計算機外圍設(shè)備張鈞良

編著清華大學(xué)出版社高等學(xué)校教材·計算機應(yīng)用總

目

錄第1章

計算機外圍設(shè)備概述第2章

輸入設(shè)備第3章

輸出設(shè)備第4章

外存儲設(shè)備第5章

多媒體設(shè)備第6章

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備第7章

其他設(shè)備上一頁第1章

計算機外圍設(shè)備概述上一頁1.1

什么是計算機外圍設(shè)備外圍設(shè)備的分類外圍設(shè)備的作用外圍設(shè)備與計算機的連接外圍設(shè)備的發(fā)展方向本章小結(jié)習(xí)題1目

錄外圍設(shè)備是計算機系統(tǒng)不可缺少的組成部分，用戶在使用計算機系統(tǒng)時，接觸最多的是外圍設(shè)備。外圍設(shè)備是計算機和外部世界聯(lián)系的橋梁。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用的擴大，計算機系統(tǒng)要求外圍設(shè)備的種類越來越多。本章先介紹涉及外圍設(shè)備的有關(guān)概念。上一頁外圍設(shè)備（peripheraldevice）過去常稱外部設(shè)備（externaldevice）。在計算機硬件系統(tǒng)中，外圍設(shè)備是相對于計算機主機來說的，凡在計算機主機處理數(shù)據(jù)前后，把數(shù)據(jù)輸入計算機主機、對數(shù)據(jù)進

入加工處理及輸出處理結(jié)果的設(shè)備都稱為外圍設(shè)備，而不管它們是否受中央處理器的直接控制。一般說

來，外圍設(shè)備是為計算機和它的外部環(huán)境提供通信

手段的設(shè)備。因此，除了計算機主機以外的設(shè)備原

則上都叫外圍設(shè)備。外圍設(shè)備一般由媒體、設(shè)備和

設(shè)備控制器組成。1.1

什么是計算機外圍設(shè)備上一頁一套完整的計算機系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)包括輸入/輸出接口和外圍設(shè)備。1.1

什么是計算機外圍設(shè)備上一頁圖1-1計算機系統(tǒng)的組成上一頁外圍設(shè)備除

了輸入/輸出設(shè)備外，還應(yīng)包

括外存儲器設(shè)

備、多媒體設(shè)

備、網(wǎng)絡(luò)通信

設(shè)備和外圍設(shè)

備處理機等等。外圍設(shè)備分類

見右圖。1.2

外圍設(shè)備的分類上一頁⒈輸入設(shè)備輸入設(shè)備是人和計算機的最重要的接口，它的功能是把原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序、命令通過輸入接口輸入到計算機中。因此，凡是能把程序、數(shù)據(jù)和命令送入計算機進行處理的設(shè)備都是輸入設(shè)備。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(zhuǎn)換為二進制編碼，才能為計算機所利用，因此不同輸入設(shè)備在工作原理、工作速度上相差很大。這是我們需要特別注意的。輸入設(shè)備包括字符輸入設(shè)備（如鍵盤、條形碼閱讀器、磁卡機）、圖形輸入設(shè)備（如鼠標(biāo)器、圖形數(shù)字化儀、操縱桿）、圖像輸入設(shè)備（如掃描儀、傳真機、攝像機）、模擬量輸入設(shè)備（如模-數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器、話筒等）。上一頁⒉輸出設(shè)備輸出設(shè)備同樣是十分重要的人機接口，它的功能

是用來輸出人們所需要的計算機的處理結(jié)果。輸出

的形式，可以是數(shù)字、字母、表格、圖形、圖像等。最常用的輸出設(shè)備是各種類型的顯示器、打印機和

繪圖儀，以及X-Y記錄儀、數(shù)－模(D/A)轉(zhuǎn)換器、縮微膠卷膠片輸出設(shè)備等。上一頁⒊外存儲器設(shè)備外存儲器用來存儲大量的暫時不參加運算或處理的數(shù)據(jù)和程序,因而允許速度較慢。一旦需要，可成批地與內(nèi)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(fù)使用。外存按存儲介質(zhì)可分為磁表面存儲器和光存儲器?，F(xiàn)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(shè)備已經(jīng)在微機上普及使用。目前，可移動磁盤已開始在微機系統(tǒng)中使用，為用戶提供了很大的方便。上一頁⒋多媒體設(shè)備現(xiàn)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(chǎn)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(shè)備就應(yīng)運而生。多媒體設(shè)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?，F(xiàn)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(shè)備。多媒體計算機必須配置的基本多媒體設(shè)備，除已列在外存儲器中的CD-ROM或DVD-ROM外，還應(yīng)有調(diào)制解調(diào)器(modem)、聲卡和視頻卡。其他多媒體設(shè)備還有數(shù)字相機、數(shù)字?jǐn)z像機、MIDI樂器等。上一頁⒌網(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備21世紀(jì)人類將進入信息社會。從20世紀(jì)90年代中

