B08第7章外部设备-计算机组成与结构-教学课件.ppt

1、第7章 外部设备1第7章 外部设备7.1 外部设备概述7.2 磁记录原理与记录方式7.3 硬磁盘存储器7.4 光盘存储器 第7章 外部设备27.1 外部设备概述n计算机的外部设备是除主机（CPU与主存储器）以外的所有硬设备的统称。7.1.1 外部设备的分类n按照在计算机组成系统中的功能、用途分五类：输入设备输出设备辅助存储器数据通信设备和终端其他广义外部设备 第7章 外部设备3辅助存储器可视为存储系统的一部分，也可视为外部设备。辅助存储器用于存储指令和数据。从多级存储体系的各级分工角度，辅存在功能上是主存的后援和补充，用来存储需联机存储但暂不运行的程序和数据，外存中的程序和数据只有在调入主存后

2、才能被CPU所运行。与主机的连接方式和信息交换方式如同外部设备。辅助存储器（磁表面存储器、光盘存储器）第7章 外部设备47.1.2 外部设备的作用人机对话的通道完成数据媒体变换的设备计算机系统软件和信息的驻在地计算机在各领域应用的桥梁第7章 外部设备57.2 磁记录原理与记录方式7.2.1 磁表面存储器的读/写n磁表面存储器，是在磁头和磁记录介质之间有相对运动时，通过一个电磁转换完成读写操作的。软磁盘存储器（软质载体）硬磁盘存储器（硬质载体）磁带存储器感应式磁头检测磁通量的变化率 磁层、载体MR 磁头检测磁通量，利用磁阻效应（磁通量的大小改变检测元件的电阻值），适合小盘径下高密度的磁信号检测。

3、MR磁头只能做读出磁头用，写入还要用感应式磁头。GMR、OAW（光学辅助温式技术）第7章 外部设备61）写入过程n以电脉冲表示的二进制数字序列转换为介质表面的磁化单元序列。n用于存储信息的磁性材料是一种具有矩形磁滞回线特性的磁性材料。第7章 外部设备72）读出过程n将介质上记录好的磁化单元序列还原为电脉冲序列的过程。dldvndtdnen：磁头读出线圈的匝数：耦合进入磁头的磁通量 l：沿介质表面运动的距离 v：磁头和介质运动的相对速度第7章 外部设备87.2.2 磁表面存储器的技术指标1）存储密度常以道密度和位密度来表示，也可用两者的乘积面密度来表示。磁盘径向单位长度上的磁道数称为道密度，单位

4、为tpi(道/英寸)。单位长度磁道所能记录的二进制信息位数称为位密度或线密度，单位是bpi(位/英寸)。第7章 外部设备92）存储容量格式化容量按照某种特定的记录格式所能够存储信息的总量，也就是用户真正可以使用的容量。非格式化容量磁记录表面可以利用的磁化单元总数。第7章 外部设备103）平均存取时间（平均寻址时间）包括两个部分：寻道时间：磁头沿磁盘的径向运动到目标磁道的时间（又称驱动定位时间）等待时间：在目标磁道上等待磁盘被读写区段旋转到磁头下面的时间在可动头磁盘驱动器中，磁头移动一道所需要的最小寻道时间和磁头移动最大磁道数所需要的最大寻道时间的平均值称为平均寻道时间。第7章 外部设备11平均

5、存取时间：ts为寻道时间，tw为等待时间2)()(maxminwswsattttT第7章 外部设备124）数据传输率（传送速率）单位时间内可以向主机传送数据的数量，用二进制数的位数或字节数表示。磁盘存储器的数据传输率正比于记录密度和磁盘面通过磁头缝隙处速度。Dr=D5）误码率第7章 外部设备137.2.3 数据磁记录方式n磁记录方式：是一种编码方法，即按什么方案，把一连串的二进制信息变换成存储介质磁层中的一个序列的磁化翻转形式，并且可以容易、可靠地用读写控制电路实现这一转换过程。n常用磁记录方式：归零制（RZ)、不归零制（NRZ)、不归零-1制（NRZ-1)、调相制（PE）、调频制（FM）、改

