第06章外存储器－new

1、| 2006 lenovolenovo confidential 计算机硬件基础 外存储器篇 | 2006 lenovolenovo confidential 主要内容 6.1 概述 6.2 ide/ata 6.3 sata 6.4 硬盘 6.5 软盘和软盘驱动器 6.6 cd、dvd及驱动器 6.7 闪存 | 2006 lenovolenovo confidential 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，

2、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 | 2006 lenovolenovo confidential 6.2 ide/ata 6.2.1 ide与ata 6.2.2 ata版本和传输模式 6.2.3 ata接口连接器 6.2.4 ata数据线 6.2.5 双驱动器配置 | 2006 lenovolenovo confidential 6.2.1 ide与ata ide（integrated drive electronics，集成驱动器电路）表示电路或控

3、制 器内置于驱动器的接口技术。主要存在以下三种类型： ata ide（16位） xt ide（8位isa） mca ide（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 atapi（at attachment packet interface，附加分组接口）是ata标准 的延伸 ， 为了解决在ata接口上连接多种设备而制定 | 2006 lenovolenovo confidential 6.2.2 ata版本和传输模式 ata已开发出的几个标准版本： ata-1（1986-19

4、94） 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（programmed i/o）模式 dma（direct memory access）模式 ultra-dma（udma）模式 | 2006 lenovolenovo confidential 6.2.2 ata版本和传输模式 dma即直接

5、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double data rate（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 标准版本 pio模式 dma模式 udma模式 速率 (mb/s) ata-10-20 8.33 ata-20-40-2 16.67 ata-30-40-2 16.67 ata-40-40-20-233.33 ata-50-40-20-466.67 ata-60-40-20-5100.00 | 2006 lenovolenov

6、o confidential 6.2.3 ata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） | 2006 lenovolenovo confidential 6.2.4 ata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

7、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） udma 4或udma 5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 | 2006 lenovolenovo confidential 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 | 2006 lenovolenovo confident

8、ial 6.3.1 sata概述 sata接口与现有的软件保持兼容 sata 1.0版本实现硬盘数据传输率150mb/s sata ii工作组开发一系列扩展规范 sata 2.5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/s ncq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） 硬盘指示灯 | 2006 lenovolenovo confidential 6.3.1 sata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

9、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sata 2.5规范的硬盘必须完全支持基本规范 sata接口速率 sata类型 总线宽度 （bits） 总线速率 （mhz） 数据周期时钟周期 带宽 （mb/s） sata-150 115001150 sata-300130001300 sata-600160001600 | 2006 lenovolenovo confidential 6.3.2 sata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

10、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 | 2006 lenovolenovo confidential 6.3.2 sata驱动器连接器及线缆 sata

11、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 | 2006 lenovolenovo confidential 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 | 2006 lenovolenovo confid

12、ential 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ibm xt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10mb xt硬盘的大于85 ms（毫秒）减小到如今一些 驱动器的小于4.2 ms 1982年，一个10mb硬盘的价格是1500美元以上（每兆

13、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 | 2006 lenovolenovo confidential 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

14、，而不能单独地移动 | 2006 lenovolenovo confidential 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（head disk assembly, hda）的密封腔里 | 2006 lenovolenovo confidential 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

15、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 | 2006 lenovolenovo confidential 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连续无故障时间 外部数据传输率高于内部数据传输率

16、 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 | 2006 lenovolenovo confidential 6.4.4 硬盘的容量 在标称磁盘（包括软盘）容量时有四个通常使用的数值： 未格式化容量，以百万字节为单位 格式化容量，以百万字节为单位 未格式化容量，以兆字节为单位 格式化容量，以兆字节为单位 硬盘厂商通常以十进制兆字节（百万字节）报告硬盘的容量，而bios 和fdisk等分区软件以二进制兆字节报告容量 | 2006 lenovolenovo confidential 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

17、早期可以做物理意义上的低级格式化 ，现在不行 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ntfs fat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 | 2006 le

18、novolenovo confidential 6.4.6 硬盘的相关技术 s.m.a.r.t s.m.a.r.t是自动检测分析及报告技术（self-monitoring analysis and report technology）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 raid raid是独立（或廉价）磁盘冗余阵列（redundant array of independent inexpensive disks）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ra

