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计算机
系统、设计、
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ASP068计算机组成原理教学网站,计算机,系统、设计、
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计算机科学与工程学院,Lecture 8 辅助存储器,辅助存储的结构、组成、分类辅助存储器技术指标磁记录原理与方法,2,一. 存储器分类,主存储器存存放立即使用的程序和数据，要求存取速度快，通常由半导体存储器构成。辅助存储器用于存放当前不需立即使用的信息，一旦需要，再和主存成批地交换数据。 它作为主存的后备和补充，是主机的外部设备，因此又称为外存储器辅助存储器的特点是容量大，成本低，通常在断电后仍能保存信息，是“非易失性”存储器，其中大部分存储介质还能脱机保存信息。,3,二. 辅助存储器的种类,磁表面存储器磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片(或带)的基体上形成记录介质，并以绕有线圈的磁头与记录介质的相对运动来写入或读出信息。数字式磁记录：硬盘、软盘、磁带模拟式磁记录：录音机、录像机光存储器光存储器主要是光盘，它是利用激光束在具有感光特性的表面上存储信息的。,4,三. 磁表面存储器的技术指标,存储密度面密度：单位面积中存储的二进制信息量；道密度：单位长度上存储的二进制信息量。存储容量格式化容量非格式化容量寻址时间平均寻道时间+平均等待时间数据传输率单位时间内从磁表面存储器所读/写的信息量。误码率、价格,5,存储密度,存储密度是指单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制信息量。对磁盘存储器用道密度和位密度表示，也可以用两者的乘积面密度表示。对磁带存储器，则主要用位密度表示。磁道指的是存储在介质表面上的信息的磁化轨迹。,对磁盘存储器，磁道是磁盘表面上的许多同心圆。 沿磁盘半径方向单位长度的磁道数称为道密度。道密度的单位是道/英寸(TPI) 或道/毫米(TPM)。,6,存储密度,磁道具有一定的宽度，叫道宽。它取决于磁头的工作间隙长度及磁头定位精度等因素。为避免干扰，磁道与磁道之间需保持一定距离，相邻两条磁道中心线之间的距离叫道距。,单位长度磁道所能记录二进制信息的位数叫位密度或线密度，单位是位/英寸(bpi) 或位/毫米(bpm)。在有多个盘片构成的盘组中，由处在同一半径的磁道组成的一个圆柱面，称为柱面。 对于磁带，其磁道是沿着磁带长度方向的直线，存储密度主要用位密度来衡量。 例如，常用磁带的记录密度有800bpi，1600bpi和6250bpi等多种。,7,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。一般用字节为单位。格式化容量：指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是用户真正可以使用的容量。 非格式化容量：是磁记录表面可以利用的磁化单元总数。将磁盘存储器用于计算机系统中，必须首先进行格式化操作，然后才能供用户记录信息，格式化容量一般约为非格式化容量的60%70%。,8,存储容量,9,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：磁头寻找目标磁道所需的找道时间ts; 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，寻址时间指的是磁带空转到磁头应访问记录区所在位置的时间。,10,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。 为确保主机与磁表面存储器之间传输信息不丢失，传输率与存储设备和主机接口逻辑两者有关。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。 从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度接收/发送信息，以便主机与辅存之间的传输正确无误。,11,误码率和价格,误码率：误码率等于从辅存读出时，出错信息位数和读出的总信息位数之比。误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数。