计算机的外存与I/O设备

1. 外围设备概述

外围设备大体分为输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备、过程控制设备五大类。每一种设备,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IO接口模块和主机相连,并受主机控制。在IO接口电路中,主机和接口一侧的数据传送总是并行的。设备和接口一侧的数据传送可能是串行的,也可能是并行的。

• 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。

• 2. 外围设备(磁盘)基本组成
  (1)存储介质: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: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: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。

• 3. 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。这里给出了计算机的五大类外围设备,只是一个典型化了的计算机环境。

  外围设备：
  

2. 磁盘存储设备

磁盘、磁带属于磁表面存储器,特点是存储容量大,位价格低,记录信息永久保存,但存取速度较慢,因此在计算机系统中作为辅助大容量存储器使用。 磁盘是(半)直接存储设备，磁带是顺序存储设备, 磁盘存储器的平均等待时间通常是磁盘旋转半周所需的时间。 通常,磁盘存储器每条磁道的存储容量是相同的。

• 1. 磁记录原理
  计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储,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,甚至可以脱机存档
④非破坏性读出,读出时不需要再生信息
  • 磁表面存储器缺点
    主要是存取速度较慢,机械结构复杂,对工作环境要求较高。

• 辅助存储设备概述
  主要技术指标:
  存储密度：单位长度或单位面积上存储的二进制信息数量。
  存储容量：一台设备能存储的总信息量，一般以字节为单位。
  寻址时间：直接存取方式访问(如磁盘)，顺序存取方式访问(如磁带)。
  数据传输率：单位时间内传送数据的数量,单位bps或者Bps。
  误码率:出错信息位数与读出信息的总位数之比。
  价格:总价格和存储单位信息的平均价格。

• 磁记录原理

  • 磁表面记录设备,是在磁头和磁性材料的记录介质之间有相对运动时,通过一次电磁转换完成一次读写操作。

  • 磁头:通常由软磁材料(外界磁场的作用消失后,该磁性材料的磁性容易消失)做成。

  • 磁记录介质:在刚性或柔性载体上涂有薄磁材料的物体,记录以磁状态表示的信息。一般选用硬磁材料(外界磁场的作用消失后,该磁性材料的磁性尽量多的保留)。

  • 写操作:当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时,铁芯内就产生一定方向的磁通。
读操作:当磁头经过载磁体的磁化元时,由于磁头铁芯是良好的导磁材料,磁化元的磁力线很容易通过磁头而形成闭合磁通回路。
    原理图：
    

• 磁记录方式

  • 磁记录方式是指一种编码方法,即如何将一串二进制信息,通过读写电路变换成磁层介质中的磁化翻转序列。
  • 编码方法要求：
    更高的编码效率：
    编码效率：指记录密度与最大磁化翻转密度之比,即为记录一位信息所用的最多磁化翻转次数的倒数;
    FM、PM编码效率50%,MFM、NRZ、NRZ1编码效率100%
    更高的自同步能力：
    自同步能力：指从读出的数据信息中提取出同步时钟信号的难易程度,用最小磁化翻转间隔与最大翻转间隔的比值来衡量;
    NRZ、NR以1没有自同步能力,PM、FM、MFM有自同步能力。
    更高的读写可靠性：
    采用能检查错误,甚至自动纠正错误的措施。

• 磁盘设备组成与运行原理磁盘设备的组成

  • 磁盘驱动器：通常是一个完整独立的设备,包括作为磁记录介质使用的磁盘和驱动磁盘匀速旋转的动力与驱动部件,完成读写功能的磁头和驱动磁头沿磁盘径向方向运动和准确定位的部件,以及其它一些控制逻电路等部件。
  • 磁记录介质：单独的、可以和磁盘驱动器分开保存的硬磁盘片、磁盘组、软磁盘片等。
  • 磁盘接口电路：是插在主机总线插槽中的一块电路卡用于把磁盘驱动器与计算机主机连接为一体系统,接收主机发给磁盘的操作命令,实现数据缓冲与格式变换,处理主机与磁盘之间的其它交互作用与时间上的同步等。
    
    硬磁盘驱动结构示意图:
    

• 磁盘结构与参数

  • 磁盘结构(典型数据与磁盘容量相关)
    磁道:每个盘片每面500至2000磁道
    扇区:扇区是磁盘访问的最小单位,每个磁道32至128个扇区

    • 某些硬盘上每个磁道上的扇区数相同,位密度不同,读写信号控制复杂一些
    • 为增加容量,位密度恒定,外磁道比内磁道扇区数多一些,信息管理复杂一些

    柱面:位于同一半径的磁道集合

  • 读写磁盘数据的三个步骤所用时间
    寻道时间:将磁头移动到正确的磁道上所用时间
    旋转延迟:等待磁盘上扇区旋转到磁头下所用时间
    传输时间:真正的数据读写时间(1个或多个扇区)

