計算機外部設備計算機外部設備

張鈞良

編著

清華大學出版社

總目錄

第1章計算機外部設備概述 第2章輸入設備 第3章輸出設備 第4章外存儲設備 第5章多媒體設備 第6章網絡設備 第7章其他設備

第一章計算機外部設備概述1.1什么是計算機外部設備1.2分類1.3作用1.4與計算機的連接1.4.1與中央處理器之間的信息傳送1.4.2與PC機連接的接口1.5發展方向外部設備是計算機系統不可缺少的組成部分，用戶在使用計算機系統時，接觸最多的是外部設備。外部設備是計算機和外部世界聯系的橋梁。隨著計算機技術的飛速發展和應用的擴大，計算機系統要求外部設備的種類越來越多。本章先介紹涉及外部設備的有關概念。1.1計算機外部設備1.1計算機外部設備一個完整的計算機系統包括硬件系統和軟件系統兩大部分。

計算機的硬件是指組成一臺計算機的各種物理裝置,由主機和輸入/輸出子系統組成，計算機主機包括中央處理器、存儲器和附屬線路，輸入/輸出子系統包括輸入/輸出接口和外部設備。

什么是計算機外部設備外部設備（peripheraldevice）過去常稱外圍設備（externaldevice）。在計算機硬件系統中，外部設備是相對于計算機主機來說的，凡在計算機主機處理數據前后，把數據輸入計算機主機、對數據進入加工處理及輸出處理結果的設備都稱為外部設備，而不管它們是否受中央處理器的直接控制。一般說來，外部設備是為計算機和它的外部環境提供通信手段的設備。因此，除了計算機主機以外的設備原則上都叫外部設備。外部設備一般由媒體、設備和設備控制器組成。主板中央處理器（CPU）硬盤內存條顯示器是計算機系統中最基本的輸出設備，它主要用來將計算機的各種信息顯示在屏幕上提供給用戶。鍵盤鍵盤是計算機最基本的，也是不可缺少的輸入設備。鼠標鼠標是隨著計算機技術的發展出現的，特別是Windows操作系統中鼠標用的很廣泛。1.2分類按設備功能的不同，將多媒體計算機外部設備分為：輸入設備、輸出設備、外部存儲設備和終端設備四大類。(1)輸入設備輸入設備是向計算機輸入信息的外部設備。它將程序、數據或命令等信息按一定的要求轉換成計算機能夠接收的二進制代碼，并輸送到計算機中進行處理的外部設備。按輸入信息的形態不同，把輸入設備分為：字符輸入、圖形輸入、圖象輸入和語音輸入。輸入設備包括字符輸入設備（如鍵盤、條形碼閱讀器、磁卡機）、圖形輸入設備（如鼠標器、圖形數字化儀、操縱桿）、圖像輸入設備（如掃描儀、傳真機、攝像機）、模擬量輸入設備（如模-數（A/D）轉換器、話筒等）。由于需要輸入到計算機的信息多種多樣，如字符、圖形、圖像、語音、光線、電流、電壓等等，各種形式的輸入信息都需要轉換為二進制編碼，才能為計算機所利用，因此不同輸入設備在工作原理、工作速度上相差很大。(2)輸出設備輸出設備是把處理器運算處理后的最終結果或中間結果，用人所能識別的各種信息形式表示出來的外部設備。常用的外部設備有：打印輸出設備、顯示設備、繪圖儀。打印機：典型的分類是分成：擊打式打印機和非擊打式打印機。顯示設備：典型的分類：字符顯示設備和圖形顯示設備。繪圖設備：繪圖設備主要有筆式繪圖儀和靜電式繪圖儀。(3)外存儲器設備

