第八章_辅助存储器

1 第八章辅助存储器 2 8 1外存储器概述 主存的后备和扩充 也称外存 特点 容量大 可靠性高 单位存储容量价格低 在掉电情况下能长期保存信息 非易失性存储器 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1 存储密度 道密度 TPI 磁盘半径方向单位长度包含的磁道 位密度 BPI 在每一个磁道内单位长度内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 3 2 存储容量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 3 寻址时间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ts 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需要的等待时间tw 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时间也不同 因此取它们的平均值 称作平均寻址时间Ta 它由平均找道时间Tsa和平均等待时间Twa组成 Ta Tsa Twa Tsmax Tsmin 2 Twmax Twmin 2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 4 4 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字节数 叫数据传输率Dr 从设备方面考虑 传输率等于记录密度D和记录介质的运动速度V的乘积 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 6 价格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是很低的 例如 IBMPC机3 5英寸高密度软磁盘存储器共有2个记录面 每面80个磁道 每个磁道18个记录扇区 每个扇区可记录信息512个字节 因此其格式化容量为 512 18 80 2 1 44MB该软磁盘机的转速为每分钟360转 360rPm 旋转一圈的时间为 60 360 0 167s 平均等待时间为旋转半圈的时间83ms 平均找道时间取决于不同驱动器的机电性能 直接给出 5 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 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 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 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 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 6 磁记录原理 写 7 磁记录原理 读 8 8 2 2磁记录介质与磁头1 磁记录介质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 硬盘或高密度软盘 将其涂敖在基体上 形成记录介质 2 感应式磁头磁头的形式很多 从工作方式来看可以分为接触式磁头和浮动式磁头两种 9 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 易受到磨损 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 故使磁头与介质表面脱离接触而浮动 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 因而硬磁盘存取速度快 可靠性高 10 3 MR磁头 MagnetoResistive磁阻 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 MR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 可增加磁密度 提高硬盘的容量 MR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磁头已应用在大容量的硬盘驱动器中 11 8 2 3磁记录方式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 并经读写控制电路实现这种转换规律 图8 5给出几种常见的磁记录方式的写入电流波形 1 归零制 RZ 写入线圈的正脉冲电流表示写如 1 负脉冲表示记录 0 在两位信息之间要保持线圈中的电流为零 12 2 不归零制 NRZ 磁头线圈中始终有电流 不是正向电流 代表1 就是反向电流 代表 0 3 见1就翻的不归零制 NRZ1 记录 0 时电流方向不变 只有遇到 1 时才改变方向 4 调相制 PM 是利用两个相位相差180度的磁化翻转方向代表数据0和1 即指定记录数据 0 时规定磁化翻转的方向由负变为正 则记录数据 l 时从正变为负 当连续出现两个或两个以上 1 或 0 时 为了维持上述原则 在位周期起始处也要翻转一次 13 5 调频制 FM 记录 1 时不仅在各位期间的中心产生磁化翻转 而且在位与位之间也必须翻转 记录 0 时 在位周期中心不产生磁化翻转 但在位与位之间的边界处要翻转一次 6 改进调频制 MFM 记录数据 1 时在位周期中心磁化翻转一次 记录数据 0 时不翻转 区别在于只有连续记录两个或两个以上 0 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 这一改进表现在取消了大部分在位起始处改变磁头线圈中电流方向的动作 只保留在连续 0 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 14 15 8 3硬盘存储器 硬盘机 8 3 1硬盘存储器的组成硬盘盘片和硬盘驱动器 16 磁盘存储器种类及基本结构 硬磁盘存储器指的是记录介质为硬质圆形盘片的辅助存储系统 根据磁头工作方式可分为 移动头磁盘存储器 典型结构为温彻斯特磁盘 和固定头磁盘存储器 硬磁盘存储器由硬磁盘驱动器 磁头定位驱动系统 主轴系统与数据控制系统 盘组 和硬磁盘控制器组成 硬磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口 由于辅助存储器是快速的外部设备 它们与主机之间是成批交换数据 17 温切斯特磁盘实际上是一种技术 这种技术是由IBM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1973年被应用的 温氏技术特点全封闭结构 