計(jì)算機(jī)組講義

1、7.4 硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備n掌握磁盤存儲(chǔ)器技術(shù)指標(biāo)的含義及其計(jì)算n理解磁記錄讀/寫原理和信息的記錄方式n了解硬磁盤的結(jié)構(gòu)、磁盤驅(qū)動(dòng)器和磁盤控制器的功能n難點(diǎn)：磁記錄存儲(chǔ)器信息的記錄方式7.4.1 磁記錄原理與記錄方式n磁表面存儲(chǔ)：是用某些磁性材料薄薄地涂在金屬鋁或塑料表面作載磁體來存儲(chǔ)信息。n優(yōu)點(diǎn)：n存儲(chǔ)容量大，位價(jià)格低；n記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用；n記錄信息可以長期保存而不丟失，甚至可以脫機(jī)存檔；n非破壞性讀出，讀出時(shí)不需要再生信息n缺點(diǎn)：n存取速度較慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)工作環(huán)境要求較高磁性材料的物理特性n在外加磁場消失后磁性材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度并不等于零n當(dāng)磁性材料被磁化后，會(huì)形成兩個(gè)穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)n

2、利用磁表面不同的剩磁狀態(tài)記錄二進(jìn)制信息，例如用+Br表示“1”，用-Br表示“0”。 圖7.10磁性材料的磁滯回線B-磁感應(yīng)強(qiáng)度H-外加磁場強(qiáng)度+Br-Br+Hc-Hc0HmHB-Hm-Bm+Bm磁表面存儲(chǔ)器的讀寫原理n磁頭：軟磁材料做鐵芯，其上繞有讀寫線圈的電磁鐵n利用磁性材料剩磁的兩種磁化方向(S-N或N-S)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”和“1”。 鐵心 讀線圈 寫線圈 磁層 載磁體 運(yùn)動(dòng)方向 I S N N S n寫操作：寫入線圈通入寫脈沖電流，產(chǎn)生磁通，通過磁頭縫隙將高速運(yùn)動(dòng)的磁層磁化，磁層的剩磁記錄了寫入的信息 局部磁化單元局部磁化單元寫線圈寫線圈SN寫入寫入“1”I局部磁化單元局部磁化單元

3、載磁體載磁體寫線圈寫線圈SNI鐵芯鐵芯磁通磁通磁層磁層寫入寫入“0”n讀操作 ：記錄有磁化位的磁層高速通過磁頭縫隙，與鐵芯耦合形成閉合磁路，磁通的變化可在讀出線圈感應(yīng)出電勢，經(jīng)放大輸出1或0的信號(hào)。 n法拉第電磁感應(yīng)定律：導(dǎo)體回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與穿過導(dǎo)體回路的磁通量的變化率成正比-(d/d)N讀線圈讀線圈S運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向ttfe讀出讀出 “0”鐵芯鐵芯磁通磁通磁層磁層讀線圈讀線圈SN運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向ttfe讀出讀出 “1”1011I0tttt000eT通過磁頭線圈的寫電流信息記錄后的磁層磁化狀態(tài)載磁體磁化單元讀出信號(hào)波形選通脈沖圖7.13記錄方式的寫讀波形圖1011S N N S S

4、N S Nn磁表面存儲(chǔ)器存取信息的原理：n通過電-磁變換，利用磁頭寫線圈中的脈沖電流，可把一位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成載磁體存儲(chǔ)元的不同剩磁狀態(tài)；n通過磁-電變換，利用磁頭讀出線圈，可將由存儲(chǔ)元的不同剩磁狀態(tài)表示的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。 記錄方式n磁性材料寫入二進(jìn)制代碼 0 或 1 ，是靠不同的寫入電流波形實(shí)現(xiàn)的。n形成不同寫入電流波形的方式，稱為記錄方式。記錄方式是一種編碼方式，它按某種規(guī)律將一串二進(jìn)制數(shù)字信息變換成磁層中相應(yīng)的磁化元狀態(tài)，用讀寫控制電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。n歸零制(RZ)，不歸零制(NRZ)，調(diào)相制(PM)，調(diào)頻制(FM)(Return zero)n寫“1”時(shí)通入正向脈沖電流，寫“

