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接口第八章1你现在浏览的是第一页，共69页本章学习目标本章学习目标了解外部存储器，主要是软盘驱动器、硬盘驱动器和光盘驱动器的读写原理和内部结构。1数据磁记录方式数据磁记录方式 熟悉归零制、不归零制、调频制、改进调频制和改进的改进调频制的定义以及各种不同编码方式的特点、2外存储器接口外存储器接口 了解硬盘接口的工作方式，主要应掌握中期、后期硬盘接口的改进和特点，了解 SCSI 接口的总线标准。3软盘驱动器软盘驱动器 了解软盘驱动器的读写控制方式、82077AA 控制芯片的结构、控制信号的产生方式，光磁软盘的工作方式。4硬盘驱动器硬盘驱动器 了解硬盘驱动器的基本结构、硬盘的温彻斯特技术。熟悉磁盘阵列技术的优点以及磁盘阵列的冗余结构。5光盘驱动器光盘驱动器 了解各类光盘的特点以及光驱的数据读写原理。通过本章的学习，应对外存储器的基本功能、结构、工作方式有一定的理解。2你现在浏览的是第二页，共69页81 数据磁记录方式和编码技术数据磁记录方式和编码技术常用的外存储器有磁盘、磁带和光盘，它们利用磁介质和光介质存储信息。811 数据磁记录方式数据磁记录方式涂有磁性材料的塑料或金属为磁性载体，软磁盘使用聚碳酸脂材料记录信息，硬磁盘使用合金铝或玻璃钢记录信息。磁磁性性载载体体上上的的磁磁层层沿沿磁磁头头相相对对运运动动方方向向形形成成记记录录信信息息的的路路径径，称称为为磁磁道道，二二进进制制信信息息串串形形排排列列在在每每个个磁磁道道上上。把待写入的二进制信息变成写电流脉冲序列，加在磁头线圈中产生不同方向的磁场，对磁性介质进行不同方向的磁化，写入信息 0 和 信息 1。数据磁记录方式是指利用某种规律将二进制信息转换成介质磁层相应的磁化翻转方式。为提高存储密度、存储容量和存储速度，相继推出各种数据磁记录编码，选择不同的记录方式可获得不同的效果。3你现在浏览的是第三页，共69页812 数据磁记录编码技术数据磁记录编码技术磁表面记录的信息是一系列的数据串。在非编码记录中，数据串为有效数据，在编码记录中，数据串中包含有效数据和同步时钟。对数据系列和时钟序列进行编码，产生不同的磁记录方式。1归零制归零制 RZ归零制：用脉冲的正、负表示二进制信息 1 和 0。写 1 时为正脉冲，写 0 时为负脉冲，写下一信息前电流波形归零。改进归零制：用脉冲的有、无表示二进制信息 1 和 0。写 1 时为正脉冲，写 0 时无脉冲。其特点是记录中每个数据位都对应一个脉冲电平，即正、负或零电平。无数据脉冲时磁头无电流，因此功耗小，但记录密度低。2不归零制不归零制 不归零制 NRZ：写 1 时为正向电流，写 0 时为负向电流，记录信息时电流总不归零。4你现在浏览的是第四页，共69页812 数据磁记录编码技术数据磁记录编码技术 逢 1 翻转不归零制 NRZ I：二进制位为 1 时翻转，为 0 时不翻转。异码翻转不归零制 NRZ C：相邻二进制位不相同时翻转。不归零制的优点是翻转次数少，每位最多翻转一次，编码效率 100%，但磁头中总存在电流，功耗较大。3FM 制编码方式制编码方式FM 为调频制，它将数据系列与时钟序列叠加后再采用改进归零制方式进行编码，为 1 时有脉冲，为 0 时无脉冲。FM 编码中，每个位单元的起始位置是时钟位，时钟位永远为 1，出现脉冲。位单元的中线位置是数据位，为 1 时有脉冲，为 0 时无脉冲。在 FM 编码中，数据 1 与数据 0 对应的脉冲频率不同，用脉冲频率区分数据 0 或 1，记录数据 1 比记录数据 0 的频率快 2 倍。该方法又被称为倍频制或双频制。5你现在浏览的是第五页，共69页812 数据磁记录编码技术数据磁记录编码技术FM 编码中，对对应应每每个个数数据据位位至至少少磁磁化化翻翻转转一一次次，最最多多翻翻转转二二次次，故编码效率为故编码效率为 50%。FM 具有很强的自同步能力，但存储密度较低。4MFM 制编码方式制编码方式改进调频制，仅在相邻两个数据位均为 0 时才插入时钟脉冲。这样可减少磁翻转次数，对应每个数据位最多磁化翻转一次，编码效率为对应每个数据位最多磁化翻转一次，编码效率为 100%，可提高存储密度。MFM 制编码方式有 3 种编码频率，分别对应磁化翻转周期 T 0、1.5 T 0、2 T 0，所以又称为 3 频制。