第8章-外部设备课件.ppt

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1、第第8章章外部设备外部设备1第第8章章外部设备外部设备第第8章章外部设备外部设备2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，本章将介绍磁介质存的重要组成部分，本章将介绍磁介质存储器的存储原理，常用磁介质存储设备储器的存储原理，常用磁介质存储设备和其他辅助存储设备，以及常见的输入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。输出设备的工作原理。第第8章章外部设备外部设备3本章学习内容本章学习内容8.1外部设备概述外部设备概述8.2磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理8.3磁介质存储设备磁介质存储设备8.4磁盘阵列（磁盘阵列（RAID）8.5光

2、盘存储器光盘存储器8.6新型辅助存储器新型辅助存储器8.7键盘输入设备键盘输入设备8.8其他输入设备其他输入设备8.9打印输出设备打印输出设备8.10显示设备显示设备第第8章章外部设备外部设备4本章学习要求本章学习要求了解：外部设备分类了解：外部设备分类了解：磁介质存储器的读写原理和技术指标了解：磁介质存储器的读写原理和技术指标理解：常见的数字磁记录方式理解：常见的数字磁记录方式理解：硬盘上的信息分布和磁盘地址理解：硬盘上的信息分布和磁盘地址了解：磁盘阵列的基本概念了解：磁盘阵列的基本概念了解：光盘的基本概念。了解：光盘的基本概念。了解：新型辅助存储器了解：新型辅助存储器理解：键盘的类型和非编

3、码键盘的工作原理理解：键盘的类型和非编码键盘的工作原理了解：其他输入设备了解：其他输入设备理解：印字输出设备的特点和点阵针式打印机理解：印字输出设备的特点和点阵针式打印机的工作原理的工作原理理解：显示设备特点和字符显示器的工作原理理解：显示设备特点和字符显示器的工作原理第第8章章外部设备外部设备58 8.1.1 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（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设设置置的的各各种种硬硬件件装装置置称称为为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

4、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息加工处理的任务。加工处理的任务。第第8章章外部设备外部设备68 8.1.1.1.1 外部设备的分类外部设备的分类1.输入输出设备输入输出设备从从计计算算机机的的角角度度出出发发，向向计计算算机机输输入入信信息息的的外外部部设设备备称称为为输输入入设设备备；接接收收计计算算机机输输出出信信息息的的外外部部设设备备称称为为输输出出设设备。备。输输入入设设备备有有键键盘盘、鼠鼠标标、扫扫描描器器、数数字字化化仪仪、磁磁卡卡输输入入设设备备、语语音音输输入入设设备备等等。输输出出设设备备有有显显示示设设备备、绘绘图图机机、打印输出设备等。打

5、印输出设备等。第第8章章外部设备外部设备72.辅助存储器辅助存储器辅辅助助存存储储器器是是指指主主机机以以外外的的存存储储装装置置，又又称称为为后后援援存存储储器器。辅辅助助存存储储器器的的读读写写，就就其其本本质质来来说说也也是是输输入入或或输输出出，所所以以可可以以认认为为辅辅助助存存储储器器也是一种复合型的输入输出设备。也是一种复合型的输入输出设备。常常见见的的辅辅助助存存储储器器有有软软磁磁盘盘存存储储器器、硬硬磁磁盘存储器、磁带存储器及光盘存储器等。盘存储器、磁带存储器及光盘存储器等。3.终端设备终端设备终终端端设设备备由由输输入入设设备备、输输出出设设备备和和终终端端控控制制器器组

6、组成成，通通常常通通过过通通信信线线路路与与主主机机相相连连。终终端端设设备备具具有有向向计计算算机机输输入入信信息息和和接接收收计计算算机机输输出出信信息息的的能能力力，具具有有与与通通信信线线路路连连接接的的通通信信控控制制能能力力，有些还具有一定的数据处理能力。有些还具有一定的数据处理能力。第第8章章外部设备外部设备8当计算机进行实时控制时，原始参数当计算机进行实时控制时，原始参数需要先用模数转换器将模拟量转换为数字需要先用模数转换器将模拟量转换为数字量，然后再输入计算机进行处理。而经计量，然后再输入计算机进行处理。而经计算机处理后的控制信息，需先经数模转换算机处理后的控制信息，需先经数

7、模转换器把数字量转换成模拟量，再送到执行部器把数字量转换成模拟量，再送到执行部件对控制对象进行自动调节。模数、数模件对控制对象进行自动调节。模数、数模转换设备均是过程控制设备。转换设备均是过程控制设备。4.过程控制设备过程控制设备第第8章章外部设备外部设备98.1.2 8.1.2 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，计计算算机机将将无无法法工工作作。外外部部设设备备在在计计算算机机系系统统中中占占据的地位变得越来越重要了。据的地位变得越来越重要了。外部设备在计算机系统中

