《計(jì)算機(jī)組成原理》課件第7章

第7章輸入/輸出設(shè)備7.1輸入設(shè)備7.2輸出設(shè)備7.3輔助存儲(chǔ)器本章小結(jié)習(xí)題7

7.1輸入設(shè)備

7.1.1鍵盤

鍵盤是目前應(yīng)用最普遍的一種輸入設(shè)備，與顯示器組成終端設(shè)備。

鍵盤是由一組排列成陣列形式的按鍵開關(guān)組成的，每按下一個(gè)鍵，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的字符代碼(每個(gè)按鍵的位置碼)，然后將它轉(zhuǎn)換成ASCII碼或其他碼，傳送給主機(jī)。目前常用的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤有101個(gè)鍵，它除了提供通常的ASCII字符以外，還有多個(gè)功能鍵（由軟件系統(tǒng)定義功能）、光標(biāo)控制鍵（上、下、左、右移動(dòng)等）與編輯鍵（插入或消去字符）等。

IBMPC的鍵盤內(nèi)裝有Intel8048單片機(jī)來執(zhí)行鍵盤掃描（確定按鍵的位置碼）、鍵盤檢測(cè)、消去重鍵、自動(dòng)重發(fā)、掃描碼緩沖以及與主機(jī)間的通信等功能。

用于信息交換的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)代碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange,ASCII）如表7.1所示。

從表中可以看到：

（1）每個(gè)字符是用7位二進(jìn)制代碼表示的，其排列次序?yàn)閎6b5b4b3b2b1b0，在表中的b6b5b4為高位部分，b3b2b1b0為低位部分。而一個(gè)字符在計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)際是用8位二進(jìn)制代碼表示的。正常情況下，最高一位b7為0。在需要奇偶校驗(yàn)時(shí)，這一位可用于存放奇偶校驗(yàn)的值，此時(shí)稱這一位為校驗(yàn)位。（2）ASCII是128個(gè)字符組成的字符集。其中編碼值0～31不對(duì)應(yīng)任何可印刷（或稱有字形）字符，通常稱它們?yōu)榭刂谱址糜谕ㄐ趴刂苹驅(qū)τ?jì)算機(jī)設(shè)備的功能控制。編碼值為20H的是空格（或間隔）字符SP，編碼值為7FH的是刪除控制DEL碼，其余的94個(gè)字符稱為可印刷字符。如果把空格也計(jì)入可印刷字符，則有95個(gè)可印刷字符。請(qǐng)注意，這種字符編碼中有如下兩個(gè)規(guī)律：

①字符“0”～“9”這10個(gè)數(shù)字符的高3位編碼為011，低4位為0000～1001。當(dāng)去掉高3位的值時(shí)，低4位正好是二進(jìn)制形式的0～9。這既滿足正常的排序關(guān)系，又有利于完成ASCII碼與二進(jìn)制碼之間的轉(zhuǎn)換。②英文字母的編碼值滿足正常的字母排序關(guān)系，且大、小寫英文字母編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系相當(dāng)簡(jiǎn)便，差別僅表現(xiàn)在b5位的值為0或1，有利于大、小字母之間的編碼變換。

另有一種字符編碼，是主要用在IBM計(jì)算機(jī)中的擴(kuò)充的二—十進(jìn)制信息碼（ExtendedBinaryCodedDecimalInterchangeCode，EBCDIC）。它采用8位碼，有256個(gè)編碼狀態(tài)，但只選用其中一部分?！?”～“9”這10個(gè)數(shù)字符的高4位編碼為1111，低4仍為0000～1001。大、小寫英文字母的編碼均同樣滿足正常的排序要求，而且有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即同一個(gè)字母其大小寫的編碼值僅最高的第二位值不同，易于變換與識(shí)別。7.1.2鼠標(biāo)

鼠標(biāo)（mouse）是一種手持式的坐標(biāo)定位部件，由于它拖著一根長(zhǎng)線與接口相連，樣子像老鼠，由此得名。鼠標(biāo)以其快捷、準(zhǔn)確、直觀的屏幕定位和選擇能力而倍受歡迎，目前已成為計(jì)算機(jī)必備的輸入設(shè)備。

目前市面上流行的鼠標(biāo)有兩種：機(jī)械式和光電式。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(cè)方面有些差異，兩者相互之間可以直接替換。機(jī)械式鼠標(biāo)的底部中心有一個(gè)外表涂有橡膠的鋼球。當(dāng)鼠標(biāo)在桌面上滑動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)鋼球滾動(dòng)。鋼球靠著兩個(gè)靠輪，它們?cè)趶椈傻淖饔孟屡c鋼球之間保持一定壓力，當(dāng)鋼球滾動(dòng)時(shí)，靠輪隨著轉(zhuǎn)動(dòng)?？枯喌妮S端有一個(gè)柵輪，像車輪的輻條一樣，將輪面分成許多柵格。柵輪兩邊有光電檢測(cè)器，發(fā)光二極管發(fā)出的光線透過柵輪，照到另一邊的光敏三極管上，使其導(dǎo)通，在控制線路得到一個(gè)低電平。當(dāng)柵條擋住光線時(shí)，光敏三極管截止，得到高電平。隨著柵輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，就可產(chǎn)生一系列高低電平脈沖。CPU對(duì)這些脈沖計(jì)數(shù)，根據(jù)脈沖多少即可確定鼠標(biāo)移動(dòng)的距離。兩個(gè)靠輪軸相互垂直，分別代表X、Y方向的位移。光電鼠標(biāo)沒有機(jī)械滾動(dòng)部分，代之以兩對(duì)互成直角的光電探測(cè)器，分別代表X、Y方向。光電鼠標(biāo)必須在專用的板上滑動(dòng)。滑板用相互垂直的線條劃分成許多小方格。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光線照到板上的空白處時(shí)，光反射到光敏三極管上，使其導(dǎo)通，獲得低電平。若光照到線條上，則被線條吸收，無反射光線到光敏三極管上，光敏三極管截止，得到高電平。CPU對(duì)X、Y方向的高低脈沖計(jì)數(shù)，就可確定鼠標(biāo)的位移情況。

7.2輸出設(shè)備

7.2.1顯示器

1.顯示設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)

（1）分辨率和灰度級(jí)。

分辨率和灰度級(jí)是顯示器的兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。

分辨率（resolution）是指顯示設(shè)備所能表示的像素個(gè)數(shù)。像素越密，分辨率越高，圖像越清晰?；叶燃?jí)（graylevel）是指所顯示像素點(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。如果用4位表示一個(gè)像素，則只有16級(jí)灰度或

顏色，如果用8位表示一個(gè)像素，則有256級(jí)灰度或顏色。只有兩級(jí)灰度的顯示器稱為單色顯示器或黑白顯示器。具有多種顏色的顯示器稱為彩色顯示器。具有多種灰度級(jí)的黑白顯示器稱為多灰度級(jí)黑白顯示器。（2）刷新和幀存儲(chǔ)器。

