计算机组成原理44

1、4.4 辅助存储器 辅助存储器的特点: 容量大容量大 成本低成本低 在断电后能保存信息在断电后能保存信息( (其中大部分存储介质还能脱机保存信息其中大部分存储介质还能脱机保存信息) 辅助存储器主要有: 磁表面存储器磁表面存储器 光光盘存储器盘存储器 4.4.1 磁表面存储器l计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储，是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑面存储，是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。磁盘存储器、磁带存料表面作载磁体来存储信息。磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。储器均属于磁表面存储器。l特点：特点

2、：l存储密度高，记录容量大，每位价格低；存储密度高，记录容量大，每位价格低；l记录介质可以重复使用；记录介质可以重复使用；l记录信息可长时间保存而不致丢失；记录信息可长时间保存而不致丢失；l非破坏性读出，读出时不需再生信息；非破坏性读出，读出时不需再生信息；l存取速度较低，机械结构复杂，对工作环境要求较严。存取速度较低，机械结构复杂，对工作环境要求较严。l对磁盘的直观认识磁盘存储设备l磁表面记录设备，是在磁头和磁性材料的记录磁表面记录设备，是在磁头和磁性材料的记录介质之间有相对运动时，通过一次电磁转换完介质之间有相对运动时，通过一次电磁转换完成一次读写操作。成一次读写操作。l磁头：通常由软磁材

3、料（外界磁场的作用消失磁头：通常由软磁材料（外界磁场的作用消失后，该磁性材料的磁性容易消失）做成。后，该磁性材料的磁性容易消失）做成。l磁记录介质：在刚性或柔性载体上涂有薄磁材磁记录介质：在刚性或柔性载体上涂有薄磁材料的物体，记录以磁状态表示的信息。一般选料的物体，记录以磁状态表示的信息。一般选用硬磁材料（外界磁场的作用消失后，该磁性用硬磁材料（外界磁场的作用消失后，该磁性材料的磁性尽量多的保留）。材料的磁性尽量多的保留）。1 1 磁记录原理磁记录原理 磁磁表面存储器的读写原理表面存储器的读写原理 g局部磁化工作间隙 v写入线圈Iw磁力线局部磁化单元 v后间隙 e读出线圈（ ）写入a （ ）读

4、出b 图 读写原理650 l通过磁头对磁层写入/读出。l磁层上被磁化的小区域，称为磁化单元。l写入信息时，写“1”和写“0”时分别在读写线圈中通以不同方向的电流，如图6-50(a)所示。读出信息时，在读/写线圈中感应出不同方向的电势，分别记为“1”和“0”。如图6-50(b)所示。2 硬磁盘存储器硬磁盘存储器l硬硬磁盘存储器的分类：磁盘存储器的分类：l固定磁头固定盘片的磁盘存储器固定磁头固定盘片的磁盘存储器l固定磁头可换盘片的磁盘存储器固定磁头可换盘片的磁盘存储器l可移动磁盘固定盘片的磁盘存储器可移动磁盘固定盘片的磁盘存储器l可移动磁头可换盘片的磁盘存储器可移动磁头可换盘片的磁盘存储器l温彻斯

5、特磁盘存储器温彻斯特磁盘简称温盘，是一种温彻斯特磁盘存储器温彻斯特磁盘简称温盘，是一种采用先进技术研制的可移动磁头固定盘片的磁盘机。采用先进技术研制的可移动磁头固定盘片的磁盘机。它是一种密封组合式的硬磁盘，即磁头、盘片、电机它是一种密封组合式的硬磁盘，即磁头、盘片、电机等驱动部件乃至读写电路等组装成一个不可随意拆卸等驱动部件乃至读写电路等组装成一个不可随意拆卸的整体。工作时，高速旋转在盘面上形成的气垫将磁的整体。工作时，高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头平稳浮起。优点是防尘性能好，可靠性高，对使用头平稳浮起。优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。环境要求不高。 硬盘存储器的基本结构l1

