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计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 磁荷随机存储器磁荷随机存储器 快速电擦除可编快速电擦除可编 程只读存储器程只读存储器 存存 储储 器器 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 第第4 4章章 教教 学学 内内 容容 4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 主存储器主存储器 4.3 4.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器 4.4 4.4 辅助存储器辅助存储器 一、一、磁表面存储器磁表面存储器 1 1、磁记录原理、磁记录原理 2 2、磁记录方式、磁记录方式 3 3、磁表面存储器指标、磁表面存储器指标 二、硬盘存储器二、硬盘存储器 1 1、硬磁盘类型、硬磁盘类型 2 2、硬磁盘结构、硬磁盘结构 3 3、硬磁盘记录格式、硬磁盘记录格式 4 4、硬磁盘发展、硬磁盘发展 三、软盘、磁带、光盘存储器三、软盘、磁带、光盘存储器* * 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 辅存辅存在现代计算机的层次存储器系统中的地位在现代计算机的层次存储器系统中的地位 ControlControl DatapathDatapath SecondarySecondary StorageStorage (Disk)(Disk) ProcessorProcessor RegistersRegisters MainMain MemoryMemory (DRAM)(DRAM) SecondSecond LevelLevel CacheCache (SRAM)(SRAM) On-ChipOn-Chip CacheCache 1ns1ns MillisecondsMilliseconds GB GB Speed :Speed :10ns 10ns KB-MBKB-MB 50-100ns50-100ns MB-GBMB-GB B B Size:Size: TertiaryTertiary StorageStorage (Disk)(Disk) SecondsSeconds TBTB 特点：容量大、速度慢、价格低、非易失、后备特点：容量大、速度慢、价格低、非易失、后备 硬盘硬盘 磁盘磁盘 软盘软盘 光盘光盘 U U盘盘 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 铁氧体铁氧体 线圈线圈 电流电流 磁记录介质磁记录介质 1 1、磁记录原理、磁记录原理 磁头磁头，软磁材料，软磁材料 导磁率高，饱和磁感应强度大导磁率高，饱和磁感应强度大 矫顽力小，剩余磁感应强度小矫顽力小，剩余磁感应强度小 磁记录材料磁记录材料，硬磁材料，硬磁材料 记录密度高，记录信息时间长记录密度高，记录信息时间长 输出信号幅度大，噪声低输出信号幅度大，噪声低 表面组织紧密、光滑、无麻点表面组织紧密、光滑、无麻点 薄厚均匀，温度、湿度影响小薄厚均匀，温度、湿度影响小 一、磁表面存储器一、磁表面存储器 写写：信息电流磁化记录介质，信息电流磁化记录介质， 磁层表面磁化极性方向区别磁层表面磁化极性方向区别0101 读读：记录介质均匀移动，在磁记录介质均匀移动，在磁 头中感应出电动势，形成读出头中感应出电动势，形成读出 电流，剩磁方向决定电流，剩磁方向决定0101 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 2 2、磁记录方式、磁记录方式 一种编码方法，即按某种规律将一串二进制信息一种编码方法，即按某种规律将一串二进制信息 ，通过读写电路变换成磁层介质中的磁化翻转序列，通过读写电路变换成磁层介质中的磁化翻转序列 一、磁表面存储器一、磁表面存储器 （1 1）定义：）定义： （2 2）常见编码方式：）常见编码方式： n n归零制（归零制（RZRZ） 线圈中正脉冲电流为线圈中正脉冲电流为“1 1”，负脉冲电流表，负脉冲电流表 示示“0 0”，两位信息位之间线圈中无电流。