第七章-磁帶存儲(chǔ)設(shè)備(白中英第五版)課件

計(jì)算機(jī)組成原理第七章磁帶存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022計(jì)算機(jī)組成原理第七章磁帶存儲(chǔ)設(shè)備01十二月20227.1外圍設(shè)備概述一、外圍設(shè)備的一般功能外圍設(shè)備的定義：這個(gè)術(shù)語涉及到相當(dāng)廣泛的計(jì)算機(jī)部件。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。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。02十二月20227.1外圍設(shè)備概述一、外圍設(shè)備的一般功能01十二月7.1外圍設(shè)備概述外圍設(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)。02十二月20227.1外圍設(shè)備概述外圍設(shè)備的基本組成：01十二月207.1外圍設(shè)備概述02十二月2022二、外圍設(shè)備的分類一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配備什么樣的外圍設(shè)備，是根據(jù)實(shí)際需要來決定的。

計(jì)算機(jī)的五大類外圍設(shè)備請(qǐng)參看CAI演示(圖7.1)。中央部分是CPU和主存，通過總線與第二層的適配器(接口)部件相連，第三層是各種外圍設(shè)備控制器，最外層則是外圍設(shè)備。

7.1外圍設(shè)備概述01十二月2022二、外圍設(shè)備的分7.1外圍設(shè)備概述02十二月2022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)備和過程控制設(shè)備幾大類。每一種外圍設(shè)備，都是在它自己的設(shè)備控制器控制下進(jìn)行工作，而設(shè)備控制器則通過適配器和主機(jī)連接，并受主機(jī)控制。7.1外圍設(shè)備概述01十二月2022外圍設(shè)備可7.2顯示設(shè)備02十二月2022一、顯示設(shè)備的分類與有關(guān)概念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。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。顯示適配器結(jié)構(gòu)框圖7.2顯示設(shè)備01十二月2022一、顯示設(shè)備的分類與7.2顯示設(shè)備02十二月2022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。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(duì)角線的長度分類，有12英寸、14英寸、16英寸、19英寸等多種。7.2顯示設(shè)備01十二月2022按所顯示的信7.2顯示設(shè)備02十二月20221.分辨率和灰度級(jí)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。分辨率取決于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)刷新存儲(chǔ)器要有與顯示像素?cái)?shù)相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，用來存儲(chǔ)每個(gè)像素的信息。

7.2顯示設(shè)備01十二月20221.分辨率和灰度級(jí)7.2顯示設(shè)備02十二月2022灰度級(jí)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)為顏色的不同?；叶燃?jí)越多，圖像層次越清楚逼真?；叶燃?jí)取決于每個(gè)像素對(duì)應(yīng)刷新存儲(chǔ)器單元的位數(shù)和CRT本身的性能。字符顯示器只用“0”“1”兩級(jí)灰度表示字符的有無，這種只有兩級(jí)灰度的顯示器稱為單色顯示器。具有多種灰度級(jí)的黑白顯示器為多灰度級(jí)黑白顯示器。圖像顯示器的灰度級(jí)一般在256級(jí)以上。7.2顯示設(shè)備01十二月2022灰度級(jí)是7.2顯示設(shè)備02十二月20222、刷新和刷新存儲(chǔ)器

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。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。7.2顯示設(shè)備01十二月20222、刷新和刷新存儲(chǔ)器7.2顯示設(shè)備02十二月2022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(jí)決定。分辨率越高，灰度級(jí)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)。7.2顯示設(shè)備01十二月2022為了不斷提7.2顯示設(shè)備02十二月20223.隨機(jī)掃描和光柵掃描隨機(jī)掃描是控制電子束在CRT屏幕上隨機(jī)地運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生圖形和字符。電子束只在需要做圖的地方掃描，而不必掃描全屏幕，因此這種掃描方式畫圖速度快，圖像清晰。高質(zhì)量的圖形顯示器(如分辨率為4096×4096)采用隨機(jī)掃描方式。由于這種掃描方式的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與電視標(biāo)準(zhǔn)不一致，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較復(fù)雜，價(jià)格較貴。

