外存儲器課件

第八章外存儲器8.1數(shù)據(jù)磁記錄方式和編碼技術(shù)8.2外存儲器接口標(biāo)準(zhǔn)8.3軟盤存儲器8.4硬盤存儲器8.5磁帶存儲器8.6光盤存儲器1第八章外存儲器8.1數(shù)據(jù)磁記錄方式和編碼技術(shù)1本章學(xué)習(xí)目標(biāo)數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)

EIDE接口和SCSI接口的特點

軟盤控制芯片82077AA

硬盤存儲技術(shù)的發(fā)展

磁帶存儲器工作原理

光盤存儲器工作原理2本章學(xué)習(xí)目標(biāo)數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)28.1

數(shù)據(jù)磁記錄方式和編碼技術(shù)數(shù)據(jù)磁記錄:

把要記錄的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有規(guī)律的脈沖序列，脈沖序列在磁頭線圈中形成電流使磁頭周圍產(chǎn)生磁場，磁場使在磁頭下運動的磁盤的介質(zhì)磁化。

數(shù)據(jù)磁記錄方式:利用某種規(guī)律將二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列轉(zhuǎn)換成介質(zhì)磁層相應(yīng)的磁化翻轉(zhuǎn)的方向。38.1數(shù)據(jù)磁記錄方式和編碼技術(shù)數(shù)據(jù)磁記錄:把要記

磁記錄編碼：對有用的數(shù)據(jù)序列和作同步用的時鐘序列進(jìn)行編碼，或者對于數(shù)據(jù)序列的位置重新進(jìn)行編排，將其變換成記錄脈沖序列。數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)8.1非編碼磁記錄編碼磁記錄歸零制不歸零制FM制MFM制M2FM制GCR(4/5)制(d，k)RLL制4磁記錄編碼：對有用的數(shù)據(jù)序列和作同步用的時鐘序列進(jìn)行（1）歸零制RZ

利用脈沖的有無來表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)1和0。當(dāng)要記錄的數(shù)據(jù)為1時，用正脈沖或負(fù)脈沖表示；當(dāng)要記錄的數(shù)據(jù)為0時，沒有脈沖。8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)101101數(shù)據(jù)介質(zhì)磁化狀態(tài)記錄脈沖5（1）歸零制RZ8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)10（2）不歸零制NRZ

①逢1翻轉(zhuǎn)不歸零制NRZ-I

當(dāng)數(shù)據(jù)為1時，寫電流的方向就翻轉(zhuǎn)一次，介質(zhì)磁化狀態(tài)隨之翻轉(zhuǎn)一次；當(dāng)數(shù)據(jù)為0時，寫電流不翻轉(zhuǎn)，磁化狀態(tài)不變。8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)11001011數(shù)據(jù)介質(zhì)磁化狀態(tài)記錄脈沖6（2）不歸零制NRZ8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)1

②異碼翻轉(zhuǎn)不歸零制NRZ-C

當(dāng)相鄰數(shù)據(jù)位不同時，寫電流方向才翻轉(zhuǎn)，使介質(zhì)磁化狀態(tài)隨之發(fā)生變化。8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)10011001數(shù)據(jù)介質(zhì)磁化狀態(tài)記錄脈沖7②異碼翻轉(zhuǎn)不歸零制NRZ-C8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)（3）FM制

在不歸零制基礎(chǔ)上插入同步脈沖，疊加后的記錄序列再按NRZ-I制寫入磁介質(zhì)。

每個位單元的起始位置是時鐘位，時鐘位始終為1，出現(xiàn)脈沖；每個位單元的中心位置是數(shù)據(jù)位，當(dāng)數(shù)據(jù)為1時出現(xiàn)脈沖，數(shù)據(jù)為0時無脈沖。8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)時鐘數(shù)據(jù)10001011FM制編碼位單元8（3）FM制8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)時鐘數(shù)據(jù)1（4）MFM制數(shù)據(jù)位仍在位單元中間，記錄數(shù)據(jù)1或0時按FM制編碼規(guī)則。僅當(dāng)相鄰兩個位單元中的數(shù)據(jù)位都是0時，才在位單元之間插入時鐘位。8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)時鐘數(shù)據(jù)10001011MFM制編碼位單元9（4）MFM制8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)時鐘數(shù)據(jù)1（5）M2FM制數(shù)據(jù)位仍按MFM制編碼規(guī)則。當(dāng)數(shù)據(jù)序列中連續(xù)0的數(shù)目大于或等于2時，在頭兩個0的位單元之間插入時鐘脈沖，以后每隔兩個0僅在下一個數(shù)據(jù)0的位單元起始位置插入一個時鐘脈沖。8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)時鐘數(shù)據(jù)10001011MFM制編碼位單元10（5）M2FM制8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)時鐘數(shù)據(jù)1（6）GCR(4/5)制

