外部存儲器主題知識講座

第七章外部存放器硬盤移動存放器光盤儲存系統(tǒng)外部存儲器主題知識講座第1頁計算機存放器系統(tǒng)外存特點：容量大、單位容量成本低、非易失性、尋址和訪問速度慢、存放體可更換等。計算機存放系統(tǒng)reg、cache、內(nèi)存外存磁存放器光存放器磁盤磁帶軟磁盤硬磁盤其它磁盤存放器CDDVDDVD-R….VCDCD-R….半導體存放器Flash電子盤外部存放器概述外部存儲器主題知識講座第2頁磁盤系統(tǒng)——磁性材料記憶原理磁性存放原理：

磁盤存放信息是利用含有矩形磁滯回線磁性材料，這種磁性材料在外加磁場作用下，其磁感應強度B與外加磁場H關系，可用矩形磁滯回線來描述。H，磁場B，磁感應強度I，電流t，時間寫“1”寫“0”外部存儲器主題知識講座第3頁7.1.1硬盤發(fā)展1956年，IBM創(chuàng)造世界上第一臺硬盤（IBM350RAMAC

）,它相當于兩個冰箱體積外部存儲器主題知識講座第4頁7.1.1硬盤發(fā)展1973年，IBM又創(chuàng)造了Winchester(溫氏)硬盤（IMB3340）。其關鍵是：磁盤片被密封、固定而且不停高速旋轉(zhuǎn)，磁頭懸浮于盤片上方沿磁盤徑向移動，而且不和盤片接觸。以后硬盤基本都沿用了這一結(jié)構。

外部存儲器主題知識講座第5頁7.1硬盤系統(tǒng)體積：3.5英寸/半高(用于臺式PC)

2.5英寸(用于筆記本PC)

1.8英寸微型(用于數(shù)碼產(chǎn)品)容量：10～40MB(8086/286)→100～500MB(386/486)→1～6TB(當前)連續(xù)傳輸速率：100KB/s→600MB/s平均尋道時間：12ms→5ms轉(zhuǎn)速：4200轉(zhuǎn)/s→15000轉(zhuǎn)/s外部存儲器主題知識講座第6頁7.1.1硬磁盤結(jié)構與工作原理1.硬磁盤組成硬盤內(nèi)部包含浮動磁頭組件、磁頭驅(qū)動機構、盤體及主軸驅(qū)動機構、前置讀寫控制電路和接口電路等。封裝在硬盤凈化腔體內(nèi)。外部存儲器主題知識講座第7頁硬磁盤組成1)盤體MediaMedia基板是金屬、玻璃或陶瓷材質(zhì)制成，為到達高密度高穩(wěn)定質(zhì)量，基板要求表面光滑平整，不可有任何暇疵，然后再將磁粉Coating濺渡到基板表面上，最終再涂上保護潤滑層。此處有2項高科技，一為，怎樣制造出不含雜質(zhì)極細微磁粉;二為，怎樣將磁粉均勻Coating上去.Media不可有任何污染，全程制造均需在高潔凈度CleanRoom內(nèi)，這也是硬盤機要求需在Class100CleanRoom才能拆解原因。外部存儲器主題知識講座第8頁硬磁盤組成

