计算机外围设备

计算机外围设备张钧良编著清华大学出版社高等学校教材·计算机应用总目录第1章计算机外围设备概述第2章输入设备第3章输出设备第4章外存储设备第5章多媒体设备第6章网络设备第7章其他设备上一页第1章计算机外围设备概述上一页1.1什么是计算机外围设备1.2外围设备的分类1.3外围设备的作用1.4外围设备与计算机的连接1.5外围设备的发展方向本章小结习题1目录外围设备是计算机系统不可缺少的组成部分，用户在使用计算机系统时，接触最多的是外围设备。外围设备是计算机和外部世界联系的桥梁。随着计算机技术的飞速发展和应用的扩大，计算机系统要求外围设备的种类越来越多。本章先介绍涉及外围设备的有关概念。上一页外围设备（peripheraldevice）过去常称外部设备（externaldevice）。在计算机硬件系统中，外围设备是相对于计算机主机来说的，凡在计算机主机处理数据前后，把数据输入计算机主机、对数据进入加工处理及输出处理结果的设备都称为外围设备，而不管它们是否受中央处理器的直接控制。一般说来，外围设备是为计算机和它的外部环境提供通信手段的设备。因此，除了计算机主机以外的设备原则上都叫外围设备。外围设备一般由媒体、设备和设备控制器组成。1.1什么是计算机外围设备上一页一套完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。计算机的硬件是指组成一台计算机的各种物理装置,由主机和输入/输出子系统组成，计算机主机包括中央处理器、存储器和附属线路，输入/输出子系统包括输入/输出接口和外围设备。上一页1.1什么是计算机外围设备图1-1计算机系统的组成上一页外围设备除了输入/输出设备外，还应包括外存储器设备、多媒体设备、网络通信设备和外围设备处理机等等。外围设备分类见右图。1.2外围设备的分类上一页⒈输入设备输入设备是人和计算机的最重要的接口，它的功能是把原始数据和处理这些数据的程序、命令通过输入接口输入到计算机中。因此，凡是能把程序、数据和命令送入计算机进行处理的设备都是输入设备。由于需要输入到计算机的信息多种多样，如字符、图形、图像、语音、光线、电流、电压等等，各种形式的输入信息都需要转换为二进制编码，才能为计算机所利用，因此不同输入设备在工作原理、工作速度上相差很大。这是我们需要特别注意的。输入设备包括字符输入设备（如键盘、条形码阅读器、磁卡机）、图形输入设备（如鼠标器、图形数字化仪、操纵杆）、图像输入设备（如扫描仪、传真机、摄像机）、模拟量输入设备（如模-数（A/D）转换器、话筒等）。上一页⒉输出设备输出设备同样是十分重要的人机接口，它的功能是用来输出人们所需要的计算机的处理结果。输出的形式，可以是数字、字母、表格、图形、图像等。最常用的输出设备是各种类型的显示器、打印机和绘图仪，以及X-Y记录仪、数－模(D/A)转换器、缩微胶卷胶片输出设备等。上一页⒊外存储器设备外存储器用来存储大量的暂时不参加运算或处理的数据和程序,因而允许速度较慢。一旦需要，可成批地与内存交换信息。它是主存储器的后备和补充，因此叫它为“辅助存储器”。外存的特点是存储容量大、可靠性高、价格低,在脱机情况下可以永久地保存信息，进行重复使用。外存按存储介质可分为磁表面存储器和光存储器。现在人们使用的磁表面存储器主要是磁盘和磁带。微机上使用的主要是硬磁盘存储器和软磁盘存储器。光盘存储器作为一种新型的信息存储设备已经在微机上普及使用。目前，可移动磁盘已开始在微机系统中使用，为用户提供了很大的方便。上一页⒋多媒体设备现代社会是信息爆炸的时代，文字、图形、图像、语音等各种信息大量产生，人类要利用各种各样的信息，要求计算机能够处理各种不同形式的信息，多媒体设备就应运而生。多媒体设备的功能就是使计算机能够直接接受、存储、处理各种形式的多媒体信息。现在市场上出售的微型计算机（PC）几乎都是多媒体计算机，都配置了若干多媒体设备。