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计算机组成原理 - 烟台大学文经学院ppt

发布时间:2019-06-30 04:33 来源:未知 编辑:admin

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  (2)鼠标器输入 鼠标器是一种手持的坐标定位 部件,有两种类型。一种是机械式的, 另一种是光电式的。计算机通过扫描 鼠标光标的位置及操作信号,控制产 生相应动作。 外围设备 2. 图像输入设备 最理想的图像输入设备是数字摄像机。它可以摄取任何地 点、任何环境的自然景物和物体,直接将数字图像存入磁盘。 如果想把纸上的图像输入计算机,可利用图文扫描仪或传真机。还有一种专用设备,可以直接将纸上的图像转换成数字图像等。 由于一帧数字图像要占很大的存储空间,图像数据的传输 与存储间题将是一个十分重要的研究课题,目前普遍采用的方 法是压缩-恢复技术、高密度存储技术等。 外围设备 3.语音输入设备 利用人的自然语音实现人-机对话是新一代多媒体计算机的 重要标志之一。 语音识别器作为输入设备,可以将人的语言声音转换成计 算机能够识别的信息,并将这些信息送入计算机。而计算机处 理的结果又可以通过语音合成器变成声音输出,以实现真正的 “人机对话”。通常语音识别器与语言合成器放在一起做成语音输入/输出设备。 外围设备 7.7.2 打印设备 打印输出是计算机最基本的输出形式。与显示器输出相比,打印输出可产生永久性记录,因此又称为硬拷贝输出。 1.打印设备的分类 按印字原理分,分为击打式和非击打式两大类。 击打式是利用机械作用使印字机构与色带和纸相撞击而打印字符。击打式设备的成本低,能满足特殊需求的打印。缺点是噪音大,速度慢。 非击打式是采用光电印刷方法(如激光印字机)。非击打式的设备速度快,噪音低,印字质量高,已被广泛使用。 外围设备 2.激光印字机 激光印字机是激光技术和电子照相技术结合的产物,其基本原理与静电复印机相似。 ???? 外围设备 激光器输出的细小激光束光点,沿着圆周运动的滚筒(硒鼓)进行横向重复扫描。硒鼓在未被激光束扫描之前,首先在黑暗中充电,使鼓表面均匀地沉积一层电荷。扫描时激光器将对鼓表面有选择地曝光,曝光部分产生放电现象,未曝光部分仍保留充电时的电荷,从而形成静电潜像。 随着鼓的转动,潜像部分将通过装有碳粉盒的显影器,使得具有字符信息的区域吸附上碳粉,达到显影的目的。 当鼓上的字符信息区和普通纸接触时,由于在纸的背面施以反向的静电电荷,鼓表面上的碳粉就会被吸附到纸上来,这个过程称为转印。最后,当记录有信息的纸经过定影辊高温加热,碳粉被溶化,永久性地粘附在纸上,达到定影的效果。(见后图) 工作原理: 转印后的鼓面经清扫,将残余的碳粉清除,然后又继续重复上述的充电、曝光、显影、转印、定影等一系列过程。 充电 曝光 显影 转印 定影 输出 一帧信息 激光印字机是非击打式硬拷贝输出设备,输出速度快,印字质量高,可使用普通纸张。是理想的输出设备,因而在各领域中得到了广泛的应用。 本章其它内容自阅 本章小结 1. 外围设备大体分为输入设备、输出设备、外存设备、数 据通信设备、过程控制设备五大类。每一种设备,都是在它自 己的设备控制器控制下进行工作,而设备控制器则通过适配器 ( 接口)和主机相连,并受主机控制。 2. 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 机系统中作为辅助大容量存储器使用。 外围设备 3. 硬磁盘按盘片结构和磁头结构,分为多种结构形式。 温彻斯特磁盘是一种典型磁盘机,它组装成一个不可拆卸的机电一体化整体,防尘性能好,可靠性高,对使用环境要求不高,因而得到了广泛的应用,成为最有代表性的硬磁盘存储器。 4. 磁表面存储器的主要技术指标有:存储密度、存储容 量、平均存取时间、数据传输速率。 5. 磁盘组的编址包括: 记录面号、磁道号、扇区号 6. 磁盘组上的信息通常按“柱面”依次存放。 7. 不同的显示器所支持的最大分辨率和灰度级数目是不同的, 对刷新存储器容量、速度及带宽要求也不同。 外围设备 盘面(磁头)号 柱面(磁道)号 扇区号 外围设备 (第七章 结束) 8. 常用的计算机输入设备有图形输入设备(键盘、鼠标等)、图像输入设备、语音输入设备等。 9. 常用的打印设备有击打式打印机、喷墨打印机、激光打 印机等,它们都属于硬拷贝输出设备。 (下一章:I/O系统) 作业练习 P233:1、2、3、6、7、8、13、14 7.5.3 CD-ROM驱动器及其接口 CD-ROM驱动器有内置式和外置式两种。内置式可安装在PC机箱内5.25英寸软驱位置上,工作电源由机箱内电源提供。外置式CD-ROM驱动器需用数据线与主机相连,电源也是独立的。由于CD-ROM光盘的存储容量都是一致的,因此衡量驱动器的性能指标主要有如下三项: ★ 数据传输率 早期的CD-ROM数据传输率只有150KB/s(即单倍速)。之后陆续推出双速(2×) ,4速(4×),…,16速(16×),甚至24速(24×)的CD-ROM驱动器。高数据传输率的驱动器运速度快,但要求很高的容错性和纠错性能。从性能价格比考虑,16速的CD-ROM驱动器较为适宜,其数据传输率为2400KB/s,已是软驱的4—8倍。 外围设备 ★ 数据缓冲器容量 CD-ROM驱动器内有64KB—256KB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256KB的CD-ROM驱动器。 ★ 接口类型 CD-ROM驱动器中包含有控制器,其接口类型有IDE,EIDE,SCSI,SCSI-2等。目前普遍选用IDE或EIDE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CD-ROM驱动器背面的40芯插座与主板或多功能适配器卡上的IDE或EIDE接口的插座相连即可。此外,CD-ROM驱动器背面还有音频输出插座,将左、右声道信号线和地线的音频输出线与声卡的音频输入插座相连。 外围设备 7.6 显示设备 (教材P224) 1 显示设备的分类与一般概念 2 字符/图形显示器 3 图象显示设备 4 VESA显示标准 外围设备 7.6.1 显示设备的分类与有关概念 显示设备: 以可见光的形式显示和处理信息的设备。其是计算机系统中应用最广泛的人机界面设备。 显示器件类别:阴极射线管(CRT)显示器、液晶 显示器(LCD)、等离子显示器等。 显示内容类别:有字符显示器、图形显示器、图像显示器三大类。 CRT显示器 LCD显示器 以CRT显示设备为例,可分类如下: (1)以扫描方式分类,分成光栅扫描和随机扫描两种显示器; (2)以分辨率来分,分成高分辨率显示器和低分辨率显示器; (3)以显示的颜色分类,有单色(黑白)显示器和彩色显示器。 (4)以CRT荧光屏对角线英寸等多种。 外围设备 目前,液晶显示器(LCD)是主流显示设备。 LCD与CRT的主要区别: 分辨率: 由于LCD和CRT显示器的成像原理不同,二者的屏幕分辨率是两个不同的概念。无论在高档还是低档LCD中,由于受到价格、工艺的影响,分辨率都存在一点不足。 LCD面板是由很多发光点组成,只能支持它自己的真实分辨率,超过像素区域则不会显示。 刷新频率: 对于CRT来讲,由于显像管内荧光粉受到电子束击打后发光的时间很短,所以电子束必须不断击打荧光粉使其持续发光,这样容易出现散焦现象。而且电子枪的逐行扫描,会不可避免地会产生闪烁感。所以CRT显示器屏幕的刷新率要达到一定的速度,人眼才不易感觉出屏幕的闪烁。 LCD则是背光源,由液晶分子控制光线的偏转或通过而发光,并且,液晶分子只有两种状态→关或开,因此对LCD来说不存在刷新率的问题,当显示器打开的时候,LCD面板中每个像素都在持续不断地发光。所以,LCD没有高频闪烁现象。 当然,LCD显示器同样也有刷新率的概念,但是对性能影响没有CRT明显。 分辨率: 显示器一帧平面所包含的像素个数,常以每英寸多少个像素(PPI)的形式来表示。分辨率越高,图像越清晰。 刷新存储器用来存储一帧图像每个像素的信息,所以,刷存要具有与显示像素数相对应的存储空间。 灰度级:显示器中所显示的像素点的亮暗差别。在彩色显示器中则表现为颜色的不同。灰度级越多,图像层次越清楚逼真。 灰度级取决于每个像素对应刷新存储器单元的位数和显示器本身的性能。只有两级灰度的显示器称为单色显示器。具有多种灰度级的显示器为多灰度级显示器。图像显示器的灰度级一般在256级以上。 1.分辨率和灰度级 外围设备 为了使人眼能看到稳定的图像显示,必须使电子束周期性地重复扫描整个显示器屏幕,这个过程叫做刷新。 为了不断提供刷新图像的信号,必须把一帧图像信息存储在刷新存储器(也叫视频存储器)中。其存储容量M由图像分辨率r和灰度级C决定,即: M=r×C。 同时,刷新存储器的存取周期必须满足刷新频率的要求,即:刷存带宽必须符合要求。 ? 容量和存取周期(或带宽)是刷新存储器的主要技术指标。 2.刷新和刷新存储器 外围设备 例:耶鲁大学关于刷新频率研究成果,出现神奇的视觉效果: 下面的三张图片:你若先看最左边的人体、再看中间的,会发现人体正在顺时针旋转; 若先看完最右边的人体后,再看中间的人体,发现变成了逆时针旋转了! 【例4】(教材P229)刷存的重要性能指标是它的带宽。实际工作时显示适配器的几个功能部分还要争用刷存的带宽。假定总带宽的50%用于刷新屏幕,保留50%带宽用于刷存内容修改等其他的非刷新功能。 (1) 若显示器的分辨率为1024×768,像素点颜色深度为3B,帧频(刷新频率)为72Hz,试计算该刷存总带宽应为多少? (2)为达到这样高的刷存带宽,应采取何种技术措施? 【解】: (1)∵ 刷新所需带宽 =分辨率×像素点颜色深度×刷新速率 ∴ 1024×768×3B×72/s=165888KB/s=162MB/s 故:刷存总带宽应为162MB/s×100/50=324MB/s (2)为达到这样高的刷存带宽,可采用如下技术措施: ① 使用高速的DRAM芯片组成刷存; ② 刷存采用多体交叉结构; ③ 刷存至显示控制器的内部总线位 ; ④ 刷存采用双端口存储器结构,将刷新输出端口与更 新端口分开,等等。 可见:对刷新存储器的带宽有着较高的要求。 7.6.2字符/图形显示器 1.字符显示 显示字符的方法以点阵为基础。点阵是由m×n个像素点组成的阵列,并以此来构造字符。 ??? 外围设备 例如:字符A的字形码(16×8点阵) (16字节) 字符发生器ROM: 将点阵存入由ROM构成的字符发生器中,在显示器进行扫描的过程中,从字符发生器中依次读出某个字符的点阵,按照点阵中0和1代码不同控制扫描电子束的开或关,从而在屏幕上显示出字符。点阵的多少取决于显示字符的质量和字符窗口的大小。 ? 可见:字符发生器ROM中存储的 是机器所有可显示字符的字形点 阵信息(又称:字模码)。 (点阵液晶显示) 字模码 又例如:汉字字模码(16 ×16点阵) (32个 字节) 显然:汉字比英文字符的点阵量要大得多。 字符窗口:是指每个字符在屏幕上 所占的像素点数(行、列点数总和), 它包括字符显示点阵和字符间隔点阵[见 右图]。