chapter7外存與io設(shè)備

1、計算機(jī)組成原理武漢科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,第七章 外存與I/O設(shè)備,本章內(nèi)容7.1 外圍設(shè)備概述7.2 磁盤存儲設(shè)備7.3 磁盤存儲設(shè)備的技術(shù)發(fā)展7.4 磁帶存儲設(shè)備7.5 光盤和磁光盤存儲設(shè)備7.6 顯示設(shè)備7.7 輸入設(shè)備和打印設(shè)備,7.1.1 外圍設(shè)備的一般功能什么是外圍設(shè)備——除CPU和內(nèi)存外的部件2. 外圍設(shè)備的功能在計算機(jī)和其他機(jī)器之間，以及計算機(jī)與用戶之間提供聯(lián)系3. 外圍設(shè)備的基本組成—

2、—存儲介質(zhì)、驅(qū)動裝置、控制電路存儲介質(zhì)——用于保存信息驅(qū)動裝置——用于移動存儲介質(zhì)控制電路——向存儲介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)，或從存儲介質(zhì)接受數(shù)據(jù),7.1 外圍設(shè)備概述,目錄,7.1.2 外圍設(shè)備的分類,可分為五大類:輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存設(shè)備數(shù)據(jù)通信設(shè)備過程控制設(shè)備,I/O接口,7.2 磁盤存儲設(shè)備,7.2.1 磁記錄原理　　磁表面存儲設(shè)備——用某些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，如磁盤存儲器、磁帶存儲器

3、　　磁表面存儲器的優(yōu)點(diǎn)：(1)存儲容量大，位價格低 (2)記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用 (3)記錄信息可以長期保存而不丟失，甚至可以脫機(jī)存檔 (4)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(diǎn)：存取速度較慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對工作環(huán)境要求較高　　磁表面存儲器常作為輔助大容量存儲器使用,目錄,磁性材料的磁滯回線電流I→磁場H→磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁感應(yīng)強(qiáng)度B不隨電流的消失而回零，在磁滯回線上形成兩個穩(wěn)態(tài)：+Br(正剩磁狀態(tài))和-Br

4、(負(fù)剩磁狀態(tài))——用來記錄“1”和“0”磁化元(存儲元),1.磁性材料的物理特性,2.磁表面存儲器的讀寫原理磁頭——是由軟磁材料做鐵芯繞有讀寫線圈的電磁鐵，用于形成和判別磁層中的不同磁化狀態(tài)(1)寫操作——通過電-磁變換，利用磁頭寫線圈中的脈沖電流，把一位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成載磁體存儲元的不同剩磁狀態(tài)一個磁化元就是一個存儲元，存儲一位二進(jìn)制信息；當(dāng)載磁體相對于磁頭運(yùn)動時 ，就可連續(xù)寫入一連串的二進(jìn)制信息(2)讀操作 ——利用磁

5、-電變換，利用磁頭讀出線圈，可將存儲元的不同剩磁狀態(tài)表示的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成電信號輸出磁頭對載磁體作相對運(yùn)動時，讀出線圈中的感應(yīng)的電動勢為： 不同的磁化狀態(tài)，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢方向不同,記錄方式的寫讀過程波形圖,磁頭在磁表面存儲信息原理,硬磁盤的記錄介質(zhì)為硬質(zhì)圓形盤片,7.2.2 磁盤的組成和分類,主要由三部分組成磁記錄介質(zhì)磁盤控制器磁盤驅(qū)動器,硬磁盤邏輯結(jié)構(gòu)圖,,,,,,,,寫入和讀出操作,寫入時，將計算機(jī)并行

6、送來的數(shù)據(jù)變?yōu)榇袛?shù)據(jù)，然后一位一位地由寫電流驅(qū)動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元讀出時，當(dāng)記錄介質(zhì)相對磁頭運(yùn)動時，位磁化存儲元形成的空間磁場在讀磁頭線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，此讀出信息經(jīng)放大檢測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)，再送至計算機(jī),(1)可移動磁頭固定盤片的磁盤機(jī)：一片或一組盤片固定在主軸上，盤片不可更換，盤片每面只有一個磁

7、頭，存取數(shù)據(jù)時磁頭沿盤面徑向移動(2)可移動磁頭可換盤片的磁盤機(jī)：盤片可更換，磁頭可沿盤面徑向移動；盤片可脫機(jī)保存，同種型號的盤片可互換(3)固定磁頭磁盤機(jī)：磁頭位置固定，每一個磁道對應(yīng)一個磁頭，盤片不可更換；存取速度快，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 溫徹斯特磁盤機(jī)：簡稱溫盤，是一種采用先進(jìn)技術(shù)研制的可移動磁頭固定盤片的磁盤機(jī)，是一種密封組合式的硬磁盤，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；防塵性能好，可靠性高，對使用環(huán)境要求不高常見

8、溫盤的直徑：5.25、3.5、2.5、1.75英寸等,硬磁盤機(jī)的分類,硬磁盤按盤片結(jié)構(gòu)可分成可換盤片式與固定盤片式兩種磁頭也分為可移動磁頭和固定磁頭兩種,1.磁盤驅(qū)動器 各磁盤驅(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)相同，主要由定位驅(qū)動系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成2.磁盤控制器 磁盤控制器是主機(jī)與磁盤驅(qū)動器之間的接口；由于磁盤存儲器是高速外存設(shè)備，故與主機(jī)之間采用成批交換數(shù)據(jù)方式磁盤控制器有兩個方面的接口：系統(tǒng)級接口——與主機(jī)的接

