广工计算机组成原理第7章课程

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1、2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,第7章,外部设备,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,第7章,外部设备是计算机系统中不可缺少的重要组成部分，本章将介绍磁介质存储器的存储原理，常用磁介质存储设备和其他辅助存储设备以及常见的输入输出设备的工作原理。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.1 外部设备概述,中央处理器（CPU）和主存储器（MM）构成计算机的主机。除主机以外，而又围绕着主机而设置的各种硬件装置叫做外部设备或外围设备，它们主要用来完成数据的输入、输出、成批存储以及对信息加工处理的任务。 7.1.1 外部设备的分类 外部设备的种类很多，从它们的功能及其在

2、计算机系统中的作用来看，可以分为以下五类：,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.1 外部设备概述,1.输入/输出设备 从计算机的角度出发，向计算机输入信息的外部设备称为输入设备；接受计算机输出信息的外部设备称为输出设备。 2.辅助存储器 辅助存储器即外存储器，它是指主机以外的存储装置，又称为后援存储器。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.1 外部设备概述,3.终端设备 终端设备由输入设备、输出设备和终端控制器组成，通常通过通信线路与主机相连。终端设备具有向计算机输入和接收计算机输出的能力，具有与通信线路连接的通信控制能力，有些还具有一定的数据处理能力。 4.过程控

3、制设备 模/数、数/模转换设备均是过程控制设备，有关的检测设备也属于过程控制设备。 5.脱机设备 脱机设备是指在脱离主计算机的情况下，由设备本身完成数据制备的设备。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.1 外部设备概述,7.1.2 外部设备的地位和作用 外部设备是计算机和外界联系的纽带、接口和界面。如果没有外部设备，计算机将无法工作。 外部设备在计算机系统中的作用可以分为四个方面： 外部设备是人机对话的通道 外部设备是完成数据媒体变换的设备 外部设备是计算机系统软件和信息的驻在地 外部设备是计算机在各领域应用的桥梁,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储

4、器的性能和原理,7.2.1磁介质存储器的读写 1.磁记录介质和磁头 (1)磁记录介质 在磁介质存储器中，信息是记录在一薄层磁性材料的表面上，这个薄层称为磁层。磁层与所附着的载体被称为记录介质或记录媒体。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,(2)磁头 磁头是磁记录设备的关键部件之一，它是一种电磁转换元件。写磁头实现把电脉冲表示的二进制代码转换成磁记录介质上的磁化状态，即电磁转换；读磁头实现把磁记录介质上的磁化状态转换成电脉冲，即磁电转换。 在读写过程中，记录介质与磁头之间相对运动，一般是记录介质运动而磁头不动。,2009.9,北京理工大学计算机科学技

5、术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,2.写入过程 在写磁头线圈中通以一定方向的写电流，于是在磁头下方的一个局部区域被磁化，形成一个磁化单元或称记录单元。当这部分介质移出磁头作用区后，仍将留下足够强的剩磁。在写磁头中通以正、负两个不同方向的写电流，就会产生两种不同的剩磁状态，正好对应二进制信息的“1”和“0”。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,3.读出过程 读出时，读出线圈不外加电流。当某一磁化单元运动到读磁头下方时，使得磁头中流过的磁通有很大的变化，于是在读出线圈两端产生感应电动势e。感应电动势e经放大、检波、限幅、整形和选通后，获得符合要

6、求的信号。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,7.2.2 磁介质存储器的技术指标 1.记录密度 记录密度是指磁介质存储器单位长度或单位面积磁层表面所能存储的二进制信息量。通常以道密度和位密度表示，也可用两者的乘积面密度来表示。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,道密度 道密度又叫横向密度，是指垂直于磁道方向上单位长度中的磁道数目，道密度的单位是道/英寸（TPI）或道/毫米（TPM）。 磁道指的是磁头写入磁场在记录介质表面上形成的磁化轨迹。 位密度 位密度又叫纵向密度，是指沿磁道方向上单位长度中所能记录的

7、二进制信息的位数，位密度的单位为位/英寸（bpi）或位/毫米（bpm）。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,2.存储容量 存储容量是指整个磁介质存储器所能存储的二进制信息的总量，一般用位或字节为单位表示，它与存储介质尺寸和记录密度直接相关。 磁介质存储器的存储容量有非格式化容量和格式化容量两种指标。非格式化容量是指磁记录表面上可全部利用的磁化单元数；格式化容量是指用户实际可以使用的存储容量。格式化容量一般约为非格式化容量的6070左右。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,3.平均存取时间 当磁头接到读/

8、写命令，从原来的位置移动到指定位置，并完成读/写操作的时间叫存取时间。对于磁盘存储器来说，存取时间主要包括两部分：一部分是指磁头从原先位置移动到目的磁道所需要的时间，称为定位时间或寻道时间；另一部分是指在到达目的磁道以后，等待被访问的记录区旋转到磁头下方所等待的时间。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,平均存取时间还应当包括信息的读/写操作时间，但这一时间相对平均寻道时间和平均等待时间来说可以忽略不计。所以磁盘的平均存取时间Ta ，由平均寻道时间Ts 和平均等待时间Tw 组成：,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性

