计算机组成与结构 第八章 辅助存储器课件

第八章辅助存储器前言8.1辅助存储器的种类与技术指标8.2磁记录原理与记录方式8.3硬磁盘存储器8.4软磁盘存储器8.5光盘存储器8.6磁盘存储器与光盘存储器的比较前言

按存放信息的不同存储器分为两种：主存储器和辅助存储器。主存储器用来存放CPU正在使用的数据和程序，辅助存储器用来放目前不使用的信息。辅助存储器的特点是：容量大，速度较慢，成本低，断电后还能保存信息，属于非易失性存储器。大部分辅助存储器脱机后还能保存信息。8.1辅助存储器的种类与技术指标

8.1.1辅助存储器的种类

目前常用的辅助存储器主要有两类：磁表面存储器和光存储器。1、磁表面存储器把磁性材料沉积在基体上形成记录介质，分两类：数字磁记录和模拟磁记录。

工作原理：磁性材料沉积在基体上形成记录介质，通过磁头与记录介质的相对运动来读写信息。

2、光存储器

记录原理：用激光在具有感光特性的介质上非接触地记录高密度信息，以介质材料的光学性质的变化来表示0或1。

优点：容量大。

缺点：速度慢。

8.1.2辅助存储器的技术指标

主要技术指标有存储密度、存储容量和寻址时间。1、存储密度

定义：单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制信息量。对磁盘存储器来说可以用道密度或位密度来表示。

道密度：沿磁盘半径方向单位长度的磁道数，单位是道/英寸或道/毫米。

位密度：单位长度磁道能记录的二进制信息的位数，又叫线密度。单位是位/英寸或位/毫米。

2、存储容量

定义：存储器所能存储的二进制信息总量。一般以字节为单位。磁盘存储器有格式化和非格式化两个容量，格式化容量指的是用户可以使用的容量，一般为非格式化容量的80%。

格式化分高级格式化和低级格式化。

高级格式化：清除硬盘上的数据，生成引导信息，初始化FAT表，标注逻辑坏道等。

三种文件系统：FAT、FAT32和NTFS。

①FAT：文件分配表（Table），是硬盘对其上文件分配管理的一种系统，它记录着硬盘的容量，文件配置的情况，哪些扇区己被数据占用，哪些扇区没有被数据占用。FAT适用范围：DOS、WIN3.X。WIN95使用的是扩展文件分配表(VFAT)，支持长文件名。

②FAT32FAT32支持的文件大小可以达到4GB。FAT32支持的磁盘容量达到2048GB，而FAT只能支持2GB的磁盘大小。基于FAT32的Win2000可以支持分区最大为32GB。支持这一磁盘分区格式的操作系统有win98和win2000、winXP，向下兼容。基于FAT16的Win2000支持的分区最大为4GB。

③NTFS新技术文件系统，NTFS支持文件加密管理功能，可为用户提供更高层次的安全保证。NTFS可以支持的文件大小可以达到64GB。支持NTFS的系统有win2000、winNT和winXP。NTFS可以支持的分区大小可以达到2TB。

4、数据传输率（外部）

定义：磁表面存储器的缓存在单位时间内与主机之间传送数据的位数或字节数。单位bps。硬盘内部数据传输率：磁头与硬盘cache之间的数据传输率。5、误码率衡量磁表面存储器的出错概率，等于出错信息的位数和读出的总信息位数比。例题1：某软盘有两个记录面，每面有80个磁道，每个磁道分15个扇区，每个扇区可记录512字节的信息，转速为360转每分，求此盘的容量及平均等待时间。解：容量=512*15*80*2=1.2MB旋转一圈需要的时间为1/360=0.167秒