CRT器件的發(fā)光是由電子束射在熒光粉上引起的。電子束掃過之后，其發(fā)光亮度只能維持短暫一瞬（大約幾十毫秒）便消失。為了使人眼能看到穩(wěn)定的圖像，就必須在圖像消失之前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（refresh）。每秒刷新的次數(shù)稱為刷新頻率或掃描頻率。結(jié)合人的視覺生理，刷新頻率應(yīng)大于30次/秒，人眼才不會(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（frame）圖像。為了不斷提供刷新圖像的信號(hào)，必須把整屏圖像存儲(chǔ)起來，存儲(chǔ)整屏圖像的存儲(chǔ)器稱為“幀存儲(chǔ)器”或“視頻存儲(chǔ)器”（VRAM）（電視不用幀存儲(chǔ)器也可以看到圖像，是因?yàn)殡娨暯邮諜C(jī)不斷接收從天線來的信號(hào)）。幀存儲(chǔ)器的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，幀存儲(chǔ)器容量越大。如分辨率為1024×1024，灰度級(jí)為256的圖像，存儲(chǔ)容量為1024×1024×8b＝1MB。幀存儲(chǔ)器的存取周期必須滿足刷新頻率的要求。容量和存取周期是幀存儲(chǔ)器的兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。（3）亮度。亮度的單位是坎德拉每平方米（cd/m2）。顯示器所需的亮度與環(huán)境的亮度有關(guān)。

（4）對(duì)比度。對(duì)比度是指顯示器畫面上最大亮度和最小亮度的比值。同一顯示器在暗室中其對(duì)比度要

大得多。要提高對(duì)比度，就必須提高顯示屏幕的亮度，同時(shí)還要降低顯示“黑色”時(shí)的亮度。

（5）隨機(jī)掃描和光柵掃描。CRT的電子束在熒光屏上按某種軌跡運(yùn)動(dòng)稱為掃描（scan），控制電子束掃描軌跡的電

路叫掃描偏轉(zhuǎn)電路。掃描方式有兩種：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。電子束只在需要作圖的地方掃描，而不必掃描全屏幕，所以這種掃描方式畫圖速度快，圖形清晰。

光柵掃描是電視中采用的掃描方法。在電視中，要求圖像充滿整個(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。逐行掃描就是從屏幕頂部開始一行接一行地掃描，一直到底，反復(fù)進(jìn)行。電視系統(tǒng)采用隔行掃描，它把一幀圖像分為奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)，1、3、5、7等奇數(shù)行構(gòu)成奇數(shù)場(chǎng)，0、2、4、6等偶數(shù)行構(gòu)成偶數(shù)場(chǎng)。我國(guó)電視標(biāo)準(zhǔn)是625行，奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)各312.5行。掃描順序是先偶數(shù)場(chǎng)，再奇數(shù)場(chǎng)，交替?zhèn)魉停棵腼@示50場(chǎng)。計(jì)算機(jī)中的CRT顯示器廣泛采用光柵掃描方式。

2.顯示設(shè)備種類

顯示設(shè)備種類繁多。按顯示設(shè)備所用的顯示器件分類，有陰極射線管（CathodeRayTube，CRT）顯示器、液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）和等離子體顯示器（PlasmaDisplayPanel，PDP）等。按顯示設(shè)備的功能分類，有普通顯示器和顯示終端兩大類。顯示器和顯示終端是兩個(gè)不同的概念。顯示器的功能簡(jiǎn)單，它只能用于接收視頻信號(hào)，其控制邏輯和存儲(chǔ)邏輯都在主機(jī)接口板中。目前使用的個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就是這種結(jié)構(gòu)。這種顯示器也稱做監(jiān)視器（monitor）。顯示終端是由顯示器和鍵盤組成的一套獨(dú)立完整的輸入/輸出設(shè)備，它可以通過標(biāo)

準(zhǔn)通信接口接到遠(yuǎn)離主機(jī)的地方使用。終端的結(jié)構(gòu)比顯示器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，它能夠完成顯示控制與存儲(chǔ)、鍵盤管理以及通信控制等功能，還可以完成簡(jiǎn)單的編輯操作。（1）陰極射線管（CRT）。

CRT是廣泛應(yīng)用的顯示器件之一，用于電視接收機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。

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。電子槍是陰極射線管的主要組成部分，包括燈絲、陰極、柵極、加速陽(yáng)極和聚焦極。CRT在加電以后，燈絲發(fā)熱，熱量輻射到陰極，陰極受熱便發(fā)射電子，電子束射到熒光屏上，熒光屏的內(nèi)壁涂有熒光粉，它將電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成光能，從而形成光點(diǎn)，由光點(diǎn)組成圖像。熒光粉的材料是多種金屬的化合物。不同的材料維持亮度的時(shí)間，即余輝時(shí)間不同，有長(zhǎng)余輝、中余輝和短余輝之分。另外，要求熒光粉的顆粒精細(xì)，以便保證圖像像素清晰。彩色CRT的像素間距為0.31mm，高質(zhì)量彩色CRT的像素間距是0.28mm。

彩色CRT有三個(gè)電子槍，分別對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)三基色的信號(hào)強(qiáng)弱。在熒光屏內(nèi)壁涂有彩色熒光粉，按三基色疊加原理形成彩色圖像。

（2）平板顯示器。平板顯示器（FPD）一般是指顯示器的深度小于顯示屏幕對(duì)角線1/4長(zhǎng)度的顯示器件，有液晶顯示器（LCD）和等離子體顯示器（PDP）等。液晶是液態(tài)晶體的簡(jiǎn)稱，它是一種有機(jī)化合物，在一定范圍內(nèi)，既具有液體的流動(dòng)性，又具有分子排列有序的晶體特性。液晶分子是棒狀結(jié)構(gòu)的，具有明顯的光學(xué)各向異性，它本身不發(fā)光，但能夠調(diào)制外照光實(shí)現(xiàn)信息顯示，因此使用時(shí)需要背光源。

液晶顯示具有低工作電壓、微功耗、體輕薄、適于LSI驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)大畫面顯示、顯示色彩優(yōu)良等特點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用的是薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）。液晶顯示器件本身具有純平面、顯示精細(xì)等特性，它需要一個(gè)亮度高且均勻的背光源。

目前可供使用的背光源很多，相對(duì)來說工藝成熟、亮度高、成本低、性能好的冷陰極熒光燈成為目前彩色薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）上使用最為廣泛的背光源。

冷陰極熒光燈是一種線光源，在背光模組的作用下，把線光源發(fā)出的光通過漫射和反射而使之成為亮度均勻并垂直射出的面光源。背光模組的設(shè)計(jì)涵蓋了光學(xué)、精密模具以及蝕刻、印刷等精密科技。緊貼在背光模組上的液晶面板負(fù)責(zé)對(duì)光線進(jìn)行調(diào)制。TFT-LCD屏幕中的每個(gè)像素點(diǎn)都由集成在其背后的一個(gè)薄膜晶體管驅(qū)動(dòng)，該晶體管還具有電容效應(yīng)，能夠保持電位狀態(tài)，并可隨下一次驅(qū)動(dòng)電壓的改變而改變。利用液晶透光率隨電壓改變的特性，使光線得以被顯示信號(hào)調(diào)制成不同強(qiáng)度的輸出信號(hào)。液晶上的RGB（紅、綠、藍(lán)）濾色片把可見光濾成三原色，進(jìn)而組成各種顏色來還原畫面。等離子體顯示器（PDP）是利用惰性氣體在一定電壓作用下產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象而實(shí)現(xiàn)的一種發(fā)光型平板顯示技術(shù)。其結(jié)構(gòu)好比把數(shù)百萬個(gè)等離子管按一定方式排列在兩塊平板玻璃之間，構(gòu)成顯示屏幕。制作時(shí)，把兩塊玻璃板之間的空間通過障壁分成許多小室，即等離子管，每個(gè)等離子管對(duì)應(yīng)的小室都設(shè)有一組電極，室內(nèi)充有惰性氣體（Ne、He、Xe等）。在等離子管電極之間加上高壓后，封在兩層玻璃之間的等離子管小室中的氣體放電產(chǎn)生紫外線，并激發(fā)平板顯示屏上的紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉發(fā)光，然后將這種光線轉(zhuǎn)換成人眼可見的光，實(shí)現(xiàn)彩色顯示。

