第八章 辅助存储器.ppt

1、计算机组成原理 课程组,计算机组成与结构 本科生课程教学,Bookmark,计算机组成与结构,本课程主要讲授计算机系统的硬件和软件构成方法，包括硬件系统中运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备和总线系统的构成原理等；并与当代先进的计算机技术相结合。是计算机科学与技术本科专业核心课程。 本课程着重计算机系统组成与结构方面的教学和研究。 计算机结构定义为系统程序员所能见到的计算机硬件特性； 计算机组成是指计算机硬件的具体实现。,第八章 辅助存储器,辅助存储器的种类与技术指标 磁记录原理与记录方式 硬盘存储器 磁带存储器 光盘存储器,8.1 辅助存储器的种类与技术指标,一、辅助存储器的种类 当前

2、市场上流行的辅助存储器主要有磁表面存储器和光存储器两大类。 磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片(或带)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。 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：数字式磁记录主要有硬盘、软盘和磁带。,8.1 辅助存储器的种类与技术指标,光盘（Optical Disk）是利用光学原理读写信息的存储器。 典型特点是：容量大、速度快、密度高、介质寿命长、不易受干扰、能够进行非接触读写和高速随机存取。,8.1 辅助存储器的种类与技术指标,只读式光盘 只读式光盘（Read Only）：盘片由厂家预先写入数据或程序

3、，出厂后用户只能读取，不能写入和修改。 只写一次光盘 只写一次光盘（Write Once Only）：可以由用户写入信息，不过只能写一次，写入后不能修改，可以多次读出，相当于PROM。在盘片上留有空白区，可以把要修改和重写的的数据追记在空白区内。 可檫写式光盘 可檫写式光盘（Rewriteable）：利用磁光效应存取信息，采用特殊的磁性薄膜作记录介质，用激光束来记录、再现和删除信息，又称为磁光盘，类似于磁盘，可以重复读写。,8.1 辅助存储器的种类与技术指标,二、辅助存储器的技术指标 辅助存储器的主要技术指标是存储密度、存储容量、寻址时间等。 1、存储密度 存储密度是指单位长度或单位面积磁层表

4、面所存储的二进制信息量。对于磁盘存储器，用道密度和位密度表示，也可以用两者的乘积面密度表示，对于磁带存储器，则主要用位密度表示。 磁道指的是存储在介质表面上的信息的磁化轨迹，磁盘与磁带的磁化轨迹是不同的。,8.1 辅助存储器的种类与技术指标,对于磁盘存储器，因为磁盘旋转，而磁头可处在不同的半径上，所以磁道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个圆柱面，称为柱面。沿磁盘半径方向单位长度的磁道数称为道密度。道密度的单位是道英寸(track per inch，简称TPI)或道毫米TPM。 磁道具有一定的宽度，叫道宽。它取决于磁头的工作间隙长度及磁头定位精度等

5、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道距。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度。单位是位英寸bpi(bits per inch)或位毫米bpm。 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800bpi、1600bpi和6250bpi等多种。,8.1 辅助存储器的种类与技术指标,2、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。一般用字节为单位。 磁盘存储器有格式化容量和非格式化容量两个指标。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，也就是用户真正可以使用的容量

6、。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6070。,8.1 辅助存储器的种类与技术指标,3、寻址时间 磁盘存储器采取直接存取方式，寻址时间包括两部分：一是磁头寻找目标磁道所需的找道时间ts；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的等待时间tw。 由于寻找相邻磁道和从最外面磁道找到最里面磁道所需的时间不同，磁头等待不同区段所花的时间也不同，因此，取它们的平均值，称作平均寻址时间Ta，它由平均找道时间tsa和平均等待时间twa组成：,8.1 辅助存储器的种

7、类与技术指标,平均寻址时间是磁盘存储器的一个重要指标。硬磁盘存储器比软磁盘存储器的平均寻址时间短。 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，实际上磁头不动，磁带移动，所以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。,8.1 辅助存储器的种类与技术指标,4、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或字节数，叫数据传输率Dr。 为确保主机与磁表面存储器之间传输信息不丢失，传输率与存储设备和主机接口逻辑两者有关。从设备方面考虑传输率等于记录密度D和记录介质的运动速度V的乘积。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度接收发送信息，

8、以便主机与辅存之间的传输正确无误。,8.1 辅助存储器的种类与技术指标,5、误码率 误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数。它等于从辅存读出时，出错信息位数和读出的总信息位数之比。 6、价格 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位价格是很低的。,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,一、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成写入和读出。 所谓“磁表面”是在载体上涂敷薄薄的一层磁性材料而形成的，读取信息是靠磁头，磁头用铁磁性材料作磁芯，上面绕有读写线圈。工作时，磁头位于贴近磁表面的上方，