期開始，世界各國都開始努力進行信息化基礎(chǔ)設(shè)施

的建設(shè)。Internet迅速普及，政府上網(wǎng)、企業(yè)上網(wǎng)、學(xué)校上網(wǎng)，…，網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)獲得了前所未有的

大發(fā)展。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和資源共享，要求有專

門的設(shè)備把計算機聯(lián)接起來，實現(xiàn)這種功能的設(shè)備

就是網(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備。目前的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備包括調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)卡，以及中繼器、集線器、網(wǎng)橋、路由器、網(wǎng)關(guān)等。上一頁⒍輸入輸出處理機輸入輸出處理機通常稱作外圍處理機（PeripheralProcessorUnit，PPU），用于分布式計算機系統(tǒng)中。這種外圍處理機的結(jié)構(gòu)接近一般的處理機，甚至就是一臺小型通用計算機。主要用來完成計算機系統(tǒng)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(shù)據(jù)塊的檢錯、糾錯等。但它不是獨立于主機工作，是主機的一個部件。上一頁外圍設(shè)備的作用歸納起來有以下幾方面：⑴提供人-機對話。⑵完成數(shù)據(jù)媒體的變換。⑶存儲系統(tǒng)軟件和大型應(yīng)用軟件。⑷為各類計算機應(yīng)用領(lǐng)域提供應(yīng)用手段。從數(shù)據(jù)輸入輸出的角度看，磁盤機(硬盤和軟盤)和磁帶機也可以被看作輸入/輸出設(shè)備。當(dāng)從磁盤或磁帶讀取文件時，它們是輸入設(shè)備，當(dāng)向磁盤或磁帶保存文件時，它們是輸出設(shè)備。1.3

外圍設(shè)備的作用上一頁計算機系統(tǒng)所配置的外圍設(shè)備種類繁多，數(shù)量不同，它們不僅在工作速度上與CPU相差很大，而且

在數(shù)據(jù)表示的形式上與計算機主機內(nèi)部的形式不一樣。因此，要實現(xiàn)外圍設(shè)備與計算機的連接和信息交換，充分發(fā)揮計算機的效率，除了了解外圍設(shè)備與計算機的連接接口外，由于外圍設(shè)備與計算機在工作速度和數(shù)據(jù)表示形式上的不同外，還應(yīng)了解它們傳送信息的種類、傳送控制方式和傳送方法。在此基礎(chǔ)上，才能確定它們的連接方式。1.4

外圍設(shè)備與計算機的連接上一頁外圍設(shè)備與中央處理器之間傳送的信息種類有：設(shè)備地址信息、數(shù)據(jù)信息、設(shè)備狀態(tài)信息和控制信息。這里是指某一設(shè)備上的數(shù)據(jù)交換，設(shè)備當(dāng)前的操作狀態(tài)，以及中央處理器對外圍設(shè)備的控制操作命令等。數(shù)據(jù)傳送的控制方式有同步和異步兩種。同步傳送是指各外圍設(shè)備都在統(tǒng)一的節(jié)拍下進行數(shù)據(jù)傳送，異步傳送則根據(jù)回答信號決定傳送周期。對傳送時間短于一個節(jié)拍的同步傳送，這是一種浪費；而后者卻能充分地利用I/O通道上的工作時間。1.4.1

外圍設(shè)備與中央處理器之間的信息傳送上一頁1.4.1

外圍設(shè)備與中央處理器之間的信息傳送（續(xù)）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(jīng)常處于等待狀態(tài)，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，但一些高速外圍設(shè)備在與計算機交換數(shù)據(jù)時，常常會因中斷次數(shù)過于頻繁，致使計算機的效率仍然不高。上一頁1.4.1

外圍設(shè)備與中央處理器之間的信息傳送（續(xù)）以存儲器為中心的計算機硬件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳送方式是直接存儲器傳送（DMA）方式，實行外圍設(shè)備與內(nèi)存儲器直接進行數(shù)據(jù)交換。這種數(shù)據(jù)傳送方式是由一個DMA控制器從CPU處接管對總線的控制權(quán)，指揮外圍設(shè)備（如硬盤）與內(nèi)存儲器之間直接進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸結(jié)束后，再把總線控制權(quán)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(tǒng)的負(fù)擔(dān)，將管理和控

