计算机组成与结构PPT课件(全)第8章辅助存储器.ppt

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1、第第8章章 辅助存储器辅助存储器8.1 辅助存储器的种类与技术指标辅助存储器的种类与技术指标8.2 磁记录原理与记录方式磁记录原理与记录方式8.3 硬磁盘存储器硬磁盘存储器8.4 软磁盘存储器软磁盘存储器8.5 磁带存储器磁带存储器8.6 光盘存储器光盘存储器8.7 硬盘、软盘、磁带和光盘存储器的综合比较硬盘、软盘、磁带和光盘存储器的综合比较习题习题计算机中的存储器分为主存储器和辅助存储器两大计算机中的存储器分为主存储器和辅助存储器两大类。主存储器用来存放需立即使用的程序和数据，类。主存储器用来存放需立即使用的程序和数据，要求存取速度快，通常由半导体存储器构成。辅助要求存取速度快，通常由半导体

2、存储器构成。辅助存储器用于存放当前不需立即使用的信息，一旦需存储器用于存放当前不需立即使用的信息，一旦需要，再和主存成批地交换数据。它作为主存的后备要，再和主存成批地交换数据。它作为主存的后备和补充，是主机的外部设备，因此又称为外存储器。和补充，是主机的外部设备，因此又称为外存储器。辅助存储器的特点是容量大、成本低，通常在断电辅助存储器的特点是容量大、成本低，通常在断电后仍能保存信息，是后仍能保存信息，是“非易失性非易失性”存储器，其中大部存储器，其中大部分存储介质还能脱机保存信息。分存储介质还能脱机保存信息。8.1 辅助存储器的种类与技术指标辅助存储器的种类与技术指标当前市场上流行的辅助存储

3、器主要有磁表面存储器当前市场上流行的辅助存储器主要有磁表面存储器和光存储器两大类。和光存储器两大类。磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片(或带或带)的基的基体上形成记录介质，并以绕有线圈的磁头与记录介体上形成记录介质，并以绕有线圈的磁头与记录介质的相对运动来写入或读出信息。现代计算机系统质的相对运动来写入或读出信息。现代计算机系统中所使用的磁表面存储器又有数字式磁记录和模拟中所使用的磁表面存储器又有数字式磁记录和模拟式磁记录两种，数字式磁记录主要有硬盘、软盘和式磁记录两种，数字式磁记录主要有硬盘、软盘和磁带。模拟式磁记录是指录音和录像设备。磁带。模拟式磁记录是指

4、录音和录像设备。磁表面存储器是历史最久、应用最广的辅助存储器，磁表面存储器是历史最久、应用最广的辅助存储器，而且存储信息的位价格而且存储信息的位价格(存储存储1位二进制信息的价格位二进制信息的价格)低。低。用于计算机系统的光存储器主要是光盘用于计算机系统的光存储器主要是光盘(optical disk)。光盘的记录原理不同于磁盘，它是利用激光。光盘的记录原理不同于磁盘，它是利用激光束在具有感光特性的表面上存储信息的。光盘的容束在具有感光特性的表面上存储信息的。光盘的容量比磁盘的容量大，是很有发展前途的新型辅助存量比磁盘的容量大，是很有发展前途的新型辅助存储器。储器。辅助存储器的主要技术指标是存储

5、密度、存储容量、辅助存储器的主要技术指标是存储密度、存储容量、寻址时间等。寻址时间等。1.存储密度存储密度存储密度是指单位长度或单位面积磁层表面所存储存储密度是指单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制信息量。对于磁盘存储器，用道密度和位的二进制信息量。对于磁盘存储器，用道密度和位密度表示，也可以用两者的乘积密度表示，也可以用两者的乘积面密度表示。面密度表示。对于磁带存储器，则主要用位密度表示。对于磁带存储器，则主要用位密度表示。磁道指的是存储在介质表面上的信息的磁化轨迹，磁道指的是存储在介质表面上的信息的磁化轨迹，磁盘与磁带的磁化轨迹是不同的。磁盘与磁带的磁化轨迹是不同的。对于磁盘存储器，磁

6、道是磁盘表面上的许多同心圆。对于磁盘存储器，磁道是磁盘表面上的许多同心圆。在有多个盘片构成的盘组中，由处于同一半径的磁在有多个盘片构成的盘组中，由处于同一半径的磁道组成的一个圆柱面，称为柱面。沿磁盘半径方向道组成的一个圆柱面，称为柱面。沿磁盘半径方向单位长度的磁道数称为道密度。道密度的单位是道单位长度的磁道数称为道密度。道密度的单位是道英寸英寸(track per inch，简称，简称TPI)或道毫米或道毫米TPM。磁道具有一定的宽度，叫道宽。它取决于磁头的工磁道具有一定的宽度，叫道宽。它取决于磁头的工作间隙长度及磁头定位精度等因素。为避免干扰，作间隙长度及磁头定位精度等因素。为避免干扰，磁道

