《外部存储器》PPT课件.pptx

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1、第七章第七章 外部存储器外部存储器硬盘硬盘移动存储器移动存储器光盘储存光盘储存系统系统计算机存储器系统计算机存储器系统外存的特点：外存的特点：容容量量大大、单单位位容容量量成成本本低低、非非易易失失性性、寻寻址址和和访访问问速速度度慢慢、存存储储体体可更换可更换等等。计计算算机机存存储储系系统统regreg、cachecache、内存内存外外存存磁存磁存储器储器光存光存储器储器磁盘磁盘磁带磁带软磁盘软磁盘硬磁盘硬磁盘其他磁盘存储器其他磁盘存储器CDCDDVDDVDDVD-R DVD-R.VCDVCDCD-R CD-R.半导体半导体存储器存储器FlashFlash电子电子盘盘外部存储器概述外部存

2、储器概述磁盘系统磁性材料的记忆原理l磁性存储原理：l磁盘存储信息是利用具有矩形磁滞回线的磁性材料，这种磁性材料在外加磁场的作用下，其磁感应强度B与外加磁场H的关系，可用矩形磁滞回线来描述。H，磁场B，磁感应强度I，电流t，时间写“1”写“0”7.1.1 硬盘的发展1956年年，IBM发发明明世世界界上上第第一一台台硬硬盘盘（IBM350 RAMAC）,它相当于两个冰箱的体积它相当于两个冰箱的体积7.1.1 硬盘的发展1973年年，IBM又又发发明明了了Winchester(温温氏氏)硬硬盘盘（IMB3340）。其其核核心心是是：磁磁盘盘片片被被密密封封、固固定定并并且且不不停停高高速速旋旋转转

3、，磁磁头头悬悬浮浮于于盘盘片片上上方方沿沿磁磁盘盘径径向移动，并且不和盘片接触。后来的硬盘基本都沿用了这一结构。向移动，并且不和盘片接触。后来的硬盘基本都沿用了这一结构。7.1 7.1 硬盘系统硬盘系统体积：体积：3.53.5英寸英寸/半高半高(用于台式用于台式PC)PC)2.5 2.5英寸英寸(用于笔记本用于笔记本PC)PC)1.8 1.8英寸英寸微型微型(用于数码产品用于数码产品)容量：容量：101040MB(8086/286)10040MB(8086/286)100500MB(386/486)500MB(386/486)1 16TB(6TB(目前目前)连续传输速率：连续传输速率：100K

4、B/s 600MB/s100KB/s 600MB/s平均寻道时间：平均寻道时间：12ms 5ms12ms 5ms转速：转速：42004200转转/s 15000/s 15000转转/s/s硬磁盘的结构与工作原理 1.硬磁盘的组成硬磁盘的组成 硬硬盘盘内内部部包包括括浮浮动动磁磁头头组组件件、磁磁头头驱驱动动机机构构、盘盘体体及及主主轴轴驱驱动动机机构构、前前置置读读写写控控制制电电路路和和接接口口电电路路等等。封封装装在在硬硬盘盘的的净净化化腔腔体体内内。硬磁盘的组成硬磁盘的组成 1)1)盘体盘体 MediaMedia Media Media的基板是金属的基板是金属、玻璃或陶瓷材质制成，为达到

5、高密玻璃或陶瓷材质制成，为达到高密度高稳定的质量，基板要求表面光滑平整，不可有任何暇疵，度高稳定的质量，基板要求表面光滑平整，不可有任何暇疵，然后再将磁粉然后再将磁粉Coating Coating 溅渡到基板表面上，最后再涂上保护溅渡到基板表面上，最后再涂上保护润滑层。此处有润滑层。此处有2 2项高科技，一为，如何制造出不含杂质极项高科技，一为，如何制造出不含杂质极细微的磁粉细微的磁粉;二为，如何将磁粉均匀的二为，如何将磁粉均匀的CoatingCoating上去上去.Media Media不可有任何污染，全程制造均需在高洁净度的不可有任何污染，全程制造均需在高洁净度的Clean RoomCle

