第7章 外围设备

1、第七章 外围设备 本章要点:n外设的功能和分类；n常用外设简介： 键盘、鼠标、语音输入器 CRT显示设备 打印设备 磁表面存储器 光盘存储器。第七章 外围设备学习目标 本章需掌握的主要内容： 1. 外围设备的功能及分类；2. 常用输入输出设备的工作原理、相关概念；3外存储器设备的基本组成、工作原理及主要性能。 第六章 6.4外围设备1 外围设备概述2 显示设备3 输入设备和打印设备4 硬磁盘存储设备5 软磁盘存储设备6 磁带存储设备7 光盘存储设备本章小结习题1 外围设备概述1.1 外围设备的一般功能1.2 外围设备的分类1.1 外围设备的一般功能n外围设备涉及到相当广泛的计算机部件。除了CP

2、U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。n外围设备的功能：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。n外围设备的基本组成：(1)存储介质，它具有保存信息的物理特征。(2)驱动装置，它用于移动存储介质。(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。1.2 外围设备的分类n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。n中央部分是CPU和主存，通过总线与第二层的适配器(接口)部件相连，第三层是各种外围设备控制器，最外层则是外围设备。 n外围设备可分为输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备和过程控制设备等几大类。n每一种外围设备，都是在

3、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适配器和主机连接，并受主机控制。1.2 外围设备的分类计算机的五大类外围设备2 显示设备2.1 显示设备的分类与一般概念2.2 字符/图形显示器2.3 图像显示设备2.4 IBM PC系列机的显示系统2.1 显示设备的分类与一般概念n以可见光的形式传递和处理信息的设备叫显示设备，是目前计算机系统中应用最广泛的人机界面设备。n按显示设备所用的显示器件分类，有阴极射线管(CRT)显示器、液晶显示器(LCD)、等离子显示器等。n按所显示的信息内容分类，有字符显示器、图形显示器、图像显示器三大类。2.1 显示设备的分类与一般概念在CRT显示设备中:n

4、以扫描方式不同，分成光栅扫描和随机扫描两种显示器；n以分辨率不同 ，分成高分辨率显示器和低分辨率显示器；n以显示的颜色分类，有单色(黑白)显示器和彩色显示器。n以CRT荧光屏对角线的长度分类，有12英寸、14英寸、16英寸、19英寸等多种。2.1 显示设备的分类与一般概念CRT显示设备相关概念:1.分辨率和灰度级2.刷新和刷新存储器 3.随机扫描和光栅扫描 2.2 字符/图形显示器1.字符显示n显示字符的方法以点阵为基础。点阵是由mn个点组成的阵列，并以此来构造字符。n点阵的多少取决于显示字符的质量和字符窗口的大小。 n字符窗口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。 2

5、.2 字符/图形显示器1.字符显示2.2 字符/图形显示器1.字符显示2.2 字符/图形显示器2.图形显示 图形显示是指用计算机手段表示现实世界的各种事物，并形象逼真地加以显示。根据产生图形的方法，分随机扫描图形显示器和光栅扫描图形显示器。2.2 字符/图形显示器(1)随机扫描图形显示器n将所显示图形的一组坐标点和绘图命令组成显示文件存放在缓冲存储器，缓存中的显示文件送矢量(线段)产生器，产生相应的模拟电压，直接控制电子束在屏幕上的移动。为了在屏幕上保留持久稳定的图像，需要按一定的频率对屏幕反复刷新。n这种显示器的优点是分辨率高(40964096个像素)，显示的曲线平滑。目前高质量图形显示器采

6、用这种随机扫描方式。缺点是当显示复杂图形时，会有闪烁感。 2.2 字符/图形显示器(2)光栅扫描图形显示器光栅扫描图形显示器的原理是：把对应于屏幕上每个像素的信息都用存储器存起来，然后按地址顺序逐个地刷新显示在屏幕上。其组成结构如图： 2.3 图像显示设备n图形是用计算机表示和生成的图，称作主观图像。在计算机中表示图形，只需存储绘图命令和坐标点，没有必要存储每个像素点。而图像所处理的对象多半来自客观世界，即由摄像机摄取下来存入计算机的数字图像，这种图像称为客观图像。由于数字化以后逐点存储，因此图像处理需要占用非常庞大的主存空间。n图像显示器采用光栅扫描方式，其分辨率有256256、512512

