第7章外围设备

第7章外围设备本章内容：外围设备概述硬磁盘存储设备光盘存储设备显示设备输入设备和打印设备外围设备的定义：这个术语涉及到相当广泛的计算机部件。一般认为除了CPU和主存外，计算机系统的每一部分都可作为一个外围设备来看待。外围设备的特点：(1)外围设备的种类繁多，有各自的不同接口。(2)外围设备的速度较慢。(3)外围设备处理的信息形式多样。外围设备的基本组成：(1)存储介质：用来保存数据信息。(2)驱动装置：用于移动存储介质，对数据定位。(3)控制电路，将CPU发出的数据转化为存储介质可接受的数据或将存储介质的数据转化为CPU可接受的数据。7.1外围设备的概述计算机的I/O系统结构图7.2硬磁盘存储设备

计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储就是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。磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。

磁表面存储器的优点：(1)存储容量大，位价格低；(2)记录介质可以重复使用；(3)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，读出时无需再生信息。磁表面存储器的缺点：(1)存取速度较慢，(2)机械结构复杂，对工作环境要求较高。磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在计算机系统中作为辅助大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件或者数据库等大量程序与数据信息。磁记录原理与记录方式

－磁性材料的物理特性从磁滞回线可以看出，磁性材料被磁化以后，工作点总是在磁滞回线上。只要外加的正向脉冲电流，那么在电流消失后磁感应强度B并不等于零而是处在+Br状态(正剩磁状态)。反之当外加负向脉冲电流时，磁感应强度B将处在-Br状态(负剩磁状态)。这就是说，当磁性材料被磁化后会形成两个稳定的剩磁状态，如果规定用+Br状态表示代码“1”，-Br状态表示代码“0”，那么要使磁性材料记忆“1”，就要加正向脉冲电流使磁性材料正向磁化；要使磁性材料记忆“0”，则要加负向脉冲电流，使磁性材料反向磁化。写“1”电流写“0”电流0HB+Br-Br－记录方式形成不同写入电流波形的方式，称为记录方式。记录方式是一种编码方式，它按某种规律将一串二进制数字信息变换成磁层中相应的磁化元状态，用读写控制电路实现这种转换。1)不归零制(NRZ0)

线圈中始终有电流流过，正向电流代表数据1、反向电流代表数据0，不归零制记录方式的抗干扰性能较好，数据序列：10001110NRZ0

没有自同步能力。由于记录一个数据信息最大磁化翻转次数为1，故编码效率为100％2)见“1”就翻不归零制(NRZ1)

与NRZ0制的相同处是磁头线圈中始终有电流通过。不同处是记录“0”时电流方向不变，只有遇到1时才改变方向。数据序列：10001110NRZ1

没有自同步能力。由于记录一个数据信息最大磁化翻转次数为1，故编码效率为100％3)调相制(PM)

其特点是在一个位周期的中间位置，电流由负到正为数据1，电流由正到负为数据0，数据序列：10001110PM

有自同步能力。由于记录一个数据信息最大磁化翻转次数为2，故编码效率为50％4)调频制(FM)

其特点是无论记录的代码是1或0，或者连续写“1”或写“0”电流都要改变方向；记录1时电流一定要在位周期中间改变方向，写“1”电流的频率是写“0”电流频率的2倍，数据序列：10001110FM

有自同步能力。由于记录一个数据信息最大磁化翻转次数为2，故编码效率为50％－磁表面存储器的读写原理磁头：是软磁材料做铁心绕有读写线圈的电磁铁。磁表面存储器是利用磁头使盘片上的载磁体具有不同的磁化状态来完成信息的写入，利用磁头判断盘片上的载磁体的不同磁化状态完成读出。写线圈读线圈SNNS运动方向I磁层NSISN磁盘写操作写线圈读线圈SNNS运动方向I磁层NSISN磁表面存储器存取信息的原理：

通过电－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；反之，通过磁－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。磁盘读操作硬磁盘机的基本组成和分类

－硬磁盘机的基本组成硬磁盘机指记录介质为硬质圆形盘片的磁表面存储器。它主要由磁记录介质、磁盘控制器、磁盘驱动器三大部分组成。磁盘驱动器和控制器－磁盘驱动器－硬磁盘机的分类按盘片结构分：可换盘片式、固定盘片式按磁头分：可移动磁头、固定磁头磁盘上信息的分布盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为记录面。记录面上一系列同心圆称为磁道。每个盘片表面通常有几十到几百个磁道，每个磁道又分为若干个扇区。－磁盘控制器

磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫0磁道，最里面的一个同心圆叫n磁道，n磁道里面的圆面积并不用来记录信息。磁盘存储器的每个扇区记录定长的数据，每一个扇区记录一个着记录块。因此读/写操作是以扇区为单位进行的。对活动头磁盘组来说，磁盘地址是由记录面号(也称磁头号)、磁道号和扇区号三部分组成。0磁道n磁道扇区移动方向磁头磁盘记录面(磁头号)

对于每一个扇区内数据的格式如下所示：头空序标数据（512字节）校验码尾空头空一个扇区(一个记录块)磁盘运动方向

每个扇区由头部空白段、序标段、数据段、校验字段及尾部空白段组成。其中空白段用来留出一定的时间作为磁盘控制器的读写的准备时间，序标被用来作为磁盘控制器的同步定时信号。序标之后即为本扇区所记录的数据。数据之后是校验字，它用来校验磁盘读出的数据是否正确。

每个扇区开始时由磁盘控制器产生一个扇标脉冲。扇标脉冲的出现即标志一个扇区的开始。两个扇标脉冲之间的一段磁道区域即为一个扇区(一记录块)。扇区脉冲磁盘存储器的技术指标磁盘存储器的主要指标包括存储密度、存储容量、存取时间及数据传输率。－存储密度

存储密度分道密度、位密度和面密度。道密度是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道/英寸。位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位为位/英寸。面密度是位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸。注意：每一个扇区存放的记录块包含大小相等的数据，即数据定长，内层扇区的长度小于外层扇区，因此内层扇区的位密度大于外层扇区的位密度。－存储容量一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。－平均存取时间

存取时间是指从发出读写命令后，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所需要的平均时间。这段时间由三个数值所决定：第一个是将磁头定位至所要求的磁道上所需的平均时间，称为平均寻道时间，目前平均寻道时间是10ms。第二个是寻道完成后，指定扇区到达磁头下的平均时间，称为平均等待时间，该时间和转速有关，是1/（2*r）。第三个是需要访问的信息到达磁头下读出或者磁头将信息写入的平均时间，称为数据传送时间，与数据传输率有关和传送的信息量有关，设传递的字节数为b，数据传送率为Dr，数据传送时间为b/Dr。平均存取时间Ta＝Ts+1/（2*r）+b/Dr－数据传输率磁盘存储器在单位时间内向主机传送的字节数，叫数据传输率，假设磁盘旋转速度为每秒r转，每条磁道容量为N个字节，则：数据传输率Dr=r*N(字节/秒)。例：磁盘组有6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22cm，外径33cm，道密度为40道/cm，内层位密度400位/cm，转速2400转/分。1)共有多少磁道?

有效存储区域=16.5-11=5.5(cm)

道密度=40道/cm，所以40×5.5=220道，即220个磁道2)磁盘组总存储容量是多少?

内层磁道周长为2πR=2×3.14×11=69.08(cm)每道信息量=400位/cm×69.08cm=27632位=3454B每面信息量=3454B×220=759880B盘组总容量=759880B×10=7598800B3)数据传输率多少?

磁盘数据传输率Dr=rN，N为每条磁道容量为3454B,r为磁盘转速为2400转/60秒=40转/秒

Dr=rN=40×3454B=13816B/s7.3磁盘的技术发展磁盘Cache

主存和CPU之间设置高速缓存Cache是为了弥补主存和CPU之间速度上的差异。同样，磁盘Cache是为了弥补慢速磁盘和主存之间速度上的差异。在磁盘Cache中，由一些数据块组成的一个基本单位称为Cache行。当一个输入输出请求送到磁盘驱动时，首先搜索驱动器上的高速缓冲。如果是读操作，且要读的数据已在Cache中，则读命中，可从Cache行中读出数据，否则需从磁盘介质上读出。写入操作和CPU中的Cache类似，有“直写”和“写回”两种方法。

磁盘阵列RAIDRAID又称廉价冗余磁盘阵列，它是用多台磁盘存储器组成的大容量外存系统。其构造基础是利用数据分块技术和并行处理技术，在多个磁盘上交错存放数据，使之可以并行存取。工业上制定了一个称为RAID的标准，它分为7级(RAID0～RAID6)。这些级别不是表示层次关系，而是指出了不同存储方式、可靠性、数据传输能力、I/O请求速率。-RAID0，磁盘条带化，无容错能力-RAID1，磁盘镜像，100％数据冗余-RAID2，4，没有广泛商业化应用-RAID3，并行读写，专用磁盘校验-RAID5，并行读写，分布磁盘校验RAID0

