第7章輸入/輸出設備7.1輸入設備7.2輸出設備7.3輔助存儲器本章小結習題7

7.1輸入設備

7.1.1鍵盤

鍵盤是目前應用最普遍的一種輸入設備，與顯示器組成終端設備。

鍵盤是由一組排列成陣列形式的按鍵開關組成的，每按下一個鍵，產生一個相應的字符代碼(每個按鍵的位置碼)，然后將它轉換成ASCII碼或其他碼，傳送給主機。目前常用的標準鍵盤有101個鍵，它除了提供通常的ASCII字符以外，還有多個功能鍵（由軟件系統定義功能）、光標控制鍵（上、下、左、右移動等）與編輯鍵（插入或消去字符）等。

IBMPC的鍵盤內裝有Intel8048單片機來執行鍵盤掃描（確定按鍵的位置碼）、鍵盤檢測、消去重鍵、自動重發、掃描碼緩沖以及與主機間的通信等功能。

用于信息交換的美國標準代碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange,ASCII）如表7.1所示。

從表中可以看到：

（1）每個字符是用7位二進制代碼表示的，其排列次序為b6b5b4b3b2b1b0，在表中的b6b5b4為高位部分，b3b2b1b0為低位部分。而一個字符在計算機內實際是用8位二進制代碼表示的。正常情況下，最高一位b7為0。在需要奇偶校驗時，這一位可用于存放奇偶校驗的值，此時稱這一位為校驗位。（2）ASCII是128個字符組成的字符集。其中編碼值0～31不對應任何可印刷（或稱有字形）字符，通常稱它們為控制字符，用于通信控制或對計算機設備的功能控制。編碼值為20H的是空格（或間隔）字符SP，編碼值為7FH的是刪除控制DEL碼，其余的94個字符稱為可印刷字符。如果把空格也計入可印刷字符，則有95個可印刷字符。請注意，這種字符編碼中有如下兩個規律：

①字符“0”～“9”這10個數字符的高3位編碼為011，低4位為0000～1001。當去掉高3位的值時，低4位正好是二進制形式的0～9。這既滿足正常的排序關系，又有利于完成ASCII碼與二進制碼之間的轉換。②英文字母的編碼值滿足正常的字母排序關系，且大、小寫英文字母編碼的對應關系相當簡便，差別僅表現在b5位的值為0或1，有利于大、小字母之間的編碼變換。

另有一種字符編碼，是主要用在IBM計算機中的擴充的二—十進制信息碼（ExtendedBinaryCodedDecimalInterchangeCode，EBCDIC）。它采用8位碼，有256個編碼狀態，但只選用其中一部分。“0”～“9”這10個數字符的高4位編碼為1111，低4仍為0000～1001。大、小寫英文字母的編碼均同樣滿足正常的排序要求，而且有簡單的對應關系，即同一個字母其大小寫的編碼值僅最高的第二位值不同，易于變換與識別。7.1.2鼠標

鼠標（mouse）是一種手持式的坐標定位部件，由于它拖著一根長線與接口相連，樣子像老鼠，由此得名。鼠標以其快捷、準確、直觀的屏幕定位和選擇能力而倍受歡迎，目前已成為計算機必備的輸入設備。

目前市面上流行的鼠標有兩種：機械式和光電式。它們與主機的通信和控制原理完全相同，只是在移動檢測方面有些差異，兩者相互之間可以直接替換。機械式鼠標的底部中心有一個外表涂有橡膠的鋼球。當鼠標在桌面上滑動時，帶動鋼球滾動。鋼球靠著兩個靠輪，它們在彈簧的作用下與鋼球之間保持一定壓力，當鋼球滾動時，靠輪隨著轉動。靠輪的軸端有一個柵輪，像車輪的輻條一樣，將輪面分成許多柵格。柵輪兩邊有光電檢測器，發光二極管發出的光線透過柵輪，照到另一邊的光敏三極管上，使其導通，在控制線路得到一個低電平。當柵條擋住光線時，光敏三極管截止，得到高電平。隨著柵輪的轉動，就可產生一系列高低電平脈沖。CPU對這些脈沖計數，根據脈沖多少即可確定鼠標移動的距離。兩個靠輪軸相互垂直，分別代表X、Y方向的位移。光電鼠標沒有機械滾動部分，代之以兩對互成直角的光電探測器，分別代表X、Y方向。光電鼠標必須在專用的板上滑動。滑板用相互垂直的線條劃分成許多小方格。當發光二極管發出的光線照到板上的空白處時，光反射到光敏三極管上，使其導通，獲得低電平。若光照到線條上，則被線條吸收，無反射光線到光敏三極管上，光敏三極管截止，得到高電平。CPU對X、Y方向的高低脈沖計數，就可確定鼠標的位移情況。

7.2輸出設備

7.2.1顯示器

1.顯示設備的技術指標

（1）分辨率和灰度級。

分辨率和灰度級是顯示器的兩個重要技術指標。

分辨率（resolution）是指顯示設備所能表示的像素個數。像素越密，分辨率越高，圖像越清晰。灰度級（graylevel）是指所顯示像素點的亮暗差別，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。如果用4位表示一個像素，則只有16級灰度或

顏色，如果用8位表示一個像素，則有256級灰度或顏色。只有兩級灰度的顯示器稱為單色顯示器或黑白顯示器。具有多種顏色的顯示器稱為彩色顯示器。具有多種灰度級的黑白顯示器稱為多灰度級黑白顯示器。（2）刷新和幀存儲器。

