(1.8)-8計(jì)算機(jī)組成原理

1第8章輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器的種類硬盤(pán)的基本參數(shù)磁盤(pán)存儲(chǔ)器光盤(pán)存儲(chǔ)器光盤(pán)存儲(chǔ)器分類藍(lán)光硬盤(pán)、軟盤(pán)、磁帶和光盤(pán)存儲(chǔ)器的綜合比較2輔助存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器分有兩大類：主存儲(chǔ)器用來(lái)存放需立即使用的程序和數(shù)據(jù)，要求存取速度快，通常由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器構(gòu)成。輔助存儲(chǔ)器用于存放當(dāng)前不需立即使用的信息，一旦需要，再和主存成批地交換數(shù)據(jù)。它作為主存的后備和補(bǔ)充，是主機(jī)的外部設(shè)備，因此又稱為外存儲(chǔ)器。輔助存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是容量大，成本低，通常在斷電后仍能保存信息，是“非易失性”存儲(chǔ)器，其中大部分存儲(chǔ)介質(zhì)還能脫機(jī)保存信息。3輔助存儲(chǔ)器當(dāng)前主存儲(chǔ)器因元器件材料、制造工藝、存儲(chǔ)特性和價(jià)格等諸多因素所限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的需要。輔助存儲(chǔ)器容量大、價(jià)位低，而且還不需要加電就能長(zhǎng)久地存放大量的信息，有的外存還可以方便地卸走更換，所以存儲(chǔ)量是無(wú)限的，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要的輔助存儲(chǔ)設(shè)備。4輔助存儲(chǔ)器的種類輔助存儲(chǔ)器的種類：磁表面存儲(chǔ)器：是最常用的大容量高速度的外存；光盤(pán)存儲(chǔ)器：作為新型存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中顯示出越來(lái)越重要的地位；半導(dǎo)體存儲(chǔ)卡：隨著便攜式計(jì)算機(jī)的普及也具有較廣的應(yīng)用前景。5輔助存儲(chǔ)器的種類磁表面存儲(chǔ)器利用磁性介質(zhì)材料沉積在盤(pán)片表面的基體上形成記錄介質(zhì)，以繞有線圈的磁頭與記錄介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)讀寫(xiě)信息?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所使用的磁表面存儲(chǔ)器又有數(shù)字式磁記錄和模擬式磁記錄兩種：數(shù)字式磁記錄主要有硬盤(pán)、軟盤(pán)和磁帶。模擬式磁記錄是指錄音和錄像設(shè)備。磁表面存儲(chǔ)器是歷史最久、應(yīng)用最廣的輔助存儲(chǔ)器，而且存儲(chǔ)信息的位價(jià)格（存儲(chǔ)1位二進(jìn)制信息的價(jià)格）低。6輔助存儲(chǔ)器的種類光存儲(chǔ)器利用激光束在具有感光特性的表面上存儲(chǔ)信息。光盤(pán)的容量比磁盤(pán)的容量大，是很有發(fā)展前途的新型輔助存儲(chǔ)器。7硬盤(pán)的基本參數(shù)存儲(chǔ)容量作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，容量是硬盤(pán)最主要的參數(shù)。硬盤(pán)的容量以兆字節(jié)（MB）或千兆字節(jié)（GB）為單位，1GB=1024MB。但硬盤(pán)廠商在標(biāo)稱硬盤(pán)容量時(shí)通常取1G=1000MB，因此我們?cè)贐IOS中或在格式化硬盤(pán)時(shí)看到的容量會(huì)比廠家的標(biāo)稱值要小。一般情況下硬盤(pán)容量越大，單位字節(jié)的價(jià)格就越便宜。8硬盤(pán)的基本參數(shù)近年來(lái)關(guān)于硬盤(pán)容量和單位價(jià)格的趣味數(shù)字：1995年200MB～400MB大于4000元/GB1996年1.2GB～2.1GB1500元～2000/GB1998年1.2GB～2.1GB200元～250元/GB2000年4.3GB～6.4GB40元/GB2002年10GB～20GB20元/GB2004年40GB～80GB6.9元/GB2005年80GB～160GB4.5元/GB2006年80GB～250GB3.8元/GB2008年160GB～1.5TB0.8元/GB9硬盤(pán)的基本參數(shù)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速（RotationlSpeed或Spindlespeed），是硬盤(pán)內(nèi)電機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)速度，也就是硬盤(pán)盤(pán)片在一分鐘內(nèi)所能完成的最大轉(zhuǎn)數(shù)。