清華計(jì)算機(jī)組成原理08輔助存儲(chǔ)器課件

第八章輔助存儲(chǔ)器2/6/20231計(jì)算機(jī)組成原理8.1外存儲(chǔ)器概述主存的后備和擴(kuò)充，也稱外存。特點(diǎn):容量大,可靠性高,單位存儲(chǔ)容量?jī)r(jià)格低,在掉電情況下能長(zhǎng)期保存信息。非易失性存儲(chǔ)器。輔助存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)是存儲(chǔ)密度、存儲(chǔ)容量、尋址時(shí)間等1.存儲(chǔ)密度。道密度(TPI)：磁盤半徑方向單位長(zhǎng)度包含的磁道。位密度(BPI)：在每一個(gè)磁道內(nèi)單位長(zhǎng)度內(nèi)所能記錄的二進(jìn)制信息數(shù)。磁表面存儲(chǔ)器光存儲(chǔ)器磁芯磁盤磁帶2/6/20232計(jì)算機(jī)組成原理

2.存儲(chǔ)容量

存儲(chǔ)容量指磁表面存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息總量，一般以字節(jié)、扇區(qū)或數(shù)據(jù)塊為單位。

3.尋址時(shí)間

磁盤存儲(chǔ)器采取直接存取方式，尋址時(shí)間包括兩部分一是磁頭尋找目標(biāo)磁道所需的找道時(shí)間ts。二是找到磁道以后，磁頭等待所需要讀寫(xiě)的區(qū)段旋轉(zhuǎn)到它的下方所需要的等待時(shí)間tw。由于尋找相鄰磁道和從最外面磁道找到最里面磁道所需的時(shí)間不同，磁頭等待不同區(qū)段所花的時(shí)間也不同。因此取它們的平均值，稱作平均尋址時(shí)間Ta。它由平均找道時(shí)間Tsa和平均等待時(shí)間Twa組成:

Ta=Tsa+Twa=(Tsmax+Tsmin)/2+(Twmax+Twmin)/2

磁帶存儲(chǔ)器采取順序存取方式，不需要尋找磁道但需要考慮磁頭尋找記錄區(qū)的等待時(shí)間。2/6/20233計(jì)算機(jī)組成原理8.2磁記錄原理與記錄方式

本節(jié)將討論磁表面存儲(chǔ)技術(shù)的基礎(chǔ)——信息的存取原理、磁記錄介質(zhì)、磁頭以及磁記錄的編碼方式。在此只作一般原理性的介紹。磁盤存儲(chǔ)是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(lái)存儲(chǔ)信息。目前一些新型硬盤采用工程塑料、陶瓷、玻璃作為基體。磁表面記錄設(shè)備是在磁頭和磁性材料的記錄介質(zhì)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)一個(gè)電磁轉(zhuǎn)換過(guò)程完成讀寫(xiě)操作的。磁頭是實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)換過(guò)程的關(guān)鍵裝置，通常由軟磁材料（外界磁場(chǎng)的作用消失后，該磁性材料的磁性容易消失）做成。8.2.1磁記錄原理

寫(xiě)入：將計(jì)算機(jī)并行數(shù)據(jù)進(jìn)行并-串變換，然后一位一位的由寫(xiě)電流驅(qū)動(dòng)器將交變信號(hào)電流通過(guò)磁頭線圈，使磁體內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，交變磁場(chǎng)從縫隙中漏出，使勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的磁盤表面磁化。根據(jù)寫(xiě)入電流的方向決定是寫(xiě)“1”還是寫(xiě)“0”。當(dāng)載磁體相對(duì)于磁頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可以連續(xù)寫(xiě)入一連串的二進(jìn)制信息。讀出：磁盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，磁化點(diǎn)順序經(jīng)過(guò)磁頭，在磁頭線圈中感應(yīng)出相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)放大檢測(cè)等一定的處理后，還原成原來(lái)存入的數(shù)據(jù)信號(hào)。由于數(shù)據(jù)是一位一位串行讀出的，故要經(jīng)串-并變換后，在將并行信號(hào)送至計(jì)算機(jī)。2/6/20235計(jì)算機(jī)組成原理磁記錄原理寫(xiě)局部磁化單元載磁體寫(xiě)線圈SNI局部磁化單元寫(xiě)線圈SN鐵芯磁通磁層寫(xiě)入“0”寫(xiě)入“1”I2/6/20236計(jì)算機(jī)組成原理磁記錄原理N讀線圈S讀線圈SN鐵芯磁通磁層運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向ssttffee讀出“0”讀出“1”讀2/6/20237計(jì)算機(jī)組成原理

接觸式磁頭在讀／寫(xiě)時(shí)磁頭與記錄介質(zhì)直接相接觸、它常常用于磁帶機(jī)和軟磁盤機(jī)中，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但磁頭極尖區(qū)和介質(zhì)易受到磨損磨損程度與介質(zhì)相對(duì)于磁頭的移動(dòng)速度、極尖的幾間形狀，磁性材料的硬度、頭面的接觸力介質(zhì)表面質(zhì)量等因素有關(guān)。浮動(dòng)式磁頭是由介質(zhì)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的氣流，在磁頭與介質(zhì)表面之間形成一層極薄的空氣薄膜（氣墊）故使磁頭與介質(zhì)表面脫離接觸而浮動(dòng)。浮動(dòng)間隙是浮動(dòng)式磁頭的重要參數(shù)，它的減小可以提高記錄密度、硬磁盤采用浮動(dòng)式磁頭由于盤片旋轉(zhuǎn)速度快磁頭不與盤片表面接觸，因而硬磁盤存取速度快，可靠性高。但在盤片停止旋轉(zhuǎn)之前磁頭必須從讀寫(xiě)位置退到原始位置啟動(dòng)磁盤工作，須待盤片達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后磁頭才能進(jìn)到盤片上面進(jìn)行尋道工作，否則可能損壞磁頭或劃壞盤面。2/6/20239計(jì)算機(jī)組成原理