7.2顯示設(shè)備01十二月20223.隨機(jī)掃描和光柵掃7.2顯示設(shè)備02十二月2022

光柵掃描是電視中采用的掃描方法。在電視中圖像充滿整個(gè)畫面，因此要求電子束掃過整個(gè)屏幕。光柵掃描是從上至下順序掃描，采用逐行掃描和隔行掃描兩種方式。光柵掃描的缺點(diǎn)是冗余時(shí)間多，分辨率不如隨機(jī)掃描方式，但由于電視技術(shù)業(yè)已成熟，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除高質(zhì)量圖形顯示器外，大部分字符、圖形、圖像顯示器都采用光柵掃描方式。7.2顯示設(shè)備01十二月2022光柵掃描是7.2顯示設(shè)備02十二月2022二、字符/圖形顯示器不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，字符顯示器的組成方式也不同。在大中型計(jì)算機(jī)中，顯示器作為終端設(shè)備獨(dú)立存在，即鍵盤輸入和CRT顯示輸出是一個(gè)整體，通過標(biāo)準(zhǔn)的串行接口與主機(jī)相連。在微型機(jī)系統(tǒng)中，CRT顯示輸出和鍵盤輸入是兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，顯示系統(tǒng)由插在主機(jī)槽中的顯示控制板和顯示器兩部分組成。7.2顯示設(shè)備01十二月2022二、字符/圖形顯示器7.2顯示設(shè)備02十二月20221.字符顯示顯示字符的方法以點(diǎn)陣為基礎(chǔ)。點(diǎn)陣是由m*n個(gè)點(diǎn)組成的陣列，并以此來構(gòu)造字符。將點(diǎn)陣存入由ROM構(gòu)成的字符發(fā)生器中，在CRT顯示器中依次讀出某個(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開火關(guān)，而在屏幕上顯示出字符，見圖7.2（a)。7.2顯示設(shè)備01十二月20221.字符顯示7.2顯示設(shè)備02十二月2022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。在IBM／PC系統(tǒng)中，屏幕上共顯示80列*25行=2000個(gè)字符，故字符窗口數(shù)目為2000。在單色字符方式下，每個(gè)字符窗口為9*14點(diǎn)陣，字符為7*9點(diǎn)陣。7.2顯示設(shè)備01十二月2022點(diǎn)陣的多少取決于7.2顯示設(shè)備02十二月20227.2顯示設(shè)備01十二月20227.2顯示設(shè)備02十二月2022對(duì)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VRAM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RA3－RA0，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SACII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，見圖7.2（b）。7.2顯示設(shè)備01十二月2022對(duì)應(yīng)于7.2顯示設(shè)備02十二月2022圖7.2（C）是字符顯示器的原理框圖。其中虛線框?yàn)槎〞r(shí)控制電路，在PC機(jī)中已做成CRT的專用控制芯片MC6845。其中的核心是點(diǎn)計(jì)數(shù)器、水平地址計(jì)數(shù)器、光柵地址計(jì)數(shù)器和垂直地址計(jì)數(shù)器，由它們來控制顯示器的逐點(diǎn)、逐字、逐行、逐屏的刷新顯示。7.2顯示設(shè)備01十二月2022圖7.27.2顯示設(shè)備02十二月20227.2顯示設(shè)備01十二月20227.2顯示設(shè)備02十二月2022

點(diǎn)振蕩器產(chǎn)生16.257MHZ的點(diǎn)時(shí)鐘，用來控制ROM中每行9個(gè)點(diǎn)依次移位輸出。點(diǎn)計(jì)數(shù)器對(duì)點(diǎn)時(shí)鐘9分頻，輸出的字符時(shí)鐘是顯示控制器的定時(shí)信號(hào)，同時(shí)它也控制移位寄存器的加載（S為移位控制端，L為并行輸入控制端）。當(dāng)一個(gè)字符的9個(gè)點(diǎn)陣輸出結(jié)束以后，輸出下一個(gè)字符中同一行的9個(gè)點(diǎn)。水平地址計(jì)數(shù)器對(duì)一行的顯示進(jìn)行控制，送出當(dāng)前要顯示的這一行字符的VRAM地址。每行有效顯示80個(gè)字符．7.2顯示設(shè)備01十二月2022

點(diǎn)振蕩器產(chǎn)生7.2顯示設(shè)備02十二月2022當(dāng)光柵從一行結(jié)束回到另一行開始時(shí)，屏幕上不應(yīng)該顯示，這一段稱為水平回掃消隱期，在此期間產(chǎn)生水平同步信號(hào)，輸出到顯示器，與此同時(shí)水平消隱信號(hào)控制移位寄存器不要加載。水平消隱期共占用18個(gè)字符時(shí)鐘的時(shí)間。光柵地址計(jì)數(shù)器對(duì)字符窗口的高度進(jìn)行控制。因字符窗口的高度為14，字符點(diǎn)陣高度為9，行間隔為5個(gè)點(diǎn)陣，故光柵地址計(jì)數(shù)器控制一個(gè)字符的9行點(diǎn)陣逐行輸出，并在最后5行進(jìn)行行間消隱。7.2顯示設(shè)備01十二月2022當(dāng)光柵從一行7.2顯示設(shè)備02十二月2022垂直地址計(jì)數(shù)器控制一屏幕25行字符的顯示，與水平回掃類似，光柵到達(dá)屏幕底部最后一行字符時(shí)需要回到屏幕頂部第一行，這一過程稱為垂直回掃，它需要一行的顯示時(shí)間，并向顯示器輸出垂直同步信號(hào)?；貟咂陂g同樣需要消隱，故垂直銷隱信號(hào)控制移位寄存器不加載。7.2顯示設(shè)備01十二月2022垂直地址計(jì)數(shù)7.2顯示設(shè)備02十二月2022VRAM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)種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象。

7.2顯示設(shè)備01十二月2022VRAM的地址由水7.2顯示設(shè)備02十二月2022［例1］某CRT顯示器可顯示64種ASCII字符，每幀可顯示64字*25排；字符字形采用7*8點(diǎn)陣，即橫向7點(diǎn)，字間間隔1點(diǎn)，縱向8點(diǎn)，排間間隔6點(diǎn)；幀頻50Hz，采取通行掃描方式。問：（1）緩存容量有多大？（2）字符發(fā)生器（ROM）容量有多大？

（3）緩存中存放的是ASCII代碼還是點(diǎn)陣信息？（4）緩存地址與屏幕顯示位置如何對(duì)應(yīng)？（5）設(shè)置哪些計(jì)數(shù)器以控制緩存訪問與屏幕掃描之間的同步？它們的分頻關(guān)系如何？

