計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu) 課件 04外圍設(shè)備

外圍設(shè)備計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)外圍設(shè)備與輸入輸出系統(tǒng)系統(tǒng)互連存儲(chǔ)器接口外圍設(shè)備CPU計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備概念：具有一定操作功能的比較完整和相對(duì)獨(dú)立的精密機(jī)械電子裝置功能：進(jìn)行人機(jī)交互，完成輸入輸出功能特點(diǎn)：種類(lèi)繁多，功能多樣，組成與運(yùn)行原理各不相同發(fā)展：智能化、高可靠性、小型廉價(jià)常用的外圍設(shè)備鍵盤(pán)圖形輸入設(shè)備鼠標(biāo)、數(shù)位板、操縱桿、手寫(xiě)筆圖像輸入設(shè)備掃描儀、傳真機(jī)、數(shù)碼相機(jī)/攝像機(jī)條形碼閱讀器語(yǔ)音與文字輸入顯示器（字符、圖形、圖像）打印機(jī)（針式、噴墨、激光）繪圖儀語(yǔ)音輸出輸入設(shè)備輸出設(shè)備矩陣鍵盤(pán)原理1101...并行接口并行接口+5V10KΩ0列1列m-1列0行1行n-1行鍵盤(pán)鍵.....。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。…...011A鍵110...。1101...二極管鼠標(biāo)機(jī)械式光電式觸摸屏常用輸出設(shè)備顯示器陰極射線管顯示器液晶顯示器等離子顯示器打印機(jī)針式打印機(jī)噴墨打印機(jī)激光打印機(jī)點(diǎn)陣式設(shè)備把字形、圖形、圖像等信息以不同的點(diǎn)陣布局方式表現(xiàn)出來(lái)軟拷貝(softcopy)顯示設(shè)備硬拷貝(hardcopy)打印設(shè)備點(diǎn)陣式表示舉例以十六進(jìn)制數(shù)的形式把平面上點(diǎn)陣布局寫(xiě)出來(lái)點(diǎn)陣式設(shè)備需要解決的問(wèn)題點(diǎn)陣布局規(guī)律確定形狀的對(duì)象（保存對(duì)象的布局）無(wú)確定規(guī)律對(duì)象（保存所有點(diǎn)信息）點(diǎn)陣的密度更密的點(diǎn)陣可以把要表示的形狀呈現(xiàn)得更精細(xì)準(zhǔn)確表示同樣大小的形狀，點(diǎn)陣密則所用數(shù)據(jù)數(shù)量更多點(diǎn)陣越密則對(duì)輸入輸出設(shè)備的處理精度要求也越高點(diǎn)陣中點(diǎn)的屬性二值表示（0、1表示點(diǎn)的有、無(wú)）單色表示（灰度級(jí)表示不同亮度）彩色表示（RGB三基色混和表示彩色）發(fā)光二極管(LED)Lighting-EmittingDiode陰極射線管(CRT)燈絲陰極聚焦極石墨層熒光屏顯示屏陽(yáng)極帽偏轉(zhuǎn)線圈柵極陽(yáng)極電子槍電子束Cathode-RayTube液晶顯示(LCD)Liquid-CrystalDisplay有機(jī)發(fā)光顯示(OLED)OrganicLight-EmittingDisplayEInkEInk(electronicink)針式打印機(jī)打印紙導(dǎo)軌打印針永磁鐵

