1、第七章第七章 外围设备外围设备7.1 外围设备概述外围设备概述7.2 磁盘存储设备磁盘存储设备7.3 磁盘存储设备的技术发展磁盘存储设备的技术发展7.4 磁带存储设备磁带存储设备7.5 光盘和磁光盘存储设备光盘和磁光盘存储设备7.7 输入设备和打印设备输入设备和打印设备*7.6 显示设备显示设备*v除了除了CPUCPU和主存，其他部件都是和主存，其他部件都是“外设外设”。v外设的功能外设的功能提供不同计算机之间的联系；提供不同计算机之间的联系；提供计算机与用户的联系。提供计算机与用户的联系。v外设的基本组成外设的基本组成存储介质存储介质:具有保存信息的物理特征具有保存信息的物理特征 驱动装置驱
2、动装置:用于移动存储介质用于移动存储介质 控制电路控制电路:向存储介质发送数据或从存储介质接受数向存储介质发送数据或从存储介质接受数据。据。7.1.1 外围设备的一般功能外围设备的一般功能 外围设备（磁盘）基本组成外围设备（磁盘）基本组成磁盘就是一个存储介质的例子，它是用记录在盘上的磁化元磁盘就是一个存储介质的例子，它是用记录在盘上的磁化元表示信息。表示信息。例如，磁盘设备中，驱动装置用于转动磁盘并进行定位。例如，磁盘设备中，驱动装置用于转动磁盘并进行定位。(3)控制电路，它向存储介质发送数据或从存储介质接受数据。控制电路，它向存储介质发送数据或从存储介质接受数据。例如，磁盘读出时，控制电路把
3、盘上用磁化元形式表示的信例如，磁盘读出时，控制电路把盘上用磁化元形式表示的信息转换成计算机所需要的电信号，并把这些信号用电缆送给息转换成计算机所需要的电信号，并把这些信号用电缆送给计算机主机。计算机主机。(1)存储介质，它具有保存信息的物理特征。存储介质，它具有保存信息的物理特征。(2)驱动装置，它用于移动存储介质驱动装置，它用于移动存储介质并并定位定位。7.1.2 外围设备的分类外围设备的分类一个计算机系统配备什么样的外围设备，是根据实际需要来决定的。一个计算机系统配备什么样的外围设备，是根据实际需要来决定的。计算机的五大类外围设备，这只是一个典型化了的计算机环境。计算机的五大类外围设备，这
4、只是一个典型化了的计算机环境。通过通过I/O口和主机连接，并受主机控制，它还能控制外设工作。口和主机连接，并受主机控制，它还能控制外设工作。适配器适配器也叫接口也叫接口系统总线系统总线连接主机连接主机和接口和接口外总线外总线连接设备连接设备B7.2 磁盘存储设备磁盘存储设备7.2.1 磁记录原理磁记录原理计算机的外存储器又称磁表面存储设备。计算机的外存储器又称磁表面存储设备。是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。磁盘存储器、磁带存储器、磁盘存储器、磁带存储器、软磁盘软磁盘均属于磁表面存储器。均属于磁表面存储器
5、。磁表面存储器的优点：磁表面存储器的优点：存储容量大，位价格低；存储容量大，位价格低；记录介质可以重复使用；记录介质可以重复使用；记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档；记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档；非破坏性读出，读出时不需要再生信息。非破坏性读出，读出时不需要再生信息。缺点，缺点，主要是存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。主要是存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在计算机系统中作为辅助磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在计算机系统中作为辅助大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序
