計(jì)算機(jī)組成課件

計(jì)算機(jī)組成原理第7章外部設(shè)備主要內(nèi)容7.1磁介質(zhì)存儲(chǔ)器的基本原理7.2硬盤(pán)存儲(chǔ)器相關(guān)參數(shù)計(jì)算7.3光盤(pán)存儲(chǔ)器的原理7.4鍵盤(pán)的基本原理7.5顯示器的基本原理什么是外部設(shè)備？中央處理器（CPU）和主存儲(chǔ)器（MM）構(gòu)成計(jì)算機(jī)的主機(jī)。除主機(jī)以外，而又圍繞著主機(jī)而設(shè)置的各種硬件裝置叫做外部設(shè)備或外圍設(shè)備分類(lèi)：輔助存儲(chǔ)器輸入輸出設(shè)備1.磁表面存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)原理在讀寫(xiě)過(guò)程中，記錄介質(zhì)與磁頭之間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。（1）寫(xiě)入過(guò)程在寫(xiě)磁頭線(xiàn)圈中通以一定方向的寫(xiě)電流，于是在磁頭下方的一個(gè)局部區(qū)域被磁化，形成一個(gè)磁化單元或稱(chēng)記錄單元。當(dāng)這部分介質(zhì)移出磁頭作用區(qū)后，仍將留下足夠強(qiáng)的剩磁。在寫(xiě)磁頭中通以不同方向的寫(xiě)電流，就會(huì)產(chǎn)生兩種不同的剩磁狀態(tài)，正好對(duì)應(yīng)二進(jìn)制信息的“1”和“0”。（

2）讀出過(guò)程讀出時(shí)，讀出線(xiàn)圈不外加電流。當(dāng)某一磁化單元運(yùn)動(dòng)到讀磁頭下方時(shí)，在讀出線(xiàn)圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e。不同的磁化狀態(tài)感生電動(dòng)勢(shì)的方向不同。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e經(jīng)放大、檢波、限幅、整形和選通后，獲得符合要求的信號(hào)。7.2硬盤(pán)存儲(chǔ)器1.溫徹斯特盤(pán)的特點(diǎn)：磁頭、盤(pán)片、磁頭定位機(jī)構(gòu)、主軸，甚至連讀/寫(xiě)驅(qū)動(dòng)電路等都被密封在一個(gè)盤(pán)盒內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)頭－盤(pán)組合體，這個(gè)組合體不可隨意拆卸，它的防塵性能好，可靠性高，對(duì)使用環(huán)境要求不高。屬于移動(dòng)頭硬盤(pán)：每個(gè)盤(pán)面上只有一個(gè)讀寫(xiě)頭，當(dāng)需要在不同磁道上讀寫(xiě)時(shí)，要驅(qū)動(dòng)讀寫(xiě)臂沿盤(pán)面作徑向移動(dòng)。（找道時(shí)間）2.硬盤(pán)的基本結(jié)構(gòu)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)有多個(gè)盤(pán)片，它們被疊裝在主軸上，構(gòu)成一個(gè)盤(pán)組，每個(gè)盤(pán)片的兩面都可用作記錄面。磁頭盤(pán)片磁頭定位機(jī)構(gòu)主軸讀/寫(xiě)驅(qū)動(dòng)電路0n3.硬盤(pán)的信息分布（1）記錄面硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器中可有多個(gè)盤(pán)片（數(shù)量為1~20片），每個(gè)盤(pán)片有兩個(gè)記錄面，每個(gè)記錄面對(duì)應(yīng)一個(gè)磁頭。（2）磁道在記錄面上，一條條磁道形成一組同心圓，最外圈的磁道為0號(hào)，往內(nèi)則磁道號(hào)逐步增加。0n（3）圓柱面在一個(gè)盤(pán)組中，各記錄面上相同編號(hào)（位置）的諸磁道構(gòu)成一個(gè)圓柱面。例如，某驅(qū)動(dòng)器有4片8面，則8個(gè)0號(hào)磁道構(gòu)成0號(hào)圓柱面，8個(gè)1號(hào)磁道構(gòu)成1號(hào)圓柱面，……。硬盤(pán)的圓柱面數(shù)等于一個(gè)記錄面上的磁道數(shù)，圓柱面號(hào)即對(duì)應(yīng)的磁道號(hào)。當(dāng)主機(jī)要存入一個(gè)較長(zhǎng)的文件時(shí)，若一條磁道存不完，就需要存放在幾條磁道上。應(yīng)將一個(gè)文件盡可能地存放在同一圓柱面中的不同磁道上。這是因?yàn)楦饔涗浢娴拇蓬^可同時(shí)定位，換道的時(shí)間僅是磁頭選擇電路的譯碼時(shí)間。4.傳統(tǒng)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)：每個(gè)磁道上記錄的扇區(qū)數(shù)是相同的，因而存儲(chǔ)的信息量也是相同的由于外圈磁道比內(nèi)圈磁道更長(zhǎng)一些，但存儲(chǔ)的信息量卻相同，所以外圈磁道上明顯地存在著浪費(fèi)。內(nèi)圈磁道的位密度高，外圈磁道的位密度低每個(gè)磁道記錄的信息量及轉(zhuǎn)速是相同的，所以它們的數(shù)據(jù)傳送率也是相同的。

