計(jì)算機(jī)組成原理第七章 外存與I0設(shè)備

1、1第七章第七章 外圍設(shè)備外圍設(shè)備返回2第七章第七章 外圍設(shè)備外圍設(shè)備l外圍設(shè)備概述l磁盤存儲(chǔ)設(shè)備l磁盤存儲(chǔ)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展l磁帶存儲(chǔ)設(shè)備l顯示設(shè)備l輸入設(shè)備和打印設(shè)備37.1.1外圍設(shè)備的一般功能外圍設(shè)備的一般功能主機(jī)外圍設(shè)備CPU運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備系統(tǒng)總線7.1外圍設(shè)備概述外圍設(shè)備概述4外圍設(shè)備功能定義外圍設(shè)備功能定義l廣義:凡與計(jì)算機(jī)相連、受主機(jī)控制完成數(shù)據(jù)處理或控制操作的裝置都可稱外圍設(shè)備外圍設(shè)備。l輸入輸出設(shè)備，外存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)通訊設(shè)備，終端設(shè)備，以及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、檢測(cè)系統(tǒng)中的各種采樣、檢測(cè)設(shè)備， AD和DA轉(zhuǎn)換器，各種與計(jì)算機(jī)相關(guān)的儀表及裝置。l狹義:僅指輸入輸出設(shè)備和

2、外存儲(chǔ)器，它們是只用于輸入輸出數(shù)字信息的、構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必不可少的設(shè)備。l外圍設(shè)備又稱外部設(shè)備外部設(shè)備，5外圍設(shè)備特點(diǎn)外圍設(shè)備特點(diǎn)l由信息載體,設(shè)備和設(shè)備控制器組成;l工作速度比主機(jī)慢很多;l不同設(shè)備的信息類型和格式不同;l以上這些特點(diǎn)給主機(jī)與輸入輸出設(shè)備的連接帶來復(fù)雜性。因此，必須設(shè)置一個(gè) 1O接口來解決信息的緩沖、同步與通訊，格式的轉(zhuǎn)換及電氣特性的適配等一系列問題。 6外圍設(shè)備（磁盤）基本組成(1) 存儲(chǔ)介質(zhì)，它具有保存信息的物理特征。例如磁盤就是一個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)的例子，它是用記錄在盤上的磁化元表示信息。(2) 驅(qū)動(dòng)裝置，它用于移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)。例如，磁盤設(shè)備中，驅(qū)動(dòng)裝置用于轉(zhuǎn)動(dòng)磁盤并進(jìn)行定位。(

3、3)控制電路，它向存儲(chǔ)介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)或從存儲(chǔ)介質(zhì)接受數(shù)據(jù)。例如，磁盤讀出時(shí)，控制電路把盤上用磁化元形式表示的信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所需要的電信號(hào)，并把這些信號(hào)用電纜送給計(jì)算機(jī)主機(jī)77.1.2 外圍設(shè)備分類外圍設(shè)備分類l輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、手寫筆l輸出設(shè)備：顯示器，打印機(jī)，繪圖儀；l輸入兼輸出設(shè)備：終端，傳真機(jī)；l外存儲(chǔ)器：磁盤，硬盤、磁帶、光盤；l數(shù)據(jù)通訊設(shè)備：FAX ，MODEM；l過程控制設(shè)備：A/D，D/A，傳感器，儀表。87.1外圍設(shè)備概述外圍設(shè)備概述 一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配備什么樣的外圍設(shè)備，是根據(jù)實(shí)際需要來決定的。如下圖所示出了計(jì)算機(jī)的五大類外圍設(shè)備，這只是一個(gè)典型化了的計(jì)算機(jī)環(huán)境。9

4、7.2.1磁記錄原理磁記錄原理l將磁性材料薄薄的涂在金屬或者塑料表面作載磁體來存儲(chǔ)信息的方式稱為磁表面存儲(chǔ)磁表面存儲(chǔ)l大多數(shù)外存儲(chǔ)器均采用磁記錄原理l磁鼓、軟磁盤、硬磁盤、磁帶 7.2磁盤存儲(chǔ)設(shè)備磁盤存儲(chǔ)設(shè)備107.2.1磁記錄原理磁記錄原理l將磁性材料薄薄的涂在金屬或者塑料表面作載磁體來存儲(chǔ)信息的方式稱為磁表面存儲(chǔ)l大多數(shù)外存儲(chǔ)器均采用磁記錄原理l磁鼓、軟磁盤、硬磁盤、磁帶 11磁記錄特點(diǎn)磁記錄特點(diǎn)l存儲(chǔ)容量大，位價(jià)格低l記錄介質(zhì)可重復(fù)使用l記錄信息可長(zhǎng)期保存l非破壞性讀出l采用機(jī)械裝置，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜l存取速度慢l對(duì)工作環(huán)境要求高121.磁性材料物理特性磁性材料物理特性lB-磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)