制I/O操作和數(shù)據(jù)交換的功能從中央處理機獨立出來，即可組成I/O處理機。上一頁1.4.1外圍設(shè)備與中央處理器之間的信息傳送（續(xù)）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，但它只是面向外圍設(shè)備控制和數(shù)據(jù)交換的指令系統(tǒng)，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(xiàn)。外部處理機實際上是一臺獨立的作為管理和控制系統(tǒng)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。上一頁一般采用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(yīng)的控制邏輯電路和信息通道來實現(xiàn)。外圍設(shè)備與計算機連接的一般模式如下圖所示。1.4.1

外圍設(shè)備與中央處理器之間的信息傳送（續(xù)）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上一頁為了各種設(shè)備與計算機之間的連接和信息交換，必須要配備設(shè)備控制器。設(shè)備控制器是控制該設(shè)備進行操作的控制部件，它接受中央處理器通過接口傳送來的各種信息，并按設(shè)備的不同要求把這些信息傳送到設(shè)備或從設(shè)備讀出信息傳送到接口。因為不同設(shè)備有不同的要求，所以要求各種專門的設(shè)備控制器與之配合。為了保證程序查詢傳送、程序中斷傳送、直接存儲器傳送和I/O處理機傳送的實現(xiàn)，在中央處理器中要設(shè)置相應(yīng)的指令和I/O控制邏輯電路以及傳送信息的通路。通常把它們做成標(biāo)準(zhǔn)部件，稱為中央處理器的標(biāo)準(zhǔn)接口，不同的傳送方法要求有不同的標(biāo)準(zhǔn)接口。1.4.1

外圍設(shè)備與中央處理器之間的信息傳送（續(xù)）上一頁設(shè)計設(shè)備控制器時，主要考慮該設(shè)備的特點和要求，但一般不考慮中央處理器標(biāo)準(zhǔn)接口的要求，而中央處理器的標(biāo)準(zhǔn)接口也不可能考慮到每一種連接設(shè)備的特殊要求。因此，某

一類型設(shè)備與中央處理器某一類型標(biāo)準(zhǔn)接口連接時，還必須在其中設(shè)置一個起連接作用的控制電路，這就是接口控制器。當(dāng)中央處理器的標(biāo)準(zhǔn)接口連接各種不同類型的設(shè)備時，只要在每個設(shè)備的設(shè)備控制器上選配與此設(shè)備相適應(yīng)的接口控制器，就可以使這些設(shè)備與同一種標(biāo)準(zhǔn)接口連接起來。根據(jù)上述原理，外圍設(shè)備與計算機連接時，應(yīng)在設(shè)備與中央處理器之間配置設(shè)備控制器和接口控制器。1.4.1

外圍設(shè)備與中央處理器之間的信息傳送（續(xù)）上一頁主機與外圍設(shè)備之間是通過“接口”來交換信息的，每一臺外圍設(shè)備都有各自的接口，所謂“接口”，也稱適配器（adapter）、設(shè)備控制卡（devicecontrol

card），或輸入輸出控制器。下圖為主機與外圍設(shè)備連接的一般原理圖。從圖中可以看出，主機（包括CPU、內(nèi)存的RAM和ROM）是通過總線與外設(shè)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

外圍設(shè)備與PC機連接的接口上一頁圖1-4主機與外圍設(shè)備連接的一般原理圖上一頁⒈外設(shè)接口的基本功能盡管不同外設(shè)的接口的組成及任務(wù)各不相同，但它們要實現(xiàn)的基本功能大致相同。一般說，任何外設(shè)的接口都必須具有下列基本功能：⑴實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖。在外設(shè)的接口中，一般都設(shè)置若干各數(shù)據(jù)緩沖寄存器，在主機與外設(shè)交換數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)暫存在該緩沖寄存器中，然后再輸出到外

