計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu) 第5章 輸入輸出組織ppt課件

1、第5章 輸入輸出組織本章構(gòu)造15.1 輸入輸出系統(tǒng)概述25.2 輸入輸出控制方式35.3 外部存儲器的組織45.4 RAID技術(shù)5.1 輸入輸出系統(tǒng)概述 輸入輸出設(shè)備輸入輸出接口輸入輸出設(shè)備的編址與管理 1.輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備又稱外圍設(shè)備periphery。除了CPU和主存外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其它部件都可看成是外圍設(shè)備。 計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備可以分為以下五大類： 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 存儲設(shè)備 數(shù)據(jù)通訊設(shè)備 過程控制設(shè)備 2. 輸入輸出接口 計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備之間差別很大，主要表達(dá)在以下幾個方面： 物理特性方面-主要是指設(shè)備銜接的方式和讀寫驅(qū)動方式等，如銜接口的類型、機(jī)械尺寸、信號線的條數(shù)以及陳列等。

2、電氣特性方面-數(shù)據(jù)在信號線上傳送時，是以一定的電平值來表示二進(jìn)制0和1的。電氣特性定義每一條信號線的傳送方向和有效電平范圍。有的設(shè)備的電信號運(yùn)用的是TTL電平規(guī)范，有的設(shè)備運(yùn)用的是CMOS電平規(guī)范，這兩者是不兼容的，其中TTL電路電源電壓運(yùn)用的是5V，而CMOS電路電源電壓運(yùn)用的是12V。另外，兩者在表示邏輯0和邏輯1 的電平值也是不一樣的。功能特性方面-功能特性定義了設(shè)備銜接的每一條信號線的功能，如用于傳送數(shù)據(jù)的信號線、用于傳送地址的信號線、用于傳送控制的信號線等。尤其對于種類繁多的外圍設(shè)備來說，不同的設(shè)備所需的控制信號也各不一樣，有的設(shè)備與主機(jī)之間采用中斷傳送方式，需求中斷控制信號，有的設(shè)

3、備與主機(jī)之間采用DMA傳送方式，需求相應(yīng)的DMA控制信號等。數(shù)據(jù)格式方面-外圍設(shè)備與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送主要分為兩種方式：串行傳送和并行傳送。串行傳送是一位一位地進(jìn)展，而并行傳送那么是多位同時進(jìn)展，不同的設(shè)備并行傳送的位數(shù)也會有所不同。 傳輸速度方面-不同外圍設(shè)備在速度上差別是非常明顯的。有的設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)每秒幾百兆字節(jié)如磁盤，而有的設(shè)備那么只需幾十字節(jié)甚至更低。例如，鍵盤與CPU之間傳輸數(shù)據(jù)的速度取決于我們?nèi)说氖种盖面I的速度，一個鍵對應(yīng)一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，一秒鐘敲十個鍵數(shù)據(jù)傳輸速率也才每秒10字節(jié)。計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)時，針對與一些規(guī)范輸入輸出設(shè)備這些設(shè)備往往是計(jì)算機(jī)的標(biāo)配設(shè)備，如輸入設(shè)備鼠標(biāo)鍵盤

4、、輸出設(shè)備顯示器、存儲設(shè)備硬盤或光驅(qū)等的銜接，專門在主機(jī)板上設(shè)計(jì)了相應(yīng)的接口電路，使得CPU可以經(jīng)過這些接口電路實(shí)現(xiàn)對這些設(shè)備的控制。而一些計(jì)算機(jī)非規(guī)范配置的設(shè)備如各種多媒體信息輸入輸出設(shè)備、過程控制設(shè)備等，或者經(jīng)過計(jì)算機(jī)的一些規(guī)范接口如串口、并口、USB接口等銜接，或者運(yùn)用專門的設(shè)備控制適配器與CPU銜接。 CPU顯示接口鍵盤接口磁盤接口I/O接口串行設(shè)備并行設(shè)備串行接口并行接口I/O設(shè)備I/O接口I/O設(shè)備I/O接口I/O設(shè)備(1) I/O接口的組成構(gòu)造 無論是與計(jì)算機(jī)規(guī)范輸入輸出設(shè)備銜接的規(guī)范接口還是與計(jì)算機(jī)非規(guī)范配置設(shè)備銜接的公用接口統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)的輸入輸出接口，簡稱I/O接口。 I/O

5、接口中包含有一些數(shù)據(jù)存放器、地址存放器、形狀存放器、控制存放器和相應(yīng)的控制電路。為了控制的靈敏性和順應(yīng)性，很多I/O接口中的存放器往往是可編程的。 (2) I/O接口的功能 I/O接口的功能包括以下幾個方面。數(shù)據(jù)的存放和緩沖對設(shè)備的控制和監(jiān)測對設(shè)備的尋址信號變換等3.輸入輸出設(shè)備的編址與管理 外圍設(shè)備以及設(shè)備的I/O接口中有很多可供CPU訪問的存放器，這些不同種類的存放器稱為I/O端口port。CPU對I/O端口的訪問采用的是與訪存類似的按地址訪問方式，即為每一個I/O端口分配一個地址，又稱為I/O地址或I/O端口號，CPU經(jīng)過給出I/O端口地址訪問相應(yīng)的I/O端口，也即訪問相應(yīng)的設(shè)備。 CP

