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1、计算机组成原理计算机组成原理1计计 算算 机机 组组 成成 原原 理理输入入输出出设备输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理21 1、概述、概述2 2、输入设备、输入设备 键盘，键盘，3 3、输入设备、输入设备 显示器，打印机显示器，打印机4 4、存储设备、存储设备 硬盘，硬盘，光盘存储设备光盘存储设备本讲安排本讲安排输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理3本讲将解决的主要问题本讲将解决的主要问题 掌握常用外设的基本概念、结构、工作原理掌握常用外设的基本概念、结构、工作原理了解主要外设的关键技术及其发展动态了解主要外设的关键技术及其发展动态输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原
2、理4一、作用一、作用 在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系。在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系。外设外设CPU二、地位二、地位从信息的转换角度：决定了信息处理的可靠性与准确性从信息的转换角度：决定了信息处理的可靠性与准确性从配置上：越来越多，功能越来越强从配置上：越来越多，功能越来越强从所占比重上：其产值占信息产业中硬件产值的从所占比重上：其产值占信息产业中硬件产值的70%以上以上决定计算机系统可靠性、性价比及影响计算机推广应用的关键决定计算机系统可靠性、性价比及影响计算机推广应用的关键外外设设概概论论输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理5三、分类三、
3、分类 按功能按功能 输入设备输入设备 1 1 键盘、鼠标键盘、鼠标 2 2 图形输入设备：光笔、数字化仪图形输入设备：光笔、数字化仪 3 3 语音输入设备：话筒语音输入设备：话筒 4 4 自动识别输入设备：自动识别输入设备：OCROCR、OMROMR、扫描仪、条码阅读机扫描仪、条码阅读机 5 5 触摸屏触摸屏 6 6 图象输入设备：数码相机图象输入设备：数码相机输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理6输出设备输出设备1显示器显示器2打印机打印机针式打印机针式打印机激光打印机激光打印机:激光扫描技术、电摄影技术激光扫描技术、电摄影技术喷墨打印机：喷墨打印机：“连续射流分解成滴连续射流分解成
4、滴”3绘图仪：平台式和鼓式绘图仪：平台式和鼓式4语音输出设备：扬声器、耳机语音输出设备：扬声器、耳机5缩微胶卷输出设备缩微胶卷输出设备输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理7外存储设备外存储设备1软盘软盘2硬盘硬盘内置硬盘内置硬盘盒式硬盘盒式硬盘3光盘：光盘：CD、DVD4磁带磁带数据通信设备数据通信设备终端设备终端设备1通用终端设备通用终端设备2专用终端设备专用终端设备输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理8键盘键盘一、键开关的结构及工作原理一、键开关的结构及工作原理有触点式有触点式：机械簧片式、干簧管式、薄膜式、：机械簧片式、干簧管式、薄膜式、导电像胶式等导电像胶式等无触点式无
5、触点式：电容式：电容式键冒键冒复位弹簧复位弹簧键杆键杆簧片簧片铜箔铜箔基板基板键冒键冒复位弹簧复位弹簧键杆键杆泡沫减振块泡沫减振块活动极活动极驱动极驱动极检测极检测极印刷电路板印刷电路板输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理9有触点式：有触点式：结构简单、成本低、开关特性好，结构简单、成本低、开关特性好，开关通断时会发生触点跳动，因引起电开关通断时会发生触点跳动，因引起电路干扰和机械磨损而影响寿命路干扰和机械磨损而影响寿命无触点式无触点式：无机械磨损、不存在触点跳动现象，：无机械磨损、不存在触点跳动现象，可靠性高、寿命长，可靠性高、寿命长，需放大、整形等较复杂的电路，成本高，需放大、整形
6、等较复杂的电路，成本高，且加工装配要求高且加工装配要求高键盘按键键盘按键: :有机械式、电容式、导电橡胶式、薄膜式等多种，有机械式、电容式、导电橡胶式、薄膜式等多种，但不管何种形式，其作用都是一个使电路接通与断开的开关。但不管何种形式，其作用都是一个使电路接通与断开的开关。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理10二、键盘编码器二、键盘编码器1.1.编码键盘编码键盘 键盘键盘本身带有实现接口主要功能所必需的硬件电本身带有实现接口主要功能所必需的硬件电路。路。 2.2.非编码键盘非编码键盘 键盘键盘只简单地提供按键开关的行列矩阵。只简单地提供按键开关的行列矩阵。8*8开关矩阵开关矩阵y编码
7、器编码器x编码器编码器y0y7x0x7锁存器锁存器b0b1b2b3b4b5x0x7锁存信号锁存信号按键标志按键标志产生电路产生电路输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理11 有一个有一个3*43*4的矩阵键盘通过并行接口芯片的矩阵键盘通过并行接口芯片8255A8255A与计算机相与计算机相连。连。8255A8255A的的A A定义为输出口，与键盘行线相连；定义为输出口，与键盘行线相连；B B口定义为口定义为输入口，与键盘列线相连。接口硬件如图。输入口，与键盘列线相连。接口硬件如图。非编码键盘接口非编码键盘接口PA0PA1PA2PB3PB2PB1PB08255ACPU行0行1行2列0列3列
8、1 列23.3.非编码键盘非编码键盘输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理12接口原理接口原理 检查是否有键按下检查是否有键按下，其方法是：输出扫描码，使所，其方法是：输出扫描码，使所有行线为有行线为0 0。然后读入列线状态，检查是否有列线为。然后读入列线状态，检查是否有列线为0 0。若有，则表明有行线和列线接通，意味意有键按下。若有，则表明有行线和列线接通，意味意有键按下。 去抖动去抖动：当有键按下时，延时：当有键按下时，延时20ms20ms左右，待抖动消左右，待抖动消失后，在稳定状态下进行被按键失后，在稳定状态下进行被按键 识别。识别。 被按键识别被按键识别：从第：从第0 0行第行第
9、0 0列开始，顺序对所有按键列开始，顺序对所有按键编号。通过逐行扫描确定被按键的编号。编号。通过逐行扫描确定被按键的编号。 产生键码产生键码：根据扫描得到的键编号查找键盘编码表，：根据扫描得到的键编号查找键盘编码表，获得与被按键功能对应的键码。获得与被按键功能对应的键码。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理13以可见光形式传递和处理信息的设备叫显示设备。以可见光形式传递和处理信息的设备叫显示设备。(1)(1)按显示设备所用显示器件分类按显示设备所用显示器件分类：阴极射线管（阴极射线管（CRT）显示器）显示器液晶显示器（液晶显示器（LCD）等离子显示器等等离子显示器等显示设备分类显示设备
10、分类设备分类：设备分类：CRTCRT显示器又分为：显示器又分为：以扫描方式不同：光栅扫描和随机扫描显示器以扫描方式不同：光栅扫描和随机扫描显示器以分辨率不同：高分辨率和低分辨率显示器以分辨率不同：高分辨率和低分辨率显示器以显示颜色分类：单色（黑白）和彩色显示器以显示颜色分类：单色（黑白）和彩色显示器(2)(2)按显示内容分类：按显示内容分类：字符显示器字符显示器图形显示器图形显示器图象显示器图象显示器输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理14电子枪：电子枪：电电子子枪枪是是阴阴极极射射线线管管的的主主要要组组成成部部分分，包包括括灯灯丝丝，阴阴极极，控控制制级级（栅栅级级），第第一一阳阳
11、极极（加加速速极极），第第二二阳阳极极（高高压压极极）和和第三阳极（聚焦极）第三阳极（聚焦极）。单色单色CRT工作原理：工作原理：当当灯灯丝丝加加热热，阴阴极极受受热热而而发发射射电电子子，电电子子的的多多少少受受控控制制极极控控制。制。电电子子经经加加速速，聚聚焦焦而而成成电电子子束束，在在高高压压极极形形成成的的均均匀匀电电位位空空间间作作用用下下高高速速地地冲冲射射到到荧荧光光屏屏上上，荧荧光光屏屏受受电电子子束束轰轰击击而而产产生生一一个个亮亮点点，其其亮亮度度取取决决与与电电子子束束的的轰轰击击速速度度、电电子子束束电电流流强强度度和荧光粉的发光效率。和荧光粉的发光效率。电电子子束束
