外存設備與磁盤陣列技術課件

外存設備與磁盤陣列技術

這里說的外存設備，主要指磁盤、磁帶和光盤。當高速磁盤以虛擬存儲器的面貌出現(xiàn)時，人們更喜歡稱其為輔助存儲器。外存設備，更多的是強調(diào)這些設備的如下特性：設備的存儲容量大、存儲成本低，特別是在斷電后仍能長期保存信息，大部分存儲介質(zhì)還能脫機保存信息。本節(jié)內(nèi)容屬于一般了解的部分比較多，例如磁表面存儲器的讀寫原理，這些設備的一般組成等；屬于應掌握的內(nèi)容不是很多，主要是磁記錄編碼，光盤簡單組成與讀寫原理，磁盤陣列與容錯技術中的主要概念性知識。

外存設備概述

1.外存設備的主要技術指標

（1）存儲密度：

在存儲介質(zhì)的單位長度上或單位面積上所存儲的二進制信息的數(shù)量。對于磁盤設備，通常用道密度和位密度表示，也可以用二者的乘積表示。對磁帶設備，通?？偸怯梦幻芏缺硎尽?/p>

（2）存儲容量：（3）尋址時間：

磁盤設備屬于按直接存取方式讀寫的設備，它的尋址時間由兩部分組成，一是磁頭沿磁盤的徑向運動到達目標磁道的時間，二是在目標磁道上磁盤被讀寫區(qū)段旋轉(zhuǎn)到磁頭下面的時間。由于這兩個時間都與磁頭距離目標位置的遠近有關，故習慣上都用這兩個時間的最大與最小時間的平均時間值之和來表示。當前的磁盤，該值為幾個毫秒到十幾個毫秒；磁盤本身的讀寫速度相對較快。磁帶設備則是以順序存取方式完成讀寫，不存在尋找磁道的問題，但要讀寫磁帶某個區(qū)域上的信息，必須首先等待磁帶旋轉(zhuǎn)到該區(qū)域所用的時間，可能是幾分鐘到十幾分鐘，時間回比較長；磁帶本身的讀寫速度也要慢一些。

（4）數(shù)據(jù)傳輸率：

指磁表面存儲器在單位時間內(nèi)可以向主機傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量，通常用二進制數(shù)的位數(shù)或字節(jié)數(shù)表示。它與設備本身的讀寫速度和接口邏輯線路有關。

5）誤碼率：

外存設備是高精密度的機械電子裝置，集機械、電子、電磁、光電等多項技術于一身，不僅價格較高，其運行的可靠性也遠比CPU、主存等電子邏輯部件要低。誤碼率就是用于衡量磁表面設備運行可靠性的重要指標，它等于在一次讀操作過程中，出錯信息數(shù)量在讀出的全部信息中所占的比例。

（6）價格：

在現(xiàn)代的計算機系統(tǒng)中，外存設備本身的價格算得上是很貴的部分，但由于它的存儲容量特別大，為存儲單位信息（例如1KB）所占的平均價格又是最低的部件。

2。磁表面存儲器的工作原理(1)磁記錄原理

磁表面記錄設備，是在磁頭和磁性材料的記錄介質(zhì)之間有相對運動時，通過一個電磁轉(zhuǎn)換過程完成讀寫操作的。

磁頭是實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)換過程的關鍵裝置，通常由軟磁材料（外界磁場的作用消失后，該磁性材料的磁性容易消失）做成。它是一個留有前后間隙的磁性環(huán)狀物體，上面繞有線圈。后間隙越小越好，前間隙（稱為工作間隙）要寬窄適當。當向線圈提供一定方向和大小的電流時，將使磁頭體被磁化，建立起有一定方向和強度的磁場，即在磁環(huán)內(nèi)有磁力線產(chǎn)生，由于磁頭的前間隙處磁阻較大，將產(chǎn)生漏磁，這漏磁就是向磁記錄介質(zhì)中寫入信息的信息源。

磁記錄介質(zhì)，是在某種剛性（如硬盤）或柔性（如軟盤、磁帶）載體上涂有薄層磁性材料的物體，用于記錄以磁狀態(tài)表示的信息。磁記錄介質(zhì)用硬磁材料（外界磁場的作用消失后，該磁性材料的磁性盡量多的保留）做成。

