第5章-外部存储设备.ppt

1 外存储系统作为主存的后援存储系统 在主机断电后 负责保存软件数据 保证系统信息不丢失 是微机系统重要的组成部分 它在微机系统体系中属外部设备 外存储系统包括软磁盘 硬磁盘 CD ROM和DVD ROM光盘系统以及USB存储盘 也叫闪盘 磁盘系统包括软磁盘系统和硬磁盘系统 所谓软硬指的是用来制作磁盘的盘片的材料 软磁盘用的是塑料 而硬磁盘一般使用金属铝盘片 2 5 1软驱概述 软盘驱动器包括 盘片驱动系统 磁头定位系统 数据读写电路系统和状态检测系统等四部分 1 盘片驱动系统为1个12V的直流伺服电机 它能带动盘片以300r min恒速转动 软盘插入驱动器后 磁头加载电路便使磁头与盘面接触 处于先待命状态 3 2 磁头定位系统由四相双拍步进电机构成 步进电机带动磁头小车沿磁盘半径方向作直线运动 根据从适配器接口送来的方向和步进控制脉冲 步进电机使磁头定位到需要寻址的磁道和扇区 3 读 写抹磁头作为一个整体安装在一起而形成数据读写抹电路系统 完成数据的读入和写出 4 状态检测系统包括4个检测装置 0磁道检测装置 索引孔检测装置 写保护检测装置和盘片更换检测装置 4 5 2硬盘5 2 1硬盘概述 硬盘是微机中广泛使用的外部存储器 它较之软盘具有容量大 速度快 可靠性高等优点 硬盘的存储介质是由刚性磁盘片组成 所以称其为硬盘 5 1956年9月 IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM350RAMAC RandomAccessMethodofAccountingandControl 其磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区域 从而成功地实现了随机存储 这套系统的总容量只有5MB 共使用了50个直径为24英寸的磁盘 这些盘片表面涂有一层磁性物质 它们被叠起来固定在一起 绕着同一个轴旋转 6 1968年IBM公司首次提出 温彻斯特 Winchester 技术 温彻斯特 技术的精隋是 密封 固定并高速旋转的镀磁盘片 磁头沿盘片径向移动 磁头悬浮在高速转动的盘片上方 而不与盘片直接接触 这也是现代绝大多数硬盘的原型 1973年IBM公司制造出第一台采用 温彻期特 技术的硬盘 从此硬盘技术的发展有了正确的结构基础 7 1979年 IBM再次发明了薄膜磁头 为进一步减小硬盘体积 增大容量 提高读写速度提供了可能 80年代末期IBM发明了MR MagnetoResistive 磁阻 这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感 使得盘片的存储密度能够比以往20MB每英寸提高了数十倍 1991年IBM生产的3 5英寸的硬盘使用了MR磁头 使硬盘的容量首次达到了1GB 从此硬盘容量开始进入了GB数量级 8 1999年9月7日 Maxtor宣布了首块单碟容量高达10 2GB的ATA硬盘 从而把硬盘的容量引入了一个新里程碑 2000年2月23日 希捷发布了转速高达15 000RPM的CheetahX15系列硬盘 其平均寻道时间只有3 9ms 这可算是目前世界上最快的硬盘了 同时它也是到目前为止转速最高的硬盘 9 2000年3月16日 IBM推出的 玻璃硬盘 问世 即Deskstar75GXP及Deskstar40GV 此两款硬盘均使用玻璃取代传统的铝作为盘片材料 这能为硬盘带来更大的平滑性及更高的坚固性 另外玻璃材料在高转速时具有更高的稳定性 此外Deskstar75GXP系列产品的最高容量达75GB 是当时最大容量的硬盘 而Deskstar40GV的数据存储密度则高达14 3十亿数据位 每平方英寸 这再次涮新数据存储密度世界记录 10 5 2 2硬盘分类 1 按物理尺寸分类硬盘可分为主要用在台式计算机和服务器上的3 5英寸型和5 25英寸型 以及主要用于笔记本的2 5英寸型 面向迷你笔记本和便携音乐播放机的1 8英寸型和用于CF卡的1英寸型共5类 11 2 按接口类型分类硬盘接口是连接硬盘驱动器和计算机主板的专用部件 它对于计算机的性能 以及在扩充系统时计算机连接其他的能力都有很大的影响 硬盘与主板的连接部分就是它的接口 常见的有IDE及EIDE接口 SATA SCSI 