6、U對I/O端口的編址方式主要有兩種：一是獨(dú)立編址方式，二是一致編址方式。 I/O端口的獨(dú)立編址方式-是指系統(tǒng)運(yùn)用一個不同于主存地址空間之外的單獨(dú)的一個地址空間為外圍設(shè)備及接口中的一切I/O端口分配I/O地址。在這種方式下，CPU指令系統(tǒng)中有專門的用于與設(shè)備進(jìn)展數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮斎胼敵鲋噶?，對設(shè)備的訪問必需運(yùn)用這些公用指令進(jìn)展。 獨(dú)立編址方式的優(yōu)點(diǎn)：一是I/O端口的地址沒有占用主存的地址空間；二是I/O端口的地址碼較短，地址譯碼器設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)簡單，譯碼時間也較短。其缺陷是：只能運(yùn)用公用輸入輸出指令訪問I/O設(shè)備，對I/O設(shè)備操作的程序設(shè)計(jì)靈敏性較差。 I/O端口的一致編址方式 -是指I/O端口與主存單元

7、運(yùn)用同一個地址空間進(jìn)展一致編址。在這種方式下，CPU指令系統(tǒng)中無需設(shè)置專門的與設(shè)備進(jìn)展數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮斎胼敵鲋噶?，I/O端口被當(dāng)成主存單元同樣對待，對主存單元進(jìn)展訪問和操作的指令可以同樣用于對I/O端口的訪問和操作。 一致編址方式的優(yōu)點(diǎn)：可以運(yùn)用訪存指令訪I/O，對I/O設(shè)備操作的程序設(shè)計(jì)靈敏性較好。其缺陷是：I/O端口的地址占用了主存的部分地址空間，對I/O端口訪問的地址譯碼更加復(fù)雜。 5.2 輸入輸出控制方式程序控制方式 中斷控制方式 DMA控制方式 通道控制方式 1. 程序控制方式程序控制方式是指主機(jī)與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸是經(jīng)過CPU執(zhí)行一道軟件程序，在程序的控制下完成輸入輸出操作。程序控制方式

8、根據(jù)設(shè)備的不同又分為無條件傳送控制方式和查詢式傳送控制方式。 無條件傳送控制方式 當(dāng)設(shè)備與CPU交換數(shù)據(jù)時，可以以為它們總是處于就緒Ready形狀，隨時可以進(jìn)展數(shù)據(jù)傳送，這就是無條件傳送，有時也稱它為立刻傳送或同步傳送。 無條件傳送程序控制流程 向設(shè)備輸出一個數(shù)據(jù)開場無條件輸出終了從設(shè)備輸入一個數(shù)據(jù)終了開場無條件輸入查詢傳送控制方式CPU在與設(shè)備間數(shù)據(jù)傳送前首先查詢設(shè)備的形狀，假設(shè)設(shè)備未READY，那么繼續(xù)查詢；假設(shè)設(shè)備已READY，那么進(jìn)展數(shù)據(jù)的傳送。向設(shè)備輸出一個數(shù)據(jù)開場 完成？終了查詢輸出NY查詢設(shè)備形狀 就緒？NY從設(shè)備輸入一個數(shù)據(jù)開場 完成？終了查詢輸入NY查詢設(shè)備形狀 就緒？NY2

9、. 中斷控制方式 程序控制方式在多用戶多道程序系統(tǒng)中，當(dāng)CPU控制與慢速的設(shè)備進(jìn)展數(shù)據(jù)交換時，一方面CPU大部分時間處于等待設(shè)備預(yù)備就緒的空置形狀，另一方面其它程序因得不到CPU而不能運(yùn)轉(zhuǎn)，使得CPU的有效利用率很低。為處理這種矛盾，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者提出了中斷控制方式。 中斷的根本概念 中斷是指CPU正在運(yùn)轉(zhuǎn)一個程序時發(fā)生了某種非預(yù)期的事件，CPU暫停正在運(yùn)轉(zhuǎn)的程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行對這一事件進(jìn)展處置的程序稱為中斷效力程序，完成后再前往原程序繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程。 中斷源：引起中斷的事件。對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來說，中斷源分為外部中斷和內(nèi)部中斷。 外部中斷主要是指由計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、系統(tǒng)定時時鐘及人工干涉等外部事件起的中

10、斷，經(jīng)過設(shè)備產(chǎn)生的外部中斷，能使CPU與設(shè)備間進(jìn)展中斷方式的數(shù)據(jù)傳輸 內(nèi)部中斷主要包括指令中斷和缺點(diǎn)中斷。指令中斷是由軟件指令引起的，設(shè)置指令中斷的目的通常是為用戶程序提供對系統(tǒng)資源的訪問。缺點(diǎn)中斷主要是指由系統(tǒng)軟硬件缺點(diǎn)引起的中斷，如內(nèi)存校驗(yàn)缺點(diǎn)、電源掉電、除零錯、算術(shù)溢出、內(nèi)存越界、指令非法、虛擬存儲器頁面失效等。 中斷控制的根本原理 圖5-11a和b分別給出了程序控制方式和中斷控制方式這兩種方式下打印機(jī)的打印輸出過程。 程序控制和中斷控制方式的不同之處：程序控制方式下，CPU是經(jīng)過查詢方式了解打印機(jī)的形狀的；而中斷控制方式下，CPU是經(jīng)過中斷方式了解打印機(jī)的形狀的。程序控制方式下，CPU

