微机原理-第四章4ppt课件

.,综合性示例之二（8086最小方式）,.,8086CPU最小工作方式,.,最大工作方式下总线控制信号的形成：,.,（Intel2732的容量为：4KX8位）如图连接，求其地址空间范围。,.,.,CPU与半导体存储器的连接的注意事项,1、CPU总线的负载能力-CPU能否带动总线上包括内存在内的连接器件；2、CPU的时序和存储器的存取速度之间的配合问题-CPU能否与存储器的存取速度相配合。,.,硬盘一、硬盘的发展历史在发明磁盘系统之前，计算机使用穿孔纸带、磁带等来存储程序与数据，这些存储方式不仅容量低、速度慢，而且有个大缺陷：它们都是顺序存储，无法实现随机存取数据。1956年9月，IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM350RAMAC，其磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区域，从而成功地实现了随机存储，这套系统的总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘，盘片表面涂有一层磁性物质，它们被叠起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。1973年，IBM又发明了Winchester（温氏）硬盘，其特点是工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，这便是现代硬盘的原型。“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片、磁头沿盘片径向移动”是“温彻斯特”硬盘技术的精髓。今天个人电脑中的硬盘容量虽然已经高达一百GB以上，但仍然没有脱离“温彻斯特”模式。,1956年IBM公司制造出世界上第一台容量仅为5MB，但却由50片直径为24英寸的磁盘组成的庞然大物，重达上百公斤。,.,1982年用在IBM-XT上的一块10M的硬盘，除了外型略大，无论外观还是内部结构和现在最先进的硬盘并无大的差别。,.,二、硬盘的结构和原理从计算机系统的结构来看，存储器分为内存储器和外存储器两大类。内存储器与CPU直接联系，负责各种软件的运行。外存储器包括软盘、硬盘、光盘、磁带机等。硬盘和软盘很相似，它们的工作原理大致相同，不同的是软盘与软盘驱动器是分开的，而硬盘与硬盘驱动器却是装在一起。另外，在使用时，二者速度差异很大。硬盘主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴上，每张盘片之间是平行的，在每个盘片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小，所有的磁头联在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。硬盘作为精密设备，尘埃是其大敌，必须完全密封。,.,（一）硬盘的外部结构1.接口包括电源插口和数据接口两部分，其中电源插口与主机电源相联，为硬盘工作提供电力保证。数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间进行传输交换的纽带，根据联接方式的差异，分为EIDE接口和SCSI接口等。2.控制电路板大多采用贴片式元件焊接，包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上还有一块高效的单片机ROM芯片，其固化的软件可以进行硬盘的初始化，执行加电和启动主轴电机，加电初始寻道、定位以及故障检测等。在电路板上还安装有容量不等的高速缓存芯片。3.固定盖板就是硬盘的面板，标注产品的型号、产地、设置数据等，和底板结合成一个密封的整体，保证硬盘盘片和机构的稳定运行。固定盖板和盘体侧面还设有安装孔，以方便安装。,.,（二）硬盘的内部结构硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、盘头组件、接口及附件等几大部分组成，而盘头组件(HardDiskAssembly，HDA)是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片及主轴驱动机构、前置读写控制电路等。