12 1 IDE及EIDE接口IDE IntegratedDriveElectronics 的本意实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器 我们常说的IDE接口也叫ATA AdvancedTechnologyAttachment 接口 13 2 SCSI接口SCSI的英文全称为 SmallComputerSystemInterface 小型计算机系统接口 是同IDE ATA 完全不同的接口 IDE接口是普通PC的标准接口 而SCSI并不是专门为硬盘设计的接口 是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术 14 3 光纤通道光纤通道的英文拼写是FibreChannel 和SCIS接口一样光纤通道最初也不是为硬盘设计开发的接口技术 是专门为网络系统设计的 但随着存储系统对速度的需求 才逐渐应用到硬盘系统中 光纤通道硬盘是为提高多硬盘存储系统的速度和灵活性才开发的 它的出现大大提高了多硬盘系统的通信速度 光纤通道的主要特性有 热插拔性 高速带宽 远程连接 连接设备数量大等 15 4 SATA接口SATA硬盘的出现 缓解了磁盘系统的瓶颈问题 首先 SerialATA以连续串行的方式传送数据 可以在较少的位宽下使用较高的工作频率来提高数据传输的带宽 其次 SerialATA的起点更高 发展潜力更大最后 SerialATA具有更强的系统拓展性 由于SerialATA采用点对点的传输协议 16 SATA硬盘的外部接口 17 5 IEEE1394IEEE1394又称为Firewire 火线 或P1394 它是一种高速串行总线并不是硬盘专用接口 现有的IEEE1394标准支持100Mbps 200Mbps 400Mbps及1 2GBps的传输速率 将来会达到1600Mbps 3200Mbps甚至更高 如此高的速率使得它可以作为硬盘 DVD CD ROM等大容量存储设备的接口 18 6 USB前面主板部分介绍了USB接口的知识 它也常用于活动硬盘的接口 目前的规格有1 0和2 0两种 它的传输速度还比不上前面几种技术 但它的热插拔和不用专用电源线的优点使它使用广泛 19 5 2 3硬盘的结构及工作原理 硬盘的外部结构 20 硬盘的正面主要是印刷的商标和一些跳线设置说明 注意 每块硬盘的具体跳线说明都标明在硬盘的正面 它主要是设置硬盘作为主盘还是从盘的说明 硬盘出厂时默认设置是作主盘 21 硬盘背面 22 硬盘的背面有一块PCB控制电路板 它上面有很多芯片及元件 通常情况下裸露在硬盘下表面 以利于散热 23 IDE硬盘接口部分SATA硬盘接口部分 24 电源接口电源接口与主机电源相连 为硬盘工作提供电力保证 一般而言 IDE硬盘采用最常见的4芯D形电源接口 数据接口数据接口是硬盘和主板控制器之间进行数据传输交换的纽带 25 硬盘内部结构图 26 硬盘由磁头组件 盘片 控制电路 主轴组件及外壳组成 其中磁头组件和盘片组件是构成硬盘的核心 由于现在硬盘厂商把硬盘驱动器和盘片都安置在一封闭的净化腔内 所以一般提到的硬盘至少应该包括硬盘驱动器和盘片两部分 27 硬盘工作时 它的核心是盘片 由主轴驱动旋转 然后由磁头定位 在高速旋转的盘片上定位数据来获取数据 磁头获取的数据 首先被送入缓存 然后通过数据线传送给系统 这就是硬盘的基本运作模式 28 磁头组件 包括读 写磁头 磁头臂 传动杆 和磁头臂转轴 传动轴 三部分 其中磁头是硬盘中最昂贵的部件 它实际上是一个集成工艺制成的多个磁头的组合 它采用了非接触式结构 加电后在高速旋转的磁盘表面飞行 飞行高度 磁头与盘面间隙 只有0 1 0 3um 微米 可以获得极高的数据传输率 转速5400r min的硬盘飞高都低于0 3um 以利于读取较大的高信噪比信号 提供数据传输存储的可靠性 所以平时当硬盘正运行时 我们一定要让硬盘保持平稳 否则就很容易损坏 29 盘片 是硬盘存储数据的载体 现在盘片大都采用硬质合金组成 是在盘片上涂上一层磁性物质 现在还出了了玻璃盘片 它的主要作用就是储存数据和资料 硬盘的磁头是用线圈缠绕在磁芯上制成的 现在大都使用的是GMR 巨磁阻 磁头 30 主轴组件 主轴结构也就是使磁盘盘片运动起来的部分 