《计算机组成原理电子教案第8章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理电子教案第8章.ppt（190页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第八章 输入输出系统,计算机组成原理电子教案 陆 遥,8.1 输入输出系统概述8.2 输入设备 键盘 鼠标 触摸屏 扫描仪8.3 输出设备 8.3.1 显示器 打印机8.4 辅助存储器 磁记录原理与记录方式 硬磁盘存储器 磁盘阵列存储器 光盘存储器,8.5 输入输出接口 输入输出接口的功能和基本结构 I/O端口的编址方式8.6 输入输出数据传送方式 程序查询方式 程序中断方式 直接存储器访问（DMA）方式 通道方式 8.6.5 I/O处理机方式,8.1 输入输出系统概述,输入输出（I/O）系统的作用，是把计算机系统外的数据输入到计算机主机中，并将计算机主机处理后的数据输出到计算机系统外。I/O
2、系统是一个硬、软件结合的系统，硬件部分包括外围设备及其与主机的接口，软件部分则包括接口的初始化程序及具体的输入输出操作程序等。计算机系统中，除主机（由CPU和主存组成）外的其他硬设备都称为计算机的外围设备。外围设备种类繁多，功能各异，包括有输入设备、输出设备、外存储器、数据通信设备和过程控制设备等几大类。,输入设备和输出设备统称为人机交互设备，用来实现计算机与其使用者之间的信息交流。外存储器既能以文件形式保存主机输出的程序和数据，也能将所保存的程序和数据输入主机。各种外围设备都有自己的设备控制器，用来控制设备本身的操作，而设备控制器又通过I/O接口与主机相连，接受主机的控制，如下图所示。,I/
3、O接口是主机与外围设备之间的连接电路，主要起到控制、缓冲与转换的作用。主机与外围设备之间的数据传送方式有程序查询方式、程序中断方式、直接存储器访问（DMA）方式、通道方式和外围处理机方式等5种。不同的I/O数据传送方式需要I/O接口有不同的功能和不同的设计。对程序查询方式和程序中断方式，其I/O数据传送过程需要CPU执行I/O程序来控制；对DMA方式，数据传送过程由DMA控制器控制，但DMA控制器需要由CPU执行初始化程序来设置各种初始条件。,在采用通道和I/O处理机的I/O系统中，通道和I/O处理机取代了一般意义上的I/O接口，并具有智能化和很高的独立控制能力，能够代替CPU完成输入输出控制
4、，从而提高了CPU的工作效率。主机在与不同速度的外围设备进行数据传送时，所采用的定时方式是不一样的；在与中、低速度的外围设备传送数据时，通常采用异步定时方式，而在与高速外围设备传送数据时，则采用同步定时方式。,8.2 输入设备,键盘键盘是一种字符输入设备，用来输入文字、符号和操作命令等。键盘由一组排列成阵列形式的按键开关组成，每个键都被赋以明确的含义。目前，绝大多数键盘上使用的都是ASCII字符。由键盘进行一次输入的过程大致是：按下一个键；扫描按键的位置，产生所按键的位置码；将位置码转换成按键所对应的字符的ASCII码，并由主机接收。,键盘按其功能不同，通常可分为编码键盘和非编码键盘两种基本类
5、型。编码键盘本身带有实现接口主要功能所必须的硬件电路，能自动检测被按下的键，能实现去抖动、防串键等功能，并且能向主机提供被按键所对应的ASCII码。编码键盘与主机的接口简单，但硬件电路较复杂，价格较高。非编码键盘只简单地提供一个按键开关阵列，而识别按键（包括按键扫描、去抖动、防串键等）、形成位置码及转换为ASCII码等功能均由CPU运行专门的软件来实现。非编码键盘价格较低，但其与主机的接口较复杂。,实际使用的键盘通常介于这两种基本类型之间，即由键盘完成一部分操作，再由CPU执行程序完成另一部分操作。例如，PC机的键盘内装有Intel 8048单片机来完成键盘扫描、去抖动、防串键等操作，能自动形
6、成被按键的位置码，并能将位置码以串行方式发送到主机；CPU接收到位置码后，再执行专门的转换程序，将位置码转换成ASCII码（通常采用查表的方式进行转换）。,鼠标鼠标是一种坐标定位设备，是随着图形操作界面出现而发明的一种输入设备。常用的鼠标有机械式和光电式两种，它们与主机的通信和控制原理完全相同，只是在移动检测方面有些差异，可以直接替换使用。鼠标一般都有两个按键（左键和右键），通过串行接口或USB接口与计算机主机相连。机械式鼠标的底部有一个圆形的凹坑，里面装有一个表面裹着橡胶的金属球，球的侧面呈正交方向（即二维坐标的X和Y方向）装有两个转轴，转轴与球的表面接触。通过转轴所连接的移动检测电路，就可
