接口第八章精品课件

1、接口第八章1第1页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四本章学习目标了解外部存储器，主要是软盘驱动器、硬盘驱动器和光盘驱动器的读写原理和内部结构。1数据磁记录方式 熟悉归零制、不归零制、调频制、改进调频制和改进的改进调频制的定义以及各种不同编码方式的特点、2外存储器接口 了解硬盘接口的工作方式，主要应掌握中期、后期硬盘接口的改进和特点，了解 SCSI 接口的总线标准。3软盘驱动器 了解软盘驱动器的读写控制方式、 82077AA 控制芯片的结构、控制信号的产生方式，光磁软盘的工作方式。4硬盘驱动器 了解硬盘驱动器的基本结构、硬盘的温彻斯特技术。熟悉磁盘阵列技术的优点以及磁盘阵列的

2、冗余结构。5光盘驱动器 了解各类光盘的特点以及光驱的数据读写原理。通过本章的学习，应对外存储器的基本功能、结构、工作方式有一定的理解。2第2页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四81 数据磁记录方式和编码技术常用的外存储器有磁盘、磁带和光盘，它们利用磁介质和光介质存储信息。811 数据磁记录方式涂有磁性材料的塑料或金属为磁性载体，软磁盘使用聚碳酸脂材料记录信息，硬磁盘使用合金铝或玻璃钢记录信息。磁性载体上的磁层沿磁头相对运动方向形成记录信息的路径，称为磁道，二进制信息串形排列在每个磁道上。把待写入的二进制信息变成写电流脉冲序列，加在磁头线圈中产生不同方向的磁场，对磁性介质进行

3、不同方向的磁化，写入信息 0 和 信息 1。数据磁记录方式是指利用某种规律将二进制信息转换成介质磁层相应的磁化翻转方式。为提高存储密度、存储容量和存储速度，相继推出各种数据磁记录编码，选择不同的记录方式可获得不同的效果。3第3页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四812 数据磁记录编码技术磁表面记录的信息是一系列的数据串。在非编码记录中，数据串为有效数据，在编码记录中，数据串中包含有效数据和同步时钟。对数据系列和时钟序列进行编码，产生不同的磁记录方式。1归零制 RZ归零制：用脉冲的正、负表示二进制信息 1 和 0。写 1 时为正脉冲，写 0 时为负脉冲，写下一信息前电流波形归

4、零。改进归零制：用脉冲的有、无表示二进制信息 1 和 0。写 1 时为正脉冲，写 0 时无脉冲。其特点是记录中每个数据位都对应一个脉冲电平，即正、负或零电平。无数据脉冲时磁头无电流，因此功耗小，但记录密度低。2不归零制 不归零制 NRZ：写 1 时为正向电流，写 0 时为负向电流，记录信息时电流总不归零。4第4页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四812 数据磁记录编码技术 逢 1 翻转不归零制 NRZ I：二进制位为 1 时翻转，为 0 时不翻转。 异码翻转不归零制 NRZ C：相邻二进制位不相同时翻转。不归零制的优点是翻转次数少，每位最多翻转一次，编码效率 100%，但磁

5、头中总存在电流，功耗较大。3FM 制编码方式FM 为调频制，它将数据系列与时钟序列叠加后再采用改进归零制方式进行编码，为 1 时有脉冲，为 0 时无脉冲。FM 编码中，每个位单元的起始位置是时钟位，时钟位永远为 1，出现脉冲。位单元的中线位置是数据位，为 1 时有脉冲，为 0 时无脉冲。在 FM 编码中，数据 1 与数据 0 对应的脉冲频率不同，用脉冲频率区分数据 0 或 1，记录数据 1 比记录数据 0 的频率快 2 倍。该方法又被称为倍频制或双频制。5第5页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四812 数据磁记录编码技术FM 编码中，对应每个数据位至少磁化翻转一次，最多翻转

6、二次，故编码效率为 50 %。FM 具有很强的自同步能力，但存储密度较低。4MFM 制编码方式改进调频制，仅在相邻两个数据位均为 0 时才插入时钟脉冲。这样可减少磁翻转次数，对应每个数据位最多磁化翻转一次，编码效率为 100 %，可提高存储密度。 MFM 制编码方式有 3 种编码频率，分别对应磁化翻转周期 T 0、1.5 T 0、2 T 0，所以又称为 3 频制。5M 2 FM 制编码方式改进的改进调频制，与 MFM 的区别在于仅当连续 0 的数目大于等于 2 时，在头两个 0 之间插入同步脉冲，以后每隔两个 0 在下一个 0 的起始位置插入同步脉冲。M 2 FM 制编码方式有 4 种编码频率

7、，分别对应磁化翻转周期 T 0、1.5 T 0、2 T 0、2.5T 0，所以又称为 4 频制。其优点是改善了带宽、信噪比，编码效率为 100 %，缺点是自同步能力差。 6第6页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四6GCR（4 / 5）编码方式一种成组编码方式。将数据位每 4 位分为 1 组，变换成 5 位记录序列。每组或各组连接后的序列不允许出现 2 个以上 0，由 5 位产生的 32 种序列中有 17 种满足要求，取其中 16 种与 16 种数据位的组合一一对应。GCR 也属于不归零制，编码效率为 80 %，有一定自同步能力。7（d，k）RLL 编码方式游程长度受限码，是

