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计算机组成原理【专栏】

外部设备是计算机系统中不可缺少的重要组成部分，本章主要介绍：磁介质存储器的存储原理、常用的磁介质存储设备和其他辅助存储设备以及常见的输入输出设备的工作原理。

8.1 外部设备的分类

中央处理器(CPU)和主存储器(MM)构成了计算机的主机。在主机周外还有很多硬件装置，我们就把他们称为外部设备或外围设备，他们主要用来完成数据的输入、输出、成批存储(硬盘之类的)以及信息加工的任务。

 8.1.1 外部设备的分类

 1.输入输出设备
 从计算机的角度出发，向计算机输入信息的外部设备称为输入设备；接受计算机输出的外部设备称为输出设备。
 输入设备：键盘、鼠标、扫描器之类。输出设备：显示器、打印机等。还有一些兼顾输入和输出的复合型输入输出设备。
 2.辅助存储器
 辅助存储器是指除了主机以外的存储设备。存储器的读写实质上来说就是输入和输出，因此可以认为辅助存储器就是一种复合型输入输出设备。
 辅助存储器：硬磁盘存储器、磁带存储器以及光盘存储器等。
 3.终端设备
 终端设备由输入设备、输出设备和终端控制器组成，当然他就具备这些设备的功能了，除此之外，终端设备通过一根通信线与主机相连接。
 终端设备一般分为：专用和通用（分为会话型终端和远地批处理终端和只能终端）。
 4.过程控制设备
 当计算机运算的时候，他需要一些外部数据的运算结果，但是一些运算结果大部分为模拟信号，此时就需要一个模数转换器，因为计算机中处理的是数字信号。同理，当计算机将内部的数字信号输出的时候，就要经过数模转换器，将数字信号转换为模拟信号。而在这其中的数模、模数转换都是过程控制设备，有关的检测设备也是过程控制器。

 8.1.2外部设备的地位和作用

外部设备是计算机和外界联系的借口、界面和纽带。

 1.外部设备是人机对话的通道
 计算机需要通过外部设备才能将数据从外界送进去，同理，也需要通过外部设备将计算机内部的数据输出。因此称外部设备是人机对话的通道。
 2.外部设备是是完成数据媒体变换的设备
 人们习惯用字符、汉字、图形等来表达，但是计算机只认二进制啊，因此在人机对话的时候，就需要将外界的各种信息转换成计算机能识别的二进制代码，这个就有点类似于我们 编程语言的作用了。同样，外部设备也能将计算机中的二进制代码给转换成我们熟知的字符、汉字、图形了。
 3.外部设备是计算机系统软件和信息的驻在地
 由于计算机的发展，现在的软件处理的信息量太大了，主存装不完，就需要大部分放到辅助存储器中（参考第五章 存储系统和结构-还没写0.0）,需要的话，就调用到主存中。这就是为啥称他未软件和信息的驻在地。
 4.外部设备是计算机在各领域应用的桥梁
 正是为了适应个领域的应用，计算机才新增了各种各样的外部设备，例如：打印店配备了打印机，就可以将计算机应用在打印这个领域了(好牵强，但总体就是这个意思)。

8.2 磁介质存储器的性能和原理

磁介质存储器的存储过程其实是电磁转换的过程。常见的磁介质存储器：磁盘、磁带。

 8.2.1 磁介质存储器的读写

 1.磁记录介质和磁头
 （1）.磁记录介质：
   在磁介质存储器中，信息是纪录在磁层(一层薄薄的磁性材料)上的，磁层和所附着的载体(软质载体和硬质载体)称为记录介质或记录媒体
  （2）.磁头：
   是一种电磁转换设备：电(电脉冲表示的二进制代码)–>磁(磁记录介质上的磁化状态),磁–>电。
   根据读写的时候磁头是否与磁记录介质之间接触可分为：接触式的磁头和浮动式的磁头。在软盘和磁带中，由于使用了软质载体，就必须要用接触式磁头(个人认为是因为软嘛，导致不均匀，必须紧贴住才能保证读写正确)；而在硬盘中，使用的是硬质载体，为了减少磨损，只能使用浮动式磁头了。浮动的原因：硬盘读写时候，盘片高速旋转，带动气流，在盘面和磁头之间形成了一层气垫，使磁头飘起来了。
   一般在读写的过程中，磁头不动，磁记录介质一直在转。
 2.写入过程
  大致上就是给磁头通电流，然后再磁记录介质上留下剩磁，由于通入的正负两个不同方向的电流，就会产生两种不同的剩磁，刚好对应二进制信息中的1和0。

