外存设备与磁盘阵列技术课件.ppt
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- 外存 设备 磁盘阵列 技术 课件
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1、(4)数据传输率:指磁表面存储器在单位时间内可以向主机传送数据的数量,通常用二进制数的位数或字节数表示。它与设备本身的读写速度和接口逻辑线路有关。5)误码率:外存设备是高精密度的机械电子装置,集机械、电子、电磁、光电等多项技术于一身,不仅价格较高,其运行的可靠性也远比CPU、主存等电子逻辑部件要低。误码率就是用于衡量磁表面设备运行可靠性的重要指标,它等于在一次读操作过程中,出错信息数量在读出的全部信息中所占的比例。(6)价格:在现代的计算机系统中,外存设备本身的价格算得上是很贵的部分,但由于它的存储容量特别大,为存储单位信息(例如1KB)所占的平均价格又是最低的部件。2。磁表面存储器的工作原理
2、磁表面存储器的工作原理(1)磁记录原理 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,通过一个电磁转换过程完成读写操作的。磁头是实现电磁转换过程的关键装置,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。它是一个留有前后间隙的磁性环状物体,上面绕有线圈。后间隙越小越好,前间隙(称为工作间隙)要宽窄适当。当向线圈提供一定方向和大小的电流时,将使磁头体被磁化,建立起有一定方向和强度的磁场,即在磁环内有磁力线产生,由于磁头的前间隙处磁阻较大,将产生漏磁,这漏磁就是向磁记录介质中写入信息的信息源。磁记录介质,是在某种刚性(如硬盘)或柔性(如软盘、磁带)载体上涂有薄
3、层磁性材料的物体,用于记录以磁状态表示的信息。磁记录介质用硬磁材料(外界磁场的作用消失后,该磁性材料的磁性尽量多的保留)做成。磁表面存储器的磁性材料具有如图所示的矩形磁滞回线,磁表面存储器的磁性材料具有如图所示的矩形磁滞回线,当这些磁性材料被磁化后,其工作特点总是在磁滞回线,当这些磁性材料被磁化后,其工作特点总是在磁滞回线,只要外加足够大的正向脉冲电流(外加磁场只要外加足够大的正向脉冲电流(外加磁场H),则电流),则电流消失后,磁感应强度并不为消失后,磁感应强度并不为0而处于正剩磁状态而处于正剩磁状态+Br。反之。反之若外加负向脉冲电流,磁感应强度可出现负剩磁状态若外加负向脉冲电流,磁感应强度
4、可出现负剩磁状态-Br即当这些磁性材料被磁化后,会出现两个稳定的剩磁状态,即当这些磁性材料被磁化后,会出现两个稳定的剩磁状态,形成一磁化元或存储元。如果规定形成一磁化元或存储元。如果规定+Br 状态表示代码状态表示代码“1”,-Br表示代码表示代码“0”,则利用剩磁状态可以记录一位,则利用剩磁状态可以记录一位二进制信息。二进制信息。磁表面存储器是利用磁表面存储器是利用“磁头磁头”来形成和判别磁层中的不同来形成和判别磁层中的不同磁化状态的。磁化状态的。2、写操作、写操作 写入线圈通入写脉冲电流,产生磁通,通过磁头缝隙 将高速运动的磁层磁化,磁层的剩磁记录了写入的信息。二进制位磁化位(磁化元)3、
5、读操作、读操作 记录有磁化位的磁层高速通过磁头缝隙,与铁心耦合形成 闭合磁路,磁通的变化可在读出线圈感应出电势,经放大 输出1或0的信号。-(d/d)磁表面存储器存取信息的原理是:通过电磁变换,利用磁头写线圈中的脉冲电流,可把一位二进制代码转换成载磁体存储单元的不同剩磁状态;反之,通过磁电变换,可将存储单元的不同剩磁状态转换成不同方向的感应电动势,经读出放大器鉴别后形成二进制信息。(2)磁记录方式)磁记录方式当前最常用的基本编码方式有如下几种,各自的写入电流和磁化强度的波形给出在图当前最常用的基本编码方式有如下几种,各自的写入电流和磁化强度的波形给出在图4.27 中:中:1)归零制(归零制(R
6、Z)这是用向磁头线圈送入正、负脉冲电流的办法执行写这是用向磁头线圈送入正、负脉冲电流的办法执行写1、写、写0操作的方案,使操作的方案,使1和和0信号的磁信号的磁化状态正好相反。它的主要矛盾,是在两个信息位之间磁层处于非磁化状态,难以解决,故不实用,化状态正好相反。它的主要矛盾,是在两个信息位之间磁层处于非磁化状态,难以解决,故不实用,但对理解经过电磁转换在磁性材料中记录二进制信息的原理是有帮助的。但对理解经过电磁转换在磁性材料中记录二进制信息的原理是有帮助的。2)不归零制(不归零制(NRZ)这是用向磁头线圈送入正、反向电流的办法执行写这是用向磁头线圈送入正、反向电流的办法执行写1、写、写0操作