目前磁記錄介質(zhì)與磁頭是采用薄膜介質(zhì)與薄膜磁頭。薄膜介質(zhì)比顆粒介質(zhì)具有更高的記錄密度。薄膜磁頭是采用薄模形成技術(shù)（例如蒸發(fā)、濺射和電鍍等）和部分集成電路工藝制成的磁頭，其特點(diǎn)是感應(yīng)系數(shù)小，高頻特性好，體積小，重量輕。3、MR磁頭(MagnetoResistive磁阻)隨著計(jì)算機(jī)對(duì)大容量硬盤驅(qū)動(dòng)器的需求，促進(jìn)高密度磁以錄技術(shù)的發(fā)展。MR磁頭技術(shù)是采用感應(yīng)寫(xiě)、磁阻讀的分離式設(shè)計(jì)，以便對(duì)讀寫(xiě)的不同特性分別進(jìn)行優(yōu)化。此技術(shù)在磁頭上采用了對(duì)磁性材料極為敏感的薄膜電阻元件，因此對(duì)磁場(chǎng)變化極為敏感，并將變化轉(zhuǎn)換成電場(chǎng)電阻的變化，在讀出該信號(hào)，這樣可增加磁密度，提高硬盤的容量。它與傳統(tǒng)的讀寫(xiě)合一式的磁頭不同，MR磁頭是通過(guò)阻值變化，而不是以前的電流變化來(lái)感應(yīng)信號(hào)幅度，因而對(duì)信號(hào)變化相當(dāng)敏感，讀取得準(zhǔn)確率高，這就是能增加磁盤密度的原因。MR磁頭已應(yīng)用在大容量的硬盤驅(qū)動(dòng)器中。2/6/202310計(jì)算機(jī)組成原理運(yùn)動(dòng)方向磁層載磁體NSSN讀線圈寫(xiě)線圈鐵芯存儲(chǔ)元的大小和縫隙寬度、磁頭與磁表面距離、電流強(qiáng)度有關(guān)目前軟盤常用MFM編碼方式,能達(dá)到較高的記錄密度和較高的自同步能力.NSSNNS存儲(chǔ)源的極性代表數(shù)據(jù)0或12/6/202311計(jì)算機(jī)組成原理

（2）不歸零制（NRZ）磁頭線圈中始終有電流，不是正向電流（代表1）就是反向電流（代表“0”），其抗干擾能力強(qiáng)。這是用向磁頭線圈送入正、反向電流的辦法執(zhí)行寫(xiě)“1”、寫(xiě)“0”操作的方案，使1和0信號(hào)的磁化狀態(tài)（極性）正好相反。與前一種方案相比，取消了兩個(gè)信息位之間磁化線圈中無(wú)電流的情況，故磁層中不存在未被磁化的狀態(tài)，不是被正向磁化，就是被反向磁化。（3）見(jiàn)1就翻的不歸零制（NRZ1)記錄“0”時(shí)電流方向不變，只有遇到“1”時(shí)才改變方向。這是用在寫(xiě)“1”時(shí)就變化磁頭線圈中的電流方向（寫(xiě)“0”則不變電流方向）的辦法執(zhí)行寫(xiě)“1”、寫(xiě)“0”操作的方案。（4）調(diào)相制（PM）是利用兩個(gè)相位相差180讀的磁化翻轉(zhuǎn)方向代表數(shù)據(jù)0和1。即指定記錄數(shù)據(jù)“0’時(shí)規(guī)定磁化翻轉(zhuǎn)的方向由負(fù)變?yōu)檎?，則記錄數(shù)據(jù)‘l’時(shí)從正變?yōu)樨?fù)。當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上‘1’或‘0”時(shí)，為了維持上述原則，在位周期起始處也要翻轉(zhuǎn)一次。這是用在磁層中不同的磁化翻轉(zhuǎn)方向來(lái)區(qū)別數(shù)據(jù)“1”和“0”的方案。為此，磁頭線圈中的電流在寫(xiě)“1”和寫(xiě)“0”時(shí)要朝不同的方向變化，讀出時(shí)就表現(xiàn)為讀出的信號(hào)是正還是負(fù)脈沖，即二者的信號(hào)相位差為180°。2/6/202313計(jì)算機(jī)組成原理

