1、計算機組成原理計算機組成原理武漢科技大學武漢科技大學計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院第七章第七章 外存與外存與I/O設備設備n本章內容本章內容7.1 7.1 外圍設備概述外圍設備概述7.2 7.2 磁盤存儲設備磁盤存儲設備7.3 7.3 磁盤存儲設備的技術發展磁盤存儲設備的技術發展7.4 7.4 磁帶存儲設備磁帶存儲設備7.5 7.5 光盤和磁光盤存儲設備光盤和磁光盤存儲設備7.6 7.6 顯示設備顯示設備7.7 7.7 輸入設備和打印設備輸入設備和打印設備7.1.1 7.1.1 外圍設備的一般功能外圍設備的一般功能什么是外圍設備什么是外圍設備除除CPUCPU和內存外的部件和內存外的部

2、件2.2. 外設的發展方向外設的發展方向低成本低成本( (價格價格) )；小體積；高速度；大容量；低功耗；小體積；高速度；大容量；低功耗3. 3. 外圍設備的功能外圍設備的功能在計算機和其他機器之間，以及計算機與用戶之間提供聯系在計算機和其他機器之間，以及計算機與用戶之間提供聯系4. 4. 外圍設備的基本組成外圍設備的基本組成存儲介質、驅動裝置、控制電路存儲介質、驅動裝置、控制電路5. 5. 外圍設備的共同特點外圍設備的共同特點工作速度、信息類型和格式、電氣特性等工作速度、信息類型和格式、電氣特性等7.1 外圍設備概述外圍設備概述目錄目錄7.1.2 外圍設備的分類外圍設備的分類可分為五大類可分

3、為五大類: :輸入設備輸入設備輸出設備輸出設備外存設備外存設備數據通信設備數據通信設備過程控制設備過程控制設備I/O接口接口7.2 磁盤存儲設備磁盤存儲設備7.2.1 7.2.1 磁記錄原理磁記錄原理磁表面存儲設備磁表面存儲設備用某些磁性材料薄薄地涂在金屬鋁或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、磁帶存儲器塑料表面作載磁體來存儲信息，如磁盤存儲器、磁帶存儲器 磁表面存儲器的優點磁表面存儲器的優點：(1)(1)存儲容量大，位價格低存儲容量大，位價格低 (2)(2)記錄記錄介質可以重復使用介質可以重復使用 (3)(3)記錄信息可以長期保存而不丟失，甚至記錄信息可

4、以長期保存而不丟失，甚至可以脫機存檔可以脫機存檔 (4)(4)非破壞性讀出，讀出時不需要再生信息非破壞性讀出，讀出時不需要再生信息磁表面存儲器的缺點磁表面存儲器的缺點：存取速度較慢，機械結構復雜，對：存取速度較慢，機械結構復雜，對工作環境要求較高工作環境要求較高磁表面存儲器常作為輔助大容量存儲器使用磁表面存儲器常作為輔助大容量存儲器使用目錄目錄磁性材料的磁滯回線磁性材料的磁滯回線電流電流I I磁場磁場H H磁感應磁感應強度強度B B磁感應強度磁感應強度B B不隨電流的不隨電流的消失而回零，在磁滯回消失而回零，在磁滯回線上形成兩個穩態：線上形成兩個穩態：+Br(+Br(正剩磁狀態正剩磁狀態) )

5、和和-Br(-Br(負剩磁狀態負剩磁狀態) )用用來記錄來記錄“1 1”和和“0 0”磁化元磁化元( (存儲元存儲元) )1. 1.磁性材料的物理特性磁性材料的物理特性2.2.磁表面存儲器的讀寫原理磁表面存儲器的讀寫原理磁頭磁頭是由軟磁材料做鐵芯繞有讀寫線圈的電磁鐵，用于是由軟磁材料做鐵芯繞有讀寫線圈的電磁鐵，用于形成形成和判別和判別磁層中的不同磁層中的不同磁化狀態磁化狀態(1)(1)寫操作寫操作通過通過電電- -磁變換磁變換，利用，利用磁頭寫線圈中的脈沖電流磁頭寫線圈中的脈沖電流，把一位二進，把一位二進制代碼轉換成磁載體存儲元的不同剩磁狀態制代碼轉換成磁載體存儲元的不同剩磁狀態一個磁化元就是

6、一個存儲元一個磁化元就是一個存儲元，存儲一位二進制信息；當載磁體相，存儲一位二進制信息；當載磁體相對于磁頭運動時對于磁頭運動時 ，就可連續寫入一連串的二進制信息，就可連續寫入一連串的二進制信息(2)(2)讀操作讀操作 利用利用磁磁- -電變換電變換，利用，利用磁頭讀出線圈磁頭讀出線圈，可將存儲元的不同剩磁，可將存儲元的不同剩磁狀態表示的二進制代碼轉換成電信號輸出狀態表示的二進制代碼轉換成電信號輸出磁頭對載磁體作相對運動時，讀出線圈中的感應的電動勢為：磁頭對載磁體作相對運動時，讀出線圈中的感應的電動勢為： 不同的磁化狀態，產生的感應電勢方向不同不同的磁化狀態，產生的感應電勢方向不同dtdke記錄

7、方式的寫讀過程波形圖記錄方式的寫讀過程波形圖磁頭在磁表面存儲信息原理磁頭在磁表面存儲信息原理1 10 01 11 11 10 01 11 1通過磁頭線圈通過磁頭線圈的寫電流的寫電流信息記錄后的信息記錄后的磁層磁化狀態磁層磁化狀態磁載體磁磁載體磁化單元化單元讀出信號讀出信號波形波形選通脈沖選通脈沖硬磁盤硬磁盤的記錄介質為的記錄介質為硬質圓形盤片硬質圓形盤片7.2.2 磁盤的組成和分類磁盤的組成和分類主要由三部分組成主要由三部分組成磁記錄介質磁記錄介質磁盤控制器磁盤控制器磁盤驅動器磁盤驅動器硬磁盤邏輯結構圖硬磁盤邏輯結構圖寫入和讀出操作寫入和讀出操作寫入時寫入時，將計算機并行送來的數據變為串行數據

