计算机组成原理-第8章-外部设备

第8章外部设备

1计算机组成原理一个完整的计算机硬件系统由两大部分组成：一是由中央处理器（CPU）和主存储器（MM）组成的主机，二是外部设备。外部设备是指连接到主机上的任何设备，简称外设，又称外围设备。如果计算机系统没有输入输出手段来支持是没有用途的。而输入输出操作是通过外部设备来完成的，这些外部设备提供了外部环境和主机之间交换数据的手段。随着计算机技术的发展，外部设备在计算机系统中的作用越来越重要，所占价格的比重也越来越大。80年代后，以个人计算机和工作站为代表的微机迅速普及与提高：一方面，半导体集成电路的发展，使CPU和主存的造价大大降低；另一方面，各种方便实用的文字处理设备，精密灵巧的绘图机、打印机及种类繁多的机械、电子、光学设备的发展，使外设在计算机系统中所起的作用大大提高了。现代的外设已朝着智能化，功能复合化、高可靠性的方向发展，使智能计算机发展成为现实。2计算机组成原理8.1输出设备输出设备是将处理机处理的中间结果和最终结果，以人或其他设备可以识别的数字、字符、图形等形式记录或显示出来，供用户识别、分析、处理和保存。如各类打印机、显示器、绘图机等。3计算机组成原理8.1.1打印机打印输出是计算机系统最基本的输出形式。打印机是将计算结果、程序等以人们能识别的数字和字符形式印刷在记录纸上的一种输出设备。与显示器相比，它可将打印在纸上的信息长期保存，所以有人将可以产生永久性记录的设备统称为硬拷贝设备，如打印机、绘图机、静电印刷机等。而显示器是将输出信息通过屏幕显示出来，它虽有较强的人机对话功能，但只能供观察，叫作软拷贝设备。4计算机组成原理打印设备的种类繁多，性能各异，结构上的差别也很大，一般打印机可按印字方法和工作方法两种方式进行分类。按印字方法分类可分击打式和非击打式两大类。击打式打印机又分活字式打印和点阵式打印两种。根据字模结构形状不同，活字式打印有球形、鼓轮形、圆柱形、菊花瓣形和链形等。目前活字式打印机已不常使用。非击打式打印是近年来出现的新型打印机，又称印字机。它是采用电、磁、光、喷墨等物理、化学方法印刷字符。如激光印字机等。其特点是非机械方式印字，所以速度快，噪音低，印字质量好，但价格相对较贵。按工作方法分类可分为串行打印机和行式打印机。串行打印机是单字锤的，打印时将需要打印的字符逐字顺序打印出来。行式打印机是多字锤的，一次可打印一行，打印速度快。5计算机组成原理一．点阵针式打印机点阵针式打印机的印字方法是由打印针印出n（横）×m（纵）个点阵组成字符图形。显然，点越多，印字质量越高。一般西文字符由5×7，7×7，7×9点阵等组成。而汉字一般由16×16或者24×24点阵等组成。图8-1是5×7点阵针式打印机打印N字符的格式。点阵针式打印机的基本工作原理是用电磁铁线圈中的电流驱动钢针运动来印刷字符。点阵针式打印机中关键部件是针式打印头。点阵式打印机由打印头、字车机构、色带机构、输纸机构及控制电路组成，如图8-2所示。6计算机组成原理图8-15*7点阵打印机打印”N”字符格式7计算机组成原理图8-2针式打印机结构8计算机组成原理二．喷墨打印机喷墨打印机是类似于墨水写字一样的打印机，可直接将墨水喷墨到普通纸上实现印刷。如喷射多种颜色墨水可实现彩色硬拷贝输出。喷墨原理是将墨水分离成小水滴形成一定数量的均匀墨水粒子。目前，喷墨记录设备的种类很多，记录机理各不相同。根据喷射方式不同，可分为连续喷射方式和间歇喷射方式两种。9计算机组成原理图8-7电荷控制式喷墨打印机10计算机组成原理三．激光打印机随着电子摄影技术和激光扫描技术的发展，一种新型的非击打式打印输出设备——激光打印机在七十年代中期问世了。这种新型的打印机是激光技术和电子照像技术结合的产物，具有打印速度快，印字质量好，分辨率高，噪声小，能打印各种字符、图形、汉字、图表等优点。特别是在半导体激光器和高灵活度感光材料研制成功之后，激光打印机的体积大大缩小，各种小型台式、多功能、低价格的中、低速激光打印机相继出现，并能够与大、中、小、微型计算机配套，成为一种理想的办公自动化设备和汉字输出设备。激光打印机主要由激光扫描系统、电子摄影系统和控制系统组成，如图8-8所示。激光打印机利用激光扫描技术将经过调制的、载有字符点阵信息或图形信息的激光束扫描在光导材料上，并利用电子摄影技术让激光照射过的部分曝光，形成图形的静电潜象。再经过墨粉显影、电场转印和热压定影，便在纸上印刷出可见的字符或图形。11计算机组成原理图8-8激光打印机组成框图12计算机组成原理1．主要组成部分（1）激光扫描系统激光扫描系统由激光器、调制部件、扫描部件和光学部件组成。它的功能是对激光器产生的激光按字符点阵信息或图象信息进行高频调制，将电信号转变成光信息。调制后的载有信息的激光束经过光学部件整形、聚焦，由扫描部件控制在光导材料上逐行扫描，从而形成静电潜象。激光扫描部件一般采用转镜扫描器，这是一种多面棱镜，由扫描马达带动匀速旋转。当激光束照射在转镜的某一面上时，随着镜子的转动，反射光便扫描成一条直线，如图8-9所示。当转镜旋转到下一面时，反射光随着镜子的转动又扫描成一条直线。因此，若转镜有n面（例如6面），旋转一周，便扫描n条（6条）直线。13计算机组成原理图8-9转镜扫描原理14计算机组成原理（2）电子摄影系统电子摄影系统包括感光鼓、充电器、显影磁刷、转印分离部件、定影器及消电清洁装置等。感光鼓是一个用铝合金制成的圆筒，表现涂有一层光导材料（如硒）。这种光导材料在黑暗中为绝缘体，若被光照射，其电阻值下降，成为导体。感光鼓预先在暗处充电，以便当载有字符信息的激光束扫描鼓面时，其光照部分的电阻值降低，使电荷流失，而未照部分保持电荷，这样便在鼓面形成字符的静电潜象。显影磁刷中装有带电荷（与静电潜象极性相反）的墨粉，当磁刷接触鼓面时，墨粉被潜象吸附，形成可见图象。充电器、转印器、分离器和消电器一般均采用电晕丝，通过电晕放电实现对感光鼓充电、将墨粉图象转印在纸上、将纸与感光鼓分离以及印刷完成后消除感光鼓表面残留的电荷等等。墨粉转印到纸上后容易被擦掉，需要经过定影将墨粉图象固定在纸上。可用热辊作定影器将墨粉固定在纸上。当纸接触到热辊时，墨粉受高温立即溶化而粘附在纸上，并经加压形成固定图象。15计算机组成原理（3）控制系统控制系统对激光打印机的整个打印过程进行控制，包括控制激光器的调制；控制扫描电机驱动多面棱镜匀速转动；进行行同步信号检测，控制行扫描定位精度；控制步进电机驱动感光鼓等速旋转，保证垂直扫描精度，使激光束每扫描一行都与前一行保持相等的间距。此外，还对显影、转印、定影、消电、走纸等操作进行控制。接口控制部分接收和处理主机发来的各种信号，并向主机回送激光打印机的状态信号。16计算机组成原理2．激光打印过程激光打印机的打印过程如图8-10所示。随着感光鼓的旋转，整个过程分7步进行。图8-10激光打印过程示意图17计算机组成原理（1）充电预先在暗处由充电电晕靠近感光鼓放电，使鼓面充以均匀电荷。