每个字符窗口可显示一个字符。 视频缓存器VRAM:通常,待显示字符的ASCII代码被存放在视频缓存器VRAM中,以备刷新。若一帧屏幕共有2000个字符窗口(即:可显示2000个字符),则VRAM应有2000个单元,存放每个字符窗口要显示字符的ASCII码。 所以:视频缓存器VRAM中通常存储一帧屏幕待显示字符的ASCII码。 字符点阵码(字模码)的读出方法: 字符发生器ROM的高位地址来自VRAM的ASCII代码,光栅地址计数器则依次给出这个字形点阵中的行地址。在显示过程中,按照VRAM中的SACII码和光栅地址计数器访问字模ROM,依次取出字形点阵,就可以完成各字符的输出。 2.图形显示 (略) 图形显示: 是指用计算机手段表示现实世界的各种事物, 并形象逼真地加以显示。根据产生图形的方法,分为随机扫描图形显示器和光栅扫描图形显示器。 (1)随机扫描图形显示器 工作原理是将所显示图形的一组坐标点和绘图命令组成显 示文件,存放在缓冲存储器,缓存中的显示文件送矢量(线段)产生器,产生相应的模拟电压,直接控制电子束在屏幕上的移动。为了在屏幕上保留持久稳定的图像,需要按一定的频率对屏幕反复刷新。 这种显示器的优点是分辨率高(可达4096×4096个像素), 显示的曲线平滑。目前高质量图形显示器采用这种随机扫描方 式。缺点是当显示复杂图形时,会有闪烁感。 外围设备 (2)光栅扫描图形显示器 产生图形的方法称为相邻像素串接法,即曲线是由相邻像 素串接而成。因此,光栅扫描图形显示器的原理是:把对应于 屏幕上每个像素的信息都用存储器存起来,然后按地址顺序逐 个地刷新显示在屏幕上。其组成结构如图7.3: 程序段缓冲存储器:存放由计算机送来的显示文件和交互 式的图形操作命令。 刷新存储器:用以存放一帧图形的形状信息,它的地址和 屏幕上的地址一一对应。 外围设备 程序段缓存和刷存之间有一个DDA部件,它是一种进行数据插补的硬件,其作用是把显示文件变换为像素信息,即根据显示文件给出的曲线类型和坐标值,生成直线、圆、抛物线乃至更复杂的曲线。插补后的数据(像素信息)存入刷存用于刷新显示。 光栅扫描图形显示器的优点是通用性强,灰度层次多,色 调丰富,显示复杂图形时无闪烁现象;所产生的图形有阴影效 应、隐藏面消除、涂色等功能。它的出现使图形学的研究从简 单的线条图扩展到丰富多彩、形象逼真的各种立体及平面图形,从而扩大了计算机图形学的应用领域,成为目前流行的显示器。 外围设备 7.6.3 图像显示设备 图形是用计算机表示和生成的图,称作主观图像。在计算机中表示图形,只需存储绘图命令和坐标点,没有必要存储每个像素点信息。 图像则是来自客观世界,即由摄像机拍摄下来并存入计算机的数字图像,这种图像称为客观图像。其采用数字化以后逐点存储,因此一般需要占用非常庞大的主存空间。 图像显示器的常用分辨率为1024×768,灰度级在64—256级。 外围设备 图像显示器有两种类型: (略) 1.简单图像显示器 (教材P227) 图像处理操作在计算机中完成,显示器不做任何处理。它仅仅显示由计算机送来的数字图像数据。I/O接口、图象存储器(刷新存储器)、A/D与D/A变换等组成单独的一个部分,称为图像输入控制板或视频数字化仪。 外围设备 图像输入器的功能是实现连续的视频信号与离散的数字量之间的转换。图像输入控制板接收摄像机模拟视频输入信号,经A/D变换为数字量存入刷新存储器用于显示,并可在计算机进行图像处理操作。 处理后的结果送回刷存,经D/A变换成模拟视频输出,由显示器进行显示输出。 随着各类数字式影像设备的出现,可以直接获得图像的数码信号,更容易组成一个图像处理系统。 2.图形处理子系统 其硬件结构较前一种复杂得多。它本身就是一个具有并行处理功能的专用计算机,不仅能完成显示操作,同时由于子系统内部有容量很大的存储器和高速处理器,可以快速执行许多图像处理算法,减轻主计算机系统的运算量。目前流行的图形工作站就属于这类“图形处理子系统”。 外围设备 7.6.4 VESA显示标准 (略) 1.显示标准 随着IBM PC系列机的升级发展, PC机采用的显示标准经历了如下变化: MDA → CGA → EGA → VGA → SuperVGA MDA是PC机最早使用的显示标准。MDA是单色字符显示适配器,采用9×14点阵的字符窗口, 满屏显示80列×25行字符,对应分辨率为720×350个像素。 CGA是彩色图形/字符显示适配器,可以兼容字符和图形两种显示方式。在图形方式下,可以显示320×200像素四种颜色的彩色图形。 EGA显示标准兼容CGA和MDA各种显示方式,在图形方式下分辨率为640×350,16种颜色。 VGA显示标准下,字符窗口为9×16点阵,图形方式下分辨 率为640×480,16种颜色,或320×200,256种颜色。扫描频率 (水平同步)是31.5kHz,刷新频率(垂直同步)是60Hz。VGA显示 适配器还增添了一个新接口VFC,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。 自IBM公司推出VGA后,VESA(美国视频电子标准协会)定义 了一个VGA扩展集,将显示方式标准化,从而成为著名的Super VGA模式。该模式除兼容MDA,CGA,EGA,VGA的显示方式外, 还支持1280×1024像素光栅,每像素点24位颜色深度,刷新频 率可达75MHz。 外围设备 2.VESA显示模式 VESA扩充的标准显示模式见文字教材的表7.1。早期的 MDA,CGA,EGA的显示方式是由BIOS的一 组功能调用(INT 10h)来设置和管理的,使用7位的方式码。