计算机组成原理：7-2 外部设备

复习思考题18设某计算机采用5级指令流水线，若每级执行时间是△t，则此流水线理想状态下的吞吐率TP=1/△t。连续执行10条指令，至少需时间=14△t。RISC普遍采用微程序控制器产生微命令。硬连线（错）重叠控制并不能加快一条指令的实现，但能加快相邻两条指令以至一段程序的执行。（对）计算机的外部设备是指除主机外围绕着主机设置的各种硬件装置。第7章外部设备7.1外部设备概述7.2磁介质存储器的性能和原理7.3磁介质存储设备7.5光盘存储器7.6新型辅助存储器7.7键盘输入设备7.8其他输入设备7.9打印输出设备7.10显示设备7.2.3数字磁记录方式数字磁记录方式是一种编码方式，它按照某种规律将一连串的二进制数字信息变换成记录介质上相应磁化翻转形式。直接记录方式（用于记录密度较低时）归零制（RZ）记录“1”时，磁头线圈中通以正向脉冲电流；记录“0”时，通以反向脉冲电流。由于脉冲电流均要回到零，故称为归零制。数据序列000011111RZT0直接记录方式不归零制（NRZ）记录“1”时，磁头线圈以中通正向电流；记录“0”时，通以反向电流。磁头中电流不回到零。又称为“见变就翻”的不归零制。不归零－1制（NRZ-1）记录“1”时，磁头线圈中写电流改变方向；记录“0”时，写电流方向维持不变，称为见“1”就翻的不归零制。数据序列000011111RZNRZNRZ-1T0按位编码记录方式调相制（PE）——相位编码方式记录“1”时，写电流在位周期中间由负变正；记录“0”时，写电流在位周期中间由正变负。当连续出现两个或两个以上“1”或“0”时，为了维持上述原则，在位周期的边界上也要翻转一次。这种记录方式常用于磁带机中。数据序列000011111T0PE按位编码记录方式调频制（FM）记录“1”时，写电流在位周期中间和边界各改变一次方向；记录“0”时，写电流仅在位周期边界改变一次方向。因此，记录“1”的磁化翻转频率为记录“0”时的两倍，故又称倍频制。T0数据序列000011111FM按位编码记录方式改进的调频制（MFM）——延迟调制码或密勒码记录“1”时，写电流在位周期中间改变方向；记录独立的一个“0”，写电流不改变方向；记录连续的两个“0”，写电流在位周期边界改变方向。T0数据序列000011111MFM按位编码记录方式改进的改进型调频制（M2FM）记录“1”时，写电流在位周期中间改变方向；记录独立的一个“0”，写电流不改变方向；记录连续的两个“0”，写电流在位周期边界处改变方向，产生磁化翻转；记录连续两个以上的“0”，写电流在前两个“0”的位周期边界处改变方向，以后每隔两个“0”的位周期边界处，写电流再改变一次方向，产生翻转。T0数据序列000011111MFMM2FM7.3.1硬盘存储器分类按磁盘、磁头是否密封为一个整体分类固定盘存储器磁盘不能从驱动器中取出，更换时要把整个“头盘组合体”一起更换。这种结构的磁盘存储器称为温彻斯特磁盘。可换盘存储器

磁盘不用时可以从驱动器取出脱机保存(移动硬盘)便于扩大存储容量，但记录密度受限制按磁头工作方式分类

移动头硬盘存储器磁头径向移动，磁头在工作时与盘面不接触典型结构为温彻斯特磁盘。固定头磁盘存储器磁头位置固定，一个磁头/磁道，盘片不可更换。存取速度快7.3.2硬盘存储器的基本结构马达磁头及定位系统控制电路刚性磁片如果磁头碰到了高速旋转的磁片，会破坏表面的涂层和存在那里的数据，磁头也会损坏，所以在硬盘通电的情况下，千万不要移动主机。磁道记录面

硬盘存储器温彻斯特磁盘（简称温盘）（WinchesterDisk）是一种可移动磁头固定盘片的磁盘存储器它是目前应用最广、最有代表性的硬磁盘存储器。温彻斯特技术是磁盘向高密度、高容量发展的产物温盘的主要特点是一种密封组合式的硬磁盘，将磁头、盘片、电机等驱动部件甚至R/W电路等制成一个不可随意拆卸的整体——“头盘组合体”。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——防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高7.3.3硬盘的信息分布和磁盘地址磁道(Track)扇区(Sector)柱面(Cylinder)多个盘片上具有相同编号的磁道，它的数目和磁道是相同的。磁头(Head)柱面磁道扇区

磁头号

磁道号

扇区号磁盘地址格式（盘片号）柱面号7.3.4硬盘的技术参数记录密度道密度——

沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数单位为道/英寸（TPI——TrackPerInch）位密度——

