第8章外部设备(终)

第8章外部设备1蒋本珊编著中国计算机学会“21世纪大学本科计算机专业系列教材”计算机组成原理第8章外部设备2第8章外部设备第8章外部设备3外部设备是计算机系统中不可缺少的重要组成部分，本章将介绍磁介质存储器的存储原理，常用磁介质存储设备和其他辅助存储设备，以及常见的输入输出设备的工作原理。第8章外部设备4本章学习内容•8.1外部设备概述•8.2磁介质存储器的性能和原理•8.3磁介质存储设备•8.4磁盘阵列（RAID）•8.5光盘存储器•8.6新型辅助存储器•8.7键盘输入设备•8.8其他输入设备•8.9打印输出设备•8.10显示设备第8章外部设备5本章学习要求•了解：外部设备分类•了解：磁介质存储器的读写原理和技术指标•理解：常见的数字磁记录方式•理解：硬盘上的信息分布和磁盘地址•了解：磁盘阵列的基本概念•了解：光盘的基本概念。•了解：新型辅助存储器•理解：键盘的类型和非编码键盘的工作原理•了解：其他输入设备•理解：印字输出设备的特点和点阵针式打印机的工作原理•理解：显示设备特点和字符显示器的工作原理第8章外部设备68.1外部设备概述中央处理器（CPU）和主存储器（MM）构成计算机的主机。除主机以外，而又围绕着主机设置的各种硬件装置称为外部设备或外围设备。它们主要用来完成数据的输入、输出、成批存储以及对信息加工处理的任务。第8章外部设备78.1.1外部设备的分类1.输入输出设备从计算机的角度出发，向计算机输入信息的外部设备称为输入设备；接收计算机输出信息的外部设备称为输出设备。输入设备有键盘、鼠标、扫描器、数字化仪、磁卡输入设备、语音输入设备等。输出设备有显示设备、绘图机、打印输出设备等。第8章外部设备82.辅助存储器辅助存储器是指主机以外的存储装置，又称为后援存储器。辅助存储器的读写，就其本质来说也是输入或输出，所以可以认为辅助存储器也是一种复合型的输入输出设备。常见的辅助存储器有软磁盘存储器、硬磁盘存储器、磁带存储器及光盘存储器等。3.终端设备终端设备由输入设备、输出设备和终端控制器组成，通常通过通信线路与主机相连。终端设备具有向计算机输入信息和接收计算机输出信息的能力，具有与通信线路连接的通信控制能力，有些还具有一定的数据处理能力。第8章外部设备9当计算机进行实时控制时，原始参数需要先用模数转换器将模拟量转换为数字量，然后再输入计算机进行处理。而经计算机处理后的控制信息，需先经数模转换器把数字量转换成模拟量，再送到执行部件对控制对象进行自动调节。模数、数模转换设备均是过程控制设备。4.过程控制设备第8章外部设备108.1.2外部设备的地位和作用外部设备是计算机和外界联系的纽带、接口和界面。如果没有外部设备，计算机将无法工作。外部设备在计算机系统中占据的地位变得越来越重要了。外部设备在计算机系统中的作用有：•外部设备是人机对话的通道•外部设备是完成数据媒体变换的设备•外部设备是计算机系统软件和信息的驻在地•外部设备是计算机在各领域应用的桥梁第8章外部设备11磁介质存储器的存储过程是一种电磁转换的过程。常见的磁介质存储器，如磁盘、磁带等就是利用磁记录原理制成的。8.2磁介质存储器的性能和原理第8章外部设备121.磁记录介质和磁头⑴磁记录介质在磁介质存储器中，信息是记录在一薄层磁性材料上的，这个薄层称为磁层。磁层与所附着的载体称为记录介质或记录媒体。载体是由非磁性材料制成的。根据载体的性质，又可分为软质载体和硬质载体。8.2.1磁介质存储器的读写第8章外部设备13⑵磁头磁头是磁记录设备的关键部件之一，是一种电磁转换元件，能把电脉冲表示的二进制代码转换成磁记录介质上的磁化状态，即电→磁转换；反过来，能把磁记录介质上的磁化状态转换成电脉冲，即磁→电转换。在读写过程中，磁记录介质与磁头之间相对运动，一般是记录介质运动而磁头不动。1.磁记录介质和磁头（续）第8章外部设备14写入时，在写磁头线圈中通以一定方向的写电流，所产生的磁通将从磁头的头隙进入记录介质，然后流回磁头，形成一个回路，于是在磁头下方的一个局部区域被磁化，形成一个磁化单元（或称记录单元）。