8、使记录序列中两个 “1” 之间 “0” 的个数受限制的编码。其中 d 表示两个 “1” 之间需要插入 “0” 的的最少个数，k 表示两个 “1” 之间需要插入 “0” 的的最多个数。RLL 编码中的 d 确定磁化翻转最小时间间隔，即磁介质记录密度，k 决定自同步时钟信号定时精度。为减少脉冲拥挤效应，在磁盘写电路中，采用预补偿方式，在磁盘中设置写电流补偿柱面，补偿柱面内、外用不同的电流脉冲。 812 数据磁记录编码技术7第7页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四8各记录方式的特点RZ 特点：记录中每个数据位都对应一个脉冲电平，即正、负或零电平。无数据脉冲时磁头无电流，因此功耗小

9、，但记录密度低。NRZ 特点：翻转次数少，每位最多翻转一次，编码效率 100 %，抗干扰性能较好。但磁头中总存在电流，功耗较大。FM 特点：对应每个数据位最多翻转二次，编码效率 50 %，具有自同步能力，但存储密度低，通常用于低密度磁盘存储器，如软盘。MFM 特点：对应每个数据位最多翻转一次，编码效率为 100 %，存储密度较高，通常用于中密度磁盘存储器，如早期硬盘。M 2 FM 特点：改善了带宽、信噪比，编码效率为 100 %，缺点是自同步能力差，通常用于高密度磁盘存储器，如近期硬盘。812 数据磁记录编码技术8第8页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四9记录方式的评价 编

10、码效率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所存储的数据信息位的多少。 自同步能力是指从读出数据（脉冲序列）中自动提取同步信号（ 时间基准信号）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磁化翻转间隔的比值 R 来衡量。R 越大，自同步能力越高。 检读分辨力是指磁记录系统对读出信号的分辨能力。 信息相关性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。812 数据磁记录编码技术9第9页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四82 外部存储器接口标准主机与外存进行数据通信时需遵从某种接口标准。主机与适配器之间通过系统总线连接，适配器与控制器之间通

11、过系统级接口连接，而控制器与设备之间通过设备级接口连接。821 ST506 / 412 接口 希捷公司早期推出 ST506 / 412 硬盘接口，数据传输率 5MB / s，主要用于 5.25 英寸温盘。该接口采用两组电缆线，其中一组传输数据，电缆宽度为 20 线，另外一组传送控制信号，电缆宽度为 34 线。ST506 / 412 接口分为菊花链式连接和星型连接两种方式，最多连接 4 个硬盘。菊花链式连接仅需一组电缆（两根），各硬盘用盘上的选择跳线 DS0 DS3 区分，连接时，最远的一个硬盘上必须加装终端匹配电阻。星型连接需四组电缆，每个硬盘也必须编号，它们仅响应所连接电缆的控制信号，每个硬

12、盘上都必须加装终端匹配电阻。10第10页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四821 ST506 / 412 接口ST506 / 412 接口最多支持 16 个记录面，采用 MFM 编码，支持 10Kb / 英寸以下位密度。它的硬盘信号编码器位于控制器一端，通过 MFM 编码后的模拟信号通过硬盘数据连线传送。由于模拟信号传输失真较大，因此难以保证模拟信号传送的抗干扰性能。822 ESDI 接口ESDI 接口是 ST 506 接口的一种增强方式，其接口方式与 ST 506 相似，最高数据传输率为 15MB / s，可靠性较高。它的硬盘信号编码器位于驱动器一端，采用 NRZ 编码，

13、具有较强的抗干扰能力。ESDI 支持步进和串行两种工作方式。步进工作方式与 ST 506 / 412 相同，串行工作方式是为具有闭环伺服系统和音圈电机执行机构的驱动器设计的，它能连接更多智能设备和更高性能设备，最多支持 7 个设备。11第11页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四823 IDE 接口1IDE 接口IDE 接口使用了美国国家标准协会 ATA 指定的标准，称为 ATA IDE 接口或简称 ATA 接口。它采用一体化方式，将控制器与驱动器集成在一起，采用单 40 芯电缆线连接，解决了早期接口的许多弊病。早期 IDE 接口位于适配器上，微机发展过程中陆续推出 ISA

14、多功能卡和 VESA多功能卡，卡上带有 1 2 个 IDE 接口， 一个 IDE 接口可同时连接两个硬盘。IDE 接口连接硬盘最大容量 504MB，最大数据传输率 8.3MB / s，在 486 后期对 IDE 进行改进，推出 EIDE 接口。2EIDE 接口EIDE 为增强 IDE 接口，与 IDE 接口相比，有以下优点： 提高数据传输率。在 PIO 模式下，接口最大数据传输率为 16.6 MB / s。后期推出 Ultra DMA 模式，最高数据传输率达 133 MB / s。12第12页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四823 IDE 接口 增加了硬盘容量。IDE 硬

15、盘容量受 BIOS 和 IDE 接口共同限制（见表 8.3），采用硬盘物理参数 HCS（磁头、柱面、扇区），最大硬盘容量为 磁头数 16柱面数 1024扇区数 63扇区容量 512 = 504MB。EIDE 采用自动转换方式，将 IDE HCS 方式转换成 IDE LBA（逻辑块地址）方式，最大硬盘容量为 255102463512 = 8.4GB。 可设定块传输模式，一次传送多个扇区。减少 CPU 中断处理操作，降低了硬盘对 CPU 的占用率。 可连接设备数量较多，它提供 2 个通道（IDE 0 和 IDE 1），每个通道可连接 2 个设备，最多可连接 4 个 IDE 设备。 提供信息包接口

