计算机组成与结构PPT课件(全)第8章辅助存储器.ppt

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1、第8章 辅助存储器,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 磁带存储器8.6 光盘存储器8.7 硬盘、软盘、磁带和光盘存储器的综合比较习题,计算机中的存储器分为主存储器和辅助存储器两大类。主存储器用来存放需立即使用的程序和数据，要求存取速度快，通常由半导体存储器构成。辅助存储器用于存放当前不需立即使用的信息，一旦需要，再和主存成批地交换数据。它作为主存的后备和补充，是主机的外部设备，因此又称为外存储器。辅助存储器的特点是容量大、成本低，通常在断电后仍能保存信息，是“非易失性”存储器，其中大部分存储介质还能脱机保存信息。,8.

2、1 辅助存储器的种类与技术指标当前市场上流行的辅助存储器主要有磁表面存储器和光存储器两大类。磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片(或带)的基体上形成记录介质，并以绕有线圈的磁头与记录介质的相对运动来写入或读出信息。现代计算机系统中所使用的磁表面存储器又有数字式磁记录和模拟式磁记录两种，数字式磁记录主要有硬盘、软盘和磁带。模拟式磁记录是指录音和录像设备。,磁表面存储器是历史最久、应用最广的辅助存储器，而且存储信息的位价格(存储1位二进制信息的价格)低。用于计算机系统的光存储器主要是光盘(optical disk)。光盘的记录原理不同于磁盘，它是利用激光束在具有感光特性的表面上存储信息的。光盘的容量

3、比磁盘的容量大，是很有发展前途的新型辅助存储器。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.存储密度存储密度是指单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制信息量。对于磁盘存储器，用道密度和位密度表示，也可以用两者的乘积面密度表示。对于磁带存储器，则主要用位密度表示。磁道指的是存储在介质表面上的信息的磁化轨迹，磁盘与磁带的磁化轨迹是不同的。,对于磁盘存储器，磁道是磁盘表面上的许多同心圆。在有多个盘片构成的盘组中，由处于同一半径的磁道组成的一个圆柱面，称为柱面。沿磁盘半径方向单位长度的磁道数称为道密度。道密度的单位是道英寸(track per inch，简称TPI)或道毫米TPM

4、。磁道具有一定的宽度，叫道宽。它取决于磁头的工作间隙长度及磁头定位精度等因素。为避免干扰，磁道与磁道之间需保持一定距离，相邻两条磁道中心线之间的距离叫道距。单位长度磁道所能记录二进制信息的位数叫位密度或线密度。单位是位英寸bpi(bits per inch)或位毫米bpm。,对于磁带，其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。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。一般用字节为单位。磁盘存储器有格式化容量和非格式化容量两个指标。格式化容量指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是用户真正可以使用的容量。非格式化容量是磁记录表面可以利用的磁化单元总数

5、。将磁盘存储器用于计算机系统中，必须首先进行格式化操作，然后才能供用户记录信息，格式化容量一般约为非格式化容量的60%70%。,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：TaTsa+Twa(tsmax+tsmin)/2+(twmax+twmin)/2,平均寻址时间是磁盘存储器的

6、一个重要指标。硬磁盘存储器比软磁盘存储器的平均寻址时间短。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，实际上磁头不动，磁带移动，所以寻址时间指的是磁带空转到磁头应访问记录区所在位置的时间。,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。为确保主机与磁表面存储器之间传输信息不丢失，传输率与存储设备和主机接口逻辑两者有关。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。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度接收发送信息，以便主机与辅存之间的传输正确无误。,5.误码率误码率是衡量磁表面存储器出错概率的

7、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。,8.2 磁记录原理与记录方式8.2.1 磁记录原理磁表面存储器通过磁头和记录介质的相对运动完成写入和读出。写入过程如图8.1(a)所示。读出过程是将介质上记录的磁化单元序列还原为电脉冲序列的过程。如图8.1(b)所示。,图8.1 读写原理,磁表面存储器中信息的写入和读出过程就是电和磁之间的转换过程。其原理是很简单的，但是在实际应用中，还要受到许多因素的影响和制约，这也是限制磁表面存储器的存储密度的主要原因。影