轉(zhuǎn)速的快慢是標(biāo)示硬盤(pán)檔次的重要參數(shù)之一，它是決定硬盤(pán)內(nèi)部傳輸率的關(guān)鍵因素之一，在很大程度上直接影響到硬盤(pán)的速度。硬盤(pán)的轉(zhuǎn)速越快，硬盤(pán)尋找文件的速度也就越快，相對(duì)的硬盤(pán)的傳輸速度也就得到了提高。硬盤(pán)轉(zhuǎn)速以每分鐘多少轉(zhuǎn)來(lái)表示，單位表示為RPM，RPM是RevolutionsPerminute的縮寫(xiě)，是轉(zhuǎn)/每分鐘。10硬盤(pán)的基本參數(shù)家用的普通硬盤(pán)的轉(zhuǎn)速一般有5400rpm、7200rpm幾種，高轉(zhuǎn)速硬盤(pán)也是現(xiàn)在臺(tái)式機(jī)用戶的首選；而對(duì)于筆記本用戶則是4200rpm、5400rpm為主，雖然已經(jīng)有公司發(fā)布了7200rpm的筆記本硬盤(pán)，但在市場(chǎng)中還較為少見(jiàn)；服務(wù)器用戶對(duì)硬盤(pán)性能要求最高，服務(wù)器中使用的SCSI硬盤(pán)轉(zhuǎn)速基本都采用10000rpm，甚至還有15000rpm的，性能要超出家用產(chǎn)品很多。11硬盤(pán)的基本參數(shù)平均訪問(wèn)時(shí)間平均訪問(wèn)時(shí)間（AverageAccessTime）是指磁頭從起始位置到達(dá)目標(biāo)磁道位置，并且從目標(biāo)磁道上找到要讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)扇區(qū)所需的時(shí)間。平均訪問(wèn)時(shí)間體現(xiàn)了硬盤(pán)的讀寫(xiě)速度，它包括了硬盤(pán)的尋道時(shí)間和等待時(shí)間，即：平均訪問(wèn)時(shí)間=平均尋道時(shí)間+平均等待時(shí)間。傳輸速率傳輸速率（DataTransferRate）硬盤(pán)的數(shù)據(jù)傳輸率是指硬盤(pán)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的速度，單位為兆字節(jié)每秒（MB/s）。12磁盤(pán)存儲(chǔ)器磁盤(pán)存儲(chǔ)器是在磁鼓、磁帶的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，也是使用磁化技術(shù)將信息記錄在磁性介質(zhì)上的一種存儲(chǔ)設(shè)備。根據(jù)磁盤(pán)載體的材料，磁盤(pán)存儲(chǔ)器分為：軟盤(pán)存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱為軟驅(qū)，直稱軟盤(pán)硬盤(pán)存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱為硬驅(qū)，直稱硬盤(pán)它們的磁記錄原理相同，其組成結(jié)構(gòu)、工作原理有許多相似之處。13磁盤(pán)存儲(chǔ)器磁盤(pán)存儲(chǔ)器屬于磁表面存儲(chǔ)器，它在盤(pán)片的表面均勻敷一層1μm左右厚的高導(dǎo)磁硬磁材料作磁層。磁表面存儲(chǔ)器就利用磁性材料的兩個(gè)不同剩磁狀態(tài)－－剩磁感應(yīng)強(qiáng)度＋Br和－Br記錄0信息和1信息，并利用磁極的變換來(lái)讀取信息。14磁盤(pán)存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器記錄的信息是磁層是一個(gè)個(gè)小磁化區(qū)，磁化區(qū)軌跡叫磁道，磁化區(qū)排列十分致密，所以存儲(chǔ)容量可以做得很大而成本較低。15磁盤(pán)存儲(chǔ)器磁盤(pán)存儲(chǔ)器信息的磁化軌跡圖：盤(pán)面上磁道呈同心圓分布，從最外層磁道開(kāi)始為0道向內(nèi)圈排列。普通3英寸軟盤(pán)80道/盤(pán)面，磁道被不可見(jiàn)的輻射線分割成若干段稱為扇區(qū)的圓弧，每磁道上扇區(qū)按第一扇區(qū)，第二扇區(qū)順序排列。16磁盤(pán)存儲(chǔ)器內(nèi)磁道上扇區(qū)和外磁道扇區(qū)的物理長(zhǎng)度不同，但盤(pán)區(qū)中存放的字節(jié)數(shù)是相等的新磁盤(pán)使用前，所謂要先進(jìn)行格式化，就是由計(jì)算機(jī)把磁盤(pán)按本機(jī)磁盤(pán)格式劃分扇區(qū)，并把磁道號(hào)、扇區(qū)號(hào)記錄在磁盤(pán)上。