它决定了硬盘的转速 其中的马达转速越高 硬盘读取数据的速度也越快 相应地 也产生了噪音 所以很多硬盘使用了液态轴承 让硬盘的发热量和噪音都减小 硬盘系统在记录信息时将自动优先使用同一个或者最靠近的柱面 因为这样磁头组件的移动最少 既利于提高读写速度 也可以减少机构的磨损 31 硬盘工作原理 整个硬盘系统由硬盘驱动器 硬盘适配器及连接电缆三部分组成 硬盘驱动器加电正常工作之后 利用控制电路中的单片机初始化模块进行初始化工作 此时磁头置于盘片中心位置 初始化完成后主轴电机将启动并以高速旋转 装载磁头的小车机构移动 将磁头置于盘片表面的00道 处于等待指令的启动状态 32 接口电路接收到计算机系统传来的指令信号 通过前置放大控制电路 驱动音圈电机发出磁信号 根据感应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正确定位 并将接收后的数据信息解码 通过放大控制电路传输到接口电路 反馈给主机系统完成指令操作 结束硬盘操作的断电状态 在反力矩弹簧的作用下磁头驻留到盘面中心 33 盘面的每个记录表面设有一个读写磁头 整个磁头组件由相应的驱动机构带动可沿径向移动 硬盘盘片上记录信息的圆形轨迹称为磁道 每个磁道分为多个扇区 由于硬盘由多个盘片组成 因此各个盘片上半径相同的所有磁道处于同一个圆柱面上 从而引进了硬盘 柱面 的概念 34 硬盘系统在记录信息时将自动优先使用同一个或者最靠近的柱面 因为这样磁头组件的移动最少 既利于提高读写速度 也可以减少机构的磨损 在硬盘中磁道进一步划分为扇区 一般来讲 每一扇区是512字节 35 5 2 4硬盘的主要性能指标 1 容量容量可以说是用户对硬盘认识最多的一个技术指标 它的单位是千兆字节 GB 影响容量的两个因素是单碟容量和碟片数量 2 硬盘的转速转速是指硬盘内电机主轴的转动速度 单位是RPM 每分钟旋转次数 其转速越高 内部传输速率就越高 36 3 平均访问时间 AverageAccessTime 与平均寻道时间 AverageSeekTime 平均潜伏时间 AverageLatencyTime 1 平均寻道时间是指硬盘在盘面上移动读写头至指定磁道寻找相应目标数据所用的时间 描述硬盘读取数据的能力 以毫秒为单位 当单碟片容量增大时 磁头的寻道动作和移动距离减少 从而使平均寻道时间减少 加快硬盘速度 2 平均潜伏时间是指相应磁道旋转到磁头下的时间 3 平均访问时间是平均寻道时间与平均潜伏时间的总和 平均访问时间最能够代表硬盘找到某一数据所用的时间 越短的平均访问时间越好 37 4 数据传输率分为外部传输率 ExternalTransferRate 和内部传输率 InternalTransferRate 计算机通过接口将数据交给硬盘的速度与硬盘将数据记录在盘片上的速度相比 前者比后者要快好多 前者是外部数据传输率 后者是内部数据传输率 38 5 硬盘缓存硬盘缓存是为解决硬盘的存取速度和内存存取速度不匹配而设计的 类似于CPU的一二级缓存 缓存的容量因为其造价太高 而不可能做得太大 硬盘缓存越大 一次的数据吞吐量就越大 性能也就更好 6 硬盘接口现在市场上的主流是SATA接口的硬盘 39 7 连续无故障时间 MTBF 该指标是指硬盘从开始运行到出现故障的最长时间 单位是小时 一般硬盘的MTBF至少在30000小时以上 这项指标在一般的产品广告或常见的技术特性表中并不提供 需要时可专门上网到具体生产该款硬盘的公司网址中查询 40 5 2 5硬盘选购原则 1 精打细算 计算容价比2 多听多看 了解产口碑3 后顾无忧 掌握产品保修时间4 心知肚明 识破JS伎俩 1 提防假盒装 2 识破水货 3 拒绝返修和二手产品 41 5 2 6使用注意事项 1 正确地开关主机电源2 硬盘在高速工作时要注意防振3 防尘防静电4 高质量电源很重要5 少使用低级格式化6 防止温度过高7 出现物理坏道要及时处理8 清理垃圾文件和磁盘整理 42 5 3光存储设备5 3 1光盘驱动器 1 光驱的分类 1 CD ROM光驱 2 DVD光驱 3 COMBO光驱4 刻录光驱 43 2 CD ROM驱动器的结构 1 CD ROM的面板 44 2 背部接口 45 光驱的接口主要有音频接口 跳线接口 数据接口 电源接口 