CRT器件的發光是由電子束射在熒光粉上引起的。電子束掃過之后，其發光亮度只能維持短暫一瞬（大約幾十毫秒）便消失。為了使人眼能看到穩定的圖像，就必須在圖像消失之前使電子束不斷地重復掃描整個屏幕，這個過程叫做刷新（refresh）。每秒刷新的次數稱為刷新頻率或掃描頻率。結合人的視覺生理，刷新頻率應大于30次/秒，人眼才不會感到閃爍。顯示設備中通常選用電視中的標準，每秒刷新50幀（frame）圖像。為了不斷提供刷新圖像的信號，必須把整屏圖像存儲起來，存儲整屏圖像的存儲器稱為“幀存儲器”或“視頻存儲器”（VRAM）（電視不用幀存儲器也可以看到圖像，是因為電視接收機不斷接收從天線來的信號）。幀存儲器的容量由圖像分辨率和灰度級決定。分辨率越高，灰度級越多，幀存儲器容量越大。如分辨率為1024×1024，灰度級為256的圖像，存儲容量為1024×1024×8b＝1MB。幀存儲器的存取周期必須滿足刷新頻率的要求。容量和存取周期是幀存儲器的兩個重要技術指標。（3）亮度。亮度的單位是坎德拉每平方米（cd/m2）。顯示器所需的亮度與環境的亮度有關。

（4）對比度。對比度是指顯示器畫面上最大亮度和最小亮度的比值。同一顯示器在暗室中其對比度要

大得多。要提高對比度，就必須提高顯示屏幕的亮度，同時還要降低顯示“黑色”時的亮度。

（5）隨機掃描和光柵掃描。CRT的電子束在熒光屏上按某種軌跡運動稱為掃描（scan），控制電子束掃描軌跡的電

路叫掃描偏轉電路。掃描方式有兩種：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。電子束只在需要作圖的地方掃描，而不必掃描全屏幕，所以這種掃描方式畫圖速度快，圖形清晰。

光柵掃描是電視中采用的掃描方法。在電視中，要求圖像充滿整個畫面，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。逐行掃描就是從屏幕頂部開始一行接一行地掃描，一直到底，反復進行。電視系統采用隔行掃描，它把一幀圖像分為奇數場和偶數場，1、3、5、7等奇數行構成奇數場，0、2、4、6等偶數行構成偶數場。我國電視標準是625行，奇數場和偶數場各312.5行。掃描順序是先偶數場，再奇數場，交替傳送，每秒顯示50場。計算機中的CRT顯示器廣泛采用光柵掃描方式。

2.顯示設備種類

顯示設備種類繁多。按顯示設備所用的顯示器件分類，有陰極射線管（CathodeRayTube，CRT）顯示器、液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）和等離子體顯示器（PlasmaDisplayPanel，PDP）等。按顯示設備的功能分類，有普通顯示器和顯示終端兩大類。顯示器和顯示終端是兩個不同的概念。顯示器的功能簡單，它只能用于接收視頻信號，其控制邏輯和存儲邏輯都在主機接口板中。目前使用的個人計算機系統就是這種結構。這種顯示器也稱做監視器（monitor）。顯示終端是由顯示器和鍵盤組成的一套獨立完整的輸入/輸出設備，它可以通過標

準通信接口接到遠離主機的地方使用。終端的結構比顯示器的結構復雜得多，它能夠完成顯示控制與存儲、鍵盤管理以及通信控制等功能，還可以完成簡單的編輯操作。（1）陰極射線管（CRT）。

CRT是廣泛應用的顯示器件之一，用于電視接收機和計算機系統中。

CRT是一個電真空器件，由電子槍、偏轉裝置和熒光屏構成。電子槍是陰極射線管的主要組成部分，包括燈絲、陰極、柵極、加速陽極和聚焦極。CRT在加電以后，燈絲發熱，熱量輻射到陰極，陰極受熱便發射電子，電子束射到熒光屏上，熒光屏的內壁涂有熒光粉，它將電子束的動能轉換成光能，從而形成光點，由光點組成圖像。熒光粉的材料是多種金屬的化合物。不同的材料維持亮度的時間，即余輝時間不同，有長余輝、中余輝和短余輝之分。另外，要求熒光粉的顆粒精細，以便保證圖像像素清晰。彩色CRT的像素間距為0.31mm，高質量彩色CRT的像素間距是0.28mm。

彩色CRT有三個電子槍，分別對應紅、綠、藍三基色的信號強弱。在熒光屏內壁涂有彩色熒光粉，按三基色疊加原理形成彩色圖像。

（2）平板顯示器。平板顯示器（FPD）一般是指顯示器的深度小于顯示屏幕對角線1/4長度的顯示器件，有液晶顯示器（LCD）和等離子體顯示器（PDP）等。液晶是液態晶體的簡稱，它是一種有機化合物，在一定范圍內，既具有液體的流動性，又具有分子排列有序的晶體特性。液晶分子是棒狀結構的，具有明顯的光學各向異性，它本身不發光，但能夠調制外照光實現信息顯示，因此使用時需要背光源。

液晶顯示具有低工作電壓、微功耗、體輕薄、適于LSI驅動、易于實現大畫面顯示、顯示色彩優良等特點。目前廣泛應用的是薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）。液晶顯示器件本身具有純平面、顯示精細等特性，它需要一個亮度高且均勻的背光源。

目前可供使用的背光源很多，相對來說工藝成熟、亮度高、成本低、性能好的冷陰極熒光燈成為目前彩色薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）上使用最為廣泛的背光源。