7、与磁道之间需保持一定距离，相邻两条磁道中磁道与磁道之间需保持一定距离，相邻两条磁道中心线之间的距离叫道距。单位长度磁道所能记录二心线之间的距离叫道距。单位长度磁道所能记录二进制信息的位数叫位密度或线密度。单位是位英进制信息的位数叫位密度或线密度。单位是位英寸寸bpi(bits per inch)或位毫米或位毫米bpm。对于磁带，其磁道是沿着磁带长度方向的直线，存对于磁带，其磁道是沿着磁带长度方向的直线，存储密度主要用位密度来衡量。储密度主要用位密度来衡量。2.存储容量存储容量存储容量指磁表面存储器所能存储的二进制信息总存储容量指磁表面存储器所能存储的二进制信息总量。一般用字节为单位。量。一般用

8、字节为单位。磁盘存储器有格式化容量和非格式化容量两个指标。磁盘存储器有格式化容量和非格式化容量两个指标。格式化容量指按照某种特定的记录格式所能存储信格式化容量指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是用户真正可以使用的容量。非格息的总量，也就是用户真正可以使用的容量。非格式化容量是磁记录表面可以利用的磁化单元总数。式化容量是磁记录表面可以利用的磁化单元总数。将磁盘存储器用于计算机系统中，必须首先进行格将磁盘存储器用于计算机系统中，必须首先进行格式化操作，然后才能供用户记录信息，格式化容量式化操作，然后才能供用户记录信息，格式化容量一般约为非格式化容量的一般约为非格式化容量的60%70%

9、。3.寻址时间寻址时间磁盘存储器采取直接存取方式，寻址时间包括两部磁盘存储器采取直接存取方式，寻址时间包括两部分：分：一是磁头寻找目标磁道所需的找道时间一是磁头寻找目标磁道所需的找道时间ts；二；二是找到磁道以后，磁头等待所需要读写的区段旋转是找到磁道以后，磁头等待所需要读写的区段旋转到它的下方所需要的等待时间到它的下方所需要的等待时间tw。由于寻找相邻磁。由于寻找相邻磁道和从最外面磁道找到最里面磁道所需的时间不同，道和从最外面磁道找到最里面磁道所需的时间不同，磁头等待不同区段所花的时间也不同，因此，取它磁头等待不同区段所花的时间也不同，因此，取它们的平均值，称作平均寻址时间们的平均值，称作平

10、均寻址时间Ta，它由平均找道，它由平均找道时间时间tsa和平均等待时间和平均等待时间twa组成：组成：TaTsa+Twa(tsmax+tsmin)/2+(twmax+twmin)/2 平均寻址时间是磁盘存储器的一个重要指标。硬磁平均寻址时间是磁盘存储器的一个重要指标。硬磁盘存储器比软磁盘存储器的平均寻址时间短。盘存储器比软磁盘存储器的平均寻址时间短。磁带存储器采取顺序存取方式，不需要寻找磁道，磁带存储器采取顺序存取方式，不需要寻找磁道，但需要考虑磁头寻找记录区的等待时间，实际上磁但需要考虑磁头寻找记录区的等待时间，实际上磁头不动，磁带移动，所以寻址时间指的是磁带空转头不动，磁带移动，所以寻址时

11、间指的是磁带空转到磁头应访问记录区所在位置的时间。到磁头应访问记录区所在位置的时间。4.数据传输率数据传输率磁表面存储器在单位时间内与主机之间传送数据的磁表面存储器在单位时间内与主机之间传送数据的位数或字节数，叫数据传输率位数或字节数，叫数据传输率Dr。为确保主机与磁。为确保主机与磁表面存储器之间传输信息不丢失，传输率与存储设表面存储器之间传输信息不丢失，传输率与存储设备和主机接口逻辑两者有关。从设备方面考虑，传备和主机接口逻辑两者有关。从设备方面考虑，传输率等于记录密度输率等于记录密度D和记录介质的运动速度和记录介质的运动速度V的乘的乘积。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度积。从主机接

12、口逻辑考虑，应有足够快的传送速度接收发送信息，以便主机与辅存之间的传输正确接收发送信息，以便主机与辅存之间的传输正确无误。无误。5.误码率误码率误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数。它等误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数。它等于从辅存读出时，出错信息位数和读出的总信息位于从辅存读出时，出错信息位数和读出的总信息位数之比。数之比。6.价格价格通常用位价格来比较各种存储器。位价格是设备价通常用位价格来比较各种存储器。位价格是设备价格除以容量，在所有存储设备中，磁表面存储器和格除以容量，在所有存储设备中，磁表面存储器和光盘存储器的位价格是很低的。光盘存储器的位价格是很低的。8.2 磁记录原理与

13、记录方式磁记录原理与记录方式8.2.1 磁记录原理磁记录原理磁表面存储器通过磁头和记录介质的相对运动完成磁表面存储器通过磁头和记录介质的相对运动完成写入和读出。写入和读出。写入过程如图写入过程如图8.1(a)所示。所示。读出过程是将介质上记录的磁化单元序列还原为电读出过程是将介质上记录的磁化单元序列还原为电脉冲序列的过程。如图脉冲序列的过程。如图8.1(b)所示所示。图图8.1 读写原理读写原理 磁表面存储器中信息的写入和读出过程就是电和磁磁表面存储器中信息的写入和读出过程就是电和磁之间的转换过程。其原理是很简单的，但是在实际之间的转换过程。其原理是很简单的，但是在实际应用中，还要受到许多因素

