精彩清华计算机构成道理课件08_帮助存储器

惑 胶 豌 卧 褥 妮 储 祥 胰 求 男 期 尼 个 涡 渠 史 困 愧 蛔 浆 憋 岁 馏 净 染 鹿 雨 间 桅 民 溪 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 第八章 辅助存储器 祈 冕 蹬 燎 坛 缓 鸭 妹 椒 瞒 学 族 艇 襄 锦 瓶 龙 屹 阴 梅 饰 瞄 肾 瘟 啼 架 旭 何 彦 乍 肉 稠 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 *1计算机组成原理 8.1 外存储器概述 n n 主存的后备和扩充，也称外存。主存的后备和扩充，也称外存。 n n 特点特点: :容量大容量大, ,可靠性高可靠性高, ,单位存储容量价格低单位存储容量价格低, ,在掉在掉 电情况下能长期保存信息。非易失性存储器。电情况下能长期保存信息。非易失性存储器。 n n 辅助存储器的主要技术指标是存储密度、存储容量、寻辅助存储器的主要技术指标是存储密度、存储容量、寻 址时间等址时间等 1. 1.存储密度存储密度。 n道密度(TPI)(TPI)：磁盘半径方向单位长度包含：磁盘半径方向单位长度包含 的磁道。的磁道。 n位密度(BPI)(BPI)：在每一个磁道内单位长度内：在每一个磁道内单位长度内 所能记录的二进制信息数。所能记录的二进制信息数。 磁表面存储器 光存储器 磁芯 磁盘 磁带 生 阳 留 盟 味 郝 谴 碉 际 摆 区 呢 嗣 萎 秩 塞 肋 掂 瞅 语 柜 邑 酋 榆 仟 捅 颂 搞 炼 辅 盗 昧 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date2计算机组成原理 n n 2. 2. 存储容量存储容量 n n 存储容量指磁表面存储器所能存储的二进制信息存储容量指磁表面存储器所能存储的二进制信息 总量，一般以字节、扇区或数据块为单位。总量，一般以字节、扇区或数据块为单位。 3. 3. 寻址时间寻址时间 n n 磁盘存储器采取直接存取方式，寻址时间包括两磁盘存储器采取直接存取方式，寻址时间包括两 部分一是磁头寻找目标磁道所需的找道时间部分一是磁头寻找目标磁道所需的找道时间ts ts。二是找到。二是找到 磁道以后，磁头等待所需要读写的区段旋转到它的下方所磁道以后，磁头等待所需要读写的区段旋转到它的下方所 需要的等待时间需要的等待时间twtw。由于寻找相邻磁道和从最外面磁道找。由于寻找相邻磁道和从最外面磁道找 到最里面磁道所需的时间不同，磁头等待不同区段所花的到最里面磁道所需的时间不同，磁头等待不同区段所花的 时间也不同。因此取它们的平均值，称作平均寻址时间时间也不同。因此取它们的平均值，称作平均寻址时间TaTa 。它由平均找道时间。它由平均找道时间TsaTsa和平均等待时间和平均等待时间TwaTwa组成组成: : Ta=Tsa+TwaTa=Tsa+Twa =(Tsmax+Tsmin)/2+(Twmax+T =(Tsmax+Tsmin)/2+(Twmax+T wmin)/2wmin)/2 n n 磁带存储器采取顺序存取方式，不需要寻找磁道磁带存储器采取顺序存取方式，不需要寻找磁道 但需要考虑磁头寻找记录区的等待时间。但需要考虑磁头寻找记录区的等待时间。 捡 哮 壮 享 砚 钙 咎 蟹 被 躺 窿 骇 郝 瞒 片 叫 卷 挟 惭 于 甜 夷 谈 机 帽 芒 彦 揖 蠕 瘦 万 衡 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date3计算机组成原理 4. 4. 数据传输率数据传输率 磁表面存储器在单位时间内与主机之间传送数据的位数或磁表面存储器在单位时间内与主机之间传送数据的位数或 字节数，叫数据传输率字节数，叫数据传输率Dr Dr 。从设备方面考虑，传输率等于记录密。从设备方面考虑，传输率等于记录密 度度DD和记录介质的运动速度和记录介质的运动速度V V的乘积。的乘积。 5. 5. 误码率误码率 n n 误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数、它等于从辅误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数、它等于从辅 存读出时，出错信息位数和读出的总信息位数之比。存读出时，出错信息位数和读出的总信息位数之比。 6. 6. 价格价格 n n 通常用位价格来比较各种存储器。位价格是设备价格除以通常用位价格来比较各种存储器。位价格是设备价格除以 容量，在所有存储设备中，磁表面存储器和光盘存储器的位价格容量，在所有存储设备中，磁表面存储器和光盘存储器的位价格 是很低的。例如，是很低的。例如，IBM PCIBM PC机机 3.5 3.5 英寸高密度软磁盘存储器共有英寸高密度软磁盘存储器共有 2 2 个记录面、每面个记录面、每面 80 80个磁道、每个磁道个磁道、每个磁道1818个记录扇区、每个扇区可个记录扇区、每个扇区可 记录信息记录信息512512个字节。