电子计算机组成原理第7章.ppt

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1、计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理第第7章章外部设备外部设备计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理第第7章章外部设备是计算机系统中不可缺少外部设备是计算机系统中不可缺少的重要组成部分，本章将介绍磁介质的重要组成部分，本章将介绍磁介质存储器的存储原理，常用磁介质存储存储器的存储原理，常用磁介质存储设备和其他辅助存储设备以及常见的设备和其他辅助存储设备以及常见的输入输出设备的工作原理。输入输出设备的工作原理。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.1外部设备概述外部设备概述中中 央央 处处 理理 器器（CPU）和和 主主 存存 储储 器器

2、（MM）构构成成计计算算机机的的主主机机。除除主主机机以以外外，而而又又围围绕绕着着主主机机而而设设置置的的各各种种硬硬件件装装置置叫叫做做外外部部设设备备或或外外围围设设备备，它它们们主主要要用用来来完完成成数数据据的的输输入入、输输出出、成成批批存存储储以以及及对对信信息加工处理的任务。息加工处理的任务。7.1.1外部设备的分类外部设备的分类外外部部设设备备的的种种类类很很多多，从从它它们们的的功功能能及及其其在在计计算算机机系系统统中中的的作作用用来来看看，可可以以分分为以下五类：为以下五类：计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.1外部设备概述外部设备概述1.输入输

3、入/输出设备输出设备从计算机的角度出发，向计算机输入从计算机的角度出发，向计算机输入信息的外部设备称为输入设备；接受计算信息的外部设备称为输入设备；接受计算机输出信息的外部设备称为输出设备。机输出信息的外部设备称为输出设备。2.辅助存储器辅助存储器辅助存储器即外存储器，它是指主机辅助存储器即外存储器，它是指主机以外的存储装置，又称为后援存储器。以外的存储装置，又称为后援存储器。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.1外部设备概述外部设备概述3.终端设备终端设备终端设备由输入设备、输出设备和终端终端设备由输入设备、输出设备和终端控制器组成，通常通过通信线路与主机相连。控制器

4、组成，通常通过通信线路与主机相连。终端设备具有向计算机输入和接收计算机输终端设备具有向计算机输入和接收计算机输出的能力，具有与通信线路连接的通信控制出的能力，具有与通信线路连接的通信控制能力，有些还具有一定的数据处理能力。能力，有些还具有一定的数据处理能力。4.过程控制设备过程控制设备模模/数数、数数/模模转转换换设设备备均均是是过过程程控控制制设设备，有关的检测设备也属于过程控制设备。备，有关的检测设备也属于过程控制设备。5.脱机设备脱机设备脱机设备是指在脱离主计算机的情况下，脱机设备是指在脱离主计算机的情况下，由设备本身完成数据制备的设备。由设备本身完成数据制备的设备。计算机组成原理计算机

5、组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.1外部设备概述外部设备概述7.1.2外部设备的地位和作用外部设备的地位和作用外外部部设设备备是是计计算算机机和和外外界界联联系系的的纽纽带带、接接口口和和界界面面。如如果果没没有有外外部部设设备备，计计算算机机将无法工作。将无法工作。外外部部设设备备在在计计算算机机系系统统中中的的作作用用可可以以分为四个方面：分为四个方面：外部设备是人机对话的通道外部设备是人机对话的通道外部设备是完成数据媒体变换的设备外部设备是完成数据媒体变换的设备外外部部设设备备是是计计算算机机系系统统软软件件和和信信息息的的驻驻在在地地外部设备是计算机在各领域应用的桥梁外部设备是计

6、算机在各领域应用的桥梁计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理7.2.1磁介质存储器的读写磁介质存储器的读写1.磁记录介质和磁头磁记录介质和磁头(1)磁记录介质磁记录介质在磁介质存储器中，信息是记录在一在磁介质存储器中，信息是记录在一薄层磁性材料的表面上，这个薄层称为薄层磁性材料的表面上，这个薄层称为磁层磁层。磁层与所附着的载体被称为记录介质或记录磁层与所附着的载体被称为记录介质或记录媒体。媒体。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理(2)磁头磁头磁头是

