4存储器及其接口.ppt

计算机硬件技术基础,lifeng,存储器概述及分类,存储器是计算机的记忆部件，用于存储程序和被处理的数据以及运算的结果。,存储器概述及分类,数据在存储器中的存储都以二进制形式存在。,存储器的计量单位位：一个cell，记做bit字节：8bit，记做Byte1KB=1024Byte1MB=1024KB1GB=1024MB1TB=1024GB1PB=1024TB,存储器概述及分类,按存储介质分类1半导体存储器以二极管、晶体管或MOS管等半导体器件作为存储元件。如内存。2磁存储器采用磁性材料作为存储介质。如磁芯、磁带、磁盘等。常用的磁存储器是磁带、磁盘等磁表面存储器，如硬盘、软盘。3光存储器采用激光技术在记录介质上进行读写的存储器。如只读光盘（CD-ROM）、可读写光盘（MO）等。,存储器概述及分类,按存取方式分类随机存储器RAM、只读存储器ROM、串行访问存储器SAM,1随机存储器RAM（RandomAccessMemory）按地址存取，存取时间与存储单元的物理位置无关。可分为双极型和MOS型。双极型存储器：存取速度快，功耗大，集成度小，一般作为容量较小的高速缓冲存储器。MOS型存储器：按MOS工艺制成，分为静态存储器（SRAM）和动态存储器（DRAM）。动态存储器的存储内容需定时刷新。,存储器概述及分类,2只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）按制作工艺和使用特性可分为：固定只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）和电擦除可编程只读存储器（EEPROM）。ROM：内容一般是在生产时事先写入，计算机工作时只能读出，而不能写入。PROM：内容是在使用时由用户写入的，一旦写入不能更改。EPROM和EEPROM：可进行多次写入操作。,3串行访问存储器SAM（SequentialAccessMemory）读写操作需按物理位置的先后顺序寻找地址。如磁带。,存储器概述及分类,按在计算机中的作用分类主存储器、辅助存储器、缓冲存储器、闪速存储器（FlashMemory）,1.主存储器简称主存、内存，通过内存总线与CPU联接，用来存放正在执行的程序和处理的数据。可以和CPU直接交换信息。主要类型：（1）FPM：快速页面模式内存（2）EDO：扩展数据输出内存（3）DDRSDRAM：同步双倍速率传输动态随机存储器，主流内存规范。（4）RDRAM：Rambus（开发公司名字），运行频率比SDRAM和DDRSDRAM要高了许多，从300MHz到600MHz。,存储器概述及分类,2辅助存储器辅存、外存，需通过专门的接口电路与主机联接，不能和CPU直接交换信息，用来存放暂不执行或还不被处理的程序或数据。3缓冲存储器缓冲存储器简称缓存（Cache），在两个速度不同的部件，如CPU与主存之间，以解决数据传送速度不匹配问题。4闪速存储器（FlashMemory）快擦写存储器，可在不加电的情况下长期保存信息，具有非易失性，能在线进行快速擦除与重写，兼具有EEPROM和SRAM的优点。其集成度与位价格接近EPROM，是代替EPROM和EEPROM的理想器件，也是未来小型磁盘的替代品。,存储器概述及分类,存储器概述及分类,一、静态RAM的组成,由存储体、地址译码电路、读/写驱动电路、控制电路、地址寄存器和数据缓冲器组成。,随机存取存储器RAM,1存储体存储信息的实体，由若干个能存储一位二进制数的位存储单元构成。上图中的存储体是一个由6464=4096个六管静态存储电路组成的存储矩阵。,2译码电路对来自CPU的地址码进行译码，以选择地址码所指定的存储单元。有单译码方式和双译码方式。,3I/O电路读/写信息。I/O电路还有对读出的信息进行放大的作用。,随机存取存储器RAM,5地址寄存器接收来自CPU的地址码，继而送到行、列地址译码器进行地址译码。6数据缓冲器控制存储器与系统数据总线之间的数据输入/输出。,4控制电路对存储芯片进行选择及对选中的存储单元进行读/写控制。芯片选择是通过片选信号控制完成的，一般由地址码的高位译码产生。对于选中的芯片的存储单元的读/写操作，由读/写控制信号R/确定，高电平信号为读操作，低电平信号为写操作。,随机存取存储器RAM,二、静态RAM的读/写过程,1读出过程（1）地址码A0A11加到RAM芯片的地址输入端，经X与Y地址译码器译码，产生行选与列选信号，选中某一存储单元，该单元中存储的代码，经一定时间，出现在I/O电路的输入端。I/O电路对读出的信号进行放大、整形，送至输出缓冲寄存器。缓冲寄存器一般具有三态控制功能，在门控信号无效时，所存数据还不能送到数据总线DB上。,（2）在送上地址码的同时，还要送上读/写控制信号（R或、）和片选信号（）。读出时，使R=1，=0，这时，输出缓冲寄存器的三态门将被打开，所存信息送至DB上。于是，存储单元中的信息被读出。,随机存取存储器RAM,2写入过程（1）地址码加在RAM芯片的地址输入端，选中相应的存储单元，使其可以进行写操作。（2）将要写入的数据放在DB上。（3）加上片选信号=0及写入信号R0。这两个有效控制信号打开三态门使DB上的数据进入输入电路，送到存储单元的位线上，从而写入该存储单元。