计算机组成原理 1
计 算 机 组 成 原 理
第二十七、二十八讲
2009年 11月 10日
输入输出设备
计算机组成原理 2
1,概述
2,输入设备 键盘, 鼠标等
3,输入设备 显示器, 打印机
4,存储设备 硬盘, 光盘存储设备
本讲安排
计算机组成原理 3
本讲将解决的主要问题
掌握常用外设的基本概念、结构、工作原理
了解主要外设的关键技术及其发展动态
计算机组成原理 4
一、作用
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。
外设 外设CPU
二、地位
? 从信息的转换角度：决定了信息处理的可靠性与准确性
? 从配置上：越来越多，功能越来越强
? 从所占比重上：其产值占信息产业中硬件产值的 70% 以上
决定计算机系统可靠性、性价比及影响计算机推广应用的关键
外 设 概 论
计算机组成原理 5
三、分类
按功能
? 输入设备
1 键盘、鼠标
2 图形输入设备：光笔、数字化仪
3 语音输入设备：话筒
4 自动识别输入设备,OCR,OMR、扫描仪、条码阅读机
5 触摸屏
6 图象输入设备：数码相机
计算机组成原理 6
? 输出设备
1 显示器
2 打印机
针式打印机
激光打印机, 激光扫描技术、电摄影技术
喷墨打印机：“连续射流分解成滴”
3 绘图仪：平台式和鼓式
4 语音输出设备：扬声器、耳机
5 缩微胶卷输出设备
计算机组成原理 7
? 外存储设备
1 软盘
2 硬盘
内置硬盘 盒式硬盘
3 光盘,CD,DVD
4 磁带
? 数据通信设备
? 终端设备
1 通用终端设备
2 专用终端设备
计算机组成原理 8
键盘
一、键开关的结构及工作原理
? 有触点式,机械簧片式、干簧管式、薄膜式、
导电像胶式等
? 无触点式,电容式、霍尔效应式
键冒
复位弹簧
键杆
簧片
铜箔
基板
键冒
复位弹簧
键杆
泡沫减振块
活动极
驱动极
检测极
印刷电路板
~ >
计算机组成原理 9
有触点式,结构简单、成本低、开关特性好，
开关通断时会发生触点跳动，因引起电
路干扰和机械磨损而影响寿命
无触点式,无机械磨损、不存在触点跳动现象，
可靠性高、寿命长，
需放大、整形等较复杂的电路，成本高，
且加工装配要求高
键盘按键,有机械式、电容式、导电橡胶式、薄膜式等多种，
但不管何种形式，其作用都是一个使电路接通与断开的开关。
计算机组成原理 10
二、键盘编码器
1.编码键盘 键盘 本身带有实现接口主要功能所必需的硬件电
路。又分为 静态编码器和动态编码器
2.非编码键盘
键盘 只简单地提供按键开关的行列矩阵。
8*8 开关矩阵
y 编码器
x 编码器
y0y7
x0
x7
…
…
锁存器
b0 b1 b2 b3 b4 b5
x0 … x7
锁存信号
按键标志
产生电路
计算机组成原理 11
1,静态编码器
(1) 组成和工作原理 画一组 x0,y0 的工作原理：
+5V
+5V
y1 y0
ki +1 ki x0′
x0
a,未按键,三极管 T0 ~ T7 处于截止，
y0 ~ y7,1
x0 ~ x7, 1
b,当 ki 按下：
y0 与 x0 ′接通,y0, 0
三极管 T0 饱和,x0, 0
8*8 开关矩阵
y 编码器
x 编码器
y0y7
x0
x7
…
…
锁存器
b0 b1 b2 b3 b4 b5
x0 … x7
锁存信号
按键标志
产生电路
计算机组成原理 12
(2) 按键标志的产生
当按下某键,x0 ~ x7 （ y0 ~ y7）必有一个输出为,0”，可
用 x0 ~ x7 送入与门，将 R-S置,1”，用此信号将编码锁存。
锁存器
x0
x7
.
.
,
b5 … b0
S
Q
R
计算机组成原理 13
2,动态编码器 (1) 电路原理
6位计数器
3/8
线
译
码
器
8 通道开关
+5V时钟
时钟发生器
Q1Q2Q3Q6 Q5 Q4
x0
x2
x4
x6
y0 y1 y2 y7
f计数线
保持线
计算机组成原理 14
(2) 工作过程
6位计数器在循环计数，计数规则为：
000000--111111
当某一键按下，该计数器应停在对应的计数状态
通过查表法得出编码
计数器 ROM
0
0
1
0
0
0
1010100, T,
(3) 特点
扫描速度快,结构简单，应用较广泛
计算机组成原理 15
（ 4）、有触点式键开关抖动影响的消除
键按下
前沿抖
动
后沿抖
动
经测定：
前沿抖动时间 <20ms
硬件去抖
去抖电路
软件去抖 键是否按下
延 时 20 ms
读键开关
Y
N
计算机组成原理 16
有一个 3*4的矩阵键盘通过并行接口芯片 8255A与计算机相
连。 8255A的 A定义为输出口，与键盘行线相连； B口定义为
输入口，与键盘列线相连。接口硬件如图。
非编码键盘接口
PA0
PA1
PA2
PB3
PB2
PB1
PB0
8255A
CPU
行 0
行 1
行 2
列 0 列 3列 1 列 2
3.非编码键盘
计算机组成原理 17
接口原理
①检查是否有键按下,其方法是：输出扫描码，使所
有行线为 0。然后读入列线状态，检查是否有列线为 0。
若有，则表明有行线和列线接通，意味意有键按下。
②去抖动,当有键按下时，延时 20ms左右，待抖动消
失后，在稳定状态下进行被按键 识别。
③被按键识别,从第 0行第 0列开始，顺序对所有按键
编号。通过逐行扫描确定被按键的编号。
④产生键码,根据扫描得到的键编号查找键盘编码表，
获得与被按键功能对应的键码。
计算机组成原理 18
鼠标器
鼠标的移动距离和方向
脉冲信息（送给计算机）
显示器光标的坐标数据
光电式 光机式 机电式
1,光电式
结构
LE
D鼠标
板
探测
器
整形电
路
计算机组成原理 19
2,光机式
三个滚轴（ X方向,Y方向、空）
X,Y方向各连一个码盘
三个均与同一个滚动小球接触
3,机电式
A B
电刷
金属片
滚球
垂直轴
水平轴
支撑轮
垂直轮
水平轮
转角计数
转角计数
计算机组成原理 20
条形码扫描仪
计算机组成原理 21
几种常用的自动识别输入技术
? OCR（ Optical Character Recognition )
ICR(Image Character Recognition)
ICR(Intelligent Character Recognition)
? MICR（ Magnetic Ink Character Recognition )
? MBR（ Magnetic Bar Recognition )
? 声音识别技术
? 视觉识别技术
? 条形码识别技术
计算机组成原理 22
一、概述
1,条码技术的优点
? 输入速度快
? 可靠性高
? 采集信息量大
? 灵活实用
2,条码技术的应用范围
? 商业自动化系统
? 仓储管理
计算机组成原理 23
3,条码术语
条码（ bar code）,由一组规则排列的条、空及其对应字符组成的 标记，用
以表示一定的信息
条 /空（ bar/space）,条码中反射率较低 /较高的部分 ---单元
空白区（ clear area）,条码左右两端外侧与空的反射率相同的限定 区域
起始符（ start character ）,位于条码起始位置的若干条与空
终止符（ stop character ）,位于条码终止位置的若干条与空
条码字符（ bar code character）,表示一个字符的若干条与空
条码校验符（ bar code check character）,表示校验码的条码字符条高
（ bar height ）：构成条码字符的条的二维尺寸中的纵向尺寸条宽（ bar
width ）：构成条码字符的条的二维尺寸中的横向尺寸条码长度（ bar code
length）：从条码起始符前缘到终止符后缘的长度
计算机组成原理 24
4,条码符号结构
空白区 起始字符 数据字符 校验字 符 终止字符 空白区
可选
计算机组成原理 25
二,EAN ( 通用商品代码 ）
EAN码是国际物品编码协会制定的一种商品用条码，通
用于全世界。 EAN码符号有标准版（ EAN-13）和缩短版
（ EAN-8）两种，我国的通用商品条码与其等效。我们日常购
买的商品包装上所印的条码一般就是 EAN码。
计算机组成原理 26
校验位（ 1b)
商品代码（ 5b)
企业代码（ 4 ~ 5 b )
前置码（ 2 ~ 3 b )
1,EAN-13 代码结构
计算机组成原理 27
2,UPC (统一产品代码）
? 只能表示数字
? 有 A,E 两个版本
? 版本 A - 12 位数字
? 版本 E - 8 位数字
? 最后一位为校验位
? 主要使用于美国和加拿大地区，用于工业、医药、仓库等部门
当 UPC 作为十二位进行解码时，定义如下：
第一位,国家或地区标识 (由 UCC（统一代码委员会）建立
第 2-6位,生产厂家的标识号
第 7-11, 唯一的厂家产品代码
第 12位,校验位 (used for error detection)
计算机组成原理 28
3,Code 3 of 9
? 能表示字母、数字和其它一些符号共 43个字符：
A –Z,0 - 9,-,.,$,/,+,%,space
? 条码的长度是可变化的
? 通常用, *, 号作为起始、终止符
? 校验码不用
? 代码密度介于 3 - 9.4个字符 /每英寸
? 空白区是窄条的 10倍
? 用于工业、图书、以及票证自动化管理上
计算机组成原理 29
? 线性堆叠式 。
? 矩阵式 。 PDF417
QR code Data matrix Maxi code
4,二维条码
计算机组成原理 30
三、条码扫描器
1,分类
按扫描原理：
? LED扫描器
结构简单、体积小、
成本低、耐用，
适宜构成笔状，
可读较长的条码符号，
对条码有一定的破坏性，
一次扫描成功率偏低
计算机组成原理 31
CCD扫描器
? 自动扫描
? 对于不易接触的物品均能方便识读
? 读出长度受 CCD元件尺寸限制
? 扫描景深不如激光扫描器
LED线阵列
反射镜
透镜
CCD传感器
计算机组成原理 32
激光扫描器
? 自动扫描
? 景深较大
? 扫描首读率和精度较高
激光管
旋转棱镜
光电三极
管
按使用方式：
A、手持式：包括 CCD、激光枪、光笔、数据采集终端
B、台式：包括 CCD、激光平台
C、卡槽式：包括考勤卡钟、卡片阅读器
计算机组成原理 33
2,识读系统的组成
光学系统 探测器 信号放大 滤波 整形 译码器
扫描系统 信号整形 译码
至
计
算
机
计算机组成原理 34
输入设备 ——光笔
光传感器件
信号处理
电路
计算机组成原理 35
输入设备 ——数字化仪
游标
图形板
电缆
计算机组成原理 36
输入设备 ——触摸屏
红外线
屏幕 接收头
发射头
计算机组成原理 37
输入设备 ——扫描仪
A / D 转换
接
口
CCD
被扫描纸张
数据输出
移动方向
反射光
光源
? ?
? ?
? ?
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?