冷陰極熒光燈是一種線光源，在背光模組的作用下，把線光源發出的光通過漫射和反射而使之成為亮度均勻并垂直射出的面光源。背光模組的設計涵蓋了光學、精密模具以及蝕刻、印刷等精密科技。緊貼在背光模組上的液晶面板負責對光線進行調制。TFT-LCD屏幕中的每個像素點都由集成在其背后的一個薄膜晶體管驅動，該晶體管還具有電容效應，能夠保持電位狀態，并可隨下一次驅動電壓的改變而改變。利用液晶透光率隨電壓改變的特性，使光線得以被顯示信號調制成不同強度的輸出信號。液晶上的RGB（紅、綠、藍）濾色片把可見光濾成三原色，進而組成各種顏色來還原畫面。等離子體顯示器（PDP）是利用惰性氣體在一定電壓作用下產生氣體放電現象而實現的一種發光型平板顯示技術。其結構好比把數百萬個等離子管按一定方式排列在兩塊平板玻璃之間，構成顯示屏幕。制作時，把兩塊玻璃板之間的空間通過障壁分成許多小室，即等離子管，每個等離子管對應的小室都設有一組電極，室內充有惰性氣體（Ne、He、Xe等）。在等離子管電極之間加上高壓后，封在兩層玻璃之間的等離子管小室中的氣體放電產生紫外線，并激發平板顯示屏上的紅、綠、藍三基色熒光粉發光，然后將這種光線轉換成人眼可見的光，實現彩色顯示。

PDP將每個等離子管作為一個像素，由這些像素的明暗和顏色變化組合產生各種灰度和色彩的圖像。這種結構也決定了其像素比較大，不能制備小尺寸高清晰度的顯示設備，故主要應用在40英寸以上的大屏幕領域。

PDP顯示器具有體積小、重量輕、亮度高、視角大、無X射線輻射等特點。7.2.2打印機

打印輸出是計算機系統最基本的輸出形式，打印輸出可產生永久性記錄，因此這類設備也稱為硬拷貝設備。

打印設備種類非常繁多。按印字原理分，可分為擊打式打印機和非擊打式打印機兩大類。擊打式打印機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，如點陣針式打印機。非擊打式打印機是采用電、磁、光、噴墨等物理、化學方法印刷字符，如激光打印機和噴墨打印機。擊打式打印機成本低，但噪音大，速度慢。非擊打式打印機速度快，噪音低，印字質量高，但價格較貴。目前的發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。按工作方式分，打印機可分為串行打印機和行式打印機；按打印機的寬度不同，可分為寬行打印機和窄行打印機；另外還有能夠輸出圖形/圖像的打印機和具有彩色效果的彩色打印機。

1.激光打印機

激光打印機一般分成6大系統：供電系統、直流控制系統、接口系統、成像系統、激光掃描系統、進出紙系統。（1）供電系統。

供電系統是其他5個系統的能源基礎，根據需要，輸入的交流電被調控為高壓、低壓、直流電。高壓電一般作用于成像系統，許多型號的打印機都有單獨的高壓板。但隨著集成化的增高，很多打印機的高壓板、電源板以及DC（DirectCurrent，直流）控制板被集成在一起。低壓電主要用來驅動各個引擎，其電壓根據需要而定。直流電主要用來驅動DC板上的各種型號的傳感器、控制芯片以及CPU等。（2）直流控制系統。

直流控制系統主要用來協調和控制打印機各系統之間的工作。該系統從接口系統接收數據，驅動控制激光掃描單元、測試傳感器、控制交直流電的分布、過壓與欠流保護、節能模式、控制高壓電的分布等。其電路構成遠比其他5個系統都復雜，涉及到電路的一些專業知識，像運算放大電路、反饋電路、整流電路等。（3）接口系統。

接口系統是打印機和計算機連接的橋梁，它負責把計算機傳遞過來的一定格式的數據翻譯成DC板能處理的格式，并傳遞給DC板。

接口系統的構成一般有三個部分：接口電路、CPU、BIOS電路。在接口電路里主要有一些負責產生穩壓電流的芯片（為保護和驅動其他芯片）。CPU主要任務是翻譯接口電路傳遞過來的數據，控制信號燈以及傳遞給DC板翻譯過的數據。有些型號的打印機，其接口電路已放進CPU中。BIOS電路主要包括打印機自身的一些配置，以及生產廠家的一些相關信息。（4）成像系統。

成像系統的工作過程大致分為兩個過程：前期的準備工作以及后期的定影成形工作。其整個工作過程大致分為以下7個步驟：

充電：通過充電輥給OPC（有機光導鼓，又稱感光鼓）表面充上高壓電。

曝光：利用OPC表面的光導特性，使感光鼓表面曝光，形成一定形狀不等位的電荷區。

顯影：碳粉顆粒在電場作用下吸附在感光鼓表面被曝光的區域。

轉印：當打印紙通過轉印輥時，被帶上與碳粉相反的電荷，使碳粉顆粒按一定的形狀轉印到紙上。分離：紙張從OPC和轉印輥上分離出來。

定影：已經印上字的打印紙上的碳粉顆粒，需要熔化才能滲透到紙里。

OPC清潔：OPC表面的碳粉并未完全被轉印到紙上，通過刮刀清理后，才可進入下一輪轉印成像過程。

在上述的定影成形過程中，加熱組件是個很重要的部件，它通過一定范圍的高溫，將碳粉熔化。目前加熱部件主要有兩種形式：陶瓷加熱和燈管加熱。陶瓷加熱的優點是加熱速度快、預熱時間短，缺點是易爆、易折；而燈管加熱則相對穩定些，缺點是預熱時間較長。現在有很多打印機都采用雙燈管加熱。但不論哪能種形式的加熱，其溫控都是通過熱敏元件感應溫度變化而自動閉合完成的。（5）激光掃描系統。