PDP將每個(gè)等離子管作為一個(gè)像素，由這些像素的明暗和顏色變化組合產(chǎn)生各種灰度和色彩的圖像。這種結(jié)構(gòu)也決定了其像素比較大，不能制備小尺寸高清晰度的顯示設(shè)備，故主要應(yīng)用在40英寸以上的大屏幕領(lǐng)域。

PDP顯示器具有體積小、重量輕、亮度高、視角大、無X射線輻射等特點(diǎn)。7.2.2打印機(jī)

打印輸出是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最基本的輸出形式，打印輸出可產(chǎn)生永久性記錄，因此這類設(shè)備也稱為硬拷貝設(shè)備。

打印設(shè)備種類非常繁多。按印字原理分，可分為擊打式打印機(jī)和非擊打式打印機(jī)兩大類。擊打式打印機(jī)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，如點(diǎn)陣針式打印機(jī)。非擊打式打印機(jī)是采用電、磁、光、噴墨等物理、化學(xué)方法印刷字符，如激光打印機(jī)和噴墨打印機(jī)。擊打式打印機(jī)成本低，但噪音大，速度慢。非擊打式打印機(jī)速度快，噪音低，印字質(zhì)量高，但價(jià)格較貴。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。按工作方式分，打印機(jī)可分為串行打印機(jī)和行式打印機(jī)；按打印機(jī)的寬度不同，可分為寬行打印機(jī)和窄行打印機(jī)；另外還有能夠輸出圖形/圖像的打印機(jī)和具有彩色效果的彩色打印機(jī)。

1.激光打印機(jī)

激光打印機(jī)一般分成6大系統(tǒng)：供電系統(tǒng)、直流控制系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、進(jìn)出紙系統(tǒng)。（1）供電系統(tǒng)。

供電系統(tǒng)是其他5個(gè)系統(tǒng)的能源基礎(chǔ)，根據(jù)需要，輸入的交流電被調(diào)控為高壓、低壓、直流電。高壓電一般作用于成像系統(tǒng)，許多型號(hào)的打印機(jī)都有單獨(dú)的高壓板。但隨著集成化的增高，很多打印機(jī)的高壓板、電源板以及DC（DirectCurrent，直流）控制板被集成在一起。低壓電主要用來驅(qū)動(dòng)各個(gè)引擎，其電壓根據(jù)需要而定。直流電主要用來驅(qū)動(dòng)DC板上的各種型號(hào)的傳感器、控制芯片以及CPU等。（2）直流控制系統(tǒng)。

直流控制系統(tǒng)主要用來協(xié)調(diào)和控制打印機(jī)各系統(tǒng)之間的工作。該系統(tǒng)從接口系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)控制激光掃描單元、測(cè)試傳感器、控制交直流電的分布、過壓與欠流保護(hù)、節(jié)能模式、控制高壓電的分布等。其電路構(gòu)成遠(yuǎn)比其他5個(gè)系統(tǒng)都復(fù)雜，涉及到電路的一些專業(yè)知識(shí)，像運(yùn)算放大電路、反饋電路、整流電路等。（3）接口系統(tǒng)。

接口系統(tǒng)是打印機(jī)和計(jì)算機(jī)連接的橋梁，它負(fù)責(zé)把計(jì)算機(jī)傳遞過來的一定格式的數(shù)據(jù)翻譯成DC板能處理的格式，并傳遞給DC板。

接口系統(tǒng)的構(gòu)成一般有三個(gè)部分：接口電路、CPU、BIOS電路。在接口電路里主要有一些負(fù)責(zé)產(chǎn)生穩(wěn)壓電流的芯片（為保護(hù)和驅(qū)動(dòng)其他芯片）。CPU主要任務(wù)是翻譯接口電路傳遞過來的數(shù)據(jù)，控制信號(hào)燈以及傳遞給DC板翻譯過的數(shù)據(jù)。有些型號(hào)的打印機(jī)，其接口電路已放進(jìn)CPU中。BIOS電路主要包括打印機(jī)自身的一些配置，以及生產(chǎn)廠家的一些相關(guān)信息。（4）成像系統(tǒng)。

成像系統(tǒng)的工作過程大致分為兩個(gè)過程：前期的準(zhǔn)備工作以及后期的定影成形工作。其整個(gè)工作過程大致分為以下7個(gè)步驟：

充電：通過充電輥給OPC（有機(jī)光導(dǎo)鼓，又稱感光鼓）表面充上高壓電。

曝光：利用OPC表面的光導(dǎo)特性，使感光鼓表面曝光，形成一定形狀不等位的電荷區(qū)。

顯影：碳粉顆粒在電場(chǎng)作用下吸附在感光鼓表面被曝光的區(qū)域。

轉(zhuǎn)?。寒?dāng)打印紙通過轉(zhuǎn)印輥時(shí)，被帶上與碳粉相反的電荷，使碳粉顆粒按一定的形狀轉(zhuǎn)印到紙上。分離：紙張從OPC和轉(zhuǎn)印輥上分離出來。

定影：已經(jīng)印上字的打印紙上的碳粉顆粒，需要熔化才能滲透到紙里。

OPC清潔：OPC表面的碳粉并未完全被轉(zhuǎn)印到紙上，通過刮刀清理后，才可進(jìn)入下一輪轉(zhuǎn)印成像過程。

在上述的定影成形過程中，加熱組件是個(gè)很重要的部件，它通過一定范圍的高溫，將碳粉熔化。目前加熱部件主要有兩種形式：陶瓷加熱和燈管加熱。陶瓷加熱的優(yōu)點(diǎn)是加熱速度快、預(yù)熱時(shí)間短，缺點(diǎn)是易爆、易折；而燈管加熱則相對(duì)穩(wěn)定些，缺點(diǎn)是預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)。現(xiàn)在有很多打印機(jī)都采用雙燈管加熱。但不論哪能種形式的加熱，其溫控都是通過熱敏元件感應(yīng)溫度變化而自動(dòng)閉合完成的。（5）激光掃描系統(tǒng)。

激光掃描系統(tǒng)的主要作用是產(chǎn)生激光束，在感光鼓表面曝光，形成映像。激光掃描系統(tǒng)主要有三個(gè)部分：多邊形旋轉(zhuǎn)引擎、發(fā)光控制電路、透鏡組。