,随机存取存储器RAM,动态随机存储器（DRAM）,一、DRAM基本存储电路,结构：由一个MOS管和一个电容组成原理：靠电容来存储信息的，电容充有电荷表示存储信息“1”，没有电荷表示存储信息“0”。当行、列选择线都为高电平时，存储元被选中，VT1、VT2管导通。写操作：写1，数据线上为高电平，对电容C充电；写0，数据线上为低电平，电容上的电荷很快被释放掉。,随机存取存储器RAM,读操作：电容上的电荷被泄露掉，是一种破坏性读出，因此在读操作后要立即重新写入原有的信息，以保证所存储的信息不变。刷新：由于电容上存储的电荷总存在着泄露，时间一长信息就会丢失，所以需要每隔一定时间（一般2ms）对电容进行一次充电，以补充泄漏掉的电荷，称为存储器“刷新”或“再生”。刷新操作是逐行进行的。3.优点：内部线路简单，集成度高，功耗小，价格较便宜。4.缺点：需要刷新电路，外部电路复杂。,随机存取存储器RAM,二、DRAM的结构特点1.由许多基本存储元排列组成的二维存储矩阵。2.为了保证足够高的集成度，减少芯片对外封装引脚数目和便于刷新，DRAM的结构具有两个特点：芯片一般都设计成位结构形式，即每个存储单元只有一个数据位，一个芯片上含有若干字，如8K1b、16K1b、64K1b或256K1b等。芯片引脚上的地址线是复用的，地址总是分成行地址和列地址两部分，芯片内部设置有行地址锁存器和列地址锁存器。在对DRAM进行访问时，先由行地址选通信号把行地址打入行地址锁存器，随后再由列地址选通信号把列地址打入列地址锁存器，访问地址分两次打入，使DRAM芯片的对外地址线引脚大大减少，仅需与行地址相同即可。,随机存取存储器RAM,三、DRAM控制电路DRAM工作时，除了正常的读/写操作之外，还要定时刷新，因而需要设置专门的控制电路DRAM控制器来管理DRAM芯片的工作。DRAM控制器是CPU和DRAM芯片之间的接口电路，它将CPU的信号变换成适合DRAM芯片的信号。,随机存取存储器RAM,地址多路开关：把CPU输出的内存地址转换成行地址和列地址，在和信号的控制下，分两次送入DRAM芯片，实现行、列地址的分时打入。刷新定时器：控制DRAM芯片的刷新定时时间。刷新地址计数器：提供逐行刷新时的刷新地址。仲裁电路：当来自CPU的读写请求和来自刷新定时器的刷新请求同时到来时，由仲裁电路对二者的优先权进行裁决。时序发生器：产生行地址选通信号、列地址选通信号、写信号。,随机存取存储器RAM,一、掩模式只读存储器（MROM，MaskedROM）由生产厂家根据用户提供的程序和数据，先把要存储的信息制作成掩模，再经过两次光刻而制成的，一旦制成后，信息就不能更改。适于大批量生产，成本低，但灵活性差。存储元可用二极管、MOS管、双极型晶体管构成。MOS型只读存储器功耗小、速度慢，适用于一般微机系统；而双极型只读存储器功耗大、速度快，适用于速度要求较高的微机系统。,只读存储器ROM,44位MOS型只读存储器：地址码A1A0译码后输出4条字选择线，分别选中4个单元；每个单元有4位数据（D3D0）输出。在行和列的交叉点上有MOS管的存储单元的信息是1，没有MOS管的存储单元信息为0。,单元0的内容为0100单元1的内容为1001单元2的内容为0111单元3的内容为1010,只读存储器ROM,二、可编程只读存储器（PROM，ProgrammableROM）出厂时是空白的，允许用户可以根据自己的需要确定ROM中的内容。有两种常见的结构：用二极管作为存储元的结破坏型和用双极型晶体管作为存储元的熔丝型。,双极型晶体管组成的熔丝型PROM：每个晶体管的发射极上串一个熔丝，出厂时所有管子上的熔丝是全部接通的，表示存储的信息全部为1。用户编程时，对需要写0的位通过较大的电流使熔丝熔断，即该位存入了信息0，熔丝未被熔断的位仍为1。熔丝一旦烧断再无法恢复，所以PROM只允许编程一次。,只读存储器ROM,结构原理：存储元由一个浮栅管和一个MOS管串接起来。由于栅极周围被二氧化硅绝缘层包围成为浮栅，所以原始状态的浮栅不带电荷，浮栅管不导通，位线上是高电平，即存储的信息为1。当在浮栅管的漏极D和源极S之间加上25V的高电压和编程脉冲时，D、S间被瞬时雪崩击穿，大量电子通过绝缘层注入到浮栅，使浮栅管处于导通状态，即存储的信息为0。由于浮栅被绝缘层包围，注入的电子不会泄露，保存的信息也就不会丢失。,三、可擦除可编程只读存储器（EPROM，ErasablePROM）,只读存储器ROM,擦除原理：当用紫外线照射EPROM芯片上的石英玻璃窗口时，所有存储元电路中浮栅管浮栅上的电荷会形成光电流泄露，使电路又恢复成原始状态，从而擦除了所有信息，擦除后的EPROM还可以重新编程。优点：可以进行多次编程。缺点：不能在线编程。擦除重写时，必须从系统中拆下来，在紫外线灯下照射20分钟，擦除原有信息后，再用专门的编程器重新写入新的程序或数据。EPROM芯片中的信息不能实现部分内容的修改。,只读存储器ROM,四、电擦除可编程只读存储器（E2PROM，ElectricallyEPROM）采用加高电压的方法来擦除芯片中的原有信息。可在线编程和擦除。擦除和编程以字节为单位，可方便地改写其中的任一部分内容。既可以在断电的情况下保持信息不丢失，又可以像RAM那样随机地进行改写，因而兼有RAM和ROM的功能特点，使用起来十分方便。,EPROM并不能用来代替RAM，它在正常工作方式中一般是只读不写的，擦除一个单元虽然比EPROM要快得多，但与RAM的写入速度仍相差甚远。