清華計算機組成原理08輔助存儲器課件

第八章輔助存儲器2/6/20231計算機組成原理8.1外存儲器概述主存的后備和擴充，也稱外存。特點:容量大,可靠性高,單位存儲容量價格低,在掉電情況下能長期保存信息。非易失性存儲器。輔助存儲器的主要技術指標是存儲密度、存儲容量、尋址時間等1.存儲密度。道密度(TPI)：磁盤半徑方向單位長度包含的磁道。位密度(BPI)：在每一個磁道內單位長度內所能記錄的二進制信息數(shù)。磁表面存儲器光存儲器磁芯磁盤磁帶2/6/20232計算機組成原理

2.存儲容量

存儲容量指磁表面存儲器所能存儲的二進制信息總量，一般以字節(jié)、扇區(qū)或數(shù)據(jù)塊為單位。

3.尋址時間

磁盤存儲器采取直接存取方式，尋址時間包括兩部分一是磁頭尋找目標磁道所需的找道時間ts。二是找到磁道以后，磁頭等待所需要讀寫的區(qū)段旋轉到它的下方所需要的等待時間tw。由于尋找相鄰磁道和從最外面磁道找到最里面磁道所需的時間不同，磁頭等待不同區(qū)段所花的時間也不同。因此取它們的平均值，稱作平均尋址時間Ta。它由平均找道時間Tsa和平均等待時間Twa組成:

Ta=Tsa+Twa=(Tsmax+Tsmin)/2+(Twmax+Twmin)/2

磁帶存儲器采取順序存取方式，不需要尋找磁道但需要考慮磁頭尋找記錄區(qū)的等待時間。2/6/20233計算機組成原理8.2磁記錄原理與記錄方式

本節(jié)將討論磁表面存儲技術的基礎——信息的存取原理、磁記錄介質、磁頭以及磁記錄的編碼方式。在此只作一般原理性的介紹。磁盤存儲是用某些磁性材料薄薄地涂在金屬鋁或塑料表面作載磁體來存儲信息。目前一些新型硬盤采用工程塑料、陶瓷、玻璃作為基體。磁表面記錄設備是在磁頭和磁性材料的記錄介質之間有相對運動時，通過一個電磁轉換過程完成讀寫操作的。磁頭是實現(xiàn)電磁轉換過程的關鍵裝置，通常由軟磁材料（外界磁場的作用消失后，該磁性材料的磁性容易消失）做成。8.2.1磁記錄原理

寫入：將計算機并行數(shù)據(jù)進行并-串變換，然后一位一位的由寫電流驅動器將交變信號電流通過磁頭線圈，使磁體內的磁通量發(fā)生變化，交變磁場從縫隙中漏出，使勻速轉動的磁盤表面磁化。根據(jù)寫入電流的方向決定是寫“1”還是寫“0”。當載磁體相對于磁頭運動時，就可以連續(xù)寫入一連串的二進制信息。讀出：磁盤勻速轉動，磁化點順序經(jīng)過磁頭，在磁頭線圈中感應出相應的電動勢，經(jīng)過放大檢測等一定的處理后，還原成原來存入的數(shù)據(jù)信號。由于數(shù)據(jù)是一位一位串行讀出的，故要經(jīng)串-并變換后，在將并行信號送至計算機。2/6/20235計算機組成原理磁記錄原理寫局部磁化單元載磁體寫線圈SNI局部磁化單元寫線圈SN鐵芯磁通磁層寫入“0”寫入“1”I2/6/20236計算機組成原理磁記錄原理N讀線圈S讀線圈SN鐵芯磁通磁層運動方向運動方向ssttffee讀出“0”讀出“1”讀2/6/20237計算機組成原理