8、响比较大的因素是偏斜、系统噪音和脉冲拥挤效应等，在设计系统时，一定要考虑这些因素。,前面介绍的以环形磁头边缘磁场的水平分量在介质上写入信息的方式称为纵向磁记录或水平磁记录。另外还有一种能提高存储密度的垂直磁记录方式。垂直磁记录原理垂直记录是利用磁头磁场的垂直分量，在具有各向异性的记录介质上写入信息，从而在介质上形成垂直于磁层表面的小磁化区(主磁体)；而在读出信息时，则利用介质记录区穿过磁层表面的磁场的垂直分量去感应磁头线圈。图8.2给出了在水平记录和垂直记录的磁道中，主磁体的排列方式的对照。,图8.2 水平记录(纵向记录)和垂直记录,无论是水平记录用磁头，还是垂直记录用磁头，共同的要求是以最小

9、的磁动力(单位是安匝)产生尽可能大的磁场强度，即要求磁头有高灵敏度。此外还要求有大的磁场梯度。垂直记录用的磁头更希望有大的垂直磁场。用于垂直记录的磁头有辅助磁极励磁型磁头、主磁极励磁型磁头和环形磁头。图8.3(a)为辅助磁极励磁型磁头示意图。图8.3(b)所示为主磁极励磁型磁头的一种形式。环形磁头本来广泛应用于水平记录，通常环形磁头的垂直磁场分量低于水平磁场分量，但如使用具有垂直各向异性的介质进行记录，是可以使介质进行垂直磁化的。,图8.3 垂直记录磁头,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

10、段。因此又称为磁记录媒体。根据记录介质的基底不同，主要有软性介质(磁带和软磁盘片)和硬性介质(硬磁盘片)两种。磁性材料也有颗粒材料和连续材料两类。一种好的记录介质应该具有记录密度高、输出信号幅度大，噪声低，表面组织紧密、光滑、无麻点，薄厚均匀，对周围环境的温度、湿度不敏感，能长期保持磁化状态等特点。,最常用的磁性材料是-Fe2O3针状颗粒材料，称为磁粉，采用涂布工艺将其涂敷在基体上，形成记录介质。按照涂布工艺方式的不同可以分成两种：(1)平涂工艺(2)甩涂工艺涂布型记录介质具有易于大量生产和价格便宜等优点，但是根据磁记录理论，为了提高记录密度，要求介质的磁层尽量薄，并具有高的矫顽力和剩磁，而涂

11、布工艺由于以下两方面的原因，限制了记录密度的提高：,(1)磁粉颗粒在0.30.5微米之间，所以磁层厚度不低于0.5微米，而一般温盘磁层厚度在0.5微米之内。(2)磁层中含有粘合剂等非磁性物质，降低了剩磁，影响了输出信号幅度。采用连续膜介质可以解决涂布介质无法克服的困难，连续膜介质有以下优点：(1)磁层可以很薄。(2)剩磁可10倍于普通-Fe2O3磁粉介质的剩磁。因此连续膜介质在高记录密度时仍有大的信号输出，且信号峰值位移小。,2.感应式磁头磁头是实现电磁转换的装置。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。介质上已记录信息的清除，

12、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。,在一个具有缝隙的环形导磁体上绕上线圈，就构成了磁头。图8.1中可见磁头的导磁体用两半环对接而成，存在着前后两个间隙。后间隙的存在增大了导磁体的磁阻，因此后间隙做得很小很小。前间隙在磁头极尖处，信息的读写均要通过它，因此又称为工作间隙。工作间隙一般装有非磁性材料，如云母、玻璃或二氧化矽等以增大磁阻，使导磁体的磁力线绕过工作间隙形成漏磁场，从而可以磁化记录介质而存储信息。间隙越大，漏磁通就越多，记录的信息越可靠。但间隙过大，磁化单元面积大，又将影响记录密度。,磁头的环形导磁体材料要求

13、导磁率高，饱和磁感应强度大，矫顽力小，剩余磁感应强度小。这样容易磁化，也容易去磁，记录的信息误码率低，可靠性高。同时还要求电阻率大，硬度高，居里点高，加工特性好。这样涡流损耗小，高频特性好，不易磨损，其性能随温度变化小，并且容易加工。为了满足以上特性，磁头通常用软磁材料做成。常用的软磁材料有两种：一种是金属软磁材料，另一种是铁氧体材料。,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。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、极尖的几何形状，磁性材料的硬度、头面的

14、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；启动磁盘工作时，须待盘片达到一定转速后磁头才能进到盘片上面执行寻道操作，否则可能损坏磁头或划伤盘面。,磁记录介质与磁头的发展方向是采用“双薄”技术，即薄膜介质与薄膜磁头。薄膜介质是利用一种制造工艺使记录材料生长在基片上形成一层连续的

