《chapter7外圍設(shè)備》PPT課件.ppt

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè),計(jì)算機(jī)組成原理 武漢科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,第七章 外圍設(shè)備,本章內(nèi)容 7.1 外圍設(shè)備概述 7.2 磁盤存儲(chǔ)設(shè)備 7.3 磁盤存儲(chǔ)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展 7.4 磁帶存儲(chǔ)設(shè)備 7.5 光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備 7.6 顯示設(shè)備 7.7 輸入設(shè)備和打印設(shè)備,7.1.1 外圍設(shè)備的一般功能 1. 什么是外圍設(shè)備 除了CPU和主存外，計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)的每一部分都可作為一個(gè)外圍設(shè)備來看待。 主機(jī)和外設(shè)的價(jià)格比 20世紀(jì)70年代初為 1：1 20世紀(jì)80年代末為 1：6 1：10 這一情況說明： (1) 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展過程中，外設(shè)的發(fā)展占有重要的地位； (2) 外設(shè)的發(fā)展與主機(jī)的發(fā)展相比，還有很不適應(yīng)。,7.1 外圍設(shè)備概述,外設(shè)的發(fā)展方向 (1) 低成本(價(jià)格) (2) 小體積 (3) 高速度 (4) 大容量 (5) 低功耗 4. 外圍設(shè)備的功能 在計(jì)算機(jī)和其他機(jī)器之間，以及計(jì)算機(jī)與用戶之間提供聯(lián)系。 5. 外圍設(shè)備的基本組成 (1)存儲(chǔ)介質(zhì)，它具有保存信息的物理特征。 (2)驅(qū)動(dòng)裝置，它用于移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)。 (3)控制電路，它向存儲(chǔ)介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)或從存儲(chǔ)介質(zhì)接受數(shù)據(jù)。,外圍設(shè)備可分為: 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 外存設(shè)備 數(shù)據(jù)通信設(shè)備 過程控制設(shè)備 五大類。,7.1.2 外圍設(shè)備的分類,如A/D、D/A轉(zhuǎn)換器,如Modem,外圍設(shè)備的工作速度 工作速度都比主機(jī)慢得多 外圍設(shè)備的信息類型和結(jié)構(gòu)格式 各種外圍設(shè)備的信息類型和結(jié)構(gòu)格式均不相同。 外圍設(shè)備的電氣特性 信號(hào)類型、電平的極性、高低不一等等。,外圍設(shè)備的共同特點(diǎn),7.2 磁盤存儲(chǔ)設(shè)備,7.2.1 磁記錄原理 計(jì)算機(jī)的外存儲(chǔ)器又稱磁表面存儲(chǔ)設(shè)備。所謂磁表面存儲(chǔ)，是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(chǔ)信息。磁盤存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器均屬于磁表面存儲(chǔ)器。 磁表面存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)：(1)存儲(chǔ)容量大，位價(jià)格低；(2)記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用；(3)記錄信息可以長期保存而不丟失，甚至可以脫機(jī)存檔；(4)非破壞性讀出，讀出時(shí)不需要再生信息 。 磁表面存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)：存取速度較慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對工作環(huán)境要求較高。 磁表面存儲(chǔ)器由于存儲(chǔ)容量大，位成本低，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中作為輔助大容量存儲(chǔ)器使用，用以存放系統(tǒng)軟件、大型文件、數(shù)據(jù)庫等大量程序與數(shù)據(jù)信息。 1.磁性材料的物理特性,磁性材料的磁滯回線,電流I磁場H磁感應(yīng)強(qiáng)度B,磁感應(yīng)強(qiáng)度B不隨電流的消失而回零，在磁滯回線上形成兩個(gè)穩(wěn)態(tài)Br和-Br,故可用來記錄“1”和“0”兩種值的代碼。,從磁滯回線可以看出，磁性材料被磁化以后，工作點(diǎn)總是在磁滯回線上。只要外加的正向脈沖電流(即外加磁場)幅度足夠大，那么在電流消失后磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不等于零，而是處在+Br狀態(tài)(正剩磁狀態(tài))。反之，當(dāng)外加負(fù)向脈沖電流時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B將處在-Br狀態(tài)(負(fù)剩磁狀態(tài))。這就是說，當(dāng)磁性材料被磁化后，會(huì)形成兩個(gè)穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)，就像觸發(fā)器電路有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)一樣。如果規(guī)定用+Br狀態(tài)表示代碼“1”，-Br狀態(tài)表示代碼“0”，那么要使磁性材料記憶“1”，就要加正向脈沖電流，使磁性材料正向磁化；要使磁性材料記憶“0 ”，則要加負(fù)向脈沖電流，使磁性材料反向磁化。磁性材料上呈現(xiàn)剩磁狀態(tài)的地方形成了一個(gè)磁化元或存儲(chǔ)元，它是記錄一個(gè)二進(jìn)制信息位的最小單位。 2.記錄方式 形成不同寫入電流波形的方式，稱為記錄方式。記錄方式是一種編碼方式，它按某種規(guī)律將一串二進(jìn)制數(shù)字信息變換成磁層中相應(yīng)的磁化元狀態(tài)，用讀寫控制電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。 在磁表面存儲(chǔ)器中，由于寫入電流的幅度、相位、頻率變化不同，從而形成了不同的記錄方式。常用記錄方式可分為不歸零制(NRZ)，調(diào)相制(PM)，調(diào)頻制(FM)幾大類。,1,0,0,0,1,1,1,0,不歸零制(NRZ0) 其特點(diǎn)是磁頭線圈中始終有電流， 不是正向電流(代表1)就是反向電流(代表0)，因此不歸零制記錄方式的抗干擾性能較好。 見“1”就翻不歸零制(NRZ1) 與 NRZ0制的相同處：磁頭線圈中始終有電流通過。不同處：記錄“0”時(shí)電流方向不變，只有遇到1時(shí)才改變方向。 調(diào)相制(PM) 其特點(diǎn)是在一個(gè)位周期的中間位置，電流由負(fù)到正為1，由正到負(fù)為0，即利用電流相位的變化進(jìn)行寫“1”和“0”，所以通過磁頭中的電流方向一定要改變一次，這種記錄方式中“1”和“0”的讀出信號(hào)相位不同，抗干擾能力較強(qiáng)。另外讀出信號(hào)經(jīng)分離電路可提取自同步定時(shí)脈沖，所以具有自同步能力。