（5）調(diào)頻制（FM）記錄‘1’時(shí)不僅在各位期間的中心產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)，而且在位與位之間也必須翻轉(zhuǎn)。記錄“0’時(shí)，在位周期中心不產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)，但在位與位之間的邊界處要翻轉(zhuǎn)一次。由于記錄數(shù)據(jù)‘l’時(shí)磁化翻轉(zhuǎn)的頻率為記錄數(shù)據(jù)“0’時(shí)的兩倍，因此又稱‘倍頻制”。這是用在磁層中不同的磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)來(lái)區(qū)別數(shù)據(jù)“1”和“0”的方案，記錄“1”比記錄“0”磁化翻轉(zhuǎn)頻率要多一倍。為此，磁頭線圈中的電流，在每個(gè)位周期起始處要變化一次方向。讀出時(shí)，讀出的1信號(hào)表現(xiàn)為兩個(gè)脈沖，讀出的0信號(hào)表現(xiàn)為一個(gè)脈沖。二者的讀出脈沖頻率相差一倍。（6）改進(jìn)調(diào)頻制（MFM）這是對(duì)前面講的調(diào)頻制的一種改進(jìn)方案，其目的是提高這一方案的編碼效率，使其從調(diào)頻制的50%提高到現(xiàn)在的100%。這種記錄方式基本上與調(diào)頻制相同，即記錄數(shù)據(jù)‘1’時(shí)在位周期中心磁化翻轉(zhuǎn)一次，記錄數(shù)據(jù)‘0’時(shí)不翻轉(zhuǎn)。區(qū)別在于只有連續(xù)記錄兩個(gè)或兩個(gè)以上‘0’時(shí)，才在位周期的起始位置翻轉(zhuǎn)一次，而不是在每個(gè)位同期的起始處都翻轉(zhuǎn)。這一改進(jìn)表現(xiàn)在取消了大部分在位期起始處改變磁頭線圈中電流方向的動(dòng)作，只保留在連續(xù)“0”信號(hào)位期起始處的電流方向變化，以便保證改編碼方式的字同步能力。除上述幾種記錄方式外，成組編碼（GCR）以及游程長(zhǎng)度受限碼（RLLC）等。2/6/202314計(jì)算機(jī)組成原理

2/6/202315計(jì)算機(jī)組成原理8.3硬盤存儲(chǔ)器（硬盤機(jī)）8.3.1硬盤存儲(chǔ)器的組成硬盤盤片和硬盤驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)電機(jī)直線電機(jī)磁頭2/6/202317計(jì)算機(jī)組成原理2/6/202318計(jì)算機(jī)組成原理磁盤存儲(chǔ)器邏輯結(jié)構(gòu)演示2/6/202319計(jì)算機(jī)組成原理溫切斯特磁盤實(shí)際上是一種技術(shù)，這種技術(shù)是由IBM公司位于美國(guó)加州坎貝爾市溫切斯特大街的研究所研制的，它是于1973年被應(yīng)用的。溫氏技術(shù)特點(diǎn)全封閉結(jié)構(gòu)，杜絕灰塵危害磁頭采用接觸式啟停一體化主軸和電機(jī)硬盤存儲(chǔ)器的基本組成磁盤控制器頭盤組件磁頭組件、磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及盤片、讀寫(xiě)放大電路、循環(huán)過(guò)濾器、底座和上蓋、其他附件。印刷電路板。2/6/202321計(jì)算機(jī)組成原理8.3.2硬盤的管理結(jié)構(gòu)1、名詞解釋盤面磁道：對(duì)單個(gè)盤片而言可以稱為磁道。柱面：硬盤每個(gè)盤面的同一編號(hào)的磁道構(gòu)成柱面扇區(qū)或數(shù)據(jù)塊號(hào):對(duì)定長(zhǎng)格式的硬盤存在扇區(qū)的概念，對(duì)不定長(zhǎng)的硬盤以數(shù)據(jù)塊號(hào)（記錄號(hào)）存儲(chǔ)信息。容量格式化容量=磁頭數(shù)*柱面數(shù)*每柱面扇區(qū)數(shù)*每扇區(qū)字節(jié)數(shù)；或磁頭數(shù)*柱面數(shù)*每柱面數(shù)據(jù)塊數(shù)*每數(shù)據(jù)塊內(nèi)的字節(jié)數(shù)。轉(zhuǎn)數(shù)現(xiàn)在已達(dá)到7200r/min或9600r/min。以5400轉(zhuǎn)/分的硬盤而言，其相應(yīng)的平均等待時(shí)間為5.6ms?，F(xiàn)在常用硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到5MB/S以上。按盤徑分：5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸2/6/202322計(jì)算機(jī)組成原理

例題磁盤組有6片磁盤，每片有兩個(gè)記錄面，最上最下兩面不用。存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)直徑22cm，外直徑33cm,道密度為40道/cm,內(nèi)層位密度400位/cm,轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分，問(wèn)：1、共有多少柱面？2、盤組總存儲(chǔ)容量是多少？3、數(shù)據(jù)傳輸率多少？4、采用定長(zhǎng)數(shù)據(jù)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(zhǎng)度超過(guò)一個(gè)磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個(gè)存儲(chǔ)面上，還是記錄在同一個(gè)柱面上？2/6/202323計(jì)算機(jī)組成原理2、硬盤的區(qū)域劃分和引導(dǎo)記錄主引導(dǎo)記錄MBR硬盤主引導(dǎo)程序和硬盤分區(qū)表.DOS引導(dǎo)記錄DBRDOS引導(dǎo)程序和磁盤參數(shù)塊文件分配表FAT記錄磁盤空間的使用情況文件目錄DOS文件組成的重要組成,也是文件.包含文件名、擴(kuò)展名、屬性、生成日期、最后修改時(shí)間、開(kāi)始簇號(hào)、大小等數(shù)據(jù)區(qū)2/6/202325計(jì)算機(jī)組成原理