11、和打印機(jī)之間是串行任務(wù)的；而中斷控制方式下，CPU和打印機(jī)可以并行任務(wù)。程序控制方式對于單用戶單道程序系統(tǒng)來說是有效的；而中斷控制方式對于多用戶多道程序系統(tǒng)來說可以大大提高CPU的利用率。 中斷處置過程 中斷系統(tǒng)的中斷處置過程如下圖。 主程序指令主程序指令有否中斷懇求？中斷呼應(yīng)中斷源識別中斷效力中斷前往YN中斷處置1中斷懇求的建立中斷懇求和中斷屏蔽2中斷呼應(yīng)在CPU處于中斷允許形狀時，可以對來自中斷懇求線上的中斷懇求進(jìn)展呼應(yīng)；而CPU處于中斷制止形狀時，那么對來自中斷懇求線上的中斷懇求不予呼應(yīng)。一旦CPU 呼應(yīng)了中斷，便進(jìn)入中斷呼應(yīng)周期。 在中斷呼應(yīng)周期里，中斷系統(tǒng)主要完成以下三項(xiàng)功能：關(guān)中斷

12、和維護(hù)斷點(diǎn) 進(jìn)展中斷源的識別 構(gòu)成中斷源中斷效力程序的入口地址 3中斷源識別中斷源識別的義務(wù)是確定某次中斷呼應(yīng)詳細(xì)該呼應(yīng)的是哪個中斷源。中斷源識別的方法很多，常用的方法主要有軟件查詢法、硬件查詢法和中斷向量法等。 軟件查詢法是經(jīng)過執(zhí)行一段軟件查詢程序，對中斷懇求存放器的形狀逐位判別，從而確定某次該呼應(yīng)的是哪個中斷源。 硬件查詢法是經(jīng)過專門的硬件電路實(shí)現(xiàn)中斷源識別。 一種實(shí)現(xiàn)中斷源識別的串行排隊(duì)鏈路 。中斷向量法是一種經(jīng)過硬件控制電路構(gòu)成一個所識別的中斷源的中斷向量號，并由此中斷向量號實(shí)現(xiàn)中斷呼應(yīng)的方法。在這種方法中，每個中斷源對應(yīng)有一個中斷向量號，中斷向量號對應(yīng)一個中斷向量，即中斷效力程序入口

13、地址，將一切中斷向量集中存放在內(nèi)存中的一片固定區(qū)域中。在中斷呼應(yīng)周期，首先由一個專門的中斷控制電路進(jìn)展中斷識別，并構(gòu)成一個對應(yīng)該中斷源的中斷向量號；然后將此中斷向量號傳送給CPU；最后由CPU根據(jù)中斷向量號生成該中斷源的中斷向量在內(nèi)存中的首地址，從這一地址單元中即可取出中斷效力程序的入口地址。 中斷向量法表示圖。x86CPU采用的就是中斷向量法，其中斷呼應(yīng)過程如下：當(dāng)某一中斷源i需求懇求中斷時，向中斷控制電路發(fā)出一個懇求中斷信號INTi；在該中斷源的中斷懇求未被屏蔽的情況下，中斷控制電路向CPU發(fā)出中斷懇求信號INTR；在CPU處于開中斷的情況下，CPU呼應(yīng)中斷，向中斷控制電路發(fā)回一個中斷呼應(yīng)

14、信號INTA；中斷控制電路完成中斷源的識別，并將中斷源的中斷向量號經(jīng)過數(shù)據(jù)總線傳送給CPU；CPU根據(jù)此中斷向量號計(jì)算得到中斷向量地址，并從此地址單元中取出該中斷源對應(yīng)的中斷效力程序入口地址。4中斷效力中斷效力程序包括以下幾個過程 ：維護(hù)現(xiàn)場開中斷 中斷效力關(guān)中斷 恢復(fù)現(xiàn)場開中斷中斷前往 單級中斷和多級中斷 中斷優(yōu)先權(quán)和中斷級一個機(jī)器系統(tǒng)中有多個中斷源，但CPU一次只能呼應(yīng)和處置一個中斷源的中斷懇求。當(dāng)某一時間有兩個或兩個以上的中斷源同時發(fā)出中斷懇求時，中斷系統(tǒng)就必需從中選擇一個進(jìn)展呼應(yīng)，選擇的根據(jù)就是各個中斷源的中斷優(yōu)先權(quán)。 假設(shè)機(jī)器系統(tǒng)的中斷源很多，還可以在中斷優(yōu)先權(quán)的根底上進(jìn)一步分級，高

15、一級的任何一個中斷源的優(yōu)先權(quán)都比低一級的任何一個中斷源的優(yōu)先權(quán)高。 假設(shè)一個機(jī)器系統(tǒng)只需一個中斷級，那么稱該機(jī)器的中斷系統(tǒng)為單級中斷系統(tǒng)；假設(shè)一個機(jī)器系統(tǒng)有多個中斷級，那么稱該機(jī)器的中斷系統(tǒng)為多級中斷系統(tǒng)。 在單級中斷系統(tǒng)中，當(dāng)幾個不同優(yōu)先權(quán)的中斷源同時懇求中斷時，系統(tǒng)按照它們優(yōu)先權(quán)高低先后順序一一呼應(yīng)。而當(dāng)CPU正在處置一個中斷時，不再呼應(yīng)其它新的中斷源的中斷懇求，即使新的中斷源的優(yōu)先權(quán)更高也不予呼應(yīng)，只需一個中斷處置終了后再呼應(yīng)新的中斷懇求。在多級中斷系統(tǒng)中，那么允許高優(yōu)先級的中斷源再中斷低優(yōu)先級的中斷效力，這稱為多重中斷或中斷嵌套。實(shí)際上多重中斷可以無限制地嵌套。【例5.1】 【例5.2