8、的作用有：外部设备在计算机系统中的作用有：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算机在各领域应用的桥梁第第8章章外部设备外部设备10磁磁介介质质存存储储器器的的存存储储过过程程是是一一种种电电磁磁转转换换的的过过程程。常常见见的的磁磁介介质质存存储储器器，如如磁磁盘、磁带等就是利用磁记录原理制成的。盘、磁带等就是利用磁记录原理制成的。8 8.2.2 磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理第第

9、8章章外部设备外部设备111.磁记录介质和磁头磁记录介质和磁头磁记录介质磁记录介质在在磁磁介介质质存存储储器器中中，信信息息是是记记录录在在一一薄薄层层磁磁性性材材料料上上的的，这这个个薄薄层层称称为为磁磁层层。磁磁层层与与所所附附着着的的载载体体称称为为记记录录介介质质或或记记录录媒体。媒体。载载体体是是由由非非磁磁性性材材料料制制成成的的。根根据据载载体的性质，又可分为软质载体和硬质载体。体的性质，又可分为软质载体和硬质载体。8 8.2.1.2.1 磁介质存储器的读写磁介质存储器的读写第第8章章外部设备外部设备12磁头磁头 磁磁头头是是磁磁记记录录设设备备的的关关键键部部件件之之一一，是是

10、一一种种电电磁磁转转换换元元件件，能能把把电电脉脉冲冲表表示示的的二二进进制制代代码码转转换换成成磁磁记记录录介介质质上上的的磁磁化化状状态态，即即电电磁磁转转换换；反反过过来来，能能把把磁磁记记录录介介质质上上的的磁磁化化状状态态转转换换成成电电脉脉冲冲，即即磁磁电转换。电转换。在在读读写写过过程程中中，磁磁记记录录介介质质与与磁磁头头之之间间相相对对运运动动，一一般般是是记记录录介介质质运运动动而而磁磁头头不动。不动。1.磁记录介质和磁头（续）磁记录介质和磁头（续）第第8章章外部设备外部设备13写写入入时时，在在写写磁磁头头线线圈圈中中通通以以一一定定方方向向的的写写电电流流，所所产产生生

11、的的磁磁通通将将从从磁磁头头的的头头隙隙进进入入记记录录介介质质，然然后后流流回回磁磁头头，形形成成一一个个回回路路，于于是是在在磁磁头头下下方方的的一一个个局局部部区区域域被被磁磁化化，形形成成一一个个磁磁化化单单元元（或或称称记记录录单单元）。元）。3.读出过程读出过程读读出出时时，读读磁磁头头线线圈圈不不外外加加电电流流。当当某某一一磁磁化化单单元元运运动动到到读读磁磁头头下下方方时时，使使得得磁磁头头中中流流过过的的磁磁通通有有很很大大的的变变化化，于于是是在在读磁头线圈两端产生感应电动势读磁头线圈两端产生感应电动势e。2.写入过程写入过程第第8章章外部设备外部设备141.记录密度记录

12、密度记记录录密密度度是是指指磁磁介介质质存存储储器器上上单单位位长长度或单位面积所存储的二进制信息量。度或单位面积所存储的二进制信息量。道道密密度度。道道密密度度又又叫叫横横向向密密度度，是是指指垂垂直直于于磁磁道道方方向向上上单单位位长长度度中中的的磁磁道道数数目目，道道密密度度的的单单位位是是道道/in(TPI)或或道道/mm(TPM)。位密度。位密度又叫纵向密度，是位密度。位密度又叫纵向密度，是指沿磁道方向上单位长度中所记录的二进指沿磁道方向上单位长度中所记录的二进制信息的位数，位密度的单位为位制信息的位数，位密度的单位为位/in(bpi)或位或位/mm(bpm)。8 8.2.2.2.2

13、 磁介质存储器的技术指标磁介质存储器的技术指标第第8章章外部设备外部设备15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存储器所能存储的二进制信息的总量，一般以字节为存储的二进制信息的总量，一般以字节为单位表示，它与存储介质的尺寸和记录密单位表示，它与存储介质的尺寸和记录密度直接相关。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。非容量和格式化容量两种指标。非格式化容格式化容量是指磁记录介质上全部的磁化单元数；量是指磁记录介质上全部的磁化单元数；格式化容量是指用户实际可以使用的存储格式化容量是指用户实际可以使用的存储容量容量，也

14、就是制造商给出的标称容量。格，也就是制造商给出的标称容量。格式化容量一般约为非格式化容量的式化容量一般约为非格式化容量的6070左右。左右。2.存储容量存储容量第第8章章外部设备外部设备16在磁介质存储器中，当磁头接到读写命在磁介质存储器中，当磁头接到读写命令后，从原来的位置移动到指定位置并完成令后，从原来的位置移动到指定位置并完成读写操作的时间叫存取时间。读写操作的时间叫存取时间。对于采用直接对于采用直接存取方式的磁盘存储器来说，存取时间主要存取方式的磁盘存储器来说，存取时间主要包括包括4部分：第一部分是指磁头从原先位置部分：第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，称为定位时移

