间数据传送时间找道时间和等待时间是随机变化的，找道时间和等待时间是随机变化的， 因此往往用平均值来表示因此往往用平均值来

18、表示平均等待时间平均等待时间与磁盘转速有关，常取与磁盘转速有关，常取磁盘旋转一周的时间的一半磁盘旋转一周的时间的一半平均存取时间平均存取时间其中，其中，n n是磁盘旋转速率；是磁盘旋转速率；b b是传送的字节数；是传送的字节数；NN是每磁道字节数是每磁道字节数4. 4. 数据传输率数据传输率 单位时间内向主机传送数据的字节数；传输单位时间内向主机传送数据的字节数；传输率与存储设备和主机接口逻辑有关率与存储设备和主机接口逻辑有关从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为每秒从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为每秒n n转，每条磁道容量转，每条磁道容量为为NN个字节，则数据传输率个字节，则数据传输率Dr=n

19、NDr=nN( (字节字节/ /秒秒) )，也可以写成，也可以写成Dr=DDr=Dv v( (字节字节/ /秒秒) )，其中，其中D D为位密度，为位密度，v v为磁盘旋转的线速度为磁盘旋转的线速度nNbnTTsa21【例例1 1】磁盘组有磁盘组有6 6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用。存储区域内径面不用。存储区域内径22cm 22cm ，外径，外径33cm33cm，道密度为，道密度为4040道道/cm/cm，内层位密度内层位密度400400位位/cm/cm，转速，转速60006000转转/ /分。问：分。问：(1)(1)共有多少柱面共有多少柱

20、面? ? (2)(2)盘组总存储容量是多少盘组总存储容量是多少? ? (3)(3)数据传输率多少数据传输率多少? ? (4)(4)采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么? ?寻寻址命令中如何表示磁盘地址址命令中如何表示磁盘地址? ? (5)(5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上存储面上，还是记录在同一个柱面上? ? 解答解答(1)(2)(3)解答解答(4)(5)【解解】(1)(1)柱面数柱面数=每个盘面的磁道数每个盘面的磁道数=(=(

21、外直径外直径- -内直径内直径)/2)/2 道密度道密度=(33-22)/2=(33-22)/2 40=40=40405.5=2205.5=220，即有，即有220220个柱面个柱面(2)(2)内层磁道周长为内层磁道周长为2R=22R=23.143.1411=69.08(cm)11=69.08(cm) 每道信息量每道信息量=400=400位位/cm/cm69.08cm=2763269.08cm=27632位位=3454B=3454B 每面信息量每面信息量=3454B=3454B220=759880B220=759880B 盘组总容量盘组总容量=759880B759880B10=7598800B

22、10=7598800B(3)(3)磁盘数据传输率磁盘数据传输率Dr=nNDr=nN，NN为每条磁道容量，为每条磁道容量， N=3454BN=3454B，n n为磁盘转速，为磁盘转速，n=6000n=6000转转/60/60秒秒=100=100转转/ /秒秒 Dr=nN=100Dr=nN=1003454B=345400B/s3454B=345400B/s题目题目(4)(4)采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录块采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录块( (一一个扇区个扇区) )，每个记录块记录固定字节数目的信息，在定长记录的，每个记录块记录固定字节数目的信息，在定长记录的数

23、据块中，活动头磁盘组的编址方式可用如下格式：数据块中，活动头磁盘组的编址方式可用如下格式： 此地址格式表示有此地址格式表示有4 4台磁盘，每台有台磁盘，每台有1616个记录面，每面有个记录面，每面有256256个个磁道，每道有磁道，每道有1616个扇区个扇区 (5)(5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个柱面上，因为柱面上，因为不需要重新找道不需要重新找道，数据读，数据读/ /写速度快写速度快题目题目17 1615 87 43 0台号台号柱面柱面(磁道磁道)号号盘面盘面(磁头磁头)号号扇区号扇区号n例：例：某磁盘存储器转速为