6、进调频制（MFM）、改进的改进调频制（M2FM）群码制（GCR）、游程长度受限码（RLLC）第7章 外部设备14不归零-1制（NRZ-1）在记录数据时，遇到0 不翻转，遇到1就翻转。2、不 归 零 制（NRZ)n电 流 不 会 回 到 零，而 是 以 电 流 的 正 方 向 来 表 示 1，负 方向 表 示 0。n从 1到 0或 从 0到 1时，电 流 改 变 一 次 方 向，因 而 翻 转 一 次。3、不 归 零-1制（NRZ-1）n在 记 录 数 据 时，遇 到 0 不 翻 转，遇 到 1就 翻 转。NRZNRZ1位位 信信 息息1 0 1 1 1 0 0 0 1第7章 外部设备155、调

7、频制（FM）不论记录0还是记录1，在两个数据之间的边界上(即两个位元的交界面上)，磁头线圈的电流一定改变一次方向；在记录1时磁头线圈中的电流在整个数据位周期中心还要改变一次方向n记录1和记录0的频率是不同的，记录1的频率是记录0的频率两倍。所以这种方式又称为倍频法或双频法（FD）FM位位信信息息1 0 1 1 1 0 0 0 1MFM 不论记录0还是记录1，在两个数据之间的边界上(即两个位元的交界面上)，磁头线圈的电流一定改变一次方向；在记录1时磁头线圈中的电流在整个数据位周期中心还要改变一次方向。调频制（FM）第7章 外部设备16改进调频制（MFM）记录0信息时，不改变磁头线圈电流的方向，但

8、是，在连续两个0信息之间使磁层翻转一次；记录1信息时，在1信息宽度的中间位置使磁层翻转。5、调频制（FM）不论记录0还是记录1，在两个数据之间的边界上(即两个位元的交界面上)，磁头线圈的电流一定改变一次方向；在记录1时磁头线圈中的电流在整个数据位周期中心还要改变一次方向n记录1和记录0的频率是不同的，记录1的频率是记录0的频率两倍。所以这种方式又称为倍频法或双频法（FD）FM位位信信息息1 0 1 1 1 0 0 0 1MFM第7章 外部设备17编码前的一串数据称为数据序列，表示它们的编码叫记录序列。GCR（4/5）把数据序列中数据每4 位编成一组，用5 位编码来表示。记录序列中不会出现3个或

9、更多的连续“0”。记录序列按不归零-1制翻转。群码制 GCR（4/5）第7章 外部设备18游程长度受限码（RLLC）将计算机输出的数据序列转换成具有一定磁化翻转形式的记录序列称为编码，记录序列中的“0”和“1”的个数作一定的限制，由此形成了游程长度受限码(RLLC)理论。连续 N个“1”或“0”构成的数据串，称为长度为 N的游程。例如：10001中“0”的游程长度为300110中“1”的游程长度为2RLLC理论的目的是实现高密度存储和具有较强的自同步能力。第7章 外部设备197.3 硬盘存储器7.3.1 硬盘存储器的种类n根据磁头的工作方式分类固定头硬盘、活动头硬盘n根据磁盘是否可换分类固定盘

10、存储器、可换盘存储器n采用温彻斯特(Winchester)技术制成的硬盘，称为“温盘”，它是硬盘的第四代产品，是一种活动头固定盘片的存储器。n硬盘存储器由硬盘驱动器和硬盘控制器组成。第7章 外部设备207.3.2 硬盘驱动器n温彻斯特技术的关键是采用全封闭头、盘组件，将磁头、盘片组、定位机构、主轴电机、读/写电路组件及位置传感器等全密封在一个盘盒内组成一个整体，该整体统称为硬盘驱动器。n硬盘驱动器的主要组成：盘片组、磁头、定位驱动系统、主轴系统和数据控制系统第7章 外部设备211）盘片组保护面保护面磁头小车带动读/写磁头沿圆盘片的径向移动记录面第7章 外部设备22硬盘的信息分布记录面（Side