磁帶存儲(chǔ)器中一般采用這種記錄方式。 調(diào)頻制(FM) 其特點(diǎn)如下：(1)無論記錄的代碼是1或0，或者連續(xù)寫“1”或?qū)憽?0”，在相鄰兩個(gè)存儲(chǔ)元交界處電流都要改變方向；(2)記錄1時(shí)電流一定要在位周期中間改 變方向，寫“1”電流的頻率是寫“0”電流頻率的2倍，故稱為倍頻法。這種記錄方式的優(yōu) 點(diǎn)是記錄密度高，具有自同步能力。FM可用于單密度磁盤存儲(chǔ)器。,改進(jìn)調(diào)頻制(MFM) 與調(diào)頻制的區(qū)別 在于只有連續(xù)記錄兩個(gè)或兩個(gè)以上“0”時(shí)，才在位周期的起始位置翻轉(zhuǎn)一次，而不是在每個(gè)位周期的起始處都翻轉(zhuǎn)，因而進(jìn)一步提高了記錄密度。MFM可用于雙密度磁盤存儲(chǔ)器。 除了上述幾種記錄方式外，還有游程長度受限碼RLLC、成組編碼GCR等記錄方式。 評價(jià)一種記錄方式優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)：編碼效率、自同步能力、 檢讀分辨力、信息相關(guān)性、抗干擾能力、信道帶寬、編碼譯碼電路的復(fù)雜性等。 編碼效率 是指位密度與最大磁化翻轉(zhuǎn)密度之比，也就是指每次磁層狀態(tài)翻轉(zhuǎn) 所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息位的多少。 自同步能力 是指從讀出數(shù)據(jù)(脈沖序列)中自動(dòng)提取同步信號(hào)( 時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào))的能力。自同步能力的大小可以用最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔與最大磁化翻轉(zhuǎn)間隔的比值R來衡量。R越大， 自同步能力越高。 檢讀分辨力 是指磁記錄系統(tǒng)對讀出信號(hào)的分辨能力。 信息相關(guān)性 是指漏讀或錯(cuò)讀一位是否會(huì)傳播誤碼，所以是衡量精度的指標(biāo)。,3.磁表面存儲(chǔ)器的讀寫原理 在磁表面存儲(chǔ)器中，利用一種稱為磁頭的裝置來形成和判別磁層中的不同磁化狀態(tài)。磁頭實(shí)際上是由軟磁材料做鐵芯繞有讀寫線圈的電磁鐵。 (1)寫操作 當(dāng)寫線圈中通過一定方向的脈沖電流時(shí)，鐵芯內(nèi)就產(chǎn)生一定方向的磁通。由于鐵芯是高導(dǎo)磁率材料，而鐵芯空隙處為非磁性材料，故在鐵芯空隙處集中很強(qiáng)的磁場。 在這個(gè)磁場作用下，載磁體就被磁化成相應(yīng)極性的磁化位或磁化元。若在寫線圈里通入相反方向的脈沖電流，就可得到相反極性的磁化元。如果我們規(guī)定按圖中所示電流方向?yàn)閷憽? ”，那么寫線圈里通以相反方向的電流時(shí)即為寫“0”。上述過程稱為寫入。顯然，一個(gè)磁化元就是一個(gè)存儲(chǔ)元，一個(gè)磁化元中存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息。當(dāng)載磁體相對于磁頭運(yùn)動(dòng)時(shí) ，就可以連續(xù)寫入一連串的二進(jìn)制信息。 (2)讀操作 當(dāng)磁頭經(jīng)過載磁體的磁化元時(shí)，由于磁頭鐵芯是良好的導(dǎo)磁,材料，磁化元的磁力線很容易通過磁頭而形成閉合磁通回路。不同極性的磁化元在鐵芯里的方向是不同的。當(dāng)磁頭對載磁體作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于磁頭鐵芯中磁通的變化，使讀出線圈中感應(yīng)出相應(yīng)的電動(dòng)勢e，其值為： 負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電勢的方向與磁通的變化方向相反。不同的磁化狀態(tài)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢方向 不同。這樣，不同方向的感應(yīng)電勢經(jīng)讀出放大器放大鑒別，就可判知讀出的信息是“1”還 是“0”。 右圖示出了記錄方式的寫讀過程波形圖。,1,0,1,1,1,0,1,1,S N N S,磁表面存儲(chǔ)器存取信息的原理： 通過電-磁變換，利用磁頭寫線圈中的脈沖電流，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。,硬磁盤機(jī)是指記錄介質(zhì)為硬質(zhì)圓形盤片的磁表面存儲(chǔ)器。,7.2.2 磁盤的組成和分類,它主要由磁記錄介質(zhì)、磁盤控制器、磁盤驅(qū)動(dòng)器三大部分組成。,磁盤控制器包括控制邏輯與時(shí)序、數(shù)據(jù)并-串變換電路和串-并變換電路。磁盤驅(qū)動(dòng)器包括寫入電路與讀出電路、讀寫轉(zhuǎn)換開關(guān)、讀寫磁頭與磁頭定位伺服系統(tǒng)等。 寫入時(shí)，將計(jì)算機(jī)并行送來的數(shù)據(jù)取至并-串變換寄存器，變?yōu)榇袛?shù)據(jù)，然后一位一位地由寫電流驅(qū)動(dòng)器作功率放大并加到寫磁頭線圈上產(chǎn)生電流，從而在盤片磁層上形成按位的磁化存儲(chǔ)元。 讀出時(shí)，當(dāng)記錄介質(zhì)相對磁頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，位磁化存儲(chǔ)元形成的空間磁場在讀磁頭線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，此讀出信息經(jīng)放大檢測就可還原成原來存入的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)是一位一位串行讀出的，故要送至串-并變換寄存器變換為并行數(shù)據(jù)，再并行送至計(jì)算機(jī)。 硬磁盤機(jī)通常按以下方法分類：按盤片結(jié)構(gòu)分成可換盤片式與固定盤片式兩種；磁頭也分為可移動(dòng)磁頭和固定磁頭兩種。,(1)可移動(dòng)磁頭固定盤片的磁盤機(jī) 特點(diǎn)是一片或一組盤片固定在主軸上，盤片不可更換 。盤片每面只有一個(gè)磁頭，存取數(shù)據(jù)時(shí)磁頭沿盤面徑向移動(dòng)。 (2)固定磁頭磁盤機(jī) 特點(diǎn)是磁頭位置固定，磁盤的每一個(gè)磁道對應(yīng)一個(gè)磁頭，盤片不可更換。優(yōu)點(diǎn)是存取速度快，省去磁頭找道時(shí)間，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 (3)可移動(dòng)磁頭可換盤片的磁盤機(jī) 盤片可以更換，磁頭可沿盤面徑向移動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是盤片可以脫機(jī)保存，同種型號(hào)的盤片具有互換性。 (4)溫徹斯特磁盤機(jī) 溫徹斯特磁盤簡稱溫盤，是一種采用先進(jìn)技術(shù)研制的可移動(dòng)磁頭固定盤片的磁盤機(jī)。它是一種密封組合式的硬磁盤，即磁頭、盤片、電機(jī)等驅(qū)動(dòng)部件乃至讀寫電路等組裝成一個(gè)不可隨意拆卸的整體。工作時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)在盤面上形成的氣墊將磁頭平穩(wěn)浮起。優(yōu)點(diǎn)是防塵性能好，可靠性高，對使用環(huán)境要求不高。,硬磁盤機(jī)通常按以下方法分類,1.磁盤驅(qū)動(dòng)器 磁盤驅(qū)動(dòng)器是一種精密的電子和機(jī)械裝置，因此各部件的加工安裝有嚴(yán)格的技術(shù)要求。