16、ATAPI（ATA Packet Interface），可支持其他外部设备，如标准 CD ROM 光驱和内置磁带机。开机自检后运行驱动程序，BIOS 可识别 ATAPI 设备，数据传送可通过 DMA 或 PIO 方式进行，采用哪种方式取决于 ATAPI 特征寄存器内容。13第13页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四824 SATA 接口2000 年推出 SATA 接口，用于取代 PATA。SATA 1.0 数据传输率为 150MB / s，SATA 2.0 为 300MB / s，预计 SATA 3.0 为 600MB / s。7 芯信号连接器通过电缆连接。15 芯电源连接

17、器含 + 12V、+ 5V 和 + 3.3V，早期从电源大 D 型插头获得 + 12V 和 + 5V，所需的 3.3V 由硬盘上的线性调压器产生，近期可直接连接 SATA 电源插头。SATA 系统连接线可紧贴机箱壁饶行连接硬盘，使机箱内部简洁。点对点传输协议使硬盘不存在主从问题，每个驱动器独享数据带宽。 早期无支持 SATA 功能主芯片组，只能使用板载芯片或 PCI SATA 控制卡。控制卡有 SATA150 TX2 Plus ( 两个 SATA 接口，一个 Ultra DMA 接口 ) 和 SATA150 TX4 ( 4 个 SATA 接口 )。后期推出支持 SATA 的主芯片组，如 VIA

18、 公司的 K8T800 主芯片组 ( 北桥为 K8T800，南桥为 VT8237 )。在主板上带有两个 SATA 硬盘接口，可直接连接 SATA 硬盘。14第14页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四早期 SATA 硬盘没有专用 SATA 控制芯片，这种硬盘称为 “非原生硬盘”，为了支持串行传送，在硬盘上加装串 / 并转换桥接器 ( 88i8830 )。88i8830 接口速率最高为 133MB / s，因此即使 SATA 数据传输率为 150KB / s，实际数据传输率也只能达到 133MB / s。后来 Maxtor 推出全球第一款完全支持 SATA 1.0 功能的 “原

19、生” SATA 硬盘，它采用先进的 Agere 硬盘控制芯片。通过该芯片，硬盘直接支持 SATA 1.0 所有特性，包括 NCQ ( Native Command Queuing )、交错主轴启动、热插拔及异步信号恢复。NCQ 为全速命令排队技术，通过对硬盘内部队列中的命令进行重新排序实现智能数据管理，改善硬盘因机械部件而受到的各种性能制约。NCQ 技术是SATA 规范中的重要组成部分，可提高硬盘多线程应用能力，最多可对 32 个命令进行优化排列以提供最大的吞吐量与系统性能。824 SATA 接口15第15页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四825 SCSI 接口SCSI

20、为小型计算机系统接口，用并行方式连接适配器和控制器。1SISC 体系结构在 SCSI 设备中，至少有一个主设备（SCSI 主适配器，插在主机板 I / O 扩展槽上）作为 SCSI 总线与系统总线之间的联络通路。除主设备外，可连接多个外设，如硬盘驱动器、光盘驱动器、内置磁带机等。SCSI 总线具有智能体系结构，总线上的设备分为启动器和目标器，启动器是发出命令的设备，目标器为接受并执行命令的设备。SCSI 总线的操作为双向对等关系，总线上的所有设备可以相互通信。2SCSI 接口总线由数据 DB7 DB0，奇偶校验 DPB 和控制、状态线组成，以异步或同步方式工作，采用单端传送或差分传送。单端传送

21、为不平衡型，采用 50 芯电缆连接，抗干扰能力差，传送距离近。差分传送为平衡型，采用 68 芯电缆连接，抗干扰能力强，传送距离远。16第16页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四825 SCSI 接口3SCSI 基本操作SCSI 总线操作分为 4 个阶段：实现总线设备 “ 规程交换 ” 过程的总线空闲阶段、总线仲裁阶段、选择 / 重选阶段，以及实现命令、数据、状态和消息传送的 传送阶段 。系统初启时进入空闲阶段，再进入仲裁阶段，将设备 ID 号送往适配器，请求总线使用权。仲裁获准的设备控制总线，进入选择阶段，选择与之通信的设备。占用总线的启动器发送目标器的 ID 编号，被选目

22、标器接管总线控制权，进入信息传送阶段，完成 I / O 传送。17第17页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四825 SCSI 接口重选阶段用于多设备复用 I / O 通道，可提高总线效率。启动器发送命令后释放总线，目标器执行命令，当准备就绪要传送数据和状态时必须再次占用总线，进入重选阶段，发送原启动器的 ID 号与启动器连接，实现信息传送。 4SCSI 的高数据传输率SCSI 在异步和同步传输中都利用 REQ 请求和 应答信号实现数据传输，在启动器和目标器之间可传送命令、数据、状态和消息。在异步传输中，目标器在准备接收命令和准备发送数据时发送 REQ 信号，启动器接收该信号

23、后发送或接收数据并发送 信号，目标器接收命令或发送数据后清除 REQ，启动器确认 REQ 无效后撤消 。在同步传输中，目标器在每个字节发送 REQ 信号，启动器同步发送 信号，并允许两个信号相互超前，从而提高了数据传输率。18第18页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四825 SCSI 接口5 SCSI 软件采用 SCSI 接口的外设具有一定的智能，主机可用标准命令访问外设，与外设的物理属性无关。SCSI 命令为 6 12 字节命令描述块，命令的首字节为操作码，包含 3 位组码和 5 位命令码，第二字节前 3 位为逻辑单元号，剩余位和其他字节表示逻辑块首址、传送长度和参数表长