8、，然后一位，將計算機并行送來的數據變為串行數據，然后一位一位地由寫電流驅動器作功率放大并加到寫磁頭線圈上產一位地由寫電流驅動器作功率放大并加到寫磁頭線圈上產生電流，從而在盤片磁層上形成按位的磁化存儲元生電流，從而在盤片磁層上形成按位的磁化存儲元讀出時讀出時，當記錄介質相對磁頭運動時，位磁化存儲元形成的，當記錄介質相對磁頭運動時，位磁化存儲元形成的空間磁場在讀磁頭線圈中產生感應電勢，此讀出信息經放空間磁場在讀磁頭線圈中產生感應電勢，此讀出信息經放大檢測就可還原成原來存入的數據；由于數據是一位一位大檢測就可還原成原來存入的數據；由于數據是一位一位串行讀出的，故要送至串串行讀出的，故要送至串- -并

9、變換寄存器變換為并行數據，并變換寄存器變換為并行數據，再送至計算機再送至計算機(1)(1)可移動磁頭固定盤片的磁盤機可移動磁頭固定盤片的磁盤機：一片或一組盤片固定在主軸：一片或一組盤片固定在主軸上，盤片不可更換，盤片上，盤片不可更換，盤片每面只有一個磁頭每面只有一個磁頭，存取數據時磁頭，存取數據時磁頭沿盤面徑向移動沿盤面徑向移動(2)(2)可移動磁頭可換盤片的磁盤機可移動磁頭可換盤片的磁盤機：盤片可更換，磁頭可沿盤面：盤片可更換，磁頭可沿盤面徑向移動；盤片可脫機保存，同種型號的盤片可互換徑向移動；盤片可脫機保存，同種型號的盤片可互換(3)(3)固定磁頭磁盤機固定磁頭磁盤機：磁頭位置固定，：磁頭

10、位置固定，每一個磁道對應一個磁頭每一個磁道對應一個磁頭，盤片不可更換；存取速度快，但結構復雜盤片不可更換；存取速度快，但結構復雜 p溫徹斯特磁盤機溫徹斯特磁盤機：簡稱：簡稱溫盤溫盤，是一種采用先進技術研制的，是一種采用先進技術研制的可移可移動磁頭固定盤片動磁頭固定盤片的磁盤機，是一種的磁盤機，是一種密封組合式密封組合式的硬磁盤，工作的硬磁盤，工作時，高速旋轉在盤面上形成的氣墊將磁頭平穩浮起；防塵性能時，高速旋轉在盤面上形成的氣墊將磁頭平穩浮起；防塵性能好，可靠性高，對使用環境要求不高好，可靠性高，對使用環境要求不高常見溫盤的直徑：常見溫盤的直徑：5.255.25、3.53.5、2.52.5、1

11、.751.75英寸等英寸等硬磁盤機的分類硬磁盤機的分類硬磁盤硬磁盤按盤片結構可分成按盤片結構可分成可換盤片式與固定盤片式可換盤片式與固定盤片式兩種兩種磁頭也分為磁頭也分為可移動磁頭和固定磁頭可移動磁頭和固定磁頭兩種兩種1. 1.磁盤驅動器磁盤驅動器 各磁盤驅動器各磁盤驅動器的基本結構相同，主要由的基本結構相同，主要由定位驅動系統、主軸定位驅動系統、主軸系統和數據轉換系統系統和數據轉換系統組成組成2.2.磁盤控制器磁盤控制器 磁盤控制器磁盤控制器是主機與磁盤驅動器之間的接口；由于磁盤存儲是主機與磁盤驅動器之間的接口；由于磁盤存儲器是高速外存設備，故與主機之間采用成批交換數據方式器是高速外存設備，

12、故與主機之間采用成批交換數據方式磁盤控制器有兩個方面的接口：磁盤控制器有兩個方面的接口：系統級接口系統級接口與主機的接口，控制外存與主機總線交換數據與主機的接口，控制外存與主機總線交換數據設備級接口設備級接口與設備的接口，根據主機命令控制設備的操作與設備的接口，根據主機命令控制設備的操作主機與磁盤驅動器交換數據的控制邏輯圖主機與磁盤驅動器交換數據的控制邏輯圖7.2.3 磁盤驅動器和控制器磁盤驅動器和控制器磁盤上的信息經讀磁頭讀出以后送讀出放大器，然后進行數據與磁盤上的信息經讀磁頭讀出以后送讀出放大器，然后進行數據與時鐘的分離，再進行串時鐘的分離，再進行串- -并變換、格式變換，最后送入數據緩沖

13、并變換、格式變換，最后送入數據緩沖器，經器，經DMA(DMA(直接存儲器傳送直接存儲器傳送) )控制將數據傳送到主機總線控制將數據傳送到主機總線磁盤控制器的功能全部轉移到設備中，主機與設備之間采用磁盤控制器的功能全部轉移到設備中，主機與設備之間采用標準的通用接口，如標準的通用接口，如SCSISCSI接口，從而使設備相對獨立接口，從而使設備相對獨立記錄面記錄面磁盤片表面磁盤片表面磁道磁道記錄面上一系列同心圓；每個磁道又分若干個記錄面上一系列同心圓；每個磁道又分若干個扇區扇區磁道的編址磁道的編址是是從外向內從外向內依次編號，最外一個同心圓叫依次編號，最外一個同心圓叫0 0磁道磁道，最里面的一個同心

14、圓叫最里面的一個同心圓叫n n磁道，磁道，n n磁道里面的圓面積并不用來記磁道里面的圓面積并不用來記錄信息；扇區可以連續編號，也可間隔編號錄信息；扇區可以連續編號，也可間隔編號磁盤地址磁盤地址記錄面的面號、記錄面的面號、n n磁道、磁道、mm扇區扇區例如對活動頭磁盤組來說，磁盤地址是由例如對活動頭磁盤組來說，磁盤地址是由記錄面號記錄面號( (也稱磁頭號也稱磁頭號) )、磁道號和扇區號磁道號和扇區號三部分組成三部分組成讀讀/ /寫操作寫操作以扇區為單位以扇區為單位一位一位一位一位串行串行進行；每一個扇進行；每一個扇區記錄一個區記錄一個定長定長的記錄塊的記錄塊數據在磁盤上的記錄格式數據在磁盤上的記