接觸式磁頭在讀／寫時磁頭與記錄介質直接相接觸、它常常用于磁帶機和軟磁盤機中，其結構簡單，但磁頭極尖區(qū)和介質易受到磨損磨損程度與介質相對于磁頭的移動速度、極尖的幾間形狀，磁性材料的硬度、頭面的接觸力介質表面質量等因素有關。浮動式磁頭是由介質高速運動時產(chǎn)生的氣流，在磁頭與介質表面之間形成一層極薄的空氣薄膜（氣墊）故使磁頭與介質表面脫離接觸而浮動。浮動間隙是浮動式磁頭的重要參數(shù)，它的減小可以提高記錄密度、硬磁盤采用浮動式磁頭由于盤片旋轉速度快磁頭不與盤片表面接觸，因而硬磁盤存取速度快，可靠性高。但在盤片停止旋轉之前磁頭必須從讀寫位置退到原始位置啟動磁盤工作，須待盤片達到一定轉速后磁頭才能進到盤片上面進行尋道工作，否則可能損壞磁頭或劃壞盤面。2/6/20239計算機組成原理

目前磁記錄介質與磁頭是采用薄膜介質與薄膜磁頭。薄膜介質比顆粒介質具有更高的記錄密度。薄膜磁頭是采用薄模形成技術（例如蒸發(fā)、濺射和電鍍等）和部分集成電路工藝制成的磁頭，其特點是感應系數(shù)小，高頻特性好，體積小，重量輕。3、MR磁頭(MagnetoResistive磁阻)隨著計算機對大容量硬盤驅動器的需求，促進高密度磁以錄技術的發(fā)展。MR磁頭技術是采用感應寫、磁阻讀的分離式設計，以便對讀寫的不同特性分別進行優(yōu)化。此技術在磁頭上采用了對磁性材料極為敏感的薄膜電阻元件，因此對磁場變化極為敏感，并將變化轉換成電場電阻的變化，在讀出該信號，這樣可增加磁密度，提高硬盤的容量。它與傳統(tǒng)的讀寫合一式的磁頭不同，MR磁頭是通過阻值變化，而不是以前的電流變化來感應信號幅度，因而對信號變化相當敏感，讀取得準確率高，這就是能增加磁盤密度的原因。MR磁頭已應用在大容量的硬盤驅動器中。2/6/202310計算機組成原理運動方向磁層載磁體NSSN讀線圈寫線圈鐵芯存儲元的大小和縫隙寬度、磁頭與磁表面距離、電流強度有關目前軟盤常用MFM編碼方式,能達到較高的記錄密度和較高的自同步能力.NSSNNS存儲源的極性代表數(shù)據(jù)0或12/6/202311計算機組成原理

（2）不歸零制（NRZ）磁頭線圈中始終有電流，不是正向電流（代表1）就是反向電流（代表“0”），其抗干擾能力強。這是用向磁頭線圈送入正、反向電流的辦法執(zhí)行寫“1”、寫“0”操作的方案，使1和0信號的磁化狀態(tài)（極性）正好相反。與前一種方案相比，取消了兩個信息位之間磁化線圈中無電流的情況，故磁層中不存在未被磁化的狀態(tài)，不是被正向磁化，就是被反向磁化。（3）見1就翻的不歸零制（NRZ1)記錄“0”時電流方向不變，只有遇到“1”時才改變方向。這是用在寫“1”時就變化磁頭線圈中的電流方向（寫“0”則不變電流方向）的辦法執(zhí)行寫“1”、寫“0”操作的方案。（4）調相制（PM）是利用兩個相位相差180讀的磁化翻轉方向代表數(shù)據(jù)0和1。即指定記錄數(shù)據(jù)“0’時規(guī)定磁化翻轉的方向由負變?yōu)檎瑒t記錄數(shù)據(jù)‘l’時從正變?yōu)樨?。當連續(xù)出現(xiàn)兩個或兩個以上‘1’或‘0”時，為了維持上述原則，在位周期起始處也要翻轉一次。這是用在磁層中不同的磁化翻轉方向來區(qū)別數(shù)據(jù)“1”和“0”的方案。為此，磁頭線圈中的電流在寫“1”和寫“0”時要朝不同的方向變化，讀出時就表現(xiàn)為讀出的信號是正還是負脈沖，即二者的信號相位差為180°。2/6/202313計算機組成原理

