计算机组成与结构第8章

1、王爱英，计算机组成与结构王爱英，计算机组成与结构第第4 4版版（第第8 8章章）任课教师：郝尚富任课教师：郝尚富河北北方学院信息科学与工程学院河北北方学院信息科学与工程学院Email: Email: Tel:el:算机组成原理术第4版清华大学出版社第8章 辅助存储器8.1 辅助存储器的种类与技术指标8.2 磁记录原理与记录方式8.3 硬盘存储器8.4 软盘存储器8.5 磁带存储器8.6 光存储器计算机组成原理术第4版清华大学出版社本节重难点本节重难点1.辅助存储器的技术指标.2.磁表面存储器的工作原理,磁记录方式.3.硬盘存储器的组成.4.光

2、盘的读写原理与组成.5.常用存储器(寄存器、主存、 cache 、硬盘、软盘、磁带和光盘)从存储容量、读写时间上进行比较计算机组成原理术第4版清华大学出版社8.1 8.1 辅助存储器的种类与技术指标辅助存储器的种类与技术指标8.1.1 8.1.1 辅助存储器及其特点：辅助存储器及其特点：存储器：存储器：主存储器和辅助存储器两大类。主存储器和辅助存储器两大类。主存储器：主存储器：用来存放需立即使用的程序和数据，要求存取速用来存放需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。度快，通常由半导体存储器构成。辅助存储器：辅助存储器：用于存放当前不需立即使用的信息，一旦需要，用于存放当

3、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。机的外部设备，因此又称为外存储器。辅助存储器的特点是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，是容量大成本低，通常在断电后仍能保存信息，是“非易失非易失性性”存储器，其中大部分存储介质还能脱机保存信息。存储器，其中大部分存储介质还能脱机保存信息。 计算机组成原理术第4版清华大学出版社8.1.2 8.1.2 辅助存储器的种类辅助存储器的种类当前市场上流行的辅助存储器主要有当前市场上流行的辅助存储器主要有磁表

4、面存磁表面存储器储器和和光存储器光存储器两大类。两大类。磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片( (或带或带) )的基体上形成记录介质，并以绕有线圈的磁头与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。记录介质的相对运动来写入或读出信息。现代计算机系统中所使用的磁表面存储器又有现代计算机系统中所使用的磁表面存储器又有数字式磁记录和模拟式磁记录两种：数字式磁记数字式磁记录和模拟式磁记录两种：数字式磁记录主要有硬盘、软盘和磁带。早期的计算机还曾录主要有硬盘、软盘和磁带。早期的计算机还曾经使用过磁鼓，现已淘汰。模拟式磁记录是指录经使用过磁

5、鼓，现已淘汰。模拟式磁记录是指录音和录像设备音和录像设备。计算机组成原理术第4版清华大学出版社8.1.3 8.1.3 辅助存储器的技术指标辅助存储器的技术指标辅助存储器的主要技术指标是辅助存储器的主要技术指标是存储密度、存储容量、寻址存储密度、存储容量、寻址时间时间等。等。1 1存储密度存储密度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。对于磁盘存储器，用制信息量。对于磁盘存储器，用道密度道密度和和位密度位密度表示，也可以表示，也可以用两者的乘积用两者的乘积面密度面密度表示，对于磁带存储器，则主要用位表示，对于磁带存储器，则主要

6、用位密度表示。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，磁盘与磁道指的是存储在介质表面上的信息的磁化轨迹，磁盘与磁带的磁化轨迹是不同的。磁带的磁化轨迹是不同的。计算机组成原理术第4版清华大学出版社对于磁盘存储器，对于磁盘存储器，磁道磁道是磁盘表面上的许多同心圆。在是磁盘表面上的许多同心圆。在有多个盘片构成的盘组中，由处于同一半径的磁道组成的一有多个盘片构成的盘组中，由处于同一半径的磁道组成的一个圆柱面，称为个圆柱面，称为柱面柱面。沿磁盘半径方向单位长度的磁道数称。沿磁盘半径方向单位长度的磁道数称为为道密度道密度。道密度的单位是道英寸。道密度的单位是道英寸(track per inc

7、h(track per inch，简，简称称TPI)TPI)或道毫米或道毫米TPMTPM。磁道具有一定的宽度，叫磁道具有一定的宽度，叫道宽道宽。它取决于磁头的工作间。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道距。单位长度磁道所能记录二进制信息的位数叫。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位密度或线密度度。单位是位英寸。单位是位英寸bpi(bits per inch)bpi(bits per inch

8、)或位毫米或位毫米bpmbpm。对于磁带，其磁道是沿着磁带长度方向的直线，存储密对于磁带，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度主要用位密度来衡量。例如，常用磁带的记录密度有800bpi800bpi、1600bpi1600bpi和和6250bpi6250bpi等多种。等多种。计算机组成原理术第4版清华大学出版社2 2存储容量存储容量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。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。一般用字节为单位。磁盘存储器有磁盘存储器有格式化容量和非格式化容量格式化容量和非格式化容量两个指标。格