6、an Room内，这也是硬盘机要求需在内，这也是硬盘机要求需在Class 100Class 100的的Clean Clean RoomRoom才能拆解的原因。才能拆解的原因。硬磁盘的组成硬磁盘的组成 2)2)磁头组件及磁头驱动机构：磁头组件及磁头驱动机构：磁头组件是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、磁头组件是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部份组成。磁头是硬盘技术中最重要和传动手臂、传动轴三部份组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，它采用了关键的一环，它采用了非接触式头非接触式头、盘结构，加后电在高速、盘结构，加后电在高速旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有

7、旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有0.10.10.3um0.3um，这样可以获得很好的数据传输率。这样可以获得很好的数据传输率。硬磁盘的组成硬磁盘的组成3)3)控制电路控制电路 硬盘的控制电路位于硬盘背面，将背面电路板的安装螺硬盘的控制电路位于硬盘背面，将背面电路板的安装螺丝拧下，翻开控制电路板即可见到控制电路。硬盘控制电路丝拧下，翻开控制电路板即可见到控制电路。硬盘控制电路分为：分为：硬盘主控制芯片：负责数据交换和数据处理。缓存芯片：负责给数据提供暂存空间，提高硬盘的读写效率。硬盘驱动芯片：负责硬盘的马达以及主轴马达的转动。p最最常常见见的的数数据据传传输输接接口口有有PATA（IDE

8、）、SATA、SCSI、SAS、光光纤纤五五种种，前前两两种种接接口口方方式式主主要要应应用用在在个个人人PC上上，后三种则，后三种则主要使用在服务器领域。主要使用在服务器领域。硬盘的数据传输接口硬盘的数据传输接口7.1 硬盘磁道、扇区和柱面盘盘体体：盘体由多个同轴盘片组成，每个盘片都是双双面面存储，第一个盘片的第一面为0磁面，下一个为1磁面；第二个盘片的第一面为2磁面，以此类推。磁磁头头(Head)：每个磁面有一个磁头进行读写，因此0磁面也称为0磁头。磁磁道道(Track)：磁面上均匀分布的同心圆存储轨迹。最外层为0磁道。扇扇区区(Sector)：磁道上等弧度划分的扇段。一般一个扇区的存储容

9、量为512字节。柱面柱面(Cylinder)：各个盘面上同一编号磁道的组合。单个扇区外圈磁道中圈磁道内圈磁道2.2.磁道、扇区和柱面磁道、扇区和柱面2.2.磁道、扇区和柱面磁道、扇区和柱面l硬盘上的一个物理记录块要用三个参数来定位：n柱面号C、扇区号S、磁头号H。n硬盘容量=柱面数磁头数扇区数512字节l逻辑区块位址逻辑区块位址(Logical Block Address,LBA)n是描述电脑储存设备上资料所在扇区的通用机制。nLBA是非常单纯的一种寻址模式从0开始编号来定位扇区，第一扇区LBA=0，第二扇区LBA=1，依此类推。这种寻址模式取代了原先操作系统必须面对储存设备硬件构造的方式。n

10、在访问硬盘时，由硬盘控制器再将这种逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址3.3.记录格式记录格式 每一扇区除存放每一扇区除存放512512字节的用户数据外，还存放着用于字节的用户数据外，还存放着用于同步、数据定位、数据校验等作用的辅助数据，这些数据同步、数据定位、数据校验等作用的辅助数据，这些数据一般只作用于硬盘内部。一般只作用于硬盘内部。7.1.2 7.1.2 硬磁盘的性能指标硬磁盘的性能指标l1.1.容量容量l硬盘是由多个存储碟片组合而成的，而硬盘是由多个存储碟片组合而成的，而单碟容量单碟容量就是一个存储碟所能存储的最大数据量。就是一个存储碟所能存储的最大数据量。n通过通过两种两种手段手段增加增

11、加硬盘容量：硬盘容量：一个是一个是增加存储碟片的增加存储碟片的数量数量；另一个办法就是另一个办法就是增加单碟容量增加单碟容量。l位密度位密度：磁道单位长度上所存储二进的：磁道单位长度上所存储二进的个数个数l道密度道密度：半径方向单位长度上的磁道：半径方向单位长度上的磁道个数个数l面密度面密度：=位密度位密度*道密度道密度（Mb/Mb/平方英寸或平方英寸或Gbit/Gbit/平方英寸平方英寸）7.1.2 7.1.2 硬磁盘的性能指标硬磁盘的性能指标l2.最大内部数据传输率最大内部数据传输率n是指是指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率n包括磁头把数据从盘片读入缓存的速