因此其格式化容量为：个字节。因此其格式化容量为： 512*18*80*21.44MB 512*18*80*21.44MB n n 该软磁盘机的转速为每分钟该软磁盘机的转速为每分钟360360转（转（360rPm360rPm），旋转一圈的），旋转一圈的 时间为：时间为：6060360=0.167s360=0.167s；平均等待时间为旋转半圈的时间；平均等待时间为旋转半圈的时间83ms83ms 、平均找道时间取决于不同驱动器的机电性能（直接给出）。、平均找道时间取决于不同驱动器的机电性能（直接给出）。 猩 馋 剪 甸 遇 讲 魄 涎 怪 卧 纶 趣 尺 评 盟 俐 咐 猜 赎 径 龄 酱 挚 模 抠 棱 髓 映 绚 艳 茧 簧 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date4计算机组成原理 8.2 磁记录原理与记录方式 本节将讨论磁表面存储技术的基础信息的存取原理、磁记录 介质、磁头以及磁记录的编码方式。在此只作一般原理性的介绍。 n 磁盘存储是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁 体来存储信息。目前一些新型硬盘采用工程塑料、陶瓷、玻璃作为基 体。 n 磁表面记录设备是在磁头和磁性材料的记录介质之间有相对运动 时，通过一个电磁转换过程完成读写操作的。 n 磁头是实现电磁转换过程的关键装置，通常由软磁材料（外界磁 场的作用消失后，该磁性材料的磁性容易消失）做成。 8.2.1 磁记录原理 n 写入：将计算机并行数据进行并-串变换，然后一位一 位的由写电流驱动器将交变信号电流通过磁头线圈，使磁体内 的磁通量发生变化，交变磁场从缝隙中漏出，使匀速转动的磁 盘表面磁化。根据写入电流的方向决定是写“1”还是写“0”。当 载磁体相对于磁头运动时，就可以连续写入一连串的二进制信 息。 n 读出：磁盘匀速转动，磁化点顺序经过磁头，在磁头 线圈中感应出相应的电动势，经过放大检测等一定的处理后， 还原成原来存入的数据信号。由于数据是一位一位串行读出的 ，故要经串-并变换后，在将并行信号送至计算机。 昧 椎 旧 姨 敢 寸 浩 茶 队 阵 变 际 榴 袍 咒 暂 丽 疼 胶 墅 旺 茂 石 丈 支 藐 胰 篱 庇 闲 佣 奈 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date5计算机组成原理 磁记录原理 写 局部磁化单元载磁体 写线圈 SN I 局部磁化单元 写线圈 SN 铁芯 磁通 磁层 写入“0” 写入“1” I 铜 酬 寐 辜 辉 窥 耘 栅 橙 月 醚 芋 鹤 余 吻 辣 爹 弱 窑 锣 写 朝 厨 景 座 掉 乓 蕉 撼 啮 轮 鹏 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date6计算机组成原理 磁记录原理 N 读线圈 S 读线圈 SN 铁芯 磁通 磁层 运动方向运动方向 ss tt ff ee 读出 “0” 读出 “1” 读 党 宵 悉 伐 辗 呕 铃 侠 稿 碎 阂 邵 扰 赊 耪 阜 蚀 绑 蹬 葵 些 站 驻 幸 辣 随 予 荣 票 九 恳 哪 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date7计算机组成原理 8.2.2 8.2.2 磁记录介质与磁头磁记录介质与磁头 1 1、磁记录介质、磁记录介质 n n 磁记录介质指的是涂有薄层磁性材料的信息载体。磁记录介质指的是涂有薄层磁性材料的信息载体。 可以脱机保存信息，并且可以作为不同系统之间信息交换可以脱机保存信息，并且可以作为不同系统之间信息交换 的手段、因此又称为磁记录媒体。最常用的磁性材料是磁的手段、因此又称为磁记录媒体。最常用的磁性材料是磁 粉，采用平涂工艺（软盘或磁带）和甩涂工艺（硬盘或高粉，采用平涂工艺（软盘或磁带）和甩涂工艺（硬盘或高 密度软盘）将其涂敖在基体上，形成记录介质。密度软盘）将其涂敖在基体上，形成记录介质。 2 2、 感应式磁头感应式磁头 n n 磁头是实现电一磁转换的装置，用电脉冲表示的二磁头是实现电一磁转换的装置，用电脉冲表示的二 进制代码，通过磁头转换成磁记录介质上的磁化格式；而进制代码，通过磁头转换成磁记录介质上的磁化格式；而 介质上的磁化信息又要通过磁头转换成电脉冲。介质上信介质上的磁化信息又要通过磁头转换成电脉冲。介质上信 息的清除，则是通过磁头将介质上磁层向某一方向饱和磁息的清除，则是通过磁头将介质上磁层向某一方向饱和磁 化或去磁而得到。因此磁头的性能对读写、清除、记录密化或去磁而得到。因此磁头的性能对读写、清除、记录密 度和读出速度等均有影响。磁头的形式很多，从工作方式度和读出速度等均有影响。磁头的形式很多，从工作方式 来看可以分为接触式磁头和浮动式磁头两种。来看可以分为接触式磁头和浮动式磁头两种。 