计算机组成原理(第七章-new)

1、计算机组成原理第七章第七章 外存与外存与I/O设备设备课程教学要求本章内容本章内容： 7.1 7.1 外围设备概述外围设备概述 7.2 7.2 磁盘存储设备磁盘存储设备 7.3 7.3 磁盘存储设备的技术发展磁盘存储设备的技术发展 7 7.4 .4 磁带存储设备磁带存储设备 7.5 7.5 光盘存储设备光盘存储设备 7 7.6 .6 显示设备显示设备 7 7.7 .7 输入设备和打印设备输入设备和打印设备7.1 外围设备概述外围设备概述 1 1 外围设备的一般功能外围设备的一般功能 2 2 外围设备的分类外围设备的分类外围设备外围设备1 外围设备的一般功能外围设备的一般功能 外围设备的定义：外

2、围设备的定义： 除了除了CPU和主存外，计算机系统的其它和主存外，计算机系统的其它部件部件都视为外围设都视为外围设备。备。 外围设备的功能：外围设备的功能： 在计算机与其它机器之间、计算机与用户之间建立起交互在计算机与其它机器之间、计算机与用户之间建立起交互关系。关系。 外围设备的基本组成：外围设备的基本组成： (1) 物理介质：外设组成介质的物理特征。物理介质：外设组成介质的物理特征。 (2) 驱动装置：用于移动或驱动外设的物理装置。驱动装置：用于移动或驱动外设的物理装置。 (3) 控制电路：用于对数据交换的控制电路。控制电路：用于对数据交换的控制电路。外围设备外围设备外部设备外部设备键盘键

3、盘鼠标器鼠标器扫描仪扫描仪数码相机数码相机语音文字输入语音文字输入输入设备输入设备输出设备输出设备显示系统显示系统打印机打印机硬盘存储器硬盘存储器外存储设备外存储设备网络设备网络设备多媒体设备多媒体设备外围设备的基本类别：外围设备的基本类别：2 外围设备的分类外围设备的分类 计算机的五大类外围设备请参看教材计算机的五大类外围设备请参看教材P210. CAI演示演示。中央部分中央部分为为主机主机，主机通过总线与各设备的适配器，主机通过总线与各设备的适配器(接口接口)相连，并通过接口中的控制器，与外围设备建立起联系。相连，并通过接口中的控制器，与外围设备建立起联系。外围设备包括：外围设备包括：输入

4、设备输入设备、输出设备输出设备、外存设备外存设备、数据通数据通信设备信设备和和过程控制设备过程控制设备几大类，各类外设的工作模式、信息类几大类，各类外设的工作模式、信息类型、处理速度和控制方式等都各自不同。型、处理速度和控制方式等都各自不同。计算机中的主要计算机中的主要I/O设备介绍，见教材设备介绍，见教材P210，表，表7.1。外围设备外围设备思考题（教材思考题（教材P211）：）： I/O设备为什么不能与主机直接连接？设备为什么不能与主机直接连接？ 各种各种I/O设备的控制器结构相同吗？设备的控制器结构相同吗？7.2 磁盘存储设备磁盘存储设备1 1 磁记录原理磁记录原理2 2 硬磁盘机的基

5、本组成和分类硬磁盘机的基本组成和分类 3 3 硬磁盘驱动器和控制器硬磁盘驱动器和控制器4 4 磁盘上信息的分布磁盘上信息的分布5 5 磁盘存储器的技术指标磁盘存储器的技术指标外围设备外围设备(教材教材P215218 自阅自阅）7.2.1 磁记录原理磁记录原理所谓所谓磁表面存储磁表面存储: : 用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。塑料表面作载磁体来存储信息。硬盘就是一个典型实例硬盘就是一个典型实例。外围设备外围设备（固定硬盘）（固定硬盘）硬盘内部结构：磁表面存储设备磁表面存储设备是是计算机外存储器的主要形式之一。计算机外存储器的主要形式之一

6、。优点优点: : ( (教材教材P211)P211)(1)(1)存储容量大，位价格低；存储容量大，位价格低；( (如：磁盘、磁带如：磁盘、磁带) ) (2)(2)记录介质无损耗，可以长期重复使用；记录介质无损耗，可以长期重复使用； (3)(3)记录信息可以脱机存档，并且可以长期保存记录信息可以脱机存档，并且可以长期保存 而不丢失；而不丢失； (4)(4)非破坏性读出，读出时无需刷新信息。非破坏性读出，读出时无需刷新信息。 广泛用于广泛用于系统软件、大型文件、数据库等系统软件、大型文件、数据库等大量数据和文件的存储或备份大量数据和文件的存储或备份。磁表面存储器的缺点磁表面存储器的缺点： 存取速度

7、较慢，机械控制结构复杂，对工作环存取速度较慢，机械控制结构复杂，对工作环境境要求较高等。要求较高等。 由于其由于其存储容量大，内容非易失、位成本低存储容量大，内容非易失、位成本低等等特点显著，现代计算机系统中仍是构成辅助大容量特点显著，现代计算机系统中仍是构成辅助大容量存储器的主要部件之一。存储器的主要部件之一。 存储原理分析存储原理分析磁性材料的磁滞回线图：磁性材料的磁滞回线图： H-Br+Br1.1.磁性材料的物理特性磁性材料的物理特性外围设备外围设备撤销磁化电流撤销磁化电流0剩磁剩磁Br0撤销磁化电流撤销磁化电流 从磁滞回线可以看出，磁性材料被磁化以后，存在从磁滞回线可以看出，磁性材料被