6、与大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据信息。数据信息。1、磁性材料的物理特性（简单看一下）、磁性材料的物理特性（简单看一下）图图 7.2 磁性材料的磁滞回线磁性材料的磁滞回线 用于存储设备的磁性材料，是用于存储设备的磁性材料，是一种具有矩形磁滞回线的磁性材料。一种具有矩形磁滞回线的磁性材料。这种磁性材料在外加磁场的作用下，这种磁性材料在外加磁场的作用下，其磁感应强度其磁感应强度B与外加磁场与外加磁场H的关的关系，可以用矩形滞回线来描述。系，可以用矩形滞回线来描述。磁化后，有两个剩磁状态。磁化后，有两个剩磁状态。+Br（正剩磁）状态表示（正剩磁）状态表示“1”；B
7、r（负剩磁）状态表示（负剩磁）状态表示“0”；2、磁表面存储器的读写原理、磁表面存储器的读写原理 在磁表面存储器中，利用一种称为在磁表面存储器中，利用一种称为“磁头磁头”的装置来形成和判的装置来形成和判别磁层中的不同磁化状态。别磁层中的不同磁化状态。写入写入时，利用磁头使盘片具有时，利用磁头使盘片具有不同的磁不同的磁化状态化状态，而在，而在读出读出时又利用磁头来时又利用磁头来判别不同的磁化状态判别不同的磁化状态。磁头磁头实际实际上是由上是由软磁材料做铁芯绕有读写线圈的电磁铁。软磁材料做铁芯绕有读写线圈的电磁铁。S NS N写线圈写线圈读线圈读线圈铁芯铁芯磁层磁层载磁体载磁体运动方向运动方向磁头
8、磁头 当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯内就产生当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯内就产生一定方向的磁通。如图所示一定方向的磁通。如图所示电流方向为写电流方向为写“1”，那么写线圈，那么写线圈的电流方向的电流方向相反后，就是写相反后，就是写“0”写操作：写操作：读操作：读操作：当当磁头对载磁体作相对运动磁头对载磁体作相对运动时，由于磁头铁芯中磁通的变化，时，由于磁头铁芯中磁通的变化，使读出线圈中使读出线圈中感应出相应的电动势感应出相应的电动势。不同的磁化状态，所产生的感应。不同的磁化状态，所产生的感应电势方向不同电势方向不同。经过读出放大器放大鉴别，就可判知读出的信息是。经过读出放
9、大器放大鉴别，就可判知读出的信息是“1”，还是，还是“0”。如何实现写操作和读操作？如何实现写操作和读操作？写写：通过电：通过电-磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可把一位二进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态；把一位二进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态；读读：通过磁：通过磁-电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储元电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储元的不同剩磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出。的不同剩磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出。磁层上的存储元被磁化后，它可以供多次读出而不被破磁层上的存储元被磁化后，它可以供多次读出而不被破坏。
10、当不需要这批信息时，可通过磁头把磁层上所记录的信坏。当不需要这批信息时，可通过磁头把磁层上所记录的信息全部抹去，称之为写息全部抹去，称之为写“0”0”。什么是写什么是写0 0？7.2.2 磁盘的组成和分类磁盘的组成和分类1、磁盘的组成：、磁盘的组成：写入时，将计算机并行送来的数据取至并写入时，将计算机并行送来的数据取至并串变换寄存器，变为串串变换寄存器，变为串行数据，然后一位一位地由行数据，然后一位一位地由写电流驱动器写电流驱动器作功率放大并加到写作功率放大并加到写磁头线圈磁头线圈上上产生电流，从而在盘片磁层上形成产生电流，从而在盘片磁层上形成按位的磁化存储元按位的磁化存储元。读出时，当记录介