,只读存储器ROM,五、闪速存储器（FlashMemory）在EPROM的基础上增加了电擦除和可重复编程能力的设计，采用电来擦除，但只能擦除整个区或整个器件。比E2PROM的成本更低，密度和可靠性更高。目前价格已低于DRAM，容量已接近于DRAM。是唯一具有大容量、非易失性、低价格、可在线改写和高速度等特性的存储器。,现阶段，它除了取代EPROM和E2PROM来存放主板和显卡的BIOS以外，还广泛应用于便携式计算机的PC卡存储器，成为代替磁盘的一种理想工具。,只读存储器ROM,存储器芯片的扩展每一个存储器芯片的存储容量有限，实际的存储器需由若干个芯片进行相应的连接、扩展而成的。存储器扩展分为3种情况：字扩展：存储芯片容量不能满足存储器的要求。如用2K8b的存储芯片构成16K8b的存储器。位扩展：存储芯片的位数不能满足存储器的要求。如用8K8b的存储芯片构成8K16b的存储器。字、位同时扩展：存储芯片的容量和位数都不能满足存储器的要求。如用2K4b的存储芯片构成8K8b的存储器。,存储器的容量扩充,(1)位扩展：进行存储器位数的扩充连接方式：将多片存储器芯片的地址、片选、读写控制端并联，数据端单独引出。,例：将16K*1位的存储芯片扩展为16K*8位的存储器,存储器的容量扩充,(1)位扩展：进行存储器位数的扩充连接方式：将多片存储器芯片的地址、片选、读写控制端并联，数据端单独引出。,例：将16K*1位的存储芯片扩展为16K*8位的存储器,存储器的容量扩充,(1)位扩展：进行存储器位数的扩充连接方式：将多片存储器芯片的地址、片选、读写控制端并联，数据端单独引出。,例：将16K*1位的存储芯片扩展为16K*8位的存储器,存储器的容量扩充,(1)位扩展：进行存储器位数的扩充连接方式：将多片存储器芯片的地址、片选、读写控制端并联，数据端单独引出。,例：将16K*1位的存储芯片扩展为16K*8位的存储器,m位n位，需n/m片,存储器的容量扩充,(2)字扩展：达不到地址范围要求，则增加字数连接方式：将各个芯片的地址线、数据线、读写控制端并联，片选端单独引出。,存储器的容量扩充,(2)字扩展：达不到地址范围要求，则增加字数连接方式：将各个芯片的地址线、数据线、读写控制端并联，片选端单独引出。,例：由16K*8位扩充成64K*8位的存储器,存储器的容量扩充,(2)字扩展：达不到地址范围要求，则增加字数连接方式：将各个芯片的地址线、数据线、读写控制端并联，片选端单独引出。,例：由16K*8位扩充成64K*8位的存储器,存储器的容量扩充,(2)字扩展：达不到地址范围要求，则增加字数连接方式：将各个芯片的地址线、数据线、读写控制端并联，片选端单独引出。,例：由16K*8位扩充成64K*8位的存储器,存储器的容量扩充,(2)字扩展：达不到地址范围要求，则增加字数连接方式：将各个芯片的地址线、数据线、读写控制端并联，片选端单独引出。,例：由16K*8位扩充成64K*8位的存储器,存储器的容量扩充,(2)字扩展：达不到地址范围要求，则增加字数连接方式：将各个芯片的地址线、数据线、读写控制端并联，片选端单独引出。,例：由16K*8位扩充成64K*8位的存储器,mknk，需n/m组芯片，每组一片,存储器的容量扩充,(3)字位扩展：字向和位向同时进行扩展。使用L字K位芯片扩充成M字N位存储器,需(M/L)(N/k)片芯片，分M/L组，每组N/K片芯片,存储器的容量扩充,1K4扩展为4K8,存储器的容量扩充,存储器扩展的基本步骤：1根据存储器容量和芯片容量，确定应采用的芯片数。芯片数=存储器容量/芯片容量。2根据芯片的引脚，确定存储芯片与CPU的连接方式，包括数据线、地址线、读/写信号、片选信号的连接。连接的原则：地址线对应连。位扩展时，数据线并行连接；字扩展时，数据线对应连接。读/写信号对应连接。位扩展时，各芯片共用片选信号；字扩展时各芯片分用片选信号。片选信号可通地址码高位部分译码获得。3地址分配，确定各芯片的存储地址范围。,存储器的容量扩充,【例】用6116芯片构成8K8b的存储器。,分析：6116芯片的地址线为11根，数据线位数为8根，为2K8b的存储芯片。构成8K8b的存储器需进行字扩展。6116芯片的读控制信号为，写控制信号为，片选信号为，三个控制信号都为低电平有效。,存储器的容量扩充,解：（1）确定芯片数。芯片数=8K8b/2K8b=4片（2）确定与CPU的连接。各芯片的8个数据引脚D0D7对应连于数据总线的D0D7上。地址引脚A0A10连接到地址总线A0A10上，由地址码的高位A12、A11通过2线-4线译码器译码得到4个不同的低电平片选信号送到各芯片的片选端，读/写信号和直接与CPU的读信号和写信号连接。,存储器的容量扩充,存储器的容量扩充,第一片2K,第二片2K,第三片2K,第四片2K,A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0地址范围,（3）存储地址分配,00000000000000000H001111111111107FFH,01000000000000800H01111111111110FFFH,10000000000001000H101111111111117FFH,11000000000001800H11111111111111FFFH,存储器的容量扩充,内存的主要性能指标,容量每个时期内存条的容量都分为多种规格，比如早期的30线内存条有256KB、1MB、4MB等容量，后来72线的EDO内存有4MB、8MB、16MB等容量，目前流行的168线内存常见的内存容量有128MB、256MB、512MB。