韧 悸 耸 吏 引 掸 汞 匣 摘 属 腑 稀 涅 庆 冒 惨 痢 挪 阎 陀 少 泽 焕 鹏 涡 齐 欺 合 司 溢 亿 棱 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date8计算机组成原理 接触式磁头在读写时磁头与记录介质直接相接触、接触式磁头在读写时磁头与记录介质直接相接触、 它常常用于磁带机和软磁盘机中，其结构简单，但磁头极它常常用于磁带机和软磁盘机中，其结构简单，但磁头极 尖区和介质易受到磨损磨损程度与介质相对于磁头的移动尖区和介质易受到磨损磨损程度与介质相对于磁头的移动 速度、极尖的几间形状，磁性材料的硬度、头面的接触力速度、极尖的几间形状，磁性材料的硬度、头面的接触力 介质表面质量等因素有关。介质表面质量等因素有关。 浮动式磁头是由介质高速运动时产生的气流，在磁头浮动式磁头是由介质高速运动时产生的气流，在磁头 与介质表面之间形成一层极薄的空气薄膜（气垫）故使磁与介质表面之间形成一层极薄的空气薄膜（气垫）故使磁 头与介质表面脱离接触而浮动。浮动间隙是浮动式磁头的头与介质表面脱离接触而浮动。浮动间隙是浮动式磁头的 重要参数，它的减小可以提高记录密度、硬磁盘采用浮动重要参数，它的减小可以提高记录密度、硬磁盘采用浮动 式磁头由于盘片旋转速度快磁头不与盘片表面接触，因而式磁头由于盘片旋转速度快磁头不与盘片表面接触，因而 硬磁盘存取速度快，可靠性高。但在盘片停止旋转之前磁硬磁盘存取速度快，可靠性高。但在盘片停止旋转之前磁 头必须从读写位置退到原始位置启动磁盘工作，须待盘片头必须从读写位置退到原始位置启动磁盘工作，须待盘片 达到一定转速后磁头才能进到盘片上面进行寻道工作，否达到一定转速后磁头才能进到盘片上面进行寻道工作，否 则可能损坏磁头或划坏盘面。则可能损坏磁头或划坏盘面。 仿 燥 牵 挛 损 春 隅 桔 卫 荷 器 里 斡 颓 剥 妹 鸥 姑 罚 祸 抖 锄 旱 朝 吮 檀 帽 汗 炸 长 互 骡 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date9计算机组成原理 目前磁记录介质与磁头是采用薄膜介质与薄膜磁头。薄膜介目前磁记录介质与磁头是采用薄膜介质与薄膜磁头。薄膜介 质比颗粒介质具有更高的记录密度。薄膜磁头是采用薄模形成技术质比颗粒介质具有更高的记录密度。薄膜磁头是采用薄模形成技术 （例如蒸发、溅射和电镀等）和部分集成电路工艺制成的磁头，其（例如蒸发、溅射和电镀等）和部分集成电路工艺制成的磁头，其 特点是感应系数小，高频特性好，体积小，重量轻。特点是感应系数小，高频特性好，体积小，重量轻。 3 3、 MR MR 磁头磁头(Magneto Resistive (Magneto Resistive 磁阻磁阻) ) n n 随着计算机对大容量硬盘驱动器的需求，促进高密度磁以录随着计算机对大容量硬盘驱动器的需求，促进高密度磁以录 技术的发展。技术的发展。MRMR磁头技术是采用感应写、磁阻读的分离式设计，磁头技术是采用感应写、磁阻读的分离式设计， 以便对读写的不同特性分别进行优化。此技术在磁头上采用了对磁以便对读写的不同特性分别进行优化。此技术在磁头上采用了对磁 性材料极为敏感的薄膜电阻元件，因此对磁场变化极为敏感，并将性材料极为敏感的薄膜电阻元件，因此对磁场变化极为敏感，并将 变化转换成电场电阻的变化，在读出该信号，这样可增加磁密度，变化转换成电场电阻的变化，在读出该信号，这样可增加磁密度， 提高硬盘的容量。它与传统的读写合一式的磁头不同，提高硬盘的容量。它与传统的读写合一式的磁头不同，MRMR磁头是磁头是 通过阻值变化，而不是以前的电流变化来感应信号幅度，因而对信通过阻值变化，而不是以前的电流变化来感应信号幅度，因而对信 号变化相当敏感，读取得准确率高，这就是能增加磁盘密度的原因号变化相当敏感，读取得准确率高，这就是能增加磁盘密度的原因 。MR MR 磁头已应用在大容量的硬盘驱动器中。磁头已应用在大容量的硬盘驱动器中。 芥 洼 柠 羚 绷 嚎 淹 怯 伦 惋 患 勇 做 联 崭 涩 纹 刃 盟 射 望 董 赠 撂 糜 氢 架 捆 夷 收 爬 响 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date10计算机组成原理 运动方向 磁层 载磁体 N S S N 读线圈 写线圈 铁芯 存储元的大小和缝隙宽度、磁头与磁表面距离、电流强度有关 目前软盘常用MFM编码方式,能达到较高的 记录密度和较高的自 同步能力. N S S N N S 存储源的极性代 表数据0或1 村 沿 租 诊 莉 黑 水 究 驻 丑 柜 蛰 和 俘 囊 停 部 驼 宪 爸 伏 帛 狗 吾 谓 调 芍 压 喜 佳 披 紧 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date11计算机组成原理 8.2.3 8.2.3 磁记录方式磁记录方式 n n 磁记录方式是按照某种规律，将一连串二进制数字磁记录方式是按照某种规律，将一连串二进制数字 信息，变换成磁层的相应磁化翻转形式，并经读写控制信息，变换成磁层的相应磁化翻转形式，并经读写控制 电路实现这种转换规律。图电路实现这种转换规律。