7、以测出鼠标在X和Y方向上的位移。,光电式鼠标的底部装有发光二极管和光敏接收器。现在的光电式鼠标可以直接在各种反光率不是很高的平面上使用。无论哪种类型的鼠标，在移动一个最小位移单位后，都要向主机发送一个3字节的串。其中，第一个字节表示鼠标在最近的100ms内沿X方向的位移量；第二个字节为鼠标沿Y方向的位移量；第三个字节描述鼠标当前键的状态。衡量鼠标性能的一个重要参数是分辨率，一般以d/cm（像素点/厘米）为单位，表示鼠标移动1cm所经过的像素点数。分辨率越高，可使鼠标移动到目标位置所需的移动距离越短。,触摸屏触摸屏是一种对物体的接触或靠近能产生反应的定位设备。触摸屏是透明的，可安装在任何一种显示
8、器屏幕的外表面上。触摸屏系统一般包括两部分：触摸屏控制器和触摸检测装置。触摸屏控制器上有微处理器和固化的监控程序，其主要作用是将触摸检测装置送来的触摸信息转换成触点坐标，再传送给主机；同时，它能接收主机发来的命令，并予以执行。根据所采用的触摸检测技术不同，触摸屏可分成5类：电阻式、电容式、表面超声波式、红外线扫描式和压感式。,电阻式触摸屏的主体是两层高度透明、并涂有导电物质的薄膜，下面一层附在玻璃底座上，上面一层附在透明塑料片内侧，两层薄膜之间由绝缘支点隔开，间隙为0.0001英寸。当用户触摸上层的塑料片时，触摸屏控制器可以根据触摸点接触电阻的大小求得接触点所在的X和Y坐标。电容式触摸屏是一个
9、内部涂有金属层的玻璃罩。当用户触摸其表面时，会产生由触摸点向四个角传输的电流，根据电流的大小可以计算出触摸点的坐标。,表面超声波式触摸屏是一个透明的玻璃罩，在玻璃罩的X和Y方向都安装了一个发射和接收压电转换器和一组反射条。触摸屏还有一个控制器发送5MHz的触发信号给发射、接收转换器，由它转换成表面超声波在屏幕表面传播。当用户触摸屏幕时，触摸点处的超声波被吸收，使接收信号发生变化，触摸屏控制器可以据此求得触摸点的坐标。,红外扫描式触摸屏只是一个安装在普通显示器屏幕边框上的框架，框架的四个边框分为上下和左右两组，每组边框中，一条内放置了红外线发射管，另一条内放置了红外线接收管。在触摸屏内的微处理器
10、控制下，依次接通红外线发射管并检查对应的红外线接收管。当用户用手指触摸显示器屏幕时，手指就会挡住经过这一点的横竖两条红外线，微处理器据此可计算出触摸点的坐标。压感式触摸屏采用底座式矢量压力测力技术，为显示器设计一个专用工作平台，显示器在这个平台上可以做三维运动。当用户触摸显示器屏幕时，显示器就会在平台上产生三维运动，工作台内部的传感器就能测出显示器运动的状态，并据此计算出触摸的位置。,扫描仪扫描仪是一种图像输入设备，用来将各种文档、图纸等转换成二进制数字，并以字节为单位输入计算机，然后，由计算机运行专门的软件将其转换成某种格式的图形文件，供计算机处理或存档。常见的扫描仪有平板式扫描仪和滚筒式扫
11、描仪。平板式扫描仪以一块平板玻璃为工作台面，扫描仪的主要部件位于台面下方，有一个电机驱动的可移动的托架，托架上有光源、反射镜片、透镜和感光元件等。,扫描仪的关键部件是感光元件，目前使用最广的感光元件是电荷耦合器件（简称CCD）。CCD是在单晶硅上集成了大量光电三极管，光电三极管受到光线照射后会产生电流，电流大小和光线强度成正比，从而实现光电转换。这些光电三极管排成三列，分别用红、绿、蓝色的滤色镜罩住，从而实现彩色扫描。扫描仪的性能指标主要有分辨率、色彩灰度值、扫描速度和扫描幅面。其中，分辨率分横向和纵向分辨率，以每英寸像素数（dpi）来衡量；横向分辨率由CCD决定，纵向分辨率由驱动电机每次移动
12、的最小距离决定。,8.3 输出设备,8.3.1 显示器显示器能将计算机的处理结果以可见光的形式输出，是最常用的输出设备。显示器种类繁多，按所用的显示器件分类，有阴极射线管（简称CRT）显示器、液晶显示器（简称LCD）、等离子显示器等；按可显示的内容分类，有字符显示器、图形显示器和图像显示器三类。显示器也称为监视器。1CRT显示器CRT是一个电真空器件，由电子枪、偏转装置和荧光屏构成。下图是单色CRT（即黑白显像管）结构示意图。,电子枪是CRT的主要组成部分，用于形成和发射电子束。电子束射到荧光屏上形成光点。不同位置、不同亮度的光点就可以组成文字符号或图形图像。,为了获得高质量的显示效果，电子束
