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1、1,第七章 外围设备,中央处理器CPU、主存是构成计算机的主体，称为主机。主机以外的大部分硬件称为外围设备，也叫输入输出设备、I/O设备。外围设备与主机之间的连接要靠I/O接口，通过I/O接口完成主机与I/O设备之间的信息交换，即信息的输入输出。所谓输入输出是以主机为基准点，信息送入主机为输入，主机送出信息为输出。外围设备是计算机系统中不可缺少的重要组成部分，在计算机和其它机器之间、计算机与用户之间提供联系。,2,本章主要内容,主要内容外围设备概述磁介质存储器光盘存储器常用输入设备打印输出设备显示输出设备,3,一、外围设备概述,中央处理器和主存储器构成计算机的主机。除主机之外，计算机系统的其它
2、部分都可作为外围设备来看待。外围设备简称外设。,4,1、外设的一般功能,外设在计算机和其它机器之间、以及计算机和用户之间提供联系。外设的作用如下：人机对话的通道完成数据变换的设备软件和信息的驻留地计算机在各领域应用的桥梁外设种类很多，归纳起来具有以下特点：由信息载体、驱动装置和控制电路组成工作速度比主机慢得多信息类型和结构各不相同电气特性也不相同,2、外设的分类,每一外设都是 在自己的设备控制器控制下进行工作，而设备控制器则通过适配器和主机连接，并受主机控制。,6,二、磁介质存储器（磁表面存储器）,磁介质存储器主要用作外存储器，磁盘、磁带均属于磁介质存储器。在磁介质存储器中，用涂在金属铝片或塑
3、料薄膜表面的某些磁性材料（如氧化铁掺入少量钴）来存储信息的。所涂的磁性材料层称为磁层，被涂的金属铝片或塑料薄膜称为载体（载磁体），而磁层和载体合在一起称为记录介质。磁介质存储器的特点是容量大、位成本低，通常在断电后仍能保存信息，是非易失性存储器，能够脱机保存信息；主要缺点是存取速度慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。,7,1、磁记录原理,读写磁头：磁头是读写的关键部件，由它进行电磁或磁电转换。写入信息时进行电磁转换，读出信息时进行磁电转换。磁头由高导磁材料制成，上面绕有线圈。磁头面向记录介质的部分开有间隙，称为头隙。如果没有这个头隙，磁通将在闭合磁路中流过，对记录介质没有任何影响，也就无法记
4、录信息。,8,磁记录原理（续）,写入原理：写“1”和写“0”时分别在写线圈中通以不同方向的脉冲电流，当磁头相对于磁层运动时就在磁层的表面留下不同方向的磁化单元，分别代表“1”和“0”。读出原理：当磁头相对于磁层运动时，磁层表面不同磁化单元在读线圈中感应出不同方向的感应电动势，分别代表“1”和“0”。,9,2、信息的记录方式,在实际应用中，磁性材料写入二进制0或1是靠不同的写入电流波形来实现的。形成不同写入电流波形的方式称为记录方式。,归零制：写“1”时，磁头线圈加正向脉冲电流，然后电流归0；写“0”时，磁头线圈加负向脉冲电流，写完后电流也归0。归零制具有自同步能力，但记录密度低，已经不用。,不
5、归零制：写“1”时，磁头线圈有正向电流；写“0”时，磁头线圈有负向电流。磁头线圈中始终有电流。无自同步能力，也不用。,见1就翻不归零制：流过磁头的电流只有在记录“1”时改变方向，记录“0”时电流方向不变。磁头线圈中始终有电流。无自同步能力，需要增设同步磁道来提供外加同步选通信号。,调相制：写“1”时，写电流在位单元中间正跳变（-I+I）；写“0”时，写电流在位单元中间负跳变（+I-I）。读出时，位单元中间的转换区将产生读出信号，该信号既是数据信号，又是同步信号，所以调相制具有自同步能力。,调频制：每个位单元起始处，写电流改变一次方向，写入信号作为本位的同步信号；位单元中间记录信息，写0时位单元
