清华计算机组成原理课件08辅助存储器.ppt

2023/10/31,计算机组成原理,1,第八章 辅助存储器,2023/10/31,2,计算机组成原理,8.1 外存储器概述,主存的后备和扩充，也称外存。特点:容量大,可靠性高,单位存储容量价格低,在掉电情况下能长期保存信息。非易失性存储器。辅助存储器的主要技术指标是存储密度、存储容量、寻址时间等 1.存储密度。道密度(TPI)：磁盘半径方向单位长度包含的磁道。位密度(BPI)：在每一个磁道内单位长度内所能记录的二进制信息数。,磁表面存储器,光存储器,磁芯,磁盘,磁带,2023/10/31,3,计算机组成原理,2.存储容量 存储容量指磁表面存储器所能存储的二进制信息总量，一般以字节、扇区或数据块为单位。3.寻址时间 磁盘存储器采取直接存取方式，寻址时间包括两部分一是磁头寻找目标磁道所需的找道时间ts。二是找到磁道以后，磁头等待所需要读写的区段旋转到它的下方所需要的等待时间tw。由于寻找相邻磁道和从最外面磁道找到最里面磁道所需的时间不同，磁头等待不同区段所花的时间也不同。因此取它们的平均值，称作平均寻址时间Ta。它由平均找道时间Tsa和平均等待时间Twa组成:Ta=Tsa+Twa=(Tsmax+Tsmin)/2+(Twmax+Twmin)/2 磁带存储器采取顺序存取方式，不需要寻找磁道但需要考虑磁头寻找记录区的等待时间。,2023/10/31,4,计算机组成原理,4.数据传输率 磁表面存储器在单位时间内与主机之间传送数据的位数或字节数，叫数据传输率Dr。从设备方面考虑，传输率等于记录密度D和记录介质的运动速度V的乘积。5.误码率 误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数、它等于从辅存读出时，出错信息位数和读出的总信息位数之比。6.价格 通常用位价格来比较各种存储器。位价格是设备价格除以容量，在所有存储设备中，磁表面存储器和光盘存储器的位价格是很低的。例如，IBM PC机 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。因此其格式化容量为：512*18*80*21.44MB 该软磁盘机的转速为每分钟360转（360rPm），旋转一圈的时间为：60360=0.167s；平均等待时间为旋转半圈的时间83ms、平均找道时间取决于不同驱动器的机电性能（直接给出）。,2023/10/31,5,计算机组成原理,8.2 磁记录原理与记录方式,本节将讨论磁表面存储技术的基础信息的存取原理、磁记录介质、磁头以及磁记录的编码方式。在此只作一般原理性的介绍。磁盘存储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。目前一些新型硬盘采用工程塑料、陶瓷、玻璃作为基体。磁表面记录设备是在磁头和磁性材料的记录介质之间有相对运动时，通过一个电磁转换过程完成读写操作的。磁头是实现电磁转换过程的关键装置，通常由软磁材料（外界磁场的作用消失后，该磁性材料的磁性容易消失）做成。8.2.1 磁记录原理 写入：将计算机并行数据进行并-串变换，然后一位一位的由写电流驱动器将交变信号电流通过磁头线圈，使磁体内的磁通量发生变化，交变磁场从缝隙中漏出，使匀速转动的磁盘表面磁化。根据写入电流的方向决定是写“1”还是写“0”。当载磁体相对于磁头运动时，就可以连续写入一连串的二进制信息。读出：磁盘匀速转动，磁化点顺序经过磁头，在磁头线圈中感应出相应的电动势，经过放大检测等一定的处理后，还原成原来存入的数据信号。由于数据是一位一位串行读出的，故要经串-并变换后，在将并行信号送至计算机。,2023/10/31,6,计算机组成原理,磁记录原理,写,2023/10/31,7,计算机组成原理,磁记录原理,读,2023/10/31,8,计算机组成原理,8.2.2 磁记录介质与磁头 1、磁记录介质 磁记录介质指的是涂有薄层磁性材料的信息载体。可以脱机保存信息，并且可以作为不同系统之间信息交换的手段、因此又称为磁记录媒体。最常用的磁性材料是磁粉，采用平涂工艺（软盘或磁带）和甩涂工艺（硬盘或高密度软盘）将其涂敖在基体上，形成记录介质。