1.外围设备概述

1.外围设备的一般功能

外围设备的定义：这个术语涉及到相当广泛的计算机部件。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。

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。

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。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

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。

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。

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适配器和主机连接，并受主机控制。

2.显示设备

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。

阴极射线管显示器CRT Cathode Ray Tube

液晶显示器LCD Liquid Crystal Display

1.显示设备分类

显示器件：CRT、LED、等离子

显示信息：字符显示、图形显示、图像显示

扫描方式：光栅扫描：随机扫描

2.显示设备术语

像素：组成图像的最小单位，显示器上的发光点

点距：相邻像素的距离（相同色彩点的距离） 0.31mm、0.28mm、0.25mm ……

分辨率：显示器所能表示的像素个数

分辨率＝水平点数×垂直点数

640×480 ，800×600 ，1024×768， 1280×1024  ……

点距越小，显示的图像越细腻

分辨率越高，所能表达的图像信息越多，图像越清晰

灰度级：黑白显示器所显示的像素点的亮暗差别,彩色显示器所能表现的颜色数量(彩色深度)

单色显示器：只有两级灰度的显示器

黑白显示器：具有多种灰度级的黑白显示器

彩色显示器：红、绿、蓝三色发光点组成  

灰度和彩色深度与显示存储器有关。如果使用8个二进制位表达一个像素的灰度，则可以有256种不同的亮度。如果红、绿、蓝三色都用8个二进制位表达，则彩色图像就具有224（16M）种颜色，被成为真彩色

灰度级越多，图像层次感越强；色彩数越多，图像越清楚逼真

刷新和刷新存储器 ：

CRT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几十毫秒便消失。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，这个过程叫做刷新。按人的视觉生理，刷新频率大于30次/秒时才不会感到闪烁。显示设备中通常选用电视中的标准，每秒刷新50帧图像。

为了不断提供刷新图像的信号，必须把一帧图像信息存储在刷新存储器，也叫视频存储器。

刷新：使电子束不断地重复扫描整个屏幕的过程

不感到闪烁的刷新频率：＞30次/秒

模拟电视标准：每秒刷新50帧图像

光栅扫描：光栅扫描是从上至下顺序扫描整个屏幕 。分为逐行扫描和隔行扫描。

扫描频率：完成一帧所花时间的倒数，也叫刷新频率(每个像素在一秒内被刷新次数)

刷新频率越高、图像越稳定，感觉越舒服

3.硬磁盘存储设备

1.磁记录方式

形成不同写入电流波形的方式，称为记录方式。记录方式是一种编码方式，它按某种规律将一串二进制数字信息变换成磁层中相应的磁化元状态，用读写控制电路实现这种转换。

在磁表面存储器中，由于写入电流的幅度、相位、频率变化不同，从而形成了不同的记录方式。常用记录方式可分为不归零制(NRZ)，调相制(PM)，调频制(FM)几大类。

归零制（RZ）：Return to Zero

正脉冲电流表示“1”，负脉冲电流表示“0”； 不论记录“0”或“1”，在记录下一信息前，记录电流恢复到零电流 。简单易行，记录密度低，改写磁层上的记录比较困难，一般是先去磁后写入。

不归零制（NRZ）：NonReturn to Zero Change

磁头线圈始终有电流 。对连续记录的“1”和“0”，写电流的方向是不改变的。 无自同步能力。

见“1”就翻的不归零制（NRZ1）：NonReturn to Zero Change On One

磁头线圈始终有电流通过。 在记录“1”时，电流改变方向，写“0”电流保持不变。 不具备自同步能力，需要引用外同步信号。

调相制（PM）：又称相位编码（PE）Phase Mudulation

记录数据“1”时，规定磁化翻转的方向由负变为正，记录数据“0”时从正变为负 “0”，“1”的读出信号相位不同，抗干扰能力强（磁带多用此）。 具有自同步能力。

调频制（FM）：Frequency Modulation

记录“1”时，不仅在位周期的中心产生磁化翻转，而且在位与位之间的边界处要翻转一次。记录“0”时，位周期中心不产生磁化翻转，但位与位之间的边界处要翻转一次。  具有自同步能力。