對溫盤驅(qū)動(dòng)器，還要求在超凈環(huán)境下組裝。各類磁盤驅(qū)動(dòng)器的具體結(jié)構(gòu)雖然有差別，但基本結(jié)構(gòu)相同，主要由定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。 2.磁盤控制器 磁盤控制器是主機(jī)與磁盤驅(qū)動(dòng)器之間的接口。由于磁盤存儲(chǔ)器是高速外存設(shè)備，故與主機(jī)之間采用成批交換數(shù)據(jù)方式。作為主機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間的控制器，它需要有兩個(gè)方面的接口：一 個(gè)是與主機(jī)的接口，控制外存與主機(jī)總線之間交換數(shù)據(jù)；另一個(gè)是與設(shè)備的接口，根據(jù)主機(jī) 命令控制設(shè)備的操作。前者稱為系統(tǒng)級接口，后者稱為設(shè)備級接口。 主機(jī)與磁盤驅(qū)動(dòng)器交換數(shù)據(jù)的控制邏輯如圖所示：,7.2.3 磁盤驅(qū)動(dòng)器和控制器,磁盤上的信息經(jīng)讀磁頭讀出以后送讀出放大器，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)與時(shí)鐘的分離，再進(jìn)行串-并變換、格式變換，最后送入數(shù)據(jù)緩沖器，經(jīng)DMA(直接存儲(chǔ)器傳送)控制將數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)總線。 可見，磁盤控制器的功能全部轉(zhuǎn)移到設(shè)備中，主機(jī)與設(shè)備之間采用標(biāo)準(zhǔn)的通用接口，如SCSI接口，從而使設(shè)備相對獨(dú)立。,盤片的上下兩面都能記錄信息，通常把磁盤片表面稱為記錄面。記錄面上一系列同心圓稱為磁道。每個(gè)盤片表面通常有幾十到幾百個(gè)磁道，每個(gè)磁道又分為若干個(gè)扇區(qū)。 磁道的編址是從外向內(nèi)依次編號(hào)，最外一個(gè)同心圓叫0磁道，最里面的一個(gè)同心圓叫n磁道，n磁道里面的圓面積并不用來記錄信息。扇區(qū)的編號(hào)有多種方法，可以連續(xù)編號(hào)，也可間隔編號(hào)。磁盤記錄面經(jīng)這樣編址后，就可用n磁道m(xù)扇區(qū)的磁盤地址找到實(shí)際磁盤上與之相對應(yīng)的記錄區(qū)。除了磁道號(hào)和扇區(qū)號(hào)之外，還有記錄面的面號(hào)，以說明本次處理是在哪一個(gè)記錄面上。例如對活動(dòng)頭磁盤組來說，磁盤地址是由記錄面號(hào)(也稱磁頭號(hào))、磁道號(hào)和扇區(qū)號(hào)三部分組成。 在磁道上，信息是按區(qū)存放的，每個(gè)區(qū)中存放一定數(shù)量的字或字節(jié)，各個(gè)區(qū)存放的字或字節(jié)數(shù)是相同的。為進(jìn)行讀/寫操作，要求定出磁道的起始位置，這個(gè)起始位置稱為索引。 索引標(biāo)志在傳感器檢索下可產(chǎn)生脈沖信號(hào)，再通過磁盤控制器處理，便可定出磁道起始位置 。,7.2.4 磁盤上信息的分布,磁盤存儲(chǔ)器的每個(gè)扇區(qū)記錄定長的數(shù)據(jù)，因此讀/寫操作是以扇區(qū)為單位一位一位串行進(jìn)行的。每一個(gè)扇區(qū)記錄一個(gè)記錄塊。數(shù)據(jù)在磁盤上的記錄格式如下：,每個(gè)扇區(qū)開始時(shí)由磁盤控制器產(chǎn)生一個(gè)扇標(biāo)脈沖。扇標(biāo)脈沖的出現(xiàn)即標(biāo)志一個(gè)扇區(qū)的開始。 兩個(gè)扇標(biāo)脈沖之間的一段磁道區(qū)域即為一個(gè)扇區(qū)(一記錄塊)。每個(gè)記錄塊由頭部空白段、序標(biāo)段、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)字段及尾部空白段組成。其中空白段用來留出一定的時(shí)間作為磁盤控制器的讀寫準(zhǔn)備時(shí)間，序標(biāo)被用來作為磁盤控制器的同步定時(shí)信號(hào)。序標(biāo)之后即為本扇區(qū)所記錄的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)之后是校驗(yàn)字，它用來校驗(yàn)磁盤讀出的數(shù)據(jù)是否正確。,磁盤存儲(chǔ)器的主要指標(biāo)包括存儲(chǔ)密度、存儲(chǔ)容量、存取時(shí)間及數(shù)據(jù)傳輸率。 存儲(chǔ)密度 存儲(chǔ)密度分道密度、位密度和面密度。道密度是沿磁盤半徑方向單位長度上的磁道數(shù)，單位為道/英寸。位密度是磁道單位長度上能記錄的二進(jìn)制代碼位數(shù)， 單位為位/英寸。面密度是位密度和道密度的乘積，單位為位/平方英寸。 存儲(chǔ)容量 一個(gè)磁盤存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的字節(jié)總數(shù)，稱為磁盤存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。存儲(chǔ)容量有格式化容量和非格式化容量之分。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，也就是用戶可以真正使用的容量。非格式化容量是磁記錄表面可以利用的磁化單元 總數(shù)。將磁盤存儲(chǔ)器用于某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，必須首先進(jìn)行格式化操作，然后才能供用戶記錄 信息。格式化容量一般是非格式化容量的60%70%。目前，3.5英寸的硬盤機(jī)容量可達(dá)數(shù)十GB以上。,7.2.5 磁盤存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo),平均存取時(shí)間 存取時(shí)間是指從發(fā)出讀寫命令后，磁頭從某一起始位置移動(dòng)至新的記錄位置，到開始從盤片表面讀出或?qū)懭胄畔⑺枰臅r(shí)間。這段時(shí)間由兩個(gè)數(shù)值所決定：一個(gè)是將磁頭定位至所要求的磁道上所需的時(shí)間，稱為定位時(shí)間或找道時(shí)間；另一個(gè)是找道完成后至磁道上需要訪問的信息到達(dá)磁頭下的時(shí)間，稱為等待時(shí)間，這兩個(gè)時(shí)間都是隨機(jī)變化的， 因此往往使用平均值來表示。平均存取時(shí)間等于平均找道時(shí)間與平均等待時(shí)間之和。平均找道時(shí)間是最大找道時(shí)間與最小找道時(shí)間的平均值，目前平均找道時(shí)間為1020ms。平均等待時(shí)間和磁盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，它用磁盤旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間的一半來表示。目前固定頭盤轉(zhuǎn)速高達(dá)6000轉(zhuǎn)/分，故平均等待時(shí)間為5ms。 數(shù)據(jù)傳輸率 磁盤存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，叫數(shù)據(jù)傳輸率，傳輸率與存儲(chǔ)設(shè)備和主機(jī)接口邏輯有關(guān)。從主機(jī)接口邏輯考慮，應(yīng)有足夠快的傳送速度向設(shè)備接收 /發(fā)送信息。