2、感应式磁头 磁头是实现电一磁转换的装置，用电脉冲表示的二进制代码，通过磁头转换成磁记录介质上的磁化格式；而介质上的磁化信息又要通过磁头转换成电脉冲。介质上信息的清除，则是通过磁头将介质上磁层向某一方向饱和磁化或去磁而得到。因此磁头的性能对读写、清除、记录密度和读出速度等均有影响。磁头的形式很多，从工作方式来看可以分为接触式磁头和浮动式磁头两种。,2023/10/31,9,计算机组成原理,接触式磁头在读写时磁头与记录介质直接相接触、它常常用于磁带机和软磁盘机中，其结构简单，但磁头极尖区和介质易受到磨损磨损程度与介质相对于磁头的移动速度、极尖的几间形状，磁性材料的硬度、头面的接触力介质表面质量等因素有关。浮动式磁头是由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极薄的空气薄膜（气垫）故使磁头与介质表面脱离接触而浮动。浮动间隙是浮动式磁头的重要参数，它的减小可以提高记录密度、硬磁盘采用浮动式磁头由于盘片旋转速度快磁头不与盘片表面接触，因而硬磁盘存取速度快，可靠性高。但在盘片停止旋转之前磁头必须从读写位置退到原始位置启动磁盘工作，须待盘片达到一定转速后磁头才能进到盘片上面进行寻道工作，否则可能损坏磁头或划坏盘面。,2023/10/31,10,计算机组成原理,目前磁记录介质与磁头是采用薄膜介质与薄膜磁头。薄膜介质比颗粒介质具有更高的记录密度。薄膜磁头是采用薄模形成技术（例如蒸发、溅射和电镀等）和部分集成电路工艺制成的磁头，其特点是感应系数小，高频特性好，体积小，重量轻。3、MR 磁头(Magneto Resistive 磁阻)随着计算机对大容量硬盘驱动器的需求，促进高密度磁以录技术的发展。MR磁头技术是采用感应写、磁阻读的分离式设计，以便对读写的不同特性分别进行优化。此技术在磁头上采用了对磁性材料极为敏感的薄膜电阻元件，因此对磁场变化极为敏感，并将变化转换成电场电阻的变化，在读出该信号，这样可增加磁密度，提高硬盘的容量。它与传统的读写合一式的磁头不同，MR磁头是通过阻值变化，而不是以前的电流变化来感应信号幅度，因而对信号变化相当敏感，读取得准确率高，这就是能增加磁盘密度的原因。MR 磁头已应用在大容量的硬盘驱动器中。,2023/10/31,11,计算机组成原理,运动方向,磁层,载磁体,N S S N,读线圈,写线圈,铁芯,存储元的大小和缝隙宽度、磁头与磁表面距离、电流强度有关目前软盘常用MFM编码方式,能达到较高的 记录密度和较高的自同步能力.,N S S N N S,存储源的极性代 表数据0或1,2023/10/31,12,计算机组成原理,8.2.3 磁记录方式 磁记录方式是按照某种规律，将一连串二进制数字信息，变换成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。图8.5 给出几种常见的磁记录方式的写入电流波形。（1）归零制（RZ）写入线圈的正脉冲电流表示写如“1”，负脉冲表示记录“0”。在两位信息之间要保持线圈中的电流为零。这是用向磁头线圈送入正、负脉冲电流的办法执行写“1“、写“0“操作的方案，使1和0 信号的磁化状态正好相反。它的主要缺点是在两个信息位之间磁层处于非磁化状态，在实际中难以实现，故不实用，但对理解经过电磁转换在磁性材料中记录二进制信息的原理是有帮助的。,2023/10/31,13,计算机组成原理,（2）不归零制（NRZ）磁头线圈中始终有电流，不是正向电流（代表1）就是反向电流（代表“0”），其抗干扰能力强。这是用向磁头线圈送入正、反向电流的办法执行写“1”、写“0”操作的方案，使1和0 信号的磁化状态（极性）正好相反。与前一种方案相比，取消了两个信息位之间磁化线圈中无电流的情况，故磁层中不存在未被磁化的状态，不是被正向磁化，就是被反向磁化。（3）见1就翻的不归零制（NRZ1)记录“0”时电流方向不变，只有遇到“1”时才改变方向。这是用在写“1”时就变化磁头线圈中的电流方向（写“0”则不变电流方向）的办法执行写“1”、写“0”操作的方案。（4）调相制（PM）是利用两个相位相差180读的磁化翻转方向代表数据0和1。