13、应满足以下要求：电子束应有足够的强度和速度，而且强度可以控制。电子束的强度由栅极来控制，而栅极由亮度信号控制；阳极对电子束加速，以保证电子束有足够的能量轰击荧光屏。射到荧光屏上的电子束要足够细，以保证所显示的内容清晰可辨。聚焦极用于对电子束进行聚焦，形成很细的电子束。电子束的的运动方向要能够控制，以便使电子束能射到荧光屏的任何位置。套在CRT尾部的偏转线圈，通过所产生的磁场的变化，来控制电子束的运动方向。,荧光屏内侧涂有荧光粉，它能将电子束的动能转换成光能。荧光粉在电子束撤消后仍能保持发光的时间，称为余辉时间。余辉时间与荧光粉的材料特性有关。从视觉效果来说，余辉时间宜短不宜长。对于单色CRT，
14、电子枪只有一个阴极，荧光屏上只涂有一种荧光粉，只能发出一种颜色的光。对彩色CRT，荧光屏上每个像素点都由排列成正三角形的三个小荧光粉点组成；三个荧光粉点的材料不同，它们在电子束轰击下分别发出红、绿、蓝三种颜色的光。不同强度的红、绿、蓝三色叠加起来，就可以产生丰富的色彩。,彩色CRT的电子枪中有三个独立的阴极，可以同时向一个像素的三个荧光粉点发射电子束。荧光屏上的所有像素点被排列成一个多行多列的阵列。电子束在荧光屏上的扫描方式有光栅扫描和随机扫描两种。光栅扫描方式有隔行扫描和逐行扫描两种实现方法。隔行扫描是把所有行分为奇数行和偶数行两部分，扫描完所有奇数行后，再扫描所有偶数行。逐行扫描则是从第一
15、行开始，依次扫描每一行。扫描过程中，根据所要显示的内容，在需要显示一个光点的地方就发出强电子束，否则就减弱电子束。,当电子束从左到右扫描完一行后，要快速回扫到下一行的左端，这称为水平回扫。在扫描完最后一行后，电子束又迅速回扫到第一行的左端，这称为垂直回扫。电子束回扫时，显示是消隐的，不会在荧光屏上产生光点。,通常把电子束每秒钟对荧光屏扫描的遍数称为帧频，帧频越高，显示画面的闪烁感就越小，画面就越稳定；帧频实际上就是垂直回扫的频率。相比较而言，隔行扫描所需的帧频比逐行扫描低，实现的成本也较低；但是，隔行扫描的显示质量比逐行扫描差。与光栅扫描方式不同，在随机扫描方式下，电子束只扫描荧光屏上需要显示
16、光点的位置，而不是扫描整个屏幕，因此，这种扫描方式的扫描速度快，显示质量高。但是，随机扫描的控制逻辑比较复杂，实现成本也较高。目前，大多数CRT显示器采用光栅扫描方式。,显示器的显示精度取决于显示器的分辨率。分辨率是指荧光屏上可显示的像素点数，通常表示为mn的格式，其中，n为像素阵列的行数，m为每行的像素点数。分辨率越高，显示的内容越清晰。通过控制电子束的强度，可以改变光点的亮度；光点亮度变化的级数，称为灰度级。对单色字符显示器，每个像素点只需要有亮和不亮两级灰度，因此，每个像素点可用1位二进制数字表示（1表示亮，0表示不亮），1个字节可以表示8个像素。如果是黑白图形/图像显示器，灰度为N级，
17、则每个像素要用 位二进制数字来表示。,对彩色图形/图像显示器来说，一个像素点是由排成正三角形的红、绿、蓝三个小光点组成的，每个小光点均有多级灰度，并且是独立控制的，因此，需要分别表示三个小光点的灰度级。分辨率越高，灰度级或色彩越丰富，显示的图像质量就越高，表示一帧图像所需的数据量也越大。CRT显示器的适配器（常称为显示卡）中设置有显示存储器（VRAM），用来存放当前帧的显示内容，供刷新操作用。下图所示，为光栅扫描单色字符显示器和彩色图形/图像显示器的适配器原理图。,在单色字符显示适配器中，显示存储器存放的是当前帧所有字符的ASCII码，存放顺序按照字符在屏幕上的显示位置来排列，即按行序、同一行
18、按从左到右的顺序存放。显示存储器的容量与一帧能显示的字符数有关。字符的显示码也称字符点阵码，它是用二进制数字组成的一个阵列，阵列中的每一位二进制数字对应屏幕上的一个像素点，某位为1，表示对应的像素点发光，为0则不发光。,字符“B”的79点阵码如下图所示。ASCII字符集的128个字符的点阵码都由字符发生器产生。字符发生器的核心是一个存储全部字符点阵码信息的ROM，称为字符ROM。,字符点阵码的每一行称为一个线代码，每个线代码在字符ROM中占用一个字单元，点阵码各行的线代码按行序连续存放在字符ROM的字单元中。下图所示，为79点阵字符发生器的内部结构及字符“B”的点阵码在字符ROM中的存放方式。
19、,第0线的线代码为全0，作为相邻两行字符的显示间隔。访问字符ROM的地址由两部分组成，其高位部分为所显示字符的ASCII码，低位部分为线选地址。并串移位寄存器的作用，是将并行读出的线代码转换为串行方式一位一位发到CRT，去控制电子束的发射。由于电子束的扫描方向是从左向右扫描，所以，移位寄存器采用左移方式工作。CRT控制器是显示适配器的核心部件，其主要功能是：提供访问显示存储器的地址和访问字符ROM的线选地址。,显示存储器中的字符地址是由字符所在的行号（行地址）和字符在行内的序号（行内地址）组成的，其中，行地址为字符地址的高位部分，行内地址为字符地址的低位部分。按字符地址访问显示存储器，读取一个
