第七章 磁帶存儲設備(白中英第五版)

計算機組成原理第七章磁帶存儲設備01二月20237.1外圍設備概述一、外圍設備的一般功能外圍設備的定義：這個術語涉及到相當廣泛的計算機部件。除了CPU和主存外，計算機系統(tǒng)的每一部分都可作為一個外圍設備來看待。外圍設備的功能：在計算機和其他機器之間，以及計算機與用戶之間提供聯系。01二月20237.1外圍設備概述外圍設備的基本組成：(1)存儲介質，它具有保存信息的物理特征。(2)驅動裝置，它用于移動存儲介質。(3)控制電路，它向存儲介質發(fā)送數據或從存儲介質接受數據。01二月20237.1外圍設備概述01二月2023二、外圍設備的分類一個計算機系統(tǒng)配備什么樣的外圍設備，是根據實際需要來決定的。

計算機的五大類外圍設備請參看CAI演示(圖7.1)。中央部分是CPU和主存，通過總線與第二層的適配器(接口)部件相連，第三層是各種外圍設備控制器，最外層則是外圍設備。

7.1外圍設備概述01二月2023外圍設備可分為輸入設備、輸出設備、外存設備、數據通信設備和過程控制設備幾大類。每一種外圍設備，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適配器和主機連接，并受主機控制。7.2顯示設備01二月2023一、顯示設備的分類與有關概念以可見光的形式傳遞和處理信息的設備叫顯示設備，是目前計算機系統(tǒng)中應用最廣泛的人機界面設備。按顯示設備所用的顯示器件分類，有陰極射線管(CRT)顯示器、液晶顯示器(LCD)、等離子顯示器等。顯示適配器結構框圖7.2顯示設備01二月2023按所顯示的信息內容分類，有字符顯示器、圖形顯示器、圖像顯示器三大類。在CRT顯示設備中，以掃描方式不同，分成光柵掃描和隨機掃描兩種顯示器；以分辨率不同，分成高分辨率顯示器和低分辨率顯示器；以顯示的顏色分類，有單色(黑白)顯示器和彩色顯示器。以CRT熒光屏對角線的長度分類，有12英寸、14英寸、16英寸、19英寸等多種。7.2顯示設備01二月20231.分辨率和灰度級分辨率是指顯示器所能表示的像素個數。像素越密，分辨率越高，圖像越清晰。分辨率取決于顯象管熒光粉的粒度、熒光屏的尺寸和CRT電子束的聚焦能力。同時刷新存儲器要有與顯示像素數相對應的存儲空間，用來存儲每個像素的信息。

7.2顯示設備01二月2023灰度級是指黑白顯示器中所顯示的像素點的亮暗差別，在彩色顯示器中則表現為顏色的不同。灰度級越多，圖像層次越清楚逼真。灰度級取決于每個像素對應刷新存儲器單元的位數和CRT本身的性能。字符顯示器只用“0”“1”兩級灰度表示字符的有無，這種只有兩級灰度的顯示器稱為單色顯示器。具有多種灰度級的黑白顯示器為多灰度級黑白顯示器。圖像顯示器的灰度級一般在256級以上。7.2顯示設備01二月20232、刷新和刷新存儲器

CRT發(fā)光是由電子束打在熒光粉上引起的。電子束掃過之后其發(fā)光亮度只能維持幾十毫秒便消失。為了使人眼能看到穩(wěn)定的圖像顯示，必須使電子束不斷地重復掃描整個屏幕，這個過程叫做刷新。按人的視覺生理，刷新頻率大于30次/秒時才不會感到閃爍。顯示設備中通常選用電視中的標準，每秒刷新50幀圖像。7.2顯示設備01二月2023為了不斷提供刷新圖像的信號，必須把一幀圖像信息存儲在刷新存儲器，也叫視頻存儲器。其存儲容量由圖像分辨率和灰度級決定。分辨率越高，灰度級越多，刷新存儲器容量越大。刷新存儲器的存取周期必須滿足刷新頻率的要求。容量和存取周期是刷新存儲器的重要技術指標。7.2顯示設備01二月20233.隨機掃描和光柵掃描隨機掃描是控制電子束在CRT屏幕上隨機地運動，從而產生圖形和字符。電子束只在需要做圖的地方掃描，而不必掃描全屏幕，因此這種掃描方式畫圖速度快，圖像清晰。高質量的圖形顯示器(如分辨率為4096×4096)采用隨機掃描方式。由于這種掃描方式的偏轉系統(tǒng)與電視標準不一致，驅動系統(tǒng)較復雜，價格較貴。

7.2顯示設備01二月2023

光柵掃描是電視中采用的掃描方法。在電視中圖像充滿整個畫面，因此要求電子束掃過整個屏幕。光柵掃描是從上至下順序掃描，采用逐行掃描和隔行掃描兩種方式。光柵掃描的缺點是冗余時間多，分辨率不如隨機掃描方式，但由于電視技術業(yè)已成熟，計算機系統(tǒng)中除高質量圖形顯示器外，大部分字符、圖形、圖像顯示器都采用光柵掃描方式。7.2顯示設備01二月2023二、字符/圖形顯示器不同的計算機系統(tǒng)，字符顯示器的組成方式也不同。在大中型計算機中，顯示器作為終端設備獨立存在，即鍵盤輸入和CRT顯示輸出是一個整體，通過標準的串行接口與主機相連。在微型機系統(tǒng)中，CRT顯示輸出和鍵盤輸入是兩個獨立的設備，顯示系統(tǒng)由插在主機槽中的顯示控制板和顯示器兩部分組成。7.2顯示設備01二月20231.字符顯示顯示字符的方法以點陣為基礎。點陣是由m*n個點組成的陣列，并以此來構造字符。將點陣存入由ROM構成的字符發(fā)生器中，在CRT顯示器中依次讀出某個字符的點陣，按照點陣中0和1代碼不同控制掃描電子束的開火關，而在屏幕上顯示出字符，見圖7.2（a)。7.2顯示設備01二月2023點陣的多少取決于顯示字符的質量和字符窗口的大小。字符窗口是指每個字符在屏幕上所占的點數，它包括字符顯示點陣和字符間隔。在IBM／PC系統(tǒng)中，屏幕上共顯示80列*25行=2000個字符，故字符窗口數目為2000。在單色字符方式下，每個字符窗口為9*14點陣，字符為7*9點陣。7.2顯示設備01二月20237.2顯示設備01二月2023對應于每個字符窗口，所需顯示字符的ASCII代碼被存放在視頻存儲器VRAM中，以備刷新，故VRAM應有2000個單元存放被顯示的字符信息。字符發(fā)生器ROM的高位地址來自VRAM的ASCII代碼，低位地址來自光柵地址計數器的輸出RA3－RA0，它具體指向這個字形點陣中的某個字節(jié)。在顯示過程中，按照VRAM中的SACII碼和光柵地址計數器訪問ROM，依次取出字形點陣，就可以完成一個字符的輸出，見圖7.2（b）。7.2顯示設備01二月2023圖7.2（C）是字符顯示器的原理框圖。其中虛線框為定時控制電路，在PC機中已做成CRT的專用控制芯片MC6845。其中的核心是點計數器、水平地址計數器、光柵地址計數器和垂直地址計數器，由它們來控制顯示器的逐點、逐字、逐行、逐屏的刷新顯示。7.2顯示設備01二月20237.2顯示設備01二月2023