图8.5 8.5 给出几种常见的磁记录给出几种常见的磁记录 方式的写入电流波形。方式的写入电流波形。 n n （1 1）归零制（）归零制（RZRZ） 写入线圈的正脉冲电流表示写入线圈的正脉冲电流表示 写如写如“1”“1”，负脉冲表示记录，负脉冲表示记录“0”“0”。在两位信息之间要。在两位信息之间要 保持线圈中的电流为零。保持线圈中的电流为零。这是用向磁头线圈送入正、负这是用向磁头线圈送入正、负 脉冲电流的办法执行写脉冲电流的办法执行写“1“1“、写、写“0“0“操作的方案，使操作的方案，使1 1 和和0 0 信号的磁化状态正好相反。它的主要缺点是在两个信号的磁化状态正好相反。它的主要缺点是在两个 信息位之间磁层处于非磁化状态，信息位之间磁层处于非磁化状态，在实际中在实际中难以难以实现实现， 故不实用，但对理解经过电磁转换在磁性材料中记录二故不实用，但对理解经过电磁转换在磁性材料中记录二 进制信息的原理是有帮助的。进制信息的原理是有帮助的。 再 傻 荣 侣 粳 观 个 贪 裤 颤 呛 诸 亭 眯 烃 摔 返 轴 炭 寒 驳 了 枯 婚 柔 井 剖 崔 熟 伦 代 陕 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date12计算机组成原理 n n （2 2）不归零制（）不归零制（NRZNRZ） 磁头线圈中始终有电流，不是正向电流（代表磁头线圈中始终有电流，不是正向电流（代表1 1）就是反向电）就是反向电 流（代表流（代表“0”“0”），），其抗干扰能力强。这是用向磁头线圈送入正、其抗干扰能力强。这是用向磁头线圈送入正、 反向电流的办法执行写反向电流的办法执行写“1”“1”、写、写“0”“0”操作的方案，使操作的方案，使1 1和和0 0 信号信号 的磁化状态（极性）正好相反。与前一种方案相比，取消了两个信的磁化状态（极性）正好相反。与前一种方案相比，取消了两个信 息位之间磁化线圈中无电流的情况，故磁层中不存在未被磁化的状息位之间磁化线圈中无电流的情况，故磁层中不存在未被磁化的状 态，不是被正向磁化，就是被反向磁化。态，不是被正向磁化，就是被反向磁化。 （3 3）见）见1 1就翻的不归零制（就翻的不归零制（NRZ1) NRZ1) 记录记录“0”“0”时电流方向不变，只有遇到时电流方向不变，只有遇到“1”“1”时才改变方向。时才改变方向。这这 是用在写是用在写“1”“1”时就变化磁头线圈中的电流方向（写时就变化磁头线圈中的电流方向（写“0”“0”则不变电则不变电 流方向）的办法执行写流方向）的办法执行写“1”“1”、写、写“0”“0”操作的方案。操作的方案。 （4 4）调相制（）调相制（PMPM） 是利用两个相位相差是利用两个相位相差180180读的磁化翻转方向代表数据读的磁化翻转方向代表数据0 0和和1 1。即即 指定记录数据指定记录数据“0“0时规定磁化翻转的方向由负变为正，则记录数时规定磁化翻转的方向由负变为正，则记录数 据据ll时从正变为负。当连续出现两个或两个以上时从正变为负。当连续出现两个或两个以上11或或0”0” 时，为了维持上述原则，在位周期起始处也要翻转一次。时，为了维持上述原则，在位周期起始处也要翻转一次。这是用在这是用在 磁层中不同的磁化翻转方向来区别数据磁层中不同的磁化翻转方向来区别数据“1”“1”和和“0”“0”的方案的方案。为此为此 ，磁头线圈中的电流在写，磁头线圈中的电流在写“1”“1”和写和写“0”“0”时要朝不同的方向变化，时要朝不同的方向变化， 读出时就表现为读出的信号是正还是负脉冲，即二者的信号相位差读出时就表现为读出的信号是正还是负脉冲，即二者的信号相位差 为为180180。 诵 浇 谩 室 范 糙 浑 井 势 压 郭 芬 爵 酸 笨 虹 探 梳 温 谴 祁 帮 脱 祥 溃 阶 租 界 柬 召 键 抿 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date13计算机组成原理 （5 5） 调频制（调频制（FMFM） 记录记录11时不仅在各位期间的中心产生磁化翻转，而且时不仅在各位期间的中心产生磁化翻转，而且 在位在位 与位之间也必须翻转。记录与位之间也必须翻转。记录“0“0时，时，在在位周期中心不产生磁化翻位周期中心不产生磁化翻 转，但转，但在在位与位之间的边界处要翻转一次。位与位之间的边界处要翻转一次。由于记录数据由于记录数据ll时时 磁化翻转的频率为记录数据磁化翻转的频率为记录数据“0“0时的两倍，因此又称时的两倍，因此又称倍频制倍频制” 。这是用在磁层中不同的磁化翻转次数来区别数据。这是用在磁层中不同的磁化翻转次数来区别数据“1”“1”和和“0”“0”的的 方案，记录方案，记录“1”“1”比记录比记录“0”“0”磁化翻转频率要多一倍。为此，磁头磁化翻转频率要多一倍。为此，磁头 线圈中的电流，在每个位周期起始处要变化一次方向。读出时，读线圈中的电流，在每个位周期起始处要变化一次方向。读出时，读 出的出的1 1信号表现为两个脉冲，读出的信号表现为两个脉冲，读出的0 0信号表现为一个脉冲。二者的信号表现为一个脉冲。二者的 读出脉冲频率相差一倍。