输入输出设备

常见的辅助存储器有软磁盘存储器、硬磁盘存储器、磁带存储器及光 盘存储器等。 3. 终端设备
终端设备由输入设备、输出设备和终端控制器组成，通常通过通信线 路与主机相连。终端设备具有向计算机输入信息和接收计算机输出信息的 能力，具有与通信线路连接的通信控制能力，有些还具有一定的数据处理 4能. 力过。程控制设备
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硬磁盘机通常按以下方法分类：按盘片结构分成可换盘片式与固定盘片
(1)可移动磁头固定盘片的磁盘机 特点是一片或一组盘片固定在主轴上， 盘片不可更换 。盘片每面只有一个磁头，存取数据时磁头沿盘面径向移动。
(2)固定磁头磁盘机 特点是磁头位置固定，磁盘的每一个磁道对应一个磁 头，盘片不可更换。优点是存取速度快，省去磁头找道时间，缺点是结构复
硬质载体。
磁头是磁记录设备的关键部件之一，是一种电磁转换元件，能把电 脉冲表示的二进制代码转换成磁记录介质上的磁化状态，即电→磁转换； 反过来，能把磁记录介质上的磁化状态转换成电脉冲，即磁→电转换。
在磁表面存储器中，利用一种称为磁头的装置来形成和判别磁层中 的不同磁化状态。磁头实际上是由软磁材料做铁芯绕有读写线圈的电磁 铁。
写入时，将计算机并行送来的数据取至并-串变换寄存器，变为串行数 据，然后一位一位地由写电流驱动器作功率放大并加到写磁头线圈上产生 电流，从而在盘片磁层上形成按位的磁化存储元。
读出时，当记录介质相对磁头运动时，位磁化存储元形成的空间磁场 在读磁头线圈中产生感应电势，此读出信息经放大检测就可还原成原来存 入的数据。由于数据是一位一位串行读出的，故要送至串-并变换寄存器变
② 要能快速、准确地将磁头移到指定磁道的中心位置。 ③ 当硬盘驱动器发生故障或掉电后，要使磁头迅速退出盘面数据区， 以保护盘面免受擦伤。
磁头定位系统有两种类型： ⑴步进电机定位机构
在道密度不是很高的小容量磁盘中，一般采用步进电机驱动。整个定 位机构是一个开环系统。步进电机定位机构的结构紧凑、控制简单，但定 位精度比较低。 ⑵音圈电机定位机构
I
+I
t ab
-I
e e
N -Br S +Br N
S +Br N
(a) 写入
(b) 读出
磁表面存储原理示意图
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记
1
0
1
1
录
方
式
的
写
读
过
程
波
形
图
1
0
1
1
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磁盘机的基本组成和分类
硬磁盘机是指记录介质为硬质圆形盘片的磁表面存储器。其逻辑结构见下图。
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硬磁盘机它主要由磁记录介质、磁盘控制器、磁盘驱动器三大部分组 成。磁盘控制器包括控制逻辑与时序、数据并-串变换电路和串-并变换电 路。磁盘驱动器包括写入电路与读出电路、读写转换开关、读写磁头与磁
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3.磁表面存储器的读写原理
(1)磁记录介质和磁头 磁介质存储器的存储过程是一种电磁转换的过程。常见的磁介质存储
器，如软磁盘、硬磁盘、磁带等就是利用磁记录原理制成的。 在磁介质存储器中，信息是记录在一薄层磁性材料上的，这个薄层称
为磁层。磁层与所附着的载体称为记录介质或记录媒体。 载体是由非磁性材料制成的。根据载体的性质，又可分为软质载体和
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第二十七、二十八讲
输入输出设备
2021年4月9日
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外围设备
计算机外围设备种类繁多，功能结构以及工作原理差异较大，涉及 的基础知识和专业知识的领域广泛。通过本章的学习，要求对计算机外围 设备的特点和发展趋势有清楚的了解，了解外围设备的类型和主要外围设
备的工作原理。 本章教学内容
在读写时，磁头与盘面之间的间隙极小，这样，磁头在通以写电流后，
盘面的磁化单元很小，记录密度可以大大提高。
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（2） 磁头定位系统
磁头定位系统驱动磁头沿盘面径向移动寻道并精确定位。磁头定位系 统应包括以下操作：
① 硬盘驱动器启动后，或是中途寻道出错后，要使磁头准确地回到0 号磁道，以等待寻道命令。
磁表面存储器的优点：(1)存储容量大，位价格低；(2)记录介质可以重 复使用；(3)记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档；(4)非破 坏性读出，读出时不需要再生信息 。