24、某磁盘存储器转速为3000转转/分，共有分，共有4个记录盘面，个记录盘面，5道道/mm，每，每道记录信息道记录信息12 288字节，最小磁道直径为字节，最小磁道直径为230mm，共有，共有275道，求：道，求：(1) 磁盘存储器的存储容量磁盘存储器的存储容量 (2) 最高位密度最高位密度(最小磁道的位密度最小磁道的位密度)和最低位密和最低位密度度 (3) 磁盘数据传输率磁盘数据传输率 (4) 平均等待时间平均等待时间(5) 给出一个磁盘地址格式方案给出一个磁盘地址格式方案(设每个扇区存储设每个扇区存储512个字节个字节)【解解】(1) 存储容量存储容量为：为：12288字节字节/道道 275道

25、道 4面面=13 516 800字节字节(2) 最高位密度最高位密度：最大直径为：最大直径为：230+275/5 2=340mm最低位密度最低位密度：12288 8位位/(340mm) 92位位/mm(3) 转速转速3000转转/分分=50转转/s，数据传输率数据传输率：12288B 50=614400B/s(4) 平均等待时间平均等待时间：1/50/2=0.01s=10ms(5) 磁盘地址由记录面号、磁道号和扇区号磁盘地址由记录面号、磁道号和扇区号3部分构成部分构成其中其中4个记录面，故记录面号占个记录面，故记录面号占2位；位；275个磁道，磁道号占个磁道，磁道号占9位；每个磁道位；每个磁道

26、所含的扇区数为所含的扇区数为12288/512=24，故扇区号占，故扇区号占5位位由此，磁道的地址可采用下面的格式：由此，磁道的地址可采用下面的格式：mmmmB位1361723012288d1228815 1413 54 0记录面号记录面号磁道号磁道号扇区号扇区号7.3 磁盘存储设备的技术发展磁盘存储设备的技术发展7.3.1 7.3.1 磁盘磁盘CacheCache 1. 1. 磁盘磁盘CacheCache的概念的概念 减少对磁盘存储器的存取时间的减少对磁盘存储器的存取时间的措施措施：提高提高磁盘机主轴转速磁盘机主轴转速；提高；提高I/OI/O总线速度总线速度；采用；采用磁盘磁盘cacheca

27、che等等设置设置磁盘磁盘cachecache的目的的目的：弥补慢速磁盘和主存之间的速度差异：弥补慢速磁盘和主存之间的速度差异2.2.磁盘磁盘CacheCache的原理的原理cachecache行：行：由一些数据块组成的一个基本单位由一些数据块组成的一个基本单位访问过程：访问过程：命中及不命中时的读出操作、写入操作命中及不命中时的读出操作、写入操作实现的原理：实现的原理：被访问数据的空间局部性和时间局部性被访问数据的空间局部性和时间局部性原理，目原理，目前大多数磁盘驱动器中都使用了前大多数磁盘驱动器中都使用了预读策略预读策略与与CPUCPU的的CacheCache的不同：的不同：一次存取的数量

28、大，数据集中，速度要一次存取的数量大，数据集中，速度要求较求较CPUCPU的的cachecache低，管理工作较复杂，因此一般由低，管理工作较复杂，因此一般由硬件和软件硬件和软件共同完成共同完成；其中；其中cachecache采用采用SRAMSRAM或或DRAMDRAM目录目录多台磁盘存储器组成的大容量外存系统多台磁盘存储器组成的大容量外存系统构造基础：构造基础：数据分块技术数据分块技术和和并行处理技术并行处理技术；可实现数据的；可实现数据的并并行存储、交叉存储、单独存储行存储、交叉存储、单独存储；一旦系统中某一磁盘失效，还；一旦系统中某一磁盘失效，还可利用冗余信息重建用户信息可利用冗余信息重

29、建用户信息RAIDRAID标准标准：按应用需求：按应用需求( (存储容量、可靠性、数据传输能力、存储容量、可靠性、数据传输能力、I/OI/O请求速率请求速率等等) )不同，分为不同，分为7 7级级(RAID 0(RAID 0RAID 6)RAID 6)举例：举例：RAID 0RAID 0级级用于高速数据传输和高速用于高速数据传输和高速I/OI/O请求请求lRAID 0RAID 0低成本比可靠性更重要，低成本比可靠性更重要，未采用奇偶校验等冗余技术未采用奇偶校验等冗余技术l用户和系统数据分布在阵列中的所有磁盘上用户和系统数据分布在阵列中的所有磁盘上l与单个大容量磁盘相比的与单个大容量磁盘相比的优