,.,.,希捷捷豹Cheetah36XL硬盘(Ultra160,SCSI,36G),.,希捷CheetahX15(15000RPM,SCSI,18GB,$410),.,IBM公司近日宣布推出桌面新型硬盘Deskstar180GXP，单碟60GB。据悉，这款硬盘由于采用了“tagnseek”技术，使其一跃成为世界最快的台式机个人电脑硬盘。IBM宣称腾龙五代通过采用tagnseek技术、8MB缓存以及699Mbit/sec最大内部传输速度使得Deskstar180GXP性能比原有120GXP产品提高了近25%，与其他公司同系列型号产品相比，性能最高可超出20%。这款IBM硬盘在速度上有着惊人的表现，但在耗电量及散热量表现方面却很低。,IBMDeskstar180GXP硬盘主要技术参数如下：容量：18012080604030GB厚度：25.4mm转速：7200RPM单面存储密度：455亿bit平方英寸盘片数：321片（铝制造）磁头数：642个（GMR存储磁头）抗冲击性：350G（2ms、非工作状态下、21盘片）平均等待时间：4.17ms耗电量：75.95W（空闲、321盘片）平均寻址时间：8.5ms（32盘片）、8.8ms（1盘片）接口：ATA6噪音：3.02.32.6Bels（空闲时、321盘片）缓存：最大8MB其它：流体轴承（FDB：FluidDynamicBearing）,.,（三）硬盘的工作原理概括地说，硬盘的工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。磁头在读取数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据，写的操作正好与此相反。另外，硬盘中还有一个存储缓冲区，这是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设的。由于硬盘的结构比软盘复杂得多，所以它的格式化工作也比软盘要复杂，分为低级格式化，硬盘分区，高级格式化并建立文件管理系统。LFORMATFAT16FAT32NTFS,.,硬盘低级格式化（物理格式化）1低级格式化的作用是将空白的磁片划分一个个同心圆、半径不同的磁道，还将磁道划分为若干个扇区，每个扇区的容量为512字节。2低级格式化在硬盘出厂时已由硬盘生产商完成了，通常使用者无需再进行低级格式化操作。3关于低级格式化的种种见解(1)如无非常必要，使用者不要对硬盘进行低级格式化操作，因为硬盘出厂前的初始低级格式化是由生产线上的专用磁头完成的，而使用者在硬盘出厂后的使用过程中用软件进行低级格式化，使用的是硬盘本身的读写磁头，其读写性能、读写准确度，无不如生产线上的专用磁头，因此，格式化的效果肯定不如生产线的初始低级格式化，从而使硬盘性能下降。,.,(2)低级格式化是硬盘高损耗的操作，将大大缩短硬盘的使用寿命，因此，如非十分必要，建议不要进行低级格式化。(3)低级格式化容易引起磁片表面的操伤，如非必要，不要低格。(4)但是，如遇以下情况，低级格式化可能是有必要的：受外部强磁体、强磁场的影响，或因长期使用，硬盘磁片上由低级格式化划分出来的扇区格式磁性记录部分丢失，因此出现大量“坏扇区。注意，这并不是磁片的物理损坏。这时，进行低级格式化，重新划分扇区，可能是一个有效的办法。为改善硬盘性能，试图重新设置扇区“间隔因子”（Interleave）以提高读写的速度，重新进行低级格式化是通常采用的方法。,间隔因子（交叉因子）释义低级格式化硬盘时必须设定扇区“间隔因子”（交叉因子）值。间隔因子通俗的讲，是指低级格式化后，第一个扇区和第二个扇区相隔多少个物理扇区块。只有间隔因子1时才是连续的。,.,文件系统决定了数据在磁盘上的存储方式，它是数据结构或数据格式，在格式化磁盘时，必须指定要使用的文件系统。对于微软的操作系统，有三种文件系统：FAT16(FileAllocationTable,文件分配表）FAT32NTFS(NewTechnologyFileSystem)对于FAT16,其最大的磁盘逻辑分区为512MB；FAT32允许磁盘的逻辑分区超过2TB,支持长文件名。NTFS可以支持更大的逻辑分区，文件名可以使用空格，并区分大小写。,文件系统使用名为“簇”（cluster）的固定大小的磁盘增量来存储信息。簇的范围从512字节到32KB不等（随逻辑分区的增大而增大）。如果存储许多小文件，那么使用很大的簇的效率是非常低的。,.,硬盘的磁头技术：,一、磁头磁头是硬盘中最昂贵的部件，也是硬盘技术中最重要和最关键的一环。