磁表面存储器的缺点：存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求
磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在计算机系统中作为辅助大 容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据
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中央部分是CPU和主存，通过总线与第二层的适配器(接口)部件相连，第三层 每一种外围设备，都是在它自己的设备控制器控制下进行工作，而设备控制器
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外部设备是计算机和外界联系的纽带、接口和界面。如果没有外部设 备，计算机将无法工作。外部设备在计算机系统中占据的地位变得越来越 重要了。
在SCSI智能设备接口标准中，进一步将所有的硬盘控制逻辑，包括 数据缓存、DMA控制逻辑等，全放在驱动器中，适配卡就只剩下通用接口 逻辑。这样设备本身比较完整，内部可采用微处理器或专用控制器芯片， 带有控制程序，功能完善并灵活，因而称为智能硬盘。而按SCSI标准设计 的接口是一种通用接口，不仅可用来连接磁盘，还可连接磁带机、打印机 等多种带有智能控制器的所谓智能外设。
(3)可移动磁头可换盘片的磁盘机 盘片可以更换，磁头可沿盘面径向移动。
(4)温彻斯特磁盘机 温彻斯特磁盘简称温盘，是一种采用先进技术研制的 可移动磁头固定盘片的磁盘机。它是一种密封组合式的硬磁盘，即磁头、盘 片、电机等驱动部件乃至读写电路等组装成一个不可随意拆卸的整体。工作 时，高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头平稳浮起。优点是防尘性能好，可 靠性高，对使用环境要求不高。
IDE接口也称ATA接口，适合于内置磁盘控制器的驱动器。采用IDE接口 的硬盘具有价格低廉、稳定性好、标准化程度高等优点。
SCSI是小型计算机系统接口的缩写，是一种接入各种类型设备的通用 快速接口。
4.硬盘控制逻辑
（1）按ST506/412标准划分
将读写放大器、定位机构驱动电路、主轴电机驱动电路、0道检测、索 引脉冲电路等安放在驱动器中；而其它的复杂控制逻辑，如磁盘操作控制、 编码/译码器、磁头定位控制逻辑等，连同总线接口逻辑，放在适配卡中。 这种结构模式的优点是驱动器结构比较简单，适配卡可由专门的磁盘控制 芯片来完成大部分功能，还可由一块适配卡带多台驱动器，使系统造价较 低。
主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑如图所示：
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磁盘上的信息经读磁头读出以后送读出放大器，然后进行数据与时钟的分 离，再进行串-并变换、格式变换，最后送入数据缓冲器，经DMA(直接存储器 传送)控制将数据传送到主机总线。
（1） 磁头
温盘的磁头采用接触启停式。所谓接触启停是指在读写操作时磁头浮 空，不与盘面记录区相接触，以免划伤记录区。但由于磁头的浮起要依靠盘 片高速旋转时产生的气垫浮力，因此在启动前和停止后，磁头将仍与盘面接 触。
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（2）按IDE标准划分
将数据的编码和译码电路放到驱动器中，允许驱动器采用不同的磁记录 方式，以提高位密度，并易于实现更高的数据传输率，减少数据传输时的出 错概率。此外，将磁头定位控制逻辑也放在驱动器中，允许驱动器采用音圈 电机伺服定位方式，从而可以大幅度地提高道密度。
近年来，又出现了增强型IDE标准（EIDE），使传输速率和磁盘容量都 较IDE标准大大提高，并且可用于连接非硬盘设备。 （3）按SCSI标准划分
1、外围设备概述 2、磁盘存储设备 3、磁盘存储设备的技术发展 4、光盘和磁光盘存储设备 5、输入设备 6、显示设备
本章重点：磁盘存储设备以及显示设备的工作原理以及性能指标。 本章难点：字符显示的基本原理。
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输入输出设备概述
中央处理器（CPU）和主存储器（MM）构成计算机的主机。除主机以外 ，而又围绕着主机设置的各种硬件装置称为外部设备或外围设备。它们主 要用来完成数据的输入、输出、成批存储以及对信息加工处理的任务。
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1.磁性材料的物理特性 磁性材料的磁滞回线
电流I－＞磁场H－＞磁感应强度B
磁感应强度B不随电 流的消失而回零，在磁滞 回线上形成两个稳态＋Br 和-Br,故可用来记录“1” 和“0”两种值的代码。