11、读出时，当记录介质相对磁头运动时，位质相对磁头运动时，位磁化存储元形成的空间磁化存储元形成的空间磁场在读磁头线圈中产磁场在读磁头线圈中产生生感应电势感应电势，此读出信，此读出信息经息经放大检测放大检测就可还原就可还原成成原来存入的数据原来存入的数据。由由于数据是一位一位于数据是一位一位串行读串行读出出的，故要送至的，故要送至串串并变并变换换寄存器变换为并行数据，寄存器变换为并行数据，再并行再并行送至计算机送至计算机。磁记磁记录介录介质质磁盘控制器磁盘控制器磁盘驱动器磁盘驱动器硬磁盘硬磁盘按按盘片结构盘片结构，分成，分成可换盘片式可换盘片式与与固定盘片式固定盘片式两种；两种；磁头磁头也分为也分为
12、可移动磁头可移动磁头和和固定磁头固定磁头两种。两种。2、分类、分类:v可移动磁头固定盘片的磁盘机可移动磁头固定盘片的磁盘机v固定磁头磁盘机固定磁头磁盘机v可移动磁头可换盘片的磁盘机可移动磁头可换盘片的磁盘机v温彻斯特磁盘机温彻斯特磁盘机(温盘温盘)每面一个磁头，盘片旋转，磁头径向移动；每面一个磁头，盘片旋转，磁头径向移动；每磁道一个磁头每磁道一个磁头n磁头径向移动；磁头径向移动；n盘片可更换盘片可更换n可移动磁头固定盘片的磁盘机；可移动磁头固定盘片的磁盘机；n目前微机中使用的是温盘。目前微机中使用的是温盘。可移动磁头固定盘片的磁盘机可移动磁头固定盘片的磁盘机的特点是一片或一组盘片固定的特点是一
13、片或一组盘片固定在主轴上，盘片不可更换。在主轴上，盘片不可更换。盘片每面只有一个磁头，存取数据时盘片每面只有一个磁头，存取数据时磁头沿盘面径向移动磁头沿盘面径向移动。固定磁头磁盘机固定磁头磁盘机特点是磁头位置固定，磁盘的特点是磁头位置固定，磁盘的每一个磁道每一个磁道对应一个磁头对应一个磁头，盘片不可更换。，盘片不可更换。优点优点是存取速度快，省去磁头找道时间，缺点是结构复杂。是存取速度快，省去磁头找道时间，缺点是结构复杂。可移动磁头可换盘片的磁盘机：可移动磁头可换盘片的磁盘机：盘片可以更换，磁头可沿盘面盘片可以更换，磁头可沿盘面径向移动。径向移动。优点优点是盘片可以脱机保存，同种型号的盘片具有
14、互换性。是盘片可以脱机保存，同种型号的盘片具有互换性。温彻斯特磁盘简称温盘，是一种采用先进技术研制的温彻斯特磁盘简称温盘，是一种采用先进技术研制的可移动可移动磁头固定盘片磁头固定盘片的磁盘机的磁盘机 它是一种密封组合式的硬磁盘，即磁头、盘片、电机等它是一种密封组合式的硬磁盘，即磁头、盘片、电机等驱动部件乃至读写电路等组装成一个不可随意拆卸的整体。驱动部件乃至读写电路等组装成一个不可随意拆卸的整体。工作时，高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头平稳浮起。工作时，高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头平稳浮起。优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高，成优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高，成
15、为最有代表性的硬磁盘存储器，为最有代表性的硬磁盘存储器，而普通的硬磁盘要求具有超净而普通的硬磁盘要求具有超净环境，只能用于大型计算机中。环境，只能用于大型计算机中。7.2.3 磁盘驱动器和控制器磁盘驱动器和控制器 是一种精密的电子和机械装置，因此各部件的加工安是一种精密的电子和机械装置，因此各部件的加工安装有严格的技术要求。对温盘驱动器，还要求在超净环境装有严格的技术要求。对温盘驱动器，还要求在超净环境下组装。各类磁盘驱动器的具体结构虽然有差别，但基本下组装。各类磁盘驱动器的具体结构虽然有差别，但基本结构相同，主要由结构相同，主要由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系定位驱动系统、主轴系统和数据
16、转换系统统组成。组成。1、定位驱动系统、定位驱动系统 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叫磁头定位驱动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叫磁头定位驱动系统。它由驱动部件、传动部件、运载部件（磁头小车组成）。系统。它由驱动部件、传动部件、运载部件（磁头小车组成）。2、主轴系统、主轴系统 安装盘片，并驱动它们以额定转速稳定旋转。安装盘片，并驱动它们以额定转速稳定旋转。3、数据转换系统、数据转换系统 控制数据的写入和读出，包括磁头、磁头选择电路、读写电路以及索引、控制数据的写入和读出，包括磁头、磁头选择电路、读写电路以及索引、区标电路等。区标电路等。一、一、磁盘驱动器