16、】 中斷接口電路 3. DMA控制方式 在中斷控制方式下，CPU每閱歷一次中斷，都要進(jìn)展從中斷懇求信號的建立、中斷源識別、中斷呼應(yīng)到中斷效力等的操作，在中斷效力程序里還要執(zhí)行一系列的諸如維護(hù)現(xiàn)場/恢復(fù)現(xiàn)場、開中斷/關(guān)中斷等的指令，這些操作和指令的執(zhí)行破費(fèi)了不少時間。對于CPU與一些高速設(shè)備間采用成組數(shù)據(jù)交換的運(yùn)用來說，中斷控制方式就有些顯得力不從心了。 DMA的根本概念 DMA的全稱是Direct Memory Access，即直接存儲器訪問，這是一種完全由硬件稱為DMA控制器控制主機(jī)與設(shè)備間進(jìn)展數(shù)據(jù)交換的輸入輸出傳送控制方式，它經(jīng)過在主存與設(shè)備間建立一條直接通道的方法，來進(jìn)一步提高I/O數(shù)據(jù)

17、傳輸效率。在機(jī)器中，我們根據(jù)各部件所處的位置將它們劃分為兩大類：一類是主設(shè)備，一類是從設(shè)備。主設(shè)備是指可以占用系統(tǒng)總線并經(jīng)過總線對其它從設(shè)備進(jìn)展控制的設(shè)備，普通來講，主設(shè)備可以在總線上給出地址和控制等信號，完成對存儲器和外圍設(shè)備等的訪問，如CPU就是機(jī)器系統(tǒng)中的主設(shè)備。從設(shè)備是指被主設(shè)備控制和訪問的設(shè)備，如存儲器及各種外圍設(shè)備等。前面講到的程序控制方式和中斷控制方式，都是在CPU這一主設(shè)備的控制下完成存儲器與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。為實(shí)現(xiàn)DMA傳送，機(jī)器系統(tǒng)專門設(shè)置了一個主設(shè)備DMA控制器，由DMA控制器替代CPU控制完成存儲器與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換，DMA控制器可以像CPU一樣，經(jīng)過總線向存儲

18、器和外圍設(shè)備給出地址和控制信號，實(shí)現(xiàn)對這些設(shè)備的訪問和控制。 DMA的任務(wù)方式 通常有三種方式：突發(fā)方式burst mode 周期挪用方式cycle stealing 透明方式transparent mode DMA控制器的組成及任務(wù)原理 如圖示：DMA傳輸控制過程：DMA數(shù)據(jù)傳輸前的初始化。DMA控制器選擇一個DMA設(shè)備開場任務(wù)。當(dāng)被選中的設(shè)備預(yù)備就緒時對輸入設(shè)備來說就是預(yù)備好了一個數(shù)據(jù)，對輸出設(shè)備來說就是預(yù)備好接納，向DMA控制器發(fā)出一個DMA懇求信號DREQ。DMA控制器接納到設(shè)備懇求后，向CPU發(fā)出HOLD信號，懇求占用總線。CPU經(jīng)過HLDA信號進(jìn)展總線呼應(yīng)，同時將其引出腳的地址、數(shù)

19、據(jù)和部分控制線置為浮空形狀，即將總線的控制權(quán)讓出。DMA控制器獲得總線控制權(quán)后，向設(shè)備回答一個DMA呼應(yīng)信號DACK，并開場啟動一次數(shù)據(jù)的傳輸。DMA控制器將其地址存放器的內(nèi)容輸出到地址總線上，并給出讀/寫控制信號，控制設(shè)備與存儲器之間的一次數(shù)據(jù)交換，然后地址存放器增1，字計(jì)數(shù)存放器減1。反復(fù)以上過程，直到字計(jì)數(shù)存放器減為零，DMA控制器向CPU發(fā)出中斷懇求，同時終了DMA傳輸，將總線控制權(quán)歸還CPU。CPU呼應(yīng)DMA中斷懇求，并進(jìn)展DMA傳輸?shù)暮筇幹貌僮?. 通道控制方式 I/O通道I/O channel又稱通道處置器，是一種能執(zhí)行有限指令集的公用途置器，它經(jīng)過執(zhí)行存儲在內(nèi)存中的固定或由CP

20、U設(shè)置的通道程序來控制設(shè)備的輸入輸出操作。 與DMA控制器一樣，通道也是一個獨(dú)立的控制部件，但它比DMA控制器更進(jìn)了一步，一方面它是一個處置器，有有限的指令集，可以執(zhí)行程序；另一方面它控制靈敏，可以順應(yīng)不同任務(wù)方式、不同速度要求和不同數(shù)據(jù)格式的不同種類的設(shè)備的要求。 I/O通道的功能 運(yùn)用通道方式組織的輸入輸出系統(tǒng)，普通采用“主機(jī)-通道-設(shè)備控制器-I/O設(shè)備四級銜接方式。通道對I/O設(shè)備的控制經(jīng)過設(shè)備控制器或I/O接口進(jìn)展。 通道普通具有以下幾方面的功能：接納來自CPU的I/O指令，根據(jù)指令要求選擇設(shè)備。執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序，這包括從主存中取出通道指令，對通道指令進(jìn)展譯碼，并根據(jù)指

21、令的要求向設(shè)備控制器發(fā)出各種命令。控制設(shè)備與主存之間的數(shù)據(jù)傳輸，提供主存地址和傳送的數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)控制，根據(jù)需求完成傳輸過程中的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等。檢查設(shè)備的任務(wù)形狀，并將完好的設(shè)備形狀信息送往主存或指定單元保管。向CPU發(fā)出輸入輸出操作中斷懇求，將外圍設(shè)備的中斷懇求和通道本身的中斷懇求按次序報(bào)告CPU。設(shè)備控制器的詳細(xì)義務(wù)包括：從通道接受通道命令，控制設(shè)備完成指定的操作。向通道提供設(shè)備的形狀。將各種設(shè)備的不同信號轉(zhuǎn)換成通道可以識別的規(guī)范信號。I/O通道的種類 按通道的數(shù)據(jù)傳輸及任務(wù)方式劃分，通道可分成字節(jié)多路通道、選擇通道和數(shù)組多路通道三種類型。一個機(jī)器系統(tǒng)可以兼有三種通道，也可以只包含其中一種或兩種