24、度等。最后一个字节为控制字节，它包含许多标志，可以实现命令链接功能。6SCSI 的发展86 年推出标准 SCSI ，94 年推出 SCSI 2，对 SCSI 命令集进行扩充，并增加奇偶校验、总线仲裁、命令队列等功能。使用公用命令集 CCS，改进了 SCSI 的兼容性，增加了用于访问 CD ROM、磁带机及可移动硬盘的命令。19第19页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四825 SCSI 接口SCSI 有两种总线标准，一种是 8 位 SCSI 总线接口标准，总线线宽 50 线，可连接 8 个设备。另一种是 16 位 SCSI 总线接口标准，又称 Wide SCSI，总线线宽 6

25、8 线。可连接 16 个设备。16 位标准 SCSI 比 8 位标准 SCSI 的数据传输率快 1 倍。之后推出 SCSI 3（Ultra SCSI）模式，数据传输速率 40MB / s，主要是提高了总线数据传输率。另外 SCSI 3 还推出串行 SCSI，改并行传输为串行传输，提高了传输距离和传输速度。目前串行 SCSI 主要用于主机之间、磁盘阵列与系统之间接口，以及连接扫描仪、激光打印机等高速设备。后期陆续推出 Ultra 2 SCSI（数据传输速率 80MB / s）、Ultra 160 SCSI（数据传输速率 160MB / s），近期又推出 Ultra 320 SCSI（数据传输速率

26、 320MB / s），进一步提高了总线的数据传输率。20第20页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四83 软盘存储器软盘存储器由软盘、驱动器和控制器组成。早期软盘控制器为适配器，插接在 I / O 扩展槽上，后期软盘控制器集成在主板上。 831 软盘驱动器软驱从功能角度可分为主轴电机驱动系统、磁头定位系统和文件读写系统。目前微机上使用的软盘驱动器为 1.44MB 双面盘，磁盘基片采用聚碳酸脂材料制成，上面均匀地涂上一层磁性材料。磁盘装入软驱后，被上、下盘片夹夹住，由主轴电机的旋转带动盘片转动，盘片转速为 300 360 转 / 分，盘片相对于磁头做水平方向运动。磁头定位系统

27、用于在垂直方向定位磁头，由磁头步进电机、步进电机驱动电路、起始道检测电路组成。读写磁盘时由主机发送寻道命令，将磁头运行至数据所在磁道。00 道检测开关用于定位磁盘起始磁道，起始道称为 00 道。21第21页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四831 软盘驱动器文件读写系统包括读写磁头和读写电路。磁头由软磁铁和线圈构成。写数据时，磁头上通过不同方向的电流产生不同方向的磁场对磁介质进行不同方向的磁化，写入 0 或 1。读数据时，磁化单元上的磁力线穿越磁头线圈，产生不同方向的感应电动势。磁头对感应电动势的正、负进行判别，识别 0 信号和 1 信号。主轴转盘一侧安放索引检测电路，磁盘

28、每旋转一圈产生一个索引脉冲，标志主轴正常运转，也标志起始扇区。盘片左下角带有写保护窗，软驱上配置写保护电路。当保护窗敞开时光敏三极管导通，标志写保护，禁止写操作；当保护窗封闭时光敏三极管截止，标志写允许，允许写操作。 832 软盘控制器 软盘控制器采用专用芯片 82077AA，片内含信号缓冲及接口信号驱动。 可支持 4 个软驱，另外它还带有磁带驱动控制电路。22第22页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四832 软盘控制器182077AA 结构82077AA 芯片上含 8 位数据总线信号 DB7 DB0、片选 、读、写控制信号 、 、寄存器选择信号 A2 A0等。芯片数据总线

29、接口设置 16 个字节的 FIFO 缓冲区，当容量达到程控容量限制值时产生中断请求，表明必须进行数据接收或传送。82077AA 自带振荡电路，用于片内电路同步和数据传送脉冲。软盘接口电路包括接口控制、I / O 缓冲、数据分割、串行接口逻辑和预补偿电路。接口控制电路产生软驱与微机接口控制信号。RD DATA 输入串行数据由分割电路接收，经采样后转换为并行数据，存入数据缓冲区，当容量达到程控容量限制值时由 MPU 接收。MPU 向软驱写入数据时通过预补偿电路，再送 WR DATA 信号线。在写入前检测数据位偏移，进行超前或滞后补偿。 23第23页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星

30、期四832 软盘控制器282077AA 引脚信号 主机接口信号除数据、地址、片选、读写信号之外，还包含复位 RESET、DMA 请求与应答信号 DRQ、 、DMA 传送计数结束 TC、非 DMA 中断请求 INT 等。 磁盘控制信号与软驱连接的信号。系统可连接 4 个软驱，因此包含主轴电机选通 ME0 ME3、驱动器选择 DS0 DS3。除此之外还包含马达步进 STEP、方向 DIR、写允许 WE、磁盘改变 DC、00 道 TRK0、写保护 WP、索引 INDX、写信号 WRDATA 等。 锁相环信号包括读数据 RD DATA 和其他用于数据分割的信号。24第24页，共69页，2022年，5月