17磁盤(pán)存儲(chǔ)器一般盤(pán)片的兩面都有磁道以加大磁盤(pán)容量。硬盤(pán)一般由多個(gè)盤(pán)片組成，稱為盤(pán)組。盤(pán)組的磁盤(pán)片連在一個(gè)轉(zhuǎn)軸上。每個(gè)盤(pán)片兩面都有呈同心圓分布的磁道，在所有盤(pán)面上相同半截的磁道構(gòu)成圓柱面。柱面從最外圈開(kāi)始從0向內(nèi)圈編號(hào)，每個(gè)柱面包含多個(gè)磁道。18磁盤(pán)存儲(chǔ)器每個(gè)盤(pán)面也都有個(gè)順序編號(hào)，并都對(duì)應(yīng)一個(gè)讀寫(xiě)磁頭，磁頭接在讀寫(xiě)臂上，讀寫(xiě)臂固定在滑動(dòng)車上，滑動(dòng)車帶動(dòng)讀寫(xiě)臂移動(dòng)，使磁頭能沿盤(pán)面徑向運(yùn)動(dòng)，找到信息在盤(pán)上的存儲(chǔ)位置后立即進(jìn)行讀寫(xiě)操作。所以磁盤(pán)上信息的位置將由驅(qū)動(dòng)器號(hào)（多個(gè)外存儲(chǔ)器時(shí)的編號(hào)）、磁道號(hào)（軟盤(pán)中）/柱面號(hào)（硬盤(pán)中）、盤(pán)面號(hào)/磁頭號(hào)和扇區(qū)號(hào)指示。1920光盤(pán)存儲(chǔ)器光盤(pán)是根據(jù)光學(xué)原理利用激光讀寫(xiě)信息的存儲(chǔ)器。自20世紀(jì)80年代初第一臺(tái)光盤(pán)裝置問(wèn)世之后，光盤(pán)技術(shù)發(fā)展極其迅速。光盤(pán)最大的特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大 記錄密度高信息保存壽命長(zhǎng)可靠性高 價(jià)格比較低因此獲得了極其廣泛的應(yīng)用，并成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。21光盤(pán)存儲(chǔ)器磁盤(pán)存儲(chǔ)器無(wú)論是軟盤(pán)還是硬盤(pán)，存儲(chǔ)信息的介質(zhì)都是覆蓋在盤(pán)面上的磁性物質(zhì)，并都是通過(guò)磁頭進(jìn)行讀寫(xiě)磁盤(pán)操作。光盤(pán)存儲(chǔ)器的信息雖然也是存儲(chǔ)在盤(pán)片上，但盤(pán)面的存儲(chǔ)介質(zhì)可以有多種材料，它們記錄信息的原理可能極不相同，存儲(chǔ)特性也不一樣，之所以都稱為光盤(pán)，是因?yàn)樗鼈兙哂幸粋€(gè)共同的特征，即都是通過(guò)激光讀寫(xiě)盤(pán)面。22光盤(pán)存儲(chǔ)器分類光盤(pán)只是一個(gè)統(tǒng)稱，它分成兩類：一類是只讀型光盤(pán)，其中包括CD-Audio、CD-Video、CD-ROM、DVD-Audio、DVD-Video、DVD-ROM等；另一類是可記錄型光盤(pán)，它包括CD-R、CD-RW、DVD-R、DVD＋R、DVD＋RW、DVD-RAM、DoublelayerDVD＋R等各種類型。23光盤(pán)存儲(chǔ)器分類根據(jù)光盤(pán)結(jié)構(gòu)，光盤(pán)主要分為CD、DVD、藍(lán)光光盤(pán)等幾種類型，這幾種類型的光盤(pán)，在結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別，但主要結(jié)構(gòu)原理是一致的。而只讀的CD光盤(pán)和可記錄的CD光盤(pán)在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有區(qū)別，它們主要區(qū)別在材料的應(yīng)用和某些制造工序的不同，DVD方面也是同樣的道理。CD的容量只有700MB左右，而DVD則可以達(dá)到4.7GB，而藍(lán)光光盤(pán)更是可以達(dá)到25GB。它們之間的容量差別，同其相關(guān)的激光光束的波長(zhǎng)密切相關(guān)。24DVD光盤(pán)DVD數(shù)字通用光盤(pán)是集計(jì)算機(jī)、光學(xué)記錄技術(shù)和影視技術(shù)為一身的繼CD之后的新型光盤(pán)，從外形、尺寸規(guī)格、讀寫(xiě)原理、存儲(chǔ)功能等方面與CD很相似。不同種類的CD光盤(pán)在DVD中都有相應(yīng)的品種，比如DVD-ROM對(duì)應(yīng)CD-ROM，DVD-R對(duì)應(yīng)CD-R，DVD-RAM對(duì)應(yīng)CD-MO等。DVD也有出眾的視頻圖形質(zhì)量和音效，但是DVD在速度、容量、技術(shù)、性能等方面都超越了CD光盤(pán)并可對(duì)CD向下兼容。比如DVD-ROM同樣以倍速來(lái)表示速度：5X、8X、10X，但DVD-ROM的一個(gè)倍速約為CD-ROM的9倍。