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1. 外围设备概述

• 外围设备的功能是在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系。事实上，除了CPU和主存外，计算机系统的每一部分都可作为一个外围设备来看待。

1.1 外围设备的一般功能

• 指标上：不断采用新技术，向低成本、小体积、高速、大容量、低能耗等方面发展；
• 结构上：由初级的串行操作输入/输出方式，发展到有通道连接的多种外设并行操作方式。
• 种类上：由简单的输入/输出装置，发展到多种输入/输出装置，随机存取大容量外存、多种终端设备等。
• 性能上：信息交换速度大大提高，输入输出形态不仅有数字形式，还有直观的图像和声音等形式。

外围设备（磁盘）基本组成 （重点）

• (1) 存储介质，它具有保存信息的物理特征。例如磁盘就是一个存储介质的例子，它是用记录在盘上的磁化元表示信息
• (2) 驱动装置，它用于移动存储介质。例如，磁盘设备中，驱动装置用于转动磁盘并进行定位。
• (3) 控制电路，它向存储介质发送数据或从存储介质接受数据。例如，磁盘读出时，控制电路把盘上用磁化元形式表示的信息转换成计算机所需要的电信号，并把这些信号用电缆送给计算机主机。

1.2 外围设备的分类

• 一个计算机系统配备什么样的外围设备，是根据实际需要来决定的。
• 外围设备可以分为输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备和过程控制设备几大类。
• 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，而设备控制器则通过I/O接口和主机连接，并受主机控制。

2. 磁盘存储设备 （重点）

2.1 磁盘概念

磁盘（disk）是指利用磁记录技术存储数据的存储器。

磁盘是计算机主要的存储介质，可以存储大量的二进制数据，并且断电后也能保持数据不丢失。早期计算机使用的磁盘是软磁盘（Floppy Disk，简称软盘），如今常用的磁盘是硬磁盘（Hard disk，简称硬盘）。

在 Linux 系统中，文件系统是创建在硬盘上的。 磁盘是计算机的主要外部存储设备。计算机中的存储设备种类非常多，常见的主要有光盘、硬盘、U 盘等，甚至还有网络存储设备 SAN、NAS 等，使用最多的还是硬盘。 从存储数据的介质上来区分，硬盘可分为机械硬盘（Hard Disk Drive, HDD）和固态硬盘（Solid State Disk, SSD）

2.1.1 机械硬盘HDD

机械硬盘是上下盘面同时进数据读取的。而且机械硬盘的旋转速度要远高于唱片（目前机械硬盘的常见转速是 7200 r/min），所以机械硬盘在读取或写入数据时，非常害怕晃动和磕碰。另外，因为机械硬盘的超高转速，如果内部有灰尘，则会造成磁头或盘片的损坏，所以机械硬盘内部是封闭的，如果不是在无尘环境下，则禁止拆开机械硬盘。

机械硬盘的逻辑结构

• 盘面 platter

  • 硬盘一般会有一个或多个盘片，每个盘片可以有两个面(Side)，即第1个盘片的正面称为0面，反面称为1面；第2个盘片的正面称为2面，反面称为3面…依次类推。每个盘面对应一个磁头(head)用于读写数据。第一个盘面的正面的磁头称为0磁头，背面称为1磁头；第二个盘片正面的磁头称为2磁头，背面称为3磁头，以此类推。盘面数和磁头数是相等的。

• 磁头 read-writer head

  • 一张单面的盘片需要一个磁头，双面的盘片则需要两个磁头。硬盘采用高精度、轻型磁头驱动和定位系统。这种系统能使磁头在盘面上快速移动，读写硬盘时，磁头依靠磁盘的高速旋转引起的空气动力效应悬浮在盘面上，与盘面的距离不到1微米(约为头发直径的百分之一)，可以在极短的时间内精确定位到计算机指令指定的磁道上。

• 磁道 track

  • 每个盘片的每个盘面被划分成多个狭窄的同心圆环，数据就是存储在这样的同心圆环上，我们将这样的圆环称为磁道(Track)，每个盘面可以划分多个磁道。关机时磁头停留在硬盘的着陆区(Landing Zone)，这个着陆区以前是位于离盘心最近的区域，不存放任何数据。

• 扇区 sector

  • 把每个磁道划分成若干弧段，每段称为一个扇区(Sector)。扇区是硬盘上存储的物理单位，每个扇区一般为512B或4K。也就是说即使计算机只需要硬盘上存储的某个字节，也须一次把这个字节所在的扇区中的全部512字节读入内存，再选择所需的那个字节。

  • 为了对扇区进行查找和管理，需要对扇区进行编号，扇区的编号从0磁道开始，起始扇区为1扇区，其后为2扇区、3扇区……，0磁道的扇区编号结束后，1磁道的起始扇区累计编号，直到最后一个磁道的最后一个扇区（n扇区）

  • Tips:扇区是最小的物理存储单位，有512bytes和4K两种格式，最小分区单位通常为扇区

• 交叉因子

  • 在硬盘磁道中，扇区号是按照某个间隔跳跃着编排。比如，2号扇区并不是1号扇区后的按顺序的第一个而是第八个，3号扇区又是2号扇区后的按顺序的第八个，依此类推，这个“八”称为交叉因子。
  • 数据读取经常需要按顺序读取一系列相邻的扇区(逻辑数据相邻)。如对磁道扇区按物理顺序进行编号，很有可能出现当磁头读取完第一个扇区后，由于盘片转速过快来不及读取下一个扇区，(要知道物理相邻扇区位置距离是极小的)，必须等待转完一圈，这极大浪费了时间。所以就用交叉来解决这个问题。