即指定记录数据“0时规定磁化翻转的方向由负变为正，则记录数据l时从正变为负。当连续出现两个或两个以上1或0”时，为了维持上述原则，在位周期起始处也要翻转一次。这是用在磁层中不同的磁化翻转方向来区别数据“1”和“0”的方案。为此，磁头线圈中的电流在写“1”和写“0”时要朝不同的方向变化，读出时就表现为读出的信号是正还是负脉冲，即二者的信号相位差为180。,2023/10/31,14,计算机组成原理,（5）调频制（FM）记录1时不仅在各位期间的中心产生磁化翻转，而且 在位与位之间也必须翻转。记录“0时，在位周期中心不产生磁化翻转，但在位与位之间的边界处要翻转一次。由于记录数据l时磁化翻转的频率为记录数据“0时的两倍，因此又称倍频制”。这是用在磁层中不同的磁化翻转次数来区别数据“1”和“0”的方案，记录“1”比记录“0”磁化翻转频率要多一倍。为此，磁头线圈中的电流，在每个位周期起始处要变化一次方向。读出时，读出的1信号表现为两个脉冲，读出的0信号表现为一个脉冲。二者的读出脉冲频率相差一倍。（6）改进调频制（MFM）这是对前面讲的调频制的一种改进方案，其目的是提高这一方案的编码效率，使其从调频制的50%提高到现在的100%。这种记录方式基本上与调频制相同，即记录数据1时在位周期中心磁化翻转一次，记录数据0时不翻转。区别在于只有连续记录两个或两个以上0时，才在位周期的起始位置翻转一次，而不是在每个位同期的起始处都翻转。这一改进表现在取消了大部分在位期起始处改变磁头线圈中电流方向的动作，只保留在连续“0”信号位期起始处的电流方向变化，以便保证改编码方式的字同步能力。除上述几种记录方式外，成组编码（GCR）以及游程长度受限码（RLLC）等。,2023/10/31,15,计算机组成原理,2023/10/31,16,计算机组成原理,目前高密度磁盘主要选用游程长度受限码RLLC。其编码实质是将原始数据序列变成“0”、“1”受限制的记录序列，其编码规则是将原始数据变换成“0”游程长度受限码，即任何两位相邻的“1”之间的“0”的最大位数和最小位数均受到限制的新编码。然后再用NRZ-1制方式进行调制和写入。该码具有自同步能力，因而在高密磁盘中得到广泛应用。从磁表面存储器读出信号时，为了分离出数据信息必须要有时间基准信号，成为同步信号。自同步能力是指在磁盘上从读出的数据（脉冲序列）中自动提取同步信号（时间基准信号）的能力（在每个位单元都至少产生一个转变区）。例如NRZ、NRZ1不具备自同步能力，而PM、FM、MFM记录方式具有自同步能力。其中FM方式的最大磁化翻转间隔是位周期T,而最小磁化翻转间隔是 T/2,因此自同步能力R=T/2/T=0.5。,2023/10/31,17,计算机组成原理,8.3 硬盘存储器（硬盘机）,8.3.1 硬盘存储器的组成硬盘盘片和硬盘驱动器,2023/10/31,18,计算机组成原理,2023/10/31,19,计算机组成原理,磁盘存储器逻辑结构演示,2023/10/31,20,计算机组成原理,磁盘驱动器,2023/10/31,21,计算机组成原理,温切斯特磁盘实际上是一种技术，这种技术是由IBM公司位于美国加州坎贝尔市温切斯特大街的研究所研制的，它是于1973年被应用的。温氏技术特点全封闭结构，杜绝灰尘危害磁头采用接触式启停一体化主轴和电机硬盘存储器的基本组成磁盘控制器头盘组件磁头组件、磁头驱动机构、驱动机构及盘片、读写放大电路、循环过滤器、底座和上盖、其他附件。印刷电路板。,2023/10/31,22,计算机组成原理,8.3.2 硬盘的管理结构,1、名词解释盘面磁道：对单个盘片而言可以称为磁道。柱面：硬盘每个盘面的同一编号的磁道构成柱面扇区或数据块号:对定长格式的硬盘存在扇区的概念，对不定长的硬盘以数据块号（记录号）存储信息。容量 格式化容量=磁头数*柱面数*每柱面扇区数*每扇区字节数；或磁头数*柱面数*每柱面数据块数*每数据块内的字节数。转数现在已达到7200r/min或9600r/min。以5400转/分的硬盘 而言，其相应的平均等待时间为5.6ms。现在常用硬盘的数据传输率可达到5MB/S以上。