15、薄膜。这种连续薄膜比非连续的颗粒介质具有更高的记录密度。薄膜磁头是采用薄膜形成技术(例如蒸发、溅射和电镀等)和部分集成电路工艺(例如制版、刻蚀等)制成的磁头。与常规的铁氧体磁头相比，其感应系数小，高频特性好，体积减小到铁氧体磁头的三十分之一，重量为铁氧体磁头的二十分之一，因此易于获得高道密度和高位密度。,3.MR磁头随着计算机对大容量硬盘驱动器的需求，促进高密度磁记录技术的发展。传统的感应式磁头采用电磁感应原理读出记录信号，而记录密度的提高使得相邻磁化单元之间产生干扰，导致磁头感应线圈中流过的磁通量减少。而且驱动器的小型化使磁盘转动的线速度下降，这会导致磁头读出线圈中磁通量变化率的降低。这两个

16、因素作用的结果是磁头读出信号幅值的急剧下降，从而不能正确读出记录信号。,利用磁致电阻效应(magneto resistive，简称MR)磁头能在高密度记录的情况下读出信号。MR磁头是专用于读出的磁头，即它不能完成写入工作，但它具有高的输出灵敏度和与磁盘转速无关的输出特性，所以需要与专用的写入磁头配合使用。MR磁头的制造涉及材料科学和微加工等尖端工艺，难度大，成本高。虽在1970年已设计出第一个MR磁头，但直到1985年IBM公司才首次将其用在IBM 3480磁带机中。1991年的实验室水平是每平方英寸记录2000M位，道密度达到每英寸17000道。,将某些磁性材料放在磁场中，如果通以一恒定电流

17、，当外加磁场改变时，该材料的电阻率也随之变化，这就是磁致电阻效应。MR磁头就是利用磁致电阻效应读出信号的(图8.4)。MR磁头目前已被广泛应用于硬盘机和磁带机中，尤其是在大容量的硬盘驱动器中。但MR磁头的价格仍较贵。,图8.4 MR磁头模型,8.2.3 磁记录方式磁记录方式是一种编码方法，指的是按照某种规律将一连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。采用高效可靠的记录方式，是提高记录密度的有效途径之一。图8.5给出几种常见的磁记录方式的写入电流波形，也是磁层上相应位置所记录的理想磁化状态或磁化强度。,图8.5 磁记录方式波形图(写入电流和磁化强

18、度),(1)归零制(RZ)给磁头写入线圈送入的一串脉冲电流中，正脉冲表示“1”，负脉冲表示“0”，从而使磁层在记录“1”时从未磁化状态转变到某一方向的饱和磁化状态，而在记录“0”时从未磁化状态转变到另一方向的饱和磁化状态。在两位信息之间，线圈里的电流为零，这是归零制的特点。因磁层为硬磁材料，采用这种方法去磁比较麻烦，也就是说改写磁层上的记录比较困难，改写时，一般先去磁，后写入。,(2)不归零制(NRZ)在记录信息时，磁头线圈里如果没有正向电流就必有反向电流，而没有无电流的状态，为不归零制。磁层不是正向被饱和磁化就是反向被饱和磁化，当连续写入“1”或“0”时，写电流的方向是不改变的。因此，这种记

19、录方式比归零制减少了磁化翻转的次数。(3)见“1”就翻的不归零制(NRZ1)和不归零制一样，记录信息时，磁头线圈中始终有电流通过。不同之处在于，流过磁头的电流只有在记录“1”时变化方向，使磁层磁化方向翻转；记录“0”时，电流方向不变，磁层保持原来的磁化方向。因此称为“见1就翻的不归零制”。,(4)调相制(PM)调相制又称相位编码(PE)，它是利用两个相位相差180的磁化翻转方向代表数据“0”和“1”。也就是说，假定记录数据“0”时，规定磁化翻转的方向由负变为正，则记录数据“1”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。,(5)调频制(

20、FM)调频制的记录规则是，记录“1”时，不仅在位周期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，位周期中心不产生磁化翻转，但位与位之间的边界处要翻转一次。由于记录数据“1”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”。(6)改进调频制(MFM)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，而不是在每个位周期的起始处都翻转。,除上述几种记录方式外，还有改进调频制(M2FM)，成组编码(GCR)以及游程长度受限码(RLLC)等。下面讨论读

