计算机装配技术第6讲外存储器.ppt

第6讲外存储器,计算机装配技术,主要内容,6.1概述6.2IDE/ATA6.3SATA6.4硬盘6.5软盘和软盘驱动器6.6CD、DVD及驱动器6.7闪存,6.1概述,外存储器是CPU不能直接访问的存储器，用于长久地存放大量的包括暂不使用的程序和数据外存储器三种基本的存储类型磁存储器，将数据记录在磁性介质上，代表是硬盘和软盘光存储器，读和写是通过光能（光学的）实现的，代表是CD和DVD闪存，存储介质是闪存芯片磁、光存储器需要通过相应的驱动器才能读出存储在上面的数据部分外存储器结合了磁和光的技术外存储器通过各种不同的接口和PC系统相连,6.2IDE/ATA,6.2.1IDE与ATA6.2.2ATA版本和传输模式6.2.3ATA接口连接器6.2.4ATA数据线6.2.5双驱动器配置,6.2.1IDE与ATA,IDE（IntegratedDriveElectronics，集成驱动器电路）表示电路或控制器内置于驱动器的接口技术。主要存在以下三种类型：ATAIDE（16位）XTIDE（8位ISA）MCAIDE（16位微通道）ATA接口是一种16位并行接口，所以ATA又被称为并行ATA，也称为PATA常直接用IDE来称呼ATA，但从技术上来看，ATA才是真正的称呼,6.2.2ATA版本和传输模式,ATA已开发出的几个标准版本：ATA-1（1986-1994）ATA-2（1996；也称为快速ATA，快速ATA-2或EIDE）ATA-3（1997）ATA-4（1998；也称为Ultra-ATA/33）ATA-5（1999至今；也称为Ultra-ATA/66）ATA-6（2000至今；也称为Ultra-ATA/100）Ultra-ATA/133标准未能获得业界的广泛支持ATA的传输模式:PIO（ProgrammedI/O）模式DMA（DirectMemoryAccess）模式Ultra-DMA（UDMA）模式,6.2.2ATA版本和传输模式,DMA即直接存储器存取，是一种快速传送数据的机制，利用它进行数据传送时不需要CPU的参与UDMA模式应用了DoubleDataRate（双倍数据传输）技术，数据传输速度有了极大的提高DMA的实现需要驱动器、主板芯片组和操作系统同时支持DMA支持可以在操作系统中手动激活,6.2.3ATA接口连接器,一般采用40芯集管类型接口连接器接口连接器设置键控，防止数据线插反接口连接器上靠近电源连接器的针脚即是1针,2.5英寸驱动器一般使用小的50针头部连接器，能插到该连接器的线缆有44个引脚，携带电源以及标准ATA的信号，其中40个主要引脚与标准ATA接口连接器的引脚相同（除了物理引脚间距不同）,6.2.4ATA数据线,专门用于承载主板ATA适配器电路和ATA驱动器接口连接器之间的信号。有两种主要类型，一种是40线，另一种是80线。两者都使用相同的40针ATA接口连接器，并且都将第1位线缆的颜色标红数据线的长度不能超过0.46米（18英寸）UDMA4或UDMA5的驱动器必须使用80线数据线80线数据线的蓝色接口连接主板ATA接口，黑色连接主驱动器，灰色连接从驱动器,6.2.5双驱动器配置,一个IDE通道上可以连接两个ATA驱动器，分别是主控制器和从控制器ATA驱动器配置的可能设置：主驱动器（单驱动器）主驱动器（双驱动器）从驱动器（双驱动器）线缆选择部分驱动器被简化为三项设置：主、从和线缆选择,6.3.1SATA概述,SATA接口与现有的软件保持兼容SATA1.0版本实现硬盘数据传输率150MB/sSATAII工作组开发一系列扩展规范SATA2.5版本分为基本规范和高级规范两部分基本规范包括：接口速率300MB/sNCQ技术（在大数量，高列队深度随机存储应用时有一定优势）硬盘供电标准（采用标准3.3V接口供电）热插拨交错式启动（避免多硬盘同时启动的电压冲击）,6.3.1SATA概述,高级规范包括：端口复用器（在一个控制器上扩展多个SATA设备）。端口选择器（由端口选择器根据特定信号选择活动端口）。多通道电缆（高速端口互联及设备接入）。