15、錄格式7.2.4 磁盤上信息的分布磁盤上信息的分布每個扇區開始時由磁盤控制器產生一個每個扇區開始時由磁盤控制器產生一個扇標扇標脈沖，兩個扇標脈沖脈沖，兩個扇標脈沖之間的一段磁道區域為一個之間的一段磁道區域為一個扇區扇區( (一個記錄塊一個記錄塊) )每個記錄塊由每個記錄塊由頭部空白段、序標段、數據段、校驗字段頭部空白段、序標段、數據段、校驗字段及及尾部空尾部空白段白段組成組成各段的作用各段的作用磁盤上的數據格式磁盤上的數據格式1. 1. 存儲密度存儲密度：分道密度、位密度和面密度：分道密度、位密度和面密度道密度道密度沿磁盤半徑方向單位長度上的磁道數；道沿磁盤半徑方向單位長度上的磁道數；道/ /

16、英寸英寸位密度位密度磁道單位長度上能記錄的二進制代碼位數；位磁道單位長度上能記錄的二進制代碼位數；位/ /英寸英寸面密度面密度位密度和道密度的乘積；位位密度和道密度的乘積；位/ /平方英寸平方英寸2. 2. 存儲容量存儲容量：一個磁盤存儲器所能存儲的字節總數：一個磁盤存儲器所能存儲的字節總數分為格式化容量和非格式化容量分為格式化容量和非格式化容量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，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也就是用戶可以真正使用的容量非格式化容量非格式化容量磁記錄表面可以利用的磁化單元總數磁記錄表面可以利用的磁化單元總數格式

17、化容量一般是非格式化容量的格式化容量一般是非格式化容量的60%60%70%70%7.2.5 磁盤存儲器的技術指標磁盤存儲器的技術指標3. 3. 平均存取時間平均存取時間：存取時間存取時間：從發出讀寫命令，磁頭從某一起始位置移動至新的記：從發出讀寫命令，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寫入信息加上傳送數據所錄位置，到開始從盤片表面讀出或寫入信息加上傳送數據所需的時間需的時間它與三個因素有關：它與三個因素有關：找道時間找道時間等待時間等待時間數據傳送時間數據傳送時間找道時間和等待時間是隨機變化的，找道時間和等待時間是隨機變化的， 因此往往用平均值來表示因此往往用平均值來

18、表示平均等待時間平均等待時間與磁盤轉速有關，常取與磁盤轉速有關，常取磁盤旋轉一周的時間的一半磁盤旋轉一周的時間的一半平均存取時間平均存取時間其中，其中，n n是磁盤旋轉速率；是磁盤旋轉速率；b b是傳送的字節數；是傳送的字節數；NN是每磁道字節數是每磁道字節數4. 4. 數據傳輸率數據傳輸率 單位時間內向主機傳送數據的字節數；傳輸單位時間內向主機傳送數據的字節數；傳輸率與存儲設備和主機接口邏輯有關率與存儲設備和主機接口邏輯有關從存儲設備考慮，假設磁盤旋轉速度為每秒從存儲設備考慮，假設磁盤旋轉速度為每秒n n轉，每條磁道容量轉，每條磁道容量為為NN個字節，則數據傳輸率個字節，則數據傳輸率Dr=n

19、NDr=nN( (字節字節/ /秒秒) )，也可以寫成，也可以寫成Dr=DDr=Dv v( (字節字節/ /秒秒) )，其中，其中D D為位密度，為位密度，v v為磁盤旋轉的線速度為磁盤旋轉的線速度nNbnTTsa21【例例1 1】磁盤組有磁盤組有6 6片磁盤，每片有兩個記錄面，最上最下兩個片磁盤，每片有兩個記錄面，最上最下兩個面不用。存儲區域內徑面不用。存儲區域內徑22cm 22cm ，外徑，外徑33cm33cm，道密度為，道密度為4040道道/cm/cm，內層位密度內層位密度400400位位/cm/cm，轉速，轉速60006000轉轉/ /分。問：分。問：(1)(1)共有多少柱面共有多少柱

20、面? ? (2)(2)盤組總存儲容量是多少盤組總存儲容量是多少? ? (3)(3)數據傳輸率多少數據傳輸率多少? ? (4)(4)采用定長數據塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么采用定長數據塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么? ?尋尋址命令中如何表示磁盤地址址命令中如何表示磁盤地址? ? (5)(5)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存儲面上，還是記錄在同一個柱面上? ? 解答解答(1)(2)(3)解答解答(4)(5)【解解】(1)(1)柱面數柱面數=每個盤面的磁道數每個盤面的磁道數=(=(

21、外直徑外直徑- -內直徑內直徑)/2)/2 道密度道密度=(33-22)/2=(33-22)/2 40=40=40405.5=2205.5=220，即有，即有220220個柱面個柱面(2)(2)內層磁道周長為內層磁道周長為2R=22R=23.143.1411=69.08(cm)11=69.08(cm) 每道信息量每道信息量=400=400位位/cm/cm69.08cm=2763269.08cm=27632位位=3454B=3454B 每面信息量每面信息量=3454B=3454B220=759880B220=759880B 盤組總容量盤組總容量=759880B759880B10=7598800B

22、10=7598800B(3)(3)磁盤數據傳輸率磁盤數據傳輸率Dr=nNDr=nN，NN為每條磁道容量，為每條磁道容量， N=3454BN=3454B，n n為磁盤轉速，為磁盤轉速，n=6000n=6000轉轉/60/60秒秒=100=100轉轉/ /秒秒 Dr=nN=100Dr=nN=1003454B=345400B/s3454B=345400B/s題目題目(4)(4)采用定長數據塊格式，直接尋址的最小單位是一個記錄塊采用定長數據塊格式，直接尋址的最小單位是一個記錄塊( (一一個扇區個扇區) )，每個記錄塊記錄固定字節數目的信息，在定長記錄的，每個記錄塊記錄固定字節數目的信息，在定長記錄的數