数据宽度和带宽内存的数据宽度是指内存同时传输数据的位数，以位（bit）为单位。内存带宽指内存的数据传输速率。,内存技术发展,内存的“线”数就是指内存条与主板插接时有多少个接触点，这些接触点就是“金手指”，有30线、72线和168线。30线内存条的数据宽度为8bit；72线内存条的数据宽度为32bit；168线内存条的数据宽度为64bit。内存电压早期的FPM内存和EDO内存均使用5V电压，而SDRAM使用3.3V电压，DDRSDRAM和RDRAM使用2.5V电压。DDR内存工作电压从DDR的2.5V降到1.8V。,内存的主要性能指标,内存技术发展,时钟频率f、时钟周期TCK时钟频率代表了DRAM所能稳定运行的最大频率，支持时钟频率越高的内存，其性能也越出众。对于SDRAM而言，可分为PC66、PC100、PC133规范，分别表示可在66-133MHz的时钟频率下稳定运行。DDR内存的基准时钟频率为200MHz、266MHz，333MHz、400MHz、533MHz。RDRAM基准时钟频率为600MHz、700MHz和800MHz。内存的时钟周期TCK由时钟频率决定，TCK=1/f，例如对于100MHz的系统来说，一个系统时钟周期为10ns。,内存技术发展,内存的主要性能指标,SPDSPD(SerialPresenceDetect)是1个8针的EEPROM芯片，容量为256字节，里面主要保存了该内存条的相关资料，如容量、芯片的厂商、内存模组的厂商、工作速度、是否具备ECC校验等。SPD的内容一般由内存模组制造商写入。支持SPD的主板在启动时自动检测SPD中的资料，并以此设定内存的工作参数，使之以最佳状态工作，更好地确保系统的稳定。,内存技术发展,内存的主要性能指标,ECCECC(ErrorCheckingandCorrecting)功能，指内存具备错误修正码的功能。它使得内存在传输数据的同时，在每笔资料上增加一个检查位，以确保资料的正确性，若有错误发生，还可以将它加以修正并继续传输，这样不至于因为错误而中断。奇偶校验（Parity）非奇偶校验内存的每个字节只有8位，若它的某一位存储了错误的值，就会使其中存储的数据发生改变而导致应用程序发生错误。而奇偶校验内存在每一字节（8位）外又额外增加了一位作为错误检测之用。那些Parity检测到错误的地方，ECC可以纠正错误。,内存技术发展,内存的主要性能指标,4.1.3主流内存,486和早期Pentium时代普遍使用的内存是FPM(FastPageModeRAM，快速页面模式随机存取存储器)，它每隔3个时钟脉冲周期传送一次数据，72线、5V电压、32bit数据宽度，速度基本都在60ns以上。（1988-1990）后来使用EDO(ExtendedDataOutRAM，扩展数据输出随机存取存储器)内存，EDO内存每隔两个时钟脉冲周期传输一次数据，大大地缩短了存取时间，使存取速度提高30%。EDO内存有72线和168线之分，速度达到60ns。EDO内存多用于早期的Pentium主板上。（1991-1995）现在市场上用于个人电脑的内存主要有三大类，一种是SDRAM，一种是目前主流的DDR内存，还有一种是RDRAM。这三种内存都是DRAM。,内存技术发展,SDRAMSDRAM（SynchronousDRAM同步动态随机存储器）是现在常见的内存之一。其工作速度与系统总线速度是同步的。SDRAM内存是根据其性能来进行标称的，比如PC100和PC133就是依据SDRAM内存的运行频率来进行划分的。单位都是MHz(兆赫兹)。SDRAM的主流规范是PC133，也就是说这是运行在133MHz的SDRAM。意味着每秒运行133百万次，那么每次的运行时间就是差不多7.5ns，即内存的时钟周期为7.5ns。加快内存的时钟频率也就是缩短了内存的时钟周期，比如平时需要两个周期才能完成的工作，现在虽然还是要两个时钟周期，但由于内存时钟频率的加快，所花费的时间就少了很多了，我们直接能感受到的就是计算机的运行速度变快了。,内存技术发展,DDRSDRAMDDRSDRAM(DoubleDateRateSDRAM，双倍速率SDRAM)。看名字就知道DDR其实也是SDRAM的一种。DDR内存采用了双时钟差分信号等技术，使其在单个时钟周期内的上、下沿都能进行数据传输，所以具有比SDRAM多一倍的传输速率和内存带宽。可以通过内存条的金手指的“缺口”进行辨别，DDR只有一个缺口，而SDRAM有两个缺口。,内存技术发展,DDR的标称和SDRAM一样采用频率。现在DDR运行频率主要有100MHz、133MHz、166MHz、200MHz四种，由于DDR内存具有双倍速率传输数据的特性，因此在DDR内存的标识上采用了工作频率2的方法，也就是DDR200、DDR266、DDR333和DDR400。DDR2有DDR2400、DDR2533、DDR2667、DDR2800DDR内存的标称还可以用其带宽来表示。内存带宽严格地说应该分为内存理论带宽和内存实际带宽这两种，这里讨论的是内存的理论带宽，它的计算公式是：内存带宽内存运行频率8Byte(64bit)。