第二章 存储系统(第三节).ppt

2 3辅助存储器 2 3 1辅助存储器的主要技术指标2 3 2磁表面存储原理2 3 3磁盘存储器2 3 4磁带存储器2 3 5光盘存储器2 3 6磁盘阵列RAID2 3 7闪速存储器习题 辅助存储器是主存储器的后援存储设备 用以存放当前暂时不用的程序或数据 对辅助存储器的基本要求是 容量大 成本低 可以脱机保存信息 目前主要有磁读写 光读写两类 如磁盘 磁带 光盘 光磁盘等 2 3 1辅助存储器的主要技术指标 1 记录密度磁盘 磁带 光盘 光磁盘等辅助存储器中的信息被存储的位置轨迹称为道 每条道都有一定宽度 道之间还有一定的间隙 从横向看 单位长度的道数 称为道密度 道密度的单位是tpi trackperinch 或tpm 道 mm 道密度Dt在数值上等于道距P的倒数 单位长度磁道所能记录的二进制信息的位数称为位密度或线密度 单位是bpi bitsperinch 或bpm 位 mm 磁带存储器主要用位密度来衡量 常用的磁带有800bpi 1600bpi 6250bpi等 对于磁盘 位密度Db按下式计算 Db ft dmin其中 ft为每道总位数 dmin为同心圆中的最小直径 5 25英寸磁盘的存储密度有如下几种 单密度 位密度为2581bpi 道密度为48tpi 倍密度 位密度为5876bpi 道密度为48tpi 倍位倍道密度 位密度为5876bpi 道密度为96tpi 高密度 位密度为9646bpi 道密度为96tpi 2 存储容量存储容量是指存储设备所能存储的二进制信息总量 一般以位 bit 或字节 byte 为单位 存储容量取决于盘面数 盘面大小和存储密度 若一个磁盘组有n个盘面存储信息 每个盘面有T条磁道 每条磁道分成S个扇段 每段存放B个字节 则存储容量 C n T S B磁盘有格式化容量和非格式化容量两个指标 非格式化容量是磁表面可以利用的磁化单元总数 格式化容量是指按某种特定的记录格式所能存储信息的总量 即用户可以使用容量 它一般为非格式化容量的60 70 左右 3 平均寻址时间读 写头接到读 写命令从起始位置到达指定的位置 所需的全部时间称为寻址时间 也称定位时间 寻址时间包括两部分 一是将读 写头移动到指定的道的时间 找道时间Ts 二是找到道后 读 写头要等待存储介质上的指定区段旋转到其下方所需的等待时间Tw 这两部分都是随机的 故要取它们的平均值 T Tsa Twa Tsmax Tsmin 2 Twmax Twmin 2 4 数据传输率数据传输率是指单位时间存储器读 写的二进制信息量 它与存储密度和磁介质通过磁头的速度之间关系为 R D V式中 R为数据传输率 单位为字节 秒或位 秒 D为存储密度 磁盘为位密度 磁带为位密度与数据道数的乘积 V为速度 注意 速度 密度中的长度单位要一致 在计算一批数据的平均传输率时 还应考虑其他因素 如磁盘应考虑换道寻址时间 磁带应考虑记录之间的间隙等 5 误码率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 为了减少出错率 要采用校验码 在一般设备中 通常用奇偶校验码来发现1个或奇数个错误 对磁表面存储器 由于介质表面的缺陷 尘埃等影响 可能会出现多个错误 通常采用循环冗余码来发现并纠正错误 2 3 2磁表面存储原理 磁盘 磁带都是磁表面存储器 由于磁表面存储器的存储容量大 位成本低 信息保存时间长 读出时不需要再生等 目前在计算机辅助存储器中使用最为普遍 1 磁表面存储元磁表面存储器中的信息存储在涂覆在载体表面的磁层中 如图2 28所示 当具有很窄缝隙的磁头的写线圈中通过电流时 其垂直下方的一个小区间会形成一个局部小磁环 称为存储元 磁头的写线圈中的电流方向不同 存储元被磁化的磁极性方向就不相同 也就是说 存储元记录了磁头写线圈中电流的方向 让载磁体向一个方向运动 且磁头的写线圈中通过与某0 1信息一致的脉冲电流时 如果速度匹配 就会在磁表面磁头下的条线 称磁道 上的连续的存储元中 