2)磁頭組件及磁頭驅(qū)動機構：磁頭組件是硬盤中最精密部位之一，它由讀寫磁頭、傳動手臂、傳動軸三部份組成。磁頭是硬盤技術中最主要和關鍵一環(huán)，它采取了非接觸式頭、盤結(jié)構，加后電在高速旋轉(zhuǎn)磁盤表面移動，與盤片之間間隙只有0.1～0.3um，這么能夠取得很好數(shù)據(jù)傳輸率。外部存儲器主題知識講座第9頁硬磁盤組成3)控制電路硬盤控制電路位于硬盤后面，將后面電路板安裝螺絲擰下，翻開控制電路板即可見到控制電路。硬盤控制電路分為：硬盤主控制芯片：負責數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理。緩存芯片：負責給數(shù)據(jù)提供暫存空間，提升硬盤讀寫效率。硬盤驅(qū)動芯片：負責硬盤馬達以及主軸馬達轉(zhuǎn)動。外部存儲器主題知識講座第10頁最常見數(shù)據(jù)傳輸接口有PATA（IDE）、SATA、SCSI、SAS、光纖五種，前兩種接口方式主要應用在個人PC上，后三種則主要使用在服務器領域。硬盤數(shù)據(jù)傳輸接口外部存儲器主題知識講座第11頁7.1硬盤——磁道、扇區(qū)和柱面盤體：盤體由多個同軸盤片組成，每個盤片都是雙面存放，第一個盤片第一面為0磁面，下一個為1磁面；第二個盤片第一面為2磁面，以這類推。

磁頭(Head)：每個磁面有一個磁頭進行讀寫，所以0磁面也稱為0磁頭。磁道(Track)：磁面上均勻分布同心圓存放軌跡。最外層為0磁道。扇區(qū)(Sector)：磁道上等弧度劃分扇段。普通一個扇區(qū)存放容量為512字節(jié)。柱面(Cylinder)：各個盤面上同一編號磁道組合。單個扇區(qū)外圈磁道中圈磁道內(nèi)圈磁道外部存儲器主題知識講座第12頁2.磁道、扇區(qū)和柱面外部存儲器主題知識講座第13頁2.磁道、扇區(qū)和柱面硬盤上一個物理統(tǒng)計塊要用三個參數(shù)來定位：柱面號C、扇區(qū)號S、磁頭號H。硬盤容量=柱面數(shù)×磁頭數(shù)×扇區(qū)數(shù)×512字節(jié)邏輯區(qū)塊位址(LogicalBlockAddress,

LBA)是描述電腦儲存設備上資料所在扇區(qū)通用機制。LBA是非常單純一個尋址模式﹔從0開始編號來定位扇區(qū)，第一扇區(qū)LBA=0，第二扇區(qū)LBA=1，依這類推。這種尋址模式取代了原先操作系統(tǒng)必須面對儲存設備硬件結(jié)構方式。在訪問硬盤時，由硬盤控制器再將這種邏輯地址轉(zhuǎn)換為實際硬盤物理地址外部存儲器主題知識講座第14頁3.統(tǒng)計格式

每一扇區(qū)除存放512字節(jié)用戶數(shù)據(jù)外，還存放著用于同時、數(shù)據(jù)定位、數(shù)據(jù)校驗等作用輔助數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)普通只作用于硬盤內(nèi)部。外部存儲器主題知識講座第15頁7.1.2硬磁盤性能指標1.容量硬盤是由多個存放碟片組合而成，而單碟容量就是一個存放碟所能存放最大數(shù)據(jù)量。經(jīng)過兩種伎倆增加硬盤容量：一個是增加存放碟片數(shù)量；另一個方法就是增加單碟容量。位密度：磁道單位長度上所存放二進個數(shù)道密度：半徑方向單位長度上磁道個數(shù)面密度：=位密度*道密度（Mb/平方英寸或Gbit/平方英寸）外部存儲器主題知識講座第16頁7.1.2硬磁盤性能指標2.最大內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率是指磁頭至硬盤緩存間最大數(shù)據(jù)傳輸率包含磁頭把數(shù)據(jù)從盤片讀入緩存速度，以及磁頭把數(shù)據(jù)從緩存寫入盤片速度?？捎脕碓u價硬盤讀寫速度和整體性能3.轉(zhuǎn)速主軸轉(zhuǎn)速是決定硬盤內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率決定原因之一，它在很大程度上決定了硬盤速度，同時也是區(qū)分硬盤檔次主要標志。外部存儲器主題知識講座第17頁7.1.2硬磁盤性能指標4.高速緩存指在硬盤內(nèi)部高速DRAM存放器。5.尋道時間(ms)指硬盤磁頭移動到數(shù)據(jù)所在磁道而所用時間。平均尋道時間則為磁頭移動到正中間磁道需要時間。外部存儲器主題知識講座第18頁7.1.2硬磁盤性能指標6.SMARTS.M.A.R.T全稱為“Self-MonitoringAnalysisandReportingTechnology”，即“自我監(jiān)測、分析及匯報技術”。支持S.M.A.R.T技術硬盤能夠經(jīng)過硬盤上監(jiān)測指令和主機上監(jiān)測軟件對磁頭、盤片、馬達、電路運行情況、歷史統(tǒng)計及預設安全值進行分析、比較。當出現(xiàn)安全值范圍以外情況時，就會自動向用戶發(fā)出警告。外部存儲器主題知識講座第19頁7.1.3