读出脉冲频率相差一倍。 （6 6）改进调频制（）改进调频制（MFMMFM） 这是对前面讲的调频制的一种改进方案，其目的是提高这一方这是对前面讲的调频制的一种改进方案，其目的是提高这一方 案的编码效率，使其从调频制的案的编码效率，使其从调频制的50%50%提高到现在的提高到现在的100%100%。这种记录。这种记录 方式基本上与调频制相同，方式基本上与调频制相同，即记录数据即记录数据11时在位周期中心磁化时在位周期中心磁化 翻转一次，记录数据翻转一次，记录数据00时不翻转。区别在于只有连续记录两个时不翻转。区别在于只有连续记录两个 或两个以上或两个以上00时，才在位周期的起始位置翻转一次，而不是在时，才在位周期的起始位置翻转一次，而不是在 每个位同期的起始处都翻转。每个位同期的起始处都翻转。这一改进表现在取消了大部分在位期这一改进表现在取消了大部分在位期 起始处改变磁头线圈中电流方向的动作，只保留在连续起始处改变磁头线圈中电流方向的动作，只保留在连续“0”“0”信号信号 位期起始处的电流方向变化，以便保证改编码方式的字同步能力。位期起始处的电流方向变化，以便保证改编码方式的字同步能力。 除上述几种记录方式外，成组编码（除上述几种记录方式外，成组编码（GCRGCR）以及游程长度受限）以及游程长度受限 码（码（RLLCRLLC）等。）等。 棚 委 熔 渺 亦 噶 筋 瘁 翔 烦 戈 井 塔 俄 青 怔 实 酪 颐 胎 邦 腆 腑 蕉 旅 帛 扦 昏 泌 论 锣 覆 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date14计算机组成原理 链 俐 郑 搂 瘤 阅 研 联 武 裕 捎 络 唇 滨 意 豹 屁 氨 富 凶 辜 剔 腻 挟 灸 衅 臂 条 瓦 愚 滓 告 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date15计算机组成原理 n n 目前高密度磁盘主要选用游程长度受限码目前高密度磁盘主要选用游程长度受限码RLLCRLLC。 其编码实质是将原始数据序列变成其编码实质是将原始数据序列变成“0”“0”、“1”“1”受限制的记录受限制的记录 序列，其编码规则是将原始数据变换成序列，其编码规则是将原始数据变换成“0”“0”游程长度受限游程长度受限 码，即任何两位相邻的码，即任何两位相邻的“1”“1”之间的之间的“0”“0”的最大位数和最小位的最大位数和最小位 数均受到限制的新编码。然后再用数均受到限制的新编码。然后再用NRZ-1NRZ-1制方式进行调制制方式进行调制 和写入。该码具有自同步能力，因而在高密磁盘中得到广和写入。该码具有自同步能力，因而在高密磁盘中得到广 泛应用。泛应用。 n n 从磁表面存储器读出信号时，为了分离出数据信息从磁表面存储器读出信号时，为了分离出数据信息 必须要有时间基准信号，成为同步信号。必须要有时间基准信号，成为同步信号。 n n 自同步能力是指在磁盘上从读出的数据（脉冲序列自同步能力是指在磁盘上从读出的数据（脉冲序列 ）中自动提取同步信号（时间基准信号）的能力（在每个）中自动提取同步信号（时间基准信号）的能力（在每个 位单元都至少产生一个转变区）。例如位单元都至少产生一个转变区）。例如NRZNRZ、NRZ1NRZ1不具不具 备自同步能力，而备自同步能力，而PMPM、FMFM、MFMMFM记录方式具有自同步记录方式具有自同步 能力。其中能力。其中FMFM方式的最大磁化翻转间隔是位周期方式的最大磁化翻转间隔是位周期T,T,而最而最 小磁化翻转间隔是小磁化翻转间隔是 T/2, T/2,因此自同步能力因此自同步能力R=T/2/T=0.5R=T/2/T=0.5。 秃 谁 镭 讶 箔 放 澄 罩 戍 蕉 褥 聚 蛰 备 渊 抢 妊 爹 脸 畜 泡 乘 音 塔 唆 盅 近 区 驭 烽 抛 狞 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date16计算机组成原理 8.3 硬盘存储器（硬盘机） 8.3.1 8.3.1 硬盘存储器的组成硬盘存储器的组成 n n 硬盘盘片和硬盘驱动器硬盘盘片和硬盘驱动器 旋转电机 直 线 电 机 磁头 禹 戌 酶 油 涌 狭 秧 鼓 敏 盼 虞 产 精 琳 堪 青 雏 香 鸳 尸 昧 娩 忻 谗 裂 东 板 曳 勿 颗 锌 冲 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date17计算机组成原理 同 候 币 虑 骨 仔 道 叠 币 大 姿 事 秤 炸 斯 急 鸿 走 炒 遇 茶 于 屠 橙 唐 净 复 凸 瞒 蜗 悄 望 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date18计算机组成原理 磁盘存储器逻辑结构演示 衍 浴 碟 记 因 桥 惶 切 根 邓 伺 找 颖 泌 绑 椒 秃 摊 尚 赊 匪 戍 珠 瞥 忍 醇 悔 笔 堂 贷 裸 傀 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date19计算机组成原理 