5、強(qiáng)度lH-外加磁場(chǎng)強(qiáng)度外加磁場(chǎng)強(qiáng)度lI-電流電流l磁性材料被磁化后，磁性材料被磁化后，l工作點(diǎn)總在磁滯回線上。工作點(diǎn)總在磁滯回線上。l剩磁狀態(tài)剩磁狀態(tài)+Br , Br。l矩形磁滯回線矩形磁滯回線Br 較大容易較大容易讀出，矯頑力讀出，矯頑力Hc較小容易較小容易磁化，易于寫入信息磁化，易于寫入信息13 磁頭：軟磁材料做鐵芯，其上繞有讀寫線圈的電磁鐵 利用磁性材料剩磁的兩種磁化方向 (S-N或N-S)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”和“1”。 鐵心 讀線圈 寫線圈 磁層 載磁體 運(yùn)動(dòng)方向 I S N N S 2、磁表面存儲(chǔ)器的讀寫原理、磁表面存儲(chǔ)器的讀寫原理14磁表面存儲(chǔ)器存儲(chǔ)原理磁表面存儲(chǔ)器存儲(chǔ)原理l電磁變

6、換，利用磁頭寫線圈中的脈沖電流，將數(shù)值轉(zhuǎn)換成磁層存儲(chǔ)單元中的不同剩磁狀態(tài)。l利用磁電變化，通過磁頭讀出線圈，將存儲(chǔ)單元的剩磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。15記錄方式記錄方式l形成不同寫入電流的方式稱為記錄方式l 不歸零制（NRZ0）l 見“1”就翻不歸零制（NRZ1）l 調(diào)相制（PM）l 調(diào)頻制（FM）l 改進(jìn)調(diào)頻制（MFM）16硬盤基本組成硬盤基本組成l盤片組l主軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)l磁頭l磁頭驅(qū)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)l讀寫電路l接口及控制電路7.2.2、磁盤的組成和分類17硬盤存儲(chǔ)器基本組成硬盤存儲(chǔ)器基本組成 控制器接口 磁頭定位 伺服系統(tǒng) 讀/寫 電路 磁頭 選擇電路 電源 空氣 過濾系統(tǒng) 主軸電機(jī) 控制電路 控制

7、器 定位信息 寫入數(shù)據(jù) 讀出數(shù)據(jù) 磁頭地址 磁頭 盤片 18l寫入時(shí)，將計(jì)算機(jī)并行送來的數(shù)據(jù)取至并串變換寄存器，變?yōu)榇袛?shù)據(jù)，然后一位一位地由寫電流驅(qū)動(dòng)器作功率放大并加到寫磁頭線圈上產(chǎn)生電流，從而在盤片磁層上形成按位的磁化存儲(chǔ)元。讀出時(shí)，當(dāng)記錄介質(zhì)相對(duì)磁頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，位磁化存儲(chǔ)元形成的空間磁場(chǎng)在讀磁頭線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，此讀出信息經(jīng)放大檢測(cè)就可還原成原來存入的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)是一位一位串行讀出的，故要送至串并變換寄存器變換為并行數(shù)據(jù)，再并行送至計(jì)算機(jī)。197.2磁盤存儲(chǔ)設(shè)備磁盤存儲(chǔ)設(shè)備l硬磁盤按盤片結(jié)構(gòu)，分成可換盤片式與固定盤片式兩種；磁頭也分為可移動(dòng)磁頭和固定磁頭兩種?？梢苿?dòng)磁頭固定盤片的磁盤機(jī)的

8、特點(diǎn)是一片或一組盤片固定在主軸上，盤片不可更換。盤片每面只有一個(gè)磁頭，存取數(shù)據(jù)時(shí)磁頭沿盤面徑向移動(dòng)?？梢苿?dòng)磁頭可換盤片的磁盤機(jī)：盤片可以更換，磁頭可沿盤面徑向移動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是盤片可以脫機(jī)保存，同種型號(hào)的盤片具有互換性。固定磁頭磁盤機(jī)特點(diǎn)是磁頭位置固定，磁盤的每一個(gè)磁道對(duì)應(yīng)一個(gè)磁頭，盤片不可更換。優(yōu)點(diǎn)是存取速度快，省去磁頭找道時(shí)間，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。207.2磁盤存儲(chǔ)設(shè)備磁盤存儲(chǔ)設(shè)備l溫徹斯特磁盤機(jī)簡(jiǎn)稱溫盤，是一種采用先進(jìn)技術(shù)研制的可移動(dòng)磁頭固定盤片的磁盤機(jī)。它是一種密封組合式的硬磁盤，即磁頭、盤片、電機(jī)等驅(qū)動(dòng)部件乃至讀寫電路等組裝成一個(gè)不可隨意拆卸的整體。工作時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)在盤面上形成的氣墊將磁頭平穩(wěn)

9、浮起。優(yōu)點(diǎn)是防塵性能好，可靠性高，對(duì)使用環(huán)境要求不高，成為最有代表性的硬磁盤存儲(chǔ)器。而普通的硬磁盤要求具有超凈環(huán)境，只能用于大型計(jì)算機(jī)中。217.2磁盤存儲(chǔ)設(shè)備磁盤存儲(chǔ)設(shè)備7.2.3、磁盤驅(qū)動(dòng)器和控制器l磁盤驅(qū)動(dòng)器是一種精密的電子和機(jī)械裝置，因此各部件的加工安裝有嚴(yán)格的技術(shù)要求。對(duì)溫盤驅(qū)動(dòng)器，還要求在超凈環(huán)境下組裝。各類磁盤驅(qū)動(dòng)器的具體結(jié)構(gòu)雖然有差別，但基本結(jié)構(gòu)相同，主要由定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。如下圖是磁盤驅(qū)動(dòng)器外形和結(jié)構(gòu)示意圖。2223247.2磁盤存儲(chǔ)設(shè)備磁盤存儲(chǔ)設(shè)備l磁盤控制器是主機(jī)與磁盤驅(qū)動(dòng)器之間的接口，電路板實(shí)物見下圖(a)所示。由于磁盤存儲(chǔ)器是高速外存設(shè)備，故與