那么DDR266的内存就可以换算为2668Byte2128MB/s，所以DDR266通常也被称为PC2100，同理DDR200是PC1600，而DDR333是PC2700。用内存的带宽来表示比用运行频率表示更能体现内存的性能，但是这里提及的都是理论带宽。,内存技术发展,3RDRAMRDRAM存储器总线式动态随机存取存储器，也就是Rambus内存。RDRAM的运行频率比SDRAM和DDR要高了许多，从300MHz、600MHz、800MHz到10660MHz。因为其比较高的工作频率发热量自然不会小，因此RDRAM内存表面都贴上金属散热片。如图4-3所示，这就是我们在市场上常看到的RDRAM的样子。,内存技术发展,RDRAM常见的型号是PC600、PC700、PC800三种，RDRAM可以像DDR一样在时钟信号的上下沿都可以传输信息，但其数据通道接口带宽较低，只有16位。RDRAM和SDRAM、DDR相比最大优势在于可以提供更大的内存带宽。这里以PC800为例，它的实际运行频率为400MHz，而内存带宽为8002Byte1.6GB/s。现在RDRAM还支持双通道技术，也就是说我们可以用两根同等容量和速度的RDRAM配对使用，形成双通道架构，这样双通道的PC800RDRAM的带宽就成了3.2GB/s了，这也是在Intel850主板上RDRAM内存需要两条RDRAM内存同时使用的原因。RDRAM因为其高频率可以获得更大的带宽，但它还是有它不足的地方。和SDRAM、DDR相比，RDRAM比较大的延迟又在很大程度上削弱了它的优势。所以在需要大量数据传输的场合，RDRAM因为其带宽的优势，其性能更为优越；而在普通应用场合，因为零散数据比较多，潜伏周期较短的DDRSDRAM性能则占上风。,内存技术发展,计算机系统的外存储器主要有磁盘、磁带和光盘。磁盘存储器又分为硬磁盘和软磁盘两种，分别简称为硬盘和软盘。硬盘、软盘均属于磁表面存储器。,磁表面存储器是在不同形状的载体上，涂有磁性材料层。工作时，载磁体高速运动，磁头在磁层上进行读写操作。信息被记录在磁层上，这些信息的轨迹就是磁道。磁盘的磁道是一个个同心圆环，磁带的磁道是沿磁带长度方向的条型区域。,外存储器磁盘,磁表面存储器的读写图示,外存储器磁盘,一、软盘（FD，FloppyDisk）可移动磁盘存储器，早期在PC机中作为文件和应用软件复制的主要载体。特点：与硬盘相比，容量小、速度低、可靠性差。1.发展：已不作为PC机的基本配置，逐渐被移动硬盘、U盘等取代。,2.分类按盘片大小分：5.25英寸软盘和3.5英寸软盘。按软盘的容量可分为：高密度软盘（1.44MB）和低密度软盘（720KB）。目前，720KB的低密度软盘已很少使用。3.构成PC机软盘系统由软盘片、软盘控制器、软盘驱动器（磁头位于其上）组成。,外存储器磁盘,4.物理外观：,外存储器磁盘,5软盘驱动器由磁头、磁头定位系统、读写系统、主轴驱动系统和状态检测部件等构成。,外存储器磁盘,二、硬盘（HardDisk，也简称HD）,“温彻斯特硬盘”：1973年，IBM公司推出。工作时，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，磁头沿高速旋转的盘片上做径向移动。,硬盘及驱动器：由固定面板、控制电路板、磁头组、盘片组、主轴电机、接口及其它附件组成。磁头组和盘片组件是构成硬盘的核心，它们被封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片组、主轴驱动装置及读写控制电路几个部分。,外部结构：接口、控制电路板、固定面板三部分。内部结构：盘片组、磁头驱动机构、磁头组、主轴电机等部分。,外存储器磁盘,外存储器磁盘,盘片之间绝对平行，都固定在一个称为盘片主轴的旋转轴上。每个盘片的存储面上都有一个磁头，与盘片之间的距离只有0.10.3m。所有的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头沿盘片作经向运动，盘片以每分钟数千转的速度高速旋转，磁头对盘片上的指定位置进行数据的读/写操作。,外存储器磁盘,1盘片组（1）盘片是存储数据的载体，采用铝金属薄膜材料制成。（2）盘片组一般是由一片或几片圆形盘片叠加而成，不同容量的硬盘盘片数是不同的。每个盘片有两个面，每个面都可以记录数据。（3）盘片分为面、磁道、扇区、柱面和着陆区。面：按照磁盘面的多少，依次称为0面、1面、2面等。于每个面对应一个读写磁头，称为0磁头（head）、1磁头、2磁头等。磁头数和盘面数相同。磁道：盘片表面上以盘片圆心为中心的同心圆环。从外向内编号。柱面：不同盘片相同半径的磁道组成的空心圆柱体称为柱面。柱面数等于每个面的磁道数。,外存储器磁盘,5.5外存储器,磁道和扇区的概念,外存储器磁盘,扇区：每个磁道划分成若干段，每段称为一个扇区。一个扇区存放512B的数据。硬盘上每个磁道上的扇区数相同，这样硬盘存储容量计算公式为：硬盘容量=柱面数磁头数每道扇区数512B着陆区：硬盘不工作时磁头停放位置的区域，通常指定一个靠近主轴的内层柱面作为着陆区。着陆区不存储数据，可以避免硬盘受到震动时以及在开、关电源瞬间磁头紧急降落时所造成的数据丢失。硬盘在电源关闭时会自动将磁头停在着陆区内。,外存储器磁盘,2主轴组件主轴组件包括轴承和驱动电机等。驱动电机又可分为滚珠轴承电机和液态轴承电机两种。滚珠轴承马达工作时温度高，噪声大，磨损严重，转速相对较慢，但价格较低。