计算机组成课件

计算机组成原理第7章外部设备主要内容7.1磁介质存储器的基本原理7.2硬盘存储器相关参数计算7.3光盘存储器的原理7.4键盘的基本原理7.5显示器的基本原理什么是外部设备？中央处理器（CPU）和主存储器（MM）构成计算机的主机。除主机以外，而又围绕着主机而设置的各种硬件装置叫做外部设备或外围设备分类：辅助存储器输入输出设备1.磁表面存储器的读写原理在读写过程中，记录介质与磁头之间做相对运动。（1）写入过程在写磁头线圈中通以一定方向的写电流，于是在磁头下方的一个局部区域被磁化，形成一个磁化单元或称记录单元。当这部分介质移出磁头作用区后，仍将留下足够强的剩磁。在写磁头中通以不同方向的写电流，就会产生两种不同的剩磁状态，正好对应二进制信息的“1”和“0”。（

2）读出过程读出时，读出线圈不外加电流。当某一磁化单元运动到读磁头下方时，在读出线圈两端产生感应电动势e。不同的磁化状态感生电动势的方向不同。感应电动势e经放大、检波、限幅、整形和选通后，获得符合要求的信号。7.2硬盘存储器1.温彻斯特盘的特点：磁头、盘片、磁头定位机构、主轴，甚至连读/写驱动电路等都被密封在一个盘盒内，构成一个头－盘组合体，这个组合体不可随意拆卸，它的防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。属于移动头硬盘：每个盘面上只有一个读写头，当需要在不同磁道上读写时，要驱动读写臂沿盘面作径向移动。（找道时间）2.硬盘的基本结构硬盘驱动器内有多个盘片，它们被叠装在主轴上，构成一个盘组，每个盘片的两面都可用作记录面。磁头盘片磁头定位机构主轴读/写驱动电路0n3.硬盘的信息分布（1）记录面硬盘驱动器中可有多个盘片（数量为1~20片），每个盘片有两个记录面，每个记录面对应一个磁头。（2）磁道在记录面上，一条条磁道形成一组同心圆，最外圈的磁道为0号，往内则磁道号逐步增加。0n（3）圆柱面在一个盘组中，各记录面上相同编号（位置）的诸磁道构成一个圆柱面。例如，某驱动器有4片8面，则8个0号磁道构成0号圆柱面，8个1号磁道构成1号圆柱面，……。硬盘的圆柱面数等于一个记录面上的磁道数，圆柱面号即对应的磁道号。当主机要存入一个较长的文件时，若一条磁道存不完，就需要存放在几条磁道上。应将一个文件尽可能地存放在同一圆柱面中的不同磁道上。这是因为各记录面的磁头可同时定位，换道的时间仅是磁头选择电路的译码时间。4.传统硬盘驱动器的特点：每个磁道上记录的扇区数是相同的，因而存储的信息量也是相同的由于外圈磁道比内圈磁道更长一些，但存储的信息量却相同，所以外圈磁道上明显地存在着浪费。内圈磁道的位密度高，外圈磁道的位密度低每个磁道记录的信息量及转速是相同的，所以它们的数据传送率也是相同的。

5.寻址过程（1）定位（寻道）首先将磁头移至目的磁道。寻道时间：既取决于定位机构的运动速度，还取决于磁头当前所在磁道与目的磁道之间的距离。因此，对于用户的每一次调用，这是一个不定值。（2）寻找扇区当磁头定位到指定磁道上之后，所需寻找的起始扇区并不一定正好经过磁头下方，因此可能需要一段等待时间，称为旋转等待时间。对于用户的每一次调用，这也是一个不定值。平均等待时间：这个指标与盘片转速相关，它是盘片旋转半周的时间，即最长等待时间的一半。6.磁表面存储器的技术指标（1）记录密度道密度是指垂直于磁道方向上单位长度中的磁道数目，道密度的单位是道/英寸（TPI）或道/毫米（TPM）。位密度位密度又叫纵向密度，是指沿磁道方向上单位长度中所能记录的二进制信息的位数，位密度的单位为位/英寸（bpi）或位/毫米（bpm）。（2）存储容量是指磁表面存储器所能存储的二进制信息总量。一般用字节为单位。格式化容量：是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量。格式化容量=记录面数×每面的磁道数×每道扇区数×记录块的字节数非格式化容量：是指磁记录表面可以利用的磁化单元总数。非格式化容量=记录面数×每面的磁道数×磁道容量磁道容量＝最大位密度×最内圈磁道周长格式化容量一般约为非格式化容量的60%～70%