改进调频制（MFM）：Modified Frequency Modulation

记录数据“1”时在位周期中心磁化翻转一次，记录数据“0”时不翻转。 连续两个或两个以上“0”时，在位周期的起始位置翻转一次，而不是在每个位周期的起始处都翻转。 具有自同步能力。

记录方式：代码0或1的写入电流波形

2.磁盘上信息的分布

盘片的上下两面都能记录信息，通常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。

磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫0磁道，最里面的一个同心圆叫n磁道，n磁道里面的圆面积并不用来记录信息。扇区的编号有多种方法，可以连续编号，也可间隔编号。磁盘记录面经这样编址后，就可用n磁道m扇区的磁盘地址找到实际磁盘上与之相对应的记录区。除了磁道号和扇区号之外，还有记录面的面号，以说明本次处理是在哪一个记录面上。例如对活动头磁盘组来说，磁盘地址是由记录面号(也称磁头号)、磁道号和扇区号三部分组成。

在磁道上，信息是按区存放的，每个区中存放一定数量的字或字节，各个区存放的字或字节数是相同的。为进行读/写操作，要求定出磁道的起始位置，这个起始位置称为索引。 索引标志在传感器检索下可产生脉冲信号，再通过磁盘控制器处理，便可定出磁道起始位置 。

 磁盘存储器的每个扇区记录定长的数据，因此读/写操作是以扇区为单位一位一位串行进行的。每一个扇区记录一个记录块。数据在磁盘上的记录格式如下：  

每个扇区开始时由磁盘控制器产生一个扇标脉冲。扇标脉冲的出现即标志一个扇区的开始。 两个扇标脉冲之间的一段磁道区域即为一个扇区(一记录块)。每个记录块由头部空白段、序标段、数据段、校验字段及尾部空白段组成。其中空白段用来留出一定的时间作为磁盘控制器的读写准备时间，序标被用来作为磁盘控制器的同步定时信号。序标之后即为本扇区所记录的数据。数据之后是校验字，它用来校验磁盘读出的数据是否正确。

盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为记录面（磁面）

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

柱面指的就是多个盘片上具有相同编号的磁道，它的数目和磁道是相同的

每个磁道又分为若干个扇区，它是磁盘上的最小记录单位

PC机中每个扇区的标准容量是512个字节

3.磁盘存储器的主要技术指标

存储密度： 单位长度或单位面积所存储的二进制信息量。

磁盘的存储密度：

(a)道密度：指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数

(b)位密度：指沿磁道的单位长度上记录的二进制信息位数    

(c) 面密度：以上两个乘积。

存储容量 ：以字节为单位,指存储器所能存储的二进制信息总量。  

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：指按照特定的记录格式存储信息的总量

非格式化容量：磁记录表面可以利用的磁化单元总数

平均存取时间 ：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所需要的时间。这段时间由两个数值所决定：一个是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称为定位时间或找道时间；另一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。平均存取时间等于平均找道时间与平均等待时间之和。平均找道时间是最大找道时间与最小找道时间的平均值，目前平均找道时间为10—20ms。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。目前固定头盘转速高达6000转/分，故平均等待时间为5ms。

寻址时间（平均存取时间 ）：对磁盘存储器，寻址时间=寻道时间+等待时间     

等待时间与磁盘转速有关，可用磁盘旋转一周所需要时间的一半来表示平均等待时间。     

例：磁盘的转速为3600r/min，则平均等待时间=0.5×60/3600=8.3ms。

读写周期：读出/写入一个字的时间称为读写时间，两次读出/写入操作之间的时间间隔称为读写周期或存取周期

数据传输率：单位时间内向主机传送数据的位数或字节数。

对磁盘存储器，单磁头串行读/写半径R0已知，数据传输率计算如下：     

例：某盘组共9块盘片，有16个盘面来记录数据，每面分256个磁道，每道有16个扇区，每个扇区存储512个字节，假设磁盘旋转速度为每分钟3600转，求数据传输率。

解：每秒钟的的转速=3600/60=60转；     

数据传输率=每一磁道容量×每秒钟转速=16×512×6=480KB/S

误码率：是衡量出错概率的参数，等于出错位数与读写总信息位数之比。

位价格：通常用位价格来比较各种外存储器。位价格是用设备价格除以存储器二进制位总容量。

每面信息量=每道信息量*柱面数=每道信息量*道密度*（外半径-内半径）     

总容量=每面信息量*面数

例题：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? (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?