10、主機(jī)之間采用成批交換數(shù)據(jù)方式。作為主機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間的控制器，它需要有兩個(gè)方面的接口：一個(gè)是與主機(jī)的接口，控制外存與主機(jī)總線之間交換數(shù)據(jù)；另一個(gè)是與設(shè)備的接口，根據(jù)主機(jī)命令控制設(shè)備的操作。前者稱為系統(tǒng)級(jí)接口，后者稱為設(shè)備級(jí)接口。l主機(jī)與磁盤驅(qū)動(dòng)器交換數(shù)據(jù)的控制邏輯見下圖(b)。磁盤上的信息經(jīng)讀磁頭讀出以后送讀出放大器，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)與時(shí)鐘的分離，再進(jìn)行串并變換、格式變換，最后送入數(shù)據(jù)緩沖器，經(jīng)DMA(直接存儲(chǔ)器傳送)控制將數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)總線。25267.2磁盤存儲(chǔ)設(shè)備磁盤存儲(chǔ)設(shè)備7.2.4、磁盤上信息的分布 盤片的上下兩面都能記錄信息，通常把磁盤片表面稱為記錄面。記錄面上一系列同心圓稱為磁道。每個(gè)

11、盤片表面通常有幾百到幾千個(gè)磁道，每個(gè)磁道又分為若干個(gè)扇區(qū)，如下一頁(yè)圖所示。從圖中看出，外面扇區(qū)比里面扇區(qū)面積要大。磁盤上的這種磁道和扇區(qū)的排列稱為格式。27l若干盤片，每個(gè)盤片若干盤片，每個(gè)盤片2面面l磁道（磁道（Track）l扇區(qū)（扇區(qū)（Sector）28磁盤信息編址和記錄格式磁盤信息編址和記錄格式l盤面號(hào)，以區(qū)分要訪問的是哪個(gè)記錄面。軟盤只有兩個(gè)記錄面，若是磁盤組，則有若干個(gè)記錄面。l所有記錄面上半徑相等的磁道的集合稱為圓柱面半徑相等的磁道的集合稱為圓柱面Cylinder。一個(gè)磁盤組的圓柱面數(shù)等于其中一個(gè)記錄面上的磁道數(shù)。l一臺(tái)主機(jī)如果配有幾臺(tái)磁盤驅(qū)動(dòng)器，則還要給它們編號(hào)，以區(qū)分是哪臺(tái)磁盤

12、機(jī)工作。因此磁盤地址格式為： 驅(qū)動(dòng)器號(hào) 盤面號(hào)柱面號(hào)扇區(qū)號(hào)29數(shù)據(jù)在磁盤上的記錄格式數(shù)據(jù)在磁盤上的記錄格式307.2.5、磁盤存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)l磁盤存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)l存儲(chǔ)密度：存儲(chǔ)密度分道密度、位密度和面密度。l道密度：沿磁盤半徑方向單位長(zhǎng)度上的磁道數(shù)，單位為道/英寸。l位密度：磁道單位長(zhǎng)度上能記錄的二進(jìn)制代碼位數(shù)，單位為位/英寸。l面密度：位密度和道密度的乘積，單位為位/平方英寸。l存儲(chǔ)容量：一個(gè)磁盤存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的字節(jié)總數(shù)，稱為磁盤存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。31l存取時(shí)間：存取時(shí)間是指從發(fā)出讀寫命令后，磁頭從某一起始位置移動(dòng)至新的記錄位置，到開始從盤片表面讀出或?qū)懭胄畔⒓由蟼魉蛿?shù)據(jù)所需要的時(shí)間

13、。取決于以下三個(gè)因素決定：l一個(gè)是將磁頭定位至所要求的磁道上所需的時(shí)間，稱為找道時(shí)間；l第二個(gè)是找道完成后至磁道上需要訪問的信息到達(dá)磁頭下的時(shí)間，稱為等待時(shí)間，這兩個(gè)時(shí)間都是隨機(jī)變化的，因此往往使用平均值來表示，平均找道時(shí)間是最大找道時(shí)間與最小找道時(shí)間的平均值。平均等待時(shí)間和磁盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，它用磁盤旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間的一半來表示。l第三個(gè)是數(shù)據(jù)傳送時(shí)間。32rNbrTTsa21Ts:平均找道時(shí)間；平均找道時(shí)間；r：磁盤轉(zhuǎn)速；：磁盤轉(zhuǎn)速；b：傳送的字節(jié)數(shù)；：傳送的字節(jié)數(shù)；N：每條磁道的容量：每條磁道的容量平均存取時(shí)間平均存取時(shí)間337.2磁盤存儲(chǔ)設(shè)備磁盤存儲(chǔ)設(shè)備l數(shù)據(jù)傳輸率：磁盤存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)向

