计算机组成原理之外围设备

计算机组成原理 Slide 1/计算机组成原理 Slide 2/7.1.1 外围设备的一般功能 1.什么是外围设备 除了CPU和主存外，计算 机系统的每一部分都可作为一个外围设备来看待。主机和外设的价格比 20世纪70年代初为 1：1 20世纪80年代末为 1：6 1：10计算机组成原理 Slide 3/计算机组成原理 Slide 4/液晶显示器液晶显示器LCDLCDLiquid Crystal DisplayLiquid Crystal Display阴极射线管显示器阴极射线管显示器CRTCRTCathode Ray TubeCathode Ray Tube计算机组成原理 Slide 5/像素：组成图像的最小单位，显示器上的发光点 点距：相邻像素的距离（相同色彩点的距离）0.31mm、0.28mm、0.25mm 分辨率：显示器所能表示的像素个数分辨率水平点数垂直点数640480800600102476812801024 点距越小，显示的图像越细腻点距越小，显示的图像越细腻分辨率越高，所能表达的图像分辨率越高，所能表达的图像信息越多信息越多计算机组成原理 Slide 6/灰度级：黑白显示器所显示的像素点的亮暗差别,彩色显示器所能表现的颜色数量(彩色深度)。单色显示器：只有两级灰度的显示器。黑白显示器：具有多种灰度级的黑白显示器。彩色显示器：红、绿、蓝三色发光点组成。计算机组成原理 Slide 7/灰度和彩色深度与显示存储器有关。如果使用8个二进制位表达一个像素的灰度，则可以有256种不同的亮度。如果红、绿、蓝三色都用8个二进制位表达，则彩色图像就具有224（16M）种颜色，被成为真彩色。灰度级越多，图像层次感越强；色彩数越多，图像越清楚逼真。计算机组成原理 Slide 8/刷新：使电子束不断地重复扫描整个屏幕的过程不感到闪烁的刷新频率：30次/秒模拟电视标准：每秒刷新50帧图像计算机组成原理 Slide 9/光栅扫描：光栅扫描是从上至下顺序扫描整个屏幕逐行扫描隔行扫描扫描频率：完成一帧所花时间的倒数，也叫刷新频率(每个像素在一秒内被刷新次数)刷新频率越高、图像越稳定，感觉越舒服计算机组成原理 Slide 10/输入设备图形输入：键盘、鼠标器、手写笔图像输入：扫描仪、摄像头声音输入：麦克风 打印设备针式打印机喷墨打印机激光打印机计算机组成原理 Slide 11/点阵针式打印机 点阵针式打印机是目前应用最普及的一种打印设备，特点是结构简单、体积小、重量轻、价格低、字符种类不受限制，易实现汉字打印，还可以打印图形/图像，因此在微小型机中都配置这种打印机。计算机组成原理 Slide 12/点阵针式打印机点阵针式打印机的印字方法是由打印针选择nm个点阵组成的字符图形。显然点越多，印字 质量越高。西文字符点阵通常有57，77，79等几种，中文汉字至少要1616或2424 点阵。为了减少打印头制造的难度，串行点阵打印机的打印头中只装有一列m根打印针，每针可以单独驱动(意味着最多可以并行驱动m根打印针)，印完一列后打印头沿水平方向动一步微小距离，n步以后，可形成一个nm点阵的字符。以后又照此逐个字符进行打印。计算机组成原理 Slide 13/串行针式打印机有单向打印和双向打印两种。针式打印机的结构：针式打印机由打印头与字车、输纸机构、色带机构与控制器四部分组成。文字教材图7.8示出了针式打印机构示意图。计算机组成原理 Slide 14/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。计算机组成原理 Slide 15/计算机组成原理 Slide 16/7.4.1 磁记录原理与记录方式 计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储，是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。磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。磁表面存储器的优点：(1)存储容量大，位价格低；(2)记录介质可以重复使用；(3)记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档；(4)非破坏性读出，读出时不需要再生信息。