17、磁盘驱动器如下图是磁盘驱动器外形和结构示意图。（课本如下图是磁盘驱动器外形和结构示意图。（课本P214页）页）磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口，通常被制作磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口，通常被制作成一块电路板插在主机总线插槽中。成一块电路板插在主机总线插槽中。电路板实物见下图电路板实物见下图(a)所示。所示。二、二、磁盘控制器磁盘控制器 它的作用是接收由主机发来的命令，将它转换成磁盘驱动它的作用是接收由主机发来的命令，将它转换成磁盘驱动器的控制命令，实现器的控制命令，实现主机和驱动器主机和驱动器之间的之间的数据格式转换数据格式转换和和数据数据传送传送，并控制驱动器的读，并控制驱动
18、器的读/写。写。主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑见下图主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑见下图(b)。磁盘上的信息经读磁头读出以后送读出放大器，然后进行磁盘上的信息经读磁头读出以后送读出放大器，然后进行数据与时钟的分离，再进行串数据与时钟的分离，再进行串并变换、格式变换，最后送入并变换、格式变换，最后送入数据缓冲器，经数据缓冲器，经DMA(直接存储器传送直接存储器传送)控制将数据传送到主机控制将数据传送到主机总线。总线。主机与设备之间采用主机与设备之间采用SCSI接口接口7.2.4 磁盘上信息的分布磁盘上信息的分布盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为记录面。盘片的上下两面都能记录
19、信息，通常把磁盘片表面称为记录面。记录面上一系列同心圆称为磁道。记录面上一系列同心圆称为磁道。每个盘片表面通常有几百到几千个磁道，每个磁道又分为若干个扇区每个盘片表面通常有几百到几千个磁道，每个磁道又分为若干个扇区从图中看出，外面扇区比里面扇区面积要大。从图中看出，外面扇区比里面扇区面积要大。磁盘上的这种磁道和扇区的排列称为格式。磁盘上的这种磁道和扇区的排列称为格式。v盘片的盘片的上下面上下面都可记录信息；都可记录信息；温盘最上温盘最上(下下)盘片只使用一个记录面。盘片只使用一个记录面。v每个记录面上有几十至几百个每个记录面上有几十至几百个环形磁道环形磁道；从外向内对磁道编号，从外向内对磁道编
20、号，0 0、1 1、2 2、n n。n n磁道的内侧面积磁道的内侧面积不用不用。v柱面柱面：多个盘片上具有相同编号的磁道：多个盘片上具有相同编号的磁道0 0磁道磁道n n磁道磁道PCPC机中每个扇区的标准容量是机中每个扇区的标准容量是512B512B而每一个而每一个磁道磁道又按又按512个个字节字节为单位划分为等分，叫做扇区，为单位划分为等分，叫做扇区，对活动头磁盘组来说，磁盘地址由对活动头磁盘组来说，磁盘地址由记录面号（磁头记录面号（磁头号）、柱面号（磁道号）、扇区号号）、柱面号（磁道号）、扇区号三部分组成。三部分组成。数据在磁盘上的记录格式数据在磁盘上的记录格式思考：思考：是不是扇区数是不
21、是扇区数每扇区字节数每扇区字节数 就是每条磁道容量？就是每条磁道容量？磁头数就是面数？磁道数等于柱面数？磁头数就是面数？磁道数等于柱面数？7.2.5 磁盘存储器的技术指磁盘存储器的技术指标标磁盘存储器的主要技术指标磁盘存储器的主要技术指标1、存储密度：道密度、位密度和面密度。、存储密度：道密度、位密度和面密度。2、存储容量、存储容量3、存取时间、存取时间4、数据传输率、数据传输率道密度：道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道/英寸。英寸。位密度：位密度：磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位为位