∴平均等待时间为0.167/2=83ms盘片

磁盘的数据传输率（内部数据传输率）：磁头与硬盘cache之间的数据传输率Dr，取决于硬盘的转速和道容量。假设磁盘转数为n转/秒，每条磁道的容量为N个字节，则Dr=n*N，单位字节/秒。2002年程序员试题某硬盘中共有9个盘片，16个记录面，每个记录面上有2100个磁道，每个磁道分为64个扇区，每扇区为512字节，则该硬盘的存储容量为(58)。磁盘的位密度随着磁道从内向外而(59)。(58)A、590.6MBB、9225MBC、1050MBD、1101MB(59)A、减少B、不变C、增加D、视磁盘而定CA2002年高程试题假设一个有3个盘片的硬盘，共有4个记录面，转速为7200转/分，盘面有效记录区域的外直径为30cm，内直径为10cm，记录位密度为250位/mm，磁道密度为8道/mm，每磁道分16个扇区，每扇区512字节，则该硬盘的非格式化容量和格式化容量约为__(58)__，数据传输率约为__(59)__若一个文件超出一个磁道容量，剩下的部分__(60)__。(58)A.120MB和100MBB.30MB和25MBC.60MB和50MBD.22.5MB和25MB(59)A.2356KB/sB.3534KB/sC.7069KB/sD.1178KB/sBD

1、写磁头线圈通一电流，磁头中将产生磁场，在磁头前隙处磁力线通过磁表面形成一个闭合回路，因此磁表面被磁化。当电流被撤走后，剩磁形成了磁化小区域，即电信号转化成了磁信号。线圈中电流方向不同，则剩磁状态不同，可用来记录0或1。

2、读磁表面和磁头之间相对运动，事先被磁化了的区域经过磁头前隙时，磁力线穿过磁头并被切割，磁头中的磁通发生变化，线圈中产生感应电动势，磁通正向增大时，磁头线圈中产生一个负的电动势；磁通变小时则产生正的感应电动势，即产生负、正脉冲——磁信号转换成电信号。

2、磁头磁头是实现电磁相互转换的装置。

Iw

①感应式磁头采用电磁感应原理读记录信号。按工作方式分为接触式磁头和浮动式磁头。接触式磁头：磁头与记录介质直接接触。

浮动式磁头：介质高速运动时产生的气流在磁头与介质表面之间形成一层空气薄膜，使磁头与介质表面脱离接触。

②MR磁头磁头利用磁致电阻效应可在高密度记录下读出信息。专用于读出的磁头，不能写。

8.2.3磁记录方式

定义：是一种编码方法，按某种规律将一串二进制数字信息变换成存储介质磁层的相应磁化翻转形式，并经读写控制电路实现这种转换规律。

常用的编码方法有：归零制(RZ)不归零制(NRZ)见1就翻的NRZ1调相制(PM)调频制(FM)改进调频制(MFM)

BIOS：BasicInput/outputSystem的缩写，基本输入/输出系统，它是操作系统和硬件之间连接的桥梁。是一个固件，即以硬件形式提供的软件产品。BIOS实质是一组程序而且包含了一组缺省参数。

BIOSROMEPROME2PROM

CMOS：是一个能存储128字节的芯片，用来存放BIOS的初始参数——日期、时钟、内存容量、显示设备类型等等。由内部电池供电，断电后仍能保存信息。即CMOS是一RAM，存储BIOS设置程序设置的一些参数。

BIOS是一组操纵计算机芯片的控制程序，是计算机最基本的操纵程序，任何操作系统都建立在其基础之上。BIOS程序包括自检及初始化、硬件中断服务和BIOS设置。1、自检及初始化（1）自检当电源接通后，系统硬件生成一条执行命令，启动BIOS自检程序运行。对各硬件进行检测，如果发现故障，则以代码或响声来报告。因为程序用汇编语言编写，所以不能用文字显示说明。

（2）初始化通过检测CMOSRAM里的内容来识别系统的硬件配置，并根据这些配置信息进行初始化。（3）系统自举BIOS完成自检和初始化后，将系统主引导扇区的内容读到内存，并启动主引导程序。2、硬件中断服务程序操作系统与硬件打交道是通过中断服务程序实现的，中断服务程序包括：磁盘中断服务程序、通信中断服务程序、键盘中断服务程序、显示中断服务程序、打印中断服务程序、磁道中断服务程序等等。