12、度，以及磁头把数据从缓存写入盘片的速度。可用来评价硬盘的读写速度和整体性能l3.转速转速n主轴转速是决定硬盘内部数据传输率的决定因主轴转速是决定硬盘内部数据传输率的决定因素之一，它在很大程度上决定了硬盘的速度，素之一，它在很大程度上决定了硬盘的速度，同时也是区别硬盘档次的重要标志同时也是区别硬盘档次的重要标志。7.1.2 7.1.2 硬磁盘的性能指标硬磁盘的性能指标l4.高速缓存高速缓存n指指在硬盘内部的在硬盘内部的高速高速DRAM存储器。存储器。l5.寻道时间寻道时间(ms)n指指硬盘磁头移动到数据所在磁道而所用的硬盘磁头移动到数据所在磁道而所用的时间。时间。n平均寻道时间则为平均寻道时间则

13、为磁头移动到正中间的磁道需磁头移动到正中间的磁道需要的时间要的时间。7.1.2 7.1.2 硬磁盘的性能指标硬磁盘的性能指标l6.SMARTn的全称为“Self-MonitoringAnalysisandReportingTechnology”，即“自我监测、分析及报告技术”。n支持技术的硬盘可以通过硬盘上的监测指令和主机上的监测软件对磁头、盘片、马达、电路的运行情况、历史记录及预设的安全值进行分析、比较。当出现安全值范围以外的情况时，就会自动向用户发出警告。7.1.3 7.1.3 分区和格式化l硬盘在使用之前必须经过硬盘在使用之前必须经过低级格式化低级格式化、分分区区和和高级格式化高级格式化

14、三个步骤三个步骤。l1.低级格式化低级格式化 n一般硬盘在出厂之前都做过低级格式化，低级一般硬盘在出厂之前都做过低级格式化，低级格式化和操作系统无关。格式化和操作系统无关。n作用：作用：n创建创建磁道和扇区，写入每个扇区的头、尾信息磁道和扇区，写入每个扇区的头、尾信息。7.1.3 7.1.3 分区和格式化l分区分区l将硬盘分成多个逻辑区域(逻辑盘)，每个分区可支持不同的操作系统。l分区可分为主分区和扩展分区，扩展分区又可分成多个逻辑分区，每个分区对应一个逻辑磁盘。主引导主引导记录记录分区分区1（主主分区分区）分区分区2（扩展分区）（扩展分区）分区分区3（其他分区（其他分区）分区分区3（其他分区

15、）（其他分区）7.1.3 7.1.3 分区和格式化3.高级高级格式化格式化 将将分分区区内内的的全全部部扇扇区区分分成成引引导导区区、文文件件分分配配表表(FAT)、文件根目录表和数据区四个区域。、文件根目录表和数据区四个区域。引导区：磁盘参数和引导程序等引导区：磁盘参数和引导程序等。文件分配表文件分配表(FAT)(FAT)：数据区的每一个簇对应文件分配表中的数据区的每一个簇对应文件分配表中的两个字节，表示该簇被某文件占用并指明该文件下一簇。两个字节，表示该簇被某文件占用并指明该文件下一簇。文件根目录：文件根目录：一个文件的目录称为一个目录项。存放文件一个文件的目录称为一个目录项。存放文件名、

16、修改日期时间、文件长度及起始簇。名、修改日期时间、文件长度及起始簇。硬盘文件系统硬盘文件系统lFAT(File Allocation Table)16nFAT16文件系统中簇的编号为16位二进制，簇的最大容量为32KB，逻辑盘最大容量=64K X 32K=2048M=2G。lFAT32：32位文件分配表，用于Windows9x/2000的文件系统，用32位二进制对簇进行编号。nFAT32文件系统的簇所包含的扇区数少，如2GB的一个逻辑盘，FAT16的簇容量为32KB，而FAT32的簇容量为4KB。硬盘文件系统硬盘文件系统lNTFS：最大分区2TB，Win2000下使用FAT32最大分区为32G