23、據塊中，活動頭磁盤組的編址方式可用如下格式：數據塊中，活動頭磁盤組的編址方式可用如下格式： 此地址格式表示有此地址格式表示有4 4臺磁盤，每臺有臺磁盤，每臺有1616個記錄面，每面有個記錄面，每面有256256個個磁道，每道有磁道，每道有1616個扇區個扇區 (5)(5)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，因為柱面上，因為不需要重新找道不需要重新找道，數據讀，數據讀/ /寫速度快寫速度快題目題目17 1615 87 43 0臺號臺號柱面柱面(磁道磁道)號號盤面盤面(磁頭磁頭)號號扇區號扇區號n例：例：某磁盤存儲器轉速為

24、某磁盤存儲器轉速為3000轉轉/分，共有分，共有4個記錄盤面，個記錄盤面，5道道/mm，每，每道記錄信息道記錄信息12 288字節，最小磁道直徑為字節，最小磁道直徑為230mm，共有，共有275道，求：道，求：(1) 磁盤存儲器的存儲容量磁盤存儲器的存儲容量 (2) 最高位密度最高位密度(最小磁道的位密度最小磁道的位密度)和最低位密和最低位密度度 (3) 磁盤數據傳輸率磁盤數據傳輸率 (4) 平均等待時間平均等待時間(5) 給出一個磁盤地址格式方案給出一個磁盤地址格式方案(設每個扇區存儲設每個扇區存儲512個字節個字節)【解解】(1) 存儲容量存儲容量為：為：12288字節字節/道道 275道

25、道 4面面=13 516 800字節字節(2) 最高位密度最高位密度：最大直徑為：最大直徑為：230+275/5 2=340mm最低位密度最低位密度：12288 8位位/(340mm) 92位位/mm(3) 轉速轉速3000轉轉/分分=50轉轉/s，數據傳輸率數據傳輸率：12288B 50=614400B/s(4) 平均等待時間平均等待時間：1/50/2=0.01s=10ms(5) 磁盤地址由記錄面號、磁道號和扇區號磁盤地址由記錄面號、磁道號和扇區號3部分構成部分構成其中其中4個記錄面，故記錄面號占個記錄面，故記錄面號占2位；位；275個磁道，磁道號占個磁道，磁道號占9位；每個磁道位；每個磁道

26、所含的扇區數為所含的扇區數為12288/512=24，故扇區號占，故扇區號占5位位由此，磁道的地址可采用下面的格式：由此，磁道的地址可采用下面的格式：mmmmB位1361723012288d1228815 1413 54 0記錄面號記錄面號磁道號磁道號扇區號扇區號7.3 磁盤存儲設備的技術發展磁盤存儲設備的技術發展7.3.1 7.3.1 磁盤磁盤CacheCache 1. 1. 磁盤磁盤CacheCache的概念的概念 減少對磁盤存儲器的存取時間的減少對磁盤存儲器的存取時間的措施措施：提高提高磁盤機主軸轉速磁盤機主軸轉速；提高；提高I/OI/O總線速度總線速度；采用；采用磁盤磁盤cacheca

27、che等等設置設置磁盤磁盤cachecache的目的的目的：彌補慢速磁盤和主存之間的速度差異：彌補慢速磁盤和主存之間的速度差異2.2.磁盤磁盤CacheCache的原理的原理cachecache行：行：由一些數據塊組成的一個基本單位由一些數據塊組成的一個基本單位訪問過程：訪問過程：命中及不命中時的讀出操作、寫入操作命中及不命中時的讀出操作、寫入操作實現的原理：實現的原理：被訪問數據的空間局部性和時間局部性被訪問數據的空間局部性和時間局部性原理，目原理，目前大多數磁盤驅動器中都使用了前大多數磁盤驅動器中都使用了預讀策略預讀策略與與CPUCPU的的CacheCache的不同：的不同：一次存取的數量

28、大，數據集中，速度要一次存取的數量大，數據集中，速度要求較求較CPUCPU的的cachecache低，管理工作較復雜，因此一般由低，管理工作較復雜，因此一般由硬件和軟件硬件和軟件共同完成共同完成；其中；其中cachecache采用采用SRAMSRAM或或DRAMDRAM目錄目錄多臺磁盤存儲器組成的大容量外存系統多臺磁盤存儲器組成的大容量外存系統構造基礎：構造基礎：數據分塊技術數據分塊技術和和并行處理技術并行處理技術；可實現數據的；可實現數據的并并行存儲、交叉存儲、單獨存儲行存儲、交叉存儲、單獨存儲；一旦系統中某一磁盤失效，還；一旦系統中某一磁盤失效，還可利用冗余信息重建用戶信息可利用冗余信息重

29、建用戶信息RAIDRAID標準標準：按應用需求：按應用需求( (存儲容量、可靠性、數據傳輸能力、存儲容量、可靠性、數據傳輸能力、I/OI/O請求速率請求速率等等) )不同，分為不同，分為7 7級級(RAID 0(RAID 0RAID 6)RAID 6)舉例：舉例：RAID 0RAID 0級級用于高速數據傳輸和高速用于高速數據傳輸和高速I/OI/O請求請求lRAID 0RAID 0低成本比可靠性更重要，低成本比可靠性更重要，未采用奇偶校驗等冗余技術未采用奇偶校驗等冗余技術l用戶和系統數據分布在陣列中的所有磁盤上用戶和系統數據分布在陣列中的所有磁盤上l與單個大容量磁盤相比的與單個大容量磁盤相比的優

30、點優點：若兩個：若兩個I/OI/O請求正在等待不同請求正在等待不同的數據塊，則被請求的塊可能在不同的盤上的數據塊，則被請求的塊可能在不同的盤上兩個請求能并兩個請求能并行發出，減少行發出，減少I/OI/O排隊的時間排隊的時間7.3.2 磁盤陣列磁盤陣列RAID(廉價冗余磁盤陣列廉價冗余磁盤陣列Redundant Array of Inexpensive Disks)RAID 0RAID 0級陣列的數據映射級陣列的數據映射邏輯條帶、物理條帶、條帶集邏輯條帶、物理條帶、條帶集數據條帶在陣列磁盤中的數據條帶在陣列磁盤中的分布方式及其優點分布方式及其優點負責負責邏輯邏輯磁盤和物磁盤和物理磁盤間理磁盤間的