eSATA(外接设备高速连接，可能取代外置USB设备)一款真正意义上的符合SATA2.5规范的硬盘必须完全支持基本规范SATA接口速率,6.3.2SATA驱动器连接器及线缆,ATA与SATA相比，两者在物理上全然不同SATA驱动器连接器及线缆在ATA基础之上进行了改进：一次只传输一位数据，PC系统中路由变得很容易接口连接器只有7针，而且使用的数据线非常细，大大减少了使用ATA数据线遇到的空气流动问题，并且可以很容易地插入到体积很小的连接器中数据线只在两端有连接器，每条只支持一个单独的设备，没有主/从设置数据线两端可以互换数据线最大长度是1米，比ATA的要长很多数据线又细又长，但其传输速率却很高提供了一种能够支持+3.3V的15针电源连接器，每一级电压都可以提供4.5安培的电流，并且宽度只有24mm,6.3.2SATA驱动器连接器及线缆,SATA驱动器可以提供标准的D型大4针电源连接器，也可以提供新的15针电源连接器，或者两者都有一个SATA驱动器上同时提供两种电源连接器时，不要同时都连接上接口连接器和电源连接器中地线信号针的长度比数据信号针要长出一小截，插接时总是地线针先接触，然后才是信号针接触，这一定程度上避免了热拔插时损害设备问题的出现,6.4硬盘,6.4.1硬盘概述6.4.2硬盘的基本部件6.4.3硬盘的性能参数6.4.4硬盘的容量6.4.5硬盘格式化6.4.6硬盘的相关技术,6.4.1硬盘概述,硬盘包括一组刚性的、圆盘状的盘片，这些盘片不能弯曲或折叠因此被称为硬盘硬盘在PC系统里得以普及使用的近20年时间内的变迁：最大存储容量从1982年的5MB、10MB发展到500GB甚至更大盘片尺寸从最初的5.25英寸发展到了如今的3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸、1英寸甚至更小持续传输速率从1983年最初IBMXT机的85-102KB/s提高到如今一些驱动器的60MB/s以上平均寻道时间从1983年10MBXT硬盘的大于85ms（毫秒）减小到如今一些驱动器的小于4.2ms1982年，一个10MB硬盘的价格是1500美元以上（每兆字节150美元），今天硬盘的价格已下降到每兆字节0.5分人民币或更少,6.4.1硬盘概述,硬盘中的盘片互相堆叠，一致地旋转，盘片少则1片，多则2或3个盘片，盘片的两面都可供驱动器存储数据，因此有2面或4面或6面之说硬盘每个盘片上面有很多同心圆，这些就叫做磁道（track），磁道又分成许多段，叫做扇区（sector），每个扇区通常存储512个字节。每一面上位置相同的磁道共同构成一个柱面（cylinder）通常在每个盘面上都有一个磁头（head），所有的磁头都安装在一个公共的支架或承载设备上作一致地径向移进或移出，而不能单独地移动,6.4.2硬盘的基本部件,一个典型硬盘的基本部件包括以下部分：磁盘片逻辑板读写磁头连接器磁头驱动装置配置项目（如跳线或开关）转轴电机盘片、转轴电机、磁头和磁头驱动装置通常包含在一个称为磁头盘片组（HeadDiskAssembly,HDA）的密封腔里,6.4.3硬盘的性能参数,单碟容量包括正反两面在内的每个盘片的总容量转速硬盘转轴电机主轴的转速，以每分钟硬盘盘片的旋转圈数来表示，单位是rpm平均寻道时间磁头从一个柱面移到另一个随机距离远的柱面所需的平均时间，单位为ms平均潜伏时间磁头移动到数据所在的磁道后，等待指定的数据扇区转动到磁头下方的时间，单位为ms平均访问时间磁头从起始位置到达目标磁道位置，并且从目标磁道上找到指定的数据扇区所需的时间，单位为ms,6.4.3硬盘的性能参数,缓存硬盘的高速缓冲存储器，是硬盘与外部总线交换数据的场所数据传输率外部数据传输率指的是PC通过数据总线从硬盘缓存中所读取数据的最高速率内部数据传输率指的是磁头至硬盘缓存间的数据传输率外部数据传输率高于内部数据传输率连续无故障时间硬盘表面温度硬盘表面温度指硬盘工作时产生的温度使硬盘密封壳温度上升情况,6.4.5硬盘格式化,硬盘存储数据之前包括三个步骤：低级格式化分区分区包括主分区和扩展分区两种类型通常，每块硬盘必须至少有1个分区，最多有4个分区。