21、出信号。当记录介质在磁头下匀速通过时，如磁层的磁化强度发生变化，将在磁头的读出线圈中感应出电压。图8.6给出两种不归零制(NRZ，NRZ1)和改进调频制(MFM)的磁化强度和读出信号波形。,图8.6 三种记录方式的磁化强度和读出信号波形,不同的磁记录方式性能各异。评定一种记录方式的优劣标准主要是编码效率、自同步能力等。自同步能力是指从单个磁道读出的脉冲序列中提取同步时钟脉冲的难易程度。前面已经讲到，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，称为同步信号。同步信号可以从专门设置用来记录同步信号的磁道中取得，这种方法称为外同步。但对于高密度的记录系统来说，还希望能直接从磁盘

22、读出的信号中提取同步信号，这种方法称为自同步。如果说某种编码方法具有自同步能力，就是指能从读出数据(脉冲序列)中提取同步信号。,自同步能力的大小可以用最小磁化翻转间隔与最大磁化翻转间隔的比值R来衡量。比值R越大，自同步能力越强。编码效率是指位密度与最大磁化翻转密度之比。位密度/最大磁化翻转密度编码效率高低是指每次磁层状态翻转所存储的数据信息位的多少。,除编码效率和自同步能力之外，还要考虑：读分辨率，即磁记录系统对读出信号的分辨能力；信息的相关性，即漏读或错读一位是否能传播误码；以及信道带宽，抗干扰能力，编码译码电路的复杂性等。这些都对记录方式的取舍评价产生影响。另外，对于不同种类的设备，还要根

23、据设备读写机构的特点来选择记录方式，例如磁带机是多道并行存取结构，一般采用调相制记录方式(PE)和成组编码(GCR)。磁盘机中则主要选择FM和MFM，分别用于单密度和双密度磁盘存储器。,另外还有一种游程长度受限码(run length limited code，简称RLLC或称RLL)，是编码理论中研究码制变换、增强抗干扰能力而得出的一种编码。前面介绍的FM，PM等记录方式都可以用RLL码加以描述。RLL编码的实质是将原始数据序列变换成“0”、“1”受限制的记录序列，其编码规则是：先把输入信息序列变换为“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k和最小位数d均受到限制的

24、新编码，然后再用逢“1”变化不归零制方式进行调制和写入，具有自同步能力。,同样，磁带机和软磁盘上使用的成组编码记录(GCR)(5，4)也是一种RLL码。成组编码记录(group coded recording，简称GCR)码的编码规则是把输入信息序列按4位长度分组，然后按表8.1中给出的规则把4位信息变换为5位码字，在这里k=2,d=0,最后再把编码序列用逢“1”变化不归零制规则调制。这种编码具有自同步能力。,表8.1 GCR(5.4)变换规则表,最后，以调频制(FM)为例，介绍记录方式的实现(图8.7)。图8.7 FM制记录波形的形成,本例将同步信号及数据(71H)混合在一起后形成混合脉冲，

25、利用混合脉冲作为一位触发器的计数脉冲，该触发器的输出波形即为FM制的记录波形(写入电流)。在此图中数据与同步脉冲的关系如下：(1)数据在位周期T的中心，如果数据是“1”，有脉冲；如果是“0”，则无脉冲。(2)同步脉冲在位周期的前边界。通常送到磁表面存储器的数据来自移位寄存器，其数据序列如图8.8(b)中所示的串行数据，以电位的高低来表示“1”和“0”。利用图8.8(a)的电路图可产生类似于图8.7中的混合脉冲，图8.8(b)为各点波形图。,图8.8 FM制混合脉冲生成电路及波形图,任何数字磁记录都可看作由一串等距或不等距的磁化翻转所构成，如果两次相邻的极性相反的磁化翻转相隔很近，那么读出信号脉

26、冲将产生部分重叠，而影响彼此读出的信号幅度，并使峰点产生偏移，这种现象称为脉冲拥挤效应或符号间干扰(码间串扰)，这会影响记录密度。可以通过RLLC(游程长度有限码)来减少脉冲拥挤效应，以提高记录密度。采用PRML技术可进一步提高记录密度，其基本思想是一个符号的读出信号并不局限在一个符号的持续期间内，而延伸到前后若干个符号的持续期间内，但符号间的干扰不是随机的，而是有规律的，可通过计算机观察进行控制和消除，因此可以提高记录密度。,8.3 硬磁盘存储器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。它以铝合金等金属作为盘基，盘面敷有磁性记录层，磁层