磁表面存儲器的磁性材料具有如圖所示的矩形磁滯回線，當這些磁性材料被磁化后，其工作特點總是在磁滯回線，只要外加足夠大的正向脈沖電流（外加磁場H），則電流消失后，磁感應強度并不為0而處于正剩磁狀態(tài)+Br。反之若外加負向脈沖電流，磁感應強度可出現(xiàn)負剩磁狀態(tài)-Br即當這些磁性材料被磁化后，會出現(xiàn)兩個穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)，形成一磁化元或存儲元。如果規(guī)定+Br狀態(tài)表示代碼“1”，-Br表示代碼“0”，則利用剩磁狀態(tài)可以記錄一位二進制信息。磁表面存儲器是利用“磁頭”來形成和判別磁層中的不同磁化狀態(tài)的。（2）磁記錄方式

當前最常用的基本編碼方式有如下幾種，各自的寫入電流和磁化強度的波形給出在圖4.27中：1）歸零制（RZ）

這是用向磁頭線圈送入正、負脈沖電流的辦法執(zhí)行寫"1"、寫"0"操作的方案，使1和0信號的磁化狀態(tài)正好相反。它的主要矛盾，是在兩個信息位之間磁層處于非磁化狀態(tài)，難以解決，故不實用，但對理解經(jīng)過電磁轉(zhuǎn)換在磁性材料中記錄二進制信息的原理是有幫助的。2）不歸零制（NRZ）

這是用向磁頭線圈送入正、反向電流的辦法執(zhí)行寫"1"、寫"0"操作的方案，使1和0信號的磁化狀態(tài)正好相反。與前一種方案相比，取消了兩個信息位之間磁頭線圈中無電流的情況，故磁層中不存在未被磁化的狀態(tài)，不是被正向磁化，就是被正向磁化。

3）見1就翻的不歸零制（NRZ1）

這是用在寫"1"時就變化磁頭線圈中的電流方向（寫"0"則不變電流方向）的辦法執(zhí)行寫"1"、寫"0"操作的方案。

4）調(diào)相制（PM）

這是用在磁層中不同的磁化翻轉(zhuǎn)方向來區(qū)別數(shù)據(jù)"1"和"0"的方案，為此，磁頭線圈中的電流，在寫"1"和寫"0"的要朝不同的方向變化，讀出時，就表現(xiàn)為讀出的信號是正還是負脈沖，即二者的信號相位差為180度。5）調(diào)頻制（FM）

這是用在磁層中不同的磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)來區(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，在每個位周期起始處要變化一次方向，在寫"1"時，還要在位周期中心處再變化一次方向，而寫"0"則不會在位周期中心處變化電流方向。讀出時，讀出的1信號表現(xiàn)為兩個脈沖，讀出的0信號表現(xiàn)為一個脈沖。二者的讀出脈沖頻率差一倍。6）改進調(diào)頻制（MFM）

正象它的名字指明的，這是對前面講的調(diào)頻制一種改進方案，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%。這一改進表現(xiàn)在取消了在某些位期起始處的變化磁頭線圈中的電流方向的動作，只保留在連續(xù)的"0"信號的位期起始處的的電流方向變化，以便保證該編碼方式的自同步能力。圖4.27不同紀錄方式的寫入脈沖和磁化強度波形圖

作業(yè)：1。設寫入代碼為11011001，試畫出RZ、NRZ、NRZ1，PE、FM、MFM的寫電流波形，指出哪些有自同步能力。2。設寫入磁盤存儲器的`數(shù)據(jù)代碼為001101，試用NRZ1制記錄方式畫出寫入電流、記錄介質(zhì)磁化狀態(tài)、讀出信號、整流及選通輸出各信號波形圖。圖4.29硬磁盤驅(qū)動器的一般組成

