计算机组成原理(白中英)第7章课件

计算机组成原理第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论第二章第二章 运算方法和运算器运算方法和运算器第三章第三章 存储系统存储系统第四章第四章 指令系统指令系统 第五章第五章 中央处理器中央处理器 第六章第六章 总线系统总线系统 第七章第七章 外围设备外围设备 第八章第八章 输入输出系统输入输出系统第九章第九章 并行组织并行组织目录n教材n白中英，计算机组成原理白中英，计算机组成原理网络版，科学出版网络版，科学出版社，社，20022002n参考书n石磊，计算机组成原理石磊，计算机组成原理第第2 2版版,清华大学出清华大学出版社，版社，20062006n钱晓捷，微型计算机原理及应用钱晓捷，微型计算机原理及应用,清华大学出清华大学出版社，版社，20062006n王爱英王爱英,计算机组成与结构计算机组成与结构第第3 3版版,清华大学清华大学出版社，出版社，20012001n白中英白中英 邝坚，计算机组织与结构邝坚，计算机组织与结构网络版，网络版，科学出版社，科学出版社，20032003第七章 外围设备n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。n功能：在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系。n外围设备的基本组成部分：存储介质、驱动装置、控制电路。第7章 外围设备接口接口7.2 显示设备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CRTCathode Ray Tube显示设备分类n显示器件 CRT LED 等离子n显示信息 字符显示 图形显示 图像显示n扫描方式 光栅扫描 随机扫描如按分辨率、颜色、显示器对角线长度分类呢？像素像素：组成图像的最小单位，显示器上的发光点组成图像的最小单位，显示器上的发光点点距点距：相邻像素的距离（相同色彩点的距离）相邻像素的距离（相同色彩点的距离）0.31mm0.31mm、0.28mm0.28mm、0.25mm 0.25mm 分辨率分辨率：显示器所能表示的像素个数显示器所能表示的像素个数分辨率水平点数分辨率水平点数垂直点数垂直点数6404806404808006008006001024768102476812801024 12801024 像素和分辨率像素和分辨率点距越小，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，所能表达的图像信息越多，图像越清晰分辨率越高，所能表达的图像信息越多，图像越清晰灰灰度度级级：黑黑白白显显示示器器所所显显示示的的像像素素点点的的亮亮暗暗差差别别,彩彩色色显示器所能表现的显示器所能表现的颜色数量颜色数量(彩色深度彩色深度)单色显示器：单色显示器：只有两级灰度的显示器只有两级灰度的显示器黑白显示器：黑白显示器：具有多种灰度级的黑白显示器具有多种灰度级的黑白显示器彩色显示器：彩色显示器：红红、绿绿、蓝蓝三色发光点组成三色发光点组成灰灰度度和和彩彩色色深深度度与与显显示示存存储储器器有有关关。如如果果使使用用8 8个个二二进进制制位位表表达达一一个个像像素素的的灰灰度度，则则可可以以有有256256种种不不同同的的亮亮度度。如如果果红红、绿绿、蓝蓝三三色色都都用用8 8个个二二进进制制位位表表达达，则则彩彩色色图图像就具有像就具有2 22424（16M16M）种颜色，被成为真彩色）种颜色，被成为真彩色灰灰度度级级越越多多，图图像像层层次次感感越越强强；色色彩彩数数越越多多，图图像像越越清楚逼真清楚逼真灰度和色彩灰度和色彩刷新刷新：使电子束不断地重复扫描整个屏幕的过程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：不感到闪烁的刷新频率：30次次/秒秒模拟电视标准：每秒刷新模拟电视标准：每秒刷新50帧图像帧图像刷新和扫描刷新和扫描光光栅栅扫扫描描：光光栅栅扫扫描描是是从从上上至至下下顺顺序序扫描整个屏幕扫描整个屏幕逐行扫描逐行扫描隔行扫描隔行扫描扫扫描描频频率率：完完成成一一帧帧所所花花时时间间的的倒倒数数，也也叫叫刷刷新新频频率率(每每个像素在一秒内被刷新次数个像素在一秒内被刷新次数)刷新频率越高、图像越稳定，感觉越舒服刷新频率越高、图像越稳定，感觉越舒服7.3 输入设备和打印设备输入设备输入设备图形输入：键盘、鼠标器、手写笔图形输入：键盘、鼠标器、手写笔图像输入：扫描仪、摄像头图像输入：扫描仪、摄像头声音输入：麦克风声音输入：麦克风打印设备打印设备针式打印机针式打印机喷墨打印机喷墨打印机激光打印机激光打印机7.4 硬磁盘存储设备 磁记录方式磁记录方式是一种编码方法，将数字信息转换成磁化单元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（RZ）：Return to Zero正脉冲电流表示正脉冲电流表示“1”，负脉冲电流表示，负脉冲电流表示“0”；不论记录不论记录“0”或或“1”，在记录下一信息前，记录电，在记录下一信息前，记录电流恢复到零电流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，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。