《計算機組成原理》第7章-外圍設備

第7章外圍設備17四月20232目錄7.1外圍設備概述 ——了解7.2磁盤存儲設備 ——掌握7.3磁盤存儲設備的技術(shù)發(fā)展 ——了解7.4磁帶存儲設備 ——了解7.5光盤和磁光盤存儲設備 ——理解7.6顯示設備 ——理解7.7輸入設備和打印設備 ——理解17四月20233考研大綱要求七、輸入輸出系統(tǒng)（一）I/O系統(tǒng)基本概念（二）外部設備

1.輸入設備：鍵盤，鼠標

2.輸出設備：顯示器、打印機

3.外存儲器：硬盤存儲器、硬盤陣列、光盤存儲器17四月202347.1外圍設備概述7.1.1外圍設備的一般功能7.1.2外圍設備的分類17四月202357.1.1外圍設備的一般功能外圍設備的定義：計算機系統(tǒng)中，除CPU和主存之外的部件都可看作外設；外圍設備的功能：在計算機和其他機器，或與用戶之間提供聯(lián)系。外圍設備的基本組成：存儲介質(zhì)用于信息的保存；驅(qū)動裝置用于移動存儲介質(zhì)，使之正常工作；控制電路用于使該外設與外界（如CPU）的信息傳遞。以硬盤為例盤片組定位驅(qū)動器讀寫控制17四月202367.1.2外圍設備的分類分類輸入/出設備；外存設備；數(shù)據(jù)通信設備；過程控制設備；……外設都是通過適配器與主機連接的；適配器控制所連外設的具體工作；動畫演示：7-1.swf17四月202377.2磁盤存儲設備7.2.1磁記錄原理7.2.2硬磁盤機的基本組成和分類7.2.3硬磁盤驅(qū)動器和控制器7.2.4磁盤上信息的分布7.4.5磁盤存儲器的技術(shù)指標

重點掌握17四月202387.2.1磁記錄原理磁表面存儲器用磁性材料薄薄地涂在金屬鋁或塑料表面作載磁體來存儲信息。磁表面存儲器的優(yōu)點：存儲容量大，位價格低；記錄介質(zhì)可以重復使用；記錄信息可以長期保存而不丟失；非破壞性讀出，讀出時不需要再生信息。磁表面存儲器的缺點：存取速度較慢，機械結(jié)構(gòu)復雜；非接觸式讀寫，對工作環(huán)境要求較高。如：磁帶、磁盤要求防塵、防震17四月20239磁表面存儲器的讀寫原理在磁表面存儲器中，信息的讀寫是利用磁頭來進行的；磁頭：由軟磁材料做鐵芯，繞有讀寫線圈的電磁鐵。寫操作原理：電-磁變換；利用磁頭寫線圈中的脈沖電流，在磁表面每個存儲元上形成不同的磁化狀態(tài)；讀操作原理：磁-電變換；利用磁頭讀線圈，

將磁表面每個存儲

元上的不同剩磁狀

態(tài)轉(zhuǎn)換成電信號讀出；17四月2023107.2.2磁盤的組成和分類硬盤的邏輯結(jié)構(gòu)組成磁記錄介質(zhì)磁盤控制器磁盤驅(qū)動器動畫演示：7-5.swf硬質(zhì)圓形盤片磁頭、小車、傳送帶讀寫控制電路17四月202311硬磁盤的分類按盤片結(jié)構(gòu)分可換盤片式、固定盤片式按磁頭分可移動磁頭、固定磁頭溫徹斯特磁盤機可移動磁頭固定盤片的磁盤機；密封組合式的硬磁盤；磁頭、盤片、電機等部件組裝成一個不可隨意拆卸的整體。工作時，高速旋轉(zhuǎn)在盤面上形成的氣墊將磁頭平穩(wěn)浮起。優(yōu)點：防塵性能好，可靠性高，對使用環(huán)境要求不高。

組合

可移動磁頭固定盤片固定磁頭固定盤片可移動磁頭可換盤片固定磁頭可換盤片簡稱溫盤17四月202312硬磁盤外觀17四月202313硬磁盤內(nèi)部構(gòu)成17四月2023147.2.3硬磁盤驅(qū)動器和控制器磁盤驅(qū)動器定位驅(qū)動系統(tǒng)主軸系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)磁盤控制器主機與磁盤驅(qū)動