9、口，控制外存與主機(jī)總線交換數(shù)據(jù)設(shè)備級接口——與設(shè)備的接口，根據(jù)主機(jī)命令控制設(shè)備的操作主機(jī)與磁盤驅(qū)動器交換數(shù)據(jù)的控制邏輯圖,7.2.3 磁盤驅(qū)動器和控制器,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(直接存儲器傳送)控制將數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)總線——磁盤控制器的功能全部轉(zhuǎn)移到設(shè)備中，主機(jī)與設(shè)備之間采用標(biāo)準(zhǔn)的通用接口，如SCSI接口，從而使設(shè)備相對獨(dú)立,記錄面

10、——磁盤片表面磁道——記錄面上一系列同心圓；每個磁道又分若干個扇區(qū)　　磁道的編址是從外向內(nèi)依次編號，最外一個同心圓叫0磁道，最里面的一個同心圓叫n磁道，n磁道里面的圓面積并不用來記錄信息；扇區(qū)可以連續(xù)編號，也可間隔編號磁盤地址——記錄面的面號、n磁道、m扇區(qū)例如對活動頭磁盤組來說，磁盤地址是由記錄面號(也稱磁頭號)、磁道號和扇區(qū)號三部分組成　　讀/寫操作以扇區(qū)為單位一位一位串行進(jìn)行；每一個扇區(qū)記錄一個定長的記錄塊數(shù)據(jù)在磁盤上

11、的記錄格式,7.2.4 磁盤上信息的分布,每個扇區(qū)開始時由磁盤控制器產(chǎn)生一個扇標(biāo)脈沖，兩個扇標(biāo)脈沖之間的一段磁道區(qū)域?yàn)橐粋€扇區(qū)(一個記錄塊)每個記錄塊由頭部空白段、序標(biāo)段、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)字段及尾部空白段組成——各段的作用,磁盤上的數(shù)據(jù)格式,1. 存儲密度：分道密度、位密度和面密度道密度——沿磁盤半徑方向單位長度上的磁道數(shù)；道/英寸位密度——磁道單位長度上能記錄的二進(jìn)制代碼位數(shù)；位/英寸面密度——位密度和道密度的乘積；位/平方英寸

12、2. 存儲容量：一個磁盤存儲器所能存儲的字節(jié)總數(shù)分為格式化容量和非格式化容量格式化容量——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)格式化容量一般是非格式化容量的60%—70%,7.2.5 磁盤存儲器的技術(shù)指標(biāo),3. 數(shù)據(jù)傳輸率——單位時間內(nèi)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；傳輸率與存儲設(shè)備和主機(jī)接口邏輯有關(guān)從存儲設(shè)備考慮，假設(shè)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為每秒n轉(zhuǎn)，每條磁道容

13、量為N個字節(jié)，則數(shù)據(jù)傳輸率Dr=nN(字節(jié)/秒)，也可以寫成Dr=D·v(字節(jié)/秒)，其中D為位密度，v為磁盤旋轉(zhuǎn)的線速度4. 平均存取時間存取時間：從發(fā)出讀寫命令，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⒓由蟼魉蛿?shù)據(jù)所需的時間它與三個因素有關(guān)：①找道時間②等待時間③數(shù)據(jù)傳送時間找道時間和等待時間是隨機(jī)變化的， 因此往往用平均值來表示平均等待時間與磁盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，常取磁盤旋轉(zhuǎn)一周的時間的一半

14、平均存取時間其中，n是磁盤旋轉(zhuǎn)速率；b是傳送的字節(jié)數(shù)；N是每磁道字節(jié)數(shù),【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：(1)共有多少柱面? (2)盤組總存儲容量是多少? (3)數(shù)據(jù)傳輸率多少? (4)采用定長數(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

15、長度超過一個磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個存儲面上，還是記錄在同一個柱面上?,解答(1)(2)(3)解答(4)(5),【解】(1)柱面數(shù)=每個盤面的磁道數(shù)=(外直徑-內(nèi)直徑)/2?道密度=(33-22)/2?40=40×5.5=220，即有220個柱面(2)內(nèi)層磁道周長為2πR=2×3.14×11=69.08(cm) 每道信息量=400位/cm×69.08cm=27632位=3454

16、B 每面信息量=3454B×220=759880B 盤組總?cè)萘?759880B×10=7598800B(3)磁盤數(shù)據(jù)傳輸率Dr=nN，N為每條磁道容量， N=3454B，n為磁盤轉(zhuǎn)速，n=6000轉(zhuǎn)/60秒=100轉(zhuǎn)/秒 Dr=nN=100×3454B=345400B/s,題目,(4)采用定長數(shù)據(jù)塊格式，直接尋址的最小單位是一個記錄塊(一個扇區(qū))，每個記錄塊記錄固定字節(jié)數(shù)目的信息，在定長記錄的

17、數(shù)據(jù)塊中，活動頭磁盤組的編址方式可用如下格式： 此地址格式表示有4臺磁盤，每臺有16個記錄面，每面有256個磁道，每道有16個扇區(qū) (5)如果某文件長度超過一個磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個柱面上，因?yàn)椴恍枰匦抡业溃瑪?shù)據(jù)讀/寫速度快,題目,例：某磁盤存儲器轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，共有4個記錄盤面，5道/mm，每道記錄信息12 288字節(jié)，最小磁道直徑為230mm，共有275道，求：(1) 磁盤存儲器的存儲容量 (2) 最高位