20、字符的ASCII码送到字符发生器，作为访问字符ROM的高位地址。行地址、行内地址和线选地址均由专门的计数器提供。一帧显示开始时，行地址和行内地址均为0（对应屏幕左上角的字符位置），线选地址也为0，表示开始扫描该帧第0行字符的第0线。此后，三个计数器按扫描规则增量变化。,提供时序控制信号。CRT控制提供的时序控制信号主要有：水平同步信号、垂直同步信号及移位寄存器的串行移位信号（打点时钟信号）。水平同步信号的频率与水平扫描的频率相同，垂直同步信号的频率与垂直扫描的频率相同。在电子束水平回扫和垂直回扫期间，不允许电子束在屏幕上打出光点，这称为显示消隐。进入消隐期时，CRT控制器发出消隐信号，禁止并串
21、移位寄存器接收来自字符ROM的线代码，从而实现显示消隐。,在彩色图形/图像显示适配器中，显示存储器用来存放当前正在显示的一帧图形或图像所有像素点的像素值，且存放顺序与电子束扫描像素点的顺序一致。每个像素值都包含R、G、B三色的灰度值。对显示存储器的访问是以像素为单位进行的。CRT控制器计算出一个像素值在显示存储器中的存放地址，读出其R、G、B灰度值，经D/A转换器转换成模拟信号，分别控制电子枪中的三个阴极发出三束电子，分别轰击荧光屏上对应像素点的R、G、B三个小荧光粉点，从而在屏幕上产生一个彩色光点。,程序段缓存用于存储主机送来的显示文件和交互式图形图像操作命令，如图形的局部放大、平移、旋转、
22、比例变换以及图形的检索和图像处理等。显示处理器用来对程序段缓存中的显示文件及操作命令进行处理，产生一帧显示数据并存入显示存储器中。由专门的显示处理器来做这些工作，比在主机中用软件来做效率高很多。2液晶显示器（LCD）液晶是一种有机化合物，它既具有液体的流动性，又具有分子排列有序的晶体特性。液晶分子为棒状结构，可在电场的控制下改变其排列方向，从而改变光线在液晶体中的传播方向；而且，光线透过液晶体的强度也可以用电场控制。,液晶本身不会发光，但可以对外部照射光源进行调制，使得透过液晶体的透射光形成不同的亮度，以达到信息显示的目的。因此，利用液晶显示信息时，需要使用背光源。LCD也有单色和彩色之分。单
23、色LCD的每个像素由一个液晶元组成，只能透射一种颜色的光。彩色LCD的每个像素由三个小液晶元组成，分别透射红、绿、蓝三色光线以形成一个彩色光点；红、绿、蓝三色光是通过对白色的背光使用光过滤器分解而得。LCD显示屏由两块平行的玻璃板中间夹着一层密封的液晶组成，玻璃板后设置有背光源。显示屏上的所有液晶元排列成阵列形式。,要在显示屏上显示出图形图像，就需要对每个液晶元处的电场进行控制。根据控制电场的方式不同，LCD显示器有多种类型。TFT-LCD采用薄膜晶体管技术，在显示屏的每个液晶元位置上都设置了一个晶体管，控制电路通过这些晶体管对各液晶元施加适当的电场，控制液晶元的光传播特性，使屏幕上产生所需的
24、显示结果。TFT-LCD虽然价格较高，但是显示质量好，是目前的主流产品。,打印机打印机是计算机系统的主要输出设备之一。打印机能将计算机的处理结果以文字、图形或图像的形式印在纸上，便于人们阅读和保存。现在使用的打印机都属于点阵式打印机，即把文字和图形图像都以点阵形式打印在纸上。点阵式打印机可分为击打式和非击打式两大类。1针式打印机针式打印机属击打式打印机，其特点是结构简单、体积小、重量轻、价格低、字符种类不受限制，还可以打印汉字及图形/图像。针式打印机由打印头与字车、走纸机构、色带机构和打印控制器四部分组成。,打印控制器控制着打印机各部分的动作，其作用类似于CRT控制器，由微处理器、行缓存RAM
25、、字符发生器ROM、打印头驱动电路和接口电路等主要部分组成。下图所示，为针式打印机的打印机构。,为了降低打印头制造的难度，打印头只装一列打印针，每根打印针可以单独驱动，每次可打印一个字符点阵的一列，一列打完后，打印头水平移动一小段距离，再打印下一列。针式打印机是在打印头移动过程中，将字符逐一打印出来的，所以称为串行针式打印机，其打印速度在每秒100个字符左右。针式打印机速度较慢、噪声较大，且图形打印效果较差；但针式打印机适合打印各种不同大小纸张，如打印超宽表格、现金收据、存取款记录、登机牌等。此外，利用打印针的击打力，可用复写纸一次打印输出多份结果。,2激光打印机激光打印机是激光技术和电子照相