點振蕩器產生16.257MHZ的點時鐘，用來控制ROM中每行9個點依次移位輸出。點計數器對點時鐘9分頻，輸出的字符時鐘是顯示控制器的定時信號，同時它也控制移位寄存器的加載（S為移位控制端，L為并行輸入控制端）。當一個字符的9個點陣輸出結束以后，輸出下一個字符中同一行的9個點。水平地址計數器對一行的顯示進行控制，送出當前要顯示的這一行字符的VRAM地址。每行有效顯示80個字符．7.2顯示設備01二月2023當光柵從一行結束回到另一行開始時，屏幕上不應該顯示，這一段稱為水平回掃消隱期，在此期間產生水平同步信號，輸出到顯示器，與此同時水平消隱信號控制移位寄存器不要加載。水平消隱期共占用18個字符時鐘的時間。光柵地址計數器對字符窗口的高度進行控制。因字符窗口的高度為14，字符點陣高度為9，行間隔為5個點陣，故光柵地址計數器控制一個字符的9行點陣逐行輸出，并在最后5行進行行間消隱。7.2顯示設備01二月2023垂直地址計數器控制一屏幕25行字符的顯示，與水平回掃類似，光柵到達屏幕底部最后一行字符時需要回到屏幕頂部第一行，這一過程稱為垂直回掃，它需要一行的顯示時間，并向顯示器輸出垂直同步信號?；貟咂陂g同樣需要消隱，故垂直銷隱信號控制移位寄存器不加載。7.2顯示設備01二月2023VRAM的地址由水平地址計數器（列地址）和垂直地址計數器（行地址）決定。VRAM輸出的ASCII代碼作為ROM的高位地址，ROM的低位地址來自光柵地址計數器。ROM的輸出在L信號控制下并行裝入移位寄存器，然后在點時種控制下移位輸出形成視頻信號，輸出到顯示器。顯示器在水平同步、垂直同步和視頻信號的控制下，連續(xù)不斷地進行屏幕刷新，從而呈現穩(wěn)定而不消失的字符圖象。

7.2顯示設備01二月2023［例1］某CRT顯示器可顯示64種ASCII字符，每幀可顯示64字*25排；字符字形采用7*8點陣，即橫向7點，字間間隔1點，縱向8點，排間間隔6點；幀頻50Hz，采取通行掃描方式。問：（1）緩存容量有多大？（2）字符發(fā)生器（ROM）容量有多大？

（3）緩存中存放的是ASCII代碼還是點陣信息？（4）緩存地址與屏幕顯示位置如何對應？（5）設置哪些計數器以控制緩存訪問與屏幕掃描之間的同步？它們的分頻關系如何？

7.2顯示設備01二月2023解：（1）緩存容量為64*25=1600字節(jié)。（2）ROM容量為64*8=512字節(jié)。（3）緩存中存放的是待顯示字符的ASCII代碼。（4）顯示位置自左至右，從上到下。相應地，緩存地址由低到高，每個地址碼對應一個字符顯示位置。（5）由計數器8:1分頻；字計數器(64+12):l分頻；行計數器（8＋6）:1分頻；排計數器（25+1）:1分頻。7.2顯示設備01二月20232、圖形顯示是指用計算機手段表示現實世界的各種事物，并形象逼真地加以顯示。根據產生圖形的方法，分隨機掃描圖形顯示器和光柵掃描圖形顯示器。7.2顯示設備01二月2023(1)隨機掃描圖形顯示器

工作原理是將所顯示圖形的一組坐標點和繪圖命令組成顯示文件存放在緩沖存儲器，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。為了在屏幕上保留持久穩(wěn)定的圖像，需要按一定的頻率對屏幕反復刷新。這種顯示器的優(yōu)點是分辨率高(可達4096×4096個像素)，顯示的曲線平滑。目前高質量圖形顯示器采用這種隨機掃描方式。缺點是當顯示復雜圖形時，會有閃爍感。7.2顯示設備01二月2023(2)光柵掃描圖形顯示器產生圖形的方法稱為相鄰像素串接法，即曲線是由相鄰像素串接而成。因此光柵掃描圖形顯示器的原理是：把對應于屏幕上每個像素的信息都用存儲器存起來，然后按地址順序逐個地刷新顯示在屏幕上。其組成結構如圖：7.2顯示設備01二月2023圖7.3光柵掃描圖形顯示器組成框圖7.2顯示設備01二月2023程序段緩沖存儲器存放由計算機送來的顯示文件和交互式的圖形操作命令。由圖形輸入設備指定操作性質和操作位置，如圖形的局部放大、平移、旋轉、比例變換及圖形檢索等。這些操作在緩存中完成比傳送到主機中用軟件實現效率高得多。刷新存儲器中存放一幀圖形的形狀信息，它的地址和屏幕上的地址—一對應，如屏幕的分辨率為1024*1024個象素，刷存就要有IO24*1024個單元；屏幕上象素的灰度為256級，刷存每個單元的字長就是8位。因此刷存的容量直接取決于顯示器的分辨率和灰度級。換言之，此時需要有1MB的刷存與之對應。7.2顯示設備01二月2023程序段緩存和刷存之間有一個DDA部件，它是一種進行數據插補的硬件，其作用是把顯示文件變換為象素信息，即根據顯示文件給出的曲線類型和坐標值，生成直線、圓、拋物線乃至更復雜的曲線。插補后的數據（象素信息）存入刷存用于刷新顯示。7.2顯示設備01二月2023光柵掃描圖形顯示器的優(yōu)點是通用性強，灰度層次多，色調豐富，顯示復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、涂色等功能。它的出現使圖形學的研究從簡單的線條圖擴展到豐富多彩、形象逼真的各種立體及平面圖形，從而擴大了計算機圖形學的應用領域，成為三種圖形顯示器中目前應用最多的顯示器。

7.2顯示設備01二月2023【例2】下圖為IBMPC機漢字顯示原理圖，請分析此原理圖并進行文字說明。7.2顯示設備01二月2023【解】

在IBMPC系列微型計算機系統(tǒng)中，漢字輸出是利用通用顯示器和打印機，在主機內部由通用的圖形顯示卡形成點陣碼以后，將點陣碼送到輸出設備，輸出設備只要具有輸出點陣的能力就可以輸出漢字。以這種方式輸出的漢字是在設備可以畫點的圖形方式下實現的，因此常稱這種漢字為圖形漢字。

7.2顯示設備01二月2023如圖7.4所示，通過鍵盤輸入的漢字編碼，首先要經代碼轉換程序轉換成漢字機內代碼，轉換時要用輸入碼到碼表中檢索機內碼，得到兩個字節(jié)的機內碼，字形檢索程序用機內碼檢索字模庫，查出表示一個字形的32個字節(jié)字形點陣送顯示輸出。7.2顯示設備01二月2023三、圖象顯示設備圖象的概念與圖形的概念不同。圖形是用計算機表示和生成的圖，稱作主觀圖象。在計算機中表示圖形，只需存儲繪圖命令和坐標點，沒有必要存儲每個象素點。而圖象所處理的對象多半來自客觀世界，即由攝象機攝取下來存入計算機的數字圖象，這種圖象稱為客觀圖象。由于數字化以后逐點存儲，因此圖象處理需要占用非常龐大的主存空間。7.2顯示設備01二月2023圖象顯示器采用光柵掃描方式，其分辨率在256*256或512*512個象素，與圖形顯示兼容的圖象顯示器已達1024*1024，灰度組在64.256級。

圖象顯示器有兩種類型。一種是圖7.4所示的簡單圖象顯示器，它僅僅顯示由計算機送來的數字圖象。圖象處理操作在計算機中完成，顯示器不做任何處理。7.2顯示設備01二月20237.2顯示設備01二月2023虛線框中的I/O接口、圖象存儲器（刷新存儲器）、A/D與D/A變換等組成單獨的一個部分，稱作圖象輸入控制板或視頻數字化儀。圖象輸入控制板的功能是實現連續(xù)的視頻信號與離散的數字量之間的轉換。圖象輸入控制板接收攝象機模擬視頻輸入信號，經A/D變換為數字量存入刷新存儲器用于顯示，并可傳送到計算機進行圖象處理操作。處理后的結果送回刷存，經D/A變換成模擬視頻輸出，由監(jiān)視器進行顯示輸出。7.2顯示設備01二月2023監(jiān)視器只包括掃描、視頻放大等與顯示有關的電路及顯象管。也可以接入電視機的視頻輸入端來代替監(jiān)視器。顯然，通用計算機配置一塊圖象板（又稱圖象卡）和監(jiān)視器就能組成一個圖象處理系統(tǒng)。