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，在所有存储设备厂中，磁表面存储器和光盘存储器的位价格是很低的。,12,举例（习题8.5）,设磁盘组有11个盘片，每片有2个记录面；存储区域内直径2.36英寸，外直径5.00英寸；道密度为1250TPI，内层密度52400bpi，转速为2400rpm。问：（1）共有多少存储面可用？共有多少柱面？,共有可用存储面：112-2=20（个）,共有柱面： (5-2.36)/21250=1650（个）,13,举例（习题8.5）,设磁盘组有11个盘片，每片有2个记录面；存储区域内直径2.36英寸，外直径5.00英寸；道密度为1250TPI，内层密度52400bpi，转速为2400rpm。问：（2）每个磁道存储多少字节？磁盘组总存储容量是多少？,每道存储容量：(2.3652400)/8=48538.12(B)47.4(KB),磁盘组总存储容量： 2047.41650=1564200(KB)1.5(GB),14,举例（习题8.5）,设磁盘组有11个盘片，每片有2个记录面；存储区域内直径2.36英寸，外直径5.00英寸；道密度为1250TPI，内层密度52400bpi，转速为2400rpm。问：（3）每扇区存储2KB数据，有多少扇区？在寻址命令中如何表示磁盘地址？,每磁道存储47.4KB,每扇区存储2KB每个磁道共有24个扇区,磁盘组地址格式：盘面号 磁道号 扇区号 5位 11位 5位,15,举例（习题8.5）,设磁盘组有11个盘片，每片有2个记录面；存储区域内直径2.36英寸，外直径5.00英寸；道密度为1250TPI，内层密度52400bpi，转速为2400rpm。问：（4）该磁盘的平均等待时间是多少？数据传输率是多少？,平均等待时间：60/2400/2=0.0125(s)=12.5(ms),数据传输率为: 2400/6047.4=1896(KB/s)1.9(MB/s),16,举例（习题8.5）,设磁盘组有11个盘片，每片有2个记录面；存储区域内直径2.36英寸，外直径5.00英寸；道密度为1250TPI，内层密度52400bpi，转速为2400rpm。问：（5）如果某文件长度超过了一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上？说明原因。,记录在同一柱面上。因为在找到某一磁道时，同时找到了同一柱面，连续信息记录在同一磁道，找道时间可以忽略，缩短了寻址时间。,17,四. 磁记录原理,磁记录介质：涂有薄层磁材料的信息载体。-Fe2O3磁头：实现电-磁转换的装置。,写过程：地址译码寻址（地方）加写电流和信息读过程：磁头相对磁介质运动，产生感生电动势放大、检波、整形等处理串并转换送主机。水平磁记录,18,四. 磁记录原理,写入过程：记录介质在磁头下匀速通过，磁头线圈中通入一定方向和大小的电流，则会在介质上形成一个磁化单元。电流方向不同，则磁化方向也不同。一个磁化方向规定为“0”，另一个磁化方向就规定为“1”。读出过程：记录介质在磁头下匀速通过时，读出线圈会感应出电压，磁化方向不同，则感应电压方向不同，对感应电压进行放大和整型，就可以读出“0”或“1”。,19,五. 磁记录方式,磁记录方式是一种编码方式，是按某种规律将一串二进制数字信息变换成磁层的相应磁化翻转形式，并经过读写控制电路实现这种转换规律。常见磁记录方式：直接记录法按位编码记录法其他编码法CGR成组编码RLL游程长度受限码,20,直接记录法,归零制（RZ）记录1时电流正向流动，记录0时电流反向流动。在记录2个信息位之间有一段距离没有电流变化。缺点：原有信息对本次信息干扰，写入前须先去磁。不归零制（NRZ）记录1时电流正向流动，电流保持到下一个信息到来，记录0时电流反向流动，并保持到下一个信息到来。特点：见变就翻。不归零-1制（NRZ1）记录1时电流改变极性，使磁记录层的磁化强度方向发生翻转；记录0时保持原来的写电流和磁化强度方向。特点：见1就翻。写电流的改变在位中间发生。,21,直接记录法波形图,22,按位编码记录法,调相制（PM）每一位的中间位置由负到正记录信息1，由正到负记录信息0。两者的相位相差180度。当出现连续2个或2个以上“1”或“0”时，在位单元交界处也翻转一次。用于磁带。,23,按位编码记录法,调频制（FM）位与位之间都要翻转；记录1时，位中间翻转，记录0时，位中间不翻转。用于单密度磁盘。实现：在数据中插入时钟信号，叠加后再以NRZ-1记录。