记录下相应的信息 若写线圈中不通脉冲电流 让载磁体在磁头下运动时 存储元中的剩磁便会在读出线圈中感应出脉冲电动势 经过读出放大器放大鉴别 就可把所存的磁信息转换成脉冲电流读出 磁表面存储器是无源存储器 停电后所存的信息仍可保存 但是应当保护存储元不受力 光或化学的作用改变磁层的物质结构 也可不受磁的作用改变剩磁方向 2 数字磁记录格式磁记录格式规定了一连串的二进制数字信息与磁层存储元的相应磁化翻转形式 即对应的写入电流波形 互相转换的规则 磁记录方式很多 图2 29是4种基本的记录方式 具体选择哪一种记录方式 主要看这种记录方式能否达到以下几点 自同步能力 只有读出脉冲序列呈周期性时 才可能从规定的时间间隔 时钟窗口中提取时钟脉冲 提供自同步能力 记录密度 磁记录密度主要由记录一位二进制信息的磁化翻转次数决定 翻转次数多的磁记录密度就低 记录信息的可靠性 可靠性与实现机构的复杂程度有关 如看其是否能提供同步脉冲 信号频率是否过宽 过宽时 读出信息必须采用直流放大形式 等因素 1 归零制 RZ 这种方式是用写电流的正脉冲表示1 负脉冲表示0 使磁层在记录 1 时从无磁性状态转变为向某个方向磁化状态 记录 0 时从未磁化状态转变为另一方向的磁化状态 在两信息之间 磁头线圈的写电流要回到零 这是归零制的特点 这种方式简单易行 每一位记录信息本身包含有时钟脉冲信息 用来作为读出时的同步控制时钟 提供自同步能力 但是 在写入信息前必须先让磁层去磁 存储一位信息要使磁层的状态变化两次 称为磁层翻转 磁层的相邻两个磁化小区间有未被磁化的空白区 因此记录密度低 抗干扰能力差 2 不归零制 NRZ 在记录信息时 磁头线圈中总是有电流 不是正向 就是反向电流 不需磁化电流回到无电流的状态 所以称不归零制 这样磁层不是被正向磁化 就是被反向磁化 特点是变才反转 即信息有变化 电流才改变方向 因此也称为异码翻转不归零制 NRZC 这种方式的抗干扰能力较好 但它没有自同步能力 3 调相制 PE或PM 调相制编码又称曼彻斯特码 它的特点是中间有跳变 并且利用电流的跳变的方向记录 1 或 0 写每个 1 时 写电流由正向负跳变一次 写每个 0 时 写电流由负向正跳变一次 当记录连续的 0 或 1 时 信息交界处也要翻转一次 写 1 与 0 的存储元磁化翻转方向分别为0 和180 所以称调相制 这种方式具有自同步能力 抗干扰能力强 但频带较窄 4 调频制 FM或FD 调频制的特点是 在两个信息的交界处写电流都要改变方向 并且利用中间有无跳变记录 1 或 0 如让记录 1 时 写电流在信息位周期中央改变一次方向 在记录 0 时 电流方向保持不变 很明显 记录 1 时的写电流频率是记录 0 时的2倍 故又称双频制 这种方式具有自同步能力 实际上 它相邻两位信息之间嵌入了一位总是为 1 的同步信息 因而记录每位信息磁层至少翻转一次 评价一种记录方式的优劣标准主要是编码效率和自同步能力等 编码效率直接影响磁记录的密度 它是指位密度与磁化翻转密度的比值 可用记录1位信息的最大磁化翻转次数来表示 如FM PE的编码效率为50 NRZ的编码效率为100 自同步能力可用最小磁化翻转间隔和最大磁化翻转间隔的比值R来衡量 例如FM磁化翻转的最大间隔是T 最小间隔是T 2 所以RFM 0 5 而NRZ没有自同步能力 R越大 自同步能力越强 此外 影响记录方式优劣的因素还有 读出信息的分辨能力 频带宽度 抗干扰能力 实现电路的复杂性等 为了提高记录方式的性能 人们不断对记录方式进行改进 出现了改进不归零制 NREP 改进的调频制 MFM 二次改进的调频制 M2FM 等 如单密度软磁盘采用FM记录方式 倍密度软磁盘采用MFM记录方式 2 3 3磁盘存储器 磁盘存储器是目前应用最广泛的一种辅助存储器 由软磁盘 磁盘驱动器及其适配器组成 1 软磁盘及其磁道格式软盘基片是厚度约为76 m的聚脂薄膜 两面涂有厚为2 3 3 0 m的磁层 按直径可以分为8英寸 5 25英寸 3 5英寸3种 盘片尺寸越小 记录密度越高 