18、密度(最小磁道的位密度)和最低位密度 (3) 磁盤數(shù)據(jù)傳輸率 (4) 平均等待時間(5) 給出一個磁盤地址格式方案(設(shè)每個扇區(qū)存儲512個字節(jié))【解】(1) 存儲容量為：12288字節(jié)/道?275道?4面=13 516 800字節(jié)(2) 最高位密度：最大直徑為：230+275/5?2=340mm最低位密度：12288?8位/(??340mm)?92位/mm(3) 轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分=50轉(zhuǎn)/s，數(shù)據(jù)傳輸率：12288B?5

19、0=614400B/s(4) 平均等待時間：1/50/2=0.01s=10ms(5) 磁盤地址由記錄面號、磁道號和扇區(qū)號3部分構(gòu)成其中4個記錄面，故記錄面號占2位；275個磁道，磁道號占9位；每個磁道所含的扇區(qū)數(shù)為12288/512=24，故扇區(qū)號占5位由此，磁道的地址可采用下面的格式：,7.3 磁盤存儲設(shè)備的技術(shù)發(fā)展,7.3.1 磁盤Cache 1. 磁盤Cache的概念 減少對磁盤存儲器的存取時間的措施：提高磁盤機(jī)主軸

20、轉(zhuǎn)速，提高I/O總線速度；采用磁盤cache等設(shè)置磁盤cache的目的：彌補(bǔ)慢速磁盤和主存之間的速度差異2.磁盤Cache的原理　　cache行：由一些數(shù)據(jù)塊組成的一個基本單位訪問過程：命中及不命中時的讀出操作、寫入操作實(shí)現(xiàn)的原理：被訪問數(shù)據(jù)的空間局部性和時間局部性原理，目前大多數(shù)磁盤驅(qū)動器中都使用了預(yù)讀策略與CPU的Cache的不同：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，因此一般由硬件

21、和軟件共同完成；其中cache采用SRAM或DRAM,目錄,——多臺磁盤存儲器組成的大容量外存系統(tǒng)構(gòu)造基礎(chǔ)：數(shù)據(jù)分塊技術(shù)和并行處理技術(shù)；可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行存儲、交叉存儲、單獨(dú)存儲；一旦系統(tǒng)中某一磁盤失效，還可利用冗余信息重建用戶信息RAID標(biāo)準(zhǔn)：按應(yīng)用需求(存儲容量、可靠性、數(shù)據(jù)傳輸能力、I/O請求速率等)不同，分為7級(RAID 0～RAID 6)舉例：RAID 0級——用于高速數(shù)據(jù)傳輸和高速I/O請求RAID 0低成本比可靠性

22、更重要，未采用奇偶校驗(yàn)等冗余技術(shù)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大容量磁盤相比的優(yōu)點(diǎn)：若兩個I/O請求正在等待不同的數(shù)據(jù)塊，則被請求的塊可能在不同的盤上——兩個請求能并行發(fā)出，減少I/O排隊(duì)的時間；對多個條帶的請求可并行處理,7.3.2 磁盤陣列RAID(廉價冗余磁盤陣列——Redundant Array of Inexpensive Disks),RAID 0級陣列的數(shù)據(jù)映射,邏輯條帶、物理?xiàng)l帶、條帶集,負(fù)責(zé)邏輯磁盤

23、和物理磁盤間的映射,(1) 軟磁盤驅(qū)動器——盤片由柔軟的聚酯材料組成；磁頭接觸式讀寫(速度慢)目前的軟盤直徑為3.5英寸，300轉(zhuǎn)/分，容量為1.44MB(2) ZIP和JAZ磁盤驅(qū)動器ZIP是高容量軟盤，磁頭非接觸，速度快轉(zhuǎn)速達(dá)3000轉(zhuǎn)/分，容量大250MBJAZ介于軟盤和硬盤之間，容量達(dá)1GB或2GB，盤片價格昂貴(3) 可移動硬盤驅(qū)動器容量達(dá)80G?250GB,7.3.3 可移動存儲設(shè)備,顯示設(shè)備,7.4 磁帶存儲

24、設(shè)備(不講),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寫入：通過磁頭把信息代碼記錄在磁帶上讀出：當(dāng)記錄有代碼的磁帶在磁頭下移動時，就可在磁頭線圈上感應(yīng)出電動勢磁帶存儲設(shè)備由磁帶機(jī)和磁帶組成，它通常用作為海量存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)備份磁帶上的數(shù)據(jù)采用順序訪問方式——速度比磁盤慢,目錄,7.5 光盤和磁光盤存儲設(shè)備（略）,7.5.1 光盤存儲設(shè)備　　　　　　 CD-ROM光盤只讀型光盤系統(tǒng)的原理：光盤上的信息以坑點(diǎn)

25、形式分布，有坑點(diǎn)表示“1”，無坑點(diǎn)表示“0” ；讀出時，當(dāng)激光束聚焦點(diǎn)照射在凹坑上時將發(fā)生衍射，反射率低，根據(jù)反射光的光強(qiáng)變化并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，即可讀出記錄信息光道：信息記錄的軌跡扇區(qū)：光盤的最小尋址單位，光道分為若干扇區(qū)【例6】CD-ROM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，標(biāo)準(zhǔn)的播放時 間為60分鐘。計算模式1和模式2情況下光盤存儲容量是多少?,目錄,CD-ROM盤片存儲機(jī)理,扇區(qū)的結(jié)構(gòu),同步(SYNC)區(qū)：標(biāo)