 3.读出过程
  磁头不通外加电流，通过剩磁的不同来读出0和1的信号。

 8.2.2 磁介质存储器的技术指标

 1.记录密度
  又称为存储密度，可以用：道密度、位密度以及面密度(道密度×位密度)来表示。

 （1）.道密度：
  是指垂直于磁道方向上单位长度中磁道数目，单位：道/in 或 道/mm
 （2）.位密度：
  是指沿磁道方向上单位长度中所记录的二进制信息的位数，单位：位/in 或 位/mm
 2.存储容量
  存储容量指的是整个磁介质存储器所能存储的二进制信息总量，存储容量这种东西和存储密度直接相关。
  存储容量有两种：格式化存储和非格式化存储。这里的格式化和我平时熟知的不一样，这里的格式化是指存储的时候要存储一些其他信息，比如位置信息啊啥都的。格式化存储的容量比非格式化的要少。
 3.平均存储时间
  顾名思义，就是存储时间取平均，我们这里有两种存取的方式：
  （1）.第一种是顺序存储方式多道并行的读写的磁带存储器来说，他就没有寻找磁道这么一说，就好像他每个磁道上都有一个磁头，然后他的存取时间的就只有等待转到读写位置的时间和读写操作时间。
  （2）.第二种是单道的直接存储的磁盘存储器，他的话就不像磁带那样了，他的时间分为四部分：1.磁头到达指定位置的时间，称为定位时间。2.到达指定位置之后，等待读写位置转到磁头位置的时间，称为旋转时间。3.磁头读写时间，也称为传输时间。4.磁盘控制器的开销。

  其中T_a为平均存取时间，T_s为平均寻道时间，而T_w是平均等待时间，由于传输时间和控制器的开销时间太少了，可以不用算。

 4.数据传输率
  磁介质存储器在单位时间内向主机传送数据的位数或字节数，用D_r来表示，单位：b/s 或 B/s。
   D_r = D × v
  其中D为记录密度，对于单道存取的存储器(磁盘)就是位密度；对于多道存储器(磁带)就是位密度与磁道数的乘积。
  v是速度，磁带的话，就是走带速度；磁盘的话就是记录介质通过磁头的线速度。
 5.误码率
  误码率 = 出错信息位数/ 读出总信息位数

 8.2.3 数字磁记录方式

 也就是用磁记录数字的方式：直接记录方式和按位编码记录方式
 1.直接记录方式：当记录密度低的时候，直接记录0、1
  直接记录方式也就是不编码制，也就是正是1，负是0：
  （1）归零制(RZ)：如果是1，就通让脉冲达到1，如果是0，就让脉冲达到-1，中间为0，所以称他为归零制。
  （2）不规零制(NRZ)：如果是1，就让脉冲达到1，遇到0就让脉冲反向为-1，中间保持。
  （3）不归零-1制(NRZ-1)(见1就翻的不归零制)：碰到1就翻，碰到0保持。

 2.按位编码记录方式
  （1）调相制(PE)：记录1的时候，在周期中间由负变正；记录0的时候，在周期中间由正变成负。当出现连续1或连续0的时候，在周期结束的时候，都要翻转一次，保证前面的原则。
  （2）调频制(FM)：记录1的时候，在周期中间和周期边界各翻转一次；记录0的时候，在周期边界翻转一次。简单点：记录1，一个周期翻转两次；记录0，一个周期翻转一次。
  （3）改进的调频制(MFM)：记录1的时候，周期中间翻转，记录单独0的时候，不做改变，记录两个连续0的时候，在两个0中间的周期边界改变方向。
  （4）改进的改进型调频制(M²FM)：记录1的时候，周期中间翻转；记录单独一个0的时候，不做改变，记录两个0的时候，在两个0的中间的周期边界翻转，记录多个0的时候，在1和2之间翻转的同时以后每隔两个0，翻转一次（在第4个周期边界处）。

