計(jì)算機(jī)組成原理電子教案第8章課件

第八章輸入輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理電子教案

8.1輸入輸出系統(tǒng)概述8.2輸入設(shè)備

8.2.1鍵盤

8.2.2鼠標(biāo)

8.2.3觸摸屏

8.2.4掃描儀8.3輸出設(shè)備

8.3.1顯示器

8.3.2打印機(jī)8.4輔助存儲器

8.4.1磁記錄原理與記錄方式

8.4.2硬磁盤存儲器

8.4.3磁盤陣列存儲器

8.4.4光盤存儲器8.5輸入輸出接口

8.5.1輸入輸出接口的功能和基本結(jié)構(gòu)

8.5.2

I/O端口的編址方式8.6輸入輸出數(shù)據(jù)傳送方式

8.6.1程序查詢方式

8.6.2程序中斷方式

8.6.3直接存儲器訪問（DMA）方式

8.6.4通道方式

8.6.5I/O處理機(jī)方式8.1輸入輸出系統(tǒng)概述輸入輸出（I/O）系統(tǒng)的作用，是把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)外的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)主機(jī)中，并將計(jì)算機(jī)主機(jī)處理后的數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)外。I/O系統(tǒng)是一個(gè)硬、軟件結(jié)合的系統(tǒng)，硬件部分包括外圍設(shè)備及其與主機(jī)的接口，軟件部分則包括接口的初始化程序及具體的輸入輸出操作程序等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，除主機(jī)（由CPU和主存組成）外的其他硬設(shè)備都稱為計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備。外圍設(shè)備種類繁多，功能各異，包括有輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存儲器、數(shù)據(jù)通信設(shè)備和過程控制設(shè)備等幾大類。I/O接口是主機(jī)與外圍設(shè)備之間的連接電路，主要起到控制、緩沖與轉(zhuǎn)換的作用。主機(jī)與外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送方式有程序查詢方式、程序中斷方式、直接存儲器訪問（DMA）方式、通道方式和外圍處理機(jī)方式等5種。不同的I/O數(shù)據(jù)傳送方式需要I/O接口有不同的功能和不同的設(shè)計(jì)。對程序查詢方式和程序中斷方式，其I/O數(shù)據(jù)傳送過程需要CPU執(zhí)行I/O程序來控制；對DMA方式，數(shù)據(jù)傳送過程由DMA控制器控制，但DMA控制器需要由CPU執(zhí)行初始化程序來設(shè)置各種初始條件。

在采用通道和I/O處理機(jī)的I/O系統(tǒng)中，通道和I/O處理機(jī)取代了一般意義上的I/O接口，并具有智能化和很高的獨(dú)立控制能力，能夠代替CPU完成輸入輸出控制，從而提高了CPU的工作效率。主機(jī)在與不同速度的外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，所采用的定時(shí)方式是不一樣的；在與中、低速度的外圍設(shè)備傳送數(shù)據(jù)時(shí)，通常采用異步定時(shí)方式，而在與高速外圍設(shè)備傳送數(shù)據(jù)時(shí)，則采用同步定時(shí)方式。8.2輸入設(shè)備8.2.1鍵盤鍵盤是一種字符輸入設(shè)備，用來輸入文字、符號和操作命令等。鍵盤由一組排列成陣列形式的按鍵開關(guān)組成，每個(gè)鍵都被賦以明確的含義。目前，絕大多數(shù)鍵盤上使用的都是ASCII字符。由鍵盤進(jìn)行一次輸入的過程大致是：

⑴按下一個(gè)鍵；

⑵掃描按鍵的位置，產(chǎn)生所按鍵的位置碼；

⑶將位置碼轉(zhuǎn)換成按鍵所對應(yīng)的字符的ASCII碼，并由主機(jī)接收。實(shí)際使用的鍵盤通常介于這兩種基本類型之間，即由鍵盤完成一部分操作，再由CPU執(zhí)行程序完成另一部分操作。例如，PC機(jī)的鍵盤內(nèi)裝有Intel8048單片機(jī)來完成鍵盤掃描、去抖動(dòng)、防串鍵等操作，能自動(dòng)形成被按鍵的位置碼，并能將位置碼以串行方式發(fā)送到主機(jī)；CPU接收到位置碼后，再執(zhí)行專門的轉(zhuǎn)換程序，將位置碼轉(zhuǎn)換成ASCII碼（通常采用查表的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換）。8.2.2鼠標(biāo)鼠標(biāo)是一種坐標(biāo)定位設(shè)備，是隨著圖形操作界面出現(xiàn)而發(fā)明的一種輸入設(shè)備。常用的鼠標(biāo)有機(jī)械式和光電式兩種，它們與主機(jī)的通信和控制原理完全相同，只是在移動(dòng)檢測方面有些差異，可以直接替換使用。鼠標(biāo)一般都有兩個(gè)按鍵（左鍵和右鍵），通過串行接口或USB接口與計(jì)算機(jī)主機(jī)相連。機(jī)械式鼠標(biāo)的底部有一個(gè)圓形的凹坑，里面裝有一個(gè)表面裹著橡膠的金屬球，球的側(cè)面呈正交方向（即二維坐標(biāo)的X和Y方向）裝有兩個(gè)轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸與球的表面接觸。通過轉(zhuǎn)軸所連接的移動(dòng)檢測電路，就可以測出鼠標(biāo)在X和Y方向上的位移。光電式鼠標(biāo)的底部裝有發(fā)光二極管和光敏接收器?，F(xiàn)在的光電式鼠標(biāo)可以直接在各種反光率不是很高的平面上使用。無論哪種類型的鼠標(biāo)，在移動(dòng)一個(gè)最小位移單位后，都要向主機(jī)發(fā)送一個(gè)3字節(jié)的串。其中，第一個(gè)字節(jié)表示鼠標(biāo)在最近的100ms內(nèi)沿X方向的位移量；第二個(gè)字節(jié)為鼠標(biāo)沿Y方向的位移量；第三個(gè)字節(jié)描述鼠標(biāo)當(dāng)前鍵的狀態(tài)。衡量鼠標(biāo)性能的一個(gè)重要參數(shù)是分辨率，一般以d/cm（像素點(diǎn)/厘米）為單位，表示鼠標(biāo)移動(dòng)1cm所經(jīng)過的像素點(diǎn)數(shù)。分辨率越高，可使鼠標(biāo)移動(dòng)到目標(biāo)位置所需的移動(dòng)距離越短。電阻式觸摸屏的主體是兩層高度透明、并涂有導(dǎo)電物質(zhì)的薄膜，下面一層附在玻璃底座上，上面一層附在透明塑料片內(nèi)側(cè)，兩層薄膜之間由絕緣支點(diǎn)隔開，間隙為0.0001英寸。當(dāng)用戶觸摸上層的塑料片時(shí)，觸摸屏控制器可以根據(jù)觸摸點(diǎn)接觸電阻的大小求得接觸點(diǎn)所在的X和Y坐標(biāo)。電容式觸摸屏是一個(gè)內(nèi)部涂有金屬層的玻璃罩。當(dāng)用戶觸摸其表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生由觸摸點(diǎn)向四個(gè)角傳輸?shù)碾娏?，根?jù)電流的大小可以計(jì)算出觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。表面超聲波式觸摸屏是一個(gè)透明的玻璃罩，在玻璃罩的X和Y方向都安裝了一個(gè)發(fā)射和接收壓電轉(zhuǎn)換器和一組反射條。觸摸屏還有一個(gè)控制器發(fā)送5MHz的觸發(fā)信號給發(fā)射、接收轉(zhuǎn)換器，由它轉(zhuǎn)換成表面超聲波在屏幕表面?zhèn)鞑?。?dāng)用戶觸摸屏幕時(shí)，觸摸點(diǎn)處的超聲波被吸收，使接收信號發(fā)生變化，觸摸屏控制器可以據(jù)此求得觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。紅外掃描式觸摸屏只是一個(gè)安裝在普通顯示器屏幕邊框上的框架，框架的四個(gè)邊框分為上下和左右兩組，每組邊框中，一條內(nèi)放置了紅外線發(fā)射管，另一條內(nèi)放置了紅外線接收管。在觸摸屏內(nèi)的微處理器控制下，依次接通紅外線發(fā)射管并檢查對應(yīng)的紅外線接收管。當(dāng)用戶用手指觸摸顯示器屏幕時(shí)，手指就會(huì)擋住經(jīng)過這一點(diǎn)的橫豎兩條紅外線，微處理器據(jù)此可計(jì)算出觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。壓感式觸摸屏采用底座式矢量壓力測力技術(shù)，為顯示器設(shè)計(jì)一個(gè)專用工作平臺，顯示器在這個(gè)平臺上可以做三維運(yùn)動(dòng)。當(dāng)用戶觸摸顯示器屏幕時(shí)，顯示器就會(huì)在平臺上產(chǎn)生三維運(yùn)動(dòng)，工作臺內(nèi)部的傳感器就能測出顯示器運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，并據(jù)此計(jì)算出觸摸的位置。掃描儀的關(guān)鍵部件是感光元件，目前使用最廣的感光元件是電荷耦合器件（簡稱CCD）。CCD是在單晶硅上集成了大量光電三極管，光電三極管受到光線照射后會(huì)產(chǎn)生電流，電流大小和光線強(qiáng)度成正比，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。這些光電三極管排成三列，分別用紅、綠、藍(lán)色的濾色鏡罩住，從而實(shí)現(xiàn)彩色掃描。掃描儀的性能指標(biāo)主要有分辨率、色彩灰度值、掃描速度和掃描幅面。其中，分辨率分橫向和縱向分辨率，以每英寸像素?cái)?shù)（dpi）來衡量；橫向分辨率由CCD決定，縱向分辨率由驅(qū)動(dòng)電機(jī)每次移動(dòng)的最小距離決定。8.3輸出設(shè)備8.3.1顯示器顯示器能將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果以可見光的形式輸出，是最常用的輸出設(shè)備。顯示器種類繁多，按所用的顯示器件分類，有陰極射線管（簡稱CRT）顯示器、液晶顯示器（簡稱LCD）、等離子顯示器等；按可顯示的內(nèi)容分類，有字符顯示器、圖形顯示器和圖像顯示器三類。顯示器也稱為監(jiān)視器。1．CRT顯示器CRT是一個(gè)電真空器件，由電子槍、偏轉(zhuǎn)裝置和熒光屏構(gòu)成。下圖是單色CRT（即黑白顯像管）結(jié)構(gòu)示意圖。電子槍是CRT的主要組成部分，用于形成和發(fā)射電子束。電子束射到熒光屏上形成光點(diǎn)。不同位置、不同亮度的光點(diǎn)就可以組成文字符號或圖形圖像。熒光屏內(nèi)側(cè)涂有熒光粉，它能將電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成光能。熒光粉在電子束撤消后仍能保持發(fā)光的時(shí)間，稱為余輝時(shí)間。余輝時(shí)間與熒光粉的材料特性有關(guān)。從視覺效果來說，余輝時(shí)間宜短不宜長。對于單色CRT，電子槍只有一個(gè)陰極，熒光屏上只涂有一種熒光粉，只能發(fā)出一種顏色的光。對彩色CRT，熒光屏上每個(gè)像素點(diǎn)都由排列成正三角形的三個(gè)小熒光粉點(diǎn)組成；三個(gè)熒光粉點(diǎn)的材料不同，它們在電子束轟擊下分別發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種顏色的光。不同強(qiáng)度的紅、綠、藍(lán)三色疊加起來，就可以產(chǎn)生豐富的色彩。彩色CRT的電子槍中有三個(gè)獨(dú)立的陰極，可以同時(shí)向一個(gè)像素的三個(gè)熒光粉點(diǎn)發(fā)射電子束。熒光屏上的所有像素點(diǎn)被排列成一個(gè)多行多列的陣列。電子束在熒光屏上的掃描方式有光柵掃描和隨機(jī)掃描兩種。光柵掃描方式有隔行掃描和逐行掃描兩種實(shí)現(xiàn)方法。隔行掃描是把所有行分為奇數(shù)行和偶數(shù)行兩部分，掃描完所有奇數(shù)行后，再掃描所有偶數(shù)行。逐行掃描則是從第一行開始，依次掃描每一行。掃描過程中，根據(jù)所要顯示的內(nèi)容，在需要顯示一個(gè)光點(diǎn)的地方就發(fā)出強(qiáng)電子束，否則就減弱電子束。當(dāng)電子束從左到右掃描完一行后，要快速回掃到下一行的左端，這稱為水平回掃。在掃描完最后一行后，電子束又迅速回掃到第一行的左端，這稱為垂直回掃。電子束回掃時(shí)，顯示是消隱的，不會(huì)在熒光屏上產(chǎn)生光點(diǎn)。顯示器的顯示精度取決于顯示器的分辨率。分辨率是指熒光屏上可顯示的像素點(diǎn)數(shù)，通常表示為m×n的格式，其中，n為像素陣列的行數(shù)，m為每行的像素點(diǎn)數(shù)。分辨率越高，顯示的內(nèi)容越清晰。通過控制電子束的強(qiáng)度，可以改變光點(diǎn)的亮度；光點(diǎn)亮度變化的級數(shù)，稱為灰度級。對單色字符顯示器，每個(gè)像素點(diǎn)只需要有亮和不亮兩級灰度，因此，每個(gè)像素點(diǎn)可用1位二進(jìn)制數(shù)字表示（1表示亮，0表示不亮），1個(gè)字節(jié)可以表示8個(gè)像素。如果是黑白圖形/圖像顯示器，灰度為N級，則每個(gè)像素要用位二進(jìn)制數(shù)字來表示。對彩色圖形/圖像顯示器來說，一個(gè)像素點(diǎn)是由排成正三角形的紅、綠、藍(lán)三個(gè)小光點(diǎn)組成的，每個(gè)小光點(diǎn)均有多級灰度，并且是獨(dú)立控制的，因此，需要分別表示三個(gè)小光點(diǎn)的灰度級。分辨率越高，灰度級或色彩越豐富，顯示的圖像質(zhì)量就越高，表示一幀圖像所需的數(shù)據(jù)量也越大。CRT顯示器的適配器（常稱為顯示卡）中設(shè)置有顯示存儲器（VRAM），用來存放當(dāng)前幀的顯示內(nèi)容，供刷新操作用。下圖所示，為光柵掃描單色字符顯示器和彩色圖形/圖像顯示器的適配器原理圖。字符“B”的7×9點(diǎn)陣碼如下圖所示。ASCII字符集的128個(gè)字符的點(diǎn)陣碼都由字符發(fā)生器產(chǎn)生。字符發(fā)生器的核心是一個(gè)存儲全部字符點(diǎn)陣碼信息的ROM，稱為字符ROM。字符點(diǎn)陣碼的每一行稱為一個(gè)線代碼，每個(gè)線代碼在字符ROM中占用一個(gè)字單元，點(diǎn)陣碼各行的線代碼按行序連續(xù)存放在字符ROM的字單元中。下圖所示，為7×9點(diǎn)陣字符發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及字符“B”的點(diǎn)陣碼在字符ROM中的存放方式。第0線的線代碼為全0，作為相鄰兩行字符的顯示間隔。訪問字符ROM的地址由兩部分組成，其高位部分為所顯示字符的ASCII碼，低位部分為線選地址。并→串移位寄存器的作用，是將并行讀出的線代碼轉(zhuǎn)換為串行方式一位一位發(fā)到CRT，去控制電子束的發(fā)射。由于電子束的掃描方向是從左向右掃描，所以，移位寄存器采用左移方式工作。CRT控制器是顯示適配器的核心部件，其主要功能是：