杜绝灰尘危害磁头采用非接触式启停一体化主轴和电机硬盘存储器的基本组成磁盘控制器头盘组件磁头组件 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 其他附件 印刷电路板 18 8 3 2硬盘的管理结构 1 名词解释盘面磁道 对单个盘片而言存储信息的同心圆可以称为磁道 柱面 硬盘每个盘面的同一编号的磁道构成柱面扇区或数据块号 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 容量格式化容量 磁头数 柱面数 每柱面扇区数 每扇区字节数 或磁头数 柱面数 每柱面数据块数 每数据块内的字节数 转数现在已达到7200r min或9600r min 以5400转 分的硬盘而言 其相应的平均等待时间为5 6ms 现在常用硬盘的数据传输率可达到5MB S以上 按盘径分 5 25英寸 3 5英寸 2 5英寸 1 8英寸 19 例题磁盘组有6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22cm 外直径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 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 5 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 20 解 1 有效存储区域 33 2 22 2 16 5 11 5 5cm柱面数 道密度 有效区域 40道 cm 5 5cm 220道 即220个圆柱面 2 内道周长 3 14 22 69 08cm道信息量N 400位 cm 69 08cm 27632位 3454B面信息量 3454B 220 759880B盘组容量 759880B 10 7598800B 7 25MB3 磁盘数据传输率 转数r 道容量N 2400转 60秒 3454B 40 3454 13816B S 13 492KB S4 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 5 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 21 2 硬盘的区域划分和引导记录 主引导记录MBR硬盘主引导程序和硬盘分区表 DOS引导记录DBRDOS引导程序和磁盘参数块文件分配表FAT记录磁盘空间的使用情况文件目录DOS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 大小等数据区 22 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台号 圆柱面号 道号 磁头号 记录面号 数据块号 交换量组成 23 8 3 3磁盘Cache随着微电子技术的飞速发展 CPU的速度每年增长1倍左右 主存储器芯片的容量和磁盘驱动器的容量每1 5年增长1倍左右 但磁盘驱动器的存取时间没有出现相应程度的下降 仍停留在毫秒 ms 级 而主存的存取时间为纳秒 ns 级 两者速度差别十分突出 因此I O系统成为整个系统的瓶颈 为了减少存取时间 磁盘驱动器厂家采取了增加磁盘主轴转速 提高I O总线速度 改进读 写算法和采用磁盘cache等措施 目前的磁盘驱动器一般都带有高速缓存 容量在1MB 几MB之间 可由SRAM或DRAM组成 24 软盘存储器是计算机常用外部设备 由盘片和驱动器两部分组成 1 软盘盘片 信息的存储介质 有5 25英寸和3 5英寸两种 3寸盘和5寸盘 依靠磁性记录数据 磁盘有磁头读写孔和写保护口 软盘的磁头和盘面是接触式读写 寻址时不但有径向 而且有圆周方向的摩擦 一个盘片旋转106次 约50小时 以上应考虑报废 以免超过规定的误码率 8 4软盘存储器 25 8 5磁带存储器 磁带的种类和记录格式宽度 1 4 1 2 1 3英寸长度 2400 1200 600英尺记录密度 800 1600 6250bpi表面道数 4 7 9 16道顺序读写方式 SONY数据流磁带机 26 8 6光盘 Opticaldisk 存储器 1 概述起源 激光数字影像技术 特点 容量大 可靠性高 使用方便 成本低组成 光盘盘片和光盘驱动器光盘的基片材料一般采用聚碳酸脂的耐热有机玻璃加工成盘片 然后涂上一层记录介质 然后加一层保护膜 只读 CD ROM只写一次 WORM writeonce readmany 或CD R 可重写型 CD RW光盘自动换盘机 又称光盘库 联机容量可达1012 27 2 激光读取原理 坑和点在螺旋光道上交替排列为不同数据 坑深为激光波长的近似1 4照在无坑处 反射光为同相位照在凹坑处 坑内外反射光差1 2个相位 反射光弱 具体 凹坑代表 1 无凹痕代表 0 28 3 主要技术指标及接口类型 1 技术指标 存储容量 平均读取时间 数据传输速率等 数据传输速率 与驱动器的寻道时间 光盘转速 缓冲区大小以及接口规范等诸多因素有关 早期的CD ROM数据传输率只有150KB S 1倍速 目前已达50倍速 50 150KB 2 接口类型 IDE和SCSI 29 例题CD ROM光盘的外沿有5mm宽的范围因记录数据困难 一般不使用 故标准的播放时间为60分钟 光盘的恒定线速度是75扇区 每秒 计算模式1 扇区存数据量为2048字节 和模式2 扇区存数据量为2336字节 情况下 光盘存储容量是多少 解 扇区总数 60 60 75 270000 扇区 模式1存放计算机程序和数据 其存储容量为270000 2048 1024 1024 527MB模式2存放计算机程序和数据 其存储容量为270000 2336 1024 1024 601MB 30 8 光盘的类型及发展 CD唱片CD ROM光盘 以扇区代替帧VCDMPEG 1压缩标准和CD 1格式编码DVDMPEG 2压缩标准 EFM 调制方式 双面CD R只读光盘CD RW可重复读写的光盘 31 光盘是70年代发展起来的存储介质 具有存储密度高 容量大 价格低 寿命长和可替换等优点 是当今信息社会一种十分理想的存储介质 可擦写的磁光盘集磁记录和光存储的优点于一体 其存储密度比磁盘高十几倍 几十倍信息可保存60 100年 磁盘一般为3 5年 位成本比磁盘低 抗干扰能力强 由于光盘记录头分量重 体积大 使其寻道时间长 30 100ms 写入速度较低 与主机交换数据的速度不匹配 故不能作为计算机的中间存储器 这是光盘不能替换硬盘的主要原因 光盘介质可互换 存储量大 可用作文献档案 图书管理 多媒体方面的应用 另外在广播电视系统中也广泛应用光盘 32 DVD光盘存储器 电影公司 娱乐电子公司和计算机公司这三个市场广阔而又能量巨大的行业的市场需求和技术的结合造就出了DVD 它最早是数字影像盘 DigitalVideoDisk 的缩写 但现在一般指数字多用途盘 DigitalVersatileDisk D