7.2顯示設(shè)備01十二月2022［例1］某CRT7.2顯示設(shè)備02十二月2022解：（1）緩存容量為64*25=1600字節(jié)。（2）ROM容量為64*8=512字節(jié)。（3）緩存中存放的是待顯示字符的ASCII代碼。（4）顯示位置自左至右，從上到下。相應(yīng)地，緩存地址由低到高，每個(gè)地址碼對(duì)應(yīng)一個(gè)字符顯示位置。（5）由計(jì)數(shù)器8:1分頻；字計(jì)數(shù)器(64+12):l分頻；行計(jì)數(shù)器（8＋6）:1分頻；排計(jì)數(shù)器（25+1）:1分頻。7.2顯示設(shè)備01十二月2022解：7.2顯示設(shè)備02十二月20222、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。7.2顯示設(shè)備01十二月20222、圖形顯示7.2顯示設(shè)備02十二月2022(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(duì)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)4096×4096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。7.2顯示設(shè)備01十二月2022(1)隨機(jī)掃描圖形顯7.2顯示設(shè)備02十二月2022(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(duì)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。其組成結(jié)構(gòu)如圖：7.2顯示設(shè)備01十二月2022(2)光柵掃描圖形顯7.2顯示設(shè)備02十二月2022圖7.3光柵掃描圖形顯示器組成框圖7.2顯示設(shè)備01十二月2022圖7.3光柵掃描圖7.2顯示設(shè)備02十二月2022程序段緩沖存儲(chǔ)器存放由計(jì)算機(jī)送來的顯示文件和交互式的圖形操作命令。由圖形輸入設(shè)備指定操作性質(zhì)和操作位置，如圖形的局部放大、平移、旋轉(zhuǎn)、比例變換及圖形檢索等。這些操作在緩存中完成比傳送到主機(jī)中用軟件實(shí)現(xiàn)效率高得多。刷新存儲(chǔ)器中存放一幀圖形的形狀信息，它的地址和屏幕上的地址—一對(duì)應(yīng)，如屏幕的分辨率為1024*1024個(gè)象素，刷存就要有IO24*1024個(gè)單元；屏幕上象素的灰度為256級(jí)，刷存每個(gè)單元的字長就是8位。因此刷存的容量直接取決于顯示器的分辨率和灰度級(jí)。換言之，此時(shí)需要有1MB的刷存與之對(duì)應(yīng)。7.2顯示設(shè)備01十二月2022程序段緩沖存儲(chǔ)器7.2顯示設(shè)備02十二月2022程序段緩存和刷存之間有一個(gè)DDA部件，它是一種進(jìn)行數(shù)據(jù)插補(bǔ)的硬件，其作用是把顯示文件變換為象素信息，即根據(jù)顯示文件給出的曲線類型和坐標(biāo)值，生成直線、圓、拋物線乃至更復(fù)雜的曲線。插補(bǔ)后的數(shù)據(jù)（象素信息）存入刷存用于刷新顯示。7.2顯示設(shè)備01十二月2022程序段緩存和刷存之間7.2顯示設(shè)備02十二月2022光柵掃描圖形顯示器的優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)，灰度層次多，色調(diào)豐富，顯示復(fù)雜圖形時(shí)無閃爍現(xiàn)象；所產(chǎn)生的圖形有陰影效應(yīng)、隱藏面消除、涂色等功能。它的出現(xiàn)使圖形學(xué)的研究從簡(jiǎn)單的線條圖擴(kuò)展到豐富多彩、形象逼真的各種立體及平面圖形，從而擴(kuò)大了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，成為三種圖形顯示器中目前應(yīng)用最多的顯示器。

7.2顯示設(shè)備01十二月2022光柵掃描圖形顯示7.2顯示設(shè)備02十二月2022【例2】下圖為IBMPC機(jī)漢字顯示原理圖，請(qǐng)分析此原理圖并進(jìn)行文字說明。7.2顯示設(shè)備01十二月2022【例2】下圖為IB7.2顯示設(shè)備02十二月2022【解】

在IBMPC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。

7.2顯示設(shè)備01十二月2022【解】7.2顯示設(shè)備02十二月2022如圖7.4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。7.2顯示設(shè)備01十二月2022如圖7.47.2顯示設(shè)備02十二月2022三、圖象顯示設(shè)備圖象的概念與圖形的概念不同。圖形是用計(jì)算機(jī)表示和生成的圖，稱作主觀圖象。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)象素點(diǎn)。而圖象所處理的對(duì)象多半來自客觀世界，即由攝象機(jī)攝取下來存入計(jì)算機(jī)的數(shù)字圖象，這種圖象稱為客觀圖象。由于數(shù)字化以后逐點(diǎn)存儲(chǔ)，因此圖象處理需要占用非常龐大的主存空間。7.2顯示設(shè)備01十二月2022三、圖象顯示設(shè)備7.2顯示設(shè)備02十二月2022圖象顯示器采用光柵掃描方式，其分辨率在256*256或512*512個(gè)象素，與圖形顯示兼容的圖象顯示器已達(dá)1024*1024，灰度組在64.256級(jí)。

圖象顯示器有兩種類型。一種是圖7.4所示的簡(jiǎn)單圖象顯示器，它僅僅顯示由計(jì)算機(jī)送來的數(shù)字圖象。圖象處理操作在計(jì)算機(jī)中完成，顯示器不做任何處理。7.2顯示設(shè)備01十二月2022圖象顯示器采7.2顯示設(shè)備02十二月20227.2顯示設(shè)備01十二月20227.2顯示設(shè)備02十二月2022虛線框中的I/O接口、圖象存儲(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，稱作圖象輸入控制板或視頻數(shù)字化儀。圖象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。圖象輸入控制板接收攝象機(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)行圖象處理操作。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。7.2顯示設(shè)備01十二月2022虛線框中的I/O接7.2顯示設(shè)備02十二月2022監(jiān)視器只包括掃描、視頻放大等與顯示有關(guān)的電路及顯象管。也可以接入電視機(jī)的視頻輸入端來代替監(jiān)視器。顯然，通用計(jì)算機(jī)配置一塊圖象板（又稱圖象卡）和監(jiān)視器就能組成一個(gè)圖象處理系統(tǒng)。