30、点优点：若两个：若两个I/OI/O请求正在等待不同请求正在等待不同的数据块，则被请求的块可能在不同的盘上的数据块，则被请求的块可能在不同的盘上两个请求能并两个请求能并行发出，减少行发出，减少I/OI/O排队的时间排队的时间7.3.2 磁盘阵列磁盘阵列RAID(廉价冗余磁盘阵列廉价冗余磁盘阵列Redundant Array of Inexpensive Disks)RAID 0RAID 0级阵列的数据映射级阵列的数据映射逻辑条带、物理条带、条带集逻辑条带、物理条带、条带集数据条带在阵列磁盘中的数据条带在阵列磁盘中的分布方式及其优点分布方式及其优点负责负责逻辑逻辑磁盘和物磁盘和物理磁盘间理磁盘间的

31、映射的映射(1) (1) 软磁盘驱动器软磁盘驱动器盘片有柔软的聚酯材料组成；磁头盘片有柔软的聚酯材料组成；磁头接触式读写接触式读写( (速度慢速度慢) )目前的软盘直径为目前的软盘直径为3.53.5英寸，英寸，300300转转/ /分，容量为分，容量为1.44MB1.44MB(2) ZIP(2) ZIP和和JAZJAZ磁盘驱动器磁盘驱动器ZIPZIP是高容量软盘，磁头是高容量软盘，磁头非接触非接触，速度快转速达，速度快转速达30003000转转/ /分，容分，容量大量大250MB250MBJAZJAZ介于软盘和硬盘之间，容量达介于软盘和硬盘之间，容量达1GB1GB或或2GB2GB，盘片价格昂贵

32、，盘片价格昂贵(3) (3) 可移动硬盘驱动器可移动硬盘驱动器容量达容量达80G80G 250GB250GB7.3.3 可移动存储设备可移动存储设备 7.4 磁带存储设备磁带存储设备(不讲不讲)n磁带机的磁带机的记录原理与磁盘机基本相同记录原理与磁盘机基本相同，只是它的载磁体是一种，只是它的载磁体是一种带状塑料带状塑料n写入写入：通过磁头把信息代码记录在磁带上：通过磁头把信息代码记录在磁带上n读出读出：当记录有代码的磁带在磁头下移动时，就可在磁头线圈：当记录有代码的磁带在磁头下移动时，就可在磁头线圈上感应出电动势上感应出电动势n磁带存储设备磁带存储设备由磁带机和磁带组成由磁带机和磁带组成，它通

33、常用作为，它通常用作为海量存储设海量存储设备备的数据备份的数据备份n磁带上的数据采用磁带上的数据采用顺序访问顺序访问方式方式速度比磁盘慢速度比磁盘慢目录目录7.5 光盘和磁光盘存储设备光盘和磁光盘存储设备7.5.1 7.5.1 光盘存储设备光盘存储设备 CD-ROMCD-ROM光盘光盘只读型光盘系统的只读型光盘系统的原理原理：光盘上的信息以坑点形式分布，：光盘上的信息以坑点形式分布，有坑点表示有坑点表示“1 1”，无坑点表示，无坑点表示“0 0” ；读出时，当激光束聚；读出时，当激光束聚焦点照射在凹坑上时将发生衍射，反射率低，根据反射光焦点照射在凹坑上时将发生衍射，反射率低，根据反射光的光强变