7.2顯示設備01二月2023另一種是圖形處理子系統(tǒng)，其硬件結構較前一種復雜得多。它本身就是一個具有并行處理功能的專用計算機，不僅能完成顯示操作，同時由于子系統(tǒng)內部有容量很大的存儲器和高速處理器，可以快速執(zhí)行許多圖象處理算法，減輕主計算機系統(tǒng)的運算量。這種子系統(tǒng)可以單獨使用，也可以聯到通用計算機系統(tǒng)。目前流行的圖形工作站就屬于圖形處理子系統(tǒng)。

由于新一代多媒體計算機的發(fā)展，圖象的處理與顯示技術越來越受到人們的重視。7.2顯示設備01二月2023四、IBMPC系列機的顯示系統(tǒng)

1.顯示標準IBMPC系列微型機配套的顯示系統(tǒng)有兩大類。一類是基本顯示系統(tǒng)，用于字符／圖形顯示；另一類是專用顯示系統(tǒng)，用于高分辨率圖形或圖象顯示。隨著IBMPC系列機的升級發(fā)展，PC機采用的顯示標準經歷了如下變化：MDA→CGA→EGA→VGA→SuperVGA

7.2顯示設備01二月2023MDA是PC機最早使用的顯示標準。MDA是單色字符顯示適配器，采用9×14點陣的字符窗口，滿屏顯示80列×25行字符，對應分辨率為720×350個像素。CGA是彩色圖形/字符顯示適配器，可以兼容字符和圖形兩種顯示方式。在圖形方式下，可以顯示320×200像素四種顏色的彩色圖形。EGA顯示標準兼容CGA和MDA各種顯示方式，在圖形方式下分辨率為640×350，16種顏色。

7.2顯示設備01二月2023VGA顯示標準下，字符窗口為9×16點陣，圖形方式下分辨率為640×480，16種顏色，或320×200，256種顏色。掃描頻率(水平同步)是31.5kHz，刷新頻率(垂直同步)是60Hz。VGA顯示適配器還增添了一個新接口VFC，允許來自其他設備的圖形，圖像信號與適配器生成的圖形信號合成。自IBM公司推出VGA后，VESA(美國視頻電子標準協(xié)會)定義了一個VGA擴展集，將顯示方式標準化，從而成為著名的SuperVGA模式。該模式除兼容MDA，CGA，EGA，VGA的顯示方式外，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。

7.2顯示設備01二月20232.VESA顯示模式

VESA擴充的標準顯示模式見文字教材的表7.1。早期的MDA，CGA，EGA的顯示方式是由BIOS的一組功能調用(INT10h)來設置和管理的，使用7位的方式碼。VESA保留了這種方式，將VGA類顯示器及適配器所能支持的新的顯示方式進行定義，并為新的顯示方式指定了15位的方式碼。方式碼的b8位為VESA標志位，b14—b9為保留位(目前全為0)，故VESA的顯示方式號為1××h。

7.2顯示設備01二月20233.顯示適配器顯示適配器由刷新存儲器、顯示控制器、ROMBIOS三部分組成，請參看CAI演示。刷新存儲器存放顯示圖案的點陣數據。其存儲容量取決于設定的顯示工作方式。

ROMBIOS含有少量的固化軟件，用于支持顯示控制器建立所要求的顯示環(huán)境。此BIOS軟件主要用于DOS操作系統(tǒng)。在Windows環(huán)境下，它的大部分功能不被使用，而由后者的設備驅動程序建立操作系統(tǒng)與適配器硬件的銜接。

7.2顯示設備01二月2023顯示控制器是適配器的心臟。它依據設定的顯示工作方式，自主地、反復不斷地讀取顯存中的圖像點陣(包括圖形、字符文本)數據，將它們轉換成R，G，B三色信號，并配以同步信號送至顯示器刷新屏幕。顯示控制器還要提供一個由系統(tǒng)總線至刷存總線的通路，以支持CPU將主存中已修改好的點陣數據寫入到刷存，以更新屏幕。這些修改數據一般利用掃描回程的消隱時間寫入到刷存中，因此顯示屏幕不會出現凌亂。

7.2顯示設備01二月2023先進的顯示控制器具有圖形加速能力，這樣的控制器芯片稱為AVGA芯片。典型的圖形加速功能有：(1)位和塊傳送，用于生成和移動一個矩形塊(如窗口)數據；(2)畫線，由硬件在屏上任意兩點間畫一向量；(3)填域，以預先指定的顏色或花樣填滿一個任意多邊形；(4)顏色擴充，將一個單色的圖像放到屏上某一位置后，給它加上指定的前景顏色和背景顏色。7.2顯示設備01二月2023【例3】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%用于刷新屏幕，保留50%帶寬用于其他非刷新功能。(1)若顯示工作方式采用分辨率為1024×768，顏色深度為3B，幀頻(刷新速率)為72Hz，計算刷存總帶寬應為多少?(2)為達到這樣高的刷存帶寬，應采取何種技術措施?7.2顯示設備01二月2023【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刷存總帶寬應為162MB/s×100/50=324MB/s7.2顯示設備01二月2023(2)為達到這樣高的刷存帶寬，可采用如下技術措施：①使用高速的DRAM芯片組成刷存；②刷存采用多體交叉結構；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128位；④刷存采用雙端口存儲器結構，將刷新端口與更新端口分開。7.3輸入和打印設備01二月2023一、輸入設備常用的計算機輸入設備分為圖形輸入、圖像輸入、聲音輸入等幾類：1.圖形輸入設備圖形輸入方法較多，特別是交互式圖形系統(tǒng)要求具有人-機對話功能：計算機將結果顯示給人，人根據看到的顯示決定下一步操作，并通過輸入設備告訴計算機。如此反復多次，直到顯示結果滿意為止。為此必須具有方便靈活的輸入手段，才能體現“交互式”的優(yōu)越性。7.3輸入和打印設備01二月2023(1)鍵盤輸入鍵盤是字符和數字的輸入裝置，無論字符輸入還是圖形輸入，鍵盤是一種最基本的常用設備。當需要輸入坐標數據建立顯示文件時，要利用鍵盤。另外，利用鍵盤上指定的字符與屏幕上的光標結合，可用來移動光標，拾取圖形坐標，指定繪圖命令等。7.3輸入和打印設備01二月2023(2)光筆輸入光筆的外形與鋼筆相似，頭部裝有一個透鏡系統(tǒng)，能把進入的光聚為一個光點。在光筆頭部附有一開關，當按下開關時，進行光的檢測，光筆就可拾取CRT屏幕上的坐標。光筆與屏幕上的光標配合，可使光標跟蹤光筆移動，在屏幕上畫出圖形或修改圖形，其過程與人用鋼筆畫圖的過程類似。7.3輸入和打印設備01二月2023(3)圖形板和游動標輸入圖形板和游動標結合構成二維坐標的輸入系統(tǒng)，主要用于輸入工程圖等。將圖紙貼到圖形板上，游動標沿著圖紙上的圖形移動，讀取圖形坐標，即可輸入工程圖。這種二維的輸入方式比光筆與屏幕相結合的方式有許多優(yōu)點，因此得到了廣泛應用。

7.3輸入和打印設備01二月2023游動標是一個手持的方形坐標讀出器，上面有一塊透明玻璃，玻璃上刻有十字標記。十字標記的中心就是游動標的中心。使用時將十字標中心對準在圖形的坐標點上即可。圖形板是一種二維的A/D變換器，因此它又稱作數字化板。坐標測量的方法有電阻式、電容式、電磁感應式、超聲波式幾種。7.3輸入和打印設備01二月2023

