第7章(外部存储器).pptx

1、第七章 外部存储器,硬盘 移动存储器 光盘储存系统,计算机存储器系统,外存的特点： 容量大、单位容量成本低、非易失性、寻址和访问速度慢、存储体可更换等。,计算机存储系统,reg、cache、内存,外存,磁存储器,光存储器,磁盘,磁带,软磁盘,硬磁盘,其他磁盘存储器,CD,DVD,DVD-R .,VCD,CD-R .,半导体存储器,Flash电子盘,外部存储器概述,磁盘系统磁性材料的记忆原理,磁性存储原理： 磁盘存储信息是利用具有矩形磁滞回线的磁性材料，这种磁性材料在外加磁场的作用下，其磁感应强度B与外加磁场H的关系，可用矩形磁滞回线来描述。,7.1.1 硬盘的发展,1956年，IBM发明世界上

2、第一台硬盘（IBM350 RAMAC）,它相当于两个冰箱的体积,7.1.1 硬盘的发展,1973年，IBM又发明了Winchester(温氏)硬盘（IMB3340）。其核心是：磁盘片被密封、固定并且不停高速旋转，磁头悬浮于盘片上方沿磁盘径向移动，并且不和盘片接触。后来的硬盘基本都沿用了这一结构。,7.1 硬盘系统,体积： 3.5英寸/半高(用于台式PC) 2.5英寸(用于笔记本PC) 1.8英寸微型(用于数码产品) 容量：1040MB(8086/286) 100500MB(386/486) 16TB(目前) 连续传输速率： 100KB/s 600MB/s 平均寻道时间： 12ms 5ms 转速

3、： 4200转/s 15000转/s,7.1.1硬磁盘的结构与工作原理,1.硬磁盘的组成 硬盘内部包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘体及主轴驱动机构、前置读写控制电路和接口电路等。封装在硬盘的净化腔体内。,硬磁盘的组成,1)盘体 Media Media的基板是金属、玻璃或陶瓷材质制成，为达到高密度高稳定的质量，基板要求表面光滑平整，不可有任何暇疵，然后再将磁粉Coating 溅渡到基板表面上，最后再涂上保护润滑层。此处有2项高科技，一为，如何制造出不含杂质极细微的磁粉;二为，如何将磁粉均匀的Coating上去. Media不可有任何污染，全程制造均需在高洁净度的Clean Room内，这也是硬

4、盘机要求需在Class 100的Clean Room才能拆解的原因。,硬磁盘的组成,2)磁头组件及磁头驱动机构： 磁头组件是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部份组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，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，与盘片之间的间隙只有0.10.3um，这样可以获得很好的数据传输率。,硬磁盘的组成,3)控制电路 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。硬盘控制电路分为：,硬盘主控制芯片：负责数据交换和数据处理。 缓存芯片：负责给数据提供暂存空间，提高硬盘的读写效率。 硬盘驱动芯

5、片：负责硬盘的马达以及主轴马达的转动。,最常见的数据传输接口有PATA（IDE）、SATA、SCSI、SAS、光纤五种，前两种接口方式主要应用在个人PC上，后三种则主要使用在服务器领域。,硬盘的数据传输接口,7.1 硬盘磁道、扇区和柱面,盘体：盘体由多个同轴盘片组成，每个盘片都是双面存储，第一个盘片的第一面为0磁面，下一个为1磁面；第二个盘片的第一面为2磁面，以此类推。 磁头(Head)：每个磁面有一个磁头进行读写，因此0磁面也称为0磁头。 磁道(Track)：磁面上均匀分布的同心圆存储轨迹。最外层为0磁道。 扇区(Sector)：磁道上等弧度划分的扇段。一般一个扇区的存储容量为512字节。

6、柱面(Cylinder)：各个盘面上同一编号磁道的组合。,2. 磁道、扇区和柱面,2. 磁道、扇区和柱面,硬盘上的一个物理记录块要用三个参数来定位： 柱面号C、扇区号S、磁头号H。 硬盘容量=柱面数磁头数扇区数512字节 逻辑区块位址(Logical Block Address,LBA) 是描述电脑储存设备上资料所在扇区的通用机制。 LBA是非常单纯的一种寻址模式从0开始编号来定位扇区，第一扇区LBA=0，第二扇区LBA=1，依此类推。这种寻址模式取代了原先操作系统必须面对储存设备硬件构造的方式。 在访问硬盘时，由硬盘控制器再将这种逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址,3. 记录格式,每一扇区除存