8、磁化以后，存在Br两个稳定的剩磁状态。两个稳定的剩磁状态。 如果规定用如果规定用+Br状态表示代码状态表示代码“1”，-Br状态表示代码状态表示代码“0”，则：磁性材料上呈现剩磁状态可记录一位二进制代码，则：磁性材料上呈现剩磁状态可记录一位二进制代码信息。信息。2.2.记录方式记录方式 （略）（略）形成不同写入电流波形的方式，称为形成不同写入电流波形的方式，称为记录方式记录方式。记录方式。记录方式是一种编码方式，它按某种规律将一串二进制数字信息变换成是一种编码方式，它按某种规律将一串二进制数字信息变换成磁层中相应的磁化元状态，用读写控制电路实现这种转换。磁层中相应的磁化元状态，用读写控制电路实

9、现这种转换。在磁表面存储器中，由于写入电流的幅度、相位、频率变在磁表面存储器中，由于写入电流的幅度、相位、频率变化不同，从而形成了不同的记录方式化不同，从而形成了不同的记录方式( (见教材见教材P252 P252 图图7-117-11）。）。 常用记录方式可分为常用记录方式可分为不归零制不归零制(NRZ)(NRZ)，调相制调相制(PM)(PM)，调频制调频制(FM)(FM)几大类。这些记录方式中代码几大类。这些记录方式中代码0 0或或1 1的写入电流波形见文字的写入电流波形见文字教材的图教材的图7.117.11。 外围设备外围设备不归零制不归零制(NRZ(NRZ0 0) )： 其特点是磁头线圈

10、中始终有电流，不其特点是磁头线圈中始终有电流，不是正向电流是正向电流( (代表代表1)1)就是反向电流就是反向电流( (代表代表0)0)，因此不归零制记录，因此不归零制记录方式的抗干扰性能较好。方式的抗干扰性能较好。见见“1 1”就翻不归零制就翻不归零制(NRZ(NRZ1 1) ) 与与 NRZNRZ0 0制的相同处制的相同处：磁头线：磁头线圈中始终有电流通过。不同处：记录圈中始终有电流通过。不同处：记录“0 0”时电流方向不变，只时电流方向不变，只有遇到有遇到1 1时才改变方向。时才改变方向。 调相制调相制(PM)(PM)：其特点是在一个位周期的中间位置，电流由其特点是在一个位周期的中间位置

11、，电流由负到正为负到正为1 1，由正到负为，由正到负为0 0，即利用电流相位的变化进行写，即利用电流相位的变化进行写“1 1”和和“0 0”，所以通过磁头中的电流方向一定要改变一次，这种记，所以通过磁头中的电流方向一定要改变一次，这种记录方式中录方式中“1 1”和和“0 0”的读出信号相位不同，抗干扰能力较强。的读出信号相位不同，抗干扰能力较强。另外读出信号经分离电路可提取自同步定时脉冲，所以具有自另外读出信号经分离电路可提取自同步定时脉冲，所以具有自同步能力。磁带存储器中一般采用这种记录方式。同步能力。磁带存储器中一般采用这种记录方式。外围设备外围设备调频制调频制(FM)(FM) 其特点如下

12、：其特点如下：(1)(1)无论记录的代码是无论记录的代码是1 1或或0 0，或，或者连续写者连续写“1 1”或写或写“ 0 0”，在相邻两个存储元交界处电流都要，在相邻两个存储元交界处电流都要改变方向；改变方向；(2)(2)记录记录1 1时电流一定要在位周期中间改变方向，写时电流一定要在位周期中间改变方向，写“1 1”电流的频率是写电流的频率是写“0 0”电流频率的电流频率的2 2倍，故称为倍频法。这倍，故称为倍频法。这种记录方式的优点是记录密度高，具有自同步能力。种记录方式的优点是记录密度高，具有自同步能力。FMFM可用于可用于单密度磁盘存储器。单密度磁盘存储器。改进调频制改进调频制(MFM

13、)(MFM) 与调频制的区别在于只有连续记录两个与调频制的区别在于只有连续记录两个或两个以上或两个以上“0 0”时，才在位周期的起始位置翻转一次，而不是时，才在位周期的起始位置翻转一次，而不是在每个位周期的起始处都翻转，因而进一步提高了记录密度。在每个位周期的起始处都翻转，因而进一步提高了记录密度。MFMMFM可用于双密度磁盘存储器。可用于双密度磁盘存储器。除了上述几种记录方式外，还有游程长度受限码除了上述几种记录方式外，还有游程长度受限码RLLCRLLC、成、成组编码组编码GCRGCR等记录方式。等记录方式。外围设备外围设备评价一种记录方式优劣的标准评价一种记录方式优劣的标准：编码效率、自同

14、步能力、：编码效率、自同步能力、 检读分辨力、信息相关性、抗干扰能力、信道带宽、编码译码检读分辨力、信息相关性、抗干扰能力、信道带宽、编码译码电路的复杂性等。电路的复杂性等。编码效率编码效率 是指位密度与最大磁化翻转密度之比，也就是是指位密度与最大磁化翻转密度之比，也就是指每次磁层状态翻转指每次磁层状态翻转 所存储的数据信息位的多少。所存储的数据信息位的多少。自同步能力自同步能力 是指从读出数据是指从读出数据( (脉冲序列脉冲序列) )中自动提取同步中自动提取同步信号信号( ( 时间基准信号时间基准信号) )的能力。自同步能力的大小可以用最小的能力。自同步能力的大小可以用最小磁化翻转间隔与最大

15、磁化翻转间隔的比值磁化翻转间隔与最大磁化翻转间隔的比值R R来衡量。来衡量。R R越大，自越大，自同步能力越高。同步能力越高。检读分辨力检读分辨力 是指磁记录系统对读出信号的分辨能力。是指磁记录系统对读出信号的分辨能力。信息相关性信息相关性 是指漏读或错读一位是否会传播误码，所以是指漏读或错读一位是否会传播误码，所以是衡量精度的指标。是衡量精度的指标。外围设备外围设备3.3.磁表面存储器的读写原理磁表面存储器的读写原理在磁表面存储器中，利用一种在磁表面存储器中，利用一种“磁头磁头”的装置来形成和的装置来形成和检测磁层中的不同磁化状态。检测磁层中的不同磁化状态。(1)(1)写操作写操作外围设备外