(1)主軸及其驅(qū)動系統(tǒng)硬磁盤的盤片(組)被固定(或插入后卡在)磁盤機的主軸上，由主軸帶動磁盤勻速旋轉(zhuǎn)，而磁盤機的主軸，則是由一個主電機通過傳動皮帶帶動旋轉(zhuǎn)的。主電機的轉(zhuǎn)速必須被監(jiān)測和進行自動調(diào)節(jié)。為保證有正常的讀寫信號，保證浮動磁盤頭與磁盤表面有合理的距離，要求磁盤以一個額定的轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)。因此，必須在剛加電啟動時，檢測磁盤是否已達到額定轉(zhuǎn)速，通常在未達到這一轉(zhuǎn)速之前，可以不允許磁頭進入磁盤外沿之內(nèi)；在磁盤正常旋轉(zhuǎn)的過程中，還可以用一個閉環(huán)的自調(diào)節(jié)系統(tǒng)使其轉(zhuǎn)速盡可能的均勻。1硬磁盤驅(qū)動器的組成與功能

(1)主軸及其驅(qū)動系統(tǒng)

(2)磁頭及其定位系統(tǒng)(3)數(shù)據(jù)讀寫等控制邏輯部分(2)磁頭及其定位系統(tǒng)

大部分的磁盤系統(tǒng)中，只為每個磁盤面設立一個磁頭，為在磁盤徑向方向的某個位置(某一磁道)完成讀寫，必須驅(qū)動磁頭移到并定位在那里，實現(xiàn)這一功能的部件被稱為磁頭定位驅(qū)動機構(gòu)，它由磁頭小車和驅(qū)動部件組成，磁頭被安裝在小車上，小車的運動帶動磁頭沿磁盤的徑向方向前進或后退。這樣的磁盤系統(tǒng)被稱為活動頭磁盤，它的尋找磁道的時間比較長；也有一些磁盤，出于提高讀寫速度的需要，為每個磁道分別安裝一（多）個磁頭，使用的磁頭數(shù)目變多，但取消了磁頭尋找磁道的時間，這樣的磁盤系統(tǒng)被稱為固定頭磁盤。

高性能的定位驅(qū)動系統(tǒng)比較復雜。軟磁盤和道密度不高(例如每英寸300道)的硬磁盤中，一般選用步進電機，它是用脈沖信號驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，每個脈沖信號是磁頭移動一個磁道，特點是結(jié)構(gòu)簡單但速度與定位精度都低。高性能的定位驅(qū)動系統(tǒng)，多采用音圈電機驅(qū)動和伺服盤定位，音圈電機是線性電機，由提供給它的直流電流的大小控制電機的活動部分(磁頭小車就固定在它的前端)作不同速度的直線運動。它的高性能(高的運動速度和定位精度)來自于帶有速度和位置反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)的自動控制系統(tǒng)。如圖4.30所示。

圖4.30音圈電機控制系統(tǒng)

浮動磁頭的概念:磁頭與記錄信息的磁表面之間的距離，與磁盤記錄密度和讀寫的可靠性有密切聯(lián)系。距離一變大，磁頭漏磁對磁表面上的磁性材料的作用強度會變小，顯然會影響讀寫的可靠性；距離太小，又很容易發(fā)生直接接觸(撞在一起)的危險，在二者以非常高的速度相對運動中，很容易劃傷盤面或磨壞磁頭；最好的解決方案，當然是磁頭本身具有自動調(diào)節(jié)它與磁盤表面距離的能力，也就是磁頭在磁表面上方能上上下下的自行浮動的能力，這就是浮動磁頭的概念。它的實現(xiàn)是建立"氣墊"原理之上的，即當磁頭與磁盤面之間進行高速運動時，會有空氣在二者之間形成一個薄層的"氣膜"，把磁頭向上抬起，當磁頭與磁表面距離變小時，抬的力會變大，把磁頭稍稍往上推一點，當這一距離變大時，抬的力會變小，使磁頭稍稍往下落一點。(3)數(shù)據(jù)讀寫等控制邏輯部分要讀寫磁盤上的信息，首先必須給出信息在磁盤設備上的準確位置，這個位置信息通常由哪個磁盤面(即哪一個磁頭)，哪一個磁道的哪一個存儲區(qū)域(通常為磁道的扇區(qū))等幾部分組成。對于寫操作，當把要用的寫入地址送入磁盤的地址寄存器之后，再把要寫入的數(shù)據(jù)經(jīng)磁盤接口送到磁盤的讀寫控制邏輯電路，經(jīng)過編碼處理(在編碼方式一節(jié)略有說明)，送寫入驅(qū)動器再送入選定的磁頭的寫入線圈，把信息串行地寫入選定的磁道中；寫入操作伴有比較完善的出錯檢查，并同時把這些檢查結(jié)果的信息(如CRC碼)也寫在特定的存儲區(qū)，用于讀操作時復核讀出結(jié)果的正確性。對于讀操作，首先使磁頭移動到由磁盤地址寄存器指定的存儲區(qū)域，選中的磁頭執(zhí)行讀操作，讀出信號送讀出放大器，經(jīng)譯碼電路分離出數(shù)據(jù)脈沖，拼裝成字節(jié)或字的格式送入磁盤接口。讀的過程也伴有出錯檢查(甚至自動糾錯)操作。