6、中间不变，写1时位单元中间改变一次方向。这样，写0时位单元变化1次，写1时位单元变化2次。用频率的变化表示0和1。有自同步能力。,改进调频制：写“1”时，写电流在位单元中间改变一次方向；写一个“0”时，写电流不改变方向；写两个或两个以上“0”时，写电流在位单元边界改变方向（位间相关性编码，以减少磁通翻转次数，提高记录密度）。有自同步能力。,10,3、硬磁盘的基本结构与分类,硬盘主要由磁记录介质、硬盘控制器、硬盘驱动器三部分组成。记录介质为硬质圆形盘片或盘片组；硬盘控制器包括控制逻辑与时序电路、串并转换电路与并串转换电路；硬盘驱动器包括读写电路、读写转换开关、读写磁头、主轴电机、磁头定位机构等。
7、逻辑结构下图所示。,11,硬磁盘的基本结构与分类（续一）,12,硬磁盘的基本结构与分类（续二）,硬盘有不同的分类方法，一般分为：根据磁头运动与否可分为：固定磁头磁盘和活动磁头磁盘。固定磁头磁盘，每个磁道对应一个磁头。活动磁头磁盘的每个盘面只有一个磁头，也是目前使用最多的一种。根据盘片固定与否可分为：可换盘片磁盘和固定盘片磁盘。根据密封与否可分为：温彻斯特盘和非温彻斯特盘。温彻斯特盘简称温盘、根据温彻斯特技术设计制造。该技术的主要特点是将磁头、盘片、磁头定位机构、主轴、读写驱动电路都密封在一个盘盒内，构成一个组合体。温盘可靠性高，环境要求低。非温彻斯特磁盘的磁头和盘片是不密封的，因此要求有超净化
8、的使用环境。,13,硬磁盘的基本结构与分类（续三）,补充说明：活动磁头的硬盘，驱动磁头沿盘面径向移动，来寻找目标磁道的机构叫磁头定位系统。驱动电机有步进电机（脉冲驱动）和音圈电机（直线运动）两种。硬盘在读写过程中，盘片高速旋转，盘面形成的气垫将磁头托起，所以磁头与盘面并不接触，减少了磨损，提高了寿命。硬盘在启动前和停止后，磁头停放在记录区和轴心之间的空白区，该空白区为着陆区，此时磁头接触盘面。,14,4、磁盘的信息分布,以下介绍几个概念：记录面：磁盘片表面称为记录面，一个盘片有两个记录面。磁道：记录面上的一系列同心圆称为磁道。磁道从外向内编址，最外一个同心圆叫做0磁道。扇区：一条磁道划分成若干
9、个小段，每个小段称为一个扇区，一个扇区存放一个定长的记录块，如512个字节。柱面：磁盘可能有多个盘片，即盘片组，所有半径相等的磁道的集合称为圆柱面，一个盘片组的圆柱面数等于其中一个记录面上的磁道数。（为什么引入柱面？）,15,数据在磁盘上的记录格式,16,5、磁盘存储器的主要技术指标,存储容量：磁介质存储器可以存储的总字节数，分为格式化容量和非格式化容量。格式化容量是用户能够使用的容量。非格式化容量指磁记录表面可以利用的磁化单元数。存储密度：存储密度是指磁盘单位面积能记录的二进制信息量，分为道密度和位密度。道密度是指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为TPI（道/英寸）、TMP（道/毫米）
