計(jì)算機(jī)組成原理2017學(xué)院第4章存儲(chǔ)器系統(tǒng)

4.6

虛擬存儲(chǔ)器2021/7/31虛擬存儲(chǔ)器是一種存儲(chǔ)器系統(tǒng)，它具有請(qǐng)求調(diào)入功能和置換功能，能從邏輯上對(duì)內(nèi)存容量加以擴(kuò)充的。虛擬存儲(chǔ)器是建立在主存—輔存層次上，由附加硬件和操作系統(tǒng)存儲(chǔ)管理軟件組成的存儲(chǔ)體系，其目的是為用戶提供比主存容量大得多的程序空間。采用虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)后，可將主存和輔存的地址空間統(tǒng)一編址，用戶按其程序需要使用邏輯地址

(即虛地址)進(jìn)行編程。邏輯地址（虛地址）CPU執(zhí)行指令所生成的地址。所有邏輯地址的集合稱為邏輯地址空間或虛地址空間。物理地址（實(shí)地址）加載到內(nèi)存地址寄存器中的地址。虛存的邏輯容量由內(nèi)存容量和外存容量之和決定。其運(yùn)行速度接近于內(nèi)存速度，而每位的成本卻又接近于外存。程序執(zhí)行時(shí)，從虛地址到物理地址的映射是由內(nèi)存管理部件MMU完成的。2021/7/32虛擬存儲(chǔ)器的原理2021/7/33根據(jù)程序的局部性原理，應(yīng)用程序在運(yùn)行之前，可以僅將當(dāng)前需要運(yùn)行的部分代碼和數(shù)據(jù)先裝入內(nèi)存，其余部分暫留在磁盤上。程序運(yùn)行時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)所要訪問的內(nèi)容尚未調(diào)入內(nèi)存，則產(chǎn)生系統(tǒng)中斷，由操作系統(tǒng)自動(dòng)將所缺部分從磁盤調(diào)入內(nèi)存，以使程序能繼續(xù)執(zhí)行下去。如果內(nèi)存已滿，無法再裝入新的內(nèi)容，操作系統(tǒng)會(huì)利用置換功能，將內(nèi)存中暫時(shí)不用的內(nèi)容調(diào)至磁盤，騰出足夠的內(nèi)存空間，裝入要訪問的內(nèi)容，使程序繼續(xù)執(zhí)行下去。CPU執(zhí)行程序時(shí)，按照程序提供的虛地址訪問內(nèi)存。由存儲(chǔ)管理硬件判斷該地址內(nèi)容是否在內(nèi)存中。若已調(diào)入內(nèi)存，則通過地址變換機(jī)制將程序中的虛地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存的物理地址(即實(shí)地址)，據(jù)此訪問內(nèi)存的實(shí)際單元。若尚未調(diào)入主存，則通過缺頁中斷程序，以頁為單位調(diào)入或?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存內(nèi)容的替換。2021/7/34虛存的訪問過程過程對(duì)于用戶程序是透明的。用戶只是用位數(shù)較長(zhǎng)的虛地址編程，CPU可按虛地址訪存。這樣用戶可訪問的存儲(chǔ)空間很大，遍及輔存空間。注意：虛擬存儲(chǔ)器是一個(gè)虛擬層次。2021/7/35虛擬存儲(chǔ)器從原理上和Cache有不少相同之處。虛擬存儲(chǔ)器和Cache的不同之處：Cache控制是全部用硬件實(shí)現(xiàn)的，所以對(duì)各類程序員是透明的；虛擬存儲(chǔ)器的控制是軟硬件結(jié)合的，對(duì)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)管理軟件的系統(tǒng)程序員是不透明的，而對(duì)應(yīng)用程序員是完全透明的。虛擬存儲(chǔ)器的管理方式有三種：頁式、段式和段頁式。2021/7/364.6.1

頁式虛擬存儲(chǔ)器1.

頁式虛存的基本原理在頁式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，將邏輯地址空間和物理地址空間均劃分為若干大小相等的塊，稱為“頁”，每一頁中的字?jǐn)?shù)是相同的。邏輯頁（虛頁）：邏輯空間中的塊。物理塊（頁框、實(shí)頁）：物理空間中的塊。設(shè)邏輯地址空間大小為2n，頁面大小為2m，則頁式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中的邏輯地址結(jié)構(gòu)：邏輯頁號(hào)P頁內(nèi)地址dn-m位m位2021/7/37操作系統(tǒng)將程序的部分邏輯頁離散地存儲(chǔ)在內(nèi)存中不同的物理頁框中，并為每個(gè)程序建立一張頁表。頁表中的每個(gè)表項(xiàng)（行），分別記錄了相應(yīng)的邏輯頁在內(nèi)存中對(duì)應(yīng)的物理頁框（塊）號(hào)、存在狀態(tài)（是否在內(nèi)存）、以及對(duì)應(yīng)的外存地址等控制信息。程序執(zhí)行時(shí)，通過查找頁表即可找到每個(gè)邏輯頁在內(nèi)存中的物理頁框號(hào)，實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的映射。2021/7/38頁式虛擬存儲(chǔ)器的地址映射2021/7/392.

快表2021/7/310頁式虛存的頁表通常存放在內(nèi)存，使得CPU在每次執(zhí)行指令時(shí)至少要訪問兩次主存，一次是訪問內(nèi)存中的頁表，從中找到指定頁的物理塊號(hào)，第二次訪存才是獲得所需數(shù)據(jù)或指令。這使計(jì)算機(jī)的處理速度降低近1/2。解決辦法在地址變換機(jī)構(gòu)中增設(shè)一組由相聯(lián)存儲(chǔ)器構(gòu)成的小容量特殊高速緩沖寄存器（通常只存放16～512個(gè)頁表項(xiàng)），用于存放當(dāng)前正在訪問的頁表項(xiàng)。這種特殊高速緩沖寄存器又稱為“聯(lián)想寄存器”(AssociativeMemory)或稱為“快表”，而內(nèi)存中的頁表則稱為“慢表”。具有快表的頁式虛擬存儲(chǔ)器的地址映射2021/7/3114.6.2

段式虛擬存儲(chǔ)器段式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)把程序按照其邏輯結(jié)構(gòu)劃分為若干邏輯段，如主程序段、子程序段、數(shù)據(jù)段等。每個(gè)段的大小不固定，由各段的邏輯信息長(zhǎng)度決定。邏輯段內(nèi)的地址從0開始編址，并采用一段連續(xù)的邏輯地址空間。段式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中的邏輯地址：邏輯段號(hào)S2021/7/312段內(nèi)地址d操作系統(tǒng)在裝入程序時(shí)，將程序的若干邏輯段離散地存儲(chǔ)在內(nèi)存不同的區(qū)塊中，每個(gè)邏輯段在物理內(nèi)存占有一個(gè)連續(xù)的區(qū)塊。為了能在內(nèi)存中找到每個(gè)邏輯段，并實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的映射，系統(tǒng)為每個(gè)程序建立了一張段表。程序的每個(gè)邏輯段在段表中都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)，用于記錄該段的長(zhǎng)度、在物理內(nèi)存的起始地址、存在狀態(tài)（是否在內(nèi)存）、對(duì)應(yīng)的外存地址等控制信息。2021/7/313若程序執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生了訪存的邏輯地址，段式虛存地址變換機(jī)構(gòu)就以邏輯地址中的邏輯段號(hào)為索引檢索段表，得到該邏輯段在內(nèi)存的起始物理地址，將起始物理地址與邏輯地址中的段內(nèi)地址相加，即可得到物理地址，完成地址映射。2021/7/314段式虛擬存儲(chǔ)器的地址映射2021/7/3154.6.3