26、志扇區(qū)的開始，2個全0字節(jié)和10個全1字節(jié)組成扇區(qū)標(biāo)識(ID)區(qū)：說明此扇區(qū)的地址和工作模式，4字節(jié)光盤扇區(qū)的地址編碼：以分(MN)、秒(SC)和分?jǐn)?shù)秒(FR，1/75s)時間值作為地址，由于光盤的恒定線速度是每秒鐘讀出75個扇區(qū)，故FR的值實(shí)際上就是秒內(nèi)的扇區(qū)號(0?74)MD：模式控制，控制數(shù)據(jù)區(qū)和校驗(yàn)區(qū)的使用，有三種模式,分為4個區(qū)域,MD控制的三種模式,模式0：數(shù)據(jù)區(qū)和校驗(yàn)區(qū)的全部2336個字節(jié)都是0，這種扇區(qū)不用于記錄數(shù)

27、據(jù)，用作光盤的導(dǎo)入?yún)^(qū)和導(dǎo)出區(qū)模式1：288字節(jié)的校驗(yàn)區(qū)為4字節(jié)的檢測碼(EDC)、8字節(jié)的保留域(未定義)和276字節(jié)的糾錯碼(ECC)，這種扇區(qū)模式有2048字節(jié)的數(shù)據(jù)并有很強(qiáng)的檢測和糾錯能力，適合于保存計算機(jī)的程序和數(shù)據(jù)模式2：288字節(jié)的檢驗(yàn)區(qū)也用于存放數(shù)據(jù)，用于保存聲音、圖像等對誤碼率要求不高的數(shù)據(jù),【解】 扇區(qū)總數(shù)=60×60×75=270000(扇區(qū)) 模式1存放計算機(jī)程序和數(shù)據(jù)，其

28、存儲容量為270000×2048=527MB 模式2存放聲音、圖像等多媒體數(shù)據(jù)，其存儲容量為270000×2336=601MB,WORM、CD-R光盤WORM——一次寫多次讀CD-R：是WORM的一種；允許多次分段寫數(shù)據(jù)CD-RW光盤——可重復(fù)寫DVD-ROM光盤——全稱數(shù)字化視頻光盤，后演變成數(shù)字化通用光盤的簡稱與CD-ROM的區(qū)別：凹陷區(qū)的大小相對更小些，使存儲信息總量更大；雙

29、面可寫，有的甚至多層可寫,磁光 (MO—Magnet Optical)盤：磁場技術(shù)和激光技術(shù)相結(jié)合——由磁道和扇區(qū)組成，可隨機(jī)寫入、擦除或重寫信息與純磁盤的基本區(qū)別：磁表面需要高溫來改變磁極，因此在常溫下是穩(wěn)定的，數(shù)據(jù)不會改變基本工作原理：寫入數(shù)據(jù)：利用熱磁效應(yīng)，當(dāng)激光束將磁光介質(zhì)上的記錄點(diǎn)加熱到居里點(diǎn)溫度以上時，外加磁場作用改變記錄點(diǎn)的磁化方向，而不同的磁化方向可表示數(shù)字“0”和“1”讀出數(shù)據(jù)：利用磁光克爾效應(yīng)，當(dāng)激光束照射

30、到記錄點(diǎn)時，記錄點(diǎn)的磁化方向不同，會引起反射光的偏振面發(fā)生不同結(jié)果，從而檢測出所記錄的數(shù)據(jù)“1”或“0”,7.5.2 磁光盤存儲設(shè)備(不講),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)生的磁場使其對應(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

31、些粒子沒有被反射掉，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)，外加磁場改變方向，使磁性粒子恢復(fù)到原始極性。,結(jié)論：MO盤介質(zhì)材料發(fā)生的物理特性改變是可逆變化，因此信息可重寫,,7.6 顯示設(shè)備,7.6.1 顯示設(shè)備的分類與有關(guān)概念 　　　 顯示設(shè)備的分類 (1) 按顯示設(shè)備所用的顯示器件分類：陰極射線管(CRT)顯示器、液晶顯示器(LCD)、等離子顯示器等(2) 按所顯示的信息內(nèi)容分類：字符/圖

32、形顯示器、圖像顯示器CRT顯示設(shè)備的分類按掃描方式分類：光柵掃描和隨機(jī)掃描按分辨率分類：高分辨率顯示器和低分辨率顯示器按顯示的顏色分類：單色(黑白)顯示器和彩色顯示器按熒光屏對角線長度：12英寸、14英寸、16英寸、19英寸等,目錄,,1.分辨率和灰度級分辨率：顯示器所能表示的像素個數(shù)；像素越密，分辨率越高，圖像越清晰影響分辨率的因素：顯像管熒光粉的粒度、熒光屏的尺寸和CRT電子束的聚焦能力灰度級：黑白顯示器中所顯示像素

33、點(diǎn)的亮暗差別；彩色顯示器中表現(xiàn)為顏色的差別；灰度級越多，圖像層次越清楚逼真 影響灰度級的因素:每個像素對應(yīng)刷新存儲器單元的位數(shù)、CRT本身的性能單色顯示器；多灰度級黑白顯示器；圖像顯示器的灰度級一般在256級以上,2.刷新和刷新存儲器刷新：為了使人眼能看到穩(wěn)定的圖像顯示，使電子束不斷地重復(fù)掃描整個屏幕的過程刷新頻率：刷新頻率大于30次/秒才不會感到閃爍；顯示設(shè)備中通常選用電視中的標(biāo)準(zhǔn)，每秒刷新50幀圖像刷新存儲器(視頻存儲器

