计算机组成原理-第22-23讲(第7章)

第七章I/O设备与辅助存储器7.1I/O设备概述7.2简单I/O设备7.3辅存的种类与技术指标7.6其它辅存设备7.5硬磁盘存储器7.4磁表面存储器工作原理07.1I/O设备概述计算机硬件系统中，除了需要运算器来进行逻辑和算术运算、控制器产生控制信号、存储器来存储当前正在执行的程序和数据外。还需要I/O设备用于输入数据与程序、输出计算机处理后的结果。计算机中，除了CPU和主存外，计算机系统的每一个部分都可以作为一个外围设备来看待。1计算机I/O系统结构CPU主存系统总线I/O接口外存设备控制器I/O接口输出设备控制器I/O接口输入设备控制器系统总线系统总线外围设备为什么不直接和主机相连？2I/O接口的必要性外部设备种类繁多，它们对所传输的信息的要求也各不相同，这就给计算机和外设之间的信息交换带来以下一些问题：

①速度不匹配②信号格式不匹配③时序不匹配

ABCPU

DBCB存储器I/O接口显示器鼠标键盘硬盘软驱光驱……扫描仪37.3辅存的种类和技术指标

辅助存储器用于存放当前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主存成批地交换数据。它作为主存的后备和补充，是主机的外部设备，因此又称为外存储器。辅助存储器的特点是容量大、成本低，通常在断电后仍能保存信息，是“非易失性”存储器。4辅存的分类辅助存储器磁表面存储器构成：将磁性材料沉积在盘片（或带）的基体上形成记录介质，并以绕有线圈的磁头与记录介质的相对运动来写入或读出信息。光存储器构成：利用激光束在具有感光特性的表面上存储信息5辅存主要技术指标存储密度

单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制信息量。存储容量

指磁表面存储器所能存储的二进制信息总量。寻址时间

磁头从启动到找到存储位置的时间称为寻址时间，分成找道时间和等待时间。6①存储密度存储密度分成道密度和位密度，也可以用两者的乘积-面密度表示。对于磁带存储器，则主要用位密度表示。

磁道指的是存储在介质表面上的信息的磁化轨迹，磁盘与磁带的磁化轨迹是不同的。

柱面在磁盘存储器中，对有多个盘片构成的盘组中，由处于同一半径的磁道组成的一个圆柱面。7磁道柱面道密度：半径方向单位长度磁道数，单位：道/英寸位密度：磁道方向上单位长度记录的二进制位数，单位：位/英寸①存储密度8②存储容量存储容量可以分成非格式容量和格式化容量。非格式化容量指的是磁盘表面可以利用的磁化单元总数。格式化容量指的是按照某种特定格式所能存储信息的总量。是用户真正能使用的容量，约为非格式化容量的60%~70%。9③寻址时间寻址时间包括找道时间和等待时间。

找道时间Ts指的是磁头从当前磁道移动到目标磁道的时间，一般以平均找道时间表示。

等待时间Tw指的找道完成后，磁头等待读写区域旋转到磁头正下方所需要的等待时间，一般也以平均等待时间表示，平均等待时间为磁盘旋转半圈的时间。10寻址时间理解等待时间Tw找道时间Ts与磁盘转速有关。计算时一般用平均等待时间Twa表示，为磁盘转半圈的时间。显然与磁头的移动速度有关，表示为平均找道时间。旋转情况1：旋转一圈旋转情况2：无需旋转对于磁带，由于每个磁头直接对应一个磁道，无找道时间，需要较长的等待时间11磁盘结构扇区2……扇区n扇区1扇区容量扇区012举例

3.5英寸高密度软磁盘存储器共有2个记录面，每面80个磁道，每个磁道18个记录扇区，每个扇区可记录信息512个字节。软磁盘机的转速为每分钟360转（360rpm)，求该软磁盘存储器的容量和平均等待时间。

容量：80*2*18*512/1024/1024=1.4MB

平均等待时间=(60/360)/2=0.167/2≈83ms137.4磁表面存储器的工作原理

磁表面存储器用于是将磁性材料沉积在盘片或塑料带的基体上形成记录介质，并以绕有线圈的磁头与记录介质的相对运动来写入或读出数据。常见的磁表面存储器包括硬磁盘存储器、软磁盘存储器、磁带等。

具有的优点：①存储容量大、位价格低②记录介质可以重复使用③记录信息可以长期保存而不丢失④非破坏性读出，读出时不需要刷新。14①磁性材料与磁滞回线硬盘上的磁性材料涂层在平时不显磁性，但在外部磁场作用下会被磁化，当外磁场达到一定强度时，磁化出现饱和，此时去掉外磁场后磁性不消失，称为有剩磁。外磁场的方向决定剩磁状态。图中H为磁场强度，B为磁感应强度，Hd为矫顽力。HBHd-Hd+Br-Br两个不同的磁化方向代表数据0和数据1。15基体运动方向磁层写线圈读线圈②磁头的读写原理磁表面存储器在读写时，磁头固定不变，磁层相对磁头作直线运动。磁头是软磁材料(断电后无磁性)的铁芯绕以线圈，通入不同方向电流来写1写0。写1写0e读数据时，磁头和磁化单元做切割磁力线运动，从而在读线圈两端产生感应电势。经过后续处理可读出所存信息。16③磁表面存储器读写原理实际上，磁表面存储器在写入时，还需要其他电路来完成离散的数字信号到连续的电流的转换；当读数据时，需要进行信号的放大和译码。数字信号编码电路写入电流驱动记录序列读出信号放大读出序列数字信号译码电路在和主机进行数据交换时，还必须完成串并数据格式的转换17④磁记录方式数据在送入磁头之前需要编码电路来产生电流，相应的编码方法称为磁记录方式，根据磁盘存储技术的发展，有多种磁记录方式。包括：