讀寫電路框圖

IBM37408寸軟盤的數(shù)據(jù)記錄格式。3磁盤接口卡

磁盤接口是為了可以把不同型號的主機與不同型號的磁盤設備連接在一起，構(gòu)成一個能協(xié)同運行的整機系統(tǒng)所必需的，該卡無疑需要在兩個方向上有正確的接口關系。在一個方向上，它需要與主機正常連通與協(xié)調(diào)運行，主要是與主機系統(tǒng)的總線打交道，CPU要發(fā)送數(shù)據(jù)與命令，接收數(shù)據(jù)與取得設備(接口)運行裝態(tài)等，都要經(jīng)過總線完成，而接口卡正是插在主機總線插槽上的一塊線路板。在另一個方向上，它需要與磁盤設備連通并協(xié)調(diào)運行。磁盤設備通常有自己的控制器，以確保磁盤設備本身有比較好的獨立性和完備性。但不同磁盤的控制器所提供的功能并不一致，有些功能可以在磁盤本身的控制器中提供，也可能把它劃分在磁盤的接口卡中實現(xiàn)。顯而易見，不同廠家、型號的磁盤設備，會用不同的接口卡與指定的計算機主機接通，隨意配接往往是行不通的。

磁盤接口卡與磁盤控制器的功能劃分

其中ST506是美國SeagateTechnology公司1980年為5.25英寸的ST506小型溫盤研制的，以后其他一些公司在微機中也采用了這一標準。它把磁盤讀寫等邏輯電路主要劃分在接口卡上，磁盤驅(qū)動器部分主要保留了寫入放大器與讀出放大器電路。采用MFM編碼和步進電機定位機構(gòu)尋道。ESDI(EnhancedSmallDeviceInterface)，即增強型小型設備接口，是一種更通用的磁盤接口，也能接磁帶和光盤設備，具有5Mb/s和10Mb/s兩種傳送率。它把數(shù)據(jù)的編碼、譯碼部分拿到了磁盤驅(qū)動器中，提高了設備運行的可靠性，數(shù)據(jù)傳送采用不歸零制(NRZ)，驅(qū)動器也可以采用其它編碼標準，支持步進方式(以步進電機為執(zhí)行機構(gòu))和連續(xù)方式(即以音圈電機為執(zhí)行機構(gòu))兩種尋道方式。SCSI(SmallComputerSystemInterface)，即小型計算機系統(tǒng)接口，是當前最流行的小型機和微型機中的總線標準，有SCSI-1，SCSI-2和SCSI-3等幾個標準，許多磁盤接口卡可以連接到SCSI總線上，能連接8位、16位或32位的多種設備。

光盤設備的組成與運行原理

光盤設備(OpticalDisk)是利用激光照射圓形盤體完成信息讀寫的設備。它的特點是存儲密度高，容量大，非接觸式讀寫，工作可靠性好，價格便宜，因此在當前的計算機系統(tǒng)中得到廣泛應用。