27、可以采用甩涂工艺制成，此时磁粉呈不连续的颗粒存在；也可以用电镀、化学镀和溅射等方法制取连续膜磁盘。硬磁盘存储器种类很多，结构各异，性能差别很大，为便于叙述，采用以下分类方法。1.根据磁头的工作方式分类按此法可分成移动头磁盘存储器和固定头磁盘存储器。,移动头硬盘存储器存取数据时磁头在磁盘盘面上径向移动，磁头与盘面不接触，且随气流浮动，称为浮动磁头。这种存储器可以由一个盘片或多个盘片组成，装在主轴上。盘片的每面都有一个磁头。这种结构的硬磁盘存储器应用很广，其典型结构为温彻斯特磁盘。固定头磁盘存储器的磁头位置固定，磁盘的每一个磁道都对应一个磁头，盘片也不可更换。其特点是存取速度快，省去了磁头沿盘片径

28、向运动找磁道的时间，磁头处于工作状态即可开始读写。,2.根据磁盘可换与否分类按此法分类有可换盘存储器和固定盘存储器两种。可换盘存储器是指磁盘不用时可以从驱动器中取出脱机保存。这种磁盘可以在兼容的磁盘存储器间交换数据，由于可脱机保存，故便于扩大存储容量。为了达到可靠地交换数据的目的，磁盘的道密度要适当降低，从而使可换磁盘记录密度的提高受到限制。固定盘存储器是指磁盘不能从驱动器中取出，更换时要把整个“头盘组合体”一起更换。这种结构的磁盘存储器称为温彻斯特磁盘(Winchester Disk)。,温彻斯特磁盘简称温盘，是一种可移动磁头固定盘片的磁盘存储器，它是目前应用最广，最有代表性的硬磁盘存储器。

29、所谓温彻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彻斯特大街的研究所研制的，它于1973年首先应用于IBM3340硬磁盘存储器中，因此将这种技术称作温彻斯特技术。,温彻斯特技术是磁盘向高密度、高容量发展的产物。温盘的主要特点是一种密封组合式的硬磁盘，将磁头、盘片、电机等驱动部件甚至读写电路等制成一个不可随意拆卸的整体，也叫“头盘组合体”。它的防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。而普通的硬磁盘要求具有超净环境，只有中大型计算机才有可能创建这样的环境。磁盘存储器由驱动器(hard disk drive，简称HDD)和控制器(hard disk controller

30、，简称HDC)组成。,磁盘驱动器又称磁盘机或磁盘子系统，它是独立于主机之外的一个完整装置。磁盘控制器一般是指插在主机总线插槽中的一块电路板。控制器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，以控制驱动器的读写操作。一个控制器可以控制一台或几台驱动器。,8.3.2 硬磁盘驱动器(HDD)及硬磁盘控制器(HDC)磁盘驱动器是一种精密的电子和机械装置，对于温盘驱动器，还要求在超净工作环境下组装。图8.9是磁盘驱动器结构示意图。驱动器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(或盘片)。1.磁头定位驱动系统在可移动磁头的磁盘驱动器中，驱动磁头沿

31、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机构。精密、快速的磁头驱动定位系统是实现高密度存储、高速存取的最基本的技术保障。,图8.9 磁盘驱动器结构示意图,定位驱动系统由驱动部件和运载部件(也称为磁头小车)组成。在磁盘存取数据时，磁头小车的运动驱动磁头进入指定磁道的中心位置，并精确地跟踪该磁道。定位驱动系统的驱动方式主要有步进电机驱动和音圈电机驱动两种。步进电机驱动机构的结构紧凑，控制简单，但是整个驱动定位系统是开环控制，步进电机靠脉冲信号驱动，因此定位精度比较低。一般用于软磁盘驱动器和道密度不高的硬磁盘驱动器。其道密度在300TPI左右。步进电机驱动的另一个问题是找道时间比较长。

32、因此，存取时间较长。,磁盘驱动器普遍采用音圈电机驱动和伺服盘定位。音圈电机是线性电机，可以直接驱动磁头作直线运动。整个驱动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，驱动速度快，而且定位精度高。图8.10是磁盘机音圈电机控制系统框图。工作时各部分作用如下：(1)位置检测电路检出磁头当前所在位置。(2)由控制器送来要求磁头寻找的目的磁道的位置。(3)逻辑电路求出目标位置与磁头当前所在位置的差值。,图8.10 音圈电机控制系统,(4)模拟控制电路根据差值及磁头现在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。为使磁头快

33、速精确地定位，必须采用闭环控制方式。除了有电机驱动机构以外，还应有位置检测机构和速度控制机构反馈磁头当前所在位置及运动速度，根据磁头当前位置和目标位置的差值控制磁头运动的速度和方向，以逐步精确定位到目标磁道。,位置检测的方法很多，有光栅位置检测，感应同步器检测，伺服盘定位检测以及嵌入式伺服检测等。在伺服盘定位检测机构中，伺服盘(servodisk)就是在盘组中设置一个用作位置传感的专用盘面，在该盘面上记录有磁道位置信息，定位时由一个专用磁头伺服磁头读出，便得到反映磁道位置的信号。目前硬盘机寻道定位一般采用嵌入式伺服，这就要求磁头既能读取记录数据，又能读取磁道伺服信息。,2.主轴系统与数据控制系