段頁式虛擬存儲(chǔ)器2021/7/316段頁式虛擬存儲(chǔ)器將程序按照其邏輯結(jié)構(gòu)分為若干段，每段再劃分為若干大小相等的邏輯頁；物理內(nèi)存被劃分為若干同樣大小的頁框。操作系統(tǒng)以頁為單位為每個(gè)邏輯段分配內(nèi)存，這樣不僅段與段之間不連續(xù)，一個(gè)邏輯段內(nèi)的各邏輯頁也離散地分布在物理內(nèi)存中。段頁式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中的邏輯地址：邏輯段號(hào)S段內(nèi)頁號(hào)P頁內(nèi)地址d4.7

輔助存儲(chǔ)器2021/7/317輔助存儲(chǔ)器作為主存儲(chǔ)器的后援存儲(chǔ)器，用于存放CPU當(dāng)前暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)。當(dāng)CPU需要時(shí)，再將數(shù)據(jù)成批地調(diào)入主存。從輔存所處的部位和與主機(jī)交換信息的方式看，輔存屬于外部設(shè)備的一種。輔存的特點(diǎn)：容量大，成本低，可以脫機(jī)保存信息。輔存主要有磁表面存儲(chǔ)器和光存儲(chǔ)器兩類，如磁盤、磁帶、光盤等。4.7.1

磁表面存儲(chǔ)器的基本原理磁表面存儲(chǔ)器把某些磁性材料均勻地涂敷在載體的表面上，形成厚度為0.3～5μm的磁層，將信息記錄在磁層上，構(gòu)成磁表面存儲(chǔ)器。磁表面存儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的原理利用磁性材料在不同方向的磁場(chǎng)作用下，形成的兩種穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)來記錄信息。2021/7/318記錄介質(zhì)：磁層及其所附著的載體。載體由非磁性材料制成，如塑料、合金材料、玻璃、陶瓷等。磁帶：載體為帶狀，一般由聚脂塑料制成。磁盤：載體為盤狀，如果由合金材料制成，則為硬盤，若由塑料制成則為軟盤。磁頭：磁表面存儲(chǔ)器的讀寫元件。利用磁頭來形成和判別磁層中的不同磁化狀態(tài)。磁頭是由鐵氧化體或坡莫合金等高導(dǎo)磁率的材料制成的電磁鐵，磁頭上繞有讀寫線圈，可以通過不同方向的電流。寫磁頭：用于寫入信息的磁頭。讀磁頭：用于讀出信息的磁頭。復(fù)合磁頭：既可用于讀出，又可用于寫入的磁頭。2021/7/319磁頭鐵芯通常呈現(xiàn)圓環(huán)或馬碲形，鐵芯上有一個(gè)縫隙，用玻璃等非磁性材料填充，稱為頭隙。2021/7/320磁表面存儲(chǔ)器的讀寫原理2021/7/321磁表面存儲(chǔ)器的讀/寫操作是通過磁頭與磁層相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的。一般都采用磁頭固定，磁層作勻速平移或高速旋轉(zhuǎn)。由磁頭縫隙對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的磁層進(jìn)行讀/寫操作。(1)寫操作當(dāng)寫線圈中通過一定方向的脈沖電流時(shí)，鐵芯內(nèi)就產(chǎn)生一定方向的磁通。由于鐵芯是高導(dǎo)磁率材料，而鐵芯空隙處為非磁性材料，故在鐵芯空隙處集中很強(qiáng)的磁場(chǎng)。在這個(gè)磁場(chǎng)的作用下，磁層就被磁化成相應(yīng)極性的磁化單元或磁化位。若在寫線圈里通入相反方向的脈沖電流，就可得到相反極性的磁化單元。一個(gè)磁化單元就是一個(gè)存儲(chǔ)元，一個(gè)磁化單元中存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息。當(dāng)載體相對(duì)于磁頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可以連續(xù)寫入一連串的二進(jìn)制信息。I2021/7/322ISNNS磁層例如我們規(guī)定某電流方向?yàn)閷憽?”，那么寫線圈里通以相反方向的電流時(shí)即為寫“0”。這個(gè)過程稱為“寫入”。Φ

Φ寫入過程2021/7/323(2)讀操作讀出時(shí)，被磁化了的磁層相對(duì)磁頭高速移動(dòng)，處于剩磁狀態(tài)的磁化單元經(jīng)過磁頭縫隙，使磁層與磁頭交鏈的磁路中發(fā)生磁通變化，于是此變化的磁通在讀磁頭線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，不同的剩磁狀態(tài)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)的方向不同。感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)讀出放大電路放大和整形，在選通脈沖的選通下，讀出原寫入的信息。2021/7/324讀出過程2021/7/3254.3.2磁記錄方式2021/7/326磁記錄方式：形成不同寫入電流的方式。實(shí)際應(yīng)用中，磁性材料寫入二進(jìn)制代碼0或1，是靠不同的寫入電流波形來實(shí)現(xiàn)的。磁記錄方式就是一種編碼方法，它按某種規(guī)律將一串二進(jìn)制數(shù)字信息變換成磁層中相應(yīng)的磁化單元狀態(tài)，用讀寫控制電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。研究磁記錄方式是為了解決在寫磁頭線圈中加入什么樣的寫入電流波形才能寫入所要求的二進(jìn)制數(shù)字信息的問題。4.7.2磁記錄方式2021/7/327磁記錄方式是一種編碼方法，它研究的是按照某種規(guī)律將一連串的二進(jìn)制數(shù)字信息變換成磁層的磁化翻轉(zhuǎn)形式，并經(jīng)讀寫控制電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換規(guī)律。磁記錄方式的實(shí)質(zhì)是解決在磁頭線圈中加入什么樣的寫入電流波形才能實(shí)現(xiàn)所要求的二進(jìn)制數(shù)字信息的寫入操作，也就是按何種規(guī)律對(duì)寫入電流進(jìn)行編碼。磁記錄方式：形成不同寫入電流的方式。實(shí)際應(yīng)用中，磁性材料寫入二進(jìn)制代碼0或1，是靠不同的寫入電流波形來實(shí)現(xiàn)的。2021/7/3