计算机组成原理 38
以可见光形式传递和处理信息的设备叫显示设备。
(1)按显示设备所用显示器件分类,
阴极射线管（ CRT）显示器
液晶显示器（ LCD）
等离子显示器等
显示设备分类
设备分类：
CRT显示器又分为：
以扫描方式不同：光栅扫描和随机扫描显示器
以分辨率不同：高分辨率和低分辨率显示器
以显示颜色分类：单色（黑白）和彩色显示器
(2)按显示内容分类：
字符显示器 图形显示器 图象显示器
计算机组成原理 39
电子枪：
电子枪是阴极射线管的主要组成部分, 包括灯丝, 阴极,
控制级 （ 栅级 ）, 第一阳极 （ 加速极 ）, 第二阳极 （ 高压极 ）
和第三阳极 （ 聚焦极 ） 。
单色 CRT工作原理：
当灯丝加热, 阴极受热而发射电子, 电子的多少受控制极
控制 。
电子经加速, 聚焦而成电子束, 在高压极形成的均匀电位
空间作用下高速地冲射到荧光屏上, 荧光屏受电子束轰击而产
生一个亮点, 其亮度取决与电子束的轰击速度, 电子束电流强
度和荧光粉的发光效率 。
电子束在偏转系统的控制下, 在荧光屏的不同位置产生光
点, 这些光点即可组成所需的字符和图象 。
计算机组成原理 40
CRT是一漏斗形的电真空器件 。 由电子枪, 荧光屏及偏
转线圈组成 。 图 （ a） 是 CRT的结构, 图 （ b） 是带有偏转线
圈的 CRT示意图 。
(1)阴极射线管 CRT
1.显示器件
计算机组成原理 41
计算机组成原理 42
彩色 CRT与单色 CRT的原理基本相似。
? 荫罩式彩色显象管
一般有三个按正三角形排列的电子枪，分别用来触发红，
绿，蓝三种颜色的荧光粉发光，荧光屏上每个象元由按三角
形排列的红，绿，蓝三种荧光粉组成。
荧光屏附近装有一个荫罩板，上有 40-50万个小孔，和三
色荧光粉组数一一对应，以保证三支电子枪能够准确击中各
自相应的荧光粉。
涂有荧光粉的屏幕被激励而出现红蓝绿三基色或有三基色
组成的其它颜色。
彩色 CRT工作原理：
? 栅网式的单枪三色彩色显象管
性能进一步改进，制造工艺和控制方法比较简单。
计算机组成原理 43
黑
绿 红
蓝
品红青 白
棕
颜色 R G B
黑 0 0 0
蓝 0 0 1
绿 0 1 0
青 0 1 1
红 1 0 0
品红 1 0 1
棕 1 1 0
白 1 1 1
改变三基色的组合状态，
可获得色度的变化。
计算机组成原理 44
其结构简单, 已大量用于仪表, 计算器和手表上 。
原理：
在两块敷有透明导电电极平板的玻璃夹层中, 封装一种
既有流体性质, 又有晶体性质的液晶, 只要在电极上加几伏
至几十伏电压, 液晶的透光率, 反射率, 颜色等就会发生变
化, 即可显示字符和图形 。
(2)平板显示器件
① 液晶显示平板器件
特点,电流小，工耗低，价廉，可与集成电路配套使用，
在明亮环境下仍有较好的对比度和灰度，具有较好的显示
色彩和存储信息的能力。
但工作温度范围小（通常在 0—50摄氏度），响应速度
慢。制造较大面积的液晶显示比较困难。
计算机组成原理 45
液晶显示器
光线扭转的光线
液晶分子
电极
( b ) 不透光状态( a ) 透光状态 ( 偏震光被扭转 90 度 )
偏光镜
横向排列
垂
直
排
列
纵向排列
偏光镜
电极
玻璃
面板玻璃
计算机组成原理 46
这种器件适于组装成大屏幕显示屏或高亮度大屏幕字符显示
器。
原理：
在两块平面玻璃间封入电离发光气体，在玻璃板上的透明导
电电极之间的电场作用下使气体电离发光。它体积小，电压低
（几百伏），发光亮度大。常用于体育运动场或军事指挥中心
② 等离子显示平板器件
放电
荧光体 电极
光线
玻璃
透明电极
计算机组成原理 47
显示器采用与电视系统相同的矩形光栅扫描, 是通过在
CRT偏转线圈上通以锯齿波电压实现的 。 其显示原理如下图
所示 。
(1)光栅扫描
⒉ 扫描技术
计算机组成原理 48
光栅扫描是控制电子束在荧光屏上从左到右扫描出一条条水平亮线，
称为 行扫描,然后，电子束又从右回扫到左，这时电子束被,消隐,，屏
幕上没有亮线，见图上虚线。叫“逆程扫描”，又叫,行消隐,或,水平
回归,。
场扫描 是控制垂直方向扫描，在荧光屏上最后一条水平线扫描结束后，
光栅垂直回归到第一条水平扫描线的起点，回归时亮点消失，又叫,场消
隐,或,垂直回归,。整个荧光屏上由一条条光栅组成的画面，叫做一幅
或一帧。
计算机组成原理 49
(a) 水平扫描电流 (b) 垂直扫描电流
计算机组成原理 50
显然，扫描线越多，分辨率越高。图象也就越清晰。一
般每帧有 405线,526线,625线,819线多种，我国电视每
帧用 625线。显示时只有一个光点在屏幕上扫描，由于人眼
的视觉暂留现象使看见的图象是连续的。
我国采用 25帧摄象制，即每秒扫描 25帧，就会在荧光屏上
出现活动图象，但对人的视觉有闪烁的感觉。
因此，大多改用隔行扫描，把一帧图象的 625行分成两次
传送，每次传送 312.5行（称一场），先传送奇行数，再传送
偶行数。
计算机组成原理 51
国产 ZFX—1型字符显示器把 625行线的隔行扫描改为逐
行扫描,50帧 /秒，帧扫描周期为 20ms；每帧 312.5行，行扫
描周期为 64 ?s；每帧可显示 16行，每行 32个字符，整个屏幕
则可显示,16行 *32字符 /行 =512个字符。若每行光栅可显示
80 个字符，每帧增加到 24行，则整个屏幕可显示,24行 *80
字符 /行 =1920个字符。
计算机用的显示屏 一般选用 200线或 400线，高密度的显
示器可达 1024线或 2048线。前者用于字符终端；后者用于图
形，图象终端。
计算机组成原理 52
分辨率和灰度级是显示器的两个重要技术指标。
(1)分辨率
显示设备所能表示的象素个数。
象素越密，分辨率越高，图象越清晰。
显示器的分辨率与显象管荧光粉的粒度，荧光屏的尺寸和 CRT电子束
的聚焦能力等有关。此外，还要求刷新存储器具有与显示象数相对应的存
储空间，以便存储每个象素信息。
3.分辨率和灰度级
为了保证图象有较好的水平与垂直线性, 象素长宽比例通常为 4,3。
例如, 12英寸彩色 CRT的分辨率为 640*480个象素； 14英寸显示
800*600个象素； 16英寸显示 1024*768个象素都满足 4,3的比例 。 此外,
某些专用的方形 CRT显示分辨率为 512*512或 1024*1024,甚至 4096*4096
个象素 。
计算机组成原理 53
(2)灰度级
指所显示象素点的亮暗差别，在彩显中则表现为颜色的不同。
灰度级越多，图象层次越清楚逼真。灰度级与每个象素对应
刷新存储器单元的位数和 CRT本身的性能有关。
如果用 4位表示一个象素，只有 16级灰度或颜色； 若用 8位表
示一个象素。则有 256级灰度或颜色。
只用,0”和,1”两级灰度就能表示字符有无的显示器称为单
色显示器；具有多种颜色的显示器称为彩色显示器；具有多种
灰度级的黑白显示器称为多灰度级黑白显示器。图象显示器的
灰度级为 64级或 256级。
计算机组成原理 54
CRT荧光屏发光是由电子束轰击荧光粉引起的，其发光亮
度大约只能维持几十豪微秒便消失。
为了人眼能看见稳定的图象，必须在图象消失之前使该电
子束不断重复扫描整个屏幕，这称为刷新。每秒刷新的次数叫
做 刷新频率 。
刷新频率一般大于 30次 /秒就不会感觉有闪烁，显示设备中
常选用每秒刷新 50帧图象作为刷新频率。
4.刷新和刷新存储器
(1)刷新
计算机组成原理 55
存储图象的存储器叫刷新存储器，也叫“帧存储器”
或“视频存储器”。其存储容量由图象分辨率和灰度级决
定。
分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器的容量也越大。
例如，分辨率为 512*512,256级灰度的图象，其刷新存储
器的容量为 512*512*8BIT=256KB。而存储周期必须满足刷
新频率的要求。
(2)刷新存储器
计算机组成原理 56
字符 显示器
不同的计算机系统，显示器的组成方式也不同：
1,在大型计算机中，显示器作为终端设备独立存在，即键盘
输入和 CRT显示输出是一个整体，通过标准的串行接口与
主机相连。
2,在微型机系统中,CRT显示输出和键盘是两个独立的设备，
显示系统由插在主机槽中的显示适配器卡和显示器两部分
组成，而且将字符显示和图形显示结合为一体。
计算机组成原理 57
1.字符显示
显示字符的方法以 点阵 为基础。点阵是由 m× n个点组
成的阵列，并以此来构造字符。
计算机组成原理 58
? 通常用 5*7或 7*9的光点点阵组成单个字符, 显示汉字时,
则要用 16*16,24*24,32*32或 64*64的点阵, 高要求还可
用 128*128。
? 在 IBM/PC系统中，屏幕共显示 80列 ?25行 =2000个字符，故
字符窗口数目为 2000。在单色字符方式下，每个字符窗口
为 9 ?14点阵，字符为 7 ?9点阵。
? 点阵的多少取决于显示字符的质量和字符窗口的大小。 字
符窗口 是指每个字符在屏幕上所占的点数，它包括字符显
示点阵和字符间隔。
计算机组成原理 59
? 对应于每个字符窗口，所需显示字符的 ASCII代码被存放在
视频存储器 VRAM中，以备刷新；
? 字符点阵存入由 ROM构成的字符发生器中；
? 在 CRT进行扫描的过程中，从字符发生器中依次读出某个
字符的点阵，按照点阵中 0,1的不同控制扫描电子束的开或
关，从而在屏幕上显示出字符。
计算机组成原理 60
移位
寄存器
S L
视频
信号
字符
发生器
ROM VRAM
RA3~RA0
ASCII码
OSC I/ 9 I/（ 80+18） I/（ 9+5） I/（ 25+1）
点振荡器
（ 16.257MHz）
点计数器 水平地址计数器
加载控制 水平消隐 行间消隐 垂直消隐
光栅地址计数器 垂直地址计数器
水平同步电路 垂直同步电路水平同步信号
垂直同步信号
CPU 控制
字符
时钟
定时控制电路
VRAM与 显示屏 的对应关系
计算机组成原理 61
现用 19英寸黑白 CRT光栅扫描点阵显示为例说明其工作原
理。
画面再生频率为 50帧 /秒。场频为 50周 /秒，行频为 15625周
/秒。每幅字符为 80字 *25=2000字。显示字符 64种，其中包括
数字 0—9，英文字母 26种，特殊字符 28种。
字符编码采用 ASC11码。并用 7*9光点图案。
2.工作原理
计算机组成原理 62
字符显示器的组成框图
高六位
计算机组成原理 63
缓冲存储器用半导体 RAM组成, 容量为 2000*8BIT,存储周
期为 0.653微秒 。
其中一个单元存储一个字符的全部信息, 每个字符的单元
地址与字符在荧光屏上的位置一一对应 。 即缓存单元的地址顺
序与屏面上每行从左到右, 按行从上到下的显示位置排列 。
缓存中的编码不断重复读出以保证电子束对重复显示的多次扫
描 。 故缓冲存储器又叫刷新存储器 。
(1)缓冲存储器
(2)字符发生器
字符发生器用来产生字符点阵图案，其核心部分是固定存储
器 ROM，它存储 64种字符（或者 96种,128种字符）的标准点
阵，以备显示的选用，其原理如图 7-45所示。
计算机组成原理 64
计算机组成原理 65
图中每个字符是 7*9点阵 。 由缓冲存储器驱动要显示的字
符编码 （ ASC11码 ）, 并以该编码的 6位作为字符发生器的
高 6位 （ A10—A5）, 经列地址译码后选取 64种字符中的某种
字符 。
字符发生器的低 4位地址码 （ A4—A1） 则由 CRT控制器送
来, 以便依次读出 9个行的点阵信息, 每行 7点信息经输出缓
冲寄存器和并 —串变换移位寄存器后, 变成串行输出的 Q7—
Q1作为视频信号加于 CRT的 Z轴以形成点阵亮点 。
计算机组成原理 66
但是, CRT的扫描方式不是扫描一个字符后再扫描下一个
字符, 而是每次扫描一排字符中所有字符的同一扫描行, 并
显示光点 。 例如, 某排字符为 ACK…… W,其显示次序是：
先从缓存读出, A”字符送字符发生器, 并从字符发生器选
出 A的字符点阵的第一行图案, 屏幕上扫描即出现 A字符点阵
的第一行 7个点阵；然后又从缓存读出, C”字符送字符发生器,
并选出, C”的第一行图案, 屏幕上则扫描出 C字符点阵第一
行的 7个点阵； …… 直到该排最后一个字符的第一行 7个点阵
扫描完, 再去进行每个字符点阵的第二行 7个点阵的扫描；
直到该排每个字符的第九行点阵扫描完，则显示出一排完
整的字符。照此过程，扫描后面各排字符点阵，直到第 25排
全部扫描完毕，才能完成一幅字符的显示。
计算机组成原理 67
震荡器产生高频计数脉冲，按横向点数，每行字数，每
排行数和每场排数计数进位。其中：
点：指光点，
字：为字符点阵（ 7*9），
行：指光栅行，
排：是字符行。
(3)字符显示器的控制时序
计算机组成原理 68
① 字计数值
根据 625行光栅按 312.5行逐行扫描两场计算,每秒扫描 50
场，每场用 20ms，每场 312.5行，每行需扫描时间为：
20ms/312.5行 =64?s/行。
现每行安排 80个字符, 考虑到屏幕两边失真较大, 各空出
5个字符位置, 则正程扫描时间 52.2?s内将扫描 90个字符,
每个字符平均占用的显示时间为,52.2 ?s/90字 =0.582?s/字 。
光栅回归 11.8?s的消隐时间相当于扫描了 11.8?s/0.582?s
=20个字符, 因此, 一行相当扫描 110个字符, 故字计数值为
110。
计算机组成原理 69
字符采用 7*9点阵, 用 9行光栅扫描字符, 留 3行作为空
隙, 故每排字符占用 12行, 12即为行计数值 。
② 行计数值
312.5行除以 12,可以安排 26排字符, 现用 25排, 只有
一排的余地 。 故 26是排计数值 。
③ 排 计数值
扫描时，是用光点显示，所以每个字符占用 7个光点，字
符间留 1个光点作间隙，共占 8个光点，一个字符占用 0.582?s，
故一个光点的扫描时间为,0.582?s/8=0.0728?s
④ 点计数值
于是震荡器的脉冲频率应为,1/0.0728=13.736MHz。
⑤ 震荡器的脉冲频率
故本字符显示器用 13.736MHz的主脉冲频率经过点、字、行、排四个
计数器分频，获得各种时序信号。
计算机组成原理 70
主脉冲振荡器
点计数器 (8:1分频 )
字计数器 (110:1分频 )
行计数器 (12:1分频 )
排计数器 (26:1分频 )
13.737MHz 0.0727 ?s
1.717MHz 0.582 ?s
15.6KHz 64 ?s
1.3KHz 768 ?s
50Hz 20ms
缓存 X地址
行同步与消隐信号
排显示与消隐信号
固存行选信号
游标产生
场同步与消隐信号
缓存地址
字
符
显
示
器
的
控
制
时
序
计算机组成原理 71
由图可见：主脉冲震荡器产生 13.736MHz的点脉冲, 其脉
冲宽度约等于 36ns。
点计数器 用三位触发器组成模 8计数器 。 8分频后得到
1.717MHZ的计数频率, 脉冲宽度约等于 290ns。 计满 8个点脉
冲使字计数器加 1。
字计数器 由 7位触发器组成, 是计满 110就归零的非标准
循环计数器, 经 110分频后得到 15.6KHZ的计数频率, 脉冲宽
度约为 32?s 。
由于缓存 2000个单元的每个地址与 CRT荧光屏上的字符位
置一一对应, 故由字计数器给出字符在画面上的水平位置
（ Xi地址 ） 和显示头的水平扫描同步 （ 行同步 ） 信号和行消
隐信号 。 每帧满 110后向后行计数器进位 。
计算机组成原理 72
行计数器 是四位触发器组成的计满 12归零的非标准循环
计数器，经 12分频后得到 1.3KHz的计数频率，脉冲宽度约为
384?s 。因字符显示必须扫描 9行方能完成，故由行计数器
提供字符发生器所用固存的行选控制信号控制游标产生，即
计数到第 11行时产生游标，并产生显示（ 1—9行）信号和排
消隐（ 10—12行）信号。
排计数器 由 5位触发器组成, 是计满 26归零的非标准循环
计数器, 经 26分频后得到 50Hz的场频率 。 排计数器提供缓存
Y方向地址及字符在画面上的垂直位置, 并给出显示头的垂
直同步信号和场显示时间和场消隐时间 。 因本例只有一排共
12行的余地, 当然也可采用 819行的画面 。
计算机组成原理 73
游标又叫光标, 用以标志荧光屏上字符的位置, 在游标
位置上可以进行写入, 删改或删除等操作, 为使写入字符和
游标的位置与存储单元相对应, 只要使存储单元地址和游标
地址一致即可, 通常采用符合逻辑电路 。 本例见游标放在第
11行, 一般以每秒 3次的频率闪动 。
可用键盘上的游标键来指定游标操作, 如上移, 下移,
右移, 左移, 换行, 返行, 回原点, 下复挑拢 。 此外, 还具
有逻辑功能的操作：如抹字, 清行, 全清, 字插入, 连续显
示同一个字符等, 报警等 。
4.游标
计算机组成原理 74
例 某 CRT显示器可显示 64种 ASCII字符，每帧可显示 64字
× 25排；每个字符字形采用 7× 8点阵，即横向 7点，字间间隔 1
点，纵向 8点，排间间隔 6点；帧频 50Hz，采取逐行扫描方式 。
水平消隐期共占 12个字符时钟的时间，垂直回扫需 10排的显示
(1) 缓存容量有多大?
