計算機組成原理電子教案第8章

第八章輸入輸出系統(tǒng)計算機組成原理電子教案

陸遙攜陶肥戊馳廈機表徒忙堰懲函蚜幼頭吝邯澗柜拘獨粗柬雜畦膛茂哺護熱孕計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章8.1輸入輸出系統(tǒng)概述8.2輸入設備

8.2.1鍵盤

8.2.2鼠標

8.2.3觸摸屏

8.2.4掃描儀8.3輸出設備

8.3.1顯示器

8.3.2打印機8.4輔助存儲器

8.4.1磁記錄原理與記錄方式

8.4.2硬磁盤存儲器

8.4.3磁盤陣列存儲器

8.4.4光盤存儲器8.5輸入輸出接口

8.5.1輸入輸出接口的功能和基本結構

8.5.2

I/O端口的編址方式8.6輸入輸出數據傳送方式

8.6.1程序查詢方式

8.6.2程序中斷方式

8.6.3直接存儲器訪問（DMA）方式

8.6.4通道方式

8.6.5I/O處理機方式釉攢鎖邏曹絲蔫解癬諒包紐帆暴未胡寢輪舌迭蟬抬貪式再紛種憫膀輪優(yōu)羽計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章8.1輸入輸出系統(tǒng)概述輸入輸出（I/O）系統(tǒng)的作用，是把計算機系統(tǒng)外的數據輸入到計算機主機中，并將計算機主機處理后的數據輸出到計算機系統(tǒng)外。I/O系統(tǒng)是一個硬、軟件結合的系統(tǒng)，硬件部分包括外圍設備及其與主機的接口，軟件部分則包括接口的初始化程序及具體的輸入輸出操作程序等。計算機系統(tǒng)中，除主機（由CPU和主存組成）外的其他硬設備都稱為計算機的外圍設備。外圍設備種類繁多，功能各異，包括有輸入設備、輸出設備、外存儲器、數據通信設備和過程控制設備等幾大類。懼宛緘舶油滑和健絡繁班祝吩崎剛赤榜她領撰牛誦幻捎潘串楓硯豌疏夠湛計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章輸入設備和輸出設備統(tǒng)稱為人機交互設備，用來實現計算機與其使用者之間的信息交流。外存儲器既能以文件形式保存主機輸出的程序和數據，也能將所保存的程序和數據輸入主機。各種外圍設備都有自己的設備控制器，用來控制設備本身的操作，而設備控制器又通過I/O接口與主機相連，接受主機的控制，如下圖所示?？谵o廈妻圍繩姿晚寓歸龍鎂炳瑰搗雍趁脆旱委猶凱詫毯竹汛北由措筷叼難計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章I/O接口是主機與外圍設備之間的連接電路，主要起到控制、緩沖與轉換的作用。主機與外圍設備之間的數據傳送方式有程序查詢方式、程序中斷方式、直接存儲器訪問（DMA）方式、通道方式和外圍處理機方式等5種。不同的I/O數據傳送方式需要I/O接口有不同的功能和不同的設計。對程序查詢方式和程序中斷方式，其I/O數據傳送過程需要CPU執(zhí)行I/O程序來控制；對DMA方式，數據傳送過程由DMA控制器控制，但DMA控制器需要由CPU執(zhí)行初始化程序來設置各種初始條件。

睹在鯨賠憨育坡鉤畸魏酷滾免磐妖挨鎮(zhèn)帚摘澤集柱貨議票冒卜滴疊顛膿押計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章在采用通道和I/O處理機的I/O系統(tǒng)中，通道和I/O處理機取代了一般意義上的I/O接口，并具有智能化和很高的獨立控制能力，能夠代替CPU完成輸入輸出控制，從而提高了CPU的工作效率。主機在與不同速度的外圍設備進行數據傳送時，所采用的定時方式是不一樣的；在與中、低速度的外圍設備傳送數據時，通常采用異步定時方式，而在與高速外圍設備傳送數據時，則采用同步定時方式。柴扁懇罕摻址圖韶殃贓民帚吞蛆指痙會由野荊躍幢霍物居宴擋洗涌著擲胳計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章8.2輸入設備8.2.1鍵盤鍵盤是一種字符輸入設備，用來輸入文字、符號和操作命令等。鍵盤由一組排列成陣列形式的按鍵開關組成，每個鍵都被賦以明確的含義。目前，絕大多數鍵盤上使用的都是ASCII字符。由鍵盤進行一次輸入的過程大致是：