28各種磁記錄方式M

FM

制FM

制PE

制NR

Z-1

制NRZ

制RZ

制待寫信息

I0

1

0010110001磁記錄方式分類直接記錄方式按位編碼方式成組編碼方式歸零制不歸零制不歸零－1制調(diào)相制調(diào)頻制改進(jìn)調(diào)頻制群碼制三位調(diào)制碼游程長(zhǎng)度受限碼2021/7/329在磁表面存儲(chǔ)器中，由于寫入電流的幅度、相位、頻率變化不同，從而形成了不同的記錄方式。1.歸零制（RZ）若寫入“1”，則加正向?qū)懭朊}沖若寫入“0”，則加負(fù)向?qū)懭朊}沖每寫完一位信息，電流歸零。歸零制記錄方式的特點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單，但記錄密度低?？垢蓴_能力差。現(xiàn)已不使用。2021/7/3302.不歸零制（NRZ）若寫入“1”，則加正向?qū)懭朊}沖若寫入“0”，則加負(fù)向?qū)懭朊}沖寫完一位信息后，電流不歸零。不歸零制記錄方式的特點(diǎn)：①磁頭線圈的寫入電流不會(huì)出現(xiàn)電流為0的狀態(tài)，所以抗干擾能力較好。②磁頭線圈的寫入電流在連續(xù)記錄相同的信息時(shí)，電流方向不變，只有相鄰兩位信息不同時(shí)，電流才改變方向。不歸零制記錄方式也稱為見變就翻的不歸零制（NRZ—0）。2021/7/3313．不歸零—1制（NRZ—1）若寫入“1”

，則寫入電流改變一次方向。若寫入“0”

，則寫入電流方向維持不變。不歸零—1制也稱為見1就翻的不歸零制。這種記錄方式通常被用于低速磁帶機(jī)中。2021/7/3324.調(diào)相制（PM）調(diào)相制又稱相位編碼（PE）或曼徹斯特碼。調(diào)相制利用磁層的磁化翻轉(zhuǎn)方向的相位差表示“1”或“0”。若寫入“1”

，則在一個(gè)寫入周期中間使寫入電流從正變負(fù)（或相反）。若寫入“0”

，則在一個(gè)寫入周期中間使寫入電流從負(fù)變正（或相反）。若連續(xù)寫多個(gè)“0”或多個(gè)“1”

，則在兩個(gè)位周期交界處，寫入電流改變一次方向。2021/7/333調(diào)相制記錄方式的特點(diǎn)：①“0”和“1”信號(hào)的讀出相位不同，抗干擾能力較強(qiáng)。②經(jīng)分離電路可提取自同步定時(shí)脈沖，具有自同步能力。調(diào)相制記錄方式常用于磁帶機(jī)。2021/7/3345．調(diào)頻制（FM）若寫入“1”

，則在一個(gè)寫入周期中間使寫入電流改變一次方向（不管原來方向如何）。若寫入“0”

，則在一個(gè)寫入周期中保持寫入電流方向不變。不論寫“0”還是寫“1”，在兩個(gè)位周期交界處，寫入電流均改變一次方向。2021/7/335調(diào)頻制記錄方式的特點(diǎn)：①記錄密度高，具有自同步能力。②電流方向改變頻繁，磁層狀態(tài)翻轉(zhuǎn)多，花費(fèi)時(shí)間多。由于調(diào)頻制記錄方式在記錄“1”時(shí)，磁層磁化翻

轉(zhuǎn)頻率為記錄“0”時(shí)的兩倍，因此又稱為倍頻制。調(diào)頻制記錄方式主要用于早期的單密度磁盤。2021/7/3366．改進(jìn)調(diào)頻制（MFM）若寫入“1”

，則在一個(gè)寫入周期中間使寫入電流改變一次方向（不管原來方向如何）。若寫入“0”

，則在一個(gè)寫入周期中保持寫入電流方向不變。若連續(xù)寫多個(gè)“0”，則在兩個(gè)“0”的位周期交界處，寫入電流改變一次方向。改進(jìn)調(diào)頻制記錄方式的特點(diǎn)：①磁層狀態(tài)翻轉(zhuǎn)少，可更高地提高記錄密度。②具有自同步能力。改進(jìn)調(diào)頻制記錄方式用于雙密度磁盤。2021/7/337各種磁記錄方式的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)2021/7/338⑴自同步能力從讀出的脈沖信號(hào)序列中提取同步時(shí)鐘信號(hào)的能力。同步信號(hào)：從讀出信號(hào)中分離出數(shù)據(jù)信息所需的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。磁表面存儲(chǔ)器為了從讀出信號(hào)中分離出數(shù)據(jù)信息必須要有時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。2021/7/3

39T同步信號(hào)的取得方法①外同步：從專門設(shè)置用來記錄同步信號(hào)的磁道中取得。②內(nèi)同步（自同步）：直接從讀出信號(hào)中提取同步信號(hào)。NRZ、NRZ—1：無自同步能力。PM、FM、MFM：有自同步能力。同步能力的大小可以用最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔與最大磁化翻轉(zhuǎn)間隔的比值R來衡量。比值R越大，自同步能力越強(qiáng)。例：調(diào)頻制（FM）記錄方式中，最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔是T/2，最大磁化翻轉(zhuǎn)間隔是T，其中T為位周期。因此

RFM＝

T/2

＝0.5⑵編碼效率（記錄效率）指每次磁層磁化翻轉(zhuǎn)所存儲(chǔ)信息的位數(shù)。編碼效率是位密度與磁化翻轉(zhuǎn)密度的比值。η也說明了記錄一位信息的最大磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)。FM、PM記錄方式：存儲(chǔ)一位信息磁層最大磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)為2次，編碼效率為50％。NRZ、NRZ—1、MFM記錄方式：存儲(chǔ)一位信息磁層磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)為1次，編碼效率為100％。除編碼效率和自同步能力外，還有讀出信號(hào)的分

辨能力、頻帶寬度、抗干擾能力以及編碼譯碼電

路的復(fù)雜性等。它們都影響記錄方式的取舍評(píng)價(jià)。最大磁化翻轉(zhuǎn)密度2021/7/340位密度η＝除上述討論的幾種記錄方式外，還有改進(jìn)的改進(jìn)調(diào)頻制M2FM、成組編碼法GCR、游程長(zhǎng)度受限碼

RLLC等記錄方式，它們已廣泛用于高密度磁帶和磁盤中。成組編碼法(GCR)把待寫入的信息序列按4位長(zhǎng)度進(jìn)行分組，然后按某一確定規(guī)則將4位信息編碼為5位碼字，再把編碼字序列按NRZ—1制記錄方式記錄在磁層中。讀出時(shí)再把讀出的編碼字序列進(jìn)行譯碼，以讀出原存信息。采用這種編碼可使磁帶機(jī)存儲(chǔ)密度提高到6250位/英寸(bpi)。2021/7/341游程長(zhǎng)度受限碼(RLLC)把待輸入的信息序列變換為“0”游程長(zhǎng)度受限碼，即任何兩位相鄰的“1”之間的“0”的最大位數(shù)k和最小位數(shù)d均受到限制的新編碼，然后再用NRZ—1方式進(jìn)行寫入。RLLC碼的實(shí)質(zhì)就是把原始數(shù)據(jù)序列變換成“0”、“1”受限制的記錄序列。正確地設(shè)計(jì)k、d值，可以獲得優(yōu)良的編碼性能。RLLC碼已廣泛用于高密度磁盤中。2021/7/3424.7.3

磁盤存儲(chǔ)器軟盤：載體是塑料，對(duì)環(huán)境要求低，價(jià)格低1.磁盤的分類硬盤：載體是金屬，容量大，速度快按盤片材料分活動(dòng)頭固定盤組活動(dòng)頭可卸盤組按磁頭與盤組分磁頭固定，每磁道一個(gè)磁頭，固定頭可卸盤組：環(huán)境要求高，沒有磁頭運(yùn)動(dòng)，固定頭固定盤組：速度快?？尚侗P組，可卸下保存。一個(gè)磁頭運(yùn)動(dòng)尋道，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。固定盤組采用密封方