成組編碼的原理是把數(shù)據(jù)序列按幾位編成一組，對應(yīng)每一種組成就有一種記錄序列。

GCR(4/5)編碼是把數(shù)據(jù)按4位編成一組，與之對應(yīng)，再變換成5位的記錄序列，每組以及各組記錄連接后的序列中不允許出現(xiàn)兩個以上的連續(xù)0。8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)11（6）GCR(4/5)制8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)11（7）(d,k)RLL制

RLL(游程長度受限)編碼是使記錄序列中兩個“1”之間“0”的個數(shù)受限制，用主要參數(shù)d和k來表示其特征：

d表示記錄序列中兩個“1”之間需要插入“0”的最少個數(shù)

k表示記錄序列中兩個“1”之間需要插入“0”的最多個數(shù)還有三個參數(shù)m、n、r：

m表示編碼前的數(shù)據(jù)序列位數(shù)n表示編碼后記錄序列的位數(shù)r表示m和n的值是否可變8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)12（7）(d,k)RLL制8.1數(shù)據(jù)磁記錄編碼技術(shù)128.2

外存儲器接口標(biāo)準(zhǔn)

ST506/412接口為低性能5MB和10MB的磁盤驅(qū)動器設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸率5Mb/s

ESDI(EnchancedSmallDeviceInterface)接口速率可達(dá)15Mb/s

EIDE(EnhancedIntegratedDriveElectronics)接口

SCSI(SmallComputerSystemInterface)接口138.2外存儲器接口標(biāo)準(zhǔn)ST506/412接口138.2.3EIDE接口1、IDE接口具有ST506和系統(tǒng)的接口

具有ESDI的速率

具有類似SCSI接口的智能，能接受高級命令不適合多媒體時代信息容量大、速度快、種類多的要求148.2.3EIDE接口1、IDE接口14IDE接口的主要信號線16位數(shù)據(jù)線

DD0～DD15

3位地址線

DA0～DA22根讀/寫線

DIOR-，DIOW-2根DMA線

DMARQ，DMACK-1根中斷線

INTRQ1根I/O就緒線

IORDY1根16位選擇線

IOCS16-2根片選線

CS1FX-，CS3FX-1根從驅(qū)動器存在/驅(qū)動器工作指示線DASP-1根通過診斷/從驅(qū)動器失敗指示線PDIAG-8.2.315IDE接口的主要信號線16位數(shù)據(jù)線DD0～DD152、EIDE接口8.2.3（1）容量擴大

IDE驅(qū)動器的容量由BIOS和IDE接口共同決定，導(dǎo)致容量的限制。EIDE提供了兩種解決方案在CMOS中設(shè)置:①自動配置

使用標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動器參數(shù)表（DPT）將IDE驅(qū)動器容量信息直接傳送給操作系統(tǒng)。②自動轉(zhuǎn)換

通過增強的驅(qū)動器參數(shù)表（EDPT）來實現(xiàn)BIOSINT13HEDPTIDE接口硬盤驅(qū)動器EIDE162、EIDE接口8.2.3（1）容量擴大BIOSINT2、EIDE接口8.2.3（2）速度加快

IDE有PIO和DMA兩種數(shù)據(jù)傳輸方式

最初，IDE采用處理器控制的PIO方式隨著快速總線的引入，EIDE采用DMA方式（3）驅(qū)動器數(shù)量增加

IDE最多連接2個設(shè)備

EIDE建議要求BIOS和系統(tǒng)制造商支持基本和第二兩組控制器同時使用，使得一個系統(tǒng)中能同時存在4個IDE設(shè)備（4）設(shè)備種類增多通過ATAPI建議支持CD-ROM、磁帶機等設(shè)備172、EIDE接口8.2.3（2）速度加快（3）驅(qū)動器數(shù)量增加8.2.4SCSI接口1、SCSI的體系結(jié)構(gòu)

