第八章 外部设备

第八章第八章 外部设备 外部设备 I O 设备 设备 一 输入设备 一 输入设备 Input Device 1 键盘 Keyboard 1 按键特点 QWERTY 排列 亦称 柯蒂 键盘 如此排列主要是避免按键卡死 按键数目 早期 83 键 无功能区 F1 F12 和小数字区 101 键和 102 键 386 和 486 普遍使用 108 键或更多 现在普遍采用 2 工作原理 逐行扫描法 以 8 行 8 列为例 上图为 8 行 8 列示意图 所有按键均在行和列的交叉点上 无按键按下时 列线与 行线无连接 所以读列线状态均为 5V 即逻辑 1 如有按键按下 则按键位置处 列线 与行线导通 相应列线状态会改变 扫描方式为逐行改变行线电位状态 初始时第 0 行为 0V 逻辑 0 其余行均为 5V 如果改行有按键按下 则相应位置列线与行线导通 对应的列线读出为 0V 逻辑 0 根据行线和列线的位置可确定该按键 然后第 1 行为 0V 执行上述操作确定该行是否有按 键按下 然后各行依次为 0V 状态 循环执行上述操作 如果 8 行 16 列 可有 128 键 3 位行地址 4 位列地址 共 7 位数据 3 键盘分类 按是否有接触点 触点式键盘 按下按键时 触点接通 松开按键时 触点断开 存在抖动 电容式键盘 按键下为一逻辑电容 按下时电容改变 引起电流和电压的变化 按是否有编码 编码键盘 返回按键的信息编码 如 ASCII 码或其它编码 原理略复杂 非编码键盘 仅返回按键的扫描码 即位置值 需辅助处理 速度慢 4 接口类型 五芯接口 时钟 数据 串行操作 仅 1 位 复位 电源 地 USB 接口 通用性强 VCC 行 译 码 器 0V 5V 5V 行 扫 描 地 址 读列线状态 2 鼠标 Mouse 1 机械式鼠标 内置塑胶滚球 带动相互垂直的辊 g n 轴 产生 x y 的位移量 特点 原理简单 可靠性差 易磨损 2 光电鼠标 原理类似一个小型的数码照相机和图像处理器 主要部件 发光二极管 发出光束 棱镜 透镜 实现光线的折射和聚焦 光感应器件 微成像器 移动轨迹会记录成一组高速拍摄连贯的图像 图像分析芯片 DSP 数字微处理器 通过特征点位置变化来定位移动的方向和距 离 技术指标 DPI 每移动一英寸所能检测出的点数 值越大 精度越高 帧速率 DSP 每秒能处理图像的帧数 值越大 灵敏度越好 3 接口类型 五芯接口 时钟 数据 串行操作 仅 1 位 复位 电源 地 USB 接口 通用性强 二 输出设备 二 输出设备 Output Device 1 显示器 1 CRT 显示器 阴极射线管 电子束击中屏幕产生光色 余辉时间决定显示性能 适合人眼为中余辉 1 100ms 电子束经过水平偏转场和垂直偏转场击中屏幕上不同的位置 一次仅显示一点 逐 点显示完成一屏图像 称一帧 Frame 利用人眼的视觉暂留 0 1s 观察者可看到一幅 完整图像 多次重复显示形成稳定画面 每秒重绘次数称为帧刷新频率 对于人眼 85Hz 为无 闪烁频率 2 液晶显示器 Liquid Crystal Display LCD 液态晶体 一种介于液体与固体之间的物质 本身不发光 在不同的电场作用下 内部晶体排列会发生改变 影响透光性 彩色液晶 每个像素点 显示 RGB 三色 Red Green Blue 每种颜色用 8 位数据 即 256 级 24 位真彩色 三种颜色共 256 256 256 级 人眼无法分辨这么多颜色 光源 通常采用冷阴极荧光灯 CCFLS 电子枪 加速电极 水平偏转 垂直偏转 屏幕 荧光粉 注意 液晶显示器的原理类似街头的广告灯箱 3 LED 显示器 LED Light emitting Diode 即发光二极管 LED 的特点 功耗低 亮度高 色域宽广 更艳丽的色彩 环境适应强 绿色环 保 无水银之类有害元素 低电磁辐射 现在所说的 LED 显示器通常指具有 LED 背光技术的液晶显示器 即液晶显示器的每个像素点后面设置一个发光二极管作为光源 具有比 LCD 显示 器更省电的优点 4 分辨率和点间距 物理分辨率 Physical Resolution 单位面积所能显示的最大光点数 逻辑分辨率 Logical Resolution 整个屏幕所能容纳的光点数 屏幕的大小决定显示的精细程度 例如均为 1024 768 分辨率 在 20 