分區(qū)和格式化硬盤在使用之前必須經(jīng)過低級格式化、分區(qū)和高級格式化三個步驟。1.低級格式化普通硬盤在出廠之前都做過低級格式化，低級格式化和操作系統(tǒng)無關。作用：創(chuàng)建磁道和扇區(qū)，寫入每個扇區(qū)頭、尾信息。外部存儲器主題知識講座第20頁7.1.3

分區(qū)和格式化分區(qū)將硬盤分成多個邏輯區(qū)域(邏輯盤)，每個分區(qū)可支持不一樣操作系統(tǒng)。分區(qū)可分為主分區(qū)和擴展分區(qū)，擴展分區(qū)又可分成多個邏輯分區(qū)，每個分區(qū)對應一個邏輯磁盤。

主引導統(tǒng)計分區(qū)1（主分區(qū)）分區(qū)2（擴展分區(qū)）分區(qū)3（其它分區(qū)）分區(qū)3（其它分區(qū)）外部存儲器主題知識講座第21頁7.1.3

分區(qū)和格式化3.高級格式化

將分區(qū)內(nèi)全部扇區(qū)分成引導區(qū)、文件分配表(FAT)、文件根目錄表和數(shù)據(jù)區(qū)四個區(qū)域。引導區(qū)：磁盤參數(shù)和引導程序等。文件分配表(FAT)：數(shù)據(jù)區(qū)每一個簇對應文件分配表中兩個字節(jié)，表示該簇被某文件占用并指明該文件下一簇。文件根目錄：一個文件目錄稱為一個目錄項。存放文件名、修改日期時間、文件長度及起始簇。外部存儲器主題知識講座第22頁硬盤文件系統(tǒng)FAT(FileAllocationTable)16FAT16文件系統(tǒng)中簇編號為16位二進制，簇最大容量為32KB，邏輯盤最大容量=64KX32K=2048M=2G。FAT32：32位文件分配表，用于Windows9x/文件系統(tǒng)，用32位二進制對簇進行編號。FAT32文件系統(tǒng)簇所包含扇區(qū)數(shù)少，如2GB一個邏輯盤，F(xiàn)AT16簇容量為32KB，而FAT32簇容量為4KB。外部存儲器主題知識講座第23頁硬盤文件系統(tǒng)NTFS：最大分區(qū)2TB，Win2000下使用FAT32最大分區(qū)為32GB。使用事物處理日志和恢復技術來保證分區(qū)一致性，發(fā)生系統(tǒng)失敗事件時，NTFS使用日志文件和檢驗點信息自動恢復文件系統(tǒng)一致性。支持對分區(qū)、文件夾和文件壓縮?？烧J為共享資源、文件夾以及文件設置訪問許可權限外部存儲器主題知識講座第24頁提升磁盤存放容量技術早期標準統(tǒng)計：