34、统主轴系统的作用是安装盘片，并驱动它们以额定转速稳定旋转。它的主要部件是主轴电机和有关控制电路。数据控制系统的作用是控制数据的写入和读出。它包括磁头、磁头选择电路、读写电路和索引区标电路等。读写电路的框图见图8.11。,图8.11 读写电路框图,(1)写入数据过程当一组数据需要写在盘上时，需要进行以下操作：接收选头选址信号，并将磁盘地址信号设置到地址寄存器中，完成寻址操作。根据控制器来的写命令及数据开始写入信息。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。由检测电路检查是否出错。通常，磁表面存储器的写饱和电流在几十毫安到一百毫安左右，在一些高密度的磁盘存储器中，盘片内、外区的

35、写电流大小是不同的。外区写电流大，内区写电流小。,(2)读出数据过程读电路接收磁盘表面所记录的磁通变化，作为磁头的激磁电压，即在磁头线圈内产生感应电动势。选头的方法和写电路相同。工作过程如下：执行寻址操作并选择磁头。磁头读出信号送放大器。读放大器输出送译码电路，如为FM记录方式，在此将读出信号分离成两路，一路为数据脉冲，另一路为同步脉冲。3.盘组(或盘片)有关盘片的描述，请参考8.4节。,4.硬磁盘控制器磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口，由于辅助存储器是快速的外部设备，它们与主机之间是成批交换数据的。采用直接存储器存取(DMA)控制方式。作为主机与驱动器之间交接部件的控制器，需要有两个接

36、口，一个是与主机的接口，控制辅存与主机总线之间交换数据；另一个是与设备的接口，根据主机的命令控制设备的操作。前者称为系统级接口，后者称为设备级接口。,磁盘控制器与主机之间(系统级接口)的交换面是比较清楚的，控制器只和主机系统总线打交道，数据的发送与接收均是通过主机总线进行的。但控制器与驱动器之间的任务分工比较模糊，也就是说，磁盘控制器与驱动器之间没有明确的界限。主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑如图8.12所示。,图8.12 磁盘控制器接口,8.3.3 磁盘cache 1.磁盘cache的概念高速缓存(cache)是增强相对慢速存储设备存取速度的暂存存储器。在主存储器和CPU之间设置的cach

37、e是为了弥补主存和CPU之间速度的差别；同样磁盘cache是为了弥补慢速磁盘和主存之间的速度差异。,2.磁盘cache的工作原理在磁盘cache中，由一些数据块组成的一个基本单位称为cache行。当一个I/O请求送到磁盘驱动器时，首先搜索驱动器上的高速缓存行是否已被写上数据，如果是读操作，且要读的数据已在cache中，则为命中，可从cache中读出数据，否则需从磁盘介质上读出。写入操作和CPU中的cache类似，有“直写”和“写回”两种方法。,高速缓存利用了被访问数据的空间局部性和时间局部性规则。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；时间局部性是指当某些数据

38、被存取后，不久这些数据还可能被再次存取。因此现在大多数磁盘驱动器中都使用了预读策略，即根据局部性规则预取一些不久将可能读入的数据并把它读入到高速缓存中。预读策略对顺序读操作特别有效，因此在光盘驱动器和CD-ROM中通常使用大容量预读cache，以保证大量连续的视频或图像文件的显示。但对小型缓存来说，大量的预读操作可能会由于空间不够而删去cache中的一些有用数据。,一般CPU高速缓存的存取时间小于10ns，一次存取数量一般不超过32字节，命中率95%以上，用硬件来实现。磁盘cache一次存取的数量大，数据集中，速度要求比CPU高速缓存低，而且大容量缓存管理工作较复杂，因此磁盘cache的管理和

39、实现一般由硬件和软件共同完成。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。,8.3.4 磁盘阵列存储器廉价冗余磁盘阵列(Redundent Array Of Inexpensive Disk，简称RAID)是用多台磁盘存储器组成的大容量外存储子系统。其基础是数据分块技术，即在多个磁盘上交错存放数据，使之可以并行存取。在阵列控制器的组织管理下，能实现数据的并行、交叉存储或单独存储操作。由于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，可以利用冗余信息重建用户数据。,促进磁盘阵列技术快速发展的因素主要有以下三点：(1)CPU速度的增长大大超过了