MR磁头（Magnetoresistiveheads,利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据），即磁阻磁头，采用的是分离式的磁头结构：写入磁头仍采用传统的磁感应磁头（MR磁头不能进行写操作），读取磁头则采用新型的MR磁头，即所谓的感应写、磁阻读。这样，在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化，以得到最好的读/写性能。另外，MR磁头对信号变化相当敏感，读取数据的准确性也相应提高。而且由于读取的信号幅度与磁道宽度无关，故磁道可以做得很窄，从而提高了盘片密度，达到200MB/英寸，而使用传统的磁头只能达到20MB/英寸，这也是MR磁头被广泛应用的最主要原因。目前，MR磁头已得到广泛应用，而采用多层结构和磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头（GiantMagnetoresistiveheads）也逐渐普及。,.,二、磁道当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。三、扇区磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节的信息。四、柱面硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。由于每个盘面都有自己的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。所谓硬盘的CHS,即Cylinder（柱面）、Head（磁头）、Sector（扇区），只要知道了硬盘的CHS的数目，即可确定硬盘的容量。硬盘的容量=柱面数磁头数扇区数512Byte,.,硬盘接口是连接硬盘驱动器和计算机的专用部件，对计算机的性能及在扩充系统时计算机连接其他设备的能力都有很大影响。1、ST506/412接口与ESDI接口ST506/412是PC/XT、AT时代的标准接口标准。ST506/412最多可安装4个硬盘驱动器，允许最大硬盘空间为150MB。而ESDI是ST506/412接口的改进版，但与ST506/412接口互不兼容。ESDI支持的硬盘容量上增加到300MB，最大数据传输率为2MB/sec。目前这两种接口均已遭淘汰。,.,2、SCSI接口SCSI（SmallComputerSystemInterface）即“小型计算机系统接口”是一种系统级的接口，支持硬盘的容量突破了528MB的限制，可以同时挂接7个不同的设备。目前SCSI接口有二个标准：SCSI-2和SCSI-3。SCSI-2又称为FastSCSI，在8bit总线下能达到10M/s的数据传输率。而SCSI-3包括UltraSCSI（8bit）、UltrawideSCSI（含16bit和32bit）和Ultra2SCSI。其中Ultra2SCSI在8bit数据宽度下提供40M/s的数据传输率，在16位总线下最高能达到80M/s。SCSI接口的硬盘被广泛应用于网络服务器、工作站和小型计算机系统上，但由于SCSI接口硬盘的价格要比IDE接口硬盘高，而且使用时还必须另外购买SCSI接口卡，因而在家用电脑上仍以IDE接口的硬盘为主流。,.,3、IDE接口IDE（IntegratedDriveElectronics）接口是Compaq公司为解决老式的ST506/412接口速度慢、成本高而开发出硬盘接口标准，亦即ATA（AdvancedTechnologyAttachment）接口标准。由于IDE接口的硬盘具有价格低廉、稳定性好、标准化程度高等优点，因此得到广泛的应用。ATA接口标准亦已由ATA、ATA-2、ATA-3发展到今天的UltraATA。UltraATA（也称为UltraDMA33/66）是由Intel和Quantum公司共同提出的硬盘接口标准，与FastATA(Seagate技术)相比，UltraATA有以下几个优点：外部数据传率由FastATA的16.6MB/s提高到66MB/s；采用CRC循环冗余检验，通过两个寄存器的重复测试来提高数据传输的可靠性；由硬盘直接产生选通信号，并且同时将数据传送到总线上，从而减少数据传输的延迟时间。DMA/66已成为目前E-IDE硬盘接口事实上的标准。