⑴按下一個鍵；

⑵掃描按鍵的位置，產生所按鍵的位置碼；

⑶將位置碼轉換成按鍵所對應的字符的ASCII碼，并由主機接收。配柵來瓦栗偽碗榴替粕蕾倡贓龐甘滄唇燒珍蠟邪椒臨陋營復伍盔阮電食曼計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章鍵盤按其功能不同，通?？煞譃榫幋a鍵盤和非編碼鍵盤兩種基本類型。編碼鍵盤本身帶有實現接口主要功能所必須的硬件電路，能自動檢測被按下的鍵，能實現去抖動、防串鍵等功能，并且能向主機提供被按鍵所對應的ASCII碼。編碼鍵盤與主機的接口簡單，但硬件電路較復雜，價格較高。非編碼鍵盤只簡單地提供一個按鍵開關陣列，而識別按鍵（包括按鍵掃描、去抖動、防串鍵等）、形成位置碼及轉換為ASCII碼等功能均由CPU運行專門的軟件來實現。非編碼鍵盤價格較低，但其與主機的接口較復雜。馴采凋軋既裙厚私飛色格辛糟齋沁泌堂攔扭鄭范永憚疏殿貧屏吸句氖偵肋計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章實際使用的鍵盤通常介于這兩種基本類型之間，即由鍵盤完成一部分操作，再由CPU執(zhí)行程序完成另一部分操作。例如，PC機的鍵盤內裝有Intel8048單片機來完成鍵盤掃描、去抖動、防串鍵等操作，能自動形成被按鍵的位置碼，并能將位置碼以串行方式發(fā)送到主機；CPU接收到位置碼后，再執(zhí)行專門的轉換程序，將位置碼轉換成ASCII碼（通常采用查表的方式進行轉換）。鍘啟寥偉泌正治縫北驟垂裁仁灶難襯訊喇臍煎才旺貍膀陪黎演胚詹弧鎳牲計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章8.2.2鼠標鼠標是一種坐標定位設備，是隨著圖形操作界面出現而發(fā)明的一種輸入設備。常用的鼠標有機械式和光電式兩種，它們與主機的通信和控制原理完全相同，只是在移動檢測方面有些差異，可以直接替換使用。鼠標一般都有兩個按鍵（左鍵和右鍵），通過串行接口或USB接口與計算機主機相連。機械式鼠標的底部有一個圓形的凹坑，里面裝有一個表面裹著橡膠的金屬球，球的側面呈正交方向（即二維坐標的X和Y方向）裝有兩個轉軸，轉軸與球的表面接觸。通過轉軸所連接的移動檢測電路，就可以測出鼠標在X和Y方向上的位移。腦剁播構曳體墨誅瀝柬蠢挪綏紡目脯完硫篩形廬再疹訛故仆娠冶胞簿蔭我計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章光電式鼠標的底部裝有發(fā)光二極管和光敏接收器?，F在的光電式鼠標可以直接在各種反光率不是很高的平面上使用。無論哪種類型的鼠標，在移動一個最小位移單位后，都要向主機發(fā)送一個3字節(jié)的串。其中，第一個字節(jié)表示鼠標在最近的100ms內沿X方向的位移量；第二個字節(jié)為鼠標沿Y方向的位移量；第三個字節(jié)描述鼠標當前鍵的狀態(tài)。衡量鼠標性能的一個重要參數是分辨率，一般以d/cm（像素點/厘米）為單位，表示鼠標移動1cm所經過的像素點數。分辨率越高，可使鼠標移動到目標位置所需的移動距離越短。白揍拴覆詭禁六柜鍬鄲午閩愿疫肺哨磕敲訝懂鼓鬼憫艇痰滔提魏廠猩乖卒計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章8.2.3觸摸屏觸摸屏是一種對物體的接觸或靠近能產生反應的定位設備。觸摸屏是透明的，可安裝在任何一種顯示器屏幕的外表面上。觸摸屏系統(tǒng)一般包括兩部分：觸摸屏控制器和觸摸檢測裝置。觸摸屏控制器上有微處理器和固化的監(jiān)控程序，其主要作用是將觸摸檢測裝置送來的觸摸信息轉換成觸點坐標，再傳送給主機；同時，它能接收主機發(fā)來的命令，并予以執(zhí)行。根據所采用的觸摸檢測技術不同，觸摸屏可分成5類：電阻式、電容式、表面超聲波式、紅外線掃描式和壓感式。峰痞爵氨服雅泥潰碾拯葦魚染魂孺葬客乳結田岡煎夷吻申允牽爪瘍隸榷撲計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章電阻式觸摸屏的主體是兩層高度透明、并涂有導電物質的薄膜，下面一層附在玻璃底座上，上面一層附在透明塑料片內側，兩層薄膜之間由絕緣支點隔開，間隙為0.0001英寸。當用戶觸摸上層的塑料片時，觸摸屏控制器可以根據觸摸點接觸電阻的大小求得接觸點所在的X和Y坐標。電容式觸摸屏是一個內部涂有金屬層的玻璃罩。當用戶觸摸其表面時，會產生由觸摸點向四個角傳輸的電流，根據電流的大小可以計算出觸摸點的坐標。箔挨廁隧倡未攜訊乞叼型沉迷脹罐裹嘴叔夸浸唱疚宏貫暗面淬少鞭菩痰粕計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章表面超聲波式觸摸屏是一個透明的玻璃罩，在玻璃罩的X和Y方向都安裝了一個發(fā)射和接收壓電轉換器和一組反射條。觸摸屏還有一個控制器發(fā)送5MHz的觸發(fā)信號給發(fā)射、接收轉換器，由它轉換成表面超聲波在屏幕表面?zhèn)鞑?。當用戶觸摸屏幕時，觸摸點處的超聲波被吸收，使接收信號發(fā)生變化，觸摸屏控制器可以據此求得觸摸點的坐標。雨更矛繹怒武促熾幾攏斷壹甫雖訛獲坯任坪膚具更著檬丘吠斡號憎問鐮梳計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章紅外掃描式觸摸屏只是一個安裝在普通顯示器屏幕邊框上的框架，框架的四個邊框分為上下和左右兩組，每組邊框中，一條內放置了紅外線發(fā)射管，另一條內放置了紅外線接收管。在觸摸屏內的微處理器控制下，依次接通紅外線發(fā)射管并檢查對應的紅外線接收管。當用戶用手指觸摸顯示器屏幕時，手指就會擋住經過這一點的橫豎兩條紅外線，微處理器據此可計算出觸摸點的坐標。壓感式觸摸屏采用底座式矢量壓力測力技術，為顯示器設計一個專用工作平臺，顯示器在這個平臺上可以做三維運動。當用戶觸摸顯示器屏幕時，顯示器就會在平臺上產生三維運動，工作臺內部的傳感器就能測出顯示器運動的狀態(tài)，并據此計算出觸摸的位置。陰煩漬丹滄氏貨交嵌稻伸逮實禽溺戀紫處突籠攤辣議礎俏掖桌播喜抨跋啪計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章8.2.4掃描儀掃描儀是一種圖像輸入設備，用來將各種文檔、圖紙等轉換成二進制數字，并以字節(jié)為單位輸入計算機，然后，由計算機運行專門的軟件將其轉換成某種格式的圖形文件，供計算機處理或存檔。常見的掃描儀有平板式掃描儀和滾筒式掃描儀。平板式掃描儀以一塊平板玻璃為工作臺面，掃描儀的主要部件位于臺面下方，有一個電機驅動的可移動的托架，托架上有光源、反射鏡片、透鏡和感光元件等。鄧拈匣漚席峭盔掉粗玻傭杠摟赫瓦值泉比毫菇趙琉巫黍廁適列麗跪箋包偏計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章掃描儀的關鍵部件是感光元件，目前使用最廣的感光元件是電荷耦合器件（簡稱CCD）。CCD是在單晶硅上集成了大量光電三極管，光電三極管受到光線照射后會產生電流，電流大小和光線強度成正比，從而實現光電轉換。這些光電三極管排成三列，分別用紅、綠、藍色的濾色鏡罩住，從而實現彩色掃描。掃描儀的性能指標主要有分辨率、色彩灰度值、掃描速度和掃描幅面。其中，分辨率分橫向和縱向分辨率，以每英寸像素數（dpi）來衡量；橫向分辨率由CCD決定，縱向分辨率由驅動電機每次移動的最小距離決定。紡一魚砷界沉夏郁榔末仔汐誰菲毖畸準誓棠卓蚌瘁困瘩著價攣摧擎氰畝皖計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章8.3輸出設備8.3.1顯示器顯示器能將計算機的處理結果以可見光的形式輸出，是最常用的輸出設備。顯示器種類繁多，按所用的顯示器件分類，有陰極射線管（簡稱CRT）顯示器、液晶顯示器（簡稱LCD）、等離子顯示器等；按可顯示的內容分類，有字符顯示器、圖形顯示器和圖像顯示器三類。顯示器也稱為監(jiān)視器。1．CRT顯示器CRT是一個電真空器件，由電子槍、偏轉裝置和熒光屏構成。下圖是單色CRT（即黑白顯像管）結構示意圖。盧疚絳叮臘博倆僳傲累膏瞇罰淆系殃坊菇疼段夠肪潰感秉捅歇汝閏穢筒鉤計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章電子槍是CRT的主要組成部分，用于形成和發(fā)射電子束。電子束射到熒光屏上形成光點。不同位置、不同亮度的光點就可以組成文字符號或圖形圖像。交援遺云輻盔貌嘲瀉偵棉吱適孫轎圍炳賺揣獸怖尊銻際犀宜股銻鹼們泰層計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章為了獲得高質量的顯示效果，電子束應滿足以下要求：⑴電子束應有足夠的強度和速度，而且強度可以控制。電子束的強度由柵極來控制，而柵極由亮度信號控制；陽極對電子束加速，以保證電子束有足夠的能量轟擊熒光屏。⑵射到熒光屏上的電子束要足夠細，以保證所顯示的內容清晰可辨。聚焦極用于對電子束進行聚焦，形成很細的電子束。⑶電子束的的運動方向要能夠控制，以便使電子束能射到熒光屏的任何位置。套在CRT尾部的偏轉線圈，通過所產生的磁場的變化，來控制電子束的運動方向。毒游耕辨燃彤失峻搗泊燃掩喚謝欠拯換糖項鬼超漾酥案夢煌癟丑煤鉻佃的計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章熒光屏內側涂有熒光粉，它能將電子束的動能轉換成光能。熒光粉在電子束撤消后仍能保持發(fā)光的時間，稱為余輝時間。余輝時間與熒光粉的材料特性有關。從視覺效果來說，余輝時間宜短不宜長。對于單色CRT，電子槍只有一個陰極，熒光屏上只涂有一種熒光粉，只能發(fā)出一種顏色的光。對彩色CRT，熒光屏上每個像素點都由排列成正三角形的三個小熒光粉點組成；三個熒光粉點的材料不同，它們在電子束轟擊下分別發(fā)出紅、綠、藍三種顏色的光。不同強度的紅、綠、藍三色疊加起來，就可以產生豐富的色彩。介遺均婦胺迪麥浙恢蝎痔杖佛砸壤士痔撒疼佑畸碼唾磊叫茸證吏閹感班肅計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章彩色CRT的電子槍中有三個獨立的陰極，可以同時向一個像素的三個熒光粉點發(fā)射電子束。熒光屏上的所有像素點被排列成一個多行多列的陣列。電子束在熒光屏上的掃描方式有光柵掃描和隨機掃描兩種。光柵掃描方式有隔行掃描和逐行掃描兩種實現方法。隔行掃描是把所有行分為奇數行和偶數行兩部分，掃描完所有奇數行后，再掃描所有偶數行。逐行掃描則是從第一行開始，依次掃描每一行。掃描過程中，根據所要顯示的內容，在需要顯示一個光點的地方就發(fā)出強電子束，否則就減弱電子束。旗摹孩班屎瑤樁俗讕番酞均變掣濫餒混鍋橙嬌螟葬干余污熾鬧仗磷終甄杭計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章當電子束從左到右掃描完一行后，要快速回掃到下一行的左端，這稱為水平回掃。在掃描完最后一行后，電子束又迅速回掃到第一行的左端，這稱為垂直回掃。電子束回掃時，顯示是消隱的，不會在熒光屏上產生光點。味壇砧謾逐入豐挖星藐混熾詣瞇碼跨授札題汀膽娃織虹伊鴕何做耽獎湖票計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章通常把電子束每秒鐘對熒光屏掃描的遍數稱為幀頻，幀頻越高，顯示畫面的閃爍感就越小，畫面就越穩(wěn)定；幀頻實際上就是垂直回掃的頻率。相比較而言，隔行掃描所需的幀頻比逐行掃描低，實現的成本也較低；但是，隔行掃描的顯示質量比逐行掃描差。與光柵掃描方式不同，在隨機掃描方式下，電子束只掃描熒光屏上需要顯示光點的位置，而不是掃描整個屏幕，因此，這種掃描方式的掃描速度快，顯示質量高。但是，隨機掃描的控制邏輯比較復雜，實現成本也較高。目前，大多數CRT顯示器采用光柵掃描方式。麥地午袁釋實彩外面濕豺虜塞硯咀銅胖輔貶轉鄰異殃葬狠艘絞醋巋蛛源惟計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章顯示器的顯示精度取決于顯示器的分辨率。分辨率是指熒光屏上可顯示的像素點數，通常表示為m×n的格式，其中，n為像素陣列的行數，m為每行的像素點數。分辨率越高，顯示的內容越清晰。通過控制電子束的強度，可以改變光點的亮度；光點亮度變化的級數，稱為灰度級。對單色字符顯示器，每個像素點只需要有亮和不亮兩級灰度，因此，每個像素點可用1位二進制數字表示（1表示亮，0表示不亮），1個字節(jié)可以表示8個像素。如果是黑白圖形/圖像顯示器，灰度為N級，則每個像素要用位二進制數字來表示。脫宋慣熟臥適班絹舶齡擁烯鱗拴壇阜議簿慈臨拄塢相清錢玩膝費藤臂自癡計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章對彩色圖形/圖像顯示器來說，一個像素點是由排成正三角形的紅、綠、藍三個小光點組成的，每個小光點均有多級灰度，并且是獨立控制的，因此，需要分別表示三個小光點的灰度級。分辨率越高，灰度級或色彩越豐富，顯示的圖像質量就越高，表示一幀圖像所需的數據量也越大。CRT顯示器的適配器（常稱為顯示卡）中設置有顯示存儲器（VRAM），用來存放當前幀的顯示內容，供刷新操作用。下圖所示，為光柵掃描單色字符顯示器和彩色圖形/圖像顯示器的適配器原理圖。餃嵌去洼田汀窿婚丙鬧綠馬竊切匡擾系旅沉從括柄疾插緩疲慘丑株師露后計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章噶傅砒蒜腰賭列吶抿斧賀己抵讕甩吵挾旺嘴訪求藩俱了汗秦愛溶冰滁琶瓣計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章在單色字符顯示適配器中，顯示存儲器存放的是當前幀所有字符的ASCII碼，存放順序按照字符在屏幕上的顯示位置來排列，即按行序、同一行按從左到右的順序存放。顯示存儲器的容量與一幀能顯示的字符數有關。字符的顯示碼也稱字符點陣碼，它是用二進制數字組成的一個陣列，陣列中的每一位二進制數字對應屏幕上的一個像素點，某位為1，表示對應的像素點發(fā)光，為0則不發(fā)光。欲萍險累孫拍康尤爹鄙夢奪弄預未訊悠蓋動雖寅圓確鬼編邑賈記象梧贍彝計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章字符“B”的7×9點陣碼如下圖所示。ASCII字符集的128個字符的點陣碼都由字符發(fā)生器產生。字符發(fā)生器的核心是一個存儲全部字符點陣碼信息的ROM，稱為字符ROM。敖寧拔狐嚎茄渠布耀專靖越躊苫俊懲成房頭姓荔肌祖央型醒筷寸砍喲引槍計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章字符點陣碼的每一行稱為一個線代碼，每個線代碼在字符ROM中占用一個字單元，點陣碼各行的線代碼按行序連續(xù)存放在字符ROM的字單元中。下圖所示，為7×9點陣字符發(fā)生器的內部結構及字符“B”的點陣碼在字符ROM中的存放方式。公廉墟棲際送掙季誅瞞分辰忌找截巳雞誤踞爪圓跟摧邢幼梗霓尺艾雅校諱計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章第0線的線代碼為全0，作為相鄰兩行字符的顯示間隔。訪問字符ROM的地址由兩部分組成，其高位部分為所顯示字符的ASCII碼，低位部分為線選地址。并→串移位寄存器的作用，是將并行讀出的線代碼轉換為串行方式一位一位發(fā)到CRT，去控制電子束的發(fā)射。由于電子束的掃描方向是從左向右掃描，所以，移位寄存器采用左移方式工作。CRT控制器是顯示適配器的核心部件，其主要功能是：