34、)：為了不斷提供刷新圖像的信號，用于存儲一幀圖像信息的存儲器刷新存儲器的重要技術(shù)指標(biāo)：容量：由圖像分辨率和灰度級決定，M=r?C——C為顏色深度例如：一個容量為1MB的刷新存儲器，在用于分辨率為1024＊1024的顯示器時，其顏色深度只可能有256色存取周期：必須滿足刷新頻率的要求,1.字符顯示字符的顯示方法：以m×n點(diǎn)陣為基礎(chǔ)構(gòu)造字符點(diǎn)陣信息的存儲：按行存入由ROM構(gòu)成的字符發(fā)生器中(3) 字符的顯示過

35、程：在CRT進(jìn)行光柵掃描的過程中，從字符發(fā)生器中依次讀出某個字符的點(diǎn)陣，按照點(diǎn)陣中0和1代碼不同控制掃描電子束的關(guān)或開，從而在屏幕上顯示出字符(4) 點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)：點(diǎn)陣的多少取決于顯示字符的質(zhì)量和字符窗口的大小字符窗口——每個字符在屏幕上所占的點(diǎn)數(shù)，包括字符顯示點(diǎn)陣和字符間隔,7.6.2　字符/圖形顯示器,7×9點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),(5) 字符顯示原理字符信息的存儲：每個字符窗口要顯示字符的ASCII代碼被存放在視頻存儲器VRAM中

36、，以備刷新如：25行80列的顯示器，VRAM至少應(yīng)有2000個單元存放被顯示的字符信息字符發(fā)生器ROM的尋址：高位地址來自VRAM的ASCII代碼；低位地址來自光柵地址計數(shù)器的輸出RA3—RA0，它指向這個字形點(diǎn)陣中的某個字節(jié)顯示一個字符的過程：按照VRAM中的ASCII碼和光柵地址計數(shù)器訪問ROM，依次取出字形點(diǎn)陣，即可顯示一個字符,2.圖形顯示　　根據(jù)產(chǎn)生圖形的方法不同，分為兩種：(1)隨機(jī)掃描圖形顯示器 ——將所顯示圖

37、形的一組坐標(biāo)點(diǎn)和繪圖命令組成顯示文件存放于緩沖存儲器，該顯示文件控制矢量(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特點(diǎn)：分辨率高(可達(dá)4096×4096個像素)，顯示的曲線平滑；但顯示復(fù)雜圖形時，會有閃爍感 (2)光柵掃描圖形顯示器 ——用相鄰像素串接法產(chǎn)生圖形，即曲線由相鄰像素串接而成顯示原理：存儲屏幕上每個像素的信息，然后按地址順序逐個地刷新顯示在屏幕上特點(diǎn)：通用性強(qiáng)，灰度層次多，顯示復(fù)雜圖形

38、無閃爍；產(chǎn)生的圖形有陰影效應(yīng)、隱藏面消除、涂色等功能,【例3】IBM PC機(jī)漢字顯示原理圖如下，請分析此原理圖并進(jìn)行文字說明。,【解】　　在IBM PC系列微型計算機(jī)系統(tǒng)中，漢字輸出是利用通用顯示器和打印機(jī) ，在主機(jī)內(nèi)部由通用的圖形顯示卡形成點(diǎn)陣碼以后，將點(diǎn)陣碼送到輸出設(shè)備，輸出設(shè)備只要具有輸出點(diǎn)陣的能力就可以輸出漢字。以這種方式輸出的漢字是在設(shè)備可以畫點(diǎn)的圖形方式下實(shí)現(xiàn)的，因此常稱這種漢字為圖形漢字　　如圖7.16所示，通過鍵盤輸

39、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)換時要用輸入碼到碼表中檢索機(jī)內(nèi)碼，得到兩個字節(jié)的機(jī)內(nèi)碼，字形檢索程序用機(jī)內(nèi)碼檢索字模庫，查出表示一個字形的32個字節(jié)字形點(diǎn)陣送顯示輸出,主觀圖像(圖形)：用計算機(jī)表示和生成的圖，只需存儲繪圖命令和坐標(biāo)點(diǎn)，沒有必要存儲每個像素點(diǎn)客觀圖像(圖像)：處理的對象是由攝像機(jī)攝取下來存入計算機(jī)的數(shù)字圖像，數(shù)字化后逐點(diǎn)存儲，占用非常龐大的主存空間圖像顯示器有兩種類型：1.簡單圖像顯示器

40、——不做任何處理，僅僅顯示由計算機(jī)送來的數(shù)字圖像；圖像處理操作在計算機(jī)中完成2.圖形處理子系統(tǒng) ——是具有并行處理功能的專用計算機(jī)，內(nèi)部有大容量存儲器和高速處理器，不僅能完成顯示，還可快速執(zhí)行許多圖像處理算法；圖形工作站屬于圖形處理子系統(tǒng),7.6.3 圖像顯示設(shè)備,圖像輸入控制板(視頻數(shù)字化儀)組成： I/O接口、圖像存儲器(刷新存儲器)、A/D與D/A變換圖像輸入控制板功能：實(shí)現(xiàn)連續(xù)的視頻信號與離散的數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換；接收攝像機(jī)