6、 硬盘驱动器磁盘驱动器是一种精密的电子和机械装置，因此各部件的加工安装有严格的技术要求。对温盘驱动器，还要求在超净环境下组装。各类磁盘驱动器的具体结构虽然有差别，但基本结构相同，主要由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统组成。磁盘驱动器结构示意图磁头磁头磁磁盘盘组组主轴主轴通风机通风机取数臂取数臂定位驱动器定位驱动器速度速度传感器传感器小车小车主电机主电机传动皮带传动皮带滤尘器滤尘器密封罩密封罩(2) (2) 硬盘控制器硬盘控制器磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口，由于磁盘存储器是高速外存设备，故与主机之间采用成批交换数据方式。作为主机与驱动器之间的控制器，它需要有两个方面的接口：一个是与

7、主机的接口，控制外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。完整的硬盘控制逻辑，如图所示。 硬盘存储器的信息分布硬盘存储器的信息分布（ ）c n道图 硬盘信息分布示意图656 0道（ ）b记录面主轴磁头（ ）a滑架扇区0 n硬盘中信息分布呈以下层次：记录面、“磁道、圆柱面”、扇区。磁道的编址是从外向内依次编磁道的编址是从外向内依次编号。最里面的一个同心圆叫号。最里面的一个同心圆叫n磁道，该磁道并不用来记录信磁道，该磁道并不用来记录信息。息。扇区可连续（交叉因子扇区可连续（交叉因子=1）或不连续编号。因为读一个扇或不连续编

8、号。因为读一个扇区需一定时间，当读完区需一定时间，当读完1号扇区号扇区并处理完后，磁头已经滑过并处理完后，磁头已经滑过2号号扇区，需等盘片转一圈才能找扇区，需等盘片转一圈才能找到到2号扇区，降低传输速率。所号扇区，降低传输速率。所以可采用不连续编号。以可采用不连续编号。（ ）c n道图 硬盘信息分布示意图656 0道（ ）b记录面主轴磁头（ ）a滑架扇区0 n 每条磁道以扇区为界分成若干个记录(或扇段) 每个记录中信息的数量相同，记录是磁盘地址的最小单位。 只要知道记录面号、磁道号、扇区号，就可以定位记录。硬盘的地址格式硬盘的地址格式驱动器号 磁道号(圆柱面号) 记录面号扇区号 请注意磁道号(

9、圆柱面号)与记录面号的顺序。 如果有一个较大的文件，在某磁道、某记录面的所有扇区内存储不下时，应先改变记录面号(即换成与该磁道号对应的另一记录面存放)，这样可避免磁头的机械运动给存取速度带来影响。 只有当该磁道号(圆柱面号)对应的所有记录面都存不下时，才改变磁道号(圆柱面号)。3 磁盘存储器的主要性能指标 l记录密度：记录密度： 单位长度或单位面积所存储的二进制信单位长度或单位面积所存储的二进制信息量。息量。l磁盘的记录密度：磁盘的记录密度：(a)道密度：指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道道密度：指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数数(b)位密度：指沿磁道的单位长度上记录的二进制位密度：指沿磁道的

10、单位长度上记录的二进制信息位数信息位数 (c) 面密度：以上两个乘积。面密度：以上两个乘积。 在磁盘各磁道上所记录的信息量是相同的，而在磁盘各磁道上所记录的信息量是相同的，而位密度不同，一般泛指磁盘位密度时，是指内圈磁位密度不同，一般泛指磁盘位密度时，是指内圈磁道上的位密度。道上的位密度。存储容量：l指以字节为单位存储器所能存储的二进制信指以字节为单位存储器所能存储的二进制信息总量。一般以位或以字节为单位。息总量。一般以位或以字节为单位。 Cnksl 磁盘存储器有格式化容量和非格式化容量两磁盘存储器有格式化容量和非格式化容量两个指标：个指标：l格式化容量：指按照特定的记录格式存储格式化容量：指

11、按照特定的记录格式存储信息的总量。信息的总量。l非格式化容量：磁记录表面可以利用的磁非格式化容量：磁记录表面可以利用的磁化单元总数。化单元总数。l一般格式化容量是非格式化容量的一般格式化容量是非格式化容量的60%70%。l平均寻址时间：对磁盘存储器，平均寻址时间平均寻址时间：对磁盘存储器，平均寻址时间=平平均寻道时间均寻道时间+平均等待时间平均等待时间平均等待时间与磁盘转速有关，可用磁盘旋转一平均等待时间与磁盘转速有关，可用磁盘旋转一周所需要时间的一半来表示平均等待时间。周所需要时间的一半来表示平均等待时间。例：磁盘的转速为例：磁盘的转速为3600r/min，则则平均等待时间平均等待时间=0.