受温度影响也小 盘片不易变形 能保证读写的精度 盘片装在方形黑色封套内 套内有一层无纺布 用来防尘 保护盘面 并可以消除静电 使用时 连同保护套一起插入软盘驱动器内 驱动机构带动盘片匀速旋转 但保护套不动 无纺布消除因盘片转动产生的静电 保证信息的正常读写 每个软磁盘有若干个磁道 形成若干个同心环 最外面的称为0磁道 最里面的称为末磁道 信息按一定的格式存放在软磁盘上的磁道上 目前广泛采用的是IBM格式 每个磁道被分成若干段 每个段一般为128B或512B 存储一个信息块 同一径向的段 组成磁盘的一个扇区 主存与磁盘按块为单位交换信息 操作系统按磁道号 扇区号对信息块寻址 索引作为扇区的定位号 提供0扇区的起始标志 出厂未使用过的盘片称为白盘 数据要按一定的格式写在磁盘上 软磁盘磁道格式的划分 称为软磁盘格式化 有硬分段和软分段两种格式化方法 硬分段是靠在盘片上冲上若干个等弧度的孔所产生扇段脉冲来划分扇区 这种方法已经不用 软分段是用专门的格式化软件来划分扇区 软分段的磁道由首部 扇区部分和尾部3部分组成 当磁盘驱动器检索到索引孔时 便以此作为磁道的起始位置 首部是考虑不同的软盘驱动器的索引检测器和磁头的机械尺寸误差以免引起读写错误而留下的一段空隙 尾部是依次设置首部和各扇区后所剩下的间隙 余头 起转速变化缓冲作用 首部和尾部之间的弧被划分成为若干扇区 5 25英寸盘的每磁道扇区数有15 8 9等 每个扇区由ID段和数据段两部分组成 段之间留有间隙 目前广泛使用的软磁盘磁道格式有IBM格式和ISO格式 图2 30为IBM5 25软磁盘格式 ID段用以表示扇区开始和地址信息 地址标记AM1和AM2分别表示ID段和数据段的开始位置 GAP1 GAP2 GAP3 GAP4为间隙 CRC为循环冗余校验码 SYSC为同步字段 软磁盘的格式化就是利用软件对盘片上数据记录区域的每条磁道 按一定格式进行扇区分段 并登记各扇段的地址标记 格式化过程中还对盘面质量进行检查 发现有不适合记录的坏块 就将其有关参数 磁道号 扇区号以及长度制成表格存放在0磁道 格式化后的软盘片称为空盘 其数据块是空的 用以写入数据 即使是已经格式化了的空盘 由于驱动器类型 磁头位置的差异 在使用前也最好先再格式化一次 0磁道是一个关键磁道 除磁盘本身的有关信息外 微机中的磁盘操作系统的系统文件 用户文件目录也存放在0磁道 系统加电初始化后 CPU将0磁道上的信息调入内存备用 为使磁盘正常工作 必须保证0磁道不遭破坏 2 软磁盘驱动器及其控制适配器软磁盘驱动器主要由以下几部分组成 盘片驱动和夹紧装置 用以夹紧盘片并驱动盘片旋转 磁头及其定位机构 使磁头沿盘片径向移动 定位于需读写的磁道上 读 写控制电路 保护机构 如防误夹机构 状态检测 如检查盘片索引孔位置 检查磁头是否在零号磁道以及写保护检测器 其他控制电路 软磁盘驱动器的控制适配器是软磁盘驱动器与主机的接口 软磁盘控制 FDC 芯片是一块大规模集成电路 它既能以DMA 见第5章 方式在软盘和主存之间传送数据 也能采用非DMA方式在软盘和CPU之间传送数据 它的主要功能为 将磁盘上的串行信息转换成为并行信息 送到数据总线 或把来自数据总线的并行信息变成串行信息写入磁盘 并对信息进行校验 寄存软盘驱动器的各种状态 如就绪 写保护 索引 0磁道等 供主机读出 将主机命令翻译成控制驱动器的各种信息 DMA控制 数据缓冲 3 硬磁盘存储器硬磁盘的盘片以铝合金为基体 其存储原理与软磁盘相同 图2 31 a b c 为硬磁盘的磁道 柱面与扇区的示意图 硬磁盘存储器主要由盘片 磁盘驱动器和磁盘控制器组成 硬磁盘存储器中的盘片数目有单片和多片 一般为2片 3片 6片 12片等几种 形成多个盘面 如图2 31所示 这多个盘面上位于同一半径的磁道形成一个圆柱面 圆柱面数等于一个盘面的磁道数 所以硬磁盘地址的一般表示为台号 柱面 磁道 号 盘面号 扇区号 在读 写过程中 各个盘面的磁头总是处于同一圆柱面上 存取信息时 可按圆柱面的顺序进行 