（5）調頻制（FM）記錄‘1’時不僅在各位期間的中心產(chǎn)生磁化翻轉，而且在位與位之間也必須翻轉。記錄“0’時，在位周期中心不產(chǎn)生磁化翻轉，但在位與位之間的邊界處要翻轉一次。由于記錄數(shù)據(jù)‘l’時磁化翻轉的頻率為記錄數(shù)據(jù)“0’時的兩倍，因此又稱‘倍頻制”。這是用在磁層中不同的磁化翻轉次數(shù)來區(qū)別數(shù)據(jù)“1”和“0”的方案，記錄“1”比記錄“0”磁化翻轉頻率要多一倍。為此，磁頭線圈中的電流，在每個位周期起始處要變化一次方向。讀出時，讀出的1信號表現(xiàn)為兩個脈沖，讀出的0信號表現(xiàn)為一個脈沖。二者的讀出脈沖頻率相差一倍。（6）改進調頻制（MFM）這是對前面講的調頻制的一種改進方案，其目的是提高這一方案的編碼效率，使其從調頻制的50%提高到現(xiàn)在的100%。這種記錄方式基本上與調頻制相同，即記錄數(shù)據(jù)‘1’時在位周期中心磁化翻轉一次，記錄數(shù)據(jù)‘0’時不翻轉。區(qū)別在于只有連續(xù)記錄兩個或兩個以上‘0’時，才在位周期的起始位置翻轉一次，而不是在每個位同期的起始處都翻轉。這一改進表現(xiàn)在取消了大部分在位期起始處改變磁頭線圈中電流方向的動作，只保留在連續(xù)“0”信號位期起始處的電流方向變化，以便保證改編碼方式的字同步能力。除上述幾種記錄方式外，成組編碼（GCR）以及游程長度受限碼（RLLC）等。2/6/202314計算機組成原理

2/6/202315計算機組成原理8.3硬盤存儲器（硬盤機）8.3.1硬盤存儲器的組成硬盤盤片和硬盤驅動器旋轉電機直線電機磁頭2/6/202317計算機組成原理2/6/202318計算機組成原理磁盤存儲器邏輯結構演示2/6/202319計算機組成原理溫切斯特磁盤實際上是一種技術，這種技術是由IBM公司位于美國加州坎貝爾市溫切斯特大街的研究所研制的，它是于1973年被應用的。溫氏技術特點全封閉結構，杜絕灰塵危害磁頭采用接觸式啟停一體化主軸和電機硬盤存儲器的基本組成磁盤控制器頭盤組件磁頭組件、磁頭驅動機構、驅動機構及盤片、讀寫放大電路、循環(huán)過濾器、底座和上蓋、其他附件。印刷電路板。2/6/202321計算機組成原理8.3.2硬盤的管理結構1、名詞解釋盤面磁道：對單個盤片而言可以稱為磁道。柱面：硬盤每個盤面的同一編號的磁道構成柱面扇區(qū)或數(shù)據(jù)塊號:對定長格式的硬盤存在扇區(qū)的概念，對不定長的硬盤以數(shù)據(jù)塊號（記錄號）存儲信息。容量格式化容量=磁頭數(shù)*柱面數(shù)*每柱面扇區(qū)數(shù)*每扇區(qū)字節(jié)數(shù)；或磁頭數(shù)*柱面數(shù)*每柱面數(shù)據(jù)塊數(shù)*每數(shù)據(jù)塊內的字節(jié)數(shù)。轉數(shù)現(xiàn)在已達到7200r/min或9600r/min。以5400轉/分的硬盤而言，其相應的平均等待時間為5.6ms?，F(xiàn)在常用硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率可達到5MB/S以上。按盤徑分：5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸2/6/202322計算機組成原理

例題磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，最上最下兩面不用。存儲區(qū)域內直徑22cm，外直徑33cm,道密度為40道/cm,內層位密度400位/cm,轉速2400轉/分，問：1、共有多少柱面？2、盤組總存儲容量是多少？3、數(shù)據(jù)傳輸率多少？4、采用定長數(shù)據(jù)塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么?尋址命令中如何表示磁盤地址？5、如果某文件長度超過一個磁道的容量，應將它記錄在同一個存儲面上，還是記錄在同一個柱面上？2/6/202323計算機組成原理2、硬盤的區(qū)域劃分和引導記錄主引導記錄MBR硬盤主引導程序和硬盤分區(qū)表.DOS引導記錄DBRDOS引導程序和磁盤參數(shù)塊文件分配表FAT記錄磁盤空間的使用情況文件目錄DOS文件組成的重要組成,也是文件.包含文件名、擴展名、屬性、生成日期、最后修改時間、開始簇號、大小等數(shù)據(jù)區(qū)2/6/202325計算機組成原理

