外围设备-磁盘光盘

1、第七章 外围设备计算机组成原理计算机组成原理 Slide 2 外存储器o 磁表面存储器原理o 硬盘存储器o 磁带存储器o 光盘存储器计算机组成原理 Slide 3 磁表面存储器原理o 磁记录读/写原理o 记录方式计算机组成原理 Slide 4 磁记录原理o 将磁性材料薄薄的涂在金属或者塑料表面作载磁体来存储信息的方式称为磁表面存储o 大多数外存储器均采用磁记录原理o 磁鼓、软磁盘、硬磁盘、磁带 计算机组成原理 Slide 5 磁表面存储器的特点o 优点：n存储容量大，位价格低n记录介质可重复使用n记录信息可长期保存n非破坏性读出o 缺点：n采用机械装置，机械结构复杂n存取速度慢n对工作环境要求

2、高计算机组成原理 Slide 6 磁性材料物理特性o B-磁感应强度o H-外加磁场强度o I-电流o 磁性材料被磁化后，o 工作点总在磁滞回线上。o 剩磁状态+Br , Br。o 矩形磁滞回线Br 较大容易读出，矫顽力Hc较小容易磁化，易于写入信息+Br-Br+Hc-Hc0HmHB-Hm-BmBmIt写“1”电流写“0”电流磁性材料的磁滞回线计算机组成原理 Slide 7 磁记录读写原理-1 磁头：软磁材料做铁芯，其上绕有读写线圈的电磁铁 利用磁性材料剩磁的两种磁化方向 (S-N或N-S)表示二进制数据“0”和“1”。计算机组成原理 Slide 8 磁记录读写原理-2o利用磁表面不同的剩磁状

3、态记录二进制信息，例如用+Br表示“1”，用-Br表示“0”。o记录介质磁层：在基体上涂布1-5m厚度的rFe2O3（如软磁盘）或电镀0.2-1m 厚度的镍钴合金（如硬磁盘）。o磁电转换器件是磁头：由铁心（有头隙）和线圈组成。 N+BrS-BrNIab-ItN+BrSee(a) 写入(b) 读出磁表面存储原理示意图+I计算机组成原理 Slide 9 磁表面存储器读写原理(归纳)o 电磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，将数值转换成磁层存储单元中的不同剩磁状态。o 利用磁电变化，通过磁头读出线圈，将存储单元的剩磁状态转换为电信号输出。计算机组成原理 Slide 10 磁表面存储器读写原理（归纳）

4、写入线圈通入写脉冲电流，产生磁通，通过磁头缝隙将高速运动的磁层磁化，磁层的剩磁记录了写入的信息。把二进制位变为磁化位（磁化元）记录有磁化位的磁层高速通过磁头缝隙，与铁心耦合形成闭合磁路，磁通的变化可在读出线圈感应出电势，经放大输出1或0的信号。 -（d/d），非破坏性读出 计算机组成原理 Slide 11 Recording计算机组成原理 Slide 12 How Bits Are Stored计算机组成原理 Slide 13 记录方式的写读波形图 1011I0tt0通过磁头线圈的写电流信息记录后的磁层磁化状态载磁体磁化单元tt00eT读出信号波形选通脉冲1011计算机组成原理 Slide 1

5、4 磁记录方式o 磁表面存储器记录二进制信息的写电流的编码方式o 形成不同写入电流的方式称为记录方式n归零制（RZ）n不归零制（NRZ0）n 见“1”就翻不归零制（NRZ1）n 调相制（PM）n 调频制（FM）n 改进调频制（MFM）计算机组成原理 Slide 15 不归零制NRZ (Not Return Zero)数据序列数据序列10001110NRZNRZ0 0NRZNRZ1 1RZRZ计算机组成原理 Slide 16 (Return zero)o 写“1”时通入正向脉冲电流，写“0”时通入负向脉冲电流，写入后记录电流恢复为零。o 特点：特点：简单易行，但记录密度低，抗干扰能力差。计算机组