⑴提供訪問顯示存儲器的地址和訪問字符ROM的線選地址。顯示存儲器中的字符地址是由字符所在的行號（行地址）和字符在行內(nèi)的序號（行內(nèi)地址）組成的，其中，行地址為字符地址的高位部分，行內(nèi)地址為字符地址的低位部分。按字符地址訪問顯示存儲器，讀取一個(gè)字符的ASCII碼送到字符發(fā)生器，作為訪問字符ROM的高位地址。行地址、行內(nèi)地址和線選地址均由專門的計(jì)數(shù)器提供。一幀顯示開始時(shí)，行地址和行內(nèi)地址均為0（對應(yīng)屏幕左上角的字符位置），線選地址也為0，表示開始掃描該幀第0行字符的第0線。此后，三個(gè)計(jì)數(shù)器按掃描規(guī)則增量變化。

⑵提供時(shí)序控制信號。CRT控制提供的時(shí)序控制信號主要有：水平同步信號、垂直同步信號及移位寄存器的串行移位信號（打點(diǎn)時(shí)鐘信號）。水平同步信號的頻率與水平掃描的頻率相同，垂直同步信號的頻率與垂直掃描的頻率相同。在電子束水平回掃和垂直回掃期間，不允許電子束在屏幕上打出光點(diǎn)，這稱為顯示消隱。進(jìn)入消隱期時(shí)，CRT控制器發(fā)出消隱信號，禁止并→串移位寄存器接收來自字符ROM的線代碼，從而實(shí)現(xiàn)顯示消隱。在彩色圖形/圖像顯示適配器中，顯示存儲器用來存放當(dāng)前正在顯示的一幀圖形或圖像所有像素點(diǎn)的像素值，且存放順序與電子束掃描像素點(diǎn)的順序一致。每個(gè)像素值都包含R、G、B三色的灰度值。對顯示存儲器的訪問是以像素為單位進(jìn)行的。CRT控制器計(jì)算出一個(gè)像素值在顯示存儲器中的存放地址，讀出其R、G、B灰度值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，分別控制電子槍中的三個(gè)陰極發(fā)出三束電子，分別轟擊熒光屏上對應(yīng)像素點(diǎn)的R、G、B三個(gè)小熒光粉點(diǎn)，從而在屏幕上產(chǎn)生一個(gè)彩色光點(diǎn)。程序段緩存用于存儲主機(jī)送來的顯示文件和交互式圖形圖像操作命令，如圖形的局部放大、平移、旋轉(zhuǎn)、比例變換以及圖形的檢索和圖像處理等。顯示處理器用來對程序段緩存中的顯示文件及操作命令進(jìn)行處理，產(chǎn)生一幀顯示數(shù)據(jù)并存入顯示存儲器中。由專門的顯示處理器來做這些工作，比在主機(jī)中用軟件來做效率高很多。2．液晶顯示器（LCD）液晶是一種有機(jī)化合物，它既具有液體的流動(dòng)性，又具有分子排列有序的晶體特性。液晶分子為棒狀結(jié)構(gòu)，可在電場的控制下改變其排列方向，從而改變光線在液晶體中的傳播方向；而且，光線透過液晶體的強(qiáng)度也可以用電場控制。液晶本身不會(huì)發(fā)光，但可以對外部照射光源進(jìn)行調(diào)制，使得透過液晶體的透射光形成不同的亮度，以達(dá)到信息顯示的目的。因此，利用液晶顯示信息時(shí)，需要使用背光源。LCD也有單色和彩色之分。單色LCD的每個(gè)像素由一個(gè)液晶元組成，只能透射一種顏色的光。彩色LCD的每個(gè)像素由三個(gè)小液晶元組成，分別透射紅、綠、藍(lán)三色光線以形成一個(gè)彩色光點(diǎn)；紅、綠、藍(lán)三色光是通過對白色的背光使用光過濾器分解而得。LCD顯示屏由兩塊平行的玻璃板中間夾著一層密封的液晶組成，玻璃板后設(shè)置有背光源。顯示屏上的所有液晶元排列成陣列形式。要在顯示屏上顯示出圖形圖像，就需要對每個(gè)液晶元處的電場進(jìn)行控制。根據(jù)控制電場的方式不同，LCD顯示器有多種類型。TFT-LCD采用薄膜晶體管技術(shù)，在顯示屏的每個(gè)液晶元位置上都設(shè)置了一個(gè)晶體管，控制電路通過這些晶體管對各液晶元施加適當(dāng)?shù)碾妶?，控制液晶元的光傳播特性，使屏幕上產(chǎn)生所需的顯示結(jié)果。TFT-LCD雖然價(jià)格較高，但是顯示質(zhì)量好，是目前的主流產(chǎn)品。8.3.2打印機(jī)打印機(jī)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要輸出設(shè)備之一。打印機(jī)能將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果以文字、圖形或圖像的形式印在紙上，便于人們閱讀和保存?，F(xiàn)在使用的打印機(jī)都屬于點(diǎn)陣式打印機(jī)，即把文字和圖形圖像都以點(diǎn)陣形式打印在紙上。點(diǎn)陣式打印機(jī)可分為擊打式和非擊打式兩大類。1．針式打印機(jī)針式打印機(jī)屬擊打式打印機(jī)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價(jià)格低、字符種類不受限制，還可以打印漢字及圖形/圖像。針式打印機(jī)由打印頭與字車、走紙機(jī)構(gòu)、色帶機(jī)構(gòu)和打印控制器四部分組成。

