计算机外围设备的分类与作用.docx

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计算机外围设备的分类与作用

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第1章计算机外围设备概述

外围设备是计算机系统不可缺少的组成部分，用户使用计算机时，接触最多的是外围设备。

外围设备是计算机和外部世界之间联系的桥梁。

随着计算机技术的飞速发展和应用领域的扩展，计算机系统需要的外围设备的种类越来越多。

本章先介绍外围设备的有关概念。

1.1什么是计算机外围设备

一套完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。

计算机的硬件系统是指组成一台计算机的各种物理装置,由主机和输入/输出子系统组成。

计算机主机包括中央处理器、存储器和附属线路，输入/输出子系统包括输入/输出接口和外围设备。

计算机系统的组成如图1-1所示。

图1-1计算机系统的组成

什么是外围设备？

外围设备（peripheraldevice）过去常称作外部设备（externaldevice）。

在计算机硬件系统中，外围设备是相对于计算机主机来说的。

凡在计算机主机处理数据前后，负责把数据输入计算机主机、对数据进行加工处理及输出处理结果的设备都称为外围设备，而不管它们是否受中央处理器的直接控制。

一般说来，外围设备是为计算机及其外部环境提供通信手段的设备。

因此，除计算机主机以外的设备原则上都叫外围设备。

外围设备一般由媒体、设备和设备控制器组成。

1.2外围设备的分类

外围设备的种类很多，一般按照对数据的处理功能进行分类。

输入/输出设备属于外围设备，但外围设备除输入/输出设备外，还应包括外存储器设备、多媒体设备、网络通信设备和外围设备处理机等等。

外围设备的分类见图1-2。

⒈输入设备

输入设备是人和计算机之间最重要的接口，它的功能是把原始数据和处理这些数据的程序、命令通过输入接口输入到计算机中。

因此，凡是能把程序、数据和命令送入计算机进行处理的设备都是输入设备。

由于需要输入到计算机的信息多种多样，如字符、图形、图像、语音、光线、电流、电压等等，而且各种形式的输入信息都需要转换为二进制编码，才能为计算机所利用，因此，不同输入设备在工作原理、工作速度上相差很大，这是我们需要特别注意的。

输入设备包括字符输入设备（如键盘、条形码阅读器、磁卡机）、图形输入设备（如鼠标、图形数字化仪、操纵杆）、图像输入设备（如扫描仪、传真机、摄像机）、模拟量输入设备（如模-数转换器、话筒，模-数转换器也称作A/D转换器）。