22、，以順應(yīng)不同種類設(shè)備的需求。字節(jié)多路通道：字節(jié)多路通道用于銜接多個慢速或中速的設(shè)備，這些設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送以字節(jié)為單位。通道以字節(jié)為單位輪番為多個設(shè)備效力，以提高通道的利用率。字節(jié)多路通道的操作方式有兩種：字節(jié)交叉方式和猝發(fā)方式。 選擇通道：選擇通道一次只與一個設(shè)備進(jìn)展數(shù)據(jù)傳輸，直到傳輸完成為止，然后為其他外圍設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。對于高速的設(shè)備，如磁盤等，要求較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，它們與主機(jī)之間可以采用選擇通道。 數(shù)組多路通道：以數(shù)組(數(shù)據(jù)塊)為單位在假設(shè)干高速傳輸操作之間進(jìn)展交叉復(fù)用，數(shù)組多路通道既保管了選擇通道高速傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能同時為多個設(shè)備提供效力。 I/O通道的任務(wù)過程表示圖： 5.3 外部存儲

23、器的組織外存又稱為輔存，從現(xiàn)代存儲介質(zhì)的開展看，主要由磁介質(zhì)存儲器和光盤存儲器構(gòu)成，它的特點(diǎn)是容量大，價錢低廉。在計(jì)算機(jī)中，外存是作為設(shè)備來進(jìn)展管理的。 1. 磁盤存儲器 磁盤是在一定的基質(zhì)上涂上一層磁性資料而構(gòu)成的圓盤，在磁盤外表利用磁存儲原理來存儲信息。磁盤分為硬盤和軟盤兩種，硬盤和軟盤在構(gòu)成上以及容量和訪問速度上有所不同，但從信息的存儲原理來講，它們是完全一樣的。 磁記錄原理和讀寫方式 磁盤存儲器的物理構(gòu)成 磁盤存儲器主要由磁盤片、磁盤驅(qū)動器和磁盤控制器等組成。軟盤是由單個盤片構(gòu)成，而硬盤那么由多個盤片構(gòu)成，通常稱為盤片組。磁盤存儲器的數(shù)據(jù)組織 磁盤是以“盤面磁道扇區(qū)的方式來進(jìn)展數(shù)據(jù)組織

24、的。磁盤的盤面由一個個同心圓環(huán)組成，每一個圓環(huán)稱為一個磁道。磁道又進(jìn)一步被分割成一個個等長的圓弧，每一段圓弧稱為一個扇區(qū)。一個扇區(qū)可以存儲假設(shè)干位信息，它也是磁盤與主機(jī)之間交換信息的根本單位 磁盤存儲器的性能參數(shù) 磁盤存儲器的主要性能目的包括存儲密度、存儲容量和訪問速度等 。1存儲密度磁盤外表的存儲密度主要分為道密度和位密度。道密度是指沿磁盤徑向單位長度上的磁道數(shù)，單位為道/英寸TPI或道/毫米TPM。位密度是指磁道單位長度上能記錄的二進(jìn)制代碼位數(shù)，單位為位/英寸BPI或位/毫米BPM。2存儲容量一個磁盤存儲器所能存儲的字節(jié)總數(shù)，稱為磁盤存儲器的存儲容量。存儲容量有格式化容量和非格式化容量之分

25、。格式化容量是指按照某種特定的記錄格式所能存儲信息的總量，也就是用戶可以真正運(yùn)用的容量。非格式化容量是磁記錄外表可以利用的磁化單元總數(shù)。 格式化容量的計(jì)算：磁盤存儲器總?cè)萘勘P面數(shù)每面容量面容量磁道數(shù)每道容量道容量扇區(qū)數(shù)每扇區(qū)容量非格式化容量的計(jì)算：磁盤存儲器總?cè)萘勘P面數(shù)每面容量面容量磁道數(shù)每道容量磁道數(shù)道密度徑向有效間隔道容量位密度磁道周長3訪問時間磁盤存儲器的訪問時間主要由尋道時間、旋轉(zhuǎn)延時和傳送時間三部分組成。尋道時間-磁頭定位到需讀寫的磁道所花的時間。由于尋道時間是不確定的，因此一個磁盤存儲器的尋道時間普通取平均尋道時間。平均尋道時間是最大尋道時間與最小尋道時間的平均值，目前平均尋道時間

26、為1020ms，一些高速硬盤的平均尋道時間小于10ms。 旋轉(zhuǎn)延時需讀寫的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所花的時間。每次對一個磁道上某個扇區(qū)的訪問，旋轉(zhuǎn)延時也是不同的，因此旋轉(zhuǎn)延時也取平均值。平均旋轉(zhuǎn)延時和磁盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，它用磁盤旋轉(zhuǎn)一周所需時間的一半來表示。轉(zhuǎn)速為7200轉(zhuǎn)/分的磁盤其平均旋轉(zhuǎn)時間為4.17ms。 尋道時間和旋轉(zhuǎn)延時的總和稱為存取時間，即定位到讀寫位置的時間。從所訪問的扇區(qū)頭開場，整個扇區(qū)從磁頭下經(jīng)過，即完成了該扇區(qū)的數(shù)據(jù)傳送，這部分時間稱為傳送時間。磁盤的數(shù)據(jù)傳送時間，除了與所傳送的數(shù)據(jù)大小有關(guān)外，主要取決于磁盤的數(shù)據(jù)傳輸率。磁盤存儲器在單位時間內(nèi)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，稱為數(shù)據(jù)傳輸率。假