5M 2 FM 制编码方式制编码方式改进的改进调频制，与 MFM 的区别在于仅当连续 0 的数目大于等于 2 时，在头两个 0 之间插入同步脉冲，以后每隔两个 0 在下一个 0 的起始位置插入同步脉冲。M 2 FM 制编码方式有 4 种编码频率，分别对应磁化翻转周期 T 0、1.5 T 0、2 T 0、2.5T 0，所以又称为 4 频制。其优点是改善了带宽、信噪比，编码效率为 100%，缺点是自同步能力差。6你现在浏览的是第六页，共69页6GCR（4/5）编码方式）编码方式一种成组编码方式。将数据位每 4 位分为 1 组，变换成 5 位记录序列。每组或各组连接后的序列不允许出现 2 个以上 0，由 5 位产生的 32 种序列中有 17 种满足要求，取其中 16 种与 16 种数据位的组合一一对应。GCR 也属于不归零制，编码效率为 80%，有一定自同步能力。7（d，k）RLL 编码方式编码方式游程长度受限码，是使记录序列中两个“1”之间“0”的个数受限制的编码。其中 d 表示两个“1”之间需要插入“0”的的最少个数，k 表示两个“1”之间需要插入“0”的的最多个数。RLL 编码中的 d 确定磁化翻转最小时间间隔，即磁介质记录密度，k 决定自同步时钟信号定时精度。为减少脉冲拥挤效应，在磁盘写电路中，采用预补偿方式，在磁盘中设置写电流补偿柱面，补偿柱面内、外用不同的电流脉冲。812 数据磁记录编码技术数据磁记录编码技术7你现在浏览的是第七页，共69页8各记录方式的特点各记录方式的特点RZ 特点：记录中每个数据位都对应一个脉冲电平，即正、负或零电平。无数据脉冲时磁头无电流，因此功耗小，但记录密度低。NRZ 特点：翻转次数少，每位最多翻转一次，编码效率每位最多翻转一次，编码效率 100%，抗干扰性能较好。但磁头中总存在电流，功耗较大。FM 特点：对应每个数据位最多翻转二次，编码效率对应每个数据位最多翻转二次，编码效率 50%，具有自同步能力，但存储密度低，通常用于低密度磁盘存储器，如软盘。MFM 特点：对应每个数据位最多翻转一次，编码效率为对应每个数据位最多翻转一次，编码效率为 100%，存储密度较高，通常用于中密度磁盘存储器，如早期硬盘。M 2 FM 特点：改善了带宽、信噪比，编码效率为 100%，缺点是自同步能力差，通常用于高密度磁盘存储器，如近期硬盘。812 数据磁记录编码技术数据磁记录编码技术8你现在浏览的是第八页，共69页9记录方式的评价记录方式的评价 编码效率是指位密度与最大磁化翻转密度之比，也就是指每次磁层状态翻转所存储的数据信息位的多少。自同步能力是指从读出数据（脉冲序列）中自动提取同步信号（时间基准信号）的能力。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 R 来衡量。R 越大，自同步能力越高。检读分辨力是指磁记录系统对读出信号的分辨能力。信息相关性是指漏读或错读一位是否会传播误码，所以是衡量精度的指标。812 数据磁记录编码技术数据磁记录编码技术9你现在浏览的是第九页，共69页82 外部存储器接口标准外部存储器接口标准主机与外存进行数据通信时需遵从某种接口标准。主机与适配器之间通过系统总线连接，适配器与控制器之间通过系统级接口连接，而控制器与设备之间通过设备级接口连接。821 ST506/412 接口接口 希捷公司早期推出 ST506/412 硬盘接口，数据传输率 5MB/s，主要用于 5.25 英寸温盘。该接口采用两组电缆线，其中一组传输数据，电缆宽度为 20 线，另外一组传送控制信号，电缆宽度为 34 线。ST506/412 接口分为菊花链式连接和星型连接两种方式，最多连接 4 个硬盘。菊花链式连接仅需一组电缆（两根），各硬盘用盘上的选择跳线 DS0 DS3 区分，连接时，最远的一个硬盘上必须加装终端匹配电阻。星型连接需四组电缆，每个硬盘也必须编号，它们仅响应所连接电缆的控制信号，每个硬盘上都必须加装终端匹配电阻。10你现在浏览的是第十页，共69页821 ST506/412 接口接口ST506 /412 接口最多支持 16 个记录面，采用 MFM 编码，支持 10Kb/英寸以下位密度。它的硬盘信号编码器位于控制器一端，通过 MFM 编码后的模拟信号通过硬盘数据连线传送。由于模拟信号传输失真较大，因此难以保证模拟信号传送的抗干扰性能。822 ESDI 接口接口ESDI 接口是 ST 506 接口的一种增强方式，其接口方式与 ST 506 相似，最高数据传输率为 15MB/s，可靠性较高。