(2) 字符发生器 (ROM)容量有多大?
(3) 缓存中存放的是 ASCII代码还是点阵信息?
(4) 缓存地址与屏幕显示位置如何对应?
(5) 设置哪些计数器以控制缓存访问与屏幕扫描之间的同步?它
们的分频关系如何?
计算机组成原理 75
(1) 缓存容量为 64× 25=1600
(2) ROM容量为 64× 8=512
(3) 缓存中存放的是待显示字符的 ASCII
(4) 显示位置自左至右，从上到下，相应地缓存地址由低到高，
每个地址码对应一个字符显示位置。
(5) 点计数器 8∶ 1分频；
字计数器 (64+12)∶ 1分频；
行计数器 (8+6)∶ 1分频；
排计数器 (25+10)∶ 1
解：
计算机组成原理 76
图形显示器 是用 点，线 （直线和曲线）,面 （平面和曲面
）组合成要求的平面或立体图形。同时可以作平移，比例变
换，旋转，坐标变换，投影变换（把三维图形变换为二维图
形），
透视变换, 透视投影, 轴侧投影 （ 三面图 ）, 单点透视,
两点或三点透视以及隐线处理等操作 。 主要用于 CAD和 CA
M（ 计算机辅助制造 ）, 如汽车, 飞机, 舰船, 土建以及集
成电路板等的设计制造 。
图形显示器通常配有键盘, 光笔, 数字化仪, 鼠标器,
CRT显示器和绘图机等 。 下面简要介绍图形显示器的基本原
理 。
图形 显示器
在原有的字符显示器上加一块显示图形的逻辑电路板,
即可变成简易的图形显示器；如果配上图形输入板和绘图机,
则可构成一种廉价的小型图形处理系统 。
计算机组成原理 77
在数字图象处理中，数字图象显示器是最后也是最重要的
环节，它可以让人们通过视觉，更好地理解和解释图象的内
容。
图象显示器除了能存储从计算机输入的图象并在荧光屏上
显示外，还具有灰度变换，窗口技术，真彩色和伪彩色显示
等图象增强技术功能。
灰度变换,可使原始图象的对比度得到增加或改变 。
窗口技术,在图象存储器中, 每个象素有 2048级灰度值
（ 11位 ）, 肉眼不能分辨出这么多级 （ 通常肉眼只能分辨 40
级 ） 。 若在 2048级中开一个小窗口, 将这个窗口内的灰度级
取出, 使之变换为 64级显示灰度, 就可以把原来被掩盖的灰
度细节充分地显示出来 。
图像 显示器
计算机组成原理 78
真彩色和伪彩色：
真彩色 是指真实图象的彩色显示，是色还原技术，电视属
于这一类；
伪彩色 处理和显示则是一种图象增强技术。肉眼分辨黑白
色只有几十级，但能分辨出上千种彩色。伪彩色处理技术可对
黑白图象进行染色，如把水的灰度染为蓝色，把植物的灰度染
为绿色，把土地的灰度染为黄色等。
图象显示器还具有几何处理功能, 如：
图象的放大,可进行 2,4,8倍放大 。
图象分割,可在 CRT的局部范围内显示一幅图象的全部或
部分, 并在其他范围内显示其他图象的全部或局部, 或进行图
象重叠 。
图象滚动,即是使图象显示的顺序发生变化, 可以在水平
和垂直两个方向滚动 。
计算机组成原理 79
图象显示器显示的图形是经过计算机用一定算法产生的
点，线，面，阴影等，它来自主观世界，故称 主观图象 或
计算机图象。
图象显示器显示的图象通常来自客观世界，故称 客观图
象 。二者之间在处理和分析上都有很大的差异，但又可以
互相借鉴。有一种图形 —图象两用的显示器，使得图形显
示器具有某些图象处理功能。
图 7-49是图象显示器工作原理 。
计算机组成原理 80
计算机组成原理 81
由图可见,计算机将图象数据通过接口电路送入图象存储器。
显示时，从图象存储器取出图象数据，经过窗口控制器处理后，
与灰度度标发生器的信号一起送到选择器。在时间控制系统控
制下，将图象信号和灰度度标信号变成时分信号输出，并在显
示屏的固定区域显示灰度度标。
从选择器输出的图象信号分成两路：
① 一路经彩色编码器编码后，与字符发生器输出的内容相
混合，得红，绿，蓝三色图象和字符数码信号，经 D/A转换器
后变成控制彩色现象管 R（红）,G（绿）,B（蓝）三枪的
视频信号，以显示彩色图象。
② 另一路直接和字符发生器输出的内容相混合，经 D/A转换
后变成黑白显象管电子束强度变化的视频信号，以显示黑白图
象。
图像 显示器
计算机组成原理 82
图象显示器还具有字符显示功能,以便在图象上进行注
释。字符编码由键盘送入字符码存储器。显示时从字符码存
储器中取出并由字符发生器变成相应的字形信号，与图象信
号混合后一起显示。若字符信号不经过彩色编码器，彩色显
示器上的字符则为白色。
图象显示器主要用于图象处理。
计算机组成原理 83
打印设备
? 击打式
? 串行、行式
? 点阵针式、字模式
? 非击打式
? 喷墨
? 激光
? 热转印
计算机组成原理 84
击打式打印机 ——点阵针式
滚筒
打印纸色带
打印针
针管
线圈
铁心
衔铁
计算机组成原理 85
喷墨式打印机 ——气泡式
气泡
计算机组成原理 86
喷墨式打印机 ——压电式
供墨水
导管
喷嘴
墨水
压电体
计算机组成原理 87
激光式打印机
粉仓
打印纸
磁辊
感光鼓
转印辊
定影辊
清洁刮
刀
充电
辊
激光
器
计算机组成原理 88
2、组成及工作原理
激光扫描系统
电摄影系统
.
激光打印机工作原理图
（ 1）二进制数据 ->点阵信息
（ 2）电 ->光
（ 3）准直
（ 4）扫描
（ 5）聚焦、校正
（ 6）充电、曝光
（ 7）显影
（ 8）转印、分离
（ 9）定影
（ 10）中和、清洁、消电
计算机组成原理 89
电摄影系统
电摄影的工作阶段和过程
潜像阶段 （ 1）充电
（ 2）曝光
墨粉可见像阶段
.
（ 1）
（ 2）
（ 3）
（ 5） （ 4）（ 6）
（ 7）
（ 8）
（ 9）
（ 3）显影
（ 4）转印
（ 5）分离
（ 6）定影
清洁阶段
（ 7）中和
（ 8）清扫
（ 9）消电
计算机组成原理 90
光导鼓
功能
在静电场的作用下使光导体获得一定极性的、均匀的电荷，
并将投照在它上面的光像转换成静电潜像，经墨粉显影，获得
可见图像。
结构
+ + ++ ++ ++ ++ +
- - -- -- -- -- -
上阻挡层
下阻挡层
底基
光导层
光导层材料：
硒 (Se)
氧化锌（ ZnO）
硫化隔（ CdS）
计算机组成原理 91
光导材料特性
光导体的基本特性
在暗的状态下为绝缘体
在光照的状态下为导体
光灵敏度
光导体对光反应的速度
理想光导材料：暗阻率高，光灵敏度高，
即受光照后其暗阻下降要快
光谱特性
程度光导体对各种波长的光敏感
计算机组成原理 92
光导体表面电位的衰减和疲劳
明衰,光导体充电后，光照区域变成导体，电荷迅速消失，
表面电位下降
残余电位, 曝光后，光导体表面存在的电位
暗衰, 光导体充电后，在暗处，其表面静电荷也会渐渐减少，
电压下降
暗衰
明衰（弱光）
明衰（强光）
V0
V：表面电位
t表面电位衰退
计算机组成原理 93
疲劳特性：
（ 1）充电后，表面电位较低；
（ 2）表面电位上升时间较长；
（ 3）表面残余电位较高。
充电 暗衰 曝光
新光导体
疲劳光导体
V
t
疲劳,光 导体长时间工作后，因充放电次数的增加及光照
后其电阻率降低，因而充电接收的电荷减少
暂时性疲劳 永久性疲劳
计算机组成原理 94
电晕放电装置
+ + ++ ++ ++ ++ +
- - -- -- -- -- -
7.5kv
计算机组成原理 95
静电潜像的形成
+ + ++ ++ ++ ++ +
- - -- -- -- -- -
.
充电 曝光
+ + ++++
- - ----
显影
将静电潜像变成
可见图像的过程 + + ++++
- - ----
铁粉
永久磁铁
计算机组成原理 96
电晕转印与分离
+ + ++++
- - ----
- - ----
+ + ++++
- - ----
- - ----
.
+ ++ ++ + ++ ++ ++ ++ +
分离方法：
气吸分离法
带分离法
片分离法
交流电晕分离法
+ + ++++
- - ----
- -
----
计算机组成原理 97
定影 热辊定影
热板定影
热辐射定影
加热定影
压力定影
清洁
中和：
松弛光导层表面对墨粉微粒间的相互作用。
清扫：
清除转印后残留在光导层表面的墨粉
全曝光,
清除剩余电荷和清扫元件与光导层摩擦而产生的静电荷，
减少光导层的疲劳。（用小功率日光灯）
计算机组成原理 98
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。
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，对工作环境要求较高。
磁记录原理与记录方式
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
计算机组成原理 99
磁性材料的 磁滞回线
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 )。
1.
计算机组成原理 100
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。
计算机组成原理 101
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。
这些记录方式中代码 0或 1的写入电流波形见图 7.11。
2.记录方式
磁性材料写入二进制代码 0 或 1,是靠不同的写入电流
波形实现的。
计算机组成原理 102
计算机组成原理 103
(1)不归零制 (NRZ0)
其特点是磁头线圈中始终有电流,不是正向电流 (代表 1)
就是反向电流 (代表 0)，因此不归零制记录方式的抗干扰性能
较好。
o o 1
计算机组成原理 104
(2)见, 1”就翻不归零制 (NRZ1)
与 NRZ0制的 相同处,磁头线圈中始终有电流通过。
不同处,记录, 0”时电流方向不变，只有遇到 1时才改变方向
。
计算机组成原理 105
(3)调相制 (PM)
其特点是在一个位周期的中间位置，电流由负到正为 1，由
正到负为 0，即利用电流相位的变化进行写,1”和,0”，所以
通过磁头中的电流方向一定要改变一次，这种记录方式中
,1”和,0”的读出信号相位不同，抗干扰能力较强。
另外读出信号经分离电路可提取自同步定时脉冲，所以具
有 自同步能力
计算机组成原理 106
(4)调频制 (FM) 其特点如下：
① 无论记录的代码是 1或 0，或者连续写,1”或写,0”，在
相邻两个存储元交界处电流都要改变方向；
② 记录 1时电流一定要在位周期中间改变方向，写,1”电流
的频率是写,0”电流频率的 2倍，故称为倍频法。
这种记录方式的优点是记录密度高，具有自同步能力。
FM可用于单密度磁盘存储器。
计算机组成原理 107
(5)改进调频制 (MFM)
与调频制的区别在于只有连续记录两个或两个以上,0”时
，才在位周期的起始位置翻转一次，而不是在每个位周期的
起始处都翻转，因而进一步提高了记录密度。 MFM可用于双
密度磁盘存储器。
计算机组成原理 108
编码效率、自同步能力,检读分辨力、信息相关性、抗干
扰能力、信道带宽、编码译码电路的复杂性等。
例如,FM,PM记录方式中记录一位数字信息的最大磁
化翻转次数为 2，因此编码效率为 50%。而 MFM,NRZ，
NRZ1三种记录方式的编码效率为 100%，因为它们记录一
位数字信息磁化翻转最多一次。
3.记录方式的评价标准
(1)编码效率
指位密度与最大磁化翻转密度之比，也就是指每次磁层
状态翻转所存储的数据信息位的多少。
计算机组成原理 109
(2)自同步能力
是指从读出数据 (脉冲序列 )中自动提取同步信号 ( 时间基
准信号 )的能力。自同步能力的大小可以用最小磁化翻转间
隔与最大磁化翻转间隔的比值 R来衡量。 R越大,自同步能
力越高。
同步信号,从磁表面存储器读出信号时，为了分离出数据
信息必须要有时间基准信号，称为 同步信号 。
外同步,从专门设置用来记录同步信号的磁道中取得同步
信号，这种方法称为 外同步 。
自同步,但对于高密度的记录系统来说，还希望能直接从
磁盘读出的信号中提取同步信号，这种方法称为 自同步 。
如果说某种编码方法具有自同步能力，就是指能从读出数
据（脉冲序列）中提取同步信号 。
计算机组成原理 110
例,NRZ和 NRZ1制记录方式没有自同步能力，因为当连
续记录,1”时,NRZ制记录方式磁层不发生磁化翻转，而当
连续记录,0”时,NRZ和 NRZ1制记录方式的磁层不发生磁化
翻转。
而 PM,FM,MFM记录方式有自同步能力。 FM记录方式
的最大磁化翻转间隔是位周期 T，而它的最小磁化翻转间隔是
T/2，因此 RFM = 0.5。
(3)检读分辨力
是指磁记录系统对读出信号的分辨能力。
(4) 信息相关性
是指漏读或错读一位是否会传播误码，所以是衡量精度
计算机组成原理 111
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。
4.