液态轴承马达以解决了滚珠轴承马达上的问题同时还有很好的抗震能力，使硬盘寿命延长。3磁头驱动机构作用是在硬盘寻道时移动磁头。一般由电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置构成。4磁头组件是硬盘中最精密的部件之一，是由读写磁头、传动手臂、传动轴三个部分组成。采用了非接触式磁头结构，加电后磁头在高速旋转的磁盘表面移动，磁头与盘片之间的间隙只有0.10.3m，这样可以获得很好的数据传输率、较高的信噪比和数据传输的可靠性。,外存储器磁盘,1容量格式化后硬盘的容量由3个参数决定：硬盘容量=磁头数柱面数扇区数512(字节)。硬盘的容量以兆字节（MB）或千兆字节（GB）为单位，1GB=1024MB。但硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取1G=1000MB，因此在BIOS中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值要小。2单碟容量单碟容量就是硬盘盘体内每张磁碟的最大容量。每块硬盘内部有若干张盘片，所有盘片的容量之和就是硬盘的总容量。单碟容量越大，实现大容量硬盘也就越容易，寻找数据所需的时间也相对少一点。同时，单碟容量越大，硬盘的档次越高，性能越好，其故障率也越低，当然价格也越贵。,硬盘的性能指标,外存储器磁盘,硬盘的性能指标,3硬盘的转速转速是指硬盘盘片每分钟转动的圈数，单位是rpm.。转速是决定硬盘内部传输率的决定因素之一，它的快慢在很大程度上决定了硬盘的速度，同时也是区别硬盘档次的重要标志。硬盘的转速多为5400rpm、7200rpm和10000rpm。7200rpm的硬盘已经逐步取代5400rpm的硬盘成为主流，10000rpm的硬盘多是面对高档用户的。,外存储器磁盘,4平均访问时间平均访问时间（AverageAccessTime）是指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要读写的数据扇区所需的时间。平均访问时间体现了硬盘的读写速度，它包括了硬盘的寻道时间和等待时间，即：平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间。硬盘的平均寻道时间（AverageSeekTime）是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间。目前主流硬盘的平均寻道时间通常在9ms左右。硬盘的等待时间，又叫潜伏期（Latency），是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。对圆形的硬盘来说，潜伏时间最多是转一圈所需的时间，最少则为0（不用转），转速540Orpm（或7200rpm），故其AverageLatencyTime约等于（1/5400）6010002=5.6ms，其余依此类推。硬盘转速7200RPM,潜伏时间4.2ms。平均访问时间通常在11ms到18ms之间。,硬盘的性能指标,外存储器磁盘,5传输速率传输速率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。硬盘数据传输速度包括了内部数据传输率和外部数据传输率。内部传输率也称为持续传输率，指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率，一般取决于硬盘的盘片转速和盘片数据线性密度(指同一磁道上的数据间隔度)。这项指标中常常使用Mb/S或Mbps为单位，这是兆位/秒的意思，如果需要转换成MB/s（兆字节/秒），就必须将Mbps数据除以8。例如最大内部数据传输率为131Mbps，但如果按MB/S计算就只有16.37MB/s。数据传输速度实际上达不到33MB/s，更达不到66MB/s。因此硬盘的内部数据传输率就成了整个系统瓶颈中的瓶颈，只有硬盘的内部数据传输率提高了，再提高硬盘的接口速度才有实在的意义。外部传输率（ExternalTransferRate）也称为突发数据传输率（BurstDataTransferRate）或接口传输率，它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。目前采用UltraDMA133技术的硬盘，外部数据传输率可达133MB/s。,硬盘的性能指标,外存储器磁盘,由于内部数据传输率才是系统真正的瓶颈，因此在购买时我们要分清这两个概念。一般来讲，硬盘的转速相同时，单碟容量大的内部传输率高；在单碟容量相同时，转速高的硬盘的内部传输率高。应该清楚的是只有内部传输率向外部传输率接近靠拢，有效地提高硬盘的内部传输率才能对磁盘子系统的性能有最直接、最明显的提升。目前各硬盘生产厂家努力提高硬盘的内部传输率，除了改进信号处理技术、提高转速以外，最主要的就是不断地提高单碟容量以提高线性密度。由于单碟容量越大的硬盘线性密度越高，磁头的寻道频率与移动距离可以相应减少，从而减少了平均寻道时间，内部传输速率也就提高了。,硬盘的性能指标,外存储器磁盘,6缓存缓存（Cache）的大小也是影响硬盘性能的一个重要指标。