6、成原理 Slide 17 (Non-Return Zero)o 写入线圈在写入时始终有电流。见“1”就翻不归零制（NRZ1）：记录“0”时写电流不变向，遇“1”时写电流变向。特点：抗干扰性能较好计算机组成原理 Slide 18 数据序列数据序列10001110PMPMFMFMMFMMFM调相制、调频制计算机组成原理 Slide 19 (Phase Modulation )写电流规律：记录“0”时，写电流先正后负（0相位）；记录“1”时，写电流先负后正（相位）特点：读“1”读“0”输出信号相位相反，可从读出信号提取自同步定时脉冲，抗干扰能力较强。o 磁带机常用PM。计算机组成原理 Slide 2

7、0 （Frequency Modulation）写电流规律：信息位交界处写电流变向，记录“1”时，在位周期中间电流变向。特点：写“1”电流的频率是写“0”的2倍，记录密度高，具有自同步能力。计算机组成原理 Slide 21 改进型调频制 写电流规律：写电流规律：写“1”则在位中间电流变向，独立写“0”时电流不变向，连续写两个“0”时，则在位之间电流变向。小结小结：MFM比FM 写电流翻转次数少约一半，按FM翻转的最小间隔记录信息，则MFM 密度高约一倍。 双密度MFM ， 单密度FMo 记录方式还有：改进的MFM记录方式MMFM（四频制）、游程长度受限码RLLC、成组编码GCR等。100011

8、10数据序列NRZ0NRZ1PMFMMFM磁记录方式o编码效率： 每次磁化方向变化所存取的数据的多少o自同步能力：从读出数据中自动提取同步信号的能力计算机组成原理 Slide 23 硬盘存储器o 硬盘的逻辑结构o 硬盘基本组成o 硬盘数据信息分布o 硬盘读写过程计算机组成原理 Slide 24 计算机组成原理 Slide 25 硬盘存储器逻辑结构 磁记录介质 磁盘控制器： 控制逻辑与时序，并-串(写)和串-并(读)变换电路。 磁盘驱动器： 读写转换开关及其电路，读写磁头与磁头定位伺服系统。计算机组成原理 Slide 26 硬盘存储器逻辑结构图读写开关控制逻辑时钟串-并变换电路读放电路并-串变换

9、电路写电流驱动器（来自总线）并行数据（送往总线）并行数据读/写磁头磁介质层磁载体硬盘存储器逻辑结构图计算机组成原理 Slide 27 硬磁盘驱动器 主轴系统： 主轴电机带动盘片（组）高速旋转。定位驱动系统 由磁头架、滑架和直线电机构成，带动磁头架沿径向水平移动并固定于所定位的磁道上。数据转换系统：包括磁头、磁头选择电路、读写电路和索引、区标电路等。磁头旋转的盘移动方向磁头架计算机组成原理 Slide 28 硬磁盘控制器 o 主机与磁盘驱动器之间的接口。系统级接口： 控制外存与主机间的数据交换:并串转换、格式控制、数据缓冲、DMA控制 设备级接口： 根据主机命令控制设备操作、读写控制 计算机组成

10、原理 Slide 29 磁盘控制器接口图DMA控制数据缓冲格式控制串/并转换并/串转换数据译码读时钟产生器数据编码器读放大器写放大器主 存磁盘数据控制数据分离器BA磁盘控制器接口CSCSI接口ESDI接口ST506接口计算机组成原理 Slide 30 硬盘存储器基本组成o 盘片组 -磁记录介质o 主轴驱动机构 - 磁盘驱动器o 磁头o 磁头驱动定位机构o 读写电路 -磁盘控制器o 接口及控制电路计算机组成原理 Slide 31 硬盘存储器基本组成图 控制器接口 磁头定位 伺服系统 读/写 电路 磁头 选择电路 电源 空气 过滤系统 主轴电机 控制电路 控制器 定位信息 写入数据 读出数据 磁头