在軟盤和小容量硬盤中大都采用定長(zhǎng)數(shù)據(jù)塊。而在大容量硬盤中，有的采用不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)塊，該長(zhǎng)則長(zhǎng)，能短則短。不采取扇區(qū)劃分，直接以數(shù)據(jù)塊或記錄號(hào)標(biāo)識(shí)。因此，硬盤尋址信息一般由臺(tái)號(hào)、圓柱面號(hào)（道號(hào)）、磁頭號(hào)（記錄面號(hào)）、數(shù)據(jù)塊號(hào)、交換量組成。

定長(zhǎng)數(shù)據(jù)塊磁道格式舉例（以索引信號(hào)開(kāi)始）：G1扇區(qū)1扇區(qū)2------------扇區(qū)nG4SYNC頭標(biāo)志區(qū)圓柱號(hào)高位圓柱號(hào)低位磁頭號(hào)扇區(qū)號(hào)CRCG2數(shù)據(jù)區(qū)標(biāo)志DATACRCG32/6/202326計(jì)算機(jī)組成原理

間隔G1,16個(gè)字節(jié)4EH。每個(gè)扇區(qū)包含下述五個(gè)部分1、同步區(qū)SYNC,14個(gè)字節(jié)00。2、頭標(biāo)志區(qū)7個(gè)字節(jié)：第1個(gè)是A1H；第2是圓柱號(hào)高位；3是圓柱號(hào)低位；4是磁頭號(hào)，其中0、1、2位為磁頭號(hào)，3、4位是0，5、6是扇區(qū)計(jì)數(shù)值，第7位是壞塊標(biāo)志；5字節(jié)是扇區(qū)號(hào)；6、7存放頭標(biāo)區(qū)的循環(huán)校驗(yàn)碼；3、間隔G2，16個(gè)字節(jié)00H。4、數(shù)據(jù)區(qū)標(biāo)志，2個(gè)字節(jié)：A1HF8H。以后是數(shù)據(jù)區(qū)DATA,定長(zhǎng)數(shù)據(jù)塊512B規(guī)格。2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)的CRC碼。5、間隔G3，3個(gè)字節(jié)00H及15個(gè)字節(jié)4EH。2/6/202327計(jì)算機(jī)組成原理

間隔G1，共116字節(jié)，其中115個(gè)是00H，一個(gè)是19H同步信息。標(biāo)識(shí)地址HA（HomeAddress）是用來(lái)標(biāo)識(shí)磁道的地址區(qū)共20個(gè)字節(jié)，其中：SD用6個(gè)字節(jié)用來(lái)指出該磁道上有幾個(gè)瑕疵，及其位置。PA用3個(gè)字節(jié)指出磁道的物理地址（柱面地址和磁頭號(hào)）。F用1個(gè)字節(jié)標(biāo)示磁道狀態(tài)，好或壞，是基本磁道還是替補(bǔ)道等。CC是柱面邏輯地址占2個(gè)字節(jié)。HH是磁頭邏輯地址占2個(gè)字節(jié)。DCB是錯(cuò)誤校驗(yàn)占6個(gè)字節(jié)。間隔G2，76個(gè)字節(jié)，75個(gè)為00H,一個(gè)是19H。零號(hào)記錄R0，它是用戶用來(lái)說(shuō)明本磁道的有關(guān)狀態(tài)，如果磁道發(fā)生故障，將依據(jù)R0提供的信息實(shí)現(xiàn)磁道替換。2/6/202329計(jì)算機(jī)組成原理

用戶記錄Ri：在各記錄之間用G3分隔，G3為79個(gè)字節(jié)，其內(nèi)部存有固定格式的信息。計(jì)數(shù)區(qū)包含25個(gè)字節(jié)，分別是本區(qū)瑕疵、物理地址、標(biāo)志、ID識(shí)別區(qū)、記錄號(hào)、本記錄的關(guān)鍵字長(zhǎng)度、本記錄內(nèi)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、校驗(yàn)碼。其中ID包含磁道狀況、好的原始道、壞的原始道、好的替補(bǔ)道、壞的替補(bǔ)道等地址。關(guān)鍵字區(qū)KEY是數(shù)據(jù)的識(shí)別信息，如順序號(hào)、密碼及自己的校驗(yàn)碼。數(shù)據(jù)區(qū)用來(lái)記錄用戶數(shù)據(jù)，允許使用不同長(zhǎng)度，然后是6個(gè)校驗(yàn)碼。在一個(gè)記錄內(nèi)三個(gè)區(qū)使用G2進(jìn)行分隔。在進(jìn)行磁盤格式化時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)壞道并將其替換。用戶使用的邏輯地址可以不變，磁道格式信息CC,HH提供磁道的物理地址。2/6/202330計(jì)算機(jī)組成原理