  • 寻道时间：一般为8至12ms

  • 旋转延迟：
    旋转速度:3600至7200RPM
    旋转时间:16ms至8ms每转平均寻址时间8ms至4ms

  • 访问速度

    • 数据量(通常为1个扇区):1KB/扇区
    • 旋转速度:3600RPM至7200RPM
    • 存储密度:磁道上单位长度存储的位数
    • 磁盘直径:2.5至5.25in
    • 一般为:2至15MB每秒

3. 磁盘阵列技术与容错支持

• CPU性能在过去的十年中有了极大地提高,几乎是每18个月翻一番。但磁盘的性能却没能跟上。在70年代小型机磁盘的平均查找时间为50到100毫秒,现在是10毫秒左右。CPU性能和磁盘性能间的差距越来越大。

• 在提高CPU性能方面,并行处理技术已得到广泛使用。这些年来,许多人意识到,并行IVO也是一个提高磁盘性能的好办法。

• 1988年, Patterson et al. 他的一篇文章中建议用6个特定的磁盘组织来提高磁盘的性能或可用性,或两方面都同时提高。这个建议很快就被采用,并导致了一种新的IO设备的诞生,这就是RAID盘。

• 磁盘阵列技术与容错支持

  • 廉价磁盘冗余阵列(RAID)
    翻最初的称谓: Redundant Arrays of Inexpensive Disks工业界修改: Redundant arrays of Independent Disks
  • RAID原理和特点
    多个统一管理的磁盘组成磁盘阵列,数据分块交叉存储在多个磁盘上,提高读写并行性,性能好
    阵列中的一部分磁盘存放冗余信息,一旦某一磁盘失效利用冗余信息重建数据,可靠性高
    单个小盘径磁盘成本低、功耗小、性能好,磁盘阵列需要RAID卡的支持,但总体成本也不高。

• 阵列控制卡(RAID卡)
  把多个物理磁盘连接为一个逻辑磁盘,具有几兆到几十兆字节的阵列加速器(DRAM),起到缓冲作用。可以根据用户不同的需求,灵活配置为不同的使用和容错方式。

• 分析和处理主机CPU发送的读写命令,支持并发命令请求和命令排队,可以使多个命令得以并发处理,处理命令时候可以进行优化,提高性能。支持设备的快速接入和断开,提高总线的使用率和性能。

• 联机热备份与热插拔技术
  

• 磁盘阵列对容错的支持

  • 6级容错：RAID0~RAID5,其中RAID2与RAID3要求各个驱动器严格同步,不实用。
  • RAID0：数据散放,并发读写,没有容错,可靠性差闓RAID1:磁盘镜像,冗余备份,可靠性高,成本较高
  • RAID4：数据保护,对数据散放改进,增加专用的奇偶校验盘,出故障恢复数据费时。
  • RAID5：分布式数据保护,是对RAID4的改进,减少校验盘的负载,将校验位循环均匀地分布到所有的驱动器上。

4. 光盘设备组成与运行原理

• 光盘特点：
  存储密度高,容量大,非接触式读写;可靠性好,价格便宜,广泛使用。

• 光盘类型
  醒只读型光盘 Cd-rom(Cd-read Only memory)，标准容量650M
  写一次型光盘 WORM( write once, read many)，CDR( Cd-recordable)
  可擦写型光盘 CDRW，CD-RWCD- Rewritable

• 光盘的读写原理

  • 利用激光束在记录表面上存取信息:根据激光束以及反射光的强弱不同,可以完成信息的读写。
    
    写一次型光盘光学系统示意图:
    

• 光盘设备组成与运行原理
  DDVD简介：
  DVD：数字多用途盘( Digital Versatile disk)，DVD的容量比普通光盘提高了7倍,达到4.7GB，单速DVD驱动器的工作速度为14MB/秒(而CD为150KB/秒。
  DVD的4种标准：
  单面单层(47GB)，单面双层(8.5GB)，双面单层(94GB)，双面双层(17GB)

• 光盘设备组成与运行原理
  DVD存储原理：
  DVD的基本设计和CD相同,也是120mm直径的注入碳酸盐的盘模,由激光二极管照射的凸区和凹区组成,诵过光接收器读入信息。
  使用红色激光(DVD激光的波长为065微米,而CD的为0.78微米);凹区更小(DVD为0.4微米,而CD为0.8微米);螺旋线更紧凑(DVD道间距为0.74微米,而CD的道间距为1.6微米)。
  其他的新标准：HVD、EVD、蓝光DVD…

