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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

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