(4)鼠標器輸入光筆和圖形板兩種輸入方式都可以輸入某一點的絕對坐標，而鼠標器只要輸入相對坐標。鼠標器是一種手持的坐標定位部件，有兩種類型。一種是機械式的，另一種是光電式的。7.3輸入和打印設備01二月20232.圖像輸入設備最理想的圖像輸入設備是數字攝像機。它可以攝取任何地點、任何環(huán)境的自然景物和物體，直接將數字圖像存入磁盤。當圖像已經記錄到某種介質上時，要利用讀出裝置讀出圖像。例如記錄在錄像帶上的圖像要用錄像機讀出，再將視頻信號經圖像板量化后輸入計算機。記錄在數字磁帶上的遙感圖像可以直接在磁帶機上輸入。如果想把紙上的圖像輸入計算機，一種方法是用攝像機對著紙上的圖像攝像輸入，另一種方法是利用裝有CCD(電荷耦合器件)的圖文掃描儀或圖文傳真機。7.3輸入和打印設備01二月2023還有一種叫“光機掃描鼓”的專用設備，可以直接將紙上的圖像轉換成數字圖像。由于一幀數字圖像要占很大的存儲空間，圖像數據的傳輸與存儲間題將是一個十分重要的研究課題，目前普遍采用的方法是壓縮-恢復技術。7.3輸入和打印設備01二月20233.語音輸入設備利用人的自然語音實現人-機對話是新一代多媒體計算機的重要標志之一。下頁圖為一種語音輸入/輸出設備的原理方框圖：語音識別器作為輸入設備，可以將人的語言聲音轉換成計算機能夠識別的信息，并將這些信息送入計算機。而計算機處理的結果又可以通過語音合成器變成聲音輸出，以實現真正的“人機對話”。通常語音識別器與語言合成器放在一起做成語音輸入/輸出設備。7.3輸入和打印設備01二月20237.3輸入和打印設備01二月2023二、打印設備

打印輸出是計算機最基本的輸出形式。與顯示器輸出相比，打印輸出可產生永久性記錄，因此打印設備又稱為硬拷貝設備。1.打印設備的分類按印字原理分，分為擊打式和非擊打式兩大類。

7.3輸入和打印設備01二月2023擊打式是利用機械作用使印字機構與色帶和紙相撞擊而打印字符。因此習慣上將屬于擊打式打印方式的機種稱為“打印機”。擊打式設備的成本低，缺點是噪音大，速度慢。非擊打式是采用電、磁、光、噴墨等物理、化學方法印刷字符，因此習慣上將這類非擊打式的機種稱為“印字機”，如激光印字機，噴墨印字機等。非擊打式的設備速度快，噪音低，印字質量高，但價格較貴，有的設備還需要專用紙張。目前的發(fā)展趨勢是機械化的擊打式設備逐步轉向電子化的非擊打式設備7.3輸入和打印設備01二月2023擊打式打印機又分為活字式打印和點陣針式打印兩種?；钭质酱蛴C將字符“刻”在印字機構表面上，印字機構的形狀有圓柱形、球形等多種。點陣針式打印機是利用打印鋼針組成的點針來表示字符。與活字式打印機相比，點陣式打印機的控制機構簡單，字形變化多樣，且能打印漢字，因而是應用最廣泛的一類打印機。

7.3輸入和打印設備01二月2023按工作方式分，可分為串行打印機與行式打印機兩種。串行打印機是逐字打印的，行式打印機是一次可以輸出一行，因而行式打印機的速度比串行打印機快。例如點陣式打印機有串行點陣打印機和行式點陣打印機。另外還有能夠輸出圖形/圖像的打印機，具有彩色效果的彩色打印機等。7.3輸入和打印設備01二月20232.點陣針式打印機點陣針式打印機是目前應用最普及的一種打印設備，特點是結構簡單、體積小、重量輕、價格低、字符種類不受限制，易實現漢字打印，還可以打印圖形/圖像，因此在微小型機中都配置這種打印機。

7.3輸入和打印設備01二月2023點陣針式打印機的印字方法是由打印針選擇n×m個點陣組成的字符圖形。顯然點越多，印字質量越高。西文字符點陣通常有5×7，7×7，7×9等幾種，中文漢字至少要16×16或24×24點陣。為了減少打印頭制造的難度，串行點陣打印機的打印頭中只裝有一列m根打印針，每針可以單獨驅動(意味著最多可以并行驅動m根打印針)，印完一列后打印頭沿水平方向動一步微小距離，n步以后，可形成一個n×m點陣的字符。以后又照此逐個字符進行打印。

7.3輸入和打印設備01二月2023串行針式打印機有單向打印和雙向打印兩種。當打印完一行字符后，打印紙在輸紙機構控制下前進一行，同時打印頭回到一行起始位置，重新自左向右打印，這種過程叫單向打印。雙向打印是自左至右打印完一行后，打印頭無須回車，在輸紙的同時，打印頭走到反向起始位置，自右向左打印一行。反向打印結束后，打印頭又回到正向打印起始位置。由于省去了空回車時間，使打印速度大大提高。7.3輸入和打印設備01二月2023（1）針式打印機的結構：針式打印機由打印頭與字車、輸紙機構、色帶機構與控制器四部分組成。文字教材圖7.8示出了針式打印機構示意圖。打印頭由打印針、磁鐵、銜鐵等組成。輸紙機構由步進電機驅動，每打印完一行字符，按給定要求走紙，走紙的步距由字符行間距離決定。色帶的作用是供給色源，在打印過程中色帶不斷移動，改變其受擊打的位置，以免破損。驅動色帶不斷移動的裝置稱色帶機構。7.3輸入和打印設備01二月2023打印控制器與顯示控制器類似，主要包括字符緩沖存儲器、字符發(fā)生器、時序控制電路和接口四部分。主機將欲打印的字符通過接口送到緩存，在打印時序控制下，從緩存順序取出字符代碼，對字符代碼進行譯碼，得到字符發(fā)生器ROM的地址，逐列取出字符點陣并驅動打印頭，形成字符點陣。打印速度約每秒100個字符。7.3輸入和打印設備01二月2023（2）行式點陣打印機是將多根打印針沿橫向(而不是縱向)排成一行，安裝在一塊梳形板上，每根針均有一個電磁鐵驅動。在打印針往復運動中，當到達指定的打印位置時，激勵電磁鐵驅動打印針執(zhí)行擊打動作。梳形板向右或向左移動一次則打印出一行印點，當梳形板改變運動方向時，走紙機構移動一個印點間距，再打印下一行印點。如此重復多次，才打印出完整的一行字符。7.3輸入和打印設備01二月2023（3）激光印字機是激光技術和電子照相技術結合的產物，其基本原理與靜電復印機相似。激光器輸出的激光束經光學透鏡系統(tǒng)被聚焦成一個很細小的光點，沿著圓周運動的滾筒進行橫向重復掃描。滾筒是記錄裝置，表面鍍有一層具有光敏特性的感光材料，通常是硒，因此又將滾筒稱為硒鼓。硒鼓在未被激光束掃描之前，首先在黑暗中充電，使鼓表面均勻地沉積一層電荷。此后根據控制電路輸出的字符或圖形，變換成數字信號來驅動激光器的打開與關閉。7.3輸入和打印設備01二月20237.3輸入和打印設備01二月2023掃描時激光器將對鼓表面有選擇地曝光，曝光部分產生放電現象，未曝光部分仍保留充電時的電荷，從而形成靜電潛像。隨著鼓的轉動，潛像部分將通過裝有碳粉盒的顯影器，使得具有字符信息的區(qū)域吸附上碳粉，達到顯影的目的。當鼓上的字符信息區(qū)和普通紙接觸時，由于在紙的背面施以反向的靜電電荷，鼓表面上的碳粉就會被吸附到紙上來，這個過程稱為轉印。最后，當記錄有信息的紙經過定影輥高溫加熱，碳粉被溶化，永久性地粘附在紙上，達到定影的效果。

7.3輸入和打印設備01二月2023另一方面，轉印后的鼓面還留有殘余的碳粉。因此先要除去鼓表面的電荷，然后經清掃刷，將殘余的碳粉全部清除。清除以后的鼓表面又繼續(xù)重復上述的充電、曝光、顯影、轉印、定影等一系列過程。激光印字機是非擊打式硬拷貝輸出設備，輸出速度快，印字質量高，可使用普通紙張。其印字分辨率達到每英寸300個點以上，緩沖存儲器容量一般在1MB以上，對漢字或圖形/圖像輸出，是理想的輸出設備，因而在辦公自動化及輕印刷系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。7.4硬磁盤存儲設備01二月2023一、磁記錄原理與記錄方式