5、0”時(shí)通入負(fù)向脈沖電流，寫入后記錄電流恢復(fù)為零。n特點(diǎn)：特點(diǎn)：簡單易行，但記錄密度低，抗干擾能力差。數(shù)據(jù)序列數(shù)據(jù)序列10001110RZ位周期n不歸零制(NRZ0, NonReturn to Zero)n磁頭線圈始終有電流，正向電流（代表1）或反向電流（代表0）n對(duì)連續(xù)記錄的“1”和“0”，寫電流的方向是不改變的。n抗干擾性能較好，無自同步能力。NRZNRZ0 0數(shù)據(jù)序列數(shù)據(jù)序列10001110位周期性能指標(biāo)n見“1”就翻的不歸零制(NRZ1, NonReturn to Zero Change On One)n磁頭線圈始終有電流通過。n在記錄“1”時(shí)，電流改變方向，寫“0”電流保持不變。n不具

6、備自同步能力數(shù)據(jù)序列數(shù)據(jù)序列10001110NRZNRZ1 1位周期(PM, Phase Modulation )n寫電流規(guī)律：記錄“0”時(shí)，寫電流先正后負(fù)（0相位）；記錄“1”時(shí)，寫電流先負(fù)后正（相位）數(shù)據(jù)序列數(shù)據(jù)序列10001110PMPM位周期性能指標(biāo)Frequency Modulation)n寫電流規(guī)律：信息位交界處寫電流變向，記錄“1”時(shí)，在位周期中間電流變向。n特點(diǎn)：寫“1”電流的頻率是寫“0”的2倍，記錄密度高，具有自同步能力 數(shù)據(jù)序列數(shù)據(jù)序列10001110FMFM位周期性能指標(biāo)n改進(jìn)型調(diào)頻制(MFM, Modified Frequency Modulation)n寫電流規(guī)律：

7、寫“1”則在位中間電流變向，獨(dú)立寫“0”時(shí)電流不變向，連續(xù)寫兩個(gè)“0”時(shí)，則在位之間電流變向。nMFM比FM 寫電流翻轉(zhuǎn)次數(shù)少約一半，按FM翻轉(zhuǎn)的最小間隔記錄信息，則MFM 密度高約一倍。數(shù)據(jù)序列數(shù)據(jù)序列10001110MFMMFM位周期記錄方式的性能指標(biāo)n編碼效率：每次磁化方向變化所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息位的多少n編碼效率=位密度/最大磁化翻轉(zhuǎn)密度n編碼效率越高，記錄密度越大nNRZ0,NRZ1,MFM(100%)nPM,FM(50%)n自同步能力：從讀出數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取同步信號(hào)的能力nR=最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔/最大磁化翻轉(zhuǎn)間隔nR越大，自同步能力越高nNRZ0,NRZ1無自同步能力nPM,FM,MFM(

8、0.5)練習(xí)：寫入代碼為1010 0011，試畫出NRZ0,NRZ1,PM,FM,MFM制寫電流波形10100011數(shù)據(jù)序列NRZ0NRZ1PMFMMFM7.4.2 硬磁盤機(jī)的基本組成和分類n硬磁盤機(jī)的基本組成n 磁記錄介質(zhì)n 磁盤控制器：控制邏輯與時(shí)序，并-串(寫)和串-并(讀)變換電路。n 磁盤驅(qū)動(dòng)器：讀寫轉(zhuǎn)換開關(guān)及其電路，讀寫磁頭與磁頭定位伺服系統(tǒng)。讀寫開關(guān)控制邏輯時(shí)鐘串-并變換電路讀放電路并-串變換電路寫電流驅(qū)動(dòng)器（來自總線）并行數(shù)據(jù)（送往總線）并行數(shù)據(jù)讀/寫磁頭磁介質(zhì)層磁載體圖7.14硬盤存儲(chǔ)器邏輯結(jié)構(gòu)圖n硬磁盤機(jī)的分類n可移動(dòng)磁頭固定盤片的磁盤機(jī)n固定磁頭磁盤機(jī)n可移動(dòng)磁頭可換盤片

