外部存储器主题知识讲座

第七章外部存放器硬盘移动存放器光盘储存系统外部存储器主题知识讲座第1页计算机存放器系统外存特点：容量大、单位容量成本低、非易失性、寻址和访问速度慢、存放体可更换等。计算机存放系统reg、cache、内存外存磁存放器光存放器磁盘磁带软磁盘硬磁盘其它磁盘存放器CDDVDDVD-R….VCDCD-R….半导体存放器Flash电子盘外部存放器概述外部存储器主题知识讲座第2页磁盘系统——磁性材料记忆原理磁性存放原理：

磁盘存放信息是利用含有矩形磁滞回线磁性材料，这种磁性材料在外加磁场作用下，其磁感应强度B与外加磁场H关系，可用矩形磁滞回线来描述。H，磁场B，磁感应强度I，电流t，时间写“1”写“0”外部存储器主题知识讲座第3页7.1.1硬盘发展1956年，IBM创造世界上第一台硬盘（IBM350RAMAC

）,它相当于两个冰箱体积外部存储器主题知识讲座第4页7.1.1硬盘发展1973年，IBM又创造了Winchester(温氏)硬盘（IMB3340）。其关键是：磁盘片被密封、固定而且不停高速旋转，磁头悬浮于盘片上方沿磁盘径向移动，而且不和盘片接触。以后硬盘基本都沿用了这一结构。

外部存储器主题知识讲座第5页7.1硬盘系统体积：3.5英寸/半高(用于台式PC)

2.5英寸(用于笔记本PC)

1.8英寸微型(用于数码产品)容量：10～40MB(8086/286)→100～500MB(386/486)→1～6TB(当前)连续传输速率：100KB/s→600MB/s平均寻道时间：12ms→5ms转速：4200转/s→15000转/s外部存储器主题知识讲座第6页7.1.1硬磁盘结构与工作原理1.硬磁盘组成硬盘内部包含浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘体及主轴驱动机构、前置读写控制电路和接口电路等。封装在硬盘净化腔体内。外部存储器主题知识讲座第7页硬磁盘组成1)盘体MediaMedia基板是金属、玻璃或陶瓷材质制成，为到达高密度高稳定质量，基板要求表面光滑平整，不可有任何暇疵，然后再将磁粉Coating溅渡到基板表面上，最终再涂上保护润滑层。此处有2项高科技，一为，怎样制造出不含杂质极细微磁粉;二为，怎样将磁粉均匀Coating上去.Media不可有任何污染，全程制造均需在高洁净度CleanRoom内，这也是硬盘机要求需在Class100CleanRoom才能拆解原因。外部存储器主题知识讲座第8页硬磁盘组成

2)磁头组件及磁头驱动机构：磁头组件是硬盘中最精密部位之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部份组成。磁头是硬盘技术中最主要和关键一环，它采取了非接触式头、盘结构，加后电在高速旋转磁盘表面移动，与盘片之间间隙只有0.1～0.3um，这么能够取得很好数据传输率。外部存储器主题知识讲座第9页硬磁盘组成3)控制电路硬盘控制电路位于硬盘后面，将后面电路板安装螺丝拧下，翻开控制电路板即可见到控制电路。硬盘控制电路分为：硬盘主控制芯片：负责数据交换和数据处理。缓存芯片：负责给数据提供暂存空间，提升硬盘读写效率。硬盘驱动芯片：负责硬盘马达以及主轴马达转动。外部存储器主题知识讲座第10页最常见数据传输接口有PATA（IDE）、SATA、SCSI、SAS、光纤五种，前两种接口方式主要应用在个人PC上，后三种则主要使用在服务器领域。硬盘数据传输接口外部存储器主题知识讲座第11页7.1硬盘——磁道、扇区和柱面盘体：盘体由多个同轴盘片组成，每个盘片都是双面存放，第一个盘片第一面为0磁面，下一个为1磁面；第二个盘片第一面为2磁面，以这类推。