11、）硬盘的每一个记录盘面有一个面号，在硬盘系统中，盘面号又叫磁头号。磁道（Track）硬盘在格式化时被划分成许多同心圆，同心圆轨迹叫做磁道。磁道从外向内自0开始顺序编号。第7章 外部设备23圆柱面（Cylinder）硬盘各记录盘面相同磁道号的磁道组成的圆柱面。柱面号即对应的磁道号。在一般情况下，硬盘的逻辑盘的容量划分时，往往用柱面数而不用磁道数。分配文件的硬盘空间按柱面顺序进行，即某一面的一个磁道用完后转向下一盘面的同一磁道。第7章 外部设备24扇区（Sector）每一个磁道是一个圆环，再把该圆环分成若干等分，每一等分就是磁盘存取数据的基本单位，叫做扇区。容量硬盘的容量由盘面数、柱面数和扇区数决

12、定，其计算公式为：容量=盘面数柱面数扇区数512字节第7章 外部设备25磁盘地址驱动器号柱面号(道号)记录面号(头号)扇区号(段号)第7章 外部设备262）磁头定位驱动系统在可动头磁盘驱动器中，磁头定位系统驱动磁头沿磁盘径向位置运动以寻找目标磁道位置。在磁盘中采用的磁头定位驱动系统有两种类型：步进电机驱动和音圈电机驱动。第7章 外部设备27音圈电机驱动音圈电机是一种由线圈产生的磁场与固定的磁场发生作用而动作的电机，它可以直接驱动磁头作直线运动。定位控制可分粗控和精控两个阶段。粗控是使磁头小车以最快的速度从现行位置移动到目标位置，磁头随之移至目标磁道上，在磁头移动过程中，利用速度检测器反馈回来的

13、速度信号，定位系统不断地修正磁头移动的速度。精控是当磁头已移到目标磁道上，但是还没有到达磁道中心位置时，根据反馈回来的位置信号，控制磁头定位在磁道的中心位置上。第7章 外部设备28第7章 外部设备297.3.3 硬盘控制器第7章 外部设备30n磁盘控制器与驱动器之间的任务分工没有明确的界线，不同的接口标准各自承担的任务不同。n常用的接口标准有IDE和SCSI。n除改进型接口标准的向下兼容外，使用不同接口标准的硬盘是不能互换的。第7章 外部设备317.3.4 磁盘阵列存储器n磁盘冗余磁盘阵列 RAID（Redundant Array of Inexpensive Disk）是利用若干个小型硬盘驱

14、动器加上阵列控制器组成一个外存储子系统，通过多个驱动器的并行处理、独立存取及增加数据的冗余来提高总体的性能和可靠性。n设计磁盘阵列存储器在工业上通过一个称为RAID的标准方案。RAID方案分为7级（RAID0级-RAID6级）n级不是简单的层次关系，而是表示不同的设计结构。第7章 外部设备32把一个文件的数据分成容量相等的“块”，每一块交替地分别写到不同的物理磁盘的几个扇区中去，这种处理叫数据散放（条带化）。1）RAID0级-条带化、无冗余第7章 外部设备33优点使几个磁盘合起来有单机容量的N倍，让多个物理磁盘并发读写，提高数据输入/输出的吞吐率。缺点没有采取任何容错措施，无容错能力。第7章

15、外部设备342）RAID1级-条带化、镜像把相同的数据写到配对使用的两个磁盘中去，称磁盘镜像。写操作是对两个磁盘同时进行的，不会降低写入速度；读出时可由包含请求数据的两个磁盘中的某一个提供；当一个磁盘损坏时从第2个磁盘读取。第7章 外部设备35优点当一个磁盘损坏时仍能从第2个磁盘读取数据。缺点镜像磁盘总存储容量的有效利用率只有50%。第7章 外部设备363）RAID2级-并行处理、位交叉海明校验采用小数据条带，一般为位或一个字节或一个字。并行处理：当并行存取阵列时，所有磁盘成员都参加每一个I/O请求的执行，各驱动器的轴是同步旋转的，每个磁头在任务时刻都在同一位置。并行处理适用于高速数据传输。b