9、载体相对磁头作匀速运动，磁头上开有一条很窄的缝隙。如图8.1所示。,8.2 磁记录原理与记录方式,图8.1 读写原理,8.2 磁记录原理与记录方式,写入原理：写“1”和写“0”时分别在读写线圈中通以不同方向的电流，当磁头相对磁层运动时就在磁层的表面留下不同方向的磁化单元，分别代表“1”和“0”。 读出原理：当磁头相对磁层运动时，磁层表面不同方式的磁化单元在读写线圈感应出不同方式的感应电动势，分别记为“1”和“0”。感应电动势的大小与线圈匝数n、运动的相对速度v、和磁通变化率成正比：,8.2 磁记录原理与记录方式,以环形磁头边缘磁场的水平分量在介质上写入信息的方式称为纵向磁记录或水平磁记录。另外

10、还有一种能提高存储密度的垂直磁记录方式，如图8.2所示。,8.2 磁记录原理与记录方式,二、磁记录介质与磁头 1、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。又称为磁记录媒体。 根据记录介质的基底不同，主要有软性介质(磁带和软磁盘片)和硬性介质(硬磁盘片)两种。 磁性材料也有颗粒材料和连续材料两类。,8.2 磁记录原理与记录方式,最常用的磁性材料是-Fe2O3针状颗粒材料，称为磁粉，采用涂布工艺将其涂敷在基体上，形成记录介质。按照涂布工艺方式的不同可以分成两种： (1)平涂工艺 利用涂布机在带基上涂敷磁浆。 (2)甩涂工艺 也称离心涂敷，这种工艺可以在铝合金盘基上制造硬磁盘，也可以

11、在柔性片基上制造软磁盘。 2、感应式磁头 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。图81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。,8.2 磁记录原理与记录方式,磁头的环形导磁体材料要求导磁率高，饱和磁感应强度大，矫顽力小， 为此磁头通常用软磁材料做成。 常用的软磁材料有两种：一种是金属软磁材料。另一种是铁氧体材料。 磁头的形式很多。从工作方式来看，可以分为接触式磁头和浮动式磁头两种。,8.2 磁记录原理与记录方式,3、MR磁头 利用磁致电阻效应(magneto resistive，简称MR)磁头能在高密度记录的情况下读出信号。MR磁头是

12、专用于读出的磁头，即它不能完成写入工作，但它具有高的输出灵敏度和与磁盘转速无关的输出特性，所以需要与专用的写入磁头配合使用。,8.2 磁记录原理与记录方式,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。采用高效可靠的记录方式，是提高记录密度的有效途径之一。 下图给出几种常见的磁记录方式的写入电流波形，也是磁层上相应位置所记录的理想磁化状态或磁化强度。,8.2 磁记录原理与记录方式,8.2 磁记录原理与记录方式,（1）归零制（RZ）Return to Zero 正脉冲电流表示“1”，负脉冲

13、电流表示“0”； 不论记录“0”或“1”，在记录下一信息前，记录电流恢复到零电流 简单易行，记录密度低，改写磁层上的记录比较困难，一般是先去磁后写入。 具有自同步能力（能从磁头读出信号中分离获得同步/选通信号） （2）不归零制（NRZ）NonReturn to Zero Change 磁头线圈始终有电流 对连续记录的“1”和“0”，写电流的方向是不改变的。 无自同步能力。,8.2 磁记录原理与记录方式,（3）见“1”就翻的不归零制（NRZ1）NonReturn to Zero Change On One 磁头线圈始终有电流通过。 在记录“1”时，电流改变方向，写“0”电流保持不变。 不具备自同

14、步能力，需要引用外同步信号 （4）调相制（PM： Phase Mudulation ）又称相位编码 记录数据“0”时，规定磁化翻转的方向由负变为正，记录数据“1”时从正变为负 “0”，“1”的读出信号相位不同，抗干扰能力强（磁带多用此）。 具有自同步能力,8.2 磁记录原理与记录方式,（5）调频制（FM）Frequency Modulation 记录“1”时，不仅在位周期的中心产生磁化翻转，而且在位与位之间的边界处要翻转一次。记录“0”时，位周期中心不产生磁化翻转，但位与位之间的边界处要翻转一次。 具有自同步能力。 （6）改进调频制（MFM）Modified Frequency Modulat