34、化并进行光电转换，即可读出记录信息的光强变化并进行光电转换，即可读出记录信息光道：光道：信息记录的轨迹信息记录的轨迹扇区：扇区：光盘的光盘的最小寻址单位最小寻址单位，光道分为若干扇区，光道分为若干扇区【例例6 6】CD-ROMCD-ROM光盘的外缘有光盘的外缘有5mm5mm宽的范围因记录数据困难，宽的范围因记录数据困难，一般不使用，故标准的播放时一般不使用，故标准的播放时 间为间为6060分钟。计算模式分钟。计算模式1 1和和模式模式2 2情况下光盘存储容量是多少情况下光盘存储容量是多少? ?目录目录CD-ROM盘片存储机理盘片存储机理扇区的结构扇区的结构同步同步(SYNC)区：区：标志扇区的

35、开始，标志扇区的开始，2个全个全0字节和字节和10个全个全1字节字节组成组成扇区标识扇区标识(ID)区：区：说明此扇区的地址和工作模式，说明此扇区的地址和工作模式，4字节字节l光盘扇区的光盘扇区的地址编码地址编码：以分：以分(MN)、秒、秒(SC)和分数秒和分数秒(FR，1/75s)时间值作为地址，由于光盘的时间值作为地址，由于光盘的恒定线速度恒定线速度是每秒钟读出是每秒钟读出75个扇个扇区，故区，故FR的值实际上就是秒内的扇区号的值实际上就是秒内的扇区号(0 74)lMD：模式控制，控制数据区和校验区的使用，有三种模式：模式控制，控制数据区和校验区的使用，有三种模式分为分为4个区域个区域MD

36、控制的三种模式控制的三种模式模式模式0 0：数据区和校验区的全部数据区和校验区的全部23362336个字节都是个字节都是0 0，这种扇区不，这种扇区不用于记录数据，用作光盘的导入区和导出区用于记录数据，用作光盘的导入区和导出区模式模式1 1：288288字节的校验区为字节的校验区为4 4字节的检测码字节的检测码(EDC)(EDC)、8 8字节的保字节的保留域留域( (未定义未定义) )和和276276字节的纠错码字节的纠错码(ECC)(ECC)，这种扇区模式有，这种扇区模式有20482048字节的数据并有很强的检测和纠错能力，适合于保存计算机的字节的数据并有很强的检测和纠错能力，适合于保存计算

37、机的程序和数据程序和数据模式模式2 2：288288字节的检验区也用于存放数据，用于保存声音、图字节的检验区也用于存放数据，用于保存声音、图像等对误码率要求不高的数据像等对误码率要求不高的数据 【解解】 扇区总数扇区总数=60=60606075=270000(75=270000(扇区扇区) ) 模式模式1 1存放存放计算机程序和数据计算机程序和数据，其存储容量为，其存储容量为2700002700002048=527MB 2048=527MB 模式模式2 2存放存放声音、图像等多媒体数据声音、图像等多媒体数据，其存储容量为，其存储容量为2700002700002336=601MB2336=601

38、MBWORM、CD-R光盘光盘WORM一次写多次读一次写多次读CD-R：是是WORM的一种；允许多次分段写数据的一种；允许多次分段写数据CD-RW光盘光盘可重复写可重复写DVD-ROM光盘光盘全称数字化视频光盘，后演变成全称数字化视频光盘，后演变成数字化通用光盘数字化通用光盘的简称的简称与与CD-ROM的的区别区别：凹陷区的大小相对更小些，使存储信息：凹陷区的大小相对更小些，使存储信息总量更大；双面可写，有的甚至多层可写总量更大；双面可写，有的甚至多层可写磁光磁光 (MO(MOMagnet Optical)Magnet Optical)盘：磁场技术和激光技术相结合盘：磁场技术和激光技术相结合由

39、磁道和扇区组成，可随机写入、擦除或重写信息由磁道和扇区组成，可随机写入、擦除或重写信息与纯磁盘的与纯磁盘的基本区别基本区别：磁表面需要高温来改变磁极，因此在常：磁表面需要高温来改变磁极，因此在常温下是稳定的，数据不会改变温下是稳定的，数据不会改变基本基本工作原理工作原理：l写入数据：写入数据：利用利用热磁效应热磁效应，当激光束将磁光介质上的记录点加，当激光束将磁光介质上的记录点加热到热到居里点温度居里点温度以上时，外加磁场作用改变记录点的磁化方向，以上时，外加磁场作用改变记录点的磁化方向，而不同的磁化方向可表示数字而不同的磁化方向可表示数字“0 0”和和“1 1”l读出数据：读出数据：利用利用

