第7章外存儲器介紹

1、外存儲器外儲存器是指除計算機內(nèi)存及CPU緩存以外的儲存器，此類儲存器一般斷電后仍然能保存數(shù)據(jù)。常見的外儲存器有硬盤、軟盤、光盤、U盤等。7.1硬盤驅(qū)動器7.1.1 硬盤的物理結(jié)構(gòu)1、硬盤的外部結(jié)構(gòu)。硬盤的外表見下圖所示:硬盤的外觀從外部看硬盤由下面幾部分組成：接口硬盤接口包括電源插口和數(shù)據(jù)接口兩部分。其中電源插口與主機電源相連，為硬盤工作提供電力保證。數(shù)據(jù)接口則是硬盤和主板上硬盤控制器之間進行數(shù)據(jù)傳輸交換的紐帶。控制電路板硬盤控制電路板采用貼片式元件焊接，包括主軸電機調(diào)速電路、磁頭驅(qū)動與伺服定位電路、讀寫電路、控制與接口電路等。在電路板上還有一塊高效的單片機，在其內(nèi)部ROM中固化的軟件可以進行

2、硬盤的初始化，執(zhí)行加電和啟動主軸電機，加電初始尋道、定位以及故障檢測等在電路板上還安裝有高速緩存芯片，目前通常為16MB，也有32MB緩存的硬盤。固定蓋板固定蓋板實際是硬盤的面板。面板上標(biāo)注有產(chǎn)品的型號、廠家、產(chǎn)地、跳線設(shè)置說明等。安裝螺孔2、硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖7-3硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)硬盤是一個高精密度的機電一體化產(chǎn)品，它由頭盤組件HAD（Head Disk Assembly）和印刷電路板組件PCBA（Printed Circuit Board Assembly）兩大部分構(gòu)成。頭盤組件頭盤組件包括盤體、主軸電機、讀寫磁頭、磁頭驅(qū)動電機等部件，它們被密封在一個超凈腔體內(nèi)。硬盤的選頭電路及前置放大電路也

3、密封在里面。印刷電路板組件印刷電路板組件集成了讀寫電路、磁頭驅(qū)動電路、主軸電機驅(qū)動電路、接口電路、數(shù)據(jù)信號放大調(diào)制電路和高速緩存等電子元件。7.1.2 硬盤的工作原理概括地說，硬盤的工作原理是利用特定的磁粒子的極性來記錄數(shù)據(jù)。磁頭在讀取數(shù)據(jù)時，將磁粒子的不同極性轉(zhuǎn)換成不同的電脈沖信號，再利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將這些原始信號變成電腦可以使用的數(shù)據(jù)，寫的操作正好與此相反。另外，硬盤中還有一個存儲緩沖區(qū)，這是為了協(xié)調(diào)硬盤與主機在數(shù)據(jù)處理速度上的差異而設(shè)的。由于硬盤的結(jié)構(gòu)比軟盤復(fù)雜得多，所以它的格式化工作也比軟盤要復(fù)雜，分為低級格式化，硬盤分區(qū)，高級格式化并建立文件管理系統(tǒng)。7.1.3 硬盤的存儲原理及邏輯結(jié)

4、構(gòu)1、硬盤的存儲原理硬盤的盤片制作方法是將磁粉附著在鋁合金（新材料也有改用玻璃）圓形盤片的表面上，這些磁粉被劃分成稱為“磁道”的若干個同心圓。在每個同心圓的磁道上就好象有無數(shù)的任意排列的小磁鐵，它們分別代表著0和1的狀態(tài)。當(dāng)這些小磁鐵受到來自磁頭的磁力影響時，其排列的方向會隨之改變。利用磁頭的磁力來控制指定的一些小磁鐵的方向，使每個小磁鐵都可以用來儲存儲存信息。圓盤片上的小磁鐵越多，能存儲的信息也越多。硬盤的盤體由一個或多個盤片組成，這些盤片重疊在一起放在一個密封的盒中，它們在主軸電機的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)。硬盤的存儲原理示意圖2、硬盤的邏輯結(jié)構(gòu)一個功能正常的硬盤，應(yīng)該包括五個部分：MBR（主引導(dǎo)記