5. 显示设备

不同的CRT显示标准所支持的最大分辨率和颜色数目是不同的。VESA标准,是一个可扩展的标准,它除兼容传统的GA等显示方式外,还支持1280×1024像素光栅,每像素点24位颜色深度,刷新频率可达75MHz。显示适配器作为CRT与CPU的接口,由刷新存储器、显示控制器ROM BIOS三部分组成。先进的显示控制器具有图形加速能力

• 1. 显示设备的分类和有关概念
  ① 分类
  按器件分类：CRT、LCD、等离子体
  按显示内容分类:字符、图像
  CRT中又可以分类：

  • 按扫描方式分类：光栅扫描和随机扫描
  • 按分辨率分类：高分辨率和低分辨率
  • 按显示颜色分类：单色和彩色
  • 按显示屏幕大小分类:14、15、17、19等

  ② 有关概念

  • 分辨率：显示器所能显示的像素个数。像素越密,分辨率越高,图象越清晰。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：像素点的亮暗差别(黑白)或颜色的不同彩色)。灰度级越多,图像层次越清楚越逼真。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。因此必须让电子束反复不断地扫描整个屏幕,该过程称为刷新。刷新频率越高,显示越没有闪烁。50Hz(至少)

  • 刷新存储器：为刷新提供信号的存储器。容量取决于分辨率和灰度级。如1024 * 768,32位真彩色,需要1024 * 768 * 32/8(B)=3MB,其存取周期必须满足刷新频率的要求。设上例中要求刷新频率为75Hz,则刷新存储器的总带宽为75*3MBPS=225MB/S。

  • 随机扫描：电子束在需要显示字符和图形的地方扫描速度快,图像清晰。驱动系统复杂,价格昂贵

  • 光栅扫描：电子束扫描整个屏幕(从上到下,从左到右)

    • 逐行扫描
    • 隔行扫描(电视采用)

  • 图形：没有亮暗层次变换的线条图,一般用计算机表示和生成

  • 图像：最初就具有亮暗层次的图,多来自客观世界。

• 2. 字符/图形显示器

  • 字符显示器原理：
    显示系统由显示卡和和显示器组成，显示字符的方法以点阵为基础，字符点阵存放于字符发生器(ROM)中。
    字符窗口：字符点阵和字符间隔：80列 * 25行=2000个字符窗口，每个字符窗口为9 * 14,字符点阵为7 * 9。
    所需显示字符的ASCI存放在ⅤRAM中,以备刷新。字符发生器的高位地址来自于ASCI码,低位地址来自于光栅地址计数器的输出RA₃-RA₀
    

• 3. 图形显示

  • 随机图形显示器
    工作原理：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。
    优点：分辨率高(可达4096×4096个像素),显示的曲线平滑。
    缺点：当显示复杂图形时,会有闪烁感

  • 光栅图形显示器
    工作原理：相邻像素串接。
    刷新存储器与分辨率及灰度的关系

    • VRAM中存放一帧图形的形状信息,它的地址和屏幕上的地址
      对应
    • VRAM=分辨率×灰度级
      如:1024×1024,24位色,RAM的容量1024×1024×248=3M

    DDA( Digital Differential Analysis)数据插补,将显示文件变成象素信息
    优点:通用性强,灰度层次多,色调丰富,显示复杂图形时无闪烁现象;所产生的图形有阴影效应、隐藏面消除、涂色等功能，是目前流行的显示器。

• 4. 图像显示设备

• 图像显示器
  简单图像显示器：仅仅显示计算机送来的数字图像显示器不作处理
  图形处理子系统：专用计算机,图形工作站

• IBM PC系列的显示系统
  显示标准： MDA，CGA，EGA，VGA，VESA，SVGA，TVGA

• VESA显示模式
  显示适配器(显示卡)

  • 刷新存储器
  • ROM BIOSE(用在DOS)
  • 显示控制器
    给显示器提供GRB三色信号及同步信号，CPU将主存已经修改好的内容在扫描回程的消隐期送到刷新存储器
    图形加速能力:位和块传送;画线;颜色填充
    

  【例4】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1024×768,颜色深度为3B,帧频(刷新速率)为72Hz,计算刷存总带宽应为多少?
  (2)为达到这样高的刷存带宽,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
  1024×768×3B×72/s=165888KB/s=162MB/s刷存总带宽应为162MB/s×100/50=324MB/s
  (2)为达到这样高的刷存带宽,可采用如下技术措施:
  ①使用高速的DRAM芯片组成刷存;
  ②刷存采用多体交叉结构;
  ③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
  ④刷存采用双端口存储器结构,将刷新端口与更新端口分开。

6. 输入设备

常用的计算机输入设备有图形输入设备(键盘、鼠标)、图像输入设备、语音输入设备。常用的打印设备有激光打印机、彩色喷墨打印机等,它们都属于硬拷贝输出设备。