7.2顯示設(shè)備01十二月2022監(jiān)視器只包括掃描、視7.2顯示設(shè)備02十二月2022另一種是圖形處理子系統(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)行許多圖象處理算法，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，圖象的處理與顯示技術(shù)越來越受到人們的重視。7.2顯示設(shè)備01十二月2022另一種是圖形處理子7.2顯示設(shè)備02十二月2022四、IBMPC系列機(jī)的顯示系統(tǒng)

1.顯示標(biāo)準(zhǔn)IBMPC系列微型機(jī)配套的顯示系統(tǒng)有兩大類。一類是基本顯示系統(tǒng)，用于字符／圖形顯示；另一類是專用顯示系統(tǒng)，用于高分辨率圖形或圖象顯示。隨著IBMPC系列機(jī)的升級(jí)發(fā)展，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

7.2顯示設(shè)備01十二月2022四、IBMPC系列7.2顯示設(shè)備02十二月2022MDA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9×14點(diǎn)陣的字符窗口，滿屏顯示80列×25行字符，對(duì)應(yīng)分辨率為720×350個(gè)像素。CGA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320×200像素四種顏色的彩色圖形。EGA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640×350，16種顏色。

7.2顯示設(shè)備01十二月2022MDA是PC機(jī)最早使7.2顯示設(shè)備02十二月2022VGA顯示標(biāo)準(zhǔn)下，字符窗口為9×16點(diǎn)陣，圖形方式下分辨率為640×480，16種顏色，或320×200，256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。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MDA，CGA，EGA，VGA的顯示方式外，還支持1280×1024像素光柵，每像素點(diǎn)24位顏色深度，刷新頻率可達(dá)75MHz。

7.2顯示設(shè)備01十二月2022VGA顯7.2顯示設(shè)備02十二月20222.VESA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(INT10h)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，b14—b9為保留位(目前全為0)，故VESA的顯示方式號(hào)為1××h。

7.2顯示設(shè)備01十二月20222.VESA顯示模式7.2顯示設(shè)備02十二月20223.顯示適配器顯示適配器由刷新存儲(chǔ)器、顯示控制器、ROMBIOS三部分組成，請(qǐng)參看CAI演示。刷新存儲(chǔ)器存放顯示圖案的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。其存儲(chǔ)容量取決于設(shè)定的顯示工作方式。

ROMBIOS含有少量的固化軟件，用于支持顯示控制器建立所要求的顯示環(huán)境。此BIOS軟件主要用于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。

7.2顯示設(shè)備01十二月20223.顯示適配器7.2顯示設(shè)備02十二月2022顯示控制器是適配器的心臟。它依據(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。顯示控制器還要提供一個(gè)由系統(tǒng)總線至刷存總線的通路，以支持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。

7.2顯示設(shè)備01十二月2022顯示控制器是適配器7.2顯示設(shè)備02十二月2022先進(jìn)的顯示控制器具有圖形加速能力，這樣的控制器芯片稱為AVGA芯片。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，將一個(gè)單色的圖像放到屏上某一位置后，給它加上指定的前景顏色和背景顏色。7.2顯示設(shè)備01十二月2022先進(jìn)的顯示控制器具有7.2顯示設(shè)備02十二月2022【例3】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(zhēng)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1024×768，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?7.2顯示設(shè)備01十二月2022【例3】刷存的重要性7.2顯示設(shè)備02十二月2022【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∴1024×768×3B×72/s=165888KB/s=162MB/s刷存總帶寬應(yīng)為162MB/s×100/50=324MB/s7.2顯示設(shè)備01十二月2022【解】7.2顯示設(shè)備02十二月2022(2)為達(dá)到這樣高的刷存帶寬，可采用如下技術(shù)措施：①使用高速的DRAM芯片組成刷存；②刷存采用多體交叉結(jié)構(gòu)；③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；④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。7.2顯示設(shè)備01十二月2022(2)為達(dá)到這樣高的7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022一、輸入設(shè)備常用的計(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(duì)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。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022一、輸入設(shè)備7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022(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。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022(1)鍵盤輸入7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022(2)光筆輸入光筆的外形與鋼筆相似，頭部裝有一個(gè)透鏡系統(tǒng)，能把進(jìn)入的光聚為一個(gè)光點(diǎn)。在光筆頭部附有一開關(guān)，當(dāng)按下開關(guān)時(shí)，進(jìn)行光的檢測(cè)，光筆就可拾取CRT屏幕上的坐標(biāo)。光筆與屏幕上的光標(biāo)配合，可使光標(biāo)跟蹤光筆移動(dòng)，在屏幕上畫出圖形或修改圖形，其過程與人用鋼筆畫圖的過程類似。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022(2)光筆輸入7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022(3)圖形板和游動(dòng)標(biāo)輸入圖形板和游動(dòng)標(biāo)結(jié)合構(gòu)成二維坐標(biāo)的輸入系統(tǒng)，主要用于輸入工程圖等。將圖紙貼到圖形板上，游動(dòng)標(biāo)沿著圖紙上的圖形移動(dòng)，讀取圖形坐標(biāo)，即可輸入工程圖。這種二維的輸入方式比光筆與屏幕相結(jié)合的方式有許多優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。