 3.成组编码记录方式
  （1）.群码制(GCR)
  （2）.三位调制码(3PM)
  （3）.游程长度受限码(RLL)

8.3 磁介质存储设备

磁介质存储器主要包括硬盘存储器、软盘存储器和磁带存储器。

 8.3.1 硬盘存储器的基本结构与分类

  硬盘存储器的硬件包括：硬盘控制器(适配器)、硬盘驱动器以及连接电缆。
  硬盘控制器(HDC)：对硬盘进行管理，并在主机和硬盘之间传送数据。
  硬盘驱动器(HDD)；包括盘片、磁头、主轴电机(驱动盘片旋转的东西)、磁头定位机构、读写电路和控制逻辑。
  根据头-盘是否为一个密封的整体分为：温彻斯特盘和非温彻斯特盘。温彻斯特盘的主要特点是磁头、盘片、磁头定位机构、主轴甚至驱动电路都密封在一个盘盒内。非温彻斯特盘需要超净的使用环境。
  根据磁头是否可转动可分为：固定头硬盘和活动头硬盘。固定头硬盘每个磁道上一个磁头。活动头硬盘每个盘面上只有一个读写头。

 8.3.2 硬盘驱动器

目前常用的硬盘驱动器都是活动头的温彻斯特盘，简称温盘

  1.磁头
  采用接触启停式，在记录去和轴心之间有一段空白区，用来启动和着陆的，最外围的磁道为0号磁道。
  2.磁头定位系统
  实现的功能：
  （1）.磁盘驱动器启动或者出错的时候，能将磁头精确的定位到0号磁道，以便等待寻道指令。
  （2）.要能快速、准确地将磁头定位到磁道中心位置
  （3）.当硬盘驱动器发生故障或者断电的时候，能够将磁头迅速退出记录去，保护盘面数据。
  目前的磁头定位系统有两种：
  （1）.步进电机定位机构
  （2）.音圈电机定位机构

 8.3.3 硬盘的信息分布和磁盘地址

  1.硬盘的信息分布
  硬盘中信息分布在呈以下层次：记录面、圆柱面、磁道和扇区。
  （1）记录面：一个盘有两个记录面
  （2）.磁道：一条条磁道形成一组同心圆，最外圈的磁道为0号。
  （3）.圆柱面：同一编号的磁道构成的面称为圆柱面，作用是为了存储大容量的文件，此时的话因为每个磁头都在同一个磁道的同一个位置，只需要换道就可以了。
  （4）.扇区：将一个磁道划分为若干段，每一段称为一个扇区或者扇段，每个扇区可以存放一个定长的信息块。
  2.磁盘地址
  主机向磁盘控制器送出有关寻址信息，磁盘地址一般表示为：驱动器号、圆柱面号(通过驱动号和圆柱面号就已经可以确定磁道号了)、记录面号、扇区号以及扇区数。

 8.3.4 硬盘存储器的技术参数

  1.硬盘的主要性能指标
  （1）.硬盘容量
  （2）.硬盘转速
  （3）.道密度
  （4）.平均存取时间
  （5）.缓存
  （6）.数据传输率
  2.硬盘的借口标准
  （1）.IDE接口（ATA）
  （2）.SCSI
  （3）.SATA接口
  3.硬盘参数的计算
  例如：一个盘面直径为18in的磁盘组有20个记录面，每面有5in的区域用于记录信息，记录密度为100道/in和1000b/in，转速为2400r/min，道间移动时间为0.2ms，求盘组的容量、数据传输率和平均存取时间。
  我们老师经常说的一句话：这些题都是小学计算题…我却…
  盘组容量=面数 ×每面的容量 = 面数 × （道数 × 每道上的容量）= 面数 ×（（道密度×道宽度）×（位密度×周长(此处选取最内侧的周长算出的是非格式化容量)））= 20×（（100×5）×（(18-5×2)×π×1000））=2.512×10⁸b
  数据传输率=每一道的容量/旋转一圈的时间=25120/25=1004.8b/ms
  平均存取时间为：T_s=[平均寻道时间+平均等待时间]=[(0+0.2×499)/2+(0+25)/2]=62.4ms
  从中可以得到非格式化容量=最大位密度×最内圈磁道周长×总磁道数
  新的磁盘在使用前必须要进行格式化，格式化实际上就是在磁盘上划分记录区，写入各种标志信息和地址信息，这些信息占用的空间，所以格式化之后，容量要小了。
  格式化的容量=每道扇区数×扇区容量×总磁道数