9、两个指标。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，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，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格式化容量一般约为非格式化容量的60607070。计算机组成原理术第4版清华大学出版社3 3寻址时间寻址时间磁盘存储器采取直接存取方式，磁盘

10、存储器采取直接存取方式，寻址时间寻址时间包括两部分包括两部分：一是磁头寻找目标磁道所需的找道时间：一是磁头寻找目标磁道所需的找道时间t ts s；二是找到磁道；二是找到磁道以后，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的等待时间twtw。平均寻址时间。平均寻址时间T Ta a，由平均找道时间，由平均找道时间t tsasa和平均和平均等待时间等待时间t twawa组成：组成： 磁带存储器采取顺序存取方式，不需要寻找磁道，但需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要考虑磁头

11、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。转到磁头应访问记录区所在位置的时间。计算机组成原理术第4版清华大学出版社 4 4数据传输率数据传输率 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，叫数据传输率或字节数，叫数据传输率D Dr r。 5 5误码率误码率 误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数。它等于从误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数。它等于从辅存读出时，出错信息位数和读出的总信息位数之比。辅存读出时，出错信息位数和读出的总信息位数之比。6 6价格价格 通常用位价格来比较各种存储器。位价格

12、是设备价格除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，在所有存储设备中，磁表面存储器和光盘存储器的以容量，在所有存储设备中，磁表面存储器和光盘存储器的位价格是很低的。位价格是很低的。计算机组成原理术第4版清华大学出版社8.2 8.2 磁记录原理与记录方式磁记录原理与记录方式8.2.1 8.2.1 磁记录原理与记录方式磁记录原理与记录方式（一）（一） 磁记录原理磁记录原理 磁表面存储器通过磁头和记录介质的相对运动完磁表面存储器通过磁头和记录介质的相对运动完成写入和读出。成写入和读出。计算机组成原理术第4版清华大学出版社（二）（二） 磁记录介质与磁头磁记录介质与磁头 1 1磁记录介质

13、磁记录介质 磁记录介质指的是涂有薄层磁性材料的信息载体。又称为磁记录介质指的是涂有薄层磁性材料的信息载体。又称为磁记录媒体。磁记录媒体。 根据记录介质的基底不同，主要有软性介质根据记录介质的基底不同，主要有软性介质( (磁带和软磁盘磁带和软磁盘片片) )和硬性介质和硬性介质( (硬磁盘片硬磁盘片) )两种。两种。 磁性材料也有颗粒材料和连续材料两类。磁性材料也有颗粒材料和连续材料两类。计算机组成原理术第4版清华大学出版社2. 2. 感应式磁头感应式磁头磁头是实现电一磁转换的装置。磁头是实现电一磁转换的装置。在一个具有缝隙的环形导磁体上绕上线圈，就构成了磁头在一个具有缝隙的环形导磁体上绕上线圈，

14、就构成了磁头。图。图8 81 1中可见磁头的导磁体用两半环对接而成，存在着中可见磁头的导磁体用两半环对接而成，存在着前后两个间隙。前后两个间隙。计算机组成原理术第4版清华大学出版社（三）磁记录方式（三）磁记录方式 磁记录方式是一种编码方法，指的是按照某种规律磁记录方式是一种编码方法，指的是按照某种规律将一连串二进制数字信息变换成存储介质磁层的相应磁化将一连串二进制数字信息变换成存储介质磁层的相应磁化翻转形式，并经读写控制电路实现这种转换规律。采用高翻转形式，并经读写控制电路实现这种转换规律。采用高效可靠的记录方式，是提高记录密度的有效途径之一。效可靠的记录方式，是提高记录密度的有效途径之一。计

15、算机组成原理术第4版清华大学出版社归零制归零制:两位信息变化之间，两位信息变化之间，电流为零。改写时，一般先去电流为零。改写时，一般先去磁，后写入。磁，后写入。不归零制：电流方向变不归零制：电流方向变化，连续写化，连续写“1”“0”时，时，写电流不改变方向。写电流不改变方向。见见“1”就翻的不归零制就翻的不归零制调相制：相位相差调相制：相位相差180度度调频制：记录调频制：记录1、0的的频率不一样频率不一样改进调频制：记录改进调频制：记录1、0的频率不一样的频率不一样计算机组成原理术第4版清华大学出版社下面讨论读出信号：下面讨论读出信号：计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4

16、版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社8.3 8.3 硬磁盘存储器硬磁盘存储器磁盘存储器是计算机系统中最主要的外存设备。特点磁盘存储器是计算机系统中最主要的外存设备。特点: :存取速度快，存储容量大，易于脱机保存等等。存取速度快，存储容量大，易于脱机保存等等。（一）硬磁盘存储器的种类及基本结构（一）硬磁盘存储器的种类及基本结构硬磁盘存储器指的是记录介质为硬质圆形盘片的辅助硬磁盘存储器指的是记录介质为硬质圆形盘片的辅助存储器系统。它以铝合金等金属作为盘基，盘面敷有磁性存储器系统。它以铝合金等金属作为盘基，盘面敷有磁性记录层。记录层。 王爱英，计算机组成与结构王爱英，计算机组成与结构