,24,按位编码记录法,改进型调频制（MFM）记录1时，位中间翻转，记录0时，位中间不翻转；当出现连续2个或2个以上“0”时，在位的交界处翻转一次。用于双密度磁盘。实现：在数据为连续两个或两个以上的零时，在起始时刻插入时钟信号。,25,RLL码,RLL码：Run Length Limited Code-游程长度受限码。将原始数据序列变换成0、1受限的记录序列，编码规则：把输入二进制信息变换成0游程长度受限码-任何两位相邻的1之间的0的最大位数k和最小位数d均受到限制的编码，然后再用逢1变化不归零制方式进行调制和写入。正确设计k和d值，可以获得优良的编码性能。,26,RLL码,RLL(d，h; m，n; r)d 相邻“1”之间至少“0”的个数h 相邻“1”之间最多“0”的个数m 参加编码前数据序列的位数m=1 按位编码n 编码后记录序列的位数m1 成组编码r r=1 m，n为固定值 r1 m，n有r组不同的值，称分组长度可变的成组编码调相，调频属于(0，1; 1，2;1)改进调频属于(1，3; 1，2; 1)CGR(4/5)属于(0，2; 4，5; 1)3PM属于(2，11; 3，6; 1),27,GCR码,GCR码：(Group Coded Recording)也是一种RLL码。编码规则：把输入信息序列按4位长度分组，然后按变换规则把4位信息码变换成5位编码，最后再把编码序列用逢1变化不归零制规则调制。见书265页，表8-1。,28,六. 记录方式的性能指标,自同步能力从单个磁道读出的脉冲序列中提取同步时钟脉冲的难易程度。自同步能力=最小磁化翻转间隔/最大磁化翻转间隔PM、FM、MFM具有自同步能力； NRZ、NRZ-1没有同步能力编码效率每次磁层翻转所能存储的代码信息。编码效率=位密度/最大磁化翻转密度NRZ、NRZ-1、MFM编码效率为100%；RZ、FM、PM编码效率为50%。读出分辨率磁记录系统对读出信号的分辨能力。带宽、抗干扰能力等,29,七. 硬磁盘存储器,根据磁头的工作方式分为：移动头磁盘存储器: 存取数据时，磁头在磁盘盘面上径向移动，磁头与盘面不接触，且随气流浮动，称为浮动磁头。 盘片的每面都有一个磁头。固定头磁盘存储器: 磁头位置固定，磁盘的每一个磁道都对应一个磁头，盘片也不可更换。 其特点是存取速度快。 省去了磁头沿盘片径向运动找道时间。根据磁盘可换与否分为：可换盘存储器: 指磁盘不用时可以从驱动器中取出脱机保存。 这种磁盘可以在兼容的磁盘存储器间交换数据，由于可脱机保存故便于扩大存储容量。为了达到可靠地交换数据的目的磁盘的道密度要适当降低。固定盘存储器: 是指磁盘不能从驱动器中取出，更换时要把整个“头盘组合体”一起更换,30,七. 硬磁盘存储器,磁盘驱动器HDD定位驱动机构：驱动磁头径向移动，以寻找磁道的位置。由驱动部件和运载部件组成。读写电路：写入电路包括编码和写入驱动读出电路包括译码和读放大器磁头选择电路,31,七. 硬磁盘存储器,HDC硬磁盘控制器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的。 采用直接存储器存取(DMA)控制方式。作为主机与驱动器之间交接部件的控制器，需要有两个接口，一个是与主机的接口，控制辅存与主机总线之间交换数据，这是系统级接口;另一个是与设备的接口，根据主机的命令控制设备的操作，这称为设备级别接口。,32,七. 硬磁盘存储器,接口：驱动器只完成读写和放大，数据分离和以后的控制逻辑构成磁盘控制器。如ST506接口。驱动器还要完成数据分离和编码译码操作。如增强型小型设备接口ESDI。要进一步完成串/并转换，格式控制和DMA控制等。如小型计算机系统接口SCSI。,磁盘控制器接口,33,八. 硬磁盘的新技术,利用磁致电阻效应(magneto resistive，简称MR)磁头能在高密度记录的情况下读出信号。硬磁盘的新技术磁致电阻效应：将某些磁性材料放在磁场中，如果通以一恒定电流，当外加磁场改变时，该材料的电阻率也随之变化。,MR元件中通以恒定电流I，由磁介质中记录的“1”或“0”信号来提供MR元件的外加磁场，MR元件的电阻率随记录的信息(“1”或“0”)而变化，这样通过测量电压降便可读出磁介质中记录的信息。,34,八. 硬磁盘的新技术,磁盘Cache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。根据局部性原理，大多数磁盘驱动器中都使用了预读策略，在磁盘驱动器和CD-ROM中通常使用大容量预读Cache，以保证大量连续的视频或图像文件的显示。