40、磁光克尔效应，磁光克尔效应，当激光束照射到记录点时，记当激光束照射到记录点时，记录点的磁化方向不同，会引起反射光的偏振面发生不同结果，录点的磁化方向不同，会引起反射光的偏振面发生不同结果，从而检测出所记录的数据从而检测出所记录的数据“1 1”或或“0 0”7.5.2 磁光盘存储设备磁光盘存储设备 磁光盘操作的四种情况：磁光盘操作的四种情况：图图(a)(a)表示未编码的磁盘，例如所有磁化点均存表示未编码的磁盘，例如所有磁化点均存“0 0”。图图(b)(b)表示写操作：高功率激光束照射加热点表示写操作：高功率激光束照射加热点（记录点），磁头线圈中外加电流后产生的磁（记录点），磁头线圈中外加电流后产

41、生的磁场使其对应的记录点产生相反的磁性微粒，从场使其对应的记录点产生相反的磁性微粒，从而写入而写入“1 1”。图图(c)(c)表示读操作：低功率的激光束反射掉相反表示读操作：低功率的激光束反射掉相反极性的磁性粒子且使它的极性变化。如果这些极性的磁性粒子且使它的极性变化。如果这些粒子没有被反射掉，则反射激光束的极性是不粒子没有被反射掉，则反射激光束的极性是不变化的。变化的。图图(d)(d)表示擦除操作：高功率激光束照射记表示擦除操作：高功率激光束照射记录点，外加磁场改变方向，使磁性粒子恢复录点，外加磁场改变方向，使磁性粒子恢复到原始极性。到原始极性。结论：结论：MOMO盘盘介质材料发介质材料发生

42、的物理特生的物理特性改变是可性改变是可逆变化，因逆变化，因此信息可重此信息可重写写7.6 显示设备显示设备7.6.1 7.6.1 显示设备的分类与有关概念显示设备的分类与有关概念 显示设备显示设备以可见光的形式传递和处理信息以可见光的形式传递和处理信息显示设备的分类显示设备的分类 (1) (1) 按显示设备所用的按显示设备所用的显示器件显示器件分类：阴极射线管分类：阴极射线管(CRT)(CRT)显示器、显示器、液晶显示器液晶显示器(LCD)(LCD)、等离子显示器等、等离子显示器等(2) (2) 按所显示的按所显示的信息内容信息内容分类：字符分类：字符/ /图形显示器、图像显示器图形显示器、图

43、像显示器CRTCRT显示设备的分类显示设备的分类按按扫描方式扫描方式分类：光栅扫描和随机扫描分类：光栅扫描和随机扫描按按分辨率分辨率分类：高分辨率显示器和低分辨率显示器分类：高分辨率显示器和低分辨率显示器按显示的按显示的颜色颜色分类：单色分类：单色( (黑白黑白) )显示器和彩色显示器显示器和彩色显示器按荧光屏按荧光屏对角线长度对角线长度：1212英寸、英寸、1414英寸、英寸、1616英寸、英寸、1919英寸等英寸等目录目录1. 1.分辨率和灰度级分辨率和灰度级分辨率：分辨率：显示器所能表示的像素个数；像素越密，分辨率越显示器所能表示的像素个数；像素越密，分辨率越高，图像越清晰高，图像越清晰

44、影响分辨率影响分辨率的因素：显象管的因素：显象管荧光粉的粒度荧光粉的粒度、荧光屏的尺寸荧光屏的尺寸和和CRTCRT电子束的电子束的聚焦能力聚焦能力灰度级：灰度级：黑白显示器中所显示像素点的黑白显示器中所显示像素点的亮暗差别亮暗差别；彩色显示；彩色显示器中表现为器中表现为颜色的差别颜色的差别；灰度级越多，图像层次越清楚逼真；灰度级越多，图像层次越清楚逼真 影响灰度级影响灰度级的因素的因素: : 每个像素对应每个像素对应刷新存储器单元的位数刷新存储器单元的位数、CRTCRT本身的性能本身的性能单色显示器单色显示器；多灰度级多灰度级黑白显示器；图像显示器的灰度级一般黑白显示器；图像显示器的灰度级一般