（2）曝光主机输出的字符代码经接口送入激光打印机的缓冲存储器，通过字符发生器转换为字符点阵信息。调制驱动器在同步信号控制下，用字符点阵信息调制半导体激光器，使激光器发出载有字符信息的激光束。这种激光束是发散的，经透镜整形成为准直光束，并照射在多面转镜上，再通过聚焦镜将反射光束聚焦成所需要的光点尺寸，然后光束沿感光鼓轴线方向匀速扫描成一条直线。当充有电荷的鼓面转到激光束照射处时，便进行曝光。由于激光束已按字符点阵信息调制，使鼓面上不显示字符的部分被光照射，而显示字符的部分不被光照射。光照部位电阻下降，电荷消失，其它部位仍然保持静电荷，于是在鼓面形成一行静电潜象。转镜每转过一面，由同步信号控制重新调制激光束，并在旋转的鼓面上再次扫描，形成下一行静电潜象。（3）显影当载有静电潜象的感光鼓面转到显影处时，磁刷中带相反电荷的墨粉便按鼓面上静电分布的情况被吸附在鼓面带有电荷的部位，从而在鼓面显影成可见的字符墨粉图象。18计算机组成原理（4）转印墨粉图象随鼓面转到转印处，在纸的背面用转印电晕放电，使纸面带上与墨粉极性相反的静电荷，于是墨粉便靠静电吸引而粘附到纸上，完成图象的转印。（5）分离在转印过程中，静电引力使纸紧贴鼓面。当感光鼓转至分离电晕处时，用电晕不断地向纸施放正、负电荷，消除纸与鼓面因正、负电荷所产生的相互吸引力，使纸离开鼓面。（6）定影将分离后的纸送定影热辊。墨粉中含有树酯，纸接触到热辊时树酯被加热而溶化，使墨粉紧贴在纸上，同时使热辊挤压纸面。这样，经过热压处理，图象便牢牢地定影在纸上。（7）消电、清洁完成转印后，感光鼓表面还留有残余的电荷和墨粉。当鼓面转到消电电晕处时，利用电晕向鼓面施放相反极性的电荷，使鼓面残留的电荷被中和掉。感光鼓再转到清扫刷处，刷去鼓面的残余墨粉。这样，感光鼓便恢复原来的状态，可开始新的一次打印过程。19计算机组成原理8.1.2显示设备以可见光的形式传递和处理信息的设备称之为显示设备。显示设备是目前使用最为普遍的输入输出设备。它可以把计算机的输出信息以字符、图形或图象的形式在荧光屏上显示出来；也允许操作人员通过键盘、光笔、鼠标等将有关的数据和命令送入计算机，以便显示设备能方便、直观地实现人——机对话，因此它在各类计算机系统中作为交互式终端设备。显示器屏幕上的字符、图形及图象不能永久记录下来，一旦关机，屏幕上的信息也就消失了，所以显示器又称为“软拷贝”装置。20计算机组成原理一．显示设备分类显示设备种类繁多，一般可按几种方式分类：按显示设备的器件分类，有阴极射线管（CathodeRayTube，简称CRT）显示器，液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，简称LCD），等离子显示器等。CRT显示器和显示部件即人们所熟悉的电视机显象管，有黑白和彩色两种。液晶和等离子显示器是平板式显示器件，它们的特点是体积小，功耗少，是很有发展前途的新型器件。按显示的信息内容分类，有字符显示器、图形显示器和图象显示器三大类。在使用CRT的显示设备中，还经常以扫描方式的不同，分成光栅扫描和随机扫描两种显示器，以分辨率不同划分成高分辨率显示器和低分辨率显示器等。21计算机组成原理二．显示技术中的有关概念1．图形和图象图形和图象是现代显示技术中常用的术语，它们是既有联系又有区别的两个概念。图形（graphics）最初是指没有亮暗层次变化的线条图，如建筑、机械所用的工程设计图、电路图等。早期的图形显示和处理只是局限在二值化的范围，只能用线条的有无来表示简单的图形。图象（image）则最初就是指具有亮暗层次的图，如自然景物、新闻照片等。经计算机所处理与显示的图象称作数字图象，就是将图片上连续的亮暗变化变换为离散的数字量，并以点阵列的形式显示输出。22计算机组成原理从显示的意义上讲，图形和图象都是由称作像素的光点组成的。光点的多少称作分辨率，光点的深浅变化称作灰度级（在黑白显示器上表现为灰度级，在彩色显示器上表现为颜色）。分辨率和灰度级决定了所显示图象的质量。高分辨率多灰度级的光栅扫描的显示器不仅可以显示图象，也可以显示图形。因此，目前的图形显示远不止简单的二值化的线条图，图形也可以有颜色、深浅层次的变化，可以用来模拟自然景物和各种物体。图象主要用摄象机输入，经数字化以后逐点存储，因此图象需要占用非常庞大的主存储空间。而在计算机中表示图形，则只需存储绘图命令和坐标点，没有必要存储每个像素点。23计算机组成原理2．阴极射线管（CRT）CRT是一个漏斗形的电真空器件，由电子枪、偏转装置和荧光屏构成。（1）电子枪由灯丝、阴极、栅极、加速阳极和聚焦极等组成。电子枪的功能是发射具有足够强度和速度的电子束。电子束强度由栅极控制，而阳极对电子束进行加速，具有一定强度和速度的电子束打到荧光屏上形成光点，由光点组成图形（2）偏转部件的作用是控制电子束的运动方向，以便使电子束能扫描到荧光屏的任何位置。电视扫描线就是靠在x、y偏转板上分别加上一定频率的锯齿波电压，从而控制电子束在荧光屏上水平方向和垂直方向的移动。（3）在CRT玻璃屏的内壁涂有荧光粉，它将电子束的动能转换成光能，从而显示出光点。24计算机组成原理3．分辨率和灰度级分辨率（Resolution）指的是显示设备所能表示的像素个数。像素越密，分辨率越高，图象越清晰。显示器的分辨率取决于显像管荧光粉的粒度、荧光屏的尺寸和CRT电子束的聚焦能力。同时刷新存储器要有与显示像素数相对应的存储空间，用以存储每个像素的信息。灰度级（GrayLevel）指的是所显示像素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色的不同。灰度级越多，图象层次越清楚逼真。灰度级取决于每个像素对应刷新存储器单元的位数和CRT本身的性能。如果用4位表示一个像素，则只有16级灰度或颜色，如果用8位表示一个像素，则有256级灰度或颜色。分辨率和灰度级是显示器的两个重要技术指标。25计算机组成原理4．刷新和刷新存储器CRT器件的发光是由电子束打在荧光粉上引起的。电子束扫过之后，其发光亮度只能维持短暂一瞬（大约几十毫秒）便消失。为了使人眼能看到稳定的图象，就必须在图象消失之前使电子束不断地重复扫描整个屏幕，这个过程叫做刷新（Refresh）。每秒刷新的次数称刷新频率。结合人的视觉生理，刷新频率应大于30次／秒，人眼才不会感到闪烁。显示设备中通常选用电视中的标准，每秒刷新50帧（Frame）图象。为了不断提供刷新图象的信号，必须把图象存储起来，存储图象的存储器叫刷新存储器，也叫“帧存储器”或“视频存储器”VRAM（电视不用刷新存储器也可以看到图象，是因为电视接收机不断接收从天线来的信号）。刷新存储器的容量由图象分辨率和灰度级决定。分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器的容量越大。如分辨率为512×512，256级灰度的图象，存储容量为

