計算機組成與結(jié)構(gòu) 第八章 輔助存儲器課件

第八章輔助存儲器前言8.1輔助存儲器的種類與技術(shù)指標(biāo)8.2磁記錄原理與記錄方式8.3硬磁盤存儲器8.4軟磁盤存儲器8.5光盤存儲器8.6磁盤存儲器與光盤存儲器的比較前言

按存放信息的不同存儲器分為兩種：主存儲器和輔助存儲器。主存儲器用來存放CPU正在使用的數(shù)據(jù)和程序，輔助存儲器用來放目前不使用的信息。輔助存儲器的特點是：容量大，速度較慢，成本低，斷電后還能保存信息，屬于非易失性存儲器。大部分輔助存儲器脫機后還能保存信息。8.1輔助存儲器的種類與技術(shù)指標(biāo)

8.1.1輔助存儲器的種類

目前常用的輔助存儲器主要有兩類：磁表面存儲器和光存儲器。1、磁表面存儲器把磁性材料沉積在基體上形成記錄介質(zhì)，分兩類：數(shù)字磁記錄和模擬磁記錄。

工作原理：磁性材料沉積在基體上形成記錄介質(zhì)，通過磁頭與記錄介質(zhì)的相對運動來讀寫信息。

2、光存儲器

記錄原理：用激光在具有感光特性的介質(zhì)上非接觸地記錄高密度信息，以介質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)的變化來表示0或1。

優(yōu)點：容量大。

缺點：速度慢。

8.1.2輔助存儲器的技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)有存儲密度、存儲容量和尋址時間。1、存儲密度

定義：單位長度或單位面積磁層表面所存儲的二進制信息量。對磁盤存儲器來說可以用道密度或位密度來表示。

道密度：沿磁盤半徑方向單位長度的磁道數(shù)，單位是道/英寸或道/毫米。

位密度：單位長度磁道能記錄的二進制信息的位數(shù)，又叫線密度。單位是位/英寸或位/毫米。

2、存儲容量

定義：存儲器所能存儲的二進制信息總量。一般以字節(jié)為單位。磁盤存儲器有格式化和非格式化兩個容量，格式化容量指的是用戶可以使用的容量，一般為非格式化容量的80%。

格式化分高級格式化和低級格式化。

高級格式化：清除硬盤上的數(shù)據(jù)，生成引導(dǎo)信息，初始化FAT表，標(biāo)注邏輯壞道等。

三種文件系統(tǒng)：FAT、FAT32和NTFS。

①FAT：文件分配表（Table），是硬盤對其上文件分配管理的一種系統(tǒng)，它記錄著硬盤的容量，文件配置的情況，哪些扇區(qū)己被數(shù)據(jù)占用，哪些扇區(qū)沒有被數(shù)據(jù)占用。FAT適用范圍：DOS、WIN3.X。WIN95使用的是擴展文件分配表(VFAT)，支持長文件名。

②FAT32FAT32支持的文件大小可以達到4GB。FAT32支持的磁盤容量達到2048GB，而FAT只能支持2GB的磁盤大小?；贔AT32的Win2000可以支持分區(qū)最大為32GB。支持這一磁盤分區(qū)格式的操作系統(tǒng)有win98和win2000、winXP，向下兼容?；贔AT16的Win2000支持的分區(qū)最大為4GB。

③NTFS新技術(shù)文件系統(tǒng)，NTFS支持文件加密管理功能，可為用戶提供更高層次的安全保證。NTFS可以支持的文件大小可以達到64GB。支持NTFS的系統(tǒng)有win2000、winNT和winXP。NTFS可以支持的分區(qū)大小可以達到2TB。

4、數(shù)據(jù)傳輸率（外部）

定義：磁表面存儲器的緩存在單位時間內(nèi)與主機之間傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)或字節(jié)數(shù)。單位bps。硬盤內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率：磁頭與硬盤cache之間的數(shù)據(jù)傳輸率。5、誤碼率衡量磁表面存儲器的出錯概率，等于出錯信息的位數(shù)和讀出的總信息位數(shù)比。例題1：某軟盤有兩個記錄面，每面有80個磁道，每個磁道分15個扇區(qū)，每個扇區(qū)可記錄512字節(jié)的信息，轉(zhuǎn)速為360轉(zhuǎn)每分，求此盤的容量及平均等待時間。解：容量=512*15*80*2=1.2MB旋轉(zhuǎn)一圈需要的時間為1/360=0.167秒