7、的方案,使操作的方案,使1和和0信号的磁化信号的磁化状态正好相反。与前一种方案相比,取消了两个信息位之间磁头线圈中无电流的情况,故磁层中不状态正好相反。与前一种方案相比,取消了两个信息位之间磁头线圈中无电流的情况,故磁层中不存在未被磁化的状态,不是被正向磁化,就是被正向磁化。存在未被磁化的状态,不是被正向磁化,就是被正向磁化。3)见见1就翻的不归零制(就翻的不归零制(NRZ1)这是用在写这是用在写1时就变化磁头线圈中的电流方向(写时就变化磁头线圈中的电流方向(写0则不变电流方向)的办法执行写则不变电流方向)的办法执行写1、写、写0操作的方案。操作的方案。4)调相制(调相制(PM)这是用在磁层中
8、不同的磁化翻转方向来区别数据这是用在磁层中不同的磁化翻转方向来区别数据1和和0的方案,为此,磁头线圈中的电流,的方案,为此,磁头线圈中的电流,在写在写1和写和写0的要朝不同的方向变化,读出时,就表现为读出的信号是正还是负脉冲,即二者的的要朝不同的方向变化,读出时,就表现为读出的信号是正还是负脉冲,即二者的信号相位差为信号相位差为180度。度。5)调频制(调频制(FM)这是用在磁层中不同的磁化翻转次数来区别数据这是用在磁层中不同的磁化翻转次数来区别数据1和和0的方案,记录的方案,记录1比记录比记录0 磁化翻转磁化翻转频率要多一倍。为此,磁头线圈中的电流,在每个位周期起始处要变化一次方向,在写频率
9、要多一倍。为此,磁头线圈中的电流,在每个位周期起始处要变化一次方向,在写1时,还要时,还要在位周期中心处再变化一次方向,而写在位周期中心处再变化一次方向,而写0则不会在位周期中心处变化电流方向。读出时,读出的则不会在位周期中心处变化电流方向。读出时,读出的1信号表现为两个脉冲,读出的信号表现为两个脉冲,读出的0信号表现为一个脉冲。二者的读出脉冲频率差一倍。信号表现为一个脉冲。二者的读出脉冲频率差一倍。6)改进调频制(改进调频制(MFM)正象它的名字指明的,这是对前面讲的调频制一种改进方案,其目的是提高这一方案的编码效正象它的名字指明的,这是对前面讲的调频制一种改进方案,其目的是提高这一方案的编
10、码效率,使其从调频制的率,使其从调频制的50%提高到现在的提高到现在的100%。这一改进表现在取消了在某些位期起始处的变化磁头。这一改进表现在取消了在某些位期起始处的变化磁头线圈中的电流方向的动作,只保留在连续的线圈中的电流方向的动作,只保留在连续的0信号的位期起始处的的电流方向变化,以便保证该编信号的位期起始处的的电流方向变化,以便保证该编码方式的自同步能力。码方式的自同步能力。图图4.27 不同纪录方式的写入脉冲和磁化强度波形图不同纪录方式的写入脉冲和磁化强度波形图作业:作业:1。设写入代码为。设写入代码为11011001,试画出,试画出RZ、NRZ、NRZ1,PE、FM、MFM的写电流波
11、形,指出哪些有自同步能力。的写电流波形,指出哪些有自同步能力。2。设写入磁盘存储器的。设写入磁盘存储器的数据代码为数据代码为001101,试用,试用NRZ1制记录制记录方式画出写入电流、记录介质磁化状态、读出信号、整流及选通方式画出写入电流、记录介质磁化状态、读出信号、整流及选通输出各信号波形图。输出各信号波形图。磁盘设备的组成与运行原理磁盘设备的组成与运行原理磁盘设备是计算机系统中最主要的外存设备,也是计算机外围设备中,在提高性能、降低成本两个磁盘设备是计算机系统中最主要的外存设备,也是计算机外围设备中,在提高性能、降低成本两个方面取得骄人成绩的最典型的设备。目前使用最多最广的是硬磁盘方面取
12、得骄人成绩的最典型的设备。目前使用最多最广的是硬磁盘(以温彻斯特磁盘为代表,简称温以温彻斯特磁盘为代表,简称温盘盘)和软磁盘和软磁盘(以以3“软磁盘为代表软磁盘为代表)两种类型。两种类型。硬磁盘存储容量大,读写速度快,普及型产品价格也不是很贵,是计算机系统中的主流外存设备;硬磁盘存储容量大,读写速度快,普及型产品价格也不是很贵,是计算机系统中的主流外存设备;软磁盘的特点则与硬磁盘恰好相反,它的存储容量小,读写速度慢,但价格相对很便宜,被配置在软磁盘的特点则与硬磁盘恰好相反,它的存储容量小,读写速度慢,但价格相对很便宜,被配置在几乎所有的微、小型计算机中,更多的情况是用于脱机保存计算机文件和在不
