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第七章 外围设备#

7.1 外围设备概述#

• 外围设备的功能是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。事实上，除了 CPU 和主存外，计算机系统的每一部分都可作为一个外围设备来看待。

7.1.1 外围设备的一般功能#

• 外围设备的功能是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。
  • 指标上：不断采用新技术，向低成本、小体积、高速、大容量、低能耗等方面发展；
  • 结构上：由初级的串行操作输入 / 输出方式，发展到有通道连接的多种外设并行操作方式。
  • 种类上：由简单的输入 / 输出装置，发展到多种输入 / 输出装置，随机存取大容量外存、多种终端设备等。
  • 性能上：信息交换速度大大提高，输入输出形态不仅有数字形式，还有直观的图像和声音等形式。

外围设备（磁盘）基本组成 （重点）#

• (1) 存储介质，它具有保存信息的物理特征。例如磁盘就是一个存储介质的例子，它是用记录在盘上的磁化元表示信息
• (2) 驱动装置，它用于移动存储介质。例如，磁盘设备中，驱动装置用于转动磁盘并进行定位。
• (3) 控制电路，它向存储介质发送数据或从存储介质接受数据。例如，磁盘读出时，控制电路把盘上用磁化元形式表示的信息转换成计算机所需要的电信号，并把这些信号用电缆送给计算机主机。

7.1.2 外围设备的分类#

• 一个计算机系统配备什么样的外围设备，是根据实际需要来决定的。
• 外围设备可以分为输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备和过程控制设备几大类。
• 每一种外围设备，都是在它自己的设备控制器控制下进行工作，而设备控制器则通过I/O 接口和主机连接，并受主机控制。

7.2 磁盘存储设备 （重点）#

• 1、磁盘的组成：
  • 写入时，将计算机并行送来的数据取至并串变换寄存器，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。
  • 读出时，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，故要送至串并变换寄存器变换为并行数据，再并行送至计算机。
• 2、磁盘存储器的技术指标
  • 存储密度：存储密度分道密度、位密度和面密度。
    • 道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道 / 英寸。
    • 位密度：磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位为位 / 英寸。
    • 面密度：位密度和道密度的乘积，单位为位 / 平方英寸。
    • 存储容量：一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。
    • 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加上传送数据所需要的时间。
    • 取决于以下三个因素：
      • 第一个是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称为找道时间；
      • 第二个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，称为等待时间，这两个时间都是随机变化的，因此往往使用平均值来表示，平均找道时间是最大找道时间与最小找道时间的平均值。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。
      • 第三个是数据传送时间。
    • 磁盘总的平均存取时间：
      • Ta = Ts + 1 / (2r) + b / (rN)
      • Ts: 平均找道时间
      • 1 /(2r)：平均等待时间
      • b / (rN)：数据传送时间
      • r：磁盘旋转速率，单位是转 / 秒
      • b：传送的字节数
      • N：每磁道字节数
  • 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，叫数据传输率
    • 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 / 发送信息。从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为 n 转 / 秒，每条磁道容量为 N 个字节，则数据传输率：
    • Dr = nN (字节 / 秒) 或 Dr=D・v (字节 / 秒) ，其中，D 为位密度，v 为磁盘旋转的线速度

【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：
(1) 共有多少柱面？
(2) 盘组总存储容量是多少？
(3) 数据传输率多少？

解：(1) 有效存储区域 = 16.5-11=5.5 (cm)
因为道密度 = 40 道 /cm，所以 40×55=220 道，即 220 个圆柱面。
(2) 内层磁道周长为 2πR=2×3.14×11=69.08 (cm)
每道信息量 = 400 位 /cm×69.08cm=27632 位 = 3454B 每面信息量 = 3454B×220=759880B
盘组总容量 = 759880B×10=7598800B
(3) 磁盘数据传输率 Dr=rN
N 为每条磁道容量，N=3454B
r 为磁盘转速，r=6000 转 / 60 秒 = 100 转 / 秒
Dr=rN=100×3454B=345400B/s

7.3 显示设备#

有关概念（重点）#

• 分辨率：显示器所能显示的像素个数。像素越密，分辨率越高，图像越清晰。
  • 它取决于显像管荧光粉的粒度，荧光屏的尺寸以及 CRT 电子束的聚焦能力。
• 灰度级：在黑白显示器中所显示的像素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色的不同 **。灰度级越多，图象层次越清楚越逼真 **。
  • 它取决于每个像素对应的刷新存储器的位数以及 CRT 本身的性能。
• 刷新：电子束打在荧光粉上引起的发光只能维持几十毫秒的时间。为了使人眼能看到稳定的图像显示，必须使电子束不断地重复扫描整个屏幕，该过程称为刷新。
  • 刷新频率越高，显示越没有闪烁。 根据人的视觉生理，刷新频率大于 30 次 / 秒时才不会感到闪烁
  • 刷新存储器（视频存储器、显存）：为刷新提供信号的存储器。容量取决于分辨率和灰度级。
    • 容量 M=rC r：分辨率 C：颜色深度
    • 如分辨率为 1024×1024，256 级颜色深度的图像，存储容量 1024×1024×8bit=1MB，其存取周期必须满足刷新频率的要求。