5、錄），DBR（DOS引導(dǎo)記錄），F(xiàn)AT（文件分配表），DIR（根目錄區(qū)），DATA（數(shù)據(jù)區(qū)）。 可以把這五個部分統(tǒng)稱為磁盤的邏輯結(jié)構(gòu)。（1）MBR(master boot record)扇區(qū) MBR位于硬盤的0磁頭0柱面1扇區(qū)，占用1個扇區(qū)大?。?12字節(jié)）， bios在執(zhí)行自己固有的程序以后就會jump到MBR中的第一條指令。將系統(tǒng)的控制權(quán)交由MBR來執(zhí)行。(2) DBR（DOS Boot Record） DBR（磁盤操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄，DOS Boot Record）一般位于硬盤0磁道1柱面1扇區(qū)，是操作系統(tǒng)可以直接訪問的第一個扇區(qū)。(3) FAT（File Allocation Table

6、 )FAT緊接在DBR的后面，是硬盤文件組織的重要組成部分，其大小由其所在分區(qū)的大小以及文件分配單元（Allocation Unit）的大小決定，分配單元也稱為簇（Cluster）。(4) DIR（Directory） DIR緊接在第二文件分配表（FAT2）之后，記錄著根目錄下每個文件（或目錄）的起始單元，以及文件的屬性等。(5) DATA DATA（數(shù)據(jù)區(qū)）是硬盤真正存放數(shù)據(jù)的地方，但如果沒有前面幾個區(qū)域，這部分區(qū)域只是一堆雜亂無章的二進制代碼而已，不能表達任何意義。7.1.4 硬盤的技術(shù)指標(biāo)1、容量（Volume）硬盤的容量由柱面數(shù)、磁頭數(shù)和扇區(qū)數(shù)確定計算公式為：硬盤容量=柱面數(shù)磁頭數(shù)扇區(qū)

7、數(shù)512字節(jié)2、單碟容量影響硬盤容量的因素有單碟容量和碟片數(shù)量，當(dāng)今硬盤朝著薄、小、輕的方向發(fā)展，一般采取增加單碟容量而不是增加碟片數(shù)來增加硬盤容量。3、轉(zhuǎn)速（Rotational speed）硬盤的轉(zhuǎn)速是指硬盤盤片每分鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，單位為RPM（Rotation Per Minute，轉(zhuǎn)/分鐘）。4、平均尋道時間（Average Seek Time）硬盤的平均尋道時間是指硬盤的磁頭從初始位置移動到盤面指定磁道所需的時間，是影響硬盤內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率的重要參數(shù)。5、最大內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率（internal data transfer rate ）它指磁頭至硬盤緩存間的最大數(shù)據(jù)傳輸率，一般取決于硬盤的盤

8、片轉(zhuǎn)速和盤數(shù)據(jù)線密度（指同一磁道上的數(shù)據(jù)間隔度）。 6、外部數(shù)據(jù)傳輸率通常稱突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率（burst data transfer rate），指從硬盤緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的速率。7、緩沖容量（Buffer Size）緩存（Cache）容量，單位為MB。在一些廠商資料中還被寫作Cache Buffer。緩沖區(qū)的基本要作用是平衡內(nèi)部與外部的DTR。為了減少主機的等待時間，硬盤會將讀取的資料先存入緩沖區(qū)，等全部讀完或緩沖區(qū)填滿后再以接口速率快速向主機發(fā)送。8、噪音與溫度（Noise & Temperature）硬盤的噪音主要來源于主軸馬達與音圈馬達。9、接口方式現(xiàn)在常用的硬盤基本都采用的是IDE、S-A

9、TA或SCSI的接口方式。 SCSI為服務(wù)器專用硬盤，PC的硬盤接口一般均為IDE和S-ATA接口，根據(jù)速度的不同分為ATA/33/66/100 /133規(guī)格。 S-ATA 為150/300/600規(guī)格7.1.5 硬盤的主流技術(shù)1、自動檢測分析及報告技術(shù)（S.M.A.R.T）這種技術(shù)可以對硬盤的磁頭單元、盤片電機驅(qū)動系統(tǒng)、硬盤內(nèi)部電路以及盤片表面媒介材料等進行監(jiān)測，它由硬盤的監(jiān)測電路和主機上的監(jiān)測軟件對被監(jiān)測對象的運行情況與歷史記錄及預(yù)設(shè)的安全值進行分析、比較，當(dāng)S.M.A.R.T監(jiān)測并分析出硬盤可能出現(xiàn)問題時會及時向用戶報警以避免電腦數(shù)據(jù)受到損失。2、磁阻磁頭技術(shù)MR(MagnetoResi