计算机组成原理 112
当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯内就产生一
定方向的磁通。由于铁芯是高导磁率材料，而铁芯空隙处为
非磁性材料，故在铁芯空隙处集中很强的磁场。
在这个磁场作用下,载磁体就被磁化成相应极性的 磁化位
或磁化元 。若在写线圈里通入相反方向的脉冲电流，就可得
到相反极性的磁化元。如果我们规定按图中所示电流方向为
写,1,，那么写线圈里通以相反方向的电流时即为写,0”。
上述过程称为 写入 。
显然，一个磁化元就是一个存储元，一个磁化元中存储一
位二进制信息。当载磁体相对于磁头运动时,就可以连续写
(1)写操作
计算机组成原理 113
当磁头经过载磁体的磁化元时，由于磁头铁芯是良好的导
磁材料，磁化元的磁力线很容易通过磁头而形成闭合磁通回
路。
不同极性的磁化元在铁芯里的方向是不同的。当磁头对载
磁体作相对运动时，由于磁头铁芯中磁通的变化，使读出线
圈中感应出相应的电动势 e，其值为,
(2)读操作
负号表示感应电势的方向与磁通的变化方向相反。
计算机组成原理 114
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”。下图示出了记录方式的写读过程波形图。
计算机组成原理 115
通过电 -磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可把一
位二进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态；
反之，通过磁 -电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储
元的不同剩磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出。
(3)磁表面存储器存取信息的原理
计算机组成原理 116
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。
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、
读写磁头与磁头定位伺服系统等。
硬磁盘机的基本组成和分类
计算机组成原理 117
计算机组成原理 118
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。
计算机组成原理 119
(1)根据磁头的工作方式分类
①移动头硬盘存储器
存取数据时磁头在磁盘盘面上径向移动，磁头与盘面不接
触，且随气流浮动，称为浮动磁头。这种存储器可以由一个
盘片或多个盘片组成，装在主轴上。盘片的每面都有一个磁
头。这种结构的硬磁盘存储器应用很广，其典型结构为 温彻
斯特磁盘 。
硬磁盘机通常按以下方法分类,
② 固定头磁盘存储器 的磁头位置固定，磁盘的每一个磁道都
对应一个磁头，盘片也不可更换。其特点是存取速度快，省
去了磁头沿盘片径向运动找磁道的时间，磁头处于工作状态
即可开始读写。
计算机组成原理 120
(2)根据磁盘可换与否分类
①可换盘存储器 是指磁盘不用时可以从驱动器取出脱机
保存。这种磁盘可以在兼容的磁盘存储器间交换数据，由于
可脱机保存，故便于扩大存储容量。为了达到可靠地交换数
据的目的，磁盘的道密度要适当降低，从而使可换磁盘记录
密度的提高受到限制。
根据可换磁盘存储器每轴盘片数目的不同，通常把每轴
装有一至四片的存储器称为盒式磁盘存储器；
六片以上的称为盘组，常用的有六片、十一片、十二片
等。在盒式磁盘存储器中，只有部分磁盘是可换的，如四片
盒式磁盘存储器中，三片磁盘是固定的，一片是可换的。
计算机组成原理 121
② 固定盘存储器 是指磁盘不能从驱动器中取出，更换时要把
整个, 头盘组合体, 一起更换。这种结构的磁盘存储器称为
温彻斯特磁盘（ Winchester Disk）。
温彻斯特磁盘 简称温盘，是一种可移动磁头固定盘片的磁
盘存储器，它是目前应用最广，最有代表性的硬磁盘存储器。
所谓温彻斯特磁盘实际上是一种技术,这种技术是由 IBM
公司位于美国加州坎贝尔市温彻斯特大街的研究所研制的，
它于 1973年首先应用于 IBM3340硬磁盘存储器中，因此将这
种技术称作温彻斯特技术。
计算机组成原理 122
温彻斯特技术是磁盘向高密度、高容量发展的产物。温
盘的主要特点是一种密封组合式的硬磁盘，将磁头、盘片、
电机等驱动部件甚至读写电路等制成一个不可随意拆卸的整
体，也叫“头盘组合体”。它的防尘性能好，可靠性高，对
使用环境要求不高。而普通的硬磁盘要求具有超净环境，只
能用于中大型计算机中。
计算机组成原理 123
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。各类磁盘驱动器具体结构虽有差别，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。
硬磁盘 驱动器和控制器
1.磁盘驱动器
计算机组成原理 124
在可移动磁头的磁盘驱动器中，驱动磁头沿盘面径向位
置运动以寻求目标磁道位置的机构叫磁头定位驱动系统，它
由 驱动部件、传动部件、运载部件（磁头小车） 组成。
当磁盘存取数据时,磁头小车的平移运动驱动磁头进入指
定磁道的中心位置，并精确地跟踪该磁道。
磁头小车有两种驱动方式：
① 步进电机 靠脉冲信号驱动，控制简单，整个驱动定位系
统是开环控制，因此定位精度较低，一般用于软磁盘驱动器
和磁道密度不高的硬磁盘驱动器。
(1)磁头定位驱动系统
计算机组成原理 125
② 音圈电机 是线性电机，可以直接驱动磁头做直线运动，整
个驱动定位系统是一个带有速度和位置反馈的闭环控制系统，
驱动速度快，定位精度高，因此用于较先进的磁盘驱动器。
主轴系统的作用是安装盘片，并驱动它们以额定转速稳定
旋转。其主要部件是主轴电机和有关控制电路。
(2)主轴系统
数据转换系统的作用是控制数据的写入和读出，包括磁头、
磁头选择电路、读写电路以及索引和区标电路等。
(3)数据转换系统
计算机组成原理 126
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 。
2.磁盘控制器
计算机组成原理 127
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控制将数据传送到主机总线。
(小型计算机系统接口） (增强型小型设备接口） (磁盘控制器）
计算机组成原理 128
由于控制器与驱动器之间的任务分工没有明确的界限，因
而控制器与驱动器之间的交界面划分有多种方式。
(1) 如果 交界面设在 A处,驱动器只完成读写和放大，因而数
据分离以后的控制逻辑构成磁盘控制器，例如 ST506磁盘控制
器是插在 PC机总线上的一块电路板，控制器与设备之间就采
用了这种形式的接口。
(2) 如果 交界处在 B处,则驱动器中包含数据分离器，而磁盘
控制器仅有串 —并变换，格式控制等逻辑构成。例如,ESDI
（增强型小型设备接口）就属于这种型式。
(3) 将接口 交界设在 C处,则磁盘控制器的功能全部转移到设
备中，主机与设备间采用标准的通用接口。例如 SCSI（小型
计算机系统接口）属于这种型式。
目前的发展趋势是采用 C种接口,以增强设备的功能，
使设备相对独立。
计算机组成原理 129
盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为 记录
面 。记录面上一系列同心圆称为 磁道 。每个盘片表面通常有几
十到几百个磁道，每个磁道又分为若干个 扇区
磁盘上信息的分布
计算机组成原理 130
磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫
0磁道，最里面的一个同心圆叫 n磁道,n磁道里面的圆面
积并不用来记录信息。
扇区的编号有多种方法，可以连续编号，也可间隔编
号。
磁盘记录面经这样编址后，就可用 n磁道 m扇区 的磁盘
地址找到实际磁盘上与之相对应的记录区。
除了磁道号和扇区号之外，还有记录面的 面号,以说
明本次处理是在哪一个记录面上。
例如对活动头磁盘组来说，磁盘地址是由记录面号 (也
称磁头号 )、磁道号和扇区号三部分组成。
计算机组成原理 131
在磁道上，信息是按区存放的，每个区中存放一定数量的
字或字节，各个区存放的字或字节数是相同的。
为进行读 /写操作，要求定出磁道的起始位置，这个起始位
置称为 索引 。 索引标志在传感器检索下可产生脉冲信号，再
通过磁盘控制器处理，便可定出磁道起始位置
磁盘存储器的每个扇区记录定长的数据，因此读 /写操作是
以扇区为单位一位一位串行进行的。每一个扇区记录一个记
录块。数据在磁盘上的记录格式如下：
计算机组成原理 132
每个扇区开始时由磁盘控制器产生一个扇标脉冲。扇标脉
冲的出现即标志一个扇区的开始。 两个扇标脉冲之间的一段
磁道区域即为一个 扇区 (一记录块 )。
每个记录块由 头部空白段、序标段、数据段、校验字段 及
尾部空白段 组成。其中：
空白段用来留出一定的时间作为磁盘控制器的读写准备时间；
序标被用来作为磁盘控制器的同步定时信号；
序标之后即为本扇区所记录的数据；
数据之后是校验字，它用来校验磁盘读出的数据是否正确。
计算机组成原理 133
磁盘存储器的主要指标包括 存储密度、存储容量、存取时
间 及 数据传输率 。
1.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。
磁盘 存储器的技术指标
计算机组成原理 134
2.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。存储容量有格式化容量和非格式化容量之分。
格式化容量：
按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是
用户可以真正使用的容量。
非格式化容量：
磁记录表面可以利用的磁化单元总数。将磁盘存储器用
于某计算机系统中，必须首先进行格式化操作，然后才能供
用户记录信息。格式化容量一般是非格式化容量的 60%—70
%。目前,3.5英寸的硬盘机容量可达 80GB。
计算机组成原理 135
3.平均存取时间
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
信息所需要的时间。这段时间由两个数值所决定：
一个 是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称
为 定位时间或找道时间 ；
另一个 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。
计算机组成原理 136
平均存取时间
等于平均找道时间与平均等待时间之和。 平均找道
时间是最大找道时间与最小找道时间的平均值，目前平
均找道时间为 10—20ms。
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。目前固定头盘转速高达 6000转
/分，故平均等待时间为 5ms。
计算机组成原理 137
4.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每秒 n转，每条磁
道容量为 N个字节，则数据传输率 Dr=nN(字节 /秒 )。
也可以写成 Dr=D·v(字节 /秒 )，其中 D为位密度,v为磁盘旋
转的线速度。目前磁盘存储器的数据传输率可达几十兆字节 /
秒。
计算机组成原理 138
例 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 2400转 /
(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?
(4)采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什
么?寻址命令中如何表示磁盘地址?
(5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在
同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上?