5.尋址過(guò)程（1）定位（尋道）首先將磁頭移至目的磁道。尋道時(shí)間：既取決于定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，還取決于磁頭當(dāng)前所在磁道與目的磁道之間的距離。因此，對(duì)于用戶(hù)的每一次調(diào)用，這是一個(gè)不定值。（2）尋找扇區(qū)當(dāng)磁頭定位到指定磁道上之后，所需尋找的起始扇區(qū)并不一定正好經(jīng)過(guò)磁頭下方，因此可能需要一段等待時(shí)間，稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間。對(duì)于用戶(hù)的每一次調(diào)用，這也是一個(gè)不定值。平均等待時(shí)間：這個(gè)指標(biāo)與盤(pán)片轉(zhuǎn)速相關(guān)，它是盤(pán)片旋轉(zhuǎn)半周的時(shí)間，即最長(zhǎng)等待時(shí)間的一半。6.磁表面存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)（1）記錄密度道密度是指垂直于磁道方向上單位長(zhǎng)度中的磁道數(shù)目，道密度的單位是道/英寸（TPI）或道/毫米（TPM）。位密度位密度又叫縱向密度，是指沿磁道方向上單位長(zhǎng)度中所能記錄的二進(jìn)制信息的位數(shù)，位密度的單位為位/英寸（bpi）或位/毫米（bpm）。（2）存儲(chǔ)容量是指磁表面存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息總量。一般用字節(jié)為單位。格式化容量：是指按照某種特定的記錄格式所能存儲(chǔ)信息的總量。格式化容量=記錄面數(shù)×每面的磁道數(shù)×每道扇區(qū)數(shù)×記錄塊的字節(jié)數(shù)非格式化容量：是指磁記錄表面可以利用的磁化單元總數(shù)。非格式化容量=記錄面數(shù)×每面的磁道數(shù)×磁道容量磁道容量＝最大位密度×最內(nèi)圈磁道周長(zhǎng)格式化容量一般約為非格式化容量的60%～70%

