第8章-外部设备课件.ppt

1、第第8章章 外部设备外部设备1第第8章章 外部设备外部设备2 外部设备是计算机系统中不可缺少外部设备是计算机系统中不可缺少的重要组成部分，本章将介绍磁介质存的重要组成部分，本章将介绍磁介质存储器的存储原理，常用磁介质存储设备储器的存储原理，常用磁介质存储设备和其他辅助存储设备，以及常见的输入和其他辅助存储设备，以及常见的输入输出设备的工作原理。输出设备的工作原理。 第第8章章 外部设备外部设备3本章学习内容本章学习内容 8.1 外部设备概述外部设备概述 8.2 磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理 8.3 磁介质存储设备磁介质存储设备 8.4 磁盘阵列（磁盘阵列（RAID） 8.5

2、 光盘存储器光盘存储器 8.6 新型辅助存储器新型辅助存储器 8.7 键盘输入设备键盘输入设备 8.8 其他输入设备其他输入设备 8.9 打印输出设备打印输出设备 8.10 显示设备显示设备第第8章章 外部设备外部设备4本章学习要求本章学习要求 了解：外部设备分类了解：外部设备分类 了解：磁介质存储器的读写原理和技术指标了解：磁介质存储器的读写原理和技术指标 理解：常见的数字磁记录方式理解：常见的数字磁记录方式 理解：硬盘上的信息分布和磁盘地址理解：硬盘上的信息分布和磁盘地址 了解：磁盘阵列的基本概念了解：磁盘阵列的基本概念 了解：光盘的基本概念。了解：光盘的基本概念。 了解：新型辅助存储器了

3、解：新型辅助存储器 理解：键盘的类型和非编码键盘的工作原理理解：键盘的类型和非编码键盘的工作原理 了解：其他输入设备了解：其他输入设备 理解：印字输出设备的特点和点阵针式打印机理解：印字输出设备的特点和点阵针式打印机的工作原理的工作原理 理解：显示设备特点和字符显示器的工作原理理解：显示设备特点和字符显示器的工作原理第第8章章 外部设备外部设备58 8.1 .1 外部设备概述外部设备概述 中央处理器（中央处理器（CPU）和主存储器（和主存储器（MM）构成计算机的主机。除主机以外，构成计算机的主机。除主机以外，而又围绕着主机设置的各种硬件装置称为而又围绕着主机设置的各种硬件装置称为外部设备或外围

4、设备。它们主要用来完成外部设备或外围设备。它们主要用来完成数据的输入、输出、成批存储以及对信息数据的输入、输出、成批存储以及对信息加工处理的任务。加工处理的任务。第第8章章 外部设备外部设备68 8.1.1 .1.1 外部设备的分类外部设备的分类1.输入输出设备输入输出设备 从计算机的角度出发，向计算机输从计算机的角度出发，向计算机输入信息的外部设备称为输入设备；接收入信息的外部设备称为输入设备；接收计算机输出信息的外部设备称为输出设计算机输出信息的外部设备称为输出设备。备。 输入设备有键盘、鼠标、扫描器、输入设备有键盘、鼠标、扫描器、数字化仪、磁卡输入设备、语音输入设数字化仪、磁卡输入设备、

5、语音输入设备等。输出设备有显示设备、绘图机、备等。输出设备有显示设备、绘图机、打印输出设备等。打印输出设备等。第第8章章 外部设备外部设备72.辅助存储器辅助存储器 辅助存储器是指主机以外的存储装置，又辅助存储器是指主机以外的存储装置，又称为后援存储器。辅助存储器的读写，就其本称为后援存储器。辅助存储器的读写，就其本质来说也是输入或输出，所以可以认为辅助存质来说也是输入或输出，所以可以认为辅助存储器也是一种复合型的输入输出设备。储器也是一种复合型的输入输出设备。 常见的辅助存储器有软磁盘存储器、硬磁常见的辅助存储器有软磁盘存储器、硬磁盘存储器、磁带存储器及光盘存储器等。盘存储器、磁带存储器及光

6、盘存储器等。3.终端设备终端设备 终端设备由输入设备、输出设备和终端控终端设备由输入设备、输出设备和终端控制器组成，通常通过通信线路与主机相连。终制器组成，通常通过通信线路与主机相连。终端设备具有向计算机输入信息和接收计算机输端设备具有向计算机输入信息和接收计算机输出信息的能力，具有与通信线路连接的通信控出信息的能力，具有与通信线路连接的通信控制能力，有些还具有一定的数据处理能力。制能力，有些还具有一定的数据处理能力。第第8章章 外部设备外部设备8 当计算机进行实时控制时，原始参数当计算机进行实时控制时，原始参数需要先用模数转换器将模拟量转换为数字需要先用模数转换器将模拟量转换为数字量，然后再