22、为位/英寸。英寸。面密度：面密度：位密度和道密度的乘积，单位为位位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸。平方英寸。0 0磁道磁道n n磁道磁道2、存储容量：、存储容量：一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。的存储容量。3、存取时间：、存取时间：存取时间是指从发出读写命令后，磁头从某一起始位置移存取时间是指从发出读写命令后，磁头从某一起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息加上传动至新的记录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息加上传送数据所需要的时间。送数据所需要的时间。取决于三个因素决定。取决于三个因素决
23、定。第一个是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称为第一个是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称为找找道时间。道时间。第二个是找道完成后至磁道上需要访问的信息到达磁头下的时第二个是找道完成后至磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间，称为间，称为等待时间。等待时间。这两个时间都是随机变化的这两个时间都是随机变化的 因此使用平均值来表示，因此使用平均值来表示，平均找道时间平均找道时间是最大找道时间与最是最大找道时间与最小找道时间的平均值。小找道时间的平均值。平均等待时间和磁盘转速有关，它用平均等待时间和磁盘转速有关，它用磁盘旋转一周所需时磁盘旋转一周所需时间的一半来间的一半来表示。表示。第三个
24、是第三个是数据传送时间。数据传送时间。Ta=Ts+1/2r+b/rN磁盘总的平均存取时磁盘总的平均存取时间：间：平均找道时间平均找道时间平均等待时间平均等待时间数据传送时间数据传送时间磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，叫数据磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，叫数据传输率传输率从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为n转转/秒秒每条磁道容量为每条磁道容量为N个字节，则数据传输率：个字节，则数据传输率：Dr=nN(字节字节/秒秒)或或Dr=Dv(字节字节/秒秒)D为位密度，为位密度，v为磁盘旋转的线速度为磁盘旋转的线速度4、数据传输率、数据传输率
25、【例【例1】磁盘组有】磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用。片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用。存储区域内径存储区域内径22cm，外径，外径33cm，道密度为，道密度为40道道/cm，内层位密度内层位密度400位位/cm，转速，转速6000转转/分。分。问：问：(1)共有多少柱面共有多少柱面?(2)盘组总存储容量是多少盘组总存储容量是多少?(3)数据传输率多少数据传输率多少?(4)采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么?寻址命寻址命令中如何表示磁盘地址令中如何表示磁盘地址?(5)如果某文件长度超过一个磁道的容
26、量，应将它记录在同一个存储如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上面上，还是记录在同一个柱面上?P217页页台号台号柱号（磁道）号柱号（磁道）号扇区号扇区号盘面号盘面号/磁头号磁头号解：解：(1)有效存储区域有效存储区域=16.5-11=5.5(cm)因为道密度因为道密度=40道道/cm，所以，所以4055=220道，即道，即220个圆柱面。个圆柱面。(2)内层磁道周长为内层磁道周长为2R=23.1411=69.08(cm)每道信息量每道信息量=400位位/cm69.08cm=27632位位=3454B每面信息量每面信息量=3454B220=7598