41、模擬視頻輸入信號，經(jīng)A/D變換為數(shù)字量存入刷新存儲器用于顯示，并可傳送到計算機(jī)進(jìn)行圖像處理；處理后的結(jié)果送回刷存，經(jīng)D/A變換成模擬視頻輸出，由監(jiān)視器顯示輸出監(jiān)視器：只含掃描、視頻放大等與顯示有關(guān)的電路及顯像管,1.顯示標(biāo)準(zhǔn)——PC機(jī)采用的顯示標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷的變化：MDA → CGA → EGA → VGA → SuperVGA　　MDA(Monochrome Display Adapter)——單色字符顯示適配器，9×14點(diǎn)

42、陣的字符窗口， 滿屏顯示80列×25行字符，分辨率為720×350個像素　　CGA (Color Graphics Adapter)——彩色圖形/字符顯示適配器，兼容字符和圖形兩種顯示方式；圖形方式下，可顯示320×200像素四種顏色的彩色圖形　　EGA(Enhanced Graphics Adapter)——兼容CGA和MDA各種顯示方式，圖形方式下分辨率640×350，16種顏色　　VG

43、A(Video Graphics Array)——字符窗口9×16點(diǎn)陣，圖形方式下分辨率640×480，16種顏色，或320×200， 256種顏色；掃描頻率(水平同步)31.5kHz，刷新頻率(垂直同步)60Hz；還增添了一個新接口VFC，允許來自其他設(shè)備的圖形、圖像信號與適配器生成的圖形信號合成,7.6.4 VESA顯示標(biāo)準(zhǔn),Super VGA模式——VESA(美國視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)定義的VGA擴(kuò)展集，

44、將顯示方式標(biāo)準(zhǔn)化；該模式除兼容VGA的顯示方式外， 還支持1280×1024像素光柵，每像素點(diǎn)24位顏色深度，刷新頻率可達(dá)75Hz2.VESA(Video Electronics Standard Association)顯示模式　　表7.1 列出了VESA擴(kuò)充的標(biāo)準(zhǔn)顯示模式MDA，CGA，EGA的顯示方式由BIOS的一組功能調(diào)用(INT 10h)來設(shè)置和管理，使用7位的方式碼VESA保留了這種方式，將VGA類顯示器及

45、適配器所能支持的新的顯示方式進(jìn)行定義，并為新的顯示方式指定了15位的方式碼，方式碼的b8位為VESA標(biāo)志位，b14—b9為保留位(目前全為0)，故VESA的顯示方式號為 1××h支持1280?1024像素，24位顏色深度，刷新頻率可達(dá)75Hz,3.顯示適配器——由刷新存儲器、顯示控制器、ROM BIOS三部分組成,刷新存儲器——存放顯示圖案的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)；容量取決于顯示方式ROM BIOS——作為基本輸入、輸出系統(tǒng)

46、的固化軟件，用于支持顯示控制器建立所要求的顯示環(huán)境，主要用于DOS操作系統(tǒng)；在Windows環(huán)境下，由設(shè)備驅(qū)動程序建立操作系統(tǒng)與適配器硬件的銜接，它的大部分功能不被使用顯示控制器——適配器的心臟，主要完成的任務(wù)：(1) 根據(jù)設(shè)定的顯示方式，將從顯存中讀取的圖像點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換成R，G，B三色信號，并配以同步信號送至顯示器刷新屏幕(2) 提供由系統(tǒng)總線至刷存總線的通路，支持CPU將主存中已修改好的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)寫入到刷存，以更新屏幕；數(shù)據(jù)的修改一

47、般利用掃描回程的消隱時間寫到刷存中，因此顯示屏幕不會出現(xiàn)凌亂說明：先進(jìn)的顯示控制器具有圖形加速能力，其功能包括：(1)位和塊傳送：用于生成和移動一個矩形塊(如窗口)數(shù)據(jù)(2)畫線：由硬件在屏上任意兩點(diǎn)間畫一向量(3)填域：以預(yù)先指定的顏色或花樣填滿一個任意多邊形(4)顏色擴(kuò)充：將圖像放到屏幕上時，指定其前景顏色和背景顏色,【例4】刷存的重要性能指標(biāo)是它的帶寬。實(shí)際工作時顯示適配器的幾個功能部分要爭用刷存的帶寬。假定總帶寬的50

48、%用于刷新屏幕，保留50%帶寬用于其他非刷新功能。(1)若顯示工作方式采用分辨率為1024×768，顏色深度為3B，幀頻(刷新速率)為72Hz，計算刷存總帶寬應(yīng)為多少? (2)為達(dá)到這樣高的刷存帶寬，應(yīng)采取何種技術(shù)措施?【解】(1)∵ 刷新所需帶寬=分辨率×每個像素點(diǎn)顏色深度×刷新速率 ∴ 1024×768×3B×72/s=165888KB/s=162MB/s 刷存

49、總帶寬應(yīng)為162MB/s×100/50=324MB/s (2)為達(dá)到這樣高的刷存帶寬，可采用的技術(shù)措施：①使用高速的DRAM芯片組成刷存；② 刷存采用多體交叉結(jié)構(gòu)；③刷存至顯示控制器的內(nèi)部總線寬度由32位提高到64位，甚至128位 ；④刷存采用雙端口存儲器結(jié)構(gòu)，將刷新端口與更新端口分開,轉(zhuǎn)本章小結(jié),7.7 輸入設(shè)備和打印設(shè)備(不講),7.7.1 輸入設(shè)備 計算機(jī)輸入設(shè)備分為圖形輸入、圖像輸入、聲音輸入等幾類： 1.圖