31、映射的映射(1) (1) 軟磁盤驅動器軟磁盤驅動器盤片有柔軟的聚酯材料組成；磁頭盤片有柔軟的聚酯材料組成；磁頭接觸式讀寫接觸式讀寫( (速度慢速度慢) )目前的軟盤直徑為目前的軟盤直徑為3.53.5英寸，英寸，300300轉轉/ /分，容量為分，容量為1.44MB1.44MB(2) ZIP(2) ZIP和和JAZJAZ磁盤驅動器磁盤驅動器ZIPZIP是高容量軟盤，磁頭是高容量軟盤，磁頭非接觸非接觸，速度快轉速達，速度快轉速達30003000轉轉/ /分，容分，容量大量大250MB250MBJAZJAZ介于軟盤和硬盤之間，容量達介于軟盤和硬盤之間，容量達1GB1GB或或2GB2GB，盤片價格昂貴

32、，盤片價格昂貴(3) (3) 可移動硬盤驅動器可移動硬盤驅動器容量達容量達80G80G 250GB250GB7.3.3 可移動存儲設備可移動存儲設備 7.4 磁帶存儲設備磁帶存儲設備(不講不講)n磁帶機的磁帶機的記錄原理與磁盤機基本相同記錄原理與磁盤機基本相同，只是它的載磁體是一種，只是它的載磁體是一種帶狀塑料帶狀塑料n寫入寫入：通過磁頭把信息代碼記錄在磁帶上：通過磁頭把信息代碼記錄在磁帶上n讀出讀出：當記錄有代碼的磁帶在磁頭下移動時，就可在磁頭線圈：當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出電動勢上感應出電動勢n磁帶存儲設備磁帶存儲設備由磁帶機和磁帶組成由磁帶機和磁帶組成，它通

33、常用作為，它通常用作為海量存儲設海量存儲設備備的數據備份的數據備份n磁帶上的數據采用磁帶上的數據采用順序訪問順序訪問方式方式速度比磁盤慢速度比磁盤慢目錄目錄7.5 光盤和磁光盤存儲設備光盤和磁光盤存儲設備7.5.1 7.5.1 光盤存儲設備光盤存儲設備 CD-ROMCD-ROM光盤光盤只讀型光盤系統的只讀型光盤系統的原理原理：光盤上的信息以坑點形式分布，：光盤上的信息以坑點形式分布，有坑點表示有坑點表示“1 1”，無坑點表示，無坑點表示“0 0” ；讀出時，當激光束聚；讀出時，當激光束聚焦點照射在凹坑上時將發生衍射，反射率低，根據反射光焦點照射在凹坑上時將發生衍射，反射率低，根據反射光的光強變

34、化并進行光電轉換，即可讀出記錄信息的光強變化并進行光電轉換，即可讀出記錄信息光道：光道：信息記錄的軌跡信息記錄的軌跡扇區：扇區：光盤的光盤的最小尋址單位最小尋址單位，光道分為若干扇區，光道分為若干扇區【例例6 6】CD-ROMCD-ROM光盤的外緣有光盤的外緣有5mm5mm寬的范圍因記錄數據困難，寬的范圍因記錄數據困難，一般不使用，故標準的播放時一般不使用，故標準的播放時 間為間為6060分鐘。計算模式分鐘。計算模式1 1和和模式模式2 2情況下光盤存儲容量是多少情況下光盤存儲容量是多少? ?目錄目錄CD-ROM盤片存儲機理盤片存儲機理扇區的結構扇區的結構同步同步(SYNC)區：區：標志扇區的

35、開始，標志扇區的開始，2個全個全0字節和字節和10個全個全1字節字節組成組成扇區標識扇區標識(ID)區：區：說明此扇區的地址和工作模式，說明此扇區的地址和工作模式，4字節字節l光盤扇區的光盤扇區的地址編碼地址編碼：以分：以分(MN)、秒、秒(SC)和分數秒和分數秒(FR，1/75s)時間值作為地址，由于光盤的時間值作為地址，由于光盤的恒定線速度恒定線速度是每秒鐘讀出是每秒鐘讀出75個扇個扇區，故區，故FR的值實際上就是秒內的扇區號的值實際上就是秒內的扇區號(0 74)lMD：模式控制，控制數據區和校驗區的使用，有三種模式：模式控制，控制數據區和校驗區的使用，有三種模式分為分為4個區域個區域MD

36、控制的三種模式控制的三種模式模式模式0 0：數據區和校驗區的全部數據區和校驗區的全部23362336個字節都是個字節都是0 0，這種扇區不，這種扇區不用于記錄數據，用作光盤的導入區和導出區用于記錄數據，用作光盤的導入區和導出區模式模式1 1：288288字節的校驗區為字節的校驗區為4 4字節的檢測碼字節的檢測碼(EDC)(EDC)、8 8字節的保字節的保留域留域( (未定義未定義) )和和276276字節的糾錯碼字節的糾錯碼(ECC)(ECC)，這種扇區模式有，這種扇區模式有20482048字節的數據并有很強的檢測和糾錯能力，適合于保存計算機的字節的數據并有很強的檢測和糾錯能力，適合于保存計算

37、機的程序和數據程序和數據模式模式2 2：288288字節的檢驗區也用于存放數據，用于保存聲音、圖字節的檢驗區也用于存放數據，用于保存聲音、圖像等對誤碼率要求不高的數據像等對誤碼率要求不高的數據 【解解】 扇區總數扇區總數=60=60606075=270000(75=270000(扇區扇區) ) 模式模式1 1存放存放計算機程序和數據計算機程序和數據，其存儲容量為，其存儲容量為2700002700002048=527MB 2048=527MB 模式模式2 2存放存放聲音、圖像等多媒體數據聲音、圖像等多媒體數據，其存儲容量為，其存儲容量為2700002700002336=601MB2336=601