15、动到目的磁道所需要的时间，称为定位时间或寻道时间；第二部分是指在到达目的磁间或寻道时间；第二部分是指在到达目的磁道以后，等待被访问的记录块旋转到磁头下道以后，等待被访问的记录块旋转到磁头下方的等待时间，称为旋转时间或等待时间；方的等待时间，称为旋转时间或等待时间；第第3部分是信息的读写操作时间，也称为传部分是信息的读写操作时间，也称为传输时间；最后是磁盘控制器的开销。输时间；最后是磁盘控制器的开销。3.平均存取时间平均存取时间第第8章章外部设备外部设备17由于寻找不同磁道和等待不同记录块由于寻找不同磁道和等待不同记录块所花的时间不同，所以通常取它们的平均所花的时间不同，所以通常取它们的平均值。

16、传输时间和控制器的开销相对平均寻值。传输时间和控制器的开销相对平均寻道时间道时间Ts和平均等待时间和平均等待时间Tw来说要小得多，来说要小得多，所以磁盘的平均存取时间所以磁盘的平均存取时间Ta约等于：约等于：TaTs+Tw=+3.平均存取时间（续）平均存取时间（续）第第8章章外部设备外部设备18磁介质存储器在单位时间内向主机磁介质存储器在单位时间内向主机传送数据的位数或字节数，称为数据传传送数据的位数或字节数，称为数据传输率输率Dr，单位为单位为b/s或或B/s。5.误码率误码率误误码码率率是是衡衡量量磁磁介介质质存存储储器器出出错错概概率率的的参参数数，它它等等于于读读出出的的出出错错信信息

17、息位位数数和读出总的信息位数之比。和读出总的信息位数之比。读出错误有硬错误和软错误之分。读出错误有硬错误和软错误之分。硬错误又称不可恢复的错误；软错误又硬错误又称不可恢复的错误；软错误又称可恢复的错误，可用重复的读操作来称可恢复的错误，可用重复的读操作来改正。改正。4.数据传输率数据传输率第第8章章外部设备外部设备198 8.2.3.2.3 数字磁记录方式数字磁记录方式 为了提高磁介质存储器的性能，扩为了提高磁介质存储器的性能，扩大存储容量，加快存取速度，除了要不断大存储容量，加快存取速度，除了要不断改善磁头和记录介质的电磁性能和机械性改善磁头和记录介质的电磁性能和机械性能之外，选用高性能的数

18、字磁记录方式对能之外，选用高性能的数字磁记录方式对提高记录密度和可靠性也是很重要的。提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成记录介质上相应磁通翻转形式。换成记录介质上相应磁通翻转形式。第第8章章外部设备外部设备20直接记录方式直接记录方式图图8-2(a)直接记录方式的写电流波形直接记录方式的写电流波形第第8章章外部设备外部设备21当记录密度较低时，可以不编码，直当记录密度较低时，可以不编码，直接按记录信息的接按记录信息的“0”、“1”排序记录。排序记录。归零制（归零制

19、（RZ）记记录录“1”时时，写写磁磁头头线线圈圈中中通通以以正正向向脉脉冲冲电电流流；记记录录“0”时时，通通以以反反向向脉脉冲冲电电流流。由由于于脉脉冲冲电电流流均均要要回回到到零零，故故称称为为归归零零制制。归归零零制制的的两两个个脉脉冲冲之之间间有有一一段段间隔没有电流，相应的这段磁层未被磁化。间隔没有电流，相应的这段磁层未被磁化。1.直接记录方式直接记录方式第第8章章外部设备外部设备22不归零制（不归零制（NRZ）记记录录“1”时时，写写磁磁头头线线圈圈中中通通以以正正向向电电流流；记记录录“0”时时，通通以以反反向向电电流流。由由于于磁磁头头中中电电流流不不回回到到零零，故故称称为为

20、不不归归零零制制。如如果果记记录录的的相相邻邻两两位位信信息息相相同同时时，写写电电流流方方向向不不变变；只只有有当当记记录录的的相相邻邻两两位位信信息息不不相相同同时时，写写电电流流才才改改变变方方向，所以又称为向，所以又称为“见变就翻见变就翻”的不归零制。的不归零制。不归零不归零1制（制（NRZ-1）这这是是一一种种改改进进的的不不归归零零制制，记记录录“1”时时，在在位位周周期期中中间间写写电电流流改改变变方方向向；而而记记录录“0”时时，写写电电流流方方向向维维持持不不变变，所所以以称称之之为为见见“1”就就翻翻的不归零制。的不归零制。1.直接记录方式（续）直接记录方式（续）第第8章章