16、围设备局部磁化单元局部磁化单元载磁体载磁体写线圈写线圈SNI局部磁化单元局部磁化单元写线圈写线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层写入写入“0”写入写入“1”I 当在线圈里通入不同方向的脉冲磁化电流，就可在当在线圈里通入不同方向的脉冲磁化电流，就可在载磁载磁体表面体表面得到具有不同剩磁极性的磁化元。（得到具有不同剩磁极性的磁化元。（信息的写入信息的写入） 显然，一个磁化元就是一个存储元，可以存储一位二显然，一个磁化元就是一个存储元，可以存储一位二进制信息。进制信息。 当载磁体相对于磁头运动时当载磁体相对于磁头运动时 ，就可以连续写入一连串，就可以连续写入一连串的二进制信息。的二进制信息。(2)(2)

17、读操作读操作外围设备外围设备N读线圈读线圈S读线圈读线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层运动方向运动方向运动方向运动方向ssttffee读出读出 “0”读出读出 “1”dtdkef f 不同的剩磁读会产生出极性不同的e-ee相应的电动势相应的电动势e e，其值为：，其值为：不同方向的感应电势经读出放大器放大鉴别，就可判不同方向的感应电势经读出放大器放大鉴别，就可判知读出的信息是知读出的信息是“1 1”还是还是“0 0”。 （信息的读出信息的读出）dtdkef f 磁表面存储器存取信息的原理：电磁表面存储器存取信息的原理：电- -磁变换磁变换7.2.2 磁盘的基本组成和分类磁盘的基本组成和分类硬磁盘

18、硬磁盘：记录介质为硬质圆形盘片的磁表面存：记录介质为硬质圆形盘片的磁表面存储器。储器。 它主要由它主要由磁记录介质磁记录介质、磁盘控制器磁盘控制器、磁盘驱动器磁盘驱动器三大部分组成。三大部分组成。 其逻辑结构图请参见教材其逻辑结构图请参见教材P213。 CAI演示演示外围设备外围设备磁磁 盘盘 控控 制制 器器磁磁 盘盘 驱驱 动动 器器盘盘 片片主主 机机磁盘控制器磁盘控制器包括包括: : 控制逻辑与时序、数据并控制逻辑与时序、数据并- -串变换、串串变换、串- -并变换电路。并变换电路。磁盘驱动器磁盘驱动器包括包括: : 写入电路与读出电路、读写转换开关、读写磁头与磁头写入电路与读出电路、

19、读写转换开关、读写磁头与磁头定位伺服系统等。定位伺服系统等。磁盘系统基本组成：硬磁盘分类硬磁盘分类： 按盘片结构分成按盘片结构分成可换盘片可换盘片式与式与固定盘片固定盘片式两种；磁头也分式两种；磁头也分为可移动磁头和固定磁头两种。为可移动磁头和固定磁头两种。 (1) (1) 可移动磁头固定盘片的磁盘机可移动磁头固定盘片的磁盘机 特点：特点：一组盘片固定在主轴上，盘片不可更换一组盘片固定在主轴上，盘片不可更换 。盘片每。盘片每面有一个磁头，存取数据时磁头沿盘面径向方向移动。面有一个磁头，存取数据时磁头沿盘面径向方向移动。 (2) (2) 固定磁头磁盘机固定磁头磁盘机 特点：特点：磁盘的每一个磁道

20、对应一个磁头，磁头位置固定，磁盘的每一个磁道对应一个磁头，磁头位置固定，盘片不可更换。优点是存取速度快，省去磁头找道时间，缺点盘片不可更换。优点是存取速度快，省去磁头找道时间，缺点是磁头多、结构过于复杂。是磁头多、结构过于复杂。外围设备外围设备 (3)(3)可移动磁头可换盘片的磁盘机可移动磁头可换盘片的磁盘机 盘片可以更换，磁头可沿盘面径向移动。优点是盘片可以盘片可以更换，磁头可沿盘面径向移动。优点是盘片可以脱机保存，同种型号的盘片具有互换性。脱机保存，同种型号的盘片具有互换性。 (4)(4)温彻斯特磁盘机温彻斯特磁盘机 温彻斯特磁盘简称温盘，是一种采用先进技术研制的温彻斯特磁盘简称温盘，是一

21、种采用先进技术研制的可移可移动磁头固定多盘片动磁头固定多盘片的磁盘机。它是一种密封组合式的硬磁盘，的磁盘机。它是一种密封组合式的硬磁盘，即磁头、盘片、电机等驱动部件乃至读写电路等组装成一个不即磁头、盘片、电机等驱动部件乃至读写电路等组装成一个不可随意拆卸的整体。可随意拆卸的整体。 优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。外围设备外围设备7.2.3 硬磁盘驱动器和控制器硬磁盘驱动器和控制器1.1.磁盘驱动器磁盘驱动器各类磁盘驱动器的具体结构虽然有差别，但基本结构相同，各类磁盘驱动器的具体结构虽然有差别，但基本结构相同，主要由定位驱动系统、主

22、轴系统和数据转换系统组成，是一种精主要由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统组成，是一种精密的电子和机械装置。密的电子和机械装置。2.2.磁盘控制器磁盘控制器磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口接口。磁盘与主机之。磁盘与主机之间采用成批交换数据方式。间采用成批交换数据方式。 磁盘控制器需要有两个方面的接口：磁盘控制器需要有两个方面的接口：与主机的接口（称为与主机的接口（称为系统级接口系统级接口），控制外存与主机总线之间交换数据；），控制外存与主机总线之间交换数据； 与设备的与设备的接口接口( (称为称为设备级接口设备级接口) )，根据主机命令控制设备的操作。