寸屏幕和在 7 寸屏幕上显示的效果截然不同 点间距 Dot Pitch 指两个相邻光点 像素 中心的距离 有时亦称行距 也可以用像素密度来描述 像素密度是指单位长度的像素数 单位 PPI 每英寸像 素数 例 显存用 DRAM 实现 显示分辨率为 1600 1200 颜色采用 24bit 真彩色 帧频 85Hz 显示总带宽的 50 用来刷新屏幕 则显存总带宽为多少 显存至少多大容量 总带宽为 1600 1200 3Byte 85 50 7834MB s 显存容量为 1600 1200 3Byte 5760000 Byte 5 49 MB 以 1024 1K 计算 5 图形显示卡 简称显卡 有时亦称为图形适配器 Graphics Adapter Card 具体操作要涉及到屏幕 的模拟量操作 控制显示屏的电压或电流值 主要包含部件 图形处理芯片 GPU Graphics Processing Unit 与 CPU 对立区别 显存 一帧图像要显示的相关数据 数据量 RAMDAC 数 模转换存储器 其中 DAC Digital to Analog Converter 显示模式 字符模式 在屏幕上按字符阵列为最小处理单位 仅可显示字符 图像处理复杂 图形模式 在屏幕上按像素点为最小处理单位 把字符当图像处理 2 打印机 打印模式 击打式 Impact 用机械力量击打字锤或字模来完成打印 非击打式 Nonimpact 用物理或化学方法将油墨印在纸张上 1 针式打印机 用字车 Carriage 也称打印头 击打纸张来完成字符的打印 仅能打印字符 字车分单列 7 针或 9 针 和双列 14 针 7 2 或 24 针 12 2 两种 字模格式 英文字符 5 7 7 7 7 9 9 9 汉字字符 24 24 点阵越大 显示越细腻 上面左图示意的是 5 7 的英文点阵 即 5 列 7 行 共 35 个点 右图示意击打后的 A 点阵 即把需要的点击打出来 构成一个大写的 A 针式打印机在某些特定场合还 在使用 2 激光打印机 Laser Printer 感光鼓 硒鼓 类似于老式相机的底片 简要过程描述 a 硒鼓充电 表面均匀布满电荷 b 激光束扫描照射硒鼓 被照射部分产生光电流 电荷消失 生成翻转图像 c 硒鼓表面吸附碳粉 仅有电荷部分能吸附上 要打印的图像 d 打印纸通过硒鼓 纸后面有转印电晕丝 用其磁场把硒鼓上带电荷的碳粉吸附 在纸上 e 热辊定影 把纸上的碳粉固定在纸上 f 硒鼓放电 清扫刷清其表面的碳粉 除像 为下一次做准备 注意 激光打印机是用物理方式来完成的打印 3 喷墨打印机 Ink Jet Printer 喷嘴喷射代垫墨滴束 经过水平和垂直的偏转电场到达纸张表面 偏转电场原理类似 CRT 显示器中的偏转电场 单色打印 黑色墨滴 彩色打印 CMYK 混色 即青色 品红色 黄色和黑色 4 种墨滴 不同颜色的混色来形成彩色打印 三 辅存设备三 辅存设备 1 硬盘 特点 容量大 每位价格低 非易失性 1 基本组成部件 盘片 一种金属合金 硬盘名字来源于此 磁头 硬盘的磁头工作时是非接触式 悬浮 0 2 0 5 微米 不同于早期的软磁盘 通常设置一个读头和一个写头 主要因为读写操作和时间均不相同 磁盘驱动器 HDD Hard Disk Driver 磁盘控制器 HDC Hard Disk Controller 外围电路 驱动和控制磁盘工作 注意 现在硬盘多为温盘 即温彻斯特盘的简称 是把上述部件集成为一体 使用时不用 具体了解内部结构 2 磁道 Track 工作时磁头所形成的轨迹 对于磁盘是磁盘面若干半径不同的同心圆 对于磁带是沿着带面方向的一条直线 柱面 Cylinder 多盘片结构时 各盘面中相同半径的磁道可以构成一个虚拟的 柱面 有时磁道亦称作柱面 扇区 Sector 盘面上的磁道被分成的若干弧 每一段弧线即为一个扇区 不同半径的扇区角速度相同 磁盘转速恒定 不同半径的扇区的容量恒定 由于弧长不同 所以记录密度不同 便于控制 注意 磁盘地址格式如下所示 磁盘地址不同于主存地址 主存地址是按单元编址 磁盘是按块 扇区 编址 磁盘地址不同于主存地址 主存地址是按单元编址 磁盘是按块 扇区 编址 3 磁记录原理 写入 磁化磁盘盘面介质 写 1 正向驱动电流 盘面上产生正向磁通 写 0 反向驱动电流 盘面上产生反向磁通 读出 用磁头在盘面上移动 产生相应的感生电动势 