10、。位密度是指单位长度磁道上可以记录的二进制位数，bpi（位/英寸）、bpm（位/毫米）。现在道密度达38000TPI。平均存取时间：从发出读写命令到磁盘信息读出或写入的时间，包括寻道时间和等待时间。寻道时间是指将磁头定位到所要求的磁道上所需要的时间；等待时间是等待磁道上所需要访问的信息到达磁头的时间。平均存取时间等于平均寻道时间加平均等待时间。数据传输率：磁盘存储器在单位时间内向主机传送的字节数。传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。,17,三、光盘存储器,光盘存储器简称光盘，是近几年来很受重视的一种外存设备，更是多媒体计算机不可缺少的设备。光盘采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息，
11、以介质材料的光学特性（如反射率）的变化来表示所存储信息（0或1）。光盘的优点是记录密度高，不足是存取时间长。,18,1、光盘分类,光盘分为以下几类：只读型：CD-ROM、DVD-ROM。一次写入型：CD-R，用刻录机向CD-R盘写入数据。重写型：可进行随机写入、擦除或重写信息。只读型、一次写入型属于形变型光盘，重写型又分为磁光盘和相变光盘。,19,2、光盘的存取原理,形变型光盘的读写原理形变型光盘写入时，将激光束聚焦成直径小于1微米的光点，通过照射、并融化盘表面上的光介质薄膜，在薄膜上形成小凹坑，有坑表示1，无坑表示0。若是只写一次型光盘，到此写入操作完成。若是只读型光盘，这时得到的是母盘。由
12、母盘取反，得到副盘，也叫“模”。再由这个模取反就可得到大量的与母盘一致的只读型光盘了。读出时，在激光束的照射下，有凹坑处和无凹坑处反射的光强和方向是不同的，利用这种差别来区分1或0。,20,光盘的存取原理（续一）,磁光盘（MO）的读写原理磁光盘利用热磁效应写入数据。当激光束将磁光介质的记录点加热到居里点（280左右）温度时，外加磁场能够改变记录点的磁化方向，而不同的磁化方向可表示数字1或0。当读出数据时，用弱激光束照射记录点，记录点的磁化方向不同，会引起反射光的偏振面发生左旋或右旋，从而检测出所记录的数据1或0。擦除时，和记录信息的原理一样，在外加磁场的作用下，对已记录信息的介质用激光照射，使
13、照射区反方向磁化，从而恢复到记录前的状态。,21,光盘的存取原理（续二）,相变盘（PC）的读写原理相变盘利用相变材料的晶态和非晶态来记录信息。写入时，强弱不同的激光对记录点加热、再快速冷却后，记录点分别呈现晶态或非晶态。读出时，用弱激光扫描相变盘，晶态反射率高，非晶态反射率低，根据反射光的强弱来检测出1或0。擦除时，用中等强度的激光较长时间地照射光介质，在冷却后使所有二进制位都恢复到原有的结晶状态，全部成为0，信息被擦除。无论磁光盘还是相变盘，介质材料发生的物理特性的改变都是可逆的，因此可重写。,22,四、常用输入设备,输入设备是将人们熟悉的信息形式变换成计算机能接受并识别的信息形式的设备。常
14、见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数码相机、数字摄像设备、语音输入设备等。,23,1、键盘,PC机的键盘分为三部分：外壳、按键和电路板。按键分为触点式（机械式）和无触点式（电容式）。大多数键盘的按键被排列成矩阵结构，每个键位于行列的交叉处。触点式键盘需要用消抖电路或软件延时（20ms）的办法进行处理，防止出现一次按键多次输入的现象，称为消抖。键盘分为编码键盘和非编码键盘。编码键盘是用硬件电路来识别按键代码的，当某键按下时，相应电路给出一组编码信息（如ASCII码），并送主机进行识别和处理。非编码键盘是用较为简单的硬件和专用的键盘扫描软件来识别按键的位置，提供位置代码，再由处理器将位置码转换为A