图1-2计算机外围设备的分类

⒉输出设备

输出设备同样是十分重要的人机接口，它的功能是用来输出人们所需要的计算机的处理结果。

输出的形式可以是数字、字母、表格、图形、图像等。

最常用的输出设备是各种类型的显示器、打印机和绘图仪，以及X-Y记录仪、数-模（D/A）转换器、缩微胶卷胶片输出设备等。

⒊外存储器设备

在计算机系统中除了计算机主机中的内存储器（包括主存和高速缓冲存储器）外，还应有外存储器，简称“外存”。

外存储器用来存储大量的暂时不参加运算或处理的数据和程序,因而允许较慢的处理速度。

在需要时，它可以成批地与内存交换信息。

它是主存储器的后备和补充，因此称它为“辅助存储器”。

外存的特点是存储容量大、可靠性高、价格低,在脱机情况下可以永久地保存信息，进行重复使用。

外存按存储介质可分为磁表面存储器和光存储器。

现在人们使用的磁表面存储器主要是磁盘和磁带。

微机上使用的主要是硬磁盘存储器和软磁盘存储器。

光盘存储器作为一种新型的信息存储设备已经在微机上普及。

目前，可移动磁盘也开始在微机系统中使用，为用户提供了很大的方便。

⒋多媒体设备

现代社会是信息爆炸的时代，文字、图形、图像、语音等各种信息大量产生，人类要利用各种各样的信息，要求计算机能够处理各种不同形式的信息，多媒体设备就应运而生。

多媒体设备的功能是使计算机能够直接接收、存储、处理各种形式的多媒体信息。

现在市场上出售的微型计算机（PC机）几乎都是多媒体计算机。

多媒体计算机必须配置的基本多媒体设备，除已列在外存储器中的CD-ROM或DVD-ROM外，还应有调制解调器（MODEM）、声卡和视频卡。

其他多媒体设备包括数码相机、数码摄像机、MIDI乐器等。

多媒体技术是一门迅速发展的新兴技术，新的多媒体设备在不断产生，各种多媒体技术标准正在逐步建立。

各种已有的多媒体设备的性能和技术指标也在不断的改进和提高，本书仅对现有的主要多媒体产品进行介绍。

⒌网络与通信设备

21世纪人类将进入信息社会。

从20世纪90年代中期开始，世界各国都开始努力进行信息化基础设施的建设。

Internet迅速普及，政府上网、企业上网、学校上网，…，网络和通信技术获得了前所未有的大发展。

为了实现数据通信和资源共享，需要有专门的设备把计算机连接起来，实现这种功能的设备就是网络与通信设备。

目前的网络通信设备包括调制解调器、网卡以及中继器、集线器、网桥、路由器、网关等。

⒍输入输出处理机

输入输出处理机通常称作外围处理机（PeripheralProcessorUnit，PPU），用于分布式计算机系统中。

外围处理机的结构接近一般的处理机，甚至就是一台小型通用计算机。

它主要负责计算机系统的输入/输出通道所要完成的I/O控制，还可进行码制变换、格式处理、数据块的检错、纠错等。

但它不是独立于主机工作，而是主机的一个部件。

1.3外围设备的作用

在计算机系统中，外围设备的作用显然非常重要。

一台普通的微机系统中，外围设备的价格已经远远超过主机的价格。

外围设备的作用归纳起来有以下几方面。

⑴提供人机对话

人操作计算机，必须要进行人机对话，程序需要输入计算机，程序运行中所需要的数据也要输入计算机，操作者要了解程序运行的情况，以便随时对出现的异常情况进行干预和处理，计算机系统要把处理结果以操作者需要的方式输出，这些都要通过外围设备来实现。

不少输入/输出设备，如键盘、显示器、软盘驱动器、打印机等就是提供这种手段的设备。

⑵完成数据媒体的变换

人类习惯于用字符、图形或图像来表示信息，而计算机工作使用以电信号表示的二进制代码。

因此，在人机信息交换中输入数据时，必须先将各种数据变换为计算机能够识别的二进制代码，机器才能处理；同样，输出时，计算机的处理结果必须变换成人们熟悉的表示形式。

这两类变换也要通过外围设备来完成。

⑶存储系统软件和大型应用软件

随着计算机功能的增强，系统软件的规模和处理的信息量都越来越大，大型应用软件的存储量也非常大，不可能把它们都放入内存。

于是，以磁盘存储器为代表的外存储器就成为存储系统软件、大型应用软件和各种信息的设备。

在微机系统中，硬磁盘存储器和软磁盘存储器成为标准配置。

而是否配置磁盘存储器和磁盘操作系统也成为衡量一个计算机系统工作效率的重要标志。

⑷为各类计算机应用领域提供应用手段

计算机的应用领域早已超出数值计算，现已扩大到文字、表格、图形、图像和声音等非数值的处理，出现了许多新型的外围设备。

例如，在工程领域的计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD/CAM）方面，有图形数字化仪、绘图机、带光笔或鼠标器的字符图形显示终端等；在办公自动化方面，有智能复印机、文字图形传真机、汉字终端和各种击打式/非击打式打印机等；在商业、银行、民航、铁路、图书馆等流通领域，多采用磁卡或条形码阅读机等输入设备；在过程控制领域，有各种A/D和D/A转换设备；在大地测量、气象预报和卫星侦察领域，已应用了各种图像处理设备；在医疗部门，有智能监护设备，并普遍采用计算机断层扫描设备来获得清晰的图像；在利用网络资源时，要配置调制解调器、网卡、音频设备和视频设备等等。