25DVD光盤(pán)DVD盤(pán)片容量比CD盤(pán)大很多，主要原因：DVD盤(pán)的物理結(jié)構(gòu)可以分為單面單層、單面雙層、雙面單層、雙面雙層。DVD光盤(pán)光道間距由CD的1.6μm減少到0.6μm，記錄信息的凹坑長(zhǎng)度由CD的0.83μm縮小到0.4μm。盤(pán)面有效數(shù)據(jù)記錄區(qū)面積從CD盤(pán)的86cm2提高到87.6cm2。此外還修改了數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制方式、錯(cuò)誤校正，進(jìn)一步提高了存儲(chǔ)密度。26DVD光盤(pán)DVD盤(pán)片單面4.7GB，最多能刻錄約4.38G的數(shù)據(jù)（因?yàn)镈VD的1GB=1000MB，而硬盤(pán)的1GB=1024MB）；DVD雙面8.5GB，最多約能刻8.2GB的數(shù)據(jù)；藍(lán)光（BD）的則比較大，其中HDDVD（HighDefinitionDVD）單面單層15GB、雙層30GB；BD單面單層25GB、雙面50GB。27藍(lán)光藍(lán)光（Blu－ray）或稱藍(lán)光盤(pán)（Blu－rayDisc，縮寫(xiě)為BD）利用波長(zhǎng)較短（405nm）的藍(lán)色激光讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)，并因此而得名。而傳統(tǒng)DVD需要光頭發(fā)出紅色激光（波長(zhǎng)為650nm）來(lái)讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，通常來(lái)說(shuō)波長(zhǎng)越短的激光，能夠在單位面積上記錄或讀取更多的信息。藍(lán)光極大地提高了光盤(pán)的存儲(chǔ)容量，對(duì)于光存儲(chǔ)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，藍(lán)光提供了一個(gè)跳躍式發(fā)展的機(jī)會(huì)。目前為止，藍(lán)光是最先進(jìn)的大容量光碟格式。在速度上，藍(lán)光允許1到2倍或者說(shuō)每秒4.5~9MB的記錄速度。28硬盤(pán)、軟盤(pán)、磁帶和光盤(pán)存儲(chǔ)器的綜合比較硬盤(pán)、軟盤(pán)、磁帶和光盤(pán)的相同之處：在記錄原理上相類似；作為部件來(lái)說(shuō)，它們都包括磁、光、電、精密機(jī)械和馬達(dá)等；作為存儲(chǔ)系統(tǒng)，它們都包括控制器及接口邏輯；在技術(shù)上，都可采用自同步技術(shù)、定位和校正技術(shù)以及相類似的讀寫(xiě)系統(tǒng)。然而這四種存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，還是各有各的特點(diǎn)和功能，有不同的用處。29硬盤(pán)、軟盤(pán)、磁帶和光盤(pán)存儲(chǔ)器的綜合比較硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（HDD）計(jì)算機(jī)在操作過(guò)程中，交換數(shù)據(jù)量大，因此HDD作為內(nèi)存的后備存儲(chǔ)器，用以存放程序中間和最終計(jì)算結(jié)果，要求容量大、數(shù)據(jù)傳輸率高、等待時(shí)間短。硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器技術(shù)難度大，各項(xiàng)指標(biāo)高，它的先進(jìn)技術(shù)為光盤(pán)、軟盤(pán)等驅(qū)動(dòng)器采用和借鑒?，F(xiàn)在一般的硬盤(pán)容量在3GB到3TB之間。30硬盤(pán)、軟盤(pán)、磁帶和光盤(pán)存儲(chǔ)器的綜合比較軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（FDD）與HDD相比，軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器容量小、傳輸率低、平均尋道時(shí)間長(zhǎng)。軟盤(pán)片可靈活裝卸，便于攜帶和交換，介質(zhì)又便宜，既可存儲(chǔ)操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，又可用于數(shù)據(jù)輸入輸出。早期，軟盤(pán)片可用于小數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件庫(kù)，這是磁帶、硬盤(pán)、光盤(pán)所無(wú)法代替的?，F(xiàn)在，軟盤(pán)已經(jīng)基本被淘汰。31硬盤(pán)、軟盤(pán)、磁帶和光盤(pán)存儲(chǔ)器的綜合比較磁帶驅(qū)動(dòng)器其歷史比磁盤(pán)久，但60年代后期逐步被磁