式，環(huán)境要求不高。如溫盤。非接觸式：多為硬盤，讀寫速度快2021/7/343接觸式：多為軟盤，讀寫速度慢按磁頭與盤片接觸分2021/7/344溫徹斯特（Winchester）磁盤簡(jiǎn)稱溫盤，是一種典型的固定式盤片活動(dòng)頭硬盤存儲(chǔ)器。溫徹斯特磁盤的主要特點(diǎn)是把磁頭、盤片、磁頭定位機(jī)構(gòu)以及讀寫電路等均密封在一個(gè)盤盒內(nèi)，構(gòu)成密封的頭—盤組合體。這個(gè)組合體不可隨意拆卸，因此其防塵性能好，可靠性高，對(duì)使用環(huán)境要求不高。2021/7/345硬盤發(fā)展歷史1956年9月IBM公司展示了世界上首個(gè)硬盤——

IBM

350

RAMAC2021/7/346IBM350RAMAC的容量為5MB，共有50個(gè)直徑為24英寸的磁盤，重量達(dá)上百公斤。磁盤盤片表面涂有一層磁性物質(zhì)，并且堆疊在一起，通過一個(gè)傳動(dòng)軸承進(jìn)行工作。盤片上只有一個(gè)磁頭，磁頭上下前后運(yùn)動(dòng)尋找要讀寫的磁道。盤片上數(shù)據(jù)密度為每平方英寸2000bit，數(shù)據(jù)處理能力為1.1KB/s。當(dāng)時(shí)推出的售價(jià)是35000美元。2021/7/3471968年，IBM公司首次提出“溫徹斯特”技術(shù)。1973年，IBM公司制造出第一臺(tái)采用“溫徹斯特”技術(shù)的硬盤IB

M

3340。2021/7/3481979年，IBM發(fā)明了薄膜磁頭，為進(jìn)一步減小硬盤體積、增大容量、提高讀寫速度提供了可能。80年代末期IBM發(fā)明了MR磁阻磁頭。MR磁頭在讀取數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)信號(hào)變化相當(dāng)敏感，使得盤片的存儲(chǔ)密度達(dá)到每平方英寸200MB以上。1991年，IBM生產(chǎn)的3.5英寸的硬盤使用了MR磁頭，使硬盤的容量首次達(dá)到了1GB，從此硬盤容量開始進(jìn)入了GB數(shù)量級(jí)。2021/7/3492021/7/350目前最新的磁頭技術(shù)為第四代GMR（巨磁阻）磁頭技術(shù)。GMR比MR具有更高的信號(hào)變化靈敏度，從而使得硬盤的單碟容量可以做得更高。2021/7/351希捷大容量桌面硬盤1.5TB 7200.11

32M2008年7月發(fā)布。該硬盤采用四碟裝設(shè)計(jì)，單碟容量375GB，格式

化后總?cè)萘?397.26GB。緩存容量32MB，轉(zhuǎn)速

7200RPM，理論持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸率120MB/s。2021/7/352磁盤存儲(chǔ)器由驅(qū)動(dòng)器、控制器和盤片三部分組成。2.磁盤存儲(chǔ)器的組成及邏輯結(jié)構(gòu)2021/7/353硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)2021/7/3542021/7/355⑴磁盤驅(qū)動(dòng)器2021/7/356磁盤驅(qū)動(dòng)器又稱磁盤機(jī)或磁盤子系統(tǒng)：用于控制磁頭與盤片的運(yùn)動(dòng)及讀寫。是獨(dú)立于主機(jī)之外的完整裝置。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)包含有旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)部件、磁頭定位部件、讀寫電路和數(shù)據(jù)傳送電路等。旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)部件：其作用是安裝盤片，并驅(qū)動(dòng)它們以額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。主要部件包括主軸電機(jī)和有關(guān)控制電路。磁頭定位部件：驅(qū)動(dòng)磁頭沿盤面徑向位置運(yùn)動(dòng)以尋找目標(biāo)磁道位置的機(jī)構(gòu)。由驅(qū)動(dòng)部件、傳動(dòng)部件、運(yùn)載部件（磁頭小車）組成。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：其作用是控制數(shù)據(jù)的寫入和讀出。包括磁頭、磁頭選擇電路、讀寫電路以及索引、

區(qū)標(biāo)電路等。2021/7/357磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)2021/7/358⑵讀寫電路2021/7/359⑶磁盤控制器2021/7/360磁盤控制器：主機(jī)與磁盤驅(qū)動(dòng)器之間的接口，

通常是插在主機(jī)總線插槽中的一塊印刷電路板。磁盤控制器的作用：接受主機(jī)發(fā)出的命令與數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)器的控制命令和數(shù)據(jù)格式，控制驅(qū)動(dòng)器的操作。一個(gè)控制器可以控制一臺(tái)或多臺(tái)驅(qū)動(dòng)器。例如，微機(jī)內(nèi)的磁盤控制卡一般可控制兩臺(tái)軟盤驅(qū)動(dòng)器和一臺(tái)溫盤驅(qū)動(dòng)器。由于磁盤存儲(chǔ)器是高速外存設(shè)備，故與主機(jī)之間采用成批交換數(shù)據(jù)方式。磁盤控制器上的接口：①與主機(jī)的接口，控制外存與主機(jī)總線之間交換數(shù)據(jù)。稱為系統(tǒng)級(jí)接口。②與設(shè)備的接口，根據(jù)主機(jī)命令控制設(shè)備的操作。稱為設(shè)備級(jí)接口。2021/7/361主機(jī)與磁盤驅(qū)動(dòng)器交換數(shù)據(jù)的控制邏輯2021/7/362控制器與驅(qū)動(dòng)器之間的交界面劃分①接口交界面設(shè)在A處—ST506接口標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器只完成讀寫和放大，因而數(shù)據(jù)分離以后的控制邏輯構(gòu)成磁盤控制器。如ST506磁盤控制器，它是插在PC機(jī)總線上的一塊電路板，控制器與設(shè)備之間就采用了A形式的接口。2021/7/363②接口交界面設(shè)在B處—IDE接口（ATA接口）驅(qū)動(dòng)器中包含數(shù)據(jù)的編碼和譯碼電路，磁頭定位控制邏輯等。微機(jī)大都采用IDE標(biāo)準(zhǔn)。目前又出現(xiàn)了增強(qiáng)型IDE標(biāo)準(zhǔn)（EIDE）。③接口交界面設(shè)在C處—SCSI(小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口)磁盤控制器的功能全部轉(zhuǎn)移到設(shè)備中，主機(jī)與設(shè)備之間采用標(biāo)準(zhǔn)的通用接口。隨著技術(shù)進(jìn)步，C種接口越來越多地被采用，以增強(qiáng)設(shè)備的功能，使設(shè)備相對(duì)獨(dú)立。2021/7/3642021/7/3653.磁盤信息記錄格式及其讀寫0磁道n磁道扇區(qū)盤片