7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022(3)圖形板和7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022游動(dòng)標(biāo)是一個(gè)手持的方形坐標(biāo)讀出器，上面有一塊透明玻璃，玻璃上刻有十字標(biāo)記。十字標(biāo)記的中心就是游動(dòng)標(biāo)的中心。使用時(shí)將十字標(biāo)中心對(duì)準(zhǔn)在圖形的坐標(biāo)點(diǎn)上即可。圖形板是一種二維的A/D變換器，因此它又稱作數(shù)字化板。坐標(biāo)測(cè)量的方法有電阻式、電容式、電磁感應(yīng)式、超聲波式幾種。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022游動(dòng)標(biāo)是一個(gè)手7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022

(4)鼠標(biāo)器輸入光筆和圖形板兩種輸入方式都可以輸入某一點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)，而鼠標(biāo)器只要輸入相對(duì)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。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022(4)鼠標(biāo)器7.3輸入和打印設(shè)備02十二月20222.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(duì)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)。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月20227.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022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)。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022還7.3輸入和打印設(shè)備02十二月20223.語音輸入設(shè)備利用人的自然語音實(shí)現(xiàn)人-機(jī)對(duì)話是新一代多媒體計(jì)算機(jī)的重要標(biāo)志之一。下頁圖為一種語音輸入/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(duì)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。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月20223.語音輸7.3輸入和打印設(shè)備02十二月20227.3輸入和打印設(shè)備01十二月20227.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022二、打印設(shè)備

打印輸出是計(jì)算機(jī)最基本的輸出形式。與顯示器輸出相比，打印輸出可產(chǎn)生永久性記錄，因此打印設(shè)備又稱為硬拷貝設(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。

7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022二、打印設(shè)備7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022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)備還需要專用紙張。目前的發(fā)展趨勢(shì)是機(jī)械化的擊打式設(shè)備逐步轉(zhuǎn)向電子化的非擊打式設(shè)備7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022擊打式是利用機(jī)7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022擊打式打印機(jī)又分為活字式打印和點(diǎn)陣針式打印兩種?；钭质酱蛴C(jī)將字符“刻”在印字機(jī)構(gòu)表面上，印字機(jī)構(gòu)的形狀有圓柱形、球形等多種。點(diǎn)陣針式打印機(jī)是利用打印鋼針組成的點(diǎn)針來表示字符。與活字式打印機(jī)相比，點(diǎn)陣式打印機(jī)的控制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，字形變化多樣，且能打印漢字，因而是應(yīng)用最廣泛的一類打印機(jī)。

7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022擊打式打印機(jī)7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022按工作方式分，可分為串行打印機(jī)與行式打印機(jī)兩種。串行打印機(jī)是逐字打印的，行式打印機(jī)是一次可以輸出一行，因而行式打印機(jī)的速度比串行打印機(jī)快。例如點(diǎn)陣式打印機(jī)有串行點(diǎn)陣打印機(jī)和行式點(diǎn)陣打印機(jī)。另外還有能夠輸出圖形/圖像的打印機(jī)，具有彩色效果的彩色打印機(jī)等。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022按工作方式分7.3輸入和打印設(shè)備02十二月20222.點(diǎn)陣針式打印機(jī)點(diǎn)陣針式打印機(jī)是目前應(yīng)用最普及的一種打印設(shè)備，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格低、字符種類不受限制，易實(shí)現(xiàn)漢字打印，還可以打印圖形/圖像，因此在微小型機(jī)中都配置這種打印機(jī)。

7.3輸入和打印設(shè)備01十二月20222.點(diǎn)陣針式打7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022點(diǎn)陣針式打印機(jī)的印字方法是由打印針選擇n×m個(gè)點(diǎn)陣組成的字符圖形。顯然點(diǎn)越多，印字質(zhì)量越高。西文字符點(diǎn)陣通常有5×7，7×7，7×9等幾種，中文漢字至少要16×16或24×24點(diǎn)陣。為了減少打印頭制造的難度，串行點(diǎn)陣打印機(jī)的打印頭中只裝有一列m根打印針，每針可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)(意味著最多可以并行驅(qū)動(dòng)m根打印針)，印完一列后打印頭沿水平方向動(dòng)一步微小距離，n步以后，可形成一個(gè)n×m點(diǎn)陣的字符。以后又照此逐個(gè)字符進(jìn)行打印。