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涂在金屬鋁或塑料表面作載磁體來存儲信息。磁盤存儲器、磁帶存儲器均屬于磁表面存儲器。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023磁表面存儲器的優(yōu)點：(1)存儲容量大，位價格低；(2)記錄介質可以重復使用；(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。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023磁表面存儲器的缺點：存取速度較慢，機械結構復雜，對工作環(huán)境要求較高。磁表面存儲器由于存儲容量大，位成本低，在計算機系統(tǒng)中作為輔助大容量存儲器使用，用以存放系統(tǒng)軟件、大型文件、數據庫等大量程序與數據信息。7.4硬磁盤存儲設備01二月20231.磁性材料的物理特性在計算機中，用于存儲設備的磁性材料，是一種具有矩形磁滯回線的磁性材料。這種磁性材料在外加磁場的作用下，其磁感應強度H和外加磁場D的關系,可用矩形磁滯回線來描述，如圖7.9所示。從磁滯回線可以看出，磁性材料被磁化以后，工作點總是在磁滯回線上。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023只要外加的正向脈沖電流(即外加磁場)幅度足夠大，那么在電流消失后磁感應強度B并不等于零，而是處在+Br狀態(tài)(正剩磁狀態(tài))。反之，當外加負向脈沖電流時，磁感應強度B將處在-Br狀態(tài)(負剩磁狀態(tài))。這就是說，當磁性材料被磁化后，會形成兩個穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)，就像觸發(fā)器電路有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)一樣。如果規(guī)定用+Br狀態(tài)表示代碼“1”，-Br狀態(tài)表示代碼“0”，那么要使磁性材料記憶“1”，就要加正向脈沖電流，使磁性材料正向磁化；要使磁性材料記憶“0”，則要加負向脈沖電流，使磁性材料反向磁化。磁性材料上呈現剩磁狀態(tài)的地方形成了一個磁化元或存儲元，它是記錄一個二進制信息位的最小單位。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023圖7.10磁性材料的磁滯回線7.4硬磁盤存儲設備01二月20232.記錄方式

實際應用中，磁性材料寫入二進制代碼0或1，是靠不同的寫入電流波形來實現的。形成不同寫入電流波形的方式，稱為記錄方式。記錄方式是一種編碼方式，它按某種規(guī)律將一串二進制數字信息變換成磁層中相應的磁化元狀態(tài)，用讀寫控制電路實現這種轉換。在磁表面存儲器中，由于寫入電流的幅度、相位、頻率變化不同，從而形成了不同的記錄方式。7.4硬磁盤存儲設備01二月2023這些記錄方式可分為歸零制（RZ）、不歸零制（NRZ）、調相制（PM）和調頻制（FM）幾大類。每類中由于方案改進又演變出若干派生方案。這些記錄方式中代碼0或1的寫入電流波形示于圖7.11中。歸零制（RZ）記錄方式的特點，正向電流代表1，負向電流代表0，不論某存儲元記錄的代碼是O或1，在記錄下一個信息之前，記錄電流要恢復到零電流（即沒有電流）。這種記錄方式簡單易行，但記錄密度低，抗干擾能力差，往往把各種干擾的電流信號也同時記入。7.4硬磁盤存儲設備01二月2023不歸零制（NRZ0）記錄方式的特點是，磁頭線圈中始終有電流，不是正向電流（代表1）就是反向電流（代表0），因此不歸零制記錄方式的抗干擾性能較好。見“1”就翻不歸零制（NRZ1）與NRZ0制相同之處是磁頭線圈中始終有電流通過。不同處在于，記錄“0”時電流方向不變，只有遇到“1”時才改變方向

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023調相制（PM）記錄方式的特點是，在一個位周期的中間位置，電流由負到正為l，由正到負為0，即利用電流相位的變化進行寫“l(fā)”或寫“0”，所以通過磁頭中的電流方向一定要改變一次。這種記錄方式中“1”和“0”的讀出信號相位不同，抗干擾能力較強。另外讀出信號經分離電路可提取自同步定時脈沖，所以具有自同步能力。磁帶存儲器中一般采用這種紀錄方式。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023調頻制記錄方式的特點如下：（1）無論記錄的代碼是1或0，或者連續(xù)些“1”或寫“0”，在相鄰兩個存儲元交界處電流都要改變方向；（2）記錄1時電流一定要在位周期中間改變方向，寫“1”電流的頻率是寫“0”電流頻率的2倍，故稱為倍頻法。這種紀錄方式的優(yōu)點是記錄密度高，具有自同步能力。FM目前主要用于單密度磁盤存儲器。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023改進調頻制（MFM）與調頻制的區(qū)別在于只有連續(xù)記錄兩個或兩個以上“0”時，才在位周期的起始位置翻轉一次，而不是在每個位周期的起始處都翻轉，因而進一步提高了記錄密度。MFM主要用于雙密度磁盤存儲器。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023

還有游程長度受限碼RLLC、成組編碼GCR等記錄方式。RLLC的編碼實質是將原始數據序列變換成“O”、“1”受限制的記錄序列，其編碼規(guī)則是先把輸入信息序列變換為“o”游程長度受限碼，即任何兩位相鄰的“1”之間的“0”的最大位數k和最小位數d均受到限制的新編碼，然后再用NRZ1制方式進行調制和寫入．該碼具有自同步能力，正確設計k，d值，可獲得優(yōu)良的編碼性能，因而在近幾年發(fā)展的高密度磁盤中得到了廣泛應用。磁帶機上使用的成組編碼GCR（5，4）實質上也是一種RLLC，從而使磁帶機的存儲密度大大提高7.4硬磁盤存儲設備01二月2023

不同的記錄方式具有不同的特點，評價一種記錄方式優(yōu)劣的標準是編碼效率、自同步能力、檢讀分辨力、信息相關性、抗干擾能力、信道帶寬、編碼澤碼電路的復雜性等。

編碼效率是指位密度與最大磁化翻轉密度之比，也就是指每次磁層狀態(tài)翻轉所存儲數據信息位的多少。例如FM，PM記錄方式中記錄一位數字信息的最大磁化翻轉次數為2，因此編碼效率為50％。而MFM，NRZ，NRZ1；中由于紀錄一位數字信息磁化翻轉最多1次，故它們的編碼效率為100％。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023

自同步能力是指從讀出數據（脈沖序列）中自動提取同步信號（時間基準信號）的能力。自同步能力的大小可以用最小磁化翻轉間隔與最大磁化翻轉間隔的比值R來衡量。R越大，自同步能力越強。例如NRZ，NRZ1沒有自同步能力，而PM，FM，MFM記錄方式具有自同步能力。其中FM記錄方式的最大磁化翻轉間隔是位周期T，最小磁化翻轉間隔是T/2，因此R=0.5。

簡讀分辨力是指磁記錄系統(tǒng)對讀出信號的分辨能力，

信息相關性是指漏讀或錯讀一位是否會傳播誤碼，所以是衡量精度的指標。7.4硬磁盤存儲設備01二月2023三、磁表面存儲器的讀寫原理在磁表面存儲器中，利用一種稱為“磁頭”的裝置來形成和判別磁層中的不同磁化狀態(tài)。換句話說，寫入時，利用磁頭使磁體（盤片）具有不同的磁化狀態(tài)，而再讀出時又利用磁頭來判別這些不同的磁化狀態(tài)。磁頭實際上是軟磁材料作鐵芯繞有讀寫線圈的電磁鐵，如圖7.12所示。7.4硬磁盤存儲設備01二月20237.4硬磁盤存儲設備01二月2023（1）寫操作：當寫線圈中通過一定方向的脈沖電流時，鐵芯內就產生一定方向的磁通。由于鐵芯是高導磁率材料，而鐵芯空隙處為非磁性材料，故在鐵芯空隙處集中很強的磁場。如圖7．12所示，在這個磁場作用下，載磁體就被磁化成相應極性的磁化位或磁化元。若在寫線圈里通人相反方向的脈沖電流，就可得到相反極性的磁化元。如果我們規(guī)定按圖中所示電流方向為寫“1”，那么寫線圈里通以相反方向的電流時即為寫“0”。上述過程稱為“寫入”。顯然，一個磁化元就是一個存儲元，一個磁化無中存儲一位二進制信息。當載磁體相對于碰頭運動時，就可以連續(xù)寫入一連串的二進制信息。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023（2）讀操作如何讀出記錄在磁表面上的二進制代碼信息呢？也就是說，如何判斷載磁體上信息的不同剩磁狀態(tài)呢？當磁頭經過載磁體的磁化無時，由于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回路。不同極性的磁化元在鐵芯里的方向是不同的。當磁頭對載磁體作相對運動時，由于磁頭鐵芯中磁通的變化，使讀出線圈中感應出相應的電動勢e,其值為e=-k*dф/dt