常用硬盤接口類型IDE（IntergratedriveElection)接口：40條通信線，屬于設(shè)備級(jí)接口（主機(jī)命令控制設(shè)備的操作）。將控制器集成到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，使傳輸可靠。傳輸速率在1.5MB/s左右；最多可連接2臺(tái)IDE設(shè)備，內(nèi)部接口連在主板的ISA總線上。EIDE（EnhancedIDE）接口：目前微機(jī)主板大部分提供此接口，支持大容量硬盤。傳輸速率達(dá)到18MB/s；最多可連接4臺(tái)IDE設(shè)備，內(nèi)部接口可直接連在局部總線上，數(shù)據(jù)傳輸寬度32位。SCSI(SmallComputerSystemInterface)接口:將原來(lái)磁盤控制器的功能轉(zhuǎn)移到設(shè)備驅(qū)動(dòng)器上，以標(biāo)準(zhǔn)的電纜（50條，后擴(kuò)充位68條）和協(xié)議與多臺(tái)主機(jī)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。可連接多達(dá)32個(gè)SCSI設(shè)備，傳輸速率達(dá)到160MB/s。它屬于系統(tǒng)級(jí)接口（控制外存與總線之間交換信息）。2/6/202331計(jì)算機(jī)組成原理

Ultra33標(biāo)準(zhǔn)-------97年推出改善驅(qū)動(dòng)程序，充分利用硬盤控制器，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中避免CPU的過(guò)多干預(yù)。在時(shí)序信號(hào)的上下沿都進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由硬盤產(chǎn)生選通信號(hào)，避免主機(jī)送選通信號(hào)造成延時(shí)。Ultra66標(biāo)準(zhǔn)-------98年推出突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸速率提高近一倍，理論上可達(dá)66MB/S。采用新的CRC冗余校驗(yàn)，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。改用80Pin排線（與40Pin兼容），插入40根地線，降低向鄰線間的干擾。2/6/202332計(jì)算機(jī)組成原理

8.3.3磁盤Cache隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，CPU的速度每年增長(zhǎng)1倍左右，主存儲(chǔ)器芯片的容量和磁盤驅(qū)動(dòng)器的容量每1.5年增長(zhǎng)1倍左右，但磁盤驅(qū)動(dòng)器的存取時(shí)間沒(méi)有出現(xiàn)相應(yīng)程度的下降，仍停留在毫秒（ms）級(jí),而主存的存取時(shí)間為納秒（ns)級(jí)，兩者速度差別十分突出，因此I／O系統(tǒng)成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。為了減少存取時(shí)間，磁盤驅(qū)動(dòng)器廠家采取了增加磁盤主軸轉(zhuǎn)速、提高I／O總線速度、改進(jìn)讀／寫(xiě)算法和采用磁盤cache等措施。目前的磁盤驅(qū)動(dòng)器一般都帶有高速緩存，容量在1MB～幾MB之間，可由SRAM或DRAM組成。2/6/202333計(jì)算機(jī)組成原理硬盤的安裝、操作與維護(hù)安裝：物理安裝：用螺絲安裝到硬盤托架，電源線，信號(hào)線。注意防震，身體放靜電，設(shè)備跳線。軟件安裝：低、高級(jí)格式化，邏輯分區(qū)，軟件安裝。操作：機(jī)器工作時(shí)不要搬動(dòng)硬盤。防止突然斷電防止病毒破壞硬盤信息。維護(hù)：定期運(yùn)行磁盤掃描程序定期運(yùn)行磁盤碎片整理程序。計(jì)算機(jī)病毒防治。2/6/202334計(jì)算機(jī)組成原理8.3.4磁盤陣列存儲(chǔ)器