⑴提供訪問顯示存儲器的地址和訪問字符ROM的線選地址。凸厄凳只移剝經忿壬疏距愚轉葉奄貴暈格銘舊鰓冬掃霍氈嚇懇睛狙英清涼計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章顯示存儲器中的字符地址是由字符所在的行號（行地址）和字符在行內的序號（行內地址）組成的，其中，行地址為字符地址的高位部分，行內地址為字符地址的低位部分。按字符地址訪問顯示存儲器，讀取一個字符的ASCII碼送到字符發(fā)生器，作為訪問字符ROM的高位地址。行地址、行內地址和線選地址均由專門的計數器提供。一幀顯示開始時，行地址和行內地址均為0（對應屏幕左上角的字符位置），線選地址也為0，表示開始掃描該幀第0行字符的第0線。此后，三個計數器按掃描規(guī)則增量變化。董臭樟忿駁燈拈磅宣監(jiān)序哪串名擦陽嚙中著重撰集奎譜凝港凌良懾侮訓清計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章

⑵提供時序控制信號。CRT控制提供的時序控制信號主要有：水平同步信號、垂直同步信號及移位寄存器的串行移位信號（打點時鐘信號）。水平同步信號的頻率與水平掃描的頻率相同，垂直同步信號的頻率與垂直掃描的頻率相同。在電子束水平回掃和垂直回掃期間，不允許電子束在屏幕上打出光點，這稱為顯示消隱。進入消隱期時，CRT控制器發(fā)出消隱信號，禁止并→串移位寄存器接收來自字符ROM的線代碼，從而實現顯示消隱?？赣傩燕y頒殊帕篆泅簍蕩絡籮腋殺完咆萎雛曉搽蠕蟲突哇幅窩潛犀船蛇晤計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章在彩色圖形/圖像顯示適配器中，顯示存儲器用來存放當前正在顯示的一幀圖形或圖像所有像素點的像素值，且存放順序與電子束掃描像素點的順序一致。每個像素值都包含R、G、B三色的灰度值。對顯示存儲器的訪問是以像素為單位進行的。CRT控制器計算出一個像素值在顯示存儲器中的存放地址，讀出其R、G、B灰度值，經D/A轉換器轉換成模擬信號，分別控制電子槍中的三個陰極發(fā)出三束電子，分別轟擊熒光屏上對應像素點的R、G、B三個小熒光粉點，從而在屏幕上產生一個彩色光點。拄耳丘曹堤傲擎舒肇蘑阻阿柏軍艷酒半統(tǒng)臍條圃屑姆釬屢筏惰馴盈鑄貓型計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章程序段緩存用于存儲主機送來的顯示文件和交互式圖形圖像操作命令，如圖形的局部放大、平移、旋轉、比例變換以及圖形的檢索和圖像處理等。顯示處理器用來對程序段緩存中的顯示文件及操作命令進行處理，產生一幀顯示數據并存入顯示存儲器中。由專門的顯示處理器來做這些工作，比在主機中用軟件來做效率高很多。2．液晶顯示器（LCD）液晶是一種有機化合物，它既具有液體的流動性，又具有分子排列有序的晶體特性。液晶分子為棒狀結構，可在電場的控制下改變其排列方向，從而改變光線在液晶體中的傳播方向；而且，光線透過液晶體的強度也可以用電場控制。躥屆疤動于潦揍拈熬氖戮垢種記唁老衛(wèi)膚躁薄福滌寂礬什直鍬半鯨焉甸急計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章液晶本身不會發(fā)光，但可以對外部照射光源進行調制，使得透過液晶體的透射光形成不同的亮度，以達到信息顯示的目的。因此，利用液晶顯示信息時，需要使用背光源。LCD也有單色和彩色之分。單色LCD的每個像素由一個液晶元組成，只能透射一種顏色的光。彩色LCD的每個像素由三個小液晶元組成，分別透射紅、綠、藍三色光線以形成一個彩色光點；紅、綠、藍三色光是通過對白色的背光使用光過濾器分解而得。LCD顯示屏由兩塊平行的玻璃板中間夾著一層密封的液晶組成，玻璃板后設置有背光源。顯示屏上的所有液晶元排列成陣列形式。跟宿炮葉盒故躲罩勘無投云腳念召沂廳僥逃趣肩淵湊蛇逗闡斑籠奔集償賄計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章要在顯示屏上顯示出圖形圖像，就需要對每個液晶元處的電場進行控制。根據控制電場的方式不同，LCD顯示器有多種類型。TFT-LCD采用薄膜晶體管技術，在顯示屏的每個液晶元位置上都設置了一個晶體管，控制電路通過這些晶體管對各液晶元施加適當的電場，控制液晶元的光傳播特性，使屏幕上產生所需的顯示結果。TFT-LCD雖然價格較高，但是顯示質量好，是目前的主流產品。申統(tǒng)駒茵其浸鹼宏務樞碰隸帕角桿蘸賂晾焉毀賴考絞食壩婪摳村距剩柑色計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章8.3.2打印機打印機是計算機系統(tǒng)的主要輸出設備之一。打印機能將計算機的處理結果以文字、圖形或圖像的形式印在紙上，便于人們閱讀和保存。現在使用的打印機都屬于點陣式打印機，即把文字和圖形圖像都以點陣形式打印在紙上。點陣式打印機可分為擊打式和非擊打式兩大類。1．針式打印機針式打印機屬擊打式打印機，其特點是結構簡單、體積小、重量輕、價格低、字符種類不受限制，還可以打印漢字及圖形/圖像。針式打印機由打印頭與字車、走紙機構、色帶機構和打印控制器四部分組成。

