计算机组成原理第7章_外围设备

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1、第7章 外围设备,2018年9月16日星期日,2,目录,7.1 外围设备概述 了解 7.2 磁盘存储设备 掌握 7.3 磁盘存储设备的技术发展 了解 7.4 磁带存储设备 了解 7.5 光盘和磁光盘存储设备 理解 7.6 显示设备 理解 7.7 输入设备和打印设备 理解,2018年9月16日星期日,3,考研大纲要求,七、输入输出系统 （一）I/O系统基本概念 （二）外部设备1. 输入设备：键盘，鼠标2. 输出设备：显示器、打印机3. 外存储器： 硬盘存储器、硬盘阵列、光盘存储器,2018年9月16日星期日,4,7.1 外围设备概述,7.1.1 外围设备的一般功能 7.1.2 外围设备的分类,2

2、018年9月16日星期日,5,7.1.1 外围设备的一般功能,外围设备的定义： 计算机系统中，除CPU和主存之外的部件都可看作外设； 外围设备的功能： 在计算机和其他机器，或与用户之间提供联系。 外围设备的基本组成： 存储介质 用于信息的保存； 驱动装置 用于移动存储介质，使之正常工作； 控制电路 用于使该外设与外界（如CPU）的信息传递。,以硬盘为例,盘片组,定位驱动器,读写控制,2018年9月16日星期日,6,7.1.2 外围设备的分类,分类 输入/出设备； 外存设备； 数据通信设备； 过程控制设备； 外设都是通过适配器与主机连接的； 适配器控制所连外设的具体工作；,动画演示： 7-1.s

3、wf,2018年9月16日星期日,7,7.2 磁盘存储设备,7.2.1 磁记录原理 7.2.2 硬磁盘机的基本组成和分类 7.2.3 硬磁盘驱动器和控制器 7.2.4 磁盘上信息的分布 7.4.5 磁盘存储器的技术指标,重点掌握,2018年9月16日星期日,8,7.2.1 磁记录原理,磁表面存储器 用磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。 磁表面存储器的优点： 存储容量大，位价格低； 记录介质可以重复使用； 记录信息可以长期保存而不丢失； 非破坏性读出，读出时不需要再生信息。 磁表面存储器的缺点： 存取速度较慢，机械结构复杂； 非接触式读写，对工作环境要求较高。,如：磁带、磁盘

4、,要求防尘、防震,2018年9月16日星期日,9,磁表面存储器的读写原理,在磁表面存储器中，信息的读写是利用磁头来进行的； 磁头：由软磁材料做铁芯，绕有读写线圈的电磁铁。 写操作 原理：电-磁变换； 利用磁头写线圈中的脉冲电流，在磁表面每个存储元上形成不同的磁化状态； 读操作 原理：磁-电变换； 利用磁头读线圈， 将磁表面每个存储 元上的不同剩磁状 态转换成电信号读出；,2018年9月16日星期日,10,7.2.2 磁盘的组成和分类,硬盘的逻辑结构组成 磁记录介质 磁盘控制器 磁盘驱动器,动画演示： 7-5.swf,硬质圆形盘片,磁头、小车、传送带,读写控制电路,2018年9月16日星期日,1

5、1,硬磁盘的分类,按盘片结构分 可换盘片式、固定盘片式 按磁头分 可移动磁头、固定磁头 温彻斯特磁盘机 可移动磁头固定盘片的磁盘机； 密封组合式的硬磁盘； 磁头、盘片、电机等部件组装成一个不可随意拆卸的整体。 工作时，高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头平稳浮起。 优点：防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。,组合,可移动磁头固定盘片,固定磁头固定盘片,可移动磁头可换盘片,固定磁头可换盘片,简称温盘,2018年9月16日星期日,12,硬磁盘外观,2018年9月16日星期日,13,硬磁盘内部构成,2018年9月16日星期日,14,7.2.3 硬磁盘驱动器和控制器,磁盘驱动器 定位驱动系统 主轴系

