计算机组成原理——外部设备

第 10 章 外 部 设 备

基本知识点：外部设备的概念；常用的输入设备的工作原理；常用的输出设备的工作原理；硬盘存储器的工作原理；磁盘阵列的概念；光盘存储器的工作原理。

重 点：硬盘存储器的工作原理。

难 点：硬盘存储器的工作原理。

10.1 知识点 1：输入和输出设备

1. 外部设备

外部设备也称为外围设备，是指计算机系统中除主机（主机由 CPU 和主存构成）外的其他设备，用于直接或间接与计算机交换信息、改变信息媒体或载体形式的装置。

外部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。本章仅讨论前三类。

外部设备的基本组成如下。

☆ 存储介质：具有保存信息的物理特征。

☆ 驱动装置：用于移动存储介质。

☆ 控制电路：向存储介质发送数据或从存储介质接收数据。

2. 输入设备

1）键盘

键盘（Keyboard）是常用的输入设备，它是由一组开关矩阵组成，包括数字键、字母键、符号键、功能键及控制键等。每一个按键在计算机中都有它的唯一代码。当按下某个键时，键盘接口将该键的二进制代码送入计算机主机中，并将按键字符显示在显示器上。当快速输入大量字符，主机来不及处理时，先将这些字符的代码送往内存的键盘缓冲区，然后再从该缓冲区中取出进行分析处理。

键盘工作原理：当用户按下一个键后，由硬件判断哪个键被按并将其翻译成 ASCII 码

（编码键盘法）。

2）鼠标

鼠标器（Mouse）是一种手持式屏幕坐标定位设备，它是适应菜单操作的软件和图形处理环境而出现的一种输入设备，特别是在现今流行的 Windows 图形操作系统环境下应用鼠标器更是方便快捷。常用的鼠标器有机械式和光电式两种。

鼠标工作原理：当鼠标在平面上移动时，其底部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。

3. 输出设备

1）显示器

显示器种类很多，有 CRT（阴极射线管显示器）、LCD（液晶显示器）、等离子体显示器等。

CRT 显示器工作原理：用一个电子束密集地对荧光屏高速逐行扫描，通过对电子束的扼制，控制荧光屏上各点的隐或现，从而在荧光屏上显示字符或图形。

显示器的分辨率：显示器一般采用光栅扫描方式，用电子束从左向右、自上而下作水平扫描和垂直扫描，荧光屏上的每一个光点就是一个像素。分辨率就是整个屏幕上显示的

光点数目，即像素的多少，如：800×600，1024×768，1280×1024 等。

显示器的刷新率：光点只能保持极短的时间便会消失，为此必须在光点消失之前再重新扫描显示一遍，这个过程称为刷新。每秒刷新的次数称为刷新率。显示器常用的刷新率有：60Hz、70Hz、72Hz、75Hz、80Hz、85Hz、100Hz 和 120Hz 等。

为了不断提供刷新画面信号，必须把图像信息存储在一个视频存储器（VRAM，也称

刷新存储器或显示存储器）中，则分辨率为 a×b，每个像素用 m 个字节表示，则视频存储器容量=a×b×m，每个像素可表示 28×m种颜色，视频存储器的字长为 m。

在字符显示器中，以点阵为基础显示字符。通常将显示屏幕划分成许多方块，每个方块称为一个字符窗口，它包括字符显示点阵和字符间隔。在其控制电路中，包含点计数器、字计数器、行计数器和排计数器等。

其中，点计数器对一个字符的列数和字符横向间隔进行计数，为 9 分频，即输入 9 个点脉冲后完成一次计数循环，并向下一级计数器输出一个计数脉冲，这对应于一个字符横向 7 点，加上 2 点间距。

字计数器用来同步控制一条水平扫描线的正扫和回扫。由于一排可有 80 个字符，需要在扫描正程中显示，所以当字计数器由 0 计到 80 时，光栅从左向右扫满一行。然后进入回扫逆程，设逆程须占 18 个字符扫描时间（折合值），因此字符计数器为 80+18=98 分频，即每输入 98 个计数脉冲完成一个计数循环。

行计数器对字符窗口的高度进行控制，字符窗口的高度所占的扫描线数为 14。CRT每完成一次水平扫描，只能显示一排字符中的一行。只有依次扫描 9 行后，才能完整地显示出一排字符，再扫描 5 行并消隐之后，即形成排间的空白间距，所以行计数器为 9+5=14