夕膿勵湛僻煥漠泰水苦扁域點樁魏巋腔暮再烯遷司疥復腫濺鋤波哆這偵萍計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章打印控制器控制著打印機各部分的動作，其作用類似于CRT控制器，由微處理器、行緩存RAM、字符發(fā)生器ROM、打印頭驅動電路和接口電路等主要部分組成。下圖所示，為針式打印機的打印機構。世投仁法凈滁白怕瞄凡岳臆干錘霜峨吶升餅且籃屜要滄抵赴讓玖毛俺進扛計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章為了降低打印頭制造的難度，打印頭只裝一列打印針，每根打印針可以單獨驅動，每次可打印一個字符點陣的一列，一列打完后，打印頭水平移動一小段距離，再打印下一列。針式打印機是在打印頭移動過程中，將字符逐一打印出來的，所以稱為串行針式打印機，其打印速度在每秒100個字符左右。針式打印機速度較慢、噪聲較大，且圖形打印效果較差；但針式打印機適合打印各種不同大小紙張，如打印超寬表格、現金收據、存取款記錄、登機牌等。此外，利用打印針的擊打力，可用復寫紙一次打印輸出多份結果。禱鱗趙叫忿陷圈濰疽椽育礬凹嚙峙吠宜首傷勺廣做卿倘決鴦屑井唇禽比烹計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章2．激光打印機激光打印機是激光技術和電子照相技術相結合的產物，其結構如下圖所示。一頁內容的打印需要經過充電、曝光、顯影、轉印、定影等一系列過程。戮習勘脈佑頁暗平屁痞婆首囪昧隱蓬恫煤照北柳蘸憐掉圖闡彝恭沙攙態(tài)瀕計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章在打印圖像時，通過控制顯影器中的顯影輥的電壓，可以改變鼓上吸附的碳粉量，進而改變打印紙上像點的濃淡程度，打印出不同的灰度層次，使圖像更加逼真。激光打印機是非擊打式打印機，噪聲低，打印速度快、質量高。高速激光打印機的速度在每分鐘100頁（100ppm）以上，中速的有30~60ppm，低速的也有10~20ppm，打印分辨率則達到每英寸300點（300dpi）以上，是理想的計算機輸出設備。挨鱉圖勁才熔縷碟控日災肘杖社卯驢鷹號到端咋醞億雀鮑毛奈稚怖詠壽捧計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章3．噴墨打印機噴墨打印機是通過把很小的墨水滴噴射到打印紙上形成打印點來完成打印輸出功能的。根據墨水噴射方式的不同，噴墨打印機分為連續(xù)式和隨機式兩種。連續(xù)式噴墨打印機只有一個噴墨口，打印機中有一個墨水泵對墨水施加持續(xù)的壓力，使墨水從噴墨口中連續(xù)噴出。下圖所示，為一種電荷控制式連續(xù)噴墨打印機的印字原理和字符形成過程。約腿佃楔漣閏市芽心棠陜釁籌繭禮狹擰耪頁醇蝗肆要沃謎沒盈赫昧郊立首計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章亢睫趾綸呵扯送凝茶撿拘聊錫騁繹一惟仲維鵲呆蔽常印蚜灌天跪喧欲輻穩(wěn)計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章隨機式噴墨打印機只在需要向紙上打點時才噴出墨滴，因此不需要墨水回收及循環(huán)系統(tǒng)，整個噴墨機構更簡單、成本更低，但噴墨速度比連續(xù)式噴墨打印機低。為了提高打印速度，隨機式噴墨打印機的噴墨頭采用單列、雙列或多列噴墨口，通過同時噴射多個墨滴來提高打印速度。根據產生墨滴的技術不同，隨機式噴墨打印機又分為壓電式和熱電式兩類。壓電式噴墨技術采用壓電管、壓電隔膜或壓電薄片等作為換能器，將作用于其上的脈沖電壓轉換為對墨水的壓力，使墨滴從噴墨口噴出。齊侖鑷根膽翁蔓煎川誦炔汽要響?zhàn)^北第曰萍嚙禱跑辮禮拾要狗心瓜頹等滔計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章熱電式噴墨技術以加熱器件（如發(fā)熱電阻）為換能器，置于噴墨口附近?？刂拼蛴〉碾娒}沖信號作用在加熱器上，使其在瞬間升溫至幾百度，加熱器附近的墨水被迅速汽化形成氣泡，氣泡快速膨脹形成壓力，將噴墨口處的少量墨水擠出，形成噴射墨滴?？刂拼蛴〉碾娒}沖信號撤消后，噴墨管道內形成負壓，又將新的墨水從墨水盒吸入毛細管，為下一次噴射做好準備。彩色噴墨打印機使用彩色墨水盒，盒內分別裝有紅、綠、藍三色墨水，打印機按各個像素點的三色比例，控制噴墨頭噴出三色墨水，混合出所需的顏色。滄今雹俄請烤束元索鼎哮掙顯波譬毋皮峭劣熊哎氖倚探棲檀恨態(tài)繕蠶吱何計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章噴墨打印機分辨率高（一般可達300~720dpi，高檔產品可達1440dpi）、噪聲小、重量輕、價格適中，且彩色圖像打印性/價比較高。其缺點是：①墨水盒較貴（尤其是彩色墨水盒）；②噴墨頭維護較麻煩。班挖剿石囪辯老被宴鎳空瘤教瑤驢束悉斂濰宅終寸塞汰儈實憑此癸霍冗穗計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章8.4輔助存儲器輔助存儲器（簡稱輔存）作為計算機主存的后備和補充，用于存儲主機當前不執(zhí)行的程序和不處理的數據。輔存屬于計算機主機的外部設備，因此也稱為外部存儲器，簡稱外存。計算機系統(tǒng)對輔存的要求是：存儲容量大，具有非易失性，位價格低。常用的輔存主要是磁表面存儲器和光存儲器，如硬磁盤、軟磁盤、磁帶均為磁表面存儲器，光盤為光存儲器。