磁头(Head)：每个磁面有一个磁头进行读写，所以0磁面也称为0磁头。磁道(Track)：磁面上均匀分布同心圆存放轨迹。最外层为0磁道。扇区(Sector)：磁道上等弧度划分扇段。普通一个扇区存放容量为512字节。柱面(Cylinder)：各个盘面上同一编号磁道组合。单个扇区外圈磁道中圈磁道内圈磁道外部存储器主题知识讲座第12页2.磁道、扇区和柱面外部存储器主题知识讲座第13页2.磁道、扇区和柱面硬盘上一个物理统计块要用三个参数来定位：柱面号C、扇区号S、磁头号H。硬盘容量=柱面数×磁头数×扇区数×512字节逻辑区块位址(LogicalBlockAddress,

LBA)是描述电脑储存设备上资料所在扇区通用机制。LBA是非常单纯一个寻址模式﹔从0开始编号来定位扇区，第一扇区LBA=0，第二扇区LBA=1，依这类推。这种寻址模式取代了原先操作系统必须面对储存设备硬件结构方式。在访问硬盘时，由硬盘控制器再将这种逻辑地址转换为实际硬盘物理地址外部存储器主题知识讲座第14页3.统计格式

每一扇区除存放512字节用户数据外，还存放着用于同时、数据定位、数据校验等作用辅助数据，这些数据普通只作用于硬盘内部。外部存储器主题知识讲座第15页7.1.2硬磁盘性能指标1.容量硬盘是由多个存放碟片组合而成，而单碟容量就是一个存放碟所能存放最大数据量。经过两种伎俩增加硬盘容量：一个是增加存放碟片数量；另一个方法就是增加单碟容量。位密度：磁道单位长度上所存放二进个数道密度：半径方向单位长度上磁道个数面密度：=位密度*道密度（Mb/平方英寸或Gbit/平方英寸）外部存储器主题知识讲座第16页7.1.2硬磁盘性能指标2.最大内部数据传输率是指磁头至硬盘缓存间最大数据传输率包含磁头把数据从盘片读入缓存速度，以及磁头把数据从缓存写入盘片速度。可用来评价硬盘读写速度和整体性能3.转速主轴转速是决定硬盘内部数据传输率决定原因之一，它在很大程度上决定了硬盘速度，同时也是区分硬盘档次主要标志。外部存储器主题知识讲座第17页7.1.2硬磁盘性能指标4.高速缓存指在硬盘内部高速DRAM存放器。5.寻道时间(ms)指硬盘磁头移动到数据所在磁道而所用时间。平均寻道时间则为磁头移动到正中间磁道需要时间。外部存储器主题知识讲座第18页7.1.2硬磁盘性能指标6.SMARTS.M.A.R.T全称为“Self-MonitoringAnalysisandReportingTechnology”，即“自我监测、分析及汇报技术”。支持S.M.A.R.T技术硬盘能够经过硬盘上监测指令和主机上监测软件对磁头、盘片、马达、电路运行情况、历史统计及预设安全值进行分析、比较。当出现安全值范围以外情况时，就会自动向用户发出警告。外部存储器主题知识讲座第19页7.1.3

分区和格式化硬盘在使用之前必须经过低级格式化、分区和高级格式化三个步骤。1.低级格式化普通硬盘在出厂之前都做过低级格式化，低级格式化和操作系统无关。作用：创建磁道和扇区，写入每个扇区头、尾信息。外部存储器主题知识讲座第20页7.1.3

分区和格式化分区将硬盘分成多个逻辑区域(逻辑盘)，每个分区可支持不一样操作系统。分区可分为主分区和扩展分区，扩展分区又可分成多个逻辑分区，每个分区对应一个逻辑磁盘。