15、ion 记录数据“1”时在位周期中心磁化翻转一次，记录数据“0”时不翻转。 连续两个或两个以上“0”时，在位周期的起始位置翻转一次，而不是在每个位周期的起始处都翻转。 具有自同步能力。,8.2 磁记录原理与记录方式,数据读出时，当记录介质在磁头下匀速运动时，磁层的磁化强度发生变化，将在磁头的读出线圈中产生感应电压，不同记录方式的磁化强度和读出信号波形如下：,8.2 磁记录原理与记录方式,8.2 磁记录原理与记录方式,8.2 磁记录原理与记录方式,不同的磁记录方式特点不同，性能各异。评定一种记录方式的优劣标准主要是编码效率、自同步能力等。 自同步能力 自同步能力是指从单个磁道读出的脉冲序列中提取

16、同步时钟脉冲的难易程度。 自同步能力的大小可以用最小磁化翻转间隔与最大磁化翻转间隔的比值尺来衡量。比值R越大，自同步能力越强。,8.2 磁记录原理与记录方式,【例如】 NRZ和NRZ1制记录方式是没有自同步能力的，因为当连续记录“1”时，NRZ制记录方式磁层不发生磁化翻转，而当连续记录“0”时，NRZ和NRZ1制记录方式的磁层不发生磁化翻转。 PM，FM，MFM记录方式是有自同步能力的。FM记录方式的最大磁化翻转间隔是位周期T，而它的最小磁化翻转间隔是T2，因此RFM05。,8.2 磁记录原理与记录方式,编码效率 编码效率是指位密度与最大磁化翻转密度之比： 编码效率高低是指每次磁层状态翻转所存

17、储的数据信息位的多少。,8.2 磁记录原理与记录方式,【例如】 FM，PM记录方式中记录一位数字信息的最大磁化翻转次数为2，因此编码效率为50。 而MFM，NRZ，NRZ1三种记录方式的编码效率为100，因为它们记录一位数字信息磁化翻转最多一次。,8.2 磁记录原理与记录方式,下面以以调频制(FM)为例，介绍记录方式的实现过程。,8.2 磁记录原理与记录方式,电路实现的过程如下：,8.2 磁记录原理与记录方式,8.2 磁记录原理与记录方式,8.3 硬磁盘存储器,一、硬磁盘的发展 如果追溯历史的话，世界上第一个计算机磁盘存储系统，应该是在1956年，由IBM的科学家雷诺德约翰逊（Reynold

18、Johnson）发明的。此人后来，也被公认为硬盘的亲生父亲。 但以今天的眼光看来，这第一个硬盘系统，可能外型上有些奇怪，因为它是由50片直径24英寸、涂着磁粉的圆盘，加上马达、磁头和控制系统组成的。通过利用磁头改变或判断圆盘上每个扇区中磁场的方向（相反的方向即为0或1），就可以在圆盘上写入和读取数据。磁盘上由一圈圈的磁道组成，而每条磁道有被分成若干个扇区，磁头可以从每个扇区中读写512kb的数据。也就是说，这个体积庞大的系统，当时只能存储5兆的数据。,8.3 硬磁盘存储器,微观地看，盘片上的磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成，若干个磁颗粒组成一个记录单元来记录1比特（bit）信息，

19、即0或1。这些微小的磁颗粒极性可以被磁头快速改变，且一旦改变之后可以较为稳定地保持，磁记录单元间的磁通量或者磁阻变化分别代表二进制中的0或者1。 最早的磁头，是采用锰铁磁体制成，它通过电磁感应读写数据。但是，由于使用这种磁头读取数据要求磁场达到一定的强度，磁道密度不能太大，因此使用传统磁头的硬盘最大容量只能达到每平方英寸20兆。 直到1980年代末期，IBM研发成功了MR（MagnetoResistive）磁阻磁头技术，才实现了第一次飞跃：磁阻磁头核心是一片金属材料，其电阻随磁场的变化而变化。这种磁头采用分离式设计，由感应磁头写、磁阻磁头读，此举令硬盘的磁道密度得以大幅度提高，达到每平方英寸3

20、G到5G。,8.3 硬磁盘存储器,随着信息技术发展对存储容量的要求不断提高，即使这样的存储密度，也很快难以满足实际需求。因为采用这一技术，磁致电阻的变化也仅在1到2之间，磁场还不能太弱，所以磁道也没法做得太密。 到了1988年，新的硬盘革命的曙光终于开始显露。在这一年中，法国巴黎大学的费尔特教授和德国尤利希研究中心的皮特格伦博格各自发现，在铁、铬相间的多层膜电阻中，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍。 其中，费尔特观察到50的变化，并把这种效应命名为巨磁阻效应。由于膜厚度不同，格伦博格所观察到的变化较小，达到10。,8.3 硬磁盘存储器,2007年10月9日，

