第7章 外圍設(shè)備

第7章外圍設(shè)備一、外圍設(shè)備的一般功能外圍設(shè)備的功能是在計(jì)算機(jī)和其他機(jī)器之間，以及計(jì)算機(jī)與用戶之間提供聯(lián)系。二、外圍設(shè)備（磁盤）基本組成(1)存儲(chǔ)介質(zhì)，它具有保存信息的物理特征。(2)驅(qū)動(dòng)裝置，它用于移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)。(3)控制電路，它向存儲(chǔ)介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)或從存儲(chǔ)介質(zhì)接受數(shù)據(jù)。1、磁性材料的物理特性磁感應(yīng)強(qiáng)度B是描述磁場(chǎng)力的性質(zhì)的物理量，是矢量，可定義為：在磁場(chǎng)中垂直于磁場(chǎng)方向的一小段通電直導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)作用力F跟電流I和導(dǎo)線長(zhǎng)度L的乘積的比值，即：B=F/IL一塊從未被磁化過的材料磁化時(shí)，當(dāng)H由0開始逐步增加至最大值H，B也由0開始逐漸增加，由此畫出B~H曲線，O~Bm稱為起始磁化曲線。磁化過程中材料內(nèi)部發(fā)生的過程是不可逆的。當(dāng)電流消失后磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不等于零，此時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br。加正向脈沖電流磁化后，當(dāng)電流消失時(shí)B處于+Br狀態(tài)(正剩磁狀態(tài))；反之處于-Br狀態(tài)(負(fù)剩磁狀態(tài))。即磁性材料被磁化后會(huì)形成兩個(gè)穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)，可以分別表示二進(jìn)制的1和0。要磁性材料記憶“1”,則加正向脈沖電流，使其正向磁化；要磁性材料記憶“0”，則加負(fù)向脈沖電流，使其反向磁化。2、磁表面存儲(chǔ)器的讀寫原理寫操作：當(dāng)寫線圈中通過一定方向的脈沖電流時(shí)，鐵芯內(nèi)就產(chǎn)生一定方向的磁通。讀操作：當(dāng)磁頭經(jīng)過載磁體的磁化元時(shí)，由于磁頭鐵芯是良好的導(dǎo)磁材料，磁化元的磁力線很容易通過磁頭而形成閉合磁通回路。不同極性的磁化元在鐵芯里的方向是不同的。XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX................................記錄方式的寫讀波形圖：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)；反之，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。這就是磁表面存儲(chǔ)器存取信息的原理。磁層上的存儲(chǔ)元被磁化后，它可以供多次讀出而不被破壞。當(dāng)不需要這批信息時(shí)，可通過磁頭把磁層上所記錄的信息全部抹去，稱之為寫“0”。通常，寫入和讀出是合用一個(gè)磁頭，故稱之為讀寫磁頭。每個(gè)讀寫磁頭對(duì)應(yīng)著一個(gè)信息記錄磁道。硬磁盤是指記錄介質(zhì)為硬質(zhì)圓形盤片的磁表面存儲(chǔ)設(shè)備。它主要由磁記錄介質(zhì)、磁盤控制器、磁盤驅(qū)動(dòng)器三大部分組成。磁盤控制器包括控制邏輯與時(shí)序、數(shù)據(jù)并-串變換電路和串-并變換電路。磁盤驅(qū)動(dòng)器包括寫入電路與讀出電路、讀寫轉(zhuǎn)換開關(guān)、讀寫磁頭與磁頭定位伺服系統(tǒng)等。磁盤控制器磁盤驅(qū)動(dòng)器磁記錄介質(zhì)硬磁盤按盤片結(jié)構(gòu)，分成可換盤片式與固定盤片式兩種；磁頭也分為可移動(dòng)磁頭和固定磁頭兩種。(1)可移動(dòng)磁頭固定盤片的磁盤機(jī)特點(diǎn)是一片或一組盤片固定在主軸上，盤片不可更換。盤片每面只有一個(gè)磁頭，存取數(shù)據(jù)時(shí)磁頭沿盤面徑向移動(dòng)。(2)固定磁頭磁盤機(jī)特點(diǎn)是磁頭位置固定，磁盤的每一個(gè)磁道對(duì)應(yīng)一個(gè)磁頭，盤片不可更換。優(yōu)點(diǎn)是存取速度快，省去磁頭找道時(shí)間，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。(3)可移動(dòng)磁頭可換盤片的磁盤機(jī)