VESA保留了这种 方式,将VGA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15位的方式码 。方式码 的b8位为VESA标志位,b14—b9为保留位(目前全为0),故 VESA的显示方式号为 1××h。 外围设备 3.显示适配器 显示适配器由刷新存储器、显示控制器、ROM BIOS三部分 组成,请参看CAI演示。????????? 刷新存储器 存放显示图案的点阵数据。其存储容量取决 于设定的显示工作方式。 ROM BIOS 含有少量的固化软件,用于支持显示控制器建 立所要求的显示环境。此BIOS软件主要用于DOS操作系统。在 Windows环境下,它的大部分功能不被使用,而由后者的设备 驱动程序建立操作系统与适配器硬件的衔接。 外围设备 显示控制器 是适配器的心脏。它依据设定的显示工作方式,自主地、反复不断地读取显存中的图像点阵(包括图形、字符文本)数据,将它们转换成R,G,B三色信号,并配以同步信号送至显示器刷新屏幕。显示控制器还要提供一个由系统总线至刷存总线的通路,以支持CPU将主存中已修改好的点阵数据写入到刷存,以更新屏幕。这些修改数据一般利用扫描回程的消隐时间写入到刷存中,因此显示屏幕不会出现凌乱。 先进的显示控制器具有图形加速能力,这样的控制器芯片 称为AVGA芯片。典型的图形加速功能有:(1)位和块传送,用 于生成和移动一个矩形块(如窗口)数据;(2)画线,由硬件在 屏上任意两点间画一向量;(3)填域,以预先指定的颜色或花 样填满一个任意多边形;(4)颜色扩充,将一个单色的图像放 到屏上某一位置后,给它加上指定的前景颜色和背景颜色。 外围设备 7.7 输入设备和打印设备 7.7.1 输入设备 7.7.2 打印设备 外围设备 7.7.1 输入设备 常用包括: 图形输入、图像输入、声音输入等输入设备。 1. 图形输入设备 图形输入方法较多,特别是交互式图形系统要求具有人/机对话功能:计算机将结果显示给人,人根据看到的显示决定下一步操作,并通过输入设备告诉计算机。如此反复多次,直到显示结果满意为止。为此必须具有方便灵活的输入手段,才能体现“交互式”的优越性。 外围设备 (1)键盘输入 键盘是字符和数字的输入装 置,无论字符输入还是图形输入, 键盘是一种最基本的常用设备。 当需要输入坐标数据建立显示文件 时,要利用键盘。另外,利用键盘 上指定的字符与屏幕上的光标结合, 可用来移动光标,拾取图形坐标, 指定绘图命令等。 外围设备 7.2.5 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。 1、存储密度: 存储密度分为道密度、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:位密度×道密度 单位:位/平方英寸。 外围设备 2、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。 格式化容量和非格式化容量: 磁盘存储器必须首先进行格式化操作,然后才能供用户记录信息。 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,也就是用户可以真正使用的容量。 格式化容量一般是非格式化容量的60%—70%。目前,3.5英寸的硬盘机容量已达几百G。 外围设备 3、平均存取时间: (见教材P217-7.2式) 磁盘平均存取时间通常由三个数值所决定: (1)是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间,称为定位时间或找道时间; (2)是找道完成后,磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间,称为等待时间。 (3)数据传送完成时间 外围设备 目前,平均找道时间为10~15ms。平均等待时间和磁盘转速有关,它用磁盘旋转一周所需时间的一半来表示。若磁盘转速为10000转/分,则平均等待时间约为3ms左右。 4、数据传输率: 磁盘在单位时间内向主机传送数据的字节数,称为数据传输率。 ??? 假设:磁盘旋转速度为每秒n转,每条磁道容量为 N个字节,则数据传输率: Dr=n×N (B/s)。 或:Dr=D×v (B/s) 其中: D为位密度,v为磁盘旋转的线速度。 目前磁盘存储器的数据传输率可达几十~几百MB/s。 外围设备 【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(直)径22cm ,外(直)径33cm,道密度为40道/cm,内层位密度400位/cm,转速6000转/分。问: (教材P217-218) (自阅) (1)共有多少柱面? (2)盘组总存储容量是多少? (3)数据传输率多少? (4)* 采用定长数据块记录格式,直接寻址的最小单位是什 么? 寻址命令中如何表示磁盘地址? (5)* 如果某文件长度超过一个磁道的容量,应将它记录在 同一个存储面上,还是记录在同一个柱面上? 【解】: (1) ∵ 有效存储区域径长:33/2-22/2=16.5-11=5.5(cm) 已知:道密度=40道/cm, ? 40×5.5=220道 即:每个记录面上有220条磁道。 可知: 磁盘组应当共有 220个柱面。 (2) 已知:内层磁道位密度:400位/cm, 内层磁道周长为:2πR=2×3.14×11= 69.08(cm) ∴ 每道信息量:N=400位/cm×69.08cm=27632位=3454 B 每面信息量=3454B×220=759880 B 盘组总容量=759880B×10=7598800 B (约为7.5GB) (3) 磁盘数据传输率Dr=n×N 其中:N为每条磁道容量, n为磁盘转速。 