50、形輸入設(shè)備　　圖形輸入方法較多，特別是交互式圖形系統(tǒng)要求具有人-機(jī)對話功能：計算機(jī)將結(jié)果顯示給人，人根據(jù)看到的顯示決定下一步操作，并通過輸入設(shè)備告訴計算機(jī)。如此反復(fù)多次，直到顯示結(jié)果滿意為止。為此必須具有方便靈活的輸入手段，才能體現(xiàn)“交互式”的優(yōu)越性(1)鍵盤輸入 　　鍵盤是字符和數(shù)字的輸入裝置，無論字符輸入還是圖形輸入，鍵盤是一種最基本的常用設(shè)備 。當(dāng)需要輸入坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立顯示文件時，要利用鍵盤。另外，利用鍵盤上指定的字符與屏幕上

51、的光標(biāo)結(jié)合，可用來移動光標(biāo)，拾取圖形坐標(biāo)，指定繪圖命令等,目錄,(2)鼠標(biāo)器輸入 　　光筆和圖形板兩種輸入方式都是輸入某一點(diǎn)的絕對坐標(biāo)，而鼠標(biāo)器只要輸入相對坐標(biāo)　　鼠標(biāo)器是一種手持的坐標(biāo)定位部件，有兩種類型。一種是機(jī)械式的，另一種是光電式的,2.圖像輸入設(shè)備　　最理想的圖像輸入設(shè)備是數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。它可以攝取任何地點(diǎn)、任何環(huán)境的自然景物和物體，直接將數(shù)字圖像存入磁盤　　當(dāng)圖像已經(jīng)記錄到某種介質(zhì)上時，要利用讀出裝置讀出圖像。例如記錄在

52、錄像帶上的圖像要用錄像機(jī)讀出，再將視頻信號經(jīng)圖像板量化后輸入計算機(jī)。記錄在數(shù)字磁帶上的遙感圖像可以直接在磁帶機(jī)上輸入。如果想把紙上的圖像輸入計算機(jī)，一種方法是用攝像機(jī)對著紙上的圖像攝像輸入，另一種方法是利用裝有CCD(電荷耦合器件)的圖文掃描儀或圖文傳真機(jī)。還有一種叫“光機(jī)掃描鼓”的專用設(shè)備，可以直接將紙上的圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像　　由于一幀數(shù)字圖像要占很大的存儲空間，圖像數(shù)據(jù)的傳輸與存儲間題將是一個十分重要的研究課題，目前普遍采用的方法

53、是壓縮-恢復(fù)技術(shù),3.語音輸入設(shè)備　　利用人的自然語音實(shí)現(xiàn)人-機(jī)對話是新一代多媒體計算機(jī)的重要標(biāo)志之一；如圖為一種語音輸入/輸出設(shè)備的原理方框圖：,語音識別器可以將人的 語言聲音轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠識別的信息，并將這些信息送入計算機(jī)；計算機(jī)處理的結(jié)果又可以通過語音合成器變成聲音輸出,通常語音識別器與語言合成器放在一起做成語音輸入/輸出設(shè)備,1.打印設(shè)備的分類按印字原理分: 分為擊打式和非擊打式兩大類擊打式是利用機(jī)械作用使印字機(jī)構(gòu)與色帶

54、和紙相撞擊而打印字符。因此習(xí)慣上將屬于擊打式打印方式的機(jī)種稱為“打印機(jī)”。擊打式設(shè)備的成本低，缺點(diǎn)是噪音大，速度慢。非擊打式是采用電、磁、光、噴墨等物理、化學(xué)方法印刷字符，因此習(xí)慣上將這類非擊打式的機(jī)種稱 為“印字機(jī)”，如激光印字機(jī)，噴墨印字機(jī)等。非擊打式的設(shè)備速度快，噪音低，印字質(zhì)量高，但價格較貴,有的設(shè)備還需要專用紙張.目前的發(fā)展趨勢是機(jī)械化的擊打式設(shè)備逐步轉(zhuǎn)向電子化的非擊打式設(shè)備(2) 擊打式打印機(jī)又分為活字式打印和點(diǎn)陣針式打印

55、兩種活字式打印機(jī)將字符“刻”在印字機(jī) 構(gòu)表面上，印字機(jī)構(gòu)的形狀有圓柱形、球形等多種。點(diǎn)陣針式打印機(jī)是利用打印鋼針組成的點(diǎn)針來表示字符。與活字式打印機(jī)相比，點(diǎn)陣式打印機(jī)的控制機(jī)構(gòu)簡單，字形變化多樣，且能打印漢字，因而是應(yīng)用最廣泛的一類打印機(jī),7.7.2 打印設(shè)備,打印輸出可產(chǎn)生永久性記錄， 因此又稱為硬拷貝設(shè)備,(3) 按工作方式分，可分為串行打印機(jī)與行式打印機(jī)兩種串行打印機(jī)是逐字打印的，行式打印機(jī)是一次可以輸出一行，因而行式打印機(jī)的