從存儲(chǔ)設(shè)備考慮，假設(shè)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為每秒n轉(zhuǎn)，每條磁道容量為N個(gè)字節(jié)，則數(shù)據(jù)傳輸率Dr=nN(字節(jié)/秒)。也可以寫成Dr=Dv(字節(jié)/秒)，其中D為位密度，v為磁盤旋轉(zhuǎn)的線速度。目前磁盤存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)幾十兆字節(jié)/秒。,【例1】磁盤組有6片磁盤，每片有兩個(gè)記錄面，最上最下兩個(gè)面不用。存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)徑22cm ，外徑33cm，道密度為40道/cm，內(nèi)層位密度400位/cm，轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分。問： (1)共有多少柱面? (2)盤組總存儲(chǔ)容量是多少? (3)數(shù)據(jù)傳輸率多少? (4)采用定長數(shù)據(jù)塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么?尋址命令中如何表示磁盤地址? (5)如果某文件長度超過一個(gè)磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個(gè)存儲(chǔ)面上，還是記錄在同一個(gè)柱面上? 【解】 (1)有效存儲(chǔ)區(qū)域=16.5-11=5.5(cm) 因?yàn)榈烂芏?40道/cm，所以405.5=220道，即220個(gè)圓柱面 (2)內(nèi)層磁道周長為2R=23.1411=69.08(cm), 每道信息量=400位/cm69.08cm=27632位=3454B 每面信息量=3454B220=759880B 盤組總?cè)萘?759880B10=7598800B (3)磁盤數(shù)據(jù)傳輸率Dr=rN, N為每條磁道容量， N=3454B,r為磁盤轉(zhuǎn)速， r=2400轉(zhuǎn)/60秒=40轉(zhuǎn)/秒 Dr=rN=403454B=13816B/s (4)采用定長數(shù)據(jù)塊格式，直接尋址的最小單位是一個(gè)記錄塊(一個(gè)扇區(qū))，每個(gè)記錄塊記錄固定字節(jié)數(shù)目的信息，在定長記錄的數(shù)據(jù)塊中，活動(dòng)頭磁盤組的編址方式可用如下格式： 此地址格式表示有4臺(tái)磁盤，每臺(tái)有16個(gè)記錄面，每面有256個(gè)磁道，每道有16個(gè)扇區(qū)。 (5)如果某文件長度超過一個(gè)磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個(gè)柱面上，因?yàn)椴恍枰匦抡业溃瑪?shù)據(jù)讀/寫速度快。,7.3 磁盤存儲(chǔ)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展,7.5.1 磁盤Cache 1. 磁盤Cache的概念 隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，CPU的速度每年增長1倍左右，主存芯片容量和磁盤驅(qū)動(dòng)器的容量每1.5年增長1倍左右。但磁盤驅(qū)動(dòng)器的存取時(shí)間沒有出現(xiàn)相應(yīng)的下降，仍停留在毫秒(ms)級。而主存的存取時(shí)間為納秒(ns)級，兩者速度差別十分突出，因此磁盤I/O系統(tǒng)成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。為了減少存取時(shí)間，可采取的措施有：提高磁盤機(jī)主軸轉(zhuǎn)速，提高I/O總線速度，采用磁盤cache等。 主存和CPU之間設(shè)置高速緩存cache是為了彌補(bǔ)主存和CPU之間速度上的差異。同樣，磁盤cache是為了彌補(bǔ)慢速磁盤和主存之間速度上的差異。,2.磁盤Cache的原理 在磁盤cache中，由一些數(shù)據(jù)塊組成的一個(gè)基本單位稱為cache行。當(dāng)一個(gè)I/O請求送到磁盤驅(qū)動(dòng)時(shí)，首先搜索驅(qū)動(dòng)器上的高速緩沖行是否已寫上數(shù)據(jù)？如果是讀操作，且要讀的數(shù)據(jù)已在cache中，則為命中，可從cache行中讀出數(shù)據(jù)，否則需從磁盤介質(zhì)上讀出。寫入操作和CPU中的cache類似，有“直寫”和“寫回”兩種方法。 磁盤cache利用了被訪問數(shù)據(jù)的空間局部性和時(shí)間局部性原理。空間局部性是指當(dāng)某些數(shù)據(jù)被存取時(shí)，該數(shù)據(jù)附近的其他數(shù)據(jù)可能也將很快被存取；時(shí)間局部性是指當(dāng)一些數(shù)據(jù)被存取后，不久這些數(shù)據(jù)還可能再次存取。因此現(xiàn)在大多數(shù)磁盤驅(qū)動(dòng)器中都使用了預(yù)讀策略，而根據(jù)局部性原理預(yù)取一些不久將可能讀入的數(shù)據(jù)放到磁盤cache中。 CPU的cache存取時(shí)間一般小于10ns，命中率95%以上，全用硬件來實(shí)現(xiàn)。磁盤cache一次存取的數(shù)量大，數(shù)據(jù)集中，速度要求較CPU的cache低，管理工作較復(fù)雜，因此一般由硬件和軟件共同完成。其中cache采用SRAM或DRAM。,RAID稱廉價(jià)冗余磁盤陣列，它是用多臺(tái)磁盤存儲(chǔ)器組成的大容量外存系統(tǒng)。其構(gòu)造基礎(chǔ)是利用數(shù)據(jù)分塊技術(shù)和并行處理技術(shù)，在多個(gè)磁盤上交錯(cuò)存放數(shù)據(jù)，使之可以并行存取。在RAID控制器的組織管理下，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行存儲(chǔ)、交叉存儲(chǔ)、單獨(dú)存儲(chǔ)。由于陣列中的一部分磁盤存有冗余信息，一旦系統(tǒng)中某一磁盤失效，可以利用冗余信息重建用戶信息。 RAID是1988年由美國加州大學(xué)伯克利分校一個(gè)研究小組提出的，它的設(shè)計(jì)理念是用多個(gè)小容量磁盤代替一個(gè)大容量磁盤，并用分布數(shù)據(jù)的方法能夠同時(shí)從多個(gè)磁盤中存取數(shù)據(jù)，因而改善了I/O性能，增加了存儲(chǔ)容量，現(xiàn)已在超級或大型計(jì)算機(jī)中使用。 工業(yè)上制定了一個(gè)稱為RAID的標(biāo)準(zhǔn)，它分為7級(RAID 0RAID 6)。這些級別不是表示層次關(guān)系，而是指出了不同存儲(chǔ)容量、可靠性、數(shù)據(jù)傳輸能力、I/O請求速率等方面的應(yīng)用需求。,7.3.2 磁盤陣列RAID-Redundant Array of Inexpensive Disks,對RAID 0,用戶和系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布在陣列中的所有磁盤上。與單個(gè)大容量磁盤相比，其優(yōu)點(diǎn)是：如果兩個(gè)I/O請求正在等待兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，則被請求的塊有可能在不同的盤上。因此，兩個(gè)請求能夠并行發(fā)出，減少了I/O排隊(duì)的時(shí)間。,下面以RAID 0級為例來說明?？紤]到低成本比可靠性更重要，RAID 0未采用奇偶校驗(yàn)等冗余技術(shù)。RAID 0用于高速數(shù)據(jù)傳輸和高速I/O請求。