計(jì)算機(jī)組成原理-第22-23講(第7章)

第七章I/O設(shè)備與輔助存儲(chǔ)器7.1I/O設(shè)備概述7.2簡單I/O設(shè)備7.3輔存的種類與技術(shù)指標(biāo)7.6其它輔存設(shè)備7.5硬磁盤存儲(chǔ)器7.4磁表面存儲(chǔ)器工作原理07.1I/O設(shè)備概述計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中，除了需要運(yùn)算器來進(jìn)行邏輯和算術(shù)運(yùn)算、控制器產(chǎn)生控制信號(hào)、存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)外。還需要I/O設(shè)備用于輸入數(shù)據(jù)與程序、輸出計(jì)算機(jī)處理后的結(jié)果。計(jì)算機(jī)中，除了CPU和主存外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的每一個(gè)部分都可以作為一個(gè)外圍設(shè)備來看待。1計(jì)算機(jī)I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CPU主存系統(tǒng)總線I/O接口外存設(shè)備控制器I/O接口輸出設(shè)備控制器I/O接口輸入設(shè)備控制器系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線外圍設(shè)備為什么不直接和主機(jī)相連？2I/O接口的必要性外部設(shè)備種類繁多，它們對(duì)所傳輸?shù)男畔⒌囊笠哺鞑幌嗤?，這就給計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的信息交換帶來以下一些問題：

①速度不匹配②信號(hào)格式不匹配③時(shí)序不匹配

ABCPU

DBCB存儲(chǔ)器I/O接口顯示器鼠標(biāo)鍵盤硬盤軟驅(qū)光驅(qū)……掃描儀37.3輔存的種類和技術(shù)指標(biāo)

輔助存儲(chǔ)器用于存放當(dāng)前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主存成批地交換數(shù)據(jù)。它作為主存的后備和補(bǔ)充，是主機(jī)的外部設(shè)備，因此又稱為外存儲(chǔ)器。輔助存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是容量大、成本低，通常在斷電后仍能保存信息，是“非易失性”存儲(chǔ)器。4輔存的分類輔助存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器構(gòu)成：將磁性材料沉積在盤片（或帶）的基體上形成記錄介質(zhì)，并以繞有線圈的磁頭與記錄介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來寫入或讀出信息。光存儲(chǔ)器構(gòu)成：利用激光束在具有感光特性的表面上存儲(chǔ)信息5輔存主要技術(shù)指標(biāo)存儲(chǔ)密度

單位長度或單位面積磁層表面所存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量。存儲(chǔ)容量

指磁表面存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息總量。尋址時(shí)間

磁頭從啟動(dòng)到找到存儲(chǔ)位置的時(shí)間稱為尋址時(shí)間，分成找道時(shí)間和等待時(shí)間。6①存儲(chǔ)密度存儲(chǔ)密度分成道密度和位密度，也可以用兩者的乘積-面密度表示。對(duì)于磁帶存儲(chǔ)器，則主要用位密度表示。

磁道指的是存儲(chǔ)在介質(zhì)表面上的信息的磁化軌跡，磁盤與磁帶的磁化軌跡是不同的。

柱面在磁盤存儲(chǔ)器中，對(duì)有多個(gè)盤片構(gòu)成的盤組中，由處于同一半徑的磁道組成的一個(gè)圓柱面。7磁道柱面道密度：半徑方向單位長度磁道數(shù)，單位：道/英寸位密度：磁道方向上單位長度記錄的二進(jìn)制位數(shù)，單位：位/英寸①存儲(chǔ)密度8②存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量可以分成非格式容量和格式化容量。非格式化容量指的是磁盤表面可以利用的磁化單元總數(shù)。格式化容量指的是按照某種特定格式所能存儲(chǔ)信息的總量。是用戶真正能使用的容量，約為非格式化容量的60%~70%。9③尋址時(shí)間尋址時(shí)間包括找道時(shí)間和等待時(shí)間。