什么是格式化？新的磁盘在使用之前需先进行格式化，格式化实际上就是在磁盘上划分记录区，写入各种标志信息和地址信息，这些信息占用了磁盘的存储空间，故格式化之后的有效存储容量要小于非格式化容量。（3）平均存取时间当磁头接到读/写命令，从原来的位置移动到指定位置，并完成读/写操作的时间叫存取时间。存取时间主要包括：找道时间：磁头从原先位置移动到目的磁道所需要的时间等待时间：到达目的磁道以后，等待被访问的记录区旋转到磁头下方所需的时间。信息的读/写操作时间：可以忽略不计。磁盘存储器参数的计算示例：例：设有一个盘面直径为18in的磁盘组，有20个记录面，每面有5in的区域用于记录信息，记录密度为100道/in（TPI）和1000b/in（bpi），转速为2400r/min，道间移动时间为0.2ms，试计算该盘组的容量、数据传送率和平均存取时间。每一记录面的磁道数N为

N＝5in/面×100道/in＝500道/面最内圈磁道的周长为L=×(18-2×5)in=25.12in

以最内圈磁道的周长当作每条磁道的长度，故该盘组的存储容量（非格式化容量）为

C=1000b/in×25.12in/道×500道/面×20面=251.2×106b=31.4×106B

磁盘旋转一圈的时间为

t=1/2400(r/min)×60s/min=0.025s=25ms

数据传送率为

Dr=每一道的容量/旋转一圈的时间

=25120/25=1004.8b/ms=1.0048×106b/s=0.1256×106B/s=0.1256MB/s

平均存取时间为

Ta≈[(0+0.2*499)/2+(0+25)/2]ms≈60ms例：一台三个盘片的磁盘组，共有四个记录面，转速为7200转/分，盘面有效记录区的外径为30cm，内径为20cm，记录位密度为250bit/mm，磁道密度8道/mm,盘面分16个扇区，每扇区1024字节，设磁头移动速度为2m/s。求：1、计算盘组的非格式化容量和格式化容量。2、计算该磁盘的数据传输率、平均找道时间和平均等待时间。7.5光盘存储器1.分类：（1）CD-ROM光盘只读型光盘，它由生产厂家预先写入数据和程序，使用时用户只能读出，不能修改或写入新内容。这种光盘是以烧孔的形式记录信息的，在光盘的记录薄膜上有小孔表示记录“1”，无小孔表示记录“0”。（2）WORM光盘

WORM光盘可由用户写入信息，写入后可以多次读出，但只能写入一次，信息写入后将不能再修改，所以称为只写一次型光盘。（3）可读写式光盘这种光盘类似于磁盘，可重复读写。2.光盘的读写原理光盘采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息，以使介质材料的光学性质(如反射率、偏振方向)的变化来表示所存储信息的“1”或“0”。其记录原理有形变、相变和M-O存储等。（1）形变对于只读型和只写一次型光盘写入时，将激光束聚焦成直径为小于1μm的微小光点，以其热作用，融化盘表面上的光存储介质薄膜，在薄膜上形成小洞(凹坑)。有洞的位置表示记录了“1”，没有洞的位置表示“0”。读出时，在读出光束的照射下，在有凹坑处和无凹坑处反射的光强是不同的。利用这种差别，可以读出二进制信息。由于读出光束的功率只有写入光束功率的1／10，因此不会融出新的凹坑。（3）磁光(M-O)存储利用激光在磁性薄膜上产生热磁效应来记录信息，称为磁光存储。利用热磁效应写入数据：当激光束将磁光介质上的记录点加热到居里点温度以上时，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“0”和“1”