3.读出过程读出时，读磁头线圈不外加电流。当某一磁化单元运动到读磁头下方时，使得磁头中流过的磁通有很大的变化，于是在读磁头线圈两端产生感应电动势e。2.写入过程第8章外部设备151.记录密度记录密度是指磁介质存储器上单位长度或单位面积所存储的二进制信息量。⑴道密度。道密度又叫横向密度，是指垂直于磁道方向上单位长度中的磁道数目，道密度的单位是道/in(TPI)或道/mm(TPM)。⑵位密度。位密度又叫纵向密度，是指沿磁道方向上单位长度中所记录的二进制信息的位数，位密度的单位为位/in(bpi)或位/mm(bpm)。8.2.2磁介质存储器的技术指标第8章外部设备16存储容量是指整个磁介质存储器所能存储的二进制信息的总量，一般以字节为单位表示，它与存储介质的尺寸和记录密度直接相关。磁介质存储器的存储容量有非格式化容量和格式化容量两种指标。非格式化容量是指磁记录介质上全部的磁化单元数；格式化容量是指用户实际可以使用的存储容量，也就是制造商给出的标称容量。格式化容量一般约为非格式化容量的60％～70％左右。2.存储容量第8章外部设备17在磁介质存储器中，当磁头接到读写命令后，从原来的位置移动到指定位置并完成读写操作的时间叫存取时间。对于采用直接存取方式的磁盘存储器来说，存取时间主要包括4部分：第一部分是指磁头从原先位置移动到目的磁道所需要的时间，称为定位时间或寻道时间；第二部分是指在到达目的磁道以后，等待被访问的记录块旋转到磁头下方的等待时间，称为旋转时间或等待时间；第3部分是信息的读写操作时间，也称为传输时间；最后是磁盘控制器的开销。3.平均存取时间第8章外部设备18由于寻找不同磁道和等待不同记录块所花的时间不同，所以通常取它们的平均值。传输时间和控制器的开销相对平均寻道时间Ts和平均等待时间Tw来说要小得多，所以磁盘的平均存取时间Ta约等于：Ta≈Ts+Tw=+3.平均存取时间（续）2ttmaxssmix2ttmaxwwmix第8章外部设备19磁介质存储器在单位时间内向主机传送数据的位数或字节数，称为数据传输率Dr，单位为b/s或B/s。5.误码率误码率是衡量磁介质存储器出错概率的参数，它等于读出的出错信息位数和读出总的信息位数之比。读出错误有硬错误和软错误之分。硬错误又称不可恢复的错误；软错误又称可恢复的错误，可用重复的读操作来改正。4.数据传输率第8章外部设备208.2.3数字磁记录方式为了提高磁介质存储器的性能，扩大存储容量，加快存取速度，除了要不断改善磁头和记录介质的电磁性能和机械性能之外，选用高性能的数字磁记录方式对提高记录密度和可靠性也是很重要的。磁记录方式是一种编码方式，即按照某种规律将一连串的二进制数字信息变换成记录介质上相应磁通翻转形式。第8章外部设备21直接记录方式000011111RZNRZNRZ-1T0图8-2(a)直接记录方式的写电流波形第8章外部设备22当记录密度较低时，可以不编码，直接按记录信息的“0”、“1”排序记录。⑴归零制（RZ）记录“1”时，写磁头线圈中通以正向脉冲电流；记录“0”时，通以反向脉冲电流。由于脉冲电流均要回到零，故称为归零制。归零制的两个脉冲之间有一段间隔没有电流，相应的这段磁层未被磁化。1.直接记录方式第8章外部设备23⑵不归零制（NRZ）记录“1”时，写磁头线圈中通以正向电流；记录“0”时，通以反向电流。由于磁头中电流不回到零，故称为不归零制。如果记录的相邻两位信息相同时，写电流方向不变；只有当记录的相邻两位信息不相同时，写电流才改变方向，所以又称为“见变就翻”的不归零制。⑶不归零－1制（NRZ-1）这是一种改进的不归零制，记录“1”时，在位周期中间写电流改变方向；而记录“0”时，写电流方向维持不变，所以称之为见“1”就翻的不归零制。1.直接记录方式（续）第8章外部设备24按位编码记录方式000011111PEFMMFMM2FMT0图8-2(b)按位编码记录方式的写电流波形第8章外部设备25⑴调相制（PE）调相制又称相位编码方式。