新扇區(qū)統(tǒng)計：位密度外低內(nèi)高; 位密度相等;浪費存放能力； 充分利用存放能力；數(shù)據(jù)傳輸速率相等。 數(shù)據(jù)傳輸速率外高內(nèi)低。1.改變扇區(qū)統(tǒng)計方式外部存儲器主題知識講座第25頁提升磁盤存放容量技術2.采取垂直磁統(tǒng)計兩種不一樣磁統(tǒng)計方式示意圖上圖為縱向磁統(tǒng)計下列圖為垂直磁統(tǒng)計外部存儲器主題知識講座第26頁提升磁盤存放容量技術3.3D儲存技術是在原來只有一層儲存面下再加一層，變成上層磁性排列方向能左右改變，下層則是上下改變兩層。應用這種技術后硬盤容量就能夠翻倍了。外部存儲器主題知識講座第27頁SSD基于DRAM基于FLASHMLCNAND型

NOR型

SLC固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤SSD也稱作電子硬盤或者固態(tài)電子盤固態(tài)存放單元組成硬盤。外部存儲器主題知識講座第28頁基于閃存固態(tài)硬盤IntelSSD720，采取了PCI-Express2.0x4接口，配置512MB緩存，搭載34nmMLCNAND閃存顆粒，官方給出讀寫速度分別到達了2.2GB/s和1.8GB/s，隨機讀取高達180000IOPS，寫入則為56000IOPS。IOPS(Input/OutputOperationsPerSecond)，即每秒進行讀寫（I/O）操作次數(shù)，多用于數(shù)據(jù)庫等場所，衡量隨機訪問性能。外部存儲器主題知識講座第29頁固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤工作原理SSD硬盤用閃存顆粒來存放數(shù)據(jù)。固態(tài)硬盤在原理結(jié)構上基本上是模擬普通機械硬盤，比如模擬扇區(qū)、模擬磁道等。固態(tài)硬盤使用壽命限制在固態(tài)硬盤算法定義中，修改一次才算一次真正讀寫。外部存儲器主題知識講座第30頁固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤優(yōu)點低功耗、無噪音、抗震動、低熱量、重量輕、速度快固態(tài)硬盤缺點：成本和寫入次數(shù)。而因為flash芯片都有一定寫入壽命、而且壽命屆滿后資料會讀不出來。固態(tài)硬盤數(shù)據(jù)損壞后是難以修復。外部存儲器主題知識講座第31頁混合硬盤混合硬盤：在原硬盤基礎上增加閃存緩存基于閃存緩存能夠降低讀取硬盤次數(shù)而且消除許多寫盤動作。與傳統(tǒng)硬盤相比混合硬盤優(yōu)點：更加快開機與休眠回復速度；更低耗電率；更高可靠度。外部存儲器主題知識講座第32頁7.2.1光盤分類當前光盤儲存系統(tǒng)主要有CD和DVD兩類：CD：存放容量約650MB，按讀寫屬性可分為只讀、一次可寫，可擦寫三種。DVD：可雙面存放信息，而且每面可存放兩層信息。單面單層4.7GB，雙面單層9.4GB，雙面雙層17GB。CDCD-ROMVCDCD-IPhotoCDCD-RCD-RWDVDDVD-ROMDVD-RDVD-RW外部存儲器主題知識講座第33頁7.2光盤存放系統(tǒng)-原理光盤上存放各種類型信息都是數(shù)字化后“0”與“1”，其所對應就是光盤上Pits（凹點）和Lands（平面）。當激光映射到盤片上時，假如是照在Lands上，那么就會有70％到80％激光被反射回；假如照在Pits上，就無法反射回激光。依據(jù)反射和無反射情況，光盤驅(qū)動器就能夠解讀"0"或"1"數(shù)字編碼了。外部存儲器主題知識講座第34頁CD類光盤按應用和介質(zhì)分類CD-DA(DigitalAudio)：激光唱盤。CD-ROM(ReadOnlyMemory)：只讀光盤，作為電子出版物載體。PhotoCD：Kodak企業(yè)制訂，用壓縮方式存放數(shù)字照片CD格式標準。CD-I(Interactive)：一個支持交互CD技術規(guī)范。VCD(VideoCD)：用MPEG-1壓縮方式存放數(shù)字化視頻和音頻CD標準。其視頻分辨率約為240X320，伴音為雙聲道立體聲，播放時間約74分鐘。CD-R(Recordable)：可寫入介質(zhì)光盤，可分屢次寫入。CD-RW(Rewritable)：可擦寫介質(zhì)盤。外部存儲器主題知識講座第35頁7.2.3DVD基本結(jié)構及原理1994年9月，日本PIONEER（先鋒）企業(yè)宣告將推出一個尺寸與CD-ROM相同、容量卻要大8倍新型光存放介質(zhì)——DVD。DVD光盤結(jié)構與CD光盤基本相同，直徑都是12cm，存放密度則比后者大得多，主要得益于DVD光盤上統(tǒng)計數(shù)據(jù)凹坑尺寸和軌道間距都比CD光盤小，所以大大提升了數(shù)據(jù)存放密度。外部存儲器主題知識講座第36頁DVD主要規(guī)格DVD主要規(guī)格