40、磁盘驱动器数据传输率的增长。(2)小盘径阵列磁盘驱动器与大型驱动器相比具有成本低、功耗小、性能好等优点。(3)能保证极高的可靠性和数据的可用性。下面对RAID 0级RAID 7级及RAID 10级作一简介。,RAID 0级(无冗余和无校验的数据分块)与其他级相比，具有最高的I/O性能和磁盘空间利用率，但无容错能力，增加了系统出故障的几率，其安全性甚至低于常规的硬盘系统。RAID 1级(镜像磁盘阵列)由磁盘对组成，每一个工作盘都有对应的镜像盘，上面保存着与工作盘完全相同的数据，安全性高，但磁盘空间的利用率只有50%。,RAID 2级(具有纠错海明码的磁盘阵列)采用海明码纠错技术和位交叉技术，用户

41、需增加足够的校验盘来提供单纠错和双验错功能。当阵列内有G个数据盘时，则所需的校验盘数C要满足公式：2CG+C+1，如果有10个数据盘，则需要4个校验盘。对数据的访问涉及到磁盘阵列中的每一个盘，对大数据量传送有较高性能，但不利于小数据量的传送。RAID 2很少使用。,RAID 3级(采用奇偶校验码和位交叉存取的磁盘阵列)将奇偶校验码放在一个磁盘上，目前多数磁盘控制器已能用CRC检测出本身磁盘是否出错。因此只需一个奇偶校验盘就能纠正出错的数据，如果一个盘失效，可通过对剩下的盘上的信息进行“异或”运算得到正确数据。但由于采用位交叉，每次读写要涉及整个盘组，对小数据量不利。计算也比较费时。,RAID

42、4级(采用奇偶校验码和扇区交叉的磁盘阵列)与RAID 3级一样采用一个奇偶校验盘，但采用扇区交叉存取技术，因此写入少量数据只与两个盘有关(一个数据盘、一个校验盘)，简化了产生校验码的方法，对于数据块的重写(读修改写)，其公式为：新奇偶校验位=(新数据 XOR 旧数据)XOR 旧奇偶校验位因此只需读写两个盘(一个数据盘、一个校验盘)。,RAID 5级(无专用校验盘的奇偶校验磁盘阵列)与RAID 4级类似，但无专用的校验盘，将校验信息分布到组内所有盘上，对大、小数据量的读写都有很好的性能，因而是一种较好的方案。RAID 6级(采用分块交叉技术和双磁盘容错的磁盘阵列)有两个磁盘存储器用于存放检错、纠

43、错冗余代码，即使在双磁盘出错的情况下，仍能保持数据的完整性和有效性，但写入数据时，要对3个磁盘驱动器(一个数据盘和两个校验盘驱动器)访问两次。,RAID 7级(独立接口的磁盘阵列)每一个磁盘驱动器与每一主机接口有独立的控制和数据通道的磁盘阵列，因此主机可完全独立地对每个磁盘驱动器进行访问。RAID 10级(RAID 0级+RAID 1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。,8.3.5 硬磁盘驱动器的发展动向 磁盘驱动器主要采取了以下措施来提高其性能：(1)采用浮动磁头，降低浮动高度。浮动高度已从20m降低到0.1m以下。(2)采用伺服

44、机构，提高磁道密度。从最初的磁道密度20TPI，提高到5000TPI17000TPI。一般采用嵌入伺服或光伺服技术。(3)采用温彻斯特技术。(4)采用MR磁头和PRML信号处理方法。可以确保提高读出信号，提高信号噪音(S/N)比，使数据传输率和面记录密度分别提高了30%40%和30%50%。,(5)改进存储介质和盘基，提高记录密度。改进存储介质材料性质和制造工艺，采用垂直磁记录方式，提高记录密度。(6)缩短平均存取时间，提高数据传输率。主要措施包括缩短磁头行程，提高主轴转速，使平均寻找时间小于10ms，平均等待时间缩短为4.2ms。扩大超高速缓冲存储器容量(1MB)，改进接口，发展廉价冗余磁盘