按盘径分：5.25英寸、3.5 英寸、2.5 英寸、1.8 英寸,2023/10/31,23,计算机组成原理,例题 磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两面不用。存储区域内直径22cm，外直径33cm,道密度为40道/cm,内层位密度400位/cm,转速2400转/分，问：1、共有多少柱面？2、盘组总存储容量是多少？3、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?寻址命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？,2023/10/31,24,计算机组成原理,解：1、有效存储区域=33/2 22/2=16.511=5.5cm 柱面数=道密度有效区域=40道/cm5.5cm=220道，即 220个圆柱面。2、内道周长=3.1422=69.08cm 道信息量N=400位/cm69.08cm=27632位=3454B 面信息量=3454B220=759880B 盘组容量=759880B10=7598800B7.25MB3、磁盘数据传输率=转数r 道容量N=（2400转/60秒）3454B=403454=13816B/S=13.492KB/S4、最小单位是一个记录块（一个扇区），其编址方式可为如下格式：5、记录在同一个柱面上，因为不需要重新找道，数据读写速度快。,2023/10/31,25,计算机组成原理,2、硬盘的区域划分和引导记录,主引导记录MBR硬盘主引导程序和硬盘分区表.DOS引导记录DBRDOS引导程序和磁盘参数块文件分配表FAT记录磁盘空间的使用情况文件目录DOS文件组成的重要组成,也是文件.包含文件名、扩展名、属性、生成日期、最后修改时间、开始簇号、大小等数据区,2023/10/31,26,计算机组成原理,在软盘和小容量硬盘中大都采用定长数据块。而在大容量硬盘中，有的采用不定长数据块，该长则长，能短则短。不采取扇区划分，直接以数据块或记录号标识。因此，硬盘寻址信息一般由台号、圆柱面号（道号）、磁头号（记录面号）、数据块号、交换量组成。定长数据块磁道格式举例（以索引信号开始）：,2023/10/31,27,计算机组成原理,间隔G1,16个字节4EH。每个扇区包含下述五个部分1、同步区SYNC,14个字节00。2、头标志区7个字节：第1个是A1H；第2是圆柱号高位；3是圆柱号低位；4是磁头号，其中0、1、2位为磁头号，3、4位是0，5、6是扇区计数值，第7位是坏块标志；5字节是扇区号；6、7存放头标区的循环校验码；3、间隔G2，16个字节00H。4、数据区标志，2个字节：A1H F8H。以后是数据区DATA,定长数据块512B规格。2个字节的数据区的CRC码。5、间隔G3，3个字节00H及15个字节 4EH。,2023/10/31,28,计算机组成原理,不定长数据块磁道举例（以索引信号开始）一个磁道内的信息由若干个记录（Record)组成。每个记录包含计数段(Count)、关键字段（Key）、数据段（Data），这一类格式又被称为CKD结构。,2023/10/31,29,计算机组成原理,间隔G1，共116字节，其中115个是00H，一个是19H同步信息。标识地址HA（Home Address）是用来标识磁道的地址区共20个字节，其中：SD用6个字节用来指出该磁道上有几个瑕疵，及其位置。PA用3个字节指出磁道的物理地址（柱面地址和磁头号）。F用1个字节标示磁道状态，好或坏，是基本磁道还是替补道等。CC是柱面逻辑地址占2个字节。HH是磁头逻辑地址占2个字节。DCB是错误校验占6个字节。间隔G2，76个字节，75个为00H,一个是19H。零号记录R0，它是用户用来说明本磁道的有关状态，如果磁道发生故障，将依据R0提供的信息实现磁道替换。,2023/10/31,30,计算机组成原理,用户记录Ri：在各记录之间用G3分隔，G3为79个字节，其内部存有固定格式的信息。计数区包含25个字节，分别是本区瑕疵、物理地址、标志、ID识别区、记录号、本记录的关键字长度、本记录内数据长度、校验码。