11、地址 磁头 盘片 计算机组成原理 Slide 32 磁盘信息的分布o磁盘包含多个盘片盘片，每个盘片有两个面面；o每个盘面包括许多同心环，称为磁道磁道；o每个磁道包含多个相互间隔的扇区扇区；Spindle主轴主轴surfacetrackstrack ksectorsgaps计算机组成原理 Slide 33 Disk operation (single-platter view)通过径向移动，支撑臂可将磁通过径向移动，支撑臂可将磁头固定在任何磁道上头固定在任何磁道上主轴带动盘片以主轴带动盘片以固定转速旋转固定转速旋转磁头固定在支撑臂的一端磁头固定在支撑臂的一端飞过磁表面飞过磁表面磁头不直接接触磁表

12、面，磁头不直接接触磁表面，二者之间有间隙二者之间有间隙spindle计算机组成原理 Slide 34 Disk operation (multi-platter view)armread/write heads move in unisonfrom cylinder to cylinderspindle计算机组成原理 Slide 35 磁盘信息编址和记录格式o 盘面号，以区分要访问的是哪个记录面。软盘只有两个记录面，若是磁盘组，则有若干个记录面。o 所有记录面上半径相等的磁道的集合称为圆柱面Cylinder。一个磁盘组的圆柱面数等于其中一个记录面上的磁道数。o 一台主机如果配有几台磁盘驱动器，

13、则还要给它们编号，以区分是哪台磁盘机工作。因此磁盘地址格式为： 驱动器号 盘面号柱面号扇区号计算机组成原理 Slide 36 Disk geometry (muliple-platter view)o Aligned tracks form a cylinder.surface 0surface 1surface 2surface 3surface 4surface 5cylinder kspindleplatter 0platter 1platter 2计算机组成原理 Slide 37 磁盘编址 o 磁盘记录区的编址（14英寸6片盘组为例） 磁头旋转的盘移动方向磁头架0道n道扇区 扇区号：0

14、13；记录面号：09 磁道号：0202（最外圈磁道为磁道） 磁盘编址：磁盘编址：( (台号台号) )记录面号记录面号磁道号磁道号扇区号扇区号计算机组成原理 Slide 38 记录格式o 磁道上的信息按区存放，磁道的起始位置称为“索引”；o 每个扇区记录定长数据，读写操作以扇区为单位按位串行进行；o 数据在磁盘上的记录格式：头空序标数据（512B）校验字尾空头空扇标脉冲扇标脉冲一个扇区下一个扇区计算机组成原理 Slide 39 Invention of HDD: 1956 5 Mbytes, 24 disks, 2kbits/in250 Years Later10 Gbytes on two 1

15、-inch disks300Gbits/inch2 Area Density increased by 150,000,000计算机组成原理 Slide 40 计算机组成原理 Slide 41 50 Years and Still Going计算机组成原理 Slide 42 硬盘存储器技术指标o 存储容量n (1GB=106byte)o 存储密度o 平均存取时间o 数据传输率计算机组成原理 Slide 43 存储容量 o 磁盘装置所能存储的二进制数据的总量o 未格式化容量：NSN n-数据记录面数，K-每面磁道数，SN-内圈磁道周长位密度。o 格式化容量：Cnklm l每条磁道的扇区数， m每

16、个扇区的字节数o 格式化容量6070的未格式化容量。计算机组成原理 Slide 44 存储密度o 磁盘单位面积上所能存储的二进制信息量；o 道密度Dt ：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位：TPI(道/英寸)或 TPM（道/毫米）o 位密度Db：磁道(最内圈)单位长度所能记录的二进制位数 ，单位：bPI(位/英寸)或 bPM(位/毫米) o 面密度：道密度位密度 ，单位：位/平方英寸（平方毫米）计算机组成原理 Slide 45 Computing disk capacityoCapacity = (# platters/disk) x (# surfaces/platter) x (# t

17、racks/surface) x (avg. # sectors/track) x (# bytes/sector) oExample:n512 bytes/sectorn300 sectors/track (on average)n20,000 tracks/surfacen2 surfaces/plattern5 platters/diskoCapacity = 512 x 300 x 20000 x 2 x 5 = 30,720,000,000 = 30.72 GB 计算机组成原理 Slide 46 数据传输率 byte/so 磁盘存储器在单位时间内读/写的二进制信息量 o读写磁头定位之