打印控制器控制著打印機(jī)各部分的動(dòng)作，其作用類似于CRT控制器，由微處理器、行緩存RAM、字符發(fā)生器ROM、打印頭驅(qū)動(dòng)電路和接口電路等主要部分組成。下圖所示，為針式打印機(jī)的打印機(jī)構(gòu)。為了降低打印頭制造的難度，打印頭只裝一列打印針，每根打印針可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，每次可打印一個(gè)字符點(diǎn)陣的一列，一列打完后，打印頭水平移動(dòng)一小段距離，再打印下一列。針式打印機(jī)是在打印頭移動(dòng)過程中，將字符逐一打印出來的，所以稱為串行針式打印機(jī)，其打印速度在每秒100個(gè)字符左右。針式打印機(jī)速度較慢、噪聲較大，且圖形打印效果較差；但針式打印機(jī)適合打印各種不同大小紙張，如打印超寬表格、現(xiàn)金收據(jù)、存取款記錄、登機(jī)牌等。此外，利用打印針的擊打力，可用復(fù)寫紙一次打印輸出多份結(jié)果。2．激光打印機(jī)激光打印機(jī)是激光技術(shù)和電子照相技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。一頁內(nèi)容的打印需要經(jīng)過充電、曝光、顯影、轉(zhuǎn)印、定影等一系列過程。在打印圖像時(shí)，通過控制顯影器中的顯影輥的電壓，可以改變鼓上吸附的碳粉量，進(jìn)而改變打印紙上像點(diǎn)的濃淡程度，打印出不同的灰度層次，使圖像更加逼真。激光打印機(jī)是非擊打式打印機(jī)，噪聲低，打印速度快、質(zhì)量高。高速激光打印機(jī)的速度在每分鐘100頁（100ppm）以上，中速的有30~60ppm，低速的也有10~20ppm，打印分辨率則達(dá)到每英寸300點(diǎn)（300dpi）以上，是理想的計(jì)算機(jī)輸出設(shè)備。3．噴墨打印機(jī)噴墨打印機(jī)是通過把很小的墨水滴噴射到打印紙上形成打印點(diǎn)來完成打印輸出功能的。根據(jù)墨水噴射方式的不同，噴墨打印機(jī)分為連續(xù)式和隨機(jī)式兩種。連續(xù)式噴墨打印機(jī)只有一個(gè)噴墨口，打印機(jī)中有一個(gè)墨水泵對墨水施加持續(xù)的壓力，使墨水從噴墨口中連續(xù)噴出。下圖所示，為一種電荷控制式連續(xù)噴墨打印機(jī)的印字原理和字符形成過程。隨機(jī)式噴墨打印機(jī)只在需要向紙上打點(diǎn)時(shí)才噴出墨滴，因此不需要墨水回收及循環(huán)系統(tǒng)，整個(gè)噴墨機(jī)構(gòu)更簡單、成本更低，但噴墨速度比連續(xù)式噴墨打印機(jī)低。為了提高打印速度，隨機(jī)式噴墨打印機(jī)的噴墨頭采用單列、雙列或多列噴墨口，通過同時(shí)噴射多個(gè)墨滴來提高打印速度。根據(jù)產(chǎn)生墨滴的技術(shù)不同，隨機(jī)式噴墨打印機(jī)又分為壓電式和熱電式兩類。壓電式噴墨技術(shù)采用壓電管、壓電隔膜或壓電薄片等作為換能器，將作用于其上的脈沖電壓轉(zhuǎn)換為對墨水的壓力，使墨滴從噴墨口噴出。熱電式噴墨技術(shù)以加熱器件（如發(fā)熱電阻）為換能器，置于噴墨口附近?？刂拼蛴〉碾娒}沖信號作用在加熱器上，使其在瞬間升溫至幾百度，加熱器附近的墨水被迅速汽化形成氣泡，氣泡快速膨脹形成壓力，將噴墨口處的少量墨水?dāng)D出，形成噴射墨滴?？刂拼蛴〉碾娒}沖信號撤消后，噴墨管道內(nèi)形成負(fù)壓，又將新的墨水從墨水盒吸入毛細(xì)管，為下一次噴射做好準(zhǔn)備。彩色噴墨打印機(jī)使用彩色墨水盒，盒內(nèi)分別裝有紅、綠、藍(lán)三色墨水，打印機(jī)按各個(gè)像素點(diǎn)的三色比例，控制噴墨頭噴出三色墨水，混合出所需的顏色。噴墨打印機(jī)分辨率高（一般可達(dá)300~720dpi，高檔產(chǎn)品可達(dá)1440dpi）、噪聲小、重量輕、價(jià)格適中，且彩色圖像打印性/價(jià)比較高。其缺點(diǎn)是：①墨水盒較貴（尤其是彩色墨水盒）；②噴墨頭維護(hù)較麻煩。8.4輔助存儲器輔助存儲器（簡稱輔存）作為計(jì)算機(jī)主存的后備和補(bǔ)充，用于存儲主機(jī)當(dāng)前不執(zhí)行的程序和不處理的數(shù)據(jù)。輔存屬于計(jì)算機(jī)主機(jī)的外部設(shè)備，因此也稱為外部存儲器，簡稱外存。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對輔存的要求是：存儲容量大，具有非易失性，位價(jià)格低。常用的輔存主要是磁表面存儲器和光存儲器，如硬磁盤、軟磁盤、磁帶均為磁表面存儲器，光盤為光存儲器。

目前，計(jì)算機(jī)的輔存主要使用硬磁盤存儲器和光盤存儲器。8.4.1磁記錄原理與記錄方式1．磁記錄原理磁盤、磁帶等磁表面存儲器采用磁記錄介質(zhì)保存信息。磁記錄介質(zhì)是涂有薄層磁性材料的信息載體。磁帶和軟磁盤的記錄介質(zhì)采用的是軟性基底材料（聚酯薄膜帶和塑料軟盤片），硬磁盤的記錄介質(zhì)則采用硬性基底材料（鋁合金硬盤片）。磁性材料有顆粒材料和連續(xù)材料兩類，最常用的是γ-Fe2O3針狀顆粒材料，稱為磁粉。為了可靠地記錄信息，磁表面存儲器所用的磁性材料有著接近矩形的磁滯回線。磁滯回線反映的是磁性材料在外加磁場H的作用下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化規(guī)律，如下圖所示。磁滯回線就是磁性材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線，是一條閉合曲線。+Br和-Br分別是磁性材料的正、負(fù)兩個(gè)剩磁狀態(tài)。在沒有外加磁場影響時(shí)，磁性材料的正、負(fù)兩個(gè)剩磁狀態(tài)可以長期保持。因此，利用這兩個(gè)剩磁狀態(tài)分別表示二進(jìn)制數(shù)字“1”和“0”，就可以實(shí)現(xiàn)信息存儲。磁表面存儲器使用磁頭來對磁性材料實(shí)施磁化，即在磁性材料上產(chǎn)生正/負(fù)剩磁狀態(tài)；這稱為對磁表面存儲器的寫操作。執(zhí)行讀操作時(shí)，同樣用磁頭來判別磁性材料上的剩磁方向，進(jìn)而形成二進(jìn)制數(shù)字“1”或“0”。磁頭和磁記錄介質(zhì)之間做相對運(yùn)動(dòng)，通過相互之間的電磁感應(yīng)完成信息的寫入和讀出。寫入操作時(shí)，在磁頭寫線圈中通過一定方向和強(qiáng)度的寫電流Iw，就會(huì)在磁頭鐵芯中形成一定方向和強(qiáng)度的磁場。磁力線在間隙處形成漏磁場，使磁頭間隙下方的一個(gè)微小區(qū)域被磁化，形成一個(gè)磁化元。磁頭在磁記錄介質(zhì)表面記錄信息形成的磁化元軌跡，稱為磁道。讀出操作時(shí)，磁頭寫線圈中不加電流。當(dāng)記錄著信息的磁道在磁頭下方勻速通過時(shí)，磁化元產(chǎn)生的磁力線被磁頭的鐵芯切割，從而在讀出線圈的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓e。根據(jù)感應(yīng)電壓e的極性，可以確定讀出的數(shù)據(jù)是1，還是0。2．磁記錄方式磁記錄方式是一種編碼方法，它按某種規(guī)律，將一串二進(jìn)制數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成寫電流波形，以便在磁記錄介質(zhì)上產(chǎn)生相應(yīng)的磁化狀態(tài)。磁記錄方式對記錄密度和可靠性有很大的影響。常見的磁記錄方式有：歸零制（RZ）、不歸零制（NRZ）、見1就翻的不歸零制（NRZ1）、調(diào)相制（PM）、調(diào)頻制（FM）和改進(jìn)的調(diào)頻制（MFM）等6種。下圖所示，為這6種磁記錄方式的寫電流波形，也是磁記錄介質(zhì)上相應(yīng)位置所記錄的理想磁化狀態(tài)或強(qiáng)度波形。評價(jià)一種磁記錄方式的性能，主要是看它的編碼效率和自同步能力。編碼效率是指位密度與最大磁化翻轉(zhuǎn)密度之比所以，NRZ、NRZ1和MFM這三種記錄方式的編碼效率為100%；PM和FM這兩種記錄方式的編碼效率為50%。編碼效率越高，在相同長度的磁道上可記錄的信息量就越大，記錄密度就越高。如MFM的記錄密度就是FM的兩倍。從磁表面存儲器讀出信號時(shí)，為了分離出數(shù)據(jù)信息，必須要有時(shí)間基準(zhǔn)信號，稱為同步信號。為了在讀數(shù)據(jù)時(shí)能夠取得同步信號，可以在記錄數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)將同步信號記錄在一條專門設(shè)置的磁道中；這種方法稱為外同步。由于同步信號也要占用磁道，因此外同步法會(huì)降低數(shù)據(jù)信息的記錄密度。對于高密度的記錄系統(tǒng)，不能浪費(fèi)磁道來記錄同步信號，而是需要直接從讀出的數(shù)據(jù)（脈沖序列）中提取同步信號，這種方法稱為自同步。一種磁記錄方式的自同步能力，是指從磁道讀出的數(shù)據(jù)脈沖序列中提取同步時(shí)鐘脈沖的難易程度。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；比值R越大，自同步能力越強(qiáng)。如RNZR=RNZR1=0；RPM=RFM=RMFM=0.5。所以，PM、FM和MFM都有自同步能力。除了以上6種磁記錄方式外，還有廣泛應(yīng)用于高密度磁盤的游程長度受限碼RLLC，以及用于高密度磁帶存儲設(shè)備的成組編碼GCR（實(shí)際上也是一種RLLC）等。8.4.2硬磁盤存儲器硬磁盤存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最主要的輔存設(shè)備。硬磁盤是一種磁表面存儲器，它以鋁合金圓盤片作為盤基，盤面涂有磁性記錄層，通過磁頭進(jìn)行信息的記錄和讀出。1．硬磁盤存儲器的分類