器之間的接口。17四月202315硬磁盤的驅(qū)動器17四月202316現(xiàn)代硬盤結(jié)構(gòu)示意圖17四月2023177.2.4磁盤上信息的分布記錄面磁盤片表面；一個盤片有上下兩個記錄面。磁道記錄面上一系列同心圓；最外圈為0磁道，依次為1、2、……、N磁道；每個磁道的存儲容量均相同；不同盤片的相同磁道構(gòu)成一個柱面；扇區(qū)同心圓上的一段磁道區(qū)域；每個扇區(qū)的存儲容量也相同。17四月202318磁盤上的信息記錄方式一個硬盤由多個盤片構(gòu)成的磁盤組來記錄信息；每個盤片包括兩個記錄面（除最上面和最下面）；每個記錄面表面通常有幾十到幾百個磁道來記錄信息；每個磁道又分為若干個扇區(qū)。磁盤組的信息記錄順序是按照柱面來組織的：第0面第0道第1面第0道……第N面第0道

第0面第1道第1面第1道……第N面第1道

……硬盤上信息地址由記錄面號、磁道號、扇區(qū)號三個部分組成。索引：磁道的起始位置。為便于進行讀/寫操作；17四月2023197.4.5磁盤存儲器的技術(shù)指標存儲密度有道密度、位密度、面密度三個不同的指標；相關(guān)概念道距：相鄰兩磁道中心線之間的距離；道寬：磁化軌跡的寬度。存儲容量一個磁盤存儲器所能存儲的字節(jié)總數(shù)；平均存取時間從發(fā)出讀寫命令后，磁頭從某一起始位置移動至新的記錄位置，到開始從盤片表面讀出或?qū)懭胄畔⑺枰臅r間。數(shù)據(jù)傳輸率磁盤存儲器在單位時間內(nèi)向主機傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；17四月202320存儲密度道密度沿磁盤半徑方向單位長度上的磁道數(shù)；單位：道/英寸。位密度磁道單位長度上能記錄的二進制代碼位數(shù)；單位：位/英寸。注意：每個磁道的位密度均不相同，有最高、最低位密度。0磁道的位密度為最低位密度；面密度位密度和道密度的乘積；單位：位/平方英寸。17四月202321存儲容量存儲容量=記錄面數(shù)×每面磁道數(shù)×磁道容量非格式化容量磁記錄表面可以利用的磁化單元總數(shù)。格式化容量按照某種特定的記錄格式所能存儲信息的總量，也就是用戶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%。17四月202322平均存取時間平均存取時間等于平均找道時間與平均等待時間之和；定位時間（找道時間）將磁頭定位至所要求的磁道上所需的時間；等待時間找道完成后，盤片將所要訪問信息轉(zhuǎn)到磁頭下方的時間；平均找道時間最大與最小找道時間的平均值，約為10~20ms；平均等待時間與磁盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，是磁盤旋轉(zhuǎn)一周時間的一半。硬盤轉(zhuǎn)速為7200轉(zhuǎn)/分，故平均等待時間約為4ms。17四月202323數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率與存儲設備和主機接口邏輯有關(guān)。設磁盤旋轉(zhuǎn)速度為每秒n轉(zhuǎn)，磁道容量為N個字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸率Dr=n×N（字節(jié)/秒）設某磁道位密度為D字節(jié)/英寸，磁盤轉(zhuǎn)速為v英寸/秒，則數(shù)據(jù)傳輸率Dr=D×v（字節(jié)/秒）17四月202324課本P217【例1】

磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，最上最下兩個面不用。存儲區(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：共有多少柱面?柱面數(shù)=每面的磁道數(shù)盤面上的有效存儲區(qū)域=33/2–22/2=16.5-11=5.5(cm)∵道密度=40道/cm∴磁道數(shù)=40×5.5=220道，即220個柱面17四月202325課本P217【例1】

磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，最上最下兩個面不用。存儲區(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：盤組總存儲容量是多少?存儲容量=記錄面數(shù)×每面磁道數(shù)×磁道容量內(nèi)層磁道周長為2πR=2×3.14×11=69.08(cm)道容量=400位/cm×69.08cm=27632位=3454B盤組總?cè)萘?10×220×3454B =7598800B6×2－2220位密度×磁道周長17四月202326課本P217【例1】

磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，最上最下兩個面不用。存儲區(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：數(shù)據(jù)傳輸率多少?每磁道容量N=3454B磁盤轉(zhuǎn)速r=6000轉(zhuǎn)/60秒=100轉(zhuǎn)/秒磁盤數(shù)據(jù)傳輸率Dr=r×N =40×3454B=13816B/s17四月202327課本P217【例1】

磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，最上最下兩個面不用。存儲區(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：如果某文件長度超過一個磁道的容量，應將它記錄在同一個存儲面上，還是記錄在同一個柱面上?磁盤組的記錄順序是按照柱面來組織的；因為不需要重新找道，數(shù)據(jù)讀/寫速度快；如果某文件長度超過一個磁道的容量，應將它記錄在同一個柱面上。17四月202328例1：某磁盤存儲器轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，共有4個記錄盤面，每毫米5道，每道記錄信息12288字節(jié)，最內(nèi)層磁道直徑為230mm，共275道，求：

磁盤的存儲容量為多大？存儲容量=記錄面數(shù)×每面磁道數(shù)×磁道容量

=4面×275道×12288字節(jié)

=13516800字節(jié)最高位密度和最低位密度分別是多少？位密度=道容量÷磁道周長（2πR）最內(nèi)層磁道半徑Rmin=230mm÷2=115mm最外層磁道半徑Rmax=Rmin+275/5=115+55=170mm最高位密度=12288字節(jié)÷2πRmin=17字節(jié)/mm最低位密度=12288字節(jié)÷2πRmax=11.5字節(jié)/mm17四月202329例1：某磁盤存儲器轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，共有4個記錄盤面，每毫米5道，每道記錄信息12288字節(jié)，最內(nèi)層磁道直徑為230mm，共275道，求：磁盤數(shù)據(jù)傳輸率為多少？磁盤數(shù)據(jù)傳輸率=每道容量×轉(zhuǎn)速

=12288×50轉(zhuǎn)/秒

=614400字節(jié)/秒平均等待時間是多少？

平均等待時間=1/2×1/轉(zhuǎn)速

=1/2×1/50轉(zhuǎn)/秒

=1/100秒=10ms17四月202330例2：設某磁盤有兩個記錄面，存儲區(qū)內(nèi)徑為2.36英寸，外徑為5英寸，道密度為1250TPI(道/英寸)，內(nèi)徑處的位密度為52400BPI(字節(jié)/英寸)，轉(zhuǎn)速為7200轉(zhuǎn)/分，問：每面有多少磁道？磁道數(shù)=記錄面的有效區(qū)域道密度

=[(外徑-內(nèi)徑)/2]道密度

=[(5－2.36)/2]1250TPI =1650道每磁道能存儲多少字節(jié)？道容量=內(nèi)圈周長位密度

=(2.363.14)52400

÷8=48562字節(jié)17四月202331例2：設某磁盤有兩個記錄面，存儲區(qū)內(nèi)徑為2.36英寸，外徑為5英寸，道密度為1250TPI(道/英寸)，內(nèi)徑處的位密度為52400BPI(字節(jié)/英寸)，轉(zhuǎn)速為7200轉(zhuǎn)/分，問：

數(shù)據(jù)傳輸速率為多少？數(shù)據(jù)傳輸率=每道字節(jié)數(shù)轉(zhuǎn)速

=48562（7200÷60）

=5.82106字節(jié)/秒設找道時間在10ms到40ms之間，在一個磁道上寫上8000字節(jié)數(shù)據(jù)，平均需要多少時間？所需時間=平均找道時間+平均等待時間+數(shù)據(jù)讀取時間