一般是先去磁后写入。不归零制（不归零制（NRZ）：NonReturn to Zero Change磁头线圈始终有电流磁头线圈始终有电流对连续记录的对连续记录的“1”和和“0”，写电流的方向是不改变的。，写电流的方向是不改变的。无自同步能力。无自同步能力。磁记录方式见见“1”就翻的不归零制就翻的不归零制（NRZ1）NonReturn to Zero Change On One磁头线圈始终有电流通过。磁头线圈始终有电流通过。在记录在记录“1”时，电流改变方向，写时，电流改变方向，写“0”电流保持不变。电流保持不变。不具备自同步能力，需要引用外同步信号不具备自同步能力，需要引用外同步信号调相制（调相制（PM）：又称相位编码（又称相位编码（PE）Phase Mudulation记录数据记录数据“0”时，规定磁化翻转的方向由负变为正，记时，规定磁化翻转的方向由负变为正，记录数据录数据“1”时从正变为负时从正变为负“0”，“1”的读出信号相位不同，抗干扰能力强（磁的读出信号相位不同，抗干扰能力强（磁带多用此）。带多用此）。具有自同步能力具有自同步能力 磁记录方式调频制（调频制（FM）Frequency Modulation记录记录“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。翻转，但位与位之间的边界处要翻转一次。具有自同步能力。具有自同步能力。改进调频制（改进调频制（MFM）Modified Frequency Modulation记录数据记录数据“1”时在位周期中心磁化翻转一次，记录数据时在位周期中心磁化翻转一次，记录数据“0”时时不翻转。不翻转。连续两个或两个以上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。不是在每个位周期的起始处都翻转。具有自同步能力具有自同步能力记录方式：记录方式：代码代码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磁盘存储器的主要技术指标（1/4）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。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非格式化容量：磁记录表面可以利用的磁化单元总数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。位价格：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=每面信息量面数磁盘上信息的分布磁盘上信息的分布盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为片表面称为记录面（磁面）记录面（磁面）记录面上一系列同心圆称为记录面上一系列同心圆称为磁道磁道，每个盘片，每个盘片表面通常有几十到几百个磁道表面通常有几十到几百个磁道柱面柱面指的就是多个盘片上具有相同编号的磁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道，它的数目和磁道是相同的每个磁道又分为若干个每个磁道又分为若干个扇区扇区，它是磁盘上的，它是磁盘上的最小记录单位最小记录单位PCPC机中每个扇区的标准容量是机中每个扇区的标准容量是512512个字节个字节0 0磁道磁道n n磁道磁道柱面柱面扇区扇区磁道磁道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磁磁盘盘阵阵列列将将数数据据分分布布存存放放在在多多个个磁磁盘盘驱驱动动器器、代代替替一一个个大大容容量量磁磁盘盘，提提高高性性能能；添添加加冗冗余余磁磁盘盘存存放校验信息，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RAID的主要类型v主主要要有有7个个RAID级级别别RAID0RAID6，有有些些研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：RAID由由一一组组物物理理磁磁盘盘驱驱动动器器组组成成，操操作作系系统统视视之为一个逻辑驱动器之为一个逻辑驱动器数据分布在一组物理磁盘上数据分布在一组物理磁盘上冗冗余余信信息息被被存存储储在在冗冗余余磁磁盘盘空空间间中中，保保证证磁磁盘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v其其中中第第2、3个个特特性性在在不不同同的的RAID级级别别中中的的表表现不同，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每每当当数数据据写写入入一一个个磁磁盘盘时时，将将该该数数据据也也写写到到另另一一个冗余盘，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