7、输入计算机进行处理。而经计量，然后再输入计算机进行处理。而经计算机处理后的控制信息，需先经数模转换算机处理后的控制信息，需先经数模转换器把数字量转换成模拟量，再送到执行部器把数字量转换成模拟量，再送到执行部件对控制对象进行自动调节。模数、数模件对控制对象进行自动调节。模数、数模转换设备均是过程控制设备。转换设备均是过程控制设备。4.过程控制设备过程控制设备第第8章章 外部设备外部设备98.1.2 8.1.2 外部设备的地位和作用外部设备的地位和作用 外部设备是计算机和外界联系的纽带、外部设备是计算机和外界联系的纽带、接口和界面。如果没有外部设备，计算机接口和界面。如果没有外部设备，计算机将无法

8、工作。外部设备在计算机系统中占将无法工作。外部设备在计算机系统中占据的地位变得越来越重要了。据的地位变得越来越重要了。 外部设备在计算机系统中的作用有：外部设备在计算机系统中的作用有： 外部设备是人机对话的通道外部设备是人机对话的通道 外部设备是完成数据媒体变换的设备外部设备是完成数据媒体变换的设备 外部设备是计算机系统软件和信息的驻在外部设备是计算机系统软件和信息的驻在地地 外部设备是计算机在各领域应用的桥梁外部设备是计算机在各领域应用的桥梁第第8章章 外部设备外部设备10 磁介质存储器的存储过程是一种电磁磁介质存储器的存储过程是一种电磁转换的过程。常见的磁介质存储器，如磁转换的过程。常见的

9、磁介质存储器，如磁盘、磁带等就是利用磁记录原理制成的。盘、磁带等就是利用磁记录原理制成的。8 8.2 .2 磁介质存储器的性能和原理磁介质存储器的性能和原理第第8章章 外部设备外部设备111.磁记录介质和磁头磁记录介质和磁头磁记录介质磁记录介质 在磁介质存储器中，信息是记录在在磁介质存储器中，信息是记录在一薄层磁性材料上的，这个薄层称为磁层。一薄层磁性材料上的，这个薄层称为磁层。磁层与所附着的载体称为记录介质或记录磁层与所附着的载体称为记录介质或记录媒体。媒体。 载体是由非磁性材料制成的。根据载体是由非磁性材料制成的。根据载体的性质，又可分为软质载体和硬质载载体的性质，又可分为软质载体和硬质载

10、体。体。8 8.2.1 .2.1 磁介质存储器的读写磁介质存储器的读写第第8章章 外部设备外部设备12磁头磁头 磁头是磁记录设备的关键部件之一，磁头是磁记录设备的关键部件之一，是一种电磁转换元件，能把电脉冲表示的是一种电磁转换元件，能把电脉冲表示的二进制代码转换成磁记录介质上的磁化状二进制代码转换成磁记录介质上的磁化状态，即电态，即电磁转换；反过来，能把磁记录磁转换；反过来，能把磁记录介质上的磁化状态转换成电脉冲，即磁介质上的磁化状态转换成电脉冲，即磁电转换。电转换。 在读写过程中，磁记录介质与磁头之在读写过程中，磁记录介质与磁头之间相对运动，一般是记录介质运动而磁头间相对运动，一般是记录介质

11、运动而磁头不动。不动。1.磁记录介质和磁头（续）磁记录介质和磁头（续）第第8章章 外部设备外部设备13 写入时，在写磁头线圈中通以一定写入时，在写磁头线圈中通以一定方向的写电流，所产生的磁通将从磁头的方向的写电流，所产生的磁通将从磁头的头隙进入记录介质，然后流回磁头，形成头隙进入记录介质，然后流回磁头，形成一个回路，于是在磁头下方的一个局部区一个回路，于是在磁头下方的一个局部区域被磁化，形成一个磁化单元（或称记录域被磁化，形成一个磁化单元（或称记录单元）。单元）。3.读出过程读出过程 读出时，读磁头线圈不外加电流。读出时，读磁头线圈不外加电流。当某一磁化单元运动到读磁头下方时，使当某一磁化单元

12、运动到读磁头下方时，使得磁头中流过的磁通有很大的变化，于是得磁头中流过的磁通有很大的变化，于是在读磁头线圈两端产生感应电动势在读磁头线圈两端产生感应电动势e。2.写入过程写入过程第第8章章 外部设备外部设备141.记录密度记录密度 记录密度是指磁介质存储器上单位记录密度是指磁介质存储器上单位长度或单位面积所存储的二进制信息量。长度或单位面积所存储的二进制信息量。 道密度。道密度又叫横向密度，道密度。道密度又叫横向密度，是指垂直于磁道方向上单位长度中的磁道是指垂直于磁道方向上单位长度中的磁道数目，道密度的单位是道数目，道密度的单位是道/in(TPI)或道或道/mm(TPM)。 位密度。位密度又叫

13、纵向密度，位密度。位密度又叫纵向密度，是指沿磁道方向上单位长度中所记录的二是指沿磁道方向上单位长度中所记录的二进制信息的位数，位密度的单位为位进制信息的位数，位密度的单位为位/in(bpi)或位或位/mm(bpm)。 8 8.2.2 .2.2 磁介质存储器的技术指标磁介质存储器的技术指标第第8章章 外部设备外部设备15 存储容量是指整个磁介质存储器所能存储容量是指整个磁介质存储器所能存储的二进制信息的总量，一般以字节为存储的二进制信息的总量，一般以字节为单位表示，它与存储介质的尺寸和记录密单位表示，它与存储介质的尺寸和记录密度直接相关。度直接相关。 磁介质存储器的存储容量有非格式化磁介质存储器