在軟盤和小容量硬盤中大都采用定長數(shù)據(jù)塊。而在大容量硬盤中，有的采用不定長數(shù)據(jù)塊，該長則長，能短則短。不采取扇區(qū)劃分，直接以數(shù)據(jù)塊或記錄號標識。因此，硬盤尋址信息一般由臺號、圓柱面號（道號）、磁頭號（記錄面號）、數(shù)據(jù)塊號、交換量組成。

定長數(shù)據(jù)塊磁道格式舉例（以索引信號開始）：G1扇區(qū)1扇區(qū)2------------扇區(qū)nG4SYNC頭標志區(qū)圓柱號高位圓柱號低位磁頭號扇區(qū)號CRCG2數(shù)據(jù)區(qū)標志DATACRCG32/6/202326計算機組成原理

間隔G1,16個字節(jié)4EH。每個扇區(qū)包含下述五個部分1、同步區(qū)SYNC,14個字節(jié)00。2、頭標志區(qū)7個字節(jié)：第1個是A1H；第2是圓柱號高位；3是圓柱號低位；4是磁頭號，其中0、1、2位為磁頭號，3、4位是0，5、6是扇區(qū)計數(shù)值，第7位是壞塊標志；5字節(jié)是扇區(qū)號；6、7存放頭標區(qū)的循環(huán)校驗碼；3、間隔G2，16個字節(jié)00H。4、數(shù)據(jù)區(qū)標志，2個字節(jié)：A1HF8H。以后是數(shù)據(jù)區(qū)DATA,定長數(shù)據(jù)塊512B規(guī)格。2個字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)的CRC碼。5、間隔G3，3個字節(jié)00H及15個字節(jié)4EH。2/6/202327計算機組成原理

間隔G1，共116字節(jié)，其中115個是00H，一個是19H同步信息。標識地址HA（HomeAddress）是用來標識磁道的地址區(qū)共20個字節(jié)，其中：SD用6個字節(jié)用來指出該磁道上有幾個瑕疵，及其位置。PA用3個字節(jié)指出磁道的物理地址（柱面地址和磁頭號）。F用1個字節(jié)標示磁道狀態(tài)，好或壞，是基本磁道還是替補道等。CC是柱面邏輯地址占2個字節(jié)。HH是磁頭邏輯地址占2個字節(jié)。DCB是錯誤校驗占6個字節(jié)。間隔G2，76個字節(jié)，75個為00H,一個是19H。零號記錄R0，它是用戶用來說明本磁道的有關狀態(tài)，如果磁道發(fā)生故障，將依據(jù)R0提供的信息實現(xiàn)磁道替換。2/6/202329計算機組成原理

用戶記錄Ri：在各記錄之間用G3分隔，G3為79個字節(jié)，其內部存有固定格式的信息。計數(shù)區(qū)包含25個字節(jié)，分別是本區(qū)瑕疵、物理地址、標志、ID識別區(qū)、記錄號、本記錄的關鍵字長度、本記錄內數(shù)據(jù)長度、校驗碼。其中ID包含磁道狀況、好的原始道、壞的原始道、好的替補道、壞的替補道等地址。關鍵字區(qū)KEY是數(shù)據(jù)的識別信息，如順序號、密碼及自己的校驗碼。數(shù)據(jù)區(qū)用來記錄用戶數(shù)據(jù)，允許使用不同長度，然后是6個校驗碼。在一個記錄內三個區(qū)使用G2進行分隔。在進行磁盤格式化時，可以發(fā)現(xiàn)壞道并將其替換。用戶使用的邏輯地址可以不變，磁道格式信息CC,HH提供磁道的物理地址。2/6/202330計算機組成原理