26、技术相结合的产物，其结构如下图所示。一页内容的打印需要经过充电、曝光、显影、转印、定影等一系列过程。,在打印图像时，通过控制显影器中的显影辊的电压，可以改变鼓上吸附的碳粉量，进而改变打印纸上像点的浓淡程度，打印出不同的灰度层次，使图像更加逼真。激光打印机是非击打式打印机，噪声低，打印速度快、质量高。高速激光打印机的速度在每分钟100页（100ppm）以上，中速的有3060ppm，低速的也有1020ppm，打印分辨率则达到每英寸300点（300dpi）以上，是理想的计算机输出设备。,3喷墨打印机喷墨打印机是通过把很小的墨水滴喷射到打印纸上形成打印点来完成打印输出功能的。根据墨水喷射方式的不同，喷
27、墨打印机分为连续式和随机式两种。连续式喷墨打印机只有一个喷墨口，打印机中有一个墨水泵对墨水施加持续的压力，使墨水从喷墨口中连续喷出。下图所示，为一种电荷控制式连续喷墨打印机的印字原理和字符形成过程。,随机式喷墨打印机只在需要向纸上打点时才喷出墨滴，因此不需要墨水回收及循环系统，整个喷墨机构更简单、成本更低，但喷墨速度比连续式喷墨打印机低。为了提高打印速度，随机式喷墨打印机的喷墨头采用单列、双列或多列喷墨口，通过同时喷射多个墨滴来提高打印速度。根据产生墨滴的技术不同，随机式喷墨打印机又分为压电式和热电式两类。压电式喷墨技术采用压电管、压电隔膜或压电薄片等作为换能器，将作用于其上的脉冲电压转换为对
28、墨水的压力，使墨滴从喷墨口喷出。,热电式喷墨技术以加热器件（如发热电阻）为换能器，置于喷墨口附近。控制打印的电脉冲信号作用在加热器上，使其在瞬间升温至几百度，加热器附近的墨水被迅速汽化形成气泡，气泡快速膨胀形成压力，将喷墨口处的少量墨水挤出，形成喷射墨滴。控制打印的电脉冲信号撤消后，喷墨管道内形成负压，又将新的墨水从墨水盒吸入毛细管，为下一次喷射做好准备。彩色喷墨打印机使用彩色墨水盒，盒内分别装有红、绿、蓝三色墨水，打印机按各个像素点的三色比例，控制喷墨头喷出三色墨水，混合出所需的颜色。,喷墨打印机分辨率高（一般可达300720dpi，高档产品可达1440dpi）、噪声小、重量轻、价格适中，且
29、彩色图像打印性/价比较高。其缺点是：墨水盒较贵（尤其是彩色墨水盒）；喷墨头维护较麻烦。,8.4 辅助存储器,辅助存储器（简称辅存）作为计算机主存的后备和补充，用于存储主机当前不执行的程序和不处理的数据。辅存属于计算机主机的外部设备，因此也称为外部存储器，简称外存。计算机系统对辅存的要求是：存储容量大，具有非易失性，位价格低。常用的辅存主要是磁表面存储器和光存储器，如硬磁盘、软磁盘、磁带均为磁表面存储器，光盘为光存储器。目前，计算机的辅存主要使用硬磁盘存储器和光盘存储器。,磁记录原理与记录方式 1磁记录原理磁盘、磁带等磁表面存储器采用磁记录介质保存信息。磁记录介质是涂有薄层磁性材料的信息载体。磁
30、带和软磁盘的记录介质采用的是软性基底材料（聚酯薄膜带和塑料软盘片），硬磁盘的记录介质则采用硬性基底材料（铝合金硬盘片）。磁性材料有颗粒材料和连续材料两类，最常用的是-Fe2O3针状颗粒材料，称为磁粉。为了可靠地记录信息，磁表面存储器所用的磁性材料有着接近矩形的磁滞回线。磁滞回线反映的是磁性材料在外加磁场H的作用下，其磁感应强度B的变化规律，如下图所示。,磁滞回线就是磁性材料的磁感应强度变化曲线，是一条闭合曲线。+Br 和-Br 分别是磁性材料的正、负两个剩磁状态。,在没有外加磁场影响时，磁性材料的正、负两个剩磁状态可以长期保持。因此，利用这两个剩磁状态分别表示二进制数字“1”和“0”，就可以实
31、现信息存储。磁表面存储器使用磁头来对磁性材料实施磁化，即在磁性材料上产生正/负剩磁状态；这称为对磁表面存储器的写操作。执行读操作时，同样用磁头来判别磁性材料上的剩磁方向，进而形成二进制数字“1”或“0”。磁头和磁记录介质之间做相对运动，通过相互之间的电磁感应完成信息的写入和读出。,写入操作时，在磁头写线圈中通过一定方向和强度的写电流Iw，就会在磁头铁芯中形成一定方向和强度的磁场。磁力线在间隙处形成漏磁场，使磁头间隙下方的一个微小区域被磁化，形成一个磁化元。磁头在磁记录介质表面记录信息形成的磁化元轨迹，称为磁道。读出操作时，磁头写线圈中不加电流。当记录着信息的磁道在磁头下方匀速通过时，磁化元产生