，两位信息位之间线圈中无电流。 RZ 位信息 1 0 1 1 1 0 0 0 1 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 n n不归零制（不归零制（NRZNRZ） 线圈中一直有正或负脉冲电流，相邻两位线圈中一直有正或负脉冲电流，相邻两位 信息位代码不同才改变电流方向。信息位代码不同才改变电流方向。 n n见见1 1翻转的不归零制（翻转的不归零制（NRZ1NRZ1） 线圈中始终脉冲电流，只有见到线圈中始终脉冲电流，只有见到“1”1”才改才改 变电流的方向，记录变电流的方向，记录“0”0”时电流方向保持不变时电流方向保持不变 。 NRZ 位信息 1 0 1 1 1 0 0 0 1 位信息 1 0 1 1 1 0 0 0 1 NRZ1 一、磁表面存储器一、磁表面存储器 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 一、磁表面存储器一、磁表面存储器 n n调相制（调相制（PM/PEPM/PE） 相位编码。用脉冲边沿来表示相位编码。用脉冲边沿来表示, ,记录记录“0”0”由负由负 变正，记录变正，记录“1”1”由正变负。相同相邻信息间要变方由正变负。相同相邻信息间要变方 向，不同相邻信息间不变方向。向，不同相邻信息间不变方向。 n n调频制（调频制（FMFM） 频率编码。频率编码。“1”:1”:高频记录，位周期中心翻转；高频记录，位周期中心翻转； “0”:0”:低频记录，位周期中心不翻转；位与位之间都低频记录，位周期中心不翻转；位与位之间都 翻转。翻转。 位信息 1 0 1 1 1 0 0 0 1 PM 位信息 1 0 1 1 1 0 0 0 1 FM 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 n n改进的调频制（改进的调频制（MFMMFM） 倍密度频率编码。倍密度频率编码。“1”:1”:高频记录，位周期中心高频记录，位周期中心 翻转；翻转；“0”:0”:低频记录，位周期中心不翻转；位与位低频记录，位周期中心不翻转；位与位 只有连续两个只有连续两个(2(2以上以上) )的的“0”0”时才在位周期时才在位周期起始位置起始位置 翻转翻转 位信息 1 0 1 1 1 0 0 0 1 FM MFM n n二次改进的调频制（二次改进的调频制（MM 2 2 FMFM） n n成组编码（成组编码（GCRGCR） n n游程长度受限码（游程长度受限码（RLLRLL） 一、磁表面存储器一、磁表面存储器 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 l l高编码效率：高编码效率： 位密度与磁化翻转密度比值，高好。位密度与磁化翻转密度比值，高好。 l l高自同步能力：高自同步能力： 从单个磁道读出的脉冲序列中提取同步脉冲时钟从单个磁道读出的脉冲序列中提取同步脉冲时钟 的难易程度，用最小磁化翻转间隔与最大磁化翻转间的难易程度，用最小磁化翻转间隔与最大磁化翻转间 隔比值衡量，高好。隔比值衡量，高好。 l l高信息独立性：高信息独立性： 某一位读出误码不影响后续位的正确性，高好。某一位读出误码不影响后续位的正确性，高好。 l l高读分辨力高读分辨力 l l高抗干扰力高抗干扰力 l l低电路复杂度低电路复杂度 l l宽频带宽度宽频带宽度 （3 3）记录方式的评价指标：）记录方式的评价指标： 一、磁表面存储器一、磁表面存储器 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 一、磁表面存储器一、磁表面存储器 3 3、磁表面存储器指标、磁表面存储器指标 磁盘磁盘道密度道密度：沿半径方向单位长度磁道数，：沿半径方向单位长度磁道数，tpm/tpitpm/tpi 磁带磁带/ /磁盘磁盘位密度位密度：单位长度磁道记：单位长度磁道记 录的比特数录的比特数bpmbpm/bpi/bpi l l记录密度记录密度 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 l l存储容量存储容量 磁表面存储器所能存储的二进制信息的总量，磁表面存储器所能存储的二进制信息的总量，ByteByte PlattersPlatters TrackTrack SectorSector 