將多個(gè)獨(dú)立的的磁盤組成一個(gè)獨(dú)立的邏輯盤，通過(guò)數(shù)據(jù)在多個(gè)物理盤上的分割交叉存儲(chǔ)，并行訪問(wèn)得到高邏輯性能。CPU速度的增長(zhǎng)大大超過(guò)磁盤驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)傳輸速率的增長(zhǎng)小盤徑磁盤驅(qū)動(dòng)器組成的陣列與大型驅(qū)動(dòng)器相比：成本低、功耗低、性能好等優(yōu)點(diǎn)低代價(jià)的編碼容錯(cuò)方案特性并行數(shù)據(jù)處理，高傳輸速率和I/O吞吐率訪問(wèn)負(fù)載均勻分布在所有磁盤陣列的控制、數(shù)據(jù)的分塊和拼接、磁盤陣列的并行調(diào)度等陣列控制功能。2/6/202335計(jì)算機(jī)組成原理磁盤陣列的致命缺點(diǎn)：整個(gè)盤的可靠性降低解決方法：冗余碼進(jìn)行糾錯(cuò)廉價(jià)磁盤冗余陣列（RedundantArrayofInexpensiveDisk——RAID）RAID0無(wú)冗余和無(wú)校驗(yàn)的數(shù)據(jù)分塊（安全性差）RAID1鏡像磁盤陣列（利用率為50%）RAID2采用糾錯(cuò)的海明碼的磁盤陣列（不利于小數(shù)據(jù)量傳輸）RAID3，4采用奇偶校驗(yàn)碼的磁盤陣列（專有一個(gè)校驗(yàn)盤）RAID5無(wú)獨(dú)立校驗(yàn)盤的磁盤陣列RAID6級(jí)（采用分塊交叉技術(shù)和雙磁盤容錯(cuò)的磁盤陣列）RAID7級(jí)（獨(dú)立接口的磁盤陣列）RAID10級(jí)（RAID0級(jí)十RAID1級(jí)）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(xiě)入時(shí)要寫(xiě)兩個(gè)互為鏡像的盤，價(jià)格高。2/6/202336計(jì)算機(jī)組成原理軟盤存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)常用外部設(shè)備。由盤片和驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。1、軟盤盤片——信息的存儲(chǔ)介質(zhì)有5.25英寸和3.5英寸兩種（3寸盤和5寸盤）依靠磁性記錄數(shù)據(jù)。磁盤有磁頭讀寫(xiě)孔和寫(xiě)保護(hù)口。盤內(nèi)記錄格式為：1扇區(qū)2扇區(qū)0道n道8.4軟盤存儲(chǔ)器2/6/202337計(jì)算機(jī)組成原理軟盤片由聚酯薄膜制成保護(hù)套主軸孔實(shí)際的軟盤片寫(xiě)保護(hù)口讀/寫(xiě)磁頭訪問(wèn)槽襯里/清潔材料2/6/202338計(jì)算機(jī)組成原理2、軟盤驅(qū)動(dòng)器對(duì)軟盤盤片進(jìn)行讀寫(xiě)操作的設(shè)備。組成：磁頭及讀寫(xiě)電路盤片驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)磁頭定位機(jī)構(gòu)控制邏輯電路軟盤的磁頭和盤面是接觸式讀寫(xiě)，尋址時(shí)不但有徑向，而且有圓周方向的摩擦。一個(gè)盤片旋轉(zhuǎn)106次（約50小時(shí)）以上應(yīng)考慮報(bào)廢，以免超過(guò)規(guī)定的誤碼率。2/6/202339計(jì)算機(jī)組成原理3、軟盤的磁記錄方式(1)磁記錄過(guò)程寫(xiě)入：交變信號(hào)電流通過(guò)磁頭線圈，使磁體內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，交變磁場(chǎng)從縫隙中漏出，使勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的磁盤表面磁化。讀出：磁盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，磁化電序列經(jīng)過(guò)磁頭，在磁頭線圈中感應(yīng)出相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)一定的處理后，還原成數(shù)據(jù)信號(hào)。目前3.5英寸軟盤均是采用高密度形式（4倍密度).(2)信息的紀(jì)錄格式數(shù)據(jù)或程序在盤面上的排布形式。2/6/202340計(jì)算機(jī)組成原理

以上序標(biāo)中應(yīng)包括同步信號(hào)、地址標(biāo)志和扇區(qū)地址。校驗(yàn)碼部分采用的是CRC校驗(yàn)形式。扇區(qū)地址格式如下：IBM3740的8吋軟盤的記錄格式如下，現(xiàn)在使用的軟盤只不過(guò)是縮短了索引孔前后的距離和使每區(qū)段的字節(jié)數(shù)為512字節(jié)。磁道號(hào)磁頭號(hào)扇區(qū)號(hào)記錄長(zhǎng)度CRC2/6/202341計(jì)算機(jī)組成原理

間

隙

扇區(qū)1

扇區(qū)2

扇區(qū)26

索引孔

（機(jī)械索引）

標(biāo)志

間

隙

間

隙

字節(jié)數(shù)46126188188188247

同步

地址標(biāo)志

間

隙

扇區(qū)地址

數(shù)據(jù)標(biāo)志

數(shù)據(jù)

CRC校驗(yàn)

間

隙

字節(jié)數(shù)616171123227

地址區(qū)

數(shù)據(jù)區(qū)