512×512×8bit＝

256KB。刷新存储器的存取周期必须满足刷新频率的要求。容量和存取周期是刷新存储器的两个重要技术指标。刷新存储器的发展直接影响显示设备的发展。在VLSI出现以前，实现大容量高速刷新存储器是困难的。所以早期的图象、图形设备只能处理分辨率很低，灰度级很少的图象。26计算机组成原理5．随机扫描和光栅扫描电子束在荧光屏上按某种轨迹运动称为扫描（Scan）。控制电子束扫描轨迹的电路叫扫描偏转电路。扫描方式有两种，随机扫描（RandomScan）和光栅扫描（RasterScan）。随机扫描是控制电子束在CRT屏幕上随机地运动，从而产生图形和字符。电子束只在需要作图的地方扫描，而不必扫描全屏幕，所以这种扫描方式画图速度快，图象清晰。高质量的图形显示器（如分辨率为

4096X4096像素）要用随机扫描方式。但由于这种扫描方式的偏转系统与电视标准不一致，驱动系统较复杂，价格较贵。光栅扫描是电视中采用的扫描方法，因此也叫电视（光栅）扫描。在电视中，要求图象充满整个画面，因此要求电子束扫过整个屏幕。光栅扫描是从上至下顺序扫描，采用逐行扫描和隔行扫描两种方式。逐行扫描就是从屏幕顶部开始一行接一行地扫描，一直到底，反复进行。27计算机组成原理三．CRT字符显示器图8-12光栅扫描在荧光屏上的轨迹28计算机组成原理图8-13“A”字符的点阵表示29计算机组成原理图8-14字符显示器的结构框图30计算机组成原理图8-15字符发生器的逻辑框图31计算机组成原理图8-16字符显示器的控制逻辑框图32计算机组成原理四．CRT图形显示器图形显示器最初是为显示线条图而设计的。根据产主线条图形的不同方法有两种不同类型的图形显示器。1.随机扫描刷新型图形显示器2.光栅扫描图形显示器光栅扫描显示器的特点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。其硬件结构如图8-17所示。这里有两个存储器，一个是程序段缓冲存储器，另一个是刷新存储器。程序段缓存中存储存储由计算机送来的显示文件和交互式图形操作命令，如图形的局部放大、平移、旋转、比例变换以及图形的检索等。这些操作在显示器的控制部件中完成，比在主机中用软件实现效率要高得多。刷新存储器中存放了一帧图形的形状信息，和屏幕上的像素一一对应。33计算机组成原理图8-17光栅扫描显示器的硬件结构34计算机组成原理五．液晶显示器CRT显示器最大的缺点是体积大、笨重，耗电多，还需要高压供电，这无疑会限制了它的应用范围。液晶显示器有体积小、重量轻、低压供电、耗电少等优点，刚好弥补了CRT显示器的缺陷。液晶是液态晶体的简称。液晶分子的排列不象晶体结构那样牢固，它柔软易变形。因此，液晶分子受电场、磁场、温度（热）、应力等外部条件作用时，液晶分子就会重新排列。基于液晶光学各向异性的各种特性也随着变化。液晶的这种柔软的分子排列特性是液晶器件的应用基础。此外，液晶的相态也很重要。有一种分子排列一致的液晶，称为向列性液晶。它具有正光学特性，对偏振光有旋光性，具有电磁效应等，因此，常用作数字显示器件。目前，用液晶构成的显示器（LCD）可分为直视型和投影型两大类。直视型是一种直接观看液晶显示器屏面的形式，例如手表、计算器、笔记本电脑显示器、各种仪表的小显示器，皆属于直视型的。投影型液晶显示器件就是将写入液晶元件内的光学图像放大并投影到大屏幕上，图像的放大率，亮度可以通过增强投影光源来提高。目前大量用于教室、会议室、业务管理室和礼堂等处。35计算机组成原理8.2输入设备输入设备将各种原始信息（如数字、字符、文字、图形、声音等）转换为计算机所能识别处理的信息形式，并输入计算机。主要完成输入程序、数据和操作命令等功能，是进行人一机对话的主要部件。当实现人工输入时，往往与显示器联用，以便及时检查并修正输入时的错误，也可利用软盘、磁带等可脱机录入的介质进行输入。36计算机组成原理8.2.1键盘键盘是目前应用最普遍的一种输入设备。通过键盘可以直接向计算机输入信息。许多外设如控制台或终端用显示设备等都设有键盘输入。键盘是由一组排列成矩阵方式的按键开关组成。键盘所具有键的种类和个数视具体结构而定。通常有数字键、字母符号键、特殊符号键、控制键和功能键。按照键盘提供给主机的数据方式，可分为无编码键盘和有编码键盘两类。有编码键盘中的某一个键按下后，能够由硬件编码器产生与按下键相对应的编码信息。如果是ASCll键盘就能够提供与该键相对应的ASCll代码。这种键盘称为通用键盘。无编码器键盘省掉了硬件编码电路，用来代替硬件编码器功能的是专用软件——键扫描程序，用它来识别按下键的位置，并提供与按下键相对应的中间代码，然后再转换成相应的编码。37计算机组成原理一．无编码键盘设某键盘有64个键，由排列成8行8列的矩阵构成。按键开关跨接在行线和列线的交叉点上。矩阵式无编码键盘如图8-24所示。这种矩阵式无编码键盘共需要16根引出线，其中8根行线与接口电路中的8位输出寄存器和8条输出数据线相接。8根列线与接口中的8位输入寄存器和输入数据线（8条）相连接。键盘在未按键时8行、8列线均为高电平。键盘在向主机输入信息时，CPU首先要判断此刻是否有键被按下。38计算机组成原理方法是由主机送出一个8位全零码至输出寄存器，并通过输出数据线与行线连接。此时列线上的电位由输人寄存器送主机。由主机判断8位列线上电平是否有一根为低电平。只要有一根列线为低电平就说明当前一定有健被接下；如没有一条列线为低电平，则程序循环扫描等待。当有键被按下时，则进一步识别哪一个键被按下，即识别键号。用键盘软件扫描法进行识别的方法是：首先将行线中的行0线（K0）接地，其余行线均为高电位，然后顺序扫描检查各列线中哪条是低电位，若列1线为低电位，则行0线与列1线交叉处的1＃键被按下。如果从列0线到列7线都没有低电平，说明被按下的键不在行0线上，则再改变扫描模式。改为行1线接地，而其余的行线都接高电平，再顺次检查各列线，直到找到被按下的键为止。这种无编码键盘在硬件结构上较简单，而且由软件来转换按下键所对应的编码，为系统软件定义键盘的某些操作提供了更大的灵活性。但因它依靠软件手段进行健扫描，因此工作速度较慢。在很多复杂键盘中均采用编码式键盘。39计算机组成原理图8-24矩阵式无编码键盘40计算机组成原理二．电子编码式键盘在编码式键盘中，每按下一个键则由硬件线路产生与该键相对应的编码。如