旋轉(zhuǎn)引擎主要通過高速旋轉(zhuǎn)的多棱角鏡面，把激光束通過透鏡折射到感光鼓表面。發(fā)光控制電路主要用來產(chǎn)生調(diào)控過的激光束，主要由激光控制電路和發(fā)光二極管組成。透鏡組主要通過發(fā)散和聚合功能把光線折射到感光鼓表面。（6）進(jìn)出紙系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)主要由進(jìn)紙系統(tǒng)和出紙系統(tǒng)構(gòu)成?，F(xiàn)有的大部分機(jī)型都可擴(kuò)充多個(gè)進(jìn)紙單元，而出紙系統(tǒng)也適應(yīng)打印介質(zhì)的需要，設(shè)置成兩個(gè)出紙口。打印紙?jiān)谡麄€(gè)輸紙路中的走動(dòng)都設(shè)有嚴(yán)格的時(shí)間范圍，超出了這個(gè)時(shí)間范圍，打印機(jī)就會(huì)報(bào)卡紙。而對(duì)具體位置的監(jiān)控則是通過一系列的傳感器監(jiān)測(cè)完成的。目前激光打印機(jī)中的傳感器大部分是由光敏二極管元件構(gòu)成的。

激光打印機(jī)的基本工作原理如下：由激光器發(fā)射出的激光束，經(jīng)反射鏡射入聲光偏轉(zhuǎn)調(diào)

制器，與此同時(shí)，由計(jì)算機(jī)送來的二進(jìn)制圖文點(diǎn)陣信息，從接口送至字形發(fā)生器，形成所需字形的二進(jìn)制脈沖信息。由同步器產(chǎn)生的信號(hào)控制9個(gè)高頻振蕩器，再經(jīng)頻率合成器及功率放大器加至聲光調(diào)制器上，對(duì)由反射鏡射入的激光束進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制后的光束射入多面轉(zhuǎn)鏡，再經(jīng)廣角聚焦鏡把光束聚焦后射至光導(dǎo)鼓(硒鼓)表面上，使角速度掃描變成線速度掃描，完成整個(gè)掃描過程。硒鼓表面先由充電極充電，使其獲得一定電位，之后經(jīng)載有圖文映像信息的激光束的曝光，便在硒鼓的表面形成靜電潛像，經(jīng)過磁刷顯影器顯影，潛像即轉(zhuǎn)變成可見的墨粉像，在經(jīng)過轉(zhuǎn)印區(qū)時(shí)，在轉(zhuǎn)印電極的電場(chǎng)作用下，墨粉便轉(zhuǎn)印到普通紙上，最后經(jīng)預(yù)熱板及高溫?zé)釢L定影，即在紙上熔凝出文字及圖像。在打印圖文信息前，清潔輥把未轉(zhuǎn)印走的墨粉清除，消電燈把鼓上殘余電荷清除，再經(jīng)清潔紙系統(tǒng)作徹底的清潔，即可進(jìn)入新的一輪工作周期。

2.噴墨打印機(jī)

所謂噴墨打印機(jī)，就是通過將墨滴噴射到打印介質(zhì)上來形成文字或圖像。早期的噴墨打印機(jī)以及當(dāng)前大幅面的噴墨打印機(jī)都采用連續(xù)式噴墨技術(shù)，而當(dāng)前市面流行的噴墨打印機(jī)都普遍采用隨機(jī)噴墨技術(shù)。這兩種噴墨技術(shù)在原理上是有很大差別的。

（1）連續(xù)式噴墨打印機(jī)。

連續(xù)式噴墨技術(shù)以電荷調(diào)制型為代表。這種噴墨打印原理是利用壓電驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)噴頭中墨水加以固定壓力，使其連續(xù)噴射。為進(jìn)行記錄，利用振蕩器的振動(dòng)信號(hào)激勵(lì)射流生成墨水

滴，并對(duì)其墨水滴大小和間距進(jìn)行控制。由字符發(fā)生器、模調(diào)制器產(chǎn)生的打印信息對(duì)控制電極上電荷進(jìn)行控制，形成帶電荷和不帶電荷的墨水滴，再由偏轉(zhuǎn)電極來改變墨水滴的飛行方向，使需要打印的墨水滴飛行到紙面上，生成字符/圖形記錄。不參與記錄的墨水滴由導(dǎo)管回收。對(duì)偏轉(zhuǎn)電極而言，有的系統(tǒng)采用兩對(duì)互相垂直的偏轉(zhuǎn)電極，即為二維偏轉(zhuǎn)型；有的系統(tǒng)對(duì)偏轉(zhuǎn)電極采用多維控制，即為多維偏轉(zhuǎn)型。這種連續(xù)循環(huán)的噴墨系統(tǒng)能生成高速墨水滴，所以打印速度高，可以使用普通紙。不同的打印介質(zhì)皆可獲得高質(zhì)量的打印結(jié)果，還易于實(shí)現(xiàn)彩色打印。但是，這種噴墨打印機(jī)的結(jié)構(gòu)與隨機(jī)式相比，比較復(fù)雜，對(duì)墨水需要加壓裝置，終端要有回收裝置回收不參與記錄的墨水滴，并且工作方式的效率不夠高，而且不精確?，F(xiàn)在采用這種技術(shù)的噴墨打印機(jī)已經(jīng)極少見到。

（2）隨機(jī)式噴墨打印機(jī)。

隨機(jī)式噴墨系統(tǒng)中墨水只在打印需要時(shí)才噴射，所以又稱為按需式。它與連續(xù)式相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性也高，但是，因受射流慣性的影響，墨滴噴射速度低。為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，不少隨機(jī)式噴墨打印機(jī)采用了多噴嘴的方法來提高打印速度。目前，隨機(jī)式噴墨技術(shù)主要有微壓電技術(shù)和熱氣泡噴墨技術(shù)兩大類。

①熱氣泡噴墨技術(shù)。

噴墨打印機(jī)一般多采用熱氣泡噴墨技術(shù)，通過墨水在短時(shí)間內(nèi)的加熱、膨脹、壓縮，將墨水噴射到打印紙上形成墨點(diǎn)，增加墨滴色彩的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高速度、高質(zhì)量打印。由于除了墨滴的大小以外，墨滴的形狀、濃度的一致性都會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生重大影響，而墨水在高溫下產(chǎn)生的墨點(diǎn)方向和形狀均不容易控制，因此高精度的墨滴控制十分重要。熱氣泡式噴墨打印的原理是將墨水裝入到一個(gè)非常微小的毛細(xì)管中，通過一個(gè)微型的加熱墊迅速將墨水加熱到沸點(diǎn)。這樣就生成了一個(gè)非常微小的蒸汽泡，蒸汽泡擴(kuò)張就將一滴墨水噴射到毛細(xì)管的頂端。停止加熱，墨水冷卻，導(dǎo)致蒸汽凝結(jié)收縮，從而停止墨水流動(dòng)，直到下一次再產(chǎn)生蒸汽并生成一個(gè)墨滴。