激光掃描系統的主要作用是產生激光束，在感光鼓表面曝光，形成映像。激光掃描系統主要有三個部分：多邊形旋轉引擎、發光控制電路、透鏡組。

旋轉引擎主要通過高速旋轉的多棱角鏡面，把激光束通過透鏡折射到感光鼓表面。發光控制電路主要用來產生調控過的激光束，主要由激光控制電路和發光二極管組成。透鏡組主要通過發散和聚合功能把光線折射到感光鼓表面。（6）進出紙系統。

操作系統主要由進紙系統和出紙系統構成。現有的大部分機型都可擴充多個進紙單元，而出紙系統也適應打印介質的需要，設置成兩個出紙口。打印紙在整個輸紙路中的走動都設有嚴格的時間范圍，超出了這個時間范圍，打印機就會報卡紙。而對具體位置的監控則是通過一系列的傳感器監測完成的。目前激光打印機中的傳感器大部分是由光敏二極管元件構成的。

激光打印機的基本工作原理如下：由激光器發射出的激光束，經反射鏡射入聲光偏轉調

制器，與此同時，由計算機送來的二進制圖文點陣信息，從接口送至字形發生器，形成所需字形的二進制脈沖信息。由同步器產生的信號控制9個高頻振蕩器，再經頻率合成器及功率放大器加至聲光調制器上，對由反射鏡射入的激光束進行調制。調制后的光束射入多面轉鏡，再經廣角聚焦鏡把光束聚焦后射至光導鼓(硒鼓)表面上，使角速度掃描變成線速度掃描，完成整個掃描過程。硒鼓表面先由充電極充電，使其獲得一定電位，之后經載有圖文映像信息的激光束的曝光，便在硒鼓的表面形成靜電潛像，經過磁刷顯影器顯影，潛像即轉變成可見的墨粉像，在經過轉印區時，在轉印電極的電場作用下，墨粉便轉印到普通紙上，最后經預熱板及高溫熱滾定影，即在紙上熔凝出文字及圖像。在打印圖文信息前，清潔輥把未轉印走的墨粉清除，消電燈把鼓上殘余電荷清除，再經清潔紙系統作徹底的清潔，即可進入新的一輪工作周期。

2.噴墨打印機

所謂噴墨打印機，就是通過將墨滴噴射到打印介質上來形成文字或圖像。早期的噴墨打印機以及當前大幅面的噴墨打印機都采用連續式噴墨技術，而當前市面流行的噴墨打印機都普遍采用隨機噴墨技術。這兩種噴墨技術在原理上是有很大差別的。

（1）連續式噴墨打印機。

連續式噴墨技術以電荷調制型為代表。這種噴墨打印原理是利用壓電驅動裝置對噴頭中墨水加以固定壓力，使其連續噴射。為進行記錄，利用振蕩器的振動信號激勵射流生成墨水

滴，并對其墨水滴大小和間距進行控制。由字符發生器、模調制器產生的打印信息對控制電極上電荷進行控制，形成帶電荷和不帶電荷的墨水滴，再由偏轉電極來改變墨水滴的飛行方向，使需要打印的墨水滴飛行到紙面上，生成字符/圖形記錄。不參與記錄的墨水滴由導管回收。對偏轉電極而言，有的系統采用兩對互相垂直的偏轉電極，即為二維偏轉型；有的系統對偏轉電極采用多維控制，即為多維偏轉型。這種連續循環的噴墨系統能生成高速墨水滴，所以打印速度高，可以使用普通紙。不同的打印介質皆可獲得高質量的打印結果，還易于實現彩色打印。但是，這種噴墨打印機的結構與隨機式相比，比較復雜，對墨水需要加壓裝置，終端要有回收裝置回收不參與記錄的墨水滴，并且工作方式的效率不夠高，而且不精確。現在采用這種技術的噴墨打印機已經極少見到。

（2）隨機式噴墨打印機。

隨機式噴墨系統中墨水只在打印需要時才噴射，所以又稱為按需式。它與連續式相比，結構簡單，成本低，可靠性也高，但是，因受射流慣性的影響，墨滴噴射速度低。為了彌補這個缺點，不少隨機式噴墨打印機采用了多噴嘴的方法來提高打印速度。目前，隨機式噴墨技術主要有微壓電技術和熱氣泡噴墨技術兩大類。

①熱氣泡噴墨技術。

噴墨打印機一般多采用熱氣泡噴墨技術，通過墨水在短時間內的加熱、膨脹、壓縮，將墨水噴射到打印紙上形成墨點，增加墨滴色彩的穩定性，實現高速度、高質量打印。由于除了墨滴的大小以外，墨滴的形狀、濃度的一致性都會對圖像質量產生重大影響，而墨水在高溫下產生的墨點方向和形狀均不容易控制，因此高精度的墨滴控制十分重要。熱氣泡式噴墨打印的原理是將墨水裝入到一個非常微小的毛細管中，通過一個微型的加熱墊迅速將墨水加熱到沸點。這樣就生成了一個非常微小的蒸汽泡，蒸汽泡擴張就將一滴墨水噴射到毛細管的頂端。停止加熱，墨水冷卻，導致蒸汽凝結收縮，從而停止墨水流動，直到下一次再產生蒸汽并生成一個墨滴。

②微壓電技術。

微壓電技術把噴墨過程中的墨滴控制分為3個階段：在噴墨操作前，壓電元件首先在信號的控制下微微收縮；然后，元件產生一次較大的延伸，把墨滴推出噴嘴；在墨滴馬上就要飛離噴嘴的瞬間，元件又會進行收縮，干凈利索地把墨水液面從噴嘴收縮。這樣，墨滴液面得到了精確控制，每次噴出的墨滴都有完美的形狀和正確的飛行方向。微壓電式噴墨系統在裝有墨水的噴頭上設置換能器，換能器受打印信號的控制，從而控制墨水的噴射。根據微壓電式噴墨系統換能器的工作原理及排列結構，可將其分為壓電管型、壓電薄膜型、壓電薄片型等幾種類型。