已知:N=3454 B,n=6000转/60秒=100转/秒 ?故:Dr=n×N=100×3454B=345400 B/s ≈345 KB/s (4) * 采用定长数据块格式时,直接寻址的最小单位是一个记录块(一个扇区),每个记录块记录固定字节数目的信息。 若假设:共分为16个扇区,且已知有10个记录面、220条磁道。 ∴ 本例磁盘组的编址应当为如下格式: ? 那么,本例磁盘组的最大磁盘空间多大? 16个记录面,每面可含256个磁道,每道有16个扇区。 15 12 11 4 3 0 盘面(磁头)号 柱面(磁道)号 扇区号 (4位) (8位) (4位) (5) 如果某文件长度超过一个磁道的容量, 显然,应将它记录在同一个柱面上,这样就不需要重新找道,减少磁头移动,进而可加快数据的读/写速度。 该如何存放? 磁头的机械移动速度慢! 7.3 磁盘存储设备的技术发展 1、磁盘Cache 用Cache弥补磁盘与主存之间的速度差异。 核心思想:程序访问的局部性原理。 2、磁盘阵列RAID(廉价冗余磁盘阵列) (多台小容量磁盘组成的大容量外部存储器) 核心思想:数据分块技术、并行或交叉存储技术、冗余存储技术等,使用RAID可以达到单个的磁盘驱动器数倍的速率,并具有数据自恢复能力。 —— 在大型计算机系统中普遍使用。 3、可移动存储设备: 软盘已经淘汰,各类较大容量的移动硬盘、U盘等,应用日趋普及。 (自阅) (U盘、移动硬盘) 7.4 磁带存储设备 (略) 外围设备 7.5 光盘存储设备(略) 7.4.1 磁带机的分类和结构 磁带的分类: 按带宽分有1/4英寸和1/2英寸; 按带长分有2400英尺、1200英尺和600英尺; 按外形分有开盘式磁带和盒式磁带; 按记录密度分有800位/英寸、1600位/英寸、6250位/英寸; 按带面并行记录的磁道数分有9道、16道等。 计算机系统中多采用1/2英寸开盘磁带和1/4英寸盒式磁带,它们是标准磁带。 外围设备 磁带机的分类: 按磁带机规模分,有标准半英1/2磁带机、盒式磁带机、海量宽磁带存储器。 按磁带机走带速度分,有高速磁带机(4—5m/s)、中速磁带机(2—3m/s)、低速磁带机(2m/s以下)。磁带机的数据传输率为C=D·v,其中D为记录密度,v为走带速度。带速快则传输率高。 按磁带的记录格式分类,有启停式和数据流式。 磁带机为了寻找记录区,必须驱动磁带正走或反走,读写完毕后又要使磁头停在两个记录区之间。因此要求磁带机在结构和电路上采取相应措施,以保证磁带以一定的速度平衡地运动和快速启停。 外围设备 数据流磁带机: 数据流磁带机是将数据连续地写在磁带上,每个数据块间插入记录间隙,使磁带机在数据块间不启停。它用电子控制代替机械控制从而简化了磁带机的结构,降低了成本,提高了可靠性。 数据流磁带机有1/2英寸开盘式和1/4英寸盒式两种。盒式磁带的结构类似于录音带和录像带,盒带内部装有供带盘和收带盘,磁带的长度主要有450英尺、600英尺两种,容量分别为45MB,60MB。 数据流磁带机的读写机构和启停式磁带机不同,后者是多位并行读写,而前者是类似于磁盘的串行读写方式,因而决定了两者的记录格式不同。 外围设备 7.4.2 磁带的记录格式 1/2英寸9道启停式磁带是一种国际上通用的标准磁带。其记录格式如下: 每盘带均设有始端标记BOT和末端标记EOT。标记用一块矩形金属反光薄膜制成,光电检测元件可得到这两个标记,表示记录的开始和结束,磁带上留有间隙G(3.75英寸)或g(0.6英寸),后者为数据块间的间隙,它们取决于磁带机的快启停性能。 外围设备 信息可用两种形式存储。一种是文件形式,一盘带可记录 若干个文件,一个文件又分若干数据块Bi。每个文件始末有文 件头标和文件尾标。卷头标、索引、文件头标、文件尾标均为 80B,其内容视操作系统而定。第二种是数据块形式,磁带可 在数据块之间启停,进行数据传输。在9道带中,8位是数据磁 道,存储一个字节 ,另一位是这一字节的奇偶校验位,叫做 横向奇偶校验码。在每一数据块Bi内部,沿走带方向每条磁道 还有CRC校验码。 外围设备 1/4英寸盒式数据流磁带也是一种通用的标准磁带。其中9道磁带记录格式括前同步、数据块标志(1B)、用户数据(512B)、地址号(4B)、CRC校验码(2B)和后同步。如下图所示: 注意 数据流磁带机是串行逐道记录,其读写顺序类似于磁盘。记录信息时,从0号磁道开始,偶数磁道从磁带首端BOT到磁带末端EOT,而奇数磁道则从EOT到BOT,且要依次首尾相接。这种方式称做蛇形串行记录。 外围设备 【例5】现有半英寸(1英寸=254mm)9道磁带机,记录密 度为每英寸6250B,带速3m/s,启停 时间5ms,带长900m,按 块记录文件;每条记录长128B,块化系数为16,块间间隔为 10mm。 求: (1)磁带记录密度每毫米多少字节; (2)数据传输率; (3)每个块占磁带长度; (4)整盘带可容纳的记录条数; (5)读出160 000条记录所需的时间。 外围设备 【解】: (1) 因为已知记录密度d=6250B/英寸,所以磁带记录密 度d=6250B/25.4mm=246B/mm (2) 根据公式c=d·v,已知v=3m/s,d=246B/mm, 则数据传输率c=246B/mm×3×1000mm/s=738千字节/s (3) 每块所占磁带长度包括两部分:一是记录一块数据 的长度,二是块间间隔。 