计算机组成原理 139
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× 5.5=220道，
即 220个圆柱面
(2) 内层磁道周长为 2?R=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=2400转 /60秒 =40转 /秒
Dr=rN=40× 3454B=13816B/s
计算机组成原理 140
(4) 采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录
块 (一个扇区 )，每个记录块记录固定字节数目的信息，
在定长记录的数据块中，活动头磁盘组的编址方式可用
如下格式：
此地址格式表示有 4台磁盘，每台有 16个记录面，每面
有 256个磁道，每道有 16个扇区。
台号 柱面 (磁道 )号 盘面 (磁头 )号 扇区号
17 16 15 8 7 4 3 0
(5) 如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一
个柱面上，因为不需要重新找道，数据读 /写速度快。
计算机组成原理 141
光盘存储设备
类型, 只读型,Worm型、可擦写型。
(1) 只读型
? 凹坑 ——信息记录载体，压制形成，边界代表 1，平面代
表 0
? 光道 ——螺旋形，恒线速
? 通道码 ——14位 (2,10)RLL编码，代表 8位数据
? 帧 ——记录 24字节有效数据,CIRC编码，共 32字节
? 扇区 ——98个帧,2352字节有效数据,2048字节用户数据 1 0 0 0 0 00 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0
凹坑
铝泊
密封
层
基片
记录数
据
计算机组成原理 142
光盘的数据结构
(a) 帧的结构
(b) 扇区的结构
ECC数据ID同步
同步 子码 P 校验数据Q 校验数据
288B412
44 121213
2048
? (2) WORM型
? 强激光烧灼出凹坑
? (3) 可擦写型
? 相变型：晶态与非晶态转换
? 磁光型：激光与磁场调制记录，克尔效应读取
计 算 机 组 成 原 理
第二十七、二十八讲
2009年 11月 10日
输入输出设备
计算机组成原理 2
1,概述
2,输入设备 键盘, 鼠标等
3,输入设备 显示器, 打印机
4,存储设备 硬盘, 光盘存储设备
本讲安排
计算机组成原理 3
本讲将解决的主要问题
掌握常用外设的基本概念、结构、工作原理
了解主要外设的关键技术及其发展动态
计算机组成原理 4
一、作用
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。
外设 外设CPU
二、地位
? 从信息的转换角度：决定了信息处理的可靠性与准确性
? 从配置上：越来越多，功能越来越强
? 从所占比重上：其产值占信息产业中硬件产值的 70% 以上
决定计算机系统可靠性、性价比及影响计算机推广应用的关键
外 设 概 论
计算机组成原理 5
三、分类
按功能
? 输入设备
1 键盘、鼠标
2 图形输入设备：光笔、数字化仪
3 语音输入设备：话筒
4 自动识别输入设备,OCR,OMR、扫描仪、条码阅读机
5 触摸屏
6 图象输入设备：数码相机
计算机组成原理 6
? 输出设备
1 显示器
2 打印机
针式打印机
激光打印机, 激光扫描技术、电摄影技术
喷墨打印机：“连续射流分解成滴”
3 绘图仪：平台式和鼓式
4 语音输出设备：扬声器、耳机
5 缩微胶卷输出设备
计算机组成原理 7
? 外存储设备
1 软盘
2 硬盘
内置硬盘 盒式硬盘
3 光盘,CD,DVD
4 磁带
? 数据通信设备
? 终端设备
1 通用终端设备
2 专用终端设备
计算机组成原理 8
键盘
一、键开关的结构及工作原理
? 有触点式,机械簧片式、干簧管式、薄膜式、
导电像胶式等
? 无触点式,电容式、霍尔效应式
键冒
复位弹簧
键杆
簧片
铜箔
基板
键冒
复位弹簧
键杆
泡沫减振块
活动极
驱动极
检测极
印刷电路板
~ >
计算机组成原理 9
有触点式,结构简单、成本低、开关特性好，
开关通断时会发生触点跳动，因引起电
路干扰和机械磨损而影响寿命
无触点式,无机械磨损、不存在触点跳动现象，
可靠性高、寿命长，
需放大、整形等较复杂的电路，成本高，
且加工装配要求高
键盘按键,有机械式、电容式、导电橡胶式、薄膜式等多种，
但不管何种形式，其作用都是一个使电路接通与断开的开关。
计算机组成原理 10
二、键盘编码器
1.编码键盘 键盘 本身带有实现接口主要功能所必需的硬件电
路。又分为 静态编码器和动态编码器
2.非编码键盘
键盘 只简单地提供按键开关的行列矩阵。
8*8 开关矩阵
y 编码器
x 编码器
y0y7
x0
x7
…
…
锁存器
b0 b1 b2 b3 b4 b5
x0 … x7
锁存信号
按键标志
产生电路
计算机组成原理 11
1,静态编码器
(1) 组成和工作原理 画一组 x0,y0 的工作原理：
+5V
+5V
y1 y0
ki +1 ki x0′
x0
a,未按键,三极管 T0 ~ T7 处于截止，
y0 ~ y7,1
x0 ~ x7, 1
b,当 ki 按下：
y0 与 x0 ′接通,y0, 0
三极管 T0 饱和,x0, 0
8*8 开关矩阵
y 编码器
x 编码器
y0y7
x0
x7
…
…
锁存器
b0 b1 b2 b3 b4 b5
x0 … x7
锁存信号
按键标志
产生电路
计算机组成原理 12
(2) 按键标志的产生
当按下某键,x0 ~ x7 （ y0 ~ y7）必有一个输出为,0”，可
用 x0 ~ x7 送入与门，将 R-S置,1”，用此信号将编码锁存。
锁存器
x0
x7
.
.
,
b5 … b0
S
Q
R
计算机组成原理 13
2,动态编码器 (1) 电路原理
6位计数器
3/8
线
译
码
器
8 通道开关
+5V时钟
时钟发生器
Q1Q2Q3Q6 Q5 Q4
x0
x2
x4
x6
y0 y1 y2 y7
f计数线
保持线
计算机组成原理 14
(2) 工作过程
6位计数器在循环计数，计数规则为：
000000--111111
当某一键按下，该计数器应停在对应的计数状态
通过查表法得出编码
计数器 ROM
0
0
1
0
0
0
1010100, T,
(3) 特点
扫描速度快,结构简单，应用较广泛
计算机组成原理 15
（ 4）、有触点式键开关抖动影响的消除
键按下
前沿抖
动
后沿抖
动
经测定：
前沿抖动时间 <20ms
硬件去抖
去抖电路
软件去抖 键是否按下
延 时 20 ms
读键开关
Y
N
计算机组成原理 16
有一个 3*4的矩阵键盘通过并行接口芯片 8255A与计算机相
连。 8255A的 A定义为输出口，与键盘行线相连； B口定义为
输入口，与键盘列线相连。接口硬件如图。
非编码键盘接口
PA0
PA1
PA2
PB3
PB2
PB1
PB0
8255A
CPU
行 0
行 1
行 2
列 0 列 3列 1 列 2
3.非编码键盘
计算机组成原理 17
接口原理
①检查是否有键按下,其方法是：输出扫描码，使所
有行线为 0。然后读入列线状态，检查是否有列线为 0。
若有，则表明有行线和列线接通，意味意有键按下。
②去抖动,当有键按下时，延时 20ms左右，待抖动消
失后，在稳定状态下进行被按键 识别。
③被按键识别,从第 0行第 0列开始，顺序对所有按键
编号。通过逐行扫描确定被按键的编号。
④产生键码,根据扫描得到的键编号查找键盘编码表，
获得与被按键功能对应的键码。
计算机组成原理 18
鼠标器
鼠标的移动距离和方向
脉冲信息（送给计算机）
显示器光标的坐标数据
光电式 光机式 机电式
1,光电式
结构
LE
D鼠标
板
探测
器
整形电
路
计算机组成原理 19
2,光机式
三个滚轴（ X方向,Y方向、空）
X,Y方向各连一个码盘
三个均与同一个滚动小球接触
3,机电式
A B
电刷
金属片
滚球
垂直轴
水平轴
支撑轮
垂直轮
水平轮
转角计数
转角计数
计算机组成原理 20
条形码扫描仪
计算机组成原理 21
几种常用的自动识别输入技术
? OCR（ Optical Character Recognition )
ICR(Image Character Recognition)
ICR(Intelligent Character Recognition)
? MICR（ Magnetic Ink Character Recognition )
? MBR（ Magnetic Bar Recognition )
? 声音识别技术
? 视觉识别技术
? 条形码识别技术
计算机组成原理 22
一、概述
1,条码技术的优点
? 输入速度快
? 可靠性高
? 采集信息量大
? 灵活实用
2,条码技术的应用范围
? 商业自动化系统
? 仓储管理
计算机组成原理 23
3,条码术语
条码（ bar code）,由一组规则排列的条、空及其对应字符组成的 标记，用
以表示一定的信息
条 /空（ bar/space）,条码中反射率较低 /较高的部分 ---单元
空白区（ clear area）,条码左右两端外侧与空的反射率相同的限定 区域
起始符（ start character ）,位于条码起始位置的若干条与空
终止符（ stop character ）,位于条码终止位置的若干条与空
条码字符（ bar code character）,表示一个字符的若干条与空
条码校验符（ bar code check character）,表示校验码的条码字符条高
（ bar height ）：构成条码字符的条的二维尺寸中的纵向尺寸条宽（ bar
width ）：构成条码字符的条的二维尺寸中的横向尺寸条码长度（ bar code
length）：从条码起始符前缘到终止符后缘的长度
计算机组成原理 24
4,条码符号结构
空白区 起始字符 数据字符 校验字 符 终止字符 空白区
可选
计算机组成原理 25
二,EAN ( 通用商品代码 ）
EAN码是国际物品编码协会制定的一种商品用条码，通
用于全世界。 EAN码符号有标准版（ EAN-13）和缩短版
（ EAN-8）两种，我国的通用商品条码与其等效。我们日常购
买的商品包装上所印的条码一般就是 EAN码。
计算机组成原理 26
校验位（ 1b)
商品代码（ 5b)
企业代码（ 4 ~ 5 b )
前置码（ 2 ~ 3 b )
1,EAN-13 代码结构
计算机组成原理 27
2,UPC (统一产品代码）
? 只能表示数字
? 有 A,E 两个版本
? 版本 A - 12 位数字
? 版本 E - 8 位数字
? 最后一位为校验位
? 主要使用于美国和加拿大地区，用于工业、医药、仓库等部门
当 UPC 作为十二位进行解码时，定义如下：
第一位,国家或地区标识 (由 UCC（统一代码委员会）建立
第 2-6位,生产厂家的标识号
第 7-11, 唯一的厂家产品代码
第 12位,校验位 (used for error detection)
计算机组成原理 28
3,Code 3 of 9
? 能表示字母、数字和其它一些符号共 43个字符：
A –Z,0 - 9,-,.,$,/,+,%,space
? 条码的长度是可变化的
? 通常用, *, 号作为起始、终止符
? 校验码不用
? 代码密度介于 3 - 9.4个字符 /每英寸
? 空白区是窄条的 10倍
? 用于工业、图书、以及票证自动化管理上
计算机组成原理 29
? 线性堆叠式 。
? 矩阵式 。 PDF417
QR code Data matrix Maxi code
4,二维条码
计算机组成原理 30
三、条码扫描器
1,分类
按扫描原理：
? LED扫描器
结构简单、体积小、
成本低、耐用，
适宜构成笔状，
可读较长的条码符号，
对条码有一定的破坏性，
一次扫描成功率偏低
计算机组成原理 31
CCD扫描器
? 自动扫描
? 对于不易接触的物品均能方便识读
? 读出长度受 CCD元件尺寸限制
? 扫描景深不如激光扫描器
LED线阵列
反射镜
透镜
CCD传感器
计算机组成原理 32
激光扫描器
? 自动扫描
? 景深较大
? 扫描首读率和精度较高
激光管
旋转棱镜
光电三极
管
按使用方式：
A、手持式：包括 CCD、激光枪、光笔、数据采集终端
B、台式：包括 CCD、激光平台
C、卡槽式：包括考勤卡钟、卡片阅读器
计算机组成原理 33
2,识读系统的组成
光学系统 探测器 信号放大 滤波 整形 译码器
扫描系统 信号整形 译码
至
计
算
机
计算机组成原理 34
输入设备 ——光笔
光传感器件
信号处理
电路
计算机组成原理 35
输入设备 ——数字化仪
游标
图形板
电缆
计算机组成原理 36
输入设备 ——触摸屏
红外线
屏幕 接收头
发射头
计算机组成原理 37
输入设备 ——扫描仪
A / D 转换
接
口
CCD
被扫描纸张
数据输出
移动方向
反射光
光源
? ?
? ?
? ?
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?