旋轉(zhuǎn)軸移動(dòng)方向磁頭架n0記錄面：磁盤片表面稱為記錄面。盤片的上下兩面都能記錄信息。磁道：記錄面上一系列同心圓。每個(gè)盤片表面通常有幾十到幾百個(gè)磁道。磁道的編址：從外向內(nèi)依次編號(hào)，最外一個(gè)同心圓叫0磁道，最里面的一個(gè)同心圓叫n磁道，

n磁道里面的圓面積不用來記錄信息。扇區(qū)：將盤面沿垂直于磁道的方向劃分成若干個(gè)扇區(qū)。扇區(qū)的編號(hào)方法：可以連續(xù)編號(hào)，也可間隔編號(hào)。2021/7/366扇段：每條磁道在扇區(qū)內(nèi)的部分稱為扇段，每個(gè)扇段存儲(chǔ)等量的信息。扇段是磁盤信息的基本單位。由于各條磁道的半徑不同，各條磁道的存儲(chǔ)密度不同。外圈存儲(chǔ)密度低，內(nèi)圈存儲(chǔ)密度高?；顒?dòng)頭磁盤組磁盤記錄的編址：記錄面的面號(hào)(磁頭號(hào))＋磁道號(hào)＋扇區(qū)號(hào)柱面（圓柱面）：n個(gè)面上位于同一半徑的磁道形成一個(gè)圓柱面。磁盤組的圓柱面數(shù)等于一個(gè)盤面的磁道數(shù)。在讀/寫過程中，各個(gè)盤面的磁頭總是處于同一個(gè)圓柱面上。存取信息時(shí)，可按圓柱面順序地進(jìn)行操作。2021/7/367硬盤的CHS2021/7/368柱面（Cylinder）磁頭（Head）扇區(qū)（Sector）只要知道了硬盤的CHS的數(shù)目，即可確定硬盤的容量。絕對(duì)扇區(qū)：以柱面/磁頭/扇區(qū)表示的磁盤地址，又稱物理磁盤地址磁盤地址的表示：2021/7/369圓柱面號(hào)盤面號(hào)扇區(qū)號(hào)例如，若某盤片組有8個(gè)記錄面，每個(gè)盤面分成256條磁道，8個(gè)扇區(qū)；當(dāng)主機(jī)要訪問其中第5個(gè)記錄面上，第65條磁道，第7個(gè)扇區(qū)的信息時(shí)，則主機(jī)應(yīng)向磁盤控制器提供如下的地址信息：0100000l

101

111如果主機(jī)配有幾臺(tái)磁盤驅(qū)動(dòng)器，磁盤地址信息

還應(yīng)給出驅(qū)動(dòng)器編號(hào)，用來選擇所需的驅(qū)動(dòng)器，此時(shí)磁盤信息的地址格式為：2021/7/370當(dāng)盤片為單片單面結(jié)構(gòu)時(shí)，將上述地址格式中的圓柱面號(hào)改為磁道號(hào)。驅(qū)動(dòng)器號(hào)圓柱面號(hào)盤面號(hào)扇區(qū)號(hào)為進(jìn)行讀/寫操作，必須定出磁道的起始位置。索引：磁道的起始位置。索引標(biāo)志在傳感器檢索下產(chǎn)生脈沖信號(hào)，再通過磁盤控制器處理，便可定出磁道起始位置。磁道的索引和扇段地址的確定方法：在盤片上設(shè)置缺口或孔，通過光源和光敏元件，使盤片每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)索引脈沖和若干個(gè)扇標(biāo)脈沖(硬分段)。索引脈沖標(biāo)志了磁道信息的起點(diǎn)，此后的第一個(gè)扇區(qū)為0扇區(qū)，第二個(gè)為1扇區(qū)(連續(xù)編址)等等。再利用扇標(biāo)脈沖作為定時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)一個(gè)計(jì)數(shù)器，根據(jù)計(jì)數(shù)器的內(nèi)容即可確定磁道上的扇段編號(hào)。2021/7/371磁盤存儲(chǔ)器的每個(gè)扇段記錄定長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，讀/寫操作是以扇段為單位一位一位串行進(jìn)行的。每一個(gè)扇段記錄一個(gè)記錄塊。一個(gè)扇段的記錄格式扇段的記錄格式扇標(biāo)脈沖磁道頭空 序標(biāo)數(shù)據(jù)(512

字節(jié))

校驗(yàn)字

尾空

頭空

序標(biāo)

數(shù)據(jù)下個(gè)扇段1

個(gè)扇段2021/7/372磁盤的讀寫2021/7/373磁盤讀/寫操作總是從扇區(qū)的邊界開始，由磁盤控制器產(chǎn)生的扇標(biāo)脈沖標(biāo)志著一個(gè)扇區(qū)的開始。每次交換一個(gè)扇段的信息。如果寫入的內(nèi)容不滿一個(gè)扇段，則在該扇段的余下部分重復(fù)數(shù)據(jù)的最后一位。磁盤和主存間的數(shù)據(jù)交換可通過DMA或通道控制完成。為了保證寫入時(shí)數(shù)據(jù)的可靠性，通常在“寫”操作以后啟動(dòng)一個(gè)讀操作，把從磁盤讀出的內(nèi)容與從主存相應(yīng)的單元讀出的內(nèi)容進(jìn)行比較，如果不一致，則經(jīng)中斷系統(tǒng)向CPU送一個(gè)出錯(cuò)信息。定時(shí)信號(hào)的產(chǎn)生對(duì)于包含同步信息的記錄方式，磁道上每一個(gè)數(shù)據(jù)位的同步脈沖可以直接從存儲(chǔ)的磁盤信息中分離出來。對(duì)于不包含同步信息的記錄方式，則須由專用磁道來提供定時(shí)脈沖。2021/7/3744.磁盤存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)2021/7/375⑴存儲(chǔ)容量C存儲(chǔ)容量指磁盤組所有盤片能記錄的二進(jìn)制信息的最大數(shù)量，一般以字節(jié)為單位。?非格式化容量：記錄面可以利用的磁化單元的總數(shù)。設(shè)一個(gè)磁盤組有n個(gè)盤面存儲(chǔ)信息，每個(gè)面有T條磁道，每條磁道分成S個(gè)扇段，每段存放B個(gè)字節(jié)，則存儲(chǔ)容量C為：C＝n×T×S×B格式化容量：按照特定記錄格式所存儲(chǔ)的用戶可以使用的信息總量。新磁盤使用前必須先進(jìn)行格式化。格式化實(shí)際