SCSI接口是系統(tǒng)級接口，是處于主機適配器與智能控制器之間的并行I/O接口SCSI規(guī)范中，用3位編址或信號電平來產(chǎn)生ID號SCSI總線上的設(shè)備分為啟動器（Initiator）和目標(biāo)器（Targeter）2、SCSI接口總線由8根數(shù)據(jù)線、1根奇偶校驗線、9根控制和狀態(tài)線及地線組成

規(guī)定單端和差分傳送兩種電氣條件188.2.4SCSI接口1、SCSI的體系結(jié)構(gòu)2、SCSI接3、SCSI的基本操作SCSI總線的操作分階段進(jìn)行，由控制線的各信號線組合來表示8個不同的階段。8.2.4總線空閑階段仲裁階段選擇或重選階段啟動或復(fù)位信息傳送：命令、數(shù)據(jù)、狀態(tài)或消息傳送階段193、SCSI的基本操作SCSI總線的操作分階段進(jìn)行，4、SCSI的高數(shù)據(jù)傳輸率（1）異步方式啟動器到目標(biāo)器的傳送：

當(dāng)目標(biāo)器準(zhǔn)備好時使REQ信號有效

主機使ACK信號有效并把數(shù)據(jù)放到總線上

目標(biāo)器鎖存總線上的數(shù)據(jù)，并使REQ無效啟動器查到這種情況使ACK無效目標(biāo)器到啟動器的傳送：目標(biāo)器把數(shù)據(jù)放在總線上，使REQ有效啟動器鎖存數(shù)據(jù)，使ACK有效8.2.4204、SCSI的高數(shù)據(jù)傳輸率（1）異步方式8.2.4204、SCSI的高數(shù)據(jù)傳輸率（2）同步方式啟動器和目標(biāo)器協(xié)議“窗口化”傳送以避免等待聯(lián)絡(luò)信號。

目標(biāo)器在每個字節(jié)發(fā)REQ信號，啟動器同步地發(fā)送ACK信號允許兩個信號相互超前8.2.4214、SCSI的高數(shù)據(jù)傳輸率（2）同步方式8.2.4218.3

軟盤存儲器盤片定位和驅(qū)動器機構(gòu)

磁頭和加載機構(gòu)

磁頭驅(qū)動和定位機構(gòu)索引信號檢測機構(gòu)寫保護(hù)和讀/寫電路8.3.1軟盤驅(qū)動器228.3軟盤存儲器盤片定位和驅(qū)動器機構(gòu)8.3.1軟盤驅(qū)動8.3.2

軟盤控制器主機與軟盤驅(qū)動器之間的接口設(shè)備82077AA芯片

可控制4個驅(qū)動器能以4種速度傳送數(shù)據(jù)片內(nèi)有接口信號緩沖以及磁盤驅(qū)動接口信號的驅(qū)動電路

具有磁帶驅(qū)動控制電路238.3.2軟盤控制器主機與軟盤驅(qū)動器之間的接口設(shè)備231、82077AA結(jié)構(gòu)8.3.2241、82077AA結(jié)構(gòu)8.3.2241、82077AA結(jié)構(gòu)8.3.2

先進(jìn)先出緩沖區(qū)接口邏輯片內(nèi)振蕩電路

軟盤接口的驅(qū)動和控制電路驅(qū)動器接口控制電路

輸入/輸出緩沖區(qū)

