計算機的外存與I/O設備

1. 外圍設備概述

外圍設備大體分爲輸入設備、輸出設備、外存設備、數據通信設備、過程控制設備五大類。每一種設備,都是在它自己的設備控制器控制下進行工作,而設備控制器則通過IO接口模塊和主機相連,並受主機控制。在IO接口電路中,主機和接口一側的數據傳送總是並行的。設備和接口一側的數據傳送可能是串行的,也可能是並行的。

• 1. 外圍設備的一般功能
  外圍設備的功能是在計算機和其他機器之間,以及計算機與用戶之間提供聯繫。

• 2. 外圍設備(磁盤)基本組成
  (1)存儲介質:具有保存信息的物理特徵。例如磁盤就是一個存儲介質的例子,它是用記錄在盤上的磁化元表示信息
  (2)驅動裝置:用於移動存儲介質。例如,磁盤設備中,驅動裝置用於轉動磁盤並進行定位
  (3)控制電路:向存儲介質發送數據或從存儲介質接受數據。例如,磁盤讀出時,控制電路把盤上用磁化元形式表示的信息轉換成計算機所需要的電信號,並把這些信號用電纜送給計算機主機。

• 3. 外圍設備的分類
  一個計算機系統配備什麼樣的外圍設備,是根據實際需要來決定的。這裏給出了計算機的五大類外圍設備,只是一個典型化了的計算機環境。

  外圍設備：
  

2. 磁盤存儲設備

磁盤、磁帶屬於磁表面存儲器,特點是存儲容量大,位價格低,記錄信息永久保存,但存取速度較慢,因此在計算機系統中作爲輔助大容量存儲器使用。 磁盤是(半)直接存儲設備，磁帶是順序存儲設備, 磁盤存儲器的平均等待時間通常是磁盤旋轉半周所需的時間。 通常,磁盤存儲器每條磁道的存儲容量是相同的。

• 1. 磁記錄原理
  計算機的外存儲器又稱磁表面存儲設備。所謂磁表面存儲,是用某些磁性材料薄薄地塗在金屬鋁或塑料表面作載磁體來存儲信息。

  • 磁表面存儲器的優點
    ①存儲容量大,位價格低;
②記錄介質可以重複使用;
③記錄信息可以長期保存而不丟失,甚至可以脫機存檔
④非破壞性讀出,讀出時不需要再生信息
  • 磁表面存儲器缺點
    主要是存取速度較慢,機械結構複雜,對工作環境要求較高。

• 輔助存儲設備概述
  主要技術指標:
  存儲密度：單位長度或單位面積上存儲的二進制信息數量。
  存儲容量：一臺設備能存儲的總信息量，一般以字節爲單位。
  尋址時間：直接存取方式訪問(如磁盤)，順序存取方式訪問(如磁帶)。
  數據傳輸率：單位時間內傳送數據的數量,單位bps或者Bps。
  誤碼率:出錯信息位數與讀出信息的總位數之比。
  價格:總價格和存儲單位信息的平均價格。

• 磁記錄原理

  • 磁表面記錄設備,是在磁頭和磁性材料的記錄介質之間有相對運動時,通過一次電磁轉換完成一次讀寫操作。

  • 磁頭:通常由軟磁材料(外界磁場的作用消失後,該磁性材料的磁性容易消失)做成。

  • 磁記錄介質:在剛性或柔性載體上塗有薄磁材料的物體,記錄以磁狀態表示的信息。一般選用硬磁材料(外界磁場的作用消失後,該磁性材料的磁性儘量多的保留)。

  • 寫操作:當寫線圈中通過一定方向的脈衝電流時,鐵芯內就產生一定方向的磁通。
讀操作:當磁頭經過載磁體的磁化元時,由於磁頭鐵芯是良好的導磁材料,磁化元的磁力線很容易通過磁頭而形成閉合磁通迴路。
    原理圖：
    

• 磁記錄方式

  • 磁記錄方式是指一種編碼方法,即如何將一串二進制信息,通過讀寫電路變換成磁層介質中的磁化翻轉序列。
  • 編碼方法要求：
    更高的編碼效率：
    編碼效率：指記錄密度與最大磁化翻轉密度之比,即爲記錄一位信息所用的最多磁化翻轉次數的倒數;
    FM、PM編碼效率50%,MFM、NRZ、NRZ1編碼效率100%
    更高的自同步能力：
    自同步能力：指從讀出的數據信息中提取出同步時鐘信號的難易程度,用最小磁化翻轉間隔與最大翻轉間隔的比值來衡量;
    NRZ、NR以1沒有自同步能力,PM、FM、MFM有自同步能力。
    更高的讀寫可靠性：
    採用能檢查錯誤,甚至自動糾正錯誤的措施。