7、放512字节的用户数据外，还存放着用于同步、数据定位、数据校验等作用的辅助数据，这些数据一般只作用于硬盘内部。,7.1.2 硬磁盘的性能指标,1.容量 硬盘是由多个存储碟片组合而成的，而单碟容量就是一个存储碟所能存储的最大数据量。 通过两种手段增加硬盘容量：一个是增加存储碟片的数量；另一个办法就是增加单碟容量。 位密度：磁道单位长度上所存储二进的个数 道密度：半径方向单位长度上的磁道个数 面密度：=位密度*道密度（Mb/平方英寸或Gbit/平方英寸）,7.1.2 硬磁盘的性能指标,2. 最大内部数据传输率 是指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率 包括磁头把数据从盘片读入缓存的速度，以及磁头把数据

8、从缓存写入盘片的速度。可用来评价硬盘的读写速度和整体性能 3.转速 主轴转速是决定硬盘内部数据传输率的决定因素之一，它在很大程度上决定了硬盘的速度，同时也是区别硬盘档次的重要标志。,7.1.2 硬磁盘的性能指标,4. 高速缓存 指在硬盘内部的高速DRAM存储器。 5.寻道时间(ms) 指硬盘磁头移动到数据所在磁道而所用的时间。 平均寻道时间则为磁头移动到正中间的磁道需要的时间。,7.1.2 硬磁盘的性能指标,6. SMART S.M.A.R.T的全称为“Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology”，即“自我监测、分析及报告技术”。 支持S

9、.M.A.R.T技术的硬盘可以通过硬盘上的监测指令和主机上的监测软件对磁头、盘片、马达、电路的运行情况、历史记录及预设的安全值进行分析、比较。当出现安全值范围以外的情况时，就会自动向用户发出警告。,7.1.3 分区和格式化,硬盘在使用之前必须经过低级格式化、分区和高级格式化三个步骤。 1. 低级格式化 一般硬盘在出厂之前都做过低级格式化，低级格式化和操作系统无关。 作用： 创建磁道和扇区，写入每个扇区的头、尾信息。,7.1.3 分区和格式化,分区 将硬盘分成多个逻辑区域(逻辑盘)，每个分区可支持不同的操作系统。 分区可分为主分区和扩展分区，扩展分区又可分成多个逻辑分区，每个分区对应一个逻辑磁盘

10、。,主引导 记录,分区1 （主分区）,分区2 （扩展分区）,分区3 （其他分区）,分区3 （其他分区）,7.1.3 分区和格式化,3. 高级格式化 将分区内的全部扇区分成引导区、文件分配表(FAT)、文件根目录表和数据区四个区域。 引导区：磁盘参数和引导程序等。,文件分配表(FAT)：数据区的每一个簇对应文件分配表中的两个字节，表示该簇被某文件占用并指明该文件下一簇。 文件根目录：一个文件的目录称为一个目录项。存放文件名、修改日期时间、文件长度及起始簇。,硬盘文件系统,FAT (File Allocation Table) 16 FAT16文件系统中簇的编号为16位二进制，簇的最大容量为32K

11、B，逻辑盘最大容量=64K X 32K=2048M=2G。 FAT32：32位文件分配表，用于Windows9x/2000的文件系统，用32位二进制对簇进行编号。 FAT32文件系统的簇所包含的扇区数少，如2GB的一个逻辑盘，FAT16的簇容量为32KB，而FAT32的簇容量为4KB。,硬盘文件系统,NTFS ： 最大分区2TB，Win2000下使用FAT32最大分区为32GB。 使用事物处理日志和恢复技术来保证分区的一致性，发生系统失败事件时，NTFS使用日志文件和检查点信息自动恢复文件系统的一致性。 支持对分区、文件夹和文件的压缩。 可以为共享资源、文件夹以及文件设置访问许可权限,提高磁盘