14、的存储容量有非格式化容量和格式化容量两种指标。非容量和格式化容量两种指标。非格式化容格式化容量是指磁记录介质上全部的磁化单元数；量是指磁记录介质上全部的磁化单元数；格式化容量是指用户实际可以使用的存储格式化容量是指用户实际可以使用的存储容量容量，也就是制造商给出的标称容量。格，也就是制造商给出的标称容量。格式化容量一般约为非格式化容量的式化容量一般约为非格式化容量的6070左右。左右。 2.存储容量存储容量第第8章章 外部设备外部设备16 在磁介质存储器中，当磁头接到读写命在磁介质存储器中，当磁头接到读写命令后，从原来的位置移动到指定位置并完成令后，从原来的位置移动到指定位置并完成读写操作的时

15、间叫存取时间。读写操作的时间叫存取时间。对于采用直接对于采用直接存取方式的磁盘存储器来说，存取时间主要存取方式的磁盘存储器来说，存取时间主要包括包括4部分：第一部分是指磁头从原先位置部分：第一部分是指磁头从原先位置移动到目的磁道所需要的时间，称为定位时移动到目的磁道所需要的时间，称为定位时间或寻道时间；第二部分是指在到达目的磁间或寻道时间；第二部分是指在到达目的磁道以后，等待被访问的记录块旋转到磁头下道以后，等待被访问的记录块旋转到磁头下方的等待时间，称为旋转时间或等待时间；方的等待时间，称为旋转时间或等待时间；第第3部分是信息的读写操作时间，也称为传部分是信息的读写操作时间，也称为传输时间；

16、最后是磁盘控制器的开销。输时间；最后是磁盘控制器的开销。3.平均存取时间平均存取时间第第8章章 外部设备外部设备17 由于寻找不同磁道和等待不同记录块由于寻找不同磁道和等待不同记录块所花的时间不同，所以通常取它们的平均所花的时间不同，所以通常取它们的平均值。传输时间和控制器的开销相对平均寻值。传输时间和控制器的开销相对平均寻道时间道时间Ts和平均等待时间和平均等待时间Tw来说要小得多来说要小得多，所以磁盘的平均存取时间，所以磁盘的平均存取时间Ta约等于：约等于： TaTs+Tw= +3.平均存取时间（续）平均存取时间（续）2ttmaxssmix2ttmaxwwmix第第8章章 外部设备外部设备

17、18 磁介质存储器在单位时间内向主机磁介质存储器在单位时间内向主机传送数据的位数或字节数，称为数据传传送数据的位数或字节数，称为数据传输率输率Dr，单位为单位为b/s或或B/s。5.误码率误码率 误码率是衡量磁介质存储器出错概误码率是衡量磁介质存储器出错概率的参数，它等于读出的出错信息位数率的参数，它等于读出的出错信息位数和读出总的信息位数之比。和读出总的信息位数之比。 读出错误有硬错误和软错误之分。读出错误有硬错误和软错误之分。硬错误又称不可恢复的错误；软错误又硬错误又称不可恢复的错误；软错误又称可恢复的错误，可用重复的读操作来称可恢复的错误，可用重复的读操作来改正。改正。 4.数据传输率数

18、据传输率第第8章章 外部设备外部设备198 8.2.3 .2.3 数字磁记录方式数字磁记录方式 为了提高磁介质存储器的性能，扩为了提高磁介质存储器的性能，扩大存储容量，加快存取速度，除了要不大存储容量，加快存取速度，除了要不断改善磁头和记录介质的电磁性能和机断改善磁头和记录介质的电磁性能和机械性能之外，选用高性能的数字磁记录械性能之外，选用高性能的数字磁记录方式对提高记录密度和可靠性也是很重方式对提高记录密度和可靠性也是很重要的。要的。 磁记录方式是一种编码方式，即按磁记录方式是一种编码方式，即按照某种规律将一连串的二进制数字信息照某种规律将一连串的二进制数字信息变换成记录介质上相应磁通翻转形

19、式。变换成记录介质上相应磁通翻转形式。第第8章章 外部设备外部设备20直接记录方式直接记录方式000011111RZNRZNRZ -1T0图图8-2(a) 直接记录方式的写电流波形直接记录方式的写电流波形第第8章章 外部设备外部设备21 当记录密度较低时，可以不编码，当记录密度较低时，可以不编码，直接按记录信息的直接按记录信息的“0”、“1”排序记录。排序记录。归零制（归零制（RZ） 记录记录“1”时，写磁头线圈中通以正时，写磁头线圈中通以正向脉冲电流；记录向脉冲电流；记录“0”时，通以反向脉时，通以反向脉冲电流。由于脉冲电流均要回到零，故称冲电流。由于脉冲电流均要回到零，故称为归零制。归零制