7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022點(diǎn)陣針式打印7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022串行針式打印機(jī)有單向打印和雙向打印兩種。當(dāng)打印完一行字符后，打印紙?jiān)谳敿垯C(jī)構(gòu)控制下前進(jìn)一行，同時(shí)打印頭回到一行起始位置，重新自左向右打印，這種過程叫單向打印。雙向打印是自左至右打印完一行后，打印頭無須回車，在輸紙的同時(shí)，打印頭走到反向起始位置，自右向左打印一行。反向打印結(jié)束后，打印頭又回到正向打印起始位置。由于省去了空回車時(shí)間，使打印速度大大提高。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022串行針式打印機(jī)7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022（1）針式打印機(jī)的結(jié)構(gòu)：針式打印機(jī)由打印頭與字車、輸紙機(jī)構(gòu)、色帶機(jī)構(gòu)與控制器四部分組成。文字教材圖7.8示出了針式打印機(jī)構(gòu)示意圖。打印頭由打印針、磁鐵、銜鐵等組成。輸紙機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每打印完一行字符，按給定要求走紙，走紙的步距由字符行間距離決定。色帶的作用是供給色源，在打印過程中色帶不斷移動(dòng)，改變其受擊打的位置，以免破損。驅(qū)動(dòng)色帶不斷移動(dòng)的裝置稱色帶機(jī)構(gòu)。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022（1）針式打印7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022打印控制器與顯示控制器類似，主要包括字符緩沖存儲(chǔ)器、字符發(fā)生器、時(shí)序控制電路和接口四部分。主機(jī)將欲打印的字符通過接口送到緩存，在打印時(shí)序控制下，從緩存順序取出字符代碼，對(duì)字符代碼進(jìn)行譯碼，得到字符發(fā)生器ROM的地址，逐列取出字符點(diǎn)陣并驅(qū)動(dòng)打印頭，形成字符點(diǎn)陣。打印速度約每秒100個(gè)字符。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022打7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022（2）行式點(diǎn)陣打印機(jī)是將多根打印針沿橫向(而不是縱向)排成一行，安裝在一塊梳形板上，每根針均有一個(gè)電磁鐵驅(qū)動(dòng)。在打印針往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定的打印位置時(shí)，激勵(lì)電磁鐵驅(qū)動(dòng)打印針執(zhí)行擊打動(dòng)作。梳形板向右或向左移動(dòng)一次則打印出一行印點(diǎn)，當(dāng)梳形板改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，走紙機(jī)構(gòu)移動(dòng)一個(gè)印點(diǎn)間距，再打印下一行印點(diǎn)。如此重復(fù)多次，才打印出完整的一行字符。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022（2）行式點(diǎn)陣7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022（3）激光印字機(jī)是激光技術(shù)和電子照相技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其基本原理與靜電復(fù)印機(jī)相似。激光器輸出的激光束經(jīng)光學(xué)透鏡系統(tǒng)被聚焦成一個(gè)很細(xì)小的光點(diǎn)，沿著圓周運(yùn)動(dòng)的滾筒進(jìn)行橫向重復(fù)掃描。滾筒是記錄裝置，表面鍍有一層具有光敏特性的感光材料，通常是硒，因此又將滾筒稱為硒鼓。硒鼓在未被激光束掃描之前，首先在黑暗中充電，使鼓表面均勻地沉積一層電荷。此后根據(jù)控制電路輸出的字符或圖形，變換成數(shù)字信號(hào)來驅(qū)動(dòng)激光器的打開與關(guān)閉。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022（3）激光印7.3輸入和打印設(shè)備02十二月20227.3輸入和打印設(shè)備01十二月20227.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022掃描時(shí)激光器將對(duì)鼓表面有選擇地曝光，曝光部分產(chǎn)生放電現(xiàn)象，未曝光部分仍保留充電時(shí)的電荷，從而形成靜電潛像。隨著鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)，潛像部分將通過裝有碳粉盒的顯影器，使得具有字符信息的區(qū)域吸附上碳粉，達(dá)到顯影的目的。當(dāng)鼓上的字符信息區(qū)和普通紙接觸時(shí)，由于在紙的背面施以反向的靜電電荷，鼓表面上的碳粉就會(huì)被吸附到紙上來，這個(gè)過程稱為轉(zhuǎn)印。最后，當(dāng)記錄有信息的紙經(jīng)過定影輥高溫加熱，碳粉被溶化，永久性地粘附在紙上，達(dá)到定影的效果。

7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022掃描時(shí)激光7.3輸入和打印設(shè)備02十二月2022另一方面，轉(zhuǎn)印后的鼓面還留有殘余的碳粉。因此先要除去鼓表面的電荷，然后經(jīng)清掃刷，將殘余的碳粉全部清除。清除以后的鼓表面又繼續(xù)重復(fù)上述的充電、曝光、顯影、轉(zhuǎn)印、定影等一系列過程。激光印字機(jī)是非擊打式硬拷貝輸出設(shè)備，輸出速度快，印字質(zhì)量高，可使用普通紙張。其印字分辨率達(dá)到每英寸300個(gè)點(diǎn)以上，緩沖存儲(chǔ)器容量一般在1MB以上，對(duì)漢字或圖形/圖像輸出，是理想的輸出設(shè)備，因而在辦公自動(dòng)化及輕印刷系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。7.3輸入和打印設(shè)備01十二月2022另一方面，轉(zhuǎn)印7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022一、磁記錄原理與記錄方式

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。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022一、磁記錄原理7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022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。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022磁表面存儲(chǔ)器的7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022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(duì)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。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022磁表面存儲(chǔ)器的7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月20221.磁性材料的物理特性在計(jì)算機(jī)中，用于存儲(chǔ)設(shè)備的磁性材料，是一種具有矩形磁滯回線的磁性材料。這種磁性材料在外加磁場(chǎng)的作用下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度H和外加磁場(chǎng)D的關(guān)系,可用矩形磁滯回線來描述，如圖7.9所示。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。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月20221.磁性材料的7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022只要外加的正向脈沖電流(即外加磁場(chǎng))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。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022只要外加的7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022圖7.10磁性材料的磁滯回線7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022圖7.107.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月20222.記錄方式