12、在在偏偏转转系系统统的的控控制制下下，在在荧荧光光屏屏的的不不同同位位置置产产生生光光点点，这些光点即可组成所需的字符和图象。这些光点即可组成所需的字符和图象。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理15CRT是是一一漏漏斗斗形形的的电电真真空空器器件件。由由电电子子枪枪，荧荧光光屏屏及及偏偏转转线线圈圈组组成成。图图（a）是是CRT的的结结构构，图图（b）是是带带有有偏偏转转线线圈的圈的CRT示意图。示意图。(1)(1)阴极射线管阴极射线管CRTCRT1.1.显示器件显示器件输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理16输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理17 彩色彩色CRTC
13、RT与单色与单色CRTCRT的原理基本相似。的原理基本相似。 荫罩式彩色显象管荫罩式彩色显象管 一般有三个按正三角形排列的电子枪，分别用来触发红，一般有三个按正三角形排列的电子枪，分别用来触发红，绿，蓝三种颜色的荧光粉发光，荧光屏上每个象元由按三角绿，蓝三种颜色的荧光粉发光，荧光屏上每个象元由按三角形排列的红，绿，蓝三种荧光粉组成。形排列的红，绿，蓝三种荧光粉组成。 荧光屏附近装有一个荫罩板，上有荧光屏附近装有一个荫罩板，上有40-5040-50万个小孔，和三万个小孔，和三色荧光粉组数一一对应，以保证三支电子枪能够准确击中各色荧光粉组数一一对应，以保证三支电子枪能够准确击中各自相应的荧光粉。自
14、相应的荧光粉。 涂有荧光粉的屏幕被激励而出现红蓝绿三基色或有三基色涂有荧光粉的屏幕被激励而出现红蓝绿三基色或有三基色组成的其它颜色。组成的其它颜色。彩色彩色CRT工作原理：工作原理： 栅网式的单枪三色彩色显象管栅网式的单枪三色彩色显象管 性能进一步改进，制造工艺和控制方法比较简单。性能进一步改进，制造工艺和控制方法比较简单。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理18黑黑绿绿红红蓝蓝品红品红青青白棕棕颜色颜色 R G B黑黑 0 0 0蓝蓝 0 0 1绿绿 0 1 0青青 0 1 1红红 1 0 0品红品红 1 0 1棕棕 1 1 0白白 1 1 1改变三基色的组合状态，改变三基色的组合状
15、态，可获得色度的变化。可获得色度的变化。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理19其结构简单，已大量用于仪表，计算器和手表上。其结构简单，已大量用于仪表，计算器和手表上。原理：原理：在在两两块块敷敷有有透透明明导导电电电电极极平平板板的的玻玻璃璃夹夹层层中中，封封装装一一种种既既有有流流体体性性质质，又又有有晶晶体体性性质质的的液液晶晶，只只要要在在电电极极上上加加几几伏伏至至几几十十伏伏电电压压，液液晶晶的的透透光光率率，反反射射率率，颜颜色色等等就就会会发发生生变变化化，即可显示字符和图形。即可显示字符和图形。(2)(2)平板显示器件平板显示器件 液晶显示平板器件液晶显示平板器件特点
16、：特点：电流小，工耗低，价廉，可与集成电路配套使用，电流小，工耗低，价廉，可与集成电路配套使用，在明亮环境下仍有较好的对比度和灰度，具有较好的显示色在明亮环境下仍有较好的对比度和灰度，具有较好的显示色彩和存储信息的能力。彩和存储信息的能力。但工作温度范围小（通常在但工作温度范围小（通常在050摄氏度），响应速度摄氏度），响应速度慢。制造较大面积的液晶显示比较困难。慢。制造较大面积的液晶显示比较困难。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理20这种器件适于组装成大屏幕显示屏或高亮度大屏幕字符显示这种器件适于组装成大屏幕显示屏或高亮度大屏幕字符显示器。器。原理：原理：在两块平面玻璃间封入电离发
17、光气体，在玻璃板上的透明导在两块平面玻璃间封入电离发光气体，在玻璃板上的透明导电电极之间的电场作用下使气体电离发光。它体积小，电压低电电极之间的电场作用下使气体电离发光。它体积小，电压低（几百伏），发光亮度大。常用于体育运动场或军事指挥中心（几百伏），发光亮度大。常用于体育运动场或军事指挥中心 等离子显示平板器件等离子显示平板器件输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理21显显示示器器采采用用与与电电视视系系统统相相同同的的矩矩形形光光栅栅扫扫描描，是是通通过过在在CRT偏偏转转线线圈圈上上通通以以锯锯齿齿波波电电压压实实现现的的。其其显显示示原原理理如如下下图图所所示。示。(1)(1)光
18、栅扫描光栅扫描 扫描技术扫描技术输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理22光栅扫描是控制电子束在荧光屏上从左到右扫描出一条条水平亮线，光栅扫描是控制电子束在荧光屏上从左到右扫描出一条条水平亮线，称为称为行扫描行扫描，然后，电子束又从右回扫到左，这时电子束被，然后，电子束又从右回扫到左，这时电子束被“消隐消隐”，屏，屏幕上没有亮线，见图上虚线。叫幕上没有亮线，见图上虚线。叫“逆程扫描逆程扫描”，又叫，又叫“行消隐行消隐”或或“水平水平回归回归”。场扫描场扫描是控制垂直方向扫描，在荧光屏上最后一条水平线扫描结束后，是控制垂直方向扫描，在荧光屏上最后一条水平线扫描结束后，光栅垂直回归到第一条水
19、平扫描线的起点，回归时亮点消失，又叫光栅垂直回归到第一条水平扫描线的起点，回归时亮点消失，又叫“场消场消隐隐”或或“垂直回归垂直回归”。整个荧光屏上由一条条光栅组成的画面，叫做一幅。整个荧光屏上由一条条光栅组成的画面，叫做一幅或一帧。或一帧。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理23显然，扫描线越多，分辨率越高。图象也就越清晰。一显然，扫描线越多，分辨率越高。图象也就越清晰。一般每帧有般每帧有405线，线，526线，线，625线，线，819线多种，我国电视每帧线多种，我国电视每帧用用625线。显示时只有一个光点在屏幕上扫描，由于人眼的线。显示时只有一个光点在屏幕上扫描，由于人眼的视觉暂留
20、现象使看见的图象是连续的。视觉暂留现象使看见的图象是连续的。我国采用我国采用25帧摄象制，即每秒扫描帧摄象制，即每秒扫描25帧，就会在荧光屏上帧，就会在荧光屏上出现活动图象，但对人的视觉有闪烁的感觉。出现活动图象，但对人的视觉有闪烁的感觉。因此，大多改用隔行扫描，把一帧图象的因此，大多改用隔行扫描，把一帧图象的625行分成两次行分成两次传送，每次传送传送，每次传送312.5行（称一场），先传送奇行数，再传送行（称一场），先传送奇行数，再传送偶行数。偶行数。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理24 计算机用的显示屏计算机用的显示屏一般选用一般选用200线或线或400线，高密度的显线，高密
21、度的显示器可达示器可达1024线或线或2048线。前者用于字符终端；后者用于图线。前者用于字符终端；后者用于图形，图象终端。形，图象终端。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理25分辨率和灰度级是显示器的两个重要技术指标。分辨率和灰度级是显示器的两个重要技术指标。(1)(1)分辨率分辨率显示设备所能表示的象素个数。显示设备所能表示的象素个数。象素越密，分辨率越高，图象越清晰。象素越密，分辨率越高，图象越清晰。显示器的分辨率与显象管荧光粉的粒度，荧光屏的尺寸和显示器的分辨率与显象管荧光粉的粒度，荧光屏的尺寸和CRT电子束电子束的聚焦能力等有关。此外，还要求刷新存储器具有与显示象数相对应的存
22、的聚焦能力等有关。此外，还要求刷新存储器具有与显示象数相对应的存储空间，以便存储每个象素信息。储空间，以便存储每个象素信息。3.3.分辨率和灰度级分辨率和灰度级为了保证图象有较好的水平与垂直线性，象素长宽比例通常为为了保证图象有较好的水平与垂直线性，象素长宽比例通常为4：3。例例如如，12英英寸寸彩彩色色CRT的的分分辨辨率率为为640*480个个象象素素；14英英寸寸显显示示800*600个个象象素素；16英英寸寸显显示示1024*768个个象象素素都都满满足足4：3的的比比例例。此此外外，某某些些专专用用的的方方形形CRT显显示示分分辨辨率率为为512*512或或1024*1024，甚甚至
23、至4096*4096个象素。个象素。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理26(2)(2)灰度级灰度级指所显示象素点的亮暗差别，在彩显中则表现为颜色的不同。指所显示象素点的亮暗差别，在彩显中则表现为颜色的不同。灰度级越多，图象层次越清楚逼真。灰度级与每个象素对应灰度级越多，图象层次越清楚逼真。灰度级与每个象素对应刷新存储器单元的位数和刷新存储器单元的位数和CRT本身的性能有关。本身的性能有关。如果用如果用4位表示一个象素，只有位表示一个象素，只有16级灰度或颜色；级灰度或颜色；若用若用8位表位表示一个象素。则有示一个象素。则有256级灰度或颜色。级灰度或颜色。只用只用“0”和和“1”两级