• 磁盤設備組成與運行原理磁盤設備的組成

  • 磁盤驅動器：通常是一個完整獨立的設備,包括作爲磁記錄介質使用的磁盤和驅動磁盤勻速旋轉的動力與驅動部件,完成讀寫功能的磁頭和驅動磁頭沿磁盤徑向方向運動和準確定位的部件,以及其它一些控制邏電路等部件。
  • 磁記錄介質：單獨的、可以和磁盤驅動器分開保存的硬磁盤片、磁盤組、軟磁盤片等。
  • 磁盤接口電路：是插在主機總線插槽中的一塊電路卡用於把磁盤驅動器與計算機主機連接爲一體系統,接收主機發給磁盤的操作命令,實現數據緩衝與格式變換,處理主機與磁盤之間的其它交互作用與時間上的同步等。
    
    硬磁盤驅動結構示意圖:
    

• 磁盤結構與參數

  • 磁盤結構(典型數據與磁盤容量相關)
    磁道:每個盤片每面500至2000磁道
    扇區:扇區是磁盤訪問的最小單位,每個磁道32至128個扇區

    • 某些硬盤上每個磁道上的扇區數相同,位密度不同,讀寫信號控制複雜一些
    • 爲增加容量,位密度恆定,外磁道比內磁道扇區數多一些,信息管理複雜一些

    柱面:位於同一半徑的磁道集合

  • 讀寫磁盤數據的三個步驟所用時間
    尋道時間:將磁頭移動到正確的磁道上所用時間
    旋轉延遲:等待磁盤上扇區旋轉到磁頭下所用時間
    傳輸時間:真正的數據讀寫時間(1個或多個扇區)

  • 尋道時間：一般爲8至12ms

  • 旋轉延遲：
    旋轉速度:3600至7200RPM
    旋轉時間:16ms至8ms每轉平均尋址時間8ms至4ms

  • 訪問速度

    • 數據量(通常爲1個扇區):1KB/扇區
    • 旋轉速度:3600RPM至7200RPM
    • 存儲密度:磁道上單位長度存儲的位數
    • 磁盤直徑:2.5至5.25in
    • 一般爲:2至15MB每秒

3. 磁盤陣列技術與容錯支持

• CPU性能在過去的十年中有了極大地提高,幾乎是每18個月翻一番。但磁盤的性能卻沒能跟上。在70年代小型機磁盤的平均查找時間爲50到100毫秒,現在是10毫秒左右。CPU性能和磁盤性能間的差距越來越大。

• 在提高CPU性能方面,並行處理技術已得到廣泛使用。這些年來,許多人意識到,並行IVO也是一個提高磁盤性能的好辦法。

• 1988年, Patterson et al. 他的一篇文章中建議用6個特定的磁盤組織來提高磁盤的性能或可用性,或兩方面都同時提高。這個建議很快就被採用,並導致了一種新的IO設備的誕生,這就是RAID盤。

• 磁盤陣列技術與容錯支持

  • 廉價磁盤冗餘陣列(RAID)
    翻最初的稱謂: Redundant Arrays of Inexpensive Disks工業界修改: Redundant arrays of Independent Disks
  • RAID原理和特點
    多個統一管理的磁盤組成磁盤陣列,數據分塊交叉存儲在多個磁盤上,提高讀寫並行性,性能好
    陣列中的一部分磁盤存放冗餘信息,一旦某一磁盤失效利用冗餘信息重建數據,可靠性高
    單個小盤徑磁盤成本低、功耗小、性能好,磁盤陣列需要RAID卡的支持,但總體成本也不高。

• 陣列控制卡(RAID卡)
  把多個物理磁盤連接爲一個邏輯磁盤,具有幾兆到幾十兆字節的陣列加速器(DRAM),起到緩衝作用。可以根據用戶不同的需求,靈活配置爲不同的使用和容錯方式。