32、的磁力线被磁头的铁芯切割，从而在读出线圈的两端产生感应电压e。根据感应电压e的极性，可以确定读出的数据是1，还是0。,2磁记录方式磁记录方式是一种编码方法，它按某种规律，将一串二进制数字信息转换成写电流波形，以便在磁记录介质上产生相应的磁化状态。磁记录方式对记录密度和可靠性有很大的影响。常见的磁记录方式有：归零制（RZ）、不归零制（NRZ）、见1就翻的不归零制（NRZ1）、调相制（PM）、调频制（FM）和改进的调频制（MFM）等6种。下图所示，为这6种磁记录方式的写电流波形，也是磁记录介质上相应位置所记录的理想磁化状态或强度波形。,评价一种磁记录方式的性能，主要是看它的编码效率和自同步能力。编
33、码效率是指位密度与最大磁化翻转密度之比 所以，NRZ、NRZ1和MFM这三种记录方式的编码效率为100%；PM和FM这两种记录方式的编码效率为50%。编码效率越高，在相同长度的磁道上可记录的信息量就越大，记录密度就越高。如MFM的记录密度就是FM的两倍。,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，称为同步信号。为了在读数据时能够取得同步信号，可以在记录数据时，同时将同步信号记录在一条专门设置的磁道中；这种方法称为外同步。由于同步信号也要占用磁道，因此外同步法会降低数据信息的记录密度。对于高密度的记录系统，不能浪费磁道来记录同步信号，而是需要直接从读出的数据（脉冲序列）
34、中提取同步信号，这种方法称为自同步。一种磁记录方式的自同步能力，是指从磁道读出的数据脉冲序列中提取同步时钟脉冲的难易程度。,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R来衡量；比值R越大，自同步能力越强。如RNZR=RNZR1=0；RPM=RFM=RMFM=0.5。所以，PM、FM和MFM都有自同步能力。除了以上6种磁记录方式外，还有广泛应用于高密度磁盘的游程长度受限码RLLC，以及用于高密度磁带存储设备的成组编码GCR（实际上也是一种RLLC）等。,硬磁盘存储器硬磁盘存储器是计算机系统中最主要的辅存设备。硬磁盘是一种磁表面存储器，它以铝合金圆盘片作为盘基，盘面涂有磁性记录
35、层，通过磁头进行信息的记录和读出。1硬磁盘存储器的分类 按磁头的工作方式分类，硬磁盘存储器可分为固定磁头和移动磁头两类。固定磁头硬磁盘存储器的磁头位置固定不动，磁盘的每个磁道上都有一个磁头。其特点是读写速度快。,移动磁头硬磁盘存储器将一片或多片磁盘固定在旋转主轴上，每个磁盘记录面对应一个磁头。对于多个盘片的情况，为了控制方便，通常将所有磁头装在同一个支架上，由支架沿盘面做径向移动来带动磁头移动，如下图所示。各磁头总是位于离轴心距离相等的磁道上；这样一组半径相同的磁道称为一个柱面。,按磁盘是否可更换分类，硬磁盘存储器可分为可换盘和固定盘两类。可换盘硬磁盘存储器在不用时，可将磁盘片从驱动器中取出脱
36、机保存，使用时再重新装入驱动器。这就使得相互兼容的磁盘存储器之间可以互换磁盘，便于交换数据。固定盘硬磁盘存储器中的磁盘不能从驱动器中取出，磁盘及其驱动器组合在一起，封装在一个铝合金外壳内，不能随意拆卸。目前应用最广，最具代表性的的硬磁盘存储器是温彻斯特磁盘存储器（简称温盘），它是一种固定盘移动磁头硬磁盘存储器。,温盘的主要特点是，将磁头、盘片、驱动部件以及读写电路等制成一个不可随意拆卸的整体，称为头盘组合体；这是一种密封组合式的硬磁盘。温盘具有防尘性好、运行可靠性高、存取速度快、存储密度大、使用寿命长等优点。2硬磁盘存储器的组成硬磁盘存储器由硬磁盘驱动器（HDD）、硬磁盘控制器（HDC）和磁盘
37、片三大部分组成。硬磁盘驱动器主要由定位驱动系统、数据控制系统、主轴系统和盘组组成。下图是硬磁盘驱动器结构示意图。,驱动磁头沿盘面径向位置运动以寻找目标磁道位置的机构叫磁头定位驱动系统，它由驱动部件和运载部件（也称为磁头小车）组成。定位驱动系统的驱动方式主要有步进电机驱动和音圈电机驱动两种。,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。它的主要部件是主轴电机和有关控制电路。数据控制系统的作用是控制数据的写入和读出。它包括磁头、磁头选择电路、读写电路和索引区标电路等。硬磁盘控制器是主机与硬磁盘驱动器之间的适配器。它有两个接口，一个是与主机的接口，控制硬磁盘存储器与主机总线之间交换数据；