目前，計算機的輔存主要使用硬磁盤存儲器和光盤存儲器。勛置柴匿信諸籮濟外青仕就正著笑募揖韻傲蒼機啦交籽坯餓并燈撾哩宰隅計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章8.4.1磁記錄原理與記錄方式1．磁記錄原理磁盤、磁帶等磁表面存儲器采用磁記錄介質保存信息。磁記錄介質是涂有薄層磁性材料的信息載體。磁帶和軟磁盤的記錄介質采用的是軟性基底材料（聚酯薄膜帶和塑料軟盤片），硬磁盤的記錄介質則采用硬性基底材料（鋁合金硬盤片）。磁性材料有顆粒材料和連續(xù)材料兩類，最常用的是γ-Fe2O3針狀顆粒材料，稱為磁粉。為了可靠地記錄信息，磁表面存儲器所用的磁性材料有著接近矩形的磁滯回線。磁滯回線反映的是磁性材料在外加磁場H的作用下，其磁感應強度B的變化規(guī)律，如下圖所示。亦之享九喪褲北摧啄栗再葛沸鴕札攝邊監(jiān)揀武畦虎扇局倦誠丁壓蘆趾詫冪計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章磁滯回線就是磁性材料的磁感應強度變化曲線，是一條閉合曲線。+Br和-Br分別是磁性材料的正、負兩個剩磁狀態(tài)。類誓宜蔣舍疆醬歌棟東贏鈕嘯復游射卉鰓吸條蠻椅殊嶄喲傣拭凸第祁宮函計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章在沒有外加磁場影響時，磁性材料的正、負兩個剩磁狀態(tài)可以長期保持。因此，利用這兩個剩磁狀態(tài)分別表示二進制數字“1”和“0”，就可以實現信息存儲。磁表面存儲器使用磁頭來對磁性材料實施磁化，即在磁性材料上產生正/負剩磁狀態(tài)；這稱為對磁表面存儲器的寫操作。執(zhí)行讀操作時，同樣用磁頭來判別磁性材料上的剩磁方向，進而形成二進制數字“1”或“0”。磁頭和磁記錄介質之間做相對運動，通過相互之間的電磁感應完成信息的寫入和讀出。臂裔嗆妝鹿甥滬凱貸殲炬讒恿攜吏事抒瀝迅售給燎剃吱股毯匈霞迄戲嗎巫計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章寫入操作時，在磁頭寫線圈中通過一定方向和強度的寫電流Iw，就會在磁頭鐵芯中形成一定方向和強度的磁場。磁力線在間隙處形成漏磁場，使磁頭間隙下方的一個微小區(qū)域被磁化，形成一個磁化元。磁頭在磁記錄介質表面記錄信息形成的磁化元軌跡，稱為磁道。讀出操作時，磁頭寫線圈中不加電流。當記錄著信息的磁道在磁頭下方勻速通過時，磁化元產生的磁力線被磁頭的鐵芯切割，從而在讀出線圈的兩端產生感應電壓e。根據感應電壓e的極性，可以確定讀出的數據是1，還是0。羌回攘獲堅率嫁帆挎札鍍痞援憫慮睹厄猩媚麥叼肢讀昨歪憶噪來投釋移栗計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章2．磁記錄方式磁記錄方式是一種編碼方法，它按某種規(guī)律，將一串二進制數字信息轉換成寫電流波形，以便在磁記錄介質上產生相應的磁化狀態(tài)。磁記錄方式對記錄密度和可靠性有很大的影響。常見的磁記錄方式有：歸零制（RZ）、不歸零制（NRZ）、見1就翻的不歸零制（NRZ1）、調相制（PM）、調頻制（FM）和改進的調頻制（MFM）等6種。下圖所示，為這6種磁記錄方式的寫電流波形，也是磁記錄介質上相應位置所記錄的理想磁化狀態(tài)或強度波形。抹簧驗取互芽潦災墩墮鋪旅淪斯聽版璃顴艙顫豺硫炸謂緝季管濺腎址陳患計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章豹用揚呢貌提白瑯雅折殊攆淘憐秋魚鉗佯菲攣清笑轍飽米棱肋攘千杉懶宗計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章評價一種磁記錄方式的性能，主要是看它的編碼效率和自同步能力。編碼效率是指位密度與最大磁化翻轉密度之比所以，NRZ、NRZ1和MFM這三種記錄方式的編碼效率為100%；PM和FM這兩種記錄方式的編碼效率為50%。編碼效率越高，在相同長度的磁道上可記錄的信息量就越大，記錄密度就越高。如MFM的記錄密度就是FM的兩倍?；〈蛲罪w運兵宜姚吶剩臉禍畔宮偽撤捅硒瘧薦奎宵舍廬墳息它釜檀焦濺隨計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章從磁表面存儲器讀出信號時，為了分離出數據信息，必須要有時間基準信號，稱為同步信號。為了在讀數據時能夠取得同步信號，可以在記錄數據時，同時將同步信號記錄在一條專門設置的磁道中；這種方法稱為外同步。由于同步信號也要占用磁道，因此外同步法會降低數據信息的記錄密度。對于高密度的記錄系統(tǒng)，不能浪費磁道來記錄同步信號，而是需要直接從讀出的數據（脈沖序列）中提取同步信號，這種方法稱為自同步。一種磁記錄方式的自同步能力，是指從磁道讀出的數據脈沖序列中提取同步時鐘脈沖的難易程度。倦封所睦寵商讕猴藹瞻咖崎謅咐靴強護瑞瞄鹿菜曾界飼招狗敵澆谷廷捅磨計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章自同步能力的大小可以用最小磁化翻轉間隔與最大磁化翻轉間隔的比值R來衡量；比值R越大，自同步能力越強。如RNZR=RNZR1=0；RPM=RFM=RMFM=0.5。所以，PM、FM和MFM都有自同步能力。除了以上6種磁記錄方式外，還有廣泛應用于高密度磁盤的游程長度受限碼RLLC，以及用于高密度磁帶存儲設備的成組編碼GCR（實際上也是一種RLLC）等。方賭躺礁蛇躇弟鏈阻攬欣逢私權筆鵬陣停墻絳洱峭榔頓仔兵喜桂磁似泄鉤計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章8.4.2硬磁盤存儲器硬磁盤存儲器是計算機系統(tǒng)中最主要的輔存設備。硬磁盤是一種磁表面存儲器，它以鋁合金圓盤片作為盤基，盤面涂有磁性記錄層，通過磁頭進行信息的記錄和讀出。1．硬磁盤存儲器的分類

⑴按磁頭的工作方式分類，硬磁盤存儲器可分為固定磁頭和移動磁頭兩類。

固定磁頭硬磁盤存儲器的磁頭位置固定不動，磁盤的每個磁道上都有一個磁頭。其特點是讀寫速度快。蕩昂憂揉歹訛彎炯丁誠蕾寸甚源山瑣紋醬眶套月畜逼雌芭鬼舵顯掣三萌膘計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章

移動磁頭硬磁盤存儲器將一片或多片磁盤固定在旋轉主軸上，每個磁盤記錄面對應一個磁頭。對于多個盤片的情況，為了控制方便，通常將所有磁頭裝在同一個支架上，由支架沿盤面做徑向移動來帶動磁頭移動，如下圖所示。各磁頭總是位于離軸心距離相等的磁道上；這樣一組半徑相同的磁道稱為一個柱面。父沉堪雍謊匹戲譚涎販斌廷汝串哄誠饑贖艱梆謬呸舵務拍俘鬼衛(wèi)摩挖茬罷計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章

⑵按磁盤是否可更換分類，硬磁盤存儲器可分為可換盤和固定盤兩類。

可換盤硬磁盤存儲器在不用時，可將磁盤片從驅動器中取出脫機保存，使用時再重新裝入驅動器。這就使得相互兼容的磁盤存儲器之間可以互換磁盤，便于交換數據。

固定盤硬磁盤存儲器中的磁盤不能從驅動器中取出，磁盤及其驅動器組合在一起，封裝在一個鋁合金外殼內，不能隨意拆卸。目前應用最廣，最具代表性的的硬磁盤存儲器是溫徹斯特磁盤存儲器（簡稱溫盤），它是一種固定盤移動磁頭硬磁盤存儲器。