31、20日，0点38分，星期四833 光磁软盘光磁软盘将光学技术与磁记录技术相结合，用磁记录技术读写数据，用光学技术伺服定位。具体做法是在磁道中间加入伺服光道，软盘读写时，由红外发光二极管发射光线照射盘面，利用光道上的发射光束精确定位磁道。光磁软盘优点如下： 提高容量，3.5 英寸光磁软盘最大容量为 25MB。 兼容性好，可向下兼容，读写普通 720KB、1.44MB 和 2.88MB 软盘。 可靠性高，采用光学定位，避免磁头偏移引发故障。 传输率高，比普通软盘的传输率快 4 倍，读写速度快 1 倍，格式化快 10 倍。 安装使用方便。安装尺寸与 3.5 英寸软驱相同，在机内连接 SCSI 适配器

32、。25第25页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四84 硬盘存储器硬盘存储器用于存放操作系统和各种软件。微机上常用的硬盘规格为 3.5 英寸、2.5 英寸和 1 英寸，存储容量为 10MB 1TB。 841 硬盘驱动器1基本结构由盘片（组）、主轴电机、驱动电路、磁头及定位机构、读 / 写电路、接口和控制电路组成。硬盘的盘片用合金铝或玻璃钢制成，盘面上覆盖磁介质。加电后主轴电机带动盘片高速运转。磁盘读写时，由磁头定位机构将磁头定位在读写磁道上方，由主轴电机的旋转将读写扇区转至磁头下方，由读写电路通过磁头写入或读出数据，读写原理与软盘读写原理相同。盘片上由外向里等间距划分多个磁道

33、，每个磁道径向划分为多个扇区，不同盘面上的相同磁道组成柱面，不同盘面上的相同扇区组成簇，不同盘面上的磁头同时完成对各扇区的并行读写。 26第26页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四841 硬盘驱动器2温彻斯特（Winchester）技术将磁头、盘片、主轴电机封装在硬盘盘体内，硬盘工作时盘片在密封的盘体中高速旋转，利用磁头与盘片相对运动形成的空气气垫使磁头飞离盘片表面，悬浮在盘片上方。磁头与盘片不接触，高速旋转时不损伤盘面。磁盘工作时磁头与盘面距离很近，仅 0.4 0.6m，能保证数据读写的准确性。由于采用接触性启停，为防止磁头与盘片相互摩擦损坏盘片，在盘片轴心附近设置停车区

34、，用运行程序或磁头自动锁定技术使开机和关机瞬间磁头位于停车区上，实现对盘片和磁头的保护。由于硬盘使用 Winchester 技术，当时的硬盘被称为温盘。 27第27页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四842 硬盘相关信息1硬盘相关参数 磁头 ( Heads )硬盘为了提高存储容量，在一个盘体内设置 1 到多个盘片，磁头数量为盘片数2。 柱面 ( Cylinders )硬盘盘面划分为多道，不同盘面的同一物理磁道组成一个柱面。 扇区 ( Sectors )用不同半径将磁道划分为若干个弧段，每个弧段为一个扇区，内含 512 个字节。扇区是磁盘文件读、写的最小单位，每次访问磁盘都将

35、读、写一个扇区。 着陆区 ( LANDZ )将磁盘数据区之外靠近轴心的环状区域设置为着陆区，硬盘开启和关闭期间磁头位于着陆区，可保护磁头和盘片，避免磨损。28第28页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四842 硬盘相关信息 簇 ( Cluster )簇是磁盘文件空间分配的最小单位，理论上一个簇为同一柱面上不同盘面的同一个物理扇区。这种分配方法使得物理定位时间减少，访问一个簇内的各个扇区仅需一次定位。簇的大小由文件系统和硬盘分区容量决定。FAT 16 文件系统可管理 216 = 65536 个簇。 FAT 32 文件系统、NTFS ( Windows NT 文件系统 ) 可管理

36、 232 = 4G 个簇。可管理簇号越多，簇的容量就越小，但文件管理的难度就越大。 链 ( Chain )一个文件在磁盘上占用一个到多个簇，其物理位置不一定连续。在 FAT 中仅记录文件首簇的位置，因此在每个簇的最后两个单元存放链接标志，指向后一个簇。第一个簇称为链头，最后一个簇称为链尾，链尾带有结束标志，由簇组成链。每个文件对应一个簇链。29第29页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四842 硬盘相关信息2硬盘参数设置CMOS 中的硬盘参数设置主要使用前三个参数，即磁头数 Heads、柱面数 Cylinders 和扇区数 Sectors ，简称 HCS 参数。CMOS 中的

37、硬盘参数设置在不同时期不一样。早期需参考硬盘封面上的参数标志用人工设置 HCS 物理参数。中期对硬盘进行分类，每种硬盘对应一种类型号，用户按类型进行设置，计算机自动选择对应的参数。后期在 CMOS 设置中加入 AUTO DETECT HDD DRIVE 选项，选中该选项后系统自动检测硬盘逻辑参数，再由人工选择硬盘工作模式即可。当硬盘设置参数与硬盘实际参数不符时，在开机自检时系统将提示硬盘出错信息。30第30页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四842 硬盘相关信息3硬盘技术指标 存储密度道密度 TPI（每英寸可容纳磁道数量）、位密度 bPI（每英寸可容纳二进制位数）、存储密度

38、（每平方英寸可容纳二进制字节数）。 存储容量硬盘存储器中字节存储单元的数量，单位 MB 或 GB。硬盘存储容量 = 512B扇区数柱面数磁头数 平均定位时间包括平均寻道时间（将磁头定位到指定磁道所需时间）和平均等待时间（将指定扇区旋转至磁头下方所需时间） 数据传输率分为内部数据传输率（单位时间内从指定扇区读出数据送硬盘缓冲区或从硬盘缓冲区读出数据写入指定扇区的信息数量）和外部数据传输率（单位时间内从硬盘数据缓冲区发送主存或从主存发送硬盘数据缓冲区的信息数量），单位为 KB / s 或 MB / s 。31第31页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四843 硬盘控制器硬盘控制器