由此可见，无论哪一个领域，都是由于有了相应的外围设备作为数据的输入输出的桥梁，才使计算机获得广泛的应用。

从数据输入输出的角度看，磁盘（硬盘和软盘）和磁带也可以被看作输入/输出设备。

当从磁盘或磁带读取文件时，它们是输入设备，当向磁盘或磁带保存文件时，它们是输出设备。

1.4外围设备与计算机的连接

计算机系统所配置的外围设备种类繁多，它们不仅在工作速度上与CPU相差很大，而且在数据表示形式上与计算机主机内部的形式不一样。

因此，要实现外围设备与计算机的连接和信息交换，充分发挥计算机的效率，除了了解外围设备与计算机的连接接口、外围设备与计算机在工作速度和数据表示形式上的不同外，还应了解它们传输信息的种类、传输控制方式和传输方法。

在此基础上，才能确定它们的连接方式。

下面简要介绍外围设备与计算机的连接。

1.4.1外围设备与中央处理器之间的信息传输

外围设备与中央处理器之间传输的信息种类有设备地址信息、数据信息、设备状态信息和控制信息。

这里具体指某一设备上的数据交换，设备当前的操作状态，以及中央处理器对外围设备的控制操作命令等。

数据传输的控制方式有同步和异步两种。

同步传输是指各外围设备都在统一的节拍下进行数据传输，异步传输则根据回答信号决定传输周期。

如果传输时间短于一个节拍，同步传输是一种浪费；而异步传输能充分地利用I/O通道上的工作时间。

传输的方式有程序查询传输、程序中断传输、直接存储器传输和I/O处理机传输。

早期的计算机以运算器控制器（简称运控）为中心，传输方式是程序查询传输和程序中断传输。

程序查询传输使计算机经常处于等待状态，计算机使用的效率极低，程序中断传输虽然解决了计算机等待浪费时间的问题，但一些高速外围设备在与计算机交换数据时，常常中断次数过于频繁，导致计算机的效率不高。

以存储器为中心的计算机硬件结构，实现的数据传输方式是直接存储器访问（DirectMemoryAccess，DMA）方式，外围设备与内存储器直接进行数据交换。

这种数据传输方式是由一个DMA控制器从中央处理器处接管对总线的控制权，指挥外围设备（如硬盘）与内存储器之间直接进行数据传输，传输结束后，再把总线控制权交还给CPU，这就简化了CPU对I/O的控制。

为了进一步减轻I/O操作给中央处理器带来的负担，将管理I/O操作和数据交换的功能从中央处理器中分离出来，即可组成I/O处理机。

I/O处理机又可分为通道方式和外部处理机方式。

通道具有处理机的特征，但它只是面向外围设备控制和数据交换的指令系统，而输入输出过程中的前处理和后处理仍由中央处理器来实现。

外部处理机实际上是一台独立的作为管理和控制系统的专用计算机，它具有通道的功能，还能完成码制变换、检错纠错和格式变换等操作及运算，这样，计算机的运行效率就大为提高。