一、磁表面存储器一、磁表面存储器 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 l l平均寻址时间平均寻址时间 磁盘磁盘访问过程访问过程直接存取直接存取方式方式 (1)(1)寻道：将读写磁头移动到正确的磁道上寻道：将读写磁头移动到正确的磁道上 (2)(2)寻找扇区：等待磁盘旋转到需要访问的扇区寻找扇区：等待磁盘旋转到需要访问的扇区 (3)(3)数据传输：读写数据（数据传输：读写数据（1 1个或多个扇区）个或多个扇区） 磁带磁带访问过程访问过程顺序存取顺序存取方式方式 磁头不动，磁带移动，不寻道但需要等待。磁头不动，磁带移动，不寻道但需要等待。 一、磁表面存储器一、磁表面存储器 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 l l数据传输率数据传输率 l l误码率误码率 常用循环冗余码常用循环冗余码CRCCRC来发现和纠正传输错误来发现和纠正传输错误 记录介质记录介质 运动速度运动速度记录密度记录密度 数据传输率数据传输率 一、磁表面存储器一、磁表面存储器 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 1 1、硬磁盘类型、硬磁盘类型 3 3、硬磁盘记录格式、硬磁盘记录格式 4 4、硬磁盘发展、硬磁盘发展 二、硬盘存储器二、硬盘存储器 2 2、硬磁盘结构、硬磁盘结构 二、硬盘存储器二、硬盘存储器 固定磁头磁盘固定磁头磁盘 移动磁头磁盘移动磁头磁盘 磁头工作方式磁头工作方式 可换盘片磁盘可换盘片磁盘 头盘固定磁盘头盘固定磁盘 磁盘可换性磁盘可换性 1 1、硬磁盘类型、硬磁盘类型 温温彻斯特彻斯特盘盘: :可移动磁头固定盘片可移动磁头固定盘片 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 2 2、硬磁盘结构、硬磁盘结构 二、硬盘存储器二、硬盘存储器 主主 机机 磁盘控制器磁盘控制器 磁盘驱动器磁盘驱动器 盘盘 片片 下面以目前最有代表性的下面以目前最有代表性的温切斯特磁盘温切斯特磁盘存储器为例：存储器为例： （1 1）磁盘驱动器）磁盘驱动器 l l主轴系统：主轴系统：盘片、传动机构、磁头、读写臂、小车、电机盘片、传动机构、磁头、读写臂、小车、电机 l l驱动定位系统：驱动定位系统：位置检测、比较、放大电路位置检测、比较、放大电路 l l数据控制部分：数据控制部分：地址接收、记录电流形成、读放大、译码地址接收、记录电流形成、读放大、译码 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 二、硬盘存储器二、硬盘存储器 检测比较检测比较 放大放大 磁头磁头 磁磁 盘盘 组组 主轴主轴 通风机通风机 取数臂取数臂 定位驱动器定位驱动器 速度速度 传感器传感器 小车小车 主电机主电机 传动皮带传动皮带 滤尘器滤尘器 密封罩密封罩 （1 1）磁盘驱动器）磁盘驱动器 磁盘控制器磁盘控制器 信号信号 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 （2 2）磁盘控制器）磁盘控制器 一块硬件插板，接收主机命令，转换为磁盘一块硬件插板，接收主机命令，转换为磁盘 驱动器的控制命令，常见控制器驱动器的控制命令，常见控制器- -驱动器界面：驱动器界面： ST506ST506硬盘接口硬盘接口 ESDI/SMDESDI/SMD硬盘接口硬盘接口 SCSISCSI硬盘接口硬盘接口 二、硬盘存储器二、硬盘存储器 驱动器驱动器 驱动器驱动器 驱动器驱动器 串并串并 转换转换 格格 式式 控控 制制 数据数据 缓冲缓冲 DMADMA 控制控制 串并串并 转换转换 读放读放 大器大器 写放写放 大器大器 读时钟读时钟 产生器产生器 数据数据 译码译码 数据编码器数据编码器 总总 线线 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 SCSISCSI接口信号线接口信号线 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 （3 3）盘片）盘片 一组存储信息的磁表面载体，按格式记录数据一组存储信息的磁表面载体，按格式记录数据 3 3、硬磁盘记录格式、硬磁盘记录格式 （1 1）定长记录格式）定长记录格式 0101字节字节记录块记录块记录记录文件文件 串行串行 形成形成 若干若干 组成组成 系列系列 构成构成 一批一批 组成组成 台号台号：系统挂接的硬盘个数：系统挂接的硬盘个数 双盘双盘多盘多盘 定长记录磁盘地址定长记录磁盘地址 二、硬盘存储器二、硬盘存储器 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 磁道号磁道号：磁盘一面含的圈数：磁盘一面含的圈数 ，在，在n n面的同一半径的磁道面的同一半径的磁道 形成圆柱面，柱面信息被移形成圆柱面，柱面信息被移 动磁头组同时读出，故也叫动磁头组同时读出，故也叫 柱面号柱面号。 扇段号扇段号：每个盘面分为若干扇区，：每个盘面分为若干扇区， 每条磁道被分割为若干扇段。如右每条磁道被分割为若干扇段。如右 ISOTISOT盘盘扇段内格式：扇段内格式： 盘面号盘面号：每个硬盘中一组磁盘的盘面数，一般：每个硬盘中一组磁盘的盘面数，一般2n-22n-2面面 Sector Track Cylinder Head Platter Track Sector 首空首空 引导引导 数据数据 校验校验 尾空尾空 二、硬盘存储器二、硬盘存储器 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 二、硬盘存储器二、硬盘存储器 台号台号 磁道号磁道号 盘面号盘面号 扇段号扇段号 定长记录格式中磁盘地址构成：定长记录格式中磁盘地址构成： 定长记录格式寻址次序：定长记录格式寻址次序： 决定操作的硬盘决定操作的硬盘 台号台号 确定硬盘的柱面确定硬盘的柱面磁道号磁道号 选定组中某磁头选定组中某磁头盘面号盘面号 旋转磁盘找扇区旋转磁盘找扇区扇段号扇段号 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 = = 寻道时间寻道时间 + + 旋转延迟旋转延迟 + + 传输时间传输时间 + + 磁盘控制器延迟磁盘控制器延迟 定长记录格式中访存时间：定长记录格式中访存时间： 例题例题1 1：P135P135例例4.124.12 例题例题2 2：P136P136例例4.134.13 二、硬盘存储器二、硬盘存储器 寻道时间寻道时间：将磁头移动到正确的磁道上：将磁头移动到正确的磁道上 与每面磁道数、磁盘直径、磁头组速度有关与每面磁道数、磁盘直径、磁头组速度有关 旋转延迟旋转延迟：等待磁盘上扇区旋转到磁头下：等待磁盘上扇区旋转到磁头下 与磁盘组旋转速度、扇区数、当前扇段位置有关与磁盘组旋转速度、扇区数、当前扇段位置有关 传输时间传输时间：真正的数据读：真正的数据读/ /写时间写时间 与旋转速度、存储密度、数据传输率有关与旋转速度、存储密度、数据传输率有关 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 例题例题3 3： 平均寻道时间平均寻道时间 = 12ms; = 12ms; 旋转速度旋转速度 = 5400rpm= 5400rpm 磁盘控制器延迟：磁盘控制器延迟：2ms2ms；传输速度；传输速度 = 5MB/S= 5MB/S 扇区大小扇区大小 = 512 bytes= 512 bytes。 读取一页（读取一页（8 8KBKB）需要多少时间？）需要多少时间？ 旋转延迟：平均旋转延迟应为磁盘旋转半周的时间。旋转延迟：平均旋转延迟应为磁盘旋转半周的时间。 旋转旋转1 1周周=1/5400min=11.1ms =1/5400min=11.1ms ， 周用时周用时5.6 ms5.6 ms 读读1 1个扇区时间个扇区时间 =12ms+5.6ms+0.5K/5MB/S+2ms=19.7ms=12ms+5.6ms+0.5K/5MB/S+2ms=19.7ms 读读1 1页的时间页的时间=12ms+5.6ms+8K/5MB/S+2ms=21.2ms=12ms+5.6ms+8K/5MB/S+2ms=21.2ms 解：解： 二、硬盘存储器二、硬盘存储器 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 （2 2）不定长记录格式）不定长记录格式 不定长记录格式可以根据文件长度需要来决不定长记录格式可以根据文件长度需要来决 定记录块的长度，如定记录块的长度，如IBM2311IBM2311盘盘磁道格式为：磁道格式为： GG 磁道地址磁道地址标志块标志块数据块数据块1 1索引标志索引标志GGGGGG数据块数据块2 2 GG F F 柱面号柱面号 GG磁头号磁头号数据长数据长数据数据关键字关键字块号块号校验校验校验校验键长键长GG校验校验 数据区数据区关键字区 关键字区 计数区计数区 注解：数据区长度不定，由计数区注解：数据区长度不定，由计数区数据长数据长约定；约定； 数据串行存储，字节间无间隙也无校验。