23、（见后，根据主机命令控制设备的操作。（见后图）图）主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑如图所示：主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑如图所示：以数据读出为例以数据读出为例：磁盘上的信息经读磁头读出、信号放大；磁盘上的信息经读磁头读出、信号放大； 进行串进行串- -并变换、格式变换；并变换、格式变换； 送入数据缓冲器；送入数据缓冲器； 按成组数据传送控制方式，将数据并行传送按成组数据传送控制方式，将数据并行传送 到主机。到主机。外围设备外围设备磁磁盘盘主主机机每块每块盘片的上下两面都能记录信息，通常把盘片表面称为盘片的上下两面都能记录信息，通常把盘片表面称为记记录面录面。记录面上一系列同心圆称为记录

24、面上一系列同心圆称为磁道磁道。每个盘片表面通常有几每个盘片表面通常有几十到几百个磁道。十到几百个磁道。每个磁道又分为若干个每个磁道又分为若干个扇区扇区，“扇区扇区”是磁盘上的最小记录单位是磁盘上的最小记录单位。 各记录面上的同号磁道各记录面上的同号磁道构成一个构成一个柱面柱面。 当某文件长度超过一个当某文件长度超过一个磁道的容量，通常将它记磁道的容量，通常将它记录在录在同一个柱面同一个柱面上。上。 (为什么？为什么？) 可减少磁头移动、加可减少磁头移动、加速存取速度。速存取速度。 7.2.4 磁盘上信息的分布磁盘上信息的分布 （教材教材P215）每块盘片有每块盘片有2个记录面个记录面 磁道的编

25、址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫0 0磁道，磁道，最里面的一个同心圆叫最里面的一个同心圆叫n n磁道。磁道。 因此，对活动头磁盘组（如图）来说，因此，对活动头磁盘组（如图）来说，磁盘地址格式为：磁盘地址格式为： 在磁道上，信息是按扇区在磁道上，信息是按扇区存放的，每个扇区中存放一定存放的，每个扇区中存放一定数量的字或字节，并且，数量的字或字节，并且，每个每个扇区存放的字或字节数是相同扇区存放的字或字节数是相同的的。 内磁道的存储密度比外磁内磁道的存储密度比外磁道的存储密度大道的存储密度大. .外围设备外围设备盘面盘面（磁头）（磁头）号号柱面柱

26、面（磁道）（磁道）号号扇区号扇区号 磁盘存储器的每个扇区记录定长的数据（磁盘存储器的每个扇区记录定长的数据（数据块数据块)，是串行、，是串行、逐位进行读逐位进行读/写操作的。数据在磁盘上的记录格式如下：写操作的。数据在磁盘上的记录格式如下：（教材教材P216P216) ) 每个扇区开始时由磁盘控制器产生一个扇标脉冲。扇标脉每个扇区开始时由磁盘控制器产生一个扇标脉冲。扇标脉冲的出现即标志一个扇区的开始，以方便识别。冲的出现即标志一个扇区的开始，以方便识别。外围设备外围设备7.2.5 磁盘存储器的技术指标磁盘存储器的技术指标 （教材（教材P216, 自阅自阅）磁盘存储器的主要指标包括存储密度、存储

27、容量、存取时磁盘存储器的主要指标包括存储密度、存储容量、存取时间及数据传输率。间及数据传输率。 1、存储密度存储密度： 存储密度分为存储密度分为道密度道密度、位密度位密度和和面密度面密度。道密度道密度：是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道：是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道/ / 英寸。英寸。位密度位密度：是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位为：是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位为 位位/ /英寸。英寸。面密度面密度：位密度：位密度道密度道密度 单位：位单位：位/ /平方英寸。平方英寸。2、存储容量存储容量： 一个磁盘存储器所能存储的字节总数，一个磁盘存储器

28、所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。称为磁盘存储器的存储容量。格式化容量格式化容量和和非格式化非格式化容量容量： 磁盘存储器必须首先进行格式化操作，然后才能供用磁盘存储器必须首先进行格式化操作，然后才能供用户记录信息。户记录信息。 格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是用户可以真正使用的容量。息的总量，也就是用户可以真正使用的容量。 格式化容量一般是非格式化容量的格式化容量一般是非格式化容量的60%70%。目前，。目前，3.5英寸的硬盘机容量已达几百英寸的硬盘机容量已达几百G。外围设备外围设备3 3、平均存取时间平

29、均存取时间： ( (见教材见教材P217-7.2P217-7.2式式) ) 磁盘平均存取时间磁盘平均存取时间通常由三个数值所决定通常由三个数值所决定: : （1 1）是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称为）是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称为定位定位时间时间或或找道时间找道时间；（2 2）是找道完成后，磁道上需要访问的信息到达磁头下的时）是找道完成后，磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间，称为间，称为等待时间等待时间。（3 3）数据）数据传送完成时间传送完成时间外围设备外围设备 目前，平均找道时间为目前，平均找道时间为1015ms。平均等待时间和磁盘转。平均等待时间和磁盘转速有关

30、，它用磁盘旋转一周所需时间的一半来表示。若磁盘转速有关，它用磁盘旋转一周所需时间的一半来表示。若磁盘转速为速为10000转转/分，则平均等待时间约为分，则平均等待时间约为3ms左右。左右。 4、数据传输率数据传输率: 磁盘在单位时间内向主机传送数据的字节数，称为磁盘在单位时间内向主机传送数据的字节数，称为数据传数据传输率输率。 假设：磁盘旋转速度为每秒假设：磁盘旋转速度为每秒n n转，每条磁道容量转，每条磁道容量为为 N个字个字节，则节，则数据传输率数据传输率: Dr=nN (B/s)。 或：或：Dr=Dv (B/s) 其中其中: D为位密度，为位密度，v为磁盘旋转的线速度。为磁盘旋转的线速度