17、B。使用事物处理日志和恢复技术来保证分区的一致性，发生系统失败事件时，NTFS使用日志文件和检查点信息自动恢复文件系统的一致性。支持对分区、文件夹和文件的压缩。可以为共享资源、文件夹以及文件设置访问许可权限提高磁盘存储容量的技术提高磁盘存储容量的技术早期标准记录：早期标准记录：新的新的扇区记录：扇区记录：位密度外低内高位密度外低内高;位密度相等位密度相等;浪费存储能力；浪费存储能力；充分利用存储能力；充分利用存储能力；数据传输速率相等。数据传输速率相等。数据传输速率外高内低。数据传输速率外高内低。1.改变扇区记录方式提高磁盘存储容量的技术提高磁盘存储容量的技术l2.采用垂直磁记录采用垂直磁记录

18、l两种两种不同的磁记录不同的磁记录方式示意图方式示意图l上图为纵向磁记录上图为纵向磁记录l下图为垂直磁记录下图为垂直磁记录提高磁盘存储容量的技术3.3D储存技术储存技术是在原来只有一层的储存面下再加一层，变成上层磁性排列方向能左右变化，下层则是上下变化的两层。应用这种技术后的硬盘容量就可以翻倍了。SSD基于DRAM基于FLASHMLCNAND型 NOR型 SLC固态硬盘l固态硬盘SSD 也称作电子硬盘或者固态电子盘固态存储单元组成的硬盘。基于闪存的固态硬盘lIntelSSD720，采用了PCI-Express2.0 x4接口，配备512MB的缓存，搭载34nmMLCNAND闪存颗粒，官方给出的

19、读写速度分别达到了2.2GB/s和1.8GB/s，随机读取高达180000IOPS，写入则为56000IOPS。IOPS(Input/OutputOperationsPerSecond)，即每秒进行读写（I/O）操作的次数，多用于数据库等场合，衡量随机访问的性能。固态硬盘l固态固态硬盘的工作硬盘的工作原理原理nSSD硬盘用闪存颗粒来存储数据。n固态硬盘在原理构造上基本上是模拟普通机械硬盘，比如模拟扇区、模拟磁道等。l固态硬盘使用寿命的限制固态硬盘使用寿命的限制n在固态硬盘的算法定义中，修改一次才算一次真正读写。固态硬盘l固态硬盘的优点固态硬盘的优点n低功耗、无噪音、抗震动、低热量、重量轻、速度

20、快l固态硬盘固态硬盘的缺点：的缺点：n成本和写入次数。而由于flash芯片都有一定的写入寿命、而且寿命届满后资料会读不出来。n固态硬盘数据损坏后是难以修复的。混合硬盘混合硬盘l混合硬盘：在原硬盘的基础上增加闪存缓存n基于闪存的缓存能够减少读取硬盘的次数并且消除许多写盘的动作。l与传统硬盘相比混合硬盘优点：n更快的开机与休眠回复速度；n更低的耗电率；n更高的可靠度。7.2.1 光盘分类 目前光盘储存系统主要有CD和DVD两类：CD：存储容量约650MB，按读写属性可分为只读、一次可写，可擦写三种。DVD：可双面存储信息，而且每面可存储两层信息。单面单层4.7GB，双面单层9.4GB，双面双层17

21、 GB。CDCD-ROMVCDCD-IPhotoCDCD-RCD-RWDVDDVD-ROMDVD-RDVD-RW7.2 光盘存储系统-原理l光盘上存储的各种类型的信息都是数字化后的“0”与“1”，其所对应的就是光盘上的Pits（凹点）和Lands（平面）。l当激光映射到盘片上时，如果是照在Lands上，那么就会有70到80激光被反射回；如果照在Pits上，就无法反射回激光。根据反射和无反射的情况，光盘驱动器就可以解读0或1的数字编码了。CD类光盘按应用和介质分类CD-DA(Digital Audio)：激光唱盘。CD-ROM(Read Only Memory)：只读光盘，作为电子出版物载体。P