14、主機(jī)傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，叫數(shù)據(jù)傳輸率，傳輸率與存儲(chǔ)設(shè)備和主機(jī)接口邏輯有關(guān)。從主機(jī)接口邏輯考慮，應(yīng)有足夠快的傳送速度向設(shè)備接收/發(fā)送信息。從存儲(chǔ)設(shè)備考慮，假設(shè)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為n轉(zhuǎn)/秒，每條磁道容量為N個(gè)字節(jié)，則數(shù)據(jù)傳輸率： Dr=nN(字節(jié)/秒) 或Dr=Dv(字節(jié)/秒)-D:位密度,v：線速度34例例1 某磁盤組共有某磁盤組共有8個(gè)記錄面。盤面存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)個(gè)記錄面。盤面存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)徑徑2英寸英寸,外徑外徑8英寸，道密度為英寸，道密度為100TPI，最，最內(nèi)磁道上的位密度為內(nèi)磁道上的位密度為5000BPI，轉(zhuǎn)速為，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分，平均找道時(shí)間為分，平均找道時(shí)間為10ms。問：。問： 1)平均存取時(shí)間

15、是多少（不包括數(shù)據(jù)傳送平均存取時(shí)間是多少（不包括數(shù)據(jù)傳送時(shí)間）？時(shí)間）？ 2)共有多少圓柱面？共有多少圓柱面？ 3)總存儲(chǔ)容量是多少？總存儲(chǔ)容量是多少？ 4) 數(shù)據(jù)傳輸率是多少？數(shù)據(jù)傳輸率是多少？35解：解： 1）平均存取時(shí)間）平均存取時(shí)間=平均找道時(shí)間平均找道時(shí)間+平均等待時(shí)間平均等待時(shí)間 平均等待時(shí)間平均等待時(shí)間=（1/300060）/2=10 ms 平均存取時(shí)間平均存取時(shí)間=10ms+10ms=20ms 2) 圓柱面數(shù)圓柱面數(shù)=有效存儲(chǔ)區(qū)域長(zhǎng)度有效存儲(chǔ)區(qū)域長(zhǎng)度道密度道密度 （82）/2）100道道=300道道 3）總存儲(chǔ)容量）總存儲(chǔ)容量=磁道長(zhǎng)度磁道長(zhǎng)度位密度位密度柱面數(shù)柱面數(shù)盤面數(shù)盤面

16、數(shù) 3.142150003008= 75.36(MB) 4) 數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率= 位密度位密度周長(zhǎng)周長(zhǎng)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 5 0 0 0 3 . 1 4 2 (3000/60)=2.5(MB/s)36例2磁盤組有6片磁盤，每片有兩個(gè)記錄面，最上最下兩個(gè)面不用。存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)徑22cm，外徑33cm，道密度為40道/cm，內(nèi)層位密度400位/cm，轉(zhuǎn)速6000轉(zhuǎn)/分。問：(1)共有多少柱面?(2)盤組總存儲(chǔ)容量是多少?(3)數(shù)據(jù)傳輸率多少?(4)采用定長(zhǎng)數(shù)據(jù)塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么?尋址命令中如何表示磁盤地址?(5)如果某文件長(zhǎng)度超過一個(gè)磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個(gè)存儲(chǔ)面上，還是記錄在同一個(gè)

17、柱面上?37解：(1)有效存儲(chǔ)區(qū)域=16.5-11=5.5(cm)因?yàn)榈烂芏?40道/cm，所以405.5=220道，即220個(gè)圓柱面。(2)內(nèi)層磁道周長(zhǎng)為2R=23.1411=69.08(cm)每道信息量=400位/cm69.08cm=27632位=3454B每面信息量=3454B220=759880B盤組總?cè)萘?759880B10=7598800B(3)磁盤數(shù)據(jù)傳輸率Dr=rNN為每條磁道容量，N=3454Br為磁盤轉(zhuǎn)速，r=6000轉(zhuǎn)/60秒=100轉(zhuǎn)/秒Dr=rN=1003454B=345400B/s38解： (4)采用定長(zhǎng)數(shù)據(jù)塊格式，直接尋址的最小單位是一個(gè)記錄塊(一個(gè)扇區(qū))，每個(gè)記

18、錄塊記錄固定字節(jié)數(shù)目的信息，在定長(zhǎng)記錄的數(shù)據(jù)塊中，活動(dòng)頭磁盤組的編址方式可用如下格式： 此地址格式表示有4臺(tái)磁盤（2位），每臺(tái)有16個(gè)記錄面/盤面（4位），每面有256個(gè)磁道（8位），每道有16個(gè)扇區(qū)（4位）。(5)如果某文件長(zhǎng)度超過一個(gè)磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個(gè)柱面上，因?yàn)椴恍枰匦抡业溃瑪?shù)據(jù)讀/寫速度快。臺(tái)號(hào)柱號(hào)（磁道）號(hào)扇區(qū)號(hào)盤面號(hào)/磁頭號(hào)397.3磁盤存儲(chǔ)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展磁盤存儲(chǔ)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展一、磁盤cache隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，CPU的速度每年增長(zhǎng)1倍左右，主存芯片容量和磁盤驅(qū)動(dòng)器的容量每15年增長(zhǎng)1倍左右。但磁盤驅(qū)動(dòng)器的存取時(shí)間沒有出現(xiàn)相應(yīng)的下降，仍停留在毫秒(ms)級(jí)。而