其中ID包含磁道状况、好的原始道、坏的原始道、好的替补道、坏的替补道等地址。关键字区KEY是数据的识别信息，如顺序号、密码及自己的校验码。数据区用来记录用户数据，允许使用不同长度，然后是6个校验码。在一个记录内三个区使用G2进行分隔。在进行磁盘格式化时，可以发现坏道并将其替换。用户使用的逻辑地址可以不变，磁道格式信息CC,HH提供磁道的物理地址。,2023/10/31,31,计算机组成原理,常用硬盘接口类型IDE（Intergrate drive Election)接口：40条通信线，属于设备级接口（主机命令控制设备的操作）。将控制器集成到驱动器内部，使传输可靠。传输速率在1.5MB/s左右；最多可连接2台IDE设备，内部接口连在主板的IS A总线上。EIDE（Enhanced IDE）接口：目前微机主板大部分提供此接口，支持大容量硬盘。传输速率达到18MB/s；最多可连接4台IDE设备，内部接口可直接连在局部总线上，数据传输宽度32位。SCSI(Small Computer System Interface)接口:将原来磁盘控制器的功能转移到设备驱动器上，以标准的电缆（50条，后扩充位68条）和协议与多台主机设备进行数据交换。可连接多达32个SCSI设备，传输速率达到160MB/s。它属于系统级接口（控制外存与总线之间交换信息）。,2023/10/31,32,计算机组成原理,Ultra33标准-97年推出改善驱动程序，充分利用硬盘控制器，数据传输过程中避免CPU的过多干预。在时序信号的上下沿都进行数据传输。由硬盘产生选通信号，避免主机送选通信号造成延时。Ultra66标准-98年推出突发数据传输速率提高近一倍，理论上可达66MB/S。采用新的CRC冗余校验，提高数据传输可靠性。改用80Pin排线（与40Pin兼容），插入40根地线，降低向邻线间的干扰。,2023/10/31,33,计算机组成原理,8.3.3 磁盘Cache 随着微电子技术的飞速发展，CPU的速度每年增长1倍左右，主存储器芯片的容量和磁盘驱动器的容量每1.5年增长1倍左右，但磁盘驱动器的存取时间没有出现相应程度的下降，仍停留在毫秒（ms）级,而主存的存取时间为纳秒（ns)级，两者速度差别十分突出，因此IO系统成为整个系统的瓶颈。为了减少存取时间，磁盘驱动器厂家采取了增加磁盘主轴转速、提高IO总线速度、改进读写算法和采用磁盘cache等措施。目前的磁盘驱动器一般都带有高速缓存，容量在1MB几MB之间，可由SRAM或DRAM组成。,2023/10/31,34,计算机组成原理,硬盘的安装、操作与维护,安装：物理安装：用螺丝安装到硬盘托架，电源线，信号线。注意防震，身体放静电，设备跳线。软件安装：低、高级格式化，逻辑分区，软件安装。操作：机器工作时不要搬动硬盘。防止突然断电防止病毒破坏硬盘信息。维护：定期运行磁盘扫描程序定期运行磁盘碎片整理程序。计算机病毒防治。,2023/10/31,35,计算机组成原理,8.3.4 磁盘阵列存储器,将多个独立的的磁盘组成一个独立的逻辑盘，通过数据在多个物理盘上的分割交叉存储，并行访问得到高逻辑性能。CPU速度的增长大大超过磁盘驱动器数据传输速率的增长小盘径磁盘驱动器组成的阵列与大型驱动器相比：成本低、功耗低、性能好等优点低代价的编码容错方案特性并行数据处理，高传输速率和I/O吞吐率访问负载均匀分布在所有磁盘阵列的控制、数据的分块和拼接、磁盘阵列的并行调度等阵列控制功能。,2023/10/31,36,计算机组成原理,磁盘阵列的致命缺点：整个盘的可靠性降低解决方法：冗余码进行纠错廉价磁盘冗余阵列（Redundant Array of Inexpensive DiskRAID）RAID0 无冗余和无校验的数据分块（安全性差）RAID1 镜像磁盘阵列（利用率为50%）RAID2 采用纠错的海明码的磁盘阵列（不利于小数据量传输）RAID3，4 采用奇偶校验码的磁盘阵列（专有一个校验盘）RAID5 无独立校验盘的磁盘阵列RAID 6级（采用分块交叉技术和双磁盘容错的磁盘阵列）RAID 7级（独立接口的磁盘阵列）RAID 10级（RAID 0级十RAID1级）由分块和镜像组成是所有RAID中性能最好的磁盘阵列，但每次写入时要写两个互为镜像的盘，价格高。