 8.3.5 硬盘的分区域记录

  分区域记录技术的作用：
  （1）.可以增加20%~50%的容量(相较于传统方式)。

  （2）.数据传输率会随着磁道所到的区域变化，虽然驱动器还是以恒定的速度旋转，但是由于外层的有更多的扇区，所以数据传输速度就要更快一些。

 8.3.6 硬盘的NCQ技术

  磁盘寻址的过程为：
  （1）.寻找目标圆柱面
  （2）.寻找目标磁道
  （3）.寻找目标扇区
  以前没有这种技术的时候，大多数的硬盘都是机械地按照提供给的命令先后顺序去寻找，从而造成了磁头反复移动。NCQ技术就是先将提供的命令按照他们访问地址的距离进行重新排列，减少磁头来回移动的时间。

 8.3.7 软磁盘存储器

  软磁盘存储器由：软盘片、软盘驱动器、和软盘控制器组成
  工作原理和硬盘基本相同；但是结构和磁头不同。

  访问软盘的时候需要提供：驱动器号、磁道号(由于没有圆柱面)、磁头号(由于有多个磁头)、扇区号。

8.4 磁盘阵列

磁盘阵列，说白了就是有组织的把一些硬盘驱动器给组装在一起。这样做的好处是能够提升容量、速度，并且可靠性更高

 8.4.1 RAID简介

  RAID一般长这样：

  RAID的优点：
  （1）.成本低、功耗小，传输速率高
  （2）.提供容错功能
  （3）.RAID比大直径的磁盘驱动器的价格更低

 8.4.2 RAID的分级

  简单说几个RAID：
  （1）.RAID0：假如我们的磁盘阵列由N块磁盘组成的，我们在写入数据的时候就将数据分成N份，同时写入N块磁盘中。这样做可以极大的提升速度，但是一旦一块硬盘出错了，由于缺少校错能力，那么恭喜你，整个磁盘阵列歇逼了。
  （2）.RAID1：这个是个奇葩，他将硬盘分为两部分，每个数据写两遍。这样虽然效率不高，但是有校错能力。
  （3）.RAID3：按照RAID0的方式写入的同时，专门留一个写奇偶校验码的区域。

8.5 光盘存储器

与磁盘存储器不同的是，光盘是用光学方式读写信息的。
以光盘为存储介质的存储器称为光盘存储器。

 8.5.1 光盘存储器的类型

  1. CD光盘：存储容量大概为700MB左右
  2.DVD光盘：存储容量大概为4.7GB
  3.蓝光盘：存储容量可达25GB，波长越短，存储容量越大。

 8.5.2 光盘存储器的组成以及工作原理

  1.光盘存储器的组成
  光盘存储器主要由光盘控制器和光盘驱动器以及接口组成。
  光盘驱动器主要包括：主轴电机驱动机构、定位机构、光头(类似磁头)装置以及电路，其中光头最为复杂。
  2.光盘的工作原理
  写入：大多都是在上面打孔，只不过区别是，有些打的孔是可逆的，有些是不可逆的。
  读出：由于打孔的地方和没打孔的地方在光照射下，反射的光信号不同，可以用一个光检测器来区分信号，然后将其转换为01信号。
  3.光盘读取技术
  （1）.CLV：恒定线速度，数据传输速率一样，在内圈的旋转速度更快。
  （2）.CAV：恒定角速度，读取速度一样，但是数据传输速率外圈更高(同样时间转同样角度，弧长不一样)。

