磁盘存储器精品课件

1、磁盘存储器第1页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五7.1 软盘驱动器 7.1.1 软盘驱动器 7.1.1.1 软盘驱动器的规格和接口 软盘子系统包括软盘片、软盘驱动器、驱动程序和软驱控制器这几部分。软盘是微机系统永久保存信息和交换信息的重要外部磁存储介质。软驱（Floppy Disk Driver，FDD）是对软盘进行读写的机电一体化的设备。软驱驱动程序是软驱的配套程序，它包含在系统BIOS程序中。软驱控制器（FDD Controller）提供主机对软驱的控制信号，也是软驱设备的接口，它做在I/O卡或主板上或南桥芯片内。第2页，共44页，2022年，5月20日，10点27

2、分，星期五 微机常选用的软盘片有直径为5.25英寸、存储容量为1.2MB和直径为3.5英寸、存储容量为1.44MB这两种，它们的驱动器分别称为5寸软驱和3寸软驱。由于3寸软盘体积小、容量大并带有塑料外壳不易损坏，目前大多数PC机仅仅配备一个3寸软驱。3.5”软驱的外形如图7-1所示。图7-1 3.5”软驱和软盘第3页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 3.5”软盘的结构如图7-2所示，它的盘片外面有一个塑料外壳，不易污染和损坏。将它的写保护片拨到封住写保护孔的位置时，软盘处于可以读写的状态，反之为写保护状态，这时软盘上的信息不会被改写，软盘也不会感染病毒。图7-2 3.5

3、”软盘的结构第4页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 软驱上有两个插座。一个电源插座，它有四个插针，分别为+12V输入、两个接地线和+5V输入，+12V给各个马达供电，+5V给电路元件供电。另一个为控制及数据电缆插座，它有34线。用一根34线电缆将它与I/O多功能卡或主板上的软驱接口（FDD）相连接。34线电缆的红色线应接到两边插座的1号脚，以免电缆接反。软驱34线电缆如图7-3所示。在一些微机的系统硬件配置程序CMOS Setup中有“Swap Floppy Drive”这一项，当将其设置为“Enabled”时则可对调A、B两个软驱的逻辑名称，而不必在电缆插头上将它们对

4、调。软驱接口（FDC）的信号定义如表7-1。第5页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五图7-3 软驱的34线电缆第6页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五第7页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五第8页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 7.1.1.2 软盘驱动器的结构原理 软盘驱动器（FDD）由数据读写系统、磁头定位系统、盘片驱动系统和控制电路等组成。磁头是其工作的核心部件。磁头分为上、下两个，上磁头称为“1号磁头”，下磁头称为“0号磁头”，它们固定在磁头小车上，并始终接触盘片。当盘片由主轴马达驱动以每分钟30

5、0多转的高速旋转时，磁头小车由步进马达驱动做径向运动，从而使上、下磁头能扫描磁盘上、下两面的所有磁道，实现读、写操作。第9页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 所谓写操作是指软驱接收到主机发来的数据编码信号，经过写电路的一系列处理后，通过磁头将数据的电流信号转换为磁信号记录在磁盘上。而读操作是写操作的逆过程，即把磁盘上记录的磁信息通过磁头转换为电流信号，然后经过读电路的一系列处理后，还原出电信号的数据信息发送给主机。 软盘驱动器还有专门用于检测磁盘状态的传感器元件。比如“0磁道开关”、“写保护传感器”。第10页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 磁盘

6、驱动器软驱或硬驱的基本原理相同，框图如图7-4所示，主要包括数据读写系统、磁头定位系统、盘片驱动系统和控制电路等部分。图7-4 磁盘驱动器的原理方框第11页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 7.1.2 超级软驱 目前还有多种高速大容量的新型软盘驱动器，如ZIP100、LS-120和UHC等。由于价格较高和软盘交换性等原因，都尚未被PC机普遍采用。 7.1.2.1 LS-120软盘驱动器 LS-120（Laser Servo-120MB）是一种采用激光伺服机构的大容量3.5”软盘驱动器，主要部件采用激光光学轨迹读写技术，并配备高容量高密度软磁盘。第12页，共44页，202