21、外部设备外部设备23按位编码记录方式按位编码记录方式图图8-2(b)按位编码记录方式的写电流波形按位编码记录方式的写电流波形第第8章章外部设备外部设备24调相制（调相制（PE）调调相相制制又又称称相相位位编编码码方方式式。它它采采用用0和和180相相位位的的不不同同分分别别表表示示“1”或或“0”。它它的的编编码码规规则则是是：记记录录“1”时时，写写电电流流在在位位周周期期中中间间由由负负变变正正；记记录录“0”时时，写写电电流流在在位位周周期期中中间间由由正正变变负负。当当连连续续出出现现两两个个或或两两个个以以上上“1”或或“0”时时，为为了了维维持持上上述述原原则则，在在位位周周期期的

22、的边边界界上上也也要要翻翻转一次。这种记录方式常用于磁带机中。转一次。这种记录方式常用于磁带机中。2.按位编码记录方式按位编码记录方式第第8章章外部设备外部设备25调频制（调频制（FM）调调频频制制是是根根据据写写电电流流的的频频率率来来区区分分记记录录“1”或或“0”的的。记记录录“1”时时，写写电电流流在在位位周周期期中中间间和和边边界界各各改改变变一一次次方方向向；记记录录“0”时时，写写电电流流仅仅在在位位周周期期边边界界改改变变一一次次方方向向。因因此此，记记录录“1”的的磁磁通通翻翻转转频频率率为为记记录录“0”时时的的两两倍倍，故故又又称称倍倍频频制制。若若以以T0表表示示位位周

23、周期期，则则调调频频制制的的磁磁通通翻翻转转间间距距为为0.5T0和和T0。这这种种记记录录方方式式主主要要应应用用于于早早期期的的硬硬磁磁盘盘机机和和单单密密度度软软磁磁盘机中。盘机中。2.按位编码记录方式（续）按位编码记录方式（续）第第8章章外部设备外部设备26改进的调频制（改进的调频制（MFM）MFM制制是是在在FM制制基基础础上上改改进进的的一一种种记记录录方方式式，其其编编码码规规则则是是：记记录录“1”时时，写写电电流流在在位位周周期期中中间间改改变变方方向向；记记录录独独立立的的一一个个“0”时时，写写电电流流不不改改变变方方向向；记记录录连连续续的的两两个个“0”时时，写写电电

24、流流在在位位周周期期边界改变方向。边界改变方向。改改进进的的调调频频制制的的磁磁通通翻翻转转间间距距有有3种种：T0、1.5T0、2T0，所所以以又又称称为为三三频频制制。采采用用MFM制制的的记记录录密密度度是是FM制制的的两两倍倍，这这种种记记录录方方式式广广泛泛应应用用于于硬硬磁磁盘盘机机和和倍倍密密度度软磁盘机上。软磁盘机上。2.按位编码记录方式（续）按位编码记录方式（续）第第8章章外部设备外部设备27改进的改进型调频制（改进的改进型调频制（M2FM）M2FM制制是是改改进进的的MFM制制方方式式。其其编编码码规规则则是是：记记录录“1”时时，写写电电流流在在位位周周期期中中间间改改变

25、变方方向向；记记录录独独立立的的一一个个“0”时时，写写电电流流不不改改变变方方向向；记记录录连连续续的的两两个个“0”时时，写写电电流流在在第第二二个个“0”起起始始的的位位周周期期边边界界处处改改变变方方向向；记记录录连连续续多多个个“0”时时，写写电电流流在在前前两两个个“0”的的位位周周期期边边界界处处改改变变方方向向；以以后后每每隔隔两两个个“0”在在位位周周期边界处写电流再改变一次方向。期边界处写电流再改变一次方向。改进的改进型调频制的磁通翻转间距有改进的改进型调频制的磁通翻转间距有4种：种：T0、1.5T0、2T0、2.5T0，所以又称为四频制。所以又称为四频制。M2FM曾在软盘

26、机和一些特殊用途的数字磁带曾在软盘机和一些特殊用途的数字磁带机中使用。机中使用。2.按位编码记录方式（续）按位编码记录方式（续）第第8章章外部设备外部设备28成组编码方式，如群码制（成组编码方式，如群码制（GCR）、）、三位调制码（三位调制码（3PM）和游程长度受限码和游程长度受限码（RLL）等，它们将数据序列中的数据位几等，它们将数据序列中的数据位几位分成一组，然后按一定的变换规则变换位分成一组，然后按一定的变换规则变换成对应的记录码，再采用成对应的记录码，再采用NRZ-1制写入记制写入记录介质，从而使记录密度得以提高。录介质，从而使记录密度得以提高。3.成组编码记录方式成组编码记录方式第第