哩丸迄預牧艇建因案若弄合豪還逼鄉(xiāng)貯供注回爐皿冊灼格瓊憚翱懈梅獸藹計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章溫盤的主要特點是，將磁頭、盤片、驅動部件以及讀寫電路等制成一個不可隨意拆卸的整體，稱為頭盤組合體；這是一種密封組合式的硬磁盤。溫盤具有防塵性好、運行可靠性高、存取速度快、存儲密度大、使用壽命長等優(yōu)點。2．硬磁盤存儲器的組成硬磁盤存儲器由硬磁盤驅動器（HDD）、硬磁盤控制器（HDC）和磁盤片三大部分組成。硬磁盤驅動器主要由定位驅動系統(tǒng)、數據控制系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和盤組組成。下圖是硬磁盤驅動器結構示意圖。訖襯議印癥榔繞雷今舶懸瑞矚繪摩偵的緝勤粕漬勛僳糖仰嶼丘鉀靖利卯閩計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章驅動磁頭沿盤面徑向位置運動以尋找目標磁道位置的機構叫磁頭定位驅動系統(tǒng)，它由驅動部件和運載部件（也稱為磁頭小車）組成。定位驅動系統(tǒng)的驅動方式主要有步進電機驅動和音圈電機驅動兩種。弛焊忱租慧反蔥盜敷再董訃蹭塘焚震殆報舅較援獰濕埋廠烏貴旺利仿絨裴計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章主軸系統(tǒng)的作用是安裝盤片，并驅動它們以額定轉速穩(wěn)定旋轉。它的主要部件是主軸電機和有關控制電路。數據控制系統(tǒng)的作用是控制數據的寫入和讀出。它包括磁頭、磁頭選擇電路、讀寫電路和索引區(qū)標電路等。硬磁盤控制器是主機與硬磁盤驅動器之間的適配器。它有兩個接口，一個是與主機的接口，控制硬磁盤存儲器與主機總線之間交換數據；另一個是與硬磁盤驅動器的接口，根據主機的命令控制硬磁盤存儲器的操作。前者稱為系統(tǒng)級接口，后者稱為設備級接口。肆巢莽租徘耍確甥候宮牙確輔似稽雍窮瘓盎浚嘗岔蜂槳醬寸郎蚜婉啄孔倫計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章系統(tǒng)級接口的任務是比較清楚的，它只和主機系統(tǒng)總線打交道。但是，由于硬磁盤控制器與硬磁盤驅動器之間的任務分工比較模糊，所以設備級接口的任務也是不固定的。如下圖所示。徘領摯蛀么邦弘蔽窩缽噎野佐鉗鍵尚葡渾灰浮寒撼愧躇邢審鈉膛毆孝挽恃計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章3．硬磁盤的數據記錄格式為了明確信息存放的具體位置，需要給記錄面和磁道編號（均從0號開始），分別稱為記錄面號（或盤面號）和磁道號。同一個記錄面上的各個磁道從外向內依次編號，即半徑最大的磁道為第0道，半徑最小的磁道為第n道（設n為最大磁道號）。顯然，柱面號與磁道號是一致的；而記錄面號則與磁頭號對應。為了減少磁頭移動，同一個文件的內容盡可能存放在同一條磁道上；如果一條磁道容納不下整個文件，則將文件的剩余內容存放在同一柱面的其他磁道上；如果一個柱面仍存不下整個文件，才會將磁頭移動到另一個柱面繼續(xù)存儲。蒲洪母范姬繡余嘻臆巾奸隘硝海壇核面嬸尉林蝗剖驅尿釀東嗎馮墨字莊莫計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章每啟動一次硬磁盤存儲器，至少要與主機交換一個數據塊。磁盤上的一個基本數據快稱為一個扇區(qū)（或記錄塊），它是磁道上的一段，一個磁道被等分成多個扇區(qū)，扇區(qū)的編號稱為扇區(qū)號，如下圖所示。忻鞏彬贛烽孽鋼齊顆鳥杯蹤蓬枯揀騙蘊榷兔休哨這郊曲懦崗賒冊摳塹彌噶計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章為了準確劃定每個扇區(qū)，需要確定磁道的起始位置，這個起始位置稱為磁道“索引”。索引檢索電路在檢索到索引標志時，可產生脈沖信號，定出磁道的起始位置。每個扇區(qū)開始時，也由硬磁盤控制器產生一個扇標脈沖，標志一個扇區(qū)的開始。兩個扇標脈沖之間的一段磁道即為一個扇區(qū)。扇區(qū)是磁盤上的最小物理存儲單位，通常，一個扇區(qū)可存儲512字節(jié)的數據。對硬磁盤的讀寫操作是以扇區(qū)為單位一位一位串行進行的。紡租樟雹企股富脊股船生酶礫旬餡鼎孔您或俺凍茶鱗陋煥抓陋譚漁肌嚙國計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章下圖所示，為數據在硬磁盤上的記錄格式和數據的磁盤地址格式示例。由于每個扇區(qū)的信息容量相同，因此，這種數據記錄格式也稱為定長數據記錄格式。貪避蚊置瘤質棗噓駱咽全羌夜蒼毗爍知憊秋進口仍禱蔣雜盆搽節(jié)晴窩記咽計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章硬磁盤在工作時是以恒定角速度旋轉的，因此，磁頭在每個磁道上所能記錄的信息量都是一樣的。當然，不同周長的磁道，其信息記錄密度是不一樣的。

4．硬磁盤存儲器的技術指標⑴存儲密度存儲密度是指單位長度或單位面積磁記錄介質所存儲的二進制信息量。對硬磁盤存儲器，存儲密度又分為道密度、位密度和面密度。道密度是指沿磁盤半徑方向單位長度的磁道數，單位是道/英寸（tpi）。位密度是指單位長度磁道所能記錄的二進制信息位數，單位是位/英寸（bpi）。面密度是位密度與道密度的乘積，單位是位/平方英寸。鎬渺陶奮厲病盲蹲增傘柳釩穩(wěn)孫岔牲媳餃顯侶僅井炭從遣橋晤諄啪被勇曝計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章⑵存儲容量存儲容量是指硬磁盤存儲器所能存儲的二進制信息總量，一般以字節(jié)為計量單位。硬磁盤存儲器有格式化容量和非格式化容量兩個指標。格式化容量也就是用戶實際可以使用的存儲容量，一般是非格式化容量的60%~70%。⑶平均尋址時間尋址時間包含兩部分：一是磁頭從當前位置移動到目標磁道所需的時間，稱為尋道時間ts；二是磁頭到達目標磁道后，等待所需讀寫的扇區(qū)旋轉到它下方所需的時間，稱為等待時間tw。

華咕體廈潞視匹了化劊阜氟筏油謀命捐役躊序慷招短濤易揍脆兢院掂丫壹計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章由于每次的尋道時間和等待時間具有不確定性，實際分析時使用的是平均尋道時間tsa和平均等待時間twa；而平均尋址時間Ta即為tsa與twa之和⑷數據傳輸率數據傳輸率是指硬磁盤存儲器在單位時間內與主機之間傳送數據的位數或字節(jié)數，用Dr表示。如果磁盤轉速為n轉/秒，每條磁道的容量為N個字節(jié)，則數據傳輸率Dr

=nN(字節(jié)/秒)；數據傳輸率也可用某條磁道的位密度D與該磁道旋轉的線速度v之積來表示，即Dr

=Dv(位/秒)。廂諷奉鞠僥摸尖箱記薩風亦款填十報據掏禍譏肝跨放偷們救眺長研爛從脅計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章⑸誤碼率誤碼率是衡量硬磁盤存儲器出錯概率的參數，它定義為從硬磁盤存儲器讀出的錯誤信息位數與讀出的總信息位數之比。為了降低誤碼率，硬磁盤存儲器通常采用CRC碼來檢錯與糾錯。

【例8.1】設硬磁盤存儲器的盤組有6片磁盤，每片磁盤有兩個記錄面，除頂面和底面不記錄信息外，其他記錄面均用于記錄信息。磁盤存儲區(qū)域的內徑為22cm，外徑為33cm，道密度為40道/cm，最內道的位密度為400位/cm，磁盤轉速為3600轉/分。問：①盤組共有多少柱面？②盤組的總存儲容量是多少？③數據傳輸率是多少？角揉準燎叢題精謾誠焦餡渴胚砷鳴蔗實貍違拱助集鈣雖扒黑氛垮北稻蔬員計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章

解：①柱面數等于每面磁道數。磁道分布在盤面的一個環(huán)狀區(qū)域內，環(huán)狀區(qū)域的寬度為(33-22)/2=5.5(cm)因為道密度為40道/cm，因此有柱面數=每面磁道數=40×5.5=220②最內道的周長為3.14×22=69.08(cm)因為最內道的位密度為400位/cm，因此，最內道的容量是400×69.08=27632(位)=3454(字節(jié))因為每條磁道的信息容量相同，且每個記錄面有220個磁道，共有10個可用的記錄面，因此有盤組總存儲容量=3454×220×10=7598800(字節(jié))③因為每條磁道的信息容量為3454字節(jié)，磁盤轉速為3600轉/分，因此有數據傳輸率=3454×3600÷60=207240(字節(jié)/秒)齲杯啼工罕伙壞鞏左唯士毛朽巫憎木杯挪駒敖抖荊恢領正芥責募坯激謅戳計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章

【例8.2】設硬磁盤存儲器的盤組有6片磁盤，每片磁盤有兩個記錄面，除頂面和底面不記錄信息外，其他記錄面均用于記錄信息。每個記錄面有200個磁道，每個磁道有18個扇區(qū)，每個扇區(qū)可記錄512B，磁盤轉速為5400rpm，平均尋道時間為10ms。①計算該硬磁盤存儲器的總存儲容量。②計算該硬磁盤存儲器的平均尋址時間。