39、是主机与硬盘驱动器之间的接口，它接收主机命令，向驱动器发送各种控制信号，并检测驱动器状态，实现硬盘与主机的数据交换。 1硬盘控制器的功能 对主机与硬盘之间传送的数据进行并 / 串转换和串 / 并转换。 对写数据进行预补偿，减少数据读写错误。 对数据进行 ECC 码纠错，对地址进行 CRC 码纠错。 控制磁头寻道和扇区定位。 控制对硬盘的读写和格式化。 具有 DMA 传送数据的能力32第32页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四843 硬盘控制器2硬盘控制器组成 主机接口接收主机命令、参数和数据，向主机传送命令执行结果。硬盘控制程序位于控制器 ROM BIOS 中，执行 BIO

40、S 程序，实现对驱动器的控制。 智能控制电路由微处理器、DMA 控制器、专用控制芯片、RAM 和 ROM 组成。智能控制电路几乎包含控制器的所有功能。 驱动器接口由驱动器控制电路（输出驱动）和状态缓冲器（输入缓冲）组成，实现智能电路与驱动器之间的信号连接。33第33页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四844 硬盘存储技术的发展微机硬盘经历了 4 个阶段：温盘、IDE PIO 硬盘、EIDE UDMA 硬盘、SATA 硬盘。除此之外，各项技术指标都有显著的提高。1磁头定位为精确定位，磁头驱动从步进电机、直流伺服电机到音圈电机，磁头定位从开环控制到闭环控制，磁道定位从嵌入伺服到

41、光伺服。2容量扩充提高容量的关键是提高磁头灵敏度。早期硬盘为单磁头。后期采用读、写分离磁头。采用磁阻磁头。在磁场的激励下阻值发生变化，从而可测出磁盘上的磁化翻转，其读出幅度仅与磁化强度有关，适合于读出窄磁道信号。早期温盘存储密度仅为 3MB / 平方英寸。中期 IBM 公司推出各项异性磁阻技术 AMR，存储密度为 3GB / 平方英寸。后期推出了巨磁阻技术 GMR，存储密度 10GB / 平方英寸。目前正在酝酿光学辅助温式技术 OAW，记录密度将提高到 36GB / 平方英寸以上。34第34页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四844 硬盘存储技术的发展除了在磁头上的更新之外

42、，在磁盘记录材料及处理技术方面也有了突破，使硬盘容量进一步提高。近期硬盘采用最大相似性技术 PRML，运用通信技术上的局部响应原理抑制记录位之间的干扰，避免因脉冲拥挤造成信号干扰，可大幅度提高存储密度。3数据保护使用自检测、分析及报告技术 S.M.A.R.T，对硬盘潜在的机械故障和电子故障进行预测，可提高数据安全性。 S.M.A.R.T 检测对象包括磁头、磁盘、马达、电路等，将被检测对象运行情况与预设安全值进行比较，当测试值大于安全值时自动报警。S.M.A.R.T 无法排除故障，因此在新型硬盘中嵌入数据卫士 DL。硬盘每工作 8 小时启动 DL，检测扇区读写。若扇区数据有误，则重写扇区，再读出

43、校验，仍有错时标志为坏扇区，将数据转存备用扇区。35第35页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四844 硬盘存储技术的发展后期又推出各种硬盘保护技术。包括昆腾的 DPS 保护技术，可自动检测硬盘扇区，当系统发生问题时，DPS 可以在 70 秒内自动检测并恢复系统数据。迈拓公司的 Max Safe 保护技术，它可以自动侦测、诊断和修正硬盘故障。希捷公司的 DST 技术，内建在硬盘的固件中，提供数据的自我检测和诊断功能。还有 IBM 公司的 DFT 技术，自动对硬盘进行检测，对错误事件进行登记。4提高速度提高速度主要采用了两种方法。一种是提高硬盘主轴转速，最早期硬盘转速为 360

44、0 RPM，中、后期普通硬盘转速提高至 5400 RPM 和 7200 RPM，SCSI 硬盘转速提高至 10K RPM 和 15K RPM。另一种是加大硬盘高速缓存容量，由早期的 512KB 增加到 2MB、8MB、16MB。另外，改进接口技术，采用磁盘阵列也可提高硬盘数据传输率。36第36页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四845 磁盘阵列技术冗余廉价磁盘阵列 RAID 通过多个硬盘的协同工作组成磁盘阵列，可提高数据存取的性能和可靠性，其中系统冗余、数据容错和提高存取性能是该技术的核心。1磁盘阵列技术的优点海量存储能力：磁盘阵列由多个硬盘组成，容量可以成倍增加。高可靠性

45、：在阵列中存放校验信息，增加数据传输的可靠性。并行处理：采用数据分块和交叉存储技术，提高数据并行处理能力。写操作时，先将数据分块，再通过多路通道写入阵列；读操作时，数据由各通道进入缓冲区，再进行聚合操作，拼接后传送主机。便于维护：磁盘阵列运行出现故障时，备份盘自动启动，替代故障硬盘工作，并自动恢复数据。采用热插拔方式带电更换故障设备。37第37页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四845 磁盘阵列技术2磁盘阵列的冗余结构由多个磁盘构成磁盘阵列。为提高可靠性，采用 ECC 纠错、奇偶校验和镜象，将牺牲部分磁盘容量和 I / O 带宽。 ECC 纠错用于检测驱动器偶发性可纠数据错