19、主存的存取時(shí)間為納秒(ns)級(jí)，兩者速度差別十分突出，因此磁盤I/O系統(tǒng)成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。為了減少存取時(shí)間，可采取的措施有：提高磁盤機(jī)主軸轉(zhuǎn)速，提高I/O總線速度，采用磁盤cache等。主存和CPU之間設(shè)置高速緩存cache是為了彌補(bǔ)主存和CPU之間速度上的差異。同樣，磁盤cache是為了彌補(bǔ)慢速磁盤和主存之間速度上的差異。407.3磁盤存儲(chǔ)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展磁盤存儲(chǔ)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展l磁盤cache的原理l在磁盤cache中，由一些數(shù)據(jù)塊組成的一個(gè)基本單位稱為cache行。當(dāng)一個(gè)I/O請(qǐng)求送到磁盤驅(qū)動(dòng)時(shí)，首先搜索驅(qū)動(dòng)器上的高速緩沖行是否已寫上數(shù)據(jù)？如果是讀操作，且要讀的數(shù)據(jù)已在cache中，則為命

20、中，可從cache行中讀出數(shù)據(jù)，否則需從磁盤介質(zhì)上讀出。寫入操作和CPU中的cache類似，有“直寫”和“寫回”兩種方法。磁盤cache利用了被訪問數(shù)據(jù)的空間局部性和時(shí)間局部性原理。空間局部性是指當(dāng)某些數(shù)據(jù)被存取時(shí)，該數(shù)據(jù)附近的其他數(shù)據(jù)可能也將很快被存?。粫r(shí)間局部性是指當(dāng)一些數(shù)據(jù)被存取后，不久這些數(shù)據(jù)還可能再次存取。因此現(xiàn)在大多數(shù)磁盤驅(qū)動(dòng)器中都使用了預(yù)讀策略，而根據(jù)局部性原理預(yù)取一些不久將可能讀入的數(shù)據(jù)放到磁盤cache中。CPU的cache存取時(shí)間一般小于10ns，命中率95%以上，全用硬件來實(shí)現(xiàn)。磁盤cache一次存取的數(shù)量大，數(shù)據(jù)集中，速度要求較CPU的cache低，管理工作較復(fù)雜，因此

21、一般由硬件和軟件共同完成。其中cache采用SRAM或DRAM。417.3磁盤存儲(chǔ)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展磁盤存儲(chǔ)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展二、磁盤陣列RAIDlRAID稱廉價(jià)冗余磁盤陣列，它是用多臺(tái)磁盤存儲(chǔ)器組成的大容量外存系統(tǒng)。其構(gòu)造基礎(chǔ)是利用數(shù)據(jù)分塊技術(shù)和并行處理技術(shù)，在多個(gè)磁盤上交錯(cuò)存放數(shù)據(jù)，使之可以并行存取。在RAID控制器的組織管理下，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行存儲(chǔ)、交叉存儲(chǔ)、單獨(dú)存儲(chǔ)。由于陣列中的一部分磁盤存有冗余信息，一旦系統(tǒng)中某一磁盤失效，可以利用冗余信息重建用戶信息。lRAID是1988年由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校一個(gè)研究小組提出的，它的設(shè)計(jì)理念是用多個(gè)小容量磁盤代替一個(gè)大容量磁盤，并用分布數(shù)據(jù)的方法能夠同

22、時(shí)從多個(gè)磁盤中存取數(shù)據(jù)，因而改善了I/O性能，增加了存儲(chǔ)容量，現(xiàn)已在超級(jí)或大型計(jì)算機(jī)中使用。l工業(yè)上制定了一個(gè)稱為RAID的標(biāo)準(zhǔn)，它分為7級(jí)(RAID 0RAID 6)。這些級(jí)別不是表示層次關(guān)系，而是指出了不同存儲(chǔ)容量、可靠性、數(shù)據(jù)傳輸能力、I/O請(qǐng)求速率等方面的應(yīng)用需求。42 下面以RAID 0級(jí)為例來說明。考慮到低成本比可靠性更重要，RAID 0未采用奇偶校驗(yàn)等冗余技術(shù)。RAID 0用于高速數(shù)據(jù)傳輸和高速I/O請(qǐng)求。l對(duì)RAID 0,用戶和系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布在陣列中的所有磁盤上。與單個(gè)大容量磁盤相比，其優(yōu)點(diǎn)是：如果兩個(gè)I/O請(qǐng)求正在等待兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，則被請(qǐng)求的塊有可能在不同的盤上。因此，兩個(gè)