找道時(shí)間Ts指的是磁頭從當(dāng)前磁道移動(dòng)到目標(biāo)磁道的時(shí)間，一般以平均找道時(shí)間表示。

等待時(shí)間Tw指的找道完成后，磁頭等待讀寫區(qū)域旋轉(zhuǎn)到磁頭正下方所需要的等待時(shí)間，一般也以平均等待時(shí)間表示，平均等待時(shí)間為磁盤旋轉(zhuǎn)半圈的時(shí)間。10尋址時(shí)間理解等待時(shí)間Tw找道時(shí)間Ts與磁盤轉(zhuǎn)速有關(guān)。計(jì)算時(shí)一般用平均等待時(shí)間Twa表示，為磁盤轉(zhuǎn)半圈的時(shí)間。顯然與磁頭的移動(dòng)速度有關(guān)，表示為平均找道時(shí)間。旋轉(zhuǎn)情況1：旋轉(zhuǎn)一圈旋轉(zhuǎn)情況2：無需旋轉(zhuǎn)對(duì)于磁帶，由于每個(gè)磁頭直接對(duì)應(yīng)一個(gè)磁道，無找道時(shí)間，需要較長的等待時(shí)間11磁盤結(jié)構(gòu)扇區(qū)2……扇區(qū)n扇區(qū)1扇區(qū)容量扇區(qū)012舉例

3.5英寸高密度軟磁盤存儲(chǔ)器共有2個(gè)記錄面，每面80個(gè)磁道，每個(gè)磁道18個(gè)記錄扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)可記錄信息512個(gè)字節(jié)。軟磁盤機(jī)的轉(zhuǎn)速為每分鐘360轉(zhuǎn)（360rpm)，求該軟磁盤存儲(chǔ)器的容量和平均等待時(shí)間。

容量：80*2*18*512/1024/1024=1.4MB

平均等待時(shí)間=(60/360)/2=0.167/2≈83ms137.4磁表面存儲(chǔ)器的工作原理

磁表面存儲(chǔ)器用于是將磁性材料沉積在盤片或塑料帶的基體上形成記錄介質(zhì)，并以繞有線圈的磁頭與記錄介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來寫入或讀出數(shù)據(jù)。常見的磁表面存儲(chǔ)器包括硬磁盤存儲(chǔ)器、軟磁盤存儲(chǔ)器、磁帶等。

具有的優(yōu)點(diǎn)：①存儲(chǔ)容量大、位價(jià)格低②記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用③記錄信息可以長期保存而不丟失④非破壞性讀出，讀出時(shí)不需要刷新。14①磁性材料與磁滯回線硬盤上的磁性材料涂層在平時(shí)不顯磁性，但在外部磁場作用下會(huì)被磁化，當(dāng)外磁場達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，磁化出現(xiàn)飽和，此時(shí)去掉外磁場后磁性不消失，稱為有剩磁。外磁場的方向決定剩磁狀態(tài)。圖中H為磁場強(qiáng)度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，Hd為矯頑力。HBHd-Hd+Br-Br兩個(gè)不同的磁化方向代表數(shù)據(jù)0和數(shù)據(jù)1。15基體運(yùn)動(dòng)方向磁層寫線圈讀線圈②磁頭的讀寫原理磁表面存儲(chǔ)器在讀寫時(shí)，磁頭固定不變，磁層相對(duì)磁頭作直線運(yùn)動(dòng)。磁頭是軟磁材料(斷電后無磁性)的鐵芯繞以線圈，通入不同方向電流來寫1寫0。寫1寫0e讀數(shù)據(jù)時(shí)，磁頭和磁化單元做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，從而在讀線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢。經(jīng)過后續(xù)處理可讀出所存信息。16③磁表面存儲(chǔ)器讀寫原理實(shí)際上，磁表面存儲(chǔ)器在寫入時(shí)，還需要其他電路來完成離散的數(shù)字信號(hào)到連續(xù)的電流的轉(zhuǎn)換；當(dāng)讀數(shù)據(jù)時(shí)，需要進(jìn)行信號(hào)的放大和譯碼。數(shù)字信號(hào)編碼電路寫入電流驅(qū)動(dòng)記錄序列讀出信號(hào)放大讀出序列數(shù)字信號(hào)譯碼電路在和主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，還必須完成串并數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換17④磁記錄方式數(shù)據(jù)在送入磁頭之前需要編碼電路來產(chǎn)生電流，相應(yīng)的編碼方法稱為磁記錄方式，根據(jù)磁盤存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，有多種磁記錄方式。包括：