⑴按磁頭的工作方式分類，硬磁盤存儲器可分為固定磁頭和移動(dòng)磁頭兩類。

固定磁頭硬磁盤存儲器的磁頭位置固定不動(dòng)，磁盤的每個(gè)磁道上都有一個(gè)磁頭。其特點(diǎn)是讀寫速度快。

移動(dòng)磁頭硬磁盤存儲器將一片或多片磁盤固定在旋轉(zhuǎn)主軸上，每個(gè)磁盤記錄面對應(yīng)一個(gè)磁頭。對于多個(gè)盤片的情況，為了控制方便，通常將所有磁頭裝在同一個(gè)支架上，由支架沿盤面做徑向移動(dòng)來帶動(dòng)磁頭移動(dòng)，如下圖所示。各磁頭總是位于離軸心距離相等的磁道上；這樣一組半徑相同的磁道稱為一個(gè)柱面。

⑵按磁盤是否可更換分類，硬磁盤存儲器可分為可換盤和固定盤兩類。

可換盤硬磁盤存儲器在不用時(shí)，可將磁盤片從驅(qū)動(dòng)器中取出脫機(jī)保存，使用時(shí)再重新裝入驅(qū)動(dòng)器。這就使得相互兼容的磁盤存儲器之間可以互換磁盤，便于交換數(shù)據(jù)。

固定盤硬磁盤存儲器中的磁盤不能從驅(qū)動(dòng)器中取出，磁盤及其驅(qū)動(dòng)器組合在一起，封裝在一個(gè)鋁合金外殼內(nèi)，不能隨意拆卸。目前應(yīng)用最廣，最具代表性的的硬磁盤存儲器是溫徹斯特磁盤存儲器（簡稱溫盤），它是一種固定盤移動(dòng)磁頭硬磁盤存儲器。

溫盤的主要特點(diǎn)是，將磁頭、盤片、驅(qū)動(dòng)部件以及讀寫電路等制成一個(gè)不可隨意拆卸的整體，稱為頭盤組合體；這是一種密封組合式的硬磁盤。溫盤具有防塵性好、運(yùn)行可靠性高、存取速度快、存儲密度大、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。2．硬磁盤存儲器的組成硬磁盤存儲器由硬磁盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）、硬磁盤控制器（HDC）和磁盤片三大部分組成。硬磁盤驅(qū)動(dòng)器主要由定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和盤組組成。下圖是硬磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。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)部件和運(yùn)載部件（也稱為磁頭小車）組成。定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式主要有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種。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)。它的主要部件是主軸電機(jī)和有關(guān)控制電路。數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的作用是控制數(shù)據(jù)的寫入和讀出。它包括磁頭、磁頭選擇電路、讀寫電路和索引區(qū)標(biāo)電路等。硬磁盤控制器是主機(jī)與硬磁盤驅(qū)動(dòng)器之間的適配器。它有兩個(gè)接口，一個(gè)是與主機(jī)的接口，控制硬磁盤存儲器與主機(jī)總線之間交換數(shù)據(jù)；另一個(gè)是與硬磁盤驅(qū)動(dòng)器的接口，根據(jù)主機(jī)的命令控制硬磁盤存儲器的操作。前者稱為系統(tǒng)級接口，后者稱為設(shè)備級接口。系統(tǒng)級接口的任務(wù)是比較清楚的，它只和主機(jī)系統(tǒng)總線打交道。但是，由于硬磁盤控制器與硬磁盤驅(qū)動(dòng)器之間的任務(wù)分工比較模糊，所以設(shè)備級接口的任務(wù)也是不固定的。如下圖所示。3．硬磁盤的數(shù)據(jù)記錄格式為了明確信息存放的具體位置，需要給記錄面和磁道編號（均從0號開始），分別稱為記錄面號（或盤面號）和磁道號。同一個(gè)記錄面上的各個(gè)磁道從外向內(nèi)依次編號，即半徑最大的磁道為第0道，半徑最小的磁道為第n道（設(shè)n為最大磁道號）。顯然，柱面號與磁道號是一致的；而記錄面號則與磁頭號對應(yīng)。為了減少磁頭移動(dòng)，同一個(gè)文件的內(nèi)容盡可能存放在同一條磁道上；如果一條磁道容納不下整個(gè)文件，則將文件的剩余內(nèi)容存放在同一柱面的其他磁道上；如果一個(gè)柱面仍存不下整個(gè)文件，才會(huì)將磁頭移動(dòng)到另一個(gè)柱面繼續(xù)存儲。每啟動(dòng)一次硬磁盤存儲器，至少要與主機(jī)交換一個(gè)數(shù)據(jù)塊。磁盤上的一個(gè)基本數(shù)據(jù)快稱為一個(gè)扇區(qū)（或記錄塊），它是磁道上的一段，一個(gè)磁道被等分成多個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)的編號稱為扇區(qū)號，如下圖所示。為了準(zhǔn)確劃定每個(gè)扇區(qū)，需要確定磁道的起始位置，這個(gè)起始位置稱為磁道“索引”。索引檢索電路在檢索到索引標(biāo)志時(shí)，可產(chǎn)生脈沖信號，定出磁道的起始位置。每個(gè)扇區(qū)開始時(shí)，也由硬磁盤控制器產(chǎn)生一個(gè)扇標(biāo)脈沖，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即為一個(gè)扇區(qū)。扇區(qū)是磁盤上的最小物理存儲單位，通常，一個(gè)扇區(qū)可存儲512字節(jié)的數(shù)據(jù)。對硬磁盤的讀寫操作是以扇區(qū)為單位一位一位串行進(jìn)行的。下圖所示，為數(shù)據(jù)在硬磁盤上的記錄格式和數(shù)據(jù)的磁盤地址格式示例。由于每個(gè)扇區(qū)的信息容量相同，因此，這種數(shù)據(jù)記錄格式也稱為定長數(shù)據(jù)記錄格式。硬磁盤在工作時(shí)是以恒定角速度旋轉(zhuǎn)的，因此，磁頭在每個(gè)磁道上所能記錄的信息量都是一樣的。當(dāng)然，不同周長的磁道，其信息記錄密度是不一樣的。

4．硬磁盤存儲器的技術(shù)指標(biāo)⑴存儲密度存儲密度是指單位長度或單位面積磁記錄介質(zhì)所存儲的二進(jìn)制信息量。對硬磁盤存儲器，存儲密度又分為道密度、位密度和面密度。道密度是指沿磁盤半徑方向單位長度的磁道數(shù)，單位是道/英寸（tpi）。位密度是指單位長度磁道所能記錄的二進(jìn)制信息位數(shù)，單位是位/英寸（bpi）。面密度是位密度與道密度的乘積，單位是位/平方英寸。⑵存儲容量存儲容量是指硬磁盤存儲器所能存儲的二進(jìn)制信息總量，一般以字節(jié)為計(jì)量單位。硬磁盤存儲器有格式化容量和非格式化容量兩個(gè)指標(biāo)。格式化容量也就是用戶實(shí)際可以使用的存儲容量，一般是非格式化容量的60%~70%。⑶平均尋址時(shí)間尋址時(shí)間包含兩部分：一是磁頭從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)磁道所需的時(shí)間，稱為尋道時(shí)間ts；二是磁頭到達(dá)目標(biāo)磁道后，等待所需讀寫的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到它下方所需的時(shí)間，稱為等待時(shí)間tw。

由于每次的尋道時(shí)間和等待時(shí)間具有不確定性，實(shí)際分析時(shí)使用的是平均尋道時(shí)間tsa和平均等待時(shí)間twa；而平均尋址時(shí)間Ta即為tsa與twa之和⑷數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率是指硬磁盤存儲器在單位時(shí)間內(nèi)與主機(jī)之間傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)或字節(jié)數(shù)，用Dr表示。如果磁盤轉(zhuǎn)速為n轉(zhuǎn)/秒，每條磁道的容量為N個(gè)字節(jié)，則數(shù)據(jù)傳輸率Dr

=nN(字節(jié)/秒)；數(shù)據(jù)傳輸率也可用某條磁道的位密度D與該磁道旋轉(zhuǎn)的線速度v之積來表示，即Dr

=Dv(位/秒)。⑸誤碼率誤碼率是衡量硬磁盤存儲器出錯(cuò)概率的參數(shù)，它定義為從硬磁盤存儲器讀出的錯(cuò)誤信息位數(shù)與讀出的總信息位數(shù)之比。為了降低誤碼率，硬磁盤存儲器通常采用CRC碼來檢錯(cuò)與糾錯(cuò)。

【例8.1】設(shè)硬磁盤存儲器的盤組有6片磁盤，每片磁盤有兩個(gè)記錄面，除頂面和底面不記錄信息外，其他記錄面均用于記錄信息。磁盤存儲區(qū)域的內(nèi)徑為22cm，外徑為33cm，道密度為40道/cm，最內(nèi)道的位密度為400位/cm，磁盤轉(zhuǎn)速為3600轉(zhuǎn)/分。問：①盤組共有多少柱面？②盤組的總存儲容量是多少？③數(shù)據(jù)傳輸率是多少？

解：①柱面數(shù)等于每面磁道數(shù)。磁道分布在盤面的一個(gè)環(huán)狀區(qū)域內(nèi)，環(huán)狀區(qū)域的寬度為(33-22)/2=5.5(cm)因?yàn)榈烂芏葹?0道/cm，因此有柱面數(shù)=每面磁道數(shù)=40×5.5=220②最內(nèi)道的周長為3.14×22=69.08(cm)因?yàn)樽顑?nèi)道的位密度為400位/cm，因此，最內(nèi)道的容量是400×69.08=27632(位)=3454(字節(jié))因?yàn)槊織l磁道的信息容量相同，且每個(gè)記錄面有220個(gè)磁道，共有10個(gè)可用的記錄面，因此有盤組總存儲容量=3454×220×10=7598800(字節(jié))③因?yàn)槊織l磁道的信息容量為3454字節(jié)，磁盤轉(zhuǎn)速為3600轉(zhuǎn)/分，因此有數(shù)據(jù)傳輸率=3454×3600÷60=207240(字節(jié)/秒)