(a)每磁道數(shù)據(jù)記錄格式

(b)一個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)記錄格式

2/6/202342計(jì)算機(jī)組成原理4、安裝、操作及維護(hù)安裝:固定、連接電源線和信號(hào)線維護(hù)：不要將軟盤在陽(yáng)光下暴曬；遠(yuǎn)離磁場(chǎng)、防潮、防塵、保持清潔。不要擠壓；不要用手觸摸讀寫(xiě)孔處的盤片部分。新的軟盤（白盤）在使用前要進(jìn)行格式化處理。不要使用劣質(zhì)軟盤，以免對(duì)磁頭造成損壞。讀寫(xiě)完畢需等指示燈滅，方可取軟盤對(duì)存儲(chǔ)重要數(shù)據(jù)的軟盤要關(guān)閉寫(xiě)保護(hù)2/6/202343計(jì)算機(jī)組成原理8.5磁帶存儲(chǔ)器磁帶的種類和記錄格式寬度：1/4，1/2，1，3英寸長(zhǎng)度：2400，1200，600英尺記錄密度：800，1600，6250dpi表面道數(shù)：4，7，9，16道順序讀寫(xiě)方式SONY數(shù)據(jù)流磁帶機(jī)2/6/202344計(jì)算機(jī)組成原理8.6光盤（Opticaldisk)存儲(chǔ)器1、概述起源：激光數(shù)字影像技術(shù)。特點(diǎn)：容量大、可靠性高、使用方便、成本低組成：光盤盤片和光盤驅(qū)動(dòng)器光盤的基片材料一般采用聚碳酸脂的耐熱有機(jī)玻璃加工成盤片，然后涂上一層記錄介質(zhì)，然后加一層保護(hù)膜。只讀——CD-ROM只寫(xiě)一次——WORM(writeonce,readmany)或則CD-R。可重寫(xiě)型------CD-RW光盤自動(dòng)換盤機(jī)（又稱光盤庫(kù)）聯(lián)機(jī)容量可達(dá)10122/6/202345計(jì)算機(jī)組成原理2、光盤的存儲(chǔ)格式光道呈平面螺旋狀，光道從中心開(kāi)始旋向外邊，只有一條大的螺旋道，共分27~33萬(wàn)個(gè)扇區(qū)。每個(gè)扇區(qū)除數(shù)據(jù)信息外，另外每個(gè)扇區(qū)首端還有同步信號(hào)和扇區(qū)地址，在最后位置上還有作校驗(yàn)、糾錯(cuò)信息。光盤恒定線速度每秒75個(gè)扇區(qū)。Mode1方式（扇區(qū)數(shù)據(jù)容量為2048B）60min:2700002048/1024/1024=527.34MB74min:3300002048/1024/1024=650.39MBMode2方式-----適合音頻、視頻、圖像等誤碼率要求不高的數(shù)據(jù)（扇區(qū)數(shù)據(jù)容量為2336B）60min:2700002336/1024/1024=601.50MB74min:3300002336/1024/1024=741.85MB2/6/202346計(jì)算機(jī)組成原理3、激光讀取原理坑和點(diǎn)在螺旋光道上交替排列為不同數(shù)據(jù)?？由顬榧す獠ㄩL(zhǎng)的近似1/4照在無(wú)坑處，反射光為同相位照在凹坑處，坑內(nèi)外反射光差1/2個(gè)相位，反射光弱。具體：凹坑代表“1”，無(wú)凹痕代表“0”。光盤存儲(chǔ)器是利用激光束在記錄表面上存儲(chǔ)信息的。根據(jù)激光束及反射光的強(qiáng)弱不同，可以完成信息的讀寫(xiě)。CD-RW的驅(qū)動(dòng)器使用3種不同能量的激光。在高能激光照射下，合金熔化并從高反射性的晶態(tài)轉(zhuǎn)化為低反射性的非晶態(tài)，表示凹區(qū)。在能量中等的激光束照射下，合金熔化并重新轉(zhuǎn)化為本來(lái)的晶態(tài)，又成為凹區(qū)。低能激光可以感知材料的狀態(tài)（用來(lái)讀盤），但不會(huì)導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)轉(zhuǎn)換。CD-RW未能取代CD-R的原因是CD-RW的空盤價(jià)格高出CD-R空盤許多。而且，對(duì)那些備份硬盤的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，CD-R只允許一次寫(xiě)，不會(huì)被誤操作清除的特性也是一大優(yōu)點(diǎn)。CD-RW光盤是非接觸型讀寫(xiě)性質(zhì)的存儲(chǔ)器，根據(jù)記錄原理有形變、相變和磁光（M-O)存儲(chǔ)三種形式。2/6/202347計(jì)算機(jī)組成原理

1）形變型光盤對(duì)于只讀型CD-ROM和只寫(xiě)一次型光盤CD-R寫(xiě)入時(shí)，大多采用此方式。首先將激光束聚焦成直徑為小于1um的微小光點(diǎn)，以其熱作用，融化盤表面上的光存儲(chǔ)介質(zhì)薄膜，在薄膜上形成小洞（凹坑）或形成微小氣泡。有洞或有氣泡的位置表示記錄了‘l’，沒(méi)有的位置表示“0’。讀出時(shí)，在讀出光束的照射下，在有凹坑處和無(wú)凹坑處反射的光強(qiáng)是不同的、利用這種差別可以讀出二進(jìn)制信息。由于讀出光束的功率只有寫(xiě)入光束功率的1／10，因此不會(huì)融出新的凹坑或氣泡。2）相變型光盤（CD-RW）這是一種利用晶相結(jié)構(gòu)（即結(jié)晶狀態(tài)的可逆性變化）制成的可改寫(xiě)型光盤。這種光盤盤片一般采用帶溝槽結(jié)構(gòu)，在其上面蒸發(fā)成一層記錄介質(zhì)薄膜，然后涂上一層樹(shù)脂保護(hù)層。寫(xiě)入時(shí)，強(qiáng)激光照射記錄介質(zhì)Te（碲）使其被照射的微小區(qū)域突然加熱，Te的粒子直徑變大，然后突然冷卻，其形狀保持不變。因此寫(xiě)入1和0的光照反射率不同，以區(qū)別其信息的不同。讀出時(shí)，弱激光對(duì)光道進(jìn)行掃描，利用反射率上的差異鑒別掃描位置記錄信息是0還是1。擦除時(shí)，用激光照射記錄介質(zhì)，使其記錄信息區(qū)退火，即逐步緩慢冷卻。于是Te粒子的直徑從大變小，反射率差異消失，記錄信息被抹去。2/6/202348計(jì)算機(jī)組成原理