盤片可以更換，磁頭可沿盤面徑向移動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是盤片可以脫機(jī)保存，同種型號(hào)的盤片具有互換性。(4)溫徹斯特磁盤機(jī)溫徹斯特磁盤簡(jiǎn)稱溫盤，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)。它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)部件乃至讀寫電路等組裝成一個(gè)不可隨意拆卸的整體。工作時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)在盤面上形成的氣墊將磁頭平穩(wěn)浮起。優(yōu)點(diǎn)是防塵性能好，可靠性高，對(duì)使用環(huán)境要求不高。磁盤驅(qū)動(dòng)器是一種精密的電子和機(jī)械裝置，因此各部件的加工安裝有嚴(yán)格的技術(shù)要求。對(duì)溫盤驅(qū)動(dòng)器，還要求在超凈環(huán)境下組裝。各類磁盤驅(qū)動(dòng)器的具體結(jié)構(gòu)雖然有差別，但基本結(jié)構(gòu)相同，主要由定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。磁盤控制器是主機(jī)與磁盤驅(qū)動(dòng)器之間的接口。由于磁盤存儲(chǔ)器是高速外存設(shè)備，故與主機(jī)之間采用成批交換數(shù)據(jù)方式。作為主機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間的控制器，它需要有兩個(gè)方面的接口：一個(gè)是與主機(jī)的接口，控制外存與主機(jī)總線之間交換數(shù)據(jù)；另一個(gè)是與設(shè)備的接口，根據(jù)主機(jī)命令控制設(shè)備的操作。前者稱為系統(tǒng)級(jí)接口，后者稱為設(shè)備級(jí)接口。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。記錄面上一系列同心圓稱為磁道。每個(gè)盤片表面通常有幾百到幾千個(gè)磁道，每個(gè)磁道又分為若干個(gè)扇區(qū)，如下一頁圖所示。從圖中看出，外面扇區(qū)比里面扇區(qū)面積要大。磁盤上的這種磁道和扇區(qū)的排列稱為格式。在磁道上，信息是按區(qū)存放的，每個(gè)區(qū)中存放一定數(shù)量的字或字節(jié)，各個(gè)區(qū)存放的字或字節(jié)數(shù)是相同的。為進(jìn)行讀/寫操作，要求定出磁道的起始位置，這個(gè)起始位置稱為索引。索引標(biāo)志在傳感器檢索下可產(chǎn)生脈沖信號(hào)，再通過磁盤控制器處理，便可定出磁道起始位置。磁盤存儲(chǔ)器的每個(gè)扇區(qū)記錄定長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，因此讀/寫操作是以扇區(qū)為單位一位一位串行進(jìn)行的。每一個(gè)扇區(qū)記錄一個(gè)記錄塊。每個(gè)記錄塊由頭部空白段、序標(biāo)段、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)字段及尾部空白段組成。1、存儲(chǔ)密度：存儲(chǔ)密度分道密度、位密度和面密度。道密度：沿磁盤半徑方向單位長(zhǎng)度上的磁道數(shù)，單位為道/英寸。位密度：磁道單位長(zhǎng)度上能記錄的二進(jìn)制代碼位數(shù)，單位為位/英寸。面密度：位密度和道密度的乘積，單位為位/平方英寸。2、存儲(chǔ)容量：一個(gè)磁盤存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的字節(jié)總數(shù)，稱為磁盤存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。3、存取時(shí)間：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⒓由蟼魉蛿?shù)據(jù)所需要的時(shí)間。取決于以下三個(gè)因素決定：找道時(shí)間（尋道時(shí)間）：把磁頭移動(dòng)到指定磁道上所花的時(shí)間。等待時(shí)間（延遲時(shí)間）：將指定扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面所花的時(shí)間。數(shù)據(jù)傳送時(shí)間（傳輸時(shí)間）：把數(shù)據(jù)從磁盤讀出或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所花的時(shí)間。4、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)，叫數(shù)據(jù)傳輸率，傳輸率與存儲(chǔ)設(shè)備和主機(jī)接口邏輯有關(guān)。從主機(jī)接口邏輯考慮，應(yīng)有足夠快的傳送速度向設(shè)備接收/發(fā)送信息。