,2023/10/31,37,计算机组成原理,软盘存储器是计算机常用外部设备。由盘片和驱动器两部分组成。1、软盘盘片信息的存储介质有5.25英寸和3.5英寸两种（3寸盘和5寸盘）依靠磁性记录数据。磁盘有磁头读写孔和写保护口。盘内记录格式为：,8.4 软盘存储器,2023/10/31,38,计算机组成原理,软盘片,由聚酯薄膜制成,2023/10/31,39,计算机组成原理,2、软盘驱动器,对软盘盘片进行读写操作的设备。组成：磁头及读写电路盘片驱动机构磁头定位机构控制逻辑电路软盘的磁头和盘面是接触式读写，寻址时不但有径向，而且有圆周方向的摩擦。一个盘片旋转106次（约50小时）以上应考虑报废，以免超过规定的误码率。,2023/10/31,40,计算机组成原理,3、软盘的磁记录方式,(1)磁记录过程写入：交变信号电流通过磁头线圈，使磁体内的磁通量发生变化，交变磁场从缝隙中漏出，使匀速转动的磁盘表面磁化。读出：磁盘匀速转动，磁化电序列经过磁头，在磁头线圈中感应出相应的电动势，经过一定的处理后，还原成数据信号。目前3.5英寸软盘均是采用高密度形式（4倍密度).(2)信息的纪录格式数据或程序在盘面上的排布形式。,2023/10/31,41,计算机组成原理,以上序标中应包括同步信号、地址标志和扇区地址。校验码部分采用的是CRC校验形式。扇区地址格式如下：IBM3740的8吋软盘的记录格式如下，现在使用的软盘只不过是缩短了索引孔前后的距离和使每区段的字节数为512字节。,2023/10/31,42,计算机组成原理,2023/10/31,43,计算机组成原理,4、安装、操作及维护,安装:固定、连接电源线和信号线维护：不要将软盘在阳光下暴晒；远离磁场、防潮、防尘、保持清洁。不要挤压；不要用手触摸读写孔处的盘片部分。新的软盘（白盘）在使用前要进行格式化处理。不要使用劣质软盘，以免对磁头造成损坏。读写完毕需等指示灯灭，方可取软盘对存储重要数据的软盘要关闭写保护,2023/10/31,44,计算机组成原理,8.5 磁带存储器,磁带的种类和记录格式宽度：1/4，1/2，1，3英寸长度：2400，1200，600英尺记录密度：800，1600，6250dpi表面道数：4，7，9，16道顺序读写方式,SONY数据流磁带机,2023/10/31,45,计算机组成原理,8.6 光盘（Optical disk)存储器,1、概述起源：激光数字影像技术。特点：容量大、可靠性高、使用方便、成本低组成：光盘盘片和光盘驱动器 光盘的基片材料一般采用聚碳酸脂的耐热有机玻璃加工成盘片，然后涂上一层记录介质，然后加一层保护膜。只读CD-ROM只写一次WORM(write once,read many)或则CD-R。可重写型-CD-RW 光盘自动换盘机（又称光盘库）联机容量可达1012,2023/10/31,46,计算机组成原理,2、光盘的存储格式,光道呈平面螺旋状，光道从中心开始旋向外边，只有一条大的螺旋道，共分2733万个扇区。每个扇区除数据信息外，另外每个扇区首端还有同步信号和扇区地址，在最后位置上还有作校验、纠错信息。光盘恒定线速度每秒75个扇区。Mode1方式（扇区数据容量为2048B）60min:2700002048/1024/1024=527.34MB74min:3300002048/1024/1024=650.39MBMode2方式-适合音频、视频、图像等误码率要求不高的数据（扇区数据容量为2336B）60min:2700002336/1024/1024=601.50MB74min:3300002336/1024/1024=741.85MB,2023/10/31,47,计算机组成原理,3、激光读取原理,坑和点在螺旋光道上交替排列为不同数据。坑深为激光波长的近似1/4照在无坑处，反射光为同相位照在凹坑处，坑内外反射光差1/2个相位，反射光弱。具体：凹坑代表“1”，无凹痕代表“0”。光盘存储器是利用激光束在记录表面上存储信息的。根据激光束及反射光的强弱不同，可以完成信息的读写。CD-RW的驱动器使用3种不同能量的激光。