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023負號表示感應電勢的方向與磁通的變化方向相反。不同的磁化狀態(tài)，所產生的感應電勢方向不同。這樣，不同方向的感應電勢經讀出放大器放大鑒別，就可判知讀出的信息是“1”還是“0”。書上圖7.13示出了歸零制記錄方式的寫讀過程波形圖。歸納起來，通過電-磁變換，利用磁頭寫線圈中的脈沖電流，可把一位二進制代碼轉換成載磁體存儲元的不同剩磁狀態(tài)；反之，通過磁-電變換，利用磁頭讀出線圈，可將由存儲元的不同剩磁狀態(tài)表示的二進制代碼轉換成電信號輸出。這就是這類磁盤磁表面存存器存取信息的原理。7.4硬磁盤存儲設備01二月2023磁層上的存儲元被磁化后，它可以供多次讀出而不被破壞。當不需要這批信息時，可通過磁頭把磁層上所記錄的信息全部抹去，稱之為寫“0”。．通常，寫入和讀出是合用一個磁頭，故稱之為讀寫磁頭。每個讀寫磁頭對應著一個信息記錄磁道。7.4硬磁盤存儲設備01二月2023三、硬磁盤機的基本組成和分類硬磁盤存儲器是指記錄介質為硬質圓形盤片的磁表面存儲器。其邏輯結構如圖7.14所示。此圖中未反映出尋址機構，而僅僅表示了存取功能的邏輯結構，它主要由磁記錄介質、磁盤控制器、磁盤驅動器三大部分組成。磁盤控制器包括控制邏輯與時序、數據并-串變換電路和串-并變換電路。磁盤驅動器包括寫入電路與讀出電路、讀寫轉換開關、讀寫磁頭與磁頭定位伺服系統(tǒng)等。7.4硬磁盤存儲設備01二月2023磁盤存儲器邏輯結構圖7.4硬磁盤存儲設備01二月2023寫入時，將計算機并行送來的數據取至并-串變換寄存器，變?yōu)榇袛祿?，然后一位一位地由寫電流驅動器作功率放大并加到寫磁頭線圈上產生電流，從而在盤片磁層上形成按位的磁化存儲元。讀出時，當記錄介質相對磁頭運動時，位磁化存儲元形成的空間磁場在讀磁頭線圈中產生感應電勢，此讀出信息經放大檢測就可還原成原來存入的數據。由于數據是一位一位串行讀出的，故要送至串-并變換寄存器變換為并行數據，再并行送至計算機。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023

硬磁盤機通常按以下方法分類：按盤片結構分成可換盤片式與固定盤片式兩種；磁頭也分為可移動磁頭和固定磁頭兩種。(1)可移動磁頭固定盤片的磁盤機特點是一片或一組盤片固定在主軸上，盤片不可更換。盤片每面只有一個磁頭，存取數據時磁頭沿盤面徑向移動。(2)固定磁頭磁盤機特點是磁頭位置固定，磁盤的每一個磁道對應一個磁頭，盤片不可更換。優(yōu)點是存取速度快，省去磁頭找道時間，缺點是結構復雜。7.4硬磁盤存儲設備01二月2023

(3)可移動磁頭可換盤片的磁盤機盤片可以更換，磁頭可沿盤面徑向移動。優(yōu)點是盤片可以脫機保存，同種型號的盤片具有互換性。(4)溫徹斯特磁盤機溫徹斯特磁盤簡稱溫盤，是一種采用先進技術研制的可移動磁頭固定盤片的磁盤機。它是一種密封組合式的硬磁盤，即磁頭、盤片、電機等驅動部件乃至讀寫電路等組裝成一個不可隨意拆卸的整體。工作時，高速旋轉在盤面上形成的氣墊將磁頭平穩(wěn)浮起。優(yōu)點是防塵性能好，可靠性高，對使用環(huán)境要求不高。而普通的硬磁盤要求具有超凈環(huán)境，只能用于中大型計算機中。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023溫盤的盤片直徑有14英寸、8英寸、5.25英寸和3.5英寸幾種。用于IBMPC系列機的溫盤一般是后兩種，驅動器的容量可達1OOMB以上。目前溫盤應用最廣，成為最有代表性的硬磁盤存儲器。7.4硬磁盤存儲設備01二月2023四、硬磁盤驅動器和控制器1.磁盤驅動器

磁盤驅動器是一種精密的電子和機械裝置，因此各部件的加工安裝有嚴格的技術要求。對溫盤驅動器，還要求在超凈環(huán)境下組裝。各類磁盤驅動器的具體結構雖然有差別，但基本結構相同，主要由定位驅動系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和數據轉換系統(tǒng)組成。圖7.15是磁盤驅動器結構示意圖。

7.4硬磁盤存儲設備01二月20237.4硬磁盤存儲設備01二月2023在可移動磁頭的磁盤驅動器中，驅動磁頭沿盤面徑向位置運動以尋找目標磁道位置的機構叫磁頭定位驅動系統(tǒng)，它由驅動部件、傳動部件、運載部件（磁頭小車）組成。當磁盤存取數據時，磁頭小車的平移運動驅動磁頭進入指定磁道的中心位置，并精確地跟蹤該磁道。目前磁頭小車的驅動方式主要采用步進電機和音圈電機兩種。7.4硬磁盤存儲設備01二月2023步進電機靠脈沖信號驅動，控制簡單，整個驅動定位系統(tǒng)是開環(huán)控制，因此定位精度較低，一般用于軟磁盤驅動器和道密度不高的硬磁盤驅動器。音圈電機是線性電機，可以直接驅動磁頭作直線運動，整個驅動定位系統(tǒng)是一個帶有速度和位置反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，驅動速度快，定位精度高，因此用于較先進的磁盤驅動器。主軸系統(tǒng)的作用是安裝盤片，并驅動它們以額定轉速穩(wěn)定旋轉。其主要部件是主軸電機和有關控制電路。數據轉換系統(tǒng)的作用是控制數據的寫入和讀出，包括磁頭、磁頭選擇電路、讀寫電路以及索引、區(qū)標電路等。7.4硬磁盤存儲設備01二月20232.磁盤控制器

磁盤控制器是主機與磁盤驅動器之間的接口。由于磁盤存儲器是高速外存設備，故與主機之間采用成批交換數據方式。作為主機與驅動器之間的控制器，它需要有兩個方面的接口：一個是與主機的接口，控制外存與主機總線之間交換數據；另一個是與設備的接口，根據主機命令控制設備的操作。前者稱為系統(tǒng)級接口，后者稱為設備級接口。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023主機與磁盤驅動器交換數據的控制邏輯如圖所示：磁盤上的信息經讀磁頭讀出以后送讀出放大器，然后進行數據與時鐘的分離，再進行串-并變換、格式變換，最后送入數據緩沖器，經DMA（直接存儲器傳送）控制將數據傳送到主機總線。7.4硬磁盤存儲設備01二月2023由于控制器與驅動器之間的任務分工沒有明確的界限，因而控制器與驅動器之間的交界面劃分有多種方式。如果交界面設在A處，驅動器只完成讀寫和放大，因而數據分離以后的控制邏輯構成磁盤控制器，例如ST506磁盤控制器是插在PC機總線上的一塊電路板，控制器與設備之間就采用了這種形式的接口。如果交界面設在B處，則在驅動器中包含數據分離器，而磁盤控制器僅有串-并變換、格式控制等邏輯構成。例如ESDI（增強型小型設備接口）屬于這種形。7.4硬磁盤存儲設備01二月2023第三種方式是將接口交界面設在C處，磁盤控制器的功能全部轉移到設備中，主機與設備之間采用標準的通用接口。例如SCSI（小型計算機系統(tǒng)接口）、IPI（智能外設接口）屬于這種形式。