就是在磁盤上劃分記錄區(qū)、寫入各種標(biāo)志信息

和地址信息。這些信息占用了磁盤的存儲(chǔ)空間，所以格式化后的有效存儲(chǔ)容量要小于非格式化

容量。格式化容量一般為非格式容量的60％一70％。2021/7/376⑵平均存取時(shí)間（平均尋址時(shí)間）從發(fā)出讀寫命令到讀出或?qū)懭胄畔⑺璧臅r(shí)間。平均尋址時(shí)間＝平均磁道定位時(shí)間＋平均旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間＋讀寫操作時(shí)間＋控制延時(shí)時(shí)間磁道定位時(shí)間：在活動(dòng)頭系統(tǒng)中，當(dāng)訪問磁盤中某一扇段時(shí)，由磁道定位機(jī)構(gòu)把讀寫頭移到相應(yīng)的磁道位置上所需的時(shí)間。磁道定位時(shí)間取決于磁頭的起始位置與所要求磁道間的距離。平均磁道定位時(shí)間為最大和最小定位時(shí)間的平均值。2021/7/377旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間：定位以后尋找所需扇區(qū)的時(shí)間，也稱旋轉(zhuǎn)延遲。旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間的平均值為磁盤旋轉(zhuǎn)半圈的時(shí)間。讀寫操作時(shí)間：讀取扇區(qū)時(shí)間和傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間兩者中的最大值。讀寫操作時(shí)間與數(shù)據(jù)量、磁盤轉(zhuǎn)速、記錄密度、傳輸線的帶寬等因素有關(guān)?？刂蒲訒r(shí)時(shí)間：磁盤控制器從收到讀磁盤命令到啟動(dòng)磁頭移動(dòng)的延遲時(shí)間?？刂茣r(shí)延通常很小。因?yàn)楹髢身?xiàng)時(shí)間小于前兩項(xiàng)的時(shí)間，所以有時(shí)將后兩部分的時(shí)間忽略不計(jì)。2021/7/378⑶存儲(chǔ)密度位密度：沿磁道方向單位長(zhǎng)度所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制位數(shù)，又稱線密度。單位是位/英寸(bpi)。記錄密度內(nèi)外圈不同，以最里圈的位密度為準(zhǔn)。道密度：沿磁盤徑向單位長(zhǎng)度所包含的磁道數(shù)。單位是道/英寸(tpi)或道/毫米(tpm)。面密度：位密度與道密度的乘積。單位為位/平方英寸2021/7/379⑷數(shù)據(jù)傳輸率Dr磁盤存儲(chǔ)器單位時(shí)間內(nèi)所能傳送的數(shù)據(jù)量。單位為字節(jié)/秒(B/s)。設(shè)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為n轉(zhuǎn)/秒，每條磁道容量為N個(gè)字節(jié)，則Dr＝n×N(字節(jié)/秒)。設(shè)D為位密度，v為磁盤旋轉(zhuǎn)的線速度，則

Dr＝D×v(字節(jié)/秒)2021/7/380⑸誤碼率出錯(cuò)信息和讀出總信息位數(shù)之比。⑹價(jià)格通常采用位價(jià)格來比較各種存儲(chǔ)器。位價(jià)格：存儲(chǔ)器設(shè)備價(jià)格除以容量。2021/7/381例 設(shè)某磁盤由8片盤組成，其中最上面和最下面兩面不記錄信息，已知該盤每個(gè)記錄面共有1024個(gè)磁道，每個(gè)磁道有64個(gè)扇區(qū)。磁盤轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)/分，平均尋道時(shí)間為12ms，啟動(dòng)延遲為1ms。假設(shè)磁盤最內(nèi)圈直徑為5cm，最外圈直徑為10cm。⑴計(jì)算磁盤的容量；⑵判斷磁盤地址需要多少位；⑶計(jì)算磁盤的數(shù)據(jù)傳輸率；⑷計(jì)算讀寫一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)需要的平均訪問時(shí)間；⑸計(jì)算該盤的道密度，最小位密度和最大位密度。2021/7/382解：⑴磁盤的容量（非格式化容量）為：C＝記錄面×磁道數(shù)/面×扇區(qū)數(shù)/道×字節(jié)數(shù)/扇區(qū)＝14×1024×64×512（字節(jié)）＝448MB⑵磁盤的地址格式為：2021/7/383磁盤地址需要20位。?柱面號(hào)

(1024個(gè)柱面)盤面號(hào)

(16個(gè)盤面)扇區(qū)號(hào)(64個(gè)扇區(qū)/面)⑶數(shù)據(jù)傳輸率為：Dr＝每一磁道的容量×每秒轉(zhuǎn)數(shù)＝64×512×6000/60秒＝3200KB/S⑷平均訪問時(shí)間＝平均尋道時(shí)間＋平均旋轉(zhuǎn)時(shí)間＋傳送一個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)所需的時(shí)間＋啟動(dòng)延遲＝12＋＋ ＋1＝18.16毫秒6000

·

2

3200KB/秒2021/7/38460秒

512字節(jié)⑸磁道密度＝＝409.6道/厘米1024(10

-

5)

/

2最小位密度＝

8

·512

·

64

＝834.9位/毫米p

·10最大位密度＝

8

·512

·

64

＝1669.7位/毫米2021/7/385p

·5問題：如果某文件長(zhǎng)度超過一個(gè)磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個(gè)存儲(chǔ)面上，還是記錄在同一個(gè)柱面上?答：如果文件長(zhǎng)度超過一個(gè)磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一柱面上，因?yàn)椴恍枰匦聦さ?，?shù)據(jù)讀寫速度快。2021/7/386例：磁盤組有6片磁盤，每片有兩個(gè)記錄面，最上最下兩個(gè)面不用。存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)徑22cm，外徑33cm，道密度為40道/cm，內(nèi)層位密度400位/cm，轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分，平均尋道時(shí)間為10ms。問：(1)共有多少柱面?(2)盤組總存儲(chǔ)容量是多少？(3)數(shù)據(jù)傳輸率多少?(4)平均尋址時(shí)間是多少？(5)采用定長(zhǎng)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?2021/7/387解：(1)有效存儲(chǔ)區(qū)域＝16.5－11＝5.5(cm)因?yàn)榈烂芏龋?0道/cm，所以共有40×5.5＝220道，即

220個(gè)圓柱面。(2)內(nèi)層磁道周長(zhǎng)為2πR＝2×3.14×11＝69.08（cm）每道信息量＝400位/cm×69.08cm＝27632位＝3454B每面信息量＝3454B×220＝759880B盤組總?cè)萘浚?59880B×l0＝7598800B＝7.25MB(3)磁盤數(shù)據(jù)傳輸率Dr＝r×NN為每條磁道容量，N＝3454Br為磁盤轉(zhuǎn)速，r＝2400轉(zhuǎn)/60秒＝40轉(zhuǎn)/秒Dr＝r×N＝40×3454B＝13816B/s2021/7/388(4)磁盤旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間為?平均尋址時(shí)間Ta＝10ms＋25/2ms+512B/13816B/s＝22.5ms+37ms(5)采用定長(zhǎng)數(shù)據(jù)塊格式，直接尋址的最小單位是一個(gè)扇區(qū)，每個(gè)記錄塊記錄固定字節(jié)數(shù)目的信息，在定長(zhǎng)記錄的數(shù)據(jù)塊中，活動(dòng)頭磁盤組的編址方式可用如下格式：24002021/7/38960t＝·103＝25ms驅(qū)動(dòng)器號(hào)圓柱面號(hào)盤面號(hào)扇區(qū)號(hào)4.