20、的两个脉冲之间有一段为归零制。归零制的两个脉冲之间有一段间隔没有电流，相应的这段磁层未被磁化。间隔没有电流，相应的这段磁层未被磁化。1.直接记录方式直接记录方式第第8章章 外部设备外部设备22不归零制（不归零制（NRZ） 记录记录“1”时，写磁头线圈中通以正向电时，写磁头线圈中通以正向电流；记录流；记录“0”时，通以反向电流。由于磁头中时，通以反向电流。由于磁头中电流不回到零，故称为不归零制。如果记录的电流不回到零，故称为不归零制。如果记录的相邻两位信息相同时，写电流方向不变；只有相邻两位信息相同时，写电流方向不变；只有当记录的相邻两位信息不相同时，写电流才改当记录的相邻两位信息不相同时，写电

21、流才改变方向，所以又称为变方向，所以又称为 “见变就翻见变就翻”的不归零制。的不归零制。不归零不归零1制（制（NRZ-1） 这是一种改进的不归零制，记录这是一种改进的不归零制，记录“1”时，时，在位周期中间写电流改变方向；而记录在位周期中间写电流改变方向；而记录“0”时，时，写电流方向维持不变，所以称之为见写电流方向维持不变，所以称之为见“1”就翻就翻的不归零制。的不归零制。1.直接记录方式（续）直接记录方式（续）第第8章章 外部设备外部设备23按位编码记录方式按位编码记录方式000011111PEFMMFMM2FMT0图图8-2(b) 按位编码记录方式的写电流波形按位编码记录方式的写电流波形

22、第第8章章 外部设备外部设备24调相制（调相制（PE） 调相制又称相位编码方式。它采用调相制又称相位编码方式。它采用0和和180相位的不同分别表示相位的不同分别表示“1”或或“0”。它的编码规则是：记录。它的编码规则是：记录“1”时，时，写电流在位周期中间由负变正；记录写电流在位周期中间由负变正；记录“0”时，写电流在位周期中间由正变负。当连时，写电流在位周期中间由正变负。当连续出现两个或两个以上续出现两个或两个以上“1”或或“0”时，时，为了维持上述原则，在位周期的边界上也为了维持上述原则，在位周期的边界上也要翻转一次。这种记录方式常用于磁带机要翻转一次。这种记录方式常用于磁带机中。中。2.

23、按位编码记录方式按位编码记录方式第第8章章 外部设备外部设备25调频制（调频制（FM） 调频制是根据写电流的频率来区分调频制是根据写电流的频率来区分记录记录“1”或或“0”的。记录的。记录“1”时，写时，写电流在位周期中间和边界各改变一次方向；电流在位周期中间和边界各改变一次方向；记录记录“0”时，写电流仅在位周期边界改时，写电流仅在位周期边界改变一次方向。因此，记录变一次方向。因此，记录“1”的磁通翻的磁通翻转频率为记录转频率为记录“0”时的两倍，故又称倍时的两倍，故又称倍频制。若以频制。若以T0表示位周期，则调频制的磁表示位周期，则调频制的磁通翻转间距为通翻转间距为0.5T0和和T0。这种

24、记录方式这种记录方式主要应用于早期的硬磁盘机和单密度软磁主要应用于早期的硬磁盘机和单密度软磁盘机中。盘机中。2.按位编码记录方式（续）按位编码记录方式（续）第第8章章 外部设备外部设备26改进的调频制（改进的调频制（MFM） MFM制是在制是在FM制基础上改进的一制基础上改进的一种记录方式，其编码规则是：记录种记录方式，其编码规则是：记录“1”时，写电流在位周期中间改变方向；记录时，写电流在位周期中间改变方向；记录独立的一个独立的一个“0”时，写电流不改变方向；时，写电流不改变方向；记录连续的两个记录连续的两个“0”时，写电流在位周时，写电流在位周期边界改变方向。期边界改变方向。 改进的调频制

25、的磁通翻转间距有改进的调频制的磁通翻转间距有3种：种：T0、1.5T0、2T0，所以又称为三频制。采所以又称为三频制。采用用MFM制的记录密度是制的记录密度是FM制的两倍，这制的两倍，这种记录方式广泛应用于硬磁盘机和倍密度种记录方式广泛应用于硬磁盘机和倍密度软磁盘机上。软磁盘机上。2.按位编码记录方式（续）按位编码记录方式（续）第第8章章 外部设备外部设备27改进的改进型调频制（改进的改进型调频制（M2FM） M2FM制是改进的制是改进的MFM制方式。其编码规制方式。其编码规则是：记录则是：记录“1”时，写电流在位周期中间改变时，写电流在位周期中间改变方向；记录独立的一个方向；记录独立的一个“