數(shù)據(jù)分割電路

串行接口邏輯電路預(yù)補償電路251、82077AA結(jié)構(gòu)8.3.2先進(jìn)先出緩沖區(qū)252、82077AA引腳信號8.3.2A2A1A0寄存器允許的操作000狀態(tài)寄存器A讀001狀態(tài)寄存器B讀010數(shù)據(jù)輸出寄存器讀/寫011磁帶驅(qū)動寄存器讀/寫100主狀態(tài)寄存器讀100數(shù)據(jù)速率選擇寄存器寫101數(shù)據(jù)FIFO讀/寫110保留111數(shù)據(jù)輸入寄存器讀111系統(tǒng)配置控制寄存器寫262、82077AA引腳信號8.3.2A2A1A0寄存器允許的2、82077AA引腳信號8.3.2H272、82077AA引腳信號8.3.2H272、82077AA引腳信號8.3.2HIDENT信號MFM信號接口模式11或NCAT模式10非法01或NCPS/2模式00PS/230模式282、82077AA引腳信號8.3.2HIDENT信號MFM信8.3.3

光磁軟盤將光學(xué)技術(shù)和磁記錄技術(shù)結(jié)合起來磁記錄技術(shù)讀/寫數(shù)據(jù)，光學(xué)技術(shù)伺服定位特殊的模壓工藝在記錄磁道中間埋入光伺服道工作原理

紅外光通過磁頭塊中間的小孔照到光伺服道上

反射的光信號轉(zhuǎn)換成電信號控制伺服電機298.3.3光磁軟盤將光學(xué)技術(shù)和磁記錄技術(shù)結(jié)合起來298.3.4

軟盤存儲技術(shù)的進(jìn)步1、改進(jìn)盤片介質(zhì)、磁頭性能和記錄方式

采用了高矯頑力的存儲介質(zhì)、MIG磁頭或硬盤非接觸式磁頭、垂直磁記錄方式，使位密度可達(dá)80KB/英寸，3.5英寸軟盤容量從4MB直到50MB2、充分發(fā)揮ECC糾正技術(shù)

擴大軟盤驅(qū)動器中可糾正突發(fā)碼的位數(shù)和允許的個數(shù)，并用控制器內(nèi)置CRC電路保證ECC的正確性

308.3.4軟盤存儲技術(shù)的進(jìn)步1、改進(jìn)盤片介質(zhì)、磁頭性能和記3、采用先進(jìn)的伺服定位技術(shù)扇區(qū)伺服、埋入伺服和光伺服技術(shù)4、使用SCSI接口按SCSI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計嵌入式控制器，把與驅(qū)動器接口的部分留在驅(qū)動器中，把與主機打交道的部分移到適配器中，驅(qū)動程序固化在主機適配器的BIOS內(nèi)，速度快、連接方便、具有通用性8.3.4

軟盤存儲技術(shù)的進(jìn)步313、采用先進(jìn)的伺服定位技術(shù)4、使用SCSI接口8.3.41、基本機構(gòu)

盤片組主軸電機和主軸驅(qū)動機構(gòu)

磁頭和磁頭驅(qū)動定位機構(gòu)讀/寫電路

接口和控制電路8.4

硬盤存儲器8.4.1硬盤驅(qū)動器321、基本機構(gòu)8.4硬盤存儲器8.4.1硬盤驅(qū)動器322、溫徹斯特技術(shù)8.4.1磁頭、小車、導(dǎo)軌、主軸、盤片等封裝在一個腔體內(nèi)，稱為頭盤組件采用質(zhì)量輕、浮力小的磁頭和接觸啟停工作方式

主軸電機上裝有縮短摩擦過程的制動機構(gòu)，在盤片上涂有一層潤滑劑332、溫徹斯特技術(shù)8.4.1磁頭、小車、導(dǎo)軌、主軸、盤片等封主機與硬盤驅(qū)動器之間的接口

處理機接口接受來自處理機的命令、參數(shù)及寫入數(shù)據(jù)，并向處理機輸出命令結(jié)構(gòu)及讀出數(shù)據(jù)

智能控制電路一般由微處理器、DMA控制器、硬盤專用控制芯片、RAM和ROM組成，統(tǒng)一管理對驅(qū)動器的操作

驅(qū)動器接口8.4.2

硬盤控制器34主機與硬盤驅(qū)動器之間的接口8.4.2硬盤控制器341、溫徹斯特技術(shù)

采用全密封結(jié)構(gòu)

采用非接觸的頭、盤結(jié)構(gòu),能獲得極高的數(shù)據(jù)傳輸率，提高存儲數(shù)據(jù)的可靠性

2、采用高精度、輕型的磁頭驅(qū)動和定位系統(tǒng)