9、的磁盤機(jī) n溫徹斯特磁盤機(jī)：所謂溫徹斯特磁盤實(shí)際上是一種技術(shù)，這種技術(shù)是由IBM公司位于美國加州坎貝爾市溫徹斯特大街的研究所研制的，它于1973年首先應(yīng)用于IBM3340硬磁盤存儲(chǔ)器中，因此將這種技術(shù)稱作溫徹斯特技術(shù)。 7.4.3 硬磁盤驅(qū)動(dòng)器和控制器磁頭磁頭磁磁盤盤組組主軸主軸取數(shù)臂取數(shù)臂定位驅(qū)動(dòng)器定位驅(qū)動(dòng)器速度速度傳感器傳感器小車小車主電機(jī)主電機(jī)傳動(dòng)皮帶傳動(dòng)皮帶密封罩密封罩圖圖7.15 硬磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖硬磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖n磁盤驅(qū)動(dòng)器n定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)磁頭沿盤面徑向位置運(yùn)動(dòng)以尋求目標(biāo)磁道位置n主軸系統(tǒng)：安裝盤片，并驅(qū)動(dòng)它們以額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)n數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：控制數(shù)據(jù)的寫入和讀出n磁

10、盤控制器是主機(jī)與磁盤驅(qū)動(dòng)器之間的接口n系統(tǒng)級(jí)接口：控制外存與主機(jī)間的數(shù)據(jù)交換、并串轉(zhuǎn)換、格式控制、數(shù)據(jù)緩沖、DMA控制n設(shè)備級(jí)接口：根據(jù)主機(jī)命令控制設(shè)備操作、讀寫控制DMA控制數(shù)據(jù)緩沖格式控制串/并轉(zhuǎn)換并/串轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)譯碼讀時(shí)鐘產(chǎn)生器數(shù)據(jù)編碼器讀放大器寫放大器主 存磁盤數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)分離器BA圖7.16磁盤控制器接口CSCSI接口ESDI接口ST506接口7.4.4 磁盤上信息的分布0 0磁道磁道n n磁道磁道柱面扇區(qū)磁道n盤片的上下兩面都能記錄信息，通常把磁盤片表面稱為記錄面（磁面）n記錄面上一系列同心圓稱為磁道，每個(gè)盤片表面通常有幾十到幾百個(gè)磁道n柱面指的就是多個(gè)盤片上具有相同編號(hào)的磁道，它的

11、數(shù)目和磁道是相同的n每個(gè)磁道又分為若干個(gè)扇區(qū)，它是磁盤上的最小記錄單位nPC機(jī)中每個(gè)扇區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)容量是512個(gè)字節(jié)n磁盤地址表示記錄面號(hào)(磁頭號(hào))-磁道號(hào)-扇區(qū)號(hào)也用 柱面號(hào)-記錄面號(hào)(磁頭號(hào))-扇區(qū)號(hào) 表示7.4.5 磁盤存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)n存儲(chǔ)密度： 單位長度或單位面積所存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量。n道密度：指沿磁盤半徑方向單位長度上的磁道數(shù)，單位為道/英寸n位密度：指沿磁道的單位長度上記錄的二進(jìn)制信息位數(shù)，單位為位/英寸n面密度：位密度道密度，單位為位/平方英寸n存儲(chǔ)容量n以字節(jié)為單位，指存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息總量。n 磁盤存儲(chǔ)器有格式化容量和非格式化容量兩個(gè)指標(biāo)：n格式化容量：指按照特定的記錄

12、格式存儲(chǔ)信息的總量n非格式化容量：磁記錄表面可以利用的磁化單元總數(shù)n非格式化容量=記錄面數(shù)每面的磁道數(shù)磁道容量n格式化容量=記錄面數(shù)每面的磁道數(shù)扇區(qū)數(shù)記錄塊的字節(jié)數(shù)a、頭空、尾空為磁盤控制器提供讀寫的準(zhǔn)備時(shí)間。b、序標(biāo)寫入特定代碼，作為磁盤控制器的同步定位信號(hào)。c、數(shù)據(jù)512d、校驗(yàn)字循環(huán)冗余碼，以提高可靠性。 頭空 序標(biāo)數(shù)據(jù)(512字節(jié)) 校驗(yàn)字 尾空 頭空 序標(biāo)數(shù)據(jù)(512字節(jié)) 校驗(yàn)字 尾空一個(gè)扇區(qū)(記錄塊)一個(gè)扇區(qū)(記錄塊)扇標(biāo)脈沖扇標(biāo)脈沖n平均存取時(shí)間 n存取時(shí)間是指從發(fā)出讀寫命令后，磁頭從某一起始位置移動(dòng)至新的記錄位置，到開始從盤片表面讀出或?qū)懭胄畔⑺枰臅r(shí)間。 n定位時(shí)間或找道