26、0”时，写电流不改变时，写电流不改变方向；记录连续的两个方向；记录连续的两个“0”时，写电流在第二时，写电流在第二个个“0”起始的位周期边界处改变方向；记录连起始的位周期边界处改变方向；记录连续多个续多个“0”时，写电流在前两个时，写电流在前两个“0”的位周的位周期边界处改变方向；以后每隔两个期边界处改变方向；以后每隔两个“0” 在位在位周期边界处写电流再改变一次方向。周期边界处写电流再改变一次方向。 改进的改进型调频制的磁通翻转间距有改进的改进型调频制的磁通翻转间距有4种：种：T0、1.5T0、2T0、2.5T0，所以又称为四频制。所以又称为四频制。M2FM曾在软盘机和一些特殊用途的数字磁带

27、曾在软盘机和一些特殊用途的数字磁带机中使用。机中使用。 2.按位编码记录方式（续）按位编码记录方式（续）第第8章章 外部设备外部设备28 成组编码方式，如群码制（成组编码方式，如群码制（GCR）、）、三位调制码（三位调制码（3PM）和游程长度受限码（和游程长度受限码（RLL）等，它们将数据序列中的数据位几等，它们将数据序列中的数据位几位分成一组，然后按一定的变换规则变换位分成一组，然后按一定的变换规则变换成对应的记录码，再采用成对应的记录码，再采用NRZ-1制写入记制写入记录介质，从而使记录密度得以提高。录介质，从而使记录密度得以提高。3.成组编码记录方式成组编码记录方式第第8章章 外部设备外

28、部设备29 硬盘中最流行的编码方式为游程长度硬盘中最流行的编码方式为游程长度受限（受限（RLL）码，它的记录密度是调频制码，它的记录密度是调频制的的3倍。游程长度受限码通常每次编码一倍。游程长度受限码通常每次编码一组数据而不是单个数据。游程长度受限源组数据而不是单个数据。游程长度受限源于这些编码的两个主要特性，即两个实际于这些编码的两个主要特性，即两个实际的磁通转换之间允许的最小转换单元数目的磁通转换之间允许的最小转换单元数目（游程长度）和最大的转换单元数目（游（游程长度）和最大的转换单元数目（游程受限）。该方式的不同变种使用不同的程受限）。该方式的不同变种使用不同的长度和受限参数，但只有两种

29、真正得到普长度和受限参数，但只有两种真正得到普及：及：RLL2,7和和RLL1,7。3.成组编码记录方式（续）成组编码记录方式（续）第第8章章 外部设备外部设备30 尽管存在着很多种编码方式，但只尽管存在着很多种编码方式，但只有少部分仍然流行。近些年最流行的三种有少部分仍然流行。近些年最流行的三种基本类型是：基本类型是： 调频制（调频制（FM） 改进的调频制（改进的调频制（MFM） 游程长度受限（游程长度受限（RLL）8 8.2.4 .2.4 编码方式的比较编码方式的比较第第8章章 外部设备外部设备31用用FM、MFM和和RLL2,7编码方式的比较编码方式的比较 000001111110000

30、011 1000 00TTTTTTTTTTNTNNNNN NNNNNN NNNTNTTTTTNTTNNTNNNNNNTNN. .FM(RLL0,1)编码（1时钟）MFM(RLL1,3)编码（2时钟）RLL(RLL2,7)编码（3时钟）T=翻转（磁通转向）N=无翻转.=数据位边界（时钟定时）图图8-3 用用FM、MFM和和RLL2,7编码编码ASCII字符字符“X”的写电流波的写电流波形形 第第8章章 外部设备外部设备32 磁介质存储器主要包括硬盘存储器、磁介质存储器主要包括硬盘存储器、软盘存储器和磁带存储器，它们的容量大、软盘存储器和磁带存储器，它们的容量大、位价格低，是当今辅助存储器的主体。

31、位价格低，是当今辅助存储器的主体。8 8.3 .3 磁介质存储设备磁介质存储设备第第8章章 外部设备外部设备33 硬盘存储器的硬件包括硬盘控制器硬盘存储器的硬件包括硬盘控制器（适配器）、硬盘驱动器以及连接电缆。（适配器）、硬盘驱动器以及连接电缆。硬盘控制器（硬盘控制器（HDC）对硬盘进行管理，对硬盘进行管理，并在主机和硬盘之间传送数据。硬盘控制并在主机和硬盘之间传送数据。硬盘控制器以适配卡的形式插在主板上或直接集成器以适配卡的形式插在主板上或直接集成在主板上，然后通过电缆与硬盘驱动器相在主板上，然后通过电缆与硬盘驱动器相连；许多新型硬盘则已将控制器集成到驱连；许多新型硬盘则已将控制器集成到驱动

32、器单元中去了。硬盘驱动器（动器单元中去了。硬盘驱动器（HDD）中有盘片、磁头、主轴电机（盘片旋转驱中有盘片、磁头、主轴电机（盘片旋转驱动机构）、磁头定位机构、读写电路和控动机构）、磁头定位机构、读写电路和控制逻辑等。制逻辑等。8 8.3.1 .3.1 硬盘存储器的基本结构与分类硬盘存储器的基本结构与分类第第8章章 外部设备外部设备34 为了提高单台驱动器的存储容量，为了提高单台驱动器的存储容量，在硬盘驱动器内使用了多个盘片，它们被在硬盘驱动器内使用了多个盘片，它们被叠装在主轴上，构成一个盘组；每个盘片叠装在主轴上，构成一个盘组；每个盘片的两面都可用作记录面，所以一个硬盘的的两面都可用作记录面，

