外部存储设备36060精品课件.ppt
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1、第6章 外部存储设备第1页,共95页。第6章 外部存储设备 6.1 硬盘驱动器 6.2 软盘驱动器 6.3 光盘驱动器第2页,共95页。6.1 硬盘驱动器 硬盘驱动器的盘片是涂有金属氧化物的刚性金属盘片,所以称为硬盘。它与软盘最明显的区别是,硬盘的生产过程是在无尘环境中进行的,盘片和磁头全部密封在金属盒子中,因此它的容量在出厂之前就已经固定了。第3页,共95页。1968年,IBM公司在美国加州坎贝尔市温彻斯特大街的研究所首次提出温彻斯特(Winchester)技术,探讨对硬盘进行技术改造。1973年,IBM公司制造出了第一台采用温彻斯特技术的硬盘,此后硬盘的发展一直沿用这种技术。第4页,共95
2、页。6.1.1 硬盘的工作原理和结构 硬盘是一种磁介质存储设备,数据存储在密封、洁净的硬盘驱动器内腔的多片磁盘片上,这些盘片一般是在以铝材料为主要成分的基片表面涂上磁性介质所形成。在盘片的每一面上都有一个读写磁头,所有盘片相同位置的磁道就构成了所谓的柱面。第5页,共95页。1硬盘的工作原理 硬盘驱动器加电正常工作后,利用控制电路中的初始化模块进行初始化工作,此时磁头置于盘片中心位置。初始化完成后,主轴电机启动并高速旋转,装载磁头的小车机构移动,将浮动磁头置于盘片表面的00道,处于等待指令的启动状态。当主机下达存取盘片上数据的命令时,通过前置放大控制电路,发出驱动电机运动的信号,控制磁头定位机构
3、将磁头移动,搜寻定位它要存取数据的磁道扇区位置,进行数据读写。第6页,共95页。2硬盘的外部结构 硬盘的外观如图6-6所示,在外部结构上可分为三大部分:(1)接口 接口包括电源接口插座和数据接口插座两部分,其中电源接口插座与主机电源插头相连接;数据接口插座则是硬盘数据与主板控制芯片之间进行数据传输交换的通道,通过排线与主板的IDE接口或其它控制适配器的接口相连接。第7页,共95页。图6-6 两种硬盘的外观,左图为正面、右图为背面第8页,共95页。(2)控制电路板 大多数硬盘控制电路板都采用贴片式焊接,它包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上还有一块RO
4、M芯片,其中固化的程序可进行硬盘的初始化,如执行加电和启动主轴电机、加电初始寻道、定位以及故障检测等。第9页,共95页。硬盘控制电路板上有三个主要的芯片:主控制芯片、数据传输芯片、高速缓存芯片。其中,主控制芯片负责硬盘数据读写指令等工作;数据传输芯片则是将硬盘磁头前置控制电路读出的数据经过校正及变换后,通过数据接口传输到主机系统;高速缓存芯片是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设置的,其容量一般为216MB。第10页,共95页。(3)固定面板 固定面板就是硬盘正面的面板,它与底板结合成一个密封的整体,保证了硬盘腔体内的盘片、磁头和其它机构在绝对无尘的环境中稳定运行。在面板上最显眼的莫过
5、于产品标签,上面印有品牌名、型号、序列号、生产日期以及硬盘参数等。除此之外,还有一个透气孔,它的作用是使硬盘内部气压与大气压保持一致。第11页,共95页。3硬盘的内部结构 硬盘的内部结构主要包括盘片、主轴组件、浮动磁头组件、磁头驱动机构、前置控制电路等几部分,其中磁头和盘片组件是构成硬盘的核心,它密封在硬盘的净化腔体内。硬盘的内部结构如图6-2所示。(1)盘片和主轴组件(2)浮动磁头组件(3)磁头驱动机构 (4)前置控制电路第12页,共95页。6.1.2 硬盘的主要技术指标 1硬盘容量 硬盘容量是指硬盘能够存储数据的总量,通常以兆字节(MB)或千兆字节(GB)为单位。影响硬盘容量大小的因素有单