38、另一个是与硬磁盘驱动器的接口，根据主机的命令控制硬磁盘存储器的操作。前者称为系统级接口，后者称为设备级接口。,系统级接口的任务是比较清楚的，它只和主机系统总线打交道。但是，由于硬磁盘控制器与硬磁盘驱动器之间的任务分工比较模糊，所以设备级接口的任务也是不固定的。如下图所示。,3硬磁盘的数据记录格式为了明确信息存放的具体位置，需要给记录面和磁道编号（均从0号开始），分别称为记录面号（或盘面号）和磁道号。同一个记录面上的各个磁道从外向内依次编号，即半径最大的磁道为第0道，半径最小的磁道为第n道（设n为最大磁道号）。显然，柱面号与磁道号是一致的；而记录面号则与磁头号对应。为了减少磁头移动，同一个文件的
39、内容尽可能存放在同一条磁道上；如果一条磁道容纳不下整个文件，则将文件的剩余内容存放在同一柱面的其他磁道上；如果一个柱面仍存不下整个文件，才会将磁头移动到另一个柱面继续存储。,每启动一次硬磁盘存储器，至少要与主机交换一个数据块。磁盘上的一个基本数据快称为一个扇区（或记录块），它是磁道上的一段，一个磁道被等分成多个扇区，扇区的编号称为扇区号，如下图所示。,为了准确划定每个扇区，需要确定磁道的起始位置，这个起始位置称为磁道“索引”。索引检索电路在检索到索引标志时，可产生脉冲信号，定出磁道的起始位置。每个扇区开始时，也由硬磁盘控制器产生一个扇标脉冲，标志一个扇区的开始。两个扇标脉冲之间的一段磁道即为一
40、个扇区。扇区是磁盘上的最小物理存储单位，通常，一个扇区可存储512字节的数据。对硬磁盘的读写操作是以扇区为单位一位一位串行进行的。,下图所示，为数据在硬磁盘上的记录格式和数据的磁盘地址格式示例。由于每个扇区的信息容量相同，因此，这种数据记录格式也称为定长数据记录格式。,硬磁盘在工作时是以恒定角速度旋转的，因此，磁头在每个磁道上所能记录的信息量都是一样的。当然，不同周长的磁道，其信息记录密度是不一样的。4硬磁盘存储器的技术指标 存储密度 存储密度是指单位长度或单位面积磁记录介质所存储的二进制信息量。对硬磁盘存储器，存储密度又分为道密度、位密度和面密度。道密度是指沿磁盘半径方向单位长度的磁道数，单
41、位是道/英寸（tpi）。位密度是指单位长度磁道所能记录的二进制信息位数，单位是位/英寸（bpi）。面密度是位密度与道密度的乘积，单位是位/平方英寸。,存储容量 存储容量是指硬磁盘存储器所能存储的二进制信息总量，一般以字节为计量单位。硬磁盘存储器有格式化容量和非格式化容量两个指标。格式化容量也就是用户实际可以使用的存储容量，一般是非格式化容量的60%70%。平均寻址时间 寻址时间包含两部分：一是磁头从当前位置移动到目标磁道所需的时间，称为寻道时间ts；二是磁头到达目标磁道后，等待所需读写的扇区旋转到它下方所需的时间，称为等待时间tw。,由于每次的寻道时间和等待时间具有不确定性，实际分析时使用的是
42、平均寻道时间tsa和平均等待时间twa；而平均寻址时间Ta即为tsa与twa之和 数据传输率 数据传输率是指硬磁盘存储器在单位时间内与主机之间传送数据的位数或字节数，用Dr表示。如果磁盘转速为n转/秒，每条磁道的容量为N个字节，则数据传输率Dr=nN(字节/秒)；数据传输率也可用某条磁道的位密度D与该磁道旋转的线速度v之积来表示，即Dr=Dv(位/秒)。,误码率 误码率是衡量硬磁盘存储器出错概率的参数，它定义为从硬磁盘存储器读出的错误信息位数与读出的总信息位数之比。为了降低误码率，硬磁盘存储器通常采用CRC码来检错与纠错。【例8.1】设硬磁盘存储器的盘组有6片磁盘，每片磁盘有两个记录面，除顶面
43、和底面不记录信息外，其他记录面均用于记录信息。磁盘存储区域的内径为22cm，外径为33cm，道密度为40道/cm，最内道的位密度为400位/cm，磁盘转速为3600转/分。问：盘组共有多少柱面？盘组的总存储容量是多少？数据传输率是多少？,解：柱面数等于每面磁道数。磁道分布在盘面的一个环状区域内，环状区域的宽度为(33-22)/2=5.5(cm)因为道密度为40道/cm，因此有柱面数=每面磁道数=405.5=220 最内道的周长为3.1422=69.08(cm)因为最内道的位密度为400位/cm，因此，最内道的容量是40069.08=27632(位)=3454(字节)因为每条磁道的信息容量相同，
44、且每个记录面有220个磁道，共有10个可用的记录面，因此有盘组总存储容量=345422010=7598800(字节)因为每条磁道的信息容量为3454字节，磁盘转速为3600转/分，因此有数据传输率=3454360060=207240(字节/秒),【例8.2】设硬磁盘存储器的盘组有6片磁盘，每片磁盘有两个记录面，除顶面和底面不记录信息外，其他记录面均用于记录信息。每个记录面有200个磁道，每个磁道有18个扇区，每个扇区可记录512B，磁盘转速为5400rpm，平均寻道时间为10ms。计算该硬磁盘存储器的总存储容量。计算该硬磁盘存储器的平均寻址时间。解：盘组共有10个可用的记录面，所以该硬磁盘存储