e e n d dt n d dl dl dt n d dl v 其中 l 为长度 dl dt 为单位时间长度的变化 即线速度 d 为磁通量的变化 注意 由于驱动电流很小 所以产生的磁通 也不是很大 要想获得一个有效的感生 电动势 e 就得增大匝数 n 另外还要有一个很大的线速度 磁盘高速转动的一个原因 同时要清楚 稳定的磁通由于没有变化 所以产生不了感生电动势 e 感生电动势 e 只有在磁通变化处才有 4 磁记录方式 归零制 RZ 信号 1 用正向电流 I 驱动 信号 0 用反向电流 I 驱动 信号之间驱动电流为 0 归零制名称的由来 特点 原理简单 有单倍电流驱动 和 e 都小 记录密度低 不归零制 NRZ 见变就翻转 驱动电流只在信号交界处翻转 翻转时为 I I 或 I I 仅当前后信号不同 时 驱动电流才翻转 如前后信号相同时 保持驱动电流 I 或 I 不变 无 0 值驱动电流 所以称非归零制 特点 波形简单 记录密度大 需外加辅助电路 触发器标识 0 或 1 同步时钟记录 信号个数 某位出错会影响其后的若干位 故障敏感 不归零制 NRZ 1 见 1 就翻转 一种改进的不归零制 柱面号盘面号扇区号台号 0110010 I I 0 0110010 I I 0110010 I I 记录波形与 NRZ 相似 不同之处在于驱动电流翻转的条件 仅当新来信号为 1 时 驱动电流翻转 I I 或 I I 否则保持驱动电流 I 或 I 不变 特点 波形简单 记录密度大 需同步时钟记录信号个数 某位出错不会影响其后的 数值 故障不敏感 调相制 PM 驱动电流包括两种相位 I I 和 I I 用其中的一种表示 0 另一种就可以表 示 1 波形相对复杂 但具有一定的自同步能力 不再需要同步时钟 磁带通常采用此法 调频制 FM 驱动电流在所有信号的交界处均翻转 0 信号内部不翻转 1 信号内部翻转 即 1 信号 的翻转频率是 0 信号翻转频率的 2 倍 具有完全的自同步能力 不需外加同步时钟 磁盘 通常采用此法 5 磁表面存储的主要技术指标 记录密度 a 道密度 沿磁盘半径方向 单位长度的磁道数 单位 TPI Track Per Inch b 位密度 单位长度磁道记录的二进制位数 单位 bpi bit per inch 注意 逻辑上 磁盘按角速度读取数值 即每一个扇区记录的数据量相同 由于磁道 周长不同 所以各磁道的位密度均不一样 习惯上取两个数值 最外磁道 位密度最小 和最内磁道 位密度最大 存储容量 c n k s 其中 n 为面数 k 为磁道数 s 为每磁道记录的位数 未格式化容量 包括一些辅助数据位 格式化容量 只包括有效的数据位 对于用户来讲 只考虑格式化容量 平均访问时间 磁盘的访问时间和位置有关 各位置时间均不相同 通常采用平均值 计算时用最大 值和最小值的平均数来代替 各种情况出现的几率相同 不用依次计算求平均值 a 平均寻道时间 磁头沿半径方向找寻磁道的时间 用 Tsa 表示 从一端移到另一端的时间 即从最外磁道到最内磁道 或反之 最小值为 0 不需移动 要找磁道就在磁头下面 b 平均等待时间 磁头找寻相应磁道的某扇区的时间 用 Twa 表示 最大值为磁道转一周的时间 最小值为 0 则平均访问时间 Ta Tsa Twa 0110010 I I 0110010 I I 数据传输率 磁盘开始传输数据时 单位时间内所传输的数据量 此参数指标不包括寻址等待时间以及其它一些辅助操作时间 为峰值数据 计算公式为 Dr D v 其中 D 为位密度 v 为相应磁道的线速度 误码率 出错位数占总位数的比率 例 某磁盘组包括 6 片 其中最外两侧盘面不记录 存储区域内径 22cm 外径 33cm 道 密度 40 道 cm 内层位密度 400bit cm 磁盘转速 3600 转 分钟 计算下面几个参数指标 a 该磁盘组共有多少存储面 n 2 6 2 10 b 该磁盘组共有多少柱面 k 40 33 22 2 220 c 该磁盘组存储容量为多少 s 400 22 27632bit c n k s 60790400bit d 该磁盘组数据传输率是多少 3600 60 60 转 s Dr s 60 转 s 1657920bit s 注意 该处数据传输率没用前述公式计算 而用每磁道记录的位数 每秒磁道转数 2 光盘 Compact Disc CD 真实含义为压