∴平均等待時間為0.167/2=83ms盤片

磁盤的數(shù)據(jù)傳輸率（內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率）：磁頭與硬盤cache之間的數(shù)據(jù)傳輸率Dr，取決于硬盤的轉(zhuǎn)速和道容量。假設(shè)磁盤轉(zhuǎn)數(shù)為n轉(zhuǎn)/秒，每條磁道的容量為N個字節(jié)，則Dr=n*N，單位字節(jié)/秒。2002年程序員試題某硬盤中共有9個盤片，16個記錄面，每個記錄面上有2100個磁道，每個磁道分為64個扇區(qū)，每扇區(qū)為512字節(jié)，則該硬盤的存儲容量為(58)。磁盤的位密度隨著磁道從內(nèi)向外而(59)。(58)A、590.6MBB、9225MBC、1050MBD、1101MB(59)A、減少B、不變C、增加D、視磁盤而定CA2002年高程試題假設(shè)一個有3個盤片的硬盤，共有4個記錄面，轉(zhuǎn)速為7200轉(zhuǎn)/分，盤面有效記錄區(qū)域的外直徑為30cm，內(nèi)直徑為10cm，記錄位密度為250位/mm，磁道密度為8道/mm，每磁道分16個扇區(qū)，每扇區(qū)512字節(jié)，則該硬盤的非格式化容量和格式化容量約為__(58)__，數(shù)據(jù)傳輸率約為__(59)__若一個文件超出一個磁道容量，剩下的部分__(60)__。(58)A.120MB和100MBB.30MB和25MBC.60MB和50MBD.22.5MB和25MB(59)A.2356KB/sB.3534KB/sC.7069KB/sD.1178KB/sBD

1、寫磁頭線圈通一電流，磁頭中將產(chǎn)生磁場，在磁頭前隙處磁力線通過磁表面形成一個閉合回路，因此磁表面被磁化。當(dāng)電流被撤走后，剩磁形成了磁化小區(qū)域，即電信號轉(zhuǎn)化成了磁信號。線圈中電流方向不同，則剩磁狀態(tài)不同，可用來記錄0或1。

2、讀磁表面和磁頭之間相對運動，事先被磁化了的區(qū)域經(jīng)過磁頭前隙時，磁力線穿過磁頭并被切割，磁頭中的磁通發(fā)生變化，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，磁通正向增大時，磁頭線圈中產(chǎn)生一個負(fù)的電動勢；磁通變小時則產(chǎn)生正的感應(yīng)電動勢，即產(chǎn)生負(fù)、正脈沖——磁信號轉(zhuǎn)換成電信號。

2、磁頭磁頭是實現(xiàn)電磁相互轉(zhuǎn)換的裝置。

Iw

①感應(yīng)式磁頭采用電磁感應(yīng)原理讀記錄信號。按工作方式分為接觸式磁頭和浮動式磁頭。接觸式磁頭：磁頭與記錄介質(zhì)直接接觸。

浮動式磁頭：介質(zhì)高速運動時產(chǎn)生的氣流在磁頭與介質(zhì)表面之間形成一層空氣薄膜，使磁頭與介質(zhì)表面脫離接觸。

②MR磁頭磁頭利用磁致電阻效應(yīng)可在高密度記錄下讀出信息。專用于讀出的磁頭，不能寫。

8.2.3磁記錄方式

定義：是一種編碼方法，按某種規(guī)律將一串二進制數(shù)字信息變換成存儲介質(zhì)磁層的相應(yīng)磁化翻轉(zhuǎn)形式，并經(jīng)讀寫控制電路實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換規(guī)律。

常用的編碼方法有：歸零制(RZ)不歸零制(NRZ)見1就翻的NRZ1調(diào)相制(PM)調(diào)頻制(FM)改進調(diào)頻制(MFM)