ASCII键盘，每个字符编码用七位二进制代表，可表示128个键，键盘矩阵由8行×16列组成。在无编码键盘中，对行列扫描由软件实现。而在循环扫描式电子键盘中，用一个七位计数器进行循环计数，分别把计数器状态送到行线和列线上，实现对键盘上字键的扫描，其原理图如图8-25所示。键盘矩阵中的128键与七位计数器状态相对应，未按键时，行、列线均为高电平。扫描方法是将七位计数器的高四位送入4-16译码器中，对键盘中16条列线进行扫描；而七位计数器的低三位作为8选一多路器的选择端，对键盘矩阵中8条行线进行检测。因此当七位计数器不断循环计数时，键盘上每一个字键被依次访问。若某个字键闭合，而且扫描到该键所在的行与列时，译码器在此列上加的低电平便经过该键传到此键所在行，经8选一电路输出的低电平去封锁七位计数器的计数脉冲，停止计数。此时七位计数器的内容则是该键的编码，并送输出寄存器，作为键码输出。等该键被释放后，再恢复计数，并继续扫描。41计算机组成原理图8-25电子译码式键盘42计算机组成原理8.2.2鼠标器鼠标器（Mouse）是一种手持式的坐标定位部件，简称鼠标。从鼠标发展的历史来看，鼠标器可以分为机械式鼠标、光电机械式鼠标（光机式鼠标）和光电式鼠标。43计算机组成原理一．机械式鼠标机械式鼠标的工作原理很简单，如图8-26所示。它采用一个小滑球和桌面接触，当滑球移动的时候，滑球推动压力滚轴滚动，滚轴的另一边连着编码器，在每个编码器上呈圆形排列的触点。当滑球滚动时，经过传导，使触点会依次碰到接触条，从而产生计算机容易辨认的，“接通”和“断开”，也就是“0”和“1”信号。通常鼠标内部有一个芯片会根据这些数据转换成“X”和“Y”轴的位移，从而使光标移动。44计算机组成原理图8-26机械式鼠标原理图45计算机组成原理二．光机式鼠标光机鼠标是在纯机械式鼠标基础上进行改良，通过引入光学技术来提高鼠标的定位精度。与纯机械式鼠标一样，光机鼠标同样拥有一个胶质的小滚球，并连接着X、Y转轴，所不同的是光机鼠标不再有圆形的译码轮，代之的是两个带有栅缝的光栅码盘，并且增加了发光二极管和感光芯片。当鼠标在桌面上移动时，滚球会带动X、Y转轴的两只光栅码盘转动，而X、Y发光二极管发出的光便会照射在光栅码盘上，由于光栅码盘存在栅缝，在恰当时机二极管发射出的光便可透过栅缝直接照射在两颗感光芯片组成的检测头上。如果接收到光信号，感光芯片便会产生“1”信号，若无接收到光信号，则将之定为信号“0”。接下来，这些信号被送入专门的控制芯片内运算生成对应的坐标偏移量，确定光标在屏幕上的位置。光机鼠标有一个致命的缺点：在鼠标使用一段时间后，一般都会出现光标移动缓慢、光标定位不准、鼠标移动时有疙疙瘩瘩的感觉，这是因为在接编码器的转轴上附有很多污垢，一般需要我们把滑球和转轴彻底的清洗。46计算机组成原理三．光电式鼠标与光机鼠标发展的同一时代，出现一种完全没有机械结构的数字化光电鼠标。设计这种光电鼠标的初衷是将鼠标的精度提高到一个全新的水平，使之可充分满足专业应用的需求。这种光电鼠标没有传统的滚球、转轴等设计，其主要部件为两个发光二极管、感光芯片、控制芯片和一个带有网格的反射板（相当于专用途的鼠标垫）。如图8-27所示。工作时，光电鼠标必须在反射板上移动，X发光二极管和Y发光二极管会分别发射出光线照射在反射板上，接着光线会被反射板反射回去，经过镜头组件传递后照射在感光芯片上。感光芯片将光信号转变为对应的数字信号后将之送到定位芯片中专门处理，进而产生X-Y坐标偏移数据。47计算机组成原理图8-27第一代光电鼠标原理图48计算机组成原理这种光电鼠标在精度指标上的确有所进步，但它在后来的应用中暴露出大量的缺陷。首先，光电鼠标必须依赖反射板，它的位置数据完全依据反射板中的网格信息来生成。倘若反射板有些弄脏或者磨损，光电鼠标便无法判断光标的位置所在；倘若反射板不慎被严重损坏或遗失，那么整个鼠标便就此报废。其次，光电鼠标使用非常不人性化，它的移动方向必须与反射板上的网格纹理相垂直，用户不可能快速地将光标直接从屏幕的左上角移动到右下角。第三，光电鼠标的造价颇为高昂。由于存在大量的弊端，这种光电鼠标并未得到流行，充其量也只是在少数专业作图场合中得到一定程度的应用，但随着光机鼠标的全面流行，这种光电鼠标很快就被市场所淘汰。虽然第一代光电鼠标在市场中惨遭失败，但全数字的工作方式、无机械结构以及高精度的优点让业界仍然为之瞩目。如果能够克服其先天缺陷必可将其优点发扬光大，制造出集高精度、高可靠性和耐用性的产品在技术上完全可行。49计算机组成原理1999年，微软推出一款“IntelliMouseExplorer”的第二代光电鼠标，这款鼠标所采用的是微软与安捷伦合作开发的IntelliEye光学引擎。光学引擎（OpticalEngine）是光学鼠标的核心部件，它的作用就好比是人的眼睛，不断地摄取所见到的图像并进行分析。光学引擎由CMOS图像感应器和光学定位DSP（数字信号处理器）所组成，前者负责图像的收集并将其同步为二进制的数字图像矩阵，而DSP则负责相邻图像矩阵的分析比较，并据此计算出鼠标的位置偏移。光学鼠标主要有分辨率和刷新频率两项指标，二者均是由CMOS感应器所决定。第二代光学鼠标的结构与上述所有产品都有很大的差异，它的底部没有滚轮，也不需要借助反射板来实现定位，其核心部件是发光二极管、微型摄像头、光学引擎和控制芯片。工作时发光二极管发射光线照亮鼠标底部的表面，同时微型摄像头以一定的时间间隔不断进行图像拍摄。鼠标在移动过程中产生的不同图像传送给光学引擎进行数字化处理，最后再由光学引擎中的定位DSP芯片对所产生的图像数字矩阵进行分析。由于相邻的两幅图像总会存在相同的特征，通过对比这些特征点的位置变化信息，便可以判断出鼠标的移动方向与距离，这个分析结果最终被转换为坐标偏移量实现光标的定位。50计算机组成原理鼠标内部发光二极管，主要用于照明，以便使微型摄像头拍摄到鼠标底部画面，进而传送到光学处理芯片。第二代光学鼠标的各项指标达到了设计初衷。它既保留了光电鼠标的高精度、无机械结构等优点，又具有高可靠性和耐用性，并且使用过程中勿须清洁亦可保持良好的工作状态，在诞生之后迅速引起业界瞩目。51计算机组成原理8.2.3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。按触摸原理的不同，大致可分为电阻式、电容式、表面超声波式、扫描红外线式和压感式五类。电阻式触摸屏是由显示屏上加一个两层高透明度的并涂有导电物质的薄膜组成。在两层薄膜之间绝缘隔开，其间隙为0．0001英寸，如图8-28所示。当用户触摸塑料薄膜片时，涂有金属导电物质的第一层塑料片与挨着玻璃罩上的第二层塑料片（也涂有金属导电物）接触，这样根据其接触电阻的大小求得触摸点所在的x和y坐标位置。52计算机组成原理图8-28电阻式触摸屏原理1-玻璃罩；2、3-金属涂层；4-柔软塑料片；5-绝缘支点53计算机组成原理8.3辅助存储器辅助存储器用于存放当前不需要立即使用的信息，一旦需要，则与主存成批地交换数据。它作为主存的后备和补充，是主机的外部设备，因此又称为外存储器、后备存储器、二级存储器等。辅助存储器既可看作是输入设备，也可看作是输出设备。辅助存储器的特点是容量大，成本低，通常在断电后仍然保存信息，是“非易失性”存储器，其中大部分存储介质还能脱机保留信息。54计算机组成原理8.3.1辅助存储器的种类与技术指标一．辅助存储器的种类辅助存储器主要分为磁表面存储器和光存储器两大类。磁表面存储器是将磁性材料沉积在载磁基体上形成记录介质，而以磁头与记录介质的相对运动来写入（磁头线圈加入一定方向的电流波形）或读取信息。现代计算机系统中使用的磁表面存储器又有数字式磁记录和模拟式磁记录两种。数字式磁记录主要有硬盘、软盘和磁带、磁卡及磁鼓等，目前常用的是硬盘和磁带。模拟磁记录是指录音和录象设备，过去多用于家电设备。随着多媒体技术的发展，在多媒体计算机中，录音机与录像机已经成为计算机的新配置。