6、碟容量和盘片数量。第13页,共95页。2转速 硬盘的转速是指带动盘片旋转的主轴电机的最高旋转速度,目前主流IDE硬盘的转速一般为每分钟7200转。SCSI硬盘主轴转速可达10000,最高的SCSI硬盘转速高达15000(希捷的捷豹X15系列)。第14页,共95页。通常,转速越高,硬盘的数据传输率也越高,综合性能也越佳。但是由此也带来价格的提高,以及发热量和噪声增大等问题,随之而来的是硬盘的降温问题,由此而发展了专为硬盘降温的风扇。第15页,共95页。3内部数据传输率 内部数据传输率也称为持续数据传输率,它是指从磁头到硬盘高速缓存之间的传输速度。目前主流硬盘在容量、平均访问时间、转速等方面都相差
7、不大,但在内部数据传输率上的差别比较大,它的高低也会影响到系统的整体性能。第16页,共95页。另外,硬盘的外部数据传输率高于其内部传输率,所以提高内部数据传输率对系统的整体性能提升有很大的意义。目前,主流硬盘的内部数据传输率大多在4060MB/s之间,只有外部数据传输率的60%左右。第17页,共95页。4外部数据传输率 外部数据传输率也称为突发数据传输率,它是指从硬盘高速缓存到系统总线之间的传输速度。外部数据传输率与硬盘接口类型和高速缓存大小有关。目前,主流硬盘通常采用Ultra ATA 133接口,它的最大外部数据传输率即为133MB/s;SATA接口硬盘的外部数据传输率为150MB/s;而
8、SCSI接口硬盘的外部数据传输率可达160MB/s。第18页,共95页。5数据缓存(Cache)数据缓存是指在硬盘内部的高速缓冲存储器。使用硬盘Cache后,可将磁头需要读取的数据事先放到Cache中,大大提高了硬盘读取数据的速度。另一方面,将要写入硬盘的数据事先存放到Cache中,等到磁头空闲时再从Cache写入盘片。所以,硬盘Cache对硬盘性能的提高起着很大的作用,硬盘Cache的容量和速度直接关系到硬盘的数据传输率。第19页,共95页。目前硬盘Cache的容量为216MB不等,多数硬盘Cache容量为8MB,而有些硬盘Cache高达16MB,如Seagate(希捷)的Barracuda
9、 ES ST3750640NS、Western Digital(西部数据)的Caviar SE16 WD5000KS、Maxtor(迈拓)的DiamondMax 11 6H500F0硬盘都使用了16MB的Cache。第20页,共95页。6硬盘速度参数 硬盘存取数据的过程大致是这样的:当硬盘接到存取指令后,磁头从初始位置移到目标磁道位置(经过一个寻道时间),然后等待所需数据扇区旋转到磁头下方(经过一个潜伏时间)开始读取数据。第21页,共95页。平均寻道时间(Average Seek Time):是指硬盘接到存取指令后,磁头从初始位置移到目标磁道所需要的时间。它反映了磁头作径向运动的速度,代表硬盘
10、读写数据的能力,一般在513ms之间。对于性能较高的硬盘,其值一般小于8ms。第22页,共95页。平均潜伏时间(Average Latency Time):是指相应数据所在的扇区旋转到磁头下方的时间。它反映了盘片的转速大小,一般在16ms之间。平均访问时间(Average Access Time):是平均寻道时间与平均潜伏时间之和。它代表了硬盘找到某一数据所用的时间,一般在618ms之间。第23页,共95页。7平均无故障时间(MTBF)平均无故障时间是指硬盘从开始运行到出现故障的平均时间,一般硬盘至少在3000040000小时之间。在硬盘的产品广告或常见的技术特性表中并不提供这项指标,需要时可