38、MBWORM、CD-R光盤光盤WORM一次寫多次讀一次寫多次讀CD-R：是是WORM的一種；允許多次分段寫數據的一種；允許多次分段寫數據CD-RW光盤光盤可重復寫可重復寫DVD-ROM光盤光盤全稱數字化視頻光盤，后演變成全稱數字化視頻光盤，后演變成數字化通用光盤數字化通用光盤的簡稱的簡稱與與CD-ROM的的區別區別：凹陷區的大小相對更小些，使存儲信息：凹陷區的大小相對更小些，使存儲信息總量更大；雙面可寫，有的甚至多層可寫總量更大；雙面可寫，有的甚至多層可寫磁光磁光 (MO(MOMagnet Optical)Magnet Optical)盤：磁場技術和激光技術相結合盤：磁場技術和激光技術相結合由

39、磁道和扇區組成，可隨機寫入、擦除或重寫信息由磁道和扇區組成，可隨機寫入、擦除或重寫信息與純磁盤的與純磁盤的基本區別基本區別：磁表面需要高溫來改變磁極，因此在常：磁表面需要高溫來改變磁極，因此在常溫下是穩定的，數據不會改變溫下是穩定的，數據不會改變基本基本工作原理工作原理：l寫入數據：寫入數據：利用利用熱磁效應熱磁效應，當激光束將磁光介質上的記錄點加，當激光束將磁光介質上的記錄點加熱到熱到居里點溫度居里點溫度以上時，外加磁場作用改變記錄點的磁化方向，以上時，外加磁場作用改變記錄點的磁化方向，而不同的磁化方向可表示數字而不同的磁化方向可表示數字“0 0”和和“1 1”l讀出數據：讀出數據：利用利用

40、磁光克爾效應，磁光克爾效應，當激光束照射到記錄點時，記當激光束照射到記錄點時，記錄點的磁化方向不同，會引起反射光的偏振面發生不同結果，錄點的磁化方向不同，會引起反射光的偏振面發生不同結果，從而檢測出所記錄的數據從而檢測出所記錄的數據“1 1”或或“0 0”7.5.2 磁光盤存儲設備磁光盤存儲設備 磁光盤操作的四種情況：磁光盤操作的四種情況：圖圖(a)(a)表示未編碼的磁盤，例如所有磁化點均存表示未編碼的磁盤，例如所有磁化點均存“0 0”。圖圖(b)(b)表示寫操作：高功率激光束照射加熱點表示寫操作：高功率激光束照射加熱點（記錄點），磁頭線圈中外加電流后產生的磁（記錄點），磁頭線圈中外加電流后產

41、生的磁場使其對應的記錄點產生相反的磁性微粒，從場使其對應的記錄點產生相反的磁性微粒，從而寫入而寫入“1 1”。圖圖(c)(c)表示讀操作：低功率的激光束反射掉相反表示讀操作：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。如果這些極性的磁性粒子且使它的極性變化。如果這些粒子沒有被反射掉，則反射激光束的極性是不粒子沒有被反射掉，則反射激光束的極性是不變化的。變化的。圖圖(d)(d)表示擦除操作：高功率激光束照射記表示擦除操作：高功率激光束照射記錄點，外加磁場改變方向，使磁性粒子恢復錄點，外加磁場改變方向，使磁性粒子恢復到原始極性。到原始極性。結論：結論：MOMO盤盤介質材料發介質材料發生

42、的物理特生的物理特性改變是可性改變是可逆變化，因逆變化，因此信息可重此信息可重寫寫7.6 顯示設備顯示設備7.6.1 7.6.1 顯示設備的分類與有關概念顯示設備的分類與有關概念 顯示設備顯示設備以可見光的形式傳遞和處理信息以可見光的形式傳遞和處理信息顯示設備的分類顯示設備的分類 (1) (1) 按顯示設備所用的按顯示設備所用的顯示器件顯示器件分類：陰極射線管分類：陰極射線管(CRT)(CRT)顯示器、顯示器、液晶顯示器液晶顯示器(LCD)(LCD)、等離子顯示器等、等離子顯示器等(2) (2) 按所顯示的按所顯示的信息內容信息內容分類：字符分類：字符/ /圖形顯示器、圖像顯示器圖形顯示器、圖

43、像顯示器CRTCRT顯示設備的分類顯示設備的分類按按掃描方式掃描方式分類：光柵掃描和隨機掃描分類：光柵掃描和隨機掃描按按分辨率分辨率分類：高分辨率顯示器和低分辨率顯示器分類：高分辨率顯示器和低分辨率顯示器按顯示的按顯示的顏色顏色分類：單色分類：單色( (黑白黑白) )顯示器和彩色顯示器顯示器和彩色顯示器按熒光屏按熒光屏對角線長度對角線長度：1212英寸、英寸、1414英寸、英寸、1616英寸、英寸、1919英寸等英寸等目錄目錄1. 1.分辨率和灰度級分辨率和灰度級分辨率：分辨率：顯示器所能表示的像素個數；像素越密，分辨率越顯示器所能表示的像素個數；像素越密，分辨率越高，圖像越清晰高，圖像越清晰

44、影響分辨率影響分辨率的因素：顯象管的因素：顯象管熒光粉的粒度熒光粉的粒度、熒光屏的尺寸熒光屏的尺寸和和CRTCRT電子束的電子束的聚焦能力聚焦能力灰度級：灰度級：黑白顯示器中所顯示像素點的黑白顯示器中所顯示像素點的亮暗差別亮暗差別；彩色顯示；彩色顯示器中表現為器中表現為顏色的差別顏色的差別；灰度級越多，圖像層次越清楚逼真；灰度級越多，圖像層次越清楚逼真 影響灰度級影響灰度級的因素的因素: : 每個像素對應每個像素對應刷新存儲器單元的位數刷新存儲器單元的位數、CRTCRT本身的性能本身的性能單色顯示器單色顯示器；多灰度級多灰度級黑白顯示器；圖像顯示器的灰度級一般黑白顯示器；圖像顯示器的灰度級一般

45、在在256256級以上級以上2.2.刷新和刷新存儲器刷新和刷新存儲器刷新刷新：為了使人眼能看到穩定的圖像顯示，：為了使人眼能看到穩定的圖像顯示，使電子束不斷使電子束不斷地重復掃描整個屏幕地重復掃描整個屏幕的過程的過程刷新頻率刷新頻率：刷新頻率：刷新頻率大于大于3030次次/ /秒秒才不會感到閃爍；顯示才不會感到閃爍；顯示設備中通常選用電視中的標準，每秒刷新設備中通常選用電視中的標準，每秒刷新5050幀圖像幀圖像刷新存儲器刷新存儲器( (視頻存儲器視頻存儲器) )：為了不斷提供刷新圖像的信號，：為了不斷提供刷新圖像的信號，用于用于存儲一幀圖像信息存儲一幀圖像信息的存儲器的存儲器刷新存儲器的刷新存