31、。 目前磁盘存储器的数据传输率可达几十目前磁盘存储器的数据传输率可达几十几百几百MB/s。外围设备外围设备 【例例】 磁盘组有磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用。存储区域内（直）径下两个面不用。存储区域内（直）径22cm ，外（直）径，外（直）径33cm，道密度为道密度为40道道/cm，内层位密度，内层位密度400位位/cm，转速，转速6000转转/分。问：分。问： （教材（教材P217-218） （自阅自阅) (1)共有多少柱面共有多少柱面? (2)盘组总存储容量是多少盘组总存储容量是多少? (3)数据传输率多少数据传输率多少? (4)(4

32、)* * 采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么么? ? 寻址命令中如何表示磁盘地址寻址命令中如何表示磁盘地址? ? (5) (5)* * 如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上? ?【解解】：(1) 有效存储区域径长：有效存储区域径长：33/2-22/2=16.5-11=5.5(cm) 已知：道密度已知：道密度=40道道/cm， 405.5=220道道 即：每个记录面上有即：每个记录面上有220条磁道。条磁道

33、。可知：可知： 磁盘组应当共有磁盘组应当共有 220个柱面。个柱面。 (2) (2) 已知：内层磁道位密度：已知：内层磁道位密度：400位位/cm，内层磁道周长为：内层磁道周长为：2R=23.1411= 69.08(cm) 每道信息量：每道信息量：N=400位位/cm69.08cm=27632位位=3454 B 每面信息量每面信息量=3454B220=759880 B 盘组总容量盘组总容量=759880B10=7598800 B （约为（约为7.5GB) (3) 磁盘数据传输率磁盘数据传输率Dr=nN其中：其中：N为每条磁道容量为每条磁道容量, n为磁盘转速。为磁盘转速。 已知：已知：N=34

34、54 B，n=6000转转/60秒秒=100转转/秒秒 故：故：Dr=nN=1003454B=345400 B/s 345 KB/s (4) * 采用定长数据块格式时，直接寻址的最小单位是一个采用定长数据块格式时，直接寻址的最小单位是一个记录块记录块(一个扇区一个扇区)，每个记录块记录固定字节数目的信息。，每个记录块记录固定字节数目的信息。 若若假设：共分为假设：共分为16个扇区，且已知有个扇区，且已知有10个记录面、个记录面、220条磁道。条磁道。 本例磁盘组的编址应当为如下格式：本例磁盘组的编址应当为如下格式： 那么，那么，本例磁盘组的最大磁盘空间多大？本例磁盘组的最大磁盘空间多大？ 16

35、个记录面，每面可含个记录面，每面可含256个磁道，每道有个磁道，每道有16个扇区个扇区。15 1211 43 0 盘面（磁头）号盘面（磁头）号柱面（磁道）号柱面（磁道）号扇区号扇区号（4位）位）（8位）位）（4位）位） (5) 如果某文件长度超过一个磁道的容量，如果某文件长度超过一个磁道的容量， 显然，应将它记录在显然，应将它记录在同一个柱面同一个柱面上，这样就上，这样就不需要重新找不需要重新找道道，减少磁头移动，减少磁头移动，进而可加快数据的读进而可加快数据的读/写速度写速度。该如何存放该如何存放？磁头的机磁头的机械移动速械移动速度慢！度慢！7.3 7.3 磁盘存储设备的技术发展磁盘存储设备

36、的技术发展1、磁盘磁盘Cache 用用Cache弥补磁盘与主存之间的速度差异。弥补磁盘与主存之间的速度差异。 核心思想核心思想：程序访问的局部性原理。：程序访问的局部性原理。2、磁盘阵列磁盘阵列RAID（廉价冗余磁盘阵列廉价冗余磁盘阵列） (多台小容量磁盘组成的大容量外部存储器多台小容量磁盘组成的大容量外部存储器)核心思想核心思想：数据分块技术、并行或交叉存储技术、冗余存储：数据分块技术、并行或交叉存储技术、冗余存储技术等，使用技术等，使用RAID可以达到单个的磁盘驱动器数倍的速率，可以达到单个的磁盘驱动器数倍的速率，并具有数据自恢复能力。并具有数据自恢复能力。 在大型计算机系统中普遍使用。在

37、大型计算机系统中普遍使用。3、可移动存储设备可移动存储设备: 软盘已经淘汰，各类较大容量的移动硬盘、软盘已经淘汰，各类较大容量的移动硬盘、U盘盘等，应用日趋普及。等，应用日趋普及。(自阅自阅)（U盘、移动硬盘）盘、移动硬盘）7.4 磁带存储设备磁带存储设备 （略）（略）外围设备外围设备7.5 光盘存储设备光盘存储设备（略）（略） 7.4.1 磁带机的分类和结构磁带机的分类和结构磁带的分类磁带的分类：按带宽分有按带宽分有1/41/4英寸和英寸和1/21/2英寸；英寸；按带长分有按带长分有24002400英尺、英尺、12001200英尺和英尺和600600英尺；英尺；按外形分有开盘式磁带和盒式磁带

38、；按外形分有开盘式磁带和盒式磁带；按记录密度分有按记录密度分有800800位位/ /英寸、英寸、16001600位位/ /英寸、英寸、62506250位位/ /英寸；英寸；按带面并行记录的磁道数分有按带面并行记录的磁道数分有9 9道、道、1616道等。道等。计算机系统中多采用计算机系统中多采用1/21/2英寸开盘磁带和英寸开盘磁带和1/41/4英寸盒式磁带，英寸盒式磁带，它们是标准磁带。它们是标准磁带。外围设备外围设备磁带机的分类磁带机的分类：按磁带机规模分，有标准半英按磁带机规模分，有标准半英1/21/2磁带机、盒式磁带机、海量磁带机、盒式磁带机、海量宽磁带存储器。宽磁带存储器。按磁带机走带