14、的影响和制约，这也是应用中，还要受到许多因素的影响和制约，这也是限制磁表面存储器的存储密度的主要原因。影响比限制磁表面存储器的存储密度的主要原因。影响比较大的因素是偏斜、系统噪音和脉冲拥挤效应等，较大的因素是偏斜、系统噪音和脉冲拥挤效应等，在设计系统时，一定要考虑这些因素。在设计系统时，一定要考虑这些因素。前面介绍的以环形磁头边缘磁场的水平分量在介质前面介绍的以环形磁头边缘磁场的水平分量在介质上写入信息的方式称为纵向磁记录或水平磁记录。上写入信息的方式称为纵向磁记录或水平磁记录。另外还有一种能提高存储密度的垂直磁记录方式。另外还有一种能提高存储密度的垂直磁记录方式。垂直磁记录原理垂直磁记录原理

15、垂直记录是利用磁头磁场的垂直分量，在具有各向垂直记录是利用磁头磁场的垂直分量，在具有各向异性的记录介质上写入信息，从而在介质上形成垂异性的记录介质上写入信息，从而在介质上形成垂直于磁层表面的小磁化区直于磁层表面的小磁化区(主磁体主磁体)；而在读出信息而在读出信息时，则利用介质记录区穿过磁层表面的磁场的垂直时，则利用介质记录区穿过磁层表面的磁场的垂直分量去感应磁头线圈。图分量去感应磁头线圈。图8.2给出了在水平记录和垂给出了在水平记录和垂直记录的磁道中，主磁体的排列方式的对照。直记录的磁道中，主磁体的排列方式的对照。图图8.2 水平记录水平记录(纵向记录纵向记录)和垂直记录和垂直记录无论是水平记

16、录用磁头，还是垂直记录用磁头，共无论是水平记录用磁头，还是垂直记录用磁头，共同的要求是以最小的磁动力同的要求是以最小的磁动力(单位是安匝单位是安匝)产生尽可产生尽可能大的磁场强度，即要求磁头有高灵敏度。此外还能大的磁场强度，即要求磁头有高灵敏度。此外还要求有大的磁场梯度。垂直记录用的磁头更希望有要求有大的磁场梯度。垂直记录用的磁头更希望有大的垂直磁场。大的垂直磁场。用于垂直记录的磁头有辅助磁极励磁型磁头、主磁用于垂直记录的磁头有辅助磁极励磁型磁头、主磁极励磁型磁头和环形磁头。极励磁型磁头和环形磁头。图图8.3(a)为辅助磁极励磁型磁头示意图。图为辅助磁极励磁型磁头示意图。图8.3(b)所所示为

17、主磁极励磁型磁头的一种形式。示为主磁极励磁型磁头的一种形式。环形磁头本来广泛应用于水平记录，通常环形磁头环形磁头本来广泛应用于水平记录，通常环形磁头的垂直磁场分量低于水平磁场分量，但如使用具有的垂直磁场分量低于水平磁场分量，但如使用具有垂直各向异性的介质进行记录，是可以使介质进行垂直各向异性的介质进行记录，是可以使介质进行垂直磁化的。垂直磁化的。图图8.3 垂直记录磁头垂直记录磁头8.2.2 磁记录介质与磁头磁记录介质与磁头1.磁记录介质磁记录介质磁记录介质指的是涂有薄层磁性材料的信息载体。磁记录介质指的是涂有薄层磁性材料的信息载体。可以脱机保存信息，并且可以作为不同系统之间信可以脱机保存信息

18、，并且可以作为不同系统之间信息交换的手段。因此又称为磁记录媒体。息交换的手段。因此又称为磁记录媒体。根据记录介质的基底不同，主要有软性介质根据记录介质的基底不同，主要有软性介质(磁带磁带和软磁盘片和软磁盘片)和硬性介质和硬性介质(硬磁盘片硬磁盘片)两种。磁性材料两种。磁性材料也有颗粒材料和连续材料两类。一种好的记录介质也有颗粒材料和连续材料两类。一种好的记录介质应该具有记录密度高、输出信号幅度大，噪声低，应该具有记录密度高、输出信号幅度大，噪声低，表面组织紧密、光滑、无麻点，薄厚均匀，对周围表面组织紧密、光滑、无麻点，薄厚均匀，对周围环境的温度、湿度不敏感，能长期保持磁化状态等环境的温度、湿度

19、不敏感，能长期保持磁化状态等特点。特点。最常用的磁性材料是最常用的磁性材料是-Fe2O3针状颗粒材料，称为针状颗粒材料，称为磁粉，采用涂布工艺将其涂敷在基体上，形成记录磁粉，采用涂布工艺将其涂敷在基体上，形成记录介质。按照涂布工艺方式的不同可以分成两种：介质。按照涂布工艺方式的不同可以分成两种：(1)平涂工艺平涂工艺(2)甩涂工艺甩涂工艺涂布型记录介质具有易于大量生产和价格便宜等优涂布型记录介质具有易于大量生产和价格便宜等优点，但是根据磁记录理论，为了提高记录密度，要点，但是根据磁记录理论，为了提高记录密度，要求介质的磁层尽量薄，并具有高的矫顽力和剩磁，求介质的磁层尽量薄，并具有高的矫顽力和剩