27、80B盘组总容量盘组总容量=759880B10=7598800B(3)磁盘数据传输率磁盘数据传输率Dr=rNN为每条磁道容量，为每条磁道容量，N=3454Br为磁盘转速，为磁盘转速，r=6000转转/60秒秒=100转转/秒秒Dr=rN=1003454B=345400B/s(4)采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录块采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录块(一个扇区一个扇区)每个记录块记录固定字节数目的信息每个记录块记录固定字节数目的信息在定长记录的数据块中，活动头磁盘组的编址方式可用如下格式：在定长记录的数据块中，活动头磁盘组的编址方式可用如下格式：此地址格式表示有此地
28、址格式表示有4台磁盘（台磁盘（2位），每台有位），每台有16个记录面个记录面/盘面（盘面（4位），位），每面有每面有256个磁道（个磁道（8位），每道有位），每道有16个扇区（个扇区（4位）。位）。(5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个柱面上，如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个柱面上，因为不需要重新找道，数据读因为不需要重新找道，数据读/写速度快。写速度快。例例2，某双面磁盘每面有，某双面磁盘每面有220道，内层磁道周长道，内层磁道周长70cm，位密，位密度度400位位/cm，转速，转速3000转转/分，问：分，问：(1)磁盘存储容量是多少？磁盘存储容量是
29、多少？(2)数据传输率是多少？数据传输率是多少？7.解：（解：（1）每道信息量每道信息量=400位位/cm 70cm=28000位位=3500B 每面信息量每面信息量=3500B 220=770000B 磁盘总容量磁盘总容量=770000B 2=1540000B（2）磁盘数据传输率（磁盘带宽）磁盘数据传输率（磁盘带宽）Dr=r N N为每条磁道容量为每条磁道容量 N=3500B r为磁盘转速为磁盘转速 r=3000 转转/60s=50转转/s 所以所以 Dr=50/s 3500B=175000B/sC7.3 磁盘存储设备的技术发展磁盘存储设备的技术发展7.3.1 磁盘磁盘cache随着微电子技
30、术的飞速发展，随着微电子技术的飞速发展，CPU的速度每年增长的速度每年增长1倍左右倍左右主存芯片容量和磁盘驱动器的容量每主存芯片容量和磁盘驱动器的容量每1.5年增长年增长1倍左右倍左右但磁盘驱动器的存取时间没有出现相应的下降，仍停留在毫秒但磁盘驱动器的存取时间没有出现相应的下降，仍停留在毫秒(ms)级级而主存的存取时间为纳秒而主存的存取时间为纳秒(ns)级，两者速度差别十分突出级，两者速度差别十分突出因此磁盘因此磁盘I/O系统成为整个系统的瓶颈系统成为整个系统的瓶颈为了减少存取时间，可采取的措施有：为了减少存取时间，可采取的措施有：提高磁盘机主轴转速，提高提高磁盘机主轴转速，提高I/O总线速度
31、，采用磁盘总线速度，采用磁盘cache等等主存和主存和CPU之间设置高速缓存之间设置高速缓存cache是为了弥补主存和是为了弥补主存和CPU之间速度上的差异之间速度上的差异同样，磁盘同样，磁盘cache是为了弥补慢速磁盘和主存之间速度上的差异是为了弥补慢速磁盘和主存之间速度上的差异磁盘磁盘cache的原理的原理在磁盘在磁盘cache中，由一些数据块组成的一个基本单位称为中，由一些数据块组成的一个基本单位称为cache行。行。当一个当一个I/O请求送到磁盘驱动时，首先搜索驱动器上的高速缓冲行是否已写上数据？请求送到磁盘驱动时，首先搜索驱动器上的高速缓冲行是否已写上数据？如果是读操作，且要读的数据
32、已在如果是读操作，且要读的数据已在cache中，则为命中中，则为命中可从可从cache行中读出数据，否则需从磁盘介质上读出。行中读出数据，否则需从磁盘介质上读出。写入操作和写入操作和CPU中的中的cache类似，有类似，有“直写直写”和和“写回写回”两种方法。两种方法。磁盘磁盘cache利用了被访问数据的空间局部性和时间局部性原理。利用了被访问数据的空间局部性和时间局部性原理。空间局部性是指当某些数据被存取时，该数据附近的其他数据可能也将很快被存取空间局部性是指当某些数据被存取时，该数据附近的其他数据可能也将很快被存取时间局部性是指当一些数据被存取后，不久这些数据还可能再次存取时间局部性是指当