• 柱面Cylinder

  • 如果硬盘是由多个盘片组成的，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，那么所有盘片都会从外向内进行磁道编号，最外侧的就是 0 磁道（依此往里为1磁道，2磁道，3磁道…）。具有相同编号的磁道会形成一个圆柱，这个圆柱就被称作磁盘的柱面

  • 硬盘数据的读写是按柱面进行，即磁头读写数据时首先在同一柱面内从0磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面(即磁头上)进行操作，只有在同一柱面所有的磁头全部读写完毕后磁头才转移到下一柱面

• 簇

  • 将物理相邻的若干个扇区称为了一个簇。操作系统读写磁盘的基本单位是扇区，而文件系统的基本单位是簇。如查看一个文件的大小，显示：大小：15 字节 (15 字节)， 占用空间：4.00 KB (4，096 字节)。这里的占用空间就是机器分区的簇大小，因为再小的文件都会占用空间，逻辑基本单位是4K，所以都会占用4K。
  • 硬盘的容量=柱面数（磁道数） * 磁头数 * 单磁道扇区数 * 单个容量扇区大小（一般初始为512字节）

2.1 磁盘的组成

• 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换为并行数据，再并行送至计算机。

2.2 磁盘存储器的技术指标

• 存储密度：存储密度分道密度、位密度和面密度。

  • 道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道/英寸。

  • 位密度：磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位为位/英寸。

  • 面密度：位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸。

  • 存储容量：一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。

  • 存取时间：存取时间是指从发出读写命令后，磁头从某一起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息加上传送数据所需要的时间。

  • 取决于以下三个因素：

    • 第一个是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称为找道时间；
    • 第二个是找道完成后至磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间，称为等待时间，这两个时间都是随机变化的，因此往往使用平均值来表示，平均找道时间是最大找道时间与最小找道时间的平均值。平均等待时间和磁盘转速有关，它用磁盘旋转一周所需时间的一半来表示。
    • 第三个是数据传送时间。

  • 磁盘总的平均存取时间：

    • Ta = Ts + 1 / (2r) + b / (rN)
    • Ts:平均找道时间
    • 1 /(2r)：平均等待时间
    • b / (rN)：数据传送时间
    • r：磁盘旋转速率，单位是转/秒
    • b：传送的字节数
    • N：每磁道字节数

• 数据传输率：磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，叫数据传输率

  • 传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度向设备接收/发送信息。从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为n转/秒，每条磁道容量为N个字节，则数据传输率：
  • Dr = nN(字节/秒) 或 Dr=D·v(字节/秒) ，其中，D为位密度，v为磁盘旋转的线速度

【例1】磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用。存储区域内径22cm，外径33cm，道密度为40道/cm，内层位密度400位/cm，转速6000转/分。问：
(1)共有多少柱面?
(2)盘组总存储容量是多少?
(3)数据传输率多少?

解：(1) 有效存储区域=16.5-11=5.5(cm)
因为道密度=40道/cm，所以40×55=220道，即220个圆柱面。
(2) 内层磁道周长为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
盘组总容量=759880B×10=7598800B
(3) 磁盘数据传输率Dr=rN
N为每条磁道容量，N=3454B
r为磁盘转速，r=6000转/60秒=100转/秒
Dr=rN=100×3454B=345400B/s

3. 显示设备

有关概念（重点）

• 分辨率：显示器所能显示的像素个数。像素越密，分辨率越高，图像越清晰。

  • 它取决于显像管荧光粉的粒度，荧光屏的尺寸以及CRT电子束的聚焦能力。

• 灰度级：在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，图象层次越清楚越逼真。

  • 它取决于每个像素对应的刷新存储器的位数以及CRT本身的性能。

• 刷新：电子束打在荧光粉上引起的发光只能维持几十毫秒的时间。为了使人眼能看到稳定的图像显示，必须使电子束不断地重复扫描整个屏幕，该过程称为刷新。

  • 刷新频率越高，显示越没有闪烁。 根据人的视觉生理，刷新频率大于30次/秒时才不会感到闪烁

  • 刷新存储器（视频存储器、显存）：为刷新提供信号的存储器。容量取决于分辨率和灰度级。

    • 容量M=rC r：分辨率 C：颜色深度
    • 如分辨率为1024×1024，256级颜色深度的图像，存储容量1024×1024×8bit=1MB，其存取周期必须满足刷新频率的要求。

4. 输入输出接口的通用设计

数据线

• 是I/O设备与主机之间进行数据交换的传送线
• 单向传输数据线
• 双向传输数据线

状态线

• I/O设备状态向主机报告的信号线
• 查询设备是否已经正常连接并就绪
• 查询设备是否已经被占用

命令线

• CPU向设备发送命令的信号线
• 发送读写信号
• 发送启动停止信号

设备选择线

• 主机选择I/O设备进行操作的信号线
• 对连在总线上的设备进行选择

5. CPU与I/O设备的通信

5.1 程序中断

• 当外围I/O设备就绪时，向CPU发出中断信号
• CPU有专门的电路响应中断信号，响应中断不会立即执行，有一定的响应时间
• 程序中断提供低速设备通知CPU的一种异步方式
• CPU可以高速运转同时兼顾低速设备的响应，如果频繁打断CPU，会降低CPU使用效率

5.2 DMA(直接存储器访问)

• DMA直接连接主存与I/O设备
• DMA工作时不需要CPU参与

参考文章

计算机组成原理之组成篇
计算机组成原理复习总结
磁盘的概念