12、560/3600=8.3ms。l读写周期：读出读写周期：读出/写入一个字的时间称为读写时间，写入一个字的时间称为读写时间，两次读出两次读出/写入操作之间的时间间隔称为读写周期写入操作之间的时间间隔称为读写周期或存取周期或存取周期l数据传输率：单位时间内向主机传送数据的位数或字节数据传输率：单位时间内向主机传送数据的位数或字节数。数。l对磁盘存储器，单磁头串行读对磁盘存储器，单磁头串行读/写半径写半径R0已知，数据已知，数据传输率计算如下：传输率计算如下：每道信息量每道信息量=位密度位密度 2 R0，（，（R0为内半径）为内半径）数据传输率数据传输率(bps)= 每道信息量每道信息量 转速转速r

13、，（，（r是每秒转速）是每秒转速） =位密度位密度 2 R0 转速转速 例：例：某盘组共某盘组共9块盘片，有块盘片，有16个盘面来记录数据，每面个盘面来记录数据，每面分分256个磁道，每道有个磁道，每道有16个扇区，每个扇区存储个扇区，每个扇区存储512个个字节，字节，假设磁盘旋转速度为每分钟假设磁盘旋转速度为每分钟3600转，求数据传转，求数据传输率。输率。解：每秒钟的的转速解：每秒钟的的转速=3600/60=60转；转；数据传输率数据传输率=每一磁道容量每一磁道容量每秒钟转速每秒钟转速 =1651260 =480KB/Sl误码率：是衡量出错概率的参数，等于出错位误码率：是衡量出错概率的参数

14、，等于出错位数与读写总信息位数之比。数与读写总信息位数之比。l价格：通常用位价格来比较各种外存储器。位价格：通常用位价格来比较各种外存储器。位价格是用设备价格除以存储器二进制位总容量。价格是用设备价格除以存储器二进制位总容量。l一个常识：一个常识：每面信息量每面信息量=每道信息量每道信息量 柱面数柱面数 =每道信息量每道信息量 道密度道密度 （外半径（外半径-内半径）内半径）总容量总容量=每面信息量每面信息量 面数面数例题：l1.磁盘组有磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用，存储区域内径两个面不用，存储区域内径22cm，外径外径33cm，道密

15、道密度为度为40道道/cm，内层位密度内层位密度400位位/cm，转速转速2400转转/分。问：分。问：1.共有多少个柱面？共有多少个柱面？2.盘组总存储容量是多少？盘组总存储容量是多少？3.数据传输率是多少？数据传输率是多少？4.采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么？寻址命令中如何表示磁盘地址？么？寻址命令中如何表示磁盘地址？5.如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上？同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上？解：解： 有效存储区域有效存储区域=

16、16.5-11=5.5(cm) 道密度道密度=40道道/cm 40*5.5=220道道 即即220个柱面个柱面.2.内层磁道周长内层磁道周长= =2*3.14*11=69.08(cm) 每道信息量每道信息量=400位位/cm*69.08=27632=3454位位 每面信息量每面信息量=3454B*220=759880B 盘组总容量盘组总容量=759880*10=7598800B3.磁盘数据传输磁盘数据传输率率Dr=rN=2400/60*3454=13816B/sR2台号 柱面(磁道)号 盘面(磁头)号 扇区号16 15 14 8 7 4 3 0 问：(1) 磁盘存储器的容量是多少？(2) 最高