18、后，可以根据磁盘的转速与存储密度来决定信息的传输速率。n设某磁盘的位密度为M b英寸，转速（线速度）为 V英寸/s，则该盘的数据传输速率为MV bs。n若转速为m转/s,每条磁道的容量为n字节，则数据传输率为mn字节/s。Dtr = PSP每秒转数S每道容量计算机组成原理 Slide 47 平均存取（定位）时间o存取时间: 从发出磁盘读写命令起，磁头从当前位置移动到指定的记录位置，并完成读写操作所需时间。o寻道时间 ts : 将磁头定位到指定磁道上所需的时间o等待时间 tr （旋转等待时间） :n找到指定道后至指定的记录旋转至磁头下的时间，nts 和 tr 都是随机变化的，所以往往用平均值表示

19、。n硬盘转速：5400转/分（RPM），7200转/分，10000转/分nTavg rotation = 1/2 x 1/RPMs x 60 sec/1 mino平均存取时间 nTaccess = Tavg seek + Tavg rotation + Tavg transfer计算机组成原理 Slide 48 【例】 设磁盘平均找道时间TS，转速为N转/秒，每道容量为S个字，问读/写一块字数为B的数据所需时间TB是多少？【解】TB = TS+ 1/(2N) + B/(NS)计算机组成原理 Slide 49 Disk access timeo Average time to access so

20、me target sector approximated by :nTaccess = Tavg seek + Tavg rotation+ Tavg transfero Transfer timenTime to read the bits in the target sector.nTavg transfer = 1/RPM x 1/ (avg #sectors/track) x 60 secs/1 min.计算机组成原理 Slide 50 Disk access time exampleo Given:nRotational rate = 7,200 RPMnAverage seek

21、time = 9 ms.nAvg # sectors/track = 400.o Derived:nTavg rotation = 1/2 x (60 /7200 ) x 1000 = 4 ms.nTavg transfer = 60/7200 x 1/400 x 1000 = 0.02 msnTaccess = 9 ms + 4 ms + 0.02 ms计算机组成原理 Slide 51 Important pointso Access time dominated by seek time and rotational latency.o First bit in a sector is t

22、he most expensive, the rest are free.o SRAM access time is about 4ns/doubleword, DRAM about 60 nsnDisk is about 40,000 times slower than SRAM, n2,500 times slower then DRAM.计算机组成原理 Slide 52 o 访问时间=命令开销+寻道时间+旋转延迟+写数o =命令开销(1 ms) + 寻道(10ms) + 旋转延迟(5ms) + 写数(0.2ms)o 有效时间: 0.2 ms/ 16.2ms = 1.2%1 某磁盘组共有8

23、个记录面。盘面存储区内径2英寸,外径8英寸，道密度为100TPI，最内磁道上的位密度为5000BPI，转速为3000转/分，平均找道时间为10ms。问： 1) 平均存取时间是多少？ 2）共有多少圆柱面？ 3）总存储容量是多少？ 4）数据传输率是多少？解： 1）平均存取时间=平均找道时间+平均等待时间 平均等待时间=（1/3000/60）/2=10 ms 平均存取时间=10ms+10ms=20ms 2) 圆柱面数=有效存储区域长度道密度 （82）/2）100道=300道 3）总存储容量=磁道长度位密度柱面数盘面数 23.14 150003008= 75.36(MB) 4) 数据传输率= 位密度周

24、长转速 500023.14 1 (3000/60)=2.5(MB/s)2某磁盘存储器转速为 3000转分，共有4个记录面，每道记录信息为 12288B，最小磁道直径为230mrn，共有275道问： （1）磁盘存储器的存储容量是多少？ （2）最高位密度与最低位密度是多少？ （3）磁盘数据传输率是多少？ （4）平均等待时间是多少？ （5）给出一个磁盘地址格式方案 1）存储容量磁道数*磁道容量 2) 位密度磁道容量/磁道长度 3）数据传输率道容量转速 4) 平均等待时间转半圈的时间 驱动器号 盘面号磁道号扇区号3已知某磁盘存储器转速为2400转分，每个记录面道数为200道，平均找道时间为60ms，每