13、同计算机系统之间完几乎所有的微、小型计算机中,更多的情况是用于脱机保存计算机文件和在不同计算机系统之间完成文件拷贝,很少作为计算机系统中联机运行所使用的外存设备成文件拷贝,很少作为计算机系统中联机运行所使用的外存设备磁盘设备,通常可以被理解为有以下三个组成部分:磁盘设备,通常可以被理解为有以下三个组成部分:(1)磁盘驱动器,又称磁盘机,通常是一个完整独立的设备,包括作为磁记录介质使用的磁盘和驱动磁盘驱动器,又称磁盘机,通常是一个完整独立的设备,包括作为磁记录介质使用的磁盘和驱动磁盘匀速旋转的动力与驱动部件,完成读写功能的磁头和驱动磁头沿磁盘径向方向运动和准确定位磁盘匀速旋转的动力与驱动部件,完
14、成读写功能的磁头和驱动磁头沿磁盘径向方向运动和准确定位的部件,以及其它一些控制逻电路等部件。的部件,以及其它一些控制逻电路等部件。(2)单独的、可以和磁盘驱动器分开保存的磁记录介质单独的、可以和磁盘驱动器分开保存的磁记录介质(硬磁盘片、磁盘组、软磁盘片等硬磁盘片、磁盘组、软磁盘片等),最典型的情,最典型的情况是软磁盘系统,软磁盘驱动器本身并没有固定好的软磁盘片,所用的软磁盘片通常总是与软磁盘况是软磁盘系统,软磁盘驱动器本身并没有固定好的软磁盘片,所用的软磁盘片通常总是与软磁盘驱动器分开保存的,要使用时,把要用的软磁盘片插入软磁盘机中。其实,在某些硬磁盘系统中,驱动器分开保存的,要使用时,把要用
15、的软磁盘片插入软磁盘机中。其实,在某些硬磁盘系统中,也有把硬磁盘机与硬磁盘片也有把硬磁盘机与硬磁盘片(组组)做成分体结构的,此时称这种用法的磁盘系统为活动盘系统,而把那做成分体结构的,此时称这种用法的磁盘系统为活动盘系统,而把那些盘、机固定合一的磁盘系统称为固定磁盘系统。对活动磁盘系统来说,一个磁盘机可以有非常多些盘、机固定合一的磁盘系统称为固定磁盘系统。对活动磁盘系统来说,一个磁盘机可以有非常多的磁盘片可用,总的存储容量不受太多约束,而固定磁盘系统的最大存储容量,则是由安装上去磁的磁盘片可用,总的存储容量不受太多约束,而固定磁盘系统的最大存储容量,则是由安装上去磁盘片盘片(组组)的存储容量决
16、定的。的存储容量决定的。(3)磁盘接口电路,是插在主机总线插槽中的一块电路卡,用于把磁盘驱动器与计算机主机连接为一磁盘接口电路,是插在主机总线插槽中的一块电路卡,用于把磁盘驱动器与计算机主机连接为一体系统,接收主机发给磁盘的操作命令,实现数据缓冲与格式变换,处理主机与磁盘之间的其它交体系统,接收主机发给磁盘的操作命令,实现数据缓冲与格式变换,处理主机与磁盘之间的其它交互作用与时间上的同步等。一般说来,磁盘机都有自己的控制器系统,但不同的磁盘机,在处理磁互作用与时间上的同步等。一般说来,磁盘机都有自己的控制器系统,但不同的磁盘机,在处理磁盘机本身的控制器与磁盘接口卡之间的功能划分方面,会有一些不
17、同的安排。我们还是更倾向于把盘机本身的控制器与磁盘接口卡之间的功能划分方面,会有一些不同的安排。我们还是更倾向于把磁盘接口卡的名字突出出来,而不是笼统地称其为磁盘控制器磁盘接口卡的名字突出出来,而不是笼统地称其为磁盘控制器(disk controller)。图图4.29 硬磁盘驱动器的一般组成硬磁盘驱动器的一般组成(1)主轴及其驱动系统硬磁盘的盘片(组)被固定(或插入后卡在)磁盘机的主轴上,由主轴带动磁盘匀速旋转,而磁盘机的主轴,则是由一个主电机通过传动皮带带动旋转的。主电机的转速必须被监测和进行自动调节。为保证有正常的读写信号,保证浮动磁盘头与磁盘表面有合理的距离,要求磁盘以一个额定的转速匀
18、速旋转。因此,必须在刚加电启动时,检测磁盘是否已达到额定转速,通常在未达到这一转速之前,可以不允许磁头进入磁盘外沿之内;在磁盘正常旋转的过程中,还可以用一个闭环的自调节系统使其转速尽可能的均匀。1硬磁盘驱动器的组成与功能(1)主轴及其驱动系统(2)磁头及其定位系统(3)数据读写等控制逻辑部分(2)磁头及其定位系统大部分的磁盘系统中,只为每个磁盘面设立一个磁头,为在磁盘径向方向的某个位置(某一磁道)完成读写,必须驱动磁头移到并定位在那里,实现这一功能的部件被称为磁头定位驱动机构,它由磁头小车和驱动部件组成,磁头被安装在小车上,小车的运动带动磁头沿磁盘的径向方向前进或后退。这样的磁盘系统被称为活动
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