6、统 数据转换系统 磁盘控制器 主机与磁盘驱动 器之间的接口。,2018年9月16日星期日,15,硬磁盘的驱动器,2018年9月16日星期日,16,现代硬盘结构示意图,2018年9月16日星期日,17,7.2.4 磁盘上信息的分布,记录面 磁盘片表面； 一个盘片有上下两个记录面。 磁道 记录面上一系列同心圆； 最外圈为0磁道 ，依次为1、2、N磁道； 每个磁道的存储容量均相同； 不同盘片的相同磁道构成一个柱面； 扇区 同心圆上的一段磁道区域； 每个扇区的存储容量也相同。,2018年9月16日星期日,18,磁盘上的信息记录方式,一个硬盘由多个盘片构成的磁盘组来记录信息； 每个盘片包括两个记录面（除

7、最上面和最下面）； 每个记录面表面通常有几十到几百个磁道来记录信息； 每个磁道又分为若干个扇区。 磁盘组的信息记录顺序是按照柱面来组织的：第0面第0道第1面第0道第N面第0道 第0面第1道第1面第1道第N面第1道 硬盘上信息地址由记录面号、磁道号、扇区号三个部分组成。 索引 ：磁道的起始位置。 为便于进行读/写操作；,2018年9月16日星期日,19,7.4.5 磁盘存储器的技术指标,存储密度 有道密度、位密度、面密度三个不同的指标； 相关概念 道距：相邻两磁道中心线之间的距离； 道宽：磁化轨迹的宽度。 存储容量 一个磁盘存储器所能存储的字节总数； 平均存取时间 从发出读写命令后，磁头从某一起

8、始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息所需要的时间。 数据传输率 磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数；,2018年9月16日星期日,20,存储密度,道密度 沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数； 单位：道/英寸。 位密度 磁道单位长度上能记录的二进制代码位数； 单位：位/英寸。 注意：每个磁道的位密度均不相同，有最高、最低位密度。 0磁道的位密度为最低位密度； 面密度 位密度和道密度的乘积； 单位：位/平方英寸。,2018年9月16日星期日,21,存储容量,存储容量=记录面数每面磁道数磁道容量 非格式化容量 磁记录表面可以利用的磁化单元总数。 格式化容量 按照某种特定的

9、记录格式所能存储信息的总量，也就是用户可以真正使用的容量。 格式化容量一般是非格式化容量的60%70%。,2018年9月16日星期日,22,平均存取时间,平均存取时间等于平均找道时间与平均等待时间之和； 定位时间（找道时间） 将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间； 等待时间 找道完成后，盘片将所要访问信息转到磁头下方的时间； 平均找道时间 最大与最小找道时间的平均值，约为1020ms； 平均等待时间 与磁盘转速有关，是磁盘旋转一周时间的一半。 硬盘转速为7200转/分，故平均等待时间约为4ms。,2018年9月16日星期日,23,数据传输率,数据传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。 设磁盘旋转

10、速度为每秒n转，磁道容量为N个字节 数据传输率Dr= n N（字节/秒） 设某磁道位密度为D字节/英寸，磁盘转速为v英寸/秒， 则数据传输率Dr= D v （字节/秒）,2018年9月16日星期日,24,课本P217【例1】 磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用。存储区域内径22cm ，外径33cm，道密度为40道/cm，内层位密度400位/cm，转速6000转/分。问：,共有多少柱面? 柱面数 = 每面的磁道数 盘面上的有效存储区域 = 33/2 22/2 = 16.5-11 = 5.5(cm) 道密度=40道/cm 磁道数= 405.5 = 220道，即220个柱面,20