。利用读激光来照射到记录点时，记录点的磁化方向不同，会引起反射光的偏振方向不同，从而检测出所记录的数据“1”或“0”。图8.24磁光记录原理抹除信息：和记录信息的原理一样，外加一个和记录方向相反的磁场，对已记录信息的介质用激光束照射，使照射区反方向磁化，从而恢复到记录前的磁化状态。M-O驱动器读取信息是根据检测到的光的偏振方向，而不是亮度差。3.光盘存储器的组成光盘存储器由盘片、驱动器和控制器组成。驱动器有读／写头，寻道定位机构，主轴驱动机构等。除了机械电子机构以外，还有光学机构。光盘盘片的形状与磁盘盘片类似，但记录材料不一样。7.5键盘输入设备键盘上每个按键起一个开关的作用。1.键盘电路的作用：当用户按下一个键时能查出按下的是哪一个键并将该键的位置代码送主机。3.非编码键盘的工作原理键盘扫描方法非编码键盘的键一般排列成M行×N列的矩阵结构，每个按键位于行和列的交叉处。常用的键盘扫描方法有逐行扫描法和行列扫描法。逐行扫描法程序查询的步骤如下：①查询是否有键按下首先由CPU对行线的各位置“0”，然后CPU再从列线读入数据。若读入的数据为全“1”，表示无键按下；只要读入的数据中有一位不为“1”，表示有键按下，接着查按键的位置。输入寄存器输出寄存器CPU来去CPU+5VD0～D7X0X1X2X3X4X5X6X7Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7输出寄存器输入寄存器②查询已按下键的位置

a.查询已按下的键在哪一列哪一位列线为“0”，表示被按下的键就肯定在这一列中。

b.查询已按下的键在哪一行需要逐行进行扫描。CPU首先使X0=0，X1～X7为全“1”，读入Y0～Y7，若为全“1”，表示按键不在这一行；接着使X1=0，其余各位为全“1”，读入Y0～Y7，……，直至Y0～Y7不为全“1”为止。③按行号和列号求键的位置码得到的行号和列号表示按下键的位置码。4查ROM表根据位置码到专用的ROM中取出此键的ASCII码；PC/XT键盘键盘接口4.微型机键盘键盘控制电路PC/XT键盘采用16行×8列矩阵结构，由8048单片机通过执行固化在ROM中的键盘管理和扫描程序，对键盘矩阵进行扫描，形成与按键位置对应的扫描码，并以串行的方式送给微机主板上的键盘接口电路。键盘内部的单片机根据按键位置向主机发送的仅是该按键位置的键扫描码。键盘接口电路键盘接口电路一般在微机主板上，通过电缆与键盘连接，串行地接收键盘送来的扫描码，其功能主要有：⑴串行接收键盘送来的扫描码，转换成并行数据并暂存；⑵收到一个完整的扫描码后，立即向主机发中断请求；⑶主机中断响应后读取扫描码，并转换成相应的ASCII码存入键盘缓冲区。对于控制键，设置相应的状态；⑷接收主机发来的命令，传送给键盘，并等候键盘的响应，自检时用以判断键盘的正确性。7.6显示设备显示器输出的内容不能长期保存，当显示器关机或显示别的内容时，原有内容就消失了，所以显示设备属于软拷贝输出设备。灯丝阴极聚焦极石墨层荧光屏显示屏阳极帽偏转线圈栅极阳极电子枪电子束1.显示器的重要技术指标⑴像素像素是构成图像的最基本单位，一般是光点，所以又称为像点。⑵分辨率分辨率指的是显示设备所能表示的像素个数。像素越密，分辨率越高，图像越清晰。在字符显示方式中，用一屏可显示的最多字符数表示分辨率，例如80列×25行，表示每屏最多可显示25行，每行可有80个字符。在图形显示方式中，用一屏可显示的像点数表示分辨率，例如800×600，表示一屏可包含600条水平扫描线，每线可分为800点。⑶灰度级与颜色数像素的明暗的程度称为灰度，明暗变化的数量称为灰度级。显示器所能显示的颜色种类称为颜色数，不同的深浅可算作不同的颜色。在单色显示器中，仅有灰度级指标，而在彩色显示器中，则统称为颜色数。真彩色显示，一般要求达到能同时显示224＝16M（1677万）种颜色。2.CRT显示器的光栅扫描方式CRT显示器的发光是由电子束轰击荧光屏上的荧光粉引起的。电子束在荧光屏上按某种轨迹运动称为扫描。光栅扫描原理：⑴电子束从显示屏的左上角开始，沿水平方向从左向右扫描，到达屏幕右端后迅速水平回扫到左端下一行位置，又从左到右匀速地扫描。这样一行一行地扫描，直到屏幕的右下角，然后又垂直回扫，返回屏幕左上角。回扫时，电子束是“消隐”的，荧光屏上没有亮光显示。3.视频存储器（1）动态刷新显示