7、磁记录设备的关键部件之一，磁头是磁记录设备的关键部件之一，它是一种它是一种电磁转换电磁转换元件。写磁头实现把电脉元件。写磁头实现把电脉冲表示的二进制代码转换成磁记录介质上的冲表示的二进制代码转换成磁记录介质上的磁化状态，即电磁转换；读磁头实现把磁磁化状态，即电磁转换；读磁头实现把磁记录介质上的磁化状态转换成电脉冲，即磁记录介质上的磁化状态转换成电脉冲，即磁电转换。电转换。在读写过程中，记录介质与磁头之间在读写过程中，记录介质与磁头之间相对运动，一般是记录介质运动而磁头不动。相对运动，一般是记录介质运动而磁头不动。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和

8、原理磁介质存储器的性能和原理2.写入过程写入过程在写磁头线圈中通以一定方向的写电在写磁头线圈中通以一定方向的写电流，于是在磁头下方的一个局部区域被磁流，于是在磁头下方的一个局部区域被磁化，形成一个磁化单元或称记录单元。当化，形成一个磁化单元或称记录单元。当这部分介质移出磁头作用区后，仍将留下这部分介质移出磁头作用区后，仍将留下足够强的剩磁。在写磁头中通以正、负两足够强的剩磁。在写磁头中通以正、负两个不同方向的写电流，就会产生两种不同个不同方向的写电流，就会产生两种不同的剩磁状态，正好对应二进制信息的的剩磁状态，正好对应二进制信息的“1”和和“0”。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算

9、机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理3.读出过程读出过程读出时，读出线圈不外加电流。当某读出时，读出线圈不外加电流。当某一磁化单元运动到读磁头下方时，使得磁一磁化单元运动到读磁头下方时，使得磁头中流过的磁通有很大的变化，于是在读头中流过的磁通有很大的变化，于是在读出线圈两端产生感应电动势出线圈两端产生感应电动势e。感应电动势。感应电动势e经放大、检波、限幅、整形和选通后，获经放大、检波、限幅、整形和选通后，获得符合要求的信号。得符合要求的信号。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理7.2.2磁介

10、质存储器的技术指标磁介质存储器的技术指标1.记录密度记录密度记录密度是指磁介质存储器单位长度记录密度是指磁介质存储器单位长度或单位面积磁层表面所能存储的二进制信或单位面积磁层表面所能存储的二进制信息量。通常以道密度和位密度表示，也可息量。通常以道密度和位密度表示，也可用两者的乘积面密度来表示。用两者的乘积面密度来表示。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理道密度道密度道密度又叫横向密度，是指道密度又叫横向密度，是指垂直于磁垂直于磁道方向上单位长度中的磁道数目道方向上单位长度中的磁道数目，道密度，道密度的单位是道的单位是道/

11、英寸（英寸（TPI）或道）或道/毫米毫米（TPM）。）。磁道指的是磁头写入磁场在记录介质磁道指的是磁头写入磁场在记录介质表面上形成的磁化轨迹。表面上形成的磁化轨迹。位密度位密度位密度又叫纵向密度，是指位密度又叫纵向密度，是指沿磁道方沿磁道方向上单位长度中所能记录的二进制信息的向上单位长度中所能记录的二进制信息的位数位数，位密度的单位为位，位密度的单位为位/英寸（英寸（bpi）或位）或位/毫米（毫米（bpm）。）。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理2.存储容量存储容量存储容量是指整个磁介质存储器所能存储容量是指整个磁介质

12、存储器所能存储的二进制信息的总量，一般用位或字存储的二进制信息的总量，一般用位或字节为单位表示，它与存储介质尺寸和记录节为单位表示，它与存储介质尺寸和记录密度直接相关。密度直接相关。磁介质存储器的存储容量有非格式化磁介质存储器的存储容量有非格式化容量和格式化容量两种指标。非格式化容容量和格式化容量两种指标。非格式化容量是指磁记录表面上可全部利用的磁化单量是指磁记录表面上可全部利用的磁化单元数；元数；格式化容量是指用户实际可以使用格式化容量是指用户实际可以使用的存储容量的存储容量。格式化容量一般约为非格式。格式化容量一般约为非格式化容量的化容量的6070左右。左右。计算机组成原理计算机组成原理计

13、算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理3.平均存取时间平均存取时间当磁头接到读当磁头接到读/写命令，从原来的位置写命令，从原来的位置移动到指定位置，并完成读移动到指定位置，并完成读/写操作的时间写操作的时间叫存取时间。对于磁盘存储器来说，存取叫存取时间。对于磁盘存储器来说，存取时间主要包括两部分：一部分是指磁头从时间主要包括两部分：一部分是指磁头从原先位置移动到目的磁道所需要的时间，原先位置移动到目的磁道所需要的时间，称为定位时间或寻道时间；另一部分是指称为定位时间或寻道时间；另一部分是指在到达目的磁道以后，等待被访问的记录在到达目的磁道以后，等待被访