它的硬盘信号编码器位于驱动器一端，采用 NRZ 编码，具有较强的抗干扰能力。ESDI 支持步进和串行两种工作方式。步进工作方式与 ST 506/412 相同，串行工作方式是为具有闭环伺服系统和音圈电机执行机构的驱动器设计的，它能连接更多智能设备和更高性能设备，最多支持 7 个设备。11你现在浏览的是第十一页，共69页823 IDE 接口接口1IDE 接口接口IDE 接口使用了美国国家标准协会 ATA 指定的标准，称为 ATA IDE 接口或简称 ATA 接口。它采用一体化方式，将控制器与驱动器集成在一起，采用单 40 芯电缆线连接，解决了早期接口的许多弊病。早期 IDE 接口位于适配器上，微机发展过程中陆续推出 ISA 多功能卡和 VESA多功能卡，卡上带有 1 2 个 IDE 接口，一个 IDE 接口可同时连接两个硬盘。IDE 接口连接硬盘最大容量 504MB，最大数据传输率 8.3MB/s，在 486 后期对 IDE 进行改进，推出 EIDE 接口。2EIDE 接口接口EIDE 为增强 IDE 接口，与 IDE 接口相比，有以下优点：提高数据传输率。在 PIO 模式下，接口最大数据传输率为 16.6 MB/s。后期推出 Ultra DMA 模式，最高数据传输率达 133 MB/s。12你现在浏览的是第十二页，共69页823 IDE 接口接口 增加了硬盘容量。IDE 硬盘容量受 BIOS 和 IDE 接口共同限制（见表 8.3），采用硬盘物理参数 HCS（磁头、柱面、扇区），最大硬盘容量为 磁头数 16柱面数 1024扇区数 63扇区容量 512=504MB。EIDE 采用自动转换方式，将 IDE HCS 方式转换成 IDE LBA（逻辑块地址）方式，最大硬盘容量为 255102463512=8.4GB。可设定块传输模式，一次传送多个扇区。减少 CPU 中断处理操作，降低了硬盘对 CPU 的占用率。可连接设备数量较多，它提供 2 个通道（IDE 0 和 IDE 1），每个通道可连接 2 个设备，最多可连接 4 个 IDE 设备。提供信息包接口 ATAPI（ATA Packet Interface），可支持其他外部设备，如标准 CD ROM 光驱和内置磁带机。开机自检后运行驱动程序，BIOS 可识别 ATAPI 设备，数据传送可通过 DMA 或 PIO 方式进行，采用哪种方式取决于 ATAPI 特征寄存器内容。13你现在浏览的是第十三页，共69页824 SATA 接口接口2000 年推出 SATA 接口，用于取代 PATA。SATA 1.0 数据传输率为 150MB/s，SATA 2.0 为 300MB/s，预计 SATA 3.0 为 600MB/s。7 芯信号连接器通过电缆连接。15 芯电源连接器含+12V、+5V 和+3.3V，早期从电源大 D 型插头获得+12V 和+5V，所需的 3.3V 由硬盘上的线性调压器产生，近期可直接连接 SATA 电源插头。SATA 系统连接线可紧贴机箱壁饶行连接硬盘，使机箱内部简洁。点对点传输协议使硬盘不存在主从问题，每个驱动器独享数据带宽。早期无支持 SATA 功能主芯片组，只能使用板载芯片或 PCI SATA 控制卡。控制卡有 SATA150 TX2 Plus(两个 SATA 接口，一个 Ultra DMA 接口)和 SATA150 TX4(4 个 SATA 接口)。后期推出支持 SATA 的主芯片组，如 VIA 公司的 K8T800 主芯片组(北桥为 K8T800，南桥为 VT8237)。在主板上带有两个 SATA 硬盘接口，可直接连接 SATA 硬盘。14你现在浏览的是第十四页，共69页早期 SATA 硬盘没有专用 SATA 控制芯片，这种硬盘称为“非原生硬盘”，为了支持串行传送，在硬盘上加装串/并转换桥接器(88i8830)。88i8830 接口速率最高为 133MB/s，因此即使 SATA 数据传输率为 150KB/s，实际数据传输率也只能达到 133MB/s。后来 Maxtor 推出全球第一款完全支持 SATA 1.0 功能的“原生”SATA 硬盘，它采用先进的 Agere 硬盘控制芯片。通过该芯片，硬盘直接支持 SATA 1.0 所有特性，包括 NCQ(Native Command Queuing)、交错主轴启动、热插拔及异步信号恢复。NCQ 为全速命令排队技术，通过对硬盘内部队列中的命令进行重新排序实现智能数据管理，改善硬盘因机械部件而受到的各种性能制约。