【例8.2】設(shè)硬磁盤存儲器的盤組有6片磁盤，每片磁盤有兩個(gè)記錄面，除頂面和底面不記錄信息外，其他記錄面均用于記錄信息。每個(gè)記錄面有200個(gè)磁道，每個(gè)磁道有18個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)可記錄512B，磁盤轉(zhuǎn)速為5400rpm，平均尋道時(shí)間為10ms。①計(jì)算該硬磁盤存儲器的總存儲容量。②計(jì)算該硬磁盤存儲器的平均尋址時(shí)間。

解：①盤組共有10個(gè)可用的記錄面，所以該硬磁盤存儲器的總存儲容量為512×18×200×10=18432000(B)②平均尋址時(shí)間是平均尋道時(shí)間與平均等待時(shí)間之和。平均等待時(shí)間是磁盤旋轉(zhuǎn)半周所需的時(shí)間平均等待時(shí)間=(60÷5400)×0.5≈0.00556(s)=5.56ms平均尋址時(shí)間=平均尋道時(shí)間+平均等待時(shí)間=10+5.56=15.56(ms)

【例8.3】設(shè)硬磁盤存儲器的盤組有11片磁盤，每片磁盤有兩個(gè)記錄面，除頂面和底面不記錄信息外，其他記錄面均用于記錄信息。每個(gè)記錄面有203個(gè)磁道，每個(gè)扇區(qū)可記錄1024B，磁盤轉(zhuǎn)速為3600rpm，數(shù)據(jù)傳輸率為983040Bps。假設(shè)系統(tǒng)可連接16臺這種硬磁盤存儲器。計(jì)算這種硬磁盤存儲器的扇區(qū)數(shù)和總?cè)萘?，并設(shè)計(jì)磁盤地址格式。

解：因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸率=一個(gè)磁道的容量×磁盤轉(zhuǎn)速=983040Bps磁盤轉(zhuǎn)速=3600rpm=60rps所以一個(gè)磁道的容量=983040÷60=16384(B)因?yàn)橐粋€(gè)扇區(qū)有1024B，盤組共有20個(gè)可用的記錄面，故扇區(qū)數(shù)=16384÷1024=16總?cè)萘?16384×203×20=66519040(B)根據(jù)圖8.16(b)，磁盤地址格式可設(shè)計(jì)如下5．磁盤cache磁盤存儲器是在DMA控制下直接與主存交換數(shù)據(jù)的，為了彌補(bǔ)磁盤存儲器與主存之間的速度差異，在兩者之間設(shè)置cache，這就是磁盤cache。磁盤cache的一個(gè)cache塊（或行）可以容納若干個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)。磁盤cache的讀寫操作原理與cache-主存系統(tǒng)相似?，F(xiàn)在，大多數(shù)磁盤驅(qū)動(dòng)器都對磁盤cache使用了預(yù)取策略。目前，磁盤驅(qū)動(dòng)器上所帶的磁盤cache的容量一般在1MB~2MB，采用SRAM或DRAM器件組成。磁盤cache一次存取的數(shù)據(jù)量大，相對CPU與主存之間的cache而言，速度要求較低，但管理工作較復(fù)雜。因此，磁盤cache的管理和實(shí)現(xiàn)一般用硬件和軟件共同完成。8.4.3磁盤陣列存儲器1．磁盤陣列概述磁盤陣列又稱廉價(jià)磁盤冗余陣列（RedundantArrayofInexpensiveDisks，簡稱RAID），是用多臺磁盤存儲器組成的大容量輔存系統(tǒng)。RAID的基本思想是將數(shù)據(jù)分塊，然后交錯(cuò)存儲在多個(gè)磁盤上，并使這些磁盤可以并行存取。除了并行處理能力外，很多RAID方案還設(shè)置冗余磁盤來存儲校驗(yàn)信息，以便在數(shù)據(jù)磁盤損壞時(shí)，能夠恢復(fù)被損壞的數(shù)據(jù)。因此，RAID技術(shù)既能提高輔存系統(tǒng)的I/O性能，又能提高輔存系統(tǒng)的可靠性。工業(yè)上通過了一個(gè)RAID標(biāo)準(zhǔn)方案，該方案分為7級（0~6級），每一級都是對以下三個(gè)特性的不同設(shè)計(jì)方案：

⑴RAID是一組物理磁盤驅(qū)動(dòng)器，在操作系統(tǒng)下被視為一個(gè)單一的邏輯驅(qū)動(dòng)器。

⑵數(shù)據(jù)被分布在一個(gè)物理驅(qū)動(dòng)器陣列的各個(gè)驅(qū)動(dòng)器上。

⑶冗余磁盤空間被用來存儲奇偶校驗(yàn)信息，以保證在發(fā)生磁盤故障時(shí)能恢復(fù)數(shù)據(jù)。2．RAID方案⑴RAID0級（無冗余）RAID0級沒有設(shè)置冗余磁盤來改善可靠性，但它有著最高的I/O性能和磁盤空間利用率。

無論哪一級RAID方案，都是把用戶和系統(tǒng)數(shù)據(jù)看作是存儲在一個(gè)邏輯磁盤上。這個(gè)邏輯磁盤被劃分為若干“條”（strip）；“條”可以是物理塊、扇區(qū)或其他一些單位。這些數(shù)據(jù)條被按一定的規(guī)律映射到磁盤陣列中的各個(gè)磁盤上。RAID0級磁盤陣列的數(shù)據(jù)映射方式如下圖所示。如果一次I/O請求涉及到邏輯上相鄰的多個(gè)數(shù)據(jù)條，只要數(shù)據(jù)條數(shù)不超過物理盤數(shù)，則該I/O請求能按并行方式處理。當(dāng)然，提高I/O傳輸效率還需要主存與各個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器之間的整個(gè)傳輸通道都具有高速傳輸?shù)哪芰?。在面向事?wù)的應(yīng)用環(huán)境中，每秒鐘可能有上百個(gè)I/O請求，但每個(gè)I/O請求只涉及少量的數(shù)據(jù)。在這種情況下，磁盤陣列通過在多個(gè)磁盤上平衡I/O負(fù)載，也能提供高I/O執(zhí)行率。條的大小也會(huì)影響性能。如果條相對較大，使得一個(gè)單一的I/O請求只涉及到訪問一個(gè)磁盤，則多個(gè)處于等待狀態(tài)的I/O請求就可以得到并行處理。⑵RAID1級（鏡像冗余）RAID1在RAID0的基礎(chǔ)上，通過備份所有數(shù)據(jù)的方法來實(shí)現(xiàn)冗余。因此，RAID1的每個(gè)數(shù)據(jù)磁盤都有一個(gè)鏡像磁盤（冗余磁盤）與之對應(yīng)。RAID1對磁盤故障的恢復(fù)很簡單。主要缺點(diǎn)是成本高。在面向事務(wù)的環(huán)境中，如果大量的請求都是讀操作，則RAID1可以獲得高I/O速率，其性能可以達(dá)到RAID0的兩倍。⑶RAID2級（以海明碼作為冗余）RAID2級采用了并行訪問技術(shù)。在并行訪問的磁盤陣列中，每個(gè)I/O請求都要所有磁盤參與執(zhí)行。RAID2級所分的條很小，經(jīng)常只有一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字。RAID2根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)盤上相應(yīng)的數(shù)據(jù)位計(jì)算一個(gè)糾錯(cuò)碼，并將糾錯(cuò)碼的各位存于多個(gè)奇偶校驗(yàn)盤上相應(yīng)的位位置。糾錯(cuò)碼一般采用海明碼。若數(shù)據(jù)磁盤為4個(gè)，則RAID2結(jié)構(gòu)的磁盤冗余陣列如下圖所示。設(shè)條的大小為一個(gè)字節(jié)，以上圖中第一行為例，其數(shù)據(jù)碼與糾錯(cuò)碼各位之間的關(guān)系如下表所示。RAID2數(shù)據(jù)碼與糾錯(cuò)碼各位之間的關(guān)系表中每一行組成一個(gè)海明碼（HMC0~HMC7），其中包含4位數(shù)據(jù)碼和3位校驗(yàn)碼。B0

B1

B2

B3F0(0~3)

F1(0~3)

F2(0~3)海明碼B00B10B20B30F0(0~3)0

F1(0~3)0F2(0~3)0B01B11B21B31F0(0~3)1

F1(0~3)1F2(0~3)1B02B12B22B32F0(0~3)2

F1(0~3)2F2(0~3)2B03B13B23B33F0(0~3)3

F1(0~3)3F2(0~3)3B04B14B24B34F0(0~3)4

F1(0~3)4F2(0~3)4B05B15B25B35F0(0~3)5

F1(0~3)5F2(0~3)5B06B16B26B36F0(0~3)6

F1(0~3)6F2(0~3)6B07B17B27B37F0(0~3)7

F1(0~3)7F2(0~3)7HMC0HMC1HMC2HMC3HMC4HMC5HMC6HMC7對一個(gè)單一的讀操作，所有磁盤被同時(shí)訪問。所請求的數(shù)據(jù)及相關(guān)的糾錯(cuò)碼被提交給陣列控制器。如果只有1位出錯(cuò)，陣列控制器可以立即發(fā)現(xiàn)并糾正之，讀操作的時(shí)間不會(huì)因此延緩。對一個(gè)單一的寫操作，則需要寫所有數(shù)據(jù)盤及奇偶校驗(yàn)盤。RAID2成本較高，只在磁盤錯(cuò)誤多發(fā)的環(huán)境下是一種有效的選擇。⑷RAID3級（位交錯(cuò)奇偶校驗(yàn)）與RAID2一樣，RAID3也以小條進(jìn)行數(shù)據(jù)分布，并采用并行訪問方式。不同的是，無論磁盤陣列有多大，RAID3只使用一個(gè)冗余磁盤。冗余盤上的每一位，都是根據(jù)各數(shù)據(jù)盤相同位置上的數(shù)據(jù)位計(jì)算出來的一個(gè)簡單的奇偶校驗(yàn)位。RAID3的磁盤冗余陣列如下圖所示。B0