数据串行存储，字节间无间隙也无校验。 二、硬盘存储器二、硬盘存储器 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 4 4、硬磁盘的发展、硬磁盘的发展 二、硬盘存储器二、硬盘存储器 (1)(1)半导体盘半导体盘Flash MemoryFlash Memory盘盘 (2)(2)高密度盘高密度盘磁头记录密度、读写防干扰、磁头记录密度、读写防干扰、 磁头浮动、编码、介质、基板等技术改进磁头浮动、编码、介质、基板等技术改进 (3)(3)高速度盘高速度盘主轴转速改进、硬盘主轴转速改进、硬盘CacheCache技术技术 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 二、硬盘存储器二、硬盘存储器 Strip0Strip0 Strip4Strip4 Strip8Strip8 Strip1Strip1 Strip5Strip5 Strip9Strip9 Strip2Strip2 Strip6Strip6 Strip10Strip10 Strip3Strip3 Strip7Strip7 Strip11Strip11 Strip11Strip11 Strip7Strip7 Strip3Strip3Strip2Strip2 Strip6Strip6 Strip10Strip10 Strip1Strip1 Strip5Strip5 Strip9Strip9 Strip0Strip0 Strip4Strip4 Strip8Strip8 核心技术核心技术：采用分条：采用分条strippingstripping、分块、分块declusteringdeclustering、交、交 叉存取叉存取interleavinginterleaving等方式对数据和数据校验组合处理等方式对数据和数据校验组合处理 (4)(4)大容量盘大容量盘磁盘阵列磁盘阵列(RAID(RAID， Redundant Arrays of Inexpensive Disks )Redundant Arrays of Inexpensive Disks ) ， 将并行处理技术引入磁盘系统，将多台将并行处理技术引入磁盘系统，将多台 小型温盘组成同步化磁盘阵列，数据展小型温盘组成同步化磁盘阵列，数据展 开分放，操作与单台盘一样，但数据传开分放，操作与单台盘一样，但数据传 输时间为单台盘的输时间为单台盘的1/n1/n。 计算机组成原理计算机组成原理第第4 4章章 存储器存储器 第二篇第二篇 硬件结构硬件结构 三、软盘、磁带、光盘存储器三、软盘、磁带、光盘存储器* * 自学：软磁盘存储器、磁带存储器（自学：软磁盘存储器、磁带存储器（Page138-144Page138-144） 存存贮贮贮贮系系统统统统 软盘驱动器（简称为软驱）是微机常用的外部存 软盘驱动器（简称为软驱）是微机常用的外部存 储设备。它由软驱、软磁盘和软盘控制卡（接口电路储设备。它由软驱、软磁盘和软盘控制卡（接口电路 ）等三部分构成完整的软盘存储系统。）等三部分构成完整的软盘存储系统。 软驱规软驱规软驱规软驱规 格格 从存储容量上分，软驱规格有 从存储容量上分，软驱规格有5.255.25英寸软驱和英寸软驱和3.53.5 英寸软驱。前者的存储容量为英寸软驱。前者的存储容量为1.2MB1.2MB，后者的存储容量，后者的存储容量 为为1.44MB1.44MB。5.255.25英寸软驱是英寸软驱是486486微机以前的产物，现已微机以前的产物，现已 基本淘汰。基本淘汰。3.53.5英寸软驱是英寸软驱是586586微机的标准配置，主要微机的标准配置，主要 用于初始化微机时的系统启动和文件信息的备份。用于初始化微机时的系统启动和文件信息的备份。 软软软软磁磁盘盘盘盘 软磁盘也分为 软磁盘也分为5.255.25英寸和英寸和3.53.5英寸。单张存储