10、stive Head)MR技術(shù)可以更高的實際記錄密度、記錄數(shù)據(jù)，從而增加硬盤容量，提高數(shù)據(jù)吞吐率。3、連續(xù)無故障時間（MTBF）指硬盤從開始運行到出現(xiàn)故障的最長時間，單位為小時。4、部分響應(yīng)完全匹配技術(shù)(PRML)它能使盤片存儲更多的信息，同時可以有效地提高數(shù)據(jù)的讀取和數(shù)據(jù)傳輸率。是當(dāng)前應(yīng)用于硬盤數(shù)據(jù)讀取通道中的先進技術(shù)之一。5、超級數(shù)字信號處理器(Ultra DSP)技術(shù)采用Ultra DSP技術(shù)，單個的DSP芯片可以同時提供處理器及驅(qū)動接口的雙重功能，以減少其它電子元件的使用，可大幅度地提高硬盤的速度和可靠性。6、NCQ（Native Command Queuing，全速命令排隊）技術(shù)。是

11、一種使硬盤內(nèi)部優(yōu)化工作負(fù)荷執(zhí)行順序，通過對內(nèi)部隊列中的命令進行重新排序?qū)崿F(xiàn)智能數(shù)據(jù)管理，改善硬盤因機械部件而受到的各種性能制約。7.1.6 固態(tài)硬盤目前主要有兩類：基于閃存的固態(tài)硬盤：采用FLASH芯片作為存儲介質(zhì)。基于DRAM的固態(tài)硬盤：采用DRAM作為存儲介質(zhì)。1、固態(tài)硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)解析固態(tài)硬盤內(nèi)部PCB板和控制芯片、緩存芯片、閃存芯片主控芯片是固態(tài)硬盤的大腦，其作用一是合理調(diào)配數(shù)據(jù)在各個閃存芯片上的負(fù)荷，二則是承擔(dān)了整個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，連接閃存芯片和外部SATA接口。主控芯片旁邊是緩存芯片，固態(tài)硬盤和傳統(tǒng)硬盤一樣需要高速的緩存芯片輔助主控芯片進行數(shù)據(jù)處理。除了主控芯片和緩存芯片以外，PCB板上其

12、余的大部分位置都是NAND Flash閃存芯片了。NAND Flash閃存芯片又分為SLC（單層單元）和MLC（多層單元）NAND閃存：（1）SLC全稱是單層式儲存因為結(jié)構(gòu)簡單，在寫入數(shù)據(jù)時電壓變化的區(qū)間小，所以壽命較長，傳統(tǒng)的SLC NAND閃存可以經(jīng)受10萬次的讀寫。（2）MLC全稱是多層式儲存（Multi Leveled Cell），它采用較高的電壓驅(qū)動，通過不同級別的電壓在一個塊中記錄兩組位信息，這樣就可以將原本SLC的記錄密度理論提升一倍。其最大的特點就是以更高的存儲密度換取更低的存儲成本，從而可以獲得進入更多終端領(lǐng)域的契機。（3）三階儲存單元(Triple-Level Cell,

13、TLC)，這種架構(gòu)的原理與MLC類似，但可以在每個儲存單元內(nèi)儲存3個信息比特。2、固態(tài)硬盤與傳統(tǒng)硬盤優(yōu)劣勢對比固態(tài)硬盤相比傳統(tǒng)機械硬盤有以下優(yōu)勢：（1）存取速度方面：SSD固態(tài)硬盤采用閃存作為存儲介質(zhì)，讀取速度相對機械硬盤更快，而且尋道時間幾乎為0，這樣的特質(zhì)在作為系統(tǒng)盤時候，可以明顯加快操作系統(tǒng)啟動速度和軟件啟動速度。（2）抗震性能方面：SSD固態(tài)硬盤由于完全沒有機械結(jié)構(gòu)，所以不怎么怕震動和沖擊，不用擔(dān)心因為震動造成無可避免的數(shù)據(jù)損失。（3）發(fā)熱功耗方面：SSD固態(tài)硬盤不同于傳統(tǒng)硬盤，不存在盤片的高速旋轉(zhuǎn)，所以發(fā)熱也明顯低于機械硬盤，而且FLASH芯片的功耗極低，這對于筆記本用戶來說，這意味