B1

B2

B3P(0~3)（用偶校驗(yàn)）B00B10B20B30B01B11B21B31B02B12B22B32B03B13B23B33B04B14B24B34B05B15B25B35B06B16B26B36B07B17B27B37P(0~3)0=B00⊕B10⊕B20⊕B30P(0~3)1=B01⊕B11⊕B21⊕B31P(0~3)2=B02⊕B12⊕B22⊕B32P(0~3)3=B03⊕B13⊕B23⊕B33P(0~3)4=B04⊕B14⊕B24⊕B34P(0~3)5=B05⊕B15⊕B25⊕B35P(0~3)6=B06⊕B16⊕B26⊕B36P(0~3)7=B07⊕B17⊕B27⊕B37如果發(fā)生驅(qū)動(dòng)器故障，RAID3可以很方便地完成數(shù)據(jù)重建。考慮一個(gè)如上圖所示的由5個(gè)驅(qū)動(dòng)器組成的陣列，設(shè)X0~X3為數(shù)據(jù)盤，X4為奇偶校驗(yàn)盤。第i位的奇偶校驗(yàn)式如下：X4(i)=X3(i)⊕X2(i)⊕X1(i)⊕X0(i)假設(shè)驅(qū)動(dòng)器X1發(fā)生了故障，我們可在以上等式的兩邊同時(shí)異或X4(i)⊕X1(i)，得X1(i)=X4(i)⊕X3(i)⊕X2(i)⊕X0(i)可見，X1上任意一個(gè)數(shù)據(jù)條的內(nèi)容，都可以用陣列中其他磁盤上對應(yīng)條的內(nèi)容來生成。在有一個(gè)磁盤發(fā)生故障的情況下，所有數(shù)據(jù)仍能在一種簡化模式下使用。

因?yàn)槿魏蜪/O請求都將從所有數(shù)據(jù)盤并行傳輸數(shù)據(jù)，所以RAID3可以獲得非常高的數(shù)據(jù)傳輸率。但由于一次只能執(zhí)行一個(gè)I/O請求，因此，在面向事務(wù)的環(huán)境中，RAID3的性能會(huì)受到損失。⑸RAID4級（塊級奇偶校驗(yàn)）RAID4級到6級采用的是獨(dú)立訪問技術(shù)。在一個(gè)獨(dú)立訪問的磁盤陣列中，每個(gè)磁盤的操作都是獨(dú)立的，因此，不同的I/O請求可以并行處理。正因?yàn)槿绱?，?dú)立訪問陣列更適合于要求高I/O請求率的應(yīng)用。RAID4級到6級的數(shù)據(jù)條相對較大。對RAID4，奇偶校驗(yàn)條根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)盤上的對應(yīng)條逐位計(jì)算出來（與RAID3相同），并存于奇偶校驗(yàn)盤。一個(gè)具有5個(gè)驅(qū)動(dòng)器的RAID4級陣列如圖所示。設(shè)X0~X3表示4個(gè)數(shù)據(jù)盤，X4表示奇偶校驗(yàn)盤，則各個(gè)盤上第i位有如下關(guān)系：X4(i)=X3(i)⊕X2(i)⊕X1(i)⊕X0(i)如果一個(gè)數(shù)據(jù)量較大的I/O寫操作涉及到所有數(shù)據(jù)盤，則只要用新的數(shù)據(jù)位，就能按上式計(jì)算出奇偶校驗(yàn)位。奇偶校驗(yàn)盤可以與各數(shù)據(jù)盤并行更新。當(dāng)執(zhí)行一個(gè)小數(shù)據(jù)量的I/O寫操作時(shí)，RAID4需要付出額外的讀寫代價(jià)。設(shè)某個(gè)寫操作只涉及到X1盤上的一個(gè)條，更新后，對可能被改變的位加撇號（’）標(biāo)識，則有

X4’(i)=X3(i)⊕X2(i)⊕X1’(i)⊕X0(i)=X3(i)⊕X2(i)⊕X1’(i)⊕X0(i)⊕X1(i)⊕X1(i)=X4(i)⊕X1(i)⊕X1’(i)可見，為了計(jì)算新的奇偶校驗(yàn)條，陣列管理軟件必須讀出舊的數(shù)據(jù)條（X1）和舊的奇偶校驗(yàn)條（X4），然后，分別用新的數(shù)據(jù)條（X1’）和新計(jì)算出來的奇偶校驗(yàn)條（X4’）更新這兩個(gè)條。每個(gè)寫操作都涉及校驗(yàn)盤，使其成為I/O瓶頸。⑹RAID5級（塊級分布式奇偶校驗(yàn)）RAID5有著與RAID4相似的組織方式；不同之處在于，RAID5將各奇偶校驗(yàn)條以輪轉(zhuǎn)的方式分布到所有磁盤上。這種方式避免了在RAID4中所看到的潛在的I/O瓶頸問題。如下圖所示。⑺RAID6級（雙重冗余）在RAID6方案中，進(jìn)行兩種不同的奇偶校驗(yàn)計(jì)算，并在不同的磁盤上分不同的塊存放計(jì)算結(jié)果。因此，一個(gè)需要N個(gè)用戶數(shù)據(jù)磁盤的RAID6陣列，要用N+2個(gè)磁盤組成，如下圖所示。P和Q是兩種不同的數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法。按照RAID6方案，即使有兩個(gè)用戶數(shù)據(jù)盤發(fā)生故障，仍然可以再生數(shù)據(jù)。RAID6的優(yōu)點(diǎn)是提供了非常高的數(shù)據(jù)可用性；只有在平均修理時(shí)間（MTTR）間隔內(nèi)，有3個(gè)磁盤發(fā)生故障，才會(huì)使數(shù)據(jù)無法使用。但是，RAID6受到實(shí)質(zhì)性的寫操作損失，因?yàn)槊看螌懖僮饕绊憙蓚€(gè)奇偶校驗(yàn)塊。8.4.4光盤存儲器光盤是指利用光學(xué)方式讀寫信息的圓盤。應(yīng)用激光在某種介質(zhì)上寫入信息，然后再利用激光讀出信息的技術(shù)，稱為光存儲技術(shù)。如果光存儲使用的介質(zhì)是磁性材料，亦即利用激光在磁記錄介質(zhì)上存儲信息，就稱為磁光存儲。激光的一個(gè)主要特點(diǎn)就是可以聚焦成能量高度集中的小光點(diǎn)，其直徑小于1μm，這使得光盤存儲器可以獲得很高的存儲密度和很大的存儲容量。1．只讀型光盤（CD-ROM）只讀型光盤采用與音頻CD類似的技術(shù)，由生產(chǎn)廠家預(yù)先寫入數(shù)據(jù)或程序，用戶只能讀取其中所存的信息，而不能對其重寫或修改。因此，只讀型光盤也稱為CD-ROM。與音頻CD一樣，CD-ROM的直徑為120mm，厚度為1.2mm，中心有一個(gè)直徑為15mm的圓孔。CD-ROM的制造方法也與音頻CD相同。CD-ROM盤基上分布著一系列的凹坑，讀信息時(shí)，由激光讀盤頭（簡稱激光頭）發(fā)出低能量紅外激光束照射盤面，在凹坑邊沿和其他地方形成的反射光有強(qiáng)弱差異，這種差異可由光傳感器測知并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號0和1。CD-ROM的盤片結(jié)構(gòu)及信息記錄方式如下所示。為了解決實(shí)際數(shù)據(jù)中連續(xù)兩個(gè)或兩個(gè)以上“1”的記錄問題，CD-ROM對所記錄信息的0游程長度做了要求，規(guī)定兩個(gè)“1”之間至少有2個(gè)“0”，最多不超過10個(gè)“0”。為了滿足0游程長度的要求，CD-ROM把一個(gè)8位字節(jié)轉(zhuǎn)換成一個(gè)14位的通道碼，稱為EFM碼（8位到14位調(diào)制碼）。14位通道碼共有16384（214）種，從中選出符合上述0游程長度要求的256種通道碼，與8位字節(jié)的256個(gè)碼字形成一一對應(yīng)的關(guān)系。當(dāng)從CD-ROM讀取數(shù)據(jù)時(shí)，采用硬件查表法將一個(gè)14位通道碼轉(zhuǎn)換為一個(gè)8位字節(jié)。為了保證兩個(gè)相鄰的通道碼之間也滿足0游程長度的要求，需要在兩個(gè)通道碼之間再加上3位合并位來控制0游程長度。因此，一個(gè)字節(jié)在CD-ROM上被編成一個(gè)14+3=17位通道碼。CD-ROM的信息記錄軌道是一條連續(xù)的螺旋線?？啼浶畔r(shí)，是由內(nèi)而外沿螺旋軌道進(jìn)行的。為了保證高信息記錄密度，CD-ROM采用了恒定線速度（CLV）的旋轉(zhuǎn)方式。因此，螺旋軌道上的信息記錄密度是恒定的。恒定線速度帶來了可變的角速度；因此，CD-ROM驅(qū)動(dòng)器采用的是可變速電機(jī)；由于要經(jīng)常變速，這種電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低。典型地，螺旋軌道相鄰兩圈的中心間距為1.6μm，光盤沿半徑的可記錄寬度為32.55mm（即32550μm），螺旋軌道的圈數(shù)為20344圈，軌道的總長約為5.27km。CD-ROM的恒定線速度為1.2m/s，由此可以計(jì)算出激光頭讀完整張光盤大約需要73.2分鐘。CD-ROM的數(shù)據(jù)記錄格式如下圖所示。CD-ROM以24個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)為一幀；24字節(jié)的數(shù)據(jù)加上各4字節(jié)的P和Q校驗(yàn)碼，再加上一個(gè)字節(jié)的控制子碼，形成33字節(jié)的幀主體。幀主體中的每個(gè)字節(jié)都被編成一個(gè)17位通道碼。在將一個(gè)幀記錄到CD-ROM上時(shí)，還要加上24位（3字節(jié)）幀同步信息，幀同步信息與子碼之間還需要3位合并位，因此，CD-ROM上一個(gè)幀的總長度是17×33+24+3=588位，在螺旋軌道上大約占據(jù)0.163mm。進(jìn)一步，CD-ROM規(guī)定以98幀組成一個(gè)扇區(qū)，共24×98=2352字節(jié)。扇區(qū)是CD-ROM的最小可尋址單位。各組成部分說明如下：⑴扇區(qū)同步。該字段標(biāo)志著一個(gè)扇區(qū)的開始。⑵首標(biāo)。包含有扇區(qū)地址和扇區(qū)模式信息。