33、所以一个硬盘的存储容量又称为盘组容量。存储容量又称为盘组容量。 根据头盘是否是一个密封的整体，根据头盘是否是一个密封的整体，硬盘存储器可分为温彻斯特盘和非温彻斯硬盘存储器可分为温彻斯特盘和非温彻斯特盘两类。特盘两类。 根据磁头是否可移动，硬盘存储器根据磁头是否可移动，硬盘存储器可分为固定头硬盘和活动头硬盘两类。可分为固定头硬盘和活动头硬盘两类。 8 8.3.1 .3.1 硬盘存储器的基本结构与分类（续）硬盘存储器的基本结构与分类（续）第第8章章 外部设备外部设备2010.9重庆文理学院磁介质存储设备磁介质存储设备第第8章章 外部设备外部设备361.磁头磁头 温盘的磁头采用接触启停式。所谓温盘的

34、磁头采用接触启停式。所谓接触启停是指在读写操作时磁头浮空，不接触启停是指在读写操作时磁头浮空，不与盘面记录区相接触，以免划伤记录区。与盘面记录区相接触，以免划伤记录区。但由于磁头的浮起要依靠盘片高速旋转时但由于磁头的浮起要依靠盘片高速旋转时产生的气垫浮力，因此在启动前和停止后，产生的气垫浮力，因此在启动前和停止后，磁头将仍与盘面接触。磁头将仍与盘面接触。 在读写时，磁头与盘面之间的间隙在读写时，磁头与盘面之间的间隙极小，这样，磁头在通以写电流后，盘面极小，这样，磁头在通以写电流后，盘面的磁化单元很小，记录密度可以大大提高。的磁化单元很小，记录密度可以大大提高。 8 8.3.2 .3.2 硬盘驱

35、动器硬盘驱动器第第8章章 外部设备外部设备372.磁头定位系统磁头定位系统 磁头定位系统驱动磁头沿盘面径向移磁头定位系统驱动磁头沿盘面径向移动寻道并精确定位。磁头定位系统应包括动寻道并精确定位。磁头定位系统应包括以下操作：以下操作： 硬盘驱动器启动后，或是中途寻道硬盘驱动器启动后，或是中途寻道出错后，要使磁头准确地回到出错后，要使磁头准确地回到0号磁道，号磁道，以等待寻道命令。以等待寻道命令。 要能快速、准确地将磁头移到指定要能快速、准确地将磁头移到指定磁道的中心位置。磁道的中心位置。 当硬盘驱动器发生故障或掉电后，当硬盘驱动器发生故障或掉电后，要使磁头迅速退出盘面数据区，以保护盘要使磁头迅速

36、退出盘面数据区，以保护盘面免受擦伤。面免受擦伤。 第第8章章 外部设备外部设备382.磁头定位系统（续）磁头定位系统（续） 磁头定位系统有两种类型：磁头定位系统有两种类型：步进电机定位机构步进电机定位机构 在道密度不是很高的小容量磁盘中，在道密度不是很高的小容量磁盘中，一般采用步进电机驱动。整个定位机构是一般采用步进电机驱动。整个定位机构是一个开环系统。步进电机定位机构的结构一个开环系统。步进电机定位机构的结构紧凑、控制简单，但定位精度比较低。紧凑、控制简单，但定位精度比较低。音圈电机定位机构音圈电机定位机构 在道密度较高的磁盘中，多采用音圈在道密度较高的磁盘中，多采用音圈电机驱动。整个定位系

37、统是一个带有速度电机驱动。整个定位系统是一个带有速度和位置反馈的闭环调节自动控制系统，其和位置反馈的闭环调节自动控制系统，其特点是寻道速度快，定位精度高。特点是寻道速度快，定位精度高。 第第8章章 外部设备外部设备391.硬盘的信息分布硬盘的信息分布 在硬盘中信息分布呈以下层次：记录在硬盘中信息分布呈以下层次：记录面、圆柱面、磁道和扇区。面、圆柱面、磁道和扇区。记录面记录面 一台硬盘驱动器中有多个盘片，每个一台硬盘驱动器中有多个盘片，每个盘片有两个记录面，每个记录面对应一个盘片有两个记录面，每个记录面对应一个磁头，所以记录面号就是磁头号磁头，所以记录面号就是磁头号。所有的所有的磁头安装在一个公

38、用的传动设备或支架上，磁头安装在一个公用的传动设备或支架上，磁头一致地沿盘面径向移动，单个磁头不磁头一致地沿盘面径向移动，单个磁头不能单独地移动。能单独地移动。 8 8.3.3 .3.3 硬盘的信息分布和磁盘地址硬盘的信息分布和磁盘地址 第第8章章 外部设备外部设备40磁盘组的记录面磁盘组的记录面 主轴记录面小车磁头图图8-4(a) 磁盘组的记录面磁盘组的记录面 第第8章章 外部设备外部设备41磁道磁道 在记录面上，一条条磁道形成一组同心圆，在记录面上，一条条磁道形成一组同心圆，最外圈的磁道为最外圈的磁道为0号，往内则磁道号逐步增加。号，往内则磁道号逐步增加。圆柱面圆柱面 在一个盘组中，各记录