NCQ 技术是SATA 规范中的重要组成部分，可提高硬盘多线程应用能力，最多可对 32 个命令进行优化排列以提供最大的吞吐量与系统性能。824 SATA 接口接口15你现在浏览的是第十五页，共69页825 SCSI 接口接口SCSI 为小型计算机系统接口，用并行方式连接适配器和控制器。1SISC 体系结构体系结构在 SCSI 设备中，至少有一个主设备（SCSI 主适配器，插在主机板 I/O 扩展槽上）作为 SCSI 总线与系统总线之间的联络通路。除主设备外，可连接多个外设，如硬盘驱动器、光盘驱动器、内置磁带机等。SCSI 总线具有智能体系结构，总线上的设备分为启动器和目标器，启动器是发出命令的设备，目标器为接受并执行命令的设备。SCSI 总线的操作为双向对等关系，总线上的所有设备可以相互通信。2SCSI 接口总线接口总线由数据 DB7 DB0，奇偶校验 DPB 和控制、状态线组成，以异步或同步方式工作，采用单端传送或差分传送。单端传送为不平衡型，采用 50 芯电缆连接，抗干扰能力差，传送距离近。差分传送为平衡型，采用 68 芯电缆连接，抗干扰能力强，传送距离远。16你现在浏览的是第十六页，共69页825 SCSI 接口接口3SCSI 基本操作基本操作SCSI 总线操作分为 4 个阶段：实现总线设备“规程交换”过程的总线空闲阶段、总线仲裁阶段、选择/重选阶段，以及实现命令、数据、状态和消息传送的 传送阶段。系统初启时进入空闲阶段，再进入仲裁阶段，将设备 ID 号送往适配器，请求总线使用权。仲裁获准的设备控制总线，进入选择阶段，选择与之通信的设备。占用总线的启动器发送目标器的 ID 编号，被选目标器接管总线控制权，进入信息传送阶段，完成 I/O 传送。17你现在浏览的是第十七页，共69页825 SCSI 接口接口重选阶段用于多设备复用 I/O 通道，可提高总线效率。启动器发送命令后释放总线，目标器执行命令，当准备就绪要传送数据和状态时必须再次占用总线，进入重选阶段，发送原启动器的 ID 号与启动器连接，实现信息传送。4SCSI 的高数据传输率的高数据传输率SCSI 在异步和同步传输中都利用 REQ 请求和 应答信号实现数据传输，在启动器和目标器之间可传送命令、数据、状态和消息。在异步传输中，目标器在准备接收命令和准备发送数据时发送 REQ 信号，启动器接收该信号后发送或接收数据并发送 信号，目标器接收命令或发送数据后清除 REQ，启动器确认 REQ 无效后撤消 。在同步传输中，目标器在每个字节发送 REQ 信号，启动器同步发送 信号，并允许两个信号相互超前，从而提高了数据传输率。18你现在浏览的是第十八页，共69页825 SCSI 接口接口5 SCSI 软件软件采用 SCSI 接口的外设具有一定的智能，主机可用标准命令访问外设，与外设的物理属性无关。SCSI 命令为 6 12 字节命令描述块，命令的首字节为操作码，包含 3 位组码和 5 位命令码，第二字节前 3 位为逻辑单元号，剩余位和其他字节表示逻辑块首址、传送长度和参数表长度等。最后一个字节为控制字节，它包含许多标志，可以实现命令链接功能。6SCSI 的发展的发展86 年推出标准 SCSI，94 年推出 SCSI 2，对 SCSI 命令集进行扩充，并增加奇偶校验、总线仲裁、命令队列等功能。使用公用命令集 CCS，改进了 SCSI 的兼容性，增加了用于访问 CD ROM、磁带机及可移动硬盘的命令。19你现在浏览的是第十九页，共69页825 SCSI 接口接口SCSI 有两种总线标准，一种是 8 位 SCSI 总线接口标准，总线线宽 50 线，可连接 8 个设备。另一种是 16 位 SCSI 总线接口标准，又称 Wide SCSI，总线线宽 68 线。可连接 16 个设备。16 位标准 SCSI 比 8 位标准 SCSI 的数据传输率快 1 倍。之后推出 SCSI 3（Ultra SCSI）模式，数据传输速率 40MB/s，主要是提高了总线数据传输率。另外 SCSI 3 还推出串行 SCSI，改并行传输为串行传输，提高了传输距离和传输速度。目前串行 SCSI 主要用于主机之间、磁盘阵列与系统之间接口，以及连接扫描仪、激光打印机等高速设备。后期陆续推出 Ultra 2 SCSI（数据传输速率 80MB/s）、Ultra 160 SCSI（数据传输速率 160MB/s），近期又推出 Ultra 320 SCSI（数据传输速率 320MB/s），进一步提高了总线的数据传输率。