目前被廣泛應使用的，主要有3種類型的光盤。第1種是只讀光盤，它上面的信息是由計算機廠家提供的，只供用戶執(zhí)行讀操作，被稱為CD-ROM(CompactDsik-ROM)。第2種是一次型寫光盤WORM(WriteOnce,ReadMany)，它上面的信息可以由用戶用寫光盤機寫入，寫入后則不能再修改，是備份數(shù)據(jù)的有效手段。第3種是可擦寫型光盤，多是用激光照射特定的磁性材料介質(zhì)實現(xiàn)的，它上面的信息可以被多次地寫讀，這種設備價格比較貴，目前使用的普及程度較差。

以寫一次型光盤為例，來說明光盤設備的組成與讀寫原理。寫一次型光盤設備由光盤機和盤片組成。光盤機由主軸驅(qū)動機構(gòu)，讀寫光頭和尋道定位機構(gòu)，激光器、光束分離器和光聚焦鏡等組成。光盤是圓形的、用于記錄信息的盤片，由基板、鋁質(zhì)反射層和薄金屬膜三層結(jié)構(gòu)組成，基板提供合適的機械性能，反射層用于反射接收到的激光信號，而金屬膜則是記錄信息（區(qū)分"0""1"信號)的介質(zhì)，即在比較強的激光照射下，它被融化出小洞，從而會改變照射到它上面的激光的反射強度。激光器多為氣體（或半導體）激光器，它可以產(chǎn)生一定亮度(強度)的激光束，是光源部件。光束分離器把接收到的激光束分成為寫光束和讀光束兩部分。調(diào)制器用于控制是否要讓寫光束通過。寫光束要通過跟蹤反射鏡和聚焦鏡實現(xiàn)尋道定位，把寫光束聚焦為很細的光束打到指定的光盤位置，從而在那里融出一個小于1l的一個小坑，表示已完成1個1信號的寫入操作。讀出時，讀光束也會照射到指定的光盤位置，但它的能量很弱，不會改變金屬膜的反射特性，只會把所照到之處有無小坑通過反射光的強弱表現(xiàn)出來，反射回來的光被送到光敏二極管，從而確定讀出來的是"1"信號還"0"信號。由于金屬膜的反射特性，一旦被破壞了就不能再恢復，所以這種類型的光盤只能被寫一次。

磁盤陣列技術與容錯支持

作為計算機系統(tǒng)外存儲器的主要支柱設備，磁盤的容量、讀寫速度、價格和容錯支持，一直是人們致力解決的問題。過去很長一段時間，研究工作多集中在提高、改善單個個體磁盤機的性能方面，因為待改善的性能、要做的技術工作都有較大的選擇余地，這些工作也確實取得了巨大成績，極大地推動了磁盤的普及應用。但這是不是解決問題的唯一途徑呢？顯然不是，另外一個可行途徑，是使用統(tǒng)一管理的由多個磁盤組成的磁盤陣列，最早是由美國的一個科研小組提出來并很快成為被工業(yè)界廣泛接受的一項技術。這一技術的著眼點，還是通過多個磁盤設備的并行操作來提高設備總體的性能和可靠性。

顯而易見，如果一個磁盤有xMB的容量，單位時間提供yMB的傳送能力，則概念上講，n個這樣的磁盤就有n%xMB的容量，n%yMB的傳送能力，換句話說，要讀出yMB的數(shù)據(jù)，所用的平均時間只要原來單個磁盤所用時間的1/n；還有一點好處是，通過合理地在多個磁盤之間組織數(shù)據(jù)，可以得到比較理想的容錯能力，這指的是，額外拿出一定的存儲容量（冗余），用于保存檢錯糾錯的信息。從總體價格上考慮，使用多個磁盤也并不會給用戶帶來太大的經(jīng)濟負擔。因此，科研組在提出這一技術思路時，用的詞為RedundancyArraysofInexpensivedisks(縮寫為RAID)，但到了工業(yè)界，卻更愿意把這里的Inexpensive換成Industry，在原來技術概念的基礎上加上點商業(yè)味道。

圖4.37磁盤陣列

為統(tǒng)一管理磁盤陣列，使用戶所感覺到的不再是多個物理盤，似乎就是一個性能更高的單個磁盤，就要使用一塊特定的接口卡（一般稱為RAID