24、灰度就能表示字符有无的显示器称为两级灰度就能表示字符有无的显示器称为单色显示器；具有多种颜色的显示器称为彩色显示器；具有多单色显示器；具有多种颜色的显示器称为彩色显示器；具有多种灰度级的黑白显示器称为多灰度级黑白显示器。图象显示器种灰度级的黑白显示器称为多灰度级黑白显示器。图象显示器的灰度级为的灰度级为64级或级或256级。级。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理27CRT荧光屏发光是由电子束轰击荧光粉引起的，其发光亮荧光屏发光是由电子束轰击荧光粉引起的，其发光亮度大约只能维持几十豪微秒便消失。度大约只能维持几十豪微秒便消失。为了人眼能看见稳定的图象，必须在图象消失之前使该电为了人眼能
25、看见稳定的图象，必须在图象消失之前使该电子束不断重复扫描整个屏幕，这称为刷新。每秒刷新的次数叫子束不断重复扫描整个屏幕，这称为刷新。每秒刷新的次数叫做做刷新频率刷新频率。刷新频率一般大于刷新频率一般大于30次次/秒就不会感觉有闪烁，显示设备中秒就不会感觉有闪烁，显示设备中常选用每秒刷新常选用每秒刷新50帧图象作为刷新频率。帧图象作为刷新频率。4.4.刷新和刷新存储器刷新和刷新存储器(1)(1)刷新刷新输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理28存储图象的存储器叫刷新存储器，也叫存储图象的存储器叫刷新存储器，也叫“帧存储器帧存储器”或或“视频存储器视频存储器”。其存储容量由图象分辨率和灰度级
26、决。其存储容量由图象分辨率和灰度级决定。定。分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器的容量也越大。分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器的容量也越大。例如，分辨率为例如，分辨率为512*512，256级灰度的图象，其刷新存储级灰度的图象，其刷新存储器的容量为器的容量为512*512*8BIT=256KB。而存储周期必须满足刷。而存储周期必须满足刷新频率的要求。新频率的要求。(2)(2)刷新存储器刷新存储器输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理29字符字符显示器显示器不同的计算机系统，显示器的组成方式也不同：不同的计算机系统，显示器的组成方式也不同：1.在大型计算机中，显示器作为终端设备独立存在，即
27、键盘在大型计算机中，显示器作为终端设备独立存在，即键盘输入和输入和CRT显示输出是一个整体，通过标准的串行接口与显示输出是一个整体，通过标准的串行接口与主机相连。主机相连。2.在微型机系统中，在微型机系统中，CRT显示输出和键盘是两个独立的设备，显示输出和键盘是两个独立的设备，显示系统由插在主机槽中的显示适配器卡和显示器两部分显示系统由插在主机槽中的显示适配器卡和显示器两部分组成，而且将字符显示和图形显示结合为一体。组成，而且将字符显示和图形显示结合为一体。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理301.1.字符显示字符显示显示字符的方法以显示字符的方法以点阵点阵为基础。点阵是由为基础。点
28、阵是由mn个点组个点组成的阵列，并以此来构造字符。成的阵列，并以此来构造字符。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理31通常用通常用5*7或或7*9的光点点阵组成单个字符，显示汉字时，的光点点阵组成单个字符，显示汉字时，则要用则要用16*16，24*24，32*32或或64*64的点阵，高要求还可的点阵，高要求还可用用128*128。在在IBM/PC系统中，屏幕共显示系统中，屏幕共显示80列列 25行行=2000个字符，故个字符，故字符窗口数目为字符窗口数目为2000。在单色字符方式下，每个字符窗口。在单色字符方式下，每个字符窗口为为9 14点阵，字符为点阵，字符为7 9点阵。点阵。点阵
29、的多少取决于显示字符的质量和字符窗口的大小。点阵的多少取决于显示字符的质量和字符窗口的大小。字字符窗口符窗口是指每个字符在屏幕上所占的点数，它包括字符显是指每个字符在屏幕上所占的点数，它包括字符显示点阵和字符间隔。示点阵和字符间隔。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理32对应于每个字符窗口，所需显示字符的对应于每个字符窗口，所需显示字符的ASCII代码被存放在代码被存放在视频存储器视频存储器VRAM中，以备刷新；中，以备刷新；字符点阵存入由字符点阵存入由ROM构成的字符发生器中；构成的字符发生器中；在在CRT进行扫描的过程中，从字符发生器中依次读出某个进行扫描的过程中，从字符发生器中依
30、次读出某个字符的点阵，按照点阵中字符的点阵，按照点阵中0，1的不同控制扫描电子束的开或的不同控制扫描电子束的开或关，从而在屏幕上显示出字符。关，从而在屏幕上显示出字符。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理33图形显示器图形显示器是用是用点，线点，线（直线和曲线），（直线和曲线），面面（平面和曲面）（平面和曲面）组合成要求的平面或立体图形。同时可以作平移，比例变换，组合成要求的平面或立体图形。同时可以作平移，比例变换，旋转，坐标变换，投影变换（把三维图形变换为二维图形），旋转，坐标变换，投影变换（把三维图形变换为二维图形），透透视视变变换换，透透视视投投影影，轴轴侧侧投投影影（三三面面图
31、图），单单点点透透视视，两两点点或或三三点点透透视视以以及及隐隐线线处处理理等等操操作作。主主要要用用于于CAD和和CAM（计计算算机机辅辅助助制制造造），如如汽汽车车，飞飞机机，舰舰船船，土土建建以以及及集成电路板等的设计制造。集成电路板等的设计制造。图图形形显显示示器器通通常常配配有有键键盘盘，光光笔笔，数数字字化化仪仪，鼠鼠标标器器，CRT显显示示器器和和绘绘图图机机等等。下下面面简简要要介介绍绍图图形形显显示示器器的的基基本本原原理。理。图形图形显示器显示器在在原原有有的的字字符符显显示示器器上上加加一一块块显显示示图图形形的的逻逻辑辑电电路路板板，即即可可变变成成简简易易的的图图形形
32、显显示示器器；如如果果配配上上图图形形输输入入板板和和绘绘图图机机，则可构成一种廉价的小型图形处理系统。则可构成一种廉价的小型图形处理系统。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理34在数字图象处理中，数字图象显示器是最后也是最重要的在数字图象处理中，数字图象显示器是最后也是最重要的环节，它可以让人们通过视觉，更好地理解和解释图象的内环节，它可以让人们通过视觉，更好地理解和解释图象的内容。容。图象显示器除了能存储从计算机输入的图象并在荧光屏上图象显示器除了能存储从计算机输入的图象并在荧光屏上显示外，还具有灰度变换，窗口技术，真彩色和伪彩色显示显示外，还具有灰度变换，窗口技术，真彩色和伪彩色
33、显示等图象增强技术功能。等图象增强技术功能。灰度变换：灰度变换：可使原始图象的对比度得到增加或改变可使原始图象的对比度得到增加或改变。窗窗口口技技术术：在在图图象象存存储储器器中中，每每个个象象素素有有2048级级灰灰度度值值（11位位），肉肉眼眼不不能能分分辨辨出出这这么么多多级级（通通常常肉肉眼眼只只能能分分辨辨40级级）。若若在在2048级级中中开开一一个个小小窗窗口口，将将这这个个窗窗口口内内的的灰灰度度级级取取出出，使使之之变变换换为为64级级显显示示灰灰度度，就就可可以以把把原原来来被被掩掩盖盖的的灰灰度细节充分地显示出来。度细节充分地显示出来。图像图像显示器显示器输入输出设备课件
34、计算机组成原理计算机组成原理35真彩色和伪彩色：真彩色和伪彩色：真彩色真彩色是指真实图象的彩色显示，是色还原技术，电视属是指真实图象的彩色显示，是色还原技术，电视属于这一类；于这一类；伪彩色伪彩色处理和显示则是一种图象增强技术。肉眼分辨黑白处理和显示则是一种图象增强技术。肉眼分辨黑白色只有几十级，但能分辨出上千种彩色。伪彩色处理技术可对色只有几十级，但能分辨出上千种彩色。伪彩色处理技术可对黑白图象进行染色，如把水的灰度染为蓝色，把植物的灰度染黑白图象进行染色，如把水的灰度染为蓝色，把植物的灰度染为绿色，把土地的灰度染为黄色等。为绿色，把土地的灰度染为黄色等。图象显示器还具有几何处理功能图象显示
35、器还具有几何处理功能，如：如：图象的放大：图象的放大：可进行可进行2，4，8倍放大。倍放大。图图象象分分割割：可可在在CRT的的局局部部范范围围内内显显示示一一幅幅图图象象的的全全部部或或部部分分，并并在在其其他他范范围围内内显显示示其其他他图图象象的的全全部部或或局局部部，或或进进行行图图象重叠。象重叠。图图象象滚滚动动：即即是是使使图图象象显显示示的的顺顺序序发发生生变变化化，可可以以在在水水平平和垂直两个方向滚动。和垂直两个方向滚动。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理36图象显示器显示的图形是经过计算机用一定算法产生的图象显示器显示的图形是经过计算机用一定算法产生的点，线，面，