CRT显示器的发光是由电子束轰击在荧光粉上引起的，其发光亮度大约只能维持几十微秒便消失，为了使人们能看到稳定的画面，就必须在画面消失之前使该电子束不断重复扫描整个屏幕，这个过程叫做动态刷新显示。每秒刷新的次数称为刷新频率，一般要求刷新频率大于50次/秒（50Hz），即每秒刷新50幅以上，才不致使人眼感到闪烁。较快的刷新频率能显示稳定的画面，可减少眼睛的疲劳。1996年，VESA（视频电子标准协会）制定的无闪烁标准为75Hz，1997年该标准又提高到85Hz。（2）视频存储器（VRAM）为了不断提供刷新画面的信号，必须把字符或图形信息存储在一个刷新存储器中，这个存储器又称为显示缓冲存储器或视频存储器（VRAM）。（3）VRAM的容量和内容

VRAM的容量由分辨率和灰度级决定，分辨率越高，灰度级越高，VRAM的容量就越大。字符方式下VRAM通常存储字符代码和显示属性。字符代码即显示字符的ASCII码，每个字符占一个字节；显示属性一般也占一个字节。例如，一个字符显示器的规格为80×25，那么VRAM中的字符代码缓存的最小容量就是2KB。显示属性缓存也是2KB

图形方式下VRAM中存储的信息是图形元素的矩阵数组，即像素点的颜色信息。例如，一个图形显示器的分辨率为640×200，在无灰度级的单色显示器中，只需要16KB的VRAM。4.字符显示器工作原理（1）字符显示原理按照显示的字符数将显示屏幕划分成许多方块，每个方块称一个字符窗口，它包括字符显示点阵和字符间隔。一般的字符显示屏幕上可显示80列×25行＝2000个字符，字符窗口数目为80×25。如果显示器的分辨率在单色字符显示方式下为（720×350点阵），则每个字符窗口为9×14点阵，其中字符本身点阵为7×9，同一字符行中字符横向间隔2个点，不同字符行间的间隔为5个点。01808182797815815918401841192019211922184219991998191819192行数0012178792324……………字符窗口字符点阵

字符显示方式下VRAM中存放的是字符的ASCII码，不是点阵信息。若要显示出字符的形状，还需要有字符发生器（字符库）的支持。字符发生器的高位地址来自VRAM的ASCII码，低位地址来自行计数器的输出RA3～RA0（行扫描线序号），它具体指向这个字形点阵中的某个字节。10H28H44H82H82HFEH82H0