磁表面存储器是历史最久，应用最广的辅助存储器，它存储一位二进制信息价格（称为位价格）最低。光存储器在计算机中使用的主要是光盘。它是利用激光束在具有感光特性材料的表面上存储信息。按照性能和用途的不同，常用的有只读型光盘，只写一次型光盘，可读写光盘三种类型。55计算机组成原理二．技术指标1．存储密度存储密度是指单位长度或单位面积的磁层表面所能存储的二进制信息量。对于磁盘存储器，可用道密度和位密度表示，也可用二者的乘积，即面密度表示。对于磁带存储器，一般用位密度表示。磁道是指磁头写入磁场在介质表面上形成的磁化“轨迹”。以磁盘为例，由于磁盘旋转，而磁头可处在不同的半径上，于是在磁盘表面上形成了许多相隔一定距离的同心圆，每个同心圆称为一条磁道。沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数称为道密度。道密度的单位是道/in，通常用英文TPI（TRACKPERINCH）表示，或者是道/毫米，用TPMM（TRACKPERMILLIMETRE）表示。56计算机组成原理磁道所占有的宽度称为道宽。其宽度取决于磁头的工作间隙长度和磁头与载磁体之间的定位精度等。为记录信息可靠，磁道与磁道之间需保持一定距离，相邻两条磁道中心线之间的距离称为道距。道密度Dt与道距P的关系为：磁道的单位长度所能记录二进制信息的位数称为位密度或线密度。单位是位/英寸，通常用bpi（BITPERINCH）表示，或位/毫米，通常用bpmm（BITSPERMILLIMETRE）表示。磁带存储器主要用位密度来衡量，例如，800bpi、1600bpi和6250bpi等是常用的三种磁带存储器。57计算机组成原理2．存储容量磁表面存储器的存储容量，即为它所能存储的二进制信息总量，一般以字节表示。磁盘存储器有格式化容量和非格式化容量两个指标。格式化容量指按某种特定的记录模式所能存储信息的总量，它是用户真正可使用的容量；非格式化容量指磁记录表面全部可利用的磁化单元总数。新磁盘在使用之前必须先进行格式化操作，然后才能记录信息及读取操作等。显然，格式化的容量比非格式化容量要小，一般格式化容量相当于非格式化容量的70%左右。58计算机组成原理3．寻址时间磁表面存储器的寻址时间，指磁头从起始位置移动到要求读写的位置所经历的全部时间。磁带存储器是顺序序取方式，不必寻找磁道，但需要考虑磁头寻找记录区的等待时间。这个等待时间指磁带空转到要求访问的记录区所经历的时间，每次访问的等待时间随磁头的起始位置不同而不同。磁盘存储器是直接存取方式，寻址时间包括两部分：一部分是磁头寻找目标磁道所需的找道时间ts；另一部分是磁头从目的道等待需要访问的区段（扇区）恰好旋转到它的正下方所经历的等待时间tw。由于磁头与目的道的相对起始位置不同，因而每次寻找磁道所需的时间也不同；同理，磁头在目的道上等待不同区段所需的时间也不同。通常取它们的平均值作为平均寻址时间ta其中，tsa为平均找道时间，twa为平均等待时间，tsmax为最大找道时间，tsmin为最小找道时间，twmax为最大等待时间，twmin为最小等待时间。平均寻址时间是磁盘存储器的一个重要指标。硬磁盘存储器比软磁盘存储器速度快很多，主要原因是硬磁盘存储器的平均寻址时间比软磁盘的平均寻址时间要短得多。59计算机组成原理4．数据传输率数据传输率Dr指磁表面存储器在单位时间内能向主机传送数据的二进制位数或字节数。数据传输率与存储设备及主机的接口逻辑有着密切关系。对于存储设备，数据传输率与记录密度D和记录介质的运动速度V成正比，即 Dr∝DV（∝为正比符号）它等于在单位时间内从记录表面所读、写的信息量。对于主机接口逻辑，应确保有足够快的传送速度并正确无误地实现主机与辅存之间接收或发送信息。60计算机组成原理5．误码率误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数，它指的是从辅存读出时出错的信息位数与所读出的总信息位数之比。6．价格就设备整体而言，辅助存储器的价格要比主存储器的价格高，但通常用位价格来衡量各种存储器的价格指标。位价格是把设备价格除以存储容量。61计算机组成原理8.3.2磁记录原理磁记录原理是利用磁性材料在不同方向的磁场作用下，具有两种剩磁状态（+Br和-Br）来记录信息的。62计算机组成原理一．磁表面存储器的主要读写元件1．记录介质（磁层）将磁性材料涂敷在金属合金（硬质载体）或塑料（松质载体）的基体上，形成厚度1-5μm的磁层。这种可用来记录信息的磁层被称为记录介质或信息载体。可用作形成磁层的磁性材料如氧化铁和镍钴合金等。如将三氧化铁的粉末用树脂粘合后，涂敷在盘状的轻铝合金基体上，就制成磁盘，而涂敷在聚酯塑料带上，就制成磁带；用电镀方法将镍钴合金电镀到抛光铝（通常外嵌铜配套）的圆柱面上，就制成磁鼓等。从使用的观点出发，希望磁层记录信息的密度愈高愈好，为此，信/杂比愈大愈好。对磁层的电磁性能及物理特性都应有较严格的要求。如要读出信号幅度增大，就要求磁性材料有较大的剩磁Br，但其值也不能过大，否则将使记录密度下降；如要求磁化状态稳定可靠，则要求磁层具有较大的矫顽力HC，否则抗干扰能力低；为提高记录密度，要求磁层的厚度较薄，然而磁层也不能太薄，否则会降低磁通量的变化△Φ，从而使读出信号幅度减少；要求磁层表面光滑均匀，机械附着性好等等。63计算机组成原理2．读写记录的元件（磁头）磁头是对磁层进行信息读写的元件。制作磁头的铁芯常用片状的坡莫合金叠合而成，或用高频特性较好的铁淦氧材料。铁芯的形状为圆形或马蹄形。铁芯中的间隙用非磁性材料，如玻璃、黄铜片等来填充。此间隙称为磁头缝隙或头隙。磁头的结构如图8-29所示。磁头的技术关键之一是头隙的形状和尺寸，因为它直接关系到磁层的记录密度和读出的信号幅度。磁头可分为写磁头，读磁头及复合磁头块三种。写磁头是从磁圈通入写电流，使磁头中产生磁力线，通过头隙对磁层进行磁化，即写入信息。读磁头是磁层上的磁化单元移动到读磁头的正下方而形成磁通回路，由于磁通的变化，在读出线圈的两端产生感应电势，即为读出信息。复合磁头块是用一个磁头，一组线圈，经读写开关切换而作为读磁头及写磁头使用。64计算机组成原理图8-29磁头结构简图65计算机组成原理二．磁表面的读/写过程1．写入过程磁层的写入过程如图8-30所示。为了解释清楚，又分为静态写入和动态写入两种情况。静态写入指的是在静止状态下的磁层上，存储（记录）一位二进制代码的过程。磁层的初始状态可以是退磁状态（B=0），或者是反向磁化状态（－BM）。图8-30中的（a）、（b）表示磁层初始为退磁状态。当向写入磁头线圈加入正向电流脉冲时，磁头中便产生逆时针磁力线，头隙的边缘磁通将将其正对准的一小段磁层进行磁化，形成磁通回路，进入磁层的一端为S极，出磁层的一端为N极。已被磁化的磁层小段一般用+Br表示磁层的磁化强度它的方向是由S指向N，即由左指向右。当向写入磁头线圈加入负向电流脉冲时，同样道理也用对准头隙的磁层小段磁化，一般用-Br表示磁层的磁化强度，它的方向则是由右指向左。图8-30的（c）、（d）分别表示静态写入一位代码的磁化单元长度。其中△X称为转变区，它表示磁化状态翻转所需要的磁层间距。△X值的大小主要与磁层的磁滞回线垂直边的倾斜相关（磁滞回线已在物理学中学过），垂直边愈陡，△X值愈小。66计算机组成原理图8-30磁层静态写入(a)加正脉冲；(b)加负脉冲；(c)正磁化单元；(d)负磁化单元67计算机组成原理静态写入只是为了说明其原理，实际使用中的磁表面存储器，磁层总是运动的，在这种情况下，写入电流可以是窄脉冲，也可以是开关状态的稳态电流，遍常将这样的写入过程叫做动态写入，如图8-31所示。图中画出磁层向左运动时，在磁头中加入开关电流，磁层向左运动时已经加了一段时间的负电流。即有-Br区存在。在T=0时，电流由负翻转为正，产生一个+Br的位单元。当磁层向左移动时刻，电流仍保持为正，尽管S极也向左移动，但由于磁场依然存在，所以N极相对磁头保持不动，位单元的长度Xb1取决于电流的维持时间。假如在某一时刻