在高能激光照射下，合金熔化并从高反射性的晶态转化为低反射性的非晶态，表示凹区。在能量中等的激光束照射下，合金熔化并重新转化为本来的晶态，又成为凹区。低能激光可以感知材料的状态（用来读盘），但不会导致状态转换。CD-RW未能取代CD-R的原因是CD-RW的空盘价格高出CD-R空盘许多。而且，对那些备份硬盘的应用来说，CD-R只允许一次写，不会被误操作清除的特性也是一大优点。CD-RW光盘是非接触型读写性质的存储器，根据记录原理有形变、相变和磁光（M-O)存储三种形式。,2023/10/31,48,计算机组成原理,1）形变型光盘 对于只读型CD-ROM和只写一次型光盘CD-R写入时，大多采用此方式。首先将激光束聚焦成直径为小于1um的微小光点，以其热作用，融化盘表面上的光存储介质薄膜，在薄膜上形成小洞（凹坑）或形成微小气泡。有洞或有气泡的位置表示记录了l，没有的位置表示“0。读出时，在读出光束的照射下，在有凹坑处和无凹坑处反射的光强是不同的、利用这种差别可以读出二进制信息。由于读出光束的功率只有写入光束功率的110，因此不会融出新的凹坑或气泡。2）相变型光盘（CD-RW）这是一种利用晶相结构（即结晶状态的可逆性变化）制成的可改写型光盘。这种光盘盘片一般采用带沟槽结构，在其上面蒸发成一层记录介质薄膜，然后涂上一层树脂保护层。写入时，强激光照射记录介质Te（碲）使其被照射的微小区域突然加热，Te的粒子直径变大，然后突然冷却，其形状保持不变。因此写入1和0的光照反射率不同，以区别其信息的不同。读出时，弱激光对光道进行扫描，利用反射率上的差异鉴别扫描位置记录信息是0还是1。擦除时，用激光照射记录介质，使其记录信息区退火，即逐步缓慢冷却。于是Te粒子的直径从大变小，反射率差异消失，记录信息被抹去。,2023/10/31,49,计算机组成原理,3）磁光（M-O）型光盘 另一种可改写型光盘是磁光型光盘，它是利用激光在磁性薄膜上产生热磁效应来记录信息，称为磁光存储。其记录原理如下：根据磁记录原理可以知道，在某一定温度下，如果在磁记录介质的表面上加一个强度低于该介质矫顽力的磁场，则不会发生磁通翻转也就不能记录信息。但介质的矫顽力可随温度而变，假如我们能设法控制温度，降低介质的矫顽力，使其低于外加弱磁场强度，则将发生磁通翻转。磁光存储就是根据这一原理存储信息的。通常把磁记录材料受热而磁性发生变化的现象称为热磁效应。,2023/10/31,50,计算机组成原理,4、光盘驱动器的基本结构,光学拾取头-构成光读取的光学回路并进行信号的光电转换。主轴电机-驱动光盘转动。数字控制电路板-伺服控制模块完成控制盘片的转速、聚焦、寻迹；信号解码模块完成光学信号的解调和解码；数字滤波及纠错模块完成数据的处理和纠错；音频输出模块用于音频的合成和输出；接口模块实现驱动器与计算机的接口管理；微处理模块为驱动器的控制中心，完成从检测、控制、处理到数据输出各个阶段的控制操作。装载机构-装载电机、传动齿轮、支架、托盘架、盘片压架组成。用于盘片的装入取出，并将盘片准确套在主轴电机的转盘上。机座-驱动器的各部件安装在机座上，除减震措施外，对材料和安装精度要求也很高。前后面板-提供用户的控制操作,光盘驱动器光头,2023/10/31,51,计算机组成原理,5、主要技术指标及接口类型,1）技术指标：存储容量、平均读取时间、数据传输速率等。平均读取时间:CD-ROM驱动器在光盘上找到需要数据的起始位置所花费的时间.平均寻道时间:光头移动到要读取得光道，并稳定在此光道上。平均等待时间:光头稳定在目的光道上后,等到所要读取得扇区到达光头位置所需要的时间。数据传输速率：与驱动器的寻道时间、光盘转速、缓冲区大小以及接口规范等诸多因素有关。早期的CD-ROM数据传输率只有150KB/S(1倍速）目前已达50倍速（50*150KB)。2）接口类型：IDE和SCSI,2023/10/31,52,计算机组成原理,例题 CD-ROM光盘的外沿有5mm宽的范围因记录数据困难，一般不使用，故标准的播放时间为60分钟。光盘的恒定线速度是75扇区/每秒，计算模式1（扇区存数据量为2048字节）和模式2（扇区存数据量为2336字节）情况下，光盘存储容量是多少？