分频。

排计数器对应于屏幕的垂直扫描及其回扫。正程显示 25 排字符，当排计数器从 0 计数到 25 时，光栅正好从上向下扫完一屏，然后进入回扫逆程，回到屏幕左上角。逆程时间等于扫描一排字符的时间，折合值为 1，所以计数分频值为 25+1=26。

液晶显示器与 CRT 显示器相比，具有工作电压低、功耗低、体积小、重量轻、无闪烁和辐射低的优点，目前已成为主流的显示器。

2）打印机

打印机按打字原理来分类，有击打式（如点阵式打印机、针式打印机）和非击打式（如

激光式打印机、喷墨式打印机）等类型。

按工作原理来分类，打印机又分为串行打印（逐字打印）和行式打印（一次输出一行）等。打印机工作原理：当打印机启动后，接收到计算机传送来的信息，并将接收到的信息

（内码形式）送到 RAM 暂时存起来，同时发出信号启动各电机的驱动电路，使机械系统处于工作状态，字符发生器将内码转换成打印机的点阵状态，通过驱动电路送至打印头。

10.2 知识点 2：外存储器

10.2.1 要点归纳

1. 硬盘存储器

硬盘存储器简称为硬盘，是一种磁介质存储器（磁盘）。硬盘一直是虚拟存储器技术的物质基础，执行程序时，作为交换缓冲区；关机时，硬盘作为操作系统和所有应用程序的非易失性的驻留介质。

1）硬盘的信息分布

在硬盘中信息分布呈记录面、磁道、圆柱面、扇区的层次：

☆ 记录面。硬盘驱动器中可有多个盘片（数量为 1~20 片），每个盘片有两个记录面，每个记录面对应一个磁头。

☆ 磁道。在读/写时，磁头固定不动，盘片高速旋转，磁化区构成一个闭合圆环，称为磁道。在盘面上，一条条磁道形成一组同心圆，最外圈的磁道为 0 号，往内则磁道号逐步增加（每个盘片可有 500~2500 条磁道）。

☆ 圆柱面。在一个盘组中，各记录面上相同编号（位置）的诸磁道构成一个圆柱面。

例如，某驱动器有 4 片 8 面，则 8 个 0 号磁道构成 0 号圆柱面，8 个 1 号磁道构成1 号圆柱面，依次类推。硬盘的圆柱面数等于一个记录面上的磁道数，圆柱面号即为对应的磁道号。

☆ 扇区。通常将一条磁道划分为若干个段，每个段称为一个扇区或扇段，每个扇区存放一个定长信息块（如 512 个字节）。一条磁道划分多少扇区，每个扇区可存放多少字节，一般由操作系统决定。磁道上的扇区编号从 1 号开始。

2）磁盘地址

主机向磁盘控制器发送寻址信息，磁盘地址一般表示如下：

 

若系统中有 4 个驱动器，每个驱动器带一个磁盘，每个磁盘有 256 个圆柱面。每个磁盘中有 16 个盘面，每个盘面划分为 16 个扇区，因此表示一个扇区地址要 18 位二进制代码，其格式如下：

 

3）硬盘的工作过程

一个硬盘可以有多个盘面，通常每个盘面有一个读写磁头，硬盘的主要操作是寻址、读盘和写盘。每种操作都对应一个控制字。硬盘工作时，第一步是取控制字，第二步是执行控制字。

① 取控制字。CPU 使用硬盘时，先启动硬盘，硬盘向 CPU 发中断请求，主机响应后，

从主存指定单元送出控制字，并给出回答信号。硬盘把控制字存入控制字寄存器，并利用

回答信号启动时序线路工作。

② 执行控制字。控制字可分为寻址、读盘、写盘三种，分别控制执行相关操作：

☆ 寻址操作。利用控制字中给定的地址，寻找对应扇区。

☆ 写盘操作。当寻址操作结束后，向 CPU 发出中断请求，取回写盘控制字。按照控制字给定的主存地址，再发取数请求，从主存中取出一个数据字，存入硬盘数据缓冲寄存器。由硬盘控制器的读写部件控制写盘操作，写入操作由盘组同步信号控制。每写完一个字，请求主存再送来一个字，同时交换字数计数器加 1，直到写完为止。