7、、10241024像素等，色彩还原效果真实，如32位。2.4 IBM PC系列机的显示系统1.显示标准n旧标准n单色显示适配器（MDA）。IBM机上的最初标准。最高支持720 x350的文本模式。n彩色图形适配器（CGA）。所谓“彩色显示”，其实只限于文本模式。n增强图形适配器（EGA）。分辨率为640 x480，每个像素可以有16种颜色（每个像素用4比特表示）。16种颜色可以从64色调色板选择。2.4 IBM PC系列机的显示系统1.显示标准当前的标准 4:3nQVGA，四分之一VGA（320 x240）n视频图形阵列（VGA），实际上有几种不同分辨率。最常见的是640 x480（每像素4比

8、特，16种颜色可选）。n多色图形适配器（MCGA），1987年某些PS/2型号上出现，比VGA成本底。MCGA有可以在262144色调色板中选256种颜色的彩色模式。或640 x480的单色模式。相比之下VGA有256k显示存储器，MCGA则只有64k，因而单色模式的分辨率只能达到640 x480，256色的彩色模式分辨率只能达到320 x200。2.4 IBM PC系列机的显示系统1.显示标准当前的标准 4:3n高级视频图形阵列（Super VGA或SVGA)，由VESA为IBM兼容机推出的标准。分辨率为800 x600（每像素4比特，16种颜色可选）。n扩展图形阵列（Extended Gr

9、aphics Array或XGA）是IBM在1990年推出的一个标准。XGA支持1024x768分辨率，256色调色板（每像素8比特），或者640 x480分辨率（每像素16比特，或称高色）。XGA-2更进一步支持1024x768（高色，更高帧频），和1360 x1024分辨率（每像素4比特，16种颜色可选）。2.4 IBM PC系列机的显示系统1.显示标准当前的标准 4:3n高级扩展图形阵列（Super XGA或SXGA）。一个分辨率为1280 x1024的既成事实显示标准，每个像素用32比特表示（本色）。这种被广泛采用的显示标准的纵横比是5:4而不是常见的4:3。nUXGA超级扩展图形阵列

10、（Ultra XGA或UXGA）是一种既成事实的标准。分辨率为1600 x1200（每像素32比特，或称真彩色）。2.4 IBM PC系列机的显示系统1.显示标准当前的标准 16:9n宽屏扩展图形阵列（WXGA）是一种分辨率为1280 x720、纵横比为16:9的XGA格式。这种显示纵横比在最近的笔记本电脑上变得流行起来。nWSXGA / WXGA+宽屏扩展图形阵列（WXGA+）是一种分辨率为1440 x900、纵横比为16:10的WXGA格式。 WUXGA；宽屏超级扩展图形阵列（WUXGA）是一种分辨率为1920 x1200、纵横比为16:10的UXGA格式。这种纵横比在高档15和17英寸笔

11、记本电脑上越来越流行。n此外还有更高的显示标准，例如QXGA和HXGA。按这种定义方式，分辨率最高的既成事实标准是分辨率为7680 x4800的WHUXGA。2.4 IBM PC系列机的显示系统2.显示适配器显示适配器由刷新存储器、显示控制器、ROM BIOS三部分组成，如图：2.4 IBM PC系列机的显示系统【例3】刷存的重要性能指标是它的带宽。实际工作时显示适配器的几个功能部分要争用刷存的带宽。假定总带宽的50%用于刷新屏幕，保留50%带宽用于其他非刷新功能。(1)若显示工作方式采用分辨率为1024768，颜色深度为3B，帧频为72Hz，计算刷存总带宽应为多少?(2)为达到这样高的刷存带

12、宽，应采取何种技术措施?【解】(1) 刷新所需带宽=分辨率每个像素点颜色深度刷新速率= 10247683B72/s=165888KB/s=162MB/s 刷存总带宽应为162MB/s100/50=324MB/s (2)为达到这样高的刷存带宽，可采用如下技术措施： 使用高速的DRAM芯片组成刷存； 刷存采用多体交叉结构；刷存至显示控制器的内部总线宽度由32位提高到64位，甚至128位 ；刷存采用双端口存储器结构，将刷新端口与更新端口分开。3 输入设备和打印设备3.1 输入设备3.2 打印设备3.1 输入设备常用的计算机输入设备分为图形输入、图像输入、声音输入等几类：1.图形输入设备 (1)键盘输