20、磁，而涂布工艺由于以下两方面的原因，限制了记录密而涂布工艺由于以下两方面的原因，限制了记录密度的提高：度的提高：(1)磁粉颗粒在磁粉颗粒在0.30.5微米之间，所以磁层厚度不微米之间，所以磁层厚度不低于低于0.5微米，而一般温盘磁层厚度在微米，而一般温盘磁层厚度在0.5微米之内。微米之内。(2)磁层中含有粘合剂等非磁性物质，降低了剩磁，磁层中含有粘合剂等非磁性物质，降低了剩磁，影响了输出信号幅度。影响了输出信号幅度。采用连续膜介质可以解决涂布介质无法克服的困难，采用连续膜介质可以解决涂布介质无法克服的困难，连续膜介质有以下优点：连续膜介质有以下优点：(1)磁层可以很薄。磁层可以很薄。(2)剩磁

21、可剩磁可10倍于普通倍于普通-Fe2O3磁粉介质的剩磁。磁粉介质的剩磁。因此连续膜介质在高记录密度时仍有大的信号输出，因此连续膜介质在高记录密度时仍有大的信号输出，且信号峰值位移小。且信号峰值位移小。2.感应式磁头感应式磁头磁头是实现电磁头是实现电磁转换的装置。用电脉冲表示的二磁转换的装置。用电脉冲表示的二进制代码通过磁头转换成磁记录介质上的磁化格式；进制代码通过磁头转换成磁记录介质上的磁化格式；而介质上的磁化信息又要通过磁头转换成电脉冲。而介质上的磁化信息又要通过磁头转换成电脉冲。介质上已记录信息的清除，则是通过磁头将介质上介质上已记录信息的清除，则是通过磁头将介质上磁层向某一方向饱和磁化或

22、去磁而得到。因此磁头磁层向某一方向饱和磁化或去磁而得到。因此磁头的性能对读写、清除、记录密度和读出速度等均有的性能对读写、清除、记录密度和读出速度等均有影响。影响。在一个具有缝隙的环形导磁体上绕上线圈，就构成在一个具有缝隙的环形导磁体上绕上线圈，就构成了磁头。图了磁头。图8.1中可见磁头的导磁体用两半环对接而中可见磁头的导磁体用两半环对接而成，存在着前后两个间隙。后间隙的存在增大了导成，存在着前后两个间隙。后间隙的存在增大了导磁体的磁阻，因此后间隙做得很小很小。前间隙在磁体的磁阻，因此后间隙做得很小很小。前间隙在磁头极尖处，信息的读写均要通过它，因此又称为磁头极尖处，信息的读写均要通过它，因此

23、又称为工作间隙。工作间隙一般装有非磁性材料，如云母、工作间隙。工作间隙一般装有非磁性材料，如云母、玻璃或二氧化矽等以增大磁阻，使导磁体的磁力线玻璃或二氧化矽等以增大磁阻，使导磁体的磁力线绕过工作间隙形成漏磁场，从而可以磁化记录介质绕过工作间隙形成漏磁场，从而可以磁化记录介质而存储信息。间隙越大，漏磁通就越多，记录的信而存储信息。间隙越大，漏磁通就越多，记录的信息越可靠。但间隙过大，磁化单元面积大，又将影息越可靠。但间隙过大，磁化单元面积大，又将影响记录密度。响记录密度。磁头的环形导磁体材料要求导磁率高，饱和磁感应磁头的环形导磁体材料要求导磁率高，饱和磁感应强度大，矫顽力小，剩余磁感应强度小。这

24、样容易强度大，矫顽力小，剩余磁感应强度小。这样容易磁化，也容易去磁，记录的信息误码率低，可靠性磁化，也容易去磁，记录的信息误码率低，可靠性高。同时还要求电阻率大，硬度高，居里点高，加高。同时还要求电阻率大，硬度高，居里点高，加工特性好。这样涡流损耗小，高频特性好，不易磨工特性好。这样涡流损耗小，高频特性好，不易磨损，其性能随温度变化小，并且容易加工。损，其性能随温度变化小，并且容易加工。为了满足以上特性，磁头通常用软磁材料做成。常为了满足以上特性，磁头通常用软磁材料做成。常用的软磁材料有两种：一种是金属软磁材料，另一用的软磁材料有两种：一种是金属软磁材料，另一种是铁氧体材料。种是铁氧体材料。磁

25、头的形式很多。从工作方式来看，可以分为接触磁头的形式很多。从工作方式来看，可以分为接触式磁头和浮动式磁头两种。接触式磁头在读写时，式磁头和浮动式磁头两种。接触式磁头在读写时，磁头与记录介质直接相接触。它常常用于磁带机和磁头与记录介质直接相接触。它常常用于磁带机和软磁盘机中，其结构简单，但磁头极尖区和介质易软磁盘机中，其结构简单，但磁头极尖区和介质易受到磨损，磨损程度与介质相对于磁头的移动速度、受到磨损，磨损程度与介质相对于磁头的移动速度、极尖的几何形状，磁性材料的硬度、头面的接触力，极尖的几何形状，磁性材料的硬度、头面的接触力，介质表面质量等因素有关。浮动式磁头是由介质高介质表面质量等因素有关