计算机组成原理 Slide 17/7.4.1 磁记录原理与记录方式 磁表面存储器的缺点：存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在计算机系统中作为辅助大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据信息。计算机组成原理 Slide 18/磁性材料的磁滞回线电流I磁场H磁感应强度B磁感应强度B不随电流的消失而回零，在磁滞回线上形成两个稳态Br和-Br,故可用来记录“1”和“0”两种值的代码。1.磁性材料的物理特性计算机组成原理 Slide 19/磁记录方式是一种编码方法，将数字信息转换成磁化单元。归零制（归零制（RZRZ）：）：Return to ZeroReturn to Zero正脉冲电流表示“1”，负脉冲电流表示“0”；不论记录“0”或“1”，在记录下一信息前，记录电流恢复到零电流；简单易行，记录密度低，改写磁层上的记录比较困难，一般是先去磁后写入。具有自同步能力（能从磁头读出信号中分离获得同步/选通信号）。计算机组成原理 Slide 20/磁记录方式是一种编码方法，将数字信息转换成磁化单元不归零制（不归零制（NRZNRZ）：）：NonReturn to NonReturn to Zero ChangeZero Change磁头线圈始终有电流。对连续记录的“1”和“0”，写电流的方向是不改变的。无自同步能力。计算机组成原理 Slide 21/磁记录方式是一种编码方法，将数字信息转换成磁化单元见见“1 1”就翻的不归零制（就翻的不归零制（NRZ1NRZ1）NonReturn to Zero Change On OneNonReturn to Zero Change On One磁头线圈始终有电流通过。在记录“1”时，电流改变方向，写“0”电流保持不变。不具备自同步能力，需要引用外同步信号计算机组成原理 Slide 22/磁记录方式是一种编码方法，将数字信息转换成磁化单元调相制（调相制（PMPM）：又称相位编码（）：又称相位编码（PEPE）Phase Phase ModulationModulation记录数据“0”时，规定磁化翻转的方向由负变为正，记录数据“1”时从正变为负。“0”，“1”的读出信号相位不同，抗干扰能力强（磁带多用此）。具有自同步能力。计算机组成原理 Slide 23/调频制（FM）Frequency Modulation记录“1”时，不仅在位周期的中心产生磁化翻转，而且在位与位之间的边界处要翻转一次。记录“0”时，位周期中心不产生磁化翻转，但位与位之间的边界处要翻转一次。具有自同步能力。计算机组成原理 Slide 24/改进调频制（MFM）Modified Frequency Modulation记录数据“1”时在位周期中心磁化翻转一次，记录数据“0”时不翻转。连续两个或两个以上“0”时，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。具有自同步能力。计算机组成原理 Slide 25/记录方式：代码记录方式：代码0 0或或1 1的写入电流波形的写入电流波形数据序列 1 0 0 0 1 1 1 0NRZ0NRZ1PMFMMFM计算机组成原理 Slide 26/磁盘存储器的主要技术指标(1/4)(1)存储密度：单位长度或单位面积所存储的二进制信息量。磁盘的存储密度：(a)道密度：指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数(b)位密度：指沿磁道的单位长度上记录的二进制信息位数(c)面密度：以上两个乘积。计算机组成原理 Slide 27/磁盘存储器的主要技术指标（1/4）(2)存储容量以字节为单位,指存储器所能存储的二进制信息总量。磁盘存储器有格式化容量和非格式化容量两个指标：格式化容量：指按照特定的记录格式存储信息的总量非格式化容量：磁记录表面可以利用的磁化单元总数计算机组成原理 Slide 28/磁盘存储器的主要技术指标（2/4）寻址时间：对磁盘存储器，寻址时间=寻道时间+等待时间等待时间与磁盘转速有关，可用磁盘旋转一周所需要时间的一半来表示平均等待时间。例：磁盘的转速为3600r/min，则平均等待时间=0.560/3600=8.3ms。