15、SCII码。非编码键盘常用的扫描方法有两种：逐行扫描法和行列扫描法。,逐行扫描法（88键盘矩阵为例）,查询是否有键按下。CPU把X端口的各位全部置为0（接地），再从Y端口读入数据。如果读入数据全1，键未被按下；如果不全为1，则有键被按下。查询按下键的位置。CPU先让X0=0、X1X7全为1，读入Y0Y7，如果全为1，表示按键不在这一行；接着让X1=0，其余各位为1，再读入Y0Y7，直到Y0Y7不全为1为止，从而确定当前按下键的位置。按行号和列号求键的位置码。得到的行号和列号表示按下键的位置码。,25,行列扫描法,先从行寄存器X输出全0，读列寄存器Y，若读得结果为全1，没有键被按下；若某一列为0
16、，则键被按下。然后把刚才Y的输入值写入Y，再读寄存器X的值。如果有键按下，行输入中总有一位为0。这样就可以确定当前按下的键，并通过查表得到键值。寄存器X、Y既可以输入，也可以输出。目前微机使用的就是行列扫描法。,26,2、鼠标,鼠标是一种控制光标移动的输入设备，能够方便、精确、快速地控制屏幕上的光标进行定位，并通过按钮能完成各种操作。鼠标按结构分为机械式、光电式、光机式三种。虽然其结构不同，但原理基本相同，都是把鼠标移动的距离和方向变为脉冲送给计算机，计算机再把脉冲信号转换成显示器光标的坐标数据来定位光标的。鼠标最主要的技术指标是分辨率，用dpi（dot per inch）表示。分辨率越高性能
17、越好，现在使用的鼠标多为300400dpi。鼠标与主机的接口常见的有三种：RS-232串行接口、PS/2接口、USB接口。PS/2接口响应速度快，而USB接口鼠标使用USB通用串行总线接口，可以即插即用。,3、扫描仪,扫描仪是使一种光、机、电一体化的高科技产品，是将各种图像信息输入计算机的重要工具，是继键盘和鼠标之后的第三代计算机输入设备。扫描仪是利用物体反射光波的特性来完成对图像的读取的。它用强光照射图像时，没有吸收的光线被反射到光学感应器上，光学感应器接收这些信号，并经过模数转换器，转换成计算机能够接受的信号，显示在屏幕上或进行存储和处理。感光元件是关键部件，有电荷耦合器件CCD、接触式感
18、光元件CIS等。扫描仪按处理对象的不同分为：反射式扫描仪和透射式扫描仪。扫描仪的分辨率是最重要的一个技术指标。分辨率通常指每英寸生成的像素数，用dpi表示，如6001200 dpi、12002400dpi。扫描仪的另一个指标为色彩位数，反映扫描仪对图像色彩范围的辨析能力。色彩位数越多，表现的色彩越丰富，越接近真实效果。如果表示R、G、B的三原色各为8位，那么色彩位数就是24位。灰度级，它是指进行灰度扫描时由纯黑到纯白整个范围划分的级数。,28,五、打印输出设备,打印机是计算机系统的主要输出设备之一，打印输出是计算机系统输出信息的最基本形式，由于打印信息能长久保存，所以，打印机又称为硬拷贝设备。
19、,29,1、打印机的分类,打印机种类繁多，其分类方法也多种多样。按印字原理可分为击打式和非击打式两大类。按印字机构不同，可分为活字式打印机（已经淘汰）和点阵式打印机两种。按工作方式的不同，可分为串行打印机和行式打印机两种。,以下主要介绍点阵打印机和激光打印机的工作原理。,2、针式打印机的工作原理,针式打印机存在的时间比较长，它便宜、耐用、可打印纸张的种类多。虽然打印质量低，噪声大，但在某些领域还不能被替代，例如，打印多层报表和票据等。,在针式打印机中，有一个打印头，安装在一个小车上，由步进电机驱动，可进行水平移动与精确定位。打印头里安装有钢针，多数为9根或24根，9针打印头排一列，24针打印头