46、儲器的重要技術指標：重要技術指標：容量容量：由：由圖像分辨率和灰度級決定圖像分辨率和灰度級決定，M=rM=r C C例如：一個容量為例如：一個容量為1MB1MB的刷新存儲器，在用于分辨率為的刷新存儲器，在用于分辨率為1024102410241024的顯示器時，其顏色深度只可能有的顯示器時，其顏色深度只可能有256256色色(1)(1) 存取周期存取周期：必須滿足刷新頻率的要求：必須滿足刷新頻率的要求1. 1.字符顯示字符顯示字符的字符的顯示方法顯示方法：以：以mmn n點陣點陣為基礎構造字符為基礎構造字符點陣信息的點陣信息的存儲存儲：按行存入由：按行存入由ROMROM構成的字符發生器中構成的字

47、符發生器中(3) (3) 字符的字符的顯示過程顯示過程：在：在CRTCRT進行光柵掃描的過程中，從字符發進行光柵掃描的過程中，從字符發生器中依次讀出某個字符的點陣，按照點陣中生器中依次讀出某個字符的點陣，按照點陣中0 0和和1 1代碼不代碼不同控制掃描電子束的關或開，從而在屏幕上顯示出字符同控制掃描電子束的關或開，從而在屏幕上顯示出字符(4) (4) 點陣的點陣的結構結構：點陣的多少取決于顯示字符的質量和字符窗：點陣的多少取決于顯示字符的質量和字符窗口的大小口的大小字符窗口字符窗口每個字符在屏幕上所占的點數，包括字符顯示點每個字符在屏幕上所占的點數，包括字符顯示點陣和字符間隔陣和字符間隔7.6

48、.2字符字符/圖形顯示器圖形顯示器7 79 9點陣結構點陣結構(5) (5) 字符字符顯示原理顯示原理 字符信息的存儲字符信息的存儲：每個字符窗口要顯示字符的：每個字符窗口要顯示字符的ASCIIASCII代碼被存代碼被存放在視頻存儲器放在視頻存儲器VRAMVRAM中，以備刷新中，以備刷新如：如：2525行行8080列的顯示器，列的顯示器，VRAMVRAM至少應有至少應有20002000個單元存放被顯個單元存放被顯示的字符信息示的字符信息 字符發生器字符發生器ROMROM的尋址的尋址：高位地址來自：高位地址來自VRAMVRAM的的ASCIIASCII代碼；代碼；低位地址來自光柵地址計數器的輸出低

49、位地址來自光柵地址計數器的輸出RARA3 3RARA0 0，它指向這個，它指向這個字形點陣中的某個字節字形點陣中的某個字節 顯示一個字符的過程顯示一個字符的過程：按照：按照VRAMVRAM中的中的ASCIIASCII碼和光柵地址計碼和光柵地址計數器訪問數器訪問ROMROM，依次取出字形點陣，即可顯示一個字符，依次取出字形點陣，即可顯示一個字符2.2.圖形顯示圖形顯示根據產生圖形的方法不同，分為兩種：根據產生圖形的方法不同，分為兩種：(1)(1)隨機掃描圖形顯示器隨機掃描圖形顯示器 將所顯示圖形的一組將所顯示圖形的一組坐標點坐標點和和繪圖命令繪圖命令組成組成顯示文件顯示文件存放存放于緩沖存儲器，

50、該顯示文件控制于緩沖存儲器，該顯示文件控制矢量矢量( (線段線段) )產生器產生器產生相應的產生相應的模擬電壓，直接控制電子束在屏幕上的移動模擬電壓，直接控制電子束在屏幕上的移動特點：特點：分辨率高分辨率高( (可達可達4096409640964096個像素個像素) )，顯示的曲線平滑；，顯示的曲線平滑；但顯示復雜圖形時，會有閃爍感但顯示復雜圖形時，會有閃爍感 (2)(2)光柵掃描圖形顯示器光柵掃描圖形顯示器 用用相鄰像素串接法相鄰像素串接法產生圖形，即曲線由相鄰像素串接而成產生圖形，即曲線由相鄰像素串接而成顯示原理：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存儲屏幕上每個像素的信

51、息，然后按地址順序逐個地刷新顯示在屏幕上地刷新顯示在屏幕上特點：特點：通用性強，灰度層次多，顯示復雜圖形無閃爍；產生的通用性強，灰度層次多，顯示復雜圖形無閃爍；產生的圖形有陰影效應、隱藏面消除、涂色等功能圖形有陰影效應、隱藏面消除、涂色等功能【例例3 3】IBM PCIBM PC機漢字顯示原理圖如下，請分析此原理圖并進機漢字顯示原理圖如下，請分析此原理圖并進行文字說明。行文字說明。【解解】在在IBM PCIBM PC系列微型計算機系統中，漢字輸出是利用通用顯系列微型計算機系統中，漢字輸出是利用通用顯示器和打印機示器和打印機 ，在主機內部由，在主機內部由通用的圖形顯示卡形成點陣碼通用的圖形顯示卡

52、形成點陣碼以以后，將點陣碼送到輸出設備，輸出設備只要具有輸出點陣的能后，將點陣碼送到輸出設備，輸出設備只要具有輸出點陣的能力就可以輸出漢字。以這種方式輸出的漢字是在設備可以畫點力就可以輸出漢字。以這種方式輸出的漢字是在設備可以畫點的圖形方式下實現的，因此常稱這種漢字為的圖形方式下實現的，因此常稱這種漢字為圖形漢字圖形漢字如圖如圖7.167.16所示，通過鍵盤輸入的漢字編碼，首先要經代碼所示，通過鍵盤輸入的漢字編碼，首先要經代碼轉換程序轉換成轉換程序轉換成漢字機內代碼漢字機內代碼，轉換時要用輸入碼到碼表中檢，轉換時要用輸入碼到碼表中檢索機內碼，得到兩個字節的機內碼，字形檢索程序索機內碼，得到兩個