45、阵列(RAID)等。有的磁盘采用恒密度记录，即从内径开始，随着半径的增加，相应磁道的存储量增加但保持位密度不变。(7)HDD的微小型化。,8.4 软磁盘存储器8.4.1 概述磁盘存储器简称软盘，因为软磁盘片是用类似于塑料薄膜唱片的柔性材料制成的。,软磁盘存储器与硬磁盘存储器的存储原理与记录方式是相同的，但在结构上存在一些差别：硬盘转速高，存取速度快；软盘转速低，存取速度慢；硬盘有固定磁头，固定盘，盘组等结构；软盘都是活动头，可换盘片结构；硬盘是靠高速旋转的盘片将磁头“托”起来，即浮动磁头读写，磁头不接触盘片；软盘磁头是接触式读写；硬盘系统及硬盘片价格都比较贵，大部分盘片不能互换；软盘造价低，盘

46、片保管方便，使用灵活，且具有互换性。因此，软盘在微小型计算机系统中得到广泛应用，甚至在中大型机系统也配有软盘。,软磁盘存储器由软磁盘驱动器、软磁盘控制器和软磁盘片三部分组成。软盘驱动器(floppy disk drive，简称FDD)是一个相对独立的装置，又称作软磁盘机或软磁盘子系统。软盘控制器(floppy disk controler，简称FDC)则是插在主机总线槽中的接口板，完成主机与软盘驱动器之间数据的交换及控制。软盘存储器的种类主要按所用盘片尺寸上的不同而分类，有8英寸、5.25英寸、3.5英寸和2.5英寸等几种。,软盘驱动器主要作为外存储器使用，除此之外，它还可以和键盘一起构成脱机

47、输入装置，它的作用是提供给程序员输入程序和数据，然后拿到主机上运行，从而使输入操作不占用主机时间。在软盘存储器的研究工作中，小型化是发展方向，因为盘片面积越小，受温度、湿度的影响越小，盘片不易变形，保证了精度。,8.4.2 软磁盘片软磁盘片的形状类似于普通薄膜唱片。盘片的盘基由聚酯薄膜制成，厚度约为76m，它的两面涂有2.33.0m的不定向-Fe2O3磁层。盘片装在黑色的塑料封套内，套内有一层无纺布，用来防尘，保护盘面不受碰撞。同时无纺布还有消静电作用。盘片连封套一起插入软盘机中，盘片在塑料套内旋转，无纺布消除因盘片转动引起的静电，保证信息的正常读写。软盘片的外形如图8.13所示。,图8.13

48、 软磁盘盘片及外形,按软盘驱动器的性能考虑，有单面盘和双面盘。“单面盘”就是驱动器只有一个磁头，盘片也只有一个表面可以记录信息。双面盘驱动器有两个磁头，磁盘两个表面都可用来记录信息。分别称作“0”面和“1”面。单面盘和双面盘塑料套上索引孔的位置不一样，以便区别。按记录密度考虑，还有单密度和双密度(或倍密度)之分，一块双密度的盘片相当于两块单密度盘片。单密度采用FM记录方式，倍密度则采用MFM记录方式。另外，按盘片径向磁道密度的不同，有道密度为48TPI(道英寸)的单道密度和96TPI的倍道密度两种软盘片。,软盘在使用中，为正确存储、检索信息必须将盘片划分成磁道和扇区，它们称作磁盘地址。这些信息

49、必须写到盘片上，另外还有同步标志，校验信息，间隔等。这些信息一起构成磁盘的“软分段”信息。盘片在出厂前都要进行“预格式化”，即完成“软分段”工作。用户再根据不同的机型和操作系统，用格式化程序重新格式化(或初始化)。软磁盘片使用注意事项：(1)避免强光照射和强磁场干扰。强光和高温以及温度不合适，都会使盘片及塑料套变形，磁头和盘片接触变差，容易造成读写错误。强磁场则能直接破坏磁记录表面的信息。,(2)不要用手触摸读写孔处露出的盘片，以免玷污和划伤盘片。用圆珠笔书写已贴在盘片上的标签也会划伤盘片。(3)不要弯曲软盘片，不要用书压在软盘片上，这样都会使外套变形，影响读写。(4)用后装入纸套，放入盘盒保

50、存。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，这样易损坏盘面而引起差错。一般，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。,8.4.3 软磁盘的记录格式记录格式也称数据格式，指的是磁盘表面上信息的存储格式。为正确存取信息，把盘表面分成磁道和区段。由于受磁头制造工艺和定位精度的影响，而且要考虑不同机种之间软盘片的互换性，各厂家生产的软磁盘片中每个盘面上的磁道数一般是相同的。但是在同一个磁道上如何记录信息，却没有统一的约定。各厂家采用不同的磁记录方式，分段方式也可以不相同，给盘片的互换性带来困难。,另外，数据格式直接影响软盘控制器的设计、软