從存儲(chǔ)設(shè)備考慮，假設(shè)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為n轉(zhuǎn)/秒，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)或Dr=D·v(字節(jié)/秒)，其中D為位密度，v為磁盤旋轉(zhuǎn)的線速度【例1】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)徑22cm，外徑33cm，道密度為40道/cm，內(nèi)層位密度400位/cm，轉(zhuǎn)速6000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(zhǎng)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(zhǎng)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?【例1】圖【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40×5.5=220道，即220個(gè)圓柱面(2)內(nèi)層磁道周長(zhǎng)為2πR=2×3.14×11=69.08(cm)每道信息量=400位/cm×69.08cm=27632位=3454B每面信息量=3454B×220=759880B盤組總?cè)萘?759880B×10=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=6000轉(zhuǎn)/60秒=100轉(zhuǎn)/秒Dr=rN=100×3454B=345400B/s(4)采用定長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度超過一個(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。03478151617磁盤cache是指利用內(nèi)存中的存儲(chǔ)空間，來暫時(shí)存從硬盤中讀入的一系列盤塊中的信息。兩種磁盤高速緩沖的形式：①在內(nèi)存中開辟一個(gè)單獨(dú)的存儲(chǔ)空間來作為磁盤高速緩沖。②把所有未利用的內(nèi)存空間變?yōu)橐粋€(gè)緩沖池作為磁盤高速緩存。磁盤cache是為了彌補(bǔ)慢速磁盤和主存之間速度上的差異。局部性原理：空間局部性、時(shí)間局部性磁盤Cache的原理讀操作：當(dāng)一個(gè)I/O請(qǐng)求送到磁盤驅(qū)動(dòng)時(shí)，首先搜索驅(qū)動(dòng)器上的高速緩沖行是否已寫上數(shù)據(jù)，如果要讀的數(shù)據(jù)已在cache中，則為命中，可從cache行中讀出數(shù)據(jù)，否則需從磁盤介質(zhì)上讀出。寫入操作：寫入操作和CPU中的cache類似，有“直寫”和“寫回”兩種方法。（1）直寫式：每次遇到寫入Cache的同時(shí)，也把數(shù)據(jù)寫入真正的存儲(chǔ)設(shè)備，以保證Cache和真正的存儲(chǔ)設(shè)備中的單元數(shù)據(jù)的一致性。直寫式系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，但每次更新Cache時(shí)都要對(duì)真正的存儲(chǔ)設(shè)備寫入，因此速度受到了影響。（2）寫回式：數(shù)據(jù)一般只寫到Cache，這樣可能出現(xiàn)Cache中的數(shù)據(jù)得到更新而存儲(chǔ)體中的數(shù)據(jù)不變的情況。但此時(shí)可在Cache中設(shè)一標(biāo)志表示數(shù)據(jù)是否需要回寫，等系統(tǒng)有空或這部分Cache需要存儲(chǔ)其它數(shù)據(jù)或等到一定的時(shí)間后，再將數(shù)據(jù)寫回存儲(chǔ)設(shè)備，這種做法是用承擔(dān)一點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)來換取效率的。RAID（RecundantArraysofInexpensiveDisk）稱廉價(jià)冗余磁盤陣列，是利用一臺(tái)磁盤陣列控制器，來統(tǒng)一管理和控制一組磁盤驅(qū)動(dòng)器，組成一個(gè)高度可靠的、快速的大容量磁盤系統(tǒng)。在RAID控制器的組織管理下，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行存儲(chǔ)、交叉存儲(chǔ)、單獨(dú)存儲(chǔ)。由于陣列中的一部分磁盤存有冗余信息，一旦系統(tǒng)中某一磁盤失效，可以利用冗余信息重建用戶信息。工業(yè)上制定了一個(gè)稱為RAID的標(biāo)準(zhǔn)，它分為7級(jí)(RAID0～RAID6)。這些級(jí)別不是表示層次關(guān)系，而是指出了不同存儲(chǔ)容量、可靠性、數(shù)據(jù)傳輸能力、I/O請(qǐng)求速率等方面的應(yīng)用需求。RAID0：僅提供了并行交叉存取，沒有冗余校驗(yàn)功能。