14、问的记录区旋转到磁头下方所等待的时间。区旋转到磁头下方所等待的时间。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理平均存取平均存取时间还应时间还应当包括信息的当包括信息的读读/写写操作操作时间时间，但，但这这一一时间时间相相对对平均平均寻寻道道时间时间和和平均等待平均等待时间时间来来说说可以忽略不可以忽略不计计。所以磁。所以磁盘盘的平均存取的平均存取时间时间Ta，由，由平均平均寻寻道道时间时间Ts和和平均等待平均等待时间时间Tw组组成：成：Ta=Ts+Tw=Tsmax+Tsmin2Twmax+Twmin2+计算机组成原理计算机组成

15、原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理4.数据数据传传送率送率磁磁介质介质存存储储器在器在单单位位时间时间内向主机内向主机传传送数据的位数或字送数据的位数或字节节数，称数，称为为数据数据传传送率送率Dr，单单位位为为位位/秒或字秒或字节节/秒。秒。5.误码误码率率误码误码率是衡量磁率是衡量磁介质介质存存储储器出器出错错概率概率的参数，它等于的参数，它等于读读出的出出的出错错信息位数和信息位数和读读出出总总的信息位数之比。的信息位数之比。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理7

16、.2.3数字磁记录方式数字磁记录方式为为了了提提高高磁磁介介质质存存储储器器的的性性能能，扩扩大大存存储储容容量量，加加快快存存取取速速度度，除除了了要要不不断断改改善善磁磁头头和和记记录录介介质质的的电电磁磁性性能能和和机机械械性性能能之之外外，选选用用高高性性能能的的数数字字磁磁记记录录方方式式对对提提高记录密度和可靠性也是很重要的。高记录密度和可靠性也是很重要的。磁磁记记录录方方式式是是一一种种编编码码方方式式，即即按按照照某某种种规规律律将将一一连连串串的的二二进进制制数数字字信信息息变变换换成记录介质上相应磁化翻转形式。成记录介质上相应磁化翻转形式。计算机组成原理计算机组成原理计算机

17、组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理1.直接直接记录记录方式方式当当记录记录密度密度较较低低时时，可以不，可以不编码编码，直，直接按接按记录记录信息的信息的“0”、“1”排序排序记录记录。这类这类方式有：方式有：(1)归归零制（零制（RZ）记录记录“1”时时，磁，磁头线头线圈中通以正向脉冲圈中通以正向脉冲电电流；流；记录记录“0”时时，通以反向脉冲，通以反向脉冲电电流。由流。由于脉冲于脉冲电电流均要回到零，故称流均要回到零，故称为归为归零制。零制。归归零制的两个脉冲之零制的两个脉冲之间间有一段有一段间间隔没有隔没有电电流，相流，相应应的的这这段磁段磁层层

18、未被磁化。未被磁化。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理(2)不归零制（不归零制（NRZ）记录记录“1”时，磁头线圈以中通正向电时，磁头线圈以中通正向电流；记录流；记录“0”时，通以反向电流。磁头中时，通以反向电流。磁头中电流不回到零。如果记录的相邻两位信息电流不回到零。如果记录的相邻两位信息相同（即连续记录相同（即连续记录“1”或或“0”）时，写）时，写电流方向不变；只有当记录的相邻两位信电流方向不变；只有当记录的相邻两位信息不相同（即息不相同（即“0”和和“1”交替）时，写交替）时，写电流才改变方向，所以又称为异码变

19、化或电流才改变方向，所以又称为异码变化或“见变就翻见变就翻”的不归零制。的不归零制。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理(3)不归零不归零1制（制（NRZ-1）这是一种改进的不归零制，记录这是一种改进的不归零制，记录“1”时，磁头线圈中写电流改变方向，使磁层时，磁头线圈中写电流改变方向，使磁层磁化翻转；而记录磁化翻转；而记录“0”时，写电流方向维时，写电流方向维持不变，保持原来的磁化状态，所以称之持不变，保持原来的磁化状态，所以称之为见为见“1”就翻的不归零制。就翻的不归零制。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计