23、請(qǐng)求能夠并行發(fā)出，減少了I/O排隊(duì)的時(shí)間。見下圖。43RAID 0級(jí)陣列的數(shù)據(jù)映射447.4磁帶存儲(chǔ)設(shè)備磁帶存儲(chǔ)設(shè)備l磁帶機(jī)的記錄原理與磁盤機(jī)基本相同，只是它的載磁體是一種帶狀塑料，叫做磁帶。寫入時(shí)可通過磁頭把信息代碼記錄在磁帶上。當(dāng)記錄有代碼的磁帶在磁頭下移動(dòng)時(shí)，就可在磁頭線圈上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，即讀出信息代碼。磁帶存儲(chǔ)設(shè)備由磁帶機(jī)和磁帶兩部分組成，它通常用作為海量存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)備份。l磁帶速度比磁盤速度慢，原因是磁帶上的數(shù)據(jù)采用順序訪問方式，而磁盤則采用隨機(jī)訪問方式。457.5光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備一、光盤存儲(chǔ)設(shè)備 只讀型光盤系統(tǒng)都基于一個(gè)共同原理，即光盤上的信息以坑點(diǎn)形式分

24、布，有坑點(diǎn)表示為“1”，無(wú)坑點(diǎn)表示為“0”，一系列的坑點(diǎn)(存儲(chǔ)元)形成信息記錄道，見圖（b）。對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用的CDROM光盤來講，這種坑點(diǎn)分布作為數(shù)字“1”、“0”代碼的寫入或讀出標(biāo)志。為此必須采用激光作為光源，并采用良好的光學(xué)系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。467.5光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備l光盤的記錄信息以凹坑方式永久性存儲(chǔ)。讀出時(shí)，當(dāng)激光束聚焦點(diǎn)照射在凹坑上時(shí)將發(fā)生衍射，反射率低；而聚焦點(diǎn)照射在凸面上時(shí)大部分光將返回。根據(jù)反射光的光強(qiáng)變化并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，即可讀出記錄信息。477.5光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備l信息記錄的軌跡稱為光道。光道上劃分出一個(gè)個(gè)扇區(qū)，它是光盤的最小可尋址單

25、位。扇區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖所示。487.5光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備 【例2】CDROM光盤的外緣有5mm寬的范圍因記錄數(shù)據(jù)困難，一般不使用，故標(biāo)準(zhǔn)的播放時(shí)間為60分鐘。計(jì)算模式1和模式2情況下光盤存儲(chǔ)容量是多少? 解： 扇區(qū)總數(shù)=60分60秒75扇區(qū)/秒=270 000(扇區(qū)) 模式1存放計(jì)算機(jī)程序和數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)容量為 270 0002048B/220=527MB 模式2存放聲音、圖像等多媒體數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)容量為270 0002336B/220=601MB49CD-DA Compact Disc Digital Audiol一般的音樂CD，是CD系列的始祖，lPhilips和Sony于1

26、980年發(fā)表著名的紅皮書。紅皮書。l該種光盤產(chǎn)品主要用于音樂儲(chǔ)存，由于具有高品質(zhì)的數(shù)字音質(zhì)，該產(chǎn)品數(shù)年之內(nèi)即風(fēng)行世界，并衍生后續(xù)各種CD光盤產(chǎn)品。50CD-ROM CD Read Only Memoryl1985年P(guān)hilips和Sony發(fā)表黃皮書黃皮書，l定義了儲(chǔ)存計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、圖形、聲音及動(dòng)畫檔案的規(guī)格，而為了往后能儲(chǔ)存更復(fù)雜的數(shù)據(jù)，同時(shí)也規(guī)范了控制訊號(hào)，數(shù)據(jù)偵錯(cuò)、數(shù)據(jù)校正、扇區(qū)大小。lCD自此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)記憶媒體的領(lǐng)域，CD-ROM可提供650MB，當(dāng)時(shí)硬盤最大容量為850MB。51CD-I CD-Interactivel黃皮書之后，Philips和Sony針對(duì)消費(fèi)電子市場(chǎng)，推出了綠皮書綠

27、皮書l定義多媒體CD的規(guī)格及相關(guān)的硬件規(guī)格(指搭配MPEG; Moving Picture Experts Group)，l提供了一種交互式的媒體給使用者，其最大的特色就是能同步播放聲音、影像、與其它數(shù)據(jù)(例如文字)，也就是具備了播放電影的能力，自此使光盤進(jìn)入娛樂媒體的領(lǐng)域。52Video CD l白皮書白皮書定義了CD-I的應(yīng)用規(guī)格，CD-I Bridge，即所謂的Video CD，lPhilips、Sony、JVC、Matsushita共同開發(fā)lVideo CD儲(chǔ)存的是以MPEG-1規(guī)格壓縮之全屏幕全動(dòng)態(tài)影像，整張Video CD可存放74分鐘的影音資料。53可寫一次型光盤可寫一次型光盤l

28、CD-R 利用激光在CD-R有機(jī)染料記錄面直接加熱而燒出坑(Pit)或是使有機(jī)染料曾發(fā)生化學(xué)性退化 (Degrade)，總之就改變有機(jī)染料記錄面對(duì)光的反射率。l當(dāng)光驅(qū)較低功率的激光讀到坑 (Pit) 和原來的表面不同的反射率，被燒出坑 (Pit) 的地方它會(huì)吸收部分的激光，而原來的表面不吸收而反射激光，光驅(qū)將不同的反射結(jié)果轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)54光盤存儲(chǔ)器的特點(diǎn)光盤存儲(chǔ)器的特點(diǎn)l存儲(chǔ)密度高l非接觸式讀寫l盤面抗污染l保存時(shí)間長(zhǎng)l使用方便l價(jià)格低 55光驅(qū)的工作原理光驅(qū)的工作原理l寫入時(shí)，被調(diào)制信號(hào)送調(diào)制器，將寫入光束調(diào)制。調(diào)制后的光束由跟蹤反射鏡反射至聚焦系統(tǒng)再射向光盤，在光盤記錄介質(zhì)上記錄信息。