36、阴影等，它来自主观世界，故称点，线，面，阴影等，它来自主观世界，故称主观图象主观图象或或计算机图象。计算机图象。图象显示器显示的图象通常来自客观世界，故称图象显示器显示的图象通常来自客观世界，故称客观图客观图象象。二者之间在处理和分析上都有很大的差异，但又可以。二者之间在处理和分析上都有很大的差异，但又可以互相借鉴。有一种图形互相借鉴。有一种图形图象两用的显示器，使得图形显图象两用的显示器，使得图形显示器具有某些图象处理功能。示器具有某些图象处理功能。图图7-49是图象显示器工作原理。是图象显示器工作原理。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理37输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成
37、原理38 由图可见：由图可见：计算机将图象数据通过接口电路送入图象存储器。计算机将图象数据通过接口电路送入图象存储器。显示时，从图象存储器取出图象数据，经过窗口控制器处理后，显示时，从图象存储器取出图象数据，经过窗口控制器处理后，与灰度度标发生器的信号一起送到选择器。在时间控制系统控与灰度度标发生器的信号一起送到选择器。在时间控制系统控制下，将图象信号和灰度度标信号变成时分信号输出，并在显制下，将图象信号和灰度度标信号变成时分信号输出，并在显示屏的固定区域显示灰度度标。示屏的固定区域显示灰度度标。从选择器输出的图象信号分成两路：从选择器输出的图象信号分成两路：一路经彩色编码器编码后，与字符发生
38、器输出的内容相一路经彩色编码器编码后，与字符发生器输出的内容相混合，得红，绿，蓝三色图象和字符数码信号，经混合，得红，绿，蓝三色图象和字符数码信号，经D/A转换器转换器后变成控制彩色现象管后变成控制彩色现象管R（红），（红），G（绿），（绿），B（蓝）三枪的视（蓝）三枪的视频信号，以显示彩色图象。频信号，以显示彩色图象。另一路直接和字符发生器输出的内容相混合，经另一路直接和字符发生器输出的内容相混合，经D/A转换转换后变成黑白显象管电子束强度变化的视频信号，以显示黑白图后变成黑白显象管电子束强度变化的视频信号，以显示黑白图象。象。图像图像显示器显示器输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理
39、39图象显示器还具有字符显示功能图象显示器还具有字符显示功能，以便在图象上进行注，以便在图象上进行注释。字符编码由键盘送入字符码存储器。显示时从字符码存释。字符编码由键盘送入字符码存储器。显示时从字符码存储器中取出并由字符发生器变成相应的字形信号，与图象信储器中取出并由字符发生器变成相应的字形信号，与图象信号混合后一起显示。若字符信号不经过彩色编码器，彩色显号混合后一起显示。若字符信号不经过彩色编码器，彩色显示器上的字符则为白色。示器上的字符则为白色。图象显示器主要用于图象处理。图象显示器主要用于图象处理。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理40打印设备n击打式击打式n串行、行式串行、
40、行式n点阵针式、字模式点阵针式、字模式n非击打式非击打式n喷墨喷墨n激光激光n热转印热转印输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理41击打式打印机点阵针式输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理42激光式打印机输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理432、组成及工作原理、组成及工作原理激光扫描系统激光扫描系统电摄影系统电摄影系统.激光打印机工作原理图（1 1）二进制数据）二进制数据 - -点阵信息点阵信息 （2 2）电）电-光光 （3 3）准直）准直 （4 4）扫描）扫描 （5 5）聚焦、校正）聚焦、校正 （6 6）充电、曝光）充电、曝光 （7 7）显影）显影 （8 8）转印、分
41、离）转印、分离 （9 9）定影）定影（1010）中和、清洁、消电）中和、清洁、消电 输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理44电摄影系统电摄影系统电摄影的工作阶段和过程电摄影的工作阶段和过程潜像阶段潜像阶段（1）充电）充电（2）曝光）曝光墨粉可见像阶段墨粉可见像阶段.（1）（2）（3）（5）（4）（6）（7）（8）（9）（3）显影）显影（4）转印）转印（5）分离）分离（6）定影）定影清洁阶段清洁阶段（7）中和）中和（8）清扫）清扫（9）消电）消电输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理45光导鼓光导鼓功能功能在静电场的作用下使光导体获得一定极性的、均匀的电荷，在静电场的作用下使光导体
42、获得一定极性的、均匀的电荷，并将投照在它上面的光像转换成静电潜像，经墨粉显影，获得可并将投照在它上面的光像转换成静电潜像，经墨粉显影，获得可见图像。见图像。结构结构+ + + + + +- - - - - -上阻挡层上阻挡层下阻挡层下阻挡层底基底基光导层光导层光导层材料：光导层材料：硒硒(Se)氧化锌（氧化锌（ZnO）硫化隔（硫化隔（CdS）输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理46计算机的外存储器又称磁表面存储设备计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓所谓磁表面存储磁表面存储，是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存
43、储信息。磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。储信息。磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。磁表面存储器的优点：磁表面存储器的优点：(1)存储容量大，位价格低；存储容量大，位价格低；(2)记录介质可以重复使用；记录介质可以重复使用；(3)记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档；记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档；(4)非破坏性读出，读出时不需要再生信息非破坏性读出，读出时不需要再生信息。磁表面存储器的缺点：磁表面存储器的缺点：存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。磁记录原理与记录方式磁记录原理与记录方式在计算
44、机系统中作为在计算机系统中作为辅助大容量存储器辅助大容量存储器使用，用以存放系统使用，用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据信息。软件、大型文件、数据库等大量程序与数据信息。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理47磁性材料的磁性材料的磁滞回线磁滞回线从磁滞回线可以看出，磁性从磁滞回线可以看出，磁性材料被磁化以后，工作点总是材料被磁化以后，工作点总是在磁滞回线上。只要外加的正在磁滞回线上。只要外加的正向脉冲电流向脉冲电流(即外加磁场即外加磁场)幅度幅度足够大，那么在电流消失后磁足够大，那么在电流消失后磁感应强度感应强度B并不等于零，而是并不等于零，而是处在处在+Br状态状态(
45、正剩磁状态正剩磁状态)。反之，当外加负向脉冲电流时，反之，当外加负向脉冲电流时，磁感应强度磁感应强度B将处在将处在-Br状态状态(负剩磁状态负剩磁状态)。1.1.磁性材料的物理特性磁性材料的物理特性输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理48这就是说，当磁性材料被磁化后，会形成两个稳定的剩这就是说，当磁性材料被磁化后，会形成两个稳定的剩磁状态，就像触发器电路有两个稳定的状态一样。磁状态，就像触发器电路有两个稳定的状态一样。如果规定用如果规定用+Br状态表示代码状态表示代码“1”，-Br状态表示代码状态表示代码“0”，那么要使磁性材料记忆，那么要使磁性材料记忆“1”，就要加正向脉冲电，就要加
46、正向脉冲电流，使磁性材料正向磁化；要使磁性材料记忆流，使磁性材料正向磁化；要使磁性材料记忆“0”，则要，则要加负向脉冲电流，使磁性材料反向磁化。加负向脉冲电流，使磁性材料反向磁化。磁性材料上呈现剩磁状态的地方形成了一个磁性材料上呈现剩磁状态的地方形成了一个磁化元磁化元或或存存储元储元，它是记录一个二进制信息位的最小单位。，它是记录一个二进制信息位的最小单位。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理49形成不同写入电流波形的方式，称为形成不同写入电流波形的方式，称为记录方式记录方式。记录方。记录方式是一种编码方式，它按某种规律将一串二进制数字信息式是一种编码方式，它按某种规律将一串二进制数字
47、信息变换成磁层中相应的磁化元状态，用读写控制电路实现这变换成磁层中相应的磁化元状态，用读写控制电路实现这种转换。种转换。在磁表面存储器中，由于写入电流的幅度、相位、频率在磁表面存储器中，由于写入电流的幅度、相位、频率变化不同，从而形成了不同的记录方式。常用记录方式可变化不同，从而形成了不同的记录方式。常用记录方式可分为分为不归零制不归零制(NRZ)，调相制，调相制(PM)，调频制，调频制(FM)几大类。几大类。这些记录方式中代码这些记录方式中代码0或或1的写入电流波形见图的写入电流波形见图7.11。2.2.记录方式记录方式磁性材料写入二进制代码磁性材料写入二进制代码0或或1，是靠不同的写入电流