8.4.3

硬盤存儲技術(shù)的發(fā)展3、采用液態(tài)軸承馬達(dá)

以油膜代替滾珠，避免了金屬面的摩擦

351、溫徹斯特技術(shù)2、采用高精度、輕型的磁頭驅(qū)動和定位系統(tǒng)4、磁盤和磁頭的技術(shù)進(jìn)步8.4.3采用電鍍和濺射工藝制成厚度極薄的高磁性能金屬薄膜硬盤，其金屬薄膜媒體具有高記錄密度、高制磁和高矯頑力，并使盤徑縮小、驅(qū)動器變薄使用窄道寬的磁阻（MR）磁頭和巨磁阻（GMR）磁頭容易測出窄道寬磁盤上的讀出信號，可以提高面密度及容量。用于讀的磁阻磁頭和用于寫的磁感應(yīng)磁頭可以分別優(yōu)化以得到最好的性能364、磁盤和磁頭的技術(shù)進(jìn)步8.4.3采用電鍍和濺射工藝制成5、局部響應(yīng)最大相似通道技術(shù)8.4.3利用局部響應(yīng)原理抑制記錄位間的干擾，大幅度提高盤片的記錄密度

由于磁盤密度增大，磁頭在相同時間可讀取更多信號，提高了讀取速度運用最大相似原理，通過多點采樣，把磁頭讀取的信號與標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行對比，得出最匹配的信號再傳送，提高可靠性

375、局部響應(yīng)最大相似通道技術(shù)8.4.3利用局部響應(yīng)原理6、具有數(shù)據(jù)保護(hù)功能

8.4.3自監(jiān)測、分析及報告技術(shù)（SMART）根據(jù)歷史記錄及預(yù)設(shè)安全值對被監(jiān)測的磁頭、磁盤、電機、電路的運行情況進(jìn)行分析、比較，發(fā)現(xiàn)問題可以發(fā)生警告、自動降速并把重要數(shù)據(jù)文件備份到其他安全扇區(qū)、硬盤或存儲設(shè)備新一代硬盤嵌入如DataLifeguard系統(tǒng)在硬盤閑置時間離線執(zhí)行錯誤修復(fù)，減少在使用時執(zhí)行錯誤修復(fù)的必要性，可以改善硬盤的整體性能

386、具有數(shù)據(jù)保護(hù)功能8.4.3自監(jiān)測、分析及報告技術(shù)（1、磁盤陣列技術(shù)（RAID）的優(yōu)點

海量存儲

高可靠性并行處理

便于維護(hù)

8.4.4

磁盤陣列技術(shù)2、磁盤陣列的冗余結(jié)構(gòu)

ECC錯誤檢測和校正

奇偶校驗盤鏡像盤

391、磁盤陣列技術(shù)（RAID）的優(yōu)點8.4.4磁盤陣列技術(shù)3、磁盤陣列的容錯結(jié)構(gòu)

8.4.4

RAID-0數(shù)據(jù)分拆（Striping），條塊交叉存儲，高速高性能。RAID-1

數(shù)據(jù)分拆，扇區(qū)交叉存儲，鏡像盤備份。冗余量大，可靠性高。RAID-102個RAID-0互為鏡像構(gòu)成一個RAID-1。性能最好，代價較高。RAID-2

海明碼校驗，位交叉存儲，有冗余。適于大量順序I/O請求的計算。RAID-3

數(shù)據(jù)分拆，位/字節(jié)交叉存儲，奇偶盤校驗。適于超級計算，大數(shù)據(jù)量傳輸。403、磁盤陣列的容錯結(jié)構(gòu)8.4.4RAID-0403、磁盤陣列的容錯結(jié)構(gòu)

8.4.4

RAID-4

數(shù)據(jù)分拆，扇區(qū)交叉存儲，奇偶盤校驗。適于事務(wù)處理小數(shù)據(jù)量傳輸。RAID-5

數(shù)據(jù)位與奇偶位組合分拆，按扇區(qū)交叉存儲?？煽啃愿?，適于小數(shù)據(jù)量傳輸。RAID-6

數(shù)據(jù)分拆，塊交叉存儲，雙盤存放檢糾錯冗余碼?？煽啃院芨?，I/O傳