磁盤的垂直記錄技術(shù)（PRM）2021/7/390Perpendicular

Magnetic

Recording技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)硬盤擴(kuò)容的方法就是把平鋪在磁盤上用于記錄數(shù)據(jù)的磁微粒不斷削小（或提高道密度）來擴(kuò)大硬盤容量。但磁顆粒變小也有極限，當(dāng)?shù)竭_(dá)極限時(shí)就會(huì)導(dǎo)致“超順磁”（superparamagnetic）現(xiàn)象，即承載數(shù)據(jù)的微粒變得非常小，以至于在室溫下任何材料的原子隨機(jī)振動(dòng)都會(huì)引起數(shù)據(jù)位的磁定向發(fā)生自然逆轉(zhuǎn)，從而致使記錄數(shù)據(jù)丟失。磁盤的垂直記錄技術(shù)垂直記錄技術(shù)使磁記錄單元的排列方式從原來的“首尾相接”的水平排列，變?yōu)榱?/p>

“肩并肩”的垂直排列。磁頭的構(gòu)造也有了改進(jìn)，并且增加了軟磁底層。2021/7/391垂直記錄技術(shù)采用環(huán)形磁頭在間隙處產(chǎn)生的雜散場(chǎng)來將信息寫入，采用具有相同飽和磁化強(qiáng)度的材料所制備的垂直寫入磁頭，能產(chǎn)生兩倍于縱向?qū)懭氪蓬^所能產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使得盤片中的存儲(chǔ)密度可以在一定程度內(nèi)得到進(jìn)一步的提高。2021/7/3924.7.4

光盤存儲(chǔ)器2021/7/393光存儲(chǔ)一種是通過光學(xué)的方法讀寫數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)技術(shù)。其工作原理是改變一個(gè)存儲(chǔ)單元的性質(zhì)，使其性質(zhì)的變化反映出被存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，利用光學(xué)原理識(shí)別這種性質(zhì)的變化，就可以讀出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。光盤：利用光學(xué)方式讀寫信息的圓盤光盤存儲(chǔ)器采用聚焦激光束在盤式介質(zhì)上非接觸地記錄高密度信息，以介質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)(如反射率、偏振方向)的變化來表示所存儲(chǔ)信息的“1”或“0”。高能量激光束可以聚焦成約1μm的光斑，因此光存儲(chǔ)技術(shù)比其他存儲(chǔ)技術(shù)具有更高的容量。光盤存儲(chǔ)器的特點(diǎn)2021/7/394優(yōu)點(diǎn)：光盤存儲(chǔ)器記錄密度高，存儲(chǔ)容量大，非接觸式讀寫，光盤易于更換便于保管，對(duì)環(huán)境條件沒有苛求。缺點(diǎn)：尋道時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳輸率低，可擦寫性能不如磁盤快。951.光盤存儲(chǔ)器的類型（1）只讀光盤（CD-ROM）只讀型光盤屬形變型光盤，模壓式記錄使光盤發(fā)生永久性物理變化，記錄的信息只能讀出，不能被修改。工作特點(diǎn)：采用激光調(diào)制方式記錄信息，將信息以凹坑（pits）和凸區(qū)（lands）的形式記錄在螺旋形光道上。只能順序讀出，不能寫入和擦除，信息出廠時(shí)已寫好。光道為由里向外的螺旋線，扇區(qū)長(zhǎng)度、位密度均相同工作時(shí)，線速度相同，角速度時(shí)刻變化，為恒線速2021盤/7/3。形變型光盤2021/7/396LD：俗稱影碟，記錄模擬視頻和音頻信息，可放演60分鐘全帶寬的PAL制電視。CD—DA：數(shù)字唱盤，記錄數(shù)字化音頻信息，可存儲(chǔ)74分鐘數(shù)字立體聲信息。VCD：俗稱小影碟，記錄數(shù)字化視頻和音頻信息?？纱鎯?chǔ)74分鐘按MPEG—1標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼的動(dòng)態(tài)圖像信息。DVD：數(shù)字視盤。單記錄層容量為4.7GB，可存儲(chǔ)135分鐘按MPEG—2標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼的相當(dāng)于高清晰度電視的視頻圖像信息和音頻信息。CD—ROM：主要用作計(jì)算機(jī)外存儲(chǔ)器，可記錄數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，也可同時(shí)記錄數(shù)字化視頻和音頻信息。2021/7/397只讀型光盤的典型產(chǎn)品只寫一次型光盤可由用戶利用CD-R（CompactDiscRecordable）驅(qū)動(dòng)器寫入信息（也稱為刻盤），寫入的信息用CD-ROM光驅(qū)可以讀出。一次型光盤的光道可為螺旋線也可為同心圓。只寫一次型光盤屬不可逆相變型光盤。寫入信息會(huì)使介質(zhì)的物理特性發(fā)生永久性變化，因此只能寫一次。寫后的信息不能再改變。2021/7/398（2）只寫一次型光盤（CD-R）只寫一次型光盤的示意性組成2021/7/399可擦寫型光盤（CompactDiscRewritable）類似于磁盤，可以重寫信息。2021/7/31003）可擦寫型光盤2.光盤的工作原理光盤存儲(chǔ)器邏輯示意圖主機(jī)輸入輸出接口光盤盤片光盤驅(qū)動(dòng)器光盤控制器2021/7/3101（1）只讀光盤讀原理2021/7/3102只讀光盤上的信息是沿著盤面螺旋形狀的信息軌道以凹坑和凸區(qū)的形式記錄的。用低功率的讀出激光束掃描記錄介質(zhì)上的信息軌道，在讀出光束的照射下，有凹坑和無凹坑處反射的光強(qiáng)不同，利用光電檢測(cè)器檢測(cè)反射率的變化，就可以讀出二進(jìn)制信息。光盤的記錄方式光盤上的信息以凹坑形式存在，一連串的凹坑形成記錄光道。光盤上有兩種形成記錄的方式：⑴將凹坑中間記為“1”，非凹坑記為“0”。1

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0?⑵以凹坑和非凹坑的邊界轉(zhuǎn)變引起反射光的變化來表示“1”，其他情況（即在凹坑連續(xù)底部或非凹坑部位）均表示“0”0

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02021/7/3103光盤的轉(zhuǎn)動(dòng)是恒線速度的，光道以螺旋形的方式記錄信息。2021/7/31042021/7/3105（2）可擦寫光盤CD-RW的擦寫原理2021/7/3106可擦寫光盤寫入信息的過程是通過改變光盤介質(zhì)的某種性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。以光盤介質(zhì)的性質(zhì)變化和性質(zhì)不變兩種狀態(tài)分別表示“1”和“0”

。要實(shí)現(xiàn)光盤信息的重寫，必須恢復(fù)光盤介質(zhì)原來的性質(zhì)，擦去已存儲(chǔ)的信息，然后重新記錄新的信息。磁光式擦寫原理2021/7/3107磁光盤用非結(jié)晶稀土材料作為盤片，在200C時(shí)加入磁外力，即可改變磁極性。磁光盤利用熱磁效應(yīng)寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)激光束將磁光介質(zhì)上的記錄點(diǎn)加熱到居里點(diǎn)溫度以上時(shí)，外加磁場(chǎng)作用改變記錄點(diǎn)的磁化方向，而不同的磁化方向可表示數(shù)字“0”和“1”。磁光盤利用磁光科爾效應(yīng)讀出數(shù)據(jù)，當(dāng)激光來照射到記錄點(diǎn)時(shí)，記錄點(diǎn)的磁化方向不同，會(huì)引起反射光的偏振面發(fā)生左旋或右旋，從而檢測(cè)出所記錄的數(shù)據(jù)“1”或“0”。磁光盤用磁光材料——非結(jié)晶稀土材料作光盤片，在200C

時(shí)加入磁外力，即可改變磁極性。2021/7/3108相變型光盤2021/7/3109相變盤利用相變材料的晶態(tài)和非晶態(tài)來記錄信息。寫入：高功率激光(18mw，600C

)：晶態(tài)fi

非晶態(tài)。清除：中功率激光束(8mw，100C

)：非晶態(tài)fi

晶態(tài)。讀出：低功率激光束(2mw)：依反射光強(qiáng)（晶態(tài)）、弱（非晶態(tài)）檢出信息。無論是磁光盤還是相變盤，介質(zhì)材料發(fā)生的物理特性改變都是可逆變化，因此是可重寫的。2021/7/3110相變式擦寫原理3.