45、在在256256级以上级以上2.2.刷新和刷新存储器刷新和刷新存储器刷新刷新：为了使人眼能看到稳定的图像显示，：为了使人眼能看到稳定的图像显示，使电子束不断使电子束不断地重复扫描整个屏幕地重复扫描整个屏幕的过程的过程刷新频率刷新频率：刷新频率：刷新频率大于大于3030次次/ /秒秒才不会感到闪烁；显示才不会感到闪烁；显示设备中通常选用电视中的标准，每秒刷新设备中通常选用电视中的标准，每秒刷新5050帧图像帧图像刷新存储器刷新存储器( (视频存储器视频存储器) )：为了不断提供刷新图像的信号，：为了不断提供刷新图像的信号，用于用于存储一帧图像信息存储一帧图像信息的存储器的存储器刷新存储器的刷新存

46、储器的重要技术指标：重要技术指标：容量容量：由：由图像分辨率和灰度级决定图像分辨率和灰度级决定，M=rM=r C C例如：一个容量为例如：一个容量为1MB1MB的刷新存储器，在用于分辨率为的刷新存储器，在用于分辨率为1024102410241024的显示器时，其颜色深度只可能有的显示器时，其颜色深度只可能有256256色色(1)(1) 存取周期存取周期：必须满足刷新频率的要求：必须满足刷新频率的要求1. 1.字符显示字符显示字符的字符的显示方法显示方法：以：以mmn n点阵点阵为基础构造字符为基础构造字符点阵信息的点阵信息的存储存储：按行存入由：按行存入由ROMROM构成的字符发生器中构成的字

47、符发生器中(3) (3) 字符的字符的显示过程显示过程：在：在CRTCRT进行光栅扫描的过程中，从字符发进行光栅扫描的过程中，从字符发生器中依次读出某个字符的点阵，按照点阵中生器中依次读出某个字符的点阵，按照点阵中0 0和和1 1代码不代码不同控制扫描电子束的关或开，从而在屏幕上显示出字符同控制扫描电子束的关或开，从而在屏幕上显示出字符(4) (4) 点阵的点阵的结构结构：点阵的多少取决于显示字符的质量和字符窗：点阵的多少取决于显示字符的质量和字符窗口的大小口的大小字符窗口字符窗口每个字符在屏幕上所占的点数，包括字符显示点每个字符在屏幕上所占的点数，包括字符显示点阵和字符间隔阵和字符间隔7.6

48、.2字符字符/图形显示器图形显示器7 79 9点阵结构点阵结构(5) (5) 字符字符显示原理显示原理 字符信息的存储字符信息的存储：每个字符窗口要显示字符的：每个字符窗口要显示字符的ASCIIASCII代码被存代码被存放在视频存储器放在视频存储器VRAMVRAM中，以备刷新中，以备刷新如：如：2525行行8080列的显示器，列的显示器，VRAMVRAM至少应有至少应有20002000个单元存放被显个单元存放被显示的字符信息示的字符信息 字符发生器字符发生器ROMROM的寻址的寻址：高位地址来自：高位地址来自VRAMVRAM的的ASCIIASCII代码；代码；低位地址来自光栅地址计数器的输出低

49、位地址来自光栅地址计数器的输出RARA3 3RARA0 0，它指向这个，它指向这个字形点阵中的某个字节字形点阵中的某个字节 显示一个字符的过程显示一个字符的过程：按照：按照VRAMVRAM中的中的ASCIIASCII码和光栅地址计码和光栅地址计数器访问数器访问ROMROM，依次取出字形点阵，即可显示一个字符，依次取出字形点阵，即可显示一个字符2.2.图形显示图形显示根据产生图形的方法不同，分为两种：根据产生图形的方法不同，分为两种：(1)(1)随机扫描图形显示器随机扫描图形显示器 将所显示图形的一组将所显示图形的一组坐标点坐标点和和绘图命令绘图命令组成组成显示文件显示文件存放存放于缓冲存储器，