采用微壓電技術來控制墨點的噴射，不僅避免了熱氣泡噴墨技術的缺點，而且能夠精確控制墨點的噴射方向和形狀。壓電式噴墨打印頭在微型墨水貯存器的后部采用了一塊壓電晶體。對晶體施加電流，就會使它向內彈壓。當電流中斷時，晶體反彈回原來的位置，同時將一滴微量的墨水通過噴嘴射出去。當電流恢復時，又進入噴射下一滴墨水的準備狀態。這兩種方法相比，熱氣泡式打印頭由于墨水在高溫下易發生化學變化，性質不穩定，所以打出的色彩真實性就會受到一定程度的影響；另一方面由于墨水是通過氣泡噴出的，墨水微粒的方向性與體積大小不好掌握，打印線條邊緣容易參差不齊，在一定程度上影響了打印質量；另外，熱氣泡式噴墨打印機需要在每個墨盒中安裝噴墨嘴，這樣會增加墨盒的成本。這都是它的不足之處。微壓電打印頭技術是利用晶體加壓時放電的特性，在常溫狀態下穩定地將墨水噴出。這種技術對墨滴控制能力較強，還將色點縮小許多，產生的墨點也沒有慧尾，從而使打印的圖像更清晰，容易實現高達1440dpi（dotperinch，每英寸點數）的高精度打印質量。而且微壓電噴墨無需加熱，墨水就不會因受熱而發生化學變化，故大大降低了對墨水的要求。另外，壓電式打印頭被固定在打印機中，因此只需要更換墨盒就可以了。壓電式噴墨打印機的缺點是，如果壓電打印頭被損壞或者阻塞了，整臺打印機都需要維修。

7.3輔助存儲器

7.3.1輔助存儲器的種類與技術指標

目前流行的輔助存儲器主要有磁表面存儲器和光存儲器兩大類。

磁表面存儲器是將磁性材料沉積在盤片（或帶）的基體上形成記錄介質，并以繞有線圈的磁頭與記錄介質的相對運行來寫入或讀出信息。磁表面存儲器又分為數字式磁記錄和模擬式磁記錄兩種。數字式磁記錄主要有軟盤、硬盤和磁帶。模擬式磁記錄是指錄音和攝像設備，過去多用于家用電器設備，現已向數字式轉化。計算機系統中的光存儲器主要是光盤（opticaldisk）。光盤的記錄原理不同于磁盤，它是利用激光束在具有感光特性的表面上存儲信息的。

輔助存儲器的主要技術指標有存儲密度、存儲容量、平均存取時間、數據傳輸率和位價格等。

1.存儲密度

存儲密度是指單位長度或單位面積磁層表面所存儲的二進制信息量，它可分為道密度、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（TracksPerInch，TPI）。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（bitsperinch，bpi）。面密度是道密度和位密度的乘積，單位為位/平方英寸。

2.存儲容量

存儲容量是指磁盤存儲器所能存儲的二進制信息的總量。一般以字節為單位。

磁盤存儲器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。將磁盤存儲器用于計算機系統中，必須首先進行格式化操作，然后才能供用戶記錄信息。格式化容量一般約為非格式化容量的60%～70%。

3.平均存取時間

存取時間是指從發出讀寫命令后，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加上傳送數據所需的時間。這段時間由下面三個因素決定。第一個因素是將磁頭定位至所要求的磁道上所需的時間，稱為找道時間。第二個因素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。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12ms。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。目前固定頭盤轉速達10000轉/分，故平均等待時間為3ms。第三個因素是數據傳送時間。

因此磁盤總的平均存取時間Ta可表示為(7.1)式中，Ts表示平均找道時間，1/(2r)表示平均等待時間，第3項表示數據傳送時間。其中r表示磁盤旋轉速率（單位是轉/秒），B表示傳送的字節數，N表示每磁道字節數。

4.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數叫做數據傳輸率。數據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發送信息或從設備接收信息。

從存儲設備考慮，假設磁盤旋轉速度為n轉/秒，每條磁道容量為N個字節，則數據傳輸率為

Dr＝nN（字節/秒）或Dr＝D·v(字節/秒)（7.2）

其中,D為位密度，v為磁盤旋轉的線速度。

5.位價格

通常用位價格來比較各種存儲器。位價格是指設備價格除以容量。在所有存儲設備中，磁表面存儲器和光盤存儲器的位價格是比較低的。

7.3.2磁盤

磁盤存儲器是計算機系統中最主要的外存設備。磁盤存取速度較慢，存儲容量大，存儲在磁盤中的信息易于脫機保存。

1.磁記錄原理

所謂磁表面存儲，是指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、磁帶存儲器都屬于磁表面存儲器。

磁表面存儲器存儲容量大，位價格低，記錄介質可以重復使用，記錄信息可以長期保存而不丟失，讀出時不需要再生信息。但是其存儲速度較慢，機械結構復雜，對工作環境要求較高。

磁表面存儲器由于存儲容量大，位價格低，在計算機系統中作為輔助大容量存儲器使用，用來存放系統軟件、大型文件、數據庫等程序與數據信息。在磁表面存儲器中，利用磁頭來形成和判別磁層中的不同磁化狀態。磁頭是由軟磁材料做鐵芯，繞有讀寫線圈的電磁鐵。寫入時，利用磁頭使載磁體（盤片）具有不同的磁化狀態，而在讀出時又利用磁頭來判別這些不同的磁化狀態。