一块数据所占字节数=(字节数/每个记录)×块化系数 =128×16=2048字节 2048字节占有的带长=2048/记录密度=2048/246=8mm 每块占磁带长度=8mm+10mm=18mm 外围设备 (4) 一盘带能存储的记录块数=总带长/一个块长 =900×1000mm/18mm=50×103块 所以,整盘带可容纳的记录条数=块化系数×块数 =16×50×103=800,000条记录 (5) 160 000条记录需要的记录块数=160,000/块化系数 =160,000/16=10×103块 读出160,000条记录所需时间: t=启停时间(t1)+有效时间(t2)+间隔时间(t3) 外围设备 启停时间t1:读出160 000条记录需启停一次磁带机的时 间,已知t1=5ms; 有效时间t2:不包括块间间隔,160 000条记录的读出时间,已求出传输率为738千字节/s,故: t2=(160 000×128)/738=27s; 间隔时间t3:计算出总的块间隔长度,然后除以带速。 因160 000条记录共分10 000块,块间隔共长100m, 故:t3=33s 因此总时间: t=5ms+27s+33s=60.005s 外围设备 7.5 光盘存储设备 7.5.1 光盘的分类 7.5.2 磁光盘存储设备 外围设备 7.5.1 光盘的分类 光存储器简称光盘,是近年来颇受重视的一种外存设备,更是多媒体计算机不可缺少的设备。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”。 光盘的优点: 激光可聚焦到1μm以下,从而记录的面密度可达到645Mb/平方英寸,高于一般的磁记录水平。一张CD-ROM盘片的存储容重可达600MB,相当于400多张1.44MB的3.5英寸软盘片。 光盘的缺点: 存取时间长,数据传输率低。 按读写性质来分,光盘分为只读型、一次型、重写型三类。 外围设备 ★ 只读型光盘 只读型光盘是厂商以高成本制作出母盘后大批重压制出来的光盘。这种模压式记录使光盘发 生永久性物理变化,记录的信息只能读出,不能被修改。典型的产品有: LD 俗称影碟,记录模拟视频和音频信息,可放演60分钟全带 宽的PAL制电视。 CD-DA 数字唱盘,记录数字化音频信息,可存储74分钟数字立体声信息 。 VCD 俗称小影碟,记录数字化视频和音频信息。可存储74分钟按MPEG-1标准压缩编码的动态图像信息。 DVD 数字视盘。单记录层容量为4.7GB,可存储135分钟按MPEG-2标准压缩编码的相当于高清晰度电视的视频图像信息和音频信息。 CD-ROM 主要用作计算机外存储器,记录数字数据,也可同时记录数字化视频和音频信息。 外围设备 ★ 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,因此只 能写一次。写后的信息不能再改变,只能读。典型产品是CD-R光盘。用户可在专用的CD- R刻录机上向空白的CD-R盘写入数据,制作好的CD-R光盘可放在CD-ROM驱动器中读出。 外围设备 ★ 重写型光盘 用户可对这类光盘进行随机写入、擦除或重写信息。典型的产品有两种: MO 磁光盘。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” 。利用磁光克尔效应读出数据:当激光来照射到记录点时,记录点的磁化方向不同,会引起 反射光的偏振面发生左旋或右旋,从而检测出所记录的数据“1”或“0”。 PC 相变盘。利用相变材料的晶态和非晶态来记录信息。写入时,强弱不同的激光束对记录点加热再快速冷却后,记录点分别呈现为非晶态和晶态。读出时,用弱激光来扫描相变盘 ,晶态反射率高,非晶态反射率低,根据反射光强弱的变化即可检测出“1”或“0”。 无论是磁光盘还是相变盘,介质材料发生的物理特性改变都是可逆变化,因此是可重写的。 外围设备 7.5.2 磁光盘存储设备 1.CD-ROM光盘存储机理 光盘是直径为120mm厚度为1.2mm的单面记录盘片。 只读型光盘系统的原理: 即光盘上的信息以坑点形式分布,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。对数据存储用的CD-ROM光盘来讲,这种坑点分布作为数字“1”、“0”代码的写入或读出标志。由于只读型光盘是生产厂家制造,为了大量复制,需要制作母盘,为此将存储信息以表面坑点形式记录在母盘上。 光盘的记录信息以凹坑方式永久性存储。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;而聚焦点照射在凸面上时大部分光将返回。根据反射光的光强变化并进行光-电转换,即可读出记录信息。 外围设备 2.光盘的扇区数据结构 信息记录的轨迹称为光道。光道上划分出一个个扇区,它是光盘的最小可寻址单位。扇区的结构如图: 光盘扇区分为4个区域。2个全0字节和10个全1字节组成同步(SYNC)区,标志着扇区的开始。4字节的扇区标识(ID)区用于说明此扇区的地址和工作模式。光盘的扇区地址编码不同于磁盘,它是以分(MN),秒(SC)和分数秒(FR,1/75s)时间值作为地址。由于光盘的恒定线个扇区,故FR的值实际上就是秒内的扇区号(0—74)。 外围设备 ID区的MD为模式控制,用于控制数据区和校验区的使用。 共有三种模式:模式0规定数据区和校验区的全部2336个字节 都是0,这种扇区不用于记录数据,而是用于光盘的导入区和 导出区;模式1规定288字节的校验区为4字节的检测码(EDC)、 8字节的保留域(未定义)和276字节的纠错码(ECC),这种扇区 模式有2048字节的数据并有很强的检测和纠错能力,适合于保 存计算机的程序和数据;模式2规定288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。 