计算机组成原理 38
以可见光形式传递和处理信息的设备叫显示设备。
(1)按显示设备所用显示器件分类,
阴极射线管（ CRT）显示器
液晶显示器（ LCD）
等离子显示器等
显示设备分类
设备分类：
CRT显示器又分为：
以扫描方式不同：光栅扫描和随机扫描显示器
以分辨率不同：高分辨率和低分辨率显示器
以显示颜色分类：单色（黑白）和彩色显示器
(2)按显示内容分类：
字符显示器 图形显示器 图象显示器
计算机组成原理 39
电子枪：
电子枪是阴极射线管的主要组成部分, 包括灯丝, 阴极,
控制级 （ 栅级 ）, 第一阳极 （ 加速极 ）, 第二阳极 （ 高压极 ）
和第三阳极 （ 聚焦极 ） 。
单色 CRT工作原理：
当灯丝加热, 阴极受热而发射电子, 电子的多少受控制极
控制 。
电子经加速, 聚焦而成电子束, 在高压极形成的均匀电位
空间作用下高速地冲射到荧光屏上, 荧光屏受电子束轰击而产
生一个亮点, 其亮度取决与电子束的轰击速度, 电子束电流强
度和荧光粉的发光效率 。
电子束在偏转系统的控制下, 在荧光屏的不同位置产生光
点, 这些光点即可组成所需的字符和图象 。
计算机组成原理 40
CRT是一漏斗形的电真空器件 。 由电子枪, 荧光屏及偏
转线圈组成 。 图 （ a） 是 CRT的结构, 图 （ b） 是带有偏转线
圈的 CRT示意图 。
(1)阴极射线管 CRT
1.显示器件
计算机组成原理 41
计算机组成原理 42
彩色 CRT与单色 CRT的原理基本相似。
? 荫罩式彩色显象管
一般有三个按正三角形排列的电子枪，分别用来触发红，
绿，蓝三种颜色的荧光粉发光，荧光屏上每个象元由按三角
形排列的红，绿，蓝三种荧光粉组成。
荧光屏附近装有一个荫罩板，上有 40-50万个小孔，和三
色荧光粉组数一一对应，以保证三支电子枪能够准确击中各
自相应的荧光粉。
涂有荧光粉的屏幕被激励而出现红蓝绿三基色或有三基色
组成的其它颜色。
彩色 CRT工作原理：
? 栅网式的单枪三色彩色显象管
性能进一步改进，制造工艺和控制方法比较简单。
计算机组成原理 43
黑
绿 红
蓝
品红青 白
棕
颜色 R G B
黑 0 0 0
蓝 0 0 1
绿 0 1 0
青 0 1 1
红 1 0 0
品红 1 0 1
棕 1 1 0
白 1 1 1
改变三基色的组合状态，
可获得色度的变化。
计算机组成原理 44
其结构简单, 已大量用于仪表, 计算器和手表上 。
原理：
在两块敷有透明导电电极平板的玻璃夹层中, 封装一种
既有流体性质, 又有晶体性质的液晶, 只要在电极上加几伏
至几十伏电压, 液晶的透光率, 反射率, 颜色等就会发生变
化, 即可显示字符和图形 。
(2)平板显示器件
① 液晶显示平板器件
特点,电流小，工耗低，价廉，可与集成电路配套使用，
在明亮环境下仍有较好的对比度和灰度，具有较好的显示
色彩和存储信息的能力。
但工作温度范围小（通常在 0—50摄氏度），响应速度
慢。制造较大面积的液晶显示比较困难。
计算机组成原理 45
液晶显示器
光线扭转的光线
液晶分子
电极
( b ) 不透光状态( a ) 透光状态 ( 偏震光被扭转 90 度 )
偏光镜
横向排列
垂
直
排
列
纵向排列
偏光镜
电极
玻璃
面板玻璃
计算机组成原理 46
这种器件适于组装成大屏幕显示屏或高亮度大屏幕字符显示
器。
原理：
在两块平面玻璃间封入电离发光气体，在玻璃板上的透明导
电电极之间的电场作用下使气体电离发光。它体积小，电压低
（几百伏），发光亮度大。常用于体育运动场或军事指挥中心
② 等离子显示平板器件
放电
荧光体 电极
光线
玻璃
透明电极
计算机组成原理 47
显示器采用与电视系统相同的矩形光栅扫描, 是通过在
CRT偏转线圈上通以锯齿波电压实现的 。 其显示原理如下图
所示 。
(1)光栅扫描
⒉ 扫描技术
计算机组成原理 48
光栅扫描是控制电子束在荧光屏上从左到右扫描出一条条水平亮线，
称为 行扫描,然后，电子束又从右回扫到左，这时电子束被,消隐,，屏
幕上没有亮线，见图上虚线。叫“逆程扫描”，又叫,行消隐,或,水平
回归,。
场扫描 是控制垂直方向扫描，在荧光屏上最后一条水平线扫描结束后，
光栅垂直回归到第一条水平扫描线的起点，回归时亮点消失，又叫,场消
隐,或,垂直回归,。整个荧光屏上由一条条光栅组成的画面，叫做一幅
或一帧。
计算机组成原理 49
(a) 水平扫描电流 (b) 垂直扫描电流
计算机组成原理 50
显然，扫描线越多，分辨率越高。图象也就越清晰。一
般每帧有 405线,526线,625线,819线多种，我国电视每
帧用 625线。显示时只有一个光点在屏幕上扫描，由于人眼
的视觉暂留现象使看见的图象是连续的。
我国采用 25帧摄象制，即每秒扫描 25帧，就会在荧光屏上
出现活动图象，但对人的视觉有闪烁的感觉。
因此，大多改用隔行扫描，把一帧图象的 625行分成两次
传送，每次传送 312.5行（称一场），先传送奇行数，再传送
偶行数。
计算机组成原理 51
国产 ZFX—1型字符显示器把 625行线的隔行扫描改为逐
行扫描,50帧 /秒，帧扫描周期为 20ms；每帧 312.5行，行扫
描周期为 64 ?s；每帧可显示 16行，每行 32个字符，整个屏幕
则可显示,16行 *32字符 /行 =512个字符。若每行光栅可显示
80 个字符，每帧增加到 24行，则整个屏幕可显示,24行 *80
字符 /行 =1920个字符。
计算机用的显示屏 一般选用 200线或 400线，高密度的显
示器可达 1024线或 2048线。前者用于字符终端；后者用于图
形，图象终端。
计算机组成原理 52
分辨率和灰度级是显示器的两个重要技术指标。
(1)分辨率
显示设备所能表示的象素个数。
象素越密，分辨率越高，图象越清晰。
显示器的分辨率与显象管荧光粉的粒度，荧光屏的尺寸和 CRT电子束
的聚焦能力等有关。此外，还要求刷新存储器具有与显示象数相对应的存
储空间，以便存储每个象素信息。
3.分辨率和灰度级
为了保证图象有较好的水平与垂直线性, 象素长宽比例通常为 4,3。
例如, 12英寸彩色 CRT的分辨率为 640*480个象素； 14英寸显示
800*600个象素； 16英寸显示 1024*768个象素都满足 4,3的比例 。 此外,
某些专用的方形 CRT显示分辨率为 512*512或 1024*1024,甚至 4096*4096
个象素 。
计算机组成原理 53
(2)灰度级
指所显示象素点的亮暗差别，在彩显中则表现为颜色的不同。
灰度级越多，图象层次越清楚逼真。灰度级与每个象素对应
刷新存储器单元的位数和 CRT本身的性能有关。
如果用 4位表示一个象素，只有 16级灰度或颜色； 若用 8位表
示一个象素。则有 256级灰度或颜色。
只用,0”和,1”两级灰度就能表示字符有无的显示器称为单
色显示器；具有多种颜色的显示器称为彩色显示器；具有多种
灰度级的黑白显示器称为多灰度级黑白显示器。图象显示器的
灰度级为 64级或 256级。
计算机组成原理 54
CRT荧光屏发光是由电子束轰击荧光粉引起的，其发光亮
度大约只能维持几十豪微秒便消失。
为了人眼能看见稳定的图象，必须在图象消失之前使该电
子束不断重复扫描整个屏幕，这称为刷新。每秒刷新的次数叫
做 刷新频率 。
刷新频率一般大于 30次 /秒就不会感觉有闪烁，显示设备中
常选用每秒刷新 50帧图象作为刷新频率。
4.刷新和刷新存储器
(1)刷新
计算机组成原理 55
存储图象的存储器叫刷新存储器，也叫“帧存储器”
或“视频存储器”。其存储容量由图象分辨率和灰度级决
定。
分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器的容量也越大。
例如，分辨率为 512*512,256级灰度的图象，其刷新存储
器的容量为 512*512*8BIT=256KB。而存储周期必须满足刷
新频率的要求。
(2)刷新存储器
计算机组成原理 56
字符 显示器
不同的计算机系统，显示器的组成方式也不同：
1,在大型计算机中，显示器作为终端设备独立存在，即键盘
输入和 CRT显示输出是一个整体，通过标准的串行接口与
主机相连。
2,在微型机系统中,CRT显示输出和键盘是两个独立的设备，
显示系统由插在主机槽中的显示适配器卡和显示器两部分
组成，而且将字符显示和图形显示结合为一体。
计算机组成原理 57
1.字符显示
显示字符的方法以 点阵 为基础。点阵是由 m× n个点组
成的阵列，并以此来构造字符。
计算机组成原理 58
? 通常用 5*7或 7*9的光点点阵组成单个字符, 显示汉字时,
则要用 16*16,24*24,32*32或 64*64的点阵, 高要求还可
用 128*128。
? 在 IBM/PC系统中，屏幕共显示 80列 ?25行 =2000个字符，故
字符窗口数目为 2000。在单色字符方式下，每个字符窗口
为 9 ?14点阵，字符为 7 ?9点阵。
? 点阵的多少取决于显示字符的质量和字符窗口的大小。 字
符窗口 是指每个字符在屏幕上所占的点数，它包括字符显
示点阵和字符间隔。
计算机组成原理 59
? 对应于每个字符窗口，所需显示字符的 ASCII代码被存放在
视频存储器 VRAM中，以备刷新；
? 字符点阵存入由 ROM构成的字符发生器中；
? 在 CRT进行扫描的过程中，从字符发生器中依次读出某个
字符的点阵，按照点阵中 0,1的不同控制扫描电子束的开或
关，从而在屏幕上显示出字符。
计算机组成原理 60
移位
寄存器
S L
视频
信号
字符
发生器
ROM VRAM
RA3~RA0
ASCII码
OSC I/ 9 I/（ 80+18） I/（ 9+5） I/（ 25+1）
点振荡器
（ 16.257MHz）
点计数器 水平地址计数器
加载控制 水平消隐 行间消隐 垂直消隐
光栅地址计数器 垂直地址计数器
水平同步电路 垂直同步电路水平同步信号
垂直同步信号
CPU 控制
字符
时钟
定时控制电路
VRAM与 显示屏 的对应关系
计算机组成原理 61
现用 19英寸黑白 CRT光栅扫描点阵显示为例说明其工作原
理。
画面再生频率为 50帧 /秒。场频为 50周 /秒，行频为 15625周
/秒。每幅字符为 80字 *25=2000字。显示字符 64种，其中包括
数字 0—9，英文字母 26种，特殊字符 28种。
字符编码采用 ASC11码。并用 7*9光点图案。
2.工作原理
计算机组成原理 62
字符显示器的组成框图
高六位
计算机组成原理 63
缓冲存储器用半导体 RAM组成, 容量为 2000*8BIT,存储周
期为 0.653微秒 。
其中一个单元存储一个字符的全部信息, 每个字符的单元
地址与字符在荧光屏上的位置一一对应 。 即缓存单元的地址顺
序与屏面上每行从左到右, 按行从上到下的显示位置排列 。
缓存中的编码不断重复读出以保证电子束对重复显示的多次扫
描 。 故缓冲存储器又叫刷新存储器 。
(1)缓冲存储器
(2)字符发生器
字符发生器用来产生字符点阵图案，其核心部分是固定存储
器 ROM，它存储 64种字符（或者 96种,128种字符）的标准点
阵，以备显示的选用，其原理如图 7-45所示。
计算机组成原理 64
计算机组成原理 65
图中每个字符是 7*9点阵 。 由缓冲存储器驱动要显示的字
符编码 （ ASC11码 ）, 并以该编码的 6位作为字符发生器的
高 6位 （ A10—A5）, 经列地址译码后选取 64种字符中的某种
字符 。
字符发生器的低 4位地址码 （ A4—A1） 则由 CRT控制器送
来, 以便依次读出 9个行的点阵信息, 每行 7点信息经输出缓
冲寄存器和并 —串变换移位寄存器后, 变成串行输出的 Q7—
Q1作为视频信号加于 CRT的 Z轴以形成点阵亮点 。
计算机组成原理 66
但是, CRT的扫描方式不是扫描一个字符后再扫描下一个
字符, 而是每次扫描一排字符中所有字符的同一扫描行, 并
显示光点 。 例如, 某排字符为 ACK…… W,其显示次序是：
先从缓存读出, A”字符送字符发生器, 并从字符发生器选
出 A的字符点阵的第一行图案, 屏幕上扫描即出现 A字符点阵
的第一行 7个点阵；然后又从缓存读出, C”字符送字符发生器,
并选出, C”的第一行图案, 屏幕上则扫描出 C字符点阵第一
行的 7个点阵； …… 直到该排最后一个字符的第一行 7个点阵
扫描完, 再去进行每个字符点阵的第二行 7个点阵的扫描；
直到该排每个字符的第九行点阵扫描完，则显示出一排完
整的字符。照此过程，扫描后面各排字符点阵，直到第 25排
全部扫描完毕，才能完成一幅字符的显示。
计算机组成原理 67
震荡器产生高频计数脉冲，按横向点数，每行字数，每
排行数和每场排数计数进位。其中：
点：指光点，
字：为字符点阵（ 7*9），
行：指光栅行，
排：是字符行。
(3)字符显示器的控制时序
计算机组成原理 68
① 字计数值
根据 625行光栅按 312.5行逐行扫描两场计算,每秒扫描 50
场，每场用 20ms，每场 312.5行，每行需扫描时间为：
20ms/312.5行 =64?s/行。
现每行安排 80个字符, 考虑到屏幕两边失真较大, 各空出
5个字符位置, 则正程扫描时间 52.2?s内将扫描 90个字符,
每个字符平均占用的显示时间为,52.2 ?s/90字 =0.582?s/字 。
光栅回归 11.8?s的消隐时间相当于扫描了 11.8?s/0.582?s
=20个字符, 因此, 一行相当扫描 110个字符, 故字计数值为
110。
计算机组成原理 69
字符采用 7*9点阵, 用 9行光栅扫描字符, 留 3行作为空
隙, 故每排字符占用 12行, 12即为行计数值 。
② 行计数值
312.5行除以 12,可以安排 26排字符, 现用 25排, 只有
一排的余地 。 故 26是排计数值 。
③ 排 计数值
扫描时，是用光点显示，所以每个字符占用 7个光点，字
符间留 1个光点作间隙，共占 8个光点，一个字符占用 0.582?s，
故一个光点的扫描时间为,0.582?s/8=0.0728?s
④ 点计数值
于是震荡器的脉冲频率应为,1/0.0728=13.736MHz。
⑤ 震荡器的脉冲频率
故本字符显示器用 13.736MHz的主脉冲频率经过点、字、行、排四个
计数器分频，获得各种时序信号。
计算机组成原理 70
主脉冲振荡器
点计数器 (8:1分频 )
字计数器 (110:1分频 )
行计数器 (12:1分频 )
排计数器 (26:1分频 )
13.737MHz 0.0727 ?s
1.717MHz 0.582 ?s
15.6KHz 64 ?s
1.3KHz 768 ?s
50Hz 20ms
缓存 X地址
行同步与消隐信号
排显示与消隐信号
固存行选信号
游标产生
场同步与消隐信号
缓存地址
字
符
显
示
器
的
控
制
时
序
计算机组成原理 71
由图可见：主脉冲震荡器产生 13.736MHz的点脉冲, 其脉
冲宽度约等于 36ns。
点计数器 用三位触发器组成模 8计数器 。 8分频后得到
1.717MHZ的计数频率, 脉冲宽度约等于 290ns。 计满 8个点脉
冲使字计数器加 1。
字计数器 由 7位触发器组成, 是计满 110就归零的非标准
循环计数器, 经 110分频后得到 15.6KHZ的计数频率, 脉冲宽
度约为 32?s 。
由于缓存 2000个单元的每个地址与 CRT荧光屏上的字符位
置一一对应, 故由字计数器给出字符在画面上的水平位置
（ Xi地址 ） 和显示头的水平扫描同步 （ 行同步 ） 信号和行消
隐信号 。 每帧满 110后向后行计数器进位 。
计算机组成原理 72
行计数器 是四位触发器组成的计满 12归零的非标准循环
计数器，经 12分频后得到 1.3KHz的计数频率，脉冲宽度约为
384?s 。因字符显示必须扫描 9行方能完成，故由行计数器
提供字符发生器所用固存的行选控制信号控制游标产生，即
计数到第 11行时产生游标，并产生显示（ 1—9行）信号和排
消隐（ 10—12行）信号。
排计数器 由 5位触发器组成, 是计满 26归零的非标准循环
计数器, 经 26分频后得到 50Hz的场频率 。 排计数器提供缓存
Y方向地址及字符在画面上的垂直位置, 并给出显示头的垂
直同步信号和场显示时间和场消隐时间 。 因本例只有一排共
12行的余地, 当然也可采用 819行的画面 。
计算机组成原理 73
游标又叫光标, 用以标志荧光屏上字符的位置, 在游标
位置上可以进行写入, 删改或删除等操作, 为使写入字符和
游标的位置与存储单元相对应, 只要使存储单元地址和游标
地址一致即可, 通常采用符合逻辑电路 。 本例见游标放在第
11行, 一般以每秒 3次的频率闪动 。
可用键盘上的游标键来指定游标操作, 如上移, 下移,
右移, 左移, 换行, 返行, 回原点, 下复挑拢 。 此外, 还具
有逻辑功能的操作：如抹字, 清行, 全清, 字插入, 连续显
示同一个字符等, 报警等 。
4.游标
计算机组成原理 74
例 某 CRT显示器可显示 64种 ASCII字符，每帧可显示 64字
× 25排；每个字符字形采用 7× 8点阵，即横向 7点，字间间隔 1
点，纵向 8点，排间间隔 6点；帧频 50Hz，采取逐行扫描方式 。
水平消隐期共占 12个字符时钟的时间，垂直回扫需 10排的显示
(1) 缓存容量有多大?