（由于磁层是匀速运动，故V为常数），电流由正翻转为负，这就产生另一个位单元－Br。在负电流维持期内，S极相对于磁头也保持不动。用Xb2表示此位单元长度。在这种开关电流的作用下，磁化极性相反的两个相邻位单元公用一个转变区N。这就意味着位单元长度Xb1的定义应加以修改，即

，把L作为位单元长度。L的长短取决于电流的跳变时间t1，磁层运转速度V和磁头缝隙尺寸等因素。68计算机组成原理图8-31磁层动态写入69计算机组成原理2．读出过程当磁层被写入（磁化）之后，每个位单元一直保持在＋Br或者－Br的剩磁状态，由于空气的磁阻很大，只有极少量的磁力线分布在位单元附近。当磁层中的某一位单元恰好运动到读磁大缝隙的正下方时，由于磁头铁芯的磁阻远比空气的小，所以就使磁头中流过的磁通有很大的变化，于是在读出线圈的两端势必产生感应电压，即读出的位单元信号。位单元的读出波形见图8-32。假定某个位单元已经磁化为（写入为）＋Br，磁层向左运动进行读出，在t0时刻，S极刚好对准读头缝隙，在磁头铁芯中产生磁通增量Δφ，于是在线圈两端产生感应电压70计算机组成原理磁层继续向左移动，在磁化单元长度内，磁通量一直维持不变，即磁通增量为零，于是无感应电压。到t1时刻，N极离开读头缝隙，使磁头铁芯中的磁通从有到无，又产生磁通量变化Δφ，于是在线圈两端出现极性相反的感应电压。由图8-32可见，一个位单元的读出信号出现两个不同极性的波形，只需取其中一个作为数据信号。选取有效读出信号的方法是加选通定时脉冲。从上述的读/写过程可归纳出磁表面存储器的一些特点：①非破性读出，不需要＂再生＂；②记录的信息可长期保存和重复读出使用，断电后不丢失信息，可脱机存放；③写入或读出是在记录介质运动过程中进行的，记录的位单元不易区分，需要比较复杂的定时、寻址系统；④存取方式有顺序式的，如磁带存储器；有直接式的，如磁盘存储器。71计算机组成原理8.3.3编码方式为了提高磁表面存储器的性能，扩大其存储容量，加快存取速度，除了研究和分析磁记录的物理过程及记录介质与磁头的性能、结构外，还要研究磁记录方式对提高记录密度及可靠性的影响。磁记录方式就是编码的方法。在实际应用中，是指按照某种规律将一连串的二进制数码信息转换为磁层的相应的磁化形式，这种转变过程是由一套相应的读写控制电路产生一连串的电波形而实现的。编码方式的种类有很多，这里只介绍常用的几种，如图8-33所示。72计算机组成原理图8-33常见的编码方式73计算机组成原理1．归零制（RZ）在给磁头线圈送入的一串脉冲电流中，假定正脉冲代表1，负脉冲代表0，从而使磁层在记录1时从未磁化状态翻转到某一方向的饱和磁化状态；在记录0时从未磁化状态翻转到另一方向的饱和磁化状态。在两位代码信息之间，线圈中的电流为零，这就是归零制的含义。2．不归零制（NRZ）在记录信息时，磁头线圈中不是有正向电流就是有反向电流，而不存在没有电流的状态，这种电流总不为零的记录方式称为不归零制。它的特点是，磁层要么正向饱和磁化，要么反向饱和磁化，对连续记录的1或0，写电流不改变方向。由此看来，这种记录方式比归零制减少了磁化翻转的次数。3．不归零—1制（NRZ1）它也是一种不归零制，即在记录信息时，磁头线圈中始终有电流通过。和上述的不归零制的显著不同之处是，流过磁头的电流只是记录1时改变方向，使磁层磁化方禹翻转；在记录0，时电流方向不改变，磁层保持原来的磁化方向。它的特点是，见1就翻转，否则不变，所以又称为＂见1就翻的不归零制＂。74计算机组成原理4．调相制（PM）调相制也叫做相位编码（PE），这种方式是利用两个相位相差180°的磁化翻转方向表示代码信息0和1的。即可假定磁化翻转的方向由正变为负，表示记录信息1；而磁化翻转方向由负变为正，则表示记录信息0。当连结记录两个或两个以上的1或0时，在位周期起始处也需翻转一次，以维持调相制的规则。5．调频制（FM）调频制记录方式在记录1时，不仅在位周期的中心部分发生磁化翻转，而且在位与位之间也发生磁化翻转。在记录0时，在位周期中心不发生磁化翻转，但在位与位之间的边界处要翻转一次，这种记录方式在记录信息1时，其磁化翻转的频率是记录信息0时的两倍，所以又称为倍频制。6．改进的调频制（MFM）这种记录方式基本上与调频制一样，即记录信息1时，在位周期中心磁化翻转一次；在记录信息0时，不磁化翻转。与调频制不同之处在于，只有连续记录两个或两个以上的0时，才在位周期的起始处翻转一次，而并非在每一个位周期的起始位置都要翻转。75计算机组成原理各种磁记录方式都有其自己的特点和性能，通常以编码效率和自同步能力等来评定记录方式的优劣。自同步能力指的是，从单个磁道读出的脉冲序列中提取同步时钟脉冲的难易程度。在从磁表面存储器读出信号时，为了分离出有效数据信息，必须增设时间基准信号，即时钟信号，也称为同步信号。同步信号的取得，可通过设置专用磁道来产生，这种方法叫做外同步。对于高密度的记录系统，最好能够直接从磁记录读出的信号中取提同步信号，这种方法叫做内同步。所谓某种记录方式（编码方法）具有自同步能力，指的就是能从读出的数据信息（脉冲序列）中提取同步信号。自同步能力的强弱可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。R值愈大，表示自同步能力愈强。前述的几种磁记录方式，其中的NRZ制、NRZ1制都不具备自同步能力；而PM制、FM制、MFM制都具有自同步能力。以FM记录方式为例，它的最大磁化翻转间隔是位周期T，它的最小磁化翻转间隔是0.5T，即RFM＝0.5。76计算机组成原理编码效率指的是位密度与最大磁化翻转密度之比，用η来表示，即编码效率高指的是每次磁层状态翻转所能记录数据信息的位数多。如FM、PM记录方式中，记录一位数据信息的最大磁化翻转次数为2，就是说其编码效率为50％，而MF、MNRZ1、NRZ三种记录方式，由于它们记录一位数据信息的磁人翻转次数最多是一次，所以它们的编码效率为100％。除自同步能力和编码效率之外，还要分析检读分辨力（磁记录系统对读出信号的分辨能力）、信息的相关性（漏读或错读一位是否能传播误码及信道带宽）、抗干扰能力、编码和译码电路的复杂程度等。