可由SRAM或DRAM组成磁盘Cache。而磁盘Cache的管理和实现相对复杂，一般由硬件和软件共同完成。,35,八. 硬磁盘的新技术,廉价冗余磁盘阵列（Redundant Array of Inexpensive/Independent Disk，简称RAID)是一种对多盘数据库设计的工业标准。采用交叉存取技术实现并行存取数据，以提高数据的吞吐量。在阵列控制器的组织管理下，能实现数据的并行、交叉存储或单独存储操作。由于阵列中一部分磁盘存有冗余信息，一旦系统中某一磁盘失效，可以利用冗余信息重建用户数据。根据所采用的容错技术、存取技术和纠错技术，RAID分为不同等级。,36,RADI 分级,37,RAID,RAID分为8级（0-7），是表示具有下列3个共同特性的不同设计结构RADI是一组物理磁盘驱动器，在OS下被视为一个单逻辑驱动器；数据分布在一组物理磁盘上；冗余磁盘容量用于存储奇偶校验信息，保证磁盘万一损坏时能恢复数据。（RADI 0不支持该特性）RADI 0(无冗余和无校验的数据分块)具有最高的I/O性能和磁盘空间利用率，但无容错能力，增加了系统出故障的几率，其安全性甚至低于常规的硬盘系统。,38,RAID 0,特点：无冗余。主要用于高速数据传输和高速I/O请求。,39,RAID 1,RADI 1到RADI 5的主要区别在于采用的冗余方法不同。RADI 1为镜像。RADI 1(镜像磁盘阵列)由磁盘对组成，每一个工作盘都有对应的镜像盘，上面保存着与工作盘完全相同的数据，安全性高，但磁盘空间的利用率只有50%。,40,RAID 2,RADI 2和RADI 3都采用了并行处理技术。RADI 2的数据冗余用于海明码,Disk 0,Disk 1,Disk 2,Disk 3,Disk 0,Disk 1,Disk 2,RADI 2(纠错海明码的磁盘阵列)采用海明码纠错技术和位交叉技术，用户需增加足够的校验盘来提供单纠错和双验错功能。对数据的访问涉及到磁盘阵列中的每一个盘，对大数据量传送有较高性能，但不利于小数据量的传送,41,RAID 3,采用1个磁盘作奇偶校验，bi为字。,Disk 0,Disk 1,Disk 2,Disk 3,Disk 0,RADI 3(采用奇偶校验码和位交叉的磁盘阵列)将奇偶校验码放在一个磁盘上，目前多数磁盘控制器已能用CRC检测出本身磁盘是否出错。因此只需一个奇偶校验盘就能纠正出错的数据。但由于采用位交叉，每次读写要涉及整个盘组，对小数据量不利。计算也比较费时。,42,RAID 4,RADI 4 和RADI 5都采用独立的存取技术。在独立的存取阵列中，每个成员磁盘的操作是独立的，因此，各个I/O请求能够并行处理。,Disk 0,Disk 1,Disk 2,Disk 3,Disk 0,Bi为数据块,P(b)为数据块的奇偶校验,RADI 4(采用奇偶校验码和扇区交叉的磁盘阵列)采用一个奇偶校验盘，但采用扇区交叉存取技术，因此写入少量数据只与一个数据盘和一个校验盘有关，简化了产生校验码的方法，对于数据块的重写公式:新奇偶校验位=(新数据 XOR 旧数据)XOR 旧奇偶校验位,43,RAID5,Parity4812,0Parity913,15Parity14,2610Parity,371115Parity,RAID 5Blocks,RADI 5(无专用校验盘的奇偶校验磁盘阵列) 无专用的校验盘，将校验信息分布到组内所有盘上，对大，小数据量的读写都有很好的性能,44,RAID6,RADI 6(采用分块交叉技术和双磁盘容错)有两个磁盘存储器用于存放检错，纠错冗余代码，即使在双磁盘出错的情况下，仍能保持数据的完整性和有效性，但写入数据时要对3个磁盘驱动器(一个数据盘和两个校验盘驱动器)访问两次。要进行两种不同的奇偶计算。,Disk 0,Disk 1,Disk 2,Disk 3,Disk 4,Disk 5,04812,159P(1215),26P(811)Q(1215),3P(47)Q(811)13,P(03)Q(47)1014,Q(03)71115,45,RAID 7和RAID 10,RADI 7(独立接口的磁盘阵列)每一个磁盘驱动器与每一主机接口有独立的控制和数据通道的磁盘阵列，因此主机可完全独立地对每个磁盘驱动器进行访问RADI 10(RADI 0级+RADI 1级)由分块和镜像组成是所有RADI中性能最好的磁盘阵列，但每次写入时要写两个互为镜像的盘，价格高。,46,硬磁盘驱动器的发展动向,1957年HDD IBM 350 面记录密度仅为2000b/英寸2; 1997年面密度为2。