BIOS：BasicInput/outputSystem的縮寫，基本輸入/輸出系統(tǒng)，它是操作系統(tǒng)和硬件之間連接的橋梁。是一個固件，即以硬件形式提供的軟件產(chǎn)品。BIOS實質(zhì)是一組程序而且包含了一組缺省參數(shù)。

BIOSROMEPROME2PROM

CMOS：是一個能存儲128字節(jié)的芯片，用來存放BIOS的初始參數(shù)——日期、時鐘、內(nèi)存容量、顯示設(shè)備類型等等。由內(nèi)部電池供電，斷電后仍能保存信息。即CMOS是一RAM，存儲BIOS設(shè)置程序設(shè)置的一些參數(shù)。

BIOS是一組操縱計算機芯片的控制程序，是計算機最基本的操縱程序，任何操作系統(tǒng)都建立在其基礎(chǔ)之上。BIOS程序包括自檢及初始化、硬件中斷服務(wù)和BIOS設(shè)置。1、自檢及初始化（1）自檢當(dāng)電源接通后，系統(tǒng)硬件生成一條執(zhí)行命令，啟動BIOS自檢程序運行。對各硬件進行檢測，如果發(fā)現(xiàn)故障，則以代碼或響聲來報告。因為程序用匯編語言編寫，所以不能用文字顯示說明。

（2）初始化通過檢測CMOSRAM里的內(nèi)容來識別系統(tǒng)的硬件配置，并根據(jù)這些配置信息進行初始化。（3）系統(tǒng)自舉BIOS完成自檢和初始化后，將系統(tǒng)主引導(dǎo)扇區(qū)的內(nèi)容讀到內(nèi)存，并啟動主引導(dǎo)程序。2、硬件中斷服務(wù)程序操作系統(tǒng)與硬件打交道是通過中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)的，中斷服務(wù)程序包括：磁盤中斷服務(wù)程序、通信中斷服務(wù)程序、鍵盤中斷服務(wù)程序、顯示中斷服務(wù)程序、打印中斷服務(wù)程序、磁道中斷服務(wù)程序等等。

3、BIOS設(shè)置

可進行日期、時間、硬盤驅(qū)動器參數(shù)、軟盤驅(qū)動器參數(shù)、各芯片功能的啟用和關(guān)閉等項。8.3.1硬磁盤存儲器的種類及基本結(jié)構(gòu)

硬磁盤存儲器指的是記錄介質(zhì)為硬質(zhì)圓形盤片的輔助存儲器系統(tǒng)。以鋁合金為基底，上面涂有磁粉，采用甩涂工藝。1、根據(jù)磁頭的工作方式分類可分成移動頭磁盤存儲器和固定頭磁盤存儲器。固定頭磁盤存儲器中每一個磁道都對應(yīng)一個磁頭，省去了找道時間。

2、根據(jù)磁盤可換與否分類可分成可換盤存儲器與固定盤存儲器。

可換盤存儲器是指磁盤不用時可以脫機保存，如現(xiàn)用的軟盤。

固定盤存儲器是指磁盤不能從驅(qū)動器中取出來，更換時要把整個頭盤組合體一起換。

溫盤是可移動磁頭固定盤片的磁盤存儲器，采用的溫徹斯特技術(shù)。

3、硬磁盤的基本結(jié)構(gòu)硬盤由驅(qū)動器（HDD）和控制器（HDC）組成。硬盤驅(qū)動器又稱磁盤機或磁盤子系統(tǒng)，是獨立于主機外的一個裝置。硬盤控制器一般指插在主機總線插槽中的一塊電路板，它的作用是接受主機發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成驅(qū)動器的控制命令和驅(qū)動器可以接受的數(shù)據(jù)格式，控制驅(qū)動器的讀寫。硬盤基本結(jié)構(gòu)

8.3.2HDD與HDC

1、HDDHDD的主要組成部分是定位驅(qū)動系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和盤組。①定位驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動磁頭沿盤面徑向位置運動以尋找目標(biāo)磁道位置的機構(gòu)。由驅(qū)動部件和運載部件組成。目前HDD普遍采用音圈電機和伺服盤定位。音圈電機直接驅(qū)動磁頭運動。