鐵芯銜鐵

線圈色帶色帶保護(hù)片滾筒激光打印機(jī)激光部分打印機(jī)控制部分光導(dǎo)鼓顯象部分…..定形部分

加熱輥預(yù)熱板輸紙用輥轉(zhuǎn)寫(xiě)清掃輥帶電器印寫(xiě)部分清掃部分轉(zhuǎn)寫(xiě)部分接紙

部分紙激光噴墨打印機(jī)墨水槽噴墨頭過(guò)濾器收集槽高壓電源振蕩發(fā)生器字形發(fā)生器打印紙充電電極壓電陶瓷偏轉(zhuǎn)電極墨水泵回收器墨滴偏轉(zhuǎn)方向噴墨頭移動(dòng)方向組成與打印原理字符打印過(guò)程（充了電的墨滴偏轉(zhuǎn)射向打印紙，不帶電的墨滴射入回收器被回收）(以7*5點(diǎn)陣為例)熱敏和熱轉(zhuǎn)印Thermalprinting外部存儲(chǔ)器/輔存主要技術(shù)指標(biāo)存儲(chǔ)密度：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度或單位面積上存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息數(shù)量。存儲(chǔ)容量：一臺(tái)設(shè)備能存儲(chǔ)的總信息量，一般以字節(jié)為單位。尋址時(shí)間：找到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置所需要的時(shí)間。數(shù)據(jù)傳輸率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量，單位b/s或者B/s。誤碼率：出錯(cuò)信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比。價(jià)格：總價(jià)格和存儲(chǔ)單位信息的平均價(jià)格。概述從功能上講，外部存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)體系的一部分從結(jié)構(gòu)上說(shuō)，外部存儲(chǔ)器又是屬于外圍設(shè)備的范疇目前，磁表面存儲(chǔ)器是常用的外部存儲(chǔ)器之一，在磁表面存儲(chǔ)器中最常用的是磁盤(pán)磁性材料的物理特性磁記錄原理前間隙后間隙鐵氧體線圈電流磁記錄介質(zhì)磁頭，軟磁材料導(dǎo)磁率高，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大矯頑力小，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度小

磁記錄材料，硬磁材料記錄密度高，記錄信息時(shí)間長(zhǎng)輸出信號(hào)幅度大，噪聲低表面組織緊密、光滑、無(wú)麻點(diǎn)薄厚均勻，溫度、濕度影響小磁表面存儲(chǔ)器的讀操作磁表面存儲(chǔ)器的寫(xiě)操作磁表面存儲(chǔ)器存取信息的原理通過(guò)電-磁變換，利用磁頭寫(xiě)線圈中的脈沖電流，可把一位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成載磁體存儲(chǔ)元的不同剩磁狀態(tài)反之，通過(guò)磁-電變換，利用磁頭讀出線圈，可將由存儲(chǔ)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(hào)輸出磁表面存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)存儲(chǔ)密度高，記錄容量大，每位價(jià)格低；記錄介質(zhì)可重復(fù)利用（通過(guò)改變剩磁狀態(tài)）；無(wú)需能量維持信息，掉電信息不丟失，記錄信息可長(zhǎng)久保持；利用電磁感應(yīng)讀出信號(hào)，非破壞性讀寫(xiě)。磁表面存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)只能順序存取，不能隨機(jī)存取；讀寫(xiě)時(shí)要靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)，存取速度慢；讀寫(xiě)可靠性差，必須加校驗(yàn)碼；由于使用機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)工作環(huán)境要求高。磁記錄方式磁記錄方式：是指一種編碼方法，即如何將一串二進(jìn)制信息，通過(guò)讀寫(xiě)電路變換成磁層介質(zhì)中的磁化翻轉(zhuǎn)序列編碼方法要求：更高的編碼效率：編碼效率：指記錄密度與最大磁化翻轉(zhuǎn)密度之比，即為記錄一位信息所用的最多磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)的倒數(shù)；FM、PM編碼效率50％，MFM、NRZ、NRZ1編碼效率100％更高的自同步能力：自同步能力：指從讀出的數(shù)據(jù)信息中提取出同步時(shí)鐘信號(hào)的難易程度，可以用最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔與最大翻轉(zhuǎn)間隔的比值來(lái)衡量；NRZ、NRZ1沒(méi)有自同步能力，PM、FM、MFM有自同步能力更高的讀寫(xiě)可靠性：采用能檢查錯(cuò)誤，甚至自動(dòng)糾正錯(cuò)誤的措施磁盤(pán)的物理組織（1）