7、2年，5月20日，10点27分，星期五 LS-120盘片容量可达l20MB，是原3.5寸软盘的83倍。读写速度为原软驱的5倍。LS-120使用标准IDE接口。它与原3.5寸软驱兼容，即可以读写1.44MB软盘。许多新的BIOS都支持LS-120软驱，DOS、Win3.x、Windows 9x和Windows NT可以使用这种软驱。LS-120软盘驱动器有望成为未来PC机的大容量外存设备。 内外置LS-120的安装是不同的。 1外置式LS-120软驱的安装： 2内置式LS-120软驱的安装：第13页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 7.1.2.2 ZIP驱动器 ZIP驱动

8、器是一种活动式存储驱动器，它使用的盘片容量为100MB。它的盘片比传统3.5”盘片厚许多，它不兼容传统软盘。按接口形式分，ZIP有IDE内置式、SCSI内置式、SCSI外置式和并口外置式等。采用与硬盘同样的SCSI和IDE接口，使ZIP驱动器的存取时间大大提高，达到29毫秒。而采用通用的并行口，则使ZIP驱动器可以非常方便地接入台式、便携式或其它各式计算机，但并行口会使ZIP的访问速度明显变慢。 IDE接口、SCSI接口和并行接口的ZIP软驱的安装方法均与原来的3寸软驱不同。第14页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 2.3 UHC软盘驱动器 UHC（Ultra High

9、 Capacity）即超高容量软盘驱动器，由日本Mitsumi公司开发。它的盘片容量为150MB，也兼容原1.44MB的3.5寸软盘。它的主轴马达转速为3600RPM。它的磁头与盘面不接触，与硬盘原理一样。它的平均搜寻时间为20mS，比LS-120的60mS快3倍。 预言各种新型大容量软盘驱动器的发展前景，到底谁能够取代传统的软盘驱动器，不仅仅取决于它自身的性能优良和价格便宜，一个重要因素就是它能否与当前仍独霸PC机的3.5”1.44MB软盘驱动器相兼容和方便地交换共享数据。第15页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五7.2 硬盘 7.2.1 硬盘驱动器简介 硬盘驱动器（H

10、ard Disk Driver，HDD）也是微机系统的基本外存设备。与软盘驱动器不同的是，它的磁盘片是硬质合金的，并固定安装在驱动器内部，所以也可统称为硬盘。与软盘相比，它的存储容量要大得多，速度也快得多，而体积也较小。3”软盘的容量为1.44MB，而目前PC机硬盘容量在10GB到60GB。目前市面上硬盘的主流品牌为昆腾（Quantum）、希捷（Seagate）、钻石（Maxtor）、西部数据（Westdata）和IBM等。第16页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 硬盘子系统包括硬盘驱动器（内含硬盘）、驱动程序和硬盘接口。硬盘的控制器（HDD Controller）做在

11、硬盘内部，而接口集成在主板上。硬盘的驱动程序包含在系统BIOS程序中。硬盘的构成和工作原理与软驱相仿，它以自己专用的微处理器作为控制器，它的内部ROM固化了控制软件，用来实现加电时的自我诊断、运行状态检测、主轴电机的转速调节和对磁头的位置控制等功能。 硬盘驱动器内部硬件主要由电路板和头盘组件HDA（Head Disk Assemblly）构成。 硬盘的内部结构如图7-5所示。第17页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五图7-5 硬盘的内部结构示意第18页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 硬盘按其盘片直径大小可分为5.25、3.5、2.5和1.8英寸等

12、多种，按其接口类型分有IDE接口及SCSI接口等多种，目前使用最多的是IDE接口的3.5英寸硬盘。 IDE接口来自IBM AT机，其信号定义与AT机的总线相似，因此也叫AT总线（AT BUS）。IDE接口的硬盘连接电缆为40线排线电缆，其中红色为1号线，如图7-6所示。 在一个IDE接口上连接两个硬盘，一个硬盘上的跳线应设置为“Master”状态，另一个硬盘上的跳线应设置为“Slave”状态。 硬盘的电源线为4线，分别为+12V（黄色）、地（黑色两根）和+5V（红色），12V供给马达，5V供给电路元件。第19页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五图7-6 硬盘的40线电缆第