,（1）軟磁盤驅(qū)動(dòng)器 目前的軟盤直徑為3.5英寸，300轉(zhuǎn)/分，容量為1.44MB。 （2）ZIP和JAZ磁盤驅(qū)動(dòng)器 ZIP比一般軟盤速度快，容量大，轉(zhuǎn)速達(dá)3000轉(zhuǎn)/分，容量達(dá)250MB。 JAZ與硬盤相似，容量達(dá)1GB或2GB。 （3）可移動(dòng)硬盤驅(qū)動(dòng)器 容量達(dá)80G250GB。,7.3.3 可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備,7.4 磁帶存儲(chǔ)設(shè)備,磁帶機(jī)的記錄原理與磁盤機(jī)基本相同，只是它的載磁體是一種帶狀塑料，叫做磁帶。寫入時(shí)可通過磁頭把信息代碼記錄在磁帶上。當(dāng)記錄有代碼的磁帶在磁頭下移動(dòng)時(shí)，就可在磁頭線圈上感應(yīng)出電動(dòng)勢，即讀出信息代碼。磁帶存儲(chǔ)設(shè)備由磁帶機(jī)和磁帶兩部分組成，它通常用作為海量存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)備份。 磁帶速度比磁盤速度慢，原因是磁帶上的數(shù)據(jù)采用順序訪問方式，而磁盤則采用隨機(jī)訪問方式。,7.5 光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備,7.5.1 光盤存儲(chǔ)設(shè)備 只讀型光盤系統(tǒng)都基于一個(gè)共同原理，即光盤上的信息以坑點(diǎn)形式分布，有坑點(diǎn)表示為“1”，無坑點(diǎn)表示為“0”，一系列的坑點(diǎn)(存儲(chǔ)元)形成信息記錄道，見圖（b）。對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用的CDROM光盤來講，這種坑點(diǎn)分布作為數(shù)字“1”、“0”代碼的寫入或讀出標(biāo)志。為此必須采用激光作為光源，并采用良好的光學(xué)系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。 光盤的記錄信息以凹坑方式永久性存儲(chǔ)。讀出時(shí)，當(dāng)激光束聚焦點(diǎn)照射在凹坑上時(shí)將發(fā)生衍射，反射率低；而聚焦點(diǎn)照射在凸面上時(shí)大部分光將返回。根據(jù)反射光的光強(qiáng)變化并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，即可讀出記錄信息。,信息記錄的軌跡稱為光道。光道上劃分出一個(gè)個(gè)扇區(qū)，它是光盤的最小可尋址單位。扇區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖所示。,光盤扇區(qū)分為4個(gè)區(qū)域。2個(gè)全0字節(jié)和10個(gè)全1字節(jié)組成同步（SYNC）區(qū)，標(biāo)志著扇區(qū)的開始。4字節(jié)的扇區(qū)標(biāo)識(shí)（ID）區(qū)用于說明此扇區(qū)的地址和工作模式。光盤的扇區(qū)地址編碼不同于磁盤，它是以分（MN）、秒（SC）和分?jǐn)?shù)秒（FR，1/75s）時(shí)間值作為地址。由于光盤的恒定線速度是每秒鐘讀出75個(gè)扇區(qū)，幫FR的值實(shí)際上就是秒內(nèi)的扇區(qū)號(hào)（074）。 ID區(qū)的MD為模式控制，用于控制數(shù)據(jù)區(qū)和校驗(yàn)區(qū)的使用。共有三種模式。,模式0:規(guī)定數(shù)據(jù)區(qū)和校驗(yàn)區(qū)的全部2336個(gè)字節(jié)都是0，這種扇區(qū)不用于記錄數(shù)據(jù)，而是用于光盤的導(dǎo)入?yún)^(qū)和導(dǎo)出區(qū)； 模式1:規(guī)定288字節(jié)的校驗(yàn)區(qū)為4字節(jié)的檢測碼(EDC)、8字節(jié)的保留域(未定義)和276字節(jié)的糾錯(cuò)碼(ECC)，這種扇區(qū)模式有2048字節(jié)的數(shù)據(jù)并有很強(qiáng)的檢測和糾錯(cuò)能力，適合于保存計(jì)算機(jī)的程序和數(shù)據(jù)； 模式2:規(guī)定288字節(jié)的檢驗(yàn)區(qū)也用于存放數(shù)據(jù)，用于保存聲音、圖像等對誤碼率要求不高的數(shù)據(jù)。,【例6】CD-ROM光盤的外緣有5mm寬的范圍因記錄數(shù)據(jù)困難，一般不使用，故標(biāo)準(zhǔn)的播放時(shí) 間為60分鐘。計(jì)算模式1和模式2情況下光盤存儲(chǔ)容量是多少? 【解】 扇區(qū)總數(shù)=606075=270000(扇區(qū)) 模式1存放計(jì)算機(jī)程序和數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)容量為2700002048/1024/1024=527MB 模式2存放聲音、圖像等多媒體數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)容量為2700002336/1024/1024=601MB,CD-Compact Disc CD_ROM-CD Read Only Memory WORMWrite Once Read Many CD_RCD Recordable CD_RWCD Rewritable DVD-Digital Video Disk DVD-ROM DVD-R DVD_RW,磁光 (MOMagnet Optical)盤是采用磁場技術(shù)和激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 磁光盤和磁盤一樣，由磁道和扇區(qū)組成。 磁光盤是重寫型光盤，可以進(jìn)行隨機(jī)寫入、擦除或重寫信息。 MO盤和純磁盤的基本區(qū)別：磁光盤的磁表面需要高溫來改變磁極。因此，MO盤在常溫下是穩(wěn)定的，數(shù)據(jù)不會(huì)改變。 基本工作原理是：利用熱磁效應(yīng)寫入數(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”。利用磁光克爾效應(yīng)讀出數(shù)據(jù)：當(dāng)激光束照射到記錄點(diǎn)時(shí)，記錄點(diǎn)的磁化方向不同，會(huì)引起反射光的偏振面發(fā)生不同結(jié)果，從而檢測出所記錄的數(shù)據(jù)“1”或“0”。,7.5.2 磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備,磁光盤操作的四種情況：,圖(a)表示未編碼的磁盤，例如所有磁化點(diǎn)均存“0”。,圖(b)表示寫操作：高功率激光束照射加熱點(diǎn)（記錄點(diǎn)），磁頭線圈中外加電流后產(chǎn)生的磁場使其對應(yīng)的記錄點(diǎn)產(chǎn)生相反的磁性微粒，從而寫入“1”。,圖(c)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。如果這些粒子沒有被反射掉，則反射激光束的極性是不變化的。,圖(d)表示擦除操作：高功率激光束照射記錄點(diǎn)，外加磁場改變方向，使磁性粒子恢復(fù)到原始極性。,總之：MO盤介質(zhì)材料發(fā)生的物理特性改變是可逆變化，因此信息是可重寫的。,衡量光盤驅(qū)動(dòng)器的性能指標(biāo)主要有如下三項(xiàng)： 數(shù)據(jù)傳輸率 早期的CD-ROM數(shù)據(jù)傳輸率只有150KB/s(即單倍速)。之后陸續(xù)推出雙速(2) ，4速(4)，16速(16)，甚至24速(24)的CD-ROM驅(qū)動(dòng)器。