归零制(RZ)、不归零制(NRZ)见1就翻的不归零制(NRZ1)、调相制(PM)调频制(FM)、改进的调频制(MFM)18①归零制RZ若记录1信息，则加正向写入电流脉冲；若记录0信息，则加负向写入电流脉冲，每写入一个信息，电流归零。101110001此方式中，相邻两位信息之间，磁头线圈的写电流为0，相应的这段磁层未被磁化。写数据时需要先去磁。记录密度低，抗干扰能力差。已不使用。19归零制的读出波形101110001读出时可通过同步信号过滤一个周期的后半部分，从而比较容易区分0和1。有自同步能力。20②不归零制NRZ若记录1信息，则在周期内加正向写入电流脉冲；若记录0信息，则再周期内加负向写入电流脉冲，无需向RZ那样将电流归零。101110001此方式中，相邻两位记录同样信息时，电流方向不需要改变，仅不同时才发生翻转。抗干扰能力较好。21不归零制的读出波形101110001读出时对于连续的1或0，中间均没有脉冲读出，因此不容易区分0和1，需要同步脉冲信号加以区分。22③见1就翻的不归零制NRZ1

NRZ1方式是NRZ的一种改进。当写1时，磁头线圈的写入电流方向改变一次，当写0时，写入电流方向保持不变。101110001此方式中适用于低速磁带机上。23见1就翻不归零制的读出波形101110001读出时仅数据1有脉冲，而数据0无脉冲，需要同步脉冲信号加以区分，不具有自同步能力。24④调相制PM利用磁层的磁化反转方向的相位差来表示1和0。设写1时，写入电流在位周期中间位置由正变负。当写连续0和连续1时，需要在位周期交界地方翻转一次。101110001此方式中适用于磁带机上。25调相制的读出波形101110001读出时在位周期中内检测到脉冲信号，且数据1对应负脉冲，数据0对应正脉冲。具有自同步能力。26⑤调频制FM若记录1，则写入电流在一个位周期中间改变一次方向；若记录0，则写入电流在位周期中间不改变方向；无论写0还是写1，在两个位周期交界处需改变。101110001记录1的磁层磁化翻转频率是记录0的两倍，又称为“倍频制”，应用于早期磁盘中。27调频制的读出波形101110001对于数据0，仅在周期开始处检测到脉冲；对于数据0，在位周期开始处和中间位置均能检测出脉冲。28⑥改进的调频制MFM若记录1，则写入电流在一个位周期中间改变一次方向；若记录0，则写入电流在位周期中间不改变方向；若连续写多个0，则在两个0的位周期交界处翻转。101110001相对FM而言减少了翻转次数29改进的调频制的读出波形101110001对于数据1，在位周期中间位置能检测出脉冲。对于单个数据0无脉冲；对于连续多个0，交界处有脉冲。307.5硬磁盘存储器硬磁盘存储器因为基体为铝合金盘片的硬性介质而得名。硬度大，表面光滑，记录密度大保证了硬盘容量远大于软盘和磁带。硬盘存储器主要由磁记录介质、磁盘控制器、磁盘驱动器三部分组成。自1956年IBM的第一块商用硬盘的出现，随着计算机的发展，硬盘朝着小型化、大容量、高速度的方向发展。31硬盘的分类按盘片是否可换

分为可换盘片式和固定盘片式。

前者盘片可以更换，盘片可更换，同型号硬盘盘片可更换，但工作环境要求极高。按磁头是否可动

分为可移动磁头式和固定磁头式。

前者磁头可以沿径向移动，而后者盘片的每一个磁道均对应一个磁头，存储速度快，无需找道时间，缺点是结构过于复杂。微机上使用的硬盘是可移动式磁头固定盘片的温盘。32温彻斯特磁盘机温彻斯特磁盘(Winchesterdisk)是一种采用先进技术研制的可移动磁头固定盘片的磁盘机。第一块温盘IBM3340于1973年由位于美国加州坎贝尔市温彻斯特大街的IBM公司研究所研制成功。

温盘是一种密封组合式的硬磁盘，即磁头、盘片、电机等驱动部件和读写电路组装成一个不可随意拆卸的整体。工作时，高速旋转的盘片形成的气垫将磁头平稳浮起。防尘性好、可靠性高，对环境要求不高。33硬盘结构及驱动部件34硬盘控制器硬盘除了需要驱动部件控制磁头准确定位信息存放的磁道外，还需要控制器负责数据的转换和主机的通信。控制电路一般设置在磁盘背面。主机数据缓冲DMA控制并/串转换串/并转换数据译码读时钟产生器读放大器数据编码器写放大器读/写磁头磁盘机格式控制35磁盘技术的发展①磁盘cache

磁盘中数据的读取依赖机械运动，速度较主存有很大差别。也是根据局部性原理，设置磁盘cache弥补磁盘和主存之间的速度差。一般通过预读的方式实现。目前磁盘cache在8MB以上。②磁盘阵列磁盘整列RAID称廉价冗余磁盘阵列。是用多台磁盘存储器组成的大容量外存系统。367.6其它辅存设备磁带存储器

记录原理与磁盘存储器类似，其载磁体是一种带状塑料，叫做磁带。读取或写入数据时，磁头不动，磁带相对磁头运动。