13、20页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 硬盘装好后还要做两件事，首先要进入CMOS Setup设置硬盘类型（HDD Type），即设置硬盘的柱面数、磁头数和扇区数。其次要用FDISK、FORMAT命令进行硬盘分区和格式化，也可用硬盘专用管理软件DM进行，之后才能使用。具体做法在后面有关章节介绍。第21页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 7.2.2 硬盘的技术参数 7.2.2.1 硬盘的技术指标 1道密度与位密度 硬盘道密度是指磁盘径向的磁道密度，单位是TPI（Track Per Inch）即每英寸磁道数。 2转速： 硬盘的转速是指硬盘主轴马达也就

14、是盘片的转速，单位是RPM（Round Per Minute）即每分钟圈数。 3平均存取时间 平均存取时间（Average Access Time）是反映硬盘数据操作速度的指标，单位是毫秒（mS）。它包括三个时间段：平均寻道时间（Seek time），平均定位时间（Setting time），转动延迟（Rotational latency）。第22页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 4缓存容量 缓存容量（Cache Size）是指硬盘内部数据的高速缓冲存储器的大小，如256KB、512KB、1MB和2MB等。 5平均故障间隔时间 平均故障间隔时间MTBF（Mean Ti

15、me Between Failures）是指硬盘操作时发生故障的时间间隔的平均数。 6硬盘控制器的数据传输率 硬盘控制器即接口的数据传输率是指缓存至主机的数据传送速度。第23页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 7.2.2.2 硬盘实例 以Maxtor 5T060H6硬盘为例，它的技术规格如下：第24页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五7.2.3 硬盘的物理类型参数 硬盘的参数很多，其中直接关系到用户安装使用硬盘的参数有柱面数、磁头数、扇区数和容量，前三项称为硬盘的物理结构参数，常常以“C/H/S”标注在硬盘的盘面上。 1柱面数（Cylinder）

16、缩写为Cyln，指每个盘面上的磁道数。由于硬盘盘片是上下叠放的，所以每一个盘面上的同号磁道便组成一个圆柱面。这个参数为CMOS Setup中设置硬盘类型（HDD Type）的关键参数。 2磁头数（Heads） 硬盘的读写磁头总数。因为每个盘片的上下两面各有一个磁头，所以也是硬盘的盘面总数。这个参数也是CMOS Setup中设置硬盘类型的关键参数。第25页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 3扇区数（Sector） 缩写为Sect，指每个磁道上划分的记录数据的基本小区域的数目，对DOS系统而言，每个小区域包含512个字节。这个参数也为CMOS Setup中设置硬盘类型的关键

17、参数。 4存储容量（Size） 指硬盘可以存储的数据字节数，单位为MB（1MB=10241024字节）和GB（1GB=1024MB）。格式化容量（GB）=柱面数磁头数扇区数512102410241024。 5间隔存取因子（Interleaver） 6写预补偿（Write Pre-Comp） 7磁头着陆区（Landing Zone）第26页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五7.3 硬盘控制器接口 在微机系统中采用过的硬盘接口主要有四种，ST-506、ESDI（Enhanced Small Device Interface）即增强型小型设备接口、IDE和SCSI。IDE接口广

18、泛用于普通PC机，SCSI接口多用于服务器和专用图形工作站。第27页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 7.3.1 硬盘 IDE 型接口 7.3.1.1 IDE接口 IDE（Intelligent Device Electronics）即智能设备电子接口，是目前PC机普遍采用的最基本硬盘接口。IDE接口的40个引脚除了对主板上的ISA总线（也叫AT总线）的信号进行必要控制之外，基本上是原封不动地送往硬盘驱动器，所以IDE接口也常被称为ATA接口。 PC主板通常提供两个IDE接口，每个ID可连接两个IDE设备，采用一条40线扁平电缆传送控制和数据信号。硬盘上的IDE插座外形

