计算机组成原理学习笔记——计算机外围设备

• 外部设备，也叫做外围设备，是除主机外的能直接或间接与计算机交换信息的装置，如键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘存储器和光盘存储器等。

一、输入设备

1、键盘

• 这是最为常用的输入设备，通过键盘我们可以向计算机发出命令和输入数据。
• 键盘通常以矩阵的形式排列按键，每个按键都标明其含义和作用；一个按键就是一个开关，按下按键电信号连通；松开按键电信号断开。
• 键盘输入信息的基本过程就是：①查明按下的键是哪个；②将该键翻译成能被主机接收的编码，如ASCII码；③将编码发送给主机。

2、鼠标

• 鼠标是一种常用的定位输入设备，将用户的操作与计算机屏幕上的位置信息相联系。常用的鼠标有光电式和机械式。
  工作原理就是：鼠标在平面上移动，鼠标内部的传感器把运动的方向和距离检测出来，从而控制光标做相应的运动。

二、输出设备

1、显示器

• 显示器按显示器件分类主要有阴极射线管（CRT）显示器、液晶显示器（LCD）、发光二极管（LED）显示器；按所显示的信息内容分类有字符显示器、图形显示器和图像显示器。显示器属于点阵方式运行的设备，有以下主要参数：
• 屏幕大小：以对角线长度表示，常用的是12~29英寸。
  分辨率：所能表示的像素个数，屏幕上每个光点就是一个像素，以宽和高的像素的乘积表示，如 1920*1080.
• 灰度级：指黑白显示器中所显示的像素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色的不同，灰度级越多，图像层次越清楚、逼真，典型的有8位（256级）和16位等。
• 刷新：光点只能保持极短的时间就会消失，为此必须在光点消失之前再重新扫描显示一遍，这个过程称之为刷新。
• 刷新频率：指单位时间内扫描整个屏幕内容的次数，依据人的视觉生理，刷新频率必须大于 30Hz 时才不会感到闪烁，通常显示器的刷新频率为 60~120Hz。
• 显示存储器（VRAM）：也称刷新存储器，为了不断提高刷新图像的信号，必须把一帧图像信息存储在刷新存储器中。其存储容量有图像分辨率和灰度级决定，分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器容量越大。

	VRAM 容量 = 分辨率*灰度级位数
	VRAM 带宽 = 分辨率*灰度级位数*帧频

1）CRT 显示器

• 主要由电子枪、偏转线圈、荫罩、高压石墨电极、荧光粉涂层和玻璃外壳 5 部分组成，具有可视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短等目前 LCD 显示器无法超越的优点。

①字符显示器

• 显示字符的方法以点阵为基础。点阵是指由n*m个点组成的阵列；点阵的多少取决于显示字符的质量和显示字符窗口大小；字符窗口指每个字符在屏幕上所占的点数，包括字符显示点阵和字符间隔。
• 将点阵存入由 ROM 构成的字符发生器中，在 CRT 进行光栅扫描的过程中，从字符发生器依次读出某个字符的点阵，按照点阵中0和1代码的不同控制扫描电子束的开和关，从屏幕上显示字符。对应于每个字符窗口，所需显示的字符的 ASCII 代码被存在视频存储器 VRAM 中，以备刷新。

②图形显示器

• 将所显示的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中，缓存中的显示文件传送给矢量（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。为屏幕上保留持久的图像，需要按一定的频率对屏幕反复刷新。这种显示器的优点是分辨率高且显示的曲线平滑。目前高质量的图形显示器采用这种随即扫描方式。缺点就是显示复杂图形时，会有闪烁感。

2）LCD 显示器

• 利用液晶的电光效应，由图像信号电压直接控制薄膜晶体管，再间接控制液晶分子的光学特性来显示图像。特点是体积小、重量轻、省电、无辐射、绿色环保、画面柔和、不伤眼等。

3）LED显示器

• 通过控制半导体发光二极管来显示文字、图形、图像等各种信息。在亮度、功耗、可视角度和刷新频率等方面优于LCD显示器。

2、打印机

• 按工作原理分为击打式和非击打式；按工作方式分为点阵打印机、针式打印机、喷墨打印机、激光打印机。

1）针式打印机

• 在联机状态下，主机发出命令，在一定控制装置的作用下，间歇驱动纵向送纸和打印头横向移动，同时驱动打印机间歇冲击色带，在纸上打印出所需的内容。
• 特点：擅长“多层复写打印”，实现各种票据或蜡纸等打印；工作原理简单、造价低廉、耗材（色带）便宜。打印分辨率低，打印速度慢。

2）喷墨式打印机

• 带电的喷墨雾点经过电极偏转后，直接在纸上形成所需的字形。彩色喷墨打印机基于三基色原理，分别喷射三种颜色的墨滴，按一定比例混合出所要求的颜色。
• 特点：打印噪声小，可实现高质量彩色打印，打印速度较针式打印机快；防水性差，高质量打印需要专门的打印纸。

3）激光打印机

• 计算机输出二进制信息，经过调制后的激光束扫描，在感光鼓上形成潜像，在经过显影、转印和定影，在纸上得到所需的字符或图像。
• 特点：打印质量高、速度快、噪声小、处理能力强；但耗材多、价格较贵、不能复写打印多份，且对纸张要求高。
• 激光打印机是将激光技术和电子显像技术相结合的产物；感光鼓也叫硒鼓，是激光打印机的核心部件。