14、著電池續(xù)航時間的增加。（4）使用噪音方面：SSD固態(tài)硬盤沒有盤體機構(gòu)，不存在磁頭臂尋道的聲音和高速旋轉(zhuǎn)時候的噪音，所以SSD工作時候完全不會產(chǎn)生噪音。固態(tài)硬盤相比傳統(tǒng)機械硬盤有以下劣勢：（1）寫入速度問題： 寫入速度是目前大多數(shù)SSD固態(tài)硬盤產(chǎn)品的瓶頸，尤其是對于小文件的寫入速度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，這和閃存芯片本身的特質(zhì)有關(guān)。（2）使用壽命問題：閃存芯片是有壽命的，其平均工作壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于機械硬盤，這給固態(tài)硬盤作為存儲介質(zhì)帶來了一定的風(fēng)險。（3）性價比問題：目前固態(tài)硬盤的價格還是較為昂貴，折合到每G單價要幾十倍于傳統(tǒng)硬盤，并不是普通消費者能夠承受的。（4）數(shù)據(jù)安全問題。SSD一旦損壞，存儲的數(shù)據(jù)會面臨

15、丟失無法找回的窘境。7.1.7 混合硬盤混合硬盤SSHD，顧名思義，正是SSD+HDD的組合，但它又有別于簡單的SSD與HDD的疊加。是一塊基于傳統(tǒng)機械硬盤誕生出來的新硬盤，除了機械硬盤必備的碟片、馬達、磁頭等等，還內(nèi)置了NAND閃存顆粒，這顆顆粒將用戶經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)進行儲存，可以達到如SSD效果的讀取性能。 希捷 2TB(STCL2000400) SSHD混合硬盤7.1.8 硬盤的選購對于硬盤的選購，我們要考慮個人的需求：（1）在價格同等的情況下盡量選單碟容量大、轉(zhuǎn)速高、緩存大、接口速度快、售后服務(wù)好的產(chǎn)品。盡量選同批產(chǎn)品口碑好的品牌。（2）注意識別水貨與正品。水貨一般無包裝（或很差）、不保

16、修或保修期很短；正品（行貨）一般包裝精致，全國聯(lián)保。（3）不要買到返修及二手盤。如果硬盤表面序列號與包裝盒不一致、價格過低、有劃傷、灰塵等，一定是返修盤或二手舊硬盤，要慎重選購。7.1.9 硬盤安裝需注意的問題在安裝硬盤的過程中要注意以下問題：1、拿硬盤以及安裝硬盤的過程中，要注意硬盤的朝向。2、硬盤在安裝過程中要輕拿輕放，防止由于強烈的震動造成的磁頭或者盤面的損傷。3、要認(rèn)清硬盤的接口，要仔細(xì)檢查接口和連線而不能盲目用力。4、如果是多塊硬盤，要注意硬盤的安裝方式。5、硬盤在連接好，并且通電以后，嚴(yán)禁對機箱或硬盤進行搬動。7.1.10 硬盤的維護及故障分析1、硬盤的日常維護（1）保持電腦工作環(huán)

17、境清潔。（2）養(yǎng)成正確關(guān)機的習(xí)慣。（3）用戶不能自行拆開硬盤蓋。（4）注意防高溫、防潮、防電磁干擾。（6）要定期整理硬盤。（7）注意預(yù)防病毒和特洛依木馬程序。（8）正確拿硬盤的方法。（9）讓硬盤智能休息。（10）輕易不要低格。（11）避免頻繁的高級格式化操作。2、硬盤的故障分析。7.2移動硬盤7.2.1移動硬盤的構(gòu)成移動硬盤主要由外殼、電路板（控制芯片、數(shù)據(jù)和電源接口）和筆記本硬盤三大部分組成。1、外殼硬盤外殼一般是鋁合金或者塑料材質(zhì)，一些廠商在外殼和硬盤之間填充了一些防震材質(zhì)。2、芯片移動硬盤的控制芯片直接關(guān)系到它的讀寫性能。目前控制芯片主要分高、中、低三個檔次。因此，移動硬盤的價格和所采用

18、的控制芯片密切相關(guān)。 移動硬盤的控制芯片3、接口接口就是移動硬盤和PC機連接的數(shù)據(jù)輸入輸出點，通過數(shù)據(jù)線的連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。接口主要有IDE接口、并口、USB接口、E-SATA接口、IEEE1394接口等。4、電源移動硬盤如果供電不足，會導(dǎo)致硬盤查找不到、數(shù)據(jù)傳輸出錯，甚至影響移動硬盤使用壽命。7.2.2移動硬盤的接口1、USB接口USB是目前移動硬盤盒的主流接口方式，也是目前幾乎所電腦都有的接口。目前都是USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，其理論傳輸速度最高達480Mbps（60MB/s），兼容USB1.1。USB3.0也已出現(xiàn)，其理論傳輸速度為傳輸速度是5GB/s。2、e-SATA接口e-SATA是SAT