17、位密度与最低位密度是多少？(3) 硬盘数据传输率是多少？(4) 平均等待时间是多少？(5) 给出一个硬盘地址格式方案。解：(1) 每道记录信息容量=12,288字节 每个记录面信息容量=27512,288字节 共有4个记录面， 硬盘存储器总容量=427512,288字节=13,516,800字节 (2) 最高位密度D1按最小磁道半径R1计算(R1=115mm)： D1=12,288字节/2R117字节/mm 最低位密度D2按最大磁道半径R2计算： R2=R1+(2755)=115+55=170mm D2=12,288字节/2R211.5字节/mm2.2.某硬盘存储器转速为某硬盘存储器转速为30

18、003000r/minr/min，共有共有4 4个记录面，每个记录面上共有个记录面，每个记录面上共有275275条磁道，每条磁道，每mmmm为为5 5道，每道记录信息为道，每道记录信息为12,28812,288字节，最小磁道直径为字节，最小磁道直径为230230mmmm。(3) 硬盘传输率Dr=rNr=3000/60=50转/秒N=12,288字节(每道信息容量)Dr=rN=5012,288字节=614,400字节/秒(4) 平均等待时间=1/2r=1/(250)=10ms(5) 假定只有一台硬盘驱动器，所以不考虑驱动器号地址。有4个记录面，每个记录面有275条磁道。假定每个扇区记录1024个

19、字节，则需要12,288字节1024字节=12个扇区。由此可得如下地址格式：14 6 5 4 3 0柱面(磁道)号记录面号扇区号磁带存储设备l磁带机的记录原理与磁盘机基本相同，只是它的载磁体是一种带状塑料，叫做磁带。写入时可通过磁头把信息代码记录在磁带上。当记录有代码的磁带在磁头下移动时，就可在磁头线圈上感应出电动势，即读出信息代码。磁带存储设备由磁带机和磁带两部分组成，它通常用作为海量存储设备的数据备份。l磁带速度比磁盘速度慢，原因是磁带上的数据采用顺序访问方式，而磁盘则采用随机访问方式。4.4.2光盘存储器l光盘存储器光盘存储器 只读型光盘系统都基于一个共同原理，即光盘上只读型光盘系统都基

20、于一个共同原理，即光盘上的信息以坑点形式分布，有坑点表示为的信息以坑点形式分布，有坑点表示为“1”，无坑点表，无坑点表示为示为“0”，一系列的坑点，一系列的坑点(存储元存储元)形成信息记录道，见形成信息记录道，见图（图（b）。对数据存储用的）。对数据存储用的CDROM光盘来讲，这种坑光盘来讲，这种坑点分布作为数字点分布作为数字“1”、“0”代码的写入或读出标志。为代码的写入或读出标志。为此必须采用激光作为光源，并采用良好的光学系统才能此必须采用激光作为光源，并采用良好的光学系统才能实现。实现。l光盘的记录信息以凹坑方式永久性存储。读出时，当激光盘的记录信息以凹坑方式永久性存储。读出时，当激光束

21、聚焦点照射在凹坑上时将发生衍射，反射率低；而光束聚焦点照射在凹坑上时将发生衍射，反射率低；而聚焦点照射在凸面上时大部分光将返回。根据反射光的聚焦点照射在凸面上时大部分光将返回。根据反射光的光强变化并进行光电转换，即可读出记录信息。光强变化并进行光电转换，即可读出记录信息。光盘存储器l信息记录的轨迹称为光道。光道上划分出一个个扇区，它是光盘的最小可寻址单位。扇区的结构如图所示。 光盘扇区分为四个区域。光盘扇区分为四个区域。2个全零字节和个全零字节和10个全个全1字节组成同步区，标志着扇区的字节组成同步区，标志着扇区的开始。开始。4字节的扇区标识区用于说明扇区字节的扇区标识区用于说明扇区的地址和工作模式。光盘的扇区地址编码的地址和工作模式。光盘的扇区地址编码不同于磁盘，它是以分（不同于磁盘，它是以分（MN）、秒（）、秒（SC）和分秒数（和分秒数（FR，1/75s）时间值作为地址。）时间值作为地址。由于光盘的恒定线速度是每秒钟读出由于光盘的恒定线速度是每秒钟读出75个个扇区