53、字節的機內碼，字形檢索程序用機內碼檢用機內碼檢索字模庫索字模庫，查出表示一個字形的，查出表示一個字形的3232個字節字形點陣個字節字形點陣送顯示輸出送顯示輸出主觀圖像主觀圖像( (圖形圖形) )：用計算機表示和生成的圖，只需存儲繪圖命令：用計算機表示和生成的圖，只需存儲繪圖命令和坐標點，沒有必要存儲每個像素點和坐標點，沒有必要存儲每個像素點客觀圖像客觀圖像( (圖像圖像) )：處理的對象是由攝像機攝取下來存入計算機的：處理的對象是由攝像機攝取下來存入計算機的數字圖像，數字化后逐點存儲，占用非常龐大的主存空間數字圖像，數字化后逐點存儲，占用非常龐大的主存空間圖像顯示器有兩種類型：圖像顯示器有兩種

54、類型：1. 1.簡單圖像顯示器簡單圖像顯示器 不做任何處理，僅僅顯示由計算機送來的數字圖像；圖像不做任何處理，僅僅顯示由計算機送來的數字圖像；圖像處理操作在計算機中完成處理操作在計算機中完成2.2.圖形處理子系統圖形處理子系統 是是具有并行處理功能的專用計算機具有并行處理功能的專用計算機，內部有，內部有大容量存儲器大容量存儲器和高速處理器和高速處理器，不僅能完成顯示，還可，不僅能完成顯示，還可快速執行許多圖像處理快速執行許多圖像處理算法算法；圖形工作站圖形工作站屬于圖形處理子系統屬于圖形處理子系統7.6.3 圖像顯示設備圖像顯示設備 圖像輸入控制板圖像輸入控制板( (視頻數字化儀視頻數字化儀)

55、 )組成：組成： I/O I/O接口、圖像存儲器接口、圖像存儲器( (刷新存儲器刷新存儲器) )、A/DA/D與與D/AD/A變換變換圖像輸入控制板功能：圖像輸入控制板功能：實現連續的視頻信號與離散的數字量之實現連續的視頻信號與離散的數字量之間的轉換間的轉換；接收攝像機模擬視頻輸入信號，經；接收攝像機模擬視頻輸入信號，經A/DA/D變換為數字變換為數字量存入刷新存儲器用于顯示，并可傳送到計算機進行圖像處理；量存入刷新存儲器用于顯示，并可傳送到計算機進行圖像處理；處理后的結果送回刷存，經處理后的結果送回刷存，經D/AD/A變換成模擬視頻輸出，由監視變換成模擬視頻輸出，由監視器顯示輸出器顯示輸出監

56、視器：監視器：只含只含掃描、視頻放大等掃描、視頻放大等與顯示有關的電路及顯像管與顯示有關的電路及顯像管1. 1.顯示標準顯示標準PCPC機采用的顯示標準經歷的變化：機采用的顯示標準經歷的變化：MDA CGA EGA VGA SuperVGAMDA CGA EGA VGA SuperVGAMDA(Monochrome Display Adapter)MDA(Monochrome Display Adapter)單色字符顯示適單色字符顯示適配器，配器，9 91414點陣的字符窗口，點陣的字符窗口， 滿屏顯示滿屏顯示8080列列2525行字符，分行字符，分辨率為辨率為720720350350個像素個

57、像素CGA (Color Graphics Adapter)CGA (Color Graphics Adapter)彩色圖形彩色圖形/ /字符顯示適配字符顯示適配器，兼容字符和圖形兩種顯示方式；圖形方式下，可顯示器，兼容字符和圖形兩種顯示方式；圖形方式下，可顯示320320200200像素四種顏色的彩色圖形像素四種顏色的彩色圖形EGA(Enhanced Graphics Adapter)EGA(Enhanced Graphics Adapter)兼容兼容CGACGA和和MDAMDA各各種顯示方式，圖形方式下分辨率種顯示方式，圖形方式下分辨率640640350350，1616種顏色種顏色VGA(

58、Video Graphics Array)VGA(Video Graphics Array)字符窗口字符窗口9 91616點陣，圖形點陣，圖形方式下分辨率方式下分辨率640640480480，1616種顏色，或種顏色，或320320200200， 256256種顏種顏色；掃描頻率色；掃描頻率( (水平同步水平同步)31.5kHz)31.5kHz，刷新頻率，刷新頻率( (垂直同步垂直同步)60Hz)60Hz；還增添了一個新接口還增添了一個新接口VFCVFC，允許來自其他設備的圖形、圖像信，允許來自其他設備的圖形、圖像信號與適配器生成的圖形信號合成號與適配器生成的圖形信號合成 7.6.4 VESA

59、顯示標準顯示標準Super VGASuper VGA模式模式VESA(VESA(美國視頻電子標準協會美國視頻電子標準協會) )定義的定義的VGAVGA擴展集，將顯示方式標準化；該模式除兼容擴展集，將顯示方式標準化；該模式除兼容VGAVGA的顯示方的顯示方式外，式外， 還支持還支持1280128010241024像素光柵，每像素點像素光柵，每像素點2424位顏色深度，位顏色深度，刷新頻率可達刷新頻率可達75MHz75MHz2.VESA2.VESA(Video(Video Electronics Standard Association)Electronics Standard Associati

60、on)顯示模式顯示模式表表7.17.1 列出了列出了VESAVESA擴充的標準顯示模式擴充的標準顯示模式nMDAMDA，CGACGA，EGAEGA的顯示方式由的顯示方式由BIOSBIOS的一組功能調用的一組功能調用(INT 10h)(INT 10h)來設置和管理，使用來設置和管理，使用7 7位的方式碼位的方式碼nVESAVESA保留了這種方式，將保留了這種方式，將VGAVGA類顯示器及適配器所能支持的新類顯示器及適配器所能支持的新的顯示方式進行定義，并為新的顯示方式指定了的顯示方式進行定義，并為新的顯示方式指定了1515位的方式碼，位的方式碼，方式碼的方式碼的b b8 8位為位為VESAVES