實(shí)際應(yīng)用中，磁性材料寫入二進(jìn)制代碼0或1，是靠不同的寫入電流波形來實(shí)現(xiàn)的。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。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月20222.記錄方式7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022這些記錄方式可分為歸零制（RZ）、不歸零制（NRZ）、調(diào)相制（PM）和調(diào)頻制（FM）幾大類。每類中由于方案改進(jìn)又演變出若干派生方案。這些記錄方式中代碼0或1的寫入電流波形示于圖7.11中。歸零制（RZ）記錄方式的特點(diǎn)，正向電流代表1，負(fù)向電流代表0，不論某存儲(chǔ)元記錄的代碼是O或1，在記錄下一個(gè)信息之前，記錄電流要恢復(fù)到零電流（即沒有電流）。這種記錄方式簡(jiǎn)單易行，但記錄密度低，抗干擾能力差，往往把各種干擾的電流信號(hào)也同時(shí)記入。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月20227.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022不歸零制（NRZ0）記錄方式的特點(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制相同之處是磁頭線圈中始終有電流通過。不同處在于，記錄“0”時(shí)電流方向不變，只有遇到“1”時(shí)才改變方向

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022不歸零制（NR7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022調(diào)相制（PM）記錄方式的特點(diǎn)是，在一個(gè)位周期的中間位置，電流由負(fù)到正為l，由正到負(fù)為0，即利用電流相位的變化進(jìn)行寫“l(fā)”或?qū)憽?”，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)器中一般采用這種紀(jì)錄方式。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022調(diào)相制（PM）7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022調(diào)頻制記錄方式的特點(diǎn)如下：（1）無論記錄的代碼是1或0，或者連續(xù)些“1”或?qū)憽?”，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。這種紀(jì)錄方式的優(yōu)點(diǎn)是記錄密度高，具有自同步能力。FM目前主要用于單密度磁盤存儲(chǔ)器。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022調(diào)頻制記錄方式7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022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主要用于雙密度磁盤存儲(chǔ)器。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022改進(jìn)調(diào)頻制（M7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022

還有游程長度受限碼RLLC、成組編碼GCR等記錄方式。RLLC的編碼實(shí)質(zhì)是將原始數(shù)據(jù)序列變換成“O”、“1”受限制的記錄序列，其編碼規(guī)則是先把輸入信息序列變換為“o”游程長度受限碼，即任何兩位相鄰的“1”之間的“0”的最大位數(shù)k和最小位數(shù)d均受到限制的新編碼，然后再用NRZ1制方式進(jìn)行調(diào)制和寫入．該碼具有自同步能力，正確設(shè)計(jì)k，d值，可獲得優(yōu)良的編碼性能，因而在近幾年發(fā)展的高密度磁盤中得到了廣泛應(yīng)用。磁帶機(jī)上使用的成組編碼GCR（5，4）實(shí)質(zhì)上也是一種RLLC，從而使磁帶機(jī)的存儲(chǔ)密度大大提高7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022

還有游程長度7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022

不同的記錄方式具有不同的特點(diǎn)，評(píng)價(jià)一種記錄方式優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是編碼效率、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、編碼澤碼電路的復(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)數(shù)據(jù)信息位的多少。例如FM，PM記錄方式中記錄一位數(shù)字信息的最大磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)為2，因此編碼效率為50％。而MFM，NRZ，NRZ1；中由于紀(jì)錄一位數(shù)字信息磁化翻轉(zhuǎn)最多1次，故它們的編碼效率為100％。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022不7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022

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，自同步能力越強(qiáng)。例如NRZ，NRZ1沒有自同步能力，而PM，F(xiàn)M，MFM記錄方式具有自同步能力。其中FM記錄方式的最大磁化翻轉(zhuǎn)間隔是位周期T，最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔是T/2，因此R=0.5。

簡(jiǎn)讀分辨力是指磁記錄系統(tǒng)對(duì)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)。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022

自7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022三、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)。換句話說，寫入時(shí)，利用磁頭使磁體（盤片）具有不同的磁化狀態(tài)，而再讀出時(shí)又利用磁頭來判別這些不同的磁化狀態(tài)。磁頭實(shí)際上是軟磁材料作鐵芯繞有讀寫線圈的電磁鐵，如圖7.12所示。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022三、磁表面存儲(chǔ)7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月20227.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月20227.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022（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(chǎng)。如圖7．12所示，在這個(gè)磁場(chǎng)作用下，載磁體就被磁化成相應(yīng)極性的磁化位或磁化元。若在寫線圈里通人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)磁化無中存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息。當(dāng)載磁體相對(duì)于碰頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可以連續(xù)寫入一連串的二進(jìn)制信息。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022（1）寫操作：7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022（2）讀操作如何讀出記錄在磁表面上的二進(jìn)制代碼信息呢？也就是說，如何判斷載磁體上信息的不同剩磁狀態(tài)呢？當(dāng)磁頭經(jīng)過載磁體的磁化無時(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(duì)載磁體作相對(duì)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(shì)e,其值為e=-k*dф/dt