26、。浮动式磁头是由介质高速运动时产生的气流，在磁头与介质表面之间形成速运动时产生的气流，在磁头与介质表面之间形成一层极薄的空气薄膜一层极薄的空气薄膜(气垫气垫)，故使磁头与介质表面，故使磁头与介质表面脱离接触而浮动。脱离接触而浮动。浮动间隙是浮动式磁头的重要参数，它的减小可以浮动间隙是浮动式磁头的重要参数，它的减小可以提高记录密度。硬磁盘采用浮动式磁头，由于盘片提高记录密度。硬磁盘采用浮动式磁头，由于盘片旋转速度快，磁头不与盘片表面接触，因而硬磁盘旋转速度快，磁头不与盘片表面接触，因而硬磁盘存取速度快，可靠性高。但在盘片停止旋转之前，存取速度快，可靠性高。但在盘片停止旋转之前，磁头必须从读写位置

27、退到原始位置；启动磁盘工作磁头必须从读写位置退到原始位置；启动磁盘工作时，须待盘片达到一定转速后磁头才能进到盘片上时，须待盘片达到一定转速后磁头才能进到盘片上面执行寻道操作，否则可能损坏磁头或划伤盘面。面执行寻道操作，否则可能损坏磁头或划伤盘面。磁记录介质与磁头的发展方向是采用磁记录介质与磁头的发展方向是采用“双薄双薄”技术，技术，即薄膜介质与薄膜磁头。薄膜介质是利用一种制造即薄膜介质与薄膜磁头。薄膜介质是利用一种制造工艺使记录材料生长在基片上形成一层连续的薄膜。工艺使记录材料生长在基片上形成一层连续的薄膜。这种连续薄膜比非连续的颗粒介质具有更高的记录这种连续薄膜比非连续的颗粒介质具有更高的记

28、录密度。薄膜磁头是采用薄膜形成技术密度。薄膜磁头是采用薄膜形成技术(例如蒸发、例如蒸发、溅射和电镀等溅射和电镀等)和部分集成电路工艺和部分集成电路工艺(例如制版、刻例如制版、刻蚀等蚀等)制成的磁头。与常规的铁氧体磁头相比，其制成的磁头。与常规的铁氧体磁头相比，其感应系数小，高频特性好，体积减小到铁氧体磁头感应系数小，高频特性好，体积减小到铁氧体磁头的三十分之一，重量为铁氧体磁头的二十分之一，的三十分之一，重量为铁氧体磁头的二十分之一，因此易于获得高道密度和高位密度。因此易于获得高道密度和高位密度。3.MR磁头磁头随着计算机对大容量硬盘驱动器的需求，促进高密随着计算机对大容量硬盘驱动器的需求，促

29、进高密度磁记录技术的发展。度磁记录技术的发展。传统的感应式磁头采用电磁感应原理读出记录信号，传统的感应式磁头采用电磁感应原理读出记录信号，而记录密度的提高使得相邻磁化单元之间产生干扰，而记录密度的提高使得相邻磁化单元之间产生干扰，导致磁头感应线圈中流过的磁通量减少。而且驱动导致磁头感应线圈中流过的磁通量减少。而且驱动器的小型化使磁盘转动的线速度下降，这会导致磁器的小型化使磁盘转动的线速度下降，这会导致磁头读出线圈中磁通量变化率的降低。这两个因素作头读出线圈中磁通量变化率的降低。这两个因素作用的结果是磁头读出信号幅值的急剧下降，从而不用的结果是磁头读出信号幅值的急剧下降，从而不能正确读出记录信号

30、。能正确读出记录信号。利用磁致电阻效应利用磁致电阻效应(magneto resistive，简称，简称MR)磁磁头能在高密度记录的情况下读出信号。头能在高密度记录的情况下读出信号。MR磁头是磁头是专用于读出的磁头，即它不能完成写入工作，但它专用于读出的磁头，即它不能完成写入工作，但它具有高的输出灵敏度和与磁盘转速无关的输出特性，具有高的输出灵敏度和与磁盘转速无关的输出特性，所以需要与专用的写入磁头配合使用。所以需要与专用的写入磁头配合使用。MR磁头的制造涉及材料科学和微加工等尖端工艺，磁头的制造涉及材料科学和微加工等尖端工艺，难度大，成本高。虽在难度大，成本高。虽在1970年已设计出第一个年已

31、设计出第一个MR磁头，但直到磁头，但直到1985年年IBM公司才首次将其用在公司才首次将其用在IBM 3480磁带机中。磁带机中。1991年的实验室水平是每平方英寸年的实验室水平是每平方英寸记录记录2000M位，道密度达到每英寸位，道密度达到每英寸17000道。道。将某些磁性材料放在磁场中，如果通以一恒定电流，将某些磁性材料放在磁场中，如果通以一恒定电流，当外加磁场改变时，该材料的电阻率也随之变化，当外加磁场改变时，该材料的电阻率也随之变化，这就是磁致电阻效应。这就是磁致电阻效应。MR磁头就是利用磁致电阻效应读出信号的磁头就是利用磁致电阻效应读出信号的(图图8.4)。MR磁头目前已被广泛应用于