46、误，保证硬盘数据传送的完整性。 奇偶校验用于检测不可纠数据错误，通过校验盘上的奇偶信息和其他数据盘数据信息再生正确数据，防止数据丢失。 镜象盘又称热备份，当驱动器出现永久故障时，磁盘阵列可自动进行替换登记，并启动备份盘，将再生的故障盘数据写入备份盘。 3磁盘阵列的容错结构为满足不同的要求，磁盘阵列采用以下容错结构： RAID 0：将数据均匀等量分块，分别存储在各驱动器上。优点是并行存取，缺点是不带校验，可靠性差，硬盘使用率为 100%。38第38页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四845 磁盘阵列技术 RAID 1：母盘与子盘镜象，对两个盘存入相同信息，采用扇区级校验。优点

47、是可靠性高，缺点是冗余量大，硬盘使用率为 50%。 RAID 0 + 1：结合 RAID 0 和 RAID 1 方式，对两组 RAID 0 驱动器进行 RAID 1 镜象。 RAID 7：带有智能化实时操作系统和存储管理软件工具，被称为存储计算机，运行时独立于主机，不占用 CPU 资源。具有较高的存储管理能力，并集其他 RAID 的优点于一身。RAID 7 采用非同步访问架构，为每个 I / O 接口设置专用高速通道，作为数据和控制信息流通路径。实时操作系统对读写指令进行优化处理，可预先获取数据。用一个盘作为校验盘，其他数据盘进行冗余计算实现容错。当硬盘出错时，自动进行实时数据重建，保障系统数

48、据安全。并可指出出错磁盘位置，采用热拔插更换故障磁盘。39第39页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四845 磁盘阵列技术RAID 7 系统对电源部分带有冗余容错，电源故障时，备份电源立即启动，可实现无中断运行。RAID 7 通过 SCSI 接口可连接多台计算机，支持多主机访问，实现资源共享。所连接主机升级时，RAID 7 不需变更，可节省升级费用。RAID 7 系统的主要优点是速度快，通过最小化访问次数、优化读写请求，可获得接近内存的 I / O 性能。除此之外还有 RAID 2、RAID 3、RAID 4、RAID 5 和 RAID 6，但这些方式并不常用，因此不作详细介

49、绍。在微机中，通常使用 RAID 0、RAID 1 、RAID 0 + 1 和 RAID 7。在服务器上，RAID 通过 SCSI 总线与主机连接。40第40页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四85 光盘存储器851 光存储技术的发展用于计算机的光存储器包含光驱和光盘。光盘称为致密盘 CD（Compact Disk），记录密度高，存储格式按最大密度紧凑存放。由世界上多家著名公司联合制定了 CD 光盘格式，对不同的光盘有不同的格式，采用不同的协议，为便于区分各种协议，协议书封面采用不同颜色。 82 年推出数字音频光盘 CD DA，“红皮书” 制定了该光盘格式。在盘上可以存放数

50、据和音频信息。后期光盘都兼容了这种格式，依据光盘的起始光道判别光盘信息类型。85 年推出致密只读光盘 CD ROM，“黄皮书” 定义了 MODE 1 和 MODE 2 两种模式，MODE 1 后来演变为 ISO9660 CD ROM 标准。本年还用 “蓝皮书” 制定了 WORM 光盘的技术标准。 86 年出现交互式 CD I 技术，92 年推出的第二代 CD I，“绿皮书” 制定了它的存储格式。CD I 用于播放交互式视频信号。41第41页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四851 光存储技术的发展87 年出现交互式数字视频 DVI 技术，视频和音频压缩得以实现。88 年推出

51、只读光盘扩展结构 CD ROM XA，91 年推出 XA ，在光盘上可交叉存储音频信号和数据信号。89 年推出可记录光盘 CD R 和可读写光盘 CD RW，在特殊的光盘刻录机上写入信息，“橙皮书” 规定了这类盘的存储方法及格式。91 年推出 Photo CD，可按不同的分辨率存储照片和底片，一张盘片可存储上百张照片、包括背景音乐、语言解说和文字说明。92 年推出视频光盘 VCD，用于保存采用 MPEG 1 标准压缩的声音和视频信号，一张 VCD 盘可以存储 74 分钟动态图象。配置 MPEG 解压卡或 VCD 播放软件后，可以通过 CD ROM 驱动器读取 VCD 信息，重现声音及视频信号。

52、 “白皮书” 规定了它们的存储方法及格式。98 年推出数字视频光盘 DVD，它采用 MPEG 2 图象压缩格式在盘上更大限度地存放声音和视频信号。DVD 盘片厚度为 VCD 的一半，但存储容量可达 4.7GB，可以存放 135 分钟的动态图象。42第42页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四852 光盘存储原理原则上，在光盘上记录信息采用激光刻录方式，由激光束在盘面上烧蚀出记录数据的凹坑，用凹坑的边沿记录信息 1，无凹坑或凹底部平坦区域记录信息 0。在光盘上读出信息采用激光照射方式，利用激光反射读取光盘数据。当激光束照射平坦区域时，反射光线强，读出信息为 0，当激光束照射凹坑