磁頭運(yùn)動(dòng)固定磁頭（每磁道一個(gè)）可移動(dòng)磁頭（每個(gè)面一個(gè)）磁盤(pán)可更換性不可更換磁盤(pán)可更換磁盤(pán)盤(pán)片單面雙面磁頭機(jī)制接觸（軟盤(pán)）固定間隙空氣動(dòng)壓氣隙（溫氏磁盤(pán)）磁盤(pán)的物理組織（2）溫徹斯特磁盤(pán)結(jié)構(gòu)磁盤(pán)的數(shù)據(jù)組織-磁道磁盤(pán)的每一個(gè)記錄面被劃分為若干個(gè)同心圓，被稱(chēng)為磁道(tracks)磁道編號(hào)順序：由外向內(nèi)為什么？磁盤(pán)的數(shù)據(jù)組織-扇區(qū)每個(gè)磁道又被劃分為若干個(gè)數(shù)據(jù)塊，稱(chēng)為扇區(qū)(sectors)扇區(qū)是磁盤(pán)能夠?qū)ぶ返降淖钚挝淮疟P(pán)的數(shù)據(jù)組織-柱面當(dāng)一個(gè)磁盤(pán)系統(tǒng)有多個(gè)記錄面時(shí)，不同記錄面的同一磁道被稱(chēng)為柱面(cylinder)磁盤(pán)的數(shù)據(jù)組織磁盤(pán)的尋址傳統(tǒng)CHS(cylinders-heads-sectors)方式：臺(tái)號(hào)、柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)邏輯區(qū)塊地址(LogicalBlockAddress,LBA)磁盤(pán)的格式化：使磁盤(pán)帶有標(biāo)識(shí)信息，用于區(qū)分各個(gè)扇區(qū)

磁盤(pán)的性能參數(shù)(1)存儲(chǔ)密度

道密度：沿磁盤(pán)半徑方向單位長(zhǎng)度上的磁道數(shù)位密度：沿磁道圓周方向單位長(zhǎng)度上所能記錄的二進(jìn)制位數(shù)存儲(chǔ)容量：指一個(gè)磁盤(pán)裝置所能存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的總量非格式化容量＝位密度×內(nèi)圈磁道周長(zhǎng)×磁道總數(shù)格式化容量＝扇區(qū)容量×每道扇區(qū)數(shù)×磁道總數(shù)

磁盤(pán)的性能參數(shù)(2)平均存取時(shí)間尋道時(shí)間：磁頭定位到要求的磁道所花費(fèi)的時(shí)間。旋轉(zhuǎn)延遲：磁道上待訪問(wèn)的信息旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所需要的時(shí)間。數(shù)據(jù)傳輸率＝磁盤(pán)轉(zhuǎn)速×每條磁道的容量(B/s)傳送時(shí)間＝要傳送的字節(jié)數(shù)÷數(shù)據(jù)傳輸率