11、18年9月16日星期日,25,课本P217【例1】 磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用。存储区域内径22cm ，外径33cm，道密度为40道/cm，内层位密度400位/cm，转速6000转/分。问：,盘组总存储容量是多少? 存储容量=记录面数每面磁道数磁道容量内层磁道周长为2R = 23.1411 = 69.08(cm) 道容量 = 400位/cm69.08cm = 27632位 = 3454B 盘组总容量= 10220 3454B = 7598800B,622,220,位密度磁道周长,2018年9月16日星期日,26,课本P217【例1】 磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录

12、面，最上最下两个面不用。存储区域内径22cm ，外径33cm，道密度为40道/cm，内层位密度400位/cm，转速6000转/分。问：,数据传输率多少? 每磁道容量N=3454B 磁盘转速r = 6000转/60秒 = 100转/秒 磁盘数据传输率Dr = rN= 403454B = 13816B/s,2018年9月16日星期日,27,课本P217【例1】 磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用。存储区域内径22cm ，外径33cm，道密度为40道/cm，内层位密度400位/cm，转速6000转/分。问：,如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在

13、同一个柱面上? 磁盘组的记录顺序是按照柱面来组织的； 因为不需要重新找道，数据读/写速度快； 如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个柱面上。,2018年9月16日星期日,28,例1：某磁盘存储器转速为3000转/分，共有4个记录盘面，每毫米5道，每道记录信息12288字节，最内层磁道直径为230mm，共275道，求：,磁盘的存储容量为多大？ 存储容量 = 记录面数每面磁道数磁道容量= 4面 275道 12288字节= 13516800字节最高位密度和最低位密度分别是多少？ 位密度 = 道容量 磁道周长（2R） 最内层磁道半径Rmin = 230mm 2 = 115mm 最外层磁道

14、半径Rmax = Rmin + 275/5 = 115 + 55 = 170mm 最高位密度 = 12288字节 2 Rmin = 17字节/mm 最低位密度=12288字节 2 Rmax =11.5字节/mm,2018年9月16日星期日,29,例1：某磁盘存储器转速为3000转/分，共有4个记录盘面，每毫米5道，每道记录信息12288字节，最内层磁道直径为230mm，共275道，求：,磁盘数据传输率为多少？ 磁盘数据传输率 = 每道容量转速= 1228850转/秒= 614400字节/秒 平均等待时间是多少？ 平均等待时间 = 1/21/转速= 1/21/50转/秒= 1/100秒 =10m

15、s,2018年9月16日星期日,30,例2：设某磁盘有两个记录面，存储区内径为2.36英寸，外径为5英寸，道密度为 1250TPI(道/英寸)，内径处的位密度为52400BPI (字节/英寸) ，转速为7200转/分，问：,每面有多少磁道？ 磁道数 = 记录面的有效区域 道密度= (外径-内径)/2 道密度= (5 2.36)/2 1250TPI= 1650道 每磁道能存储多少字节？ 道容量 = 内圈周长位密度= (2.36 3.14) 52400 8= 48562字节,2018年9月16日星期日,31,例2：设某磁盘有两个记录面，存储区内径为2.36英寸，外径为5英寸，道密度为 1250TP

16、I(道/英寸)，内径处的位密度为52400BPI (字节/英寸) ，转速为7200转/分，问：,数据传输速率为多少？ 数据传输率 = 每道字节数转速= 48562 （7200 60）= 5.82 106 字节/秒设找道时间在10ms到40ms之间，在一个磁道上写上8000字节数据，平均需要多少时间？ 所需时间 = 平均找道时间+平均等待时间+数据读取时间= (10+40) /2 + (60/7200)/2 + 8000 (5.82106) 25ms + 4.2ms + 1.4ms = 30.6ms,2018年9月16日星期日,32,7.5 光盘和磁光盘存储设备,光盘存储器 采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息； 以介质材料光学性质的变化来表示所存储信息的“1”或“0”。 光盘存储器是以光道来记录信息的； 光道是一条始于盘片中心的螺旋线。 光盘的优点 存储容量大； 光盘的缺点存取时间长，数据传输率低。,