什么是格式化？新的磁盤(pán)在使用之前需先進(jìn)行格式化，格式化實(shí)際上就是在磁盤(pán)上劃分記錄區(qū)，寫(xiě)入各種標(biāo)志信息和地址信息，這些信息占用了磁盤(pán)的存儲(chǔ)空間，故格式化之后的有效存儲(chǔ)容量要小于非格式化容量。（3）平均存取時(shí)間當(dāng)磁頭接到讀/寫(xiě)命令，從原來(lái)的位置移動(dòng)到指定位置，并完成讀/寫(xiě)操作的時(shí)間叫存取時(shí)間。存取時(shí)間主要包括：找道時(shí)間：磁頭從原先位置移動(dòng)到目的磁道所需要的時(shí)間等待時(shí)間：到達(dá)目的磁道以后，等待被訪(fǎng)問(wèn)的記錄區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所需的時(shí)間。信息的讀/寫(xiě)操作時(shí)間：可以忽略不計(jì)。磁盤(pán)存儲(chǔ)器參數(shù)的計(jì)算示例：例：設(shè)有一個(gè)盤(pán)面直徑為18in的磁盤(pán)組，有20個(gè)記錄面，每面有5in的區(qū)域用于記錄信息，記錄密度為100道/in（TPI）和1000b/in（bpi），轉(zhuǎn)速為2400r/min，道間移動(dòng)時(shí)間為0.2ms，試計(jì)算該盤(pán)組的容量、數(shù)據(jù)傳送率和平均存取時(shí)間。每一記錄面的磁道數(shù)N為

N＝5in/面×100道/in＝500道/面最內(nèi)圈磁道的周長(zhǎng)為L(zhǎng)=×(18-2×5)in=25.12in

以最內(nèi)圈磁道的周長(zhǎng)當(dāng)作每條磁道的長(zhǎng)度，故該盤(pán)組的存儲(chǔ)容量（非格式化容量）為

C=1000b/in×25.12in/道×500道/面×20面=251.2×106b=31.4×106B

磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間為

t=1/2400(r/min)×60s/min=0.025s=25ms

數(shù)據(jù)傳送率為

Dr=每一道的容量/旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間

=25120/25=1004.8b/ms=1.0048×106b/s=0.1256×106B/s=0.1256MB/s

平均存取時(shí)間為

Ta≈[(0+0.2*499)/2+(0+25)/2]ms≈60ms例：一臺(tái)三個(gè)盤(pán)片的磁盤(pán)組，共有四個(gè)記錄面，轉(zhuǎn)速為7200轉(zhuǎn)/分，盤(pán)面有效記錄區(qū)的外徑為30cm，內(nèi)徑為20cm，記錄位密度為250bit/mm，磁道密度8道/mm,盤(pán)面分16個(gè)扇區(qū)，每扇區(qū)1024字節(jié)，設(shè)磁頭移動(dòng)速度為2m/s。求：1、計(jì)算盤(pán)組的非格式化容量和格式化容量。2、計(jì)算該磁盤(pán)的數(shù)據(jù)傳輸率、平均找道時(shí)間和平均等待時(shí)間。7.5光盤(pán)存儲(chǔ)器1.分類(lèi)：（1）CD-ROM光盤(pán)只讀型光盤(pán)，它由生產(chǎn)廠(chǎng)家預(yù)先寫(xiě)入數(shù)據(jù)和程序，使用時(shí)用戶(hù)只能讀出，不能修改或?qū)懭胄聝?nèi)容。這種光盤(pán)是以燒孔的形式記錄信息的，在光盤(pán)的記錄薄膜上有小孔表示記錄“1”，無(wú)小孔表示記錄“0”。（2）WORM光盤(pán)

WORM光盤(pán)可由用戶(hù)寫(xiě)入信息，寫(xiě)入后可以多次讀出，但只能寫(xiě)入一次，信息寫(xiě)入后將不能再修改，所以稱(chēng)為只寫(xiě)一次型光盤(pán)。（3）可讀寫(xiě)式光盤(pán)這種光盤(pán)類(lèi)似于磁盤(pán)，可重復(fù)讀寫(xiě)。2.光盤(pán)的讀寫(xiě)原理光盤(pán)采用聚焦激光束在盤(pán)式介質(zhì)上非接觸地記錄高密度信息，以使介質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)(如反射率、偏振方向)的變化來(lái)表示所存儲(chǔ)信息的“1”或“0”。其記錄原理有形變、相變和M-O存儲(chǔ)等。（1）形變對(duì)于只讀型和只寫(xiě)一次型光盤(pán)寫(xiě)入時(shí)，將激光束聚焦成直徑為小于1μm的微小光點(diǎn)，以其熱作用，融化盤(pán)表面上的光存儲(chǔ)介質(zhì)薄膜，在薄膜上形成小洞(凹坑)。有洞的位置表示記錄了“1”，沒(méi)有洞的位置表示“0”。讀出時(shí)，在讀出光束的照射下，在有凹坑處和無(wú)凹坑處反射的光強(qiáng)是不同的。利用這種差別，可以讀出二進(jìn)制信息。由于讀出光束的功率只有寫(xiě)入光束功率的1／10，因此不會(huì)融出新的凹坑。（3）磁光(M-O)存儲(chǔ)利用激光在磁性薄膜上產(chǎn)生熱磁效應(yīng)來(lái)記錄信息，稱(chēng)為磁光存儲(chǔ)。利用熱磁效應(yīng)寫(xiě)入數(shù)據(jù)：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(shí)，外加磁場(chǎng)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”