39、面上相同编号（位在一个盘组中，各记录面上相同编号（位置）的诸磁道构成一个圆柱面。置）的诸磁道构成一个圆柱面。 引入圆柱面的概念是为了提高硬盘的存储引入圆柱面的概念是为了提高硬盘的存储速度。当主机要存入一个较长的文件时，若一速度。当主机要存入一个较长的文件时，若一条磁道存不完，就需要存放在同一圆柱面上的条磁道存不完，就需要存放在同一圆柱面上的不同磁道上。由于各记录面的磁头已同时定位，不同磁道上。由于各记录面的磁头已同时定位，换道的时间只是磁头选择电路的译码时间，相换道的时间只是磁头选择电路的译码时间，相对于定位操作可以忽略不计。对于定位操作可以忽略不计。1.硬盘的信息分布（续）硬盘的信息分布（续

40、）第第8章章 外部设备外部设备42磁盘圆柱面磁盘圆柱面 0n图图8-4(c) 磁盘圆柱面磁盘圆柱面第第8章章 外部设备外部设备43扇区扇区 通常将一条磁道划分为若干个段，通常将一条磁道划分为若干个段，每个段称为一个扇区或扇段，每个扇区存每个段称为一个扇区或扇段，每个扇区存放一个定长信息块（如放一个定长信息块（如512个字节）个字节）。一一条磁道划分多少扇区，每个扇区可存放多条磁道划分多少扇区，每个扇区可存放多少字节，一般由操作系统决定。磁道上的少字节，一般由操作系统决定。磁道上的扇区编号从扇区编号从1开始，不像磁头或柱面编号开始，不像磁头或柱面编号从从0开始。开始。 1.硬盘的信息分布（续）硬

41、盘的信息分布（续）第第8章章 外部设备外部设备44磁盘扇区磁盘扇区0道n道扇区图图8-4(b) 磁盘扇区磁盘扇区 第第8章章 外部设备外部设备45 主机向磁盘控制器送出有关寻址信主机向磁盘控制器送出有关寻址信息，磁盘地址一般表示为：息，磁盘地址一般表示为： 驱动器号、圆柱面（磁道）号、记驱动器号、圆柱面（磁道）号、记录面（磁头）号、扇区号录面（磁头）号、扇区号 通常，主机通过一个硬盘控制器可通常，主机通过一个硬盘控制器可以连接几台硬盘驱动器，所以需送出驱动以连接几台硬盘驱动器，所以需送出驱动器号或台号。调用磁盘常以文件为单位，器号或台号。调用磁盘常以文件为单位，故寻址信息一般应当给出文件起始位

42、置所故寻址信息一般应当给出文件起始位置所在的圆柱面号与记录面号（这就确定了具在的圆柱面号与记录面号（这就确定了具体磁道）、起始扇区号，并给出扇区数体磁道）、起始扇区号，并给出扇区数（交换量）。（交换量）。2.磁盘地址磁盘地址第第8章章 外部设备外部设备461.硬盘的主要性能指标硬盘的主要性能指标 硬盘容量硬盘容量 主轴转速主轴转速 道密度道密度 平均存取时间平均存取时间 缓存缓存 数据传输率数据传输率8 8.3.4 .3.4 硬盘存储器的技术参数硬盘存储器的技术参数第第8章章 外部设备外部设备47 硬盘接口分为硬盘接口分为IDE、SCSI和和SATA等。等。 IDE接口也称接口也称ATA，或称

43、并行，或称并行ATA（PATA），采用），采用16位数据并行传送方式。位数据并行传送方式。 SCSI是小型计算机系统接口的缩写，是小型计算机系统接口的缩写，它并不是专门为硬盘设计的接口，而是一它并不是专门为硬盘设计的接口，而是一种接入各种类型设备的通用快速接口。种接入各种类型设备的通用快速接口。 SATA是是Serial ATA的缩写，即串行的缩写，即串行ATA，这是一种完全不同于传统并行，这是一种完全不同于传统并行ATA的新型硬盘接口类型。与并行的新型硬盘接口类型。与并行ATA相比，相比，SATA具有比较大的优势。具有比较大的优势。2.硬盘的接口标准硬盘的接口标准第第8章章 外部设备外部设备

44、48 设有一个盘面直径为设有一个盘面直径为18in的磁盘组，的磁盘组，有有20个记录面，每面有个记录面，每面有5in的区域用于记的区域用于记录信息，记录密度为录信息，记录密度为100道道/in（TPI）和和1000b/in（bpi），），转速为转速为2400r/min，道道间移动时间为间移动时间为0.2ms，试计算该盘组的容试计算该盘组的容量、数据传输率和平均存取时间。量、数据传输率和平均存取时间。 每一记录面的磁道数每一记录面的磁道数N为为 N5 in/面面100道道/in500道道/面面 最内圈磁道的周长为最内圈磁道的周长为 L=(18-25)in=25.12 in3.硬盘参数的计算硬盘参