27、8章章外部设备外部设备29硬盘中最流行的编码方式为游程长度硬盘中最流行的编码方式为游程长度受限（受限（RLL）码，它的记录密度是调频制的码，它的记录密度是调频制的3倍。游程长度受限码通常每次编码一组倍。游程长度受限码通常每次编码一组数据而不是单个数据。游程长度受限源于数据而不是单个数据。游程长度受限源于这些编码的两个主要特性，即两个实际的这些编码的两个主要特性，即两个实际的磁通转换之间允许的最小转换单元数目磁通转换之间允许的最小转换单元数目（游程长度）和最大的转换单元数目（游（游程长度）和最大的转换单元数目（游程受限）。该方式的不同变种使用不同的程受限）。该方式的不同变种使用不同的长度和受限参

28、数，但只有两种真正得到普长度和受限参数，但只有两种真正得到普及：及：RLL2,7和和RLL1,7。3.成组编码记录方式（续）成组编码记录方式（续）第第8章章外部设备外部设备30尽管存在着很多种编码方式，但只有尽管存在着很多种编码方式，但只有少部分仍然流行。近些年最流行的三种基少部分仍然流行。近些年最流行的三种基本类型是：本类型是：调频制（调频制（FM）改进的调频制（改进的调频制（MFM）游程长度受限（游程长度受限（RLL）8 8.2.4.2.4 编码方式的比较编码方式的比较第第8章章外部设备外部设备31用用FM、MFM和和RLL2,7编码方式的比较编码方式的比较图图8-3用用FM、MFM和和R

29、LL2,7编码编码ASCII字符字符“X”的写电流波的写电流波形形第第8章章外部设备外部设备32磁磁介介质质存存储储器器主主要要包包括括硬硬盘盘存存储储器器、软软盘盘存存储储器器和和磁磁带带存存储储器器，它它们们的的容容量量大大、位价格低，是当今辅助存储器的主体。位价格低，是当今辅助存储器的主体。8 8.3.3 磁介质存储设备磁介质存储设备第第8章章外部设备外部设备33硬硬盘盘存存储储器器的的硬硬件件包包括括硬硬盘盘控控制制器器（适适配配器器）、硬硬盘盘驱驱动动器器以以及及连连接接电电缆缆。硬硬盘盘控控制制器器（HDC）对对硬硬盘盘进进行行管管理理，并并在在主主机机和和硬硬盘盘之之间间传传送送

30、数数据据。硬硬盘盘控控制制器器以以适适配配卡卡的的形形式式插插在在主主板板上上或或直直接接集集成成在在主主板板上上，然然后后通通过过电电缆缆与与硬硬盘盘驱驱动动器器相相连连；许许多多新新型型硬硬盘盘则则已已将将控控制制器器集集成成到到驱驱动动器器单单元元中中去去了了。硬硬盘盘驱驱动动器器（HDD）中中有有盘盘片片、磁磁头头、主主轴轴电电机机（盘盘片片旋旋转转驱驱动动机机构构）、磁头定位机构、读写电路和控制逻辑等。、磁头定位机构、读写电路和控制逻辑等。8 8.3.1.3.1 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第第8章章外部设备外部设备34为为了了提提高高单单台台驱驱动动器器的的

31、存存储储容容量量，在在硬硬盘盘驱驱动动器器内内使使用用了了多多个个盘盘片片，它它们们被被叠叠装装在在主主轴轴上上，构构成成一一个个盘盘组组；每每个个盘盘片片的的两两面面都都可可用用作作记记录录面面，所所以以一一个个硬硬盘盘的的存存储容量又称为盘组容量。储容量又称为盘组容量。根据头盘是否是一个密封的整体，根据头盘是否是一个密封的整体，硬盘存储器可分为温彻斯特盘和非温彻斯硬盘存储器可分为温彻斯特盘和非温彻斯特盘两类。特盘两类。根据磁头是否可移动，硬盘存储器可根据磁头是否可移动，硬盘存储器可分为固定头硬盘和活动头硬盘两类。分为固定头硬盘和活动头硬盘两类。8 8.3.1.3.1 硬盘存储器的基本结构与

32、分类（续）硬盘存储器的基本结构与分类（续）第第8章章外部设备外部设备2010.9重庆文理学院磁介质存储设备磁介质存储设备第第8章章外部设备外部设备361.磁头磁头温温盘盘的的磁磁头头采采用用接接触触启启停停式式。所所谓谓接接触触启启停停是是指指在在读读写写操操作作时时磁磁头头浮浮空空，不不与与盘盘面面记记录录区区相相接接触触，以以免免划划伤伤记记录录区区。但但由由于于磁磁头头的的浮浮起起要要依依靠靠盘盘片片高高速速旋旋转转时时产产生生的的气气垫垫浮浮力力，因因此此在在启启动动前前和和停停止止后后，磁头将仍与盘面接触。磁头将仍与盘面接触。在在读读写写时时，磁磁头头与与盘盘面面之之间间的的间间隙隙