20、算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理以上各种记录方式，目前已很少应用，以上各种记录方式，目前已很少应用，但不归零制是编码方式的基础，无论哪一但不归零制是编码方式的基础，无论哪一种编码方式，只要数据序列变换成记录序种编码方式，只要数据序列变换成记录序列之后，均按照列之后，均按照NRZ-1制规则记录到磁层制规则记录到磁层上。上。数据序列数据序列000011111RZNRZNRZ-1T0计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理2.按位编码记录方式按位编码记录方式(1)调相制（调相制（PE）调相制又称相

21、位编码方式，它采用调相制又称相位编码方式，它采用0和和180相位的不同分别表示相位的不同分别表示“1”或或“0”。它。它的编码规则是：记录的编码规则是：记录“1”时，写电流在位时，写电流在位周期中间由负变正；记录周期中间由负变正；记录“0”时，写电流时，写电流在位周期中间由正变负。当连续出现两个在位周期中间由正变负。当连续出现两个或两个以上或两个以上“1”或或“0”时，为了维持上时，为了维持上述原则，在位周期的边界上也要翻转一次。述原则，在位周期的边界上也要翻转一次。这种记录方式常用于磁带机中。这种记录方式常用于磁带机中。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储

22、器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理(2)调频制（调频制（FM）调频制是根据写电流的频率来区分记调频制是根据写电流的频率来区分记录录“1”或或“0”的。记录的。记录“1”时，写电流时，写电流在位周期中间和边界各改变一次方向；记在位周期中间和边界各改变一次方向；记录录“0”时，写电流仅在位周期边界改变一时，写电流仅在位周期边界改变一次方向。因此，记录次方向。因此，记录“1”的磁化翻转频率的磁化翻转频率为记录为记录“0”时的两倍，故又称倍频制。若时的两倍，故又称倍频制。若以以T0表示位周期，则调频制的磁化翻转间表示位周期，则调频制的磁化翻转间距为距为0和和T0。计算机组成原理计算机组成原理计算机

23、组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理(3)改改进进的的调频调频制（制（MFM）MFM制是在制是在FM制基制基础础上改上改进进的一种的一种记录记录方式，又称方式，又称为为延延迟调迟调制制码码或密勒或密勒码码。其其编码规则为编码规则为：记录记录“1”时时，写，写电电流在位周流在位周期中期中间间改改变变方向；方向；记录记录独立的一个独立的一个“0”，写，写电电流不改流不改变变方向；方向；记录连续记录连续的两个的两个“0”，写，写电电流在位周期流在位周期边边界改界改变变方向。方向。改改进进的的调频调频制的磁化翻制的磁化翻转间转间距有三种：距有三种：T0、0、2T

24、0，对应对应于三种不同的于三种不同的频频率，所率，所以又称以又称为为三三频频制。制。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理(4)改进的改进型调频制（改进的改进型调频制（M2FM）M2FM制的编码规则为：记录制的编码规则为：记录“1”时，时，写电流在位周期中间改变方向；记录独立写电流在位周期中间改变方向；记录独立的一个的一个“0”，写电流不改变方向；记录连，写电流不改变方向；记录连续的两个续的两个“0”，写电流在位周期边界处改，写电流在位周期边界处改变方向，产生磁化翻转；记录连续两个以变方向，产生磁化翻转；记录连续两个以上的

25、上的“0”，写电流在前两个，写电流在前两个“0”的位周的位周期边界处改变方向，以后每隔两个期边界处改变方向，以后每隔两个“0”的的位周期边界处，写电流再改变一次方向，位周期边界处，写电流再改变一次方向，产生翻转翻转。产生翻转翻转。改进的改进型调频制的磁化翻转间距改进的改进型调频制的磁化翻转间距有四种：有四种：T0、0、2T0、0，对应于四种不同，对应于四种不同的频率，所以又称为四频制。的频率，所以又称为四频制。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理数据序列数据序列000011111FMMFMM2FMT0PE计算机组成原理计

26、算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备7.3.1硬盘存储器的基本结构与分类硬盘存储器的基本结构与分类硬盘存储器的硬件包括硬盘控制器硬盘存储器的硬件包括硬盘控制器（适配器）、硬盘驱动器以及连接电缆。（适配器）、硬盘驱动器以及连接电缆。硬盘控制器对硬盘进行管理，并在主机和硬盘控制器对硬盘进行管理，并在主机和硬盘之间传送数据。硬盘之间传送数据。硬硬盘驱动盘驱动器内器内有有多个多个盘盘片，它片，它们们被叠被叠装在主装在主轴轴上，构成一个上，构成一个盘组盘组，每个，每个盘盘片的片的两面都可用作两面都可用作记录记录面。面。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机