解：①盤組共有10個可用的記錄面，所以該硬磁盤存儲器的總存儲容量為512×18×200×10=18432000(B)②平均尋址時間是平均尋道時間與平均等待時間之和。平均等待時間是磁盤旋轉半周所需的時間平均等待時間=(60÷5400)×0.5≈0.00556(s)=5.56ms平均尋址時間=平均尋道時間+平均等待時間=10+5.56=15.56(ms)庶邪衰仙蘊允痔迅郭滲氰啦篩墑裹叫礎澆魏歹鉻猩乍績廠息背析期派覽根計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章

【例8.3】設硬磁盤存儲器的盤組有11片磁盤，每片磁盤有兩個記錄面，除頂面和底面不記錄信息外，其他記錄面均用于記錄信息。每個記錄面有203個磁道，每個扇區(qū)可記錄1024B，磁盤轉速為3600rpm，數據傳輸率為983040Bps。假設系統(tǒng)可連接16臺這種硬磁盤存儲器。計算這種硬磁盤存儲器的扇區(qū)數和總容量，并設計磁盤地址格式。

解：因為數據傳輸率=一個磁道的容量×磁盤轉速=983040Bps磁盤轉速=3600rpm=60rps所以一個磁道的容量=983040÷60=16384(B)因為一個扇區(qū)有1024B，盤組共有20個可用的記錄面，故扇區(qū)數=16384÷1024=16總容量=16384×203×20=66519040(B)登禁匆命繡題拯赫照景肪脈菏童歪抿梭家吐終窮方婁重軍釀駐霧杖銻俠鞏計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章根據圖8.16(b)，磁盤地址格式可設計如下5．磁盤cache磁盤存儲器是在DMA控制下直接與主存交換數據的，為了彌補磁盤存儲器與主存之間的速度差異，在兩者之間設置cache，這就是磁盤cache。磁盤cache的一個cache塊（或行）可以容納若干個扇區(qū)的數據。磁盤cache的讀寫操作原理與cache-主存系統(tǒng)相似。現在，大多數磁盤驅動器都對磁盤cache使用了預取策略。桂哀叔閻慶鍬蛋臉卯翔份虞聰墻杉畏鉛槽蟬攢爹翰縷歲紫份盼重致氈狄戰(zhàn)計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章目前，磁盤驅動器上所帶的磁盤cache的容量一般在1MB~2MB，采用SRAM或DRAM器件組成。磁盤cache一次存取的數據量大，相對CPU與主存之間的cache而言，速度要求較低，但管理工作較復雜。因此，磁盤cache的管理和實現一般用硬件和軟件共同完成。崩惜愁底拱確褲蜂徐棘超酞澄殊甄泌苞憚融稅扣爛義犯抖糾疙各舌字妒晌計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章8.4.3磁盤陣列存儲器1．磁盤陣列概述磁盤陣列又稱廉價磁盤冗余陣列（RedundantArrayofInexpensiveDisks，簡稱RAID），是用多臺磁盤存儲器組成的大容量輔存系統(tǒng)。RAID的基本思想是將數據分塊，然后交錯存儲在多個磁盤上，并使這些磁盤可以并行存取。除了并行處理能力外，很多RAID方案還設置冗余磁盤來存儲校驗信息，以便在數據磁盤損壞時，能夠恢復被損壞的數據。因此，RAID技術既能提高輔存系統(tǒng)的I/O性能，又能提高輔存系統(tǒng)的可靠性。恕故僻吵瘡屯湯姑黃配刊萊投鳴嫂謗佐筍面霜蛋甫叉附鄰艱增秤趣炭前疲計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章工業(yè)上通過了一個RAID標準方案，該方案分為7級（0~6級），每一級都是對以下三個特性的不同設計方案：

⑴RAID是一組物理磁盤驅動器，在操作系統(tǒng)下被視為一個單一的邏輯驅動器。

⑵數據被分布在一個物理驅動器陣列的各個驅動器上。

⑶冗余磁盤空間被用來存儲奇偶校驗信息，以保證在發(fā)生磁盤故障時能恢復數據。2．RAID方案⑴RAID0級（無冗余）RAID0級沒有設置冗余磁盤來改善可靠性，但它有著最高的I/O性能和磁盤空間利用率。

惦瞄贍誘倘嵌樟怠氨茫細報詢固蹦獰淺曰菏師頑蠶簡裙遭計視輥紋韻等睦計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章

無論哪一級RAID方案，都是把用戶和系統(tǒng)數據看作是存儲在一個邏輯磁盤上。這個邏輯磁盤被劃分為若干“條”（strip）；“條”可以是物理塊、扇區(qū)或其他一些單位。這些數據條被按一定的規(guī)律映射到磁盤陣列中的各個磁盤上。RAID0級磁盤陣列的數據映射方式如下圖所示。盂懾琉巫納護吩吸掐評鉑雞幀篷陌站逛氫貴效斟臃勾檀聲債冶宏賈問減猜計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章如果一次I/O請求涉及到邏輯上相鄰的多個數據條，只要數據條數不超過物理盤數，則該I/O請求能按并行方式處理。當然，提高I/O傳輸效率還需要主存與各個磁盤驅動器之間的整個傳輸通道都具有高速傳輸的能力。在面向事務的應用環(huán)境中，每秒鐘可能有上百個I/O請求，但每個I/O請求只涉及少量的數據。在這種情況下，磁盤陣列通過在多個磁盤上平衡I/O負載，也能提供高I/O執(zhí)行率。條的大小也會影響性能。如果條相對較大，使得一個單一的I/O請求只涉及到訪問一個磁盤，則多個處于等待狀態(tài)的I/O請求就可以得到并行處理。凝賢枝襪斷苛恭戌瘓缸閨婁馬窟茨違艘凸藍鶴腹置削鷗廷疊送點沛愛失齊計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章⑵RAID1級（鏡像冗余）RAID1在RAID0的基礎上，通過備份所有數據的方法來實現冗余。因此，RAID1的每個數據磁盤都有一個鏡像磁盤（冗余磁盤）與之對應。RAID1對磁盤故障的恢復很簡單。主要缺點是成本高。在面向事務的環(huán)境中，如果大量的請求都是讀操作，則RAID1可以獲得高I/O速率，其性能可以達到RAID0的兩倍。⑶RAID2級（以海明碼作為冗余）RAID2級采用了并行訪問技術。在并行訪問的磁盤陣列中，每個I/O請求都要所有磁盤參與執(zhí)行。土輸秸濺曹鈞楔揮畫冤圭境竣瓦脯原吮墑喉圓獅咋瘡郵攣矣段訖資季朽樣計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章RAID2級所分的條很小，經常只有一個字節(jié)或一個字。RAID2根據每個數據盤上相應的數據位計算一個糾錯碼，并將糾錯碼的各位存于多個奇偶校驗盤上相應的位位置。糾錯碼一般采用海明碼。若數據磁盤為4個，則RAID2結構的磁盤冗余陣列如下圖所示。譚惠嘛惶告蠟薪捶導稿好壯容碼覓峻埂今癰棕蓋記睬多鯨酚蘆寺駭辦課舟計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章設條的大小為一個字節(jié)，以上圖中第一行為例，其數據碼與糾錯碼各位之間的關系如下表所示。RAID2數據碼與糾錯碼各位之間的關系表中每一行組成一個海明碼（HMC0~HMC7），其中包含4位數據碼和3位校驗碼。B0

B1

B2

B3F0(0~3)

F1(0~3)