17、第第4 4版版计算机组成原理术第4版清华大学出版社硬盘的内部结构硬盘的内部结构 1 1、正面图、正面图 在硬盘的正面都贴在硬盘的正面都贴有硬盘的标签，标签上有硬盘的标签，标签上一般都标注着与硬盘相一般都标注着与硬盘相关的信息，例如产品型关的信息，例如产品型号、产地、出厂日期、号、产地、出厂日期、产品序列号等，上图所产品序列号等，上图所示的就是示的就是WD200BBWD200BB的产的产品标签。品标签。计算机组成原理术第4版清华大学出版社2 2、硬盘外部结构可以分成如下几个部份：、硬盘外部结构可以分成如下几个部份：计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成

18、原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社磁头组件磁头组件：是硬盘中最精密的部位之一，它由是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头读写磁头、传动传动手臂、传动轴手臂、传动轴三部份组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的三部份组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加后电在高速旋转的磁盘表面移动，与盘接触式头、盘结构，加后电在高速旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有片之间的间隙只有0.10.10.3um0.3um，这样可以获得很好的数据传输，这样可以获得很好

19、的数据传输率。现在转速为率。现在转速为7200RPM7200RPM的硬盘飞高一般都低于的硬盘飞高一般都低于0.3um0.3um，以利于，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输率的可靠性。读取较大的高信噪比信号，提供数据传输率的可靠性。 磁头驱动机构磁头驱动机构：磁头驱动机构由磁头驱动机构由电磁线圈电机、磁头驱动小车电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置、防震动装置构成，高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进构成，高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并能在很短的时间内精确定位系统指令行正确的驱动和定位，并能在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道。其中电磁线圈电机包含着一块

20、永久磁铁，这是磁指定的磁道。其中电磁线圈电机包含着一块永久磁铁，这是磁头驱动机构对传动手臂起作用的关键，磁铁的吸引力足起吸住头驱动机构对传动手臂起作用的关键，磁铁的吸引力足起吸住并吊起拆硬盘使用的螺丝刀。防震动装置在老硬盘中没有，它并吊起拆硬盘使用的螺丝刀。防震动装置在老硬盘中没有，它的作用是当硬盘受动强裂震动时，对磁头及盘片起到一定的保的作用是当硬盘受动强裂震动时，对磁头及盘片起到一定的保护使用，以避免磁头将盘片刮伤等情况的发生。这也是为什么护使用，以避免磁头将盘片刮伤等情况的发生。这也是为什么旧硬盘的防震能力比现在新硬秀盘差得多的缘故。旧硬盘的防震能力比现在新硬秀盘差得多的缘故。计算机组成

21、原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社磁盘片磁盘片：盘片是硬盘存储数据的载体，现在硬盘盘片大多采用铝金属薄膜材料，这种金属薄膜较软盘的不连续颗粒载体具有更高的存储密度、高剩磁及高矫顽力等优点。从下图中可以发现，硬盘盘片是完全平整的，简直可以当镜子使用。 计算机组成原理术第4版清华大学出版社主轴组件主轴组件：主轴组件包括主轴组件包括轴承和驱动电机轴承和驱动电机等。随着硬盘容量等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，于是的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，于是有厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术，现在已有厂商开始采用精密机械工业的

22、液态轴承电机技术，现在已经被所有主流硬盘厂商所普遍采用了，它有利于降低硬盘工经被所有主流硬盘厂商所普遍采用了，它有利于降低硬盘工作噪音。作噪音。计算机组成原理术第4版清华大学出版社控制电路控制电路：硬盘的控制电路位于硬盘背面，将背面电路板硬盘的控制电路位于硬盘背面，将背面电路板的安装螺丝拧下，翻开控制电路板即可见到控制电路。具的安装螺丝拧下，翻开控制电路板即可见到控制电路。具体如下图所示。体如下图所示。 计算机组成原理术第4版清华大学出版社读写电路的框图读写电路的框图计算机组成原理术第4版清华大学出版社硬磁盘控制器硬磁盘控制器 磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口，由于辅助磁盘控制器是主机与

23、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的。采用直接存储器存取(DMA)(DMA)控制方式。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；另一个是与设备的接口，根据主机的命令控制设备的数据；另一个是与设备的接口，根据主机的命令控制设备的操作。前者称为系统级接口，后者称为设备级接口。操作。前者称为系统级接口，后者

24、称为设备级接口。计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社硬盘参数硬盘参数 磁头磁头 转速转速 容量及单碟容量容量及单碟容量 数据传输率数据传输率 平均寻道时间平均寻道时间 平均访问时间平均访问时间 高速缓存高速缓存 柱面数柱面数 着陆区着陆区 扇区数扇区数 耐用性耐用性 计算机组成原理术第4版清华大学出版社盘片盘片磁道磁道柱面柱面扇区扇区容量容量硬盘的逻辑结构：硬盘的逻辑结构：计算机组成原理术第4版清华大学出版社0 0磁道磁道n n磁道磁道柱面柱面扇区扇区磁道磁道硬盘的容量为：盘面数硬盘的容量为：盘面数*柱面数柱面数*扇区数扇区数*512字节字节计算机组成原理术