32、硬盘机和磁带机中，磁头目前已被广泛应用于硬盘机和磁带机中，尤其是在大容量的硬盘驱动器中。但尤其是在大容量的硬盘驱动器中。但MR磁头的价磁头的价格仍较贵。格仍较贵。图图8.4 MR磁头模型磁头模型8.2.3 磁记录方式磁记录方式磁记录方式是一种编码方法，指的是按照某种规律磁记录方式是一种编码方法，指的是按照某种规律将一连串二进制数字信息变换成存储介质磁层的相将一连串二进制数字信息变换成存储介质磁层的相应磁化翻转形式，并经读写控制电路实现这种转换应磁化翻转形式，并经读写控制电路实现这种转换规律。采用高效可靠的记录方式，是提高记录密度规律。采用高效可靠的记录方式，是提高记录密度的有效途径之一。的有效

33、途径之一。图图8.5给出几种常见的磁记录方式的写入电流波形，给出几种常见的磁记录方式的写入电流波形，也是磁层上相应位置所记录的理想磁化状态或磁化也是磁层上相应位置所记录的理想磁化状态或磁化强度。强度。图图8.5 磁记录方式波形图磁记录方式波形图(写入电流和磁化强度写入电流和磁化强度)(1)归零制归零制(RZ)给磁头写入线圈送入的一串脉冲电流中，正脉冲表给磁头写入线圈送入的一串脉冲电流中，正脉冲表示示“1”，负脉冲表示，负脉冲表示“0”，从而使磁层在记录，从而使磁层在记录“1”时时从未磁化状态转变到某一方向的饱和磁化状态，而从未磁化状态转变到某一方向的饱和磁化状态，而在记录在记录“0”时从未磁化

34、状态转变到另一方向的饱和时从未磁化状态转变到另一方向的饱和磁化状态。在两位信息之间，线圈里的电流为零，磁化状态。在两位信息之间，线圈里的电流为零，这是归零制的特点。因磁层为硬磁材料，采用这种这是归零制的特点。因磁层为硬磁材料，采用这种方法去磁比较麻烦，也就是说改写磁层上的记录比方法去磁比较麻烦，也就是说改写磁层上的记录比较困难，改写时，一般先去磁，后写入。较困难，改写时，一般先去磁，后写入。(2)不归零制不归零制(NRZ)在记录信息时，磁头线圈里如果没有正向电流就必在记录信息时，磁头线圈里如果没有正向电流就必有反向电流，而没有无电流的状态，为不归零制。有反向电流，而没有无电流的状态，为不归零制

35、。磁层不是正向被饱和磁化就是反向被饱和磁化，当磁层不是正向被饱和磁化就是反向被饱和磁化，当连续写入连续写入“1”或或“0”时，写电流的方向是不改变时，写电流的方向是不改变的。因此，这种记录方式比归零制减少了磁化翻转的。因此，这种记录方式比归零制减少了磁化翻转的次数。的次数。(3)见见“1”就翻的不归零制就翻的不归零制(NRZ1)和不归零制一样，记录信息时，磁头线圈中始终有和不归零制一样，记录信息时，磁头线圈中始终有电流通过。不同之处在于，流过磁头的电流只有在电流通过。不同之处在于，流过磁头的电流只有在记录记录“1”时变化方向，使磁层磁化方向翻转；记时变化方向，使磁层磁化方向翻转；记录录“0”时

36、，电流方向不变，磁层保持原来的磁化时，电流方向不变，磁层保持原来的磁化方向。因此称为方向。因此称为“见见1就翻的不归零制就翻的不归零制”。(4)调相制调相制(PM)调相制又称相位编码调相制又称相位编码(PE)，它是利用两个相位相差，它是利用两个相位相差180的磁化翻转方向代表数据的磁化翻转方向代表数据“0”和和“1”。也就是说，。也就是说，假定记录数据假定记录数据“0”时，规定磁化翻转的方向由负变时，规定磁化翻转的方向由负变为正，则记录数据为正，则记录数据“1”时从正变为负。当连续出现时从正变为负。当连续出现两个或两个以上两个或两个以上“1”或或“0”时，为了维持上述原则，时，为了维持上述原则

37、，在位周期起始处也要翻转一次。在位周期起始处也要翻转一次。(5)调频制调频制(FM)调频制的记录规则是，记录调频制的记录规则是，记录“1”时，不仅在位周时，不仅在位周期的中心产生磁化翻转，而且在位与位之间也必须期的中心产生磁化翻转，而且在位与位之间也必须翻转。记录翻转。记录“0”时，位周期中心不产生磁化翻转，时，位周期中心不产生磁化翻转，但位与位之间的边界处要翻转一次。由于记录数据但位与位之间的边界处要翻转一次。由于记录数据“1”时磁化翻转的频率为记录数据时磁化翻转的频率为记录数据“0”时的两倍，时的两倍，因此又称因此又称“倍频制倍频制”。(6)改进调频制改进调频制(MFM)这种记录方式基本上