从而减少了磁头的径向移动次数 有利于提高存取速度 硬磁盘存储器还可按盘片结构分为固定盘片和可更换盘片两种 按磁头运动又可分为固定磁头和可移动磁头两种 温盘由IBM公司在20世纪70年代采用温彻斯特工艺制成 它的主要特点是可移动磁头 固定盘片 并且将磁头 盘片组 电机等驱动部件放在一个过滤空气密封包中 并采用轻质小磁头 盘面介质经过润滑处理 可使磁头和磁层表面靠得很近 头盘悬浮间隙一般为零点几微米 因此 磁道可以做得窄而密 温盘的体积小 容量大 防尘性能好 可靠性高 对使用环境要求不高 它的出现使磁盘性能有了突破性进展 目前 大容量温盘的容量已达千兆字节以上 成了硬磁盘存储器的主要产品 盘片直径规格有14英寸 8英寸 5 25英寸和3 5英寸四种 例 磁盘组有6片磁盘 每片有两个记录面 最上最下两个面不用 存储区域内径22cm 外径33cm 道密度为40道 cm 内层位密度400位 cm 转速2400转 分 问 1 共有多少柱面 2 盘组总存储容量是多少 3 数据传输率多少 4 平均等待时间是多少 5 采用定长数据块记录格式 直接寻址的最小单位是什么 寻址命令中如何表示磁盘地址 6 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上 作业 P89 2 332 36 4 硬磁盘的格式化硬盘与软盘一样 必须经过格式化后才能使用 然而硬盘的格式化要比软盘的格式化过程麻烦得多 由于软盘的容量小 一般只能供一种操作系统使用 然而硬盘由于容量很大 可以分成不同的区域供多个操作系统使用 因而必须经过如下3步才能使用 低级格式化 low levelformatting 也称物理格式化 硬盘的分区 partitioning DOS分区的FORMAT格式化也称逻辑格式化 当然 硬盘的格式化不是随时都可以进行的 因为它所存的信息太多了 格式化会使其所存的信息全部丢失 因而在硬盘因严重故障 如读写头擦坏了磁盘 或某些无法排除的病毒感染使之不能工作时 才要进行格式化 下面以个人计算机上使用的硬磁盘为例 说明它的格式化方法 1 低级格式化低级格式化是对扇区进行定义 即给扇区加上标记 以便驱动器能识别指定的扇区 并且还要规定扇区的交错因子 图2 32为扇区交错的示意图 扇区交错的目的是为了让读写头读写了某扇区之后 在读写下一扇区之前 给主机一段处理刚读入的数据的时间 而无需让驱动器停转或多转一圈 因而 扇区交错因子与主机的处理速度有关 如对80286采用3 1因子 即读写完一个扇区的信息后 主机的处理时间要占用盘片旋转两个扇区的时间 而PC XT上的硬盘扇区交错因子为6 1 80386的处理速度大大提高 相应的硬盘交错因子为1 1 2 硬盘的分区分区是将硬盘分为几个不同的存储区域 分区的必要性主要来自两个方面 a 为了能在同一台机器中使用不同的操作系统 有必要为各操作系统建立一个分区 b 早期的DOS管理外存空间的能力有限 如DOS3 3可以使用的硬盘最大容量为33MB 超过33MB的硬盘必须通过分区将其分为多个逻辑盘 使每个逻辑盘均不超过33MB才能使用 尽管现在DOS管理外存空间的能力有极大提高 如DOS5 0可管理数百兆字节的硬盘空间 DOS7 0可管理数2 5G字节的硬盘空间 但仍需对硬盘进行分区 不过只将其分为一个分区而已 DOS系统在硬盘上最多可建立两个分区 一个称基本DOS分区 一个称扩展分区 DOS的系统文件必须建在基本DOS分区之上 扩展分区可建成多个逻辑盘 通常基本DOS分区称为C盘 扩展分区的多个逻辑盘可依次设为D E F G等 3 DOS分区的FORMAT格式化如图2 33所示 分区后的硬盘空间由两部分组成 主引导扇区和供不同的操作系统使用的区域 其中 一个能正常使用的DOS分区相当于一个DOS软盘 应由如下4部分组成 引导扇区 用来存放本分区参数和引导程序 它占用分区中的逻辑0扇区 FAT FAT称为文件分配表 用来说明各文件的具体位置和整个分区使用的情况 如果FAT被破坏 DOS将无法确定文件的存放位置 