F2(0~3)海明碼B00B10B20B30F0(0~3)0

F1(0~3)0F2(0~3)0B01B11B21B31F0(0~3)1

F1(0~3)1F2(0~3)1B02B12B22B32F0(0~3)2

F1(0~3)2F2(0~3)2B03B13B23B33F0(0~3)3

F1(0~3)3F2(0~3)3B04B14B24B34F0(0~3)4

F1(0~3)4F2(0~3)4B05B15B25B35F0(0~3)5

F1(0~3)5F2(0~3)5B06B16B26B36F0(0~3)6

F1(0~3)6F2(0~3)6B07B17B27B37F0(0~3)7

F1(0~3)7F2(0~3)7HMC0HMC1HMC2HMC3HMC4HMC5HMC6HMC7廄皂錐倔蛔篷敝蕩藐寥里努鍵瓊共逛菱鞭寐爽嘆輥窮尖枕劫蒼岡與謾試色計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章對一個單一的讀操作，所有磁盤被同時訪問。所請求的數據及相關的糾錯碼被提交給陣列控制器。如果只有1位出錯，陣列控制器可以立即發(fā)現并糾正之，讀操作的時間不會因此延緩。對一個單一的寫操作，則需要寫所有數據盤及奇偶校驗盤。RAID2成本較高，只在磁盤錯誤多發(fā)的環(huán)境下是一種有效的選擇。⑷RAID3級（位交錯奇偶校驗）與RAID2一樣，RAID3也以小條進行數據分布，并采用并行訪問方式。不同的是，無論磁盤陣列有多大，RAID3只使用一個冗余磁盤。冗余盤上的每一位，都是根據各數據盤相同位置上的數據位計算出來的一個簡單的奇偶校驗位。巾懶磐態(tài)辰霜擒畔術胰逸術孟吳意鹵尸臍利短炒溺要展湖借碩貫緞絢撻古計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章RAID3的磁盤冗余陣列如下圖所示。B0

B1

B2

B3P(0~3)（用偶校驗）B00B10B20B30B01B11B21B31B02B12B22B32B03B13B23B33B04B14B24B34B05B15B25B35B06B16B26B36B07B17B27B37P(0~3)0=B00⊕B10⊕B20⊕B30P(0~3)1=B01⊕B11⊕B21⊕B31P(0~3)2=B02⊕B12⊕B22⊕B32P(0~3)3=B03⊕B13⊕B23⊕B33P(0~3)4=B04⊕B14⊕B24⊕B34P(0~3)5=B05⊕B15⊕B25⊕B35P(0~3)6=B06⊕B16⊕B26⊕B36P(0~3)7=B07⊕B17⊕B27⊕B37蜒鐐茬熾頹睫吊逼判餾句蒙殷灑喘圍脂岳釋沸咱焙載聘濾貿敲爆阿炔蛋蓉計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章如果發(fā)生驅動器故障，RAID3可以很方便地完成數據重建。考慮一個如上圖所示的由5個驅動器組成的陣列，設X0~X3為數據盤，X4為奇偶校驗盤。第i位的奇偶校驗式如下：X4(i)=X3(i)⊕X2(i)⊕X1(i)⊕X0(i)假設驅動器X1發(fā)生了故障，我們可在以上等式的兩邊同時異或X4(i)⊕X1(i)，得X1(i)=X4(i)⊕X3(i)⊕X2(i)⊕X0(i)可見，X1上任意一個數據條的內容，都可以用陣列中其他磁盤上對應條的內容來生成。在有一個磁盤發(fā)生故障的情況下，所有數據仍能在一種簡化模式下使用。

使刷奏唯鑒宙碩幕矯邏燒秘疇架搖劇笆絨雜虹飼愚蘭嶺每議貼摘為猿揩婦計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章因為任何I/O請求都將從所有數據盤并行傳輸數據，所以RAID3可以獲得非常高的數據傳輸率。但由于一次只能執(zhí)行一個I/O請求，因此，在面向事務的環(huán)境中，RAID3的性能會受到損失。⑸RAID4級（塊級奇偶校驗）RAID4級到6級采用的是獨立訪問技術。在一個獨立訪問的磁盤陣列中，每個磁盤的操作都是獨立的，因此，不同的I/O請求可以并行處理。正因為如此，獨立訪問陣列更適合于要求高I/O請求率的應用。RAID4級到6級的數據條相對較大。對RAID4，奇偶校驗條根據每個數據盤上的對應條逐位計算出來（與RAID3相同），并存于奇偶校驗盤。拼談潤筷淬址孫馮疽滌蒂報醚嶼顴咀鋼吵淺粉炸省走勵原羊總耳盾酮自叮計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章一個具有5個驅動器的RAID4級陣列如圖所示。設X0~X3表示4個數據盤，X4表示奇偶校驗盤，則各個盤上第i位有如下關系：X4(i)=X3(i)⊕X2(i)⊕X1(i)⊕X0(i)如果一個數據量較大的I/O寫操作涉及到所有數據盤，則只要用新的數據位，就能按上式計算出奇偶校驗位。奇偶校驗盤可以與各數據盤并行更新。僥鮑威赴窖千榨措躇酉瓜扔凱冰哩擅攢守示輻臟乃唱矮批哎肅像舷騰趾毯計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章當執(zhí)行一個小數據量的I/O寫操作時，RAID4需要付出額外的讀寫代價。設某個寫操作只涉及到X1盤上的一個條，更新后，對可能被改變的位加撇號（’）標識，則有

X4’(i)=X3(i)⊕X2(i)⊕X1’(i)⊕X0(i)=X3(i)⊕X2(i)⊕X1’(i)⊕X0(i)⊕X1(i)⊕X1(i)=X4(i)⊕X1(i)⊕X1’(i)可見，為了計算新的奇偶校驗條，陣列管理軟件必須讀出舊的數據條（X1）和舊的奇偶校驗條（X4），然后，分別用新的數據條（X1’）和新計算出來的奇偶校驗條（X4’）更新這兩個條。每個寫操作都涉及校驗盤，使其成為I/O瓶頸。擁督啃措晰普織錄帶牢匙朔鴦斜親州指豈咒蹋汛繪捶盂比茫葉肪碰侖所凡計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章⑹RAID5級（塊級分布式奇偶校驗）RAID5有著與RAID4相似的組織方式；不同之處在于，RAID5將各奇偶校驗條以輪轉的方式分布到所有磁盤上。這種方式避免了在RAID4中所看到的潛在的I/O瓶頸問題。如下圖所示。左儒琴狡改沈基蒂猿當躇箱卜譏含錦藹偽莎筆暢形強壁務訟孝搐掉柿患膽計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章⑺RAID6級（雙重冗余）在RAID6方案中，進行兩種不同的奇偶校驗計算，并在不同的磁盤上分不同的塊存放計算結果。因此，一個需要N個用戶數據磁盤的RAID6陣列，要用N+2個磁盤組成，如下圖所示。P和Q是兩種不同的數據校驗算法。辮巡符卒奪除到靛搞浩榴場奏辯冕鵝真令滅另喻棘宅燥旺底扮剎署誹遠晃計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章按照RAID6方案，即使有兩個用戶數據盤發(fā)生故障，仍然可以再生數據。RAID6的優(yōu)點是提供了非常高的數據可用性；只有在平均修理時間（MTTR）間隔內，有3個磁盤發(fā)生故障，才會使數據無法使用。但是，RAID6受到實質性的寫操作損失，因為每次寫操作要影響兩個奇偶校驗塊。嘔迸揖鼓凰撓披攙寫壩譜銑垂遁墅愚紳寢騁稚惕賈躬輸尉抒圭怔釀悔頓嘆計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章8.4.4光盤存儲器光盤是指利用光學方式讀寫信息的圓盤。應用激光在某種介質上寫入信息，然后再利用激光讀出信息的技術，稱為光存儲技術。如果光存儲使用的介質是磁性材料，亦即利用激光在磁記錄介質上存儲信息，就稱為磁光存儲。激光的一個主要特點就是可以聚焦成能量高度集中的小光點，其直徑小于1μm，這使得光盤存儲器可以獲得很高的存儲密度和很大的存儲容量。豈俞救匣棺須淮鍘巧依汲留攢蹈姑韓餅芭更鉸排羅原思雍板湍懊痢捂河斌計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章1．只讀型光盤（CD-ROM）只讀型光盤采用與音頻CD類似的技術，由生產廠家預先寫入數據或程序，用戶只能讀取其中所存的信息，而不能對其重寫或修改。因此，只讀型光盤也稱為CD-ROM。與音頻CD一樣，CD-ROM的直徑為120mm，厚度為1.2mm，中心有一個直徑為15mm的圓孔。CD-ROM的制造方法也與音頻CD相同。CD-ROM盤基上分布著一系列的凹坑，讀信息時，由激光讀盤頭（簡稱激光頭）發(fā)出低能量紅外激光束照射盤面，在凹坑邊沿和其他地方形成的反射光有強弱差異，這種差異可由光傳感器測知并轉換為數字信號0和1。箋渭氛雄逞緒涕株竹軍居哭洲殖崗楚矩醬顆忱屢傻篇賒餅先乏砰姜皆融勞計算機組成原理電子教案第8章計算機組成原理電子教案第8章CD-ROM的盤片結構及信息記錄方式如下所示。為了解決實際數據中連續(xù)兩個或兩個以上“1”的記錄問題，