在小型机和微型机中，多采用程序查询传输、程序中断传输和直接存储器访问方式；而在大型机、中型机和高档小型机中一般采用I/O处理机传输方式。

无论采用哪一种控制方式和传输方式，都需要相应的控制逻辑电路和信息通道来实现。

外围设备与计算机连接的一般模式如图1-3所示。

图1-3外围设备与计算机连接的一般模式

为了实现各种设备与计算机之间的连接和信息交换，必须要配备设备控制器。

设备控制器是控制该设备进行操作的控制部件，它接收中央处理器通过接口传输来的各种信息，并按设备的不同要求把这些信息传给设备或从设备读出信息传输到接口。

因为不同设备有不同的要求，所以要求各种专门的设备控制器与之配合。

为了保证程序查询传输、程序中断传输、直接存储器访问和I/O处理机传输的实现，在中央处理器中要设置相应的指令、I/O控制逻辑电路以及传送信息的通道。

通常把它们做成标准部件，称为中央处理器的标准接口，不同的传输方法要求有不同的标准接口（见1.4.2小节）。

设计设备控制器时，主要考虑该设备的特点和要求，但一般不考虑中央处理器标准接口的要求，而该标准接口也不可能考虑到每一种连接设备的特殊要求。

因此，某一类型设备与中央处理器某一类型的标准接口连接时，必须在其中设置一个起连接作用的控制电路，这就是接口控制器。

当中央处理器的标准接口连接不同类型的设备时，只要在每个设备的设备控制器上选配与此设备相适应的接口控制器，就可以使这些设备与同一种标准接口连接起来。

根据上述原理，外围设备与计算机连接时，应在设备与中央处理器之间配置设备控制器和接口控制器。

在不同的计算机系统中，I/O控制有的与中央处理器结合成一体，有的与设备结合成一体，但对大、中型计算机系统，它们一般是各自独立的实体。

1.4.2外围设备与PC机连接的接口

主机与外围设备之间是通过接口来交换信息的，每一台外围设备都有各自的接口。

“接口”，也称适配器（adapter）、设备控制卡（devicecontrolcard），或输入输出控制器。

图1-4为主机与外围设备连接的一般原理图。

从图中可以看出，主机（包括CPU、内存的RAM和ROM）是通过总线与外设接口相连接的。

通过这个原理图可以分析接口的基本功能和工作过程。

图1-4主机与外围设备连接的一般原理图

⒈外设接口的基本功能

尽管不同外设接口的组成及任务各不相同，但它们要实现的基本功能大致相同。

一般说来，任何外设的接口都必须具有下列基本功能：

⑴实现数据缓冲。

因为主机传输数据的速度要远远快于外设，两者之间的速度不匹配。

为了尽量减少这种速度之间的不匹配，在外设的接口中，一般都设置若干个数据缓冲寄存器，在主机与外设交换数据时，先将数据暂存在该缓冲寄存器中，然后再输出到外围设备或输入到主机中。