64G/英寸2提高性能的措施:采用浮动磁头，降低浮动高度。目前，已降低到0。1m以下。采用伺服机构，提高磁道密度。磁道密度已达500017000TPI，一般采用嵌入伺服或光伺服技术。采用将磁头，盘片，电机等驱动部件甚至读写电路等制成一个不可随意拆卸的密封组合整体的温彻斯特技术,47,硬磁盘驱动器的发展动向,采用MR磁头和PRML信号处理方，提高信/噪比改进存储介质和盘基，提高记录密度缩短平均存取时间，提高数据传输率。 主要措施是缩短磁头行程，提高主轴转速，扩大磁盘Cache容量，改进接口，发展RADI等。HDD的微小型化。 磁盘直径到目前的3。5英寸，2。5英寸，1。8英寸，甚至1。3英寸。,48,九. 软盘,与硬盘结构上的不同格式化容量存储面数磁道数/面扇区数/磁道字节数/扇区,49,九. 软盘,软磁盘驱动器发展动向盘径缩小趋向明显。目前微机使用3.5英寸软盘驱动器，2.5英寸的软盘驱动器在笔记本型计算机中应用。向薄型化发展。当前薄型3.5英寸软驱只有半英寸高。发展大容量光磁软盘驱动器。Iomega公司的Zip容量为21MB，3M(Imation)公司的LS-120容量为120MB。Sony公司容量为200MB。,50,十. 磁带存储器,磁带机的结构开盘式启停磁带机数据流磁带机种类：1/2英寸开盘式和1/4英寸盒式两种。记录方式开盘式磁带数据流磁带技术改进向多样化，综合化和智能化方向发展数据流磁带螺旋扫描技术,51,十一. 光盘存储器,应用激光在某种介质上写入信息，然后再利用激光读出信息的技术称为光存储技术。如果光存储使用的介质是磁性材料，亦即利用激光在磁记录介质上存储信息，就称为磁光存储。光盘的分类只读型光盘(CD-ROM)只写一次型光盘(WORM)可擦写型光盘光盘库(光盘自动换盘机),52,十一. 光盘存储器,CD-R刻录机是一次性写入的刻录机有SCSI和IDE接口两种，用于数据备份或娱乐。CD-RW是可擦写的刻录机，可刻录CD-RW和CD-R光盘。光盘库光盘架，存放光盘15个光盘机机械手(换盘机构) 控制器,53,十二. 光盘的读写原理,形变对CD-ROM和WORM光盘写入时，将激光束聚焦成直径小于1m的微小光点，以其热作用，融化盘表面上的光存储介质薄膜，在薄膜上形成凹坑。坑的边缘形成“1”，无坑的地方或坑底都是“0”。读出时，凹坑边缘反射的光有变化，信息为“1”，平坦处(坑底也是)反射的光无变化，信息为“0”。 由于读出光束的功率只有写入光束功率的1/10，因此不会融出新的凹坑。相变有些光存储介质在激光照射下，晶体结构会发生变化。利用介质处于晶态和非晶态区域的反射特性不同，而记录和读取信息的技术，称之为相变可重写技术(phase change)。,54,十二. 光盘的读写原理,磁光(MO)存储在一定温度下如果在磁记录介质的表面上加一概强度低于该介质矫顽力的磁场，则不会发生磁通翻转，也就不能记录信息。 假如我们提高温度降低矫顽力，使其低于外加磁场强度，则将发生磁通翻转。利用激光照射磁性薄膜，被照射处温度上升，矫顽力下降，在外加磁场HR的作用下发生磁通翻转，使该出的磁化方向与外加磁场HR一致。通常把磁记录材料受热而磁性发生变化的现象称为热磁效应。抹除信息和记录信息的原理一样，外加一个和记录方向相反的磁场，对已记录信息的介质用激光束照射，使找射区反方向磁化，从而恢复到记录前的磁化状态MO驱动器读取信息是根据检测到的光的偏振方向，而不是亮度差。,55,光盘存储器(补充),音频CD和CD-ROM两者采用类似的技术，主要区别是CD-ROM播放器更坚固，并有纠错设备来保障数据准确地从光盘传输到计算机。现已生产的各种密度的CD-ROM，典型的是光轨距为1.6m，可记录的宽度为32.55mm，因此光道有32550/1.6=20344。光轨的长度约为5.27km。CD-ROM的恒定线速为1.2m/s，因此，共有73.2分钟播放时间。由于数据的传输速率为176.4KB/s，故CD-ROM的容量约为774.5MB。,56,CD-ROM块格式,Sync：标志一个首块。第1字节为0，第2第11字节为全1，第12字节为0；ID：包含块地址和字节方式（模式）。方式0表示空的数据域，方式1表示使用纠错码和2048字节数据，方式2表示不用纠错码，数据字节为2336。,57,CD-ROM块格式,方式1有错误检测码EDC(Error Detection Code)和错误校正码ECC(Error
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