扇區(qū)地址以時(shí)間的形式表示，具體包含分、秒和秒內(nèi)扇區(qū)號三部分（共3字節(jié)）。

扇區(qū)模式字節(jié)指出扇區(qū)數(shù)據(jù)字段的特征。模式0指出數(shù)據(jù)字段為空；模式1指出數(shù)據(jù)為2048字節(jié)，并使用糾錯(cuò)碼；模式2表示無糾錯(cuò)碼，數(shù)據(jù)為2048+288=2336字節(jié)。⑶數(shù)據(jù)。該字段為用戶數(shù)據(jù)字段。⑷糾錯(cuò)碼。該字段在模式1中為288字節(jié)的糾錯(cuò)碼，在模式2中為附加的用戶數(shù)據(jù)。CD-ROM的數(shù)據(jù)記錄格式中，由于增加了大量用于檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的冗余信息，降低了有效數(shù)據(jù)存儲率（對模式1，僅為28.4%）。CD-ROM是以犧牲有效數(shù)據(jù)存儲率為代價(jià)，來換取高可靠性。數(shù)據(jù)傳輸率是CD-ROM驅(qū)動(dòng)器的重要技術(shù)指標(biāo)。通常，將讀出速度為75扇區(qū)/秒的CD-ROM驅(qū)動(dòng)器稱為單速光驅(qū)。對扇區(qū)模式1，一個(gè)扇區(qū)包含2KB（2048字節(jié)）數(shù)據(jù)，因此，單速光驅(qū)的數(shù)據(jù)傳輸率為150KB/s，而數(shù)據(jù)傳輸率為300KB/s的光驅(qū)稱為雙速光驅(qū)，為600KB/s的稱為4速光驅(qū)，……，依此類推。一張CD-ROM光盤在單速光驅(qū)中工作時(shí)，其恒定線速度為1.2m/s，讀完整張光盤約需73.2分鐘，按扇區(qū)模式1計(jì)算，可得整張光盤的數(shù)據(jù)容量為(150KB/s)×60s×73.2=658800KB≈643.36MB。由于CD-ROM以恒定線速度工作，使得隨機(jī)訪問頗為困難。CD-ROM驅(qū)動(dòng)器的扇區(qū)尋找（或激光頭定位）時(shí)間比較長，通常為幾百毫秒，而硬磁盤驅(qū)動(dòng)器的平均尋址時(shí)間一般為十幾毫秒。因此，CD-ROM驅(qū)動(dòng)器的容量雖然大，但其性能與硬磁盤驅(qū)動(dòng)器并不在同一層次上。2．可刻錄光盤（CD-R）可刻錄光盤（CD-Recordable，簡稱CD-R）可由用戶使用光盤刻錄機(jī)將數(shù)據(jù)刻錄上去，之后，就可以像普通CD-ROM光盤一樣反復(fù)使用。CD-R只能寫一次，不能修改或擦除重寫。CD-R的外形尺寸與CD-ROM一樣，但用黃金做反射層，故看起來是金色的。CD-R記錄信息的原理與CD-ROM相同，但記錄信息的方法不同。CD-R的聚碳酸酯盤基與金質(zhì)反射層之間夾了一層特殊的染料（有綠色和淡橘黃色兩種）；在原始狀態(tài)下，染料層是透明的，激光束穿過它后可以由反射層反射回來?？啼洉r(shí)，高能激光束照射到染料層的某個(gè)點(diǎn)上，該點(diǎn)染料受熱，形成一個(gè)黑點(diǎn)。當(dāng)用低能量的激光束讀盤時(shí)，被刻錄過的黑點(diǎn)處與未被刻錄過的透明處就產(chǎn)生了不同的反射率。因此，CD-R上的黑點(diǎn)與CD-ROM上凹坑具有一樣的作用。3．可重寫光盤（CD-RW）可重寫光盤（CD-ReWritable，簡稱CD-RW）能像磁盤那樣重復(fù)地寫和改寫。盡管人們嘗試了多種制作CD-RW的方法，但其中唯一證明有價(jià)值的純光學(xué)方法被稱為相變法。相變盤的記錄層使用了一種特殊材料，這種材料有晶態(tài)和非晶態(tài)兩種相位狀態(tài)。在不同的相位狀態(tài)下，材料表現(xiàn)出明顯不同的光反射特性。在非晶態(tài)下，分子呈現(xiàn)隨機(jī)排列，材料的反光率很低；而在晶態(tài)下，材料具有光滑的表面，因此有很好的反光性。CD-RW驅(qū)動(dòng)器使用三種不同能量的激光束。高能量的激光束用于將材料從高反光率的晶態(tài)轉(zhuǎn)化為低反光率的非晶態(tài)，相當(dāng)于刻了一個(gè)凹坑；中等能量的激光束使材料重回其自然晶態(tài)；低能量激光束用于讀盤，不會(huì)造成材料的相變。CD-RW的主要缺點(diǎn)是，記錄材料經(jīng)過多次擦寫后，最終會(huì)因退化而永久地失去其相變特性；目前使用的材料可以反復(fù)擦寫50萬到100萬次。此外，CD-RW空白盤也要比CD-R空白盤貴許多。因此，CD-RW并沒有取代CD-R。4．磁-光盤（MO盤）磁-光盤（Magneto-Opticaldisk，簡稱MO盤）驅(qū)動(dòng)器利用激光來增強(qiáng)常規(guī)磁盤系統(tǒng)的性能。MO盤的記錄技術(shù)基本上還是磁記錄技術(shù)，但借助于激光，可以提高記錄密度，從而獲得更大的容量。MO盤表面所涂的記錄介質(zhì)只有在高溫條件下才能改變其磁化極性，因此，向盤上寫信息時(shí)，先用激光束對盤表面上的一個(gè)小點(diǎn)加熱，然后再施加一個(gè)磁場。當(dāng)該點(diǎn)冷卻后，就保留了與所加磁場對應(yīng)的磁化極性。由于磁化過程不會(huì)造成盤上涂層的物理改變，因此可以多次重復(fù)。MO盤的讀操作是純光學(xué)的。一個(gè)記錄點(diǎn)的磁化方向可用偏振激光（能量低于寫操作所用的激光）來檢測。根據(jù)磁光效應(yīng)，將偏振光照射在一個(gè)特定的磁化點(diǎn)上，反射回來的偏振光將根據(jù)該點(diǎn)的磁場方向改變其旋轉(zhuǎn)角度。與采用純光學(xué)技術(shù)的CD-RW相比，MO盤的使用壽命更長。MO技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，其每兆字節(jié)的價(jià)格要比磁盤存儲器低得多。5．?dāng)?shù)字視頻盤（DVD）數(shù)字視頻盤（DigitalVideoDisk，簡稱DVD）是一種容量比CD-ROM大得多的光盤存儲器。DVD最初是用來存放影視節(jié)目，現(xiàn)在已演變成數(shù)字多用途盤（DigitalVersatileDisk）。DVD的外觀、尺寸、所用材料以及記錄原理都與CD-ROM相同。為了增加存儲容量，DVD主要采取了以下措施：⑴使用波長較短的激光。CD-ROM使用紅外激光，而DVD使用紅色激光。減小激光波長，可以減小螺旋軌道間距和凹坑尺寸。⑵減小相鄰螺旋軌道之間的距離。CD-ROM的軌道間距為1.6μm，而DVD的軌道間距為0.74μm。⑶縮短最小凹坑的長度。CD-ROM的最小凹坑長度為0.83μm，而DVD的最小凹坑長度為0.4μm。⑷改變信號調(diào)制方式，采用更短的通道碼。CD-ROM將一個(gè)字節(jié)編成17位通道碼，而DVD則采用效率更高的16位通道碼。一張DVD的容量達(dá)到4.7GB，是一張CD-ROM的7倍。但這只是一張單面單層DVD的容量。為了獲得更大的容量，又推出了雙面記錄和多層記錄技術(shù)，具體有：單面雙層DVD（8.5GB）；雙面單層DVD（9.4GB）；雙面雙層DVD（17GB）。雙面單層DVD的制作很簡單，只要將兩張厚度為0.6mm的單面單層DVD背對背粘在一起即可。雙層技術(shù)是在盤的底面有一個(gè)反射層，在它的上面還有一個(gè)半反射層，根據(jù)激光束聚焦在哪一層上，來讀取相應(yīng)層上的信息。為了可靠地讀出信息，下面一層的凹、凸區(qū)尺寸要稍微大一些，因此這一層的容量要比上面一層的容量略小一些。由于所用的激光的波長不同，DVD驅(qū)動(dòng)器需要加裝紅外激光源，或者通過特殊的光學(xué)轉(zhuǎn)換將紅色激光轉(zhuǎn)換成紅外激光，才能讀取音頻CD和CD-ROM上的信息。但是，有的DVD驅(qū)動(dòng)器并未提供這個(gè)功能。此外，DVD驅(qū)動(dòng)器也可能無法讀出CD-R和CD-RW上的信息。8.5輸入輸出接口8.5.1輸入輸出接口的功能和基本結(jié)構(gòu)輸入輸出接口（簡稱I/O接口）是連接輸入輸出設(shè)備（簡稱I/O設(shè)備）與主機(jī)的連接電路，也稱為I/O模塊或I/O適配器。I/O接口實(shí)際上是將I/O設(shè)備與系統(tǒng)總線連接起來的連接電路。I/O設(shè)備與主機(jī)連接需要I/O接口的主要原因，是I/O設(shè)備與主機(jī)之間存在著各種差異，包括：⑴信號差異。I/O設(shè)備與主機(jī)在信號線的功能定義、邏輯電平定義、電平范圍定義以及時(shí)序關(guān)系等方面可能存在差異。⑵數(shù)據(jù)傳送格式差異。主機(jī)是以并行傳送方式在系統(tǒng)總線上傳送數(shù)據(jù)的，而一些I/O設(shè)備則屬于串行設(shè)備，只能以串行方式傳送數(shù)據(jù)。⑶數(shù)據(jù)傳送速度差異。主機(jī)的數(shù)據(jù)傳送速度遠(yuǎn)高于I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送速度。設(shè)置I/O接口，主要就是為了進(jìn)行信號與數(shù)據(jù)傳送格式的轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送速度的緩沖。由于主機(jī)與I/O設(shè)備是通過I/O接口連接的，因此，雙方各種信息的相互傳遞都要通過接口來完成。歸納起來，I/O接口通常具有如下功能：⑴控制功能。接口要協(xié)助主機(jī)完成對I/O設(shè)備的控制；為此，接口中設(shè)置了存放主機(jī)命令代碼的控制寄存器。⑵狀態(tài)反饋功能。接口中設(shè)置有狀態(tài)寄存器，用以存放I/O設(shè)備反饋的各種工作狀態(tài)信息。主機(jī)通過讀取狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，來了解I/O設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)，作為主機(jī)實(shí)施下一步操作的依據(jù)。⑶數(shù)據(jù)緩沖功能。為了協(xié)調(diào)主機(jī)與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送速度，雙方采用異步聯(lián)絡(luò)方式傳送數(shù)據(jù)。為此，接口中設(shè)置了數(shù)據(jù)緩沖寄存器（簡稱數(shù)據(jù)寄存器），用于數(shù)據(jù)暫存。⑷轉(zhuǎn)換功能。在主機(jī)與I/O設(shè)備之間進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換（包括并→串和串→并轉(zhuǎn)換，用移位寄存器來完成），起到轉(zhuǎn)換器的作用。⑸設(shè)備選擇功能。所謂設(shè)備選擇，實(shí)際上是指主機(jī)對I/O設(shè)備接口中的寄存器的選擇。這種選擇是通過寄存器地址進(jìn)行的，因此，接口中需要有地址譯碼電路，對主機(jī)發(fā)出的寄存器地址進(jìn)行譯碼，以確定主機(jī)要訪問的寄存器。⑹中斷控制功能。如果主機(jī)與I/O設(shè)備之間需要采用中斷方式傳送數(shù)據(jù)，則接口還要具備中斷請求、中斷響應(yīng)和中斷屏蔽等功能。一個(gè)I/O接口模塊一側(cè)是與主機(jī)系統(tǒng)總線連接的接口，另一側(cè)是與I/O設(shè)備連接的接口。接口模塊中那些可被主機(jī)訪問的寄存器通常被稱為端口；其中，數(shù)據(jù)寄存器被稱為數(shù)據(jù)端口，控制寄存器被稱為控制端口，狀態(tài)寄存器被稱為狀態(tài)端口。下圖所示，為I/O接口模塊的組成框圖。一個(gè)I/O接口模塊可以有多個(gè)I/O設(shè)備接口邏輯，連接多臺同類型的I/O設(shè)備。