13、時(shí)間：將磁頭定位至所要求的磁道上所需的時(shí)間n等待時(shí)間：找道完成后至磁道上需要訪問的信息到達(dá)磁頭下的時(shí)間n平均存取時(shí)間=平均找道時(shí)間+平均等待時(shí)間n平均找道時(shí)間為1020msn平均等待時(shí)間和磁盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，它用磁盤旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間的一半來表示。n例如：假設(shè)固定頭盤轉(zhuǎn)速達(dá)6000轉(zhuǎn)/分，則平均等待時(shí)間為5ms。 n數(shù)據(jù)傳輸率：磁盤存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)n假設(shè)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為每秒n轉(zhuǎn)，每條磁道容量為N個(gè)字節(jié)，則數(shù)據(jù)傳輸率Dr=nN(字節(jié)/秒)。也可以寫成Dr=Dv(字節(jié)/秒)，其中D為位密度，v為磁盤旋轉(zhuǎn)的線速度。 例4磁盤組有6片磁盤，每片有兩個(gè)記錄面，最上最下兩個(gè)面不用。存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)

14、徑22cm ，外徑33cm，道密度為40道/cm，內(nèi)層位密度400位/cm，轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分。問： (1)共有多少柱面? (2)盤組總存儲(chǔ)容量是多少? (3)數(shù)據(jù)傳輸率多少? (4)采用定長數(shù)據(jù)塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么?尋址命令中如何表示磁盤地址? (5)如果某文件長度超過一個(gè)磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個(gè)存儲(chǔ)面上，還是記錄在同一個(gè)柱面上? 磁頭旋轉(zhuǎn)的盤移動(dòng)方向磁頭架0道n道扇區(qū)最外磁道最內(nèi)磁道解(1)有效存儲(chǔ)區(qū)域=16.5-11=5.5(cm) 因?yàn)榈烂芏?40道/cm，所以405.5=220道，即220個(gè)圓柱面(2)內(nèi)層磁道周長為2R=23.1411=69.08(cm) 每道

15、信息量=400位/cm69.08cm=27632位=3454B 每面信息量=3454B220=759880B 盤組總?cè)萘?759880B10=7598800B(3)磁盤數(shù)據(jù)傳輸率Dr=rN, N為每條磁道容量， N=3454B,r為磁盤轉(zhuǎn)速， r=2400轉(zhuǎn)/60秒=40轉(zhuǎn)/秒 Dr=rN=403454B=13816B/s(4)采用定長數(shù)據(jù)塊格式，直接尋址的最小單位是一個(gè)記錄塊(一個(gè)扇區(qū))，每個(gè)記錄塊記錄固定字節(jié)數(shù)目的信息，在定長記錄的數(shù)據(jù)塊中，活動(dòng)頭磁盤組的編址方式可用如下格式： 此地址格式表示有4臺(tái)磁盤，每臺(tái)有16個(gè)記錄面，每面有256個(gè)磁道，每道有16個(gè)扇區(qū)。 (5)如果某文件長度超過一

16、個(gè)磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個(gè)柱面上，因?yàn)椴恍枰匦抡业?，?shù)據(jù)讀/寫速度快。 臺(tái)號(hào) 柱面(磁道)號(hào) 盤面(磁頭)號(hào) 扇區(qū)號(hào) 17 16 15 8 7 4 3 0 練習(xí)1某磁盤共10個(gè)記錄面，每面有220條磁道，已知磁盤的轉(zhuǎn)速r=4000轉(zhuǎn)/分，數(shù)據(jù)傳輸率為185 000B/s，求該磁盤的總?cè)萘?。解：磁盤轉(zhuǎn)速r=4000(轉(zhuǎn)/分)=4000/60(轉(zhuǎn)/秒) 每條磁道容量=Dr/r=185 000 * 60 /4000 = 2775 B 磁盤總?cè)萘?10*220*2775B=6105 000B5.82MB練習(xí)2某磁盤存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，共有4個(gè)記錄面，每毫米5道，每道記錄信息為 12288 B，最小磁道直徑為230mm，共有275道。問： （1）磁盤存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量是多少？ （2）最高位密度與最低位密度是多少？ （3）磁盤數(shù)據(jù)傳輸率是多少？ （4）平均等待時(shí)間是多少？1)存儲(chǔ)容量記錄面數(shù)*磁道數(shù)*磁道容量=4