48、，是靠不同的写入电流波形实现的。波形实现的。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理50输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理51(1)(1)不归零制不归零制(NRZ(NRZ0 0) )其特点是磁头线圈中始终有电流，其特点是磁头线圈中始终有电流，不是正向电流不是正向电流(代表代表1)就是反向电流就是反向电流(代表代表0)，因此不归零制记录方式的抗干扰性能，因此不归零制记录方式的抗干扰性能较好。较好。oo1输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理52( (2)2)见见“1”“1”就翻不归零制就翻不归零制(NRZ(NRZ1 1) ) 与与 NRZ NRZ0 0制的制的相同处相同处：磁
49、头线圈中始终有电流通过。：磁头线圈中始终有电流通过。不同处不同处：记录：记录“0”“0”时电流方向不变，只有遇到时电流方向不变，只有遇到1 1时才改变方向。时才改变方向。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理53( (3)3)调相制调相制(PM)(PM)其特点是在一个位周期的中间位置，电流由负到正为其特点是在一个位周期的中间位置，电流由负到正为1，由，由正到负为正到负为0，即利用电流相位的变化进行写，即利用电流相位的变化进行写“1”和和“0”，所，所以通过磁头中的电流方向一定要改变一次，这种记录方式中以通过磁头中的电流方向一定要改变一次，这种记录方式中“1”和和“0”的读出信号相位不同，
50、抗干扰能力较强。的读出信号相位不同，抗干扰能力较强。另外读出信号经分离电路可提取自同步定时脉冲，所以具另外读出信号经分离电路可提取自同步定时脉冲，所以具有有自同步能力自同步能力。磁带存储器中一般采用这种记录方式。磁带存储器中一般采用这种记录方式。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理54(4)(4)调频制调频制(FM)(FM)其特点如下：其特点如下：无论记录的代码是无论记录的代码是1或或0，或者连续写，或者连续写“1”或写或写“0”，在，在相邻两个存储元交界处电流都要改变方向；相邻两个存储元交界处电流都要改变方向；记录记录1时电流一定要在位周期中间改变方向，写时电流一定要在位周期中间改变
51、方向，写“1”电流电流的频率是写的频率是写“0”电流频率的电流频率的2倍，故称为倍频法。倍，故称为倍频法。这种记录方式的优点是记录密度高，具有自同步能力。这种记录方式的优点是记录密度高，具有自同步能力。FM可用于单密度磁盘存储器。可用于单密度磁盘存储器。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理55(5)(5)改进调频制改进调频制(MFM)(MFM) 与调频制的区别在于只有连续记录两个或两个以上与调频制的区别在于只有连续记录两个或两个以上“0”时，才在位周期的起始位置翻转一次，而不是在每个位周期时，才在位周期的起始位置翻转一次，而不是在每个位周期的起始处都翻转，因而进一步提高了记录密度。的起
52、始处都翻转，因而进一步提高了记录密度。MFM可用于可用于双密度磁盘存储器。双密度磁盘存储器。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理56编码效率、自同步能力、编码效率、自同步能力、检读分辨力、信息相关性、抗干检读分辨力、信息相关性、抗干扰能力、信道带宽、编码译码电路的复杂性等。扰能力、信道带宽、编码译码电路的复杂性等。例如，例如，FM，PM记录方式中记录一位数字信息的最大磁记录方式中记录一位数字信息的最大磁化翻转次数为化翻转次数为2，因此编码效率为，因此编码效率为50%。而。而MFM，NRZ，NRZ1三种记录方式的编码效率为三种记录方式的编码效率为100%，因为它们记录一位，因为它们记录一
53、位数字信息磁化翻转最多一次。数字信息磁化翻转最多一次。3.3.记录方式的评价标准记录方式的评价标准(1)(1)编码效率编码效率指位密度与最大磁化翻转密度之比，也就是指每次磁层指位密度与最大磁化翻转密度之比，也就是指每次磁层状态翻转所存储的数据信息位的多少。状态翻转所存储的数据信息位的多少。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理57(2)(2)自同步能力自同步能力是指从读出数据是指从读出数据(脉冲序列脉冲序列)中自动提取同步信号中自动提取同步信号(时间基时间基准信号准信号)的能力。自同步能力的大小可以用最小磁化翻转间的能力。自同步能力的大小可以用最小磁化翻转间隔与最大磁化翻转间隔的比值隔与
54、最大磁化翻转间隔的比值R来衡量。来衡量。R越大，越大，自同步能自同步能力越高。力越高。同步信号：同步信号：从磁表面存储器读出信号时，为了分离出数据从磁表面存储器读出信号时，为了分离出数据信息必须要有时间基准信号，称为信息必须要有时间基准信号，称为同步信号同步信号。外同步：外同步：从专门设置用来记录同步信号的磁道中取得同步从专门设置用来记录同步信号的磁道中取得同步信号，这种方法称为信号，这种方法称为外同步外同步。自同步：自同步：但对于高密度的记录系统来说，还希望能直接从但对于高密度的记录系统来说，还希望能直接从磁盘读出的信号中提取同步信号，这种方法称为磁盘读出的信号中提取同步信号，这种方法称为自
55、同步自同步。如果说某种编码方法具有自同步能力，就是指能从读出数如果说某种编码方法具有自同步能力，就是指能从读出数据（脉冲序列）中提取同步信号据（脉冲序列）中提取同步信号。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理58例：例：NRZ和和NRZ1制记录方式没有自同步能力，因为当连制记录方式没有自同步能力，因为当连续记录续记录“1”时，时，NRZ制记录方式磁层不发生磁化翻转，而当制记录方式磁层不发生磁化翻转，而当连续记录连续记录“0”时，时，NRZ和和NRZ1制记录方式的磁层不发生磁制记录方式的磁层不发生磁化翻转。化翻转。而而PM、FM、MFM记录方式有自同步能力。记录方式有自同步能力。FM记录方
56、式记录方式的最大磁化翻转间隔是位周期的最大磁化翻转间隔是位周期T，而它的最小磁化翻转间隔是，而它的最小磁化翻转间隔是T/2，因此，因此RFM=0.5。(3)(3)检读分辨力检读分辨力是指磁记录系统对读出信号的分辨能力。是指磁记录系统对读出信号的分辨能力。(4)信息相关性信息相关性是指漏读或错读一位是否会传播误码，所以是衡量精度是指漏读或错读一位是否会传播误码，所以是衡量精度的指标。的指标。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理59在磁表面存储器中，利用一种称为在磁表面存储器中，利用一种称为磁头磁头的装置来形成和判的装置来形成和判别磁层中的不同磁化状态。磁头实际上是由软磁材料做铁芯别磁层中
57、的不同磁化状态。磁头实际上是由软磁材料做铁芯绕有读写线圈的电磁铁。绕有读写线圈的电磁铁。4.4.磁表面存储器的读写原理磁表面存储器的读写原理输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理60当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯内就产生一当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯内就产生一定方向的磁通。由于铁芯是高导磁率材料，而铁芯空隙处为定方向的磁通。由于铁芯是高导磁率材料，而铁芯空隙处为非磁性材料，故在铁芯空隙处集中很强的磁场。非磁性材料，故在铁芯空隙处集中很强的磁场。在这个磁场作用下在这个磁场作用下，载磁体就被磁化成相应极性的，载磁体就被磁化成相应极性的磁化位磁化位或磁化元或磁化元。若在写
58、线圈里通入相反方向的脉冲电流，就可得。若在写线圈里通入相反方向的脉冲电流，就可得到相反极性的磁化元。如果我们规定按图中所示电流方向为到相反极性的磁化元。如果我们规定按图中所示电流方向为写写“1”，那么写线圈里通以相反方向的电流时即为写，那么写线圈里通以相反方向的电流时即为写“0”。上述过程称为。上述过程称为写入写入。显然，一个磁化元就是一个存储元，一个磁化元中存储一显然，一个磁化元就是一个存储元，一个磁化元中存储一位二进制信息。当载磁体相对于磁头运动时位二进制信息。当载磁体相对于磁头运动时，就可以连续写，就可以连续写入一连串的二进制信息。入一连串的二进制信息。(1)(1)写操作写操作输入输出设