接口模塊與主機(jī)一側(cè)的接口為并行接口；與I/O設(shè)備一側(cè)的接口既有并行接口，也有串行接口。如果是串行接口，則需要有并→串（對輸出設(shè)備）或串→并（對輸入設(shè)備）轉(zhuǎn)換的功能。不同類型的I/O設(shè)備對接口的要求是不同的。因此，沒有絕對通用的萬能I/O接口。8.5.2

I/O端口的編址方式I/O端口的編址方式有兩種：統(tǒng)一編址和獨(dú)立編址。1．統(tǒng)一編址I/O端口統(tǒng)一編址是指把I/O端口與主存單元統(tǒng)一編址，即把I/O端口與主存單元編在同一套地址當(dāng)中。在這樣的系統(tǒng)中，直接用訪問主存的指令來訪問I/O端口即可，不需要專門設(shè)計(jì)訪問I/O端口的指令。統(tǒng)一編址方式有以下優(yōu)點(diǎn)：①訪問I/O端口的指令種類多，功能齊全，不僅能對I/O端口進(jìn)行輸入輸出操作，而且能直接對端口中的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理；②可以給I/O端口以較大的編址空間，這對大型控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)很有意義。統(tǒng)一編址方式的缺點(diǎn)表現(xiàn)在：①用訪問主存的指令訪問I/O端口，無論是指令格式，還是尋址方式，都比較復(fù)雜，故執(zhí)行速度較慢；②I/O端口占據(jù)了一部分地址空間，使主存空間減小。2．獨(dú)立編址獨(dú)立編址是指把所有的I/O端口集中起來，單獨(dú)編一套地址。I/O端口地址的位數(shù)比主存地址位數(shù)少得多。

獨(dú)立編址方式下，需要設(shè)計(jì)專門的I/O端口訪問指令，稱為I/O指令。I/O指令通常只包含輸入指令和輸出指令兩類。CPU通過執(zhí)行I/O指令，來讀入外設(shè)狀態(tài)、與外設(shè)交換數(shù)據(jù)或?qū)ν庠O(shè)實(shí)施控制。獨(dú)立編址方式簡化了I/O指令的功能和尋址方式，縮短了I/O指令的長度，加快了I/O指令的執(zhí)行速度。專門的I/O指令也使程序的功能更加清晰，有利于程序的理解和調(diào)試。此外，I/O端口獨(dú)立編址不占用主存的地址空間。8.6輸入輸出數(shù)據(jù)傳送方式根據(jù)輸入輸出過程控制方式的不同，可將輸入輸出數(shù)據(jù)傳送方式分為程序查詢方式、程序中斷方式、直接存儲器訪問（DMA）方式、I/O通道方式和I/O處理機(jī)方式等5種。由于主機(jī)與I/O設(shè)備之間存在I/O模塊，所以，主機(jī)與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送，實(shí)際上是主機(jī)與I/O模塊之間的數(shù)據(jù)傳送。

8.6.1程序查詢方式程序查詢方式又稱為程序直接控制方式。這種傳送方式在CPU與I/O接口之間傳送數(shù)據(jù)。一次輸入輸出操作的全部過程，包括啟動(dòng)I/O設(shè)備、查詢設(shè)備狀態(tài)、發(fā)出讀/寫命令并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送等，是通過CPU執(zhí)行一段程序來直接控制的。為了配合I/O設(shè)備的工作速度，CPU在每次執(zhí)行I/O指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送之前，必須先查詢設(shè)備的工作狀態(tài)，只有在設(shè)備進(jìn)入“就緒”狀態(tài)時(shí)，CPU才能通過執(zhí)行I/O指令來完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出。CPU通過執(zhí)行一條輸入指令，從I/O接口中的狀態(tài)端口讀取設(shè)備狀態(tài)信息，然后執(zhí)行一條測試指令來查詢設(shè)備狀態(tài)。如下圖所示。如果設(shè)備尚未“就緒”，程序查詢方式需要CPU等待設(shè)備“就緒”。等待的過程實(shí)際上是CPU循環(huán)查詢設(shè)備狀態(tài)的過程。程序查詢方式采取CPU主動(dòng)請求I/O設(shè)備的方式進(jìn)行輸入輸出，使CPU將大量時(shí)間浪費(fèi)在循環(huán)查詢設(shè)備狀態(tài)上，故只適用于CPU不忙且數(shù)據(jù)傳送速度要求不高的系統(tǒng)。程序查詢方式的I/O接口功能比較簡單，如下圖所示。8.6.2程序中斷方式1．程序中斷方式概述程序中斷方式將數(shù)據(jù)交換的請求方改為I/O設(shè)備，而CPU則成為被動(dòng)響應(yīng)的一方。其基本思想是，由I/O設(shè)備在需要與CPU交換數(shù)據(jù)時(shí)（此時(shí)I/O設(shè)備已處于“就緒”狀態(tài)），主動(dòng)向CPU發(fā)出I/O請求，CPU在接到請求后作出響應(yīng)，暫?，F(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行一個(gè)服務(wù)程序，完成與I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，然后再返回到原來暫停的程序繼續(xù)執(zhí)行。CPU變主動(dòng)請求為被動(dòng)響應(yīng)后，不需要花時(shí)間去查詢和等待設(shè)備，因此大大提高了CPU的效率。采用程序中斷方式進(jìn)行輸入輸出的基本過程包含以下四個(gè)階段：⑴中斷請求。I/O設(shè)備在需要與CPU交換數(shù)據(jù)時(shí)，向CPU發(fā)出中斷請求信號。⑵中斷響應(yīng)。CPU執(zhí)行程序時(shí)，在每條指令結(jié)束之前，都要檢測中斷請求信號。如果有中斷請求，則CPU在當(dāng)前指令結(jié)束后，暫?，F(xiàn)行程序的執(zhí)行，響應(yīng)I/O設(shè)備的中斷請求，并為與I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換做必須的準(zhǔn)備工作。⑶中斷服務(wù)。CPU進(jìn)入與I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)的階段，這稱為中斷服務(wù)。CPU對I/O設(shè)備的中斷服務(wù)是通過執(zhí)行一段程序?qū)崿F(xiàn)的，這段程序稱為中斷服務(wù)程序。⑷中斷返回。CPU完成與I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，從中斷服務(wù)程序返回到原來執(zhí)行的程序，并從原來暫停的地方（即被I/O設(shè)備的中斷請求打斷的地方，也稱為“斷點(diǎn)”）繼續(xù)執(zhí)行下去。以上四個(gè)階段中，前兩個(gè)階段的工作是由硬件完成的，后兩個(gè)階段的工作則是由軟件完成的。因此，程序中斷方式是一種硬、軟件結(jié)合的輸入輸出方式。2．程序中斷方式的基本中斷控制邏輯為了實(shí)現(xiàn)中斷請求和響應(yīng)，I/O接口和CPU中都需要設(shè)計(jì)與中斷操作有關(guān)的電路，稱為中斷邏輯。下圖描述了程序中斷方式下，輸入設(shè)備接口和CPU中的中斷邏輯。接口模塊中，與中斷控制有關(guān)的邏輯有：⑴中斷允許觸發(fā)器。該觸發(fā)器控制設(shè)備能否向CPU發(fā)出中斷請求?？捎密浖O(shè)置。⑵設(shè)備狀態(tài)觸發(fā)器。狀態(tài)觸發(fā)器的輸出，就是設(shè)備的中斷請求信號。當(dāng)設(shè)備做好與CPU交換數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備時(shí)，狀態(tài)觸發(fā)器被置位，設(shè)備的中斷請求信號有效。⑶中斷向量產(chǎn)生邏輯?！爸袛嘞蛄俊笨梢灾苯邮侵袛喾?wù)程序在主存中的入口地址，也可以是用來獲取中斷服務(wù)程序入口地址的某種信息。CPU中與中斷控制有關(guān)的邏輯主要有：⑴中斷觸發(fā)器。當(dāng)中斷觸發(fā)器的狀態(tài)為1時(shí)，CP