主引导统计分区1（主分区）分区2（扩展分区）分区3（其它分区）分区3（其它分区）外部存储器主题知识讲座第21页7.1.3

分区和格式化3.高级格式化

将分区内全部扇区分成引导区、文件分配表(FAT)、文件根目录表和数据区四个区域。引导区：磁盘参数和引导程序等。文件分配表(FAT)：数据区每一个簇对应文件分配表中两个字节，表示该簇被某文件占用并指明该文件下一簇。文件根目录：一个文件目录称为一个目录项。存放文件名、修改日期时间、文件长度及起始簇。外部存储器主题知识讲座第22页硬盘文件系统FAT(FileAllocationTable)16FAT16文件系统中簇编号为16位二进制，簇最大容量为32KB，逻辑盘最大容量=64KX32K=2048M=2G。FAT32：32位文件分配表，用于Windows9x/文件系统，用32位二进制对簇进行编号。FAT32文件系统簇所包含扇区数少，如2GB一个逻辑盘，FAT16簇容量为32KB，而FAT32簇容量为4KB。外部存储器主题知识讲座第23页硬盘文件系统NTFS：最大分区2TB，Win2000下使用FAT32最大分区为32GB。使用事物处理日志和恢复技术来保证分区一致性，发生系统失败事件时，NTFS使用日志文件和检验点信息自动恢复文件系统一致性。支持对分区、文件夹和文件压缩。可认为共享资源、文件夹以及文件设置访问许可权限外部存储器主题知识讲座第24页提升磁盘存放容量技术早期标准统计：

新扇区统计：位密度外低内高; 位密度相等;浪费存放能力； 充分利用存放能力；数据传输速率相等。 数据传输速率外高内低。1.改变扇区统计方式外部存储器主题知识讲座第25页提升磁盘存放容量技术2.采取垂直磁统计两种不一样磁统计方式示意图上图为纵向磁统计下列图为垂直磁统计外部存储器主题知识讲座第26页提升磁盘存放容量技术3.3D储存技术是在原来只有一层储存面下再加一层，变成上层磁性排列方向能左右改变，下层则是上下改变两层。应用这种技术后硬盘容量就能够翻倍了。外部存储器主题知识讲座第27页SSD基于DRAM基于FLASHMLCNAND型