25、第4版清华大学出版社扇区结构：扇区结构：计算机组成原理术第4版清华大学出版社硬盘的发展历史简介：硬盘的发展历史简介：在在19561956年年9 9月月，IBMIBM向世界展示了第一台商用硬盘向世界展示了第一台商用硬盘IBM 350 RAMACIBM 350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and ControlRandom Access Method of Accounting and Control），这套系统），这套系统的总容量只有的总容量只有5MB5MB，却是使用了，却是使用了5050个直径为个直径为2424英寸的磁盘组成的庞然大英寸的磁

26、盘组成的庞然大物。物。19681968年年IBMIBM公司又首次提出了公司又首次提出了“温彻斯特温彻斯特”WinchesterWinchester技术。技术。“温彻斯温彻斯特特”技术的精髓是：技术的精髓是：“使用密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿使用密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接盘片径向移动，磁头磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触接触”，这便是现代硬盘的原型。，这便是现代硬盘的原型。19731973年年IBMIBM公司制造出第一台采用公司制造出第一台采用“温彻期特温彻期特”技术制造的硬盘，从此技术制造的硬盘

27、，从此硬盘技术的发展有了正确的结构基础。硬盘技术的发展有了正确的结构基础。19791979年年，IBMIBM再次发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量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。、提高读写速度提供了可能。7070年代末与年代末与8080年代初是微机的萌芽时期，包括希捷、昆腾、迈拓在内的年代初是微机的萌芽时期，包括希捷、昆腾、迈拓在内的许多著名硬盘厂商都诞生于这一段时间。许多著名硬盘厂商都诞生于这一段时间。19791979年，年，IBMIBM的两位员工的两位员工Alan Alan ShugartShugart和和Finis ConnerFi

28、nis Conner决定要开发像决定要开发像5.255.25英寸软驱那样大小的硬盘驱英寸软驱那样大小的硬盘驱动器，他们离开动器，他们离开IBMIBM后组建了希捷公司，次年，希捷发布了第一款适合后组建了希捷公司，次年，希捷发布了第一款适合于微型计算机使用的硬盘，容量为于微型计算机使用的硬盘，容量为5MB5MB，体积与软驱相仿。，体积与软驱相仿。 计算机组成原理术第4版清华大学出版社Invention of HDD: 1956Invention of HDD: 1956 5 Mbytes, 24 disks, 2kbits/in250 Years Later10 Gbytes on two 1-i

29、nch disks300Gbits/inch2 Area Density increased by 150,000,000计算机组成原理术第4版清华大学出版社IBM 10MBIBM 10MB硬盘的内部结构图硬盘的内部结构图 计算机组成原理术第4版清华大学出版社IBM 10MBIBM 10MB硬盘的外观图硬盘的外观图 计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社 控制器接口 磁头定位 伺服系统 读/写 电路 磁头 选择电路 电源 空气 过滤系统 主轴电机 控制电路 控制器 定位信息 写入数据 读出数据 磁头地址 磁头 盘片 硬盘存储器基本组成硬盘存储器基本组成计算机组

30、成原理术第4版清华大学出版社多盘片结构armspindle计算机组成原理术第4版清华大学出版社Disk 运动恒速旋转恒速旋转spindle计算机组成原理术第4版清华大学出版社硬盘的接口总类硬盘的接口总类IDE： “Integrated Drive Electronics”，即，即“电子集成驱动器电子集成驱动器”，它，它的本意是指把的本意是指把“硬盘控制器硬盘控制器”与与“盘体盘体”集成在一起的硬盘驱动器集成在一起的硬盘驱动器。最最初速度为初速度为33MB/s，现在已经发展到，现在已经发展到133MB/s 计算机组成原理术第4版清华大学出版社SATASATA： （Serial ATASerial

31、 ATA）口的硬盘又叫串口硬盘）口的硬盘又叫串口硬盘SATASATA数据传输率高数据传输率高：以连续串行的方式传送数据，可以在较少的位宽下使：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。用较高的工作频率来提高数据传输的带宽。 Serial ATASerial ATA一次只会传送一次只会传送1 1位位数据，这样能减少数据，这样能减少SATASATA接口的针脚数目。仅用四支针脚，分别用于连接电接口的针脚数目。仅用四支针脚，分别用于连接电源、连接地线、发送数据和接收数据源、连接地线、发送数据和接收数据。SATA 1.0SATA 1.0数据传输率数据传输率150

32、MB/sec150MB/sec，SATA 2.0SATA 2.0的数据传输率的数据传输率300MB/sec300MB/sec，SATA 3.0SATA 3.0将实现将实现600MB/sec600MB/sec的最高数据的最高数据传输率。传输率。 功耗低：功耗低：需求的电压减低至需求的电压减低至250mV(250mV(最高最高500mV)500mV)，较传统并行，较传统并行PATAPATA接口的接口的5V5V少上少上2020倍。倍。热插拔热插拔点对点连接：点对点连接：每个每个SATASATA硬盘都独占一个传输通道，所以不存在象并行硬盘都独占一个传输通道，所以不存在象并行ATAATA那样的主那样的主