例：磁盤(pán)參數(shù)計(jì)算一臺(tái)有3個(gè)盤(pán)片的磁盤(pán)組，共有4個(gè)記錄面，轉(zhuǎn)速為7200/分，盤(pán)面有效記錄區(qū)域外徑為30cm，內(nèi)徑為20cm，記錄位密度為110位/mm，磁道密度為8道/mm，磁道分16個(gè)扇區(qū)，每扇區(qū)512字節(jié)，設(shè)磁頭移動(dòng)速度為2m/s。（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，平均尋道時(shí)間和平均旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間。（3）若一個(gè)文件超出一個(gè)磁道的容量，余下部分是存于同一個(gè)盤(pán)面還是存于同一柱面上？并給出一個(gè)合理的磁盤(pán)地址方案。例題解答（1）每個(gè)記錄面共有磁道數(shù)為：（（30－20）/2）×10×8＝400道非格式化容量＝（3.14×200×110×400×4）/8=13816000B格式化容量＝512×16×400×4＝13107200B（2）數(shù)據(jù)傳輸率＝512×16×（7200/60）＝983040B/s，平均尋道時(shí)間＝半徑/磁頭移動(dòng)速度/2＝0.0125s，平均旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間＝磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間/2＝4.2ms（3）存于同一柱面。磁盤(pán)地址：（臺(tái)號(hào)，柱面號(hào)，磁頭號(hào)，扇區(qū)號(hào)）磁盤(pán)陣列技術(shù)RAID最初的稱(chēng)謂：RedundantArraysofInexpensiveDisks工業(yè)界修改：RedundantArraysofIndependentDisksRAID原理和特點(diǎn)多個(gè)統(tǒng)一管理的磁盤(pán)組成磁盤(pán)陣列，數(shù)據(jù)分塊交叉存儲(chǔ)在多個(gè)磁盤(pán)上，提高讀寫(xiě)并行性，性能好陣列中的一部分磁盤(pán)存放冗余信息，一旦某一磁盤(pán)失效，利用冗余信息重建數(shù)據(jù)，可靠性高單個(gè)小盤(pán)徑磁盤(pán)成本低、功耗小、性能好，磁盤(pán)陣列需要RAID卡的支持，但總體成本也不高磁盤(pán)陣列示意圖RAID卡標(biāo)準(zhǔn)RAID等級(jí)SNIA、Berkeley等組織機(jī)構(gòu)把RAID0、RAID1、RAID2、RAID3、RAID4、RAID5、RAID6七個(gè)等級(jí)定為標(biāo)準(zhǔn)的RAID等級(jí)，這也被業(yè)界和學(xué)術(shù)界所公認(rèn)。RAID的工作模式6級(jí)容錯(cuò)：RAID0~RAID5，其中RAID2與RAID3要求各個(gè)驅(qū)動(dòng)器嚴(yán)格同步，不實(shí)用RAID0：數(shù)據(jù)散放，并發(fā)讀寫(xiě)，沒(méi)有容錯(cuò)，可靠性差RAID1：磁盤(pán)鏡像，冗余備份，可靠性高，成本較高RAID4：數(shù)據(jù)保護(hù)，對(duì)數(shù)據(jù)散放改進(jìn)，增加專(zhuān)用的奇偶校驗(yàn)盤(pán)，出故障恢復(fù)數(shù)據(jù)費(fèi)時(shí)RAID5：分布式數(shù)據(jù)保護(hù)，是對(duì)RAID4的改進(jìn)，減少校驗(yàn)盤(pán)的負(fù)載，將校驗(yàn)位循環(huán)均勻地分布到所有的驅(qū)動(dòng)器上RAID0RAID1RAID4&5RAID5RAID6RAID01和RAID10RAID50JBODJustaBunchOfDisks不是標(biāo)準(zhǔn)的RAID等級(jí)，它將多個(gè)物理磁盤(pán)串聯(lián)起來(lái)，提供一個(gè)巨大的邏輯磁盤(pán)。光盤(pán)設(shè)備光盤(pán)特點(diǎn)存儲(chǔ)密度高，容量大，非接觸式讀寫(xiě)可靠性好，價(jià)格便宜，廣泛使用光盤(pán)類(lèi)型只讀型光盤(pán)CD-ROM(CD-ReadOnlyMemory)標(biāo)準(zhǔn)容量650M寫(xiě)一次型光盤(pán)WORM(writeonce,readmany)CD-R(CD-Recordable)可擦寫(xiě)型光盤(pán)CD-RWCD-RW(CD-ReWritable)基本原理CD-R光學(xué)系統(tǒng)示意圖光盤(pán)旋轉(zhuǎn)臺(tái)He-Ne激光器10%光束分離器90%調(diào)制器光束分離器調(diào)制信號(hào)聚焦系統(tǒng)，物鏡徑向跟蹤反射鏡寫(xiě)光束讀出信號(hào)光敏管CD、DVD、HDDVD和BD單層與雙層光盤(pán)固態(tài)硬盤(pán)SolidStateDisk或SolidStateDrive，簡(jiǎn)稱(chēng)SSD是用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列而制成的硬盤(pán)優(yōu)點(diǎn)讀寫(xiě)速度快、防震抗摔性、低功耗、無(wú)噪音、工作溫度范圍大、輕便缺點(diǎn)容量、壽命限制、售價(jià)SSD的結(jié)構(gòu)FLASH基本存儲(chǔ)單元NORFLASHNAN