39、速度分，有高速磁带机按磁带机走带速度分，有高速磁带机(4(45m/s)5m/s)、中速磁、中速磁带机带机(2(23m/s3m/s）、低速磁带机）、低速磁带机(2m/s(2m/s以下以下) )。磁带机的数据传。磁带机的数据传输率为输率为C=C=D Dv v，其中，其中D D为记录密度，为记录密度，v v为走带速度。带速快则传为走带速度。带速快则传输率高。输率高。按磁带的记录格式分类，有启停式和数据流式。按磁带的记录格式分类，有启停式和数据流式。磁带机为了寻找记录区，必须驱动磁带正走或反走，读磁带机为了寻找记录区，必须驱动磁带正走或反走，读写完毕后又要使磁头停在两个记录区之间。因此要求磁带机写完毕

40、后又要使磁头停在两个记录区之间。因此要求磁带机在结构和电路上采取相应措施，以保证磁带以一定的速度平在结构和电路上采取相应措施，以保证磁带以一定的速度平衡地运动和快速启停。衡地运动和快速启停。外围设备外围设备数据流磁带机数据流磁带机：数据流磁带机是将数据连续地写在磁带上，每个数据块间数据流磁带机是将数据连续地写在磁带上，每个数据块间插入记录间隙，使磁带机在数据块间不启停。它用电子控制代插入记录间隙，使磁带机在数据块间不启停。它用电子控制代替机械控制从而简化了磁带机的结构，降低了成本，提高了可替机械控制从而简化了磁带机的结构，降低了成本，提高了可靠性。靠性。数据流磁带机有数据流磁带机有1/21/2

41、英寸开盘式和英寸开盘式和1/41/4英寸盒式两种。盒式英寸盒式两种。盒式磁带的结构类似于录音带和录像带，盒带内部装有供带盘和收磁带的结构类似于录音带和录像带，盒带内部装有供带盘和收带盘，磁带的长度主要有带盘，磁带的长度主要有450450英尺、英尺、600600英尺两种，容量分别为英尺两种，容量分别为45MB45MB，60MB60MB。数据流磁带机的读写机构和启停式磁带机不同，后者是多数据流磁带机的读写机构和启停式磁带机不同，后者是多位并行读写，而前者是类似于磁盘的串行读写方式，因而决定位并行读写，而前者是类似于磁盘的串行读写方式，因而决定了两者的记录格式不同。了两者的记录格式不同。外围设备外围

42、设备7.4.2 磁带的记录格式磁带的记录格式 1/21/2英寸英寸9 9道启停式磁带是一种国际上通用的标准磁带。其道启停式磁带是一种国际上通用的标准磁带。其记录格式如下：记录格式如下：每盘带均设有每盘带均设有始端标记始端标记BOTBOT和和末端标记末端标记EOTEOT。标记用一块矩。标记用一块矩形金属反光薄膜制成，光电检测元件可得到这两个标记，表示形金属反光薄膜制成，光电检测元件可得到这两个标记，表示记录的开始和结束，磁带上留有间隙记录的开始和结束，磁带上留有间隙G(3.75G(3.75英寸英寸) )或或g(0.6g(0.6英英寸寸) )，后者为数据块间的间隙，它们取决于磁带机的快启停性，后者

43、为数据块间的间隙，它们取决于磁带机的快启停性能。能。外围设备外围设备信息可用两种形式存储信息可用两种形式存储。一种是。一种是文件形式文件形式，一盘带可记录，一盘带可记录若干个文件，一个文件又分若干数据块若干个文件，一个文件又分若干数据块BiBi。每个文件始末有文。每个文件始末有文件头标和文件尾标。卷头标、索引、文件头标、文件尾标均为件头标和文件尾标。卷头标、索引、文件头标、文件尾标均为80B80B，其内容视操作系统而定。第二种是，其内容视操作系统而定。第二种是数据块形式数据块形式，磁带可，磁带可在数据块之间启停，进行数据传输。在在数据块之间启停，进行数据传输。在9 9道带中，道带中，8 8位是

44、数据磁位是数据磁道，存储一个字节道，存储一个字节 ，另一位是这一字节的奇偶校验位，叫做，另一位是这一字节的奇偶校验位，叫做横向奇偶校验码。在每一数据块横向奇偶校验码。在每一数据块BiBi内部，沿走带方向每条磁道内部，沿走带方向每条磁道还有还有CRCCRC校验码。校验码。外围设备外围设备1/41/4英寸盒式数据流磁带也是一种通用的标准磁带。其中英寸盒式数据流磁带也是一种通用的标准磁带。其中9 9道磁带记录格式括前同步、数据块标志道磁带记录格式括前同步、数据块标志(1B)(1B)、用户数据、用户数据(512B)(512B)、地址号地址号(4B)(4B)、CRCCRC校验码校验码(2B)(2B)和后

45、同步。如下图所示：和后同步。如下图所示：注意注意 数据流磁带机是串行逐道记录，其读写顺序类似于磁盘。数据流磁带机是串行逐道记录，其读写顺序类似于磁盘。记录信息时，从记录信息时，从0 0号磁道开始，偶数磁道从磁带首端号磁道开始，偶数磁道从磁带首端BOTBOT到磁带到磁带末端末端EOTEOT，而奇数磁道则从，而奇数磁道则从EOTEOT到到BOTBOT，且要依次首尾相接。这，且要依次首尾相接。这种方式称做种方式称做蛇形串行记录蛇形串行记录。外围设备外围设备 【例例5 5】现有半英寸现有半英寸(1(1英寸英寸=25=254mm)94mm)9道磁带机，记录密道磁带机，记录密度为每英寸度为每英寸6250B