8.6 新型辅助存储器

新型辅助存储器的特点就是容量大、可移动、使用方便。常见的可移动存储器使用磁介质、磁光介质或电子器件来存储信息。

 8.6.1 基于磁或磁光介质的可移动存储器

  1.移动硬盘
  2.大容量软盘
  3.磁光盘
  4.磁带

 8.6.2 基于电子器件的存储器

  1.闪存卡
  2.固态硬盘
  3.U盘

8.7 键盘输入设备

 8.7.1 键开关与键盘类型

  键盘上每个按键起一个开关作用，所以称他为键开关。键开关分为两类：接触式和非接触式的。
  按照键码的识别方式，键盘可以分为：编码键盘和非编码键盘。
  （1）.编码键盘：在键按下之后，硬件电路给出编码信息（如ASCII），直接送到CPU去识别是哪个键。
  （2）.非编码键盘：在键按下之后，提供一个中间代码，可以通过这个中间代码去寄存器中转换成对应ASCII码，从而识别是哪个键。

 8.7.2 键盘扫描

  1.逐行扫描
  （1）.查询是否有键按下，初始数组全是1，有键按下，让那个键变0，然后检查这个数组，是否有0，有的话就证明有键按下。
  （2）.查询已按下键的位置，一行一行扫描，扫到哪一行就让哪一行的X=0，同时读取所有列，不全为1，则可以确定键的行号和列号
  （3）.按行号和列号求键的位置码
  2.行列扫描
  相当于执行两次，一次是逐行扫描，找到之后，立马进行逐列扫描，通过两次扫描，对比结果，如果两次得到的行号和列号都相同，则确定是这个键无疑。

8.8 其他输入设备

计算机常用的输入设备除了键盘之外，还有一些，例如：鼠标、扫描仪、光笔等。其中键盘就是输入字符和数字信息；鼠标主要输入矢量信息和坐标信息；扫描仪主要输入图形、图像信息。

 8.8.1 鼠标器

  鼠标器就算控制显示器上光标移动的输入设备。主要分为：机械式鼠标、光机鼠标以及光电式鼠标。他们的基本原理相同：都是讲鼠标器的移动距离和方向变为脉冲信号发送给计算机，计算机再把这些信号转换为显示器光标的坐标信息。

 8.8.2 其他定位设备

  1.轨迹球
  2.跟踪点：我印象中记得以前的笔记本电脑键盘中间有个小红点，好像就是这玩意，他像个小摇柄一样，可以转动。
  3.触摸板

 8.8.3 扫描仪

  1.扫描仪的组成部分以及工作原理
  扫描仪是光、机、点一体化的高科技产品。其工作原理利用自然界每一种物体都会吸收特定的光波，没有吸收的光波就会反射出去这一特性，给稿件添加强光，没有吸收的光波就会反射到光学感应器上，最后通过一系列的转换，就转变为我们显示器上能看到的正确图像。目前扫描仪常采用两种光学读取装置：CCD和CIS
  2.扫描仪的主要性能指标
  （1）.分辨率
  （2）.色彩深度值
  （3）.灰度值

8.9 打印输出设备

打印机是计算机的主要输出设备，他的主要功能是将计算机的处理结果以字符或图形的形式印刷到纸上，由于打印输出结构能永久性保存，所以又称为硬拷贝输出设备。

 8.9.1 打印机概述

  按照打印工作原理区分的话：打印机分为击打式和非击打式两大类。
  按照输出工作方式：串式打印机(一个字一个字打印)、行式打印机(一行一行打印)、页式打印机(一页一页打印)
  按照打印字机构不同：固定字模式(类似活字印刷)和点阵式打印(靠若干点阵来构成字符)

  打印机通常有两种工作模式：文本模式和图形模式
  1.文本模式
  主机向打印机输出字符代码（ASCII码）或汉字代码（国标码），打印机根据代码从字符库或汉字库中取出点阵数据，然后再纸上打印出字符或汉字。
  2.图形模式
  主机向打印机直接输出点阵图数据，有一个1就打一个点。

 8.9.2 打印机的主要性能指标

  （1）.分辨率
  （2）.打印速度和打印幅面
  （3）.接口方式
  （4）.缓冲区

 8.9.3 针式打印机工作原理

  针式打印机一般是由一列或几列n根打印针用来打印m×n点阵的字符或汉字、图形的，就好比9针打印机，他执行了m步之后，就能打印出一个大小为m×9的点阵，这个点阵有可能是字符或汉字等。

