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1、第七章 外围设备,返回,第七章 外围设备,外围设备概述磁盘存储设备磁盘存储设备的技术发展磁带存储设备显示设备输入设备和打印设备,7.1外围设备概述,7.1外围设备概述,外围设备的特点,外围设备的工作速度 工作速度都比主机慢的多外围设备的信息类型和机构格式 各种外围设备的信息类型和结构格式均不相同。外围设备的电气特性 信号类型、电平的极性、高低不一等等。,7.1外围设备概述,7.2磁盘存储设备,一、磁记录原理计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储，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。磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。,7.2磁盘存储设备,磁表面存储器

2、的优点：存储容量大，位价格低；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；非破坏性读出，读出时不需要再生信息。当然，磁表面存储器也有缺点，主要是存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。,7.2磁盘存储设备,磁性材料的物理特性见图,7.2磁盘存储设备,磁表面存储器的读写原理写操作：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。读操作：当磁头经过载磁体的磁化元时，由于磁头铁芯是良好的导磁材料，磁化元的磁力线很容易通过磁头而形成闭合磁通回路。不同极性的磁化元在铁芯里的方向是不同的。,7.2磁盘存储设备,通过电、磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可

3、把一位二进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态；反之，通过磁电变换，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。这就是磁表面存储器存取信息的原理。,读出过程波形图,7.2.2 硬磁盘机的组成和分类,对磁盘的直观认识硬盘内部的主要组成部分有：记录数据的磁片；马达；磁头及定位系统；电子线路。,硬磁盘机的基本组成 硬磁盘机是指记录介质为硬质圆形盘片的磁表面存储器。它主要由磁记录介质、磁盘控制器、磁盘驱动器三大部分组成。磁盘存储器逻辑结构图,7.2.2 硬磁盘机的组成和分类,7.2.2 硬磁盘机的组成和分类,硬磁盘机的基本组成磁盘控制器包括控制逻辑与时序、数据并-串

4、变换电路和串-并变换电路。磁盘驱动器包括写入电路与读出电路、读写转换开关、读写磁头与磁头定位伺服系统等。磁记录介质,7.2.2 硬磁盘机的组成和分类,磁记录介质,7.2.2 硬磁盘机的组成和分类,磁记录介质,7.2.2 硬磁盘机的组成和分类,硬磁盘机分类(按盘片结构分)可移动磁头固定盘片的磁盘机：一片或一组盘片固定在主轴上，盘片不可更换。盘片每面只有一个磁头，存取数据时磁头沿盘面径向移动。固定磁头磁盘机：磁头位置固定，磁盘的每一个磁道对应一个磁头，盘片不可更换。优点是存取速度快，省去磁头找道时间，缺点是结构复杂。,7.2.2 硬磁盘机的组成和分类,可移动磁头可换盘片的磁盘机：盘片可以更换，磁头

5、可沿盘面径向移动。优点是盘片可以脱机保存，同种型号的盘片具有互换性。,7.2.2 硬磁盘机的组成和分类,温彻斯特磁盘机：简称温盘，是一种可移动磁头固定盘片的磁盘机。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。优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。,7.2.2 硬磁盘机的组成和分类,7.2.3 硬盘驱动器和控制器,磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口。,磁盘驱动器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，还要求在超净环境下组装。各类磁盘驱动器

6、的具体结构虽然有差别，但基本结构相同，主要由定位驱动系统、主轴系统、数据转换系统组成。如下图是磁盘驱动器外形和结构示意图。,7.2.3 硬盘驱动器和控制器,7.2.3 硬盘驱动器和控制器,硬盘按其接口类型，主要有IDE、SCSI等种类。IDE接口有40/80针，最初是为AT结构的电脑设计的，又称为ATA接口。,7.2.3 硬盘驱动器和控制器,SATA接口的硬盘传输速度，抗干扰能力更强，具备的热插拨功能。,7.2.3 硬盘驱动器和控制器,磁盘片由一组绕轴旋转的盘片组成，柱面指的就是多个磁片上具有相同编号的磁道，它的数目和磁道是相同的。,1、硬盘的磁道与柱面,7.2.4 磁盘上信息的分布,2、记录