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022（2）讀操作7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電勢(shì)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(shì)方向不同。這樣，不同方向的感應(yīng)電勢(shì)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”。書上圖7.13示出了歸零制記錄方式的寫讀過程波形圖。歸納起來，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。這就是這類磁盤磁表面存存器存取信息的原理。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022負(fù)7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022磁層上的存儲(chǔ)元被磁化后，它可以供多次讀出而不被破壞。當(dāng)不需要這批信息時(shí)，可通過磁頭把磁層上所記錄的信息全部抹去，稱之為寫“0”。．通常，寫入和讀出是合用一個(gè)磁頭，故稱之為讀寫磁頭。每個(gè)讀寫磁頭對(duì)應(yīng)著一個(gè)信息記錄磁道。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022磁7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022三、硬磁盤機(jī)的基本組成和分類硬磁盤存儲(chǔ)器是指記錄介質(zhì)為硬質(zhì)圓形盤片的磁表面存儲(chǔ)器。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖7.14所示。此圖中未反映出尋址機(jī)構(gòu)，而僅僅表示了存取功能的邏輯結(jié)構(gòu)，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。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022三、硬磁盤機(jī)的7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022磁盤存儲(chǔ)器邏輯結(jié)構(gòu)圖7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022磁盤存儲(chǔ)器邏輯7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022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(duì)磁頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，位磁化存儲(chǔ)元形成的空間磁場(chǎng)在讀磁頭線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，此讀出信息經(jīng)放大檢測(cè)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)。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022寫入時(shí)，將計(jì)算7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022

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(duì)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。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022硬磁盤機(jī)通7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022

(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(jiǎn)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(duì)使用環(huán)境要求不高。而普通的硬磁盤要求具有超凈環(huán)境，只能用于中大型計(jì)算機(jī)中。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022(37.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022溫盤的盤片直徑有14英寸、8英寸、5.25英寸和3.5英寸幾種。用于IBMPC系列機(jī)的溫盤一般是后兩種，驅(qū)動(dòng)器的容量可達(dá)1OOMB以上。目前溫盤應(yīng)用最廣，成為最有代表性的硬磁盤存儲(chǔ)器。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022溫7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022四、硬磁盤驅(qū)動(dòng)器和控制器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(duì)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。圖7.15是磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022四、硬磁盤驅(qū)動(dòng)7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月20227.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月20227.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022在可移動(dòng)磁頭的磁盤驅(qū)動(dòng)器中，驅(qū)動(dòng)磁頭沿盤面徑向位置運(yùn)動(dòng)以尋找目標(biāo)磁道位置的機(jī)構(gòu)叫磁頭定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它由驅(qū)動(dòng)部件、傳動(dòng)部件、運(yùn)載部件（磁頭小車）組成。當(dāng)磁盤存取數(shù)據(jù)時(shí)，磁頭小車的平移運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)磁頭進(jìn)入指定磁道的中心位置，并精確地跟蹤該磁道。目前磁頭小車的驅(qū)動(dòng)方式主要采用步進(jìn)電機(jī)和音圈電機(jī)兩種。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022在7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022步進(jìn)電機(jī)靠脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，整個(gè)驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)是開環(huán)控制，因此定位精度較低，一般用于軟磁盤驅(qū)動(dòng)器和道密度不高的硬磁盤驅(qū)動(dòng)器。音圈電機(jī)是線性電機(jī)，可以直接驅(qū)動(dòng)磁頭作直線運(yùn)動(dòng)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)是一個(gè)帶有速度和位置反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)速度快，定位精度高，因此用于較先進(jìn)的磁盤驅(qū)動(dòng)器。主軸系統(tǒng)的作用是安裝盤片，并驅(qū)動(dòng)它們以額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。其主要部件是主軸電機(jī)和有關(guān)控制電路。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的作用是控制數(shù)據(jù)的寫入和讀出，包括磁頭、磁頭選擇電路、讀寫電路以及索引、區(qū)標(biāo)電路等。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022步7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月20222.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(jí)接口，后者稱為設(shè)備級(jí)接口。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月20222.磁盤控制器7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022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：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。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022主機(jī)與磁盤7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022由于控制器與驅(qū)動(dòng)器之間的任務(wù)分工沒有明確的界限，因而控制器與驅(qū)動(dòng)器之間的交界面劃分有多種方式。如果交界面設(shè)在A處，驅(qū)動(dòng)器只完成讀寫和放大，因而數(shù)據(jù)分離以后的控制邏輯構(gòu)成磁盤控制器，例如ST506磁盤控制器是插在PC機(jī)總線上的一塊電路板，控制器與設(shè)備之間就采用了這種形式的接口。如果交界面設(shè)在B處，則在驅(qū)動(dòng)器中包含數(shù)據(jù)分離器，而磁盤控制器僅有串-并變換、格式控制等邏輯構(gòu)成。例如ESDI（增強(qiáng)型小型設(shè)備接口）屬于這種形。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022由7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022第三種方式是將接口交界面設(shè)在C處，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。例如SCSI（小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口）、IPI（智能外設(shè)接口）屬于這種形式。

目前的發(fā)展趨勢(shì)是采用B，C兩種接口形式，增強(qiáng)設(shè)備的功能，以使設(shè)備相對(duì)獨(dú)立。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022第7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月20227.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月20227.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月20223、磁盤上信息的分布

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月20223、磁盤上信息7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022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(duì)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(duì)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。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022磁道的7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022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。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圖所示。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022在磁7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022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。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022每個(gè)7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月20227.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月20227.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月20224、磁盤存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)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。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月20224、磁盤存儲(chǔ)器7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022

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)4.29GB。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022存儲(chǔ)容量7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022

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。7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022平均7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022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10—20ms。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。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022平7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022

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=D·v(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。

7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022數(shù)據(jù)7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022【例4】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?7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022【例4】磁盤組7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月2022【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40×5.5=220道，即220個(gè)圓柱面(2)內(nèi)層磁道周長為2πR=2×3.14×11=69.08(cm)每道信息量=400位/cm×69.08cm=27632位=3454B每面信息量=3454B×220=759880B盤組總?cè)萘?759880B×10=7598800B7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備01十二月2022【解】7.4硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備02十二月202