11、到具体生产硬盘的厂家网站上查询。第24页,共95页。6.1.3 硬盘接口 硬盘接口是指硬盘与主机之间连接的通道,硬盘的接口方式直接决定硬盘的性能。目前硬盘的接口主要有EIDE接口和SCSI接口两大类。此外,还有Serial ATA 接口、IEEE1394接口、USB接口和PC-AC光纤通道接口等。第25页,共95页。1IDE接口 IDE(Integrated Drive Electronics,集成驱动电子接口),也称为AT-Bus或ATA(Advanced Technology Attachment)接口,由COMPAQ和Conner公司共同开发,并由Western Digital公司生产控
12、制器接口。第26页,共95页。2EIDE接口 EIDE(Enhanced IDE)接口是一种增强型的IDE接口,又称ATA-2接口,是Western Digital公司为取代IDE而开发的接口标准。这种标准曾流行很长时间,但直到1996年才被认可。与IDE接口相比,EIDE接口具有以下优点:第27页,共95页。与IDE接口兼容,提供两个通道(IDE 0和IDE 1),每个通道可连接两个IDE设备,最多可连接4台IDE设备;提高了数据传输率,最高可达16.6MB/s;采用LBA(Logical Block Address)地址转换方式,增加了硬盘容量,最大支持8.4GB;可以设置为块模式PIO,
13、一次可传送多个扇区,减少了CPU的中断处理工作,降低了对CPU的占用率。第28页,共95页。3SCSI接口 SCSI(Small Computer System Interface)是小型计算机系统接口,最初是为小型计算机研制的一种接口技术,现已被完全移植到微机上。它是一种总线型接口,适用于多任务的操作系统。SCSI接口具有比EIDE接口更快的速度和更低的CPU占用率,但价格较高,主要用于高档微机及服务器上。SCSI接口有以下几个标准:(1)SCSI-1(2)SCSI-2(3)SCSI-3第29页,共95页。4Serial ATA接口 Serial ATA(串行ATA),即SATA接口是由In
14、tel公司牵头,联合IBM、APT Technologies、Dell、Maxtor、Quantum、Seagate等公司于2000年推出的全新硬盘接口标准。顾名思义,它是串行传输数据的接口,在同一时间点内只会有1位数据被传输。这样可以减少接口的针脚数,克服了并行传输信号之间的电磁干扰,同时节省了机内空间,更有利于散热。第30页,共95页。Serial ATA接口传输数据时只需要用一根4芯电缆与设备相连,用4个针(第1针为数据发送端、第2针为数据接收端、第3针为供电端、第4针为地线)就能完成所有的数据交换工作。实际使用中,Serial ATA接口硬盘使用7芯信号电缆线、15芯专用电源线。考虑到
15、兼容性,Serial ATA接口硬盘还提供IDE接口硬盘标准电源接口。第31页,共95页。长期以来,IDE接口采用的是并行传输方式,如果有一台IDE设备处于数据传输状态,其它IDE设备只能闲置,处于等待状态,这属于点对面(主板对IDE设备)的模式。而Serial ATA接口采用点对点的模式,一台微机连接两个硬盘时就没有主、从之分,所有IDE设备均为主设备,避免了用户设置主、从跳线的麻烦。此外,Serial ATA接口不再受单通道只能连接两个硬盘的限制,它可以同时连接多个硬盘,这一点是传统IDE接口无法与之相比的。同时它不但支持硬盘,还支持CD-ROM等存储设备。第32页,共95页。在Seria
16、l ATA 1.0版中,规定数据传输速率为150MB/s,已经超过了现有最快的Ultra DMA/133(Ultra ATA/133)。在Serial ATA 2.0版中,规定数据传输速率为300MB/s。而且随着未来后续版本的推出,数据传输速率可允许提高到1.5GB/s、3.0GB/s和5.0GB/s。第33页,共95页。目前支持Serial ATA接口标准的硬盘和主板已经成为市场主流,Seagate、Maxtor、Western Digital等公司已有多款Serial ATA接口的硬盘在市场上流行。第34页,共95页。5IEEE 1394接口 IEEE 1394接口属于外置接口,目前支持