7、面、磁道、扇区记录面：记录信息的磁盘片的上下两面。磁道（每一个盘片有5002500条磁道）。扇区，所有磁道具有相同数目的扇区。每个扇区512字节,7.2.4 磁盘上信息的分布,2、记录面、磁道、扇区 磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫0磁道，最里面的一个同心圆叫n磁道，n磁道里面的圆面积并不用来记录信息。每个扇区记录定长的数据,7.2.4 磁盘上信息的分布,7.2.4 磁盘上信息的分布,3、磁盘上信息的地址 信息地址由盘面号(或磁头号)、磁道号（或柱面号）和扇区号组成。,盘面号：磁道号：扇区号,磁道号：盘面号：扇区号,7.2.4 磁盘上信息的分布,4、数据在磁盘上的记录格式：一个扇

8、区(一记录块)由头部空白段、序标段、数据段、校验字段及尾部空白段组成。其中空白段用来留出一定的时间作为磁盘控制器的读写准备时间。,7.2.4 磁盘上信息的分布,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,磁盘存储器的主要指标包括存储密度、存储容量、存取时间及数据传输率。1、存储密度：道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道/英寸。位密度：磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位为位/英寸。面密度：位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸。,2、存储容量：磁盘存储器所能存储的字节总数。存储容量分为：非格式化容量和格式化容量非格式化容量是磁记录表面可以利用的磁化单元总数。非格式化容量=记录面数*

9、柱面数*内圆周长*位密度,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,2、存储容量：格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是用户可以真正使用的容量。格式化容量=记录面数*柱面数*扇区数*扇区容量格式化容量一般是非格式化容量的6070%,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,3、存取时间 磁盘读写数据过程包括：定位：磁头从当前位置移动到要读写的数据块的始端。传输：传输当前磁头下的一块位流（扇区）,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,磁盘存取时间=寻道时间+？,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,磁盘存取时间=寻道时间+旋转时间+？,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,磁盘访问时间=寻道时间+旋

10、转时间+传输时间,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,磁头定位时间包括两部分：寻道时间：将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间；等待时间：寻道完成后至磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间。,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,平均存取时间平均存取时间：等于平均寻道时间与平均等待时间之和。平均寻道时间：最大找道时间与最小找道时间的平均值。平均等待时间和磁盘转速有关，它用磁盘旋转一周所需时间的一半来表示。,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,等待时间平均延迟是磁盘转半圈的时间，转速一般在每分钟3600转到12000转之间。所以对大部分磁盘的平均旋转时间TAR为：,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,平均定位

11、时间Ta由平均寻道时间Tsa和平均等待时间Twa组成。计算公式如下：工业界报告的平均寻道时间约为：5ms-10ms 平均等待时间约为：3ms-6ms,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,日立公司近日宣布面向全球发售15000rpm转数的世界最大的4503.5英寸,提供目前15000转企业级硬盘产品中最高的存储容量450。该硬盘的平均寻道时间只有33毫秒，快速旋转速度将平均延迟时间缩短到2毫秒，从而使客户能够更迅速、高效地访问数据。,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,4、数据传输率外部数据传输率：指主机接口从（向）硬盘缓存读出（写入）数据的速度。例如采用Ultra DMA/66接口的外部传输率可达

12、66.6MB/s。内部数据传输率：指读写磁头定位在要读写的数据块的始端后，连续从磁道中读出或写入数据的速度。一般在20MB/s到30MB/s之间。,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,内部数据传输率：Dr=D*V=rm(D-存储密度，V-磁介质与磁头相对运动速度，r-转速，m-道容量),7.2.5 磁盘存储器的技术指标,举例1 有一个磁盘组，外径355.6mm(14英寸)，20个记录面，每面有51mm区域用于记录信息，道密度为3.92道/mm，位密度为90B/mm，则：,-每面磁道数：51x3.92=200道最内圈周长：3.14x(355.6-2x51)=796.71mm-每磁道信息量：796.