16、0b1b2b3f0(b)f1(b)f2(b)第7章 外部设备37通过各个数据盘上的相应位计算校验码，编码位存储在多个校验盘的对应位。设阵列内有G个数据盘则所需校验盘数C需满足：2CG+C+1例如G=4，则C=3。由于需要多个校验盘，RAID2容量利用率不高，且系统较复杂。第7章 外部设备384）RAID3级-并行处理、位交叉奇偶校验与RAID2不同的是不用海明码而用奇偶纠错，只用一个校验盘。通过各个数据盘上的相应位计算奇偶校验位写到冗余盘上。b0b1b2b3p(b)第7章 外部设备39 当某一驱动器损坏替换一新驱动器时可以重构数据恢复操作。X4(I)=X3(I)X2(I)X1(I)X0(I)X

17、4(I)X1(I)X4(I)=X3(I)X2(I)X1(I)X0(I)X1(I)X4(I)X1(I)=X4(I)X3(I)X2(I)X0(I)第7章 外部设备405）RAID4级-独立存取、块交叉奇偶校验采用较大数据条带，在扇区级进行数据交叉。独立存取：阵列中每个磁盘成员的操作是独立的，各个I/O请求能够并行处理。更适用于高速I/O请求的应用。通过各个数据盘上的相应条带来逐位计算它们的奇偶校验值，最终形成一个由奇偶校验值组成的条带写入校验磁盘。N个数据盘只需一个校验磁盘。第7章 外部设备41优点提供了容错能力，即N+1个磁盘中的任何一个出现故障，都不会造成丢失数据的问题；存储容量的有效利用率为

18、N/(N+1)。缺点每一次写操作必然涉及到校验磁盘，因此它成为一个瓶颈。第7章 外部设备42对于写操作只在一个条带上运行需要进行读修改写。例如：写操作只在X1盘的一个条带上。X4(I)=X3(I)X2(I)X1(I)X0(I)X4(I)=X3(I)X2(I)X1(I)X0(I)=X3(I)X2(I)X1(I)X0(I)X1(I)X1(I)=X4(I)X1(I)X1(I)块4块5块6块7p(4-7)块0块1块2块3P(0-3)第7章 外部设备436）RAID5级-独立存取、块交叉分布奇偶校验对RAID4的改进，不再区分N个存储数据的磁盘和另外一个专用的奇偶校验磁盘，把N+1个磁盘同等对待，都用于

19、存放数据和奇偶校验信息，在同一个物理盘中，数据和奇偶校验信息是以不同条带的形式体现出来的，这称为分布式数据保护。块4块5块6p(4-7)块0块1块2块3P(0-3)块7块8块9块10块11p(8-11)第7章 外部设备447）RAID6级-独立存取、块交叉双分布奇偶校验与RAID5不同的是有双维奇偶校验，有两个校验盘，可纠正2个盘同时出错的情况。每次写操作需要对三个驱动器（一个数据盘、二个校验盘）访问两次。块4块5块6p(4-7)块0块1块2块3P(0-3)块7块8块9块10块11p(8-11)Q(0-3)Q(4-7)Q(8-11)第7章 外部设备457.3.5 磁盘参数的计算n例1：设有一个

20、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，道密度为100TPI，最大位密度为1000bpi，转速为2400r/min，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。n解：每一个记录面的磁道数：N=5in*100道/in=500道最内圈磁道的周长：L=*（18-2*5）in=25.12in该盘组的容量(非格式化)=最大位密度*最内圈磁道的周长*总磁道数=1000b/in*25.12in/道*500*20=251.2*106b第7章 外部设备46n磁盘转一周的时间：t=1/2400*60=25（ms）数据传送率：Dr=每一道的容量/转一周