数据分块，即把数据分布在多个盘上。非冗余阵列、无冗余信息。严格地说，它不属于RAID系列ABDCEFHGIJLKMNPORAID0数据映射ABDCEFHGIJLKMNPO磁盘管理系统ABCDEF………PRAID1

亦称镜像盘，使用双备份磁盘。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。ABCDEFGHACEGBDFH==RAID1镜像和分块的关系-RAID0+1先分块后镜像ABDCEFHGIJLKMNPOABDCEFHGIJLKMNPORAID1镜像和分块的关系-RAID1+0先镜像后分块ABDCEFHGIJLKMNPOABDCEFHGIJLKMNPO7.5光盘和磁光盘存储设备光盘存储设备

光存储器简称光盘，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”。按读写性质来分，光盘分只读型、一次型、重写型三类：只读型光盘记录的信息只能读出，不能被修改。典型的产品有CD、VCD、DVD、CD-ROM光盘。一次型光盘用户可以在这种光盘上记录信息，但记录信息会使介质的物理特性发生永久性变化，写后的信息不能再改变只能读。典型产品是CD-R光盘。用户可以在刻录机上向空白的CD-R盘写入数据，制作好的CD-R可放在CD-ROM驱动器中读出。重写型光盘用户可以用刻录机对这类光盘进行随机的写入或擦除。典型的产品有CD-RW光盘。－CD-ROM光盘存储机理

CD-ROM光盘的写入是生产厂家利用母盘将存储信息以表面坑点形式记录在盘片上。盘片上有坑点表示为“1”，无坑点表示为“0”，一系列的坑点(存储元)形成信息记录道。保护层反射层盘基激光头激光束光盘扇区数据结构模式零：全0，引导区模式一：2048+288数据+检错纠错模式二：2336，数据－DVD-ROM的主要技术指标1)数据传输率

DVD-ROM的传输率以1358KB/S作为基准，对于16速的DVD-ROM它的传输率就是1358*16＝21728KB/S2)数据缓冲器容量

DVD-ROM驱动器内有64KB—512KB的数据缓冲器，用于暂存读出的数据，减少读取盘片的次数。一般选择512KB的DVD-ROM驱动器。3)接口类型

DVD-ROM驱动器中包含有控制器，其接口类型有IDE和SCSI两种。目前普遍选用IDE接口。其原因在于大多数PC机具有IDE或EIDE接口插座。只要使用40芯缆将DVD-ROM驱动器背面的40芯插座与主板的IDE接口的插座相连即可。磁光盘存储设备读出：利用磁光克尔效应读出数据：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，从而检测出所记录的数据“1”或“0”。写入：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”。显示设备的基本概念分辨率：指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。分辨率取决于显象管荧光粉的粒度、荧光屏的尺寸和CRT电子束的聚焦能力。例：1024*768分辨率表示显示器1024列，768行，屏幕上一共有1024*768个象素点。灰度级：指显示器上每一个象素点的色彩的种类。如果用4位控制一个象素点的色彩的种类，则该象素点能显示出16种不同的颜色，如果用8位，则有256种不同的颜色种类。灰度级越多则图像层次越清楚逼真。为了不断提供图像的信号，必须把一帧图像信息存储在存储器中，也叫显存。其存储容量由图像分辨率和灰度级决定：显存容量＝分辨率*灰度级7.6显示设备刷新：CRT发光是由电子束打在荧光粉上引起的。电子束扫过之后其发光亮度只能维持几十毫秒便消失。为了使人眼能看到稳定的图像显示，必须使电子束不断地重复扫描整个屏幕，这个过程叫做刷新。刷新频率大于30次/秒时人眼不会感到闪烁。显示设备中通常选用电视中的标准，默认刷新频率为50次/秒，注意该刷新频率下长时间看显示设备会使人眼感到难受。健康的刷新频率为85次/秒。随机扫描和光栅扫描：

随机扫描是控制电子束在屏幕上需要做图的地方运动，从而产生图形和字符。由于电子束只在需要做图的地方扫描，而不必扫描全屏幕，分辨率和刷新率高。光栅扫描是电子束从上至下顺序扫过整个屏幕的每一个像素。