33、极极小小，这这样样，磁磁头头在在通通以以写写电电流流后后，盘盘面面的的磁化单元很小，记录密度可以大大提高。磁化单元很小，记录密度可以大大提高。8 8.3.2.3.2 硬盘驱动器硬盘驱动器第第8章章外部设备外部设备372.磁头定位系统磁头定位系统磁头定位系统驱动磁头沿盘面径向移磁头定位系统驱动磁头沿盘面径向移动寻道并精确定位。磁头定位系统应包括动寻道并精确定位。磁头定位系统应包括以下操作：以下操作：硬硬盘盘驱驱动动器器启启动动后后，或或是是中中途途寻寻道道出出错错后后，要要使使磁磁头头准准确确地地回回到到0号号磁磁道道，以等待寻道命令。以等待寻道命令。要要能能快快速速、准准确确地地将将磁磁头头移

34、移到到指指定定磁道的中心位置。磁道的中心位置。当硬盘驱动器发生故障或掉电后，当硬盘驱动器发生故障或掉电后，要使磁头迅速退出盘面数据区，以保护盘要使磁头迅速退出盘面数据区，以保护盘面免受擦伤。面免受擦伤。第第8章章外部设备外部设备382.磁头定位系统（续）磁头定位系统（续）磁头定位系统有两种类型：磁头定位系统有两种类型：步进电机定位机构步进电机定位机构在在道道密密度度不不是是很很高高的的小小容容量量磁磁盘盘中中，一一般般采采用用步步进进电电机机驱驱动动。整整个个定定位位机机构构是是一一个个开开环环系系统统。步步进进电电机机定定位位机机构构的的结结构构紧凑、控制简单，但定位精度比较低。紧凑、控制简

35、单，但定位精度比较低。音圈电机定位机构音圈电机定位机构在道密度较高的磁盘中，多采用音圈在道密度较高的磁盘中，多采用音圈电机驱动。整个定位系统是一个带有速度电机驱动。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，其和位置反馈的闭环调节自动控制系统，其特点是寻道速度快，定位精度高。特点是寻道速度快，定位精度高。第第8章章外部设备外部设备391.硬盘的信息分布硬盘的信息分布在硬盘中信息分布呈以下层次：记录在硬盘中信息分布呈以下层次：记录面、圆柱面、磁道和扇区。面、圆柱面、磁道和扇区。记录面记录面一一台台硬硬盘盘驱驱动动器器中中有有多多个个盘盘片片，每每个个盘盘片片有有两两个个记记录录面

36、面，每每个个记记录录面面对对应应一一个个磁磁头头，所所以以记记录录面面号号就就是是磁磁头头号号。所所有有的的磁磁头头安安装装在在一一个个公公用用的的传传动动设设备备或或支支架架上上，磁磁头头一一致致地地沿沿盘盘面面径径向向移移动动，单单个个磁磁头头不不能单独地移动。能单独地移动。8 8.3.3.3.3 硬盘的信息分布和磁盘地址硬盘的信息分布和磁盘地址 第第8章章外部设备外部设备40磁盘组的记录面磁盘组的记录面图图8-4(a)磁盘组的记录面磁盘组的记录面第第8章章外部设备外部设备41磁道磁道在在记记录录面面上上，一一条条条条磁磁道道形形成成一一组组同同心心圆圆，最外圈的磁道为最外圈的磁道为0号，

37、往内则磁道号逐步增加。号，往内则磁道号逐步增加。圆柱面圆柱面在在一一个个盘盘组组中中，各各记记录录面面上上相相同同编编号号（位位置）的诸磁道构成一个圆柱面。置）的诸磁道构成一个圆柱面。引引入入圆圆柱柱面面的的概概念念是是为为了了提提高高硬硬盘盘的的存存储储速速度度。当当主主机机要要存存入入一一个个较较长长的的文文件件时时，若若一一条条磁磁道道存存不不完完，就就需需要要存存放放在在同同一一圆圆柱柱面面上上的的不不同同磁磁道道上上。由由于于各各记记录录面面的的磁磁头头已已同同时时定定位位，换换道道的的时时间间只只是是磁磁头头选选择择电电路路的的译译码码时时间间，相相对于定位操作可以忽略不计。对于定