圍設(shè)備或輸入到主機中去。⑵記錄外設(shè)的工作狀態(tài)。在設(shè)備的接口中必須有記錄該設(shè)備工作狀態(tài)的狀態(tài)寄存器。外設(shè)的狀態(tài)一般設(shè)“空閑”、“忙”、“就緒”三種。上一頁⑶能夠接收主機發(fā)來的各種控制信號，以實現(xiàn)對該設(shè)備的控制操作。為此，在設(shè)備中應(yīng)設(shè)置設(shè)備控制寄存器，用以存儲主機發(fā)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圍設(shè)備。一臺計算機所連接的外圍設(shè)備可能很多，每臺設(shè)備各有自己的設(shè)備號，也稱設(shè)備地址。主機就是通過發(fā)送設(shè)備地址來選擇設(shè)備的。因此，在接口中有識別該設(shè)備地址的設(shè)備譯碼器。⑸實現(xiàn)主機與外設(shè)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(xiàn)這些控制功能的控制邏輯電路。上一頁⒉外設(shè)接口的工作過程（以打印機打印輸出為例，來說明外設(shè)接口的工作過程。）⑴主機通過地址總線向接口發(fā)送設(shè)備號，經(jīng)設(shè)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(tài)寄存器的狀態(tài)，以判斷打印機所處的工作狀態(tài)。若測得打印機處于“忙”狀態(tài)，則表明打印機正在執(zhí)行一個打印任務(wù)，不能接收新的打印任務(wù)，直

到正在執(zhí)行的打印任務(wù)結(jié)束，打印機就轉(zhuǎn)到“就緒”狀態(tài)。若測得打印機處于“就緒”狀態(tài)，則表明打

印機前一個打印任務(wù)已完成，可以接收新的打印任

務(wù)。上一頁若測得打印機處于“空閑”狀態(tài)，則表明打印機尚未啟動，這時需要主機啟動打印機，使打印機處于

“就緒”狀態(tài)，才能接收新的打印任務(wù)。⑶當(dāng)確定打印機可以接收新的打印任務(wù)后，主機通過數(shù)據(jù)總線向打印機接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器發(fā)送要打印的數(shù)據(jù)。⑷主機向接口的控制寄存器發(fā)送控制字，通過控制邏輯電路發(fā)出打印輸出所需要的控制命令。在該控制命令的控制下，驅(qū)動打印機把數(shù)據(jù)緩沖寄存器中的內(nèi)容打印在紙上。在打印過程中，打印機轉(zhuǎn)入

“忙”狀態(tài)，直到打印任務(wù)結(jié)束，再轉(zhuǎn)入“就緒”狀態(tài)。上一頁各種外圍設(shè)備只有與計算機連接上才能發(fā)揮作用，連接必須通過接插口，目前PC機上的接插口主要有以下7種。COM接插口PS/2接插口LPT接插口USB接插口IEEE

1394接插口MIDI接插口SCSI接插口上一頁1.4.3

外圍設(shè)備與計算機連接的接插口形式當(dāng)前，外圍設(shè)備發(fā)展的方向可以歸納為：大型高性能、和小型、微型的高可靠性、易維護、低價格相結(jié)合，電子化和智能化相結(jié)合，多種技術(shù)并存。⒈大型高性能、和小型、微型的高可靠性、易維護、低價格。⒉電子化和智能化盡量減少外圍設(shè)備中機械部件的比重，采用伺服電機和大規(guī)模超大規(guī)模集成電路器件代替，使結(jié)構(gòu)簡化。外圍設(shè)備的控制采用微處理器、單片機和專用大規(guī)模集成電路器件，使外圍設(shè)備具有處理機的功能。這樣不僅使外圍設(shè)備的體積縮小，增強了功能，提高了可靠性，而且降低了成本。⒊多種技術(shù)并存1.5

外圍設(shè)備的發(fā)展方向上一頁本章小結(jié)本章概括的介紹了計算機外圍設(shè)備的概況，什么是外圍設(shè)備，外圍設(shè)備的分類，功能及作用等，同時簡要地敘述了外圍設(shè)備與中央處理器之間信息傳送的方式和外圍設(shè)備與計算機連接的接口形式，最后介紹了外圍設(shè)備的發(fā)展趨勢和方向。這些概念是需要同學(xué)們開始學(xué)習(xí)本課程就建立起來的。本章主要是知識性的介紹，沒有太難的知識點。比較起來，外圍設(shè)備與中央處理器之間的信息傳送應(yīng)該是個難點，數(shù)據(jù)傳送的控制方式有同步和異步兩種。學(xué)習(xí)本課程之前，應(yīng)該先修《計算機組成原理》、《計算機接口技術(shù)》，那么，數(shù)據(jù)傳送控制方式應(yīng)該是已經(jīng)學(xué)過的知識。上一頁第

1

章結(jié)束The

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