20、排两列。这些钢针在驱动电路的控制下，打击色带，印出字符。先看一个字符的打印过程。,打印完一列后，打印头沿水平方向移动一个微小距离，7步后，印完一个字符。然后，移动到下一个字符继续打印。打印一行时，打印纸不动，打印头移动；在打印完一行后，送纸机构将纸向前推进一行，色带传动机构也将色带转动一定距离，使打击点均匀分布在整条色带。接着，从下一行的开始继续打印。,31,3、激光打印机,激光打印机是激光技术与复印技术相结合的产物，是一种高质量、高速度、低噪声、价格适中的输出设备。现在已成为非击打式输出设备的主流产品。感光鼓是激光打印机的核心，它是一个用铝合金制成的圆筒，表面镀有一层半导体感光材料硒，所以又
21、称为硒鼓。激光打印机的分辨率高于300dpi（分别率下限），输出速度快，印字质量高。,激光打印机的打印过程中有六个步骤,充电：在黑暗中对硒鼓进行充电，使其表面均匀地带上电荷。扫描：扫描是用激光“写字”，用激光束照射硒鼓表面，有内容的地方关闭激光，没内容的地方打开激光。被照射的地方产生光电流，失去电荷，没有照射的地方保留电荷。于是在硒鼓上形成了用电荷书写的图像，称为静电“潜影”。显影：带有“潜影”的硒鼓继续转动，表面通过碳粉盒时，带电荷的部分吸附上碳粉，从而在鼓面上形成可见的墨粉图像。转印：显影的表面跟打印纸接触时，在打印纸的背面施以相反的静电电荷，碳粉就吸附到纸上，完成图形的转印。定影：完成转
22、印的打印纸经过定影热辊，在高温和高压下，塑料粉末的碳粉溶化后就永久的粘附在纸上，得到最终的打印结果。消除残像：完成转印后，硒鼓表面留有残余的电荷和墨粉，先经过放电将电荷中和，再经过清扫除去残留的碳粉。这样硒鼓恢复原来的状态，准备下一次印字过程。,33,六、显示输出设备,显示设备是把电信号转换成视觉信号的装置。在计算机系统中，显示设备被用作输出设备，成为人机对话的重要工具。,34,1、显示器分类和有关概念,显示设备的种类繁多，新的设备层出不穷。按显示器件分类有：阴极射线管（CRT）显示器、液晶显示器（LCD）、等离子显示器等。按显示内容分类有：字符显示器、图形显示器、图像显示器。按扫描方式分类有
23、：光栅扫描和随机扫描显示器。按颜色分类有：单色（黑白）显示器和彩色显示器。按荧光屏对角线长度分类有：12英寸、14英寸、16英寸、19英寸等多种。,35,显示器分类和有关概念（续一）,分辨率：显示器所能表示的像素数。像素越密，分辨率越高，图像越清楚。1024768就是一种典型的分辨率。一般分别率满足4:3的比例。灰度级：黑白显示器中所显示的象素点的亮暗差别。灰度级越多，图像层次越清楚。点距：屏幕上两个相邻的同色荧光点之间的距离。目前多数采用0.28、0.27mm等。行频：又称水平扫描频率，电子枪每秒在屏幕上扫过的水平线条数，以kHz为单位。场频：又叫垂直扫描频率，是每秒钟重复绘制屏幕画面的次数
24、，以Hz为单位。视频带宽：每秒钟扫描的像素个数，以MHz为单位。,36,显示器分类和有关概念（续二）,刷新：CRT发光是由电子束打在荧光粉上引起的，电子束扫过之后其发光亮度只能维护几十毫秒。为获得稳定的图像，必须使电子束不断地重复扫描整个屏幕，这个过程叫刷新。显示设备通常选用电视的标准，每秒刷新25帧图像。（30帧为不闪）。刷新存储器：为了提供刷新图像的信号，必须把一幅图像信息存储在一个缓冲区中，这个缓冲区称为刷新存储器，也叫VRAM。随机扫描：控制电子束在CRT屏幕上随机地运动，从而产生图像和字符。电子束只在需要做图的地方扫描，而不是全屏幕扫描。高质量的图形显示器（如分辨率为40964096