33、/ /从控制的问题。从控制的问题。计算机组成原理术第4版清华大学出版社 SCSISCSI： “ “Small Computer System Interface”Small Computer System Interface”（小型计算机系统接（小型计算机系统接口），是同口），是同IDEIDE（PATAPATA）完全不同的接口，）完全不同的接口，IDEIDE接口是普通接口是普通PCPC的标准接口，的标准接口，而而SCSISCSI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。数据传输技术。SCSISCSI接口具有

34、应用范围广、多任务、带宽大、接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPUCPU占用率低，占用率低，以及热插拔等优点，但较高的价格使得它很难如以及热插拔等优点，但较高的价格使得它很难如IDEIDE硬盘般普及，因此硬盘般普及，因此SCSISCSI硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。 FibreChannelFibreChannel光纤通道的英文拼写，光纤通道硬盘是为提高多光纤通道的英文拼写，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

35、通道的主要特性有：热插拔性、高速带宽盘系统的通信速度。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。、远程连接、连接设备数量大等。计算机组成原理术第4版清华大学出版社硬盘的数据组织硬盘的数据组织低级格式化低级格式化分区分区硬盘的高级格式化硬盘的高级格式化硬盘的数据存储区域硬盘的数据存储区域低级格式化低级格式化：就是将空白的磁盘划分出柱面和磁道，再就是将空白的磁盘划分出柱面和磁道，再将磁道划分为若干个扇区，每个扇区又划分出标识部分将磁道划分为若干个扇区，每个扇区又划分出标识部分IDID、间隔区、间隔区GAPGAP和数据区和数据区DATADATA等。目前所有硬盘厂商在产等。

36、目前所有硬盘厂商在产品出厂前，已经对硬盘进行了低格化的处理。品出厂前，已经对硬盘进行了低格化的处理。 低级格式化的功能低级格式化的功能 测试硬盘介质测试硬盘介质 为硬盘划分磁道为硬盘划分磁道 为硬盘的每个磁道按指定的交叉因子间隔安排扇区为硬盘的每个磁道按指定的交叉因子间隔安排扇区 将扇区将扇区IDID放置到每个磁道上，完成对扇区的设置放置到每个磁道上，完成对扇区的设置 对磁盘表面进行测试，对已损坏的磁道和扇区做对磁盘表面进行测试，对已损坏的磁道和扇区做“坏坏”标记标记 给硬盘中的每个扇区写入某一给硬盘中的每个扇区写入某一ASCIIASCII码字符码字符计算机组成原理术第4版清华大学出版社硬盘分

37、区：硬盘分区：形象的比喻就是硬盘犹如一个大柜子，要在这个柜子形象的比喻就是硬盘犹如一个大柜子，要在这个柜子中存放各种文件，有很多种方法。但是为了便于管理和使用，一中存放各种文件，有很多种方法。但是为了便于管理和使用，一般都会把大柜子分成一个一个般都会把大柜子分成一个一个的相对独立的的相对独立的“间隔间隔”或抽屉或抽屉“，绝不会就把一个大柜子当作一，绝不会就把一个大柜子当作一个抽屉来用个抽屉来用 常用的分区软件常用的分区软件 FdiskFdisk Partition MgaicPartition Mgaic DM DM 重点掌握重点掌握Partition MgaicPartition Mgaic

38、和和FdiskFdisk计算机组成原理术第4版清华大学出版社示意图主分区逻辑分区C:D:E:F:扩展分区计算机组成原理术第4版清华大学出版社硬盘分区步骤:建立主分区建立扩展分区建立逻辑盘激活主分区计算机组成原理术第4版清华大学出版社FDISK:FDISK:计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社高级格式化高级格式化 format format 命令的使用命令的使用参数如下：参数如下： Q Q 执行快速格式化执行快速格式化 C C 默认情况下，将压缩在该新建卷上创建文件默认情况下，将压缩在该新建卷上创建文件 S S 格式化完成时

39、拷贝系统文件格式化完成时拷贝系统文件 。计算机组成原理术第4版清华大学出版社硬盘数据存储区域硬盘数据存储区域 MBRMBR（Main Boot Record Main Boot Record 主引导记录区）主引导记录区） MBRMBR位于整个硬盘的位于整个硬盘的0 0磁道磁道0 0柱面柱面1 1扇区扇区，包括硬盘引导程序和分区表。，包括硬盘引导程序和分区表。 DBRDBR（Dos Boot Record Dos Boot Record 操作系统引导记录区）操作系统引导记录区） 它通常位于硬盘的它通常位于硬盘的0 0磁道磁道1 1柱面柱面1 1扇区扇区，是操作系统可直接访问的第一，是操作系统可直

40、接访问的第一个扇区，它包括一个引导程序和一个被称为个扇区，它包括一个引导程序和一个被称为BPBBPB（BIOS Parameter BIOS Parameter BlockBlock）的本分区参数记录表。）的本分区参数记录表。 FATFAT（File Allocation Table File Allocation Table 文件分配表）文件分配表） FATFAT是是DOSDOS、Windows 9XWindows 9X系统的文件寻址格式，位于系统的文件寻址格式，位于DBRDBR之后。之后。 DIR DIR （Directory Directory 根目录区）根目录区） DIRDIR位于第二