20你现在浏览的是第二十页，共69页83 软盘存储器软盘存储器软盘存储器由软盘、驱动器和控制器组成。早期软盘控制器为适配器，插接在 I/O 扩展槽上，后期软盘控制器集成在主板上。831 软盘驱动器软盘驱动器软驱从功能角度可分为主轴电机驱动系统、磁头定位系统和文件读写系统。目前微机上使用的软盘驱动器为 1.44MB 双面盘，磁盘基片采用聚碳酸脂材料制成，上面均匀地涂上一层磁性材料。磁盘装入软驱后，被上、下盘片夹夹住，由主轴电机的旋转带动盘片转动，盘片转速为 300 360 转/分，盘片相对于磁头做水平方向运动。磁头定位系统用于在垂直方向定位磁头，由磁头步进电机、步进电机驱动电路、起始道检测电路组成。读写磁盘时由主机发送寻道命令，将磁头运行至数据所在磁道。00 道检测开关用于定位磁盘起始磁道，起始道称为 00 道。21你现在浏览的是第二十一页，共69页831 软盘驱动器软盘驱动器文件读写系统包括读写磁头和读写电路。磁头由软磁铁和线圈构成。写数据时，磁头上通过不同方向的电流产生不同方向的磁场对磁介质进行不同方向的磁化，写入 0 或 1。读数据时，磁化单元上的磁力线穿越磁头线圈，产生不同方向的感应电动势。磁头对感应电动势的正、负进行判别，识别 0 信号和 1 信号。主轴转盘一侧安放索引检测电路，磁盘每旋转一圈产生一个索引脉冲，标志主轴正常运转，也标志起始扇区。盘片左下角带有写保护窗，软驱上配置写保护电路。当保护窗敞开时光敏三极管导通，标志写保护，禁止写操作；当保护窗封闭时光敏三极管截止，标志写允许，允许写操作。832 软盘控制器软盘控制器 软盘控制器采用专用芯片 82077AA，片内含信号缓冲及接口信号驱动。可支持 4 个软驱，另外它还带有磁带驱动控制电路。22你现在浏览的是第二十二页，共69页832 软盘控制器软盘控制器182077AA 结构结构82077AA 芯片上含 8 位数据总线信号 DB7 DB0、片选 、读、写控制信号 、寄存器选择信号 A2 A0等。芯片数据总线接口设置 16 个字节的 FIFO 缓冲区，当容量达到程控容量限制值时产生中断请求，表明必须进行数据接收或传送。82077AA 自带振荡电路，用于片内电路同步和数据传送脉冲。软盘接口电路包括接口控制、I/O 缓冲、数据分割、串行接口逻辑和预补偿电路。接口控制电路产生软驱与微机接口控制信号。RD DATA 输入串行数据由分割电路接收，经采样后转换为并行数据，存入数据缓冲区，当容量达到程控容量限制值时由 MPU 接收。MPU 向软驱写入数据时通过预补偿电路，再送 WR DATA 信号线。在写入前检测数据位偏移，进行超前或滞后补偿。23你现在浏览的是第二十三页，共69页832 软盘控制器软盘控制器282077AA 引脚信号引脚信号 主机接口信号除数据、地址、片选、读写信号之外，还包含复位 RESET、DMA 请求与应答信号 DRQ、DMA 传送计数结束 TC、非 DMA 中断请求 INT 等。磁盘控制信号与软驱连接的信号。系统可连接 4 个软驱，因此包含主轴电机选通 ME0 ME3、驱动器选择 DS0 DS3。除此之外还包含马达步进 STEP、方向 DIR、写允许 WE、磁盘改变 DC、00 道 TRK0、写保护 WP、索引 INDX、写信号 WRDATA 等。锁相环信号包括读数据 RD DATA 和其他用于数据分割的信号。24你现在浏览的是第二十四页，共69页833 光磁软盘光磁软盘光磁软盘将光学技术与磁记录技术相结合，用磁记录技术读写数据，用光学技术伺服定位。具体做法是在磁道中间加入伺服光道，软盘读写时，由红外发光二极管发射光线照射盘面，利用光道上的发射光束精确定位磁道。光磁软盘优点如下：提高容量，3.5 英寸光磁软盘最大容量为 25MB。兼容性好，可向下兼容，读写普通 720KB、1.44MB 和 2.88MB 软盘。可靠性高，采用光学定位，避免磁头偏移引发故障。传输率高，比普通软盘的传输率快 4 倍，读写速度快 1 倍，格式化快 10 倍。安装使用方便。安装尺寸与 3.5 英寸软驱相同，在机内连接 SCSI 适配器。25你现在浏览的是第二十五页，共69页84 硬盘存储器硬盘存储器硬盘存储器用于存放操作系统和各种软件。微机上常用的硬盘规格为 3.5 英寸、2.5 英寸和 1 英寸，存储容量为 10MB 1TB。841 硬盘驱动器硬盘驱动器1基本结构基本结构由盘片（组）、主轴电机、驱动电路、磁头及定位机构、读/写电路、接口和控制电路组成。