25、道存储容量为96Kbit，求磁盘平均存取时间与数据传输率 1）平均存取时间寻道时间平均等待时间 60ms+1/(2400/60*1000)/2 2）数据传输率道容量转速 96/8*10002400/60 计算机组成原理 Slide 56 软磁盘存储器o 软磁盘：普通型5.25英寸 微型3.5和2.5英寸软件盘片及盘套示意图写保护缺口索引孔读写孔驱动器轴孔（中心孔）盘片计算机组成原理 Slide 57 软盘的结构和性能指标 索引孔用于产生索引脉冲，表示磁道的开始。 驱动轴孔夹紧机构通过轴孔夹紧盘片，由驱动机构带动盘片匀速转动。 磁头读写孔磁头通过该孔对盘进行读/写。 写保护缺口贴住（5.25英寸

26、），使盘片只读不写（写保护） 计算机组成原理 Slide 58 软盘的记录格式 磁道的记录格式道容量：CT=46+1+26+(18826)+247=5208 B扇区的数据记录格式计算机组成原理 Slide 59 软盘磁道记录格式扇区地址格式计算机组成原理 Slide 60 由驱动机构、磁头及定位机构、读写电路等组成。计算机组成原理 Slide 61 磁带存储器：顺序存取、容量大、位价格最低、速度慢。 o 螺旋扫描技术o 线形记录技术o LTO技术计算机组成原理 Slide 62 光盘存储器o 采用聚焦激光束在盘式介质上非接触的记录高密度信息，以介质材料的光学性质（反射率、偏振方向）的变化表示0

27、和1n 只读型光盘（CDROM） n 写一次型光盘 n 重写型光盘（REWRITE） o 记录密度高，容量大寿命长，稳定可靠，对环境要求低等；但数据传输率低。计算机组成原理 Slide 63 光记录基本原理o 数据表示n利用材料的凹凸坑点表示0/1n利用材料的晶态以及非晶态表示0/1n利用磁性材料的磁化方向表示0/1o 数据写入n利用激光烧刻n利用激光加热后冷却改变晶态n利用激光加热帮助磁化(热辅磁)计算机组成原理 Slide 64 数据读出o 根据反射光强度判断0/1o 根据磁光克尔效应判断偏振光的旋转 1 0 0 0 0 00 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0

28、 1 0凹坑铝泊密封基片记录数计算机组成原理 Slide 65 只读型光盘利用母盘大批量重压制作出来的光盘。o CD-DAn数字唱盘，记录数字化信息，74分钟数字立体声信息o VCDn记录数字视频和音频信息，74分钟MPEG1视频o DVDn单面4.7GB，135分钟MPEG-2o CD-ROM 计算机组成原理 Slide 66 CD-DA Compact Disc Digital Audioo 一般的音乐CD，是CD系列的始祖，o Philips和Sony于1980年发表著名的红皮书。红皮书。o 该种光盘产品主要用于音乐储存，由于具有高品质的数字音质，该产品数年之内即风行世界，并衍生后续各种

29、CD光盘产品。计算机组成原理 Slide 67 CD-ROM CD Read Only Memoryo 1985年Philips和Sony发表黄皮书黄皮书，o 定义了储存计算机数据、图形、声音及动画档案的规格，而为了往后能储存更复杂的数据，同时也规范了控制讯号，数据侦错、数据校正、扇区大小。o CD自此进入了计算机记忆媒体的领域，CD-ROM可提供650MB，当时硬盘最大容量为850MB。计算机组成原理 Slide 68 CD-I CD-Interactiveo 黄皮书之后，Philips和Sony针对消费电子市场，推出了绿皮书绿皮书o 定义多媒体CD的规格及相关的硬件规格(指搭配MPEG;