41、个位于第二个FATFAT表之后，记录着根表之后，记录着根目录下每个文件（目录）的起始单元，文件的属性等。定位文件位置目录下每个文件（目录）的起始单元，文件的属性等。定位文件位置时，操作系统根据时，操作系统根据DIRDIR中的起始单元，结合中的起始单元，结合FATFAT表就可以知道文件在硬表就可以知道文件在硬盘中的具体位置和大小了。盘中的具体位置和大小了。 DATADATA（数据区）（数据区） 数据区是真正意义上的数据存储的地方，位于数据区是真正意义上的数据存储的地方，位于DIRDIR区之后，占据硬盘的区之后，占据硬盘的大部分空间。当将数据复制到硬盘时，数据就存放在大部分空间。当将数据复制到硬盘

42、时，数据就存放在DATADATA区。区。 这这5 5个区域在硬盘逻辑分区上的排列如下个区域在硬盘逻辑分区上的排列如下：MBRMBRDBRDBRFAT1FAT1FAT2FAT2DIRDIRDATADATA计算机组成原理术第4版清华大学出版社MBR(masterMBR(master boot record) boot record)扇区：扇区：计算机在按下计算机在按下powerpower键以后，开始执行主板键以后，开始执行主板biosbios程序。进行完程序。进行完一系列检测和配置以后。开始按一系列检测和配置以后。开始按biosbios中设定的系统引导顺序引导系中设定的系统引导顺序引导系统。假定现

43、在是硬盘。统。假定现在是硬盘。BiosBios执行完自己的程序后如何把执行权交给执行完自己的程序后如何把执行权交给硬盘呢硬盘呢, ,交给硬盘后又执行存储在哪里的程序呢。其实，称为交给硬盘后又执行存储在哪里的程序呢。其实，称为MBRMBR的的一段代码起着举足轻重的作用。一段代码起着举足轻重的作用。 MBRMBR位于整个硬盘的位于整个硬盘的0 0柱面柱面0 0磁头磁头1 1扇区扇区( (可以看作是硬盘的第一个扇区可以看作是硬盘的第一个扇区) )，biosbios在执行自己固有的程序在执行自己固有的程序以后就会以后就会jumpjump到到MBRMBR中的第一条指令。将系统的控制权交由中的第一条指令。

44、将系统的控制权交由MBR来来执行。在总共执行。在总共512byte512byte的主引导记录中，的主引导记录中，MBRMBR的引导程序占了其中的的引导程序占了其中的前前446446个字节个字节( (偏移偏移0H0H偏移偏移1BDH)1BDH)，随后的，随后的6464个字节个字节( (偏移偏移1BEH1BEH偏移偏移1FDH)1FDH)为为DPT(Disk PartitionTableDPT(Disk PartitionTable，硬盘分区表，硬盘分区表) )，最后的两个字，最后的两个字节节“55 AA”(55 AA”(偏移偏移1FEH1FEH偏移偏移1FFH)1FFH)是分区有效结束标志。是分

45、区有效结束标志。 MBRMBR不随操作系统的不同而不同，意即不同的操作系统可能会存在不随操作系统的不同而不同，意即不同的操作系统可能会存在相同的相同的MBRMBR，即使不同，即使不同，MBRMBR也不会夹带操作系统的性质。具有公共也不会夹带操作系统的性质。具有公共引导的特性。引导的特性。计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社 DPT DPT 部分部分: :操作系统为了便于用户对磁盘的管理。加入了操作系统为了便于用户对磁盘的管理。加入了磁盘分区的概念。即将一块磁盘逻辑划分为几块。磁盘磁盘分区的概念。即将一块磁盘逻辑划分为几块。磁盘分区数目的多少只受限于分区数目的

46、多少只受限于 C C Z Z 的英文字母的数目，的英文字母的数目，在上图在上图 DPT DPT 共共 64 64 个字节中如何表示多个分区的属性个字节中如何表示多个分区的属性呢呢 ?microsoft?microsoft 通过链接的方法解决了这个问题。在通过链接的方法解决了这个问题。在 DPT DPT 共共 64 64 个字节中，以个字节中，以 16 16 个字节为分区表项单位描个字节为分区表项单位描述一个分区的属性。也就是说，第一个分区表项描述一述一个分区的属性。也就是说，第一个分区表项描述一个分区的属性，一般为基本分区。第二个分区表项描述个分区的属性，一般为基本分区。第二个分区表项描述除基

47、本分区外的其余空间，一般而言，就是我们所说的除基本分区外的其余空间，一般而言，就是我们所说的扩展分区。扩展分区。计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社虚拟虚拟MBR MBR 通过主引导记录定义的硬盘分区表，最多只能描述通过主引导记录定义的硬盘分区表，最多只能描述4 4个分区，如果想要多个分区，如果想要多于于4 4个分区，就要突破主引导记录中的分区描述方法，这在某些时候也是突破硬个分区，就要突破主引导记录中的分区描述方法，这在某些时候也是突破硬盘容量限制的一种方法。微软为了解决这个问题，采用了一种称做盘容量限制的一种方法。微软为了解决这个问题，采用了一种称做虚拟