13、71x90=71904位-盘组信息总量：20 x200 x71904=2.868x108位,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,举例2 某磁盘存储器转速2400转/分，共有4个记录面，每道记录信息为12288B，最小磁道直径为230mm，共有275道。问：1、磁盘存储器的存储容量是多少？122882754=33792004=13516800B 2、磁盘存储器的数据传输率是多少？N为每条磁道容量，r为磁盘转速=3000转/60秒=50转/秒 数据传输率Dr=rN=1228850=614400B/s 3、平均等待时间是多少？t=1/50 1/2=10ms,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,举例3 磁

14、盘组有6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22cm，外径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?,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,(1)有效存储区域=16.5-11=5.5(cm)因为道密度=40道/cm，所以405.5=220道，即220个圆柱面(2)内层磁道周长为2R=23.141

15、1=69.08(cm)每道信息量=400位/cm69.08cm=27632位=3454B 每面信息量=3454B220=759880B 盘组总容量=759880B10=7598800B(3)磁盘数据传输率Dr=rN,N为每条磁道容量，N=3454B,r为磁盘转速，r=2400转/60秒=40转/秒 Dr=rN=403454B=13816B/s,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,(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(一个扇区)，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：此地址格式表示有4台磁盘，每台有16个记录面，每面有256

16、个磁道，每道有16个扇区。(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，因为不需要重新找道，数据读/写速度快。,7.2.5 磁盘存储器的技术指标,7.3磁盘存储设备的技术发展,一、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，主存芯片容量和磁盘驱动器的容量每15年增长1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(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，因此磁盘I/O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：提高磁盘机主轴转速，提高I/O总线速度，采用磁盘cache等。主存和CPU之间设置高

17、速缓存cache是为了弥补主存和CPU之间速度上的差异。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。,7.3磁盘存储设备的技术发展,一、磁盘cache的原理现在大多数磁盘驱动器中都使用了预读策略，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cache中。CPU的cache存取时间一般小于10ns，命中率95%以上，全用硬件来实现。磁盘cache一次存取的数量大，数据集中，速度要求较CPU的cache低，管理工作较复杂，因此一般由硬件和软件共同完成。其中cache采用SRAM或DRAM。,7.3磁盘存储设备的技术发展,二、磁盘阵列RAIDRAID称廉价冗余磁盘阵列，它是用

18、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，在多个磁盘上交错存放数据，使之可以并行存取。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。,7.3磁盘存储设备的技术发展,二、磁盘阵列RAIDRAID是1988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，并用分布数据的方法能够同时从多个磁盘中存取数据，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。工业上制定了一个称为RAID的标准，它分为7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

19、量、可靠性、数据传输能力、I/O请求速率等方面的应用需求。,下面以RAID 0级为例来说明。考虑到低成本比可靠性更重要，RAID 0未采用奇偶校验等冗余技术。RAID 0用于高速数据传输和高速I/O请求。对RAID 0,用户和系统数据分布在阵列中的所有磁盘上。与单个大容量磁盘相比，其优点是：如果两个I/O请求正在等待两个不同的数据块，则被请求的块有可能在不同的盘上。因此，两个请求能够并行发出，减少了I/O排队的时间。见下图。,7.3磁盘存储设备的技术发展,7.4 磁带存储设备,一、磁带机的组成与分类一、磁带存储器信息的存储二、磁带存储器的特点与用途,一、磁带机的组成与分类,磁带存储器由磁带和磁