30、Moving Picture Experts Group)，o 提供了一种交互式的媒体给使用者，其最大的特色就是能同步播放声音、影像、与其它数据(例如文字)，也就是具备了播放电影的能力，自此使光盘进入娱乐媒体的领域。计算机组成原理 Slide 69 Video CD o 白皮书白皮书定义了CD-I的应用规格，CD-I Bridge，即所谓的Video CD，o Philips、Sony、JVC、Matsushita共同开发o Video CD储存的是以MPEG-1规格压缩之全屏幕全动态影像，整张Video CD可存放74分钟的影音资料。计算机组成原理 Slide 70 可写一次型光盘o CD-

31、R 利用激光在CD-R有机染料记录面直接加热而烧出坑(Pit)或是使有机染料曾发生化学性退化 (Degrade)，总之就改变有机染料记录面对光的反射率。o 当光驱较低功率的激光读到坑 (Pit) 和原来的表面不同的反射率，被烧出坑 (Pit) 的地方它会吸收部分的激光，而原来的表面不吸收而反射激光，光驱将不同的反射结果转换成对应的数据计算机组成原理 Slide 71 可重写型光盘o 可重写入型指光盘片可无限次的重复写入，将旧数据洗掉，重新写上新数据n CD-MO(Magneto-Optical)n PD(Phase-change Dual)o CD-RW(Rewritable) 计算机组成原理

32、 Slide 72 MO磁光盘o CD-MO为磁光式光盘，推出时被预测将取代硬盘，但由于存取时间较长，因此在功能上一直无法超越硬盘，o 存取方式和一般的CD-ROM不同，无法和其它的光盘系统兼容，也造成磁光盘在推广上的困难。o 三种尺寸n 2.5”MD，3.5”MO，5.25”MO。计算机组成原理 Slide 73 MO磁光盘o 采用热磁效应写入数据n 采用激光对记录点进行加热，达到一定温度以后磁头产生的磁场即可磁化该记录点，根据磁化方向的不同表示0/1o 采用磁光克尔效应读出数据n 当激光照射到记录点时，反射光由于记录点磁化方向的不同产生偏振面的左旋和右旋，从而检测数据0/1计算机组成原理

33、Slide 74 PD 相变盘o PD是相变型光盘，1995年由Matsushita公司推出，这种光驱可读取其它的一般光盘片，但相变光盘在一般的光驱中却无法读取，由于兼容性的问题，相变光盘和磁光盘均为CD家族的异类，o 利用相变材料的晶态和非晶态两种状态记录信息，写入时利用激光束加热记录点后迅速冷却，可以改变其状态，晶态反射率高。计算机组成原理 Slide 75 CD-RWo 为了克服PD的缺点，Philips和Ricoh在1997年推出的产品。o CD-Erasable CD-Eo CD-ReWritable CD-RWo CD-RW光盘片可在任何非磁光式的光驱中读取，解决了兼容性的问题，但

34、重复改写次数低于磁光盘。计算机组成原理 Slide 76 CD-RWo CD-RW 可以重复烧录 1000 次左右，o 数据记录在相变合金属上(具备高度反射性的晶体结构)o 在烧录数据时 CD-RW 使用最高功率的激光于写入数据 1 的位置加热，将小区域的合金物质融化，然后能凝结成非结晶的组织，使它无法像原先那样拥有良好的反射性。o 至于晶体结构的恢复，只要用中等功率的激光，就可以产生足够温度，将非结晶的组织还原成晶体结构。计算机组成原理 Slide 77 DVDo 在CD系列的发展中，产品的改良都局限于光盘片材质与数据格式的加强，因此存储容量始终无法突破。o DVD则从使用较短波长的激光束着

35、手，并提高光盘片数据的密度，推出第一代的DVD储存容量即高达4.7GB，是CD产品容量的7倍，而如果采取双面双层的记录方式，容量更可高达17GB。计算机组成原理 Slide 78 DVDo DVD-ROMo DVD-Videoo DVD-Audioo DVD-Ro DVD-RAM计算机组成原理 Slide 79 下一代DVD两大阵营Blu-rayHD DVDConsumer ElectronicsHitachi,LG, Matsushita, Pioneer,Philips, Samsung, Sharp, Sony,ThomsonToshibaPCHP, Dell, Panasonic, SonyNECMediaTDKPanasonic, SonyContentParamount PicturesUniversal PicturesNew