46、6250B，带速，带速3m/s3m/s，启停，启停 时间时间5ms5ms，带长，带长900m900m，按，按块记录文件；每条记录长块记录文件；每条记录长128B128B，块化系数为，块化系数为1616，块间间隔为，块间间隔为10mm10mm。 求：求： (1)(1)磁带记录密度每毫米多少字节；磁带记录密度每毫米多少字节； (2)(2)数据传输率；数据传输率； (3)(3)每个块占磁带长度；每个块占磁带长度； (4)(4)整盘带可容纳的记录条数；整盘带可容纳的记录条数； (5)(5)读出读出160 000160 000条记录所需的时间。条记录所需的时间。外围设备外围设备【解解】： (1) (1)

47、 因为已知记录密度因为已知记录密度d=6250B/d=6250B/英寸，所以磁带记录密英寸，所以磁带记录密度度d=6250B/25.4mm=246B/mmd=6250B/25.4mm=246B/mm (2) (2) 根据公式根据公式c=c=d dv v，已知，已知v=3m/s,d=246B/mmv=3m/s,d=246B/mm，则数据传输率则数据传输率c=246B/mmc=246B/mm3 31000mm/s=7381000mm/s=738千字节千字节/s/s (3) (3) 每块所占磁带长度包括两部分：一是记录一块数据每块所占磁带长度包括两部分：一是记录一块数据的长度，二是块间间隔。的长度，

48、二是块间间隔。 一块数据所占字节数一块数据所占字节数=(=(字节数字节数/ /每个记录每个记录) )块化系数块化系数 =128=12816=204816=2048字节字节 20482048字节占有的带长字节占有的带长=2048/=2048/记录密度记录密度=2048/246=8mm=2048/246=8mm 每块占磁带长度每块占磁带长度=8mm+10mm=18mm=8mm+10mm=18mm外围设备外围设备 (4) (4) 一盘带能存储的记录块数一盘带能存储的记录块数= =总带长总带长/ /一个块长一个块长 =900=9001000mm/18mm=501000mm/18mm=5010103 3

49、块块 所以，整盘带可容纳的记录条数所以，整盘带可容纳的记录条数= =块化系数块化系数块数块数 =16=16505010103 3=800,000=800,000条记录条记录 (5) 160 000(5) 160 000条记录需要的记录块数条记录需要的记录块数=160,000/=160,000/块化系数块化系数 =160,000/16=10=160,000/16=1010103 3块块 读出读出160,000160,000条记录所需时间条记录所需时间: : t= t=启停时间启停时间(t1)+(t1)+有效时间有效时间(t2)+(t2)+间隔时间间隔时间(t3)(t3) 外围设备外围设备启停时间

50、启停时间t1t1：读出：读出160 000160 000条记录需启停一次磁带机的时条记录需启停一次磁带机的时间，已知间，已知t1=5ms;t1=5ms; 有效时间有效时间t2t2：不包括块间间隔，：不包括块间间隔，160 000160 000条记录的读出时条记录的读出时间，已求出传输率为间，已求出传输率为738738千字节千字节/s/s，故：，故： t2=(160 000t2=(160 000128)/738=27s128)/738=27s； 间隔时间间隔时间t3t3：计算出总的块间隔长度，然后除以带速。：计算出总的块间隔长度，然后除以带速。 因因160 000160 000条记录共分条记录共

51、分10 00010 000块，块间隔共长块，块间隔共长100m100m， 故：故：t3=33st3=33s因此总时间：因此总时间： t=5ms+27s+33s=60.005st=5ms+27s+33s=60.005s外围设备外围设备7.5 光盘存储设备光盘存储设备 7.5.1 光盘的分类光盘的分类7.5.2 磁光盘存储设备磁光盘存储设备 外围设备外围设备7.5.1 光盘的分类光盘的分类光存储器简称光存储器简称光盘光盘，是近年来颇受重视的一种外存设备，是近年来颇受重视的一种外存设备，更是多媒体计算机不可缺少的设备。光盘采用聚焦激光束在盘更是多媒体计算机不可缺少的设备。光盘采用聚焦激光束在盘式介质

52、上非接触地记录高密度信息，以介质材料的光学性质式介质上非接触地记录高密度信息，以介质材料的光学性质( (如反射率、偏振方向如反射率、偏振方向) )的变化来表示所存储信息的的变化来表示所存储信息的“1 1”或或“0 0”。光盘的优点：光盘的优点： 激光可聚焦到激光可聚焦到1m1m以下，从而记录的面密度可以下，从而记录的面密度可达到达到645Mb/645Mb/平方英寸，高于一般的磁记录水平。一张平方英寸，高于一般的磁记录水平。一张CD-ROMCD-ROM盘盘片的存储容重可达片的存储容重可达600MB600MB，相当于，相当于400400多张多张1.44MB1.44MB的的3.53.5英寸软英寸软盘

53、片。盘片。光盘的缺点：光盘的缺点： 存取时间长，数据传输率低。存取时间长，数据传输率低。按读写性质来分，光盘分为按读写性质来分，光盘分为只读型、一次型、重写型只读型、一次型、重写型三类。三类。外围设备外围设备 只读型光盘只读型光盘只读型光盘是厂商以高成本制作出母盘后大批重压制出来只读型光盘是厂商以高成本制作出母盘后大批重压制出来的光盘。这种模压式记录使光盘发的光盘。这种模压式记录使光盘发 生永久性物理变化，记录的生永久性物理变化，记录的信息只能读出，不能被修改。典型的产品有：信息只能读出，不能被修改。典型的产品有：LD 俗称影碟，记录模拟视频和音频信息，可放演俗称影碟，记录模拟视频和音频信息，