20、带机两部分组成。磁带的磁道是沿着磁带长度方向的直线，存储密度主要用位密度来衡量。,磁带机的分类按磁带机规模分由标准半英寸磁带机、海量宽带磁带机和盒式磁带机三种。按磁带的记录格式分有启停式和数据流式。数据流式磁带机已成为现代计算机系统的主要后备存储器。其位密度可达8000bpi。,一、磁带机的组成与分类,磁带的分类按宽度分有1/4英寸、1/2英寸、3英寸等几种；按磁带长度分有有2400英尺、1200英尺、600英尺等按记录密度分有800bpi、1600bpi和6250bpi等。按道数分有7道、9道、16道等；按外形分有开盘式和盒式磁带两种。,二、磁带存储器信息的存储,传统的启停式磁带机上的信息保

21、存在并行排列的磁道上，每个磁道记录一个字中的一位信息。下图为9道磁带的格式。其中8条磁道用于记录一个字节信息，一条用于垂直奇偶校验。,二、磁带存储器信息的存储,磁带中的磁道.数据流磁带机采用串行读写方式。其记录格式类似于软盘。,二、磁带存储器信息的存储,启停式磁带的记录格式磁带与主机间进行信息传送的最小单位是数据块，或称为记录块（block）。记录块的存储位置和编号与磁带的长度保持严格的线性关系。,三、磁带存储器的特点与用途,磁带存储器的特点：存储容量大、价格便宜。但只能顺序存取，不能像磁盘存储器那样直接存取，并且访问速度慢。磁带存储器的用途：主要用作脱机的后备存储装置。用于资料保存、文件复制

22、、备份存储等。,CD-RAM1、光驱的工作原理2、光驱的分类3、光驱的常用技术参数4、DVD驱动器5、磁光盘,7.5光盘和磁光盘存储设备,光驱的工作原理的工作原理 光盘驱动器(光驱)是一个结合光学、机械及电子技术的产品。在光学和电子结合方面，激光光源来自于一个激光二极管，它可以产生波长约0.54-0.68微米的光束，经过处理后光束更集中且能精确控制，光束首先打在光盘上，再由光盘反射回来，经过光检测器捕获信号。光盘上有两种状态，即凹点和空白，它们的反射信号相反，很容易经过光检测器识别。检测器所得到的信息只是光盘上凹凸点的排列方式，驱动器中有专门的部件把它转换并进行校验，然后我们才能得到实际数据。

23、光盘在光驱中高速的转动，激光头在司服电机的控制下前后移动读取数据。,光盘 CD-ROM是只能读出而不能写入的光盘，。它的制作成本低、信息存储量大、保存时间长。CD-ROM只有一面有数据，数据刻录在光滑的一面。在CDROM上，数据的读取靠激光来实现，表面的灰尘和划痕都会影响到读盘质量。CD-ROM的容量不是固定的，最常见的是12厘米的一种。CD-R74可存储650M字节的数据或74分钟的音乐，CD-R63可存储550M字节的数据或63分钟的音乐。一张CD-R74有333,000个扇区，每个扇区有2048个字节，则它可录制333,0002,048=681,984,000字节，即650M。,7.5光

24、盘和磁光盘存储设备,7.5光盘和磁光盘存储设备,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。扇区的结构如图所示。,7.5光盘和磁光盘存储设备,【例2】CDROM光盘的外缘有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。计算模式1和模式2（校验区也用来放数据）情况下光盘存储容量是多少?解：扇区总数=60分60秒75扇区/秒=270 000(扇区)模式1存放计算机程序和数据，其存储容量为 270 0002048B/220=527MB 模式2存放声音、图像等多媒体数据，其存储容量为270 0002336B/220=601MB,光盘刻录机1、CD-

25、R光盘的结构2、光盘刻录机的结构与工作原理3、光盘刻录机的使用 CD-R驱动器，也叫光盘刻录机，外观上和CD-ROM驱动器一样，只是它里面的激光器，比标准CD-ROM驱动器的激光器功率要大。,7.5光盘和磁光盘存储设备,CD-R刻录机（CD-Recorder或CD-Recordable的缩写）一张光盘只可以让用户写一次的光盘驱动器，其数据格式与CD-ROM相同;CD-R规格书由菲利浦公司（Philips）和索尼公司（Sony）共同制定并于1990年颁布，雅马哈公司（Yamaha）在同年推出了第一部2倍速CD-R驱动器。,7.5光盘和磁光盘存储设备,CD-R驱动器是一次写入多次读出的驱动器。CD