22、hotoCD：Kodak公司制定的，用压缩方式存储数字照片的CD格式标准。CD-I(Interactive)：一种支持交互的CD技术规范。VCD(Video CD)：用MPEG-1压缩方式存储数字化视频和音频的CD标准。其视频分辨率约为240X320，伴音为双声道立体声，播放时间约74分钟。CD-R(Recordable)：可写入的介质光盘，可分多次写入。CD-RW(Rewritable)：可擦写的介质盘。7.2.3 DVD的基本结构及原理l 1994年9月，日本的PIONEER（先锋）公司宣布将推出一种尺寸与CD-ROM相同、容量却要大8倍的新型光存储介质DVD。lDVD光盘的构造与CD光盘

23、基本相同，直径都是12cm，存储密度则比后者大得多，n主要得益于DVD光盘上记录数据的凹坑尺寸和轨道间距都比CD光盘小，因此大大提高了数据的存储密度。DVD的主要规格 DVD的主要规格DVD主要有：DVD-ROM、DVD-Video、DVD-Audio、DVD-R、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM等。1.DVD-ROMDVD-ROM是用来读取数字资料的DVD规格，总共有四种容量，分别为4.7GB、8.5GB、9.4GB、17GB，硬件产品称为只读式DVD-ROM光驱。DVD光盘的规格名称格式容量DVD-5单面单层4.7GBDVD-9单面双层8.5GBDVD-10双面单层9.4GBDV

24、D-18双面双层17GBDVD的主要规格 lDVD-RnDVD-R是能写入一次，容量为4.7GB。nDVD-R是用有机染料当作纪录介质，利用激光在染料层上刻出pit纪录资料n可以供DVD-ROM读取，也可以在DVD播放机里播放。lDVD-RAMnDVD-RAM是一种由松下、日立及东芝公司联合推出的可重复擦写的DVD规范。n一般DVD-ROM光驱无法读取DVD-RAMDVD的主要规格 双层双层DVDDVD刻录盘片刻录盘片DVD的主要规格 lDVDRWnDVDForum所提出的第二种可重复读写的DVD规格，其硬件产品称之为可覆写式数字多功能光驱(DVD-RW光驱)，其主导的厂商有先锋，参与制造的厂

25、商有三星、夏普、SONY等。n第二代的DVDRW它的光盘容量将会规定是4.7GB，而且除了可以烧录DVDRW的片子外，还可以支持烧录DVD-R、DVD-RW、CD-R、CD-RW这些光盘片。7.2.5蓝光技术简介l2002年年2月月19日：以索尼、飞利浦、松下为核心，联合日：以索尼、飞利浦、松下为核心，联合日立、先锋、三星、日立、先锋、三星、LG、夏普和汤姆逊共同发布了、夏普和汤姆逊共同发布了Blu-ray Disc（简称（简称BD）技术标准。）技术标准。l高密度，大容量，单层容量为25GB，双层容量50GB。采用405nm的蓝色激光读写，得名“蓝光”l主要轨道参数中凹陷直径为0.14m（DV

26、D为0.4m），轨道间距为0.32m（DVD为0.74m）。lBD系统的主要应用将是高清晰度电影，压缩标准为MPEG-2，视频分辨率为19201080或1080720，音频为7.1声道环绕声。l版权保护更加严格7.2光盘系统光盘驱动器l光盘驱动器就是平常所说的光驱，读取光盘信息的设备l内部内部构成构成n旋转及其伺服控制机构；n激光发送、接收及其平行移动反光和聚焦系统；n信号编译码、驱动检测电路；n接口控制和缓冲存储器电路。激光激光 二极管二极管 光束分离器光束分离器 聚焦透镜聚焦透镜 光光电电 检测器检测器 平移平移 驱动驱动 装置装置 反光镜反光镜 光盘光盘 7.2光盘驱动器l驱动器类型及其

27、兼容性驱动器类型光盘类型CD-ROMCD-R/RWDVD-VideoDVD-ROMDVD-RAMDVD-R/RWDVD+R/RWCD-ROMRRCD-R/RWRR/WDVD-ROMRRRRRRComboRR/WRRRRDVD-RAMRRRRR/WRRDVD-RWRR/WRRR/WRDVD+RWRR/WRRRRR/W3、光驱的性能指标、光驱的性能指标l数据传输率：表明光驱从光盘上读取数据的快慢。l单速：是指最初的CD光驱读取速率150KB/SlCD在1小时内读完一张CD盘的速度定义为1倍速。DVD的1倍速则在1350KB/s左右lX倍速：指是光驱的读取速率是单速的多少倍。l平均读取时间：是指从光