• 分析和處理主機CPU發送的讀寫命令,支持併發命令請求和命令排隊,可以使多個命令得以併發處理,處理命令時候可以進行優化,提高性能。支持設備的快速接入和斷開,提高總線的使用率和性能。

• 聯機熱備份與熱插拔技術
  

• 磁盤陣列對容錯的支持

  • 6級容錯：RAID0~RAID5,其中RAID2與RAID3要求各個驅動器嚴格同步,不實用。
  • RAID0：數據散放,併發讀寫,沒有容錯,可靠性差闓RAID1:磁盤鏡像,冗餘備份,可靠性高,成本較高
  • RAID4：數據保護,對數據散放改進,增加專用的奇偶校驗盤,出故障恢復數據費時。
  • RAID5：分佈式數據保護,是對RAID4的改進,減少校驗盤的負載,將校驗位循環均勻地分佈到所有的驅動器上。

4. 光盤設備組成與運行原理

• 光盤特點：
  存儲密度高,容量大,非接觸式讀寫;可靠性好,價格便宜,廣泛使用。

• 光盤類型
  醒只讀型光盤 Cd-rom(Cd-read Only memory)，標準容量650M
  寫一次型光盤 WORM( write once, read many)，CDR( Cd-recordable)
  可擦寫型光盤 CDRW，CD-RWCD- Rewritable

• 光盤的讀寫原理

  • 利用激光束在記錄表面上存取信息:根據激光束以及反射光的強弱不同,可以完成信息的讀寫。
    
    寫一次型光盤光學系統示意圖:
    

• 光盤設備組成與運行原理
  DDVD簡介：
  DVD：數字多用途盤( Digital Versatile disk)，DVD的容量比普通光盤提高了7倍,達到4.7GB，單速DVD驅動器的工作速度爲14MB/秒(而CD爲150KB/秒。
  DVD的4種標準：
  單面單層(47GB)，單面雙層(8.5GB)，雙面單層(94GB)，雙面雙層(17GB)

• 光盤設備組成與運行原理
  DVD存儲原理：
  DVD的基本設計和CD相同,也是120mm直徑的注入碳酸鹽的盤模,由激光二極管照射的凸區和凹區組成,誦過光接收器讀入信息。
  使用紅色激光(DVD激光的波長爲065微米,而CD的爲0.78微米);凹區更小(DVD爲0.4微米,而CD爲0.8微米);螺旋線更緊湊(DVD道間距爲0.74微米,而CD的道間距爲1.6微米)。
  其他的新標準：HVD、EVD、藍光DVD…

5. 顯示設備

不同的CRT顯示標準所支持的最大分辨率和顏色數目是不同的。VESA標準,是一個可擴展的標準,它除兼容傳統的GA等顯示方式外,還支持1280×1024像素光柵,每像素點24位顏色深度,刷新頻率可達75MHz。顯示適配器作爲CRT與CPU的接口,由刷新存儲器、顯示控制器ROM BIOS三部分組成。先進的顯示控制器具有圖形加速能力

• 1. 顯示設備的分類和有關概念
  ① 分類
  按器件分類：CRT、LCD、等離子體
  按顯示內容分類:字符、圖像
  CRT中又可以分類：

  • 按掃描方式分類：光柵掃描和隨機掃描
  • 按分辨率分類：高分辨率和低分辨率
  • 按顯示顏色分類：單色和彩色
  • 按顯示屏幕大小分類:14、15、17、19等

  ② 有關概念

  • 分辨率：顯示器所能顯示的像素個數。像素越密,分辨率越高,圖象越清晰。它取決於顯像管熒光粉的粒度,熒光屏的尺寸以及CRT電子束的聚焦能力。

  • 灰度級：像素點的亮暗差別(黑白)或顏色的不同彩色)。灰度級越多,圖像層次越清楚越逼真。它取決於每個像素對應的刷新存儲器的位數以及CRT本身的性能。

  • 刷新：電子束打在熒光粉上引起的發光只能維持幾十毫秒的時間。因此必須讓電子束反覆不斷地掃描整個屏幕,該過程稱爲刷新。刷新頻率越高,顯示越沒有閃爍。50Hz(至少)

  • 刷新存儲器：爲刷新提供信號的存儲器。容量取決於分辨率和灰度級。如1024 * 768,32位真彩色,需要1024 * 768 * 32/8(B)=3MB,其存取週期必須滿足刷新頻率的要求。設上例中要求刷新頻率爲75Hz,則刷新存儲器的總帶寬爲75*3MBPS=225MB/S。