38、位操作可以忽略不计。1.硬盘的信息分布（续）硬盘的信息分布（续）第第8章章外部设备外部设备42磁盘圆柱面磁盘圆柱面图图8-4(c)磁盘圆柱面磁盘圆柱面第第8章章外部设备外部设备43扇区扇区通通常常将将一一条条磁磁道道划划分分为为若若干干个个段段，每每个个段段称称为为一一个个扇扇区区或或扇扇段段，每每个个扇扇区区存存放放一一个个定定长长信信息息块块（如如512个个字字节节）。一一条条磁磁道道划划分分多多少少扇扇区区，每每个个扇扇区区可可存存放放多多少少字字节节，一一般般由由操操作作系系统统决决定定。磁磁道道上上的的扇扇区区编编号号从从1开开始始，不不像像磁磁头头或或柱柱面面编编号号从从0开始。开

39、始。1.硬盘的信息分布（续）硬盘的信息分布（续）第第8章章外部设备外部设备44磁盘扇区磁盘扇区图图8-4(b)磁盘扇区磁盘扇区 第第8章章外部设备外部设备45主主机机向向磁磁盘盘控控制制器器送送出出有有关关寻寻址址信信息息，磁盘地址一般表示为：磁盘地址一般表示为：驱驱动动器器号号、圆圆柱柱面面（磁磁道道）号号、记记录录面（磁头）号、扇区号面（磁头）号、扇区号通通常常，主主机机通通过过一一个个硬硬盘盘控控制制器器可可以以连连接接几几台台硬硬盘盘驱驱动动器器，所所以以需需送送出出驱驱动动器器号号或或台台号号。调调用用磁磁盘盘常常以以文文件件为为单单位位，故故寻寻址址信信息息一一般般应应当当给给出出

40、文文件件起起始始位位置置所所在在的的圆圆柱柱面面号号与与记记录录面面号号（这这就就确确定定了了具具体体磁磁道道）、起起始始扇扇区区号号，并并给给出出扇扇区区数数（交交换量）。换量）。2.磁盘地址磁盘地址第第8章章外部设备外部设备461.硬盘的主要性能指标硬盘的主要性能指标硬盘容量硬盘容量主轴转速主轴转速道密度道密度平均存取时间平均存取时间缓存缓存数据传输率数据传输率8 8.3.4.3.4 硬盘存储器的技术参数硬盘存储器的技术参数第第8章章外部设备外部设备47硬盘接口分为硬盘接口分为IDE、SCSI和和SATA等。等。IDE接接 口口 也也 称称 ATA，或或 称称 并并 行行ATA（PATA）

41、，采采用用16位位数数据据并并行行传传送送方方式。式。SCSI是是小小型型计计算算机机系系统统接接口口的的缩缩写写，它它并并不不是是专专门门为为硬硬盘盘设设计计的的接接口口，而而是是一一种种接入各种类型设备的通用快速接口。接入各种类型设备的通用快速接口。SATA是是Serial ATA的的缩缩写写，即即串串行行ATA，这这是是一一种种完完全全不不同同于于传传统统并并行行ATA的的新新型型硬硬盘盘接接口口类类型型。与与并并行行ATA相相比比，SATA具有比较大的优势。具有比较大的优势。2.硬盘的接口标准硬盘的接口标准第第8章章外部设备外部设备48设设有有一一个个盘盘面面直直径径为为18in的的磁

42、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0.2ms，试试计计算算该该盘盘组组的的容容量、数据传输率和平均存取时间。量、数据传输率和平均存取时间。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=25.12in3.硬盘参数的计算硬盘参数的计算第第8章章外部设备外部设备49以以最最内内圈圈磁磁道道的的周周长长当当

43、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C=1000b/in25.12in/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=60s/min=0.025s=25ms3.硬盘参数的计算（续）硬盘参数的计算（续）第第8章章外部设备外部设备50数据传输率为数据传输率为Dr=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Tams60ms3.硬盘参数的计算（续）硬盘参数的计算（续）第第8章章外部设备外部设备

44、51传传统统硬硬盘盘驱驱动动器器的的每每个个磁磁道道上上记记录录的的扇扇区区数数是是相相同同的的，因因而而存存储储的的信信息息量量也也是是相相同同的的，这这意意味味着着在在磁磁盘盘上上位位密密度度是是变变化化的的。因因为为内内圈圈磁磁道道的的周周长长短短，外外圈圈磁磁道道的的周周长长长长，所所以以内内圈圈磁磁道道的的位位密密度度高高，外外圈圈磁磁道道的的位位密密度度低低，最最内内圈圈磁磁道道的的位位密密度度（最最大大位位密密度度）决决定定了了磁磁盘盘驱驱动动器器的的容容量量。又又因因为为每每个个磁磁道道记记录录的的信信息息量量及及转转速速是是相相同的，所以它们的数据传输率也是相同的。同的，所以