27、設(shè)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為每秒r轉(zhuǎn)，每條磁道容量為N個字節(jié)，那么數(shù)據(jù)傳輸率DrN字節(jié)/秒假設(shè)要傳送的數(shù)據(jù)為b字節(jié)，那么傳送時間表5-4 給出了當(dāng)今典型的磁盤存儲器的性能參數(shù) ?！纠?.3】 【例5.4】 2. 磁帶存儲器 磁帶上的磁道是沿磁帶運(yùn)動方向平行陳列的。計(jì)算機(jī)中所用的磁帶寬度從0.15英寸 (0.38厘米)到0.5英寸1.27厘米)，長度從600英寸182米到2400英寸728米不等。早期磁帶系統(tǒng)普通運(yùn)用9個磁道，每次存取一個字節(jié)，其中8個磁道構(gòu)成一個有效字節(jié)信息，第9磁道上是附加的奇偶校驗(yàn)位。后來的磁帶系統(tǒng)運(yùn)用18或36個磁道，這對應(yīng)于數(shù)字的一個字或雙字。這種記錄格式稱為并行記錄。 現(xiàn)代大多數(shù)

28、磁帶系統(tǒng)運(yùn)用串行記錄方式，數(shù)據(jù)作為一系列的二進(jìn)制位串沿同一磁道順序存儲，就好像磁盤在同一磁道上順序存儲數(shù)據(jù)一樣。 串行記錄磁帶運(yùn)用一種被稱為蛇形記錄(serpentine recording)的記錄方式。按此方式，數(shù)據(jù)從一個磁帶的頭部開場，沿一個磁道從頭到尾記錄，到達(dá)磁帶尾部時，再沿另一磁道從尾到頭記錄，再次回到磁帶頭部時，又沿第三個磁道從頭到尾記錄，如此往復(fù)。 一種采用并行記錄的0.5英寸9道啟停式磁帶和數(shù)據(jù)記錄格式 一種采用串行記錄的0.25英寸數(shù)據(jù)流磁帶的數(shù)據(jù)記錄格式 為提高磁帶存儲器的訪問速度，磁頭能同時對幾個相鄰磁道通常是2到8個磁道)進(jìn)展讀寫操作。數(shù)據(jù)仍是沿各磁道蛇形串行記錄，但數(shù)

29、據(jù)塊不是在同一磁道上順序存放，而是在相鄰磁道依序陳列。 表5-5給出了幾個磁帶的系統(tǒng)參數(shù) 。3. 光盤存儲器 光盤存儲器是一種采用光存儲技術(shù)存儲信息的存儲器，它采用聚焦激光束在盤式介質(zhì)上非接觸地記錄高密度信息，以介質(zhì)資料的光學(xué)性質(zhì)(如反射率、偏振方向)的變化來表示所存儲信息的“1或“0。 光盤存儲器的分類 按光盤可擦寫性分類主要包括只讀型光盤和可擦寫型光盤。只讀型光盤所存儲的信息是由光盤制造廠家預(yù)先用模板一次性將信息寫入，以后只能讀出數(shù)據(jù)而不能再寫入任何數(shù)據(jù)。按照盤片內(nèi)容所采用的數(shù)據(jù)格式的不同，又可以將盤片分為CD-DA、CD-I、Video-CD、CD-ROM、DVD等。可擦寫型光盤是由制造

30、廠家提供空盤片，用戶可以運(yùn)用刻錄光驅(qū)將本人的數(shù)據(jù)刻寫到光盤上，它包括CD-R、CD-RW和相變光盤及磁光盤等。常見的光盤種類、功能及相關(guān)規(guī)范見表5-6。CD-ROM 規(guī)范CD-ROM盤片的直徑為120mm，中心裝卡孔徑為15mm，厚度為1.2mm，分量約1418g，其基質(zhì)由樹酯(如聚碳酸酯)制成，數(shù)據(jù)信息以一系列微凹坑的款式刻錄在光盤外表上。 CD-ROM光盤在制造時，首先用精細(xì)聚焦的高強(qiáng)度激光束制造一個母盤，然后以母盤作為模板壓印出聚碳酸酯的復(fù)制品，再在凹坑外表上鍍一層高反射資料(鋁或金)，最后在這外層上涂層丙烯酸樹酯以防灰塵或劃傷。 CD-ROM盤片的構(gòu)造。CD-ROM是經(jīng)過安裝在光盤驅(qū)動

31、器內(nèi)的激光頭來讀取盤片上的信息的。當(dāng)盤片轉(zhuǎn)動并經(jīng)過激光頭時，激光頭能產(chǎn)生可以穿過透明的聚碳酸酯層的低強(qiáng)度激光束。激光束照射到盤片的不同區(qū)域時，反射的激光強(qiáng)度發(fā)生變化。詳細(xì)來說，當(dāng)激光束照射在凹坑上時，由于凹坑外表有些不平，光被散射，反射回的光強(qiáng)度變低。凹坑之間的區(qū)域稱為臺(1and)，臺的外表光滑平坦，反射回的光強(qiáng)度高。光傳感器將檢測到的這種光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。傳感器以固定的間隔檢測盤外表，一個凹坑的開場或終了表示存儲了一位二進(jìn)制“1；間隔之間無標(biāo)高變動出現(xiàn)時，記錄的是“0。CD-ROM與磁盤在數(shù)據(jù)記錄方式上有所不同。磁盤是由一個個同心圓的磁道組成。而CD-ROM卻不同，它是在整個盤面上只