磁道单位长度上能记录的二进制代码位数单位为位/英寸（BPI——BitPerInch）。

硬盘的主要性能指标硬盘容量未格式化硬盘容量的计算容量=记录面数×柱面数×内圆周长×位密度柱面数=磁盘有效记录区宽度×道密度一条磁道的容量=内圆周长×位密度设某硬盘有10个盘面,有效记录宽度为5cm，内圆周长为80cm，道密度为20道/cm，内层位密度100b/cm柱面数=5cm×20道/cm=100道，即100个柱面每道信息量=100b/cm×80cm=8000b=1000B

每面信息量=1000B×100=100000B≈100KB

盘组总容量=100KB×10=1000KB≈1MB

硬盘的主要性能指标硬盘容量已格式化硬盘容量的计算容量=柱面数×扇区数×每扇区字节数×磁头数

设某硬盘有8000个柱面、63个扇区、512B/扇区、16个磁头。

容量=8000×63×512B×16≈70GB

硬盘的主要性能指标硬盘转速单位时间内硬盘所转的圈数。单位：转/分钟（RPM）评价：RPM越大，内部传输率就越快、访问时间越短、硬盘整体性能越好磁盘的转速——一般为3600转/分钟~15000转/分钟即3600RPM~15000RPM

硬盘的主要性能指标平均存取时间平均寻道时间ts——磁头定位在目的磁道的时间平均等待时间tw——目的扇区旋转到磁头下方的时间tw=磁盘转半圈的时间（与磁盘转速有关）平均存取时间=平均寻道时间ts+平均等待时间tw

硬盘的主要性能指标数据传输率磁盘完成寻址操作后，单位时间内与主机交换数据的信息容量数据传输率=一个磁道的容量×磁盘转速单位：位/秒(b/s)或字节/秒(B/s)设某硬盘有8000个柱面、63个扇区、512B/扇区、16个磁头，转速为2400RPM。则数据传输率=63×512B×2400RPM=1260KB/s硬盘的数据传输率分为内部数据传输率主要依赖于硬盘的旋转速度，因硬盘品牌及型号而有较大差异。外部数据传输率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缓存大小有关。

硬盘的主要性能指标硬盘缓冲存储器设置缓存的目的解决硬盘内部与接口数据之间速度不匹配的问题，可以提高硬盘的R/W速度目前，硬盘缓存为16MB~64MB硬盘的接口标准是硬盘与主机系统间的连接部件不同硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行快慢和系统性能好坏。硬盘接口分为IDE接口

——硬盘多用于家用产品中SCSI接口——硬盘则主要应用于服务器市场SATA接口——在家用市场中有着广泛的前景。磁盘存储器的读取技术现状巨磁电阻效应一个微弱的磁场变化可以在巨磁电阻系统中产生很大的电阻变化1988年，法国和德国科学家因先后独立发现了“巨磁电阻”效应共同获得2007年诺贝尔物理学奖它可归功于1970年发展的新技术——制造超薄物料的技术1997年首个应用巨磁电阻效应的读取头研制成功这项技术同时被认为是“前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用之一”应用产物小型大容量硬盘MP3音乐播放器笔记本电脑等。

磁盘参数的计算例：设有一个盘面直径为18in的磁盘组，有20个记录面，每面有5in的区域用于记录信息，记录密度为100道/in(TPI)和1000b/in(bpi)，转速为2400RPM，道间移动时间为0.2ms，试计算该盘组的容量、数据传送率和平均存取时间。解：

每一记录面的磁道数N为

N＝5in/面×100道/in＝500道/面

最内圈磁道的周长为L=×(18-2×5)in=25.12in

以最内圈磁道的周长当作每条磁道的长度，故该盘组的存储容量（非格式化容量）为

C=1000b/in×25.12in/道×500道/面×20面

=251.2×106b=31.4×106B

≈31.4MB

磁盘参数的计算(续)例：设有一个盘面直径为18in的磁盘组，有20个记录面，每面有5in的区域用于记录信息，记录密度为100道/in(TPI)和1000b/in(bpi)，转速为2400RPM，道间移动时间为0.2ms，试计算该盘组的容量、数据传送率和平均存取时间。磁盘旋转一圈的时间为

t=1/2400(r/min)×60s/min=0.025s=25ms数据传送率为

Dr=每一道的容量/旋转一圈的时间

=25120/25=1004.8b/ms=1.0048×106b/s=0.1256×106B/s=0.1256MB/s平均存取时间为

Ta≈[(0+0.2*499)/2+(0+25)/2]ms≈60ms传统硬盘驱动器各磁道的扇区数相同，存储的信息量相同这意味着在磁盘上位密度是变化的。内圈磁道的位密度高，外圈磁道的位密度低，最内圈磁道的位密度（最大位密度）决定了磁盘驱动器的容量。因各磁道记录的信息量及转速是相同的，所以它们的数据传送率也是相同的。由于外圈磁道比内圈磁道更长一些，但存储的信息量却相同，所以外圈磁道上明显地存在着浪费。7.3.5硬盘的分区域记录7.3.5硬盘的分区域记录分区