50、该显示文件控制于缓冲存储器，该显示文件控制矢量矢量( (线段线段) )产生器产生器产生相应的产生相应的模拟电压，直接控制电子束在屏幕上的移动模拟电压，直接控制电子束在屏幕上的移动特点：特点：分辨率高分辨率高( (可达可达4096409640964096个像素个像素) )，显示的曲线平滑；，显示的曲线平滑；但显示复杂图形时，会有闪烁感但显示复杂图形时，会有闪烁感 (2)(2)光栅扫描图形显示器光栅扫描图形显示器 用用相邻像素串接法相邻像素串接法产生图形，即曲线由相邻像素串接而成产生图形，即曲线由相邻像素串接而成显示原理：显示原理：存储屏幕上每个像素的信息，然后按地址顺序逐个存储屏幕上每个像素的信

51、息，然后按地址顺序逐个地刷新显示在屏幕上地刷新显示在屏幕上特点：特点：通用性强，灰度层次多，显示复杂图形无闪烁；产生的通用性强，灰度层次多，显示复杂图形无闪烁；产生的图形有阴影效应、隐藏面消除、涂色等功能图形有阴影效应、隐藏面消除、涂色等功能【例例3 3】IBM PCIBM PC机汉字显示原理图如下，请分析此原理图并进机汉字显示原理图如下，请分析此原理图并进行文字说明。行文字说明。【解解】在在IBM PCIBM PC系列微型计算机系统中，汉字输出是利用通用显系列微型计算机系统中，汉字输出是利用通用显示器和打印机示器和打印机 ，在主机内部由，在主机内部由通用的图形显示卡形成点阵码通用的图形显示卡

52、形成点阵码以以后，将点阵码送到输出设备，输出设备只要具有输出点阵的能后，将点阵码送到输出设备，输出设备只要具有输出点阵的能力就可以输出汉字。以这种方式输出的汉字是在设备可以画点力就可以输出汉字。以这种方式输出的汉字是在设备可以画点的图形方式下实现的，因此常称这种汉字为的图形方式下实现的，因此常称这种汉字为图形汉字图形汉字如图如图7.167.16所示，通过键盘输入的汉字编码，首先要经代码所示，通过键盘输入的汉字编码，首先要经代码转换程序转换成转换程序转换成汉字机内代码汉字机内代码，转换时要用输入码到码表中检，转换时要用输入码到码表中检索机内码，得到两个字节的机内码，字形检索程序索机内码，得到两个

53、字节的机内码，字形检索程序用机内码检用机内码检索字模库索字模库，查出表示一个字形的，查出表示一个字形的3232个字节字形点阵个字节字形点阵送显示输出送显示输出主观图像主观图像( (图形图形) )：用计算机表示和生成的图，只需存储绘图命令：用计算机表示和生成的图，只需存储绘图命令和坐标点，没有必要存储每个像素点和坐标点，没有必要存储每个像素点客观图像客观图像( (图像图像) )：处理的对象是由摄像机摄取下来存入计算机的：处理的对象是由摄像机摄取下来存入计算机的数字图像，数字化后逐点存储，占用非常庞大的主存空间数字图像，数字化后逐点存储，占用非常庞大的主存空间图像显示器有两种类型：图像显示器有两种

54、类型：1. 1.简单图像显示器简单图像显示器 不做任何处理，仅仅显示由计算机送来的数字图像；图像不做任何处理，仅仅显示由计算机送来的数字图像；图像处理操作在计算机中完成处理操作在计算机中完成2.2.图形处理子系统图形处理子系统 是是具有并行处理功能的专用计算机具有并行处理功能的专用计算机，内部有，内部有大容量存储器大容量存储器和高速处理器和高速处理器，不仅能完成显示，还可，不仅能完成显示，还可快速执行许多图像处理快速执行许多图像处理算法算法；图形工作站图形工作站属于图形处理子系统属于图形处理子系统7.6.3 图像显示设备图像显示设备 图像输入控制板图像输入控制板( (视频数字化仪视频数字化仪)