38、与调频制相同，即记录数据这种记录方式基本上与调频制相同，即记录数据“1”时在位周期中心磁化翻转一次，记录数据时在位周期中心磁化翻转一次，记录数据“0”时不翻转。区别在于只有连续记录两个或两时不翻转。区别在于只有连续记录两个或两个以上个以上“0”时，才在位周期的起始位置翻转一次，时，才在位周期的起始位置翻转一次，而不是在每个位周期的起始处都翻转。而不是在每个位周期的起始处都翻转。除上述几种记录方式外，还有改进调频制除上述几种记录方式外，还有改进调频制(M2FM)，成组编码，成组编码(GCR)以及游程长度受限码以及游程长度受限码(RLLC)等。等。下面讨论读出信号。当记录介质在磁头下匀速通过下面讨

39、论读出信号。当记录介质在磁头下匀速通过时，如磁层的磁化强度发生变化，将在磁头的读出时，如磁层的磁化强度发生变化，将在磁头的读出线圈中感应出电压。图线圈中感应出电压。图8.6给出两种不归零制给出两种不归零制(NRZ，NRZ1)和改进调频制和改进调频制(MFM)的磁化强度和读出信的磁化强度和读出信号波形。号波形。图图8.6 三种记录方式的磁化强度和读出信号波形三种记录方式的磁化强度和读出信号波形不同的磁记录方式性能各异。评定一种记录方式的不同的磁记录方式性能各异。评定一种记录方式的优劣标准主要是编码效率、自同步能力等。优劣标准主要是编码效率、自同步能力等。自同步能力是指从单个磁道读出的脉冲序列中提

40、取自同步能力是指从单个磁道读出的脉冲序列中提取同步时钟脉冲的难易程度。前面已经讲到，从磁表同步时钟脉冲的难易程度。前面已经讲到，从磁表面存储器读出信号时，为了分离出数据信息必须要面存储器读出信号时，为了分离出数据信息必须要有时间基准信号，称为同步信号。同步信号可以从有时间基准信号，称为同步信号。同步信号可以从专门设置用来记录同步信号的磁道中取得，这种方专门设置用来记录同步信号的磁道中取得，这种方法称为外同步。但对于高密度的记录系统来说，还法称为外同步。但对于高密度的记录系统来说，还希望能直接从磁盘读出的信号中提取同步信号，这希望能直接从磁盘读出的信号中提取同步信号，这种方法称为自同步。如果说某

41、种编码方法具有自同种方法称为自同步。如果说某种编码方法具有自同步能力，就是指能从读出数据步能力，就是指能从读出数据(脉冲序列脉冲序列)中提取同中提取同步信号。步信号。自同步能力的大小可以用最小磁化翻转间隔与最大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磁化翻转间隔的比值R来衡量。比值来衡量。比值R越大，自同越大，自同步能力越强。步能力越强。编码效率编码效率是指位密度与最大磁化翻转密度之比。是指位密度与最大磁化翻转密度之比。位密度位密度/最大磁化翻转密度最大磁化翻转密度编码效率高低是指每次磁层状态翻转所存储的数据编码效率高低是指每次磁层状态翻转所存储的数据信息位的多少。信息位

42、的多少。除编码效率和自同步能力之外，还要考虑：读分辨除编码效率和自同步能力之外，还要考虑：读分辨率，即磁记录系统对读出信号的分辨能力；信息的率，即磁记录系统对读出信号的分辨能力；信息的相关性，即漏读或错读一位是否能传播误码；以及相关性，即漏读或错读一位是否能传播误码；以及信道带宽，抗干扰能力，编码译码电路的复杂性等。信道带宽，抗干扰能力，编码译码电路的复杂性等。这些都对记录方式的取舍评价产生影响。这些都对记录方式的取舍评价产生影响。另外，对于不同种类的设备，还要根据设备读写机另外，对于不同种类的设备，还要根据设备读写机构的特点来选择记录方式，例如磁带机是多道并行构的特点来选择记录方式，例如磁带

43、机是多道并行存取结构，一般采用调相制记录方式存取结构，一般采用调相制记录方式(PE)和成组编和成组编码码(GCR)。磁盘机中则主要选择。磁盘机中则主要选择FM和和MFM，分别，分别用于单密度和双密度磁盘存储器。用于单密度和双密度磁盘存储器。另外还有一种游程长度受限码另外还有一种游程长度受限码(run length limited code，简称，简称RLLC或称或称RLL)，是编码理论中研究码，是编码理论中研究码制变换、增强抗干扰能力而得出的一种编码。前面制变换、增强抗干扰能力而得出的一种编码。前面介绍的介绍的FM，PM等记录方式都可以用等记录方式都可以用RLL码加以描码加以描述。述。RLL编