3、BIOS设置

可进行日期、时间、硬盘驱动器参数、软盘驱动器参数、各芯片功能的启用和关闭等项。8.3.1硬磁盘存储器的种类及基本结构

硬磁盘存储器指的是记录介质为硬质圆形盘片的辅助存储器系统。以铝合金为基底，上面涂有磁粉，采用甩涂工艺。1、根据磁头的工作方式分类可分成移动头磁盘存储器和固定头磁盘存储器。固定头磁盘存储器中每一个磁道都对应一个磁头，省去了找道时间。

2、根据磁盘可换与否分类可分成可换盘存储器与固定盘存储器。

可换盘存储器是指磁盘不用时可以脱机保存，如现用的软盘。

固定盘存储器是指磁盘不能从驱动器中取出来，更换时要把整个头盘组合体一起换。

温盘是可移动磁头固定盘片的磁盘存储器，采用的温彻斯特技术。

3、硬磁盘的基本结构硬盘由驱动器（HDD）和控制器（HDC）组成。硬盘驱动器又称磁盘机或磁盘子系统，是独立于主机外的一个装置。硬盘控制器一般指插在主机总线插槽中的一块电路板，它的作用是接受主机发送的命令和数据，并转换成驱动器的控制命令和驱动器可以接受的数据格式，控制驱动器的读写。硬盘基本结构

8.3.2HDD与HDC

1、HDDHDD的主要组成部分是定位驱动系统、数据控制系统、主轴系统和盘组。①定位驱动系统是驱动磁头沿盘面径向位置运动以寻找目标磁道位置的机构。由驱动部件和运载部件组成。目前HDD普遍采用音圈电机和伺服盘定位。音圈电机直接驱动磁头运动。

工作过程：（1）位置检测电路检测出磁头当前位置（2）控制器送来目标磁道位置（3）逻辑电路求出目标位置与磁头当前位置的差值。（4）模拟控制电路根据差值及磁头现在的运行速度求出磁头运动方向和速度。（5）功率放大器把信号放大为驱动磁头运动的电流（6）音圈电机推动小车到预定位置

②主轴系统作用是安装盘片，并驱动他们以额定的转速稳定旋转。③数据控制系统作用是控制数据的读写。（1）写入数据a、接收选头选址信号，并把硬盘地址信号发到地址寄存器中b、根据控制器发来的写命令及CPU中DR的数据开始写入信息c、写电流由头选信号、写命令和文件保护信号控制流入选定的磁头线圈d、由检测电路检查是否有错误

（2）读出数据读出电路接收磁盘表面的磁通变化，作为磁头的激磁电压，即在磁头线圈内产生感应电动势。a、执行寻址操作并选择磁头b、磁头读出信号送放大器c、读放大器输出送译码电路

④盘组由盘片组成，每个盘片有两个记录面，但盘组的最上和最下两个记录面不用。

2、HDC硬盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口，与主机之间成批交换数据，采用DMA控制方式。主机与驱动器之间的交接部件的控制器有两个接口，一个是与主机之间的接口（系统级接口），另外一个是与设备的接口。目前常见的系统级硬盘接口有二种，它们分别是IDE接口、SCSI接口。

①IDE即IntegratedDriveElectronics，它的本意是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，我们常说的IDE接口，也叫ATA（AdvancedTechnologyAttachment）接口。②SCSI(SmallComputerSystemInterface，小型计算机系统接口)原是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术，现在越来越多地出现在PC服务器上，SCSI接口正在成为PC服务器的标准接口。速度快，转数高。磁盘cache容量大。8.3.3磁盘上信息的分布

磁道的编址由外向内依次编号，从零开始，最里面一个磁道内的圆面积不用来记录信息。扇区号从1开始，可连续编号，也可以间隔编号。记录面的面号从0开始。所以磁盘地址由记录面号、磁道号和扇区号组成。8.3.4磁盘cache

1、基本概念主存与磁盘的读取速度差距太大，为弥补主存与磁盘之间的速度差距可采用增加磁盘主轴转速、提高I/O总线速度、采用磁盘cache等方法。磁盘cache就是为了弥补主存与磁盘之间的速度差距。