32、需一條螺旋式軌道，由接近中心處開場，逐圈向外旋轉(zhuǎn)直到盤的外沿?？客獾纳葏^(qū)與靠內(nèi)的扇區(qū)具有一樣的長度，于是，按同樣大小的段分組的信息可以均勻分布在整個盤上。CD-RCD-RCompact Disk Recordable是一種一次寫、多次讀的可刻錄光盤系統(tǒng)，它由CD-R盤片和刻錄光驅(qū)組成。CD-R光盤與普通CD-ROM光盤在外觀尺寸、記載數(shù)據(jù)的方式等方面是一樣的，也同樣是利用激光束的反射原理來讀取信息。但與CD-ROM不同的是，在CD-R光盤外表除了含有聚碳酸酯層、反射層和丙烯酸樹酯維護(hù)層外，另外還在聚碳酸酯層和反射層之間加上了一個有機(jī)染料記錄層。當(dāng)運(yùn)用CD-R刻錄光驅(qū)對空白盤片進(jìn)展刻錄時，是將寫

33、激光束照射到有機(jī)染料記錄層上，激光照射時產(chǎn)生的熱量將有機(jī)染料燒熔，并使其產(chǎn)生光痕。光痕會使今后讀激光束改動光的反射率，從而到達(dá)一次刻錄改寫信息的目的。 CD-RW CD-RWCompact Disk ReWritable光存儲系統(tǒng)是在CD-R根底上進(jìn)一步開展起來的，是一種多次寫、多次讀的可反復(fù)擦寫的光存儲系統(tǒng)。 CD-RW光盤構(gòu)造與CD-ROM根本一樣，只是在盤片中添加了可改寫的染色層。讀寫數(shù)據(jù)采用相變phase change技術(shù)。相變技術(shù)利用物質(zhì)的形狀變化進(jìn)展數(shù)據(jù)的讀、寫和擦除。 CD-RW盤片內(nèi)部鍍上一層一定厚度的薄膜即相變記錄層。相變記錄層由一種銀合金資料組成，隨加熱溫度的不同，它可以構(gòu)

34、成晶體，也可以構(gòu)成非晶體。因此，適當(dāng)調(diào)整加熱溫度就可以自在地控制記錄層的結(jié)晶形狀。在晶體形狀中原子整齊陳列，光反射率高；相反，在非晶體形狀中原子陳列不整齊，光反射率低。對CD-RW的讀、寫和擦除正是利用光反射率的這種變化來實(shí)現(xiàn)。 對CD-RW盤片的讀寫操作是經(jīng)過CD-RW刻錄機(jī)完成的。目前的CD-RW刻錄機(jī)兼容CD-ROM和CD-R盤片，它分為內(nèi)置式和外置式兩種。在與主機(jī)接口上，內(nèi)置式刻錄機(jī)主要經(jīng)過IDE、SCSI等接口銜接，而外置式刻錄機(jī)經(jīng)過計(jì)算機(jī)的外部并行接口銜接。DVD DVD的英文全名是Digital Video Disk，即數(shù)字視頻光盤。DVD不僅僅用來存儲視頻數(shù)據(jù)，還可以用來存儲其

35、它類型的數(shù)據(jù)，因此DVD又為 Digital Versatile Disk，即數(shù)字通用盤，。圖5-37是DVD和CD-ROM盤片數(shù)據(jù)記錄道和凹坑情況的比較 。從圖中可以看出，CD-ROM 盤的道間距為1.6m，而DVD盤的道間距為0.74m；CD-ROM盤的最小凹坑為0.83m，而DVD盤的最小凹坑為0. 4m。DVD盤片的道密度和凹坑密度都遠(yuǎn)高于CD盤片。單從這兩方面的改良，就使DVD的單片單層容量提高到CD-ROM的7倍多，可達(dá)4.7GB。 DVD盤片分為單面單層、單面雙層、雙面單層和雙面雙層四種物理構(gòu)造。因此，可以將DVD盤片分為四種規(guī)格，分別是DVD-5、DVD-9、DVD-10和DV

36、D-18。表5-7 四種DVD盤片比較。5.4 RAID技術(shù)1988年，美國加州大學(xué)Berkeley分校的David Patterson、Garth Gibson和Randy Katz三人發(fā)表了一篇題為廉價磁盤冗余陣列方案的論文，初次提出了RAID的一詞。 在論文中他們提出將多個小容量、價錢低廉的磁盤進(jìn)展有機(jī)組合，來替代通常在大型計(jì)算機(jī)中運(yùn)用的昂貴的大容量磁盤系統(tǒng)，并使其具有更好的性能和更高的可靠性。Patterson、Gibson和Katz還定義了5種類型稱為級，level的RAID，每一級RAID都具有不同的性能和可靠性。原先這些級的編號是從1到5，后來人們又定義了RAID的第0級和第6級

37、。所以RAID主要分為7個級，即從第0級到第6級。后來一些研討機(jī)構(gòu)和公司還定義了其它的一些RAID級 。RAID的設(shè)計(jì)思想：經(jīng)過在多個硬盤上又稱為磁盤陣列同時存取數(shù)據(jù)來大幅提高磁盤存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率，而且在一些RAID 方式中經(jīng)過較為完備的相互校驗(yàn)/恢復(fù)的措施，甚至是直接相互的鏡像備份，以提高RAID 系統(tǒng)的容錯度，從而提高了磁盤存儲系統(tǒng)的平安性和可靠性。 RAID分級 RAID級描述磁盤數(shù)容錯性能并行I/O響應(yīng) 0無容錯的分塊磁盤陣列N無容錯有1磁盤鏡像2N容錯性最好有2專用海明校驗(yàn)盤位分布磁盤系統(tǒng)N+m允許一個磁盤失效無3專用奇偶校驗(yàn)盤位分布磁盤系統(tǒng)N+1允許一個磁盤失效無4專用奇偶校驗(yàn)