。利用讀激光來(lái)照射到記錄點(diǎn)時(shí)，記錄點(diǎn)的磁化方向不同，會(huì)引起反射光的偏振方向不同，從而檢測(cè)出所記錄的數(shù)據(jù)“1”或“0”。圖8.24磁光記錄原理抹除信息：和記錄信息的原理一樣，外加一個(gè)和記錄方向相反的磁場(chǎng)，對(duì)已記錄信息的介質(zhì)用激光束照射，使照射區(qū)反方向磁化，從而恢復(fù)到記錄前的磁化狀態(tài)。M-O驅(qū)動(dòng)器讀取信息是根據(jù)檢測(cè)到的光的偏振方向，而不是亮度差。3.光盤(pán)存儲(chǔ)器的組成光盤(pán)存儲(chǔ)器由盤(pán)片、驅(qū)動(dòng)器和控制器組成。驅(qū)動(dòng)器有讀／寫(xiě)頭，尋道定位機(jī)構(gòu)，主軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。除了機(jī)械電子機(jī)構(gòu)以外，還有光學(xué)機(jī)構(gòu)。光盤(pán)盤(pán)片的形狀與磁盤(pán)盤(pán)片類(lèi)似，但記錄材料不一樣。7.5鍵盤(pán)輸入設(shè)備鍵盤(pán)上每個(gè)按鍵起一個(gè)開(kāi)關(guān)的作用。1.鍵盤(pán)電路的作用：當(dāng)用戶(hù)按下一個(gè)鍵時(shí)能查出按下的是哪一個(gè)鍵并將該鍵的位置代碼送主機(jī)。3.非編碼鍵盤(pán)的工作原理鍵盤(pán)掃描方法非編碼鍵盤(pán)的鍵一般排列成M行×N列的矩陣結(jié)構(gòu)，每個(gè)按鍵位于行和列的交叉處。常用的鍵盤(pán)掃描方法有逐行掃描法和行列掃描法。逐行掃描法程序查詢(xún)的步驟如下：①查詢(xún)是否有鍵按下首先由CPU對(duì)行線(xiàn)的各位置“0”，然后CPU再?gòu)牧芯€(xiàn)讀入數(shù)據(jù)。若讀入的數(shù)據(jù)為全“1”，表示無(wú)鍵按下；只要讀入的數(shù)據(jù)中有一位不為“1”，表示有鍵按下，接著查按鍵的位置。輸入寄存器輸出寄存器CPU來(lái)去CPU+5VD0～D7X0X1X2X3X4X5X6X7Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7輸出寄存器輸入寄存器②查詢(xún)已按下鍵的位置