多媒体计算机必须配置的基本多媒体设备，除已列在外存储器中的CD-ROM或DVD-ROM外，还应有调制解调器(modem)、声卡和视频卡。其他多媒体设备还有数字相机、数字摄像机、MIDI乐器等。上一页⒌网络与通信设备21世纪人类将进入信息社会。从20世纪90年代中期开始，世界各国都开始努力进行信息化基础设施的建设。Internet迅速普及，政府上网、企业上网、学校上网，…，网络和通信技术获得了前所未有的大发展。为了实现数据通信和资源共享，要求有专门的设备把计算机联接起来，实现这种功能的设备就是网络与通信设备。目前的网络通信设备包括调制解调器、网卡，以及中继器、集线器、网桥、路由器、网关等。上一页⒍输入输出处理机输入输出处理机通常称作外围处理机（PeripheralProcessorUnit，PPU），用于分布式计算机系统中。这种外围处理机的结构接近一般的处理机，甚至就是一台小型通用计算机。主要用来完成计算机系统中输入/输出通道所要完成的I/O控制，还可进行码制变换、格式处理、数据块的检错、纠错等。但它不是独立于主机工作，是主机的一个部件。上一页外围设备的作用归纳起来有以下几方面：⑴提供人-机对话。⑵完成数据媒体的变换。⑶存储系统软件和大型应用软件。⑷为各类计算机应用领域提供应用手段。从数据输入输出的角度看，磁盘机(硬盘和软盘)和磁带机也可以被看作输入/输出设备。当从磁盘或磁带读取文件时，它们是输入设备，当向磁盘或磁带保存文件时，它们是输出设备。1.3外围设备的作用上一页计算机系统所配置的外围设备种类繁多，数量不同，它们不仅在工作速度上与CPU相差很大，而且在数据表示的形式上与计算机主机内部的形式不一样。因此，要实现外围设备与计算机的连接和信息交换，充分发挥计算机的效率，除了了解外围设备与计算机的连接接口外，由于外围设备与计算机在工作速度和数据表示形式上的不同外，还应了解它们传送信息的种类、传送控制方式和传送方法。在此基础上，才能确定它们的连接方式。1.4外围设备与计算机的连接上一页外围设备与中央处理器之间传送的信息种类有：设备地址信息、数据信息、设备状态信息和控制信息。这里是指某一设备上的数据交换，设备当前的操作状态，以及中央处理器对外围设备的控制操作命令等。数据传送的控制方式有同步和异步两种。同步传送是指各外围设备都在统一的节拍下进行数据传送，异步传送则根据回答信号决定传送周期。对传送时间短于一个节拍的同步传送，这是一种浪费；而后者却能充分地利用I/O通道上的工作时间。上一页1.4.1外围设备与中央处理器之间的信息传送传送的方式有程序查询传送、程序中断传送、直接存储器传送和I/O处理机传送。早期的计算机以运算器控制器（简称运控）为中心，传送方式是程序查询传送和程序中断传送，程序查询传送使计算机经常处于等待状态，计算机使用的效率极低，程序中断传送虽然解决了计算机等待浪费时间的问题，但一些高速外围设备在与计算机交换数据时，常常会因中断次数过于频繁，致使计算机的效率仍然不高。上一页1.4.1外围设备与中央处理器之间的信息传送（续）以存储器为中心的计算机硬件结构，实现的数据传送方式是直接存储器传送（DMA）方式，实行外围设备与内存储器直接进行数据交换。这种数据传送方式是由一个DMA控制器从CPU处接管对总线的控制权，指挥外围设备（如硬盘）与内存储器之间直接进行数据传输，传输结束后，再把总线控制权交还给CPU，这就简化了CPU对I/O的控制。为了进一步减轻中央处理器对I/O系统的负担，将管理和控制I/O操作和数据交换的功能从中央处理机独立出来，即可组成I/O处理机。上一页1.4.1外围设备与中央处理器之间的信息传送（续）I/O处理机又可分为通道方式和外部处理机方式。通道具有处理机的特征，但它只是面向外围设备控制和数据交换的指令系统，而输入输出过程中的前处理和后处理仍由中央处理器来实现。外部处理机实际上是一台独立的作为管理和控制系统的专用计算机，它具有通道的功能，还能完成码制变换、检错纠错和格式变换等操作和运算，这样，计算机的运行效率就大为提高。