高數(shù)據(jù)傳輸率的驅(qū)動(dòng)器運(yùn)速度快，但要求很高的容錯(cuò)性和糾錯(cuò)性能。從性能價(jià)格比考慮，16速的CD-ROM驅(qū)動(dòng)器較為適宜，其數(shù)據(jù)傳輸率為2400KB/s，已是軟驅(qū)的48倍。 數(shù)據(jù)緩沖器容量 CD-ROM驅(qū)動(dòng)器內(nèi)有64KB256KB的數(shù)據(jù)緩沖器，用于暫存讀出的數(shù)據(jù)，減少讀取盤片的次數(shù)。一般選擇256KB的CD-ROM驅(qū)動(dòng)器。 接口類型 CD-ROM驅(qū)動(dòng)器中包含有控制器，其接口類型有IDE，EIDE，SCSI，SCSI-2等。目前普遍選用IDE或EIDE接口。其原因在于大多數(shù)PC機(jī)具有IDE或EIDE接口插座。只要使用40芯纜將CD-ROM驅(qū)動(dòng)器背面的40芯插座與主板或多功能適配器卡上的IDE或EIDE接口的插座相連即可。此外，CD-ROM驅(qū)動(dòng)器背面還有音頻輸出插座，將左、右聲道信號(hào)線和地線的音頻輸出線與聲卡的音頻輸入插座相連,EIDE 詞語解釋： Enhanced IDE(加強(qiáng)型IDE，簡稱為EIDE)就是Western Digital公司針對傳統(tǒng)IDE接口的缺點(diǎn)加以改進(jìn)之后所推出的新接口。Enhanced IDE使用擴(kuò)充CHS(Cylinder-Head-Sector)或LBA(Logical Block Addressing)尋址的方式，突破528MB的容量限制，現(xiàn)在我們就可以順利使用容量達(dá)到數(shù)十GB等級的IDE硬盤。在傳輸速度方面，因?yàn)榧夹g(shù)不斷改進(jìn)，Enhanced IDE目前的最高傳輸速度可高達(dá)100MB/秒(Ultra ATA/100)。 SCSI -Small Computer System Interface; 最初的SCSI標(biāo)準(zhǔn)的最大同步傳輸速率為5MB/s（SCSI-1，又名Narrow SCSI，1986年，最大支持7個(gè)設(shè)備，時(shí)鐘頻率為5MHz），后來的SCSI II 規(guī)定了2種提高速度的選擇。一種為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率，即Fast SCSI（1994年，最大支持7個(gè)設(shè)備），由于頻率提高一倍，達(dá)10MB/s（10MHz）；另一種提高速度的選擇是傳輸頻率提高一倍的同時(shí)也增大數(shù)據(jù)通路的寬度，由8位增至16位，即Wide SCSI，其最大同步傳輸速度為20MB/s (時(shí)鐘頻率為10MHz，1996年，最大支持15個(gè)設(shè)備)。 1995年左右出現(xiàn)了第三代SCSI，但沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。,7.6 顯示設(shè)備,7.6.1 顯示設(shè)備的分類與有關(guān)概念 什么是顯示設(shè)備 以可見光的形式傳遞和處理信息的設(shè)備叫顯示設(shè)備，是目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的人機(jī)界面設(shè)備。 顯示設(shè)備的分類 (1) 按顯示設(shè)備所用的顯示器件分類:有陰極射線管(CRT)顯示器、液晶顯示器(LCD)、等離子顯示器等。 (2) 按所顯示的信息內(nèi)容分類: 有字符顯示器、圖形顯示器、圖像顯示器三大類。 (3) 在CRT顯示設(shè)備中以掃描方式不同，分成光柵掃描和隨機(jī)掃描兩種顯示器；以分辨率不同 ，分成高分辨率顯示器和低分辨率顯示器；以顯示的顏色分類，有單色(黑白)顯示器和彩色顯示器。以CRT熒光屏對角線的長度分類，有12英寸、14英寸、16英寸、19英寸等多種。,1.分辨率和灰度級 分辨率:是指顯示器所能表示的像素個(gè)數(shù)。像素越密，分辨率越高，圖像越清晰。 影響分辨率的因素：顯象管熒光粉的粒度、熒光屏的尺寸和CRT電子束的聚焦能力。同時(shí)要有與顯示像素?cái)?shù)相對應(yīng)的存儲(chǔ)空間，用來存儲(chǔ)每個(gè)像素的信息刷新存儲(chǔ)器。 灰度級 灰度級的含義：是指黑白顯示器中所顯示的像素點(diǎn)的亮暗差別，在彩色顯示器中則表現(xiàn)為顏色的差別。 灰度級的作用：灰度級越多，圖像層次越清楚逼真。 影響灰度級的因素: (1)每個(gè)像素對應(yīng)刷新存儲(chǔ)器單元的位數(shù) (2) CRT本身的性能。 字符顯示器只用“0”“1”兩級灰度表示字符的有無，這種只有兩級灰度的顯示器稱為單色顯示器。具有多種灰度級的黑白顯示器為多灰度級黑白顯示器。圖像顯示器的灰度級一般在256級以上。,2.刷新和刷新存儲(chǔ)器 刷新的含義：CRT發(fā)光是由電子束打在熒光粉上引起的。電子束掃過之后其發(fā)光亮度只能維持幾十毫秒便消失。為了使人眼能看到穩(wěn)定的圖像顯示，必須使電子束不斷地重復(fù)掃描整個(gè)屏幕，這個(gè)過程叫做刷新。 刷新頻率：按人的視覺生理，刷新頻率大于30次/秒時(shí)才不會(huì)感到閃爍。顯示設(shè)備中通常選用電視中的標(biāo)準(zhǔn)，每秒刷新50幀圖像。 刷新存儲(chǔ)器：為了不斷提供刷新圖像的信號(hào)，必須把一幀圖像信息存儲(chǔ)在刷新存儲(chǔ)器，也叫視頻存儲(chǔ)器。其存儲(chǔ)容量由圖像分辨率和灰度級決定。分辨率越高，灰度級越多，刷新存儲(chǔ)器容量越大。刷新存儲(chǔ)器的存取周期必須滿足刷新頻率的要求。容量和存取周期是刷新存儲(chǔ)器的重要技術(shù)指標(biāo)。例如：一個(gè)容量為1MB的刷新存儲(chǔ)器，在用于分辨率為10241024的顯示器時(shí)，其顏色深度只可能有256色。,1.字符顯示 字符的顯示方法：顯示字符的方法以點(diǎn)陣為基礎(chǔ)。點(diǎn)陣是由mn個(gè)點(diǎn)組成的陣列，并以此來構(gòu)造字符。 點(diǎn)陣信息的存放：將點(diǎn)陣按行組織，存入由ROM構(gòu)成的字符發(fā)生器中。 字符的顯示過程：在CRT進(jìn)行光柵掃描的過程中，從字符發(fā)生器中依次讀出某個(gè)字符的點(diǎn)陣，按照點(diǎn)陣中0和1代碼不同控制掃描電子束的關(guān)或開，從而在屏幕上顯示出字符。,7.6.2 字符/圖形顯示器,(4) 點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)：點(diǎn)陣的多少取決于顯示字符的質(zhì)量和字符窗口的大小。字符窗口是指每個(gè)字符在屏幕上所占的點(diǎn)數(shù)，它包括字符顯示點(diǎn)陣和字符間隔。如右圖所示79點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。,(5) 字符顯示原理 對應(yīng)于每個(gè)字符窗口，所需顯示字符的ASCII代碼被存放在視頻存儲(chǔ)器VRAM中，以備刷新，故對于25行80列的顯示器而言，VRAM至少應(yīng)有2000個(gè)單元存放被顯示的字符信息。字符發(fā)生器ROM的高位地址來自VRAM的ASCII代碼，低位地址來自光柵地址計(jì)數(shù)器的輸出RA3RA0，它具體指向這個(gè)字形點(diǎn)陣中的某個(gè)字節(jié)。在顯示過程中，按照VRAM中的ASCII碼和光柵地址計(jì)數(shù)器訪問ROM，依次取出字形點(diǎn)陣，就可以完成一個(gè)字符的輸出。 