a.查詢(xún)已按下的鍵在哪一列哪一位列線(xiàn)為“0”，表示被按下的鍵就肯定在這一列中。

b.查詢(xún)已按下的鍵在哪一行需要逐行進(jìn)行掃描。CPU首先使X0=0，X1～X7為全“1”，讀入Y0～Y7，若為全“1”，表示按鍵不在這一行；接著使X1=0，其余各位為全“1”，讀入Y0～Y7，……，直至Y0～Y7不為全“1”為止。③按行號(hào)和列號(hào)求鍵的位置碼得到的行號(hào)和列號(hào)表示按下鍵的位置碼。4查ROM表根據(jù)位置碼到專(zhuān)用的ROM中取出此鍵的ASCII碼；PC/XT鍵盤(pán)鍵盤(pán)接口4.微型機(jī)鍵盤(pán)鍵盤(pán)控制電路PC/XT鍵盤(pán)采用16行×8列矩陣結(jié)構(gòu)，由8048單片機(jī)通過(guò)執(zhí)行固化在ROM中的鍵盤(pán)管理和掃描程序，對(duì)鍵盤(pán)矩陣進(jìn)行掃描，形成與按鍵位置對(duì)應(yīng)的掃描碼，并以串行的方式送給微機(jī)主板上的鍵盤(pán)接口電路。鍵盤(pán)內(nèi)部的單片機(jī)根據(jù)按鍵位置向主機(jī)發(fā)送的僅是該按鍵位置的鍵掃描碼。鍵盤(pán)接口電路鍵盤(pán)接口電路一般在微機(jī)主板上，通過(guò)電纜與鍵盤(pán)連接，串行地接收鍵盤(pán)送來(lái)的掃描碼，其功能主要有：⑴串行接收鍵盤(pán)送來(lái)的掃描碼，轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)并暫存；⑵收到一個(gè)完整的掃描碼后，立即向主機(jī)發(fā)中斷請(qǐng)求；⑶主機(jī)中斷響應(yīng)后讀取掃描碼，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的ASCII碼存入鍵盤(pán)緩沖區(qū)。對(duì)于控制鍵，設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)；⑷接收主機(jī)發(fā)來(lái)的命令，傳送給鍵盤(pán)，并等候鍵盤(pán)的響應(yīng)，自檢時(shí)用以判斷鍵盤(pán)的正確性。7.6顯示設(shè)備顯示器輸出的內(nèi)容不能長(zhǎng)期保存，當(dāng)顯示器關(guān)機(jī)或顯示別的內(nèi)容時(shí)，原有內(nèi)容就消失了，所以顯示設(shè)備屬于軟拷貝輸出設(shè)備。燈絲陰極聚焦極石墨層熒光屏顯示屏陽(yáng)極帽偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈柵極陽(yáng)極電子槍電子束1.顯示器的重要技術(shù)指標(biāo)⑴像素像素是構(gòu)成圖像的最基本單位，一般是光點(diǎn)，所以又稱(chēng)為像點(diǎn)。⑵分辨率分辨率指的是顯示設(shè)備所能表示的像素個(gè)數(shù)。像素越密，分辨率越高，圖像越清晰。在字符顯示方式中，用一屏可顯示的最多字符數(shù)表示分辨率，例如80列×25行，表示每屏最多可顯示25行，每行可有80個(gè)字符。在圖形顯示方式中，用一屏可顯示的像點(diǎn)數(shù)表示分辨率，例如800×600，表示一屏可包含600條水平掃描線(xiàn)，每線(xiàn)可分為800點(diǎn)。⑶灰度級(jí)與顏色數(shù)像素的明暗的程度稱(chēng)為灰度，明暗變化的數(shù)量稱(chēng)為灰度級(jí)。顯示器所能顯示的顏色種類(lèi)稱(chēng)為顏色數(shù)，不同的深淺可算作不同的顏色。在單色顯示器中，僅有灰度級(jí)指標(biāo)，而在彩色顯示器中，則統(tǒng)稱(chēng)為顏色數(shù)。真彩色顯示，一般要求達(dá)到能同時(shí)顯示224＝16M（1677萬(wàn)）種顏色。2.CRT顯示器的光柵掃描方式CRT顯示器的發(fā)光是由電子束轟擊熒光屏上的熒光粉引起的。電子束在熒光屏上按某種軌跡運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為掃描。光柵掃描原理：⑴電子束從顯示屏的左上角開(kāi)始，沿水平方向從左向右掃描，到達(dá)屏幕右端后迅速水平回掃到左端下一行位置，又從左到右勻速地掃描。這樣一行一行地掃描，直到屏幕的右下角，然后又垂直回掃，返回屏幕左上角?；貟邥r(shí)，電子束是“消隱”的，熒光屏上沒(méi)有亮光顯示。3.視頻存儲(chǔ)器（1）動(dòng)態(tài)刷新顯示