硬盘的盘片用合金铝或玻璃钢制成，盘面上覆盖磁介质。加电后主轴电机带动盘片高速运转。磁盘读写时，由磁头定位机构将磁头定位在读写磁道上方，由主轴电机的旋转将读写扇区转至磁头下方，由读写电路通过磁头写入或读出数据，读写原理与软盘读写原理相同。盘片上由外向里等间距划分多个磁道，每个磁道径向划分为多个扇区，不同盘面上的相同磁道组成柱面，不同盘面上的相同扇区组成簇，不同盘面上不同盘面上的相同磁道组成柱面，不同盘面上的相同扇区组成簇，不同盘面上的磁头同时完成对各扇区的并行读写的磁头同时完成对各扇区的并行读写。26你现在浏览的是第二十六页，共69页841 硬盘驱动器硬盘驱动器2温彻斯特（温彻斯特（Winchester）技术）技术将磁头、盘片、主轴电机封装在硬盘盘体内，硬盘工作时盘片在密封的盘体中高速旋转，利用磁头与盘片相对运动形成的空气气垫使磁头飞离盘片表面，悬浮在盘片上方。磁头与盘片不接触，高速旋转时不损伤盘面。磁盘工作时磁头与盘面距离很近，仅 0.4 0.6m，能保证数据读写的准确性。由于采用接触性启停，为防止磁头与盘片相互摩擦损坏盘片，在盘片轴心附近设置停车区，用运行程序或磁头自动锁定技术使开机和关机瞬间磁头位于停车区上，实现对盘片和磁头的保护。由于硬盘使用 Winchester 技术，当时的硬盘被称为温盘。27你现在浏览的是第二十七页，共69页842 硬盘相关信息硬盘相关信息1硬盘相关参数硬盘相关参数 磁头(Heads)硬盘为了提高存储容量，在一个盘体内设置 1 到多个盘片，磁头数量为盘片数2。柱面(Cylinders)硬盘盘面划分为多道，不同盘面的同一物理磁道组成一个柱面。扇区(Sectors)用不同半径将磁道划分为若干个弧段，每个弧段为一个扇区，内含 512 个字节。扇扇区区是是磁磁盘盘文文件件读读、写写的的最最小小单单位位，每每次次访访问问磁磁盘盘都都将将读读、写写一一个个扇扇区区。着陆区(LANDZ)将磁盘数据区之外靠近轴心的环状区域设置为着陆区，硬盘开启和关闭期间磁头位于着陆区，可保护磁头和盘片，避免磨损。28你现在浏览的是第二十八页，共69页842 硬盘相关信息硬盘相关信息 簇(Cluster)簇簇是是磁磁盘盘文文件件空空间间分分配配的的最最小小单单位位，理理论论上上一一个个簇簇为为同同一一柱柱面面上上不不同同盘盘面面的的同同一一个个物物理理扇扇区区。这这种种分分配配方方法法使使得得物物理理定定位位时时间间减减少少，访访问问一一个个簇簇内内的的各各个个扇扇区仅需一次定位区仅需一次定位。簇的大小由文件系统和硬盘分区容量决定。FAT 16 文件系统可管理 216=65536 个簇。FAT 32 文件系统、NTFS(Windows NT 文件系统)可管理 232=4G 个簇。可管理簇号越多，簇的容量就越小，但文件管理的难度就越大。链(Chain)一个文件在磁盘上占用一个到多个簇，其物理位置不一定连续。在 FAT 中仅记录文件首簇的位置，因此在每个簇的最后两个单元存放链接标志，指向后一个簇。第一个簇称为链头，最后一个簇称为链尾，链尾带有结束标志，由簇组成链。每个文件对应一个簇链。29你现在浏览的是第二十九页，共69页842 硬盘相关信息硬盘相关信息2硬盘参数设置硬盘参数设置CMOS 中的硬盘参数设置主要使用前三个参数，即磁头数 Heads、柱面数 Cylinders 和扇区数 Sectors，简称 HCS 参数。CMOS 中的硬盘参数设置在不同时期不一样。早期需参考硬盘封面上的参数标志用人工设置 HCS 物理参数。中期对硬盘进行分类，每种硬盘对应一种类型号，用户按类型进行设置，计算机自动选择对应的参数。后期在 CMOS 设置中加入 AUTO DETECT HDD DRIVE 选项，选中该选项后系统自动检测硬盘逻辑参数，再由人工选择硬盘工作模式即可。当硬盘设置参数与硬盘实际参数不符时，在开机自检时系统将提示硬盘出错信息。30你现在浏览的是第三十页，共69页842 硬盘相关信息硬盘相关信息3硬盘技术指标硬盘技术指标 存储密度道密度 TPI（每英寸可容纳磁道数量）、位密度 bPI（每英寸可容纳二进制位数）、存储密度（每平方英寸可容纳二进制字节数）。存储容量硬盘存储器中字节存储单元的数量，单位 MB 或 GB。