②微壓電技術(shù)。

微壓電技術(shù)把噴墨過程中的墨滴控制分為3個(gè)階段：在噴墨操作前，壓電元件首先在信號(hào)的控制下微微收縮；然后，元件產(chǎn)生一次較大的延伸，把墨滴推出噴嘴；在墨滴馬上就要飛離噴嘴的瞬間，元件又會(huì)進(jìn)行收縮，干凈利索地把墨水液面從噴嘴收縮。這樣，墨滴液面得到了精確控制，每次噴出的墨滴都有完美的形狀和正確的飛行方向。微壓電式噴墨系統(tǒng)在裝有墨水的噴頭上設(shè)置換能器，換能器受打印信號(hào)的控制，從而控制墨水的噴射。根據(jù)微壓電式噴墨系統(tǒng)換能器的工作原理及排列結(jié)構(gòu)，可將其分為壓電管型、壓電薄膜型、壓電薄片型等幾種類型。

采用微壓電技術(shù)來控制墨點(diǎn)的噴射，不僅避免了熱氣泡噴墨技術(shù)的缺點(diǎn)，而且能夠精確控制墨點(diǎn)的噴射方向和形狀。壓電式噴墨打印頭在微型墨水貯存器的后部采用了一塊壓電晶體。對(duì)晶體施加電流，就會(huì)使它向內(nèi)彈壓。當(dāng)電流中斷時(shí)，晶體反彈回原來的位置，同時(shí)將一滴微量的墨水通過噴嘴射出去。當(dāng)電流恢復(fù)時(shí)，又進(jìn)入噴射下一滴墨水的準(zhǔn)備狀態(tài)。這兩種方法相比，熱氣泡式打印頭由于墨水在高溫下易發(fā)生化學(xué)變化，性質(zhì)不穩(wěn)定，所以打出的色彩真實(shí)性就會(huì)受到一定程度的影響；另一方面由于墨水是通過氣泡噴出的，墨水微粒的方向性與體積大小不好掌握，打印線條邊緣容易參差不齊，在一定程度上影響了打印質(zhì)量；另外，熱氣泡式噴墨打印機(jī)需要在每個(gè)墨盒中安裝噴墨嘴，這樣會(huì)增加墨盒的成本。這都是它的不足之處。微壓電打印頭技術(shù)是利用晶體加壓時(shí)放電的特性，在常溫狀態(tài)下穩(wěn)定地將墨水噴出。這種技術(shù)對(duì)墨滴控制能力較強(qiáng)，還將色點(diǎn)縮小許多，產(chǎn)生的墨點(diǎn)也沒有慧尾，從而使打印的圖像更清晰，容易實(shí)現(xiàn)高達(dá)1440dpi（dotperinch，每英寸點(diǎn)數(shù)）的高精度打印質(zhì)量。而且微壓電噴墨無需加熱，墨水就不會(huì)因受熱而發(fā)生化學(xué)變化，故大大降低了對(duì)墨水的要求。另外，壓電式打印頭被固定在打印機(jī)中，因此只需要更換墨盒就可以了。壓電式噴墨打印機(jī)的缺點(diǎn)是，如果壓電打印頭被損壞或者阻塞了，整臺(tái)打印機(jī)都需要維修。

7.3輔助存儲(chǔ)器

7.3.1輔助存儲(chǔ)器的種類與技術(shù)指標(biāo)

目前流行的輔助存儲(chǔ)器主要有磁表面存儲(chǔ)器和光存儲(chǔ)器兩大類。

磁表面存儲(chǔ)器是將磁性材料沉積在盤片（或帶）的基體上形成記錄介質(zhì)，并以繞有線圈的磁頭與記錄介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)行來寫入或讀出信息。磁表面存儲(chǔ)器又分為數(shù)字式磁記錄和模擬式磁記錄兩種。數(shù)字式磁記錄主要有軟盤、硬盤和磁帶。模擬式磁記錄是指錄音和攝像設(shè)備，過去多用于家用電器設(shè)備，現(xiàn)已向數(shù)字式轉(zhuǎn)化。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的光存儲(chǔ)器主要是光盤（opticaldisk）。光盤的記錄原理不同于磁盤，它是利用激光束在具有感光特性的表面上存儲(chǔ)信息的。

輔助存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)有存儲(chǔ)密度、存儲(chǔ)容量、平均存取時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸率和位價(jià)格等。

1.存儲(chǔ)密度

存儲(chǔ)密度是指單位長(zhǎng)度或單位面積磁層表面所存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量，它可分為道密度、位密度和面密度。道密度是沿磁盤半徑方向單位長(zhǎng)度上的磁道數(shù)，單位為道/英寸（TracksPerInch，TPI）。位密度是磁道單位長(zhǎng)度上能記錄的二進(jìn)制代碼位數(shù)，單位為位/英寸（bitsperinch，bpi）。面密度是道密度和位密度的乘積，單位為位/平方英寸。

2.存儲(chǔ)容量

存儲(chǔ)容量是指磁盤存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息的總量。一般以字節(jié)為單位。

磁盤存儲(chǔ)器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。格式化容量一般約為非格式化容量的60%～70%。

3.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⒓由蟼魉蛿?shù)據(jù)所需的時(shí)間。這段時(shí)間由下面三個(gè)因素決定。第一個(gè)因素是將磁頭定位至所要求的磁道上所需的時(shí)間，稱為找道時(shí)間。第二個(gè)因素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12ms。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)速達(dá)10000轉(zhuǎn)/分，故平均等待時(shí)間為3ms。第三個(gè)因素是數(shù)據(jù)傳送時(shí)間。

因此磁盤總的平均存取時(shí)間Ta可表示為(7.1)式中，Ts表示平均找道時(shí)間，1/(2r)表示平均等待時(shí)間，第3項(xiàng)表示數(shù)據(jù)傳送時(shí)間。其中r表示磁盤旋轉(zhuǎn)速率（單位是轉(zhuǎn)/秒），B表示傳送的字節(jié)數(shù)，N表示每磁道字節(jié)數(shù)。

4.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)叫做數(shù)據(jù)傳輸率。數(shù)據(jù)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)備發(fā)送信息或從設(shè)備接收信息。

從存儲(chǔ)設(shè)備考慮，假設(shè)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為n轉(zhuǎn)/秒，每條磁道容量為N個(gè)字節(jié)，則數(shù)據(jù)傳輸率為

Dr＝nN（字節(jié)/秒）或Dr＝D·v(字節(jié)/秒)（7.2）

其中,D為位密度，v為磁盤旋轉(zhuǎn)的線速度。

5.位價(jià)格

通常用位價(jià)格來比較各種存儲(chǔ)器。位價(jià)格是指設(shè)備價(jià)格除以容量。在所有存儲(chǔ)設(shè)備中，磁表面存儲(chǔ)器和光盤存儲(chǔ)器的位價(jià)格是比較低的。

7.3.2磁盤

磁盤存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最主要的外存設(shè)備。磁盤存取速度較慢，存儲(chǔ)容量大，存儲(chǔ)在磁盤中的信息易于脫機(jī)保存。

1.磁記錄原理

所謂磁表面存儲(chǔ)，是指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)器都屬于磁表面存儲(chǔ)器。