CRT顯示器的發(fā)光是由電子束轟擊在熒光粉上引起的，其發(fā)光亮度大約只能維持幾十微秒便消失，為了使人們能看到穩(wěn)定的畫(huà)面，就必須在畫(huà)面消失之前使該電子束不斷重復(fù)掃描整個(gè)屏幕，這個(gè)過(guò)程叫做動(dòng)態(tài)刷新顯示。每秒刷新的次數(shù)稱(chēng)為刷新頻率，一般要求刷新頻率大于50次/秒（50Hz），即每秒刷新50幅以上，才不致使人眼感到閃爍。較快的刷新頻率能顯示穩(wěn)定的畫(huà)面，可減少眼睛的疲勞。1996年，VESA（視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）制定的無(wú)閃爍標(biāo)準(zhǔn)為75Hz，1997年該標(biāo)準(zhǔn)又提高到85Hz。（2）視頻存儲(chǔ)器（VRAM）為了不斷提供刷新畫(huà)面的信號(hào)，必須把字符或圖形信息存儲(chǔ)在一個(gè)刷新存儲(chǔ)器中，這個(gè)存儲(chǔ)器又稱(chēng)為顯示緩沖存儲(chǔ)器或視頻存儲(chǔ)器（VRAM）。（3）VRAM的容量和內(nèi)容

VRAM的容量由分辨率和灰度級(jí)決定，分辨率越高，灰度級(jí)越高，VRAM的容量就越大。字符方式下VRAM通常存儲(chǔ)字符代碼和顯示屬性。字符代碼即顯示字符的ASCII碼，每個(gè)字符占一個(gè)字節(jié)；顯示屬性一般也占一個(gè)字節(jié)。例如，一個(gè)字符顯示器的規(guī)格為80×25，那么VRAM中的字符代碼緩存的最小容量就是2KB。顯示屬性緩存也是2KB

圖形方式下VRAM中存儲(chǔ)的信息是圖形元素的矩陣數(shù)組，即像素點(diǎn)的顏色信息。例如，一個(gè)圖形顯示器的分辨率為640×200，在無(wú)灰度級(jí)的單色顯示器中，只需要16KB的VRAM。4.字符顯示器工作原理（1）字符顯示原理按照顯示的字符數(shù)將顯示屏幕劃分成許多方塊，每個(gè)方塊稱(chēng)一個(gè)字符窗口，它包括字符顯示點(diǎn)陣和字符間隔。一般的字符顯示屏幕上可顯示80列×25行＝2000個(gè)字符，字符窗口數(shù)目為80×25。如果顯示器的分辨率在單色字符顯示方式下為（720×350點(diǎn)陣），則每個(gè)字符窗口為9×14點(diǎn)陣，其中字符本身點(diǎn)陣為7×9，同一字符行中字符橫向間隔2個(gè)點(diǎn)，不同字符行間的間隔為5個(gè)點(diǎn)。01808182797815815918401841192019211922184219991998191819192行數(shù)0012178792324……………字符窗口字符點(diǎn)陣

字符顯示方式下VRAM中存放的是字符的ASCII碼，不是點(diǎn)陣信息。若要顯示出字符的形狀，還需要有字符發(fā)生器（字符庫(kù)）的支持。字符發(fā)生器的高位地址來(lái)自VRAM的ASCII碼，低位地址來(lái)自行計(jì)數(shù)器的輸出RA3～RA0（行掃描線(xiàn)序號(hào)），它具體指向這個(gè)字形點(diǎn)陣中的某個(gè)字節(jié)。10H28H44H82H82HFEH82H0