硬盘存储容量=512B扇区数柱面数磁头数 平均定位时间包括平均寻道时间（将磁头定位到指定磁道所需时间）和平均等待时间（将指定扇区旋转至磁头下方所需时间）数据传输率分为内部数据传输率（单位时间内从指定扇区读出数据送硬盘缓冲区或从硬盘缓冲区读出数据写入指定扇区的信息数量）和外部数据传输率（单位时间内从硬盘数据缓冲区发送主存或从主存发送硬盘数据缓冲区的信息数量），单位为 KB/s 或 MB/s。31你现在浏览的是第三十一页，共69页843 硬盘控制器硬盘控制器硬盘控制器是主机与硬盘驱动器之间的接口，它接收主机命令，向驱动器发送各种控制信号，并检测驱动器状态，实现硬盘与主机的数据交换。1硬盘控制器的功能硬盘控制器的功能 对主机与硬盘之间传送的数据进行并/串转换和串/并转换。对写数据进行预补偿，减少数据读写错误。对数据进行 ECC 码纠错，对地址进行 CRC 码纠错。控制磁头寻道和扇区定位。控制对硬盘的读写和格式化。具有 DMA 传送数据的能力32你现在浏览的是第三十二页，共69页843 硬盘控制器硬盘控制器2硬盘控制器组成硬盘控制器组成 主机接口接收主机命令、参数和数据，向主机传送命令执行结果。硬盘控制程序位于控制器 ROM BIOS 中，执行 BIOS 程序，实现对驱动器的控制。智能控制电路由微处理器、DMA 控制器、专用控制芯片、RAM 和 ROM 组成。智能控制电路几乎包含控制器的所有功能。驱动器接口由驱动器控制电路（输出驱动）和状态缓冲器（输入缓冲）组成，实现智能电路与驱动器之间的信号连接。33你现在浏览的是第三十三页，共69页844 硬盘存储技术的发展硬盘存储技术的发展微机硬盘经历了 4 个阶段：温盘、IDE PIO 硬盘、EIDE UDMA 硬盘、SATA 硬盘。除此之外，各项技术指标都有显著的提高。1磁头定位磁头定位为精确定位，磁头驱动从步进电机、直流伺服电机到音圈电机，磁头定位从开环控制到闭环控制，磁道定位从嵌入伺服到光伺服。2容量扩充容量扩充提高容量的关键是提高磁头灵敏度。早期硬盘为单磁头。后期采用读、写分离磁头。采用磁阻磁头。在磁场的激励下阻值发生变化，从而可测出磁盘上的磁化翻转，其读出幅度仅与磁化强度有关，适合于读出窄磁道信号。早期温盘存储密度仅为 3MB/平方英寸。中期 IBM 公司推出各项异性磁阻技术 AMR，存储密度为 3GB/平方英寸。后期推出了巨磁阻技术 GMR，存储密度 10GB/平方英寸。目前正在酝酿光学辅助温式技术 OAW，记录密度将提高到 36GB/平方英寸以上。34你现在浏览的是第三十四页，共69页844 硬盘存储技术的发展硬盘存储技术的发展除了在磁头上的更新之外，在磁盘记录材料及处理技术方面也有了突破，使硬盘容量进一步提高。近期硬盘采用最大相似性技术 PRML，运用通信技术上的局部响应原理抑制记录位之间的干扰，避免因脉冲拥挤造成信号干扰，可大幅度提高存储密度。3数据保护数据保护使用自检测、分析及报告技术 S.M.A.R.T，对硬盘潜在的机械故障和电子故障进行预测，可提高数据安全性。S.M.A.R.T 检测对象包括磁头、磁盘、马达、电路等，将被检测对象运行情况与预设安全值进行比较，当测试值大于安全值时自动报警。S.M.A.R.T 无法排除故障，因此在新型硬盘中嵌入数据卫士 DL。硬盘每工作 8 小时启动 DL，检测扇区读写。若扇区数据有误，则重写扇区，再读出校验，仍有错时标志为坏扇区，将数据转存备用扇区。35你现在浏览的是第三十五页，共69页844 硬盘存储技术的发展硬盘存储技术的发展后期又推出各种硬盘保护技术。包括昆腾的 DPS 保护技术，可自动检测硬盘扇区，当系统发生问题时，DPS 可以在 70 秒内自动检测并恢复系统数据。迈拓公司的 Max Safe 保护技术，它可以自动侦测、诊断和修正硬盘故障。希捷公司的 DST 技术，内建在硬盘的固件中，提供数据的自我检测和诊断功能。还有 IBM 公司的 DFT 技术，自动对硬盘进行检测，对错误事件进行登记。4提高速度提高速度提高速度主要采用了两种方法。一种是提高硬盘主轴转速，最早期硬盘转速为 3600 RPM，中、后期普通硬盘转速提高至 5400 RPM 和 7200 RPM，SCSI 硬盘转速提高至 10K RPM 和 15K RPM。另一种是加大硬盘高速缓存容量，由早期的 512KB 增加到 2MB、8MB、16MB。另外，改进接口技术，采用磁盘阵列也可提高硬盘数据传输率。36你现在浏览的是第三十六页，共69页845 磁盘阵列技术磁盘阵列技术冗余廉价磁盘阵列 RAID 通过多个硬盘的协同工作组成磁盘阵列，可提高数据存取的性能和可靠性，其中系统冗余、数据容错和提高存取性能是该技术的核心。