28、头定位到开始读盘的时间，一般是越小越好。不能超过95ms。l缓存：作用是提供一个数据的缓冲区域，将读取的数据暂时保存，然后一次性进行传输和转换。l容错性能：是指光驱读取质量不太好的光盘的能力，容错性能越强，光驱能读的“烂盘”越多。7.3.1移动盘l移动盘主要包括两类n第一类是由半导体存储器为存储内核，这一类主要是U盘。n另外一类是以硬磁盘为存储内核，通常称这一类为移动硬盘。n两类移动存储器目前使用的接口主要是USB接口，但移动硬盘也有使用其它的接口的，如eSATA和IEEE-1394。1.U盘盘lU盘的特点n1、体积小、容量大n2、传输速度快：USB3.0接口n3、携带方便n4、数据安全n抗震

29、性能强,防潮防磁n数据可长期保存1.U盘盘USB闪存盘的结构闪存盘主要由I/O控制芯片、闪存、电路板和其他电子元器件组成。2.移动硬盘l移动硬盘实际上就是硬盘采用了USB接口或IEEE-1394接口，有些还带有eSATA接口。7.3.2存储卡l存储卡存储卡：也叫闪存卡（FlashCard）是利用闪存技术存储电子信息的存储器l一般应用在数码相机，掌上电脑，MP3等小型数码产品中作为存储介质。nCF（Compact Flash）卡）卡nMMC（Multi Media Cards）卡）卡(已停产已停产)nSD（Secure Digital Card）卡）卡n记忆棒（记忆棒（Memory Stick）

30、1.CFCompactFlashlCF存储卡是由美国SanDisk公司于1994年研制成功的，它采用了ATA体系结构并仿照了磁盘驱动器lCF卡的特点是：ATA数据接口，容量大、存取速度快、兼容性好。lCF卡的1X传输速度为150KB/S，主流的有133X、266X等，高端的则有600X2.MMCMultiMediaCardlMMC卡（MultiMediaCard，多媒体卡）由SanDisk与西门子联合开发，于1997年11月发表，其外形尺寸为24mm32mm1.4mm，重量2g。MMC卡存储单元和控制器一同做到了卡上lRS-MMC（Reduced-SizeMMC）是小型化的MMC卡，RSMMC

31、体积只有标准MMC卡的一半大小，3.SDSecureDigitalCardlSD卡是由日本松下公司、东芝公司和美国SanDisk公司于1999年8月共同研制开发而成的。SD卡是根据MMC卡开发的，所以在大多数情况下这两种产品能够互换，它比MMC卡多了一个进行数据著作权保护功能。lSD记忆卡大小犹如一张邮票，重量只有2克，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。是目前市场上最常见，价格也时相对较低的移动存储卡。3.SDSecureDigitalCardl传统SD1.1版存储卡原来最高容量只有4GB，针对这一情况，SD联合协会在2006年5月宣布了SD2.0，即SDH

32、C（HighCapacity）标准。SDHC卡规范中对于SD卡的性能上分级以满足不同的应用需求：速度等级存取速度(MB/秒)应用范围Class0包括低于Class2和未标注SpeedClass的情况Class22.0观看普通清晰度电视，数码摄像机拍摄Class44.0流畅播放高清电视（HDTV），数码相机连拍Class66.0单反相机连拍，以及专业设备的使用Class1010.0全高清电视的录制和播放UHSClass1312.0专业全高清电视实时录制SD标准演进3.SDSecureDigitalCardlminiSD卡lmicroSD（TF）l兼容miniSD卡，通过转接器能作为miniSD卡使用l带Wi-Fi功能的SD卡，数码相机插入使用这个Wi-FiSD卡后，可以使所有的数码相机具备Wi-Fi功能。4.MSMemoryStickCardMS卡由Sony公司于1997年研发推出，又管它叫作“记忆棒”。MemoryStick规格是非公开的，目前只有SONY的数码设备上使用。