目前的發(fā)展趨勢是采用B，C兩種接口形式，增強設備的功能，以使設備相對獨立。7.4硬磁盤存儲設備01二月20237.4硬磁盤存儲設備01二月20233、磁盤上信息的分布

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023磁道的編址是從外向內依次編號，最外一個同心圓叫0磁道，最里面的一個同心圓叫n磁道，n磁道里面的圓面積并不用來記錄信息。扇區(qū)的編號有多種方法，可以連續(xù)編號，也可間隔編號。磁盤記錄面經這樣編址后，就可用n磁道m(xù)扇區(qū)的磁盤地址找到實際磁盤上與之相對應的記錄區(qū)。除了磁道號和扇區(qū)號之外，還有記錄面的面號，以說明本次處理是在哪一個記錄面上。例如對活動頭磁盤組來說，磁盤地址是由記錄面號(也稱磁頭號)、磁道號和扇區(qū)號三部分組成。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023在磁道上，信息是按區(qū)存放的，每個區(qū)中存放一定數量的字或字節(jié)，各個區(qū)存放的字或字節(jié)數是相同的。為進行讀/寫操作，要求定出磁道的起始位置，這個起始位置稱為“索引”。索引標志在傳感器檢索下可產生脈沖信號，再通過磁盤控制器處理，便可定出磁道起始位置。磁盤存儲器的每個扇區(qū)記錄定長的數據，因此讀／寫操作是以扇區(qū)為單位一位一位串行進行的。每一個扇區(qū)記錄一個記錄塊。數據在磁盤上的記錄格式如下圖所示。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023每個扇區(qū)開始時由磁盤控制器產生一個扇標脈沖。扇標脈沖的出現即標志一個扇區(qū)的開始。兩個扇標脈沖之間的一段磁道區(qū)域即為一個扇區(qū)（一記錄塊）。每個記錄塊由頭部空白段、序標段、數據段、校驗字段及尾部空白段組成。其中空白段用來留出一定的時間作為磁盤控制器的讀寫準備時間，序標被用來作為磁盤控制器的同步定時信號。序標之后即為本扇區(qū)所記錄的數據。數據之后是校驗字，它用來校驗磁盤讀出的數據是否正確。7.4硬磁盤存儲設備01二月20237.4硬磁盤存儲設備01二月20234、磁盤存儲器的技術指標磁盤存儲器的主要指標包括存儲密度、存儲容量、存取時間及數據傳輸率。

存儲密度

存儲密度分道密度、位密度和面密度。道密度是沿磁盤半徑方向單位長度上的磁道數，單位為道/英寸。位密度是磁道單位長度上能記錄的二進制代碼位數，單位為位/英寸。面密度是位密度和道密度的乘積，單位為位/平方英寸。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023

存儲容量

一個磁盤存儲器所能存儲的字節(jié)總數，稱為磁盤存儲器的存儲容量。存儲容量有格式化容量和非格式化容量之分。格式化容量是指按照某種特定的記錄格式所能存儲信息的總量，也就是用戶可以真正使用的容量。非格式化容量是磁記錄表面可以利用的磁化單元總數。將磁盤存儲器用于某計算機系統(tǒng)中，必須首先進行格式化操作，然后才能供用戶記錄信息。格式化容量一般是非格式化容量的60%—70%。目前，3.5英寸的硬盤機容量可達4.29GB。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023

平均存取時間存取時間是指從發(fā)出讀寫命令后，磁頭從某一起始位置移動至新的記錄位置，到開始從盤片表面讀出或寫入信息所需要的時間。這段時間由兩個數值所決定：一個是將磁頭定位至所要求的磁道上所需的時間，稱為定位時間或找道時間；另一個是找道完成后至磁道上需要訪問的信息到達磁頭下的時間，稱為等待時間，這兩個時間都是隨機變化的，因此往往使用平均值來表示。7.4硬磁盤存儲設備01二月2023平均存取時間等于平均找道時間與平均等待時間之和。平均找道時間是最大找道時間與最小找道時間的平均值，目前平均找道時間為10—20ms。平均等待時間和磁盤轉速有關，它用磁盤旋轉一周所需時間的一半來表示。目前固定頭盤轉速高達6000轉/分，故平均等待時間為5ms。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023

數據傳輸率磁盤存儲器在單位時間內向主機傳送數據的字節(jié)數，叫數據傳輸率，傳輸率與存儲設備和主機接口邏輯有關。從主機接口邏輯考慮，應有足夠快的傳送速度向設備接收/發(fā)送信息。從存儲設備考慮，假設磁盤旋轉速度為每秒n轉，每條磁道容量為N個字節(jié)，則數據傳輸率Dr=nN(字節(jié)/秒)。也可以寫成Dr=D·v(字節(jié)/秒)，其中D為位密度，v為磁盤旋轉的線速度。目前磁盤存儲器的數據傳輸率可達幾十兆字節(jié)/秒。

7.4硬磁盤存儲設備01二月2023【例4】磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，最上最下兩個面不用。存儲區(qū)域內徑22cm，外徑33cm，道密度為40道/cm，內層位密度400位/cm，轉速2400轉/分。問：(1)共有多少柱面?(2)盤組總存儲容量是多少?(3)數據傳輸率多少?(4)采用定長數據塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么?尋址命令中如何表示磁盤地址?(5)如果某文件長度超過一個磁道的容量，應將它記錄在同一個存儲面上，還是記錄在同一個柱面上?7.4硬磁盤存儲設備01二月2023【解】(1)有效存儲區(qū)域=16.5-11=5.5(cm)因為道密度=40道/cm，所以40×5.5=220道，即220個圓柱面(2)內層磁道周長為2πR=2×3.14×11=69.08(cm)每道信息量=400位/cm×69.08cm=27632位=3454B每面信息量=3454B×220=759880B盤組總容量=759880B×10=7598800B7.4硬磁盤存儲設備01二月2023(3)磁盤數據傳輸率Dr=rN,N為每條磁道容量，N=3454B,r為磁盤轉速，r=2400轉/60秒=40轉/秒Dr=rN=40×3454B=13816B/s(4)采用定長數據塊格式，直接尋址的最小單位是一個記錄塊(一個扇區(qū))，每個記錄塊記錄固定字節(jié)數目的信息，在定長記錄的數據塊中，活動頭磁盤組的編址方式可用如下格式：7.4硬磁盤存儲設備01二月2023

此地址格式表示有4臺磁盤，每臺有16個記錄面，每面有256個磁道，每道有16個扇區(qū)。(5)如果某文件長度超過一個磁道的容量，應將它記錄在同一個柱面上，因為不需要重新找道，數據讀/寫速度快。7.5軟磁盤存儲設備01二月2023一、軟磁盤存儲器與硬磁盤存儲器的異同軟磁盤存儲器簡稱軟盤，其原因在于盤片是用類似于塑料薄膜唱片的柔性材料制成。軟磁盤存儲器由軟盤驅動器、軟盤控制器、軟磁盤片三大部分組成。