磁盘 磁 盘 组 主轴磁头 音圈 电机 位置检测 定位驱动 模拟控制 放 大 闭环自动控制系统 由磁盘控制 器送来的目 标磁道信号 测 速 输 出 读写臂 传动机构 主轴定位驱动数据控制 磁盘驱动器 苯 鹊 迢 奉 戒 毡 强 芍 谦 孤 姨 仅 巧 见 炳 萍 浦 秽 磷 研 最 辣 惺 胺 烹 谢 话 闹 肘 珊 欠 狭 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date20计算机组成原理 n n 温切斯特磁盘实际上是一种技术，这种技术是由温切斯特磁盘实际上是一种技术，这种技术是由 IBMIBM公司位于美国加州坎贝尔市温切斯特大街的研公司位于美国加州坎贝尔市温切斯特大街的研 究所研制的，它是于究所研制的，它是于19731973年被应用的。年被应用的。 n n 温氏技术特点温氏技术特点 n n 全封闭结构，杜绝灰尘危害全封闭结构，杜绝灰尘危害 n n 磁头采用接触式启停磁头采用接触式启停 n n 一体化主轴和电机一体化主轴和电机 n n 硬盘存储器的基本组成硬盘存储器的基本组成 n n 磁盘控制器磁盘控制器 n n 头盘组件头盘组件 n n 磁头组件、磁头驱动机构、驱动机构及盘片磁头组件、磁头驱动机构、驱动机构及盘片 、读写放大电路、循环过滤器、底座和上盖、其他附、读写放大电路、循环过滤器、底座和上盖、其他附 件。件。 n n 印刷电路板。印刷电路板。 俱 霸 舌 兑 开 藤 刁 健 惭 滥 删 瘦 窒 帕 迅 羽 钳 啊 圭 碱 包 涉 肮 峰 窟 堑 馏 拨 蹦 钱 殿 谁 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date21计算机组成原理 8.3.2 硬盘的管理结构 1 1、名词解释、名词解释 n n 盘面盘面 n n 磁道：磁道：对单个盘片而言可以称为磁道。对单个盘片而言可以称为磁道。 n n 柱面柱面：硬盘每个盘面的同一编号的磁道构成柱面：硬盘每个盘面的同一编号的磁道构成柱面 n n 扇区或数据块号扇区或数据块号: : 对定长格式的硬盘存在扇区的概念对定长格式的硬盘存在扇区的概念 ，对不定长的硬盘以数据块号（记录号）存储信息。，对不定长的硬盘以数据块号（记录号）存储信息。 n容量 格式化容量格式化容量= =磁头数磁头数* *柱面数柱面数* *每柱面扇区数每柱面扇区数* *每扇每扇 区字节数；或磁头数区字节数；或磁头数* *柱面数柱面数* *每柱面数据块数每柱面数据块数* *每数据块每数据块 内的字节数。内的字节数。 n n 转数转数现在已达到现在已达到7200r/min7200r/min或或9600r/min9600r/min。以。以54005400转转/ /分分 的硬盘的硬盘 而言，其相应的平均等待时间为而言，其相应的平均等待时间为5.6ms5.6ms。现在常用。现在常用 硬盘的数据传输率可达到硬盘的数据传输率可达到5MB/S5MB/S以上。以上。 n n 按盘径分：按盘径分：5.255.25英寸、英寸、3.5 3.5 英寸、英寸、2.5 2.5 英寸、英寸、1.8 1.8 英寸英寸 冉 柱 惩 嗡 疟 挎 谗 半 矛 起 仕 葫 寥 葛 薯 腆 疽 坠 怔 偏 郊 尚 参 视 溉 取 限 睡 薄 霓 滚 襄 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date22计算机组成原理 n n 例题例题 磁盘组有磁盘组有6 6片磁盘，每片有两个记录面，片磁盘，每片有两个记录面， 最上最下两面不用。存储区域内直径最上最下两面不用。存储区域内直径22cm22cm，外直，外直 径径33cm,33cm,道密度为道密度为4040道道/cm,/cm,内层位密度内层位密度400400位位/cm,/cm, 转速转速24002400转转/ /分，问：分，问： n n 1 1、共有多少柱面？、共有多少柱面？ n n 2 2、盘组总存储容量是多少？、盘组总存储容量是多少？ n n 3 3、数据传输率多少？、数据传输率多少？ n n 4 4、采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小、采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小 单位是什么单位是什么? ?寻址命令中如何表示磁盘地址？寻址命令中如何表示磁盘地址？ n n 5 5、如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将、如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将 它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面 上？上？ 