9、能和原理,4.数据传送率 磁介质存储器在单位时间内向主机传送数据的位数或字节数，称为数据传送率Dr ，单位为位/秒或字节/秒。 5.误码率 误码率是衡量磁介质存储器出错概率的参数，它等于读出的出错信息位数和读出总的信息位数之比。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,7.2.3 数字磁记录方式 为了提高磁介质存储器的性能，扩大存储容量，加快存取速度，除了要不断改善磁头和记录介质的电磁性能和机械性能之外，选用高性能的数字磁记录方式对提高记录密度和可靠性也是很重要的。 磁记录方式是一种编码方式，即按照某种规律将一连串的二进制数字信息变换成记录介质上相应磁化

10、翻转形式。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,1.直接记录方式 当记录密度较低时，可以不编码，直接按记录信息的“0”、“1”排序记录。这类方式有： (1)归零制（RZ） 记录“1”时，磁头线圈中通以正向脉冲电流；记录“0”时，通以反向脉冲电流。由于脉冲电流均要回到零，故称为归零制。归零制的两个脉冲之间有一段间隔没有电流，相应的这段磁层未被磁化。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,(2)不归零制（NRZ） 记录“1”时，磁头线圈以中通正向电流；记录“0”时，通以反向电流。磁头中电流不回到零。如果记录的相邻

11、两位信息相同（即连续记录“1”或“0”）时，写电流方向不变；只有当记录的相邻两位信息不相同（即“0”和“1”交替）时，写电流才改变方向，所以又称为异码变化或“见变就翻”的不归零制。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,(3)不归零1制（NRZ-1） 这是一种改进的不归零制，记录“1”时，磁头线圈中写电流改变方向，使磁层磁化翻转；而记录“0”时，写电流方向维持不变，保持原来的磁化状态，所以称之为见“1”就翻的不归零制。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,以上各种记录方式，目前已很少应用，但不归零制是编码方式

12、的基础，无论哪一种编码方式，只要数据序列变换成记录序列之后，均按照NRZ-1制规则记录到磁层上。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,2.按位编码记录方式 (1)调相制（PE） 调相制又称相位编码方式，它采用0和180相位的不同分别表示“1”或“0”。它的编码规则是：记录“1”时，写电流在位周期中间由负变正；记录“0”时，写电流在位周期中间由正变负。当连续出现两个或两个以上“1”或“0”时，为了维持上述原则，在位周期的边界上也要翻转一次。这种记录方式常用于磁带机中。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,(2

13、)调频制（FM） 调频制是根据写电流的频率来区分记录“1”或“0”的。记录“1”时，写电流在位周期中间和边界各改变一次方向；记录“0”时，写电流仅在位周期边界改变一次方向。因此，记录“1”的磁化翻转频率为记录“0”时的两倍，故又称倍频制。若以T0表示位周期，则调频制的磁化翻转间距为0.5T0和T0。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,(3)改进的调频制（MFM） MFM制是在FM制基础上改进的一种记录方式，又称为延迟调制码或密勒码。其编码规则为：记录“1”时，写电流在位周期中间改变方向；记录独立的一个“0”，写电流不改变方向；记录连续的两个“0”，

14、写电流在位周期边界改变方向。 改进的调频制的磁化翻转间距有三种：T0、1.5T0、2T0 ，对应于三种不同的频率，所以又称为三频制。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,(4)改进的改进型调频制（M2FM） M2FM制的编码规则为：记录“1”时，写电流在位周期中间改变方向；记录独立的一个“0”，写电流不改变方向；记录连续的两个“0”，写电流在位周期边界处改变方向，产生磁化翻转；记录连续两个以上的“0”，写电流在前两个“0”的位周期边界处改变方向，以后每隔两个“0”的位周期边界处，写电流再改变一次方向，产生翻转翻转。 改进的改进型调频制的磁化翻转间距有

15、四种：T0、1.5T0、2T0、2.5T0，对应于四种不同的频率，所以又称为四频制。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.2 磁介质存储器的性能和原理,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.3 磁介质存储设备,7.3.1 硬盘存储器的基本结构与分类 硬盘存储器的硬件包括硬盘控制器（适配器）、硬盘驱动器以及连接电缆。硬盘控制器对硬盘进行管理，并在主机和硬盘之间传送数据。 硬盘驱动器内有多个盘片，它们被叠装在主轴上，构成一个盘组，每个盘片的两面都可用作记录面。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.3 磁介质存储设备,硬盘存储器可分为温彻斯特盘和非温彻斯特盘两

16、类。温彻斯特盘的主要特点是磁头、盘片、磁头定位机构、主轴，甚至连读/写驱动电路等都被密封在一个盘盒内，构成一个头盘组合体，这个组合体不可随意拆卸，它的防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。而非温式磁盘的磁头和盘片等不是密封的，因此要求有超净使用环境。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.3 磁介质存储设备,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.3 磁介质存储设备,硬盘存储器可分为固定头硬盘和活动头硬盘两类。固定头硬盘机中，每个磁道对应一个磁头，省去了磁头找磁道的时间，存取速度快。但由于磁头太多，使磁盘的道密度不可能很高。移动头硬盘机中，每个盘面上只有一个读写头，安装在读写臂上，当需要在不同磁道上读写时，要驱动读写臂沿盘面作径向移动。由于增加了寻道时间，所以其存取时间比固定头硬盘机要长。,2009.9,北京理工大学计算机科学技术学院,7.3 磁介质存储设备,7.3.2 硬盘驱动器 1.磁头 接触启停式浮动磁头是指读/写操作时磁头浮空，不与盘面记录区相接触，以免划伤记录区。但在启动前和停止后，磁头将仍与盘面接触。具体的做法是：在盘面记