(2) 字符发生器 (ROM)容量有多大?
(3) 缓存中存放的是 ASCII代码还是点阵信息?
(4) 缓存地址与屏幕显示位置如何对应?
(5) 设置哪些计数器以控制缓存访问与屏幕扫描之间的同步?它
们的分频关系如何?
计算机组成原理 75
(1) 缓存容量为 64× 25=1600
(2) ROM容量为 64× 8=512
(3) 缓存中存放的是待显示字符的 ASCII
(4) 显示位置自左至右，从上到下，相应地缓存地址由低到高，
每个地址码对应一个字符显示位置。
(5) 点计数器 8∶ 1分频；
字计数器 (64+12)∶ 1分频；
行计数器 (8+6)∶ 1分频；
排计数器 (25+10)∶ 1
解：
计算机组成原理 76
图形显示器 是用 点，线 （直线和曲线）,面 （平面和曲面
）组合成要求的平面或立体图形。同时可以作平移，比例变
换，旋转，坐标变换，投影变换（把三维图形变换为二维图
形），
透视变换, 透视投影, 轴侧投影 （ 三面图 ）, 单点透视,
两点或三点透视以及隐线处理等操作 。 主要用于 CAD和 CA
M（ 计算机辅助制造 ）, 如汽车, 飞机, 舰船, 土建以及集
成电路板等的设计制造 。
图形显示器通常配有键盘, 光笔, 数字化仪, 鼠标器,
CRT显示器和绘图机等 。 下面简要介绍图形显示器的基本原
理 。
图形 显示器
在原有的字符显示器上加一块显示图形的逻辑电路板,
即可变成简易的图形显示器；如果配上图形输入板和绘图机,
则可构成一种廉价的小型图形处理系统 。
计算机组成原理 77
在数字图象处理中，数字图象显示器是最后也是最重要的
环节，它可以让人们通过视觉，更好地理解和解释图象的内
容。
图象显示器除了能存储从计算机输入的图象并在荧光屏上
显示外，还具有灰度变换，窗口技术，真彩色和伪彩色显示
等图象增强技术功能。
灰度变换,可使原始图象的对比度得到增加或改变 。
窗口技术,在图象存储器中, 每个象素有 2048级灰度值
（ 11位 ）, 肉眼不能分辨出这么多级 （ 通常肉眼只能分辨 40
级 ） 。 若在 2048级中开一个小窗口, 将这个窗口内的灰度级
取出, 使之变换为 64级显示灰度, 就可以把原来被掩盖的灰
度细节充分地显示出来 。
图像 显示器
计算机组成原理 78
真彩色和伪彩色：
真彩色 是指真实图象的彩色显示，是色还原技术，电视属
于这一类；
伪彩色 处理和显示则是一种图象增强技术。肉眼分辨黑白
色只有几十级，但能分辨出上千种彩色。伪彩色处理技术可对
黑白图象进行染色，如把水的灰度染为蓝色，把植物的灰度染
为绿色，把土地的灰度染为黄色等。
图象显示器还具有几何处理功能, 如：
图象的放大,可进行 2,4,8倍放大 。
图象分割,可在 CRT的局部范围内显示一幅图象的全部或
部分, 并在其他范围内显示其他图象的全部或局部, 或进行图
象重叠 。
图象滚动,即是使图象显示的顺序发生变化, 可以在水平
和垂直两个方向滚动 。
计算机组成原理 79
图象显示器显示的图形是经过计算机用一定算法产生的
点，线，面，阴影等，它来自主观世界，故称 主观图象 或
计算机图象。
图象显示器显示的图象通常来自客观世界，故称 客观图
象 。二者之间在处理和分析上都有很大的差异，但又可以
互相借鉴。有一种图形 —图象两用的显示器，使得图形显
示器具有某些图象处理功能。
图 7-49是图象显示器工作原理 。
计算机组成原理 80
计算机组成原理 81
由图可见,计算机将图象数据通过接口电路送入图象存储器。
显示时，从图象存储器取出图象数据，经过窗口控制器处理后，
与灰度度标发生器的信号一起送到选择器。在时间控制系统控
制下，将图象信号和灰度度标信号变成时分信号输出，并在显
示屏的固定区域显示灰度度标。
从选择器输出的图象信号分成两路：
① 一路经彩色编码器编码后，与字符发生器输出的内容相
混合，得红，绿，蓝三色图象和字符数码信号，经 D/A转换器
后变成控制彩色现象管 R（红）,G（绿）,B（蓝）三枪的
视频信号，以显示彩色图象。
② 另一路直接和字符发生器输出的内容相混合，经 D/A转换
后变成黑白显象管电子束强度变化的视频信号，以显示黑白图
象。
图像 显示器
计算机组成原理 82
图象显示器还具有字符显示功能,以便在图象上进行注
释。字符编码由键盘送入字符码存储器。显示时从字符码存
储器中取出并由字符发生器变成相应的字形信号，与图象信
号混合后一起显示。若字符信号不经过彩色编码器，彩色显
示器上的字符则为白色。
图象显示器主要用于图象处理。
计算机组成原理 83
打印设备
? 击打式
? 串行、行式
? 点阵针式、字模式
? 非击打式
? 喷墨
? 激光
? 热转印
计算机组成原理 84
击打式打印机 ——点阵针式
滚筒
打印纸色带
打印针
针管
线圈
铁心
衔铁
计算机组成原理 85
喷墨式打印机 ——气泡式
气泡
计算机组成原理 86
喷墨式打印机 ——压电式
供墨水
导管
喷嘴
墨水
压电体
计算机组成原理 87
激光式打印机
粉仓
打印纸
磁辊
感光鼓
转印辊
定影辊
清洁刮
刀
充电
辊
激光
器
计算机组成原理 88
2、组成及工作原理
激光扫描系统
电摄影系统
.
激光打印机工作原理图
（ 1）二进制数据 ->点阵信息
（ 2）电 ->光
（ 3）准直
（ 4）扫描
（ 5）聚焦、校正
（ 6）充电、曝光
（ 7）显影
（ 8）转印、分离
（ 9）定影
（ 10）中和、清洁、消电
计算机组成原理 89
电摄影系统
电摄影的工作阶段和过程
潜像阶段 （ 1）充电
（ 2）曝光
墨粉可见像阶段
.
（ 1）
（ 2）
（ 3）
（ 5） （ 4）（ 6）
（ 7）
（ 8）
（ 9）
（ 3）显影
（ 4）转印
（ 5）分离
（ 6）定影
清洁阶段
（ 7）中和
（ 8）清扫
（ 9）消电
计算机组成原理 90
光导鼓
功能
在静电场的作用下使光导体获得一定极性的、均匀的电荷，
并将投照在它上面的光像转换成静电潜像，经墨粉显影，获得
可见图像。
结构
+ + ++ ++ ++ ++ +
- - -- -- -- -- -
上阻挡层
下阻挡层
底基
光导层
光导层材料：
硒 (Se)
氧化锌（ ZnO）
硫化隔（ CdS）
计算机组成原理 91
光导材料特性
光导体的基本特性
在暗的状态下为绝缘体
在光照的状态下为导体
光灵敏度
光导体对光反应的速度
理想光导材料：暗阻率高，光灵敏度高，
即受光照后其暗阻下降要快
光谱特性
程度光导体对各种波长的光敏感
计算机组成原理 92
光导体表面电位的衰减和疲劳
明衰,光导体充电后，光照区域变成导体，电荷迅速消失，
表面电位下降
残余电位, 曝光后，光导体表面存在的电位
暗衰, 光导体充电后，在暗处，其表面静电荷也会渐渐减少，
电压下降
暗衰
明衰（弱光）
明衰（强光）
V0
V：表面电位
t表面电位衰退
计算机组成原理 93
疲劳特性：
（ 1）充电后，表面电位较低；
（ 2）表面电位上升时间较长；
（ 3）表面残余电位较高。
充电 暗衰 曝光
新光导体
疲劳光导体
V
t
疲劳,光 导体长时间工作后，因充放电次数的增加及光照
后其电阻率降低，因而充电接收的电荷减少
暂时性疲劳 永久性疲劳
计算机组成原理 94
电晕放电装置
+ + ++ ++ ++ ++ +
- - -- -- -- -- -
7.5kv
计算机组成原理 95
静电潜像的形成
+ + ++ ++ ++ ++ +
- - -- -- -- -- -
.
充电 曝光
+ + ++++
- - ----
显影
将静电潜像变成
可见图像的过程 + + ++++
- - ----
铁粉
永久磁铁
计算机组成原理 96
电晕转印与分离
+ + ++++
- - ----
- - ----
+ + ++++
- - ----
- - ----
.
+ ++ ++ + ++ ++ ++ ++ +
分离方法：
气吸分离法
带分离法
片分离法
交流电晕分离法
+ + ++++
- - ----
- -
----
计算机组成原理 97
定影 热辊定影
热板定影
热辐射定影
加热定影
压力定影
清洁
中和：
松弛光导层表面对墨粉微粒间的相互作用。
清扫：
清除转印后残留在光导层表面的墨粉
全曝光,
清除剩余电荷和清扫元件与光导层摩擦而产生的静电荷，
减少光导层的疲劳。（用小功率日光灯）
计算机组成原理 98
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。
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，对工作环境要求较高。
磁记录原理与记录方式
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
计算机组成原理 99
磁性材料的 磁滞回线
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 )。
1.
计算机组成原理 100
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。
计算机组成原理 101
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。
这些记录方式中代码 0或 1的写入电流波形见图 7.11。
2.记录方式
磁性材料写入二进制代码 0 或 1,是靠不同的写入电流
波形实现的。
计算机组成原理 102
计算机组成原理 103
(1)不归零制 (NRZ0)
其特点是磁头线圈中始终有电流,不是正向电流 (代表 1)
就是反向电流 (代表 0)，因此不归零制记录方式的抗干扰性能
较好。
o o 1
计算机组成原理 104
(2)见, 1”就翻不归零制 (NRZ1)
与 NRZ0制的 相同处,磁头线圈中始终有电流通过。
不同处,记录, 0”时电流方向不变，只有遇到 1时才改变方向
。
计算机组成原理 105
(3)调相制 (PM)
其特点是在一个位周期的中间位置，电流由负到正为 1，由
正到负为 0，即利用电流相位的变化进行写,1”和,0”，所以
通过磁头中的电流方向一定要改变一次，这种记录方式中
,1”和,0”的读出信号相位不同，抗干扰能力较强。
另外读出信号经分离电路可提取自同步定时脉冲，所以具
有 自同步能力
计算机组成原理 106
(4)调频制 (FM) 其特点如下：
① 无论记录的代码是 1或 0，或者连续写,1”或写,0”，在
相邻两个存储元交界处电流都要改变方向；
② 记录 1时电流一定要在位周期中间改变方向，写,1”电流
的频率是写,0”电流频率的 2倍，故称为倍频法。
这种记录方式的优点是记录密度高，具有自同步能力。
FM可用于单密度磁盘存储器。
计算机组成原理 107
(5)改进调频制 (MFM)
与调频制的区别在于只有连续记录两个或两个以上,0”时
，才在位周期的起始位置翻转一次，而不是在每个位周期的
起始处都翻转，因而进一步提高了记录密度。 MFM可用于双
密度磁盘存储器。
计算机组成原理 108
编码效率、自同步能力,检读分辨力、信息相关性、抗干
扰能力、信道带宽、编码译码电路的复杂性等。
例如,FM,PM记录方式中记录一位数字信息的最大磁
化翻转次数为 2，因此编码效率为 50%。而 MFM,NRZ，
NRZ1三种记录方式的编码效率为 100%，因为它们记录一
位数字信息磁化翻转最多一次。
3.记录方式的评价标准
(1)编码效率
指位密度与最大磁化翻转密度之比，也就是指每次磁层
状态翻转所存储的数据信息位的多少。
计算机组成原理 109
(2)自同步能力
是指从读出数据 (脉冲序列 )中自动提取同步信号 ( 时间基
准信号 )的能力。自同步能力的大小可以用最小磁化翻转间
隔与最大磁化翻转间隔的比值 R来衡量。 R越大,自同步能
力越高。
同步信号,从磁表面存储器读出信号时，为了分离出数据
信息必须要有时间基准信号，称为 同步信号 。
外同步,从专门设置用来记录同步信号的磁道中取得同步
信号，这种方法称为 外同步 。
自同步,但对于高密度的记录系统来说，还希望能直接从
磁盘读出的信号中提取同步信号，这种方法称为 自同步 。
如果说某种编码方法具有自同步能力，就是指能从读出数
据（脉冲序列）中提取同步信号 。
计算机组成原理 110
例,NRZ和 NRZ1制记录方式没有自同步能力，因为当连
续记录,1”时,NRZ制记录方式磁层不发生磁化翻转，而当
连续记录,0”时,NRZ和 NRZ1制记录方式的磁层不发生磁化
翻转。
而 PM,FM,MFM记录方式有自同步能力。 FM记录方式
的最大磁化翻转间隔是位周期 T，而它的最小磁化翻转间隔是
T/2，因此 RFM = 0.5。
(3)检读分辨力
是指磁记录系统对读出信号的分辨能力。
(4) 信息相关性
是指漏读或错读一位是否会传播误码，所以是衡量精度
计算机组成原理 111
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。
4.
