計算機組成原理第2223講(第7章)

1、Shenyang Institute of Aeronautical Engineering0第七章 I/O設(shè)備與 輔助存儲器7.1 I/O設(shè)備概述設(shè)備概述7.2 簡單簡單I/O設(shè)備設(shè)備7.3 輔存的種類與技術(shù)指標輔存的種類與技術(shù)指標7.6 其它輔存設(shè)備其它輔存設(shè)備7.5 硬磁盤存儲器硬磁盤存儲器7.4 磁表面存儲器工作原理磁表面存儲器工作原理Shenyang Institute of Aeronautical Engineering17.1 I/O設(shè)備概述 計算機硬件系統(tǒng)中，除了需要運算器來進行邏輯和算術(shù)運算、控制器產(chǎn)生控制信號、存儲器來存儲當前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)外。還需要I/O設(shè)備用于輸

2、入數(shù)據(jù)與程序、輸出計算機處理后的結(jié)果。 計算機中，除了CPU和主存外，計算機系統(tǒng)的每一個部分都可以作為一個外圍設(shè)備來看待。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering2計算機I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CPU主存系統(tǒng)總線I/O接口外存設(shè)備控制器外存設(shè)備控制器I/O接口輸出設(shè)備控制器輸出設(shè)備控制器I/O接口輸入設(shè)備控制器輸入設(shè)備控制器系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線外圍設(shè)備為什么不直接和主機相連？Shenyang Institute of Aeronautical Engineering3 I/O接口的必要性 外部設(shè)備種類繁多，它們對所傳輸?shù)男畔⒌囊笠哺鞑幌嗤?，這就給計算機和

3、外設(shè)之間的信息交換帶來以下一些問題： 速度不匹配信號格式不匹配時序不匹配 ABCPU DB CB存儲器存儲器I/O接口接口顯示器鼠標鍵盤硬盤軟驅(qū)光驅(qū)掃描儀Shenyang Institute of Aeronautical Engineering47.3 輔存的種類和技術(shù)指標 輔助存儲器用于存放當前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主存成批地交換數(shù)據(jù)。它作為主存的后備和補充，是主機的外部設(shè)備，因此又稱為外存儲器。 輔助存儲器的特點是容量大、成本低，通常在斷電后仍能保存信息，是“非易失性”存儲器。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering5輔存

4、的分類輔助存儲器磁表面存儲器構(gòu)成：將磁性材料沉積在盤片（或帶）的基體上形成記錄介質(zhì)，并以繞有線圈的磁頭與記錄介質(zhì)的相對運動來寫入或讀出信息。光存儲器構(gòu)成：利用激光束在具有感光特性的表面上存儲信息Shenyang Institute of Aeronautical Engineering6輔存主要技術(shù)指標存儲密度 單位長度或單位面積磁層表面所存儲的二進制信息量。存儲容量 指磁表面存儲器所能存儲的二進制信息總量。尋址時間 磁頭從啟動到找到存儲位置的時間稱為尋址時間，分成找道時間和等待時間。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering7存儲密度 存儲密

5、度分成道密度和位密度，也可以用兩者的乘積-面密度表示。對于磁帶存儲器，則主要用位密度表示。 磁道指的是存儲在介質(zhì)表面上的信息的磁化軌跡，磁盤與磁帶的磁化軌跡是不同的。 柱面在磁盤存儲器中，對有多個盤片構(gòu)成的盤組中，由處于同一半徑的磁道組成的一個圓柱面。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering8磁道柱面道密度：半徑方向單位長度磁道數(shù)，單位：道/英寸位密度：磁道方向上單位長度記錄的二進制位數(shù)，單位：位/英寸存儲密度Shenyang Institute of Aeronautical Engineering9存儲容量 存儲容量可以分成非格式容量和格

6、式化容量。非格式化容量指的是磁盤表面可以利用的磁化單元總數(shù)。格式化容量指的是按照某種特定格式所能存儲信息的總量。是用戶真正能使用的容量，約為非格式化容量的60%70%。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering10尋址時間 尋址時間包括找道時間和等待時間。 找道時間Ts指的是磁頭從當前磁道移動到目標磁道的時間，一般以平均找道時間表示。 等待時間Tw指的找道完成后，磁頭等待讀寫區(qū)域旋轉(zhuǎn)到磁頭正下方所需要的等待時間，一般也以平均等待時間表示，平均等待時間為磁盤旋轉(zhuǎn)半圈的時間。Shenyang Institute of Aeronautical En