12、存储容量的技术,早期标准记录：新的扇区记录： 位密度外低内高;位密度相等; 浪费存储能力；充分利用存储能力； 数据传输速率相等。数据传输速率外高内低。,1.改变扇区记录方式,提高磁盘存储容量的技术,2.采用垂直磁记录 两种不同的磁记录方式示意图 上图为纵向磁记录 下图为垂直磁记录,提高磁盘存储容量的技术,3. 3D储存技术 是在原来只有一层的储存面下再加一层，变成上层磁性排列方向能左右变化，下层则是上下变化的两层。应用这种技术后的硬盘容量就可以翻倍了。,SSD,基于DRAM,基于FLASH,MLC,NAND型,NOR型,SLC,固态硬盘,固态硬盘SSD 也称作电子硬盘或者固态电子盘固态存储单元

13、组成的硬盘。,基于闪存的固态硬盘,Intel SSD 720，采用了PCI-Express 2.0 x4接口，配备512MB的缓存，搭载34nm MLC NAND闪存颗粒，官方给出的读写速度分别达到了2.2GB/s和1.8GB/s，随机读取高达180000 IOPS，写入则为56000 IOPS。,IOPS (Input/Output Operations Per Second)，即每秒进行读写（I/O）操作的次数，多用于数据库等场合，衡量随机访问的性能。,固态硬盘,固态硬盘的工作原理 SSD硬盘用闪存颗粒来存储数据。 固态硬盘在原理构造上基本上是模拟普通机械硬盘，比如模拟扇区、模拟磁道等。

14、固态硬盘使用寿命的限制 在固态硬盘的算法定义中，修改一次才算一次真正读写。,固态硬盘,固态硬盘的优点 低功耗、无噪音、抗震动、低热量、重量轻、速度快 固态硬盘的缺点： 成本和写入次数。而由于flash芯片都有一定的写入寿命、而且寿命届满后资料会读不出来。 固态硬盘数据损坏后是难以修复的。,混合硬盘,混合硬盘：在原硬盘的基础上增加闪存缓存 基于闪存的缓存能够减少读取硬盘的次数并且消除许多写盘的动作。 与传统硬盘相比混合硬盘优点： 更快的开机与休眠回复速度； 更低的耗电率； 更高的可靠度。,7.2.1 光盘分类,目前光盘储存系统主要有CD和DVD两类： CD：存储容量约650MB，按读写属性可分为

15、只读、一次可写，可擦写三种。 DVD：可双面存储信息，而且每面可存储两层信息。 单面单层4.7GB，双面单层9.4GB，双面双层17 GB。,7.2 光盘存储系统-原理,光盘上存储的各种类型的信息都是数字化后的“0”与“1”，其所对应的就是光盘上的Pits（凹点）和Lands（平面）。 当激光映射到盘片上时，如果是照在Lands上，那么就会有70到80激光被反射回；如果照在Pits上，就无法反射回激光。根据反射和无反射的情况，光盘驱动器就可以解读0或1的数字编码了。,CD类光盘按应用和介质分类,CD-DA(Digital Audio)：激光唱盘。 CD-ROM(Read Only Memory

16、)：只读光盘，作为电子出版物载体。 PhotoCD：Kodak公司制定的，用压缩方式存储数字照片的CD格式标准。 CD-I(Interactive)：一种支持交互的CD技术规范。 VCD(Video CD)：用MPEG-1压缩方式存储数字化视频和音频的CD标准。其视频分辨率约为240X320，伴音为双声道立体声，播放时间约74分钟。 CD-R(Recordable)：可写入的介质光盘，可分多次写入。 CD-RW(Rewritable)：可擦写的介质盘。,7.2.3 DVD的基本结构及原理,1994年9月，日本的PIONEER（先锋）公司宣布将推出一种尺寸与CD-ROM相同、容量却要大8倍的新型

17、光存储介质DVD。 DVD光盘的构造与CD光盘基本相同，直径都是12cm，存储密度则比后者大得多， 主要得益于DVD光盘上记录数据的凹坑尺寸和轨道间距都比CD光盘小，因此大大提高了数据的存储密度。,DVD的主要规格,DVD的主要规格 DVD主要有：DVD-ROM、DVD-Video、DVD-Audio、DVD-R、DVD-RW、 DVD+RW、 DVD-RAM等。 1.DVD-ROM DVD-ROM是用来读取数字资料的DVD规格，总共有四种容量，分别为4.7GB、8.5GB、9.4GB、17GB，硬件产品称为只读式DVD-ROM光驱。 DVD 光盘的规格 名称格式容量 DVD-5单面单层4.7