13、入 (2)光笔输入 (3)图形板和游动标输入 (4)鼠标器输入 3.1 输入设备2.图像输入设备 n最理想的图像输入设备是数字摄像机。它可以摄取任何地点、任何环境的自然景物和物体，直接将数字图像存入存储器。 n由于一帧数字图像要占很大的存储空间，图像数据的传输与存储问题将是一个十分重要的研究课题，目前普遍采用的方法是压缩-恢复技术。 3.1 输入设备3.语音输入设备n利用人的自然语音实现人-机对话是新一代多媒体计算机的重要标志之一。n语音识别器作为输入设备，可以将人的语言声音转换成计算机能够识别的信息，并将这些信息送入计算机。而计算机处理的结果又可以通过语音合成器变成声音输出，以实现真正的“人

14、机对话”。通常语音识别器与语言合成器放在一起做成语音输入/输出设备。 3.2 打印设备n打印输出是计算机最基本的输出形式。与显示器输出相比，打印输出可产生永久性记录，因此打印设备又称为硬拷贝设备。n按印字原理分，分为击打式和非击打式两大类。击打式打印机又分为活字式打印和点阵针式打印两种。 n按工作方式分，可分为串行打印机与行式打印机两种。n另外还有能够输出图形/图像的打印机，具有彩色效果的彩色打印机等。 3.2 打印设备1.点阵针式打印机 点阵针式打印机是以前应用最普及的一种打印设备，特点是结构简单、体积小、重量轻、价格低、字符种类不受限制，易实现汉字打印，还可以打印图形/图像，因此在早期微小

15、型机中都配置这种打印机。3.2 打印设备2.激光印字机n激光印字机是激光技术和电子照相技术结合的产物，其基本原理与静电复印机相似。其基本步骤有：曝光、显影、转印、定影等。n激光印字机是非击打式硬拷贝输出设备，输出速度快，印字质量高，可使用普通纸张。其印字分辨率高，可以输出汉字或图形/图像，是目前理想的输出设备，因而在办公自动化及轻印刷系统中得到了广泛的应用。4 硬磁盘存储设备4.1 磁记录原理与记录方式4.2 硬磁盘机的基本组成和分类 4.3 硬磁盘驱动器和控制器4.4 磁盘上信息的分布4.5 磁盘存储器的技术指标4.1 磁记录原理与记录方式n计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储

16、，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储信息。磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。 n磁表面存储器的优点：(1)存储容量大，位价格低；(2)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，可以脱机存档；(4)非破坏性读出，读出时不需要再生信息 。n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。4.2 硬磁盘机的基本组成和分类硬磁盘机是指记录介质为硬质圆形盘片的磁表面存储器。其逻辑结构如图： 4.2 硬磁盘机的基本组成和分类硬磁盘机通常按以下方法分类：按盘片结构分成可换盘片式与固定盘片式两种；磁头也分为可移动磁头和固定磁头两种。(1)可移动

17、磁头固定盘片的磁盘机 (2)固定磁头磁盘机 (3)可移动磁头可换盘片的磁盘机 (4)温彻斯特磁盘机温彻斯特磁盘简称温盘，是一种采用先进技术研制的可移动磁头固定盘片的磁盘机。优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。4.2 硬磁盘机的基本组成和分类Hard Disc Drive 简称HDD 全名 温彻斯特式硬盘硬盘的各种主要接口:n1、ATA接口： 全称Advanced Technology Attachment，是用传统的40-pin 并口数据线连接主板与硬盘的，外部接口速度最大为133MB/s，因为并口线的抗干扰性太差，且排线占空间，不利计算机散热，逐渐被SATA 所取代。n2、IDE

18、接口：全称为Integrated Drive Electronics，即“电子集成驱动器”，俗称PATA并口。n3、SATA接口：使用SATA（Serial ATA）口的硬盘又叫串口硬盘，使用嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力，能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，提高了数据传输的可靠性。具有结构简单、支持热插拔的优点。4.2 硬磁盘机的基本组成和分类Hard Disc Drive 简称HDD 全名 温彻斯特式硬盘硬盘的各种主要接口:n4、SATA II接口：是Intel与硬盘Seagate希捷在SATA的基础上发展起来的，其主要特征是外部传输率从150MB/s进一步