外存儲器用來存儲大量的暫時不參加運算或處理的數據和程序,因而允許速度較慢。一旦需要，可成批地與內存交換信息。它是主存儲器的后備和補充，因此叫它為“輔助存儲器”。外存的特點是存儲容量大、可靠性高、價格低,在脫機情況下可以永久地保存信息，進行重復使用。外存按存儲介質可分為磁表面存儲器和光存儲器。現在人們使用的磁表面存儲器主要是磁盤和磁帶。微機上使用的主要是硬磁盤存儲器和軟磁盤存儲器。光盤存儲器作為一種新型的信息存儲設備已經在微機上普及使用。目前，可移動磁盤已開始在微機系統中使用，為用戶提供了很大的方便。

外部存儲設備式用來存儲計算機中不直接與處理器發生關系的程序和數據等信息的外部設備。常用外部存儲設備有：磁帶、磁鼓、磁盤、光盤和U盤等。(4)多媒體設備除了CD-ROM或DVD-ROM外，還應有調制解調器、聲卡和視頻卡等，此外，多媒體設備還包括數碼相機、數碼攝像機、MIDI樂器等。現代社會是信息爆炸的時代，文字、圖形、圖像、語音等各種信息大量產生，人類要利用各種各樣的信息，要求計算機能夠處理各種不同形式的信息，多媒體設備就應運而生。多媒體設備的功能就是使計算機能夠直接接受、存儲、處理各種形式的多媒體信息。現在市場上出售的微型計算機（PC）幾乎都是多媒體計算機，都配置了若干多媒體設備。多媒體計算機必須配置的基本多媒體設備，除已列在外存儲器中的CD-ROM或DVD-ROM外，還應有調制解調器(modem)、聲卡和視頻卡。其他多媒體設備還有數字相機、數字攝像機、MIDI樂器等。(5)網絡與通信設備21世紀人類將進入信息社會。從20世紀90年代中期開始，世界各國都開始努力進行信息化基礎設施的建設。Internet迅速普及，政府上網、企業上網、學校上網，…，網絡和通信技術獲得了前所未有的大發展。為了實現數據通信和資源共享，要求有專門的設備把計算機聯接起來，實現這種功能的設備就是網絡與通信設備。目前的網絡通信設備包括調制解調器、網卡，以及中繼器、集線器、網橋、路由器、網關等。(5)網絡與通信設備主要有調制解調器、網卡、中繼器、集線器、網橋、路由器及網關等。(6)輸入/輸出處理機又稱外圍處理機，用于分布式計算機系統。用于系統中輸入/輸出通道所要完成的I/O控制，還可進行碼制變換，格式處理，數據塊的檢查糾錯等。但它不是獨立于主機工作，是主機的一個部件。1.3作用1.提供人機對話2.完成數據媒體的變化3.存儲系統軟件和大型應用軟件4.為各類計算機應用領域提供應用手段1.4與計算機的連接計算機系統所配置的外部設備種類繁多，數量不同，它們不僅在工作速度上與CPU相差很大，在數據表示形式上也與主機內部的形式不同。1.4.1與中央處理器之間的信息傳送外部設備與CPU之間傳送的信息種類包括：設備地址信息、數據信息、設備狀態信息和控制信息。數據傳送的控制方式分為同步和異步兩種。同步傳送是指各個外部設備都在統一的節拍下進行數據傳送，而異步傳送則根據回答信號決定傳送周期。對于傳送時間短于一個節拍的同步傳送，是一種浪費；而異步傳送卻能充分利用I/O通道上的工作時間。外部設備與計算機連接時，應在設備與CPU之間配置設備控制器和接口控制器。在不同的計算機系統中，有些I/O控制與CPU結合成一體，有些與設備結合成一體，但對大、中型計算機系統，它們一般是各自獨立的。

傳送的方式有程序查詢傳送、程序中斷傳送、直接存儲器傳送和I/O處理機傳送。早期的計算機以運算器控制器（簡稱運控）為中心，傳送方式是程序查詢傳送和程序中斷傳送，程序查詢傳送使計算機經常處于等待狀態，計算機使用的效率極低，程序中斷傳送雖然解決了計算機等待浪費時間的問題，但一些高速外部設備在與計算機交換數據時，常常會因中斷次數過于頻繁，致使計算機的效率仍然不高。