29、l讀出時(shí)，寫入光束不起作用。小功率（數(shù)mw）讀出光束經(jīng)光束分離器將從光盤反射回的讀出光信號(hào)導(dǎo)入光電探測(cè)器，由光電探測(cè)器輸出電信號(hào)。56光驅(qū)的速度光驅(qū)的速度l最早的光驅(qū)是單倍速的，只能用來聽CD，伴隨著技術(shù)的更新和發(fā)展，短短幾年的時(shí)間，由原來單倍速光驅(qū)到發(fā)展到現(xiàn)在52倍速光驅(qū)。 單速： 150KB/S 8速： 1200KB/S 24速：3600KB/S 52速：7800KB/S57光盤數(shù)據(jù)分布剖面圖光盤數(shù)據(jù)分布剖面圖 58光盤數(shù)據(jù)分布俯視圖光盤數(shù)據(jù)分布俯視圖597.5光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備二、磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備l磁光盤的基本工作原理是：利用熱磁效應(yīng)寫入數(shù)據(jù)：當(dāng)激光束將磁光介質(zhì)上的記

30、錄點(diǎn)加熱到居里點(diǎn)溫度以上時(shí)，外加磁場(chǎng)作用改變記錄點(diǎn)的磁化方向，而不同的磁化方向可表示數(shù)字“0”和“1”。利用磁光克爾效應(yīng)讀出數(shù)據(jù)：當(dāng)激光束照射到記錄點(diǎn)時(shí)，記錄點(diǎn)的磁化方向不同，會(huì)引起反射光的偏振面發(fā)生不同結(jié)果，從而檢測(cè)出所記錄的數(shù)據(jù)“1”或“0”。60617.5光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備l磁光盤操作的四種情況：圖(a)表示未編碼的磁盤，例如所有磁化點(diǎn)均存“0”。圖(b)表示寫操作：高功率激光束照射加熱點(diǎn)（記錄點(diǎn)），磁頭線圈中外加電流后產(chǎn)生的磁場(chǎng)使其對(duì)應(yīng)的記錄點(diǎn)產(chǎn)生相反的磁性微粒，從而寫入“1”。圖(c)表示讀操作：低功率的激光束反射掉相反極性的磁性粒子且使它的極性變化。如果這些粒

31、子沒有被反射掉，則反射激光束的極性是不變化的。圖(d)表示擦除操作：高功率激光束照射記錄點(diǎn)，外加磁場(chǎng)改變方向，使磁性粒子恢復(fù)到原始極性。 總之，MO盤介質(zhì)材料發(fā)生的物理特性改變是可逆變化，因此信息是可重寫的。627.6顯顯 示示 設(shè)設(shè) 備備一、顯示設(shè)備的分類和有關(guān)概念1、分類：l器件：CRT、LCD、等離子體l顯示內(nèi)容：字符、圖象lCRT中又可以分類l掃描方式：光柵掃描和隨機(jī)掃描l分辨率：高分辨率和低分辨率l顯示顏色：?jiǎn)紊筒噬玪顯示屏幕大?。?4、15、17、19等637.6顯顯 示示 設(shè)設(shè) 備備2、有關(guān)概念l分辨率：顯示器所能顯示的像素個(gè)數(shù)。像素越密，分辨率越高，圖象越清晰。它取決于顯像管

32、熒光粉的粒度，熒光屏的尺寸以及CRT電子束的聚焦能力。l灰度級(jí)：像素點(diǎn)的亮暗差別（黑白）顏色的不同（彩色）。灰度級(jí)越多，圖象層次越清楚越逼真。它取決于每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的刷新存儲(chǔ)器的位數(shù)以及CRT本身的性能。647.6顯顯 示示 設(shè)設(shè) 備備l刷新：電子束打在熒光粉上引起的發(fā)光只能維持幾十毫秒的時(shí)間。因此必須讓電子束反復(fù)不斷地掃描整個(gè)屏幕，該過程稱為刷新。刷新頻率越高，顯示越?jīng)]有閃爍。50Hz（至少）l刷新存儲(chǔ)器（視頻存儲(chǔ)器、顯存）：為刷新提供信號(hào)的存儲(chǔ)器。容量取決于分辨率和灰度級(jí)。如1024*768，32位真彩色，需要1024*768*32/8B=3MB，其存取周期必須滿足刷新頻率的要求。設(shè)上例中要

33、求刷新頻率為75Hz，則刷新存儲(chǔ)器的總帶寬為75*3MBPS=225BPS657.6顯顯 示示 設(shè)設(shè) 備備l隨機(jī)掃描：電子束在需要顯示字符和圖形的地方掃描。速度快，圖象清晰。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。l光柵掃描：電子束掃描整個(gè)屏幕（從上到下，從左到右）l逐行掃描l隔行掃描（電視采用）l圖形：沒有亮暗層次變換的線條圖，一般用計(jì)算機(jī)表示和生成l圖像：最初就具有亮暗層次的圖，多來自客觀世界。667.6顯顯 示示 設(shè)設(shè) 備備二、字符/圖形顯示器l字符顯示器原理l顯示系統(tǒng)由顯示卡和顯示器組成l顯示字符的方法以點(diǎn)陣為基礎(chǔ) l字符點(diǎn)陣存放于字符發(fā)生器（ROM）中見下圖l字符窗口：字符點(diǎn)陣和字符間隔l80列*2