DVD主要有：DVD-ROM、DVD-Video、DVD-Audio、DVD-R、DVD-RW、

DVD+RW、DVD-RAM等。

1.DVD-ROM

DVD-ROM是用來讀取數(shù)字資料DVD規(guī)格，總共有四種容量，分別為4.7GB、8.5GB、9.4GB、17GB，硬件產(chǎn)品稱為只讀式DVD-ROM光驅(qū)。

DVD光盤規(guī)格

名稱格式

容量DVD-5單面單層4.7GBDVD-9單面雙層8.5GBDVD-10雙面單層9.4GBDVD-18雙面雙層17GB

外部存儲器主題知識講座第37頁DVD主要規(guī)格DVD-RDVD-R是能寫入一次，容量為4.7GB。DVD-R是用有機染料看成紀錄介質(zhì)，利用激光在染料層上刻出pit紀錄資料能夠供DVD-ROM讀取，也能夠在DVD播放機里播放。DVD-RAMDVD-RAM是一個由松下、日立及東芝企業(yè)聯(lián)合推出可重復擦寫DVD規(guī)范。普通DVD-ROM光驅(qū)無法讀取DVD-RAM外部存儲器主題知識講座第38頁DVD主要規(guī)格雙層DVD刻錄盤片外部存儲器主題知識講座第39頁DVD主要規(guī)格DVD±RWDVDForum所提出第二種可重復讀寫DVD規(guī)格，其硬件產(chǎn)品稱之為可覆寫式數(shù)字多功效光驅(qū)(DVD-RW光驅(qū))，其主導廠商有先鋒，參加制造廠商有三星、夏普、SONY…等。第二代DVD±RW它光盤容量將會要求是4.7GB，而且除了能夠燒錄DVD±RW片子外，還能夠支持燒錄DVD-R、DVD-RW、CD-R、CD-RW這些光盤片。外部存儲器主題知識講座第40頁7.2.5藍光技術介紹2月19日：以索尼、飛利浦、松下為關鍵，聯(lián)合日立、先鋒、三星、LG、夏普和湯姆遜共同公布了Blu-rayDisc（簡稱BD）技術標準。高密度，大容量，單層容量為25GB，雙層容量50GB。采取405nm藍色激光讀寫，得名“藍光” 主要軌道參數(shù)中凹陷直徑為0.14μm（DVD為0.4μm），軌道間距為0.32μm（DVD為0.74μm）。 BD系統(tǒng)主要應用將是高清楚度電影，壓縮標準為MPEG-2，視頻分辨率為1920×1080或1080×720，音頻為7.1聲道圍繞聲。版權保護愈加嚴格外部存儲器主題知識講座第41頁外部存儲器主題知識講座第42頁7.2光盤系統(tǒng)——光盤驅(qū)動器光盤驅(qū)動器就是日常所說光驅(qū)，讀取光盤信息設備內(nèi)部組成旋轉(zhuǎn)及其伺服控制機構；激光發(fā)送、接收及其平行移動反光和聚焦系統(tǒng)；信號編譯碼、驅(qū)動檢測電路；接口控制和緩沖存放器電路。