计算机组成原理 112
当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯内就产生一
定方向的磁通。由于铁芯是高导磁率材料，而铁芯空隙处为
非磁性材料，故在铁芯空隙处集中很强的磁场。
在这个磁场作用下,载磁体就被磁化成相应极性的 磁化位
或磁化元 。若在写线圈里通入相反方向的脉冲电流，就可得
到相反极性的磁化元。如果我们规定按图中所示电流方向为
写,1,，那么写线圈里通以相反方向的电流时即为写,0”。
上述过程称为 写入 。
显然，一个磁化元就是一个存储元，一个磁化元中存储一
位二进制信息。当载磁体相对于磁头运动时,就可以连续写
(1)写操作
计算机组成原理 113
当磁头经过载磁体的磁化元时，由于磁头铁芯是良好的导
磁材料，磁化元的磁力线很容易通过磁头而形成闭合磁通回
路。
不同极性的磁化元在铁芯里的方向是不同的。当磁头对载
磁体作相对运动时，由于磁头铁芯中磁通的变化，使读出线
圈中感应出相应的电动势 e，其值为,
(2)读操作
负号表示感应电势的方向与磁通的变化方向相反。
计算机组成原理 114
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”。下图示出了记录方式的写读过程波形图。
计算机组成原理 115
通过电 -磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可把一
位二进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态；
反之，通过磁 -电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储
元的不同剩磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出。
(3)磁表面存储器存取信息的原理
计算机组成原理 116
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。
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、
读写磁头与磁头定位伺服系统等。
硬磁盘机的基本组成和分类
计算机组成原理 117
计算机组成原理 118
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。
计算机组成原理 119
(1)根据磁头的工作方式分类
①移动头硬盘存储器
存取数据时磁头在磁盘盘面上径向移动，磁头与盘面不接
触，且随气流浮动，称为浮动磁头。这种存储器可以由一个
盘片或多个盘片组成，装在主轴上。盘片的每面都有一个磁
头。这种结构的硬磁盘存储器应用很广，其典型结构为 温彻
斯特磁盘 。
硬磁盘机通常按以下方法分类,
② 固定头磁盘存储器 的磁头位置固定，磁盘的每一个磁道都
对应一个磁头，盘片也不可更换。其特点是存取速度快，省
去了磁头沿盘片径向运动找磁道的时间，磁头处于工作状态
即可开始读写。
计算机组成原理 120
(2)根据磁盘可换与否分类
①可换盘存储器 是指磁盘不用时可以从驱动器取出脱机
保存。这种磁盘可以在兼容的磁盘存储器间交换数据，由于
可脱机保存，故便于扩大存储容量。为了达到可靠地交换数
据的目的，磁盘的道密度要适当降低，从而使可换磁盘记录
密度的提高受到限制。
根据可换磁盘存储器每轴盘片数目的不同，通常把每轴
装有一至四片的存储器称为盒式磁盘存储器；
六片以上的称为盘组，常用的有六片、十一片、十二片
等。在盒式磁盘存储器中，只有部分磁盘是可换的，如四片
盒式磁盘存储器中，三片磁盘是固定的，一片是可换的。
计算机组成原理 121
② 固定盘存储器 是指磁盘不能从驱动器中取出，更换时要把
整个, 头盘组合体, 一起更换。这种结构的磁盘存储器称为
温彻斯特磁盘（ Winchester Disk）。
温彻斯特磁盘 简称温盘，是一种可移动磁头固定盘片的磁
盘存储器，它是目前应用最广，最有代表性的硬磁盘存储器。
所谓温彻斯特磁盘实际上是一种技术,这种技术是由 IBM
公司位于美国加州坎贝尔市温彻斯特大街的研究所研制的，
它于 1973年首先应用于 IBM3340硬磁盘存储器中，因此将这
种技术称作温彻斯特技术。
计算机组成原理 122
温彻斯特技术是磁盘向高密度、高容量发展的产物。温
盘的主要特点是一种密封组合式的硬磁盘，将磁头、盘片、
电机等驱动部件甚至读写电路等制成一个不可随意拆卸的整
体，也叫“头盘组合体”。它的防尘性能好，可靠性高，对
使用环境要求不高。而普通的硬磁盘要求具有超净环境，只
能用于中大型计算机中。
计算机组成原理 123
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。各类磁盘驱动器具体结构虽有差别，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。
硬磁盘 驱动器和控制器
1.磁盘驱动器
计算机组成原理 124
在可移动磁头的磁盘驱动器中，驱动磁头沿盘面径向位
置运动以寻求目标磁道位置的机构叫磁头定位驱动系统，它
由 驱动部件、传动部件、运载部件（磁头小车） 组成。
当磁盘存取数据时,磁头小车的平移运动驱动磁头进入指
定磁道的中心位置，并精确地跟踪该磁道。
磁头小车有两种驱动方式：
① 步进电机 靠脉冲信号驱动，控制简单，整个驱动定位系
统是开环控制，因此定位精度较低，一般用于软磁盘驱动器
和磁道密度不高的硬磁盘驱动器。
(1)磁头定位驱动系统
计算机组成原理 125
② 音圈电机 是线性电机，可以直接驱动磁头做直线运动，整
个驱动定位系统是一个带有速度和位置反馈的闭环控制系统，
驱动速度快，定位精度高，因此用于较先进的磁盘驱动器。
主轴系统的作用是安装盘片，并驱动它们以额定转速稳定
旋转。其主要部件是主轴电机和有关控制电路。
(2)主轴系统
数据转换系统的作用是控制数据的写入和读出，包括磁头、
磁头选择电路、读写电路以及索引和区标电路等。
(3)数据转换系统
计算机组成原理 126
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 。
2.磁盘控制器
计算机组成原理 127
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控制将数据传送到主机总线。
(小型计算机系统接口） (增强型小型设备接口） (磁盘控制器）
计算机组成原理 128
由于控制器与驱动器之间的任务分工没有明确的界限，因
而控制器与驱动器之间的交界面划分有多种方式。
(1) 如果 交界面设在 A处,驱动器只完成读写和放大，因而数
据分离以后的控制逻辑构成磁盘控制器，例如 ST506磁盘控制
器是插在 PC机总线上的一块电路板，控制器与设备之间就采
用了这种形式的接口。
(2) 如果 交界处在 B处,则驱动器中包含数据分离器，而磁盘
控制器仅有串 —并变换，格式控制等逻辑构成。例如,ESDI
（增强型小型设备接口）就属于这种型式。
(3) 将接口 交界设在 C处,则磁盘控制器的功能全部转移到设
备中，主机与设备间采用标准的通用接口。例如 SCSI（小型
计算机系统接口）属于这种型式。
目前的发展趋势是采用 C种接口,以增强设备的功能，
使设备相对独立。
计算机组成原理 129
盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为 记录
面 。记录面上一系列同心圆称为 磁道 。每个盘片表面通常有几
十到几百个磁道，每个磁道又分为若干个 扇区
磁盘上信息的分布
计算机组成原理 130
磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫
0磁道，最里面的一个同心圆叫 n磁道,n磁道里面的圆面
积并不用来记录信息。
扇区的编号有多种方法，可以连续编号，也可间隔编
号。
磁盘记录面经这样编址后，就可用 n磁道 m扇区 的磁盘
地址找到实际磁盘上与之相对应的记录区。
除了磁道号和扇区号之外，还有记录面的 面号,以说
明本次处理是在哪一个记录面上。
例如对活动头磁盘组来说，磁盘地址是由记录面号 (也
称磁头号 )、磁道号和扇区号三部分组成。
计算机组成原理 131
在磁道上，信息是按区存放的，每个区中存放一定数量的
字或字节，各个区存放的字或字节数是相同的。
为进行读 /写操作，要求定出磁道的起始位置，这个起始位
置称为 索引 。 索引标志在传感器检索下可产生脉冲信号，再
通过磁盘控制器处理，便可定出磁道起始位置
磁盘存储器的每个扇区记录定长的数据，因此读 /写操作是
以扇区为单位一位一位串行进行的。每一个扇区记录一个记
录块。数据在磁盘上的记录格式如下：
计算机组成原理 132
每个扇区开始时由磁盘控制器产生一个扇标脉冲。扇标脉
冲的出现即标志一个扇区的开始。 两个扇标脉冲之间的一段
磁道区域即为一个 扇区 (一记录块 )。
每个记录块由 头部空白段、序标段、数据段、校验字段 及
尾部空白段 组成。其中：
空白段用来留出一定的时间作为磁盘控制器的读写准备时间；
序标被用来作为磁盘控制器的同步定时信号；
序标之后即为本扇区所记录的数据；
数据之后是校验字，它用来校验磁盘读出的数据是否正确。
计算机组成原理 133
磁盘存储器的主要指标包括 存储密度、存储容量、存取时
间 及 数据传输率 。
1.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。
磁盘 存储器的技术指标
计算机组成原理 134
2.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。存储容量有格式化容量和非格式化容量之分。
格式化容量：
按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是
用户可以真正使用的容量。
非格式化容量：
磁记录表面可以利用的磁化单元总数。将磁盘存储器用
于某计算机系统中，必须首先进行格式化操作，然后才能供
用户记录信息。格式化容量一般是非格式化容量的 60%—70
%。目前,3.5英寸的硬盘机容量可达 80GB。
计算机组成原理 135
3.平均存取时间
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
信息所需要的时间。这段时间由两个数值所决定：
一个 是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称
为 定位时间或找道时间 ；
另一个 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。
计算机组成原理 136
平均存取时间
等于平均找道时间与平均等待时间之和。 平均找道
时间是最大找道时间与最小找道时间的平均值，目前平
均找道时间为 10—20ms。
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。目前固定头盘转速高达 6000转
/分，故平均等待时间为 5ms。
计算机组成原理 137
4.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每秒 n转，每条磁
道容量为 N个字节，则数据传输率 Dr=nN(字节 /秒 )。
也可以写成 Dr=D·v(字节 /秒 )，其中 D为位密度,v为磁盘旋
转的线速度。目前磁盘存储器的数据传输率可达几十兆字节 /
秒。
计算机组成原理 138
例 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 2400转 /
(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?
(4)采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什
么?寻址命令中如何表示磁盘地址?
(5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在
同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上?
计算机组成原理 139
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× 5.5=220道，
即 220个圆柱面
(2) 内层磁道周长为 2?R=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=2400转 /60秒 =40转 /秒
Dr=rN=40× 3454B=13816B/s
计算机组成原理 140
(4) 采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录
块 (一个扇区 )，每个记录块记录固定字节数目的信息，
在定长记录的数据块中，活动头磁盘组的编址方式可用
如下格式：
此地址格式表示有 4台磁盘，每台有 16个记录面，每面
有 256个磁道，每道有 16个扇区。
台号 柱面 (磁道 )号 盘面 (磁头 )号 扇区号
17 16 15 8 7 4 3 0
(5) 如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一
个柱面上，因为不需要重新找道，数据读 /写速度快。
计算机组成原理 141
光盘存储设备
类型, 只读型,Worm型、可擦写型。
(1) 只读型
? 凹坑 ——信息记录载体，压制形成，边界代表 1，平面代
表 0
? 光道 ——螺旋形，恒线速
? 通道码 ——14位 (2,10)RLL编码，代表 8位数据
? 帧 ——记录 24字节有效数据,CIRC编码，共 32字节
? 扇区 ——98个帧,2352字节有效数据,2048字节用户数据 1 0 0 0 0 00 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0
凹坑
铝泊
密封
层
基片
记录数
据
计算机组成原理 142
光盘的数据结构
(a) 帧的结构
(b) 扇区的结构
ECC数据ID同步
同步 子码 P 校验数据Q 校验数据
288B412
44 121213
2048
? (2) WORM型
? 强激光烧灼出凹坑
? (3) 可擦写型
? 相变型：晶态与非晶态转换
? 磁光型：激光与磁场调制记录，克尔效应读取