44、码的实质是将原始数据序列变换成编码的实质是将原始数据序列变换成“0”、“1”受限制的记录序列，其编码规则是：先把输入受限制的记录序列，其编码规则是：先把输入信息序列变换为信息序列变换为“0”游程长度受限码，即任何两位游程长度受限码，即任何两位相邻的相邻的“1”之间的之间的“0”的最大位数的最大位数k和最小位数和最小位数d均受均受到限制的新编码，然后再用逢到限制的新编码，然后再用逢“1”变化不归零制方变化不归零制方式进行调制和写入，具有自同步能力。式进行调制和写入，具有自同步能力。同样，磁带机和软磁盘上使用的成组编码记录同样，磁带机和软磁盘上使用的成组编码记录(GCR)(5，4)也是一种也是一种

45、RLL码。成组编码记录码。成组编码记录(group coded recording，简称，简称GCR)码的编码规则是把输码的编码规则是把输入信息序列按入信息序列按4位长度分组，然后按表位长度分组，然后按表8.1中给出的中给出的规则把规则把4位信息变换为位信息变换为5位码字，在这里位码字，在这里k=2,d=0,最最后再把编码序列用逢后再把编码序列用逢“1”变化不归零制规则调制。变化不归零制规则调制。这种编码具有自同步能力。这种编码具有自同步能力。表表8.1 GCR(5.4)变换规则表变换规则表信息组码字D1D2D3D4C1C2C3C4C500001100100011101100101001000

46、1110011010011101010110101011010110011110111100011010100101001101001010101101011110011110110101101111001110111101111最后，以调频制最后，以调频制(FM)为例，介绍记录方式的实现为例，介绍记录方式的实现(图图8.7)。图图8.7 FM制记录波形的形成制记录波形的形成本例将同步信号及数据本例将同步信号及数据(71H)混合在一起后形成混混合在一起后形成混合脉冲，利用混合脉冲作为一位触发器的计数脉冲，合脉冲，利用混合脉冲作为一位触发器的计数脉冲，该触发器的输出波形即为该触发器的输出波形即为

47、FM制的记录波形制的记录波形(写入电写入电流流)。在此图中数据与同步脉冲的关系如下：。在此图中数据与同步脉冲的关系如下：(1)数据在位周期数据在位周期T的中心，如果数据是的中心，如果数据是“1”，有脉，有脉冲；如果是冲；如果是“0”，则无脉冲。，则无脉冲。(2)同步脉冲在位周期的前边界。同步脉冲在位周期的前边界。通常送到磁表面存储器的数据来自移位寄存器，其通常送到磁表面存储器的数据来自移位寄存器，其数据序列如图数据序列如图8.8(b)中所示的串行数据，以电位的中所示的串行数据，以电位的高低来表示高低来表示“1”和和“0”。利用图。利用图8.8(a)的电路图可产的电路图可产生类似于图生类似于图8

48、.7中的混合脉冲，图中的混合脉冲，图8.8(b)为各点波形为各点波形图。图。图图8.8 FM制混合脉冲生成电路及波形图制混合脉冲生成电路及波形图任何数字磁记录都可看作由一串等距或不等距的磁任何数字磁记录都可看作由一串等距或不等距的磁化翻转所构成，如果两次相邻的极性相反的磁化翻化翻转所构成，如果两次相邻的极性相反的磁化翻转相隔很近，那么读出信号脉冲将产生部分重叠，转相隔很近，那么读出信号脉冲将产生部分重叠，而影响彼此读出的信号幅度，并使峰点产生偏移，而影响彼此读出的信号幅度，并使峰点产生偏移，这种现象称为脉冲拥挤效应或符号间干扰这种现象称为脉冲拥挤效应或符号间干扰(码间串码间串扰扰)，这会影响记

49、录密度。可以通过，这会影响记录密度。可以通过RLLC(游程长游程长度有限码度有限码)来减少脉冲拥挤效应，以提高记录密度。来减少脉冲拥挤效应，以提高记录密度。采用采用PRML技术可进一步提高记录密度，其基本思技术可进一步提高记录密度，其基本思想是一个符号的读出信号并不局限在一个符号的持想是一个符号的读出信号并不局限在一个符号的持续期间内，而延伸到前后若干个符号的持续期间内，续期间内，而延伸到前后若干个符号的持续期间内，但符号间的干扰不是随机的，而是有规律的，可通但符号间的干扰不是随机的，而是有规律的，可通过计算机观察进行控制和消除，因此可以提高记录过计算机观察进行控制和消除，因此可以提高记录密度

50、。密度。8.3 硬磁盘存储器硬磁盘存储器8.3.1 硬磁盘存储器的种类及基本结构硬磁盘存储器的种类及基本结构硬磁盘存储器指的是记录介质为硬质圆形盘片的辅硬磁盘存储器指的是记录介质为硬质圆形盘片的辅助存储器系统。它以铝合金等金属作为盘基，盘面助存储器系统。它以铝合金等金属作为盘基，盘面敷有磁性记录层，磁层可以采用甩涂工艺制成，此敷有磁性记录层，磁层可以采用甩涂工艺制成，此时磁粉呈不连续的颗粒存在；也可以用电镀、化学时磁粉呈不连续的颗粒存在；也可以用电镀、化学镀和溅射等方法制取连续膜磁盘。镀和溅射等方法制取连续膜磁盘。硬磁盘存储器种类很多，结构各异，性能差别很大，硬磁盘存储器种类很多，结构各异，性