59、备课件计算机组成原理计算机组成原理61当磁头经过载磁体的磁化元时，由于磁头铁芯是良好的导当磁头经过载磁体的磁化元时，由于磁头铁芯是良好的导磁材料，磁化元的磁力线很容易通过磁头而形成闭合磁通回磁材料，磁化元的磁力线很容易通过磁头而形成闭合磁通回路。路。不同极性的磁化元在铁芯里的方向是不同的。当磁头对载不同极性的磁化元在铁芯里的方向是不同的。当磁头对载磁体作相对运动时，由于磁头铁芯中磁通的变化，使读出线磁体作相对运动时，由于磁头铁芯中磁通的变化，使读出线圈中感应出相应的电动势圈中感应出相应的电动势e，其值为，其值为:(2)(2)读操作读操作负号表示感应电势的方向与磁通的变化方向相反。负号表示感应电
60、势的方向与磁通的变化方向相反。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理62不同的磁化状态，所产生的感应电势方向不同。这样，不不同的磁化状态，所产生的感应电势方向不同。这样，不同方向的感应电势经读出放大器放大鉴别，就可判知读出的信同方向的感应电势经读出放大器放大鉴别，就可判知读出的信息是息是“1”还还是是“0”。下图示出了记录方式的写读过程波形图。下图示出了记录方式的写读过程波形图。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理63通过电通过电-磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可把一磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可把一位二进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态；位二进制代码转换成载
61、磁体存储元的不同剩磁状态；反之，通过磁反之，通过磁-电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储元的不同剩磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出。元的不同剩磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出。(3)(3)磁表面存储器存取信息的原理磁表面存储器存取信息的原理输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理64 硬磁盘机硬磁盘机是指记录介质为硬质圆形盘片的磁表面存储器。其是指记录介质为硬质圆形盘片的磁表面存储器。其逻辑结构见下图。逻辑结构见下图。它主要由它主要由磁记录介质、磁盘控制器、磁盘驱动器磁记录介质、磁盘控制器、磁盘驱动器三大部分组三大部分组成。成。磁盘控制器磁盘
62、控制器包括控制逻辑与时序、数据并包括控制逻辑与时序、数据并-串变换电路串变换电路和串和串-并变换电路。并变换电路。磁盘驱动器磁盘驱动器包括写入电路与读出电路、读写转换开关、包括写入电路与读出电路、读写转换开关、读写磁头与磁头定位伺服系统等。读写磁头与磁头定位伺服系统等。硬磁盘机的基本组成和分类硬磁盘机的基本组成和分类输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理65输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理66写入时写入时，将计算机并行送来的数据取至并，将计算机并行送来的数据取至并-串变换寄存器，串变换寄存器，变为串行数据，然后一位一位地由写电流驱动器作功率放大变为串行数据，然后一位一位地由写
63、电流驱动器作功率放大并加到写磁头线圈上产生电流，从而在盘片磁层上形成按位并加到写磁头线圈上产生电流，从而在盘片磁层上形成按位的磁化存储元。的磁化存储元。读出时读出时，当记录介质相对磁头运动时，位磁化存储元形成，当记录介质相对磁头运动时，位磁化存储元形成的空间磁场在读磁头线圈中产生感应电势，此读出信息经的空间磁场在读磁头线圈中产生感应电势，此读出信息经放大检测就可还原成原来存入的数据。由于数据是一位一放大检测就可还原成原来存入的数据。由于数据是一位一位串行读出的，故要送至串位串行读出的，故要送至串-并变换寄存器变换为并行数据，并变换寄存器变换为并行数据，再并行送至计算机。再并行送至计算机。输入输
64、出设备课件计算机组成原理计算机组成原理67(1)(1)根据磁头的工作方式分类根据磁头的工作方式分类移动头硬盘存储器移动头硬盘存储器存取数据时磁头在磁盘盘面上径向移动，磁头与盘面不接存取数据时磁头在磁盘盘面上径向移动，磁头与盘面不接触，且随气流浮动，称为浮动磁头。这种存储器可以由一个触，且随气流浮动，称为浮动磁头。这种存储器可以由一个盘片或多个盘片组成，装在主轴上。盘片的每面都有一个磁盘片或多个盘片组成，装在主轴上。盘片的每面都有一个磁头。这种结构的硬磁盘存储器应用很广，其典型结构为头。这种结构的硬磁盘存储器应用很广，其典型结构为温彻温彻斯特磁盘斯特磁盘。硬磁盘机通常按以下方法分类硬磁盘机通常按
65、以下方法分类：固定头磁盘存储器固定头磁盘存储器的磁头位置固定，磁盘的每一个磁道都的磁头位置固定，磁盘的每一个磁道都对应一个磁头，盘片也不可更换。其特点是存取速度快，省对应一个磁头，盘片也不可更换。其特点是存取速度快，省去了磁头沿盘片径向运动找磁道的时间，磁头处于工作状态去了磁头沿盘片径向运动找磁道的时间，磁头处于工作状态即可开始读写。即可开始读写。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理68(2)(2)根据磁盘可换与否分类根据磁盘可换与否分类 可换盘存储器可换盘存储器 是指磁盘不用时可以从驱动器取出脱机保是指磁盘不用时可以从驱动器取出脱机保存。这种磁盘可以在兼容的磁盘存储器间交换数据，由于
66、可存。这种磁盘可以在兼容的磁盘存储器间交换数据，由于可脱机保存，故便于扩大存储容量。为了达到可靠地交换数据脱机保存，故便于扩大存储容量。为了达到可靠地交换数据的目的，磁盘的道密度要适当降低，从而使可换磁盘记录密的目的，磁盘的道密度要适当降低，从而使可换磁盘记录密度的提高受到限制。度的提高受到限制。 根据可换磁盘存储器每轴盘片数目的不同，通常把每轴根据可换磁盘存储器每轴盘片数目的不同，通常把每轴装有一至四片的存储器称为盒式磁盘存储器；装有一至四片的存储器称为盒式磁盘存储器； 六片以上的称为盘组，常用的有六片、十一片、十二片六片以上的称为盘组，常用的有六片、十一片、十二片等。在盒式磁盘存储器中，只
67、有部分磁盘是可换的，如四片等。在盒式磁盘存储器中，只有部分磁盘是可换的，如四片盒式磁盘存储器中，三片磁盘是固定的，一片是可换的。盒式磁盘存储器中，三片磁盘是固定的，一片是可换的。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理69固定盘存储器固定盘存储器 是指磁盘不能从驱动器中取出，更换时要把是指磁盘不能从驱动器中取出，更换时要把整个整个“头盘组合体头盘组合体”一起更换。这种结构的磁盘存储器称为一起更换。这种结构的磁盘存储器称为温彻斯特磁盘（温彻斯特磁盘（Winchester DiskWinchester Disk）。）。 温彻斯特磁盘温彻斯特磁盘简称温盘，是一种可移动磁头固定盘片的磁简称温盘，是
68、一种可移动磁头固定盘片的磁盘存储器，它是目前应用最广，最有代表性的硬磁盘存储器。盘存储器，它是目前应用最广，最有代表性的硬磁盘存储器。所谓温彻斯特磁盘实际上是一种技术，所谓温彻斯特磁盘实际上是一种技术，这种技术是由这种技术是由IBM公司位于美国加州坎贝尔市温彻斯特大街的研究所研制的，公司位于美国加州坎贝尔市温彻斯特大街的研究所研制的，它于它于1973年首先应用于年首先应用于IBM3340硬磁盘存储器中，因此将这硬磁盘存储器中，因此将这种技术称作温彻斯特技术。种技术称作温彻斯特技术。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理70温彻斯特技术是磁盘向高密度、高容量发展的产物。温温彻斯特技术是磁盘
69、向高密度、高容量发展的产物。温盘的主要特点是一种密封组合式的硬磁盘，将磁头、盘片、盘的主要特点是一种密封组合式的硬磁盘，将磁头、盘片、电机等驱动部件甚至读写电路等制成一个不可随意拆卸的整电机等驱动部件甚至读写电路等制成一个不可随意拆卸的整体，也叫体，也叫“头盘组合体头盘组合体”。它的防尘性能好，可靠性高，对。它的防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。而普通的硬磁盘要求具有超净环境，只使用环境要求不高。而普通的硬磁盘要求具有超净环境，只能用于中大型计算机中。能用于中大型计算机中。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理71 磁盘驱动器磁盘驱动器是一种精密的电子和机械装置，因此各部件的是一
70、种精密的电子和机械装置，因此各部件的加工安装有严格的技术要求。对温盘驱动器，还要求在超净环加工安装有严格的技术要求。对温盘驱动器，还要求在超净环境下组装。各类磁盘驱动器具体结构虽有差别，但基本结构相境下组装。各类磁盘驱动器具体结构虽有差别，但基本结构相同，主要由同，主要由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统组成。组成。硬磁盘硬磁盘驱动器和控制器驱动器和控制器 1.1.磁盘驱动器磁盘驱动器输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理72在可移动磁头的磁盘驱动器中，驱动磁头沿盘面径向位置在可移动磁头的磁盘驱动器中，驱动磁头沿盘面径向位置运动以寻求目标磁道位置的机