NOR型

SLC固态硬盘固态硬盘SSD也称作电子硬盘或者固态电子盘固态存放单元组成硬盘。外部存储器主题知识讲座第28页基于闪存固态硬盘IntelSSD720，采取了PCI-Express2.0x4接口，配置512MB缓存，搭载34nmMLCNAND闪存颗粒，官方给出读写速度分别到达了2.2GB/s和1.8GB/s，随机读取高达180000IOPS，写入则为56000IOPS。IOPS(Input/OutputOperationsPerSecond)，即每秒进行读写（I/O）操作次数，多用于数据库等场所，衡量随机访问性能。外部存储器主题知识讲座第29页固态硬盘固态硬盘工作原理SSD硬盘用闪存颗粒来存放数据。固态硬盘在原理结构上基本上是模拟普通机械硬盘，比如模拟扇区、模拟磁道等。固态硬盘使用寿命限制在固态硬盘算法定义中，修改一次才算一次真正读写。外部存储器主题知识讲座第30页固态硬盘固态硬盘优点低功耗、无噪音、抗震动、低热量、重量轻、速度快固态硬盘缺点：成本和写入次数。而因为flash芯片都有一定写入寿命、而且寿命届满后资料会读不出来。固态硬盘数据损坏后是难以修复。外部存储器主题知识讲座第31页混合硬盘混合硬盘：在原硬盘基础上增加闪存缓存基于闪存缓存能够降低读取硬盘次数而且消除许多写盘动作。与传统硬盘相比混合硬盘优点：更加快开机与休眠回复速度；更低耗电率；更高可靠度。外部存储器主题知识讲座第32页7.2.1光盘分类当前光盘储存系统主要有CD和DVD两类：CD：存放容量约650MB，按读写属性可分为只读、一次可写，可擦写三种。DVD：可双面存放信息，而且每面可存放两层信息。单面单层4.7GB，双面单层9.4GB，双面双层17GB。CDCD-ROMVCDCD-IPhotoCDCD-RCD-RWDVDDVD-ROMDVD-RDVD-RW外部存储器主题知识讲座第33页7.2光盘存放系统-原理光盘上存放各种类型信息都是数字化后“0”与“1”，其所对应就是光盘上Pits（凹点）和Lands（平面）。当激光映射到盘片上时，假如是照在Lands上，那么就会有70％到80％激光被反射回；假如照在Pits上，就无法反射回激光。依据反射和无反射情况，光盘驱动器就能够解读"0"或"1"数字编码了。外部存储器主题知识讲座第34页CD类光盘按应用和介质分类CD-DA(DigitalAudio)：激光唱盘。CD-ROM(ReadOnlyMemory)：只读光盘，作为电子出版物载体。PhotoCD：Kodak企业制订，用压缩方式存放数字照片CD格式标准。CD-I(Interactive)：一个支持交互CD技术规范。VCD(VideoCD)：用MPEG-1压缩方式存放数字化视频和音频CD标准。其视频分辨率约为240X320，伴音为双声道立体声，播放时间约74分钟。CD-R(Recordable)：可写入介质光盘，可分屡次写入。CD-RW(Rewritable)：可擦写介质盘。外部存储器主题知识讲座第35页7.2.3DVD基本结构及原理1994年9月，日本PIONEER（先锋）企业宣告将推出一个尺寸与CD-ROM相同、容量却要大8倍新型光存放介质——DVD。DVD光盘结构与CD光盘基本相同，直径都是12cm，存放密度则比后者大得多，主要得益于DVD光盘上统计数据凹坑尺寸和轨道间距都比CD光盘小，所以大大提升了数据存放密度。外部存储器主题知识讲座第36页DVD主要规格DVD主要规格

DVD主要有：DVD-ROM、DVD-Video、DVD-Audio、DVD-R、DVD-RW、

DVD+RW、DVD-RAM等。

1.DVD-ROM

DVD-ROM是用来读取数字资料DVD规格，总共有四种容量，分别为4.7GB、8.5GB、9.4GB、17GB，硬件产品称为只读式DVD-ROM光驱。

DVD光盘规格

名称格式

容量DVD-5单面单层4.7GBDVD-9单面双层8.5GBDVD-10双面单层9.4GBDVD-18双面双层17GB

外部存储器主题知识讲座第37页DVD主要规格DVD-RDVD-R是能写入一次，容量为4.7GB。DVD-R是用有机染料看成纪录介质，利用激光在染料层上刻出pit纪录资料能够供DVD-ROM读取，也能够在DVD播放机里播放。DVD-RAMDVD-RAM是一个由松下、日立及东芝企业联合推出可重复擦写DVD规范。普通DVD-ROM光驱无法读取DVD-RAM外部存储器主题知识讲座第38页DVD主要规格双层DVD刻录盘片外部存储器主题知识讲座第39页DVD主要规格DVD±RWDVDForum所提出第二种可重复读写DVD规格，其硬件产品称之为可覆写式数字多功效光驱(DVD-RW光驱)，其主导厂商有先锋，参加制造厂商有三星、夏普、SONY…等。第二代DVD±RW它光盘容量将会要求是4.7GB，而且除了能够烧录DVD±RW片子外，还能够支持烧录DVD-R、DVD-RW、CD-R、CD-RW这些光盘片。外部存储器主题知识讲座第40页7.2.5蓝光技术介绍2月19日：以索尼、飞利浦、松下为关键，联合日立、先锋、三星、LG、夏普和汤姆逊共同公布了Blu-rayDisc（简称BD）技术标准。高密度，大容量，单层容量为25GB，双层容量50GB。采取405nm蓝色激光读写，得名“蓝光” 主要轨道参数中凹陷直径为0.14μm（DVD为0.4μm），轨道间距为0.32μm（DVD为0.74μm）。 BD系统主要应用将是高清楚度电影，压缩标准为MPEG-2，视频分辨率为1920×1080或1080×720，音频为7.1声道围绕声。版权保护愈加严格外部存储器主题知识讲座第41页外部存储器主题知识讲座第42页7.2光盘系统——光盘驱动器光盘驱动器就是日常所说光驱，读取光盘信息设备内部组成旋转及其伺服控制机构；激光发送、接收及其平行移动反光和聚焦系统；信号编译码、驱动检测电路；接口控制和缓冲存放器电路。