34、5行=2000個(gè)字符窗口l每個(gè)字符窗口為9*14，字符點(diǎn)陣為7*9l屏幕上所有字符窗口的ASCII均存放于VRAM中字符發(fā)生器的高位地址來自于ASCII碼，低位地址來自于光柵地址計(jì)數(shù)器的輸出RA3RA0，676804H00H10HD4H3DH20H1FH00H7FHD4HFFH11H44H18H11H44H5AH11H44H5AH11H44H5AH11H64H38H77H04H00H10HD4H3DH20H1FH00H7FHD4HFFH11H44H18H11H44H5AH11H44H5AH11H44H5AH11H64H38H77H697.6顯顯 示示 設(shè)設(shè) 備備l04H-00H-10HlD4H

35、-3DH-20Hl1FH-00H-7FHl點(diǎn)計(jì)數(shù)器循環(huán)一周以后，顯示出第一個(gè)字的第一行；水平地址計(jì)數(shù)器循環(huán)一周以后，顯示出所有字個(gè)字的第一行，開始第二行的顯示。l光柵地址計(jì)數(shù)器循環(huán)一周以后，顯示出第一行字；開始第二行字的顯示。垂直地址計(jì)數(shù)器循環(huán)一周后，顯示一整屏。707.6顯顯 示示 設(shè)設(shè) 備備l水平消隱（點(diǎn)陣顯示一行結(jié)束，回到下一行）l行間消隱（點(diǎn)陣顯示某行字符結(jié)束，行間不顯示內(nèi)容）l垂直消隱（點(diǎn)陣顯示一屏結(jié)束，回到第一行、第一列）lVRAM的地址由水平地址計(jì)數(shù)器和垂直地址計(jì)數(shù)器決定lVRAM輸出的ASCII碼作為ROM的高位地址，低位地址來自于光柵地址計(jì)數(shù)器717.6顯顯 示示 設(shè)設(shè) 備備

36、二、圖形顯示l隨機(jī)圖形顯示器l工作原理：將所顯示圖形的一組坐標(biāo)點(diǎn)和繪圖命令組成顯示文件存放在緩沖存儲(chǔ)器，緩存中的顯示文件送矢量(線段)產(chǎn)生器，產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電壓，直接控制電子束在屏幕上的移動(dòng)。 l優(yōu)點(diǎn)：分辨率高(可達(dá)40964096個(gè)像素)，顯示的曲線平滑。 l缺點(diǎn)：當(dāng)顯示復(fù)雜圖形時(shí)，會(huì)有閃爍感。 727.6顯顯 示示 設(shè)設(shè) 備備l光柵圖形顯示器l工作原理:相鄰像素串接法l刷新存儲(chǔ)器與分辨率及灰度的關(guān)系lVRAM中存放一幀圖形的形狀信息，它的地址和屏幕上的地址一一對(duì)應(yīng)。lVRAM分辨率灰度級(jí)l如：10241024，24位色，VRAM的容量1024102424/83MlDDA(Digital D

37、ifferential Analysis)數(shù)據(jù)插補(bǔ)，將顯示文件變成象素信息l優(yōu)點(diǎn)：通用性強(qiáng)，灰度層次多，色調(diào)豐富，顯示復(fù)雜圖形時(shí)無(wú)閃爍現(xiàn)象；所產(chǎn)生的圖形有陰影效應(yīng)、隱藏面消除、涂色等功能。目前流行的顯示器。73例例3、IBM PC機(jī)漢字顯示原理機(jī)漢字顯示原理l通過鍵盤輸入的漢字編碼，首先要經(jīng)代碼轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換成漢字機(jī)內(nèi)代碼，轉(zhuǎn)換時(shí)要用輸入碼到碼表中檢索機(jī)內(nèi)碼，得到兩個(gè)字節(jié)的機(jī)內(nèi)碼，字形檢索程序用機(jī)內(nèi)碼檢索字模庫(kù)，查出表示一個(gè)字形的32個(gè)字節(jié)字形點(diǎn)陣送顯示輸出。 747.6顯顯 示示 設(shè)設(shè) 備備三、圖像顯示設(shè)備l圖像顯示器l簡(jiǎn)單圖像顯示器:僅僅顯示計(jì)算機(jī)送來的數(shù)字圖像.顯示器不作處理l圖形處理子系統(tǒng):專用計(jì)算機(jī),圖形工作站.lIBM PC系列的顯示系統(tǒng)l顯示標(biāo)準(zhǔn)lMDA,CGA,EGA,VGA,VESA,SVGA,TVGA757.6顯顯 示示 設(shè)設(shè) 備備lVESA顯示模式l顯示適配器(顯示卡)l刷新存儲(chǔ)器lROM BIOS(用在DOS)l顯示控制器給顯示器提供GRB三色信號(hào)及同步信號(hào)CPU將主存已經(jīng)修改好的內(nèi)容在