45、它们的数据传输率也是相同的。8 8.3.3.5 5 硬盘的分区域记录硬盘的分区域记录第第8章章外部设备外部设备52每个磁道有相同数量扇区每个磁道有相同数量扇区图图8-5每个磁道有相同数量扇区每个磁道有相同数量扇区第第8章章外部设备外部设备53由由于于外外圈圈磁磁道道比比内内圈圈磁磁道道更更长长一一些些，但但存存储储的的信信息息量量却却相相同同，所所以以外外圈圈磁磁道道上上明明显显地地存存在在着着浪浪费费。采采用用分分区区域域记记录录技技术术可可以以增增加加硬硬盘盘驱驱动动器器的的容容量量。分分区区域域记记录录就就是是把把磁磁盘盘柱柱面面分分成成一一系系列列的的组组，又又称称区区域域。由由于于外

46、外圈圈磁磁道道有有更更长长的的周周长长，所所以以外外层层磁磁道道要要比比内内层层磁磁道道包包含含更更多多的的扇扇区区，即即外圈磁道上保存的信息比内圈磁道多。外圈磁道上保存的信息比内圈磁道多。8 8.3.3.5 5 硬盘的分区域记录（续）硬盘的分区域记录（续）第第8章章外部设备外部设备54分区域记录磁盘扇区分布分区域记录磁盘扇区分布图图8-6分区域记录磁盘扇区分布分区域记录磁盘扇区分布第第8章章外部设备外部设备55分分区区域域记记录录的的另另一一个个影影响响是是数数据据传传输输率率随随磁磁头头所所处处的的区区域域而而变变化化。分分区区域域驱驱动动器器还还是是以以恒恒定定速速度度旋旋转转，可可是是

47、，由由于于外外层层区区域域每每磁磁道道有有更更多多的的扇扇区区，所所以以数数据据传传输输速速度度要要更更快快一一些些。这这就就是是当当今今驱驱动动器器标标注注最最小小和和最最大大连连续续传传输输速速率率的的原原因因，因因为为传传输速率取决于磁头读写的位置。输速率取决于磁头读写的位置。分分区区域域记记录录技技术术的的使使用用，大大大大地地提提高高了了硬硬盘盘利利用用率率，与与采采用用每每磁磁道道固固定定扇扇区区的的硬硬盘盘比比较较，使使驱驱动动器器增增加加了了2050的的硬硬盘盘容容量量。实实际际上上，现现在在所所有有的的IDE和和SCSI硬盘都采用分区域记录。硬盘都采用分区域记录。8 8.3.

48、3.5 5 硬盘的分区域记录（续）硬盘的分区域记录（续）第第8章章外部设备外部设备56NCQ技术（全速命令排队）技术通过技术（全速命令排队）技术通过对内部队列中的命令进行重新排序实现智能对内部队列中的命令进行重新排序实现智能数据管理，避免像传统硬盘那样机械地按照数据管理，避免像传统硬盘那样机械地按照接收命令的先后顺序移动磁头读写硬盘的不接收命令的先后顺序移动磁头读写硬盘的不同位置，从而减少了磁头反复移动带来的损同位置，从而减少了磁头反复移动带来的损耗，延长了硬盘的寿命。耗，延长了硬盘的寿命。8 8.3.3.6 6 硬盘硬盘的的 NCQNCQ技术技术第第8章章外部设备外部设备57软盘按盘片直径可

49、分为：软盘按盘片直径可分为：5.25in，3.5in，2.5in等，并继续向小尺寸方向发展。软盘片都等，并继续向小尺寸方向发展。软盘片都装在保护套中，工作时，盘片的夹紧机构夹住装在保护套中，工作时，盘片的夹紧机构夹住保护套使其不动，盘片在主轴电机的驱动下旋保护套使其不动，盘片在主轴电机的驱动下旋转。保护套上开有一个长方形的读写槽，盘片转。保护套上开有一个长方形的读写槽，盘片旋转时，磁头通过读写槽对盘片进行读写操作。旋转时，磁头通过读写槽对盘片进行读写操作。平时读写槽被遮住，以保护盘片。平时读写槽被遮住，以保护盘片。为了保护软盘片上已记录的信息不被删改，为了保护软盘片上已记录的信息不被删改，在软

50、盘设置有写保护开关来实现只读不写的功在软盘设置有写保护开关来实现只读不写的功能。一旦写保护的盘片插入驱动器，写保护检能。一旦写保护的盘片插入驱动器，写保护检测电路即发出封锁写功能信号，不允许写入磁测电路即发出封锁写功能信号，不允许写入磁盘。盘。8 8.3.7.3.7 软磁盘存储器软磁盘存储器第第8章章外部设备外部设备58磁磁盘盘阵阵列列具具有有容容量量大大、速速度度快快、可可靠靠性性高高、造造价价低低廉廉的的特特点点，它它是是目目前前解解决决计计算算机机I/O瓶瓶颈颈的的有有效效方方法法之之一一，有有着着广广阔阔的发展前景。的发展前景。8 8.4.4 磁盘阵列（磁盘阵列（RAIDRAID）第第