计算机组成与体系结构 课件 04外围设备

外围设备计算机组成与体系结构外围设备与输入输出系统系统互连存储器接口外围设备CPU计算机的外围设备概念：具有一定操作功能的比较完整和相对独立的精密机械电子装置功能：进行人机交互，完成输入输出功能特点：种类繁多，功能多样，组成与运行原理各不相同发展：智能化、高可靠性、小型廉价常用的外围设备键盘图形输入设备鼠标、数位板、操纵杆、手写笔图像输入设备扫描仪、传真机、数码相机/摄像机条形码阅读器语音与文字输入显示器（字符、图形、图像）打印机（针式、喷墨、激光）绘图仪语音输出输入设备输出设备矩阵键盘原理1101...并行接口并行接口+5V10KΩ0列1列m-1列0行1行n-1行键盘键.....。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。…...011A键110...。1101...二极管鼠标机械式光电式触摸屏常用输出设备显示器阴极射线管显示器液晶显示器等离子显示器打印机针式打印机喷墨打印机激光打印机点阵式设备把字形、图形、图像等信息以不同的点阵布局方式表现出来软拷贝(softcopy)显示设备硬拷贝(hardcopy)打印设备点阵式表示举例以十六进制数的形式把平面上点阵布局写出来点阵式设备需要解决的问题点阵布局规律确定形状的对象（保存对象的布局）无确定规律对象（保存所有点信息）点阵的密度更密的点阵可以把要表示的形状呈现得更精细准确表示同样大小的形状，点阵密则所用数据数量更多点阵越密则对输入输出设备的处理精度要求也越高点阵中点的属性二值表示（0、1表示点的有、无）单色表示（灰度级表示不同亮度）彩色表示（RGB三基色混和表示彩色）发光二极管(LED)Lighting-EmittingDiode阴极射线管(CRT)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Cathode-RayTube液晶显示(LCD)Liquid-CrystalDisplay有机发光显示(OLED)OrganicLight-EmittingDisplayEInkEInk(electronicink)针式打印机打印纸导轨打印针永磁铁

铁芯衔铁

线圈色带色带保护片滚筒激光打印机激光部分打印机控制部分光导鼓显象部分…..定形部分

加热辊预热板输纸用辊转写清扫辊带电器印写部分清扫部分转写部分接纸

部分纸激光喷墨打印机墨水槽喷墨头过滤器收集槽高压电源振荡发生器字形发生器打印纸充电电极压电陶瓷偏转电极墨水泵回收器墨滴偏转方向喷墨头移动方向组成与打印原理字符打印过程（充了电的墨滴偏转射向打印纸，不带电的墨滴射入回收器被回收）(以7*5点阵为例)热敏和热转印Thermalprinting外部存储器/辅存主要技术指标存储密度：单位长度或单位面积上存储的二进制信息数量。存储容量：一台设备能存储的总信息量，一般以字节为单位。寻址时间：找到数据存储位置所需要的时间。数据传输率：单位时间内传送数据的数量，单位b/s或者B/s。误码率：出错信息位数与读出信息的总位数之比。价格：总价格和存储单位信息的平均价格。概述从功能上讲，外部存储器是存储体系的一部分从结构上说，外部存储器又是属于外围设备的范畴目前，磁表面存储器是常用的外部存储器之一，在磁表面存储器中最常用的是磁盘磁性材料的物理特性磁记录原理前间隙后间隙铁氧体线圈电流磁记录介质磁头，软磁材料导磁率高，饱和磁感应强度大矫顽力小，剩余磁感应强度小

磁记录材料，硬磁材料记录密度高，记录信息时间长输出信号幅度大，噪声低表面组织紧密、光滑、无麻点薄厚均匀，温度、湿度影响小磁表面存储器的读操作磁表面存储器的写操作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表面存储器的优点存储密度高，记录容量大，每位价格低；记录介质可重复利用（通过改变剩磁状态）；无需能量维持信息，掉电信息不丢失，记录信息可长久保持；利用电磁感应读出信号，非破坏性读写。磁表面存储器的缺点只能顺序存取，不能随机存取；读写时要靠机械运动，存取速度慢；读写可靠性差，必须加校验码；由于使用机械结构，对工作环境要求高。磁记录方式磁记录方式：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编码方法要求：更高的编码效率：编码效率：指记录密度与最大磁化翻转密度之比，即为记录一位信息所用的最多磁化翻转次数的倒数；FM、PM编码效率50％，MFM、NRZ、NRZ1编码效率100％更高的自同步能力：自同步能力：指从读出的数据信息中提取出同步时钟信号的难易程度，可以用最小磁化翻转间隔与最大翻转间隔的比值来衡量；NRZ、NRZ1没有自同步能力，PM、FM、MFM有自同步能力更高的读写可靠性：采用能检查错误，甚至自动纠正错误的措施磁盘的物理组织（1）