⑵记录外设的工作状态。

主机是根据外设的工作状态来管理外设的，因此在设备的接口中必须有记录该设备工作状态的状态寄存器。

外设的状态一般设为“空闲”、“忙”、“就绪”三种之一。

⑶能够接收主机发来的各种控制信号，以实现对该设备的控制操作。

为此，在设备中应设置设备控制寄存器，用以存储主机发送来的控制信号。

⑷能够判断主机是否选中本接口及本接口所连接的外围设备。

一台计算机所连接的外围设备可能很多，例如键盘、鼠标、显示器、打印机、音箱等等。

每台设备有各自的设备号，也称设备地址。

主机就是通过发送设备地址来标识设备。

因此，在接口中有识别设备地址的设备译码器。

⑸实现主机与外设之间的通信控制，包括同步控制、中断控制等。

为此，在接口中必须包含实现这些控制功能的控制逻辑电路。

⒉外设接口的工作过程

下面以打印机打印输出为例，来说明外设接口的工作过程。

当需要打印一篇文稿时，发出打印命令，这时主机控制打印机输出数据，大致分以下几步：

⑴主机通过地址总线向接口发送设备号，经设备译码器译码，选中该打印机接口（其他外设接口因设备号不匹配，不会被选中）。

⑵主机测试打印机接口状态寄存器的状态，以判断打印机所处的工作状态。

·若测得打印机处于“忙”状态，则表明打印机正在执行一个打印任务，不能接收新的打印任务，直到正在执行的打印任务结束，打印机将转到“就绪”状态。

·若测得打印机处于“就绪”状态，则表明打印机前一个打印任务已完成，可以接收新的打印任务。

·若测得打印机处于“空闲”状态，则表明打印机尚未启动，这时需要主机启动打印机，使打印机处于“就绪”状态，才能接收新的打印任务。

⑶当确定打印机可以接收新的打印任务后，主机通过数据总线向打印机接口的数据缓冲寄存器发送要打印的数据。

⑷主机向接口的控制寄存器发送控制字，通过控制逻辑电路发出打印输出所需要的控制命令。

在该控制命令的控制下，打印机把数据缓冲寄存器中的内容打印在纸上。

在打印过程中，打印机处于“忙”状态，直到打印任务结束，再转入“就绪”状态。

以上工作过程都是在一定的输入输出控制方式下，通过执行程序来完成的。

1.4.3外围设备与计算机连接的接插口形式

各种外围设备只有与计算机连接上才能发挥作用，连接必须通过接插口，目前PC机上的接插口主要有以下7种。

⒈COM接插口

目前大多数主板都提供了两个COM接插口，分别为COM1和COM2，如图1-5所示。

作用是连接串行鼠标和外置调制解调器等设备。

COM1口的I/O地址是03F8h-03FFh，中断号是IRQ4；COM2口的I/O地址是02F8h-02FFh，中断号是IRQ3。

可见COM2口的响应与COM1口相比具有优先权。

在早期的PC中基本都采用COM口的鼠标，但随着PS/2和USB接插口的盛行，COM口的作用受到了前所未有的挑战。

图1-5COM接插口

⒉PS/2接插口

PS/2接插口的功能比较单一，仅用于连接键盘和鼠标，一般情况下，鼠标的接插口为绿色，键盘的接插口为紫色。

PS/2接口的传输速率比COM接口稍快一些，是目前应用最为广泛的接口之一。

PS/2接插口如图1-6所示。

图1-6PS接插口，上为鼠标接插口，下为键盘接插口

⒊LPT接插口

LPT接口就是并行接口，如图1-7所示。

一般用来连接打印机或扫描仪。

其默认的中断号是IRQ7，采用25脚的DB-25接头。

这种接口的工作模式主要有以下三种：

⑴SPP标准工作模式

SPP是半双工单向传输模式，传输速率较慢，仅为15KB/s，但应用较为广泛，一般作为默认的工作模式。

⑵EPP增强型工作模式

EPP采用双向半双工数据传输，其传输速度比SPP高很多，可达2MB/s，目前已有不少外设使用此工作模式。

⑶ECP扩充型工作模式

ECP采用双向全双工数据传输，传输速率比EPP还要高一些，但支持此模式的设备较少。

图1-7打印机接插口只有一个

⒋USB接插口

USB接插口如图1-8所示，USB接口是现在最流行的接口，一个USB接口最多可以支持127个外设，并且可以独立供电，应用非常广泛。

USB接口可以从主板上获得500mA的电流，支持热拔插，真正做到了“即插即用”。

一个USB接口可同时支持高速和低速USB外设的访问，由一条4芯电缆相连接，其中两条是正负电源，两条是数据传输线。

高速外设的传输速率为12Mbps，低速外设的传输速率为1.5Mbps。

即将推行的USB2.0标准最高传输速率可达480Mbps，非常令人期待。

图1-8主板通常集成两个USB接插口

⒌IEEE1394接插口

IEEE1394接插口如图1-9所示，它的传输速率最高可达400Mbps，因此适合连接高速设备，如数码相机等。

当设备间采用树形或菊花链方式连接时，一个1394接口可同时支持63个外设工作。

一般的1394接口通过一条6芯的电缆与外设连接，也有的用4芯电缆。

6芯电缆和4芯电缆的区别在于，6芯电缆是随机提供电源，而4芯电缆不提供电源。

该接口是未来的一个发展方向，目前已有部分设备加入了对它的支持，但价格较为昂贵，不具有很高的购买价值。

图1-91394接插口

⒍MIDI接插口

声卡的MIDI接插口和游戏杆接插口是共用的。

接插口中的两个针脚用来传送MIDI信号，可连接各种MIDI设备，如电子键盘等。

对于绝大多数声卡，在连接MIDI设备时需要向声卡的制造商另外购买一条MIDI转接线，包括两个圆形的5针MIDI接插口和一个游戏杆接插口。

由于它们的信号是分离的，所以游戏杆和MIDI设备可以同时使用。

MIDI接插口如图1-10所示。

图1-10MIDI接插口也可用于连接游戏杆

⒎SCSI接插口

SCSI接插口如图1-11所示。

SCSI接口的速度、性能和稳定性都非常出色，但价格也要贵一些，主要面向服务器和工作站市场。

SCSI接口是一种连接主机和外围设备的接口，支持硬盘、光驱、扫描仪等多种设备。

SCSI控制器相当于一块小型CPU，有自己的命令集和缓存，能够完成大部分工作，从而减轻中央处理器的负担（即降低CPU占用率）。

图1-11SCSI卡提供两个SCSI接插口

1.5外围设备的发展方向

进入21世纪，计算机技术的飞速发展，使计算机系统朝着巨（高性能巨型机）、微（微型化的笔记本计算机、手掌机）、网（网络计算机）、智（智能化计算机）、多（多媒体化的各档计算机）的方向发展，这使得计算机的外围设备也要与其相匹配。