,.,4、IEEE1394、USBIEEE1394又称为Firewire（火线）或P1394，它是一种高速串行总线，现有的IEEE1394标准支持100Mbps、200Mbps和400Mbps的传输速率，将来会达到800Mbps、1600Mbps、3200Mbps甚至更高，如此高的速率使得它可以作为硬盘、DVD、CDROM等大容量存储设备的接口。IEEE1394将来有望取代现有的SCSI总线和IDE接口，但是由于成本较高和技术上还不够成熟等原因，目前仍然只有少量使用IEEE1394接口的产品，硬盘就更少了。此外基于USB接口的硬盘也问世了，它的价格要比相同指标的IDE硬盘贵一倍，其优势在于支持即插即用和热插拔，会在活动硬盘等领域得到发展。,.,现在的存储器虽然出现了如USB、IEEE1394等新型接口类型，但总得来看，还是分为两大阵营，一类为IDE，另一类就是SCSI，IDE是普通家用PC硬盘所用的接口，也是我们最常经常接触的硬盘接口；而SCSI主要是面向高端存储器市场，因此在普通PC上并不常见。SCSI的全称为SmallComputerSystemInterface即小型计算机系统接口，它最早研制于1979年，从名称上想必大家就可猜出它最早是专为小型机而设计的存储器接口，不过随着电脑技术的发展，慢慢它被移植到普通电脑上了。现在在一些高端服务器或者工作上都能看到SCSI的踪迹，它广泛应用于如扫描仪、SCSI硬盘、磁带备份器等产品中。相对于普通家用电脑的IDE接口，SCSI有它独特的一些特点。首先、SCSI适应面很广：在使用IDE接口时，你会受到IRQ（中断号）及IDE通道的限制，一般情况下每个IDE通道占用一个IRQ，而一块标准的主板只有两个IDE通道（即IDE1与IDE2插槽），每两个设备要占用一个IDE通道，因此一块标准的主板上最多只能连接四个IDE设备，虽然你可以通过增加IDE控制卡等其它方式来增加可连接设备的数量，但总共连接的IDE设备数最多也不能超过15个。使用SCSI则可以使连接设备数超过15个，而且所有设备只占用一个中断号，因此它的适应面比IDE要广得多。,.,其次、SCSI的带宽很宽：目前最新的SCSI接口类型-Ultra320/SCSI所支持的最大总线速度为320MB/s，虽然实际使用时可能达不到这个理论值，但上百兆比特的传输率在SCSI上还是能够达到了。而现在最快的IDE接口UltraATA/100，它在理论上只能支持100MB/s的外部数据传输率，而且由于普通IDE硬盘及其它各方面的限制，在普通PC上IDE所能实现的最大传输率还不足50MB/s，这还不及Ultra320/SCSI的一半。,.,第三、SCSI支持多任务、CPU占用率很低：由于使用SCSI系统必须要有SCSI控制卡或适配器，在控制卡会有独立的芯片负责SCSI数据的处理；当CPU将指令传输给SCSI后，随即去处理后续的指令，其它的相关工作就交给SCSI控制卡上的芯片自行处理，等SCSI处理完毕后，再发出控制信号给CPU，CPU进行后续的处理因此不难想像SCSI系统对CPU的占用率是很低的；至于SCSI的多任务性则表现在它允许对一个设备进行数据传输的同时，另一设备对其进行数据查找，这在网络服务器系统中非常重要得，因为它们经常需要同时处理许多并行请求，此时如果存储系统不支持多任务性，那存储系统都不知道该去响应谁的请求了。第四、SCSI系统昂贵：由于SCSI能给用户带来很高的系统性能同时具有很好的并行处理能力，因此价值不菲，一般组建一套完整的SCSI系统，其设备与控制器是必不可少得，就假如我们需要用SCSI硬盘，那除此你还需另外购买一块SCSI控制卡，这不像IDE硬盘，买来直接插在主板上即可使用。而且SCSI设备的价格一般比普通接口的设备都来得贵，所以总得来说SCSI系统是很昂贵，正因此在普通PC上不常见它们的踪影。,.,所谓的硬盘物理安装，指的是将硬盘装进机箱，设置跳线并接好电源线和数据线的过程。,电源接口：将主机的电源与此相连，以给硬盘供电。注意“梯形”接线方向，方向错误将无法插入。,.,主从跳线：主板上一般只有两个IDE接口，每一根接线有三个接口，其中一个接主板的IDE接口，另两个则可以接两个IDE设备，包括硬盘、光驱、刻录机等。在同一根接线上如果接两个IDE接口设备，则其中一个是主盘(Master)，另一个为从盘(Slave)。究竟是作为主盘还是从盘则要通过硬盘或光驱背面的“主从跳线”进行设置，否则将无法正常使用。一般来说，硬盘