每个分区可以支持相同的或不同类型的文件系统可以采用操作系统自带或第三方的分区工具进行分区硬盘分区信息存放在硬盘的主引导区高级格式化在高级格式化过程中，操作系统创建管理磁盘上文件和数据所必需的结构系统通常使用三种文件系统：FAT、FAT32和NTFSFAT文件系统兼容性最好，可以被几乎所有操作系统访问；FAT32和NTFS提供了其他特性，但不能被所有的操作系统所访问通过操作系统或第三方软件可以对上述三种文件系统进行互相转换,6.4.6硬盘的相关技术,S.M.A.R.TS.M.A.R.T是自动检测分析及报告技术（Self-MonitoringAnalysisandReportTechnology）的简写可以对硬盘的磁头单元、转轴电机、逻辑板以及盘片表面介质等进行监测对渐发性的故障监测有效，而对于一些突发性的故障无能为力RAIDRAID是独立（或廉价）磁盘冗余阵列（RedundantArrayofIndependentInexpensiveDisks）的简写用于提高计算机存储系统的容错和性能7种标准的RAID级别，分别是RAID0到RAID6软件实现的RAID性能较差有些主板将ATA/SATARAID控制器集成在主板上，甚至很多主板芯片组直接提供RAID支持目前最常用的RAID级别有RAID0、RAID1和RAID5,6.4.6硬盘的相关技术,RAID0条带（striping）。文件数据条带分割后，将各段数据按照顺序分别写入多块硬盘中RAID0性能比较高，但牺牲了可靠性最少需2块硬盘RAID1镜像（mirroring）。写入到一块硬盘的数据是另一块硬盘的副本RAID1可靠性很高，可以提高系统的读性能，但丝毫没有提高写性能。只能使用硬盘总容量的一半最少需2块硬盘,6.4.6硬盘的相关技术,RAID5分布式奇偶校验。文件数据条带分割后，将各段数据和通过运算产生的奇偶校验数据分别写入多块硬盘。其中，奇偶校验数据分布于各块硬盘上为了要同时获得性能和可靠性最少需3块硬盘RAID10许多RAID控制器将几种RAID级别结合起来以提高性能和可靠性RAID0和RAID1结合在一起形成RAID10这通常需要4块硬盘,6.4.7硬盘的坏道,硬盘坏道其实应该称为坏扇区更为贴切硬盘中无法被正常访问或不能被正确读写的扇区都称为坏扇区文件系统可以将某个簇标记为坏簇P-list（永久缺陷表）纪录硬盘出厂时存在的缺陷G-list（增长缺陷表）纪录硬盘使用过程中新出现的缺陷,6.5.1软盘,软盘上的数据象硬盘一样按磁道和扇区组织现在使用的软盘大都是3.5英寸、1.44MB高级格式化和低级格式化同时进行的,6.5.1软盘,5.25英寸和3.5英寸这两种软盘的外观以及盘片的磁道划分示意图,6.5.2软盘驱动器,在软盘驱动器中盘片以300rpm和360rpm的速度旋转包括以下几种类型：720KB的3.5英寸驱动器1.44MB的3.5英寸驱动器2.88MB的3.5英寸驱动器1.2MB的5.25英寸驱动器360KB的5.25英寸驱动器由以下几个基本部分组成：读写磁头磁头驱动器转轴电机电路板控制器连接器,6.5.3软盘驱动器数据线,有两种形式，一种是边框式（5.25英寸软盘驱动器），另一种是针式（3.5英寸软盘驱动器）早期的有5个连接器，现在的通常只有2个接口连接器软驱可以通过交换接口连接器的方法互换A、B盘符,6.5.4软盘与软盘驱动器的保养,软盘片的日常维护要注意以下几点：防尘防磁合适的温度和湿度不要弯曲、挤压在标贴上写字时落笔要轻软盘驱动器的日常维护要注意以下几点：防尘防烟雾采用质量好的软盘片定期清洁磁头,6.6.1CD、DVD概述,CD（CompactDisc）音频标准，也就是红皮书CD-DA标准最早发布后续的CD标准都继承了红皮书中定义的物理格式和数据存储格式记录数据的方式是将凹陷（Pit）、平地（Land）压制到或蚀刻到一个单一的螺旋形磁道中,6.6.1CD、DVD概述,DVD代表数字通用光盘（DigitalVersatileDisc）除了密度较高、支持双层和双面以外，其他技术与CD完全相同DVD与CD的磁道密度对比,6.6.1DVD概述,标准DVD格式和容量