軟磁盤存儲器和硬磁盤存儲器的存儲原理和記錄方式基本相同。但在結構和性能上存在一些差別：(1)硬盤轉速高，每分鐘可達6000轉，存取速度快；軟盤轉速低，每分鐘只有300轉，存取速度慢。7.5軟磁盤存儲設備01二月2023(2)硬盤有固定頭、固定盤、盤組等結構；軟盤都是活動頭，是可換盤片結構。(3)硬盤是浮動磁頭讀寫，磁頭不接觸盤片；軟盤磁頭是接觸式讀寫。(4)硬盤系統(tǒng)及硬盤片價格都比較貴，大部分盤片不能互換；軟盤造價低，盤片保管方便，使用靈活，且具有互換性。(5)硬盤對環(huán)境要求苛刻，要有超凈措施；軟盤則對環(huán)境要求不太嚴格。7.5軟磁盤存儲設備01二月2023按所用盤片尺寸不同，軟磁盤機有5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸等多種。從內部結構上來看，又可按使用的記錄密度不同，分為雙面雙密度、雙面高密度等多種。下表列出了軟盤片規(guī)格參數軟磁盤存儲器也作為計算機的外存使用，由于有一系列優(yōu)點，在微小型計算機系統(tǒng)中得到廣泛應用，甚至在中大型系統(tǒng)也配有軟盤。7.5軟磁盤存儲設備01二月2023軟盤片規(guī)格面數磁道/面扇區(qū)/道字節(jié)/扇容量/KB5.25英寸雙面雙密2(0，1)40(0--39)9(1--9)5123605.25英寸雙面高密2(0，1)80(0--79)15(1--9)51212003.5英寸雙面低密2(0，1)80(0--79)9(1--9)5127203.5英寸雙面高密2(0，1)80(0--79)18(1--18)51214403.5英寸雙面超高密2(0，1)80(0--79)36(1—36)51228807.5軟磁盤存儲設備01二月2023二、軟磁盤片

軟磁盤片的形狀類似于普通薄膜唱片。盤片的盤基由聚脂薄膜制成，厚度約76μm，上面涂有極薄的一層鐵氧體磁性材料，封裝在相應尺寸見方的黑色塑料保護套內。套內有一層無紡布，用來防塵，消除靜電，保護盤面不受碰撞。使用時軟磁盤連同保護套一起插入軟磁盤機中，由驅動機構帶動軟磁盤片勻速轉動(保護套不動)，磁頭通過槽孔和盤片上的記錄區(qū)接觸，讀出或寫入信息。

7.5軟磁盤存儲設備01二月2023下圖為軟盤盤片及其保護套示意圖。塑料保護套上有許多孔，它們分別是用于安裝盤片的“驅動軸孔”，用于定位的“索引孔”，用于磁頭讀寫盤片的“磁頭位置孔”以及“寫保護凹口”。為了正確存儲信息，必須將盤片劃分成磁道和扇區(qū)(區(qū)段)，它們稱做磁盤地址。這些信息必須寫到盤片上，還要加上同步標志、校驗信息、間隔等。這些信息一起構成磁盤的軟分段信息。7.5軟磁盤存儲設備01二月20237.5軟磁盤存儲設備01二月2023所謂軟分段，就是以索引孔做為定位基準，將扇區(qū)的劃分由通過軟件寫入的標志來實現。索引孔用來檢測盤片的轉速和劃分盤片的扇區(qū)區(qū)段。當盤片上的小孔轉到與塑料封套上小孔的位置相對時，軟盤機上的傳感元件可測得一個脈沖信號，作為盤片旋轉一周的開始標志，以此作為扇區(qū)劃分的起點。盤片在出廠前都要進行預格式化，即完成軟分段工作。用戶再根據不同的機型和操作系統(tǒng)，用格式化程序重新格式化(或叫初始化)。

7.5軟磁盤存儲設備01二月2023

注意，每條磁道上扇區(qū)數是相同的。但由于靠里面磁道的圓周長比外面磁道的圓周長小，但它們又要記錄同樣多的信息，所以里面磁道的位密度要比外面磁道的位密度高。每條磁道分成多少個扇區(qū)，取決于記錄格式。其次，磁道的地址是從外向里編號，最外面是0道，最里面是n道。5.25英寸盤有40條磁道和80條磁道兩種，3.5英寸盤只有80條磁道1種。7.5軟磁盤存儲設備01二月2023一張雙密度盤片相當于兩張單密度盤片，單密度采用FM記錄方式，雙密度采用MFM記錄方式。按記錄面和密度的不同，8英寸軟盤有四種形式：單面單密度(SS，SD)、雙面單密度(DS，SD)、單面雙密度(SS，DD)、雙面雙密度(DS，DD)，雙密度軟盤上都標有“2D”或“DD”標記。5.25英寸和3.5英寸軟盤均是雙面雙密度和高密度(4倍密度，QD)。軟盤的磁頭和盤面是接觸式讀寫，尋址時不但有徑向，而且有圓周方向的摩擦。一個盤片旋轉10的6次方以上時應考慮報廢，以免超過規(guī)定的誤碼率。7.5軟磁盤存儲設備01二月2023三、軟盤的記錄格式

記錄格式指的是磁盤表面上信息的存儲格式。為了盤片的互換性和簡化系統(tǒng)設計，采用統(tǒng)一的標準記錄格式是必要的。ISO已確定將IBM記錄格式作為國際標準。

圖7.19示出IBM3740軟分段格式。參見圖7.19（a），當驅動器傳感器測得“索引”信號的前沿（表示磁道起點），經過46個字節(jié)的間隙區(qū)（全0或全1），1個字節(jié)的軟索引標志（16進制FC），再隔26字節(jié)的間隙，接下去就是26個扇區(qū)，最后還有247個字節(jié)的間隙，表示一條磁道的結束。

7.5軟磁盤存儲設備01二月20237.5軟磁盤存儲設備01二月2023每個扇區(qū)的紀錄格式如圖7.19（b）所示。每個扇區(qū)有188個字節(jié)，其中真正的數據只有128個字節(jié)。前13個字節(jié)是地址區(qū)：6個字節(jié)的同步信息（全0）1個字節(jié)的地址標志（FE）、6個字節(jié)的扇區(qū)地址（見圖7.19（c）,其中地址信息占4個字節(jié)，分別表示磁道號、磁頭號、扇區(qū)號和記錄長度；CRC檢驗碼占2個字節(jié)，對整個地址區(qū)數據進行校驗）。在扇區(qū)與扇區(qū)之間，扇區(qū)內部以及磁道的頭尾都有間隙或同步區(qū)域，目的是補償盤片轉速誤差、盤片和驅動器工藝誤差以及寫入信息的頻率誤差。7.5軟磁盤存儲設備01二月2023IBM3740格式適用于8英寸單面單密度軟盤，軟盤每道26個區(qū)段。對雙面雙密度軟盤，均有相應的格式規(guī)定。5.25英寸軟盤的IBM格式與8英寸軟盤基本相同，不同的是每條磁道的扇區(qū)數分成15，9，8三種，每個扇區(qū)的字節(jié)數為512個字節(jié)。7.5軟磁盤存儲設備01二月2023記錄格式的標準化帶來了信息資源的公有化，但是卻與知識產權的私有化發(fā)生了矛盾。軟件生產廠家為了保護自己軟件的產權，采取各種保密措施，其中改變盤片上信息的數據格式就是一種常用的保密手段。因為通過對磁盤控制器編程，可以隨意指定每條磁道上的扇區(qū)數目和所采用的記錄格式，還可以調整間隙長度，改變磁盤地址的安排順序等等。經過上述處理，若使用通用軟件就不能正確拷貝磁盤文件，從而達到保護的目的。7.5軟磁盤存儲設備01二月2023四、軟磁盤驅動器和控制器

軟盤驅動器主要由驅動機構、磁頭及定位機構、讀寫電路組成。軟盤控制器解釋來自主機的命令并向軟盤驅動器發(fā)出各種控制信號，同時還要檢測驅動器的狀態(tài)，按規(guī)定的數據格式向驅動器讀寫數據。具體執(zhí)行如下控制：（1）找道操作：將磁頭定位在目標磁道上。找道前，主機將目標道號送往軟盤控制器中暫存，然后目標道號和磁頭所在道號進行比較，決定磁頭運動的道數和方向。7.5軟磁盤存儲設備01二月2023（2）地址檢測主機將目標地址送往軟盤控制器，控制器從驅動器上按記錄格式讀取地址信息并與目標地址比較，找到讀寫信息的磁盤地址。（3）讀數據先檢測數據標志是否正確，然后將數據字段的內