55、 )组成：组成： I/O I/O接口、图像存储器接口、图像存储器( (刷新存储器刷新存储器) )、A/DA/D与与D/AD/A变换变换图像输入控制板功能：图像输入控制板功能：实现连续的视频信号与离散的数字量之实现连续的视频信号与离散的数字量之间的转换间的转换；接收摄像机模拟视频输入信号，经；接收摄像机模拟视频输入信号，经A/DA/D变换为数字变换为数字量存入刷新存储器用于显示，并可传送到计算机进行图像处理；量存入刷新存储器用于显示，并可传送到计算机进行图像处理；处理后的结果送回刷存，经处理后的结果送回刷存，经D/AD/A变换成模拟视频输出，由监视变换成模拟视频输出，由监视器显示输出器显示输出监

56、视器：监视器：只含只含扫描、视频放大等扫描、视频放大等与显示有关的电路及显像管与显示有关的电路及显像管1. 1.显示标准显示标准PCPC机采用的显示标准经历的变化：机采用的显示标准经历的变化：MDA CGA EGA VGA SuperVGAMDA CGA EGA VGA SuperVGAMDA(Monochrome Display Adapter)MDA(Monochrome Display Adapter)单色字符显示适单色字符显示适配器，配器，9 91414点阵的字符窗口，点阵的字符窗口， 满屏显示满屏显示8080列列2525行字符，分行字符，分辨率为辨率为720720350350个像素个

57、像素CGA (Color Graphics Adapter)CGA (Color Graphics Adapter)彩色图形彩色图形/ /字符显示适配字符显示适配器，兼容字符和图形两种显示方式；图形方式下，可显示器，兼容字符和图形两种显示方式；图形方式下，可显示320320200200像素四种颜色的彩色图形像素四种颜色的彩色图形EGA(Enhanced Graphics Adapter)EGA(Enhanced Graphics Adapter)兼容兼容CGACGA和和MDAMDA各各种显示方式，图形方式下分辨率种显示方式，图形方式下分辨率640640350350，1616种颜色种颜色VGA(

58、Video Graphics Array)VGA(Video Graphics Array)字符窗口字符窗口9 91616点阵，图形点阵，图形方式下分辨率方式下分辨率640640480480，1616种颜色，或种颜色，或320320200200， 256256种颜种颜色；扫描频率色；扫描频率( (水平同步水平同步)31.5kHz)31.5kHz，刷新频率，刷新频率( (垂直同步垂直同步)60Hz)60Hz；还增添了一个新接口还增添了一个新接口VFCVFC，允许来自其他设备的图形、图像信，允许来自其他设备的图形、图像信号与适配器生成的图形信号合成号与适配器生成的图形信号合成 7.6.4 VESA

59、显示标准显示标准Super VGASuper VGA模式模式VESA(VESA(美国视频电子标准协会美国视频电子标准协会) )定义的定义的VGAVGA扩展集，将显示方式标准化；该模式除兼容扩展集，将显示方式标准化；该模式除兼容VGAVGA的显示方的显示方式外，式外， 还支持还支持1280128010241024像素光栅，每像素点像素光栅，每像素点2424位颜色深度，位颜色深度，刷新频率可达刷新频率可达75MHz75MHz2.VESA2.VESA(Video(Video Electronics Standard Association)Electronics Standard Associati

60、on)显示模式显示模式表表7.17.1 列出了列出了VESAVESA扩充的标准显示模式扩充的标准显示模式nMDAMDA，CGACGA，EGAEGA的显示方式由的显示方式由BIOSBIOS的一组功能调用的一组功能调用(INT 10h)(INT 10h)来设置和管理，使用来设置和管理，使用7 7位的方式码位的方式码nVESAVESA保留了这种方式，将保留了这种方式，将VGAVGA类显示器及适配器所能支持的新类显示器及适配器所能支持的新的显示方式进行定义，并为新的显示方式指定了的显示方式进行定义，并为新的显示方式指定了1515位的方式码，位的方式码，方式码的方式码的b b8 8位为位为VESAVES