歸零制(RZ)、不歸零制(NRZ)見1就翻的不歸零制(NRZ1)、調(diào)相制(PM)調(diào)頻制(FM)、改進(jìn)的調(diào)頻制(MFM)18①歸零制RZ若記錄1信息，則加正向?qū)懭腚娏髅}沖；若記錄0信息，則加負(fù)向?qū)懭腚娏髅}沖，每寫入一個(gè)信息，電流歸零。101110001此方式中，相鄰兩位信息之間，磁頭線圈的寫電流為0，相應(yīng)的這段磁層未被磁化。寫數(shù)據(jù)時(shí)需要先去磁。記錄密度低，抗干擾能力差。已不使用。19歸零制的讀出波形101110001讀出時(shí)可通過同步信號(hào)過濾一個(gè)周期的后半部分，從而比較容易區(qū)分0和1。有自同步能力。20②不歸零制NRZ若記錄1信息，則在周期內(nèi)加正向?qū)懭腚娏髅}沖；若記錄0信息，則再周期內(nèi)加負(fù)向?qū)懭腚娏髅}沖，無需向RZ那樣將電流歸零。101110001此方式中，相鄰兩位記錄同樣信息時(shí)，電流方向不需要改變，僅不同時(shí)才發(fā)生翻轉(zhuǎn)?？垢蓴_能力較好。21不歸零制的讀出波形101110001讀出時(shí)對(duì)于連續(xù)的1或0，中間均沒有脈沖讀出，因此不容易區(qū)分0和1，需要同步脈沖信號(hào)加以區(qū)分。22③見1就翻的不歸零制NRZ1

NRZ1方式是NRZ的一種改進(jìn)。當(dāng)寫1時(shí)，磁頭線圈的寫入電流方向改變一次，當(dāng)寫0時(shí)，寫入電流方向保持不變。101110001此方式中適用于低速磁帶機(jī)上。23見1就翻不歸零制的讀出波形101110001讀出時(shí)僅數(shù)據(jù)1有脈沖，而數(shù)據(jù)0無脈沖，需要同步脈沖信號(hào)加以區(qū)分，不具有自同步能力。24④調(diào)相制PM利用磁層的磁化反轉(zhuǎn)方向的相位差來表示1和0。設(shè)寫1時(shí)，寫入電流在位周期中間位置由正變負(fù)。當(dāng)寫連續(xù)0和連續(xù)1時(shí)，需要在位周期交界地方翻轉(zhuǎn)一次。101110001此方式中適用于磁帶機(jī)上。25調(diào)相制的讀出波形101110001讀出時(shí)在位周期中內(nèi)檢測到脈沖信號(hào)，且數(shù)據(jù)1對(duì)應(yīng)負(fù)脈沖，數(shù)據(jù)0對(duì)應(yīng)正脈沖。具有自同步能力。26⑤調(diào)頻制FM若記錄1，則寫入電流在一個(gè)位周期中間改變一次方向；若記錄0，則寫入電流在位周期中間不改變方向；無論寫0還是寫1，在兩個(gè)位周期交界處需改變。101110001記錄1的磁層磁化翻轉(zhuǎn)頻率是記錄0的兩倍，又稱為“倍頻制”，應(yīng)用于早期磁盤中。27調(diào)頻制的讀出波形101110001對(duì)于數(shù)據(jù)0，僅在周期開始處檢測到脈沖；對(duì)于數(shù)據(jù)0，在位周期開始處和中間位置均能檢測出脈沖。28⑥改進(jìn)的調(diào)頻制MFM若記錄1，則寫入電流在一個(gè)位周期中間改變一次方向；若記錄0，則寫入電流在位周期中間不改變方向；若連續(xù)寫多個(gè)0，則在兩個(gè)0的位周期交界處翻轉(zhuǎn)。101110001相對(duì)FM而言減少了翻轉(zhuǎn)次數(shù)29改進(jìn)的調(diào)頻制的讀出波形101110001對(duì)于數(shù)據(jù)1，在位周期中間位置能檢測出脈沖。對(duì)于單個(gè)數(shù)據(jù)0無脈沖；對(duì)于連續(xù)多個(gè)0，交界處有脈沖。307.5硬磁盤存儲(chǔ)器硬磁盤存儲(chǔ)器因?yàn)榛w為鋁合金盤片的硬性介質(zhì)而得名。硬度大，表面光滑，記錄密度大保證了硬盤容量遠(yuǎn)大于軟盤和磁帶。硬盤存儲(chǔ)器主要由磁記錄介質(zhì)、磁盤控制器、磁盤驅(qū)動(dòng)器三部分組成。自1956年IBM的第一塊商用硬盤的出現(xiàn)，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，硬盤朝著小型化、大容量、高速度的方向發(fā)展。31硬盤的分類按盤片是否可換