外围设备 【例6】CD-ROM光盘的外缘有5mm宽的范围因记录数据困难,一般不使用,故标准的播放时 间为60分钟。计算模式1和模式2情况下光盘存储容量是多少? 【解】: 扇区总数=60×60×75=270000(扇区) 模式1存放计算机程序和数据,其存储容量为: 270000×2048/1024/1024=527MB 模式2存放声音、图像等多媒体数据,其存储容量为: 270000×2336/1024/1024=601MB 外围设备 计算机组成原理 第七章 外围设备 课程教学要求 本章内容: 7.1 外围设备概述 7.2 磁盘存储设备? 7.3 磁盘存储设备的技术发展 7.4 磁带存储设备 7.5 光盘存储设备 7.6 显示设备? 7.7 输入设备和打印设备 7.1 外围设备概述 1 外围设备的一般功能 2 外围设备的分类 外围设备 1 外围设备的一般功能 外围设备的定义: 除了CPU和主存外,计算机系统的其它部件都视为外围设备。 外围设备的功能: 在计算机与其它机器之间、计算机与用户之间建立起交互关系。 外围设备的基本组成: (1) 物理介质:外设组成介质的物理特征。 (2) 驱动装置:用于移动或驱动外设的物理装置。 (3) 控制电路:用于对数据交换的控制电路。 外围设备 外部设备 输入设备 键盘 鼠标器 扫描仪 数码相机 语音文字输入… 输出设备 显示系统 打印机 硬盘存储器 外存储设备… 网络设备 多媒体设备 外围设备的基本类别: 2 外围设备的分类 计算机的五大类外围设备请参看教材P210. CAI演示。 中央部分为主机,主机通过总线与各设备的适配器(接口) 相连,并通过接口中的控制器,与外围设备建立起联系。 外围设备包括:输入设备、输出设备、外存设备、数据通 信设备和过程控制设备几大类,各类外设的工作模式、信息类 型、处理速度和控制方式等都各自不同。 计算机中的主要I/O设备介绍,见教材P210,表7.1。 外围设备 思考题(教材P211): I/O设备为什么不能与主机直接连接? 各种I/O设备的控制器结构相同吗? 本章将以硬盘、显示器为例,简介外设基本原理。 7.2 磁盘存储设备 1 磁记录原理 2 硬磁盘机的基本组成和分类 3 硬磁盘驱动器和控制器 4 磁盘上信息的分布? 5 磁盘存储器的技术指标? 外围设备 7.2.1 磁记录原理 所谓磁表面存储: 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。硬盘就是一个典型实例。 外围设备 (固定硬盘) 硬盘内部结构: 磁表面存储设备是计算机外存储器的主要形式之一。 优点: (教材P211) (1)存储容量大,位价格低;(如:磁盘、磁带) (2)记录介质无损耗,可以长期重复使用; (3)记录信息可以脱机存档,并且可以长期保存 而不丢失; (4)非破坏性读出,读出时无需刷新信息。 —— 广泛用于系统软件、大型文件、数据库等大量数据和文件的存储或备份。 磁表面存储器的缺点: 存取速度较慢,机械控制结构复杂,对工作环境 要求较高等。 由于其存储容量大,内容非易失、位成本低等 特点显著,现代计算机系统中仍是构成辅助大容量存储器的主要部件之一。 存储原理分析 磁性材料的磁滞回线图: H -Br +Br 1.磁性材料的物理特性 外围设备 撤销磁化电流 0 剩磁±Br≠0 撤销磁化电流 从磁滞回线可以看出,磁性材料被磁化以后,存在±Br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”,则:磁性材料上呈现剩磁状态可记录一位二进制代码信息。 2.记录方式?(略) 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。 在磁表面存储器中,由于写入电流的幅度、相位、频率变化不同,从而形成了不同的记录方式(见教材P252 图7-11)。 ??? 常用记录方式可分为不归零制(NRZ),调相制(PM),调频制(FM)几大类。这些记录方式中代码0或1的写入电流波形见文字教材的图7.11。 外围设备 不归零制(NRZ0): 其特点是磁头线圈中始终有电流,不是正向电流(代表1)就是反向电流(代表0),因此不归零制记录方式的抗干扰性能较好。 见“1”就翻不归零制(NRZ1) 与 NRZ0制的相同处:磁头线圈中始终有电流通过。不同处:记录“0”时电流方向不变,只有遇到1时才改变方向。 ??? 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1,由正到负为0,即利用电流相位的变化进行写“1”和“0”,所以通过磁头中的电流方向一定要改变一次,这种记录方式中“1”和“0”的读出信号相位不同,抗干扰能力较强。另外读出信号经分离电路可提取自同步定时脉冲,所以具有自同步能力。磁带存储器中一般采用这种记录方式。 外围设备 调频制(FM) 其特点如下:(1)无论记录的代码是1或0,或者连续写“1”或写“ 0”,在相邻两个存储元交界处电流都要改变方向;(2)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,故称为倍频法。这种记录方式的优点是记录密度高,具有自同步能力。FM可用于单密度磁盘存储器。 改进调频制(MFM) 与调频制的区别在于只有连续记录两个或两个以上“0”时,才在位周期的起始位置翻转一次,而不是在每个位周期的起始处都翻转,因而进一步提高了记录密度。