25、）采用随机扫描方式。光栅扫描：和电视扫描方法一样，光栅扫描时从上至下顺序扫描，采用逐行和隔行两种方式。逐行扫描要求电子束从屏幕顶部开始一行接一行扫描，一直到底，再从头开始，依次反复。隔行扫描把图像分为偶数行和奇数行，扫描顺序为先扫偶数行，再扫奇数行，依次反复。,37,2、字符显示器的工作原理,字符显示是以点阵为基础的。组成字符的点阵存储在ROM中，构成字符发生器。在CRT进行扫描的过程中，从字符发生器中依次读出某个字符的点阵，按照点阵中1或 0代码控制扫描电子束的开或关，从而在屏幕上显示字符。,点阵的多少取决于显示字符的质量和字符窗口的大小。字符窗口是指每个字符在屏幕上所占的点数，包括字符点阵
26、和字符间隔。在IBM/PC机中，屏幕上能显示80列25行，故字符窗口为2000个。,38,字符显示器的工作原理（续一）,对应每个字符窗口，所显示字符的ASCII码被存储在视频存储器VRAM中，以备刷新，故VRAM应有2000个单元来存放被显示的字符信息。,字符发生器ROM的高位地址来自VRAM的ASCII代码，低位地址来自光栅地址计数器的输出RA3RA0，指向这个字形点阵的某个字节。在显示过程中，按照VRAM中的ASCII码和光栅地址计数器访问ROM，依次取出字形点阵，完成一个字符的输出。,虚线部分为定时控制电路，在PC机中已经做成CRT的专用控制芯片MC6845。其中的核心为点计数器、水平地
27、址计数器、光栅地址计数器和垂直地址计数器，由它们来控制显示器逐点、逐字、逐行、逐屏的显示刷新。,字符显示器的工作原理（续二）,40,3、图形显示器的工作原理,假设某显示器分辨率为640480，我们依此为例来讨论。在彩色图形显示器中，通常采用彩色位平面的存储结构来表示颜色信息，一般有4个位平面，分别表示R、G、B、I。假如表示16种颜色，则需要4位二进制数码，每个位平面有1位二进制。也就是说屏幕上的一个像素点需要用来自4个位平面上的相同位置上的一位来表示。图形的基本显示单位是像素，像素存放在以字节编址的VRAM中。显示器一行640点，在VRAM中需要6408=80个字节，其中每个字节存储8个点（
28、一个位平面）。因此点脉冲经计数器8分频后产生字节脉冲，每产生一个字节脉冲就访问一次VRAM，从4个位平面各读出一个字节（8个点）送往移位寄存器，再串行输出，形成R、G、B、I信号，组合后决定一种颜色。,列计数器也叫字节计数器，98分频。计数器从0到79，光栅从左到右扫描一行，正程显示80个字节表示的640点。字节计数器附加18次计数，作为行线逆程回扫时间，逆程回扫要消隐。行计数器为488分频。计数值从0到479，对应于场正程扫描，显示480行；附加8次计数，对应于场逆程回扫，逆程回扫要消隐。图形显示器的分辨率、颜色数与VRAM容量密切相关。,图形显示器的工作原理（续）,42,4、图像显示器的工作原理,图像的概念与图形的概念不同。图形是用计算机表示和生成的图，一般为主观图像，在计算机中表示的图形，只需存储绘图命令和坐标点。而图像所处理的对象多数来自客观世界，一般为由摄像机摄取的、并存入计算机的数字图像。由于是数字化后逐点存储，所以图像需要占用庞大的内存空间。图像显示器采用光栅扫描方式，目前的显示器多数具有图像显示功能，分辨率达到800600、1024768、12801024，甚至更高。图像显示器有两种类型，一种为简单图像显示器；一种为图形处理子系统，它本身就是一个具有并行处理功能的专用计算机。目前流行的图形工作站就属于图形处理子系统。,