激光二極管

光束分離器

聚焦透鏡

光電檢測器

平移驅(qū)動裝置

反光鏡

光盤

外部存儲器主題知識講座第43頁7.2光盤驅(qū)動器驅(qū)動器類型及其兼容性驅(qū)動器類型光盤類型CD-ROMCD-R/RWDVD-VideoDVD-ROMDVD-RAMDVD-R/RWDVD+R/RWCD-ROMRRCD-R/RWRR/WDVD-ROMRRRRRRComboRR/WRRRRDVD-RAMRRRRR/WRRDVD-RWRR/WRRR/WRDVD+RWRR/WRRRRR/W外部存儲器主題知識講座第44頁3、光驅(qū)性能指標數(shù)據(jù)傳輸率：表明光驅(qū)從光盤上讀取數(shù)據(jù)快慢。單速：是指最初CD光驅(qū)讀取速率150KB/S

CD在1小時內(nèi)讀完一張CD盤速度定義為1倍速。DVD1倍速則在1350KB/s左右X倍速：指是光驅(qū)讀取速率是單速多少倍。平均讀取時間：是指從光頭定位到開始讀盤時間，普通是越小越好。不能超出95ms。緩存：作用是提供一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)域，將讀取數(shù)據(jù)暫時保留，然后一次性進行傳輸和轉(zhuǎn)換。容錯性能：是指光驅(qū)讀取質(zhì)量不太好光盤能力，容錯性能越強，光驅(qū)能讀“爛盤”越多。

外部存儲器主題知識講座第45頁7.3.1移動盤移動盤主要包含兩類第一類是由半導體存放器為存放內(nèi)核，這一類主要是U盤。另外一類是以硬磁盤為存放內(nèi)核，通常稱這一類為移動硬盤。兩類移動存放器當前使用接口主要是USB接口，但移動硬盤也有使用其它接口，如eSATA和IEEE-1394。外部存儲器主題知識講座第46頁1.U盤U盤特點1、體積小、容量大2、傳輸速度快：USB3.0接口3、攜帶方便4、數(shù)據(jù)安全抗震性能強,防潮防磁數(shù)據(jù)可長久保留外部存儲器主題知識講座第47頁1.U盤

USB閃存盤結(jié)構閃存盤主要由I/O控制芯片、閃存、電路板和其它電子元器件組成。外部存儲器主題知識講座第48頁2.移動硬盤移動硬盤實際上就是硬盤采取了USB接口或IEEE-1394接口，有些還帶有eSATA接口。外部存儲器主題知識講座第49頁7.3.2存放卡存放卡：也叫閃存卡（FlashCard）是利用閃存技術存放電子信息存放器普通應用在數(shù)碼相機，掌上電腦，MP3等小型數(shù)碼產(chǎn)品中作為存放介質(zhì)。CF（CompactFlash）卡MMC（MultiMediaCards）卡(已停產(chǎn))SD（SecureDigitalCard）卡記憶棒（MemoryStick）外部存儲器主題知識講座第50頁1.CF——CompactFlashCF存放卡是由美國SanDisk企業(yè)于1994年研制成功，它采取了ATA體系結(jié)構并仿照了磁盤驅(qū)動器CF卡特點是：ATA數(shù)據(jù)接口，容量大、存取速度快、兼容性好。CF卡1X傳輸速度為150KB/S，主流有133X、266X等，高端則有600X外部存儲器主題知識講座第51頁2.MMC——MultiMediaCardMMC卡（MultiMediaCard，多媒體卡）由SanDisk與西門子聯(lián)合開發(fā)，于1997年11月發(fā)表，其外形尺寸為24mm×32mm×1.4mm，重量2g。MMC卡存放單元和控制器一同做到了卡上RS-MMC（