27、组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备硬硬盘盘存存储储器可分器可分为为温温彻彻斯特斯特盘盘和非温和非温彻彻斯特斯特盘盘两两类类。温。温彻彻斯特斯特盘盘的主要特点是的主要特点是磁磁头头、盘盘片、磁片、磁头头定位机构、主定位机构、主轴轴，甚至，甚至连读连读/写写驱动电驱动电路等都被密封在一个路等都被密封在一个盘盘盒内，盒内，构成一个构成一个头头盘组盘组合体，合体，这这个个组组合体不可合体不可随意拆卸，它的防随意拆卸，它的防尘尘性能好，可靠性高，性能好，可靠性高，对对使用使用环环境要求不高。而非温式磁境要求不高。而非温式磁盘盘的磁的磁头头和和盘盘片等不是密封的，因此要求有超片等不是密封的，因此要

28、求有超净净使用使用环环境。境。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备硬盘存储器可分为固定头硬盘和活动硬盘存储器可分为固定头硬盘和活动头硬盘两类。固定头硬盘机中，每个磁道头硬盘两类。固定头硬盘机中，每个磁道对应一个磁头，省去了磁头找磁道的时间，对应一个磁头，省去了磁头找磁道的时间，存取速度快。但由于磁头太多，使磁盘的存取速度快。但由于磁头太多，使磁盘的道密度不可能很高。移动头硬盘机中，每道密度不可能很高。移动头硬盘机中，每个盘面上只有一个读写头，安装在读写

29、臂个盘面上只有一个读写头，安装在读写臂上，当需要在不同磁道上读写时，要驱动上，当需要在不同磁道上读写时，要驱动读写臂沿盘面作径向移动。由于增加了寻读写臂沿盘面作径向移动。由于增加了寻道时间，所以其存取时间比固定头硬盘机道时间，所以其存取时间比固定头硬盘机要长。要长。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备7.3.2硬盘驱动器硬盘驱动器1.磁头磁头接触启停式浮动磁头是指读接触启停式浮动磁头是指读/写操作时写操作时磁头浮空，不与盘面记录区相接触，以免划磁头浮空，不与盘面记录区相接触，以免划伤记录区。但在启动前和停止后，磁头将仍伤记录区。但在启动前和

30、停止后，磁头将仍与盘面接触。具体的做法是：在盘面记录区与盘面接触。具体的做法是：在盘面记录区与轴心之间有一段空白区，被当作启停区或与轴心之间有一段空白区，被当作启停区或着陆区。未启动前及停止后，磁头停在启停着陆区。未启动前及停止后，磁头停在启停区，与盘面接触。当盘片旋转并达到额定转区，与盘面接触。当盘片旋转并达到额定转速时，气垫浮力使磁头浮起并达到所需的浮速时，气垫浮力使磁头浮起并达到所需的浮动高度，然后将磁头向外移至动高度，然后将磁头向外移至0号磁道，准号磁道，准备寻道。备寻道。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备2.磁头定位系统磁头定位

31、系统(1)步进电机定位机构步进电机定位机构整个定位机构是开环控制。根据现行整个定位机构是开环控制。根据现行磁道号与目的的磁道号之差，求得步进脉冲磁道号与目的的磁道号之差，求得步进脉冲数，每发一个步进脉冲，脉冲移动一个道距。数，每发一个步进脉冲，脉冲移动一个道距。步进电机定位机构的结构紧凑、控制简单，步进电机定位机构的结构紧凑、控制简单，但定位精度比较低。但定位精度比较低。(2)音圈电机定位机构音圈电机定位机构音圈电机可以直接驱动磁头作直线运音圈电机可以直接驱动磁头作直线运动，整个定位系统是一个带有速度和位置反动，整个定位系统是一个带有速度和位置反馈的闭环调节自动控制系统，其特点是寻道馈的闭环调