分為可換盤片式和固定盤片式。

前者盤片可以更換，盤片可更換，同型號(hào)硬盤盤片可更換，但工作環(huán)境要求極高。按磁頭是否可動(dòng)

分為可移動(dòng)磁頭式和固定磁頭式。

前者磁頭可以沿徑向移動(dòng)，而后者盤片的每一個(gè)磁道均對(duì)應(yīng)一個(gè)磁頭，存儲(chǔ)速度快，無需找道時(shí)間，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。微機(jī)上使用的硬盤是可移動(dòng)式磁頭固定盤片的溫盤。32溫徹斯特磁盤機(jī)溫徹斯特磁盤(Winchesterdisk)是一種采用先進(jìn)技術(shù)研制的可移動(dòng)磁頭固定盤片的磁盤機(jī)。第一塊溫盤IBM3340于1973年由位于美國加州坎貝爾市溫徹斯特大街的IBM公司研究所研制成功。

溫盤是一種密封組合式的硬磁盤，即磁頭、盤片、電機(jī)等驅(qū)動(dòng)部件和讀寫電路組裝成一個(gè)不可隨意拆卸的整體。工作時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的盤片形成的氣墊將磁頭平穩(wěn)浮起。防塵性好、可靠性高，對(duì)環(huán)境要求不高。33硬盤結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)部件34硬盤控制器硬盤除了需要驅(qū)動(dòng)部件控制磁頭準(zhǔn)確定位信息存放的磁道外，還需要控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和主機(jī)的通信?？刂齐娐芬话阍O(shè)置在磁盤背面。主機(jī)數(shù)據(jù)緩沖DMA控制并/串轉(zhuǎn)換串/并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)譯碼讀時(shí)鐘產(chǎn)生器讀放大器數(shù)據(jù)編碼器寫放大器讀/寫磁頭磁盤機(jī)格式控制35磁盤技術(shù)的發(fā)展①磁盤cache

磁盤中數(shù)據(jù)的讀取依賴機(jī)械運(yùn)動(dòng)，速度較主存有很大差別。也是根據(jù)局部性原理，設(shè)置磁盤cache彌補(bǔ)磁盤和主存之間的速度差。一般通過預(yù)讀的方式實(shí)現(xiàn)。目前磁盤cache在8MB以上。②磁盤陣列磁盤整列RAID稱廉價(jià)冗余磁盤陣列。是用多臺(tái)磁盤存儲(chǔ)器組成的大容量外存系統(tǒng)。367.6其它輔存設(shè)備磁帶存儲(chǔ)器

記錄原理與磁盤存儲(chǔ)器類似，其載磁體是一種帶狀塑料，叫做磁帶。讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)時(shí)，磁頭不動(dòng)，磁帶相對(duì)磁頭運(yùn)動(dòng)。