71、构叫运动以寻求目标磁道位置的机构叫磁头定位驱动系统磁头定位驱动系统，它由，它由驱动部件、传动部件、运载部件（磁头小车）驱动部件、传动部件、运载部件（磁头小车）组成。组成。当磁盘存取数据时，当磁盘存取数据时，磁头小车的平移运动驱动磁头进入指磁头小车的平移运动驱动磁头进入指定磁道的中心位置，并精确地跟踪该磁道。定磁道的中心位置，并精确地跟踪该磁道。磁头小车有两种驱动方式：磁头小车有两种驱动方式：步进电机步进电机靠脉冲信号驱动，控制简单，整个驱动定位系靠脉冲信号驱动，控制简单，整个驱动定位系统是开环控制，因此定位精度较低，一般用于软磁盘驱动器统是开环控制，因此定位精度较低，一般用于软磁盘驱动器和磁道
72、密度不高的硬磁盘驱动器。和磁道密度不高的硬磁盘驱动器。(1)(1)磁头定位驱动系统磁头定位驱动系统输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理73音圈电机音圈电机是线性电机，可以直接驱动磁头做直线运动，整是线性电机，可以直接驱动磁头做直线运动，整个驱动定位系统是一个带有速度和位置反馈的闭环控制系统，个驱动定位系统是一个带有速度和位置反馈的闭环控制系统，驱动速度快，定位精度高，因此用于较先进的磁盘驱动器。驱动速度快，定位精度高，因此用于较先进的磁盘驱动器。主轴系统的作用是安装盘片，并驱动它们以额定转速稳定主轴系统的作用是安装盘片，并驱动它们以额定转速稳定旋转。其主要部件是主轴电机和有关控制电路。
73、旋转。其主要部件是主轴电机和有关控制电路。(2)(2)主轴系统主轴系统数据转换系统的作用是控制数据的写入和读出，包括磁头、数据转换系统的作用是控制数据的写入和读出，包括磁头、磁头选择电路、读写电路以及索引和区标电路等。磁头选择电路、读写电路以及索引和区标电路等。(3)(3)数据转换系统数据转换系统输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理74磁盘控制器磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口。由于磁盘存储是主机与磁盘驱动器之间的接口。由于磁盘存储器是高速外存设备，故与主机之间采用成批交换数据方式。器是高速外存设备，故与主机之间采用成批交换数据方式。作为主机与驱动器之间的控制器，它需要有作为主机
74、与驱动器之间的控制器，它需要有两个方面的接口两个方面的接口：一个是与主机的接口，控制外存与主机总线之间交换数据；一个是与主机的接口，控制外存与主机总线之间交换数据；另一个是与设备的接口，根据主机命令控制设备的操作。另一个是与设备的接口，根据主机命令控制设备的操作。前者称为前者称为系统级接口系统级接口，后者称为，后者称为设备级接口设备级接口。2.2.磁盘控制器磁盘控制器输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理75磁盘上的信息经读磁头读出以后送读出放大器，然后进行数磁盘上的信息经读磁头读出以后送读出放大器，然后进行数据与时钟的分离，再进行串据与时钟的分离，再进行串-并变换、格式变换，最后送入数
75、并变换、格式变换，最后送入数据缓冲器，经据缓冲器，经DMA控制将数据传送到主机总线。控制将数据传送到主机总线。(小型计算机系统接口）小型计算机系统接口）(增强型小型设备接口）增强型小型设备接口）(磁盘控制器）磁盘控制器）输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理76由于控制器与驱动器之间的任务分工没有明确的界限，因由于控制器与驱动器之间的任务分工没有明确的界限，因而控制器与驱动器之间的交界面划分有多种方式。而控制器与驱动器之间的交界面划分有多种方式。(1)如果如果交界面设在交界面设在A处处，驱动器只完成读写和放大，因而数，驱动器只完成读写和放大，因而数据分离以后的控制逻辑构成磁盘控制器，例如
76、据分离以后的控制逻辑构成磁盘控制器，例如ST506磁盘控制磁盘控制器是插在器是插在PC机总线上的一块电路板，控制器与设备之间就采机总线上的一块电路板，控制器与设备之间就采用了这种形式的接口。用了这种形式的接口。(2)如果如果交界处在交界处在B处处，则驱动器中包含数据分离器，而磁盘，则驱动器中包含数据分离器，而磁盘控制器仅有串控制器仅有串并变换，格式控制等逻辑构成。例如，并变换，格式控制等逻辑构成。例如，ESDI（增强型小型设备接口）就属于这种型式。（增强型小型设备接口）就属于这种型式。(3)将接口将接口交界设在交界设在C处处，则磁盘控制器的功能全部转移到设，则磁盘控制器的功能全部转移到设备中，
77、主机与设备间采用标准的通用接口。例如备中，主机与设备间采用标准的通用接口。例如SCSI（小型（小型计算机系统接口）属于这种型式。计算机系统接口）属于这种型式。 目前的发展趋势是采用目前的发展趋势是采用C种接口种接口，以增强设备的功能，使，以增强设备的功能，使设备相对独立。设备相对独立。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理77 盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为记录记录面面。记录面上一系列同心圆称为。记录面上一系列同心圆称为磁道磁道。每个盘片表面通常有几。每个盘片表面通常有几十到几百个磁道，每个磁道又分为若干个十到几百个磁道，
78、每个磁道又分为若干个扇区扇区。磁盘上信息的分布磁盘上信息的分布 输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理78磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫0磁道，最里面的一个同心圆叫磁道，最里面的一个同心圆叫n磁道，磁道，n磁道里面的圆面磁道里面的圆面积并不用来记录信息。积并不用来记录信息。扇区的编号有多种方法，可以连续编号，也可间隔编扇区的编号有多种方法，可以连续编号，也可间隔编号。号。磁盘记录面经这样编址后，就可用磁盘记录面经这样编址后，就可用n磁道磁道m扇区扇区的磁盘的磁盘地址找到实际磁盘上与之相对应的记录区。地址找到实际磁盘上与之相对应
79、的记录区。除了磁道号和扇区号之外，还有记录面的除了磁道号和扇区号之外，还有记录面的面号面号，以说，以说明本次处理是在哪一个记录面上。明本次处理是在哪一个记录面上。例如对活动头磁盘组来说，磁盘地址是由记录面号例如对活动头磁盘组来说，磁盘地址是由记录面号(也也称磁头号称磁头号)、磁道号和扇区号三部分组成。、磁道号和扇区号三部分组成。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理79在磁道上，信息是按区存放的，每个区中存放一定数量的字在磁道上，信息是按区存放的，每个区中存放一定数量的字或字节，各个区存放的字或字节数是相同的。或字节，各个区存放的字或字节数是相同的。为进行读为进行读/写操作，要求定出磁道
80、的起始位置，这个起始位写操作，要求定出磁道的起始位置，这个起始位置称为置称为索引索引。索引标志在传感器检索下可产生脉冲信号，再索引标志在传感器检索下可产生脉冲信号，再通过磁盘控制器处理，便可定出磁道起始位置通过磁盘控制器处理，便可定出磁道起始位置。磁盘存储器的每个扇区记录定长的数据，因此读磁盘存储器的每个扇区记录定长的数据，因此读/写操作是写操作是以扇区为单位一位一位串行进行的。每一个扇区记录一个记录以扇区为单位一位一位串行进行的。每一个扇区记录一个记录块。数据在磁盘上的记录格式如下：块。数据在磁盘上的记录格式如下：输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理80 每个扇区开始时由磁盘控制器产
81、生一个扇标脉冲。扇标脉冲每个扇区开始时由磁盘控制器产生一个扇标脉冲。扇标脉冲的出现即标志一个扇区的开始。的出现即标志一个扇区的开始。 两个扇标脉冲之间的一段磁道两个扇标脉冲之间的一段磁道区域即为一个区域即为一个扇区扇区( (一记录块一记录块) )。 每个记录块由每个记录块由头部空白段、序标段、数据段、校验字段头部空白段、序标段、数据段、校验字段及及尾尾部空白段部空白段组成。其中：组成。其中： 空白段用来留出一定的时间作为磁盘控制器的读写准备时间；空白段用来留出一定的时间作为磁盘控制器的读写准备时间； 序标被用来作为磁盘控制器的同步定时信号；序标被用来作为磁盘控制器的同步定时信号； 序标之后即为
82、本扇区所记录的数据；序标之后即为本扇区所记录的数据； 数据之后是校验字，它用来校验磁盘读出的数据是否正确。数据之后是校验字，它用来校验磁盘读出的数据是否正确。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理81 磁盘存储器的主要指标包括磁盘存储器的主要指标包括存储密度、存储容量、存取时存储密度、存储容量、存取时间间及及数据传输率数据传输率。 1.1.存储密度存储密度 存储密度分道密度、位密度和面密度。存储密度分道密度、位密度和面密度。道密度道密度沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道道/英寸。英寸。位密度位密度磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，磁道单