各各个个数数据据盘盘上上的的相相应应位位计计算算海海明明校校验验码码，编编码码位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单单盘盘容容错错并并行行传传输输：数数据据以以位位或或字字节节交交叉叉存存储储，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数数据据以以块块（块块大大小小可可变变）交交叉叉的的方方式式存存于于各各盘盘，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数数据据以以块块交交叉叉的的方方式式存存于于各各盘盘，无无专专用用冗冗余余盘盘，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数数据据以以块块（块块大大小小可可变变）交交叉叉方方式式存存于于各各盘盘，检检、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校验码校验码系统结构I/O系统7.7 光盘存储设备v光光盘盘（Optical Disk）是是利利用用光光学学原原理理读读写写信信息息的的存存储储器。器。v特点特点容量大容量大速度快速度快密度高密度高介质寿命长介质寿命长不易受干扰不易受干扰能够进行非接触读写和高速随机存取能够进行非接触读写和高速随机存取系统结构I/O系统7.7 光盘存储设备v只读式光盘只读式光盘只只读读式式光光盘盘（Read Only）：盘盘片片由由厂厂家家预预先先写写入入数数据据或程序，出厂后用户只能读取，不能写入和修改。或程序，出厂后用户只能读取，不能写入和修改。v只写一次光盘只写一次光盘只只写写一一次次光光盘盘（Write Once Only）：可可以以由由用用户户写写入入信信息息，不不过过只只能能写写一一次次，写写入入后后不不能能修修改改，可可以以多多次次读读出出，相相当当于于PROM。在在盘盘片片上上留留有有空空白白区区，可可以以把把要要修修改和重写的的数据追记在空白区内。改和重写的的数据追记在空白区内。v可檫写式光盘可檫写式光盘可可檫檫写写式式光光盘盘（Rewriteable）：利利用用磁磁光光效效应应存存取取信信息息，采采用用特特殊殊的的磁磁性性薄薄膜膜作作记记录录介介质质，用用激激光光束束来来记记录录、再再现现和和删删除除信信息息，又又称称为为磁磁光光盘盘，类类似似于于磁磁盘盘，可可以以重重复读写。复读写。系统结构I/O系统7.7 光盘存储设备v光盘存储器的性能的改进：光盘存储器的性能的改进：（1）增增大大存存储储容容量量，研研制制短短波波长长激激光光器器，研研制制高高密密度度磁磁光光记记录录新新材材料料，改改进进信信息息记记录录方方式式和和数据处理技术。数据处理技术。（2）缩短存取时间，提高传输效率。）缩短存取时间，提高传输效率。（3）研制快速存取光学头。）研制快速存取光学头。（4）提高盘片转速。）提高盘片转速。计算机组成原理计算机组成原理36第7章教学要求l掌掌握握像像素素、点点距距、分分辨辨率率、灰灰度度级级（彩彩色色深深度度）、刷刷新、扫描的概念，以及对显示效果的影响新、扫描的概念，以及对显示效果的影响l理解理解NRZNRZ、PMPM、FMFM、MFMMFM各记录方式的特点各记录方式的特点l了了解解磁磁面面、磁磁道道、磁磁柱柱、扇扇区区的的概概念念，以以及及磁磁盘盘信信息息的分布特点的分布特点计算机组成原理计算机组成原理 第七章外围设备第七章外围设备第七章 小结计算机组成原理计算机组成原理 第七章外围设备第七章外围设备 本章小结本章小结l外围设备可以分为输入设备、输出设备、外存设备、网络通信设备等。外围设备可以分为输入设备、输出设备、外存设备、网络通信设备等。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。制器则通过适配器（接口）和主机相连，并受主机控制。l常用的计算机输入设备有图形输入设备、图像输入设备、语音输入设常用的计算机输入设备有图形输入设备、图像输入设备、语音输入设备。本章介绍的是键盘、鼠标、扫描仪、数码相机等，除此之外，还备。本章介绍的是键盘、鼠标、扫描仪、数码相机等，除此之外，还有光笔、图形板和游动标等。常用的打印设备有点阵式打印机、激光有光笔、图形板和游动标等。常用的打印设备有点阵式打印机、激光打印机、喷墨打印机等，它们都属于硬拷贝输出设备。打印机、喷墨打印机等，它们都属于硬拷贝输出设备。l显示设备是目前应用最广泛的人显示设备是目前应用最广泛的人-机通讯设备。机通讯设备。l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。量存储器使用。l光盘（光盘（Optical Disk）是利用光学原理读写信息的存储器。由于光盘是利用光学原理读写信息的存储器。由于光盘的容量大、速度快、不易受干扰等特点，光盘的应用越来越广泛。的容量大、速度快、不易受干扰等特点，光盘的应用越来越广泛。l计算机必然要实现网络化，网络就是计算机，网络和通讯设备是计算计算机必然要实现网络化，网络就是计算机，网络和通讯设备是计算机实现网络化所必须的外部设备。机实现网络化所必须的外部设备。