常用硬盤接口類型IDE（IntergratedriveElection)接口：40條通信線，屬于設備級接口（主機命令控制設備的操作）。將控制器集成到驅動器內部，使傳輸可靠。傳輸速率在1.5MB/s左右；最多可連接2臺IDE設備，內部接口連在主板的ISA總線上。EIDE（EnhancedIDE）接口：目前微機主板大部分提供此接口，支持大容量硬盤。傳輸速率達到18MB/s；最多可連接4臺IDE設備，內部接口可直接連在局部總線上，數(shù)據(jù)傳輸寬度32位。SCSI(SmallComputerSystemInterface)接口:將原來磁盤控制器的功能轉移到設備驅動器上，以標準的電纜（50條，后擴充位68條）和協(xié)議與多臺主機設備進行數(shù)據(jù)交換。可連接多達32個SCSI設備，傳輸速率達到160MB/s。它屬于系統(tǒng)級接口（控制外存與總線之間交換信息）。2/6/202331計算機組成原理

Ultra33標準-------97年推出改善驅動程序，充分利用硬盤控制器，數(shù)據(jù)傳輸過程中避免CPU的過多干預。在時序信號的上下沿都進行數(shù)據(jù)傳輸。由硬盤產(chǎn)生選通信號，避免主機送選通信號造成延時。Ultra66標準-------98年推出突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸速率提高近一倍，理論上可達66MB/S。采用新的CRC冗余校驗，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。改用80Pin排線（與40Pin兼容），插入40根地線，降低向鄰線間的干擾。2/6/202332計算機組成原理

8.3.3磁盤Cache隨著微電子技術的飛速發(fā)展，CPU的速度每年增長1倍左右，主存儲器芯片的容量和磁盤驅動器的容量每1.5年增長1倍左右，但磁盤驅動器的存取時間沒有出現(xiàn)相應程度的下降，仍停留在毫秒（ms）級,而主存的存取時間為納秒（ns)級，兩者速度差別十分突出，因此I／O系統(tǒng)成為整個系統(tǒng)的瓶頸。為了減少存取時間，磁盤驅動器廠家采取了增加磁盤主軸轉速、提高I／O總線速度、改進讀／寫算法和采用磁盤cache等措施。目前的磁盤驅動器一般都帶有高速緩存，容量在1MB～幾MB之間，可由SRAM或DRAM組成。2/6/202333計算機組成原理硬盤的安裝、操作與維護安裝：物理安裝：用螺絲安裝到硬盤托架，電源線，信號線。注意防震，身體放靜電，設備跳線。軟件安裝：低、高級格式化，邏輯分區(qū)，軟件安裝。操作：機器工作時不要搬動硬盤。防止突然斷電防止病毒破壞硬盤信息。維護：定期運行磁盤掃描程序定期運行磁盤碎片整理程序。計算機病毒防治。2/6/202334計算機組成原理8.3.4磁盤陣列存儲器