当前，外围设备发展的方向可以归纳为：

大型高性能和小型、微型的高可靠性、易维护性、低价格相结合，电子化和智能化相结合，多种技术并存。

⒈大型高性能和小型、微型的高可靠性、易维护性、低价格

目前，运行速度达每秒几千亿次的大型高性能巨型机已经在运行，运行速度为每秒上万亿次的大型高性能巨型机也正在研制中，这些大型高性能的巨型机其内存容量都在几千兆以上，这就要求有大型高性能的外围设备与之相匹配。

因此在巨型机系统中，大容量的磁表面存储器、光存储器和激光打印机等获得了很大的发展。

计算机的微小化是指利用微电子技术和超大规模集成电路技术，把计算机的体积进一步缩小，价格进一步降低，计算机的微小化已成为计算机发展的重要方向。

各种便携式计算机、笔记本式计算机和手掌式计算机的大量面世和使用，是计算机微小化的一个标志。

计算机向微小化发展，要求有微型的外围设备与之配套，所以具有这类特点的外围设备迅速发展起来，如大小为2.5/1.8英寸、容量达几十GB的硬盘驱动器，代替软盘使用的容量为几十到几百MB的U盘（可移动磁盘），小型激光打印机等。

⒉电子化和智能化

要适应上述发展的需要，外围设备正向电子化和智能化的方向发展。

如尽量减少外围设备中机械部件的比重，采用伺服电机和大规模超大规模集成电路器件代替，使结构简化。

外围设备的控制采用微处理器、单片机和专用大规模集成电路器件，使外围设备具有处理机的功能。

这样不仅使外围设备的体积缩小，增强了功能，提高了可靠性，而且降低了成本。

这些在打印机、显示器、磁盘存储器、扫描仪中反映十分明显。

⒊多种技术并存

在外围设备的各个领域中，包括输入/输出设备、外存储器设备和显示终端，到目前为止，还没有哪一种技术能够完全满足各类用户的不同使用需要。

实际上，一种技术无论从技术上还是从成本上将均有长有短，不可能都好。

即使一种完全新的技术也有一个发展过程，不可能立即代替现有技术，同时原有设备也在改进。

因此，各种技术相互竞争，相互弥补，相互促进，并行发展，这是外围设备技术发展的必然趋势，这种趋势，短期内不会停止，从长远来说也不会停止。

如近十年，虽然发展了激光打印机和光盘存储器，但击打式打印机和磁盘仍在使用和发展，而且将在外围设备技术中继续占据着重要的地位。

本章小结

本章概括介绍了计算机外围设备的相关概念，什么是外围设备，有哪些外围设备，外围设备的分类，外围设备的功能及作用等，同时简要地叙述了外围设备与中央处理器之间信息传输的方式以及外围设备与计算机连接的接口形式，最后介绍了外围设备的发展趋势和方向。

这些概念是需要同学们开始学习本课程时就了解的。

本章主要是知识性的介绍，没有太难的知识点。

比较而言，外围设备与中央处理器之间的信息传输算是个难点，数据传输的控制方式有同步和异步两种。

学习本课程之前，应该先修课程《计算机组成原理》《计算机接口技术》，那么数据传输控制方式也是已经学过的知识。

习题1

一、判断题

⒈外围设备一般是不受中央处理器直接控制的。

⒉完整的计算机系统应包括配套的硬件设备和相应的软件系统。

⒊虽然输入设备的形式各种各样，但输入到计算机主机中的信息都是二进制信息。

⒋从数据输入输出的角度看，硬盘存储器和软盘存储器也可以看作输入/输出设备。

⒌在任何外围设备的接口中，一般都设置若干个数据缓冲寄存器以实现数据缓冲。

其目的是使主机和外设两者之间的处理速度尽量匹配。

⒍外围设备向电子化和智能化方向发展的主要标志是尽量减少外围设备中机械部件的比重，采用大规模/