21、诺贝尔物理学奖正式授予了两位“硬盘技术之父”-69岁的法国巴黎大学阿尔伯特.费尔特（Albert Fert）和68岁的德国尤利希研究中心的彼得.格伦博格(Peter Grnberg)。正是由于这两人几乎同时独立发现的巨磁电阻效应（GMR：Giant Magnetoresistance），此前发展几乎陷于停滞的硬盘，其容量才得以几十倍甚至上百倍的提升。】 现代材料科学等相关领域的发展，已经极大地压缩了从物理原理发现到技术产业化的距离。自1988年后仅仅六年之后，1994年，IBM即把这种技术应用到了硬盘上：IBM的工程师斯图尔特.帕金（Stuart Parkin）根据这一物理原理，研制出信号变化

22、灵敏度更高的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍。,8.3 硬磁盘存储器,2007年9月，IBM工程师斯图尔特.帕金（Stuart Parkin）在IBM Almaden研究中心Racetrack实验室。Jim Wilson/NYT,8.3 硬磁盘存储器,也是因为如此，如今随着纳米技术的突飞猛进，只要在巨磁电阻效应依然起作用的尺度范围内，未来硬盘体积还能够进一步缩小，硬盘容量还可以提得更高。 2007年9月13日，全球最大的硬盘厂商希捷科技（Seagate Technology）在北京宣布，其旗下被全球最多数字视频录像机（DVR）及家庭媒体中心采用的第四代DB35系列硬盘，现已达到1TB

23、（1000G）容量，足以收录多达200小时的高清电视内容。,8.3 硬磁盘存储器,不过，由于传统硬盘存在盘片、电机和磁头等组件，这种被称为Winchester结构的设备免不了大量机械部分，无论是耗电量还是稳定性都难以令人完全满意，它的正常工作会受到震动、高温的影响。 因此，尽管目前Winchester结构硬盘还占据硬盘的主流，高端MP3和MP4也多采用硬盘来实现大容量的存储。但随着采用电子式的存储、不存在机械运动的闪存的逐渐成熟，闪存又继光盘之后开始向传统硬盘发起冲击。,8.3 硬磁盘存储器,目前，磁盘存储器仍然是计算机系统中最主要的外存设备。自从1956年美国IBM公司研制出第一个商品化的磁

24、盘以来，它在结构、性能等方面都有了很大的发展。在大、中、小型及微型计算机普遍都配有磁盘机，这是因为磁盘有很多优于其他外存的地方，如存取速度快，存储容量大，易于脱机保存等等。,8.3 硬磁盘存储器,二、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，磁层可以采用甩涂工艺制成，此时磁粉呈不连续的颗粒存在；也可以用电镀、化学镀和溅射等方法制取连续膜磁盘。 硬磁盘存储器种类很多，结构各异，性能差别很大，为便于叙述，采用以下分类方法：,8.3 硬磁盘存储器,1、根据磁头的工作方式分类 按此法可分成移动头磁盘存储器和固定

25、头磁盘存储器。 移动头硬盘存储器存取数据时磁头在磁盘盘面上径向移动，磁头与盘面不接触，且随气流浮动，称为浮动磁头。这种存储器可以由一个盘片或多个盘片组成，装在主轴上。盘片的每面都有一个磁头。这种结构的硬磁盘存储器应用很广，其典型结构为温彻斯特磁盘(Winchester Disk) 。 固定头磁盘存储器的磁头位置固定，磁盘的每一个磁道都对应一个磁头，盘片也不可更换。其特点是存取速度快，省去了磁头沿盘片径向运动找磁道的时间，磁头处于工作状态即可开始读写。,8.3 硬磁盘存储器,2、根据磁盘可换与否分类 按此法分类有可换盘存储器和固定盘存储器两种。 可换盘存储器是指磁盘不用时可以从驱动器中取出脱机保

26、存。根据可换磁盘存储器每轴盘片数目的不同，通常把每轴装有一至四片的存储器称为盒式磁盘存储器；六片以上的称为盘组。 固定盘存储器是指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(Winchester Disk)。,8.3 硬磁盘存储器,所谓温彻斯特磁盘实际上是一种技术，这种技术是由IBM公司位于美国加州坎贝尔市温彻斯特大街的研究所研制的，它于1973年首先应用于IBM3340硬磁盘存储器中，因此将这种技术称作温彻斯特技术。 磁盘存储器由驱动器(hard disk drive，简称HDD)和控制器(hard disk controller，简称HDC)组成。 磁