激光二极管

光束分离器

聚焦透镜

光电检测器

平移驱动装置

反光镜

光盘

外部存储器主题知识讲座第43页7.2光盘驱动器驱动器类型及其兼容性驱动器类型光盘类型CD-ROMCD-R/RWDVD-VideoDVD-ROMDVD-RAMDVD-R/RWDVD+R/RWCD-ROMRRCD-R/RWRR/WDVD-ROMRRRRRRComboRR/WRRRRDVD-RAMRRRRR/WRRDVD-RWRR/WRRR/WRDVD+RWRR/WRRRRR/W外部存储器主题知识讲座第44页3、光驱性能指标数据传输率：表明光驱从光盘上读取数据快慢。单速：是指最初CD光驱读取速率150KB/S

CD在1小时内读完一张CD盘速度定义为1倍速。DVD1倍速则在1350KB/s左右X倍速：指是光驱读取速率是单速多少倍。平均读取时间：是指从光头定位到开始读盘时间，普通是越小越好。不能超出95ms。缓存：作用是提供一个数据缓冲区域，将读取数据暂时保留，然后一次性进行传输和转换。容错性能：是指光驱读取质量不太好光盘能力，容错性能越强，光驱能读“烂盘”越多。

外部存储器主题知识讲座第45页7.3.1移动盘移动盘主要包含两类第一类是由半导体存放器为存放内核，这一类主要是U盘。另外一类是以硬磁盘为存放内核，通常称这一类为移动硬盘。两类移动存放器当前使用接口主要是USB接口，但移动硬盘也有使用其它接口，如eSATA和IEEE-1394。外部存储器主题知识讲座第46页1.U盘U盘特点1、体积小、容量大2、传输速度快：USB3.0接口3、携带方便4、数据安全抗震性能强,防潮防磁数据可长久保留外部存储器主题知识讲座第47页1.U盘

USB闪存盘结构闪存盘主要由I/O控制芯片、闪存、电路板和其它电子元器件组成。外部存储器主题知识讲座第48页2.移动硬盘移动硬盘实际上就是硬盘采取了USB接口或IEEE-1394接口，有些还带有eSATA接口。外部存储器主题知识讲座第49页7.3.2存放卡存放卡：也叫闪存卡（FlashCard）是利用闪存技术存放电子信息存放器普通应用在数码相机，掌上电脑，MP3等小型数码产品中作为存放介质。CF（CompactFlash）卡MMC（MultiMediaCards）卡(已停产)SD（SecureDigitalCard）卡记忆棒（MemoryStick）外部存储器主题知识讲座第50页1.CF——CompactFlashCF存放卡是由美国SanDisk企业于1994年研制成功，它采取了ATA体系结构并仿照了磁盘驱动器CF卡特点是：ATA数据接口，容量大、存取速度快、兼容性好。CF卡1X传输速度为150KB/S，主流有133X、266X等，高端则有600X外部存储器主题知识讲座第51页2.MMC——MultiMediaCardMMC卡（MultiMediaCard，多媒体卡）由SanDisk与西门子联合开发，于1997年11月发表，其外形尺寸为24mm×32mm×1.4mm，重量2g。MMC卡存放单元和控制器一同做到了卡上RS-MMC（