MFM可用于双密度磁盘存储器。 除了上述几种记录方式外,还有游程长度受限码RLLC、成组编码GCR等记录方式。 外围设备 评价一种记录方式优劣的标准:编码效率、自同步能力、 检读分辨力、信息相关性、抗干扰能力、信道带宽、编码译码电路的复杂性等。 编码效率 是指位密度与最大磁化翻转密度之比,也就是指每次磁层状态翻转 所存储的数据信息位的多少。 自同步能力 是指从读出数据(脉冲序列)中自动提取同步信号( 时间基准信号)的能力。自同步能力的大小可以用最小磁化翻转间隔与最大磁化翻转间隔的比值R来衡量。R越大,自同步能力越高。 检读分辨力 是指磁记录系统对读出信号的分辨能力。 信息相关性 是指漏读或错读一位是否会传播误码,所以是衡量精度的指标。 外围设备 3.磁表面存储器的读写原理 在磁表面存储器中,利用一种“磁头”的装置来形成和检测磁层中的不同磁化状态。 (1)写操作 外围设备 局部磁化单元 载磁体 写线圈 S N I 局部磁化单元 写线圈 S N 铁芯 磁通 磁层 写入“0” 写入“1” I 当在线圈里通入不同方向的脉冲磁化电流,就可在载磁体表面得到具有不同剩磁极性的磁化元。(信息的写入) 显然,一个磁化元就是一个存储元,可以存储一位二 进制信息。 当载磁体相对于磁头运动时 ,就可以连续写入一连串的二进制信息。 (2)读操作 外围设备 N 读线圈 S 读线圈 S N 铁芯 磁通 磁层 运动方向 运动方向 s s t t f f e e 读出 “0” 读出 “1” 不同的剩磁读会产生出极性不同的e -e e 相应的电动势e,其值为: 不同方向的感应电势经读出放大器放大鉴别,就可判知读出的信息是“1”还是“0”。 (信息的读出) ∴ 磁表面存储器存取信息的原理:电-磁变换 7.2.2 磁盘的基本组成和分类 硬磁盘: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。 其逻辑结构图请参见教材P213。 CAI演示 外围设备 磁 盘 控 制 器 磁 盘 驱 动 器 盘 片 主 机 磁盘控制器包括: 控制逻辑与时序、数据并-串变换、串-并变换电路。 磁盘驱动器包括: 写入电路与读出电路、读写转换开关、读写磁头与磁头定位伺服系统等。 磁盘系统基本组成: 硬磁盘分类: 按盘片结构分成可换盘片式与固定盘片式两种;磁头也分为可移动磁头和固定磁头两种。 (1) 可移动磁头固定盘片的磁盘机 特点:一组盘片固定在主轴上,盘片不可更换 。盘片每面有一个磁头,存取数据时磁头沿盘面径向方向移动。 (2) 固定磁头磁盘机 特点:磁盘的每一个磁道对应一个磁头,磁头位置固定,盘片不可更换。优点是存取速度快,省去磁头找道时间,缺点是磁头多、结构过于复杂。 外围设备 (3)可移动磁头可换盘片的磁盘机 盘片可以更换,磁头可沿盘面径向移动。优点是盘片可以脱机保存,同种型号的盘片具有互换性。 (4)温彻斯特磁盘机 温彻斯特磁盘简称温盘,是一种采用先进技术研制的可移动磁头固定多盘片的磁盘机。它是一种密封组合式的硬磁盘,即磁头、盘片、电机等驱动部件乃至读写电路等组装成一个不可随意拆卸的整体。 优点是防尘性能好,可靠性高,对使用环境要求不高。 外围设备 7.2.3 硬磁盘驱动器和控制器 1.磁盘驱动器 各类磁盘驱动器的具体结构虽然有差别,但基本结构相同,主要由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统组成,是一种精密的电子和机械装置。 2.磁盘控制器 磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口。磁盘与主机之间采用成批交换数据方式。 磁盘控制器需要有两个方面的接口:①与主机的接口(称为系统级接口),控制外存与主机总线之间交换数据;② 与设备的接口(称为设备级接口),根据主机命令控制设备的操作。(见后图) 主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑如图所示: 以数据读出为例:磁盘上的信息经读磁头读出、信号放大; → 进行串-并变换、格式变换; → 送入数据缓冲器; → 按成组数据传送控制方式,将数据并行传送 到主机。 外围设备 磁盘 主机 每块盘片的上下两面都能记录信息,通常把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,“扇区”是磁盘上的最小记录单位。 各记录面上的同号磁道构成一个柱面。 当某文件长度超过一个磁道的容量,通常将它记录在同一个柱面上。 (为什么?) →可减少磁头移动、加速存取速度。 7.2.4 磁盘上信息的分布 外围设备 ??? 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。 因此,对活动头磁盘组(如图)来说,磁盘地址格式为: 在磁道上,信息是按扇区 存放的,每个扇区中存放一定 数量的字或字节,并且,每个 扇区存放的字或字节数是相同 的。 ∴ 内磁道的存储密度比外磁 道的存储密度大. 外围设备 盘面(磁头)号 柱面(磁道)号 扇区号 ????? 磁盘存储器的每个扇区记录定长的数据(数据块),是串行、逐位进行读/写操作的。数据在磁盘上的记录格式如下:(教材P216) 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,以方便识别。 外围设备

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