当硬盘接收到CPU指令控制开始读取数据时，硬盘上的控制芯片会控制磁头把正在读取的簇的下一个或者数个簇中的数据读到缓存中（因为硬盘上数据存储时是比较连续的，所以读取的命中率是很高的），当CPU指令需要读取下一个或者几个簇中的数据的时候，磁头就不需要再次去读取数据，而是直接把缓存中的数据传输过去就行了，由于缓存的速度远远高于磁头的速度，所以能够达到明显改善性能的目的。显然缓存容量越大，硬盘性能越好。目前，主流硬盘的缓存一般是2MB。,硬盘的性能指标,外存储器磁盘,7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的情况。这项指标厂家并不提供，一般只能在各种媒体的测试数据中看到。硬盘工作时产生的温度过高将影响磁头的数据读取灵敏度，因此硬盘工作表面温度较低的硬盘有更稳定的数据读、写性能。8MTBF(连续无故障时间)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。,硬盘的性能指标,外存储器磁盘,常见硬盘接口,1、IDEIDE的英文全称为“IntegratedDriveElectronics”，即“电子集成驱动器”，它的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。时至今日这一接口技术仍在不断地发展，随着其接口技术的飞速发展，引入了许多新技术，使这一IDE接口标准得到了质的飞跃，通常不再以IDE标称，而是以诸如ATA、UltraATA、DMA、UltraDMA等标注。IDE接口经历过ATA、ATA33、ATA66、ATA100、ATA133等几种速度规格，后面的数字可以标明这种接口的传输速率，比如ATA100接口就可以达到100MB/s的速度。,外存储器磁盘,外存储器磁盘,常见硬盘接口,外存储器磁盘,常见硬盘接口,2、SATASATA（串行）接口为新一代硬盘传输规范。,外存储器磁盘,常见硬盘接口,SATA（串行）与IDE（并行）传输接口相比，SATA拥有更多的技术优势。.高数据传输率第一代SerialATA的数据传输率为150MB/s，而在已经发布的SerialATA2.0和SerialATA3.0规范中将达到最高300MB/s及600MB/s的传输率。.无需复杂设置在并行硬盘的时代主板上的一个IDE接口上同时可以安装两个IDE硬盘，这时就必须设置主/从（Master/Slave）选项。但是SATA接口使用点对点传输协议，也就是说每个通信道都只能单独安装一个设备，并且独享带宽，这种工作模式在实际应用中更容易被管理。,外存储器磁盘,常见硬盘接口,.支持热拔插功能SATA接口是允许进行热拔插的。就好像我们现在用的移动硬盘一样。.数据线可以更长传统的IDE接口为40针结构，其线缆的长度被限制在了45cm之内。而SATA数据线采用点对点传输，最长距离可以扩展到1米以上。,外存储器磁盘,常见硬盘接口,.接口注重人性化IDE接口在连接时用户必须区分数据线安装时的反正。SATA硬盘则采用了L形接口，根本不存在接反的可能。但SATA接口线缆设计有先天缺陷，L形的接口不允许用户多次拔插，否则就会引发接触不良的问题。,外存储器磁盘,常见硬盘接口,3、SCSISCSI(SmallComputerSystemInterface，小型计算机系统接口)接口是一种系统级接口，一条SCSI总线最多可以连接15块硬盘,外存储器磁盘,常见硬盘接口,硬盘的主要生产厂商,迈拓(Maxtor)三星(Samsung)希捷(ST，Seagate)昆腾(Quantum)西部数据(WD),外存储器磁盘,、Seagate（希捷）公司的硬盘命名方式为：“首位+盘片尺寸+容量+盘片数+转速+接口类型”例：Seagate酷鱼代IDE硬盘ST330630A为例ST：首位，希捷公司硬盘均用ST开头3：盘片尺寸为3.5英寸306：容量为30.6GB3：盘片数为3片0：表示为7200r/min（0以外为5400r/min)A：接口类型A为ATAUDMA/66或UDMA/100（AG为笔记本专用、W、N为SCSI专用,外存储器磁盘,命名,2、Maxtor（迈拓）公司的硬盘命名方式为：“系列号+此系列硬盘最大容量+首位+容量+接口类型+磁头数”例：金钻四代DiamondMaxPlus4053073U6DiamondMaxPlus：代表硬盘是金钻系列40：代表此系列硬盘的最大容量为40GB5：用于说明一段时间，最新的金钻系列硬盘都是53073：代表容量为30.7GBU：代表此硬盘的接口是UltraDMA/66(D为UltraDMA/33；A为ATAUltraDMA/100)6：代表此硬盘的磁头数,外存储器磁盘,外存储器磁盘,操作系统读取文件和删除文件的过程：读取文件时，操作系统通过目录找到文件名和包含文件数据的首簇编号。FAT表给出了哪些簇包含了该文件的数据。操作系统将磁头移动到文件首簇的位置，读出数据。如果文件存储在多个簇中，磁头还要移动到其他簇上读出全部数据。如果文件存放在不连续的簇中，读取文件花费的时间要比读存放在连续簇中的文件花费时间多。这是因为磁盘和磁头要移动多次找文件的后续部分。删除一个文件时，操作系统改变FAT表中相应簇的状态。例如：如果文件存储在簇3、4和7中，删除时，操作系统把这三个簇的状态变成“0”。这些簇的数据并没有在物理上清除。相反，这些数据仍然保存在簇中，直到有新的数据将它覆盖。