19、提高到了300MB/s。n5、SCSI接口：全称为“Small Computer System Interface”（小型计算机系统接口），是同IDE（ATA）完全不同的接口，IDE接口是普通PC的标准接口，而SCSI并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔等优点，但较高的价格使得它很难如IDE硬盘般普及，因此SCSI硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。4.3 硬磁盘驱动器和控制器1.磁盘驱动器磁盘驱动器是一种精密的电子和机械装置，因此各部件的加工安装有严格的技术要求。对温盘驱动器，还

20、要求在超净环境下组装。各类磁盘驱动器的具体结构虽然有差别，但基本结构相同，主要由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统组成。 4.3 硬磁盘驱动器和控制器2.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；另一个是与设备的接口，根据主机 命令控制设备的操作。前者称为系统级接口，后者称为设备级接口。4.3 硬磁盘驱动器和控制器主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑如图所示：4.4 磁盘上信息的分布盘片的上下两面都能记录信息，通常

21、把磁盘片表面称为记录面。记录面上一系列同心圆称为磁道。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扇区。 4.5 磁盘存储器的技术指标磁盘存储器的主要指标包括存储密度、存储容量、存取时间及数据传输率。（缓存、旋转速度等）n存储密度分道密度、位密度和面密度；n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； n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所需要的时间； n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。 4.5 磁盘存储器的技术指标【例4】磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上

22、、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2400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? (4)采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么?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，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上? 4.5 磁盘存储器的技术指标【解】(1)有效存储区域=16.5-11=5.5(cm)因为道密度=40道/cm，所以405.5=220道，即220个圆柱面(2)内层磁道周长为2R=23.1411=69.08(cm) 每

23、道信息量=400位/cm69.08cm=27632位=3454B 每面信息量=3454B220=759880B 盘组总容量=759880B10=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=2400转/60秒=40转/秒 Dr=rN=403454B=13816B/s4.5 磁盘存储器的技术指标【解】(4)采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录块(一个扇区)，每个记录块记录固定字节数目的信息，在定长记录的数据块中，活动头磁盘组的编址方式可用如下格式： 此地址格式表示有4台磁盘，每台有16个记录面，每面有128个磁道，每道有16

24、个扇区。 (5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个柱面上，因为不需要重新找道，数据读/写速度快。磁盘存储器的保养1、读写过程中且忌断电。硬盘的转速大都是5400转和7200转，SCSI硬盘更在10000到15000转2、保持良好的工作环境。3、防止受震动4、减少频繁操作。如果长时间运行一个程序，或是长期使用下载软件，这时就要注意了，这样磁头会长时间频繁读写同一个硬盘位置(即程序所在的扇区)，而使硬盘产生坏道。另外，如果长时间使用一个操作系统，也会使系统文件所在的硬盘扇区(不可移动)处于长期读取状态，从而加快该扇区的损坏速度。5、恰当的使用时间。6、定期整理碎片。7、使用稳定的

25、电源供电。5 软磁盘存储设备5.1 软/硬磁盘存储器的异同5.2 软磁盘片 5.3 软盘的记录格式 5.4 软磁盘驱动器和控制器6 磁带存储设备6.1 磁带机的分类和结构6.2 磁带的记录格式 7 光盘存储设备7.1 光盘的分类7.2 CD-ROM光盘 7.3 CD-ROM驱动器及其接口 7.1 光盘的分类光存储器简称光盘，是近年来颇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。n光盘的优点： 激光可聚焦到1m以下，从而记录的面密度可达到645Mb/平方英寸，高于一般的磁记录水平。一张CD-ROM盘片的存储容重可达600MB，相当于400多张1.44MB的3.5英寸软盘片。n光盘的缺点： 存取时间长，数据传输率低。7.1 光盘的分类按读写性质来分，光盘分为：n只读型n一次写型n重写型7.1 光盘的分类只读型光盘是厂商以高成本制作出母盘后大批重压制出来的光盘。这种模压式记录使光盘发生永久性物理变化，记录的信息只能读出，不能被修改。典型的产品有： nCD