48、虚拟MBRMBR的的技技术。术。所谓虚拟所谓虚拟MBRMBR，就是让主，就是让主MBRMBR在定义分区的时候，将多余的容量定义为扩展在定义分区的时候，将多余的容量定义为扩展分区，指定该扩展分区的起止位置，根据起始位置指向的硬盘的某一个扇区，分区，指定该扩展分区的起止位置，根据起始位置指向的硬盘的某一个扇区，作为下一个分区表项，接着在该扇区继续定义分区。如果只有一个分区，就定作为下一个分区表项，接着在该扇区继续定义分区。如果只有一个分区，就定义该分区，然后结束；如果不止一个分区，就定义一个基本分区和一个扩展分义该分区，然后结束；如果不止一个分区，就定义一个基本分区和一个扩展分区，扩展分区再指向下

49、一个分区描述扇区，在该扇区按上述原则继续定义分区，区，扩展分区再指向下一个分区描述扇区，在该扇区按上述原则继续定义分区，直至分区定义结束。这些用以描述分区的扇区形成一个直至分区定义结束。这些用以描述分区的扇区形成一个“分区链分区链”，通过这个，通过这个分区链，就可以描述所有的分区。为什么把它称为虚拟分区链，就可以描述所有的分区。为什么把它称为虚拟MBRMBR呢？因为定义分区的呢？因为定义分区的这些扇区，其对分区的描述方式与这些扇区，其对分区的描述方式与MBRMBR一样（但只能有一个基本分区和一个扩展一样（但只能有一个基本分区和一个扩展分区或只有一个基本分区），但又没有引导和错误提示信息等部分，

50、所以称为分区或只有一个基本分区），但又没有引导和错误提示信息等部分，所以称为虚拟虚拟MBRMBR。系统在启动时按照分区链的链接顺序查找分区，直至找出所有分区。系统在启动时按照分区链的链接顺序查找分区，直至找出所有分区。这个链显然是个开链结构，如果形成一个环，系统本身并不会去判断它，它只这个链显然是个开链结构，如果形成一个环，系统本身并不会去判断它，它只是按照这个链忠实地寻找分区，而不进行任何额外的检测与处理。所谓硬盘是按照这个链忠实地寻找分区，而不进行任何额外的检测与处理。所谓硬盘“逻辑锁逻辑锁”，就是让分区链形成一个环，这样系统在启动时就在分区表内循环，就是让分区链形成一个环，这样系统在启动

51、时就在分区表内循环，表现为系统无法引导，就是用软盘启动，也不能进入硬盘。明白了其结构原理，表现为系统无法引导，就是用软盘启动，也不能进入硬盘。明白了其结构原理，解决这个问题就很简单了。目前有多种方法解决这个问题，系统就是用这种方解决这个问题就很简单了。目前有多种方法解决这个问题，系统就是用这种方法来使一个物理硬盘通过分区后看起来像是有多个硬盘。系统能够找到法来使一个物理硬盘通过分区后看起来像是有多个硬盘。系统能够找到C C以外的以外的其他逻辑盘的惟一办法就是，沿着虚拟其他逻辑盘的惟一办法就是，沿着虚拟MBRMBR分区表项所描述的分区链查找分区。分区表项所描述的分区链查找分区。计算机组成原理术第

52、4版清华大学出版社DBRDBR区区 DBRDBR（DOS Boot RecordDOS Boot Record），操作系统引导记录区。通常位于硬），操作系统引导记录区。通常位于硬盘盘0 0柱柱1 1面面1 1扇区，是操作系统可以直接访问的第一个扇区。它包括一扇区，是操作系统可以直接访问的第一个扇区。它包括一个个引导程序和一个被称为引导程序和一个被称为BPBBPB（BIOS Parameter BlockBIOS Parameter Block）的本分区参）的本分区参数记录表。数记录表。引导程序的主要任务是，当引导程序的主要任务是，当MBRMBR将系统控制权交给它时，将系统控制权交给它时，判断本

53、分区根目录前两个文件是不是操作系统的引导文件判断本分区根目录前两个文件是不是操作系统的引导文件。以。以DOSDOS为为例，即是例，即是IO.SYSIO.SYS和和MSDOS.SYSMSDOS.SYS。低版本的。低版本的DOSDOS要求这两个文件必须是要求这两个文件必须是前两个文件，即位于根目录的起始处，占用最初的两个目录项，高版前两个文件，即位于根目录的起始处，占用最初的两个目录项，高版本的已没有这个限制。另外，本的已没有这个限制。另外，WindowsWindows与与DOSDOS是一个家族，所以，是一个家族，所以，WindowsWindows也沿用这种管理方式，只是文件名不一样。如果确定存在