正确区分DVD-Video标准和DVD-ROM标准,6.6.2CD-ROM技术,由聚碳酸脂晶片制成直径120mm、厚1.2mm、中心孔洞直径15mm的单面盘上保存最多74-80分钟的高保真音频，或者达650MB（74分钟盘）/700MB（80分钟盘）的数据信息，或者是两种信息的混合目前有以下几种CD文件系统：HighSierraISO9660（基于HighSierra）JolietUDF（UniversalDiskFormat，统一磁盘格式）MacHFS（HierarchicalFileFormat，层次文件格式）RockRidge,6.6.3可刻录光盘,目前主要有两种可刻录CDCD-R由高功率激光照射光盘的染料层，使其产生化学变化，产生凹陷和平地CD-R只能写入一次，不能重复写入CD-RW表面的染料层受到激光的照射时，结晶层便在这两种状态之间相互转换，从而呈现出凹陷和平地的效果一张CD-RW的寿命平均可以擦写1500次CD-R和CD-RW能够承受的写入速度也有快慢之分CD、CD-R和CD-RW表面对于对于激光的反射率不同,6.6.3可刻录光盘,DVD刻录主流标准形成了DVD-R/RW、DVD+R/RW和DVD-RAM共存的局面DVD-RAM是市场上出现最早的DVD刻录标准，它的优点是操作简单、支持鼠标拖放刻录、格式化快以及可重复擦写达10万次以上等。缺点是不能在多数的现有DVD视频播放器和驱动器中播放，兼容性比较差。DVD-R/RW是DVD论坛（DVDForum）的正式标准。其中，DVD-R只能做一次性写入数据的操作，而DVD-RW可以重复多次擦写数据。DVD-R/RW的优点是兼容性好，以DVD视频格式刻录的光盘也可在视频播放器上播放。DVD+R/RW并不属于DVD论坛的正式标准。但DVD+R/RW是唯一获得微软公司全部读写支持的DVD标准。较之其他DVD刻录标准，DVD+R/RW优势十分明显，如无损链接，可以在任何一点停止和开始刻录而无需费时间进行终止，而且也不会打断或丢失数据。同样的，DVD+R只能做一次性写入数据的操作，而DVD+RW可以重复多次擦写数据。,6.6.4CD-ROM、DVD-ROM驱动器,三种加载机制：托架（tray）、盒式（caddy）和插槽（slot）操作方式：,6.6.4CD-ROM、DVD-ROM驱动器,读取光盘时采用以下三种不同的方式：CLV（ConstantLinearVelocity，恒定线速度）CAV（ConstantAngularVelocity，恒定角速度P-CAV（PartialConstantAngularVelocity，局部恒定角速度）短小机身设计的光驱节约了机箱内部的空间性能参数：数据传输速率CD-ROM驱动器基准传输速率为153.6KB/sDVD-ROM驱动器的基准速率为1385KB/s驱动器读取速度通常是指最高速度访问时间缓存CPU利用率,6.6.5可刻录驱动器,COMBO（康宝）就是将DVD-ROM驱动器和CD-RW驱动器合二为一CD-R驱动器一般列出两个速度，一个写速度，一个读速度CD-RW驱动器则列出三个速度，一般以A/B/C的形式标注，其中A表示写CD-R的速度，B表示写CD-RW的速度，C表示读盘的速度可刻录CD驱动器一般具有2MB-4MB以上的大容量缓存,6.6.5可刻录驱动器,主流的可刻录DVD驱动器提供对多种刻录标准和光盘的支持可刻录DVD驱动器在刻录不同标准的光盘时采用的速度是不一样的,6.6.6DVD版权保护,DVD视频盘采用三种主要的保护系统，分别是：区域重放控制（RegionalPlaybackControl，RPC）内容抓取系统（ContentScramblingSystem，CSS）类比保护系统（AnalogProtectionSystem，APS）在RPC中定义了八个地区美国、加拿大、美国领土日本、欧洲、南非以及中东东南亚和东亚澳大利亚、新西兰、太平洋诸岛、中美洲、墨西哥、南美洲及加勒比地区东欧、印度半岛、非洲、朝鲜和蒙古中国保留特殊的国际或移动地点，如飞机、军舰等RPC-（RPC-2）地区代码锁定到驱动器中，可进行5次设置,6