三、外存

• 外部存储器，也即辅助存储器，目前主要使用磁表面存储器——指把某些磁性材料薄薄地涂匀在金属铝或塑料表明上作为载磁体来存储信息，常见的磁盘存储器、磁带存储器和磁鼓存储器都属于磁表面存储器。
• 磁表面存储器优点：存储容量大、位价格低；记录介质可重复使用；记录信息可长期保存而不丢失，甚至可脱机存档；非破坏性读出，读出时不需要再生。
• 缺点：存取速度慢，机械结构复杂，对工作环境要求高。

1、磁盘存储器

1）组成

①存储区域

• 一个硬盘含有若干记录面，每个记录面划分为若干磁道，每条磁道又划分为若干扇区，扇区也称块是磁盘读写的最小单位，磁盘按块存取。
• 磁头数（Heads）：即记录面数，表示硬盘共有多少个磁头，磁头用于读取/写入盘片上记录面的信息，一个记录面对应一个磁头。
• 柱面数（Cylinders）：表示硬盘每面盘片上共有多少条磁道；因为一个盘组中，不同记录面的相同编号——位置的诸磁道构成一个圆柱面。
• 扇区数（Sectors）：表示每条磁道上有多少个扇区。

②硬盘存储器的组成

• 硬盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和盘片组成。
• 磁盘驱动器：核心部件是磁头组件和盘片组成，温彻斯特盘是一种可移动磁头固定盘片的硬盘存储器。
• 磁盘控制器：硬盘存储器和主机的接口，主流的标准有 IDE、SCSI、SATA等。

2）磁记录原理

• 原理：磁头和磁性记录介质相对运动时，通过电磁转换完成读/写操作。
• 编码方法：按某种规律，把一串二进制信息变换成存储介质磁层中的一个磁化翻转状态的序列，并使读/写控制电路容易、可靠地实现转换。
• 磁记录方式：通常采用调频制（FM）和改进型调频制（MFM）的记录方式。

3）磁盘的性能指标

• 容量：磁盘所能存储的字节总数，分为格式化容量和非格式化容量两种；非格式化指磁记录表面可以利用的磁化单元总数，格式化容量指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量。
• 记录密度：指盘片单位面积记录的二进制信息量，通常以道密度、位密度和面密度表示；道密度指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，面密度是指位密度和道密度的乘积。
• 平均存取时间：由寻道时间、旋转延迟时间和传输时间构成，前两部分取平均值，因为寻道和找扇区的距离远近不一。寻道是指磁头移动到目的磁道；旋转延迟时间，是指磁头定位到要读/写扇区的时间，取旋转一周时间的一半。
• 数据传输速率：磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数；设磁盘转数 r 转/秒，每条磁道容量 N 字节，则传输率为：
  Dr = rN

4）磁盘地址

• 磁盘地址格式如下：
  驱动器号 柱面号 盘面号 扇区号

• 若计算机有四个驱动器，每个驱动器一个磁盘，每个磁盘 256 个磁道（磁面）、16 个盘面，每个盘面 16 个扇区，则需要 18 位二进制代码才能确定一个扇区：2 位驱动器号+8 位柱面号+4 位盘面号+4 位盘面号。

5）硬盘的工作过程

• 硬盘操作：寻址、读盘、写盘。每个操作对应一个控制字，因此硬盘工作时，先取控制字再执行控制字。硬盘属于机械式部件，读写操作是串行的，不能再同一时刻既读又写，也不能再同一时刻读两组数据或写两组数据。

2、磁盘阵列

• RAID，廉价冗余磁盘阵列；指将多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑盘，数据在多个物理盘上分割交叉存储、并行访问，具有更好的存储性能、可靠性和安全性。
• RAID 分为5级方案，在这些方案中，无论何时有磁盘损坏，都可随时拔出受损的磁盘再插入好的磁盘，而数据不会损坏，提高了系统可靠性。

		RAID0：无冗余和无校验的磁盘阵列。
		RAID1：镜像磁盘阵列。
		RAID2：采用纠错的海明校验码的磁盘阵列。
		RAID3：位交叉奇偶校验的磁盘阵列。
		RAID4：块交叉奇偶校验的磁盘阵列。
		RAID5：无独立的奇偶校验磁盘阵列。

• RAID0 将连续多个数据块交替存放在不同物理磁盘的扇区中，几个磁盘交叉并行读写，扩大了存储容量，提高存取速度，但是没有容错能力。
• RAID1 让两个磁盘同时进行读写，互为备份，若一个磁盘故障，可从另一个磁盘读出数据，也就是两个磁盘当一个磁盘使用。
• RAID 通过使用多个磁盘提高传输速率通过再磁盘上并行存取来提高存储系统的吞吐量；通过镜像功能提高安全可靠性；通过数据校验提供容错能力。

3、光盘存储器

• 利用光学原理读/写信息的存储装置，采用聚焦激光束对盘式介质以非接触方式记录信息。
  完整的光盘存储系统由光盘片、光盘驱动器、光盘控制器和光盘驱动软件组成。光盘片由透明的聚合物基片、铝合金反射层、漆膜保护层的固盘构成。
• 特点：具有存储密度高、携带方便、成本低、容量大、存储期限长和容易保存等优点。
• 光盘类型如下：

		CD-ROM：只读型光盘，只能读出其中的内容，不能写入或修改。
		CD-R：只可写入一次信息，之后不可修改。
		CD-RW：可读可写光盘，可以重复读写。
		DVD-ROM：高容量的CD-ROM，DVD 表示通用数字化多功能盘。

4、固态硬盘

• 采用高性能的 Flash Memory作为硬盘来记录数据，这种“硬盘”称为固态硬盘；固态硬盘除了需要 Falsh Memory 外，还需要其他硬件和软件的支持。

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