19、id6 软件实现的raid性能较差 有些主板将ata/sata raid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raid 0、raid 1和raid 5 | 2006 lenovolenovo confidential 6.4.6 硬盘的相关技术 raid 0 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 raid 0性能比较高，但牺牲了可靠性 最少需2块硬盘 raid 1 镜像（mirroring）。写入到一块硬盘的数 据是另一块硬盘的副本 raid 1可靠性很高，可以提高系统的读性 能，但丝毫没有提高写

20、性能。 只能使用硬盘总容量的一半 最少需2块硬盘 | 2006 lenovolenovo confidential 6.4.6 硬盘的相关技术 raid 5 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 raid 10 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 raid 0和raid 1结合在一起形成raid 10 这通常需要4块硬盘 | 2006 lenovolenovo confidential 6.4.7 硬盘的坏道 硬盘坏道其实应该

21、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 | 2006 lenovolenovo confidential 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 双密双密360kb （dd） 高密高密1.2mb （hd） 双密双密720kb （dd） 高密高密1.44mb （hd） 特高密特高密2.88mb （ed） 盘片尺寸5.25英寸

22、 5.25英寸 3.5英寸 3.5英寸 3.5英寸 每扇区字节数512 512 512 512 512 每磁道扇区数9 1591836 每面磁道数 40 80808080 面数 22222 容量（千字节） 360 120072014402880 容量（兆字节） 0.352 1.172 0.703 1.406 2.813 容量（百万字节） 0.369 1.229 0.737 1.475 2.949 | 2006 lenovolenovo confidential 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 | 2006 lenovolenovo confi

23、dential 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 | 2006 lenovolenovo confidential 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

24、驱可以通过交换接口连接器的方法互换a、b盘符 | 2006 lenovolenovo confidential 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 | 2006 lenovolenovo confidential 6.6.1 cd、dvd概述 cd（compact disc）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（pi

25、t）、平地（land）压制到或蚀刻到一个 单一的螺旋形磁道中 格式名称推出时间 红皮书 cd-da（数字音频cd） 1980年 黄皮书 cd-rom（只读存储器cd） 1983年 绿皮书 cd-i（交互式cd） 1986年 cd-rom xa cd-rom xa（扩展体系结构的cd-rom） 1989年 桔皮书 cd-r（cd-recordable 可写cd）1989年 cd-w（cd-rewritable可重写cd） 1996年 photo-cd cd-p 1990年 白皮书 视频cd 1993年 蓝皮书 cdextra（早期名称cd-plus或增强音乐） 1995年 | 2006 leno

26、volenovo confidential 6.6.1 cd、dvd概述 dvd代表数字通用光盘（digital versatile disc） 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 | 2006 lenovolenovo confidential 6.6.1 dvd概述 标准dvd格式和容量 正确区分dvd-video标准和 dvd-rom标准 格式 盘大小面数 层数 数据容量 视频容量 dvd-180mm单面单层 1.5gb0.7小时 dvd-280mm单面双层2.7gb1.3小时 dvd-380mm双面单层 2.9gb1.4小时 dvd-4

27、80mm双面双层5.3gb 2.5小时 dvd-5120mm单面单层4.7gb 2.2小时 dvd-9120mm单面双层8.5gb 4小时 dvd-10120mm双面单层9.4gb 4.4小时 dvd-14120mm双面两种13.2gb 6.3小时 dvd-18120mm双面双层17.1gb 8.1小时 | 2006 lenovolenovo confidential 6.6.2 cd-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

28、信息的混合 目前有以下几种cd文件系统： high sierra iso 9660（基于high sierra） joliet udf（universal disk format，统一磁盘格式） mac hfs（hierarchical file format，层次文件格式） rock ridge | 2006 lenovolenovo confidential 6.6.3 可刻录光盘 目前主要有两种可刻录cd cd-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

29、，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 | 2006 lenovolenovo confidential 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（dvd

30、forum）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。 | 2006 lenovolenovo confidentia

31、l 6.6.4 cd-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： | 2006 lenovolenovo confidential 6.6.4 cd-rom、dvd-rom驱动器 读取光盘时采用以下三种不同的方式： clv（constant linear velocity，恒定线速度） cav（constant angular velocity，恒定角速度 p-cav（partial constant angular velocity，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-r

32、om驱动器基准传输速率为153.6kb/s dvd-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 | 2006 lenovolenovo confidential 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 | 2006 lenovolen

33、ovo confidential 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 | 2006 lenovolenovo confidential 6.6.6 dvd版权保护版权保护 dvd视频盘采用三种主要的保护系统，分别是： 区域重放控制（regional playback control，rpc） 内容抓取系统（content scrambling system，css） 类比保护系统（analog protection system，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、