磁头运动固定磁头（每磁道一个）可移动磁头（每个面一个）磁盘可更换性不可更换磁盘可更换磁盘盘片单面双面磁头机制接触（软盘）固定间隙空气动压气隙（温氏磁盘）磁盘的物理组织（2）温彻斯特磁盘结构磁盘的数据组织-磁道磁盘的每一个记录面被划分为若干个同心圆，被称为磁道(tracks)磁道编号顺序：由外向内为什么？磁盘的数据组织-扇区每个磁道又被划分为若干个数据块，称为扇区(sectors)扇区是磁盘能够寻址到的最小单位磁盘的数据组织-柱面当一个磁盘系统有多个记录面时，不同记录面的同一磁道被称为柱面(cylinder)磁盘的数据组织磁盘的寻址传统CHS(cylinders-heads-sectors)方式：台号、柱面号、磁头号、扇区号逻辑区块地址(LogicalBlockAddress,LBA)磁盘的格式化：使磁盘带有标识信息，用于区分各个扇区

磁盘的性能参数(1)存储密度

道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数位密度：沿磁道圆周方向单位长度上所能记录的二进制位数存储容量：指一个磁盘装置所能存储二进制信息的总量非格式化容量＝位密度×内圈磁道周长×磁道总数格式化容量＝扇区容量×每道扇区数×磁道总数

磁盘的性能参数(2)平均存取时间寻道时间：磁头定位到要求的磁道所花费的时间。旋转延迟：磁道上待访问的信息旋转到磁头下方所需要的时间。数据传输率＝磁盘转速×每条磁道的容量(B/s)传送时间＝要传送的字节数÷数据传输率

例：磁盘参数计算一台有3个盘片的磁盘组，共有4个记录面，转速为7200/分，盘面有效记录区域外径为30cm，内径为20cm，记录位密度为110位/mm，磁道密度为8道/mm，磁道分16个扇区，每扇区512字节，设磁头移动速度为2m/s。（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，平均寻道时间和平均旋转等待时间。（3）若一个文件超出一个磁道的容量，余下部分是存于同一个盘面还是存于同一柱面上？并给出一个合理的磁盘地址方案。例题解答（1）每个记录面共有磁道数为：（（30－20）/2）×10×8＝400道非格式化容量＝（3.14×200×110×400×4）/8=13816000B格式化容量＝512×16×400×4＝13107200B（2）数据传输率＝512×16×（7200/60）＝983040B/s，平均寻道时间＝半径/磁头移动速度/2＝0.0125s，平均旋转等待时间＝磁盘旋转一周时间/2＝4.2ms（3）存于同一柱面。磁盘地址：（台号，柱面号，磁头号，扇区号）磁盘阵列技术RAID最初的称谓：RedundantArraysofInexpensiveDisks工业界修改：RedundantArraysofIndependentDisksRAID原理和特点多个统一管理的磁盘组成磁盘阵列，数据分块交叉存储在多个磁盘上，提高读写并行性，性能好阵列中的一部分磁盘存放冗余信息，一旦某一磁盘失效，利用冗余信息重建数据，可靠性高单个小盘径磁盘成本低、功耗小、性能好，磁盘阵列需要RAID卡的支持，但总体成本也不高磁盘阵列示意图RAID卡标准RAID等级SNIA、Berkeley等组织机构把RAID0、RAID1、RAID2、RAID3、RAID4、RAID5、RAID6七个等级定为标准的RAID等级，这也被业界和学术界所公认。RAID的工作模式6级容错：RAID0~RAID5，其中RAID2与RAID3要求各个驱动器严格同步，不实用RAID0：数据散放，并发读写，没有容错，可靠性差RAID1：磁盘镜像，冗余备份，可靠性高，成本较高RAID4：数据保护，对数据散放改进，增加专用的奇偶校验盘，出故障恢复数据费时RAID5：分布式数据保护，是对RAID4的改进，减少校验盘的负载，将校验位循环均匀地分布到所有的驱动器上RAID0RAID1RAID4&5RAID5RAID6RAID01和RAID10RAID50JBODJustaBunchOfDisks不是标准的RAID等级，它将多个物理磁盘串联起来，提供一个巨大的逻辑磁盘。光盘设备光盘特点存储密度高，容量大，非接触式读写可靠性好，价格便宜，广泛使用光盘类型只读型光盘CD-ROM(CD-ReadOnlyMemory)标准容量650M写一次型光盘WORM(writeonce,readmany)CD-R(CD-Recordable)可擦写型光盘CD-RWCD-RW(CD-ReWritable)基本原理CD-R光学系统示意图光盘旋转台He-Ne激光器10%光束分离器90%调制器光束分离器调制信号聚焦系统，物镜径向跟踪反射镜写光束读出信号光敏管CD、DVD、HDDVD和BD单层与双层光盘固态硬盘SolidStateDisk或SolidStateDrive，简称SSD是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘优点读写速度快、防震抗摔性、低功耗、无噪音、工作温度范围大、轻便缺点容量、寿命限制、售价SSD的结构FLASH基本存储单元NORFLASHNAN