2021-08-12

I/O设备接口

I/O设备与主机一般需要通过连接器实现互联,计算机中用于连接I/O设备的各种插头/插座以及相应的通信规程及电气特性,就称为I/O设备接口,简称I/O接口。
PC可以连接许多不同种类的I/O设备,所使用的I/O接口分成多种类型。从数据传输方式来分,有串行(一位一位地传输数据,一次只传输1位)和并行(8位、16位或32位一起进行传输)之分;从数据传输速率来分,有低速和高速之分;从是否能连接多个设备来分,有总线式(可串接多个设备,被多个设备共享)和独占式(只能连接1个设备)之分;从是否符合标准来分,有标准接口与专用接口之分。表3.1所示为当前PC常用I/O接口的一览表及其性能的对比

PC常用I/O接口

通用串行总线(Universal Serial Bus,USB),它是一种可以连接多个设备的总线式串行接口,由Compaq、IBM、Intel、Microsoft、NEC等公司共同开发而成,现在已经在PC、数码相机、MP3播放器等许多设备中普遍使用

在USB接口中,数据的高速串行传输是使用差分信号来实现的。早先的USB 1.0和USB 1.1用于连接中低速设备,现在已很少使用。现在广泛使用的USB 2.0的最高数据传输速率可达480Mbit/s(60MB/s),用来连接硬盘等高速设备。性能更好的USB 3.0有效传输速率可达3.2Gbit/s(400MB/s)

常用输入设备

输入设备用于向计算机输入命令、数据、文本、声音、图像和视频等信息,它们是计算机系统必不可少的重要组成部分。本节介绍键盘、鼠标器、触摸屏、扫描仪、数码相机等常用的输入设备。此外,条形码扫描器、磁卡阅读器、IC卡读卡器等也是计算机常用的数据输入设备

常用输出设备

输出设备(Output Device)是计算机的终端设备,用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。最常见的有显示器、打印机

显示器与显卡

显示器是计算机必不可少的一种图文输出设备,其作用是将数字信号转换为光信号,使文字与图形在屏幕上显示出来。没有显示器,用户便无法了解计算机的处理结果和所处的工作状态,也无法进行操作。

计算机显示器系统通常由两部分组成——显示器和显示控制器。显示器是一个独立的设备,显示控制器在PC中多半做成扩充卡的形式,所以也叫作显示卡(显卡)、图形卡或者视频卡。有些PC的CPU芯片或北桥芯片中已包含有显卡功能(集成显卡),这样做一方面成本较低,同时也节省了一个插槽

外存储器

计算机传统的外存储器是硬盘(Hard Disk Drive,HDD)、各种光盘、U盘和存储卡等

硬盘存储器组成与原理

硬盘存储器由磁盘盘片(存储介质)、主轴与主轴电机、移动臂、磁头和控制电路等组成,它们全部密封于一个盒状装置内
硬盘的盘片由铝合金或玻璃材料制成,盘片的上下两面都涂有一层很薄的磁性材料,通过磁性材料粒子的磁化来记录数据。磁性材料粒子有两种不同的磁化方向,分别用来表示记录的是“0”和“1”。盘片表面由外向里分成许多同心圆,每个圆称为一个磁道,盘面上一般都有几千个磁道,每条磁道还要分成几千个扇区,每扇区的容量一般为512字节或4KB(容量超过2TB的硬盘)。盘片两侧各有一个磁头,两面都可记录数据

通常,一块硬盘由1~5张盘片(1张盘片也称为1个单碟)组成,所有盘片上相同半径处的一组磁道称为“柱面”。所以,硬盘上的数据需要使用3个参数来定位——柱面号、扇区号和磁头号。硬盘中的所有单碟都固定在主轴上。主轴底部有一个电机,当硬盘工作时,电机带动主轴,主轴带动盘片高速旋转,其速度为每分钟几千转甚至上万转。盘片高速旋转时带动的气流将盘片两侧的磁头托起。磁头是一个质量很轻的薄膜组件,它负责盘片上数据的写入或读出。移动臂用来固定磁头,并带动磁头沿着盘片的径向高速移动,以便定位到指定的磁道

由于盘片转动速度特别快,信息记录密度很高,磁头悬浮在高速转动的盘片两侧,距离很小(大约0.01m),又不能与盘片接触,这就要求硬盘在无灰尘、无污染的环境中工作。因此,硬盘的盘片、磁头、驱动机构及其控制电路等全部密封在一起构成一个密封的组合件

硬盘上的数据读写速度与机械运动有关,因此完成一次读写操作较慢,大约需要10ms。为此,硬盘通过将数据暂存在一个比其速度快得多的缓冲区中来加快它与主机交换数据的速度,这个缓冲区就是硬盘的高速缓存(Cache)。硬盘的高速缓存由DRAM芯片构成。在读硬盘中的数据时,磁盘控制器先检查所需数据是否在缓存中,如果在的话就由缓存送出所需要的数据,这样就不必访问硬盘了,只有当缓存中没有该数据时,才向硬盘查找并读出数据。由于DRAM的速度比磁介质快很多,因此也就加快了数据传输的速度

硬盘与主机的接口是主机与硬盘驱动器之间的信息传输通道。PC使用的硬盘接口多年来大多采用IDE接口,也称为并行ATA接口(PATA),如Ultra ATA100或Ultra ATA133接口,传输速率分别为100MB/s和133MB/s

固态硬盘

固态硬盘(Solid State Disk,SSD)是用固态电子存储芯片(主要是NAND型闪存储器)阵列而制成的硬盘,由控制单元和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)组成

读写速度快:固态硬盘不用磁头,寻道时间几乎为0。而最常见的7200转机械硬盘的寻道时间一般为12~14ms,而固态硬盘可以轻易达到0.1ms甚至更低

防震抗摔性:因为SSD固态硬盘内部不存在任何机械部件,这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使用,而且在发生碰撞和震荡时能够将数据丢失的可能性降到最小

低功耗:固态硬盘在功耗上低于传统硬盘

无噪声、发热量小、散热快

工作温度范围大:典型的硬盘驱动器只能在5℃~55℃范围内工作。而大多数固态硬盘可在-10℃~70℃工作

寿命限制:固态硬盘闪存具有擦写次数限制的问题,如34nm的闪存芯片寿命约是5000次P/E(完全擦写一次叫作1次P/E),而25nm的寿命约是3000次P/E(普通用户正常使用,即使每天写入50G,平均2天完成一次P/E,3000个P/E能用20年

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