53、边界时，反射光线弱，读出信息为 1。1只读光盘微机用只读光盘为 CD ROM。光盘制作前进行预处理，预处理采用 8 14 调制编码，将 8 位并行数据编码成 14 位光轨道位，再采用 2，10 RLL 编码，在盘上生成光盘映象，并在文件和数据中插入同步、地址、数据类型、检错码和校正码，按光盘格式顺序存储。为降低制作成本，先由激光刻录形成主盘，经喷镀制成副盘（印模），副盘经光致聚合作用制作用户光盘。用微型凹坑边沿记录信息 1，平坦区域记录信息 0。43第43页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四852 光盘存储原理2一次性写入光盘微机用一次性写入光盘为 CD R，可以一次性写入

54、信息。 CD R 利用激光刻录在光盘上烧蚀出记录信息的凹坑，利用激光照射产生不同的反射率读取信息 0 和信息 1 。3读写光盘读写光盘分为磁光盘和相变光盘，记录介质和读写原理不相同。磁光盘存储介质为稀土过渡金属 GdGo（钴化钆），特点是常温下为铁磁体，磁畴取向稳定，当温度上升至居里温度时为顺磁体，矫顽力为 0，在偏置磁场作用下可轻易改变磁畴取向。写入前，将光盘加热至居里温度，再用高强度磁场对介质进行初始磁化，使磁畴具有相同磁化方向，相当存储全 1。写 0 时采用激光局部加热，再反向磁化写入信息。清除时用激光局部加热，再正向磁化清除信息。读出时用偏振光检测磁化方向，利用磁光效应将磁化方向的变化

55、转换成光线强弱的变化，识别信息 0 和 1。44第44页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四852 光盘存储原理相变光盘存储介质为 Re Tm 晶态合金，这种材料在一定条件下会发生晶态 非晶态状态变化，用两种状态表示数据 1 和 0。介质初始状态为晶态，相当于存储了全 1 信息。写 0 时用高功率窄脉宽激光照射，使温度上升至熔点，再聚冷使之变为非晶态，写入 0 信息。擦除时用低功率宽脉宽激光照射使之缓慢加热至低于熔点而高于非晶态的转变温度，使之还原为晶态，信息还原为 1。晶态与非晶态对光线的反射率差异较大，利用这种差异识别信息 0 和 1。 863 CD ROM 的规范 光盘

56、上的光道为一根由盘心起始的螺旋线，光道上划分 333,000 个扇区，每个扇区 2352 字节，包含 304 个数据校验及相关信息字节， 2048 个数据字节，光盘容量为 650MB。扇区中的分块有两种模式。模式 1：存储对误码率有严格要求的数据，一个扇区中包含以下字节块：45第45页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四853 CD ROM 的规范Sync：同步位，12 个字节，用于检测块的起始。Header：头标，4 个字节，第一字节存放分，第二字节存放秒，第三字节存放块号，第四字节存放模式User Data：用户数据，2048 字节，存放有效数据。EDC：错误检测，4 字

57、节。Blanks：空白未用，8 字节。ECC：纠错码，276 字节。模式 2：存储对误码率要求不高的数据，一个扇区中除 12 字节 Sync 和 4 字节 Header 之外，2336 字节用于存放数据。最早的光驱每秒读取 75 个扇区，每个扇区 2048 字节，数据传输率为 204875 = 153.6 KB / s150 KB / s，接近声音信息传输率 176.4 KB / s，因此以 “倍” 作为光驱基本传输单位 ，1 “倍” = 150 KB/s 。后来陆续推出多倍速光驱，目前最高倍速为 56 倍。46第46页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四854 操作系统对

58、CD ROM 的支持CD ROM 文件系统与 DOS 文件系统差异较大，DOS 无法用常规方法读取 CD ROM 上的文件，必须在原有基础上进行扩充。DOS 使用扩展程序 MSCDEX.EXE 读取光盘文件。该程序为外部命令，运行后驻留内存。MSCDEX.EXE 是一个与设备无关的扩展器，通过 DOS 设备驱动标准接口读取光盘信息。CD ROM 驱动器的设备名由系统配置文件 CONFIG.SYS 中的命令行决定，其语法为：DEVICE = 光驱驱动程序所在路径 xxxx.SYS / D：其中 xxxx .SYS 为光驱驱动程序，由厂家提供，前面为驱动程序所在路径，假设该程序位于 C 盘根目录，

59、则路径为：C：。/ D：为命名参数，用于对光驱命名，Device name 为光驱名称。MSCDEX 命令行位于自动程序 AUTOEXEC.BAT 中，语法为：MSCDEX / V / M： / D：47第47页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四854 操作系统对 CD ROM 的支持参数 / V 为显示参数，设置后在开机引导系统时会在屏幕上显示有关光驱驱动器名称及设备驱动程序等信息。/ M 为缓冲区参数，Buffer 为缓冲区数量，每个缓冲区容量为 2KB。这两个参数为可选项，/ D 参数为必选项，含义与 CONFIG 文件中含义相同。CONFIG.SYS 和 AUTOE

60、XEC.BAT 文件中的光驱名称应相同。865 DVD 技术DVD 是继 CD ROM 后开发的一种新型光驱。早期的 DVD 为数字视频光盘 Digital Video Disc，后期改为数字多功能光盘 Digital Versatile Disc。与 CD ROM 相比，DVD 具有以下优点： 高密度DVD 和 CD ROM 工作方式相似，主要区别在激光头上。DVD 机采用红色半导体激光器，波长为 0.65 微米，CD ROM 激光器波长为 0.78 微米。除此之外，DVD 存储密度大幅度增加。48第48页，共69页，2022年，5月20日，0点38分，星期四855 DVD 技术DVD 分为