VRAM的地址由水平地址計(jì)數(shù)器(列地址)和垂直地址計(jì)數(shù)器(行地址)決定，VRAM輸出的ASCII代碼作為ROM的高位地址，ROM的低位地址來自光柵地址計(jì)數(shù)器，ROM的輸出在L信號(hào)控制下并行裝入移位寄存器，然后在點(diǎn)時(shí)鐘控制下移位輸出形成視頻信號(hào)，輸出到顯示器。顯示器在水平同步、垂直同步和視頻信號(hào)的控制下，連續(xù)不斷地進(jìn)行屏幕刷新，從而呈現(xiàn)穩(wěn)定而不消失的字符圖像。,2.圖形顯示 圖形顯示是指用計(jì)算機(jī)手段表示現(xiàn)實(shí)世界的各種事物，并形象逼真地加以顯示。根據(jù)產(chǎn)生圖形的方法，分隨機(jī)掃描圖形顯示器和光柵掃描圖形顯示器。 (1)隨機(jī)掃描圖形顯示器 工作原理是將所顯示圖形的一組坐標(biāo)點(diǎn)和繪圖命令組成顯示文件存放在緩沖存儲(chǔ)器，緩存中的顯示文件送矢量(線段)產(chǎn)生器，產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電壓，直接控制電子束在屏幕上的移動(dòng)。為了在屏幕上保留持久穩(wěn)定的圖像，需要按一定的頻率對屏幕反復(fù)刷新。 這種顯示器的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高(可達(dá)40964096個(gè)像素)，顯示的曲線平滑。目前高質(zhì)量圖形顯示器采用這種隨機(jī)掃描方式。缺點(diǎn)是當(dāng)顯示復(fù)雜圖形時(shí)，會(huì)有閃爍感。 (2)光柵掃描圖形顯示器 產(chǎn)生圖形的方法稱為相鄰像素串接法，即曲線是由相鄰像素串接而成。因此光柵掃描圖形顯示器的原理是：把對應(yīng)于屏幕上每個(gè)像素的信息都用存儲(chǔ)器存起來，然后按地址順序逐個(gè)地刷新顯示在屏幕上。,【例3】下圖為IBM PC機(jī)漢字顯示原理圖，請分析此原理圖并進(jìn)行文字說明。,【解】 在IBM PC系列微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，漢字輸出是利用通用顯示器和打印機(jī) ，在主機(jī)內(nèi)部由通用的圖形顯示卡形成點(diǎn)陣碼以后，將點(diǎn)陣碼送到輸出設(shè)備，輸出設(shè)備只要具有輸出點(diǎn)陣的能力就可以輸出漢字。以這種方式輸出的漢字是在設(shè)備可以畫點(diǎn)的圖形方式下實(shí)現(xiàn)的，因此常稱這種漢字為圖形漢字。 如圖7.16所示，通過鍵盤輸入的漢字編碼，首先要經(jīng)代碼轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換成漢字機(jī)內(nèi)代碼，轉(zhuǎn)換時(shí)要用輸入碼到碼表中檢索機(jī)內(nèi)碼，得到兩個(gè)字節(jié)的機(jī)內(nèi)碼，字形檢索程序用機(jī)內(nèi)碼檢索字模庫，查出表示一個(gè)字形的32個(gè)字節(jié)字形點(diǎn)陣送顯示輸出。,圖形是用計(jì)算機(jī)表示和生成的圖，稱作主觀圖像。在計(jì)算機(jī)中表示圖形，只需存儲(chǔ)繪圖命令和坐標(biāo)點(diǎn)，沒有必要存儲(chǔ)每個(gè)像素點(diǎn)。而圖像所處理的對象多半來自客觀世界，即由攝像機(jī)攝取下來存入計(jì)算機(jī)的數(shù)字圖像，這種圖像稱為客觀圖像。由于數(shù)字化以后逐點(diǎn)存儲(chǔ)，因此圖像處理需要占用非常龐大的主存空間。 圖像顯示器采用光柵掃描方式，其分辨率在256256或512512個(gè)像素，與圖形顯示兼容的圖像顯示器已達(dá)10241024，灰度級在64256級。 圖像顯示器有兩種類型： 1.簡單圖像顯示器 它僅僅顯示由計(jì)算機(jī)送來的數(shù)字圖像。圖像處理操作在計(jì)算機(jī)中完成，顯示器不做任何處理。I/O接口、圖像存儲(chǔ)器(刷新存儲(chǔ)器)、A/D與D/A變換等組成單獨(dú)的一個(gè)部分，稱為圖像輸入控制板或視頻數(shù)字化儀。如圖所示：,7.6.3 圖像顯示設(shè)備,圖像輸入控制板的功能是實(shí)現(xiàn)連續(xù)的視頻信號(hào)與離散的數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。圖像輸入控制板接收攝像機(jī)模擬視頻輸入信號(hào)，經(jīng)A/D變換為數(shù)字量存入刷新存儲(chǔ)器用于顯示，并可傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理操作。處理后的結(jié)果送回刷存，經(jīng)D/A變換成模擬視頻輸出，由監(jiān)視器進(jìn)行顯示輸出。監(jiān)視器只包括掃描、視頻放大等與顯示有關(guān)的電路及顯像管。也可以接入電視機(jī)的視頻輸入端來代替監(jiān)視器。數(shù)字相機(jī)的出現(xiàn)，更容易組成一個(gè)圖像處理系統(tǒng)。,2.圖形處理子系統(tǒng) 其硬件結(jié)構(gòu)較前一種復(fù)雜得多。它本身就是一個(gè)具有并行處理功能的專用計(jì)算機(jī)，不僅能完成顯示操作，同時(shí)由于子系統(tǒng)內(nèi)部有容量很大的存儲(chǔ)器和高速處理器，可以快速執(zhí)行許多圖像處理算法，減輕主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算量。這種子系統(tǒng)可以單獨(dú)使用，也可以聯(lián)到通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。目前流行的圖形工作站就屬于圖形處理子系統(tǒng)。 由于新一代多媒體計(jì)算機(jī)的發(fā)展，圖像的處理與顯示技術(shù)越來越受到人們的重視。,1.顯示標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)采用的顯示標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了如下變化： MDA CGA EGA VGA SuperVGA MDA(Monochrome Display Adapter)是PC機(jī)最早使用的顯示標(biāo)準(zhǔn)。MDA是單色字符顯示適配器，采用914點(diǎn)陣的字符窗口， 滿屏顯示80列25行字符，對應(yīng)分辨率為720350個(gè)像素。 CGA (Color Graphics Adapter)是彩色圖形/字符顯示適配器，可以兼容字符和圖形兩種顯示方式。在圖形方式下，可以顯示320200像素四種顏色的彩色圖形。 EGA(Enhanced Graphics Adapter)顯示標(biāo)準(zhǔn)兼容CGA和MDA各種顯示方式，在圖形方式下分辨率為640350，16種顏色。 VGA(Video Graphics Array)顯示標(biāo)準(zhǔn)下，字符窗口為916點(diǎn)陣，圖形方式下分辨率為640480，16種顏色，或320200， 256種顏色。掃描頻率(水平同步)是31.5kHz，刷新頻率(垂直同步)是60Hz。VGA顯示適配器還增添了一個(gè)新接口VFC，允許來自其他設(shè)備的圖形，圖像信號(hào)與適配器生成的圖形信號(hào)合成。,7.6.4 VESA顯示標(biāo)準(zhǔn),自IBM公司推出VGA后，VESA(美國視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))定義了一個(gè)VGA擴(kuò)展集，將顯示方式標(biāo)準(zhǔn)化，從而成為著名的SuperVGA模式。該模式除兼容VGA的顯示方式外， 還支持12801024像素光柵，每像素點(diǎn)24位顏色深度，刷新頻率可達(dá)75MHz。 