83、位长度上能记录的二进制代码位数，单位为位单位为位/英寸。英寸。面密度面密度位密度和道密度的乘积，单位为位位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸。平方英寸。磁盘磁盘存储器的技术指标存储器的技术指标输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理822.2.存储容量存储容量一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。存储容量有格式化容量和非格式化容量之分。存储容量。存储容量有格式化容量和非格式化容量之分。格式化容量：格式化容量：按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是用户可以真正
84、使用的容量。用户可以真正使用的容量。非格式化容量：非格式化容量：磁记录表面可以利用的磁化单元总数。将磁盘存储器用磁记录表面可以利用的磁化单元总数。将磁盘存储器用于某计算机系统中，必须首先进行格式化操作，然后才能供于某计算机系统中，必须首先进行格式化操作，然后才能供用户记录信息。格式化容量一般是非格式化容量的用户记录信息。格式化容量一般是非格式化容量的60%70%。目前，。目前，3.5英寸的硬盘机容量可达英寸的硬盘机容量可达80GB。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理833.3.平均存取时间平均存取时间存取时间是指从发出读写命令后，磁头从某一起始位存取时间是指从发出读写命令后，磁头从某
85、一起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。这段时间由两个数值所决定：信息所需要的时间。这段时间由两个数值所决定：一个一个是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称为为定位时间或找道时间定位时间或找道时间；另一个另一个是找道完成后至磁道上需要访问的信息到达磁是找道完成后至磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间，称为头下的时间，称为等待时间等待时间，这两个时间都是随机变化，这两个时间都是随机变化的，的，因此往往使用平均值来表示。因此往往使用平均值来表示。输入输出设备课件计算机组成
86、原理计算机组成原理84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。等于平均找道时间与平均等待时间之和。平均找道平均找道时间是最大找道时间与最小找道时间的平均值，目前平时间是最大找道时间与最小找道时间的平均值，目前平均找道时间为均找道时间为1020ms。平均等待时间和磁盘转速有关，它用磁盘旋转一周平均等待时间和磁盘转速有关，它用磁盘旋转一周所需时间的一半来表示。目前固定头盘转速高达所需时间的一半来表示。目前固定头盘转速高达6000转转/分，故平均等待时间为分，故平均等待时间为5ms。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理854.4.数据传输率数据传输率磁盘存储器在单位时间内
87、向主机传送数据的字节数，叫数磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，叫数据传输率，传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。据传输率，传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度向设备接收从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度向设备接收/发送信息。发送信息。从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为每秒从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为每秒n转，每条磁转，每条磁道容量为道容量为N个字节，则数据传输率个字节，则数据传输率Dr=nN(字节字节/秒秒)。也可以写成也可以写成Dr=Dv(字节字节/秒秒)，其中，其中D为位密度，为位密度，v为磁盘为磁盘旋转的线速度。目前磁盘存储
88、器的数据传输率可达几十兆字节旋转的线速度。目前磁盘存储器的数据传输率可达几十兆字节/秒。秒。输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理86例例磁盘组有磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用。存储区域内径用。存储区域内径22cm，外径，外径33cm，道密度为，道密度为40道道/cm，内，内层位密度层位密度400位位/cm，转速，转速2400转转/分。问：分。问：(1)共有多少柱面共有多少柱面?(2)盘组总存储容量是多少盘组总存储容量是多少?(3)数据传输率多少数据传输率多少?(4)采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什采用定长数
89、据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么么?寻址命令中如何表示磁盘地址寻址命令中如何表示磁盘地址?(5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在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，还是记录在同一个柱面上同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上?输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理87解：解：(1)有效存储区域有效存储区域=16.5-11=5.5(cm)因为道密度因为道密度=40道道/cm，所以，所以405.5=220道，道，即即220个圆柱面个圆柱面(2)内层磁道周长为内层磁道周长为2 R=23.1411=69.08(cm)每道信息量每道信息量=400位位/
90、cm69.08cm=27632位位=3454B每面信息量每面信息量=3454B220=759880B盘组总容量盘组总容量=759880B10=7598800B(3)磁盘数据传输率磁盘数据传输率Dr=rN,N为每条磁道容量，为每条磁道容量，N=3454B,r为磁盘转速，为磁盘转速，r=2400转转/60秒秒=40转转/秒秒Dr=rN=403454B=13816B/s输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理88(4)采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录块块(一个扇区一个扇区)，每个记录块记录固定字节数目的信息，每个记录块记录固定字节数
91、目的信息，在定长记录的数据块中，活动头磁盘组的编址方式可用在定长记录的数据块中，活动头磁盘组的编址方式可用如下格式：如下格式：此地址格式表示有此地址格式表示有4台磁盘，每台有台磁盘，每台有16个记录面，每面个记录面，每面有有256个磁道，每道有个磁道，每道有16个扇区。个扇区。台号台号柱面柱面(磁道磁道)号号盘面盘面(磁头磁头)号号扇区扇区号号17161587430(5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一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，因为不需要重新找道，数据读个柱面上，因为不需要重新找道，数据读/写速度快。写速度快。输入输出设备课件计算机组成原理计
92、算机组成原理89光盘存储设备类型类型：只读型、只读型、Worm型、可擦写型。型、可擦写型。(1)只读型只读型n凹坑凹坑信息记录载体，压制形成，边界代表信息记录载体，压制形成，边界代表1，平面代，平面代表表0n光道光道螺旋形，恒线速螺旋形，恒线速n通道码通道码14位位(2,10)RLL编码，代表编码，代表8位数据位数据n帧帧记录记录24字节有效数据，字节有效数据，CIRC编码，共编码，共32字节字节n扇区扇区98个帧，个帧，2352字节有效数据，字节有效数据，2048字节用户数据字节用户数据输入输出设备课件计算机组成原理计算机组成原理90光盘的数据结构光盘的数据结构(a) 帧的结构帧的结构(b) 扇区的结构扇区的结构ECC数据数据ID同步同步同步同步子码子码P校验校验数据数据Q校验校验数据数据288B412441212132048n(2)WORM型型n强激光烧灼出凹坑强激光烧灼出凹坑n(3)可擦写型可擦写型n相变型：晶态与非晶态转换相变型：晶态与非晶态转换n磁光型：激光与磁场调制记录，克尔效应读取磁光型：激光与磁场调制记录，克尔效应读取输入输出设备课件