工作過程：（1）位置檢測電路檢測出磁頭當(dāng)前位置（2）控制器送來目標(biāo)磁道位置（3）邏輯電路求出目標(biāo)位置與磁頭當(dāng)前位置的差值。（4）模擬控制電路根據(jù)差值及磁頭現(xiàn)在的運行速度求出磁頭運動方向和速度。（5）功率放大器把信號放大為驅(qū)動磁頭運動的電流（6）音圈電機推動小車到預(yù)定位置

②主軸系統(tǒng)作用是安裝盤片，并驅(qū)動他們以額定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。③數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)作用是控制數(shù)據(jù)的讀寫。（1）寫入數(shù)據(jù)a、接收選頭選址信號，并把硬盤地址信號發(fā)到地址寄存器中b、根據(jù)控制器發(fā)來的寫命令及CPU中DR的數(shù)據(jù)開始寫入信息c、寫電流由頭選信號、寫命令和文件保護信號控制流入選定的磁頭線圈d、由檢測電路檢查是否有錯誤

（2）讀出數(shù)據(jù)讀出電路接收磁盤表面的磁通變化，作為磁頭的激磁電壓，即在磁頭線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。a、執(zhí)行尋址操作并選擇磁頭b、磁頭讀出信號送放大器c、讀放大器輸出送譯碼電路

④盤組由盤片組成，每個盤片有兩個記錄面，但盤組的最上和最下兩個記錄面不用。

2、HDC硬盤控制器是主機與磁盤驅(qū)動器之間的接口，與主機之間成批交換數(shù)據(jù)，采用DMA控制方式。主機與驅(qū)動器之間的交接部件的控制器有兩個接口，一個是與主機之間的接口（系統(tǒng)級接口），另外一個是與設(shè)備的接口。目前常見的系統(tǒng)級硬盤接口有二種，它們分別是IDE接口、SCSI接口。

①IDE即IntegratedDriveElectronics，它的本意是指把控制器與盤體集成在一起的硬盤驅(qū)動器，我們常說的IDE接口，也叫ATA（AdvancedTechnologyAttachment）接口。②SCSI(SmallComputerSystemInterface，小型計算機系統(tǒng)接口)原是一種廣泛應(yīng)用于小型機上的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，現(xiàn)在越來越多地出現(xiàn)在PC服務(wù)器上，SCSI接口正在成為PC服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)接口。速度快，轉(zhuǎn)數(shù)高。磁盤cache容量大。8.3.3磁盤上信息的分布

磁道的編址由外向內(nèi)依次編號，從零開始，最里面一個磁道內(nèi)的圓面積不用來記錄信息。扇區(qū)號從1開始，可連續(xù)編號，也可以間隔編號。記錄面的面號從0開始。所以磁盤地址由記錄面號、磁道號和扇區(qū)號組成。8.3.4磁盤cache

1、基本概念主存與磁盤的讀取速度差距太大，為彌補主存與磁盤之間的速度差距可采用增加磁盤主軸轉(zhuǎn)速、提高I/O總線速度、采用磁盤cache等方法。磁盤cache就是為了彌補主存與磁盤之間的速度差距。

2、磁盤cache的工作原理cache行：磁盤cache中一些數(shù)據(jù)塊組成的一個基本單位稱為cache行。緩存是硬盤與外部總線交換數(shù)據(jù)的場所。硬盤的讀數(shù)據(jù)的過程是將磁信號轉(zhuǎn)化為電信號后，通過緩存一次次地填充與清空，再填充，再清空，一步步按照PCI總線的周期送出，可見，緩存的作用是相當(dāng)重要的。在接口技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個相對成熟的階段的時候，緩存的大小與速度是直接關(guān)系到硬盤的傳輸速度的重要因素。目前主流硬盤的緩存主要有512KB和2MB等幾種。其類型一般是EDODRAM或SDRAM，目前一般以SDRAM為主。根據(jù)寫入方式的不同，有寫通式和回寫式兩種。寫通式在讀硬盤數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)先檢查請求指令，看看所要的數(shù)據(jù)是否在緩存中，如果在的話就由緩存送出響應(yīng)的數(shù)據(jù)，這個過程稱為命中。這樣系統(tǒng)就不必訪問硬盤中的數(shù)據(jù)，由于SDRAM的速度比磁介質(zhì)快很多，因此也就加快了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣??；貙懯骄褪窃趯懭胗脖P數(shù)據(jù)時也在緩存中寫，如果找到就由緩存就數(shù)據(jù)寫入盤中，現(xiàn)在的多數(shù)硬盤都是采用的回寫式硬盤，這樣就大大提高了性能。