將多個獨立的的磁盤組成一個獨立的邏輯盤，通過數(shù)據(jù)在多個物理盤上的分割交叉存儲，并行訪問得到高邏輯性能。CPU速度的增長大大超過磁盤驅動器數(shù)據(jù)傳輸速率的增長小盤徑磁盤驅動器組成的陣列與大型驅動器相比：成本低、功耗低、性能好等優(yōu)點低代價的編碼容錯方案特性并行數(shù)據(jù)處理，高傳輸速率和I/O吞吐率訪問負載均勻分布在所有磁盤陣列的控制、數(shù)據(jù)的分塊和拼接、磁盤陣列的并行調度等陣列控制功能。2/6/202335計算機組成原理磁盤陣列的致命缺點：整個盤的可靠性降低解決方法：冗余碼進行糾錯廉價磁盤冗余陣列（RedundantArrayofInexpensiveDisk——RAID）RAID0無冗余和無校驗的數(shù)據(jù)分塊（安全性差）RAID1鏡像磁盤陣列（利用率為50%）RAID2采用糾錯的海明碼的磁盤陣列（不利于小數(shù)據(jù)量傳輸）RAID3，4采用奇偶校驗碼的磁盤陣列（專有一個校驗盤）RAID5無獨立校驗盤的磁盤陣列RAID6級（采用分塊交叉技術和雙磁盤容錯的磁盤陣列）RAID7級（獨立接口的磁盤陣列）RAID10級（RAID0級十RAID1級）由分塊和鏡像組成是所有RAID中性能最好的磁盤陣列，但每次寫入時要寫兩個互為鏡像的盤，價格高。2/6/202336計算機組成原理軟盤存儲器是計算機常用外部設備。由盤片和驅動器兩部分組成。1、軟盤盤片——信息的存儲介質有5.25英寸和3.5英寸兩種（3寸盤和5寸盤）依靠磁性記錄數(shù)據(jù)。磁盤有磁頭讀寫孔和寫保護口。盤內記錄格式為：1扇區(qū)2扇區(qū)0道n道8.4軟盤存儲器2/6/202337計算機組成原理軟盤片由聚酯薄膜制成保護套主軸孔實際的軟盤片寫保護口讀/寫磁頭訪問槽襯里/清潔材料2/6/202338計算機組成原理2、軟盤驅動器對軟盤盤片進行讀寫操作的設備。組成：磁頭及讀寫電路盤片驅動機構磁頭定位機構控制邏輯電路軟盤的磁頭和盤面是接觸式讀寫，尋址時不但有徑向，而且有圓周方向的摩擦。一個盤片旋轉106次（約50小時）以上應考慮報廢，以免超過規(guī)定的誤碼率。2/6/202339計算機組成原理3、軟盤的磁記錄方式(1)磁記錄過程寫入：交變信號電流通過磁頭線圈，使磁體內的磁通量發(fā)生變化，交變磁場從縫隙中漏出，使勻速轉動的磁盤表面磁化。讀出：磁盤勻速轉動，磁化電序列經(jīng)過磁頭，在磁頭線圈中感應出相應的電動勢，經(jīng)過一定的處理后，還原成數(shù)據(jù)信號。目前3.5英寸軟盤均是采用高密度形式（4倍密度).(2)信息的紀錄格式數(shù)據(jù)或程序在盤面上的排布形式。2/6/202340計算機組成原理

以上序標中應包括同步信號、地址標志和扇區(qū)地址。校驗碼部分采用的是CRC校驗形式。扇區(qū)地址格式如下：IBM3740的8吋軟盤的記錄格式如下，現(xiàn)在使用的軟盤只不過是縮短了索引孔前后的距離和使每區(qū)段的字節(jié)數(shù)為512字節(jié)。磁道號磁頭號扇區(qū)號記錄長度CRC2/6/202341計算機組成原理

間

隙

扇區(qū)1

扇區(qū)2

扇區(qū)26

索引孔

（機械索引）

標志

間

隙

間

隙

字節(jié)數(shù)46126188188188247

同步

地址標志

間

隙

扇區(qū)地址

數(shù)據(jù)標志

數(shù)據(jù)

CRC校驗

間

隙

字節(jié)數(shù)616171123227

地址區(qū)

數(shù)據(jù)區(qū)