45、器的总存储容量为5121820010=18432000(B)平均寻址时间是平均寻道时间与平均等待时间之和。平均等待时间是磁盘旋转半周所需的时间平均等待时间=(605400)0.5 0.00556(s)=5.56ms平均寻址时间=平均寻道时间+平均等待时间=10+5.56=15.56(ms),【例8.3】设硬磁盘存储器的盘组有11片磁盘，每片磁盘有两个记录面，除顶面和底面不记录信息外，其他记录面均用于记录信息。每个记录面有203个磁道，每个扇区可记录1024B，磁盘转速为3600rpm，数据传输率为983040Bps。假设系统可连接16台这种硬磁盘存储器。计算这种硬磁盘存储器的扇区数和总容量，并
46、设计磁盘地址格式。解：因为数据传输率=一个磁道的容量磁盘转速=983040Bps磁盘转速=3600rpm=60rps 所以一个磁道的容量=98304060=16384(B)因为一个扇区有1024B，盘组共有20个可用的记录面，故扇区数=163841024=16总容量=1638420320=66519040(B),根据图8.16(b)，磁盘地址格式可设计如下 5磁盘cache磁盘存储器是在DMA控制下直接与主存交换数据的，为了弥补磁盘存储器与主存之间的速度差异，在两者之间设置cache，这就是磁盘cache。磁盘cache的一个cache块（或行）可以容纳若干个扇区的数据。磁盘cache的读写操
47、作原理与cache-主存系统相似。现在，大多数磁盘驱动器都对磁盘cache使用了预取策略。,目前，磁盘驱动器上所带的磁盘cache的容量一般在1MB2MB，采用SRAM或DRAM器件组成。磁盘cache一次存取的数据量大，相对CPU与主存之间的cache而言，速度要求较低，但管理工作较复杂。因此，磁盘cache的管理和实现一般用硬件和软件共同完成。,磁盘阵列存储器 1磁盘阵列概述磁盘阵列又称廉价磁盘冗余阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks，简称RAID），是用多台磁盘存储器组成的大容量辅存系统。RAID的基本思想是将数据分块，然后交错存储在多个磁盘上，
48、并使这些磁盘可以并行存取。除了并行处理能力外，很多RAID方案还设置冗余磁盘来存储校验信息，以便在数据磁盘损坏时，能够恢复被损坏的数据。因此，RAID技术既能提高辅存系统的I/O性能，又能提高辅存系统的可靠性。,工业上通过了一个RAID标准方案，该方案分为7级（06级），每一级都是对以下三个特性的不同设计方案：RAID是一组物理磁盘驱动器，在操作系统下被视为一个单一的逻辑驱动器。数据被分布在一个物理驱动器阵列的各个驱动器上。冗余磁盘空间被用来存储奇偶校验信息，以保证在发生磁盘故障时能恢复数据。2RAID方案 RAID 0级（无冗余）RAID 0级没有设置冗余磁盘来改善可靠性，但它有着最高的I/
49、O性能和磁盘空间利用率。,无论哪一级RAID方案，都是把用户和系统数据看作是存储在一个逻辑磁盘上。这个逻辑磁盘被划分为若干“条”（strip）；“条”可以是物理块、扇区或其他一些单位。这些数据条被按一定的规律映射到磁盘阵列中的各个磁盘上。RAID 0级磁盘阵列的数据映射方式如下图所示。,如果一次I/O请求涉及到逻辑上相邻的多个数据条，只要数据条数不超过物理盘数，则该I/O请求能按并行方式处理。当然，提高I/O传输效率还需要主存与各个磁盘驱动器之间的整个传输通道都具有高速传输的能力。在面向事务的应用环境中，每秒钟可能有上百个I/O请求，但每个I/O请求只涉及少量的数据。在这种情况下，磁盘阵列通过
50、在多个磁盘上平衡I/O负载，也能提供高I/O执行率。条的大小也会影响性能。如果条相对较大，使得一个单一的I/O请求只涉及到访问一个磁盘，则多个处于等待状态的I/O请求就可以得到并行处理。,RAID 1级（镜像冗余）RAID 1在RAID 0的基础上，通过备份所有数据的方法来实现冗余。因此，RAID 1的每个数据磁盘都有一个镜像磁盘（冗余磁盘）与之对应。RAID 1对磁盘故障的恢复很简单。主要缺点是成本高。在面向事务的环境中，如果大量的请求都是读操作，则RAID 1可以获得高I/O速率，其性能可以达到RAID 0的两倍。RAID 2级（以海明码作为冗余）RAID 2级采用了并行访问技术。在并行访