磁表面存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量大，位價(jià)格低，記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用，記錄信息可以長(zhǎng)期保存而不丟失，讀出時(shí)不需要再生信息。但是其存儲(chǔ)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，位價(jià)格低，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中作為輔助大容量存儲(chǔ)器使用，用來存放系統(tǒng)軟件、大型文件、數(shù)據(jù)庫(kù)等程序與數(shù)據(jù)信息。在磁表面存儲(chǔ)器中，利用磁頭來形成和判別磁層中的不同磁化狀態(tài)。磁頭是由軟磁材料做鐵芯，繞有讀寫線圈的電磁鐵。寫入時(shí)，利用磁頭使載磁體（盤片）具有不同的磁化狀態(tài)，而在讀出時(shí)又利用磁頭來判別這些不同的磁化狀態(tài)。

磁表面存儲(chǔ)器通過磁頭和記錄介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(一般是記錄介質(zhì)運(yùn)動(dòng)而磁頭不動(dòng))完成寫入和讀出，如圖7.1所示。圖7.1磁表面存儲(chǔ)器的讀/寫原理寫入時(shí)，當(dāng)寫線圈中通入一定方向的脈沖電流時(shí)，磁頭導(dǎo)磁體被磁化，建立一定方向和強(qiáng)度的磁場(chǎng)。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。若在寫線圈里通入相反方向的脈沖電流，就可得到相反極性的磁化元。如果規(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”。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(duì)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。讀出時(shí)，當(dāng)磁頭經(jīng)過載磁體的磁化元時(shí)，磁化元的磁力線很容易通過磁頭而形成閉合磁通回路。不論磁化元是哪一種剩磁狀態(tài)，磁頭和介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將切割磁力線，因而在讀線圈的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓e。不同的磁化狀態(tài)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的方向不同，這樣，不同方向的感應(yīng)電壓經(jīng)讀出放大器放大鑒別，就可判知讀出的信息是“1”還是“0”。

總之，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。這就是磁表面存儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的基本原理。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，寫入和讀出合用一個(gè)磁頭，故稱之為讀/寫磁頭。

2.硬磁盤存儲(chǔ)器的組成和分類

硬磁盤存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱硬盤）是指記錄介質(zhì)為硬質(zhì)圓形盤片的磁表面存儲(chǔ)器。它以鋁合金等金屬作為盤基，盤面敷有磁性記錄層，磁層可以采用甩涂工藝制成，此時(shí)磁粉呈不連續(xù)的顆粒存在。也可以用電鍍、化學(xué)鍍和濺射等方法制作連續(xù)膜磁盤。硬盤主要由磁記錄介質(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)、讀出磁頭與磁頭定位伺服系統(tǒng)等。

硬盤按盤片結(jié)構(gòu)，分成可換盤片式與固定盤片式兩種。根據(jù)磁頭的工作方式，還可分成移動(dòng)磁頭和固定磁頭兩種。移動(dòng)磁頭固定盤片硬盤存儲(chǔ)器的特點(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)。

固定磁頭硬盤存儲(chǔ)器的特點(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。其優(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。移動(dòng)磁頭可換盤片硬盤存儲(chǔ)器的盤片可以更換，磁頭沿盤面徑向移動(dòng)。其優(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。

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)磁頭固定盤片的硬盤存儲(chǔ)器。它是一種密封組合式的硬磁盤，即由磁頭、盤片、電機(jī)等驅(qū)動(dòng)部件以及讀/寫電路組裝成的一個(gè)不可隨意拆卸的整體。工作時(shí)，磁盤高速旋轉(zhuǎn)，在盤面上形成氣墊，將磁頭平穩(wěn)浮起。其優(yōu)點(diǎn)是防

塵性能好，可靠性高，對(duì)使用環(huán)境要求不高，是最有代表性的硬盤存儲(chǔ)器。而普通的硬磁盤要求具有超凈環(huán)境，只有大中型計(jì)算機(jī)才有可能創(chuàng)建這樣的環(huán)境。

3.硬磁盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）和硬磁盤控制器（HDC）

（1）硬磁盤驅(qū)動(dòng)器。

硬磁盤驅(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)于溫盤驅(qū)動(dòng)器，還要求在超凈環(huán)境下組裝。各類硬磁盤驅(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7.2是硬磁盤驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7.2硬磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖在可移動(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。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)器中。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)轉(zhuǎn)換系統(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。

（2）硬磁盤控制器。

硬磁盤控制器是主機(jī)與磁盤驅(qū)動(dòng)器之間的接口，用來接收并解釋來自主機(jī)的命令，按照主機(jī)的命令向磁盤驅(qū)動(dòng)器發(fā)各種控制信號(hào)，檢測(cè)硬磁盤驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)，按照規(guī)定的硬盤數(shù)據(jù)格式，把數(shù)據(jù)寫入磁盤驅(qū)動(dòng)器或從磁盤驅(qū)動(dòng)器上讀出數(shù)據(jù)。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)器之間接口的控制器，它需要有兩個(gè)接口：一個(gè)是與主機(jī)系統(tǒng)的接口，控制外存與主機(jī)總線之間接口交換數(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。

主機(jī)與硬磁盤驅(qū)動(dòng)器交換數(shù)據(jù)的控制邏輯如圖7.3所示。磁盤上的信息經(jīng)讀磁頭讀出以后送入讀出放大器，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控制將數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)總線。圖7.3硬磁盤控制器的邏輯框圖

4.磁盤組

一個(gè)硬磁盤通常都由一個(gè)或幾個(gè)盤片組成，稱為磁盤組。每個(gè)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)盤片表面通常有幾百到幾千個(gè)磁道，每個(gè)磁道又分為若干個(gè)扇區(qū)，如圖7.4所示。

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)同心圓假設(shè)稱為n磁道。n磁道里面的圓面積不記錄信息。每個(gè)磁道上扇區(qū)數(shù)目一般是相同的，而且每個(gè)扇區(qū)存放的信息量也是相同的。也就是說每個(gè)磁道上記錄的信息是相同的，所以靠里面磁道的信息存儲(chǔ)密度要比外磁道大。圖7.4扇區(qū)示意圖［例7.1］磁盤組有6片磁盤，每片有兩個(gè)記錄面，最上、最下兩個(gè)記錄面不用。存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)徑為22cm，外徑為33cm，道密度為40道/cm，內(nèi)層位密度為400位/cm，轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)/分。問：

（1）共有多少柱面？

（2）盤組的總存儲(chǔ)容量是多少？

（3）數(shù)據(jù)傳輸率是多少？

（4）采用定長(zhǎng)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(zhǎng)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=(33-22)/2=5.5(cm)

因?yàn)榈烂芏?40道/cm，所以40×5.5=220道，即220個(gè)柱面

（2）內(nèi)層磁道周長(zhǎng)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=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=6000轉(zhuǎn)/60秒=100轉(zhuǎn)/秒

所以Dr=rN=100×3454B=345400B/s

（4）采用定長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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。7.3.3Flash存儲(chǔ)器

Flash存儲(chǔ)器也翻譯成閃速存儲(chǔ)器，它是在EPROM與EEPROM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它與EPROM一樣，用單管來存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息（參見第3章圖3.9）。它與EEPROM的相同之處是用電來擦除。Flash存儲(chǔ)器兼有ROM和RAM兩者的性能，又有ROM、DRAM一樣的高密度，目前價(jià)格已低于DRAM，芯片容量又接近于DRAM，是惟一具有大存儲(chǔ)量、非易失性、低價(jià)格、可在線改寫和高速度等特性的存儲(chǔ)器。