17、该接口的硬盘已走出试验阶段。它同样需要主板芯片组的支持,并在主板上设有IEEE 1394接口插座。IEEE 1394接口理论上数据传输率可达400MB/s以上,但硬盘内部数据传输率较低,距离理论值相差甚远。第35页,共95页。目前符合IEEE 1394接口的硬盘大多为带有IEEE 1394转接卡的EIDE接口硬盘,性能反而比使用EIDE接口要差。IEEE 1394硬盘的最大优点是移动性,支持即插即用、热插拔等操作。第36页,共95页。6USB接口 USB接口与IEEE 1394接口类似,也属于外置接口。USB 1.1接口标准的硬盘实际数据传输速率只有12MB/s,基本上可以满足实际要求;USB
18、 2.0接口标准数据传输速率可达480MB/s,速度已相当可观。USB接口的硬盘实际上也是带有USB转接卡的EIDE硬盘。从长远看,USB接口硬盘和IEEE 1394接口硬盘将成为可移动存储器的发展方向。第37页,共95页。6.1.4 硬盘的新技术 近年来,硬盘技术发展很快,硬盘的性能有了很大的提升。目前硬盘的新技术主要体现在以下几个方面:1新型磁头技术第38页,共95页。磁头是硬盘技术中最为关键的部件,好的磁头可以提高硬盘的整体性能。早期的硬盘都是采用读写合一的电磁感应式磁头,这种二合一磁头在设计时,需要同时兼顾读和写两种截然不同的操作,所以性能受到限制,现逐渐被淘汰。目前硬盘广泛使用的磁头
19、有两种:MR(Magneto Resistive)磁阻磁头和GMR(Grand Magneto Resistive)巨磁阻磁头。第39页,共95页。MR磁阻磁头采用的是读/写分离式设计,写入磁头仍然采用传统的电磁感应式磁头,而读取磁头则采用新型的MR磁阻磁头。MR磁头材料在不同的磁场下阻值会发生变化,利用这一原理来读取信号,读取速度和准确率都得到很大提高,同时由于读取信号幅度与磁道密度无关,因此,盘片密度比过去有了大幅度提高。第40页,共95页。GMR巨磁阻磁头也是利用这一原理,但GMR磁头材料的磁阻效应更加明显,同时GMR磁头采用了多层薄膜结构,对信号的变化更加敏感,因而存储密度可以进一步提
20、高。目前,GMR磁头已经走出实验阶段,逐渐开始普及。目前最新型的磁头是TMR(Tunneling MR,隧道型磁阻)磁头,它是GMR巨磁阻磁头的后继产品,与最新开发的垂直磁性记录方式混用后可大大提高存储密度。第41页,共95页。2PRML读取通道技术 PRML(Partial Response Maximum Likelihood,部分响应完全匹配)技术就是将硬盘数据读取电路分成两段“操作流水线”,流水线第一段将磁头读取的信号进行数字化处理,然后只选取部分“标准”信号移交第二段继续处理;第42页,共95页。第二段将所接收的信号与PRML芯片预置信号模型进行对比,然后选取差异最小的信号进行组合后
21、输出以完成数据的读取过程。PRML技术可以降低硬盘读取数据的错误率,因此可以进一步提高磁盘数据密集度。PRML技术的普遍利用,使硬盘的容量、速度、可靠性都有了不同程度的提高。第43页,共95页。3S.M.A.R.T.技术 随着硬盘容量和速度的提高,人们对硬盘数据安全性的要求也越来越高,硬盘生产厂商都在努力寻求一种硬盘安全监测机制。如今,S.M.A.R.T.(Self-Monitoring,Analysis and Reporting Technology,自监测、分析及报告技术)在主流硬盘中得到了广泛的应用,它是一种对硬盘故障预先报警、防止数据丢失的技术。第44页,共95页。S.M.A.R.T
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