33、一些数据被存取后，不久这些数据还可能再次存取因此现在大多数磁盘驱动器中都使用了预读策略，因此现在大多数磁盘驱动器中都使用了预读策略，CPU的的cache存取时间一般小于存取时间一般小于10ns，命中率，命中率95%以上，全用硬件来实现。以上，全用硬件来实现。磁盘磁盘cache一次存取的数量大，数据集中，速度要求较一次存取的数量大，数据集中，速度要求较CPU的的cache低低管理工作较复杂，因此一般由硬件和软件共同完成。管理工作较复杂，因此一般由硬件和软件共同完成。其中其中cache采用采用SRAM或或DRAM而根据局部性原理预取一些不久将可能读入的数据放到磁盘而根据局部性原理预取一些不久将可能
34、读入的数据放到磁盘cache中中7.3.2 磁盘阵列磁盘阵列RAIDRAID称廉价冗余磁盘阵列，它是用多台磁盘存储器组成的大容量外存系统称廉价冗余磁盘阵列，它是用多台磁盘存储器组成的大容量外存系统其构造基础是利用数据分块技术和并行处理技术，其构造基础是利用数据分块技术和并行处理技术，在多个磁盘上交错存放数据，使之可以并行存取在多个磁盘上交错存放数据，使之可以并行存取在在RAID控制器的组织管理下，可实现数据的并行存储、交叉存储、单独存储。控制器的组织管理下，可实现数据的并行存储、交叉存储、单独存储。阵列中的一部分磁盘存有冗余信息，一旦系统中某一磁盘失效，阵列中的一部分磁盘存有冗余信息，一旦系统
35、中某一磁盘失效，可以利用冗余信息重建用户信息可以利用冗余信息重建用户信息RAID是是1988年由美国加州大学伯克利分校一个研究小组提出的年由美国加州大学伯克利分校一个研究小组提出的它的设计理念是用多个小容量磁盘代替一个大容量磁盘，它的设计理念是用多个小容量磁盘代替一个大容量磁盘，因而改善了因而改善了I/O性能，增加了存储容量，现已在超级或大型计算机中使用。性能，增加了存储容量，现已在超级或大型计算机中使用。工业上制定了一个称为工业上制定了一个称为RAID的标准，它分为的标准，它分为7级级(RAID 0RAID 6)。这些级别不是表示层次关系，而是指出了不同存储容量、这些级别不是表示层次关系，而
36、是指出了不同存储容量、可靠性、数据传输能力、可靠性、数据传输能力、I/O请求速率等方面的应用需求。请求速率等方面的应用需求。并用分布数据的方法能够同时从多个磁盘中存取数据并用分布数据的方法能够同时从多个磁盘中存取数据7.4 磁带存储设备磁带存储设备 磁带机的记录原理与磁盘机基本相同，只是它的载磁体是一种带状塑磁带机的记录原理与磁盘机基本相同，只是它的载磁体是一种带状塑料，叫做磁带。料，叫做磁带。写入时可通过磁头把信息代码记录在磁带上。写入时可通过磁头把信息代码记录在磁带上。当记录有代码的磁带在磁头下移动时，当记录有代码的磁带在磁头下移动时，磁带存储设备由磁带机和磁带两部分组成，它通常用作为海量
37、存储磁带存储设备由磁带机和磁带两部分组成，它通常用作为海量存储设备的数据备份设备的数据备份磁带速度比磁盘速度慢，原因是磁带上的数据采用顺序访问方式磁带速度比磁盘速度慢，原因是磁带上的数据采用顺序访问方式磁盘则采用随机访问方式。磁盘则采用随机访问方式。就可在磁头线圈上感应出电动势，即读出信息代码。就可在磁头线圈上感应出电动势，即读出信息代码。7.5 光盘和磁光盘存储设备光盘和磁光盘存储设备7.5.1 光盘存储设备光盘存储设备目前的光盘有目前的光盘有CD-ROM、WORM、CD-R等等只读型光盘系统都基于一个共同原理，即光盘上的信息以坑点形式分布，有坑点只读型光盘系统都基于一个共同原理，即光盘上的
38、信息以坑点形式分布，有坑点表示为表示为“1”，无坑点表示为，无坑点表示为“0”，一系列的坑点，一系列的坑点(存储元存储元)形成信息记录道。形成信息记录道。对于数据存储用的对于数据存储用的CDROM光盘，坑点分布作为数字光盘，坑点分布作为数字“1”、“0”代码的写入或读出代码的写入或读出标志标志为此必须采用激光作为光源，并采用良好的光学系统才能实现。为此必须采用激光作为光源，并采用良好的光学系统才能实现。光盘的记录信息以凹坑方式永久性存储。光盘的记录信息以凹坑方式永久性存储。读出时，当激光束聚焦点照射在凹坑上时将发生衍射，反射率低读出时，当激光束聚焦点照射在凹坑上时将发生衍射，反射率低而聚焦点照