3）磁光（M-O）型光盤另一種可改寫(xiě)型光盤是磁光型光盤，它是利用激光在磁性薄膜上產(chǎn)生熱磁效應(yīng)來(lái)記錄信息，稱為磁光存儲(chǔ)。其記錄原理如下：根據(jù)磁記錄原理可以知道，在某一定溫度下，如果在磁記錄介質(zhì)的表面上加一個(gè)強(qiáng)度低于該介質(zhì)矯頑力的磁場(chǎng)，則不會(huì)發(fā)生磁通翻轉(zhuǎn)也就不能記錄信息。但介質(zhì)的矯頑力可隨溫度而變，假如我們能設(shè)法控制溫度，降低介質(zhì)的矯頑力，使其低于外加弱磁場(chǎng)強(qiáng)度，則將發(fā)生磁通翻轉(zhuǎn)。磁光存儲(chǔ)就是根據(jù)這一原理存儲(chǔ)信息的。通常把磁記錄材料受熱而磁性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為熱磁效應(yīng)。2/6/202349計(jì)算機(jī)組成原理4、光盤驅(qū)動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)光學(xué)拾取頭---構(gòu)成光讀取的光學(xué)回路并進(jìn)行信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換。主軸電機(jī)---驅(qū)動(dòng)光盤轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)字控制電路板---伺服控制模塊完成控制盤片的轉(zhuǎn)速、聚焦、尋跡；信號(hào)解碼模塊完成光學(xué)信號(hào)的解調(diào)和解碼；數(shù)字濾波及糾錯(cuò)模塊完成數(shù)據(jù)的處理和糾錯(cuò)；音頻輸出模塊用于音頻的合成和輸出；接口模塊實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)的接口管理；微處理模塊為驅(qū)動(dòng)器的控制中心，完成從檢測(cè)、控制、處理到數(shù)據(jù)輸出各個(gè)階段的控制操作。裝載機(jī)構(gòu)---裝載電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、支架、托盤架、盤片壓架組成。用于盤片的裝入取出，并將盤片準(zhǔn)確套在主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)盤上。機(jī)座---驅(qū)動(dòng)器的各部件安裝在機(jī)座上，除減震措施外，對(duì)材料和安裝精度要求也很高。前后面板----提供用戶的控制操作光盤驅(qū)動(dòng)器光頭2/6/202350計(jì)算機(jī)組成原理5、主要技術(shù)指標(biāo)及接口類型1）技術(shù)指標(biāo)：存儲(chǔ)容量、平均讀取時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸速率等。平均讀取時(shí)間:CD-ROM驅(qū)動(dòng)器在光盤上找到需要數(shù)據(jù)的起始位置所花費(fèi)的時(shí)間.平均尋道時(shí)間:光頭移動(dòng)到要讀取得光道，并穩(wěn)定在此光道上。平均等待時(shí)間:光頭穩(wěn)定在目的光道上后,等到所要讀取得扇區(qū)到達(dá)光頭位置所需要的時(shí)間。數(shù)據(jù)傳輸速率：與驅(qū)動(dòng)器的尋道時(shí)間、光盤轉(zhuǎn)速、緩沖區(qū)大小以及接口規(guī)范等諸多因素有關(guān)。早期的CD-ROM數(shù)據(jù)傳輸率只有150KB/S(1倍速）目前已達(dá)50倍速（50*150KB)。2）接口類型：IDE和SCSI2/6/202351計(jì)算機(jī)組成原理

例題CD-ROM光盤的外沿有5mm寬的范圍因記錄數(shù)據(jù)困難，一般不使用，故標(biāo)準(zhǔn)的播放時(shí)間為60分鐘。光盤的恒定線速度是75扇區(qū)/每秒，計(jì)算模式1（扇區(qū)存數(shù)據(jù)量為2048字節(jié)）和模式2（扇區(qū)存數(shù)據(jù)量為2336字節(jié)）情況下，光盤存儲(chǔ)容量是多少？解：扇區(qū)總數(shù)=60*60*75=270000（扇區(qū)）模式1存放計(jì)算機(jī)程序和數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)容量為270000*2048/1024/1024=527MB模式2存放計(jì)算機(jī)程序和數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)容量為270000*2336/1024/1024=601MB2/6/202352計(jì)算機(jī)組成原理6、安裝、操作與維護(hù)安裝跳線設(shè)置、驅(qū)動(dòng)器固定、電源、音頻線連接、EIDE或SCSI接口插座的連接、驅(qū)動(dòng)程序的安裝操作注意不要推入托盤，防止托盤頂偏和傳輸機(jī)構(gòu)受損。光區(qū)讀盤期間，不宜安eject鍵推出托盤2/6/202353計(jì)算機(jī)組成原理7、維護(hù)1）光盤的維護(hù)避免高溫、日曬和寒冷防止盤片受壓折保持信息讀取免得清潔防止標(biāo)記面的劃傷掌握正確的清潔方法2）CD-ROM的維護(hù)防震、防塵用后及時(shí)將盤片取出不要使用劣質(zhì)盤片注意散熱2/6/202354計(jì)算機(jī)組成原理8、光盤的類型及發(fā)展CD唱片CD-ROM光盤。以扇區(qū)代替幀VCDMPEG-1壓縮標(biāo)準(zhǔn)和CD-1格式編碼DVDMPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)、EFM+調(diào)制方式、雙面CD-R只讀光盤CD-RW可重復(fù)讀寫(xiě)的光盤

2/6/202355計(jì)算機(jī)組成原理

光盤是70年代發(fā)展起來(lái)的存儲(chǔ)介質(zhì)，具有存儲(chǔ)密度高、容量大、價(jià)格低、壽命長(zhǎng)和可替換等