这些都对记录方式的评价有一定影响。77计算机组成原理近些年发展的高密度磁盘主要选用RLL码（RLLC－RunLengthLimitedCode）——游程长度受限码，它是一种研究码制变换，增强编码抗干扰能力的方法。RLL编码的实质是将原始数据信息序列变换为0、1受限制的记录序列，其编码规则为：先将输入信息序列变换为0游程长度受限码，其含义是任何两位相邻1之间0的最大位数K和最小位数d均受到限制，然后再用见1就翻的不归零制（NRZ1）方式进行调整和写入，此种编码方式具有自同步能力，它已广泛地用于各种尺寸的软磁盘及硬磁盘中。本节只以调频制（FM）为例，说明记录方式的实现。调频制的写入规则可概括为两点：①在位周期的中心写数据信息，如写1，则有写脉冲；如写0，则无写脉冲。②在位周期的前边界处写时钟脉冲。78计算机组成原理8.3.4磁盘存储器磁盘存储是计算机系统中最主要的辅助存储器，分为硬磁盘存储器和软磁盘存储器两类。79计算机组成原理一．硬磁盘存储器硬磁盘存储器一直是计算机系统中的大容量辅助存储器。IBM公司于1956年率先研制出第一台商品化的磁盘。在此后，特别是七十年代以来，磁盘在结构、性能、品种等各方面都有了很大的发展。目前，磁盘机已普遍地应用于包括微型机在内的各种规模及类型的计算机系统中。80计算机组成原理1．硬磁盘存储器的类型及基本结构硬磁盘存储器的含义，主要体现在记录信息介质（磁胶）涂敷在硬质（镁铝合金）的圆形盘片上。按照盘片结构和磁头安装形式，磁盘存储器可分为几种类型。（1）磁盘存储器的类型①固定磁头固定盘片的磁盘存储器②固定磁头可换盘片的磁盘存储器③可移动磁头固定盘片的磁盘存储器④可移动磁头可换盘片的磁盘存储器81计算机组成原理温彻斯特磁盘，它属于第3种类型，即磁头可移动而盘片固定。温彻斯特磁盘是一种技术，它是由美国IBM公司在加州坎贝尔市温彻斯特大街的研究所研制的，这种技术于1973年首次应用于IBM3340硬磁盘存储器中。温彻斯特技术是随着磁盘的高密度、高容量的要求而发展的。温盘的主要特点是，将磁头、盘片、电机等驱动部件甚至连读写电路等统统制成一个不可随意拆卸的整体，以形成一种密封头盘组合式的硬磁盘存储器。它的防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求较低。而其它硬盘对环境要求很高，维护相当困难。82计算机组成原理（2）磁盘存储器的基本结构通常，磁盘存储器（磁盘机）由存储体（磁盘组）、读写磁头、定位存取机构及传动系统等几部分组成。又将它们的整体称为磁盘驱动器。①盘片与盘组结构硬盘片由轻铝合金制成厚度为2mm的圆形盘片基体，它的表面涂敷一薄层（厚为1－3μm）磁胶作为记录介质。硬盘片以14in（355.6mm）为例，说明其磁道分布情况，见图8-35。每个盘面允许有200个闭合环形磁道，分布在宽度为2in（5cm）的有效区域内，0道在最外，末道在最内。每个磁道的宽度为135μm，磁道与磁道之间有245μm的间隔。通常，为了记录信息的有效磁道区域的磁化强度大，保证读出的信号/噪音比大，一般在读/写头写入后，紧跟一个跨立磁道两侧的隧道（夹缝）式清除头，将磁道两侧抹去约37.5μm的磁化域，使余下的中间部分135μm为有效道宽。既减弱了磁道的边缘效应，又降低了磁道之间的干扰。83计算机组成原理图8-35磁盘上的磁道分布84计算机组成原理由于靠近磁盘中心的线速度比较慢，于是必须补偿速率的变动，使磁头能以同样的速度读所有的位。一种办法是通过增大信息位的间隔来实现，这个以恒定角速度（constantangularvelocity，CAV）旋转的盘，能使磁盘以相同的速率来扫描所有信息位，采用这个方法的好处是，能以磁道号和扇区号来直接寻址数据块，即磁道号和和扇区号寻址比较方便，且控制电路较简单。而缺点是，外圈磁道上存储的数据与内圈磁道上存储的数据一样多，也就是说外圈的数据位密度低于内圈的数据位密度，这样就产生了资源浪费。早期的磁盘系统采用此种办法。而当今的磁盘系统为了提高密度，提升磁盘存储容量，使用另一个方法——使用多带式记录（multiplezonerecording）技术，它将盘面划分成几个带，带中个磁道的位数是恒定的，远离中心的带要比靠近中心的带容纳更多的位（或更多扇区）。当然磁道由不同的带移动到另外一个带时，位长度的改变引起读写时序需做相应变动，这就需要更为复杂的电路进行控制。85计算机组成原理单片磁盘的容量毕竟有限，为了增大存储容量，可用多个盘片组成磁盘组。磁盘组的结构之一，如图8-36所示。一般磁盘组是由2片，3片，5片，6片，8片，11片，12片组成的。把它们作为一组固定在同一根主轴上。相邻盘片之间留有：10－20mm的空隙，以便悬臂磁头平行移动。如果磁盘的两面都存储信息，称双面盘；只用一面存储信息，称单面盘。图8-36示出的硬磁盘组中，其顶部和底部两个盘面是不存储信息的，它们仅作为保护面。那么这个5片盘组成的磁盘组，最多有8个盘面可用来存储信息。86计算机组成原理图8-36磁盘机结构87计算机组成原理②磁头磁头一般是由高导磁率的坡莫合金多片粘合绕上读写线圈封装而成，磁头安装在读写臂上，每一个盘面配置一个磁头（当然也有其它种安装配置形式）。③定位、存取机构定位存取机构由读写臂、小滑架和音圈电机组成。磁头安装在读写臂上，每两片磁盘之间都配置一个读写臂，安有上、下两个磁头，分别与上、下两个盘面相贴近。所有读写臂连在一起外形像梳子，故又称为梳状读写臂。在音圈电机带动下，小滑架可前后平行地移动位置，以便磁头沿径向移动而找到目的磁道。当盘面作高速旋转时，依靠盘面的高速气流所产生的气动浮力使得磁头略微离开盘面，形成微小气隙，类似浮动式磁头。④传动机构传动机构包括心轴和皮带轮，小电动机通过皮带，带动皮带轮高速旋转，皮带轮又通过心轴（主轴）带动磁盘组作高速旋转运动。88计算机组成原理2．磁盘存储器的主要技术指标（1）记录密度记录密度是反映磁盘存储器容量的重要指标，一般用磁道密度和位密度两个数值来表示。道密度是盘面的径向密度，位密度是磁道上存储信息的密度。（2）存储容量一般磁盘存储器的非格式存储容量可用下式表示：