光盤存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)2021/7/31111）

數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率是指將數(shù)據(jù)從光盤驅(qū)動(dòng)器傳送到主存的速率。用單位時(shí)間內(nèi)光盤的光道上傳送的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)來表示。數(shù)據(jù)傳輸率與光盤轉(zhuǎn)速、存儲(chǔ)密度有關(guān)。光盤轉(zhuǎn)得越快，數(shù)據(jù)從光盤傳送到主機(jī)內(nèi)存的速度越快。常速（單倍速）8倍速10倍速32倍速48倍速2021/7/3112150Kbp/s（比特/秒）1200Kbp/s1500Kbp/s4800Kbp/s7200Kbp/s一個(gè)CD-RW驅(qū)動(dòng)器有三個(gè)速度，例如標(biāo)示為

24X/12X/40X的CD-RW光驅(qū)，其寫速度是24X，重寫的速度是12X，讀的速度是40X。2）存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量是指所能讀寫的光盤盤片的容量。光盤容量又分為格式化容量和用戶容量，采用不同的格式和不同驅(qū)動(dòng)器，光盤格式化后容量不同。一般用戶容量比格式化容量要少，因?yàn)楣獗P還需要存放有關(guān)控制、校驗(yàn)等信息。2021/7/3113光盤的線密度一般是千位/mm，道密度是600至700道/mm，所以光盤的面密度一般可達(dá)10～100兆位/cm2。光盤容量：CD：700M左右DVD：1.4G~8.5G藍(lán)光（BD）：最高25G。2021/7/3114例如650MB的CD-ROM盤片，螺旋線形的光道被劃分成一個(gè)個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)是最小的信息記錄單位。每個(gè)扇區(qū)的信息記錄格式：2021/7/3115每個(gè)扇區(qū)可存放2048字節(jié)的有效數(shù)據(jù)。每個(gè)扇區(qū)的地址被標(biāo)記為“分、秒、扇區(qū)”。每秒鐘的數(shù)據(jù)需要75個(gè)扇區(qū)存放，一張盤片可存儲(chǔ)74分鐘的數(shù)據(jù)，所以整張盤片的容量為：74分鐘×60秒×75扇區(qū)/秒×2048字節(jié)=681984000字節(jié)≈

650MB12字節(jié)同步4字節(jié)頭2048字節(jié)用戶數(shù)據(jù)4字節(jié)

EDC8字節(jié)空白276字節(jié)

ECC276字節(jié)

ECC/EDC98字節(jié)控制字節(jié)平均存取時(shí)間是指在光盤上找到需要讀寫的信息的位置所需要的時(shí)間，即從計(jì)算機(jī)向光盤驅(qū)動(dòng)器發(fā)出命令，到光盤驅(qū)動(dòng)器可以接受讀寫命令為止的時(shí)間。平均存取時(shí)間也稱平均訪問時(shí)間。一般取光頭沿半徑移動(dòng)全程1/3長(zhǎng)度所需要的時(shí)間為平均尋道時(shí)間，盤片旋轉(zhuǎn)一周的一半時(shí)間為平均等待時(shí)間，兩者加上讀寫光頭的穩(wěn)定時(shí)間就是平均存取時(shí)間。2021/7/31163）平均存取時(shí)間4)接口規(guī)范2021/7/3117CD-ROM驅(qū)動(dòng)器與主機(jī)的接口方式有IDE和SCSI。IDE接口：采用40針的通訊電纜將光驅(qū)與主板連接起來。絕大多數(shù)主板上都固化有IDE控制器，能自動(dòng)識(shí)別CD-ROM驅(qū)動(dòng)器。SCSI接口：絕大多數(shù)情況下需要購(gòu)買SCSI適配器將光驅(qū)與主機(jī)連接起來。有些主板固化有SCSI接口。SCSI接口的傳輸速度比IDE接口的傳輸速度快。4.7.5固態(tài)硬盤（SSD－SolidStateDisk）2021/7/3118固態(tài)硬盤是采用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列制成的硬盤。固態(tài)硬盤由控制單元和存儲(chǔ)單元(Flash芯片、DRAM芯片)組成。因?yàn)楣虘B(tài)硬盤采用閃存芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì)，不存在硬盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，沒有數(shù)據(jù)查找時(shí)間、延遲時(shí)間和尋道時(shí)間，所以數(shù)據(jù)讀取和寫入的速度可以達(dá)到普通硬盤的50~1000倍。影響固態(tài)硬盤替代普通硬盤的主要因素是其可靠性。由于固態(tài)硬盤通常采用半導(dǎo)體NAND型閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)，而NAND閃存并不像DRAM內(nèi)存顆粒一樣擁有無限壽命，一旦某個(gè)存儲(chǔ)單元的寫入循環(huán)極限，可能遭遇徹底的物理損壞。2021/7/31194.8

廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID2021/7/3120輔存的性能遠(yuǎn)落后于處理器和主存，其解決方法之一是采用磁盤陣列。磁盤陣列：使用多個(gè)磁盤（包括驅(qū)動(dòng)器）的組合來代替一個(gè)大容量的磁盤。多個(gè)磁盤并行工作。以條帶為單位把數(shù)據(jù)均勻地分布到多個(gè)磁盤上。（交叉存放）條帶存放可以使多個(gè)數(shù)據(jù)讀/寫請(qǐng)求并行地被處理，從而提高總的I/O性能。?磁盤陣列的優(yōu)點(diǎn)2021/7/3121多個(gè)獨(dú)立的請(qǐng)求可以由多個(gè)盤來并行地處理。減少了I/O請(qǐng)求的排隊(duì)等待時(shí)間如果一個(gè)請(qǐng)求訪問多個(gè)塊，可以由多個(gè)盤合作來并行處理。提高了單個(gè)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)傳輸率廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID

的特征2021/7/3122⑴RAID由一組磁盤及其驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，操作系統(tǒng)將它們看成是單一的邏輯盤；⑵存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)遍布在磁盤陣列的各個(gè)物理磁盤上；⑶采用冗余磁盤用于存儲(chǔ)校驗(yàn)信息，以保證磁盤的故障恢復(fù)能力。RAID方案有多個(gè)不同的級(jí)別，分別定義了不同的體系結(jié)構(gòu)。但除RAID0不支持⑶以外，其他級(jí)別都具有以上三個(gè)特征。4.8.1 RAID

0RAID

0：非冗余磁盤陣列把若干磁盤連接在一起構(gòu)成能并行工作的大容量磁盤。所有用戶和系統(tǒng)數(shù)據(jù)被看成存儲(chǔ)在一個(gè)邏輯盤上。數(shù)據(jù)被分為條帶（strip）。條帶大小可以是物理塊、扇區(qū)、或其他一些單位。數(shù)據(jù)條帶順序交叉地存放到陣列中的各個(gè)磁盤上。2021/7