读写周期：读出/写入一个字的时间称为读写时间，两次读出/写入操作之间的时间间隔称为读写周期或存取周期计算机组成原理 Slide 29/磁盘存储器的主要技术指标（3/4）数据传输率：单位时间内向主机传送数据的位数或字节数。对磁盘存储器，单磁头串行读/写半径R0已知，数据传输率计算如下：每道信息量=位密度2R0，（R0为内半径）数据传输率(bps)=每道信息量转速r，（r是每秒转速）=位密度2R0转速 例某盘组共9块盘片，有16个盘面来记录数据，每面分256个磁道，每道有16个扇区，每个扇区存储512个字节，假设磁盘旋转速度为每分钟3600转，求数据传输率。解：每秒钟的的转速=3600/60=60转；数据传输率=每一磁道容量每秒钟转速 =1651260 =480KB/S计算机组成原理 Slide 30/磁盘存储器的主要技术指标（4/4）误码率：是衡量出错概率的参数，等于出错位数与读写总信息位数之比。价格：通常用位价格来比较各种外存储器。位价格是用设备价格除以存储器二进制位总容量。一个常识：每面信息量=每道信息量柱面数 =每道信息量道密度（外半径-内半径）总容量=每面信息量面数计算机组成原理 Slide 31/磁盘上信息的分布 盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为记录面（磁面）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 柱面指的就是多个盘片上具有相同编号的磁道，它的数目和磁道是相同的 每个磁道又分为若干个扇区，它是磁盘上的最小记录单位 PC机中每个扇区的标准容量是512个字节计算机组成原理 Slide 32/0 0磁道磁道n n磁道磁道柱面扇区磁道磁盘上信息的分布计算机组成原理 Slide 33/7.5 软磁盘存储设备软盘片规格软盘片规格面面数数磁道磁道/面面扇区扇区/道道字节字节/扇扇容量容量5.25英寸双面双密英寸双面双密2409512360KB5.25英寸双面高密英寸双面高密280155121.2MB3.5英寸双面低密英寸双面低密2809512720KB3.5英寸双面高密英寸双面高密280185121.44MB3.5英寸双面超高密英寸双面超高密280365122.88MB7.6 磁带存储设备7.7 光盘存储设备CD-ROM，DVD-ROM；CD-R，CD-RW系统结构I/O系统廉价磁盘冗余阵列RAIDv1988年，年，Patterson教授首先提出教授首先提出v廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列RAID Redundant Array of Inexpensive Disksv独立磁盘冗余阵列独立磁盘冗余阵列RAID Redundant Array of Independent Disksv简称磁盘阵列技术简称磁盘阵列技术v磁盘阵列将数据分布存放在多个磁盘驱动器、代磁盘阵列将数据分布存放在多个磁盘驱动器、代替一个大容量磁盘，提高性能；添加冗余磁盘存替一个大容量磁盘，提高性能；添加冗余磁盘存放校验信息，提高可靠性放校验信息，提高可靠性v优点：容量大、速度快、可靠性高、造价低廉优点：容量大、速度快、可靠性高、造价低廉系统结构I/O系统系统结构I/O系统RAID的主要类型v主要有主要有7个个RAID级别级别RAID0RAID6，有些研，有些研究人员也定义了其他级别究人员也定义了其他级别vRAID各级别具有不同结构，但有如下共性：各级别具有不同结构，但有如下共性：vRAID由一组物理磁盘驱动器组成，操作系统由一组物理磁盘驱动器组成，操作系统视之为一个逻辑驱动器视之为一个逻辑驱动器v数据分布在一组物理磁盘上数据分布在一组物理磁盘上v冗余信息被存储在冗余磁盘空间中，保证磁盘冗余信息被存储在冗余磁盘空间中，保证磁盘在万一损坏时可以恢复数据在万一损坏时可以恢复数据其中第其中第2、3个特性在不同的个特性在不同的RAID级别中的表级别中的表现不同，现不同，RAID0不支持第不支持第3个特性个特性系统结构I/O系统RAID0v数据分块，即把数据分布在多个盘上数据分块，即把数据分布在多个盘上v非冗余阵列、无冗余信息非冗余阵列、无冗余信息v严格地说，它不属于严格地说，它不属于RAID系列系列MNOetc.IJKLEFGHABCD系统结构I/O系统RAID1v亦称镜像盘，使用双备份磁盘亦称镜像盘，使用双备份磁盘v每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写到另一每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写到另一个冗余盘，形成信息的两份复制品个冗余盘，形成信息的两份复制品GGHHEEFFCCDDAABB=系统结构I/O系统RAID2v位交叉式海明编码阵列位交叉式海明编码阵列v各个数据盘上的相应位计算海明校验码，编码位各个数据盘上的相应位计算海明校验码，编码位被存放在多个校验（被存放在多个校验（Ecc）磁盘的对应位上）磁盘的对应位上D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3Ecc/AxEcc/BxEcc/CxEcc/DxEcc/AyEcc/ByEcc/CyEcc/DyEcc/AzEcc/BzEcc/CzEcc/Dz系统结构I/O系统RAID3v位交叉奇偶校验盘阵列位交叉奇偶校验盘阵列v单盘容错并行传输：数据以位或字节交叉存储，单盘容错并行传输：数据以位或字节交叉存储，奇偶校验信息存储在一台专用盘上奇偶校验信息存储在一台专用盘上D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3A校验码校验码B校验码校验码C校验码校验码D校验码校验码校验码校验码产生器产生器位或字节位或字节系统结构I/O系统RAID4v专用奇偶校验独立存取盘阵列专用奇偶校验独立存取盘阵列v数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘，数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘，奇偶校验信息存在一台专用盘上奇偶校验信息存在一台专用盘上D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3A校验码校验码B校验码校验码C校验码校验码D校验码校验码校验码校验码产生器产生器数据块数据块系统结构I/O系统RAID5v块交叉分布式奇偶校验盘阵列块交叉分布式奇偶校验盘阵列v数据以块交叉的方式存于各盘，无专用冗余盘，数据以块交叉的方式存于各盘，无专用冗余盘，奇偶校验信息均匀分布在所有磁盘上奇偶校验信息均匀分布在所有磁盘上C4D44校验码校验码E4A3C3D3A2B2D2A1B1C1A0B0C0D00校验码校验码1校验码校验码2校验码校验码3校验码校验码校验码校验码产生器产生器E1E2E3B4系统结构I/O系统RAID6v双维奇偶校验独立存取盘阵列双维奇偶校验独立存取盘阵列v数据以块（块大小可变）交叉方式存于各盘，检、数据以块（块大小可变）交叉方式存于各盘，检、纠错信息均匀分布在所有磁盘上纠错信息均匀分布在所有磁盘上C2D3D校验码校验码C1D2A2D1A1B1A0B0C00校验码校验码1校验码校验码B校验码校验码3校验码校验码校验码校验码产生器产生器B22校验码校验码C校验码校验码A校验码校验码计算机组成原理 Slide 44/光盘（Optical Disk）是利用光学原理读写信息的存储器。特点容量大速度快密度高介质寿命长不易受干扰能够进行非接触读写和高速随机存取计算机组成原理 Slide 45/只读式光盘 只读式光盘（Read Only）：盘片由厂家预先写入数据或程序，出厂后用户只能读取，不能写入和修改。只写一次光盘 只写一次光盘（Write Once Only）：可以由用户写入信息，不过只能写一次，写入后不能修改，可以多次读出，相当于PROM。在盘片上留有空白区，可以把要修改和重写的的数据追记在空白区内。可擦写式光盘 可擦写式光盘（Rewriteable）：利用磁光效应存取信息，采用特殊的磁性薄膜作记录介质，用激光束来记录、再现和删除信息，又称为磁光盘，类似于磁盘，可以重复读写。计算机组成原理 Slide 46/光盘存储器的性能的改进：（1）增大存储容量，研制短波长激光器，研制高密度磁光记录新材料，改进信息记录方式和数据处理技术。（2）缩短存取时间，提高传输效率。（3）研制快速存取光学头。（4）提高盘片转速。