解：扇区总数=60*60*75=270000（扇区）模式1存放计算机程序和数据，其存储容量为 270000*2048/1024/1024=527MB 模式2存放计算机程序和数据，其存储容量为 270000*2336/1024/1024=601MB,2023/10/31,53,计算机组成原理,6、安装、操作与维护,安装跳线设置、驱动器固定、电源、音频线连接、EIDE或SCSI接口插座的连接、驱动程序的安装操作注意不要推入托盘，防止托盘顶偏和传输机构受损。光区读盘期间，不宜安eject键推出托盘,2023/10/31,54,计算机组成原理,7、维护,1）光盘的维护避免高温、日晒和寒冷防止盘片受压折保持信息读取免得清洁防止标记面的划伤掌握正确的清洁方法2）CD-ROM的维护防震、防尘用后及时将盘片取出不要使用劣质盘片注意散热,2023/10/31,55,计算机组成原理,8、光盘的类型及发展,CD 唱片CD-ROM光盘。以扇区代替帧VCD MPEG-1压缩标准和CD-1格式编码DVD MPEG-2压缩标准、EFM+调制方式、双面CD-R 只读光盘CD-RW 可重复读写的光盘,2023/10/31,56,计算机组成原理,光盘是70年代发展起来的存储介质，具有存储密度高、容量大、价格低、寿命长和可替换等优点，是当今信息社会一种十分理想的存储介质。可擦写的磁光盘集磁记录和光存储的优点于一体，其存储密度比磁盘高十几倍几十倍信息可保存60100年（磁盘一般为35年）位成本比磁盘低、抗干扰能力强。由于光盘记录头分量重、体积大，使其寻道时间长（30100ms）。写入速度较低，与主机交换数据的速度不匹配，故不能作为计算机的中间存储器，这是光盘不能替换硬盘的主要原因。光盘介质可互换，存储量大，可用作文献档案、图书管理、多媒体方面的应用，另外在广播电视系统中也广泛应用光盘。,2023/10/31,57,计算机组成原理,DVD光盘存储器,电影公司、娱乐电子公司和计算机公司这三个市场广阔而又能量巨大的行业的市场需求和技术的结合造就出了DVD，它最早是数字影像盘（Digital Video Disk）的缩写，但现在一般指数字多用途盘（Digital Versatile Disk）。DVD的基本设计和CD相同，也是120mm直径注入碳酸盐的盘模，由激光二极管照射的凸区和凹区组成，通过光接受器读入信息。其新特性有：凹区更小（DVD为0.4m，而CD为0.8m）。螺旋线更紧凑（DVD道间距为0.74m，而CD的道间距为1.6m）。使用红色激光（DVD激光的波长为0.65m，而CD的为0.78m）。这些改进使DVD的容量比普通光盘提高了7倍，达到4.7GB。单速DVD驱动器的工作速度为1.4MB/S（而CD为150KB/S）。遗憾的是，DVD及使用的红色激光头使得它需要加装上另外一个光源或经过一个怪异的光学转换才能读现在超市中随处可见的CD和CD-ROM，但这些DVD机并没有提供这个功能。而且在DVD机上也可能读不出CD-R和CD-RW。,2023/10/31,58,计算机组成原理,9、微型可移动磁盘（U盘）它采用闪速存储器（FLASH MEMORY)为存储介质和USB串行总线接口，不需要外接电源，即插即用，可实现PC/MAC/NOTEBOOK之间跨平台进行数据及文件的存储和交换，是移动办公及文件交换的理想存储工具。主要特性：1.采用USB接口，支持热插拔，即插即用。2.无需外接电源 3.容量大 4.使用多种操作平台5.电子存储介质，无机械部件，抗震，抗电磁干扰6.带有写保护功能 7.保存数据安全，长久（10年）8.读写速度快，存储速度约为软盘的30倍。9.方便携带。系统要求:1、硬件要求 带USB接口的品牌及兼容PC、笔记本电脑、MAC等。2、操作系统要求 WINDOWS98/SE/ME/2000/XP,MAC8.6,LINUXCORE2.4及以上版本。,2023/10/31,59,计算机组成原理,作业题：8.1 8.2 8.5 8.6 8.8 8.11 注：8.1题中应加上初始电流为-I。另外答案中调相制PM的波形画错了，即规定记录“1”是采用下降沿；记录“0”是采用上升沿，而该题的则正相反。,