1磁盘阵列技术的优点磁盘阵列技术的优点海量存储能力：磁盘阵列由多个硬盘组成，容量可以成倍增加。高可靠性：在阵列中存放校验信息，增加数据传输的可靠性。并行处理：采用数据分块和交叉存储技术，提高数据并行处理能力。写操作时，先将数据分块，再通过多路通道写入阵列；读操作时，数据由各通道进入缓冲区，再进行聚合操作，拼接后传送主机。便于维护：磁盘阵列运行出现故障时，备份盘自动启动，替代故障硬盘工作，并自动恢复数据。采用热插拔方式带电更换故障设备。37你现在浏览的是第三十七页，共69页845 磁盘阵列技术磁盘阵列技术2磁盘阵列的冗余结构磁盘阵列的冗余结构由多个磁盘构成磁盘阵列。为提高可靠性，采用 ECC 纠错、奇偶校验和镜象，将牺牲部分磁盘容量和 I/O 带宽。ECC 纠错用于检测驱动器偶发性可纠数据错误，保证硬盘数据传送的完整性。奇偶校验用于检测不可纠数据错误，通过校验盘上的奇偶信息和其他数据盘数据信息再生正确数据，防止数据丢失。镜象盘又称热备份，当驱动器出现永久故障时，磁盘阵列可自动进行替换登记，并启动备份盘，将再生的故障盘数据写入备份盘。3磁盘阵列的容错结构磁盘阵列的容错结构为满足不同的要求，磁盘阵列采用以下容错结构：RAID 0：将数据均匀等量分块，分别存储在各驱动器上。优点是并行存取，缺点是不带校验，可靠性差，硬盘使用率为 100%。38你现在浏览的是第三十八页，共69页845 磁盘阵列技术磁盘阵列技术 RAID 1：母盘与子盘镜象，对两个盘存入相同信息，采用扇区级校验。优点是可靠性高，缺点是冗余量大，硬盘使用率为 50%。RAID 0+1：结合 RAID 0 和 RAID 1 方式，对两组 RAID 0 驱动器进行 RAID 1 镜象。RAID 7：带有智能化实时操作系统和存储管理软件工具，被称为存储计算机，运行时独立于主机，不占用 CPU 资源。具有较高的存储管理能力，并集其他 RAID 的优点于一身。RAID 7 采用非同步访问架构，为每个 I/O 接口设置专用高速通道，作为数据和控制信息流通路径。实时操作系统对读写指令进行优化处理，可预先获取数据。用一个盘作为校验盘，其他数据盘进行冗余计算实现容错。当当硬硬盘盘出出错错时时，自自动动进进行行实实时时数数据据重重建建，保保障障系系统统数数据据安安全全。并并可可指出出错磁盘位置，采用热拔插更换故障磁盘指出出错磁盘位置，采用热拔插更换故障磁盘。39你现在浏览的是第三十九页，共69页845 磁盘阵列技术磁盘阵列技术RAID 7 系统对电源部分带有冗余容错，电源故障时，备份电源立即启动，可实现无中断运行。RAID 7 通过 SCSI 接口可连接多台计算机，支持多主机访问，实现资源共享。所连接主机升级时，RAID 7 不需变更，可节省升级费用。RAID 7 系统的主要优点是速度快，通过最小化访问次数、优化读写请求，可获得接近内存的 I/O 性能。除此之外还有 RAID 2、RAID 3、RAID 4、RAID 5 和 RAID 6，但这些方式并不常用，因此不作详细介绍。在微机中，通常使用 RAID 0、RAID 1、RAID 0+1 和 RAID 7。在服务器上，RAID 通过 SCSI 总线与主机连接。40你现在浏览的是第四十页，共69页85 光盘存储器光盘存储器851 光存储技术的发展光存储技术的发展用于计算机的光存储器包含光驱和光盘。光盘称为致密盘 CD（Compact Disk），记录密度高，存储格式按最大密度紧凑存放。由世界上多家著名公司联合制定了 CD 光盘格式，对不同的光盘有不同的格式，采用不同的协议，为便于区分各种协议，协议书封面采用不同颜色。82 年推出数字音频光盘 CD DA，“红皮书”制定了该光盘格式。在盘上可以存放数据和音频信息。后期光盘都兼容了这种格式，依据光盘的起始光道判别光盘信息类型。85 年推出致密只读光盘 CD ROM，“黄皮书”定义了 MODE 1 和 MODE 2 两种模式，MODE 1 后来演变为 ISO9660 CD ROM 标准。本年还用“蓝皮书”制定了 WORM 光盘的技术标准。86 年出现交互式 CD I 技术，92 年推出的第二代 CD I，“绿皮书”制定了它的存储格式。CD I 用于播放交互式视频信号。41你现在浏览的是第四十一页，共69页851 光存储技术的发展光存储技术的发展87 年出现交互式数字视频 DVI 技术，视频和音频压缩得以实现。88 年推出只读光盘扩展结构 CD ROM XA，91 年推出 XA，在光盘上可交叉存