音频线接口主要作用是将一根4芯或3芯的CD音频线连接到声卡上 这样可以直接按光驱面板上的播放按钮来播放音乐CD 在音频线接口的右边是光驱的路线设置 能常光驱出厂时已被设置为从盘 光驱的数据接口通过一根数据线将光驱与主板的IDE插座相连 那电源接口就不用说了 就是用来给光驱供电的 46 3 内部结构光驱的内部结构主要包括激光光头 PCB板和机械部分 激光光头负责实现对光盘信息的读写 PCB电路板上则是各种控制光驱信息读写的电路 另外 光盘在光驱内的转动 进出光驱等工作就要通过机械部分来完成 47 3 工作原理光驱在读取光盘时 一个发光二极管会产生波长约为0 54 0 68微米的激光光源 光线经过处理后照射在光盘上 然后由光盘的反射层将光束反射回来 再由光驱中的光检测器捕获到这些光信号 48 因为光盘上存在 凹点 和 空白 两种状态 它们的反射信号正好相反 这两种不同的信号很容易被光检测器所识别 不过 检测器所得到信息只是光盘上凹凸点的排列方式 在光驱中有专门的部件将它们转换并校验 交给光驱中的控制芯片处理后 就会在电脑中得到光盘上的数据 49 而刻录机的内部结构中则要多出 写入 这个部分 但刻录机的定入原理也有所区别 在刻录CD R盘片时 刻录机通过大功率激光照射CD R盘片的染料层 在染料层上会形成一个个平面 Land 和凹坑 Pit 光驱在读取它们时会将号转换为0和1 因为CD R制作工艺的缘故导致这种变化是一次性的 不能恢复到原来状态 所以CD R盘片只能写入一次而无法重复写入 而CD RW盘片上镀的是一层很薄的薄膜 这种薄膜的材质多为铟 硒 银或碲的结晶层 能够呈现结晶和非结晶两种状态 类似于CD R的平面和凹坑 通过激光束的照射 可以让结晶层在这两种状态间相互转换 因此 CD RW盘片可以重复写入 50 4 主要技术指标 1 数据传输率 datatransferrate 2 平均访问时间 Averageaccesstime 3 CPU占用时间 CPULoading 4 数据缓冲区 Buffer 5 光驱的纠错能力 6 噪声和震动 51 5 光驱使用注意事项 1 光驱三大怕怕剧烈震动 怕发热 怕灰尘和静电 2 避免重复使用光驱 52 5 3 2光盘 常见的光盘包括 1 CD DA CompactDiscDigitalAudio 2 CD ROM3 CD R4 CD RW5 DVD ROM6 DVD R7 DVD RW8 DVD RAM9 蓝光光盘 53 5 4移动存储设备5 4 1移动硬盘 USB移动硬盘 54 所谓移动硬盘 主要指采用计算机标准接口 USB IEEE1394 的硬盘 就是用小巧的笔记本硬盘加上特制的配套硬盘盒构成的一个便携的大容量存储系统 USB移动硬盘的特点 方便 大量和性价比高 适应于大容量移动存储用户的要求 55 5 4 2闪盘 作为一种新型的EEPROM内存 电可擦可写可编程只读内存 闪存不仅具有RAM内存可擦可写可编程的优点 而且还具有ROM的所写入的数据在断电后不会消失的优点 由于闪存同时具备了ROM和RAM两者的优点 从诞生之后起 闪存就成了PDA 数码相机 音乐播放器等移动电子产品的最佳伴侣 另外 闪存的数据安全性很高 56 U盘 57 USB闪存盘就是采用FlashMemory 闪存 作为存储器的移动存储设备 即通常所说的U盘 U盘即插即用的特点使得它就向软盘一样可以很方便的在计算机之间交换数据 但它的容量又比软盘大得多 而且随着技术的发展 它的价格越来越低 容量越来越大 并且它的数据传输率也比软盘大得多 体积却小得多 并且具有一定的抗振防潮能力 58 1 闪存的主要性能指标 1 容量USB闪存的容量一般最低为16MB 现在市场上主流为2GB 是普通软驱的数百倍以上 真正做到了随意存储 2 存取速度USB接口可带来12MB s的高速数据传输率 比一个标准的串行接口约快100倍 存储文件速度很快 59 3 接口要求采用通用串行总线 USB 4 存储介质一般采用快闪闪存 5 即插即用USB接口支持热插拔 把连线插到USB接口上 无须重新启动计算机就可把存储的数据加载到计算机中 进行数据移动操作 操作完拔下USB连接线即可 极为方便 真正体现移动特性 6 使用寿命一般要求可重复擦写100万次 数据至少保存10年 60 2 闪存的选购 1 出身名门在闪存市场 品牌不少 各个品