18、GB DVD-9单面双层8.5GB DVD-10双面单层9.4GB DVD-18双面双层17GB,DVD的主要规格,DVD-R DVD-R 是能写入一次，容量为4.7GB。 DVD-R 是用有机染料当作纪录介质，利用激光在染料层上刻出pit纪录资料 可以供DVD-ROM读取，也可以在DVD播放机里播放。 DVD-RAM DVD-RAM是一种由松下、日立及东芝公司联合推出的可重复擦写的DVD规范。 一般DVD-ROM光驱无法读取DVD-RAM,DVD的主要规格,双层DVD刻录盘片,DVD的主要规格,DVDRW DVD Forum所提出的第二种可重复读写的DVD规格，其硬件产品称之为可覆写式数字多

19、功能光驱(DVD-RW光驱)，其主导的厂商有先锋，参与制造的厂商有三星、夏普、SONY等。 第二代的DVDRW它的光盘容量将会规定是4.7GB，而且除了可以烧录DVDRW的片子外，还可以支持烧录DVD-R、DVD-RW、CD-R、CD-RW这些光盘片。,7.2.5 蓝光技术简介,2002年2月19日：以索尼、飞利浦、松下为核心，联合日立、先锋、三星、LG、夏普和汤姆逊共同发布了Blu-ray Disc（简称BD）技术标准。 高密度，大容量，单层容量为25GB，双层容量50GB。采用405nm的蓝色激光读写，得名“蓝光” 主要轨道参数中凹陷直径为0.14m（DVD为0.4m），轨道间距为0.32

20、m（DVD为0.74m）。 BD系统的主要应用将是高清晰度电影，压缩标准为MPEG-2，视频分辨率为19201080或1080720，音频为7.1声道环绕声。 版权保护更加严格,7.2 光盘系统光盘驱动器,光盘驱动器就是平常所说的光驱，读取光盘信息的设备 内部构成 旋转及其伺服控制机构； 激光发送、接收及其平行移动反光和聚焦系统； 信号编译码、驱动检测电路； 接口控制和缓冲存储器电路。,7.2 光盘驱动器,驱动器类型及其兼容性,3、光驱的性能指标,数据传输率：表明光驱从光盘上读取数据的快慢。 单速：是指最初的CD光驱读取速率150KB/S CD在1小时内读完一张CD盘的速度定义为1倍速。DVD

21、的1倍速则在1350KB/s左右 X倍速：指是光驱的读取速率是单速的多少倍。 平均读取时间：是指从光头定位到开始读盘的时间，一般是越小越好。不能超过95ms。 缓存：作用是提供一个数据的缓冲区域，将读取的数据暂时保存，然后一次性进行传输和转换。 容错性能：是指光驱读取质量不太好的光盘的能力，容错性能越强，光驱能读的“烂盘”越多。,7.3.1 移动盘,移动盘主要包括两类 第一类是由半导体存储器为存储内核，这一类主要是U盘。 另外一类是以硬磁盘为存储内核，通常称这一类为移动硬盘。 两类移动存储器目前使用的接口主要是USB接口，但移动硬盘也有使用其它的接口的，如eSATA和IEEE-1394。,1.

22、 U盘,U盘的特点 1、体积小、容量大 2、传输速度快：USB3.0接口 3、携带方便 4、数据安全 抗震性能强,防潮防磁 数据可长期保存,1. U盘,USB闪存盘的结构 闪存盘主要由I/O控制芯片、闪存、电路板和其他电子元器件组成。,2. 移动硬盘,移动硬盘实际上就是硬盘采用了USB接口或IEEE-1394接口，有些还带有eSATA接口。,7.3.2 存储卡,存储卡：也叫闪存卡（Flash Card）是利用闪存技术存储电子信息的存储器 一般应用在数码相机，掌上电脑，MP3等小型数码产品中作为存储介质。 CF（Compact Flash）卡 MMC（Multi Media Cards）卡(已停产) SD（Secure Digital Card）卡 记忆棒（Memory Stick）,1. CFCompact Flash,CF存储卡是由美国SanDisk公司于1994年研制成功的，它采用了ATA体系结构并仿照了磁盘驱动器 CF卡的特点是：ATA数据接口，容量大、存取速度快、兼容性好。 CF 卡的1X 传输速度为150KB/S，主流的有133X、 266X 等， 高端的则有 600X