它采用0°和180°相位的不同分别表示“1”或“0”。它的编码规则是：记录“1”时，写电流在位周期中间由负变正；记录“0”时，写电流在位周期中间由正变负。当连续出现两个或两个以上“1”或“0”时，为了维持上述原则，在位周期的边界上也要翻转一次。这种记录方式常用于磁带机中。2.按位编码记录方式第8章外部设备26⑵调频制（FM）调频制是根据写电流的频率来区分记录“1”或“0”的。记录“1”时，写电流在位周期中间和边界各改变一次方向；记录“0”时，写电流仅在位周期边界改变一次方向。因此，记录“1”的磁通翻转频率为记录“0”时的两倍，故又称倍频制。若以T0表示位周期，则调频制的磁通翻转间距为0.5T0和T0。这种记录方式主要应用于早期的硬磁盘机和单密度软磁盘机中。2.按位编码记录方式（续）第8章外部设备27⑶改进的调频制（MFM）MFM制是在FM制基础上改进的一种记录方式，其编码规则是：记录“1”时，写电流在位周期中间改变方向；记录独立的一个“0”时，写电流不改变方向；记录连续的两个“0”时，写电流在位周期边界改变方向。改进的调频制的磁通翻转间距有3种：T0、1.5T0、2T0，所以又称为三频制。采用MFM制的记录密度是FM制的两倍，这种记录方式广泛应用于硬磁盘机和倍密度软磁盘机上。2.按位编码记录方式（续）第8章外部设备28⑷改进的改进型调频制（M2FM）M2FM制是改进的MFM制方式。其编码规则是：记录“1”时，写电流在位周期中间改变方向；记录独立的一个“0”时，写电流不改变方向；记录连续的两个“0”时，写电流在第二个“0”起始的位周期边界处改变方向；记录连续多个“0”时，写电流在前两个“0”的位周期边界处改变方向；以后每隔两个“0”在位周期边界处写电流再改变一次方向。改进的改进型调频制的磁通翻转间距有4种：T0、1.5T0、2T0、2.5T0，所以又称为四频制。M2FM曾在软盘机和一些特殊用途的数字磁带机中使用。2.按位编码记录方式（续）第8章外部设备29成组编码方式，如群码制（GCR）、三位调制码（3PM）和游程长度受限码（RLL）等，它们将数据序列中的数据位几位分成一组，然后按一定的变换规则变换成对应的记录码，再采用NRZ-1制写入记录介质，从而使记录密度得以提高。3.成组编码记录方式第8章外部设备30硬盘中最流行的编码方式为游程长度受限（RLL）码，它的记录密度是调频制的3倍。游程长度受限码通常每次编码一组数据而不是单个数据。游程长度受限源于这些编码的两个主要特性，即两个实际的磁通转换之间允许的最小转换单元数目（游程长度）和最大的转换单元数目（游程受限）。该方式的不同变种使用不同的长度和受限参数，但只有两种真正得到普及：RLL2,7和RLL1,7。3.成组编码记录方式（续）第8章外部设备31尽管存在着很多种编码方式，但只有少部分仍然流行。近些年最流行的三种基本类型是：调频制（FM）改进的调频制（MFM）游程长度受限（RLL）8.2.4编码方式的比较第8章外部设备32用FM、MFM和RLL2,7编码方式的比较000001111110000011100000TTTTTTTTTTNTNNNNNNNNNNNNNNTNTTTTTNTTNNTNNNNNNTNN...........................FM(RLL0,1)编码（1×时钟）MFM(RLL1,3)编码（2×时钟）RLL(RLL2,7)编码（3×时钟）T=翻转（磁通转向）N=无翻转.=数据位边界（时钟定时）图8-3用FM、MFM和RLL2,7编码ASCII字符“X”的写电流波形第8章外部设备33磁介质存储器主要包括硬盘存储器、软盘存储器和磁带存储器，它们的容量大、位价格低，是当今辅助存储器的主体。8.3磁介质存储设备第8章外部设备34硬盘存储器的硬件包括硬盘控制器（适配器）、硬盘驱动器以及连接电缆。硬盘控制器（HDC）对硬盘进行