7、gineering11尋址時間理解等待時間Tw找道時間Ts 與磁盤轉(zhuǎn)速有關(guān)。計算時一般用平均等待時間Twa表示，為磁盤轉(zhuǎn)半圈的時間。 顯然與磁頭的移動速度有關(guān)，表示為平均找道時間。旋轉(zhuǎn)情況1：旋轉(zhuǎn)一圈旋轉(zhuǎn)情況2：無需旋轉(zhuǎn)對于磁帶，由于每個磁頭直接對應(yīng)一個磁道，無找道時間，需要較長的等待時間Shenyang Institute of Aeronautical Engineering12磁盤結(jié)構(gòu)扇區(qū)2扇區(qū)n扇區(qū)1扇區(qū)容量扇區(qū)0Shenyang Institute of Aeronautical Engineering13舉例 3.5英寸高密度軟磁盤存儲器共有2個記錄面，每面80個磁道，每個磁道18

8、個記錄扇區(qū)，每個扇區(qū)可記錄信息512個字節(jié)。軟磁盤機的轉(zhuǎn)速為每分鐘360轉(zhuǎn)（360rpm)，求該軟磁盤存儲器的容量和平均等待時間。 容量：80*2*18*512/1024/1024=1.4MB 平均等待時間=(60/360)/2=0.167/283msShenyang Institute of Aeronautical Engineering147.4 磁表面存儲器的工作原理 磁表面存儲器用于是將磁性材料沉積在盤片或塑料帶的基體上形成記錄介質(zhì)，并以繞有線圈的磁頭與記錄介質(zhì)的相對運動來寫入或讀出數(shù)據(jù)。 常見的磁表面存儲器包括硬磁盤存儲器、軟磁盤存儲器、磁帶等。 具有的優(yōu)點：存儲容量大、位價格低記

9、錄介質(zhì)可以重復(fù)使用記錄信息可以長期保存而不丟失非破壞性讀出，讀出時不需要刷新。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering15磁性材料與磁滯回線 硬盤上的磁性材料涂層在平時不顯磁性，但在外部磁場作用下會被磁化，當外磁場達到一定強度時，磁化出現(xiàn)飽和，此時去掉外磁場后磁性不消失，稱為有剩磁。外磁場的方向決定剩磁狀態(tài)。 圖中H為磁場強度，B為磁感應(yīng)強度，Hd為矯頑力。HBHd-Hd+Br-Br兩個不同的磁化方向代表數(shù)據(jù)0和數(shù)據(jù)1。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering16基體運動方向磁層寫線圈讀線圈

10、磁頭的讀寫原理 磁表面存儲器在讀寫時，磁頭固定不變，磁層相對磁頭作直線運動。磁頭是軟磁材料(斷電后無磁性)的鐵芯繞以線圈，通入不同方向電流來寫1寫0。寫寫1寫寫0e 讀數(shù)據(jù)時，磁頭和磁化單元做切割磁力線運動，從而在讀線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢。經(jīng)過后續(xù)處理可讀出所存信息。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering17磁表面存儲器讀寫原理 實際上，磁表面存儲器在寫入時，還需要其他電路來完成離散的數(shù)字信號到連續(xù)的電流的轉(zhuǎn)換；當讀數(shù)據(jù)時，需要進行信號的放大和譯碼。 數(shù)字信號編碼電路寫入電流驅(qū)動記錄序列讀出信號放大讀出序列數(shù)字信號譯碼電路在和主機進行數(shù)據(jù)交換

11、時，還必須完成串并數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換Shenyang Institute of Aeronautical Engineering18磁記錄方式 數(shù)據(jù)在送入磁頭之前需要編碼電路來產(chǎn)生電流，相應(yīng)的編碼方法稱為磁記錄方式，根據(jù)磁盤存儲技術(shù)的發(fā)展，有多種磁記錄方式。包括： 歸零制(RZ)、不歸零制(NRZ) 見1就翻的不歸零制(NRZ1)、調(diào)相制(PM) 調(diào)頻制(FM)、改進的調(diào)頻制(MFM)Shenyang Institute of Aeronautical Engineering19歸零制RZ 若記錄1信息，則加正向?qū)懭腚娏髅}沖；若記錄0信息，則加負向?qū)懭腚娏髅}沖，每寫入一個信息，電流歸零。10111

12、0001 此方式中，相鄰兩位信息之間，磁頭線圈的寫電流為0，相應(yīng)的這段磁層未被磁化。寫數(shù)據(jù)時需要先去磁。記錄密度低，抗干擾能力差。已不使用。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering20歸零制的讀出波形101110001 讀出時可通過同步信號過濾一個周期的后半部分，從而比較容易區(qū)分0和1。有自同步能力。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering21不歸零制NRZ 若記錄1信息，則在周期內(nèi)加正向?qū)懭腚娏髅}沖；若記錄0信息，則再周期內(nèi)加負向?qū)懭腚娏髅}沖，無需向RZ那樣將電流歸零。101110001