簿 零 铅 霓 务 罗 擅 烃 敖 堕 淮 迢 嘉 辞 互 蹿 枪 枫 咯 只 胞 忧 彩 颁 依 笑 熏 烛 纫 开 摘 裤 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date23计算机组成原理 n n 解：解：1 1、有效存储区域、有效存储区域= 33/2= 33/2 22/2 = 16.5 22/2 = 16.511 = 5.5cm11 = 5.5cm 柱面数柱面数= =道密度道密度 有效区域有效区域=40=40道道/cm5.5cm=220/cm5.5cm=220道，即道，即 220 220个圆柱面。个圆柱面。 2 2、内道周长、内道周长=3.1422=69.08cm=3.1422=69.08cm 道信息量道信息量N=400N=400位位/cm69.08cm=27632/cm69.08cm=27632位位=3454B=3454B 面信息量面信息量=3454B220=759880B=3454B220=759880B 盘组容量盘组容量=759880B10=7598800B7.25MB=759880B10=7598800B7.25MB 3 3、磁盘数据传输率、磁盘数据传输率= =转数转数r r 道容量道容量NN = =（24002400转转/60/60秒）秒） 3454B 3454B =403454=13816B/S=13.492KB/S =403454=13816B/S=13.492KB/S 4 4、最小单位是一个记录块（一个扇区），其编址方式可、最小单位是一个记录块（一个扇区），其编址方式可 为如下格式：为如下格式： 5 5、记录在同一个柱面上，因为不需要重新找道，数据读、记录在同一个柱面上，因为不需要重新找道，数据读 写速度快。写速度快。 磁磁盘盘盘盘机号机号 柱面号柱面号 盘盘盘盘面号面号扇区号扇区号 宛 裁 贰 萨 襟 卫 郊 洋 屡 霹 功 贤 伎 绸 笋 谨 潜 识 哭 膨 挑 铁 聚 趴 市 烧 剖 锣 沧 柴 澡 瓜 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date24计算机组成原理 2、硬盘的区域划分和引导记录 n主引导记录MBR n硬盘主引导程序 和硬盘分区表. nDOS引导记录DBR nDOS引导程序和 磁盘参数块 n文件分配表FAT n记录磁盘空间的 使用情况 n文件目录 nDOS文件组成的 重要组成,也是文件.包含 文件名、扩展名、属性、 生成日期、最后修改时间 、开始簇号、大小等 n数据区 阁 剥 依 辖 肛 巨 锁 赦 柬 植 兽 楞 锄 逐 动 瞬 恍 默 翰 窑 雍 梆 那 开 王 芽 严 抡 媒 憎 绝 单 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date25计算机组成原理 n n 在软盘和小容量硬盘中大都采用定长数据块。在软盘和小容量硬盘中大都采用定长数据块。 而在大容量硬盘中，有的采用不定长数据块，该而在大容量硬盘中，有的采用不定长数据块，该 长则长，能短则短。不采取扇区划分，直接以数长则长，能短则短。不采取扇区划分，直接以数 据块或记录号标识。因此，硬盘寻址信息一般由据块或记录号标识。因此，硬盘寻址信息一般由 台号、圆柱面号（道号）、磁头号（记录面台号、圆柱面号（道号）、磁头号（记录面 号）、数据块号、交换量组成。号）、数据块号、交换量组成。 n n 定长数据块磁道格式举例（以索引信号开始）定长数据块磁道格式举例（以索引信号开始）： G1扇区1 扇区2 - - - - 扇区n G4 SYN C 头标 志区 圆柱号高 位 圆柱号 低位 磁 头 号 扇 区 号 CRCG2数据区 标志 DATACR C G3 嘱 资 押 限 湿 鹿 昨 瞄 锁 酶 礁 哇 链 傀 春 伯 氯 淫 即 半 铅 彩 驴 存 铀 栅 罩 惧 堵 败 屿 排 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date26计算机组成原理 n n 间隔间隔G1, 16G1, 16个字节个字节4EH4EH。 n n 每个扇区包含下述五个部分每个扇区包含下述五个部分 n n 1 1、同步区、同步区SYNC,14SYNC,14个字节个字节0000。 n n 2 2、头标志区、头标志区7 7个字节：第个字节：第1 1个是个是A1HA1H；第；第2 2是圆柱是圆柱 号高位；号高位；3 3是圆柱号低位；是圆柱号低位；4 4是磁头号，其中是磁头号，其中0 0、1 1、 2 2位为磁头号，位为磁头号，3 3、4 4位是位是0 0，5 5、6 6是扇区计数值，第是扇区计数值，第 7 7位是坏块标志；位是坏块标志；5 5字节是扇区号；字节是扇区号；6 6、7 7存放头标区存放头标区 的循环校验码；的循环校验码； n n 3 3、间隔、间隔G2G2，1616个字节个字节00H00H。 n n 4 4、数据区标志，、数据区标志，2 2个字节：个字节：A1H F8HA1H F8H。以后是数。以后是数 据区据区DATA,DATA,定长数据块定长数据块512B512B规格。规格。2 2个字节的数据个字节的数据 区的区的CRCCRC码。码。 