8.3.5磁盤陣列存儲器

廉價冗余磁盤陣列（RAID）是用多臺磁盤儲存器組成的大容量外存儲子系統(tǒng)。由美國加州大學(xué)伯克利分校提出。最初的研制磁盤，以目的是為了組合小的廉價磁盤來代替大的昂貴降低大批量數(shù)據(jù)存儲的費用，同時也希望采用冗余信息的方式，使得磁盤失效時不會使對數(shù)據(jù)的訪問受損失，從而開發(fā)出一定水平的數(shù)據(jù)保護技術(shù)，并且能適當(dāng)?shù)奶嵘龜?shù)據(jù)傳輸速度。1、RAID原因

（1）CPU速度增長幅度遠遠超過磁盤驅(qū)動器數(shù)據(jù)傳輸率的增長。（2）小盤徑磁盤比大盤徑磁盤成本低，功耗低。（3）數(shù)據(jù)的可靠性高。

2、RAID的工作原理

RAID按照實現(xiàn)原理的不同分為不同的級別，不同的級別之間工作模式是有區(qū)別的。整個的RAID結(jié)構(gòu)是一些磁盤結(jié)構(gòu)，通過對磁盤進行組合達到提高效率，減少錯誤的目的。

3、RAID的實現(xiàn)RAID實現(xiàn)有兩種方法，一種是用專門的控制芯片來完成，控制芯片可以做成RAID卡的形式，也可以集成在主板上。另一種方法是用軟件的方法來實現(xiàn)，比如WIN2000就含有軟件RAID的功能。8.3.6硬磁盤驅(qū)動器的發(fā)展動向

容量幾乎每年翻一倍，采用的措施是提高記錄密度和增加內(nèi)裝盤片數(shù)量。發(fā)展動向：微型化、輕量化、大容量、速度快、供耗小、成本低。

8.3.7硬盤參數(shù)1、容量2、轉(zhuǎn)數(shù)（轉(zhuǎn)/分）3、磁盤cache8.4軟磁盤存儲器

8.4.1概述軟磁盤的基體是用柔性材料制造的，所以稱為軟磁盤，簡稱軟盤（floppydisk）。一、與硬盤比較同：（1）存儲原理（2）記錄方式異：（1）轉(zhuǎn)速低（2）接觸磁頭（3）成本低二、種類按盤徑大小分1.8英寸、2.5英寸、3.5英寸、5.25英寸、8英寸。三、盤片索引孔作用：檢測盤片的轉(zhuǎn)速和劃分盤片的區(qū)段。四、軟盤組成軟盤由三個部分組成：軟盤驅(qū)動器、軟盤控制器與盤片。其中驅(qū)動器分為驅(qū)動機構(gòu)、定位機構(gòu)、磁頭和讀寫電路四個部分。

軟盤驅(qū)動器（軟驅(qū)）是一個相對獨立的裝置，軟盤控制器是插在主機總線槽中的接口板，作用是完成主機與軟盤驅(qū)動器之間數(shù)據(jù)的傳輸與控制。目前使用較多的是1.44MB、3.5英寸的軟盤片。高端電腦開始告別軟盤，用U盤（閃盤）替代。

8.4.2軟磁盤片基體是聚酯薄膜，磁粉氧化鐵。

8.4.3軟磁盤的記錄格式記錄格式指的是磁盤表面上信息的存儲格式。目前常用軟分段格式。

8.4.4其他移動輔存即插即用，可用USB接口。USB：通用串行總線（UniversalSerialBus）的縮寫，Windows98及以上版本的操作系統(tǒng)都內(nèi)置了對USB接口的支持。