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从磁滞回线可以看出，磁性材料被磁化以后，工作点总是在磁滞回线 上。只要外加的正向脉冲电流(即外加磁场)幅度足够大，那么在电流消失 后磁感应强度B并不等于零，而是处在+Br状态(正剩磁状态)。反之，当外 加负向脉冲电流时，磁感应强度B将处在-Br状态(负剩磁状态)。这就是说， 当磁性材料被磁化后，会形成两个稳定的剩磁状态，就像触发器电路有两 个稳定的状态一样。如果规定用+Br状态表示代码“1”，-Br状态表示代码 “0”，那么要使磁性材料记忆“1”，就要加正向脉冲电流，使磁性材料 正向磁化；要使磁性材料记忆“0 ”，则要加负向脉冲电流，使磁性材料 反向磁化。磁性材料上呈现剩磁状态的地方形成了一个磁化元或存储元， 它是记录一个二进制信息位的最小单位。 2.记录方式
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(2)写入过程
写入时，在写磁头线圈中通以一定方向的写电流，所产生的磁通将从 磁头的头隙进入记录介质，然后流回磁头，形成一个回路，于是在磁头下方 的一个局部区域被磁化，形成一个磁化单元（或称记录单元）。
(3)读出过程
读出时，读磁头线圈不外加电流。当某一磁化单元运动到读磁头下方 时，使得磁头中流过的磁通有很大的变化，于是在读磁头线圈两端产生感应 电动势e。不同的磁化状态，所产生的感应电势方向 不同。这样，不同方向 的感应电势经读出放大器放大鉴别，就可判知读出的信息是“1”还 是 “0”。
形成不同写入电流波形的方式，称为记录方式。记录方式是一种编码 方式，它按某种规律将一串二进制数字信息变换成磁层中相应的磁化元状 态，用读写控制电路实现这种转换。
在磁表面存储器中，由于写入电流的幅度、相位、频率变化不同，从 而形成了不同的记录方式。常用记录方式可分为不归零制(NRZ)，调相制 (PM)，调频制(FM)几大类。
当计算机进行实时控制时，原始参数需要先用模数转换器将模拟量转 换为数字量，然后再输入计算机进行处理。而经计算机处理后的控制信息， 需先经数模转换器把数字量转换成模拟量，再送到执行部件对控制对象进行 自动调节。模数、数模转换设备均是过程控制设备。 5. 脱机设备
脱机设备是指在脱离主计算机的情况下，由设备本身完成数据制备的设 备。
外部设备在计算机系统中的作用有： 是人机对话的通道； 是完成数据媒体变换的设备； 是计算机系统软件和信息的驻在地； 是计算机在各领域应用的桥梁。
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磁记录原理
计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储，是用某些磁 性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。磁盘存储器、磁 带存储器均属于磁表面存储器。
1. 输入输出设备 从计算机的角度出发，向计算机输入信息的外部设备称为输入设备；
接收计算机输出信息的外部设备称为输出设备。 输入设备有键盘、鼠标、扫描器、数字化仪、磁卡输入设备、语音输
入设备等。输出设备有显示设备、绘图机、打印输出设备等。
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2. 辅助存储器
辅助存储器是指主机以外的存储装置，又称为后援存储器。辅助存储 器的读写，就其本质来说也是输入或输出，所以可以认为辅助存储器也是 一种复合型的输入输出设备。
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磁盘驱动器和控制器
1.磁盘驱动器
磁盘驱动器是一种精密的电子和机械装置，因此各部件的加工安装有严 格的技术要求。对温盘驱动器，还要求在超净环境下组装。各类磁盘驱动器 的具体结构虽然有差别，但基本结构相同，主要由定位驱动系统、主轴系统 和数据转换系统组成。
2.
磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口。由于磁盘存储器是高速外 存设备，故与主机之间采用成批交换数据方式。作为主机与驱动器之间的控 制器，它需要有两个方面的接口：一 个是与主机的接口，控制外存与主机 总线之间交换数据；另一个是与设备的接口，根据主机 命令控制设备的操 作。前者称为系统级接口，后者称为设备级接口
在道密度较高的磁盘中，多采用音圈电机驱动。整个定位系统是一 个带有速度和位置反馈的闭环调节自动控制系统，其特点是寻道速度快， 定位精度高。
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3.硬盘的接口标准
硬盘的接口可分为IDE和SCSI两种。传统微机和便携机采用标准的IDE 接口，而工作站和服务器则多采用SCSI接口。两种接口在物理上不兼容。