解：

(1)有效存储区域=16.5-11=5.5(cm) 因为道密度=40道/cm，所以40×5.5=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

(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（2位），每台有16个记录面/盘面（4位），每面有256个磁道（8位），每道有16个扇区（4位）。

(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。

例题：已知磁盘存储器转速为3000r/min，共有4个记录面，每道记录信息为12288B，共有275道。 （1）磁盘存储器的存储容量是多少？ （2）磁盘传输率是多少？ （3）平均等待时间是多少？ （4）已知磁盘组的编制方式可用如下格式此，格式表示什么？

4.磁盘存储设备的技术发展

1.磁盘cache

随着微电子技术的飞速发展，CPU的速度每年增长1倍左右，主存芯片容量和磁盘驱动器的容量每1.5年增长1倍左右。但磁盘驱动器的存取时间没有出现相应的下降，仍停留在毫秒(ms)级。而主存的存取时间为纳秒(ns)级，两者速度差别十分突出，因此磁盘I/O系统成为整个系统的瓶颈。为了减少存取时间，可采取的措施有：提高磁盘机主轴转速，提高I/O总线速度，采用磁盘cache等。主存和CPU之间设置高速缓存cache是为了弥补主存和CPU之间速度上的差异。同样，磁盘cache是为了弥补慢速磁盘和主存之间速度上的差异。

在磁盘cache中，由一些数据块组成的一个基本单位称为cache行。当一个I/O请求送到磁盘驱动时，首先搜索驱动器上的高速缓冲行是否已写上数据？如果是读操作，且要读的数据已在cache中，则为命中，可从cache行中读出数据，否则需从磁盘介质上读出。写入操作和CPU中的cache类似，有“直写”和“写回”两种方法。磁盘cache利用了被访问数据的空间局部性和时间局部性原理。空间局部性是指当某些数据被存取时，该数据附近的其他数据可能也将很快被存取；时间局部性是指当一些数据被存取后，不久这些数据还可能再次存取。因此现在大多数磁盘驱动器中都使用了预读策略，而根据局部性原理预取一些不久将可能读入的数据放到磁盘cache中。CPU的cache存取时间一般小于10ns，命中率95%以上，全用硬件来实现。磁盘cache一次存取的数量大，数据集中，速度要求较CPU的cache低，管理工作较复杂，因此一般由硬件和软件共同完成。其中cache采用SRAM或DRAM。

2.磁盘阵列RAID

RAID称廉价冗余磁盘阵列，它是用多台磁盘存储器组成的大容量外存系统。其构造基础是利用数据分块技术和并行处理技术，在多个磁盘上交错存放数据，使之可以并行存取。在RAID控制器的组织管理下，可实现数据的并行存储、交叉存储、单独存储。由于阵列中的一部分磁盘存有冗余信息，一旦系统中某一磁盘失效，可以利用冗余信息重建用户信息。

RAID是1988年由美国加州大学伯克利分校一个研究小组提出的，它的设计理念是用多个小容量磁盘代替一个大容量磁盘，并用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，增加了存储容量，现已在超级或大型计算机中使用。

工业上制定了一个称为RAID的标准，它分为7级(RAID 0～RAID 6)。这些级别不是表示层次关系，而是指出了不同存储容量、可靠性、数据传输能力、I/O请求速率等方面的应用需求。

磁盘阵列将数据分布存放在多个磁盘驱动器、代替一个大容量磁盘，提高性能；添加冗余磁盘存放校验信息，提高可靠性

优点：容量大、速度快、可靠性高、造价低廉

RAID的主要类型：

主要有7个RAID级别RAID0～RAID6，有些研究人员也定义了其他级别 RAID各级别具有不同结构，但有如下共性： RAID由一组物理磁盘驱动器组成，操作系统视之为一个逻辑驱动器。 数据分布在一组物理磁盘上 。冗余信息被存储在冗余磁盘空间中，保证磁盘在万一损坏时可以恢复数据 其中第2、3个特性在不同的RAID级别中的表现不同，RAID0不支持第3个特性。