2、磁盘cache的工作原理cache行：磁盘cache中一些数据块组成的一个基本单位称为cache行。缓存是硬盘与外部总线交换数据的场所。硬盘的读数据的过程是将磁信号转化为电信号后，通过缓存一次次地填充与清空，再填充，再清空，一步步按照PCI总线的周期送出，可见，缓存的作用是相当重要的。在接口技术已经发展到一个相对成熟的阶段的时候，缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素。目前主流硬盘的缓存主要有512KB和2MB等几种。其类型一般是EDODRAM或SDRAM，目前一般以SDRAM为主。根据写入方式的不同，有写通式和回写式两种。写通式在读硬盘数据时，系统先检查请求指令，看看所要的数据是否在缓存中，如果在的话就由缓存送出响应的数据，这个过程称为命中。这样系统就不必访问硬盘中的数据，由于SDRAM的速度比磁介质快很多，因此也就加快了数据传输的速度。回写式就是在写入硬盘数据时也在缓存中写，如果找到就由缓存就数据写入盘中，现在的多数硬盘都是采用的回写式硬盘，这样就大大提高了性能。

8.3.5磁盘阵列存储器

廉价冗余磁盘阵列（RAID）是用多台磁盘储存器组成的大容量外存储子系统。由美国加州大学伯克利分校提出。最初的研制磁盘，以目的是为了组合小的廉价磁盘来代替大的昂贵降低大批量数据存储的费用，同时也希望采用冗余信息的方式，使得磁盘失效时不会使对数据的访问受损失，从而开发出一定水平的数据保护技术，并且能适当的提升数据传输速度。1、RAID原因

（1）CPU速度增长幅度远远超过磁盘驱动器数据传输率的增长。（2）小盘径磁盘比大盘径磁盘成本低，功耗低。（3）数据的可靠性高。

2、RAID的工作原理

RAID按照实现原理的不同分为不同的级别，不同的级别之间工作模式是有区别的。整个的RAID结构是一些磁盘结构，通过对磁盘进行组合达到提高效率，减少错误的目的。

3、RAID的实现RAID实现有两种方法，一种是用专门的控制芯片来完成，控制芯片可以做成RAID卡的形式，也可以集成在主板上。另一种方法是用软件的方法来实现，比如WIN2000就含有软件RAID的功能。8.3.6硬磁盘驱动器的发展动向

容量几乎每年翻一倍，采用的措施是提高记录密度和增加内装盘片数量。发展动向：微型化、轻量化、大容量、速度快、供耗小、成本低。

8.3.7硬盘参数1、容量2、转数（转/分）3、磁盘cache8.4软磁盘存储器

8.4.1概述软磁盘的基体是用柔性材料制造的，所以称为软磁盘，简称软盘（floppydisk）。一、与硬盘比较同：（1）存储原理（2）记录方式异：（1）转速低（2）接触磁头（3）成本低二、种类按盘径大小分1.8英寸、2.5英寸、3.5英寸、5.25英寸、8英寸。三、盘片索引孔作用：检测盘片的转速和划分盘片的区段。四、软盘组成软盘由三个部分组成：软盘驱动器、软盘控制器与盘片。其中驱动器分为驱动机构、定位机构、磁头和读写电路四个部分。

软盘驱动器（软驱）是一个相对独立的装置，软盘控制器是插在主机总线槽中的接口板，作用是完成主机与软盘驱动器之间数据的传输与控制。目前使用较多的是1.44MB、3.5英寸的软盘片。高端电脑开始告别软盘，用U盘（闪盘）替代。

8.4.2软磁盘片基体是聚酯薄膜，磁粉氧化铁。

8.4.3软磁盘的记录格式记录格式指的是磁盘表面上信息的存储格式。目前常用软分段格式。

8.4.4其他移动辅存即插即用，可用USB接口。USB：通用串行总线（UniversalSerialBus）的缩写，Windows98及以上版本的操作系统都内置了对USB接口的支持。