45、数的计算第第8章章 外部设备外部设备49 以最内圈磁道的周长当作每条磁道以最内圈磁道的周长当作每条磁道的长度，故该盘组的存储容量（非格式化的长度，故该盘组的存储容量（非格式化容量）为容量）为 C=1000b/in25.12in/道道500道道/面面20面面=251.2106 b=31.4106 B 磁盘旋转一圈的时间为磁盘旋转一圈的时间为 t= 60s/min=0.025 s=25 ms 3.硬盘参数的计算（续）硬盘参数的计算（续）min/r24001第第8章章 外部设备外部设备50 数据传输率为数据传输率为 Dr= = =1004.8 b/ms=1.0048106 b/s =0.125610

46、6 B/s =0.1256 MB/s 平均存取时间为平均存取时间为 Ta ms60 ms3.硬盘参数的计算（续）硬盘参数的计算（续）225024992 . 00旋转一圈的时间每一道的容量2525120第第8章章 外部设备外部设备51 传统硬盘驱动器的每个磁道上记录的传统硬盘驱动器的每个磁道上记录的扇区数是相同的，因而存储的信息量也是扇区数是相同的，因而存储的信息量也是相同的，这意味着在磁盘上位密度是变化相同的，这意味着在磁盘上位密度是变化的。因为内圈磁道的周长短，外圈磁道的的。因为内圈磁道的周长短，外圈磁道的周长长，所以内圈磁道的位密度高，外圈周长长，所以内圈磁道的位密度高，外圈磁道的位密度低

47、，最内圈磁道的位密度磁道的位密度低，最内圈磁道的位密度（最大位密度）决定了磁盘驱动器的容量。（最大位密度）决定了磁盘驱动器的容量。又因为每个磁道记录的信息量及转速是相又因为每个磁道记录的信息量及转速是相同的，所以它们的数据传输率也是相同的。同的，所以它们的数据传输率也是相同的。8 8.3.3.5 5 硬盘的分区域记录硬盘的分区域记录第第8章章 外部设备外部设备52每个磁道有相同数量扇区每个磁道有相同数量扇区 图图8-5 每个磁道有相同数量扇区每个磁道有相同数量扇区第第8章章 外部设备外部设备53 由于外圈磁道比内圈磁道更长一些，由于外圈磁道比内圈磁道更长一些，但存储的信息量却相同，所以外圈磁道

48、上但存储的信息量却相同，所以外圈磁道上明显地存在着浪费。采用分区域记录技术明显地存在着浪费。采用分区域记录技术可以增加硬盘驱动器的容量。分区域记录可以增加硬盘驱动器的容量。分区域记录就是把磁盘柱面分成一系列的组，又称区就是把磁盘柱面分成一系列的组，又称区域域。由于外圈磁道有更长的周长，所以外由于外圈磁道有更长的周长，所以外层磁道要比内层磁道包含更多的扇区，即层磁道要比内层磁道包含更多的扇区，即外圈磁道上保存的信息比内圈磁道多。外圈磁道上保存的信息比内圈磁道多。8 8.3.3.5 5 硬盘的分区域记录（续）硬盘的分区域记录（续）第第8章章 外部设备外部设备54分区域记录磁盘扇区分布分区域记录磁盘

49、扇区分布图图8-6 分区域记录磁盘扇区分布分区域记录磁盘扇区分布第第8章章 外部设备外部设备55 分区域记录的另一个影响是数据传输分区域记录的另一个影响是数据传输率随磁头所处的区域而变化。分区域驱动率随磁头所处的区域而变化。分区域驱动器还是以恒定速度旋转，可是，由于外层器还是以恒定速度旋转，可是，由于外层区域每磁道有更多的扇区，所以数据传输区域每磁道有更多的扇区，所以数据传输速度要更快一些。这就是当今驱动器标注速度要更快一些。这就是当今驱动器标注最小和最大连续传输速率的原因，因为传最小和最大连续传输速率的原因，因为传输速率取决于磁头读写的位置。输速率取决于磁头读写的位置。 分区域记录技术的使用

50、，大大地提高分区域记录技术的使用，大大地提高了硬盘利用率，与采用每磁道固定扇区的了硬盘利用率，与采用每磁道固定扇区的硬盘比较，使驱动器增加了硬盘比较，使驱动器增加了2050的硬的硬盘容量。实际上，现在所有的盘容量。实际上，现在所有的IDE和和SCSI硬盘都采用分区域记录。硬盘都采用分区域记录。8 8.3.3.5 5 硬盘的分区域记录（续）硬盘的分区域记录（续）第第8章章 外部设备外部设备56 NCQ技术（全速命令排队）技术通过技术（全速命令排队）技术通过对内部队列中的命令进行重新排序实现智能对内部队列中的命令进行重新排序实现智能数据管理，避免像传统硬盘那样机械地按照数据管理，避免像传统硬盘那样