Flash存儲(chǔ)器有三個(gè)基本操作，分別是編程操作、讀取操作和擦除操作。編程操作實(shí)際上是寫操作。所有存儲(chǔ)元的原始狀態(tài)均處于“1”狀態(tài)，這是因?yàn)椴脸僮鲿r(shí)控制柵不加正電壓。編程操作的目的是為存儲(chǔ)元的浮空柵補(bǔ)充電子，從而使存儲(chǔ)元改寫成“0”狀態(tài)。如果某存儲(chǔ)元仍保持“1”狀態(tài)，則控制柵就不加正電壓。實(shí)際上編程時(shí)只寫0，不寫1，因?yàn)榇鎯?chǔ)元擦除后原始狀態(tài)全為1。要寫0，就要在控制柵上加正電壓。一旦存儲(chǔ)元被編程，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可保持很長(zhǎng)時(shí)間而無需外電源。

進(jìn)行讀取操作時(shí)控制柵加上正電壓，浮空柵上的負(fù)電荷量將決定是否可以開啟MOS晶體管。如果存儲(chǔ)元原存1，可認(rèn)為浮空柵不帶負(fù)電，控制柵上的正電壓足以開啟晶體管導(dǎo)通。如果存儲(chǔ)元原存0，可認(rèn)為浮空柵帶負(fù)電，控制柵上的正電壓不足以克服浮空柵上的負(fù)電量，晶體管不能開啟導(dǎo)通。當(dāng)MOS晶體管開啟導(dǎo)通時(shí)，電源提供從漏極D到源極S的電流。若讀出電路檢測(cè)到有電流，表示存儲(chǔ)元中存1；若讀出電路檢測(cè)到無電流，表示存儲(chǔ)元中存0。

EPROM中使用外部紫外光照射方式擦除，而Flash存儲(chǔ)器采用了電擦除。進(jìn)行擦除操作時(shí)，所有的存儲(chǔ)元中浮空柵上的負(fù)電荷要全部泄放出去，為此晶體管源極S要加上正電壓，這與編程操作正好相反。源極S上的正電壓吸收浮空柵中的電子，從而使全部存儲(chǔ)元變成1狀態(tài)。

最后讓我們把Flash存儲(chǔ)器與其他存儲(chǔ)器作個(gè)比較。從表7.2可以看到，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器具有十分明顯的優(yōu)點(diǎn)。7.3.4

RAID盤

獨(dú)立冗余磁盤陣列（RedundantArraysofIndependentDisks，RAID）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數(shù)據(jù)。

促進(jìn)磁盤陣列技術(shù)快速發(fā)展的因素主要有以下三點(diǎn)：

（1）CPU速度的增長(zhǎng)大大超過了磁盤驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)傳輸率的增長(zhǎng)。（2）小盤徑陣列磁盤驅(qū)動(dòng)器與大型驅(qū)動(dòng)器相比具有成本低、功耗小和性能高等優(yōu)點(diǎn)。

（3）能保證極高的可靠性和數(shù)據(jù)的可用性。

下面對(duì)RAID0級(jí)～RAID7級(jí)及RAID10級(jí)進(jìn)行簡(jiǎn)介。其中描述的“位交叉存取”是將一個(gè)數(shù)據(jù)字中的各位分別存儲(chǔ)在不同的磁盤上，以同步方式進(jìn)行讀/寫，其最小訪問數(shù)據(jù)單位是

每個(gè)磁盤的最小讀/寫單位（例如扇區(qū)）乘以磁盤數(shù)，適合于傳送大批量數(shù)據(jù)；“塊交叉”是以數(shù)據(jù)塊為單位，將連續(xù)的數(shù)據(jù)塊分別存儲(chǔ)在不同的磁盤上，其最小訪問數(shù)據(jù)單位是一個(gè)磁盤的最小訪問單位（例如扇區(qū)），所以也適合于傳送少量數(shù)據(jù)。（1）RAID0級(jí)（無冗余和無校驗(yàn)的數(shù)據(jù)分塊）。

此級(jí)將連續(xù)的數(shù)據(jù)塊分別存放在不同的磁盤上。與其他級(jí)相比，此級(jí)具有最高的I/O性能和磁盤空間利用率，但無容錯(cuò)能力，增加了系統(tǒng)出故障的幾率，其安全性甚至低于常規(guī)的硬盤系統(tǒng)。

（2）RAID1級(jí)（鏡像磁盤陣列）。

此級(jí)由磁盤對(duì)組成，每一個(gè)工作盤都有對(duì)應(yīng)的鏡像盤，上面保存著與工作盤完全相同的數(shù)據(jù)，安全性高，但磁盤空間的利用率只有50%。（3）RAID2級(jí)（采用糾錯(cuò)海明碼和位交叉存取的磁盤陣列）。

用戶需增加足夠的校驗(yàn)盤來提供單糾錯(cuò)和雙驗(yàn)錯(cuò)功能。當(dāng)陣列內(nèi)有G個(gè)數(shù)據(jù)盤時(shí)，則所需的校驗(yàn)盤數(shù)C要滿足公式2C≥G+C+1。例如，如果有10個(gè)數(shù)據(jù)盤，則需要4個(gè)校驗(yàn)

盤。對(duì)數(shù)據(jù)的訪問涉及到磁盤陣列中的每一個(gè)盤，對(duì)大數(shù)據(jù)量傳送有較高性能，但不利于小數(shù)據(jù)量的傳送。RAID2級(jí)很少使用。

(4)RAID3級(jí)(采用奇偶校驗(yàn)碼和位交叉存取的磁盤陣列)。

此級(jí)將奇偶校驗(yàn)碼放在一個(gè)磁盤上。目前多數(shù)磁盤控制器已能用CRC檢測(cè)出本身磁盤是否出錯(cuò)，因此只需一個(gè)奇偶校驗(yàn)碼就能糾正出錯(cuò)的數(shù)據(jù)。如果一個(gè)盤失效，可通過對(duì)剩下的盤上的信息進(jìn)行“異或”運(yùn)算得到正確數(shù)據(jù)。但由于采用位交叉，每次讀/寫要涉及整個(gè)盤組，因此此級(jí)對(duì)小數(shù)據(jù)量不利，計(jì)算也比較費(fèi)時(shí)。

(5)RAID4級(jí)(采用奇偶校驗(yàn)碼和塊交叉存取的磁盤陣列)。

此級(jí)與RAID3級(jí)一樣采用一個(gè)奇偶校驗(yàn)盤，但采用塊交叉存取技術(shù)，讀/寫少量數(shù)據(jù)只與兩個(gè)盤有關(guān)（一個(gè)數(shù)據(jù)盤、一個(gè)校驗(yàn)盤），因此只需讀/寫兩個(gè)盤，簡(jiǎn)化了產(chǎn)生校驗(yàn)碼的方法。對(duì)于數(shù)據(jù)塊的重寫（讀—修改—寫），其公式為