54、，也沿用这种管理方式，只是文件名不一样。如果确定存在，就把就把IO.SYSIO.SYS读入内存，并把控制权交给读入内存，并把控制权交给IO.SYSIO.SYS。BPBBPB参数块记录着本参数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、硬盘介质描述符、根目分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、硬盘介质描述符、根目录大小和录大小和FATFAT个数，分配单元的大小等重要参数。个数，分配单元的大小等重要参数。 计算机组成原理术第4版清华大学出版社FATFAT区区 在在DBRDBR之后就是之后就是FATFAT（File Allocation TableFile Allocation Table，

55、文件分配表，文件分配表）区。同一个）区。同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，往往会分成若干文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，往往会分成若干段，像一条链子一样存放。这种存储方式称为文件的链式存储。硬盘上的文件段，像一条链子一样存放。这种存储方式称为文件的链式存储。硬盘上的文件常常要进行创建、删除、增长和缩短等操作。这样的操作做得越多，盘上的文常常要进行创建、删除、增长和缩短等操作。这样的操作做得越多，盘上的文件就可能被分得越零碎（每段至少是件就可能被分得越零碎（每段至少是1 1簇）。但是，由于硬盘上保存着段与段之簇）。但是，由于硬盘上保存着段与段之间的

56、连接信息（即间的连接信息（即FATFAT），操作系统在读取文件时，总是能够准确地找到各段的），操作系统在读取文件时，总是能够准确地找到各段的位置并正确读出。不过，这种以簇为单位的存储法也是有其缺陷的。这主要表位置并正确读出。不过，这种以簇为单位的存储法也是有其缺陷的。这主要表现在对空间的利用上。每个文件的最后一簇都可能有未被完全利用的空间（称现在对空间的利用上。每个文件的最后一簇都可能有未被完全利用的空间（称为尾簇空间）。一般来说，当文件个数比较多时，平均每个文件要浪费半个簇为尾簇空间）。一般来说，当文件个数比较多时，平均每个文件要浪费半个簇的空间。的空间。为实现文件的链式存储，硬盘上必须准确

57、地记录哪些簇已经被文件占为实现文件的链式存储，硬盘上必须准确地记录哪些簇已经被文件占用，还必须为每个已经占用的簇指明存储后继内容的下一个簇的簇号，对一个用，还必须为每个已经占用的簇指明存储后继内容的下一个簇的簇号，对一个文件的最后一簇，则要指明本簇无后继簇，这些都由文件的最后一簇，则要指明本簇无后继簇，这些都由FATFAT表来保存。表中有很多表来保存。表中有很多表项，每项记录一个簇的信息。由于表项，每项记录一个簇的信息。由于FATFAT对于文件管理的重要性，所以，对于文件管理的重要性，所以，FATFAT有有一个备份，即在原一个备份，即在原FATFAT的后面再建一个同样的的后面再建一个同样的FA

58、TFAT。计算机组成原理术第4版清华大学出版社1 1FAT12:FAT12:一种非常一种非常“古老古老”的磁盘分区方式的磁盘分区方式2 2FAT16:FAT16:是指文件分配表使用两个字节即是指文件分配表使用两个字节即1616位表示一个簇。由于位表示一个簇。由于1616位分位分配表最多能管理配表最多能管理65 53665 536（即（即2 2的的1616次方）个簇，而每个簇的存储空间最大次方）个簇，而每个簇的存储空间最大只有只有32KB32KB，所以，在使用，所以，在使用FAT16FAT16管理硬盘时，每个分区的最大存储容量就管理硬盘时，每个分区的最大存储容量就只有只有655366553632

59、 KB=2048 MB32 KB=2048 MB，也就是常说的，也就是常说的2GB2GB。现在的硬盘容量越来越。现在的硬盘容量越来越大，由于大，由于FAT16FAT16对硬盘分区的容量限制，所以，当硬盘容量超过对硬盘分区的容量限制，所以，当硬盘容量超过2GB2GB之后，之后，用户只能将硬盘划分成多个用户只能将硬盘划分成多个2GB2GB的分区后才能正常使用。的分区后才能正常使用。 FAT16FAT16缺点，磁缺点，磁盘利用效率较低盘利用效率较低在在DOSDOS及及WindowsWindows系统中，磁盘文件的分配是以簇为单系统中，磁盘文件的分配是以簇为单位的，一个簇只能分配给一个文件使用（即使该

60、簇的容量有位的，一个簇只能分配给一个文件使用（即使该簇的容量有32KB32KB，而某个，而某个文件仅仅占用了其中的一个字节也不例外），这就不可避免的导致磁盘空文件仅仅占用了其中的一个字节也不例外），这就不可避免的导致磁盘空间的浪费间的浪费 。 计算机组成原理术第4版清华大学出版社3 3FAT32 FAT32 ： 即使用即使用3232位表示一个簇的文件分配表来管理硬盘文件，位表示一个簇的文件分配表来管理硬盘文件，这样系统就能为文件分配多达这样系统就能为文件分配多达4 294 967 2964 294 967 296（即（即2 2的的3232次方）个簇，次方）个簇，所以，在簇同样为所以，在簇同样为