将字符的点阵信息存入由ROM构成的字符发生器中，由显示字符的ASCII码作为高位地址，由计数器产生的输出RA3～RA0作为低位地址从字符发生器中依次读出某个字符的点阵，在CRT进行光栅扫描的过程中，按照点阵中0和1代码控制扫描电子束的开或关，从而在屏幕上显示出字符。

字符/图形显示－字符显示显示字符的方法以点阵为基础。字符显示点阵是指由m×n个点组成的阵列，并以此来构造字符。字符显示窗口指每个字符在屏幕上所占的点数，它包括字符显示点阵和字符间隔。字符点阵：7×9字符窗口：8×10ASCII代码：01001001RA3～RA0：0000～1000字符发生器(ROM)字符信息D0D1D2D7选中存储单元：490H～498HD7D6D5D4D3D2D1D0490H->491H->492H->493H->494H->495H->496H->497H->498H->FEH10H10H10H10H10H10H10HFEH

在IBM/PC系统中，屏幕上共显示80字25排=2000个字符，故字符窗口数目为2000。每个字符窗口为914点阵，字符为79点阵。待显示字符的ASCII码存放在视频存储器VRAM中，故VRAM有2000个单元存放被显示的字符信息。字符点阵：7×9字符窗口：9×14D7D6D5D4D3D2D1D0D8ASCII码：01001001RA3～RA0：0000～1000字符发生器(ROM)字符信息D0D1D2D7选中存储单元：490H～498H来自VRAM来自光栅计数器492H->10H493H->10H494H->10H495H->10H496H->10H497H->10H498H->FEH491H->10H490H->FEH0100100101100001视频存储器(VRAM)…………

字符显示器的核心是点计数器、水平地址计数器、光栅地址计数器、垂直地址计数器构成。………80个字符………………………25排用来控制一行中每个字符的9个的点阵的输出，点计数器是对时钟9分频，当一个字符的9个点阵输出结束之后，输出下一个字符的的同一行的9个点。水平地址计数器选中当前一行中的一个输出字符。

字符显示器的核心是点计数器、水平地址计数器、光栅地址计数器、垂直地址计数器构成。………80个字符………………………25排垂直地址计数器控制一屏25排的显示，当光栅到达最后一行最后一个字符时需要回到屏幕顶端第一行，称为垂直回扫，需要一排的显示时间，所以它是垂直地址计数器的(25+1)分频当的80个字符的同一行显示完毕之后，光栅从一行结束到一行开始时，不应该有显示，称为水平回扫消隐期，共占18个字符的显示时间，所以水平地址计数器是点计数器的(80+18)分频。光栅地址计数器对字符的高度进行控制，一个字符窗口的高度是14，字符点阵是9，字符间隔是5，它控制一个字符的9行逐行输出，最后5行行间消隐。所以光栅地址计数器是水平地址计数器的(9+5)分频、例：某一种CRT显示器可显示64种ASCII字符，每屏可显示64字×25排个字符；每个字符采用7×8点阵，字符窗口采用8×14点阵；每秒中屏幕刷新的频率为50Hz，采取逐行扫描方式，水平回扫需要12个字符时钟。垂直回扫需要10排字符的时间。问：(1)缓存VRAM中存放的是ASCII代码还是点阵信息?容量有多大?缓存地址与屏幕显示位置如何对应?(2)字符发生器(ROM)容量有多大?(3)设置哪些计数器以控制缓存访问与屏幕扫描之间的同步?它们的分频关系如何?

答：(1)缓存中存放的是待显示字符的ASCII代码。缓存容量为64×25=1600字节。显示位置自左至右，从上到下，相应地缓存地址由低到高，每个地址中存放一个待显示的字符。(2)ROM容量为64×8=512字节。(3)点计数器8∶1分频；水平地址计数器(64+12)∶1分频；光栅地址计数器(8+6)∶1分频；垂直地址计数器(25+10)∶1分频。PC机中汉字的显示原理与字符显示的原理一致，都是基于点阵的显示方式，不同的是汉字的编码需要两个字节，显示汉字时，则要用16*16，24*24，32*32或64*64的点阵，高要求还可用128*128。

通过键盘输入的汉字编码，首先要经代码转换程序转换成汉字机内代码，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，字形检索程序用机内码检索点阵库，查出表示一个字形的32个字节字形点阵送显示输出。

代码转换程序码表汉字内码2字节字形检索程序汉字点阵库显示驱动程序显示存储器－图形显示图形显示是指用计算机手段表示现实世界的各种事物，