磁表面存儲器通過磁頭和記錄介質的相對運動(一般是記錄介質運動而磁頭不動)完成寫入和讀出，如圖7.1所示。圖7.1磁表面存儲器的讀/寫原理寫入時，當寫線圈中通入一定方向的脈沖電流時，磁頭導磁體被磁化，建立一定方向和強度的磁場。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。若在寫線圈里通入相反方向的脈沖電流，就可得到相反極性的磁化元。如果規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”。一個磁化元就是一個存儲元，一個磁化元中存儲一位二進制信息。當載磁體相對于磁頭運動時，就可以連續寫入一連串的二進制信息。讀出時，當磁頭經過載磁體的磁化元時，磁化元的磁力線很容易通過磁頭而形成閉合磁通回路。不論磁化元是哪一種剩磁狀態，磁頭和介質的相對運動將切割磁力線，因而在讀線圈的兩端產生感應電壓e。不同的磁化狀態，所產生的感應電壓的方向不同，這樣，不同方向的感應電壓經讀出放大器放大鑒別，就可判知讀出的信息是“1”還是“0”。

總之，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；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表示的二進制代碼轉換成電信號輸出。這就是磁表面存儲器存儲信息的基本原理。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，寫入和讀出合用一個磁頭，故稱之為讀/寫磁頭。

2.硬磁盤存儲器的組成和分類

硬磁盤存儲器（簡稱硬盤）是指記錄介質為硬質圓形盤片的磁表面存儲器。它以鋁合金等金屬作為盤基，盤面敷有磁性記錄層，磁層可以采用甩涂工藝制成，此時磁粉呈不連續的顆粒存在。也可以用電鍍、化學鍍和濺射等方法制作連續膜磁盤。硬盤主要由磁記錄介質、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、讀出磁頭與磁頭定位伺服系統等。

硬盤按盤片結構，分成可換盤片式與固定盤片式兩種。根據磁頭的工作方式，還可分成移動磁頭和固定磁頭兩種。移動磁頭固定盤片硬盤存儲器的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。

固定磁頭硬盤存儲器的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。其優點是存取速度快，省去磁頭找道時間，缺點是結構復雜。移動磁頭可換盤片硬盤存儲器的盤片可以更換，磁頭沿盤面徑向移動。其優點是盤片可以脫機保存，同種型號的盤片具有互換性。

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硬盤存儲器。它是一種密封組合式的硬磁盤，即由磁頭、盤片、電機等驅動部件以及讀/寫電路組裝成的一個不可隨意拆卸的整體。工作時，磁盤高速旋轉，在盤面上形成氣墊，將磁頭平穩浮起。其優點是防

塵性能好，可靠性高，對使用環境要求不高，是最有代表性的硬盤存儲器。而普通的硬磁盤要求具有超凈環境，只有大中型計算機才有可能創建這樣的環境。

3.硬磁盤驅動器（HDD）和硬磁盤控制器（HDC）

（1）硬磁盤驅動器。

硬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。

對于溫盤驅動器，還要求在超凈環境下組裝。各類硬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、主軸系統和數據轉換系統組成。圖7.2是硬磁盤驅動器的結構示意圖。圖7.2硬磁盤驅動器結構示意圖在可移動磁頭的磁盤驅動器中，驅動磁頭沿盤面徑向運動以尋找目標磁道位置的機構叫磁頭定位驅動系統，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。步進電機靠脈沖信號驅動，控制簡單，整個驅動定位系統是開環控制，因此定位精度較低，一般用于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，整個驅動定位系統是一個帶有速度和位置反饋的閉環控制系統，驅動速度快，定位精度高，因此用于較先進的磁盤驅動器中。主軸系統的作用是安裝盤片，并驅動它們以額定轉速穩定旋轉。它的主要部件是主軸電機和有關控制電路。

數據轉換系統的作用是控制數據的寫入和讀出。它包括磁頭、磁頭選擇電路、讀/寫電路和索引、區標電路等。

（2）硬磁盤控制器。

硬磁盤控制器是主機與磁盤驅動器之間的接口，用來接收并解釋來自主機的命令，按照主機的命令向磁盤驅動器發各種控制信號，檢測硬磁盤驅動器的狀態，按照規定的硬盤數據格式，把數據寫入磁盤驅動器或從磁盤驅動器上讀出數據。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接口的控制器，它需要有兩個接口：一個是與主機系統的接口，控制外存與主機總線之間接口交換數據；另一個是與設備的接口，根據主機命令控制設備的操作。前者稱為系統級接口，后者稱為設備級接口。

主機與硬磁盤驅動器交換數據的控制邏輯如圖7.3所示。磁盤上的信息經讀磁頭讀出以后送入讀出放大器，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控制將數據傳送到主機總線。圖7.3硬磁盤控制器的邏輯框圖

4.磁盤組

一個硬磁盤通常都由一個或幾個盤片組成，稱為磁盤組。每個盤片的上下兩面都能記錄信息，通常把磁盤片表面稱為記錄面。記錄面上一系列同心圓稱為磁道。每個盤片表面通常有幾百到幾千個磁道，每個磁道又分為若干個扇區，如圖7.4所示。

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假設稱為n磁道。n磁道里面的圓面積不記錄信息。每個磁道上扇區數目一般是相同的，而且每個扇區存放的信息量也是相同的。也就是說每個磁道上記錄的信息是相同的，所以靠里面磁道的信息存儲密度要比外磁道大。圖7.4扇區示意圖［例7.1］磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，最上、最下兩個記錄面不用。存儲區域內徑為22cm，外徑為33cm，道密度為40道/cm，內層位密度為400位/cm，轉速為6000轉/分。問：

（1）共有多少柱面？

（2）盤組的總存儲容量是多少？

（3）數據傳輸率是多少？

（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？

解：（1）有效存儲區域=(33-22)/2=5.5(cm)