2.VESA(Video Electronics Standard Association)顯示模式 VESA擴(kuò)充的標(biāo)準(zhǔn)顯示模式見文字教材的表7.1。早期的MDA，CGA，EGA的顯示方式是由BIOS的一組功能調(diào)用(INT 10h)來設(shè)置和管理的，使用7位的方式碼。VESA保留了這種方式，將VGA類顯示器及適配器所能支持的新的顯示方式進(jìn)行定義，并為新的顯示方式指定了15位的方式碼 。方式碼的b8位為VESA標(biāo)志位，b14b9為保留位(目前全為0)，故VESA的顯示方式號(hào)為 1h。,3.顯示適配器由刷新存儲(chǔ)器、顯示控制器、ROM BIOS三部分組成。,刷新存儲(chǔ)器：功能存放顯示圖案的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。 存儲(chǔ)容量取決于設(shè)定的顯示工作方式。 ROM BIOS：功能作為基本輸入、輸出系統(tǒng)的固化軟件，用于支持顯示控制器建立所要求的顯示環(huán)境。主要用于DOS操作系統(tǒng)。在Windows環(huán)境下，它的大部分功能不被使用，而由后者的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序建立操作系統(tǒng)與適配器硬件的銜接。 顯示控制器：功能作為適配器的心臟。具體完成以下任務(wù)： (1) 根據(jù)設(shè)定的顯示工作方式，自主地、反復(fù)不斷地讀取顯存中的圖像點(diǎn)陣(包括圖形、字符文本)數(shù)據(jù)，將它們轉(zhuǎn)換成R，G，B三色信號(hào)，并配以同步信號(hào)送至顯示器刷新屏幕。 (2) 提供由系統(tǒng)總線至刷存總線的通路，支持CPU將主存中已修改好的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)寫入到刷存，以更新屏幕。這些修改數(shù)據(jù)一般利用掃描回程的消隱時(shí)間寫入到刷存中，因此顯示屏幕不會(huì)出現(xiàn)凌亂。 說明：先進(jìn)的顯示控制器具有圖形加速能力。典型的圖形加速功能有：(1)位和塊傳送，用于生成和移動(dòng)一個(gè)矩形塊(如窗口)數(shù)據(jù)； (2)畫線，由硬件在屏上任意兩點(diǎn)間畫一向量； (3)填域，以預(yù)先指定的顏色或花樣填滿一個(gè)任意多邊形； (4)顏色擴(kuò)充，將圖像放到屏幕上時(shí)，指定其前景顏色和背景顏色。,【例4】刷存的重要性能指標(biāo)是它的帶寬。實(shí)際工作時(shí)顯示適配器的幾個(gè)功能部分要爭用刷存的帶寬。假定總帶寬的50%用于刷新屏幕，保留50%帶寬用于其他非刷新功能。 (1)若顯示工作方式采用分辨率為1024768，顏色深度為3B，幀頻(刷新速率)為72Hz，計(jì)算刷存總帶寬應(yīng)為多少? (2)為達(dá)到這樣高的刷存帶寬，應(yīng)采取何種技術(shù)措施? 【解】 (1) 刷新所需帶寬=分辨率每個(gè)像素點(diǎn)顏色深度刷新速率 10247683B72/s=165888KB/s=162MB/s 刷存總帶寬應(yīng)為162MB/s100/50=324MB/s (2)為達(dá)到這樣高的刷存帶寬，可采用如下技術(shù)措施： 使用高速的DRAM芯片組成刷存； 刷存采用多體交叉結(jié)構(gòu)；刷存至顯示控制器的內(nèi)部總線寬度由32位提高到64位，甚至128位 ；刷存采用雙端口存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，將刷新端口與更新端口分開。,7.7 輸入設(shè)備和打印設(shè)備,7.7.1 輸入設(shè)備 計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備分為圖形輸入、圖像輸入、聲音輸入等幾類： 1.圖形輸入設(shè)備 圖形輸入方法較多，特別是交互式圖形系統(tǒng)要求具有人-機(jī)對話功能：計(jì)算機(jī)將結(jié)果顯示給人，人根據(jù)看到的顯示決定下一步操作，并通過輸入設(shè)備告訴計(jì)算機(jī)。如此反復(fù)多次，直到顯示結(jié)果滿意為止。為此必須具有方便靈活的輸入手段，才能體現(xiàn)“交互式”的優(yōu)越性。 (1)鍵盤輸入 鍵盤是字符和數(shù)字的輸入裝置，無論字符輸入還是圖形輸入，鍵盤是一種最基本的常用設(shè)備 。當(dāng)需要輸入坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立顯示文件時(shí)，要利用鍵盤。另外，利用鍵盤上指定的字符與屏幕上的光標(biāo)結(jié)合，可用來移動(dòng)光標(biāo)，拾取圖形坐標(biāo)，指定繪圖命令等。,(2)鼠標(biāo)器輸入 光筆和圖形板兩種輸入方式都是輸入某一點(diǎn)的絕對坐標(biāo)，而鼠標(biāo)器只要輸入相對坐標(biāo)。 鼠標(biāo)器是一種手持的坐標(biāo)定位部件，有兩種類型。一種是機(jī)械式的，另一種是光電式的。, 2.圖像輸入設(shè)備 最理想的圖像輸入設(shè)備是數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。它可以攝取任何地點(diǎn)、任何環(huán)境的自然景物和物體，直接將數(shù)字圖像存入磁盤。 當(dāng)圖像已經(jīng)記錄到某種介質(zhì)上時(shí)，要利用讀出裝置讀出圖像。例如記錄在錄像帶上的圖像要用錄像機(jī)讀出，再將視頻信號(hào)經(jīng)圖像板量化后輸入計(jì)算機(jī)。記錄在數(shù)字磁帶上的遙感圖像可以直接在磁帶機(jī)上輸入。如果想把紙上的圖像輸入計(jì)算機(jī)，一種方法是用攝像機(jī)對著紙上的圖像攝像輸入，另一種方法是利用裝有CCD(電荷耦合器件)的圖文掃描儀或圖文傳真機(jī)。還有一種叫“光機(jī)掃描鼓”的專用設(shè)備，可以直接將紙上的圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像。 由于一幀數(shù)字圖像要占很大的存儲(chǔ)空間，圖像數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)間題將是一個(gè)十分重要的研究課題，目前普遍采用的方法是壓縮-恢復(fù)技術(shù)。,3.語音輸入設(shè)備 利用人的自然語音實(shí)現(xiàn)人-機(jī)對話是新一代多媒體計(jì)算機(jī)的重要標(biāo)志之一。下圖為一種語音輸入/輸出設(shè)備的原理方框圖：,語音識(shí)別器作為輸入設(shè)備，可以將人的 語言聲音轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的信息，并將這些信息送入計(jì)算機(jī)。而計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果又可以通過語音合成器變成聲,音輸出，以實(shí)現(xiàn)真正的“人機(jī)對話”。通常語音識(shí)別器與語言合成器放在一起做成語音輸入/輸出設(shè)備。,1.打印設(shè)備的分類 按印字原理分: 分為擊打式和非擊打式兩大類。 擊打式是利用機(jī)械作用使印字機(jī)構(gòu)與色帶和紙相撞擊而打印字符。因此習(xí)慣上將屬于擊打式打印方式的機(jī)種稱為“打印機(jī)”。擊打式設(shè)備的成本低，缺點(diǎn)是噪音大，速度慢。非擊打式是采用電、磁、光、噴墨等物理、化學(xué)方法印刷字符，因此習(xí)慣上將這類非擊打式的機(jī)種稱 為“印字機(jī)”，如激光印字機(jī)，噴墨印字機(jī)等。非擊打式的設(shè)備速度快，噪音低，印字質(zhì)量高，但價(jià)格較貴,有的設(shè)備還需要專用