19、如图7-7所示，其中第20针没有，为的是电缆定位。IDE接口和电缆的40线信号定义如表7-2。第28页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 主板上IDE接口占用的系统硬件资源通常为：IDE1的I/O Port地址为1F0H-1F7H，IRQ 14，IDE2的I/O Port地址为170H-177H，IRQ 15。图7-7 硬盘IDE接口的插座第29页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五第30页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五第31页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 7.3.1.2 IDE硬盘接口的类型 1I

20、DE的类型 我们现在统称的IDE（或ATA）接口，是指接口形式相同的早期IDE、EIDE、ATA（AT Attachment，AT附加设备）和Ultra DMA等多种改进型。 EIDE（Enhanced IDE）即增强型IDE，是Pentium以上主板上配备的标准硬盘接口，也支持CD-ROM驱动器等设备。 目前使用的IDE接口有ATA（或Ultra DMA）33、66、100等新型高速接口。第32页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 2IDE的工作方式 3IDE的类型模式 PIO-0、PIO-1、PIO-2模式。以10bit表示柱面数、4bit表示磁头数和6bit表示扇区

21、数，即允许硬盘参数的最大值是1024柱面、16磁头和63扇区，因此能支持的硬盘的最大容量为528MB（=10241663512）。在目前的系统BIOS设置程序（CMOS Setup）中，被称为硬盘类型的Normal方式。不管硬盘容量有多大，只要选择了Normal模式，就只能访问该硬盘的528MB空间。第33页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 增强的EIDE硬盘接口使用PCI总线适配器，通常做在主板上，它支持PIO-3/4和Multi Word DMA1/2模式的硬盘，也支持符合EIDE接口的光驱（CD-ROM Driver）和磁带机等。EIDE以8bit（255）表示磁

22、头数，10bit柱面数和6bit扇区数不变。显然它能支持的硬盘的最大容量应比Normal方式大16倍为8.4GB（528MB16）。这在目前的系统BIOS设置程序（CMOS Setup）中，被称为硬盘类型的LBA（Logical Block Addressing）逻辑块寻址方式。 系统BIOS设置程序中还有一种硬盘类型的large方式，它只能将柱面数除以2，使之不大于1024，再将磁头数乘以2，因此它能支持的硬盘的最大容量为Normal方式的2倍为1GB。 目前的硬盘都采用LBA模式。第34页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 7.3.2 SCSI接口 7.3.2.1 S

23、CSI接口类型 SCSI（Small Computer System Interface）即小型计算机系统接口，其实是一种用于高速外设的外部接口适配器卡，也有称之为硬盘协处理器卡（Disk Coprocessor Board）的，通常也叫做“Scuzzy”卡。在计算机外设接口尤其是外存储设备接口方面，SCSI接口始终占据着高贵地位，这不仅是由于它的先进技术性能，也是由于它的高价位。 SCSI的意义是小型计算机系统接口，它是做在一个专门的系统扩展卡上。SCSI开发于70年代末，至今已有SCSI-1、SCSI-2以及SCSI-3等多种。第35页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期

24、五 1SCSI-1 SCSI-1是第一个版本，异步数据传输率为3MB/S，同步数据传输率为5MB/S。采用的是特殊的25针的SCSI接口。 2SCSI-2 SCSI-2最初称为Fast SCSI，8位并行数据传输，数据传输率提高到10MB/S，可连接7个外设。标准接口为50线，信号有差分方式和单端方式两种。50线的SCSI插座如图7-8所示。Wide SCSI，16位并行数据传输，数据传输率提高到20MB/S，可连接16个外设。SCSI-2用于硬盘、CD-ROM驱动器和扫描仪等设备。SCSI的50线差分方式接口的信号定义如表7-3，单端方式接口的信号定义如表7-4。第36页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五图7-8 50针SCSI插座第37页，共44页，2022年，5月20日，10点27分，星期五 3SCSI-3 SCSI-3也称为Ultra SCSI，数据传输率达到20MB/S，若使用16位传输模式，则数据传输率可高达40MB/S。SCSI-3增加为一个68针接口，用于将8位数据增加到32位数据。68针的SCSI插座如图7-9所示。它也分为差分方