 8.9.4 喷墨打印机工作原理

  喷墨打印机的打印原理是，使墨水在压力的作用下，从尺寸很小的喷嘴中喷出，形成飞行速度很高的墨滴，然后这些墨滴带电，在偏移电场的控制下就会发生偏转，跑到固定的位置，使其形成文字或图形(有没有想起高三学物理的时候经常做的题，那些题就是以喷墨打印机的工作原理为难点出题的)。

 8.9.5 激光打印机工作原理

  打印过程：
  （1）.充电：对硒鼓进行充电，使其表面均匀地带上正(负)电荷。
  （2）.扫描曝光：在不需要打印的地方打开激光束，这样会让硒鼓表面上的电荷移动，让电荷移动到需要打印的地方。而不需要打印内容的地方关闭激光束，这样就会在需要打印的地方形成”潜像“。
  （3）.显影：让硒鼓通过碳粉盒，由于需要打印的地方聚集了电荷，也就是”潜像“，所以会吸附碳粉。
  （4）.转印：将硒鼓上的碳粉在外电场作用下，给转移到打印纸上。
  （5）.定影：通过加热，碳粉在高温和高压下熔化而永久性黏在纸上
  （6）.消除残像：最后清除硒鼓上的参与的碳粉盒电荷，中和电荷，扫去碳粉

8.10 显示设备

显示设备是将电信号转换成视觉信号的一种装置。他不同于打印机等硬拷贝输出设备，显示器输出不能长期保存，关机就消失了，所以显示设备属于软拷贝输出设备。

 8.10.1 CRT显示器

  CRT显示器由显示适配器(显卡)和显示器(监视器)两部分组成。
  CRT的技术指标
  （1）.点距
  （2）.行频和场频
  （3）.视频带宽
  （4）.最高分辨率
  （5）.刷新率
  （6）.屏幕尺寸
  CRT显示原理
  （1）.CRT显示器的扫描方式
  类似于电视接收机，普遍采用光栅扫描方式。电子束从左上角开始沿水平方向从左向右有规律地扫描整个屏幕，扫描到右下角的时候重新从左上角开始扫描。
  （2）.显示器的显示模式
  显示模式分为两大类：字符模式和图形模式
  字符模式A/N：字符模式CRT控制的不是点，而是块，例如8×8的一片区域，由一个8位代码（ASCII）控制着。
  图形模式APA：对所有点都可以控制，屏幕上每个像素都对应现实缓冲区中的一位或多位。
  （3）.显示缓冲区
  为了不断提供刷新画面的信号，必须把字符或图形信息存储在一个现实缓冲区中，这个缓冲区称为视频存储器(VRAM)。

 8.10.2 LCD显示器

  LCD是液晶显示器，他的显示原理：
  利用偏光板的特性，利用上下两盘栅栏之间互相垂直的偏光板之间充满液晶，而这其中的液晶起到了改变偏振角和控制通过的光数量的作用，总而言之一句话，不加电压，光源可以通过，加了电压，光源不能通过，利用电场控制液晶转动，从而形成不同的亮度。
  LCD的技术指标：
  （1）.像素间距
  （2）.分辨率
  （3）.可视角度
  （4）.亮度
  （5）.对比度
  （6）.响应时间
  （7）.色彩数

 8.10.3 微型计算机的显示适配器

  1.独立显卡和集成显卡
  独立显卡是指独立于CPU之外的显卡，性能一般比较强悍，他有自己的显示核心(GPU)和显存。
  集成显卡一般集成在CPU内部，使用的时候占用CPU和主存，影响整个系统。
  2.显卡性能三要素：1.显示芯片 2.显存带宽 3.显存容量

  参考学习资料：《计算机组成原理(蒋本珊 编著) 第三版》

后话

1. 首先给大家说一下，博主经常在线，如果有什么问题或者想法，可以在下方评论，我会积极反馈的。
2. 其次还是要请大家能够多多指出问题，我也会在评论区等候大家！
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