因為道密度=40道/cm，所以40×5.5=220道，即220個柱面

（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=7598800B

（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=6000轉/60秒=100轉/秒

所以Dr=rN=100×3454B=345400B/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），每個記錄塊記錄固定字節數目的信息。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：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。（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。7.3.3Flash存儲器

Flash存儲器也翻譯成閃速存儲器，它是在EPROM與EEPROM的基礎上發展起來的，它與EPROM一樣，用單管來存儲一位二進制信息（參見第3章圖3.9）。它與EEPROM的相同之處是用電來擦除。Flash存儲器兼有ROM和RAM兩者的性能，又有ROM、DRAM一樣的高密度，目前價格已低于DRAM，芯片容量又接近于DRAM，是惟一具有大存儲量、非易失性、低價格、可在線改寫和高速度等特性的存儲器。

Flash存儲器有三個基本操作，分別是編程操作、讀取操作和擦除操作。編程操作實際上是寫操作。所有存儲元的原始狀態均處于“1”狀態，這是因為擦除操作時控制柵不加正電壓。編程操作的目的是為存儲元的浮空柵補充電子，從而使存儲元改寫成“0”狀態。如果某存儲元仍保持“1”狀態，則控制柵就不加正電壓。實際上編程時只寫0，不寫1，因為存儲元擦除后原始狀態全為1。要寫0，就要在控制柵上加正電壓。一旦存儲元被編程，存儲的數據可保持很長時間而無需外電源。

進行讀取操作時控制柵加上正電壓，浮空柵上的負電荷量將決定是否可以開啟MOS晶體管。如果存儲元原存1，可認為浮空柵不帶負電，控制柵上的正電壓足以開啟晶體管導通。如果存儲元原存0，可認為浮空柵帶負電，控制柵上的正電壓不足以克服浮空柵上的負電量，晶體管不能開啟導通。當MOS晶體管開啟導通時，電源提供從漏極D到源極S的電流。若讀出電路檢測到有電流，表示存儲元中存1；若讀出電路檢測到無電流，表示存儲元中存0。

EPROM中使用外部紫外光照射方式擦除，而Flash存儲器采用了電擦除。進行擦除操作時，所有的存儲元中浮空柵上的負電荷要全部泄放出去，為此晶體管源極S要加上正電壓，這與編程操作正好相反。源極S上的正電壓吸收浮空柵中的電子，從而使全部存儲元變成1狀態。

最后讓我們把Flash存儲器與其他存儲器作個比較。從表7.2可以看到，Flash存儲器具有十分明顯的優點。7.3.4

RAID盤

獨立冗余磁盤陣列（RedundantArraysofIndependentDisks，RAID）是用多臺磁盤存儲器組成的大容量外存系統。其構造基礎是利用數據分塊技術和并行處理技術，在多個磁盤上交錯存放數據，使之可以并行存取。在RAID控制器的組織管理下，可實現數據的并行存儲、交叉存儲、單獨存儲。由于陣列中的一部分磁盤存有冗余信息，一旦系統中某一磁盤失效，可以利用冗余信息重建用戶數據。

促進磁盤陣列技術快速發展的因素主要有以下三點：

（1）CPU速度的增長大大超過了磁盤驅動器數據傳輸率的增長。（2）小盤徑陣列磁盤驅動器與大型驅動器相比具有成本低、功耗小和性能高等優點。

（3）能保證極高的可靠性和數據的可用性。

下面對RAID0級～RAID7級及RAID10級進行簡介。其中描述的“位交叉存取”是將一個數據字中的各位分別存儲在不同的磁盤上，以同步方式進行讀/寫，其最小訪問數據單位是

每個磁盤的最小讀/寫單位（例如扇區）乘以磁盤數，適合于傳送大批量數據；“塊交叉”是以數據塊為單位，將連續的數據塊分別存儲在不同的磁盤上，其最小訪問數據單位是一個磁盤的最小訪問單位（例如扇區），所以也適合于傳送少量數據。（1）RAID0級（無冗余和無校驗的數據分塊）。

此級將連續的數據塊分別存放在不同的磁盤上。與其他級相比，此級具有最高的I/O性能和磁盤空間利用率，但無容錯能力，增加了系統出故障的幾率，其安全性甚至低于常規的硬盤系統。

（2）RAID1級（鏡像磁盤陣列）。

此級由磁盤對組成，每一個工作盤都有對應的鏡像盤，上面保存著與工作盤完全相同的數據，安全性高，但磁盤空間的利用率只有50%。（3）RAID2級（采用糾錯海明碼和位交叉存取的磁盤陣列）。

用戶需增加足夠的校驗盤來提供單糾錯和雙驗錯功能。當陣列內有G個數據盤時，則所需的校驗盤數C要滿足公式2C≥G+C+1。例如，如果有10個數據盤，則需要4個校驗

盤。對數據的訪問涉及到磁盤陣列中的每一個盤，對大數據量傳送有較高性能，但不利于小數據量的傳送。RAID2級很少使用。

(4)RAID3級(采用奇偶校驗碼和位交叉存取的磁盤陣列)。

此級將奇偶校驗碼放在一個磁盤上。目前多數磁盤控制器已能用CRC檢測出本身磁盤是否出錯，因此只需一個奇偶校驗碼就能糾正出錯的數據。如果一個盤失效，可通過對剩下的盤上的信息進行“異或”運算得到正確數據。但由于采用位交叉，每次讀/寫要涉及整個盤組，因此此級對小數據量不利，計算也比較費時。