26、-R和CD-ROM类似，非常适合于存储大量的数据文件。记录的介质是有机染料或者是金属。CD-R有两种记录方式，一种是用激光在金属记录层烧熔出凹坑，另一种是利用激光加热使染料型记录层发生变色，变色部分的反射率比附近区域低得多。读出数据时，就是根据反射激光的强弱变化来实现的。光驱在读取这些平面和凹坑的时候就能够将其转换为0和1。由于这种变化是一次性的，不能恢复到原来的状态，所以CD-R盘片只能写入一次，不能重复写入。,7.5光盘和磁光盘存储设备,CD-RW刻录机（CD-ReWritable的缩写）允许用户在同一张可擦写光盘上反复进行数据擦写操作的光盘驱动器,由RICOH公司首先推出。CD-RW采用

27、相变技术来存储信息。相变技术是指在盘片的记录层上，某些区域是处于低反射特性的非晶体状态；数据是通过一系列的由非晶体到晶体的变迁来表示。CD-RW驱动器在进行记录时，通过改变激光强度来对记录层进行加热，从而导致从非晶体状态到晶体状态的变迁。,7.5光盘和磁光盘存储设备,与CD-R驱动器相比，CD-RW具有明显的优势:CD-R驱动器所记录的资料是永久性的，刻成就无法改变。若刻录中途出错，则既浪费时间又浪费CD-R光盘;而CD-RW驱动器一旦遭遇刻录失败或须重写，可立即通过软件下达清除数据的指令，令CD-RW光盘重获“新生”，又可重新写入数据。,7.5光盘和磁光盘存储设备,DVD驱动器 DVD是“数

28、字多功能光盘”(Digital Versatile Disc)的简称，或数字激光视盘(Digital Video Disc)，它具有高密度、高画质、高音质等特点。满足人们对大存储容量、高性能存储媒体的需求，主要用于存储多媒体软件和影视节目。,7.5光盘和磁光盘存储设备,DVD光盘：DVD大小和普通的CD-ROM完全一样，为了增大光盘容量，在DVD盘的生产采用了一种新的技术：即采用波长为635mm650mm的红激光刻盘，使轨道的间距减少，大大增加光盘的存储容量。DVD定义了四种格式：单面单层，单面双层，双面单层，双面双层四种规格。容量分别是：4.7G、8.5G、9.4G和17G字节。普通的CD-

29、ROM容量仅为650M。DVD和CD-ROM、VCD一样，既可以存储数据，也可以存储电影数据。,7.5光盘和磁光盘存储设备,7.5光盘和磁光盘存储设备,二、磁光盘存储设备磁光盘的基本工作原理是：利用热磁效应写入数据：当激光束将磁光介质上的记录点加热到居里点温度以上时，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“1”。利用磁光克尔效应读出数据：当激光束照射到记录点时，记录点的磁化方向不同，会引起反射光的偏振面发生不同结果，从而检测出所记录的数据“1”或“0”。,7.5光盘和磁光盘存储设备,磁光盘操作的四种情况：图(a)表示未编码的磁盘，例如所有磁化点均存“0”。图(b)表示写操作：高功率激光束照射加热点（记录点），磁头线圈中外加电流后产生的磁场使其对应的记录点产生相反的磁性微粒，从而写入“1”。图(c)表示读操作：低功率的激光束反射掉相反极性的磁性粒子且使它的极性变化。如果这些粒子没有被反射掉，则反射激光束的极性是不变化的。图(d)表示擦除操作：高功率激光束照射记录点，外加磁场改变方向，使磁性粒子恢复到原始极性。总之，MO盘介质材料发生的物理特性改变是可逆变化，因此信息是可重写的。,