(a)每磁道數(shù)據(jù)記錄格式

(b)一個扇區(qū)數(shù)據(jù)記錄格式

2/6/202342計算機組成原理4、安裝、操作及維護安裝:固定、連接電源線和信號線維護：不要將軟盤在陽光下暴曬；遠離磁場、防潮、防塵、保持清潔。不要擠壓；不要用手觸摸讀寫孔處的盤片部分。新的軟盤（白盤）在使用前要進行格式化處理。不要使用劣質軟盤，以免對磁頭造成損壞。讀寫完畢需等指示燈滅，方可取軟盤對存儲重要數(shù)據(jù)的軟盤要關閉寫保護2/6/202343計算機組成原理8.5磁帶存儲器磁帶的種類和記錄格式寬度：1/4，1/2，1，3英寸長度：2400，1200，600英尺記錄密度：800，1600，6250dpi表面道數(shù)：4，7，9，16道順序讀寫方式SONY數(shù)據(jù)流磁帶機2/6/202344計算機組成原理8.6光盤（Opticaldisk)存儲器1、概述起源：激光數(shù)字影像技術。特點：容量大、可靠性高、使用方便、成本低組成：光盤盤片和光盤驅動器光盤的基片材料一般采用聚碳酸脂的耐熱有機玻璃加工成盤片，然后涂上一層記錄介質，然后加一層保護膜。只讀——CD-ROM只寫一次——WORM(writeonce,readmany)或則CD-R?？芍貙懶?-----CD-RW光盤自動換盤機（又稱光盤庫）聯(lián)機容量可達10122/6/202345計算機組成原理2、光盤的存儲格式光道呈平面螺旋狀，光道從中心開始旋向外邊，只有一條大的螺旋道，共分27~33萬個扇區(qū)。每個扇區(qū)除數(shù)據(jù)信息外，另外每個扇區(qū)首端還有同步信號和扇區(qū)地址，在最后位置上還有作校驗、糾錯信息。光盤恒定線速度每秒75個扇區(qū)。Mode1方式（扇區(qū)數(shù)據(jù)容量為2048B）60min:2700002048/1024/1024=527.34MB74min:3300002048/1024/1024=650.39MBMode2方式-----適合音頻、視頻、圖像等誤碼率要求不高的數(shù)據(jù)（扇區(qū)數(shù)據(jù)容量為2336B）60min:2700002336/1024/1024=601.50MB74min:3300002336/1024/1024=741.85MB2/6/202346計算機組成原理3、激光讀取原理坑和點在螺旋光道上交替排列為不同數(shù)據(jù)?？由顬榧す獠ㄩL的近似1/4照在無坑處，反射光為同相位照在凹坑處，坑內外反射光差1/2個相位，反射光弱。具體：凹坑代表“1”，無凹痕代表“0”。光盤存儲器是利用激光束在記錄表面上存儲信息的。根據(jù)激光束及反射光的強弱不同，可以完成信息的讀寫。CD-RW的驅動器使用3種不同能量的激光。在高能激光照射下，合金熔化并從高反射性的晶態(tài)轉化為低反射性的非晶態(tài)，表示凹區(qū)。在能量中等的激光束照射下，合金熔化并重新轉化為本來的晶態(tài)，又成為凹區(qū)。低能激光可以感知材料的狀態(tài)（用來讀盤），但不會導致狀態(tài)轉換。CD-RW未能取代CD-R的原因是CD-RW的空盤價格高出CD-R空盤許多。而且，對那些備份硬盤的應用來說，CD-R只允許一次寫，不會被誤操作清除的特性也是一大優(yōu)點。CD-RW光盤是非接觸型讀寫性質的存儲器，根據(jù)記錄原理有形變、相變和磁光（M-O)存儲三種形式。2/6/202347計算機組成原理

1）形變型光盤對于只讀型CD-ROM和只寫一次型光盤CD-R寫入時，大多采用此方式。首先將激光束聚焦成直徑為小于1um的微小光點，以其熱作用，融化盤表面上的光存儲介質薄膜，在薄膜上形成小洞（凹坑）或形成微小氣泡。有洞或有氣泡的位置表示記錄了‘l’，沒有的位置表示“0’。讀出時，在讀出光束的照射下，在有凹坑處和無凹坑處反射的光強是不同的、利用這種差別可以讀出二進制信息。由于讀出光束的功率只有寫入光束功率的1／10，因此不會融出新的凹坑或氣泡。2）相變型光盤（CD-RW）這是一種利用晶相結構（即結晶狀態(tài)的可逆性變化）制成的可改寫型光盤。這種光盤盤片一般采用帶溝槽結構，在其上面蒸發(fā)成一層記錄介質薄膜，然后涂上一層樹脂保護層。寫入時，強激光照射記錄介質Te（碲）使其被照射的微小區(qū)域突然加熱，Te的粒子直徑變大，然后突然冷卻，其形狀保持不變。因此寫入1和0的光照反射率不同，以區(qū)別其信息的不同。讀出時，弱激光對光道進行掃描，利用反射率上的差異鑒別掃描位置記錄信息是0還是1。擦除時，用激光照射記錄介質，使其記錄信息區(qū)退火，即逐步緩慢冷卻。于是Te粒子的直徑從大變小，反射率差異消失，記錄信息被抹去。2/6/202348計算機組成原理