32、节自动控制系统，其特点是寻道速度快，定位精度高。速度快，定位精度高。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备7.3.3硬盘的信息分布和磁盘地址硬盘的信息分布和磁盘地址1.硬盘的信息分布硬盘的信息分布在硬盘中信息分布呈如下层次：记录面、在硬盘中信息分布呈如下层次：记录面、圆柱面、磁道、扇区。圆柱面、磁道、扇区。(1)记录记录面面硬硬盘驱动盘驱动器中器中可可有多个有多个盘盘片片（数量为（数量为120片）片），每个，每个盘盘片有两个片有两个记录记录面，每个面，每个记记录录面面对应对应一个磁一个磁头头。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组

33、成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备(2)磁道磁道在在读读/写写时时，磁，磁头头固定不固定不动动，盘盘片高速片高速旋旋转转，磁化区构成一个，磁化区构成一个闭闭合合圆环圆环，称，称为为磁磁道。在道。在盘盘面上，一条条磁道形成一面上，一条条磁道形成一组组同心同心圆圆，最外圈的磁道，最外圈的磁道为为0号，往内号，往内则则磁道号逐磁道号逐步增加。步增加。（每个盘片可有（每个盘片可有5002500条磁道）条磁道）。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备(3)圆圆柱面柱面在一个在一个盘组盘组中，各中，各记记录录面上相同面上相同编编号（位置）号（位置）

34、的的诸诸磁道构成一个磁道构成一个圆圆柱面。柱面。例如，某例如，某驱动驱动器有器有4片片8面，面，则则8个个0号磁道构成号磁道构成0号号圆圆柱柱面，面，8个个1号磁道构成号磁道构成1号号圆圆柱面，柱面，。硬。硬盘盘的的圆圆柱柱面数等于一个面数等于一个记录记录面上的面上的磁道数，磁道数，圆圆柱面号即柱面号即对应对应的磁道号。的磁道号。0n计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备引入引入圆圆柱面的概念是柱面的概念是为为了提高硬了提高硬盘盘的的存存储储速度。当主机要存入一个速度。当主机要存入一个较长较长的文件的文件时时，若一条磁道存不完，就需要存放在几

35、，若一条磁道存不完，就需要存放在几条磁道上。条磁道上。这时这时主机主机应选择应选择位于同一位于同一记录记录面上的几条磁道？面上的几条磁道？还还是是选择选择同一同一圆圆柱面上柱面上的几条磁道呢？很明的几条磁道呢？很明显显，选择选择同一同一圆圆柱面柱面上的磁道，上的磁道，则则各各记录记录面的磁面的磁头头可同可同时时定位，定位，换换道的道的时间时间仅仅是磁是磁头选择电头选择电路的路的译码时间译码时间。所以在存入文件所以在存入文件时时，应应首先将一个文件尽首先将一个文件尽可能地存放在同一可能地存放在同一圆圆柱面中。柱面中。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介

36、质存储设备(4)扇区扇区 通常将一条磁道划分为若干个段，每通常将一条磁道划分为若干个段，每个段称为一个扇区或扇段，每个扇区存放个段称为一个扇区或扇段，每个扇区存放一个定长信息块（如一个定长信息块（如512个字节）。一条磁个字节）。一条磁道划分多少扇区，每个扇区可存放多少字道划分多少扇区，每个扇区可存放多少字节，一般由操作系统决定。磁道上的扇区节，一般由操作系统决定。磁道上的扇区编号从编号从1号开始。号开始。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备2.磁磁盘盘地址地址主机向磁主机向磁盘盘控制器送出有关控制器送出有关寻寻址信息，址信息，磁磁盘盘地址

37、一般表示地址一般表示为为：驱动驱动器号、器号、圆圆柱面（磁道）号、柱面（磁道）号、记录记录面（磁面（磁头头）号、扇区号）号、扇区号计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备7.3.4硬盘存储器的技术参数硬盘存储器的技术参数1.硬盘的主要性能指标硬盘的主要性能指标(1)硬盘容量硬盘容量硬盘容量当然是越大越好。硬盘容量当然是越大越好。(2)主轴转速主轴转速从从理理论论上上来来说说，转转速速越越快快，硬硬盘盘的的速速度度越快。越快。(3)道密度道密度硬盘驱动器在介质上的道密度可达硬盘驱动器在介质上的道密度可达38000TPI或更高。或更高。计算机组成原