RAID0特點(diǎn)：RAID0提高存儲(chǔ)性能的原理是把連續(xù)的數(shù)據(jù)分散到多個(gè)磁盤上存取，這樣，系統(tǒng)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求就可以被多個(gè)磁盤并行的執(zhí)行，每個(gè)磁盤執(zhí)行屬于它自己的那部分?jǐn)?shù)據(jù)請(qǐng)求。雖然RAID包含多塊硬盤，但是在操作系統(tǒng)下是作為一個(gè)獨(dú)立的大型存儲(chǔ)設(shè)備出現(xiàn)。四塊硬盤的并行操作使同一時(shí)間內(nèi)磁盤讀寫速度提升了4倍。但由于總線帶寬等多種因素的影響，實(shí)際的提升速率肯定會(huì)低于理論值，但是，大量數(shù)據(jù)并行傳輸與串行傳輸比較，提速效果顯著顯然毋庸置疑。（1）軟盤驅(qū)動(dòng)器軟盤存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱軟盤，由軟盤驅(qū)動(dòng)器、軟盤控制器和軟盤片組成。1.44M的軟盤每面有80個(gè)磁道，18個(gè)扇區(qū)，轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分鐘。（2）ZIP和JAZ磁盤驅(qū)動(dòng)器ZIP磁盤：是一種高容量的軟盤，因?yàn)槠浔P基也是柔性的聚脂薄膜，上面涂布磁粉而成；轉(zhuǎn)速達(dá)3000轉(zhuǎn)/分，存儲(chǔ)容量達(dá)250M。JAZ磁盤：JAZ磁盤驅(qū)動(dòng)器是另一種類型的可移動(dòng)磁盤存儲(chǔ)設(shè)備，它與硬盤驅(qū)動(dòng)器類似；存儲(chǔ)容量為1GB或2GB。（3）可移動(dòng)硬盤驅(qū)動(dòng)器磁帶機(jī)（TapeDrive），通常由磁帶驅(qū)動(dòng)器和磁帶構(gòu)成，是一種經(jīng)濟(jì)、可靠、容量大、速度快的備份設(shè)備。這種產(chǎn)品采用高糾錯(cuò)能力編碼技術(shù)和寫后即讀通道技術(shù)，可以大大提高數(shù)據(jù)備份的可靠性。磁帶速度比磁盤速度慢，原因是磁帶上的數(shù)據(jù)采用順序訪問方式，而磁盤則采用隨機(jī)訪問方式。磁帶的類型：（1）1/4英寸磁帶（QIC）①Q(mào)IC有36~72條磁道，數(shù)據(jù)并行記錄②使用3個(gè)磁頭，即一個(gè)讀磁頭和兩個(gè)寫磁頭③速度：100/s④數(shù)據(jù)傳輸率D=d·v（2）數(shù)碼音頻磁（DAT）DAT即數(shù)碼音頻磁帶技術(shù)，最初是有惠普公司（HP）與索尼公司（SONY）共同開發(fā)出來的。這種技術(shù)以螺旋掃描記錄為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字后再存儲(chǔ)下來，早期主要應(yīng)用于聲音的記錄，后來隨著技術(shù)的不斷完善，又被應(yīng)用在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域里。（3）8mm磁帶8mm磁帶驅(qū)動(dòng)器也采用螺旋掃描技術(shù)，而且磁帶較寬，因而存儲(chǔ)容量極高，最初為視頻行業(yè)設(shè)計(jì)，現(xiàn)在已被用于計(jì)算機(jī)行業(yè)，適合于大中型網(wǎng)絡(luò)和多用戶系統(tǒng)的大容量磁帶。（4）數(shù)碼線性磁帶（DLT）DLT即數(shù)碼線性磁帶，它是半英寸寬的磁帶，它提供所有磁帶類型的存儲(chǔ)容量，最大存儲(chǔ)容量達(dá)35GB。1、CD-ROM光盤光盤上的信息以坑點(diǎn)形式分布，有坑點(diǎn)表1，無坑點(diǎn)表示0。讀出時(shí)，當(dāng)激光束聚焦點(diǎn)照射在凹坑上時(shí)將發(fā)生衍射，反射率低；而聚焦在凸面上時(shí)大部分光將返回。根據(jù)反射光的強(qiáng)弱變化并進(jìn)行光-電轉(zhuǎn)換，即可讀出記錄信息。信息記錄的軌跡稱為光道。光道上劃分出一個(gè)個(gè)扇區(qū)，它是光盤的最小可尋址單位。SYNC區(qū)：標(biāo)志扇區(qū)的開始ID區(qū)：說明該扇區(qū)的地址和工作模式其中：MN、SC、FR為扇區(qū)的的地址MD為模式控制，用于控制數(shù)據(jù)區(qū)和校驗(yàn)區(qū)的使用?！纠?】CDROM光盤的外緣有5mm寬的范圍因記錄數(shù)據(jù)困難，一般不使用，故標(biāo)準(zhǔn)的播放時(shí)間為60分鐘。計(jì)算模式1和模式2情況下光盤存儲(chǔ)容量是多少?解：扇區(qū)總數(shù)=60分×60秒×75扇區(qū)/秒=270000(扇區(qū))模式1存放計(jì)算機(jī)程序和數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)容量為270000×2048B/220=527MB模式2存放聲音、圖像等多媒體數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)容量為270000×2336B/220=601MB2、WORM、CD-R光盤WORM：即一次寫多次讀光盤，用低功率激光束在光盤表面灼燒形成微