38、盤分塊獨(dú)立存取磁盤系統(tǒng)N+1允許一個磁盤失效有5分散校驗(yàn)分塊獨(dú)立存取磁盤系統(tǒng)N允許一個磁盤失效有6分散雙校驗(yàn)分塊獨(dú)立存取磁盤系統(tǒng)N允許兩個磁盤失效有RAID0 RAID0 全稱是Striped disk array without fault tolerance(沒有容錯的條帶磁盤陣列。其構(gòu)架如圖5-38所示。磁盤以條帶strip的方式劃分，每個條帶是一些物理的塊、扇區(qū)或其他單位。一切的磁盤組成一個邏輯磁盤，系統(tǒng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)被看成是存儲在這個邏輯磁盤上，邏輯磁盤上的一個個條帶數(shù)據(jù)以輪轉(zhuǎn)方式映射到延續(xù)的陣列磁盤中。 例如，在一個由N個磁盤組成的陣列中，邏輯磁盤的第1N個條帶數(shù)據(jù)按順序依次分布在

39、第1N個磁盤的第1個條帶上，第N12N個條帶數(shù)據(jù)按順序依次分布在第1N個磁盤的第2個條帶上， ，依此類推。 這種規(guī)劃的優(yōu)點(diǎn)是，假設(shè)單個I/O懇求由多個邏輯相鄰的條帶組成，那么多達(dá)對n個條帶的懇求可以并行處置，這樣可以大大提高I/O的數(shù)據(jù)傳輸率。 RAID0不是RAID家族中的真正成員，由于它沒有數(shù)據(jù)冗余才干。由于沒有采用備份或校驗(yàn)恢復(fù)技術(shù)，在RAID0陣列中任何一個磁盤損壞就會導(dǎo)致整個磁盤陣列數(shù)據(jù)的損壞 。 RAID1 RAID1又稱為磁盤鏡像Disk Mirroring，是一切的RAID級中具有最正確失效維護(hù)的一種方案。它運(yùn)用兩組互為鏡像的磁盤進(jìn)展簡單的完全數(shù)據(jù)備份，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余。 圖中

40、包含了兩組一樣的磁盤陣列。RAID1在每次寫入時，都會同時將數(shù)據(jù)寫入到兩組磁盤中，使兩組磁盤的數(shù)據(jù)堅(jiān)持完全的一樣，以實(shí)現(xiàn)磁盤陣列的高可靠性。RAID1也采用與RAID0一樣的條帶數(shù)據(jù)劃分，即在每組內(nèi)，一切磁盤以條帶方式進(jìn)展數(shù)據(jù)組織，以堅(jiān)持與RAID0同樣的高性能。 RAID2 RAID1雖然同時具有高可靠性和高性能，但它的主要問題是本錢太大，需求整整兩倍于實(shí)踐所需的磁盤數(shù)量才干到達(dá)數(shù)據(jù)的冗余。更好的方式是只運(yùn)用磁盤組中的一個或幾個磁盤用于數(shù)據(jù)冗余或數(shù)據(jù)校驗(yàn)之用。RAID2就定義了這些方法中的一種。RAID2稱為海明碼校驗(yàn)Hamming Code ECC，它將磁盤進(jìn)展條帶劃分的方法運(yùn)用到了極端的

41、情形。它在每個條帶中只寫入一位二進(jìn)制位，而不是采用像RAID0和RAID1中的數(shù)據(jù)塊。這樣的話，假設(shè)以字節(jié)為單位進(jìn)展數(shù)據(jù)組織，那么一個磁盤陣列中至少需求8個磁盤用于存儲數(shù)據(jù)信息。 RAID2采用了海明糾錯碼進(jìn)展數(shù)據(jù)校驗(yàn)。與數(shù)據(jù)磁盤相對應(yīng)，磁盤陣列中還需求一組磁盤用于存儲糾錯碼信息。 糾錯碼所需的磁盤數(shù)量取決于所采用的海明糾錯碼所需的校驗(yàn)位數(shù)。無論是數(shù)據(jù)盤還是校驗(yàn)盤，只需有一個磁盤損壞，其中的數(shù)據(jù)都可以經(jīng)過海明碼來重建恢復(fù)。由于生成海明碼較為耗時，所以RAID2對大多數(shù)商業(yè)運(yùn)用來說速度太慢。現(xiàn)實(shí)上，今天大多數(shù)磁盤驅(qū)動器都有內(nèi)置的CRC糾錯功能。對于單個磁盤和驅(qū)動器具有高可靠性的情況下，RAID2就沒有太大的應(yīng)意圖義了。 RAID3 RAID3稱為帶校驗(yàn)的并行傳輸Parallel transfer with parity。像RAID2一樣，RAID3是按照每次一位的方式將數(shù)據(jù)交錯分配到各個數(shù)據(jù)盤的條帶上。但是，與RAID2所不同的是，RAID3只運(yùn)用一個磁盤來存儲一個簡單的奇偶校驗(yàn)位，奇偶校驗(yàn)位的生成比海明碼的生成快得多。RAID3的組成。RAID4 RAID4又稱帶有共享校驗(yàn)磁盤的獨(dú)立數(shù)據(jù)磁盤系統(tǒng)Independent da