54、可放演60分钟分钟全带全带 宽的宽的PAL制电视。制电视。CD-DA 数字唱盘，记录数字化音频信息，可存储数字唱盘，记录数字化音频信息，可存储74分钟数分钟数字立体声信息字立体声信息 。VCD 俗称小影碟，记录数字化视频和音频信息。可存储俗称小影碟，记录数字化视频和音频信息。可存储74分钟按分钟按MPEG-1标准压缩编码的动态图像信息。标准压缩编码的动态图像信息。DVD 数字视盘。单记录层容量为数字视盘。单记录层容量为4.7GB，可存储，可存储135分钟分钟按按MPEG-2标准压缩编码的相当于高清晰度电视的视频图像信标准压缩编码的相当于高清晰度电视的视频图像信息和音频信息。息和音频信息。CD-

55、ROM 主要用作计算机外存储器，记录数字数据，也可主要用作计算机外存储器，记录数字数据，也可同时记录数字化视频和音频信息。同时记录数字化视频和音频信息。外围设备外围设备 一次型光盘一次型光盘用户可以在这种光盘上记录信息，但记录信息会使介质用户可以在这种光盘上记录信息，但记录信息会使介质的物理特性发生永久性变化，因此只的物理特性发生永久性变化，因此只 能写一次。写后的信能写一次。写后的信息不能再改变，只能读。典型产品是息不能再改变，只能读。典型产品是CD-R光盘。用户可在光盘。用户可在专用的专用的CD- R刻录机上向空白的刻录机上向空白的CD-R盘写入数据，制作好盘写入数据，制作好的的CD-R光

56、盘可放在光盘可放在CD-ROM驱动器中读出。驱动器中读出。 外围设备外围设备 重写型光盘重写型光盘用户可对这类光盘进行随机写入、擦除或重写信息。典型用户可对这类光盘进行随机写入、擦除或重写信息。典型的产品有两种：的产品有两种：MO 磁光盘。利用热磁效应写入数据：当激光束将磁光介磁光盘。利用热磁效应写入数据：当激光束将磁光介质上的记录点加热到居里点温度质上的记录点加热到居里点温度 以上时，外加磁场作用改变记以上时，外加磁场作用改变记录点的磁化方向，而不同的磁化方向可表示数字录点的磁化方向，而不同的磁化方向可表示数字“0”和和“1” 。利用磁光克尔效应读出数据：当激光来照射到记录点时，记录利用磁光

57、克尔效应读出数据：当激光来照射到记录点时，记录点的磁化方向不同，会引起点的磁化方向不同，会引起 反射光的偏振面发生左旋或右旋，反射光的偏振面发生左旋或右旋，从而检测出所记录的数据从而检测出所记录的数据“1”或或“0”。PC 相变盘。利用相变材料的晶态和非晶态来记录信息。相变盘。利用相变材料的晶态和非晶态来记录信息。写入时，强弱不同的激光束对记录点加热再快速冷却后，记录写入时，强弱不同的激光束对记录点加热再快速冷却后，记录点分别呈现为非晶态和晶态。读出时，用弱激光来扫描相变盘点分别呈现为非晶态和晶态。读出时，用弱激光来扫描相变盘 ，晶态反射率高，非晶态反射率低，根据反射光强弱的变化即可晶态反射率

58、高，非晶态反射率低，根据反射光强弱的变化即可检测出检测出“1”或或“0”。无论是磁光盘还是相变盘，介质材料发生的物理特性改变无论是磁光盘还是相变盘，介质材料发生的物理特性改变都是可逆变化，因此是可重写的。都是可逆变化，因此是可重写的。外围设备外围设备7.5.2 磁光盘存储设备磁光盘存储设备1.CD-ROM光盘存储机理光盘存储机理光盘是直径为光盘是直径为120mm厚度为厚度为1.2mm的单面记录盘片。的单面记录盘片。只读型光盘系统的原理：只读型光盘系统的原理：即光盘上的信息以坑点形式分布，有坑点表示为即光盘上的信息以坑点形式分布，有坑点表示为“1”，无，无坑点表示为坑点表示为“0”，一系列的坑点

59、，一系列的坑点(存储元存储元)形成信息记录道。对形成信息记录道。对数据存储用的数据存储用的CD-ROM光盘来讲，这种坑点分布作为数字光盘来讲，这种坑点分布作为数字“1”、“0”代码的写入或读出标志。由于只读型光盘是生产厂家制造，代码的写入或读出标志。由于只读型光盘是生产厂家制造，为了大量复制，需要制作母盘，为此将存储信息以表面坑点形为了大量复制，需要制作母盘，为此将存储信息以表面坑点形式记录在母盘上。式记录在母盘上。光盘的记录信息以凹坑方式永久性存储。读出时，当激光光盘的记录信息以凹坑方式永久性存储。读出时，当激光束聚焦点照射在凹坑上时将发生衍射，反射率低；而聚焦点照束聚焦点照射在凹坑上时将发

60、生衍射，反射率低；而聚焦点照射在凸面上时大部分光将返回。根据反射光的光强变化并进行射在凸面上时大部分光将返回。根据反射光的光强变化并进行光光-电转换，即可读出记录信息。电转换，即可读出记录信息。外围设备外围设备2.2.光盘的扇区数据结构光盘的扇区数据结构信息记录的轨迹称为信息记录的轨迹称为光道光道。光道上划分出一个个扇区，它。光道上划分出一个个扇区，它是光盘的最小可寻址单位。扇区的结构如图：是光盘的最小可寻址单位。扇区的结构如图：光盘扇区分为光盘扇区分为4个区域。个区域。2个全个全0字节和字节和10个全个全1字节组成同字节组成同步步(SYNC)区，标志着扇区的开始。区，标志着扇区的开始。4字节