☆ 读盘操作。当寻址操作结束后，向 CPU 发中断请求，取回读盘控制字，放入控制字寄存器。与写盘类似，读盘操作也是由控制器的同步信号控制的。磁头读出的信号经放大整形，送入数据寄存器，汇齐一个数据字后再送入数据缓冲寄存器。硬盘向 CPU 发中断请求，将缓冲区中的数据存入指定的主存中。同时交换字数计数器加 1，直到读完为止。

从中看到，硬盘的读写操作是串行的，不可能在同一时刻既读又写，也不可能在同一时刻写两组数据或读两组数据。

4）硬盘的主要性能指标

① 硬盘容量

一个硬盘所能存储的字节总数称为硬盘容量。硬盘容量有格式化容量和非格式化容量

之分。非格式化容量是指磁记录表面可以利用的磁化单元总数，即：

非格式化容量=最大位密度×最内圈磁道周长×总磁道数

格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量：

格式化容量＝每道扇区数×扇区容量×总磁道数

新的磁盘在使用之前需要先进行格式化，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，这些信息占用了磁盘的存储空间，故格式化之后的有效存储容量要小于非格式化容量。

② 记录密度

☆ 记录密度是指盘片表面单位上记录的二进制信息的个数，用道密度、位密度和面密度表示。

☆ 道密度是沿硬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。

☆ 面密度是位密度和道密度的乘积。

硬盘驱动器的每个磁道上记录的扇区数是相同的，因而存储的信息量也是相同的，这意味着在磁盘上位密度是变化的。因为内圈磁道的周长短，外圈磁道的周长长，所以内圈磁道的位密度高，外圈磁道的位密度低，最内圈磁道的位密度（即最大位密度）决定了磁盘驱动器的容量。又因为每个磁道记录的信息量及转速是相同的，所以它们的数据传送率也是相同的。

③ 平均存取时间 Ta

若要读写扇区，磁盘控制器发出命令，先将磁头移动到包含有所需数据的磁道上，这个过程称为“寻道”，所需要的时间叫做寻道时间 Ts。有最小寻道时间、最大寻道时间和平均寻道时间。

将所需扇区转到磁头之下所需要的时间称为旋转延迟时间 Tr（也称为等待时间）。大部分磁盘的转速 r 在 3600rpm～10 000rpm，平均延迟是磁盘转半圈的时间，所以大部分磁盘的平均旋转时间为 Tr=1/(2r)。

传输时间 Tt（也称为读写时间）是指在磁头下传输一个数据块（通常是一个扇区）所需的时间。设 r 为转速（单位为转/秒），b 为每秒传送的字节数，N 为每磁道字节数，则

Tt=b/(rN)。

硬盘总的平均存取时间 Ta=Ts+Tr+Tt。

若还要考虑控制器开销 Tc，则硬盘总的平均存取时间 Ta=Ts+Tr+Tt+Tc。

④ 数据传输率

硬盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，称为数据传输率。假设硬盘旋转速度为 r（转/秒），每条磁道容量为 N 个字节，则数据传输率为 Dr=rN。

【例 10.1】已知某磁盘存储器转速为 2400 转/分，每个盘面有 200 个磁道，平均查找

时间为 60ms，每个磁道存储容量为 96KB，求磁盘的存取时间与数据传输率。

解：已知转速 2400 转/分=40 转/秒，则平均等待时间 Tr=1/(2×40)=12.5ms，每条磁道容

量 N=96KB，则有：磁盘存取时间 Ta=60ms+12.5ms=72.5ms（忽略传输时间 Tt和控制器开

销 Tc）。数据传输率 Dr=r×N=40×96KB=3840KB/s。

5）硬盘的接口标准

硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行的快慢和系统性能的好坏。硬盘接口分为 IDE、SCSI 和 SATA 等，IDE 接口硬盘多用于家用产品中，SCSI 接口硬盘则主要应用于服务器市场中，SATA 是一种新生的硬盘接口类型，在家用市场中有着广泛的前景。

2. 磁盘阵列

磁盘阵列（RAID）具有容量大、速度快、可靠性高、造价低廉等特点。它是目前解决计算机 I/O 瓶颈的有效方法之一，有着广阔的发展前景。

1）什么是 RAID

RAID（是 Redundent Array of Inexpensive Disks 的缩写，直译为“廉价冗余磁盘阵列” ），

也简称为磁盘阵列。后来 RAID 中的字母 I 被改为 Independent，RAID 就成了独立冗余磁盘阵列。可以把 RAID 理解成一种使用磁盘驱动器的方法，它将一组磁盘驱动器用某种逻辑方式联系起来，作为逻辑上的一个磁盘驱动器来使用。一般情况下，组成的逻辑磁盘驱动器的容量要小于各个磁盘驱动器容量的总和。