甚至造成计算机无法启动 因此 为了保护FAT 每个分区都有两个完全相同的FAT FAT1和FAT2 FAT2是为防备FAT1被破坏而设置的FAT1的复制件 FAT放在引导扇区之后的若干个紧挨的扇区中 所以其起始点总是逻辑1扇区 FDT ROOT FDT称为文件目录表 用来存放根目录下的所有文件名和子目录名 以及文件的扩展名 文件属性 文件长度 文件存放起始位置 文件建立或更新的日期和时间等 又称根目录 ROOT 区 FDT也是非常重要的信息 一旦FDT被破坏 将使文件无法使用 数据区 数据区用于存放用户数据和文件 又称用户区 FORMAT格式化的作用是 对硬盘进行初始化 使其记录格式能为DOS接受 检出硬盘有缺陷的磁道和扇区 建立目录 文件分配表 装入DOS系统文件 对基本分区 5 磁盘存储技术展望今后提高磁盘表面记录密度的关键性技术如下 1 低噪声磁记录介质 即多层磁记录介质可实现输出信号和噪声之间的平衡 而且对于磁头与盘片之间浮动间隙变成零 选择垂直磁记录的可能性很高 会一举提高很多倍面记录密度 2 密度磁头及感应复合薄膜磁头成为主流技术 当磁头与盘片之间的浮动高度接近零时 将会获得更好的效果 但是解决磁头撞伤记录信息的对策就迫在眉睫了 显然 实现这样高性能的磁盘机 都需要超精密度的工艺技术支持 3 精密伺服机构 即磁头沿盘片径向运动进行查找磁道 若无精密的传动定位技术是不行的 日立公司已开始利用光伺服机构 这可能是一条出路 4 适应低S N 信 噪 比的信号处理技术 5 垂直记录磁盘 目前商品化的磁盘称为水平记录磁盘 这种磁盘记录在磁盘道上记录的数字信号 很像是沿磁道排列的小磁铁 也就是说 在磁性记录层上沿水平方向排列着长度为L且宽度为W的小磁铁 在这种情况下 假定磁化方向朝左面的为 1 则磁化方向朝右者记录的为 0 一旦同极性的小磁体呈头对头排列的情况增多 磁性互相削弱 这种自退磁作用 与小磁铁自身长度成反比 与其宽度W成正比 然而 若要提高记录密度 只要记录信号的小磁铁长度L变短 随之自退磁现象严重 为防止严重的退磁现象 必须把磁记录层厚度 和记录信号的小磁铁宽度W缩短 显然 自退磁现象变成提高记录密度的制约因素 在垂直磁记录条件下 若将磁化方向向下作 1 信号 则磁化方向朝上记录为 0 信号 这记录信号的小磁铁长度L与磁层厚度 相等 在宽度上还可以少许缩小 很适合于高密度磁记录要求 另外 对于垂直磁记录的情况下 记录信号的小磁铁异极性相邻排列 自退磁现象不严重 因此获得更高磁记录密度较为容易 垂直记录技术实用化的关键在于有无垂直磁化特性优良的磁记录材料 现在 利用溅射法形成薄膜的钴铬材料或者钼铁氧体涂料膜都是很有发展前途的 2 3 4磁带存储器 磁带存储器的特点是存储容量大 价格便宜 主要缺点是只能顺序存取 不能像磁盘存储器那样随机存取 并且访问速度慢 主要用于脱机存储 磁带上的信息保存在并行排列的磁道上 每个磁道记录一个字中的一位信息 图2 34为9道磁带的格式 其中8条磁道用于记录一个字节信息 一条用于纵向奇偶校验 磁带与主机间进行信息传送的最小单位是数据块 或称为记录块 记录块的长度可以是固定的 也可以是变化的 由操作系统决定 记录块之间应留有空白间隙IBG 作为磁头停靠的地方 并保证磁带停止和启动时有足够的惯性缓冲 记录块尾部有几行特殊的标记 表示数据块的结束 随后是该记录的水平校验 即各个字节的同一位的总体校验 图2 35为磁带的数据格式 BOT和EOT分别称为带始标记和带尾标志 由两块反光金属箔做成 可以通过光源和光敏元件识别 装带时 BOT表示装带成功 倒带时则使磁带停止 EOT的功能类似 2 3 5光盘存储器 1 光盘存储技术的特点特点如下 记录密度高 存储容量大 采用非接触方式读 写 没有磨损 可靠性高 可长期 60 100年 保存信息 成本低廉 易于大量复制 存储密度高 体积小 能自由更换盘片 存取时间 即把信息写入光盘或从光盘上读出所需的时间 一般为100 500ms 误码率 即从光盘上读出信息时