19、A的外接式接口，可以達到如同SATA般的傳輸速度，在理論上e-SATA1接口可以達到1500Mbps的傳輸率， e-SATA2接口可以達到3Gbps的傳輸率，e-SATA 3000Mbps速度同樣向下兼容于1500Mbps，與目前臺式機硬盤的情況相同。3、IEEE1394接口IEEE1394接口又稱Firewire接口（俗稱“火線”）。1394標(biāo)準(zhǔn)又分1394a和1394b。一般所說的1394通常指1394a標(biāo)準(zhǔn)接口，數(shù)據(jù)傳輸速率理論上可達到400Mbps（50MB/s）；1394b接口的傳輸速率理論上最少可達到800Mbps（100MB/s）。7.2.3移動硬盤的保養(yǎng)及故障分析1、移動硬盤的

20、保養(yǎng)及使用時要注意的問題（1）移動硬盤雖然是可以移動的，但不必要時不要讓其振動。（2）在使用時一定要放到平穩(wěn)、無震動的地方，如果使用過程中劇烈震動可能對硬盤造成損壞。（3）用好的數(shù)據(jù)線。在應(yīng)選用好的數(shù)據(jù)線，這樣供電充足，不容易損壞硬盤。（4）合理的分區(qū)。硬盤分區(qū)最好要合理，這樣對硬盤是一種保護。（5）在不進行數(shù)據(jù)復(fù)制時應(yīng)當(dāng)拔下硬盤，不讓其長時間工作。（6）最好不要對移動硬盤進行碎片整理。（7）在別人電腦上使用移動硬盤時最好把USB數(shù)據(jù)線插到主機主板接口上，因為電腦硬件不同，有時電腦知識差的裝機人員把USB前置線接錯，容易燒壞硬盤。2、移動硬盤的常見故障及排除方法（1）USB移動硬盤在連接到電腦

21、之后，系統(tǒng)沒有彈出“發(fā)現(xiàn)USB設(shè)備”的提示。（2）移動硬盤在Windows2003系統(tǒng)上使用時無法顯示盤符圖標(biāo)。（3）新買的移動硬盤，在接入電腦后發(fā)現(xiàn)USB硬盤讀寫操作發(fā)出“咔咔”的聲音，經(jīng)常產(chǎn)生讀寫錯誤。（4）USB移動硬盤能被操作系統(tǒng)識別，但卻無法打開移動硬盤所在的盤符或者USB移動硬盤在操作系統(tǒng)中能被發(fā)現(xiàn)，但被識別為“未知的USB設(shè)備”，并提示安裝無法繼續(xù)進行。（5）USB2.0接口的移動硬盤無法在機箱的前置USB接口上使用，也不能使用USB1.1接口延長線。（6）在WINDOWS系統(tǒng)中，移動硬盤無法在系統(tǒng)中彈出和關(guān)閉。7.3閃存與閃存盤7.3.1閃存（Flash Memory）所有的快

22、閃存儲器都使用相同的基本存儲單元，有許多不同的途徑將單元在總體存儲陣列中互連。其中最重要的兩種架構(gòu)被稱為NOR（或非）和NAND（與非），這些從傳統(tǒng)的組合邏輯中得到的術(shù)語指出了陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其中的單獨單元讀取和寫入的方式。7.3.2 閃存盤閃存盤的結(jié)構(gòu)為：接口控制器緩沖RAMFLASH芯片，不過隨著芯片工藝的術(shù)的發(fā)展，它將逐漸發(fā)展到單片集成所有功能，這樣就更加縮小了體積，增加了可靠性。 各種閃存盤的外形和軟盤、可移動硬盤、CD-RW、ZIP盤、SmartMedia卡及CompactFlash卡等傳統(tǒng)存儲設(shè)備相比，閃存盤具有非常明顯的優(yōu)異特性：1、體積非常小，僅大拇指般大小，重量僅約20克。2、容量大（從幾MB16GB）。3、不需要驅(qū)動器，無外接電源 。4、使用簡便，即插即用，帶電插拔。5、存取速度快，約