C=NKS式中C为非格式化存储容量；N为存储信息的盘面数；K为每个盘面的磁道数；S为每个磁道能存储的二制制位数。一般磁盘存储器的格式化容量可以用下式表示：

F=BSTM式中F为格式化存储容量；B为一个扇段内数据块字节数；S为每道扇段数；T为每面上磁道数；M为记录面数。89计算机组成原理（3）平均访问磁盘时间平均访问磁盘时间包括寻找磁道时间（根据盘面的磁道地址寻找目的磁道所需的时间）、等待时间（根据扇区（区段）号，等待目的扇区旋转到读写磁头正下方所需的时间）和传送时间（对盘面读/写信息实际所需的时间）。一般磁盘机的转速为3600转/分，5400转/分和7200转/分，转一周的时间相应的约为17ms，11ms和8ms。所以平均等待时间相应为8.5ms，5.5ms和4ms。平均寻找磁道时间一般为几十毫秒，传送时间才几个微秒。（4）数据传输速率数据传输率一般是指在一秒钟内写入或读出二进制信息位的个数，通常用比特率来描述。磁盘内部的最大数据传输率为磁道容量和主轴转速的乘积。主轴的转速是影响磁盘内部的数据传输率的主要因素，也是区别硬盘档次的重要标志。当今主流硬盘的转速多为5400转/分（rpm）、7200转/分、10000转/分。90计算机组成原理例8-1：磁盘组有8个盘片（顶部、底部的两个面为保护面），存储区域的内径20厘米，外径30厘米，道密度1000道/厘米，内圈位密度30000位/厘米，转速为5400转/分，请问：1）共有几个存储面？2）每个盘面上有多少条磁道？3）磁盘总容量是多少？4）数据传输率是多少？解：1）2×8－2＝14，共有14个存储面2）1000×（30－20）/2＝5000，每个盘面上有5000条磁道3）30000×3.14×20×5000×14＝131880000000位≈15.353GB4）30000×3.14×20×5400＝10173600000位/分≈20.213MB/S91计算机组成原理3．磁盘的信息分布与基本操作（1）磁盘的信息分布如前所述，磁盘组是由若干盘片组成的。每片可单面记录信息，一般常用的为双面记录信息。在有效记录区域内，分布着间隔相等的若干同心闭合环，即磁道。磁道分成若干长度相等的段，称为扇区。扇区的个数依据磁盘及记录方式等也不尽相同，如一个磁道可分成8，9，12，16等扇区。如图8-37（a）所示。磁盘组的所有记录面上相同序号的磁道分别构成各自的圆柱面，如图8-37（b）所示。因为每个盘面的磁头是安装在梳状读写臂上，所以在寻址过程中，当完成径向移动使磁头定位后，各盘面上的磁头都指向序号相同的磁道，即找到了指定圆柱面。然后再通过译码电路选中某一个磁头所对应的磁道。如果该磁道信息已满，再经电路转换到另一个磁头对应的相同序号的磁道上。这种将磁盘文件按照同一柱面和相邻圆柱面的次序来分布信息，其寻址时间将大为减少。假如将文件放在同一个盘面上，按照磁道次序来分布信息，那就必须每访问一个磁道重新进行一次机械定位。于是，文件的存取时间势必加长。92计算机组成原理图8-37磁盘的扇区和圆柱面(a)扇区；(b)圆柱面93计算机组成原理（2）磁盘的编址方式磁盘的编址方式与数据记录格式有关。在定长度记录的数据块中，以可移动磁头磁盘存储器的编址方式为例。如果计算机系统配有几台磁盘，在编址时，首先给出台号以选中哪一个磁盘组；再寻找数据块在哪个圆柱面上，即选择目的磁道号；接着找目的道在哪个磁盘面上，即找磁头号；最后再寻找数据块在指定盘面上的哪个扇区。由此可见，寻址过程包括四个寻址部分。其地址信息如表8-1所示。台号圆柱面号(磁道号)盘面号(磁头号)扇区号表8-1磁盘的地址信息94计算机组成原理（3）磁盘的基本操作使用磁盘存储器，可用高级语言或操作系统提供的命令来调用磁盘，并由操作系统的服务程序将宏指令信息转变为磁盘控制器执行的一组命令。尽管不同的计算机系统其操作细节有所差异，但是，对于磁盘系统，其基本操作命令是类似的。①调用磁盘主机以控制字的方式向磁盘发送启动命令。同时判断磁盘的当前状态是＂忙＂还是＂完成＂。②寻址按照主机发送的地址字，寻找指定的圆柱面（磁道）盘面（磁头）和扇区。寻找圆柱面由磁头定位机构完成。指定被访问的磁道称为目的道号，目的道号由主机给定。当前磁头所在的磁道称为现行磁道。寻找目的磁道的方法如下：95计算机组成原理a、不论磁头的现行磁道在什么位置，先将磁头回到起始位置，如0＃磁道。然后由小到大按序号寻找，直到找到指定的目的磁道为止。这是一种＂再定标＂方式。b、将现行磁道号与目的磁道号进行逻辑比较。若两者符合，则后者就是指定的目的磁道；若两者不符合，则有两种情况：一种是当目的磁道号大于现行磁道号时，读写臂向着磁道号增大的方向移动；另一种是当目的磁道号小于现行磁道号时，读写臂就向着磁道号减小的方向移动。这种方法的主要问题是如何识别磁头的现行道号。通常有两种方法解决这个问题，一种方法是利用磁道计数器，从找道起始位置开始将计数器清零，然后从0＃磁道开始计数，每经过一个磁道，计数器自动加1，这样，计数器的计数值就代表当时的现行道号；另一种方法是利用专用盘面记录磁道序号，通过专用磁头读取现行道号。查找磁头号，即确定盘面号是通过电子译码线路实现的。其速度要比寻找圆柱面快很多，查找圆柱面时间在几址毫秒左右，而查找盘面号只是毫微秒数量级内。查找扇区的时间则取决于盘面旋转速度，对指定磁道上的某一扇区，最多旋转一周，最少旋转为零即可找到，因此取平均旋转时间。96计算机组成原理总之，磁盘寻址时间包括定位时间，磁头译码时间和平均旋转等待时间。③读操作根据主机给出的控制字进行读操作，当寻址完成后，即将指定数据块的信息读出送至主存储器中。④写操作根据主机给出的控制字进行写操作，当寻址完成后，即将主存的信息写入磁盘指定的数据块中。磁盘的读、写操作都以DMA方式进行，以实现快速、批量数据的传送。97计算机组成原理（4）定长度和不定长度的数据块格式数据格式指的是在一个磁道内数据记录的组织形式。诸如寻址信息、有效数据、记录间隙等。主要分为两种类型的数据块格式：一种是定长度数据块格式，这种数据块格式是以扇区作为固定长度数据块的存储区。这种格式的特点是结构简单，可按寻址信息（圆柱面号、盘面号和扇区号）进行直接寻址，缺点是记录区利用率不高。另一种是不定长度数据块格式，这种格式的数据块长度是变化的，它的寻址信息和校验信息较为复杂，目的是为了更充分地利用存储空间。这种格式的特点是提高可靠性和灵活性，但其逻辑线路相对复杂。98计算机组成原理4．磁盘控制器和磁盘驱动器磁盘控制器是介于主机与磁盘（包括驱动器）之间的接口部件。它一方面用来接受主机的各种命令，另一方面沟通了主机与磁盘之间的数据交换。在接受主机各种命令方面，磁盘控制器内设有道地址寄存器、扇区地址寄存器，用以指明欲交换的数据在盘面上的位置。还设有命令寄存器，用来接受主机的命令，如读命令、写命令、对磁头加载、撤载等，并可将这些命令传递至磁盘驱动器。在实现数据传送方面，磁盘控制器内设有数据移位寄存器，它既可将主机送来的并行数据转换成串行数据，写入磁盘中；又可将磁盘的串行数据转换成并行数据，提供给主机。磁盘驱动器原理逻辑框图，如图8-38所示。99计算机组成原理图8-38磁盘驱动器逻辑框图100计算机组成原理磁盘驱动器主要包括三大部分：①读/写磁头与磁头定位伺服系统。②写入电路与读出电路。③寻址部分，包括找道电路、柱面地址寄存器、差值计数器、磁头选择电路等。圆柱面地址寄存器用来接受被访问的新圆柱面地址，同时还向磁盘控制器回送当前磁头所处的柱面地址，再将两者的差值送入差值计数器，以确定磁头应该移动的磁道数目。在找到电路的控制下沿盘面径向前进或后退，找到目的磁道后磁头即定位，然后经磁头地址来选择被指定柱面上的某一磁头（盘面），最后根据读/写命令与主机交换信息。101计算机组成原理二．软磁盘存储器软磁盘存储器与硬磁盘存储器的存储原理和记录方式完全相同，但它们的结构有所差别：硬盘有固定磁头，固定盘片，磁盘组等结构，软盘是活动头，可换盘片结构；硬盘是浮动磁头读写，磁头与盘片间有气息，软盘磁头是接触式读写；硬盘片大部分不能互换，软盘具有互换性；硬盘转速高，软盘转速低，存取速度慢；硬盘对环境要求高，软盘对环境要求低。软盘由于造价低、盘片易于保护和携带，使用灵活，所以它曾在微、小型计算机系统中得到了非常广泛地应用；由于近年来flashMemory在可移动存储设备中的应用，已经完全取代了软磁盘在可移动存储设备中的地位，软磁盘已经彻底推出了历史舞台。本书不再对其进行详细阐述。102计算机组成原理8.3.5RAID（冗余磁盘陈列）一．概述辅存性能的改进速度比处理器和主存的性能的改进要慢得多。这种不匹配也许使磁盘存储系统成为改进整个计算机系统性能焦点的所在。磁盘存储器设计认识到：如果一种元件只有一点进步，那么，并行使用多个元件会获得意外的性能。这种思想导致开发了独立操作和并行处理的磁盘陈列。对于多盘，只要请求的数据驻留在分离的盘上，则分立的I/O请求可并行处理。而且，如果存取的数据块分布在多个盘上，则单个I/O请求也能够并行处理。103计算机组成原理随着多盘的使用，出现了各种用多盘组织数据和增加数据冗余来提高其可靠性能的方法。然后它遇到了在多个操作平台和操作系统下开发的数据库无法使用的困难。所幸的是对多盘数据库的设计，工业上通过了一个称为RAID（冗余磁盘陈列）的标准方案。RAID方案分为6级（0～

5级），但这些级别不是简单地表示层次关系，而是表示具有下列3个共同特性的不同设计结构。①RAID是一组物理磁盘驱动器，在操作系统下被视为一个单逻辑驱动器。②数据分布在一组物理磁盘上。③冗余磁盘容量用于存储奇偶校验信息，保证磁盘万一损坏时能恢复数据。②、③特性的详细内容在不同的RAID级中是不同的，RAID0不支持第3个特性。104计算机组成原理术语RAID最早出现在一篇由加州大学伯克利分校的研究小组撰写的论文中，此论文阐述了各种RAID的配置和应用，并介绍了现在仍使用的RAID级的定义。RAID提出要缩小处理器和相对较慢的机电磁盘驱动器之间日益增大的速度差距，其策略是用多个小容量磁盘代替一个大容量的磁盘，这种分布数据的方法能够同时从多个磁盘中存取数据，因而改善了I/O性能，增加了容量。RAID方案的独特贡献是需要冗余数据时可有效寻址。尽管允许多个磁头和动臂机构同时操作，以达到较高的I/O和传输速度，但多个设备的使用增加了出错概率。为了对这种可靠性的降低进行补偿，RAID使用存储的奇偶校验信息来恢复由于磁盘损坏而丢失的数据。现在讨论RAID中的每一级，表8-2对6级进行了小结。其中，2，4级没有向商业应用公布，也不大可能为工业界所接受。不过描述他们对其他级的设计选择有帮助。图8-39表示一个支持4个无冗余磁盘数据容量的6级RAID方案。此图突出了用户数据和冗余数据的分布，并指出不同级响应的存储容量需求。这张图将贯穿下面讨论的整个过程。105计算机组成原理表8-2RAID种类级描述I/O请求速度（读/写）数据传输率（读/写）典型应用条区

0无冗余大条区：优秀小条区：优秀高性能，用于非关键性数据镜像1

镜像良好/一般一般/一般并行处理2数据冗余用于海明码差优秀3交叉奇偶校验差优秀大容量的I/O请求，如图像，CAD独立存取4块交叉奇偶校验

优秀/一般一般/差

5块交叉分布奇偶校验优秀/一般一般/差高请求速度，读集中，数据查询106计算机组成原理图8-39RAID级别(a)RAID0(无冗余)；(b)RAID1(镜像)；(c)RAID2(冗余用于海明码)；(d)RAID3(位交错奇偶校验)；(e)RAID4(块级奇偶校验)；(f)RAID5(块级分布式奇偶校验)107计算机组成原理二．RAID各级性