3）磁光（M-O）型光盤另一種可改寫型光盤是磁光型光盤，它是利用激光在磁性薄膜上產(chǎn)生熱磁效應來記錄信息，稱為磁光存儲。其記錄原理如下：根據(jù)磁記錄原理可以知道，在某一定溫度下，如果在磁記錄介質的表面上加一個強度低于該介質矯頑力的磁場，則不會發(fā)生磁通翻轉也就不能記錄信息。但介質的矯頑力可隨溫度而變，假如我們能設法控制溫度，降低介質的矯頑力，使其低于外加弱磁場強度，則將發(fā)生磁通翻轉。磁光存儲就是根據(jù)這一原理存儲信息的。通常把磁記錄材料受熱而磁性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為熱磁效應。2/6/202349計算機組成原理4、光盤驅動器的基本結構光學拾取頭---構成光讀取的光學回路并進行信號的光電轉換。主軸電機---驅動光盤轉動。數(shù)字控制電路板---伺服控制模塊完成控制盤片的轉速、聚焦、尋跡；信號解碼模塊完成光學信號的解調和解碼；數(shù)字濾波及糾錯模塊完成數(shù)據(jù)的處理和糾錯；音頻輸出模塊用于音頻的合成和輸出；接口模塊實現(xiàn)驅動器與計算機的接口管理；微處理模塊為驅動器的控制中心，完成從檢測、控制、處理到數(shù)據(jù)輸出各個階段的控制操作。裝載機構---裝載電機、傳動齒輪、支架、托盤架、盤片壓架組成。用于盤片的裝入取出，并將盤片準確套在主軸電機的轉盤上。機座---驅動器的各部件安裝在機座上，除減震措施外，對材料和安裝精度要求也很高。前后面板----提供用戶的控制操作光盤驅動器光頭2/6/202350計算機組成原理5、主要技術指標及接口類型1）技術指標：存儲容量、平均讀取時間、數(shù)據(jù)傳輸速率等。平均讀取時間:CD-ROM驅動器在光盤上找到需要數(shù)據(jù)的起始位置所花費的時間.平均尋道時間:光頭移動到要讀取得光道，并穩(wěn)定在此光道上。平均等待時間:光頭穩(wěn)定在目的光道上后,等到所要讀取得扇區(qū)到達光頭位置所需要的時間。數(shù)據(jù)傳輸速率：與驅動器的尋道時間、光盤轉速、緩沖區(qū)大小以及接口規(guī)范等諸多因素有關。早期的CD-ROM數(shù)據(jù)傳輸率只有150KB/S(1倍速）目前已達50倍速（50*150KB)。2）接口類型：IDE和SCSI2/6/202351計算機組成原理

例題CD-ROM光盤的外沿有5mm寬的范圍因記錄數(shù)據(jù)困難，一般不使用，故標準的播放時間為60分鐘。光盤的恒定線速度是75扇區(qū)/每秒，計算模式1（扇區(qū)存數(shù)據(jù)量為2048字節(jié)）和模式2（扇區(qū)存數(shù)據(jù)量為2336字節(jié)）情況下，光盤存儲容量是多少？解：扇區(qū)總數(shù)=60*60*75=270000（扇區(qū)）模式1存放計算機程序和數(shù)據(jù)，其存儲容量為270000*2048/1024/1024=527MB模式2存放計算機程序和數(shù)據(jù)，其存儲容量為270000*2336/1024/1024=601MB2/6/202352計算機組成原理6、安裝、操作與維護安裝跳線設置、驅動器固定、電源、音頻線連接、EIDE或SCSI接口插座的連接、驅動程序的安裝操作注意不要推入托盤，防止托盤頂偏和傳輸機構受損。光區(qū)讀盤期間，不宜安eject鍵推出托盤2/6/202353計算機組成原理7、維護1）光盤的維護避免高溫、日曬和寒冷防止盤片受壓折保持信息讀取免得清潔防止標記面的劃傷掌握正確的清潔方法2）CD-ROM的維護防震、防塵用后及時將盤片取出不要使用劣質盤片注意散熱2/6/202354計算機組成原理8、光盤的類型及發(fā)展CD唱片CD-ROM光盤。以扇區(qū)代替幀VCDMPEG-1壓縮標準和CD-1格式編碼DVDMPEG-2壓縮標準、EFM+調制方式、雙面CD-R只讀光盤CD-RW可重復讀寫的光盤

2/6/202355計算機組成原理

光盤是70年代發(fā)展起來的存儲介質，具有存儲密度高、容量大、價格低、壽命長和可替換等