  • 隨機掃描：電子束在需要顯示字符和圖形的地方掃描速度快,圖像清晰。驅動系統複雜,價格昂貴

  • 光柵掃描：電子束掃描整個屏幕(從上到下,從左到右)

    • 逐行掃描
    • 隔行掃描(電視採用)

  • 圖形：沒有亮暗層次變換的線條圖,一般用計算機表示和生成

  • 圖像：最初就具有亮暗層次的圖,多來自客觀世界。

• 2. 字符/圖形顯示器

  • 字符顯示器原理：
    顯示系統由顯示卡和和顯示器組成，顯示字符的方法以點陣爲基礎，字符點陣存放於字符發生器(ROM)中。
    字符窗口：字符點陣和字符間隔：80列 * 25行=2000個字符窗口，每個字符窗口爲9 * 14,字符點陣爲7 * 9。
    所需顯示字符的ASCI存放在ⅤRAM中,以備刷新。字符發生器的高位地址來自於ASCI碼,低位地址來自於光柵地址計數器的輸出RA₃-RA₀
    

• 3. 圖形顯示

  • 隨機圖形顯示器
    工作原理：將所顯示圖形的一組座標點和繪圖命令組成顯示文件存放在緩衝存儲器,緩存中的顯示文件送矢量(線段)產生器,產生相應的模擬電壓,直接控制電子束在屏幕上的移動。
    優點：分辨率高(可達4096×4096個像素),顯示的曲線平滑。
    缺點：當顯示覆雜圖形時,會有閃爍感

  • 光柵圖形顯示器
    工作原理：相鄰像素串接。
    刷新存儲器與分辨率及灰度的關係

    • VRAM中存放一幀圖形的形狀信息,它的地址和屏幕上的地址
      對應
    • VRAM=分辨率×灰度級
      如:1024×1024,24位色,RAM的容量1024×1024×248=3M

    DDA( Digital Differential Analysis)數據插補,將顯示文件變成象素信息
    優點:通用性強,灰度層次多,色調豐富,顯示覆雜圖形時無閃爍現象;所產生的圖形有陰影效應、隱藏面消除、塗色等功能，是目前流行的顯示器。

• 4. 圖像顯示設備

• 圖像顯示器
  簡單圖像顯示器：僅僅顯示計算機送來的數字圖像顯示器不作處理
  圖形處理子系統：專用計算機,圖形工作站

• IBM PC系列的顯示系統
  顯示標準： MDA，CGA，EGA，VGA，VESA，SVGA，TVGA

• VESA顯示模式
  顯示適配器(顯示卡)

  • 刷新存儲器
  • ROM BIOSE(用在DOS)
  • 顯示控制器
    給顯示器提供GRB三色信號及同步信號，CPU將主存已經修改好的內容在掃描回程的消隱期送到刷新存儲器
    圖形加速能力:位和塊傳送;畫線;顏色填充
    

  【例4】刷存的重要性能指標是它的帶寬。實際工作時顯示適配器的幾個功能部分要爭用刷存的帶寬。假定總帶寬的50%用於刷新屏幕,保留50%帶寬用於其他非刷新功能。
  (1)若顯示工作方式採用分辨率爲1024×768,顏色深度爲3B,幀頻(刷新速率)爲72Hz,計算刷存總帶寬應爲多少?
  (2)爲達到這樣高的刷存帶寬,應採取何種技術措施?
  解(1)∵刷新所需帶寬=分辨率×每個像素點顏色深度×刷新速率
  1024×768×3B×72/s=165888KB/s=162MB/s刷存總帶寬應爲162MB/s×100/50=324MB/s
  (2)爲達到這樣高的刷存帶寬,可採用如下技術措施:
  ①使用高速的DRAM芯片組成刷存;
  ②刷存採用多體交叉結構;
  ③刷存至顯示控制器的內部總線寬度由32位提高到64位,甚至
  ④刷存採用雙端口存儲器結構,將刷新端口與更新端口分開。

6. 輸入設備

常用的計算機輸入設備有圖形輸入設備(鍵盤、鼠標)、圖像輸入設備、語音輸入設備。常用的打印設備有激光打印機、彩色噴墨打印機等,它們都屬於硬拷貝輸出設備。