38、理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备(4)平均存取时间平均存取时间平平均均存存取取时时间间近近似似等等于于平平均均寻寻道道时时间间和平均等待时间之和。和平均等待时间之和。(5)缓存缓存缓缓存存存存在在的的目目的的是是为为了了解解决决硬硬盘盘内内部部与与接接口口数数据据之之间间速速度度不不匹匹配配的的问问题题，它它可可以提高硬盘的读写速度。以提高硬盘的读写速度。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备(6)数据传输率数据传输率硬硬盘盘的的数数据据传传输输率率分分为为内内部部数数据据传传输输率率和和外外部部

39、数数据据传传输输率率。内内部部数数据据传传输输率率主主要要依依赖赖于于硬硬盘盘的的旋旋转转速速度度，因因硬硬盘盘的的品品牌牌及及型型号号不不同同而而有有着着较较大大的的差差异异。外外部部数数据据传传输输率率指指的的是是系系统统总总线线与与硬硬盘盘缓缓冲冲区区之之间间的的数数据据传传输输率率，外外部部数数据据传传输输率率与与硬硬盘盘接接口类型和缓存大小有关。口类型和缓存大小有关。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备2.硬盘的接口标准硬盘的接口标准 硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，不同的硬盘接口决定着硬盘

40、与计算机件，不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行快慢和系统口的优劣直接影响着程序运行快慢和系统性能好坏。从整体的角度上，硬盘接口分性能好坏。从整体的角度上，硬盘接口分为为IDE、SCSI和和SATA等，等，IDE接口硬盘多接口硬盘多用于家用产品中，用于家用产品中，SCSI接口硬盘则主要应接口硬盘则主要应用于服务器市场，用于服务器市场，SATA是一种新生的硬盘是一种新生的硬盘接口类型，在家用市场中有着广泛的前景。接口类型，在家用市场中有着广泛的前景。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原

41、理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备3.磁盘参数的计算磁盘参数的计算例例：设设有有一一个个盘盘面面直直径径为为18in的的磁磁盘盘组组，有有20个个记记录录面面，每每面面有有5in的的区区域域用用于于记记录录信信息息，记记录录密密度度为为100道道/in（TPI）和和1000b/in（bpi），转转速速为为2400r/min，道道间间移移动动时时间间为为，试试计计算算该该盘盘组组的的容容量量、数数据据传送率和平均存取时间。传送率和平均存取时间。每一记录面的磁道数每一记录面的磁道数N为为N5in/面面100道道/in500道道/面面最内圈磁道的周长为最内圈磁道的周长为L=(18-25)in=25

42、.12in计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备以以最最内内圈圈磁磁道道的的周周长长当当作作每每条条磁磁道道的的长长度度，故故该该盘盘组组的的存存储储容容量量（非非格格式式化化容容量）为量）为道道500道道/面面20面面=251.2106b=31.4106B磁盘旋转一圈的时间为磁盘旋转一圈的时间为t=1/2400(r/min)60s/min=0.025s=25ms计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备数据传送率为数据传送率为Dr=每一道的容量每一道的容量/旋转一圈的时间旋转一圈的时间=251

43、20/25=1004.8b/ms=1.0048106b/s=0.1256106B/s=0.1256MB/s平均存取时间为平均存取时间为Ta(0+0.2*499)/2+(0+25)/2ms60ms计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备非格式化容量最大位密度非格式化容量最大位密度最内圈磁最内圈磁道周长道周长总磁道数总磁道数新的磁盘在使用之前需先进行格式化，新的磁盘在使用之前需先进行格式化，格式化实际上就是在磁盘上划分记录区，格式化实际上就是在磁盘上划分记录区，写入各种标志信息和地址信息，这些信息写入各种标志信息和地址信息，这些信息占用了磁盘的存储

44、空间，故格式化之后的占用了磁盘的存储空间，故格式化之后的有效存储容量要小于非格式化容量。有效存储容量要小于非格式化容量。格式化容量每道扇区数格式化容量每道扇区数扇区容量扇区容量总磁道数总磁道数计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备7.3.6硬盘的分区域记录硬盘的分区域记录传统硬盘驱动器的每个磁道上记录的传统硬盘驱动器的每个磁道上记录的扇区数是相同的，因而存储的信息量也是扇区数是相同的，因而存储的信息量也是相同的，这意味着在磁盘上位密度是变化相同的，这意味着在磁盘上位密度是变化的。因为内圈磁道的周长短，外圈磁道的的。因为内圈磁道的周长短，外圈磁