上一页1.4.1外围设备与中央处理器之间的信息传送（续）在小型机和微型机中，多采用程序查询传送、程序中断传送和直接存储器传送方式；而在大型机、中型机和高档小型机中一般采用I/O处理机传送方式。无论采用哪一种控制方式和传送方式，都需要相应的控制逻辑电路和信息通道来实现。外围设备与计算机连接的一般模式如下图所示。上一页1.4.1外围设备与中央处理器之间的信息传送（续）为了各种设备与计算机之间的连接和信息交换，必须要配备设备控制器。设备控制器是控制该设备进行操作的控制部件，它接受中央处理器通过接口传送来的各种信息，并按设备的不同要求把这些信息传送到设备或从设备读出信息传送到接口。因为不同设备有不同的要求，所以要求各种专门的设备控制器与之配合。为了保证程序查询传送、程序中断传送、直接存储器传送和I/O处理机传送的实现，在中央处理器中要设置相应的指令和I/O控制逻辑电路以及传送信息的通路。通常把它们做成标准部件，称为中央处理器的标准接口，不同的传送方法要求有不同的标准接口。上一页1.4.1外围设备与中央处理器之间的信息传送（续）设计设备控制器时，主要考虑该设备的特点和要求，但一般不考虑中央处理器标准接口的要求，而中央处理器的标准接口也不可能考虑到每一种连接设备的特殊要求。因此，某一类型设备与中央处理器某一类型标准接口连接时，还必须在其中设置一个起连接作用的控制电路，这就是接口控制器。当中央处理器的标准接口连接各种不同类型的设备时，只要在每个设备的设备控制器上选配与此设备相适应的接口控制器，就可以使这些设备与同一种标准接口连接起来。根据上述原理，外围设备与计算机连接时，应在设备与中央处理器之间配置设备控制器和接口控制器。上一页1.4.1外围设备与中央处理器之间的信息传送（续）主机与外围设备之间是通过“接口”来交换信息的，每一台外围设备都有各自的接口，所谓“接口”，也称适配器（adapter）、设备控制卡（devicecontrolcard），或输入输出控制器。下图为主机与外围设备连接的一般原理图。从图中可以看出，主机（包括CPU、内存的RAM和ROM）是通过总线与外设接口相连接的。通过这个原理图可以分析接口的基本功能和工作过程。上一页1.4.2外围设备与PC机连接的接口图1-4主机与外围设备连接的一般原理图上一页⒈外设接口的基本功能尽管不同外设的接口的组成及任务各不相同，但它们要实现的基本功能大致相同。一般说，任何外设的接口都必须具有下列基本功能：⑴实现数据缓冲。在外设的接口中，一般都设置若干各数据缓冲寄存器，在主机与外设交换数据时，先将数据暂存在该缓冲寄存器中，然后再输出到外围设备或输入到主机中去。⑵记录外设的工作状态。在设备的接口中必须有记录该设备工作状态的状态寄存器。外设的状态一般设“空闲”、“忙”、“就绪”三种。上一页⑶能够接收主机发来的各种控制信号，以实现对该设备的控制操作。为此，在设备中应设置设备控制寄存器，用以存储主机发送来的控制字。⑷能够判断主机是否选中本接口及本接口所连接的外围设备。一台计算机所连接的外围设备可能很多，每台设备各有自己的设备号，也称设备地址。主机就是通过发送设备地址来选择设备的。因此，在接口中有识别该设备地址的设备译码器。⑸实现主机与外设之间的通信控制。包括同步控制、中断控制等。为此，在接口中必须包含有实现这些控制功能的控制逻辑电路。上一页⒉外设接口的工作过程（以打印机打印输出为例，来说明外设接口的工作过程。）⑴主机通过地址总线向接口发送设备号，经设备译码器译码，选中该打印机接口。⑵主机测试打印机接口状态寄存器的状态，以判断打印机所处的工作状态。若测得打印机处于“忙”状态，则表明打印机正在执行一个打印任务，不能接收新的打印任务，直到正在执行的打印任务结束，打印机就转到“就绪”状态。若测得打印机处于“就绪”状态，则表明打印机前一个打印任务已完成，可以接收新的打印任务。上一页若测得打印机处于“空闲”状态，则表明打印机尚未启动，这时需要主机启动打印机，使打印机处于“就绪”状态，才能接收新的打印任务。⑶当确定打印