=(10+40)/2+(60/7200)/2+8000÷(5.82106)≈25ms+4.2ms+1.4ms=30.6ms17四月2023327.5光盤和磁光盤存儲設備光盤存儲器采用聚焦激光束在盤式介質(zhì)上非接觸地記錄高密度信息；以介質(zhì)材料光學性質(zhì)的變化來表示所存儲信息的“1”或“0”。光盤存儲器是以光道來記錄信息的；光道是一條始于盤片中心的螺旋線。光盤的優(yōu)點存儲容量大；光盤的缺點存取時間長，數(shù)據(jù)傳輸率低。一張CD-ROM盤片的存儲容量可達600MB以上17四月202333光盤存儲器的分類只讀型廠商以高成本制作出母盤后大批壓制出來的光盤；這種模壓式記錄的光盤只能讀，不能修改。寫一次型用戶可以在這種光盤上記錄信息，但只能寫一次。重寫型用戶可對這類光盤進行隨機寫入、擦除或重寫信息。DVD-ROM光盤最初的全稱是數(shù)字化視頻光盤；CD-ROM是單面使用，DVD-ROM是兩面都可以寫數(shù)據(jù)。CD-RWCD-ROMWORM、CD-RDVD-ROM17四月202334硬盤、軟盤、磁帶、光盤的性能比較速度可換性讀寫方式價格容量適用場合硬盤高不可以非接觸式較高較大作為主存后援，存放軟件、數(shù)據(jù)磁帶低可以接觸式較低(磁帶機＋磁帶)較小海量后備（順序存?。┕獗P較高可以非接觸式高(可擦寫光驅(qū)+光盤)大存軟件、圖文資料檔案等17四月2023357.6顯示設備顯示設備的分類按顯示器件分類陰極射線管(CRT)顯示器、液晶顯示器(LCD)、等離子顯示器等；按顯示的內(nèi)容分類字符顯示器、圖形顯示器、圖像顯示器；CRT顯示設備以掃描方式不同，分成光柵掃描和隨機掃描兩種顯示器；以分辨率不同，分成高分辨率顯示器和低分辨率顯示器；以顯示的顏色分類，有單色(黑白)顯示器和彩色顯示器；以熒光屏對角線長度分類，有14英寸、16英寸、19英寸等多種。17四月202336隨機掃描和光柵掃描隨機掃描電子束只在需要做圖的地方掃描，而不必掃描全屏幕；這種掃描方式畫圖速度快，圖像清晰；高質(zhì)量的圖形顯示器(如分辨率為4096×4096)采用；其偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與電視標準不一致，驅(qū)動系統(tǒng)較復雜，價格較貴。光柵掃描電子束從上至下順序掃描整個屏幕；又可分為逐行掃描和隔行掃描兩種方式；電視中采用的掃描方法；缺點是冗余時間多，分辨率不如隨機掃描方式。17四月202337分辨率分辨率是指顯示器所能表示的像素個數(shù)；像素是指組成圖像的最小單位；像素越密，分辨率越高，圖像顯示越清晰；CRT顯示器的分辨率取決于顯象管熒光粉的粒度、熒光屏的尺寸和CRT電子束的聚焦能力；液晶顯示器采用最佳分辨率顯示；顯示小于最佳分辨率的畫面時，液顯采用兩種方式：一種是居中顯示，一種是放大顯示。13~15寸液晶顯示器的最佳分辨率為1024×768；17英寸、19英寸的分辨率為1280×1024。17四月202338灰度級灰度級在黑白顯示器中所顯示的像素點的亮暗差別；在彩色顯示器中則表示為顏色的不同；灰度級越多，圖像層次越清楚逼真；灰度級取決于每個像素對應刷新存儲器單元的位數(shù)和CRT本身的性能。只有兩級灰度的顯示器稱為單色顯示器。圖像顯示器的灰度級一般在256級以上。17四月202339刷新和刷新存儲器刷新CRT顯示器的電子束不斷地重復掃描整個屏幕以穩(wěn)定圖像；刷新頻率顯示器每秒能夠?qū)φ麄€屏幕的刷新次數(shù)。一般設置刷新頻率為70Hz以上；電視中的標準是每秒刷新50Hz；刷新存儲器存放圖像信息用于刷新的存儲器，也叫顯示存儲器；其存儲容量由圖像分辨率和灰度級決定；刷新存儲器的存取周期必須滿足刷新頻率的要求。刷新存儲器帶寬=分辨率×顏色深度×刷新頻率17四月202340練習CRT的分辨率為1024×1024像素，像素的顏色數(shù)為256，則刷新存儲器的容量是（）。A