(5)RAID4級(采用奇偶校驗碼和塊交叉存取的磁盤陣列)。

此級與RAID3級一樣采用一個奇偶校驗盤，但采用塊交叉存取技術，讀/寫少量數據只與兩個盤有關（一個數據盤、一個校驗盤），因此只需讀/寫兩個盤，簡化了產生校驗碼的方法。對于數據塊的重寫（讀—修改—寫），其公式為

新奇偶校驗碼＝（新數據XOR舊數據）XOR舊奇偶校驗碼

(6)RAID5級(采用奇偶校驗碼和塊交叉存取的磁盤陣列)。

此級與RAID4級類似，但無專用的校驗盤，它將校驗信息分布到組內所有盤上，對大、小數據量的讀/寫都有很好的性能，因而是一種較好的方案。

（7）RAID6級（采用塊交叉技術和兩種奇偶校驗碼的磁盤陣列）。

此級采用兩種不同數據塊組合方法，形成兩種奇偶校驗碼。與無校驗碼相比，此級要增加兩個盤，但不設專用校驗盤，而將校驗信息分布到磁盤陣列的所有盤上。其設計和校驗都比較復雜，但可靠性高。（8）RAID7級（獨立接口的磁盤陣列）。

此級每一個磁盤驅動器與每一主機接口都有獨立的控制和數據通道的磁盤陣列，因此主機可完全獨立地對每個磁盤驅動器進行訪問。

（9）RAID10級（RAID0級+RAID1級）。

此級由分塊和鏡像組成，是所有RAID中性能最好的磁盤陣列，但每次寫入時要寫兩個互為鏡像的盤，價格高。7.3.5光盤存儲器

光盤（opticaldisk）是指利用光學方式進行讀/寫信息的圓盤。應用激光技術在某種介質上寫入信息，然后再利用激光讀出信息的技術稱為光存儲技術。如果光存儲使用的介質是磁性材料，即利用激光在磁記錄介質上存儲信息，就稱為磁光存儲。目前，光盤已成為很有競爭力的輔助存儲器。

1.光盤存儲器的種類

目前的光盤有CD-ROM、WORM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、Blu-ray等類型。（1）CD-ROM光盤。

CD-ROM是只讀型光盤，由生產廠家預先寫入數據或程序，出廠后用戶只能讀取，而不能寫入修改。一張CD-ROM盤可存儲650MB數據。

（2）WORM光盤。

WORM（WriteOnce，ReadMany）表示一次寫多次讀，可由用戶寫入信息，寫入后可以多次讀出，但只能寫一次，信息寫入后不能修改。它主要用于計算機系統中的文件存檔或寫入的信息不需修改的場合。（3）CD-R光盤。

CDR光盤實質上是WORM光盤的一種，區別在于CD-R允許多次分段寫數據。CD-R光盤的數據一旦寫上也不能擦除。

（4）CD-RW光盤。

CD-RW表示可重復寫光盤，用于反復讀寫數據。一張CD-RW盤片可擦寫上千次。

（5）DVD-ROM光盤。

DVD（DigitalVideoDisc）是數字視頻光盤，它同樣也可存儲其他類型數據，因此又可改為DigitalVersatileDisc，縮寫仍是DVD。

CD-ROM和DVD-ROM的主要區別在于CD光盤是單面使用，而DVD光盤兩面都可以寫數據。單面單層DVD盤片能存儲4.7GB的數據，單面雙層為8.5GB，最高可達17GB（雙面雙層）。

（6）Blu-ray光盤。

前面介紹的光盤采用的都是紅光激光，而Blu-ray技術使用了波長較短的藍光激光，可聚焦于更小的點，相對于使用紅光激光的DVD，可以提高數據的存儲密度。

單面單層的Bluray光盤可以存儲25GB的數據，單面雙層存儲可達50GB的高容量。一片單層25GB的Blu-ray光盤相當于23小時一般分辨率的影片或是6小時高分辨率的影片，而一片雙層50GB的Blu-ray光盤可以存儲的數據量相當于70片CD或10片DVD的容量。

2.光盤的讀寫原理

光盤存儲器是利用激光束在記錄介質表面上存儲信息的。根據激光束及反射光的強弱不同，可以完成信息的讀/寫。它的讀/寫裝置與光盤片的距離比磁存儲器磁頭與盤片的距離大，是非接觸型讀/寫存儲器。其記錄原理有形變、相變和MO(磁光)存儲等。（1）形變。

當只讀型和只寫一次型光盤寫入時，將激光束聚焦成直徑小于1μm的微小光點，以其熱作用，融化盤表面上的光存儲介質薄膜，在薄膜上形成凹坑。有凹坑的位置表示記錄了

1，沒有凹坑的位置表示0。

讀出時，在讀出光束的照射下，在有凹坑處和無凹坑處反射的光強是不同的，利用這種差別，可以讀出二進制信息。由于讀出光束的功率只有寫入光束功率的1/10，因此不會形

成新的凹坑。（2）相變。

有些光存儲介質在激光照射下，晶體結構會發生變化。利用介質處于晶態和非晶態區域的反射特性不同而記錄和讀取信息的技術，稱為相變（phasechange）可重寫技術。

（3）MO存儲。

利用激光在磁性薄膜上產生熱磁效應來記錄信息，稱為磁光存儲。它可應用于可擦寫光盤上，其記錄原理如下。

根據磁記錄原理可以知道，在一定溫度下如果在磁記錄介質的表面上加一個強度低于該介質矯頑力的磁場，則不會發生磁通翻轉，也就不能記錄信息。

但介質的矯頑力可隨溫度而變，假如能設法控制溫度，降低介質的矯頑力，使其低于外加弱磁場強度，則將發生磁通翻轉。磁光存儲就是根據這一原理存儲信息的。它利用激光照射磁性薄膜，被照射處溫度上升，矯頑力下降，在外加磁場的作用下發生磁通翻