以存儲器為中心的計算機硬件結構，實現的數據傳送方式是直接存儲器傳送（DMA）方式，實行外部設備與內存儲器直接進行數據交換。這種數據傳送方式是由一個DMA控制器從CPU處接管對總線的控制權，指揮外部設備（如硬盤）與內存儲器之間直接進行數據傳輸，傳輸結束后，再把總線控制權交還給CPU，這就簡化了CPU對I/O的控制。為了進一步減輕中央處理器對I/O系統的負擔，將管理和控制I/O操作和數據交換的功能從中央處理機獨立出來，即可組成I/O處理機。

I/O處理機又可分為通道方式和外部處理機方式。通道具有處理機的特征，但它只是面向外部設備控制和數據交換的指令系統，而輸入輸出過程中的前處理和后處理仍由中央處理器來實現。外部處理機實際上是一臺獨立的作為管理和控制系統的專用計算機，它具有通道的功能，還能完成碼制變換、檢錯糾錯和格式變換等操作和運算，這樣，計算機的運行效率就大為提高。

在小型機和微型機中，多采用程序查詢傳送、程序中斷傳送和直接存儲器傳送方式；而在大型機、中型機和高檔小型機中一般采用I/O處理機傳送方式。無論采用哪一種控制方式和傳送方式，都需要相應的控制邏輯電路和信息通道來實現。外部設備與計算機連接的一般模式如下圖所示。

主機與外部設備之間是通過“接口”來交換信息的，每一臺外部設備都有各自的接口，所謂“接口”，也稱適配器（adapter）、設備控制卡（devicecontrolcard），或輸入輸出控制器。下圖為主機與外部設備連接的一般原理圖。從圖中可以看出，主機（包括CPU、內存的RAM和ROM）是通過總線與外設接口相連接的。通過這個原理圖可以分析接口的基本功能和工作過程。

1.4.2與PC機連接的接口圖1-4主機與外部設備連接的一般原理圖

⒈外設接口的基本功能盡管不同外設的接口的組成及任務各不相同，但它們要實現的基本功能大致相同。一般說，任何外設的接口都必須具有下列基本功能：⑴實現數據緩沖。在外設的接口中，一般都設置若干各數據緩沖寄存器，在主機與外設交換數據時，先將數據暫存在該緩沖寄存器中，然后再輸出到外部設備或輸入到主機中去。⑵記錄外設的工作狀態。在設備的接口中必須有記錄該設備工作狀態的狀態寄存器。外設的狀態一般設“空閑”、“忙”、“就緒”三種。⑶能夠接收主機發來的各種控制信號，以實現對該設備的控制操作。為此，在設備中應設置設備控制寄存器，用以存儲主機發送來的控制字。⑷能夠判斷主機是否選中本接口及本接口所連接的外部設備。一臺計算機所連接的外部設備可能很多，每臺設備各有自己的設備號，也稱設備地址。主機就是通過發送設備地址來選擇設備的。因此，在接口中有識別該設備地址的設備譯碼器。⑸實現主機與外設之間的通信控制。包括同步控制、中斷控制等。為此，在接口中必須包含有實現這些控制功能的控制邏輯電路。⒉外設接口的工作過程（以打印機打印輸出為例，來說明外設接口的工作過程。）⑴主機通過地址總線向接口發送設備號，經設備譯碼器譯碼，選中該打印機接口。⑵主機測試打印機接口狀態寄存器的狀態，以判斷打印機所處的工作狀態。若測得打印機處于“忙”狀態，則表明打印機正在執行一個打印任務，不能接收新的打印任務，直到正在執行的打印任務結束，打印機就轉到“就緒”狀態。若測得打印機處于“就緒”狀態，則表明打印機前一個打印任務已完成，可以接收新的