21、的时间=1000*25.12/25*103=1.0048*106(b/s)=0.1256(MB/s)平均存取时间：Ta=(0+0.2*499)/2+(0+25)/2=60(ms)第7章 外部设备47n例2：设某磁盘有两个记录面，存储区内直径为2.36in，外直径为5in，道密度为1250TPI，内直径处的位密度为52400bpi，转速为2400rpm。求：1）每面有多少磁道，每磁道能存储多少字节？2）数据传输率是多少？3）设寻道时间在10ms到40ms之间，在一个磁道上写上8KB数据，平均需要多少时间？n解：1）Dcylinder=1250TPI，Dbit=52400bpi，Dimi=2.36

22、in，Dimo=5in每一个记录面的磁道数：N=Dcylindet*（Dimo-Dimi）/2=1650每道存储字节数：Num=2 Ri*Dbit=*Dimi*Dbit/8=48562字节第7章 外部设备48n2）n=2400rpm=2400/60，数据传输率：Dr=n*Num=2400/60*485621.94（MB/s）n3）平均需要时间：Ta=Ts+Tw+Tread=(10+40)/2+1/（2400/60）*0.5+(8*1024)/(1.94*106)*103=41.7ms第7章 外部设备497.4 光盘存储器n光盘存储器是从激光视频唱片(VD)和激光数字音频唱片(CD)基础上发展起

23、来的，它采用了光学存储技术，用光学原理读写信息。n光盘存储器的记录密度高、存储容量大且可靠性高。第7章 外部设备507.4.1 光盘的种类及盘片结构1）光盘的种类n根据性能和用途不同可分为：只读型光盘(CD-ROM)只写一次型光盘(WORM)可擦写光盘(Rewriteable)CD-R、CD-RW可擦写型光盘主要包括相变型和光磁型。DVD-RAM是一种采用相变技术实现可反复重写（擦写）型DVD光盘存储器 光磁盘（MO）第7章 外部设备512）光盘盘片圆盘状的基体采用树酯制成光盘盘片分为三层结构n铝膜（铝质反射层镀有记录介质）上烧有凹坑，表示二进制1信息。第7章 外部设备52n光盘存储器的数据记

24、录格式与磁盘相近。n按盘面径向划分若干光道，每道在圆周方向划分成若干扇区。磁盘：同心环磁道结构每扇区数据区通常是512字节光盘：螺旋型光道结构光盘每扇区数据区常可固定为2048字节地址信息以分：秒：分秒的格式来表示光盘光道的起止点从内到外第7章 外部设备537.4.2 光盘读/写原理1）形变型光盘（只写一次型）n写入：光斑照射在光盘记录薄膜上，使照射区加热、熔化并蒸发，在记录介质上留下一个小凹坑，即记录了一个1信息；写0时不发激光束，不形成光斑，因而记录介质上不出现小坑。n读出：激光器输出低功率的读出光束，该光束经光学系统处理形成光斑扫描光盘片，由于功率小，不会使被照射的记录介质发生形变。当光

25、斑照射到凹坑时，光束直接射向反射层，产生强反射光。反射光经光学系统处理后与入射光分离，再经数据光检测器转换为1信息。当光斑照射到无凹坑处时，因记录层存在，所产生的反射光较弱，经光检测转换为0信息。第7章 外部设备542）相变型光盘n相变型光盘是利用晶相结构的可逆性变化而制成的一种可改定型光盘。n写入：形成的光斑照射在记录介质上，使照射区加热，晶粒直径变大，由于照射时间极短，大晶粒不回缩而被保持，即记录1信息；无光斑照射处晶粒大小不变，即记录0信息。n读出：读出光束形成的低功率光斑扫描光盘，因大晶粒和小晶粒的光反射率不同，经光检测器即可识别读出的1或0信息。n擦除：使记录区退火，晶粒恢复原结晶状

26、态。第7章 外部设备553）磁光盘n磁光盘以磁性材料为记录介质，利用热磁效应写入，利用法拉弟效应或克尔效应读出信息，通过恢复原有磁化状态擦除。n初始状态：在记录介质表面加某一方向的强磁场，使记录介质呈一个磁化方向。n写入：光斑照射介质，被照射区的介质因温度上升，矫顽力下降（热磁效应），在外加反向磁场的作用下发生磁通翻转，使该处的磁化方向与初始状态相反；无光斑照射，矫顽力不变，磁记录材料外加的磁场不能使它翻转，所以仍保持初始磁化方向。磁化方向改变即记录1信息，不变即记录0信息。第7章 外部设备56n读出：光的偏正方向与磁化方向有关，适当安置光检偏器的角度，使记录1处的偏正光可通过检偏器；记录0处