新奇偶校驗(yàn)碼＝（新數(shù)據(jù)XOR舊數(shù)據(jù)）XOR舊奇偶校驗(yàn)碼

(6)RAID5級(jí)(采用奇偶校驗(yàn)碼和塊交叉存取的磁盤陣列)。

此級(jí)與RAID4級(jí)類似，但無專用的校驗(yàn)盤，它將校驗(yàn)信息分布到組內(nèi)所有盤上，對(duì)大、小數(shù)據(jù)量的讀/寫都有很好的性能，因而是一種較好的方案。

（7）RAID6級(jí)（采用塊交叉技術(shù)和兩種奇偶校驗(yàn)碼的磁盤陣列）。

此級(jí)采用兩種不同數(shù)據(jù)塊組合方法，形成兩種奇偶校驗(yàn)碼。與無校驗(yàn)碼相比，此級(jí)要增加兩個(gè)盤，但不設(shè)專用校驗(yàn)盤，而將校驗(yàn)信息分布到磁盤陣列的所有盤上。其設(shè)計(jì)和校驗(yàn)都比較復(fù)雜，但可靠性高。（8）RAID7級(jí)（獨(dú)立接口的磁盤陣列）。

此級(jí)每一個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器與每一主機(jī)接口都有獨(dú)立的控制和數(shù)據(jù)通道的磁盤陣列，因此主機(jī)可完全獨(dú)立地對(duì)每個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行訪問。

（9）RAID10級(jí)（RAID0級(jí)+RAID1級(jí)）。

此級(jí)由分塊和鏡像組成，是所有RAID中性能最好的磁盤陣列，但每次寫入時(shí)要寫兩個(gè)互為鏡像的盤，價(jià)格高。7.3.5光盤存儲(chǔ)器

光盤（opticaldisk）是指利用光學(xué)方式進(jìn)行讀/寫信息的圓盤。應(yīng)用激光技術(shù)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(chǔ)技術(shù)。如果光存儲(chǔ)使用的介質(zhì)是磁性材料，即利用激光在磁記錄介質(zhì)上存儲(chǔ)信息，就稱為磁光存儲(chǔ)。目前，光盤已成為很有競(jìng)爭(zhēng)力的輔助存儲(chǔ)器。

1.光盤存儲(chǔ)器的種類

目前的光盤有CD-ROM、WORM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、Blu-ray等類型。（1）CD-ROM光盤。

CD-ROM是只讀型光盤，由生產(chǎn)廠家預(yù)先寫入數(shù)據(jù)或程序，出廠后用戶只能讀取，而不能寫入修改。一張CD-ROM盤可存儲(chǔ)650MB數(shù)據(jù)。

（2）WORM光盤。

WORM（WriteOnce，ReadMany）表示一次寫多次讀，可由用戶寫入信息，寫入后可以多次讀出，但只能寫一次，信息寫入后不能修改。它主要用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的文件存檔或?qū)懭氲男畔⒉恍栊薷牡膱?chǎng)合。（3）CD-R光盤。

CDR光盤實(shí)質(zhì)上是WORM光盤的一種，區(qū)別在于CD-R允許多次分段寫數(shù)據(jù)。CD-R光盤的數(shù)據(jù)一旦寫上也不能擦除。

（4）CD-RW光盤。

CD-RW表示可重復(fù)寫光盤，用于反復(fù)讀寫數(shù)據(jù)。一張CD-RW盤片可擦寫上千次。

（5）DVD-ROM光盤。

DVD（DigitalVideoDisc）是數(shù)字視頻光盤，它同樣也可存儲(chǔ)其他類型數(shù)據(jù)，因此又可改為DigitalVersatileDisc，縮寫仍是DVD。

CD-ROM和DVD-ROM的主要區(qū)別在于CD光盤是單面使用，而DVD光盤兩面都可以寫數(shù)據(jù)。單面單層DVD盤片能存儲(chǔ)4.7GB的數(shù)據(jù)，單面雙層為8.5GB，最高可達(dá)17GB（雙面雙層）。

（6）Blu-ray光盤。

前面介紹的光盤采用的都是紅光激光，而Blu-ray技術(shù)使用了波長(zhǎng)較短的藍(lán)光激光，可聚焦于更小的點(diǎn)，相對(duì)于使用紅光激光的DVD，可以提高數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)密度。

單面單層的Bluray光盤可以存儲(chǔ)25GB的數(shù)據(jù)，單面雙層存儲(chǔ)可達(dá)50GB的高容量。一片單層25GB的Blu-ray光盤相當(dāng)于23小時(shí)一般分辨率的影片或是6小時(shí)高分辨率的影片，而一片雙層50GB的Blu-ray光盤可以存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量相當(dāng)于70片CD或10片DVD的容量。

2.光盤的讀寫原理

光盤存儲(chǔ)器是利用激光束在記錄介質(zhì)表面上存儲(chǔ)信息的。根據(jù)激光束及反射光的強(qiáng)弱不同，可以完成信息的讀/寫。它的讀/寫裝置與光盤片的距離比磁存儲(chǔ)器磁頭與盤片的距離大，是非接觸型讀/寫存儲(chǔ)器。其記錄原理有形變、相變和MO(磁光)存儲(chǔ)等。（1）形變。

當(dāng)只讀型和只寫一次型光盤寫入時(shí)，將激光束聚焦成直徑小于1μm的微小光點(diǎn)，以其熱作用，融化盤表面上的光存儲(chǔ)介質(zhì)薄膜，在薄膜上形成凹坑。有凹坑的位置表示記錄了

1，沒有凹坑的位置表示0。

讀出時(shí)，在讀出光束的照射下，在有凹坑處和無凹坑處反射的光強(qiáng)是不同的，利用這種差別，可以讀出二進(jìn)制信息。由于讀出光束的功率只有寫入光束功率的1/10，因此不會(huì)形

成新的凹坑。（2）相變。

有些光存儲(chǔ)介質(zhì)在激光照射下，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。利用介質(zhì)處于晶態(tài)和非晶態(tài)區(qū)域的反射特性不同而記錄和讀取信息的技術(shù)，稱為相變（phasechange）可重寫技術(shù)。

（3）MO存儲(chǔ)。

利用激光在磁性薄膜上產(chǎn)生熱磁效應(yīng)來記錄信息，稱為磁光存儲(chǔ)。它可應(yīng)用于可擦寫光盤上，其記錄原理如下。

根據(jù)磁記錄原理可以知道，在一定溫度下如果在磁記錄介質(zhì)的表面上加一個(gè)強(qiáng)度低于該介質(zhì)矯頑力的磁場(chǎng)，則不會(huì)發(fā)生磁通翻轉(zhuǎn)，也就不能記錄信息。

但介質(zhì)的矯頑力可隨溫度而變，假如能設(shè)法控制溫度，降低介質(zhì)的矯頑力，使其低于外加弱磁場(chǎng)強(qiáng)度，則將發(fā)生磁通翻轉(zhuǎn)。磁光存儲(chǔ)就是根據(jù)這一原理存儲(chǔ)信息的。它利用激光照射磁性薄膜，被照射處溫度上升，矯頑力下降，在外加磁場(chǎng)的作用下發(fā)生磁通翻