39、射在凸面上时大部分光将返回。而聚焦点照射在凸面上时大部分光将返回。根据反射光的光强变化并进行光根据反射光的光强变化并进行光-电转换，即可读出记录信息。电转换，即可读出记录信息。1、CD-ROM光盘光盘聚碳酸脂聚碳酸脂铝质铝质聚丙酸稀脂聚丙酸稀脂信息记录的轨迹称为光道。信息记录的轨迹称为光道。光道上划分出一个个扇区，它是光盘的最小可寻址单位。光道上划分出一个个扇区，它是光盘的最小可寻址单位。2、WORM、CD-R光盘光盘WORM：一次写多次读。一次写多次读。记录信息记录信息1时，低功率激光束在光盘表面灼烧形成微小的凹陷区时，低功率激光束在光盘表面灼烧形成微小的凹陷区CD-R：允许多次分段写，多次
40、读。允许多次分段写，多次读。用激光将微型斑点烧在有机材料的表层用激光将微型斑点烧在有机材料的表层读出时，烧过的地方亮度较暗。读出时，烧过的地方亮度较暗。3、CD-RW光盘光盘写数据写数据1时，用高温激光束使待写区域熔化，冷却后成非晶形状态时，用高温激光束使待写区域熔化，冷却后成非晶形状态一种特殊的水晶复合物作为记录介质一种特殊的水晶复合物作为记录介质写数据写数据0时，用较高温激光束使待写区域熔化，冷却后成晶形状态时，用较高温激光束使待写区域熔化，冷却后成晶形状态4、DVD-ROM光盘光盘两面可写两面可写多层可写的光盘多层可写的光盘7.5.2 磁光盘存储设备磁光盘存储设备磁光盘的基本工作原理是：
41、磁光盘的基本工作原理是：利用利用热磁效应热磁效应写入数据写入数据当激光束将当激光束将磁光介质磁光介质上的记录点加热到居里点温度以上时，上的记录点加热到居里点温度以上时，利用利用磁光克尔磁光克尔效应读出数据效应读出数据 当激光束照射到记录点时，记录点的磁化方向不同，会引起反射光的当激光束照射到记录点时，记录点的磁化方向不同，会引起反射光的偏振面发生不同结果，从而检测出所记录的数据偏振面发生不同结果，从而检测出所记录的数据“1”或或“0”。外加磁场作用改变记录点的磁化方向而不同的磁化方向可表示数字外加磁场作用改变记录点的磁化方向而不同的磁化方向可表示数字“0”和和“1”磁光介质磁光介质记录信息的材
42、料：记录信息的材料：7.6 显显 示示 设设 备备7.7 输入设备和打印设备输入设备和打印设备本章小结本章小结v外围设备大体分为外围设备大体分为输入设备、输出设备、外存设备、数据通输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备、过程控制设备信设备、过程控制设备五大类。五大类。v磁盘、磁带属于磁表面存储器，特点是存储容量大，位价格磁盘、磁带属于磁表面存储器，特点是存储容量大，位价格低，记录信息永久保存，但存取速度较慢，因此在计算机系低，记录信息永久保存，但存取速度较慢，因此在计算机系统中作为辅助大容量存储器使用。统中作为辅助大容量存储器使用。v硬磁盘按盘片结构分为可换盘片式、固定盘片式两种，磁头硬磁
43、盘按盘片结构分为可换盘片式、固定盘片式两种，磁头也分为可移动磁头和固定磁头两种。也分为可移动磁头和固定磁头两种。v温彻斯特磁盘温彻斯特磁盘是一种采用先进技术研制的可移动磁头、固定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，是目前应用广泛的硬磁盘存储器。盘片的磁盘机，是目前应用广泛的硬磁盘存储器。v磁盘存储器的主要技术指标有：磁盘存储器的主要技术指标有：存储密度、存储容量、平均存储密度、存储容量、平均存取时间、数据传输速率存取时间、数据传输速率。v光盘是近年发展起来的一种外存设备，是多媒体计算机不可光盘是近年发展起来的一种外存设备，是多媒体计算机不可缺少的设备。缺少的设备。习题习题 1，6，7，8磁盘数据传输率（磁盘带宽）磁盘数据传输率（磁盘带宽）Dr=r Nr为磁盘转速为磁盘转速每条磁道容量每条磁道容量6、每面信息量每面信息量Dr=r N9位位2位位2位位4位位8、忽略数据传送时间忽略数据传送时间