这种方式就使得我们在删除了一个文件后仍然能够通过操作系统的恢复工具将文件恢复。当然，只有在你没有写入新的数据时才可以恢复。因此，一旦发现误删除文件，就要立刻恢复。,外存储器磁盘,碎片和碎片整理在随机存取文件的过程中，文件变成片断。每个文件存放在不连续的簇中。当驱动器定位含有文件数据的簇比较困难的时候，驱动器的性能也就变得很差。要获得驱动器的峰值性能，可以使用磁盘碎片整理程序来重新组织文件，使它们连续存放。,外存储器磁盘,整理磁盘的碎片,外存储器磁盘,三、光盘光存储设备的信息载体。厚度为1.2mm、直径为120mm或80mm的圆盘片，最常见的是直径120mm的光盘。,外存储器光盘,光存储器：使用激光在存储介质表面上烧蚀出数据。烧蚀在介质表面微小的凸凹模式表示了数据。光学介质上的数据可以永久保存使用光学介质不像使用磁介质那样可以容易地改变它存储的数据光驱使用激光从光盘上读数据，这时使用的激光强度小于往光盘上烧蚀数据的激光强度。,外存储器光盘,数据轨道是一条由里向外，顺时针方向的螺旋渐开线，其轨道的各个区域尺寸和密度都一样，这条线为光盘轨道。用刻录机在光盘轨道上刻出一个个极小的凹点，这些不同的凹点与平面被激光照射时，产生不同的反射光，形成对应的数据0和1。,（1）CD轨道（2）DVD轨道,外存储器光盘,外存储器光盘,光盘种类：1CD光盘（CompactDisc）CD-DA：CD数字音乐光盘，光盘的始祖。CD-ROM：CD只读式光盘，使用最广泛的一种光盘。容量大、价格低。CD-ROM有Mode-1与Mode-2两种形式。每张Mode-1CD-ROM的容量为650MB。每张Mode-2CD-ROM的容量为742MB。印刷面无数据。CD-R：CD可记录式光盘，可用光盘刻录机将数据一次写入光盘中，写入后的数据不能更改和删除，安全性高。CD-R的工作原理是利用大功率激光束的热效应使激光焦点照射记录层的有机染料产生不可逆的物理化学变化，形成具有与CD-ROM光盘凹点相同的光学反射特性。,外存储器光盘,CD-RW：CD重复擦写式光盘。光盘上的数据可自由更改或删除，目前使用寿命可达1000次左右。使用弹性比CD-R更大，但价格比CD-R高得多。,2DVD光盘（DigitalVideoDisc）（1）DVD光盘特点双面存储。由两层厚度分别为0.6mm盘片组成，每个盘片都有两个记录面存放数据。一张DVD-5的存储容量可达4.7GB，是CD-ROM存储容量的7倍。轨道间距与坑点长度比CD-ROM短，数据存储密度大。速度高。DVD的1X1.35MB/s，而CD的1X150KB/s。兼容性好。所有DVD驱动器都可以读取CD光盘。,外存储器光盘,外存储器光盘,（2）DVD光盘种类DVDAudio：DVD音乐光盘，支持视频、字幕、菜单、屏保等。DVDVideo：DVD视频光盘，DVD影碟。DVD-ROM：DVD只读光盘，用来存储计算机数据、文件的只读光盘，是CD-ROM光盘的换代产品，可以存放任何的数据信息。DVD-R：DVD可记录式光盘，数据写入后就不能修改，称为一次性写入式DVD光盘。可多次读写DVD光盘DVD-RAM：可以重写100000次以上，但兼容性较差，价格昂贵。DVD-RW：兼容性好。DVD+RW：速度快，价格高。,外存储器光盘,根据光盘存储技术的不同光盘驱动器可分为以下几种：CD-ROM（只读光盘驱动器）、CD-R（可写光盘驱动器）、CD-R/W（可擦写光盘驱动器）、DVD-ROM（DVD只读光盘驱动器）和DVD-RAM（可反复擦写DVD光盘存储器）等。1、按接口分类：.IDE接口：最广泛的、价格便宜，速率低.SCSI接口：速度快，传输效率高，支持热插拔。2、按结构方式分类：.内置式光驱：最广泛的，安装在计算机内的5英寸位置上的光驱.外置式光驱：其自身带有保护外壳，可放在计算机机箱外，通过并口线与计算机连。.多盘式光驱：可同时放入多张光盘,外存储器光盘,1、光驱的前面板,外存储器光盘,2、光驱的后面板,外存储器光盘,1、底部结构包括：伺服系统、控制系统和主控电路等组成部分。,外存储器光盘,2、机芯结构.激光头组件.主轴马达.光盘托架.启动机构,外存储器光盘,光驱的性能指标,1、数据的传输率光驱从光盘上读取数据的快慢。单速是指最初的光驱读妈速率，为150KB/S。倍速是指光驱以单速的多少倍进行工作。2、平均读取时间是指CD-ROM从光头定位到开始读盘的时间，一般是越小越好。3、缓冲区用于暂存光驱读出的数据。它的大小直接影响光驱的速度,外存储器光盘,4、光驱的容错性能是指光驱读取质量不太好的光盘的能力，容错性能越强，光驱能读的“烂盘”越多。5、光驱的读取方式恒定线速度（CLV）恒定角速度（CAV）部分恒定角速度（PCAV）6、接口类型两种接口：IDE、SATA和SCSI。,外存储器光盘,光驱的维护与维修,1、光驱的维护对光盘的选择光驱的入盒和出盒保证光驱的通风良好2、光驱的常见故障接口故障系统配置故障光学部件故障机械部件故障电子部件故障其它故障3、光驱的维修基本操作方法光电管及聚焦透镜的清洗调整激光头功率,外存储器光盘,DVD驱动器优点1、容量大2、数据传输率高3、采用DolbyDigital格式4、兼容性好5、性能价格比高DVD驱动器分类1、DVD-ROM2、DVD-R3、DVD-RW4、DVD-RAM,DVD驱动器,外存储器光盘,刻录光驱,光盘刻录（“CD-R”和“CD-RW”）是在CD-ROM基础上发展起来的两