27、的偏正光不能通过，可以识别0或1信息。n法拉弟效应：光检偏器检测穿过记录介质后激光束的偏振面来确定介质的磁化方向；n克尔效应：光检偏器检测反射光束偏振的方向，确定介质的磁化方向。n多数磁光盘采用克尔效应，但为提高读取数据的可靠性，也有将二者结合使用。n擦除：重新用大功率光斑照射，外加与写入时反向的一定强度的磁场，使磁通翻转，恢复原磁化方向。第7章 外部设备577.4.3 光盘存储器组成n光盘存储器由盘片、驱动器、控制器组成。n光驱与控制器没有严格界线，一般组成一体，它们与主机连接时接口部件所采用的逻辑部件和接口标准与硬盘相同。nIDE和SCSI标准的光驱不能互换。第7章 外部设备58n光驱有读

28、/写头(光头)、主轴驱动机构、数据处理系统、寻道定位机构。光头由光学系统、激光器和定位检测器构成，光头安装在平台或小车上，以便在径向移动。主轴电机带动光盘旋转，若主轴电机采用恒线速度转动，它的转速随定位检测信号进行调整，由旋转编码器产生控制信号进行控制。数据处理系统主要完成与主机的数据交换并进行数据的编码、解码、容错处理。第7章 外部设备59寻道定位机构主要包括：聚焦伺服系统和径向跟踪伺服系统聚焦伺服系统通过位置光检测器产生聚焦伺服信号控制光头的伺服电机，使光头的物镜上下移动，把激光对焦在光盘片的信息层上。径向跟踪伺服系统通过位置光检测器产生跟踪伺服信号调节跟踪反射镜使光中心与光道中心吻合（精

29、控）粗控：高速机械运动寻道第7章 外部设备60光斑在光盘中心的信息层上，光盘旋转，光斑在光道上使形成串行的记录信息或记录信息被串行的读出。第7章 外部设备617.4.3 光盘存储器的主要性能指标n数据传输率n旋转速度n存取时间n数据缓冲区第7章 外部设备62旋转速度旋转速度是盘片随主轴转动的速度。光盘主轴转动有三种方式：线速度恒定(CLV)角速度恒定(CAV)局部角速度恒定(PCAV)第7章 外部设备63线速度恒定整个盘面的面密度可恒定设置，存储容量得到最佳利用，即盘片外沿的光道信息容量大，若使数据传输率保持不变，必须保持恒定的线速度，即从内侧到外侧径向扫描信息过程中，光盘的旋转速度减少。低于

30、12倍速的光驱使用CLV技术。第7章 外部设备64角速度恒定光盘的旋转速度保持恒定，主轴的恒速可提高驱动电机的使用寿命。若数据传输率恒定时，每条光道所存储的信息量相同，故存储容量得不到充分利用。若采用设置面密度恒定，使得光盘上的内沿数据比外沿数据传输速度要低。采用CAV技术的光驱所标称的倍速，指的是最外侧的数据传输率，即最大传输率。第7章 外部设备65区域角速度恒定结合了CLV和CAV的优点，在读取外沿数据采用CLV技术，在读取内沿数据采用CAV技术，提高整体数据传输的速度。20倍速以上的光驱大都采用PCAV方式。第7章 外部设备66本章知识点n外部设备的分类及作用。n磁表面存储器的读/写过程；磁表面存储器的技术指标；数据磁记录方式：不归零1制（NRZ1)、调频制（FM）、改进调频制（MFM）、群码制（GCR）、游程长度受限码（RLLC）。n硬盘存储器的种类、硬盘驱动器、硬盘控制器、磁盘阵列存储器7级方案、磁盘参数的计算。n光盘的种类及盘片结构、光盘读/写原理、光盘存储器的主要性能指标。