13、此方式中，相鄰兩位記錄同樣信息時，電流方向不需要改變，僅不同時才發(fā)生翻轉(zhuǎn)?？垢蓴_能力較好。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering22不歸零制的讀出波形101110001 讀出時對于連續(xù)的1或0，中間均沒有脈沖讀出，因此不容易區(qū)分0和1，需要同步脈沖信號加以區(qū)分。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering23見1就翻的不歸零制NRZ1 NRZ1方式是NRZ的一種改進。當寫1時，磁頭線圈的寫入電流方向改變一次，當寫0時，寫入電流方向保持不變。101110001 此方式中適用于低速磁帶機上。She

14、nyang Institute of Aeronautical Engineering24見1就翻不歸零制的讀出波形101110001 讀出時僅數(shù)據(jù)1有脈沖，而數(shù)據(jù)0無脈沖，需要同步脈沖信號加以區(qū)分，不具有自同步能力 。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering25調(diào)相制PM 利用磁層的磁化反轉(zhuǎn)方向的相位差來表示1和0。設(shè)寫1時，寫入電流在位周期中間位置由正變負。當寫連續(xù)0和連續(xù)1時，需要在位周期交界地方翻轉(zhuǎn)一次。101110001 此方式中適用于磁帶機上。Shenyang Institute of Aeronautical Engineeri

15、ng26調(diào)相制的讀出波形101110001 讀出時在位周期中內(nèi)檢測到脈沖信號，且數(shù)據(jù)1對應(yīng)負脈沖，數(shù)據(jù)0對應(yīng)正脈沖。具有自同步能力。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering27調(diào)頻制FM 若記錄1，則寫入電流在一個位周期中間改變一次方向；若記錄0，則寫入電流在位周期中間不改變方向；無論寫0還是寫1，在兩個位周期交界處需改變。101110001 記錄1的磁層磁化翻轉(zhuǎn)頻率是記錄0的兩倍，又稱為“倍頻制”，應(yīng)用于早期磁盤中。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering28調(diào)頻制的讀出波形1011100

16、01 對于數(shù)據(jù)0，僅在周期開始處檢測到脈沖；對于數(shù)據(jù)0，在位周期開始處和中間位置均能檢測出脈沖。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering29改進的調(diào)頻制MFM 若記錄1，則寫入電流在一個位周期中間改變一次方向；若記錄0，則寫入電流在位周期中間不改變方向；若連續(xù)寫多個0，則在兩個0的位周期交界處翻轉(zhuǎn)。101110001 相對FM而言減少了翻轉(zhuǎn)次數(shù)Shenyang Institute of Aeronautical Engineering30改進的調(diào)頻制的讀出波形101110001 對于數(shù)據(jù)1，在位周期中間位置能檢測出脈沖。對于單個數(shù)據(jù)0無脈沖；

17、對于連續(xù)多個0，交界處有脈沖。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering317.5 硬磁盤存儲器 硬磁盤存儲器因為基體為鋁合金盤片的硬性介質(zhì)而得名。硬度大，表面光滑，記錄密度大保證了硬盤容量遠大于軟盤和磁帶。 硬盤存儲器主要由磁記錄介質(zhì)、磁盤控制器、磁盤驅(qū)動器三部分組成。 自1956年IBM的第一塊商用硬盤的出現(xiàn)，隨著計算機的發(fā)展，硬盤朝著小型化、大容量、高速度的方向發(fā)展。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering32硬盤的分類按盤片是否可換 分為可換盤片式和固定盤片式。 前者盤片可以更換，盤片

18、可更換，同型號硬盤盤片可更換，但工作環(huán)境要求極高。按磁頭是否可動 分為可移動磁頭式和固定磁頭式。 前者磁頭可以沿徑向移動，而后者盤片的每一個磁道均對應(yīng)一個磁頭，存儲速度快，無需找道時間，缺點是結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。 微機上使用的硬盤是可移動式磁頭固定盤片的溫盤。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering33溫徹斯特磁盤機 溫徹斯特磁盤(Winchester disk)是一種采用先進技術(shù)研制的可移動磁頭固定盤片的磁盤機。第一塊溫盤IBM3340于1973年由位于美國加州坎貝爾市溫徹斯特大街的IBM公司研究所研制成功。 溫盤是一種密封組合式的硬磁盤，即磁頭

19、、盤片、電機等驅(qū)動部件和讀寫電路組裝成一個不可隨意拆卸的整體。工作時，高速旋轉(zhuǎn)的盤片形成的氣墊將磁頭平穩(wěn)浮起。防塵性好、可靠性高，對環(huán)境要求不高。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering34硬盤結(jié)構(gòu)及驅(qū)動部件Shenyang Institute of Aeronautical Engineering35硬盤控制器 硬盤除了需要驅(qū)動部件控制磁頭準確定位信息存放的磁道外，還需要控制器負責數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和主機的通信?？刂齐娐芬话阍O(shè)置在磁盤背面。主機數(shù)據(jù)緩沖DMA控制并/串轉(zhuǎn)換串/并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)譯碼讀時鐘產(chǎn)生器讀放大器數(shù)據(jù)編碼器寫放大器讀/寫磁頭磁盤機格式控制