56、速度比串行打印機(jī)快。例如點(diǎn)陣式打印機(jī)有串行點(diǎn)陣打印機(jī)和行式點(diǎn)陣打印機(jī)(4) 按色彩和打印效果可分，可分為單色打印機(jī)和彩色打印機(jī)等；普通打印機(jī)和圖形/圖像打印機(jī),2.激光印字機(jī)　　激光印字機(jī)是激光技術(shù)和電子照相技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其基本原理與靜電復(fù)印機(jī)相似　　激光器輸出的激光束經(jīng)光學(xué)透鏡系統(tǒng)被聚焦成一個很細(xì)小的光點(diǎn)，沿著圓周運(yùn)動的滾筒進(jìn)行橫向重復(fù)掃描。滾筒是記錄裝置，表面鍍有一層具有光敏特性的感光材料，通常是硒，因此又將滾筒稱為硒鼓。硒

57、鼓在未被激光束掃描之前，首先在黑暗中充電，使鼓表面均勻地沉積一層電荷。此后根據(jù)控制電路輸出的字符或圖形，變換成數(shù)字信號來驅(qū)動激光器的打開與關(guān)閉。掃描時激光器將對鼓表面有選擇地曝光，曝光部分產(chǎn)生放電現(xiàn)象，未曝光部分仍保留充電時的電荷，從而形成靜電潛像。隨著鼓的轉(zhuǎn)動，潛像部分將通過裝有碳粉盒的顯影器，使得具有字符信息的區(qū)域吸附上碳粉，達(dá)到顯影的目的。當(dāng)鼓上的字符信息區(qū)和普通紙接觸時，由于在紙的背面施以反向的靜電電荷，鼓表面上的碳粉就會被吸附

58、到紙上來，這個過程稱為轉(zhuǎn)印。最后，當(dāng)記錄有信息的紙經(jīng)過定影輥高溫加熱，碳粉被溶化，永久性地粘附在紙上，達(dá)到定影的效果,另一方面，轉(zhuǎn)印后的鼓面還留有殘余的碳粉。因此先要除去鼓表面的電荷，然后經(jīng)清掃刷，將殘余的碳粉全部清除。清除以后的鼓表面又繼續(xù)重復(fù)上述的充電、曝光、顯影、轉(zhuǎn)印、定影等一系列過程?！　〖す庥∽謾C(jī)是非擊打式硬拷貝輸出設(shè)備，輸出速度快，印字質(zhì)量高，可使用普通紙張。其印字分辨率達(dá)到每英寸300個點(diǎn)以上，緩沖存儲器容量一般在1MB

59、以上，對漢字或圖形/圖像輸出，是理想的輸出設(shè)備，因而在辦公自動化及輕印刷系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,本 章 小 結(jié),外圍設(shè)備分類：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備、過程控制設(shè)備；每種設(shè)備都在自己的設(shè)備控制器控制下工作，而設(shè)備控制器通過I/O接口模塊和主機(jī)相連，并受主機(jī)控制磁盤、磁帶屬于磁表面存儲器，特點(diǎn)是存儲容量大，位價格低，記錄信息永久保存，但存取速度較慢，因此在計算機(jī)系統(tǒng)中作為輔助大容量存儲器使用硬磁盤按盤片結(jié)構(gòu)分為可換盤

60、片式、固定盤片式兩種，磁頭也分為可移動磁頭和固定磁頭兩種；溫徹斯特磁盤是一種采用先進(jìn)技術(shù)研制的可移動磁頭、固定盤片的磁盤機(jī)，組裝成一個不可拆卸的機(jī)電一體化整體，防塵性能好，可靠性高，因而得到了廣泛的應(yīng)用，成為最有代表性的硬磁盤存儲器磁盤存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)：存儲密度、存儲容量、平均存取時間、數(shù)據(jù)傳輸速率,磁盤陣列RAID是多臺磁盤存儲器組成的大容量外存系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行存儲、交叉存儲，單獨(dú)存儲，改善了I/O性能，增加了存儲容量，是

61、一種先進(jìn)的硬磁盤體系結(jié)構(gòu)光盤和磁光盤是近年發(fā)展起來的一種外存設(shè)備，是多媒體計算機(jī)不可缺少的設(shè)備顯示設(shè)備的有關(guān)概念、字符顯示原理不同的CRT顯示標(biāo)準(zhǔn)所支持的最大分辨率和顏色數(shù)目不同；VESA標(biāo)準(zhǔn)，是一個可擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)，它兼容傳統(tǒng)的VGA等顯示方式外，還支持1280×1024像素光柵，每像素點(diǎn)24位顏色深度，刷新頻率可達(dá)75Hz；顯示適配器作為CRT與CPU的接口，由刷新存儲器、顯示控制器、ROM BIOS三部分組成；先進(jìn)的顯

62、示控制器具有圖形加速能力常用的計算機(jī)輸入設(shè)備：圖形輸入設(shè)備(鍵盤、鼠標(biāo))、圖像輸入設(shè)備、語音輸入設(shè)備；常用的打印設(shè)備(硬拷貝輸出設(shè)備)：激光打印機(jī)、彩色噴墨打印機(jī)等,本 章 小 結(jié),I/O系統(tǒng)基本概念外部設(shè)備輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)外存儲器：硬盤存儲器、磁盤陣列、光盤存儲器I/O接口(I/O控制器)I/O接口的基本功能和結(jié)構(gòu)(第6章內(nèi)容)I/O端口及其編址(第8章內(nèi)容)I/O方式(第8章內(nèi)容)程