RAID 的优点如下：

☆ 成本低，功耗小，传输速率高。

☆ 提供容错功能。

☆ 比起传统的大直径磁盘驱动器，在同样的容量下，RAID 价格要低许多。

2）RAID 的分级

RAID 可分为如表 10.1 所示的 6 个级别，在 RAID1～RAID5 的几种方案中，不论何时有磁盘损坏，都可以随时拔出受损的磁盘再插入好的磁盘，数据不会损坏，失效盘的内容可以很快地重建，重建工作由 RAID 硬件或 RAID 软件来完成。

 

RAID0 级别把连续的多个数据块交替地分别放到不同物理磁盘的扇区中，几个磁盘交叉并行读写，不仅扩大了存储容量，而且提高了磁盘数据存取速度，但 RAID0 没有容错能力，如图 10.1 所示。

 

RAID1 级别主要是为了提高可靠性，使两磁盘同时进行读写，互为备份，又称磁盘镜像。在工作中如果一个磁盘出现故障，可从另一磁盘中读出数据，不影响工作，也不降低

速度。但两个磁盘当一个磁盘使用，意味着容量减少一半，如图 10.2 所示。

RAID 各级别的比较如下。

☆ RAID0：高性能，磁盘利用率高，但系统可靠性差。

☆ RAID1：系统可靠性好，设计简单，但硬件开销大，效率低。

☆ RAID2：高速误差校正，数据传输速率高，设计较简单，但校正空间较大，磁盘阵列利用率较低，需要同步控制。

☆ RAID3：读写速度快，磁盘失效对吞吐率的影响较小，盘阵列利用率高，但设计较复杂。

☆ RAID4：读写速度快，磁盘阵列利用率高，但设计较复杂，磁盘失效对吞吐率的影响较大。

☆ RAID5：读数据速率最高，磁盘阵列利用率高，但磁盘失效对系统可靠性有一定影响，控制器设计复杂。

 

3）磁盘阵列的实现方式

目前实现磁盘阵列的方式主要有以下两种。

☆ 软件阵列：是指通过网络操作系统自身提供的磁盘管理功能将连接的普通 SCSI 卡上的多块硬盘配置成逻辑盘，组成阵列。软件阵列可以提供数据冗余功能，但是磁盘子系统的性能会有所降低，有的降幅还比较大，达 30%左右。

☆ 硬件阵列：使用专门的磁盘阵列卡来实现，能够提供在线扩容、动态修改阵列级别、自动数据恢复、驱动器漫游、超高速缓冲等功能。它的性能要远远高于常规非阵列硬盘，并且更安全更稳定。

3. 光盘存储器

光盘存储器是一种采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息的新型存储装置，具有记录密度高、存储容量大、信息保存寿命长、工作稳定可靠等特点。光盘的光道是一条由内向外的连续螺旋线，二进制数据以微观的凹痕形式记录在螺旋轨道的光道上，不同的光道其位密度可能不同。光道从盘的中心开始直到盘的边缘结束，用凹痕和凸痕的形式记录二进制“0”和“1”，然后覆上一层薄铝反射层，最后再覆上一层透明胶膜保护层，并在保护层的一面印上标记。

光盘的类型如下：

☆ CD-ROM 光盘。只读型光盘，它由生产厂家预先写入数据和程序，使用时用户只能读出，不能修改或写入新内容。

☆ CD-R 光盘。可由用户写入信息，写入后可以多次读出，但只能写入一次，信息写入后将不能再修改，所以称为只写一次型光盘。

☆ CD-RW 光盘。是可以写入、擦除、重写的可逆性记录系统。这种光盘类似于磁盘，可重复读/写。

☆ DVD-ROM 光盘。DVD 代表通用数字化多功能光盘，简称高容量 CD。事实上，任何 DVD-ROM 光驱都是 CD-ROM 光驱。DVD 除了密度较高以外，其他技术与CD-ROM 完全相同。

光盘存储器由光盘控制器和光盘驱动器组成：

☆ 光盘控制器。包括数据输入缓冲区、记录格式器、编码器、读出格式器和数据输出

缓冲器等。

☆ 光盘驱动器。包括主轴电机驱动机构、定位机构、光头装置等。