45、道的周长长，所以内圈磁道的位密度高，外圈周长长，所以内圈磁道的位密度高，外圈磁道的位密度低，最内圈磁道的位密度磁道的位密度低，最内圈磁道的位密度（最大位密度）决定了磁盘驱动器的容量。（最大位密度）决定了磁盘驱动器的容量。又因为每个磁道记录的信息量及转速是相又因为每个磁道记录的信息量及转速是相同的，所以它们的数据传送率也是相同的。同的，所以它们的数据传送率也是相同的。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备由于外圈磁道比内圈磁道更长一些，由于外圈磁道比内圈磁道更长一些，但存储的信息量却相同，所以外圈磁道上但存储的信息量却相同，所以外圈磁道上明显地

46、存在着浪费。明显地存在着浪费。采用分区域记录（等位密度）技术可采用分区域记录（等位密度）技术可以增加硬盘驱动器的容量。由于外圈磁道以增加硬盘驱动器的容量。由于外圈磁道有更长的周长，所以外层磁道要比内层磁有更长的周长，所以外层磁道要比内层磁道包含更多的扇区，即外圈磁道上保存的道包含更多的扇区，即外圈磁道上保存的信息比内圈磁道多。信息比内圈磁道多。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备分区域记录的另一个影响是数据传输分区域记录的另一个影响是数据传输率随磁头所

47、处的区域而变化。分区域驱动率随磁头所处的区域而变化。分区域驱动器还是以恒定速度旋转，可是，由于外层器还是以恒定速度旋转，可是，由于外层区域每磁道有更多的扇区，所以数据传输区域每磁道有更多的扇区，所以数据传输速度要更快一些。这就是当今驱动器标注速度要更快一些。这就是当今驱动器标注最小和最大连续传输速率的原因，因为传最小和最大连续传输速率的原因，因为传输速率取决于磁头读输速率取决于磁头读/写的位置。写的位置。分区域记录技术的使用，大大地提高分区域记录技术的使用，大大地提高了硬盘利用率，与采用每磁道固定扇区的了硬盘利用率，与采用每磁道固定扇区的硬盘比较，使驱动器增加了硬盘比较，使驱动器增加了2050

48、的硬的硬盘容量。实际上，现在所有的盘容量。实际上，现在所有的IDE和和SCSI都采用分区域记录。都采用分区域记录。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备硬盘的硬盘的NCQ技术技术 通通过过对对内内部部队队列列中中的的命命令令进进行行重重新新排排序序实实现现智智能能数数据据管管理理，避避免免像像传传统统硬硬盘盘那那样样机机械械地地按按照照接接收收命命令令的的先先后后顺顺序序移移动动磁磁头头读读写写硬硬盘盘的的不不同同位位置置，从从而而减减少少了了磁磁头头反反复移动带来的损耗，延长了硬盘的寿命。复移动带来的损耗，延长了硬盘的寿命。根据磁盘地址，硬

49、盘寻址的过程如下：根据磁盘地址，硬盘寻址的过程如下：寻找目标圆柱面寻找目标圆柱面寻找目标盘面寻找目标盘面寻找目标扇区寻找目标扇区计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.3磁介质存储设备磁介质存储设备对于不支持对于不支持NCQ技术的硬盘来说，大技术的硬盘来说，大量的数据读写需要反复重复上面的步骤，量的数据读写需要反复重复上面的步骤，而对于不同位置的数据存取，磁头需要更而对于不同位置的数据存取，磁头需要更多的操作，降低了存取效率。而支持多的操作，降低了存取效率。而支持NCQ技术的硬盘对接收到的命令按照他们访问技术的硬盘对接收到的命令按照他们访问的地址的距离进行了重排列，减少了磁

50、头的地址的距离进行了重排列，减少了磁头臂来回移动的时间，使数据读取更有效。臂来回移动的时间，使数据读取更有效。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理7.4磁盘阵列磁盘阵列7.4.1RAID简介简介RAID是是RedundentArrayofInexpensiveDisks的缩写，直译为的缩写，直译为“廉价冗余磁盘阵列廉价冗余磁盘阵列”，也，也简称为简称为“磁盘阵列磁盘阵列”。后来。后来RAID中的字母中的字母I被改被改作为作为Independent，RAID就成了就成了“独立冗余磁盘独立冗余磁盘阵列阵列”，但这只是名称的变化，实质性的内容并，但这只是名称的变化，实质性的内容并