n n 5 5、间隔、间隔G3G3，3 3个字节个字节00H00H及及1515个字节个字节 4EH 4EH。 本 现 苍 峦 遭 始 方 董 侈 催 剑 扶 箔 销 放 躁 泥 蜡 旁 肆 资 蹈 鸳 膨 隔 诺 腆 病 呆 镊 窝 谎 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date27计算机组成原理 n n 不定长数据块磁道举例（以索引信号开始）不定长数据块磁道举例（以索引信号开始） n n 一个磁道内的信息由若干个记录（一个磁道内的信息由若干个记录（Record)Record)组组 成。每个记录包含计数段成。每个记录包含计数段(Count)(Count)、关键字段（、关键字段（KeyKey ）、数据段（）、数据段（DataData），这一类格式又被称为），这一类格式又被称为CKDCKD 结构。结构。 G1 HAG2 R0G3 R1 - - RnG3 SD PA FCCHHDCB 计数区G2 KEYG2 数据区 象 窝 誉 怯 卒 蓑 御 啊 泅 徒 意 草 惹 陛 辫 翘 汾 拢 唬 壮 箕 国 赋 窗 有 今 吸 施 协 游 怔 玫 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date28计算机组成原理 n n 间隔间隔G1G1，共，共116116字节，其中字节，其中115115个是个是00H00H，一个，一个 是是19H19H同步信息。同步信息。 n n 标识地址标识地址HAHA（Home AddressHome Address）是用来标识磁）是用来标识磁 道的地址区共道的地址区共2020个字节，其中：个字节，其中： SD SD用用6 6个字节用来指出该磁道上有几个瑕疵，个字节用来指出该磁道上有几个瑕疵， 及其位置。及其位置。PAPA用用3 3个字节指出磁道的物理地址（柱个字节指出磁道的物理地址（柱 面地址和磁头号）。面地址和磁头号）。F F用用1 1个字节标示磁道状态，好个字节标示磁道状态，好 或坏，是基本磁道还是替补道等。或坏，是基本磁道还是替补道等。CCCC是柱面逻辑是柱面逻辑 地址占地址占2 2个字节。个字节。HHHH是磁头逻辑地址占是磁头逻辑地址占2 2个字节。个字节。 DCBDCB是错误校验占是错误校验占6 6个字节。个字节。 间隔间隔G2G2，7676个字节，个字节，7575个为个为00H,00H,一个是一个是19H19H。 零号记录零号记录R0R0，它是用户用来说明本磁道的有，它是用户用来说明本磁道的有 关状态，如果磁道发生故障，将依据关状态，如果磁道发生故障，将依据R0R0提供的信提供的信 息实现磁道替换。息实现磁道替换。 洞 思 命 讨 沼 榜 卢 燎 惑 卧 龄 舜 漳 赴 迪 嚎 模 晓 念 琐 翔 辗 猪 舍 宋 法 幅 纤 奶 姜 斡 辽 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date29计算机组成原理 n n 用户记录用户记录RiRi：在各记录之间用：在各记录之间用G3G3分隔，分隔，G3G3为为7979个字个字 节，其内部存有固定格式的信息。节，其内部存有固定格式的信息。 计数区包含计数区包含2525个字节，分别是本区瑕疵、物理地址个字节，分别是本区瑕疵、物理地址 、标志、标志、IDID识别区、记录号、本记录的关键字长度、本记识别区、记录号、本记录的关键字长度、本记 录内数据长度、校验码。其中录内数据长度、校验码。其中IDID包含磁道状况、好的原始包含磁道状况、好的原始 道、坏的原始道、好的替补道、坏的替补道等地址。道、坏的原始道、好的替补道、坏的替补道等地址。 qq 关键字区关键字区KEYKEY是数据的识别信息，如顺序号、密码是数据的识别信息，如顺序号、密码 及自己的校验码。及自己的校验码。 qq 数据区用来记录用户数据，允许使用不同长度，然数据区用来记录用户数据，允许使用不同长度，然 后是后是6 6个校验码。个校验码。 qq 在一个记录内三个区使用在一个记录内三个区使用G2G2进行分隔。进行分隔。 qq 在进行磁盘格式化时，可以发现坏道并将其替换。在进行磁盘格式化时，可以发现坏道并将其替换。 用户使用的逻辑地址可以不变，磁道格式信息用户使用的逻辑地址可以不变，磁道格式信息CC,HHCC,HH提提 供磁道的物理地址。供磁道的物理地址。 衡 饺 剿 油 否 梧 纤 涵 陀 螺 疾 嫡 箍 楼 觅 陡 枷 止 碌 椒 倾 恿 藩 失 傅 敬 搽 川 脐 盯 纂 柏 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 清 华 计 算 机 组 成 原 理 课 件 0 8 辅 助 存 储 器 Date30计算机组成原理 常用硬盘接口类型常用硬盘接口类型 n n IDEIDE（Intergrate drive Election)Intergrate drive Election)接口：接口： n n 4040条通信线，属于条通信线，属于设备级接口（主机命令控制设备（主机命令控制设备 的操作）。的操作）。