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1、计算机组成原理,Principles of Computer Organization,广义双语教学课程,http:/211.64.192.109/skyclass25/,青岛理工大学 校级精品课程,盛建伦jlsheng,2,第8章 辅助存储器,辅助存储器的种类与技术指标 硬磁盘存储器 磁带存储器 光盘存储器 固态盘,Chapter 8 Auxiliary Memory,External Memory,盛建伦jlsheng,3,主存用来存放需立即使用的程序和数据，要求存取速度快。,辅存用于存放当前不需要立即使用的信息，在需要时与主存成批交换数据，是主存的后备和补充。,保存在辅存上的程序和数据必
2、须首先装入主存，然后才能被CPU使用。,辅存的特点是容量大，成本低和非易失性。,Secondary storage differs from primary storage in that it is not directly accessible by the CPU. The computer usually uses its input/output channels to access secondary storage and transfers desired data using intermediate area in primary storage.,1. 辅助存储器的特点,
3、4,辅助存储器的种类,硬磁盘存储器,软磁盘存储器,磁带存储器,固态盘 solid-state drive,IC卡,只读光盘CD-ROM,可写一次的光盘WORM,可擦除重写的光盘CD-RW盘,磁表面存储器 Magnetic Surface Memory 是将磁性材料沉积在非磁性的盘/带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。,光盘存储器是利用激光束在具有某种光学特性的介质表面上存储信息。,半导体存储器,8.2 磁记录原理和记录方式,1磁记录介质 Media,磁记录介质指的是表面涂有薄层硬磁性材料的信息载体，可以脱机保存。,磁表面存储器使用的记录介质的基底可分为
4、：软性介质（聚脂材料）和硬性介质（铝合金）。,表面的磁性材料为-Fe2O3，具有高的矫顽力和剩磁。,好的磁记录介质应该具有：记录密度高，输出信号幅度大，噪声低，薄膜组织紧密，光滑，无麻点，厚薄均匀，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。,磁带和软磁盘的基底为软性介质，表面涂布磁粉。,硬磁盘的基底为硬性介质，表面镀有连续的磁性薄膜。连续膜介质的磁层很薄，剩磁大，输出信号强，表面更加光滑平整，厚薄更加均匀，可以达到更高的记录密度。,2磁头 Head,磁头是在一个具有缝隙的环行导磁体上绕上线圈构成的。,其前端极细的工作间隙增大了磁阻，使导磁体中的磁力线绕过工作间隙g形成漏磁场，从而
5、使磁记录介质磁化。,磁头按工作方式可分为：接触式磁头和浮动式磁头。,接触式磁头在读写时与磁记录介质直接接触，相互摩擦，容易被磨损。磁带机和软磁盘驱动器使用接触式磁头。,浮动式磁头在读写时悬浮在介质上方，与磁记录介质表面不接触。其机制是介质高速旋转产生的气流在磁头与介质表面之间形成的一层很薄的空气垫，浮动间隙小于1m。具有读写速度快、无磨损、可靠性高等优点。硬磁盘存储器采用浮动式磁头。,盛建伦jlsheng,7,磁表面存储器通过磁头与记录介质的相对运动完成数据的写入或读出。,磁记录原理, 写入过程,记录介质在磁头下匀速通过。,磁头的写入线圈中通入一定方向和大小的电流，磁头导磁体被磁化，建立一定方
6、向和强度的磁场。,在磁头的工作间隙形成漏磁场，将工作间隙下面的记录介质表面上的微小区域的磁性粒子磁化，形成一个磁化单元。,盛建伦jlsheng,8,磁头的导磁体是用软磁材料构成的，记录介质表面的磁层是用硬磁材料构成的。当电流形成的漏磁场消失后，磁头仍然是未磁化状态，而磁层则为剩磁状态。,电流方向不同，磁化后剩磁状态也不同，分别代表数字“1”和“0”。随着写入电流方向的变化和记录介质的运动，就可将二进制数字序列转化为介质表面的磁化单元序列。,目前广泛使用巨磁电阻材料制造磁头，其磁电阻变化率是各向异性磁电阻材料AMR的34倍，有利于增加磁头的灵敏度、提高记录面密度。,磁记录原理,盛建伦jlshen
7、g,9, 读出过程,读出过程是将介质表面记录的磁化单元序列还原成电流脉冲序列的过程。,当记录介质在磁头下匀速通过时，磁头相对记录介质的运动将切割磁力线。,在读出线圈的两端产生感应电动势e。,e的幅度与读出线圈的匝数n、运动速度v和剩余磁通随移动距离l的变化率成正比。,水平磁记录,垂直磁记录,盛建伦jlsheng,10,磁记录方式,磁记录方式是一种编码方法，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。,常见的磁记录方式有： 归零制RZ， 不归零制NRZ， 见“1”就翻的不归零制N
8、RZ1， 调相制 PM (Phase Modulation) ， 调频制 FM (Frequency Modulation) ， 改进调频制 MFM， 成组编码GCR 和 游程长度受限码RLLC等。,盛建伦jlsheng,11,磁盘存储器常用的磁记录方式有：调频制FM 和改进调频制MFM。,磁带存储器常用的磁记录方式有：调相制PM 和成组编码GCR。,无论采用哪一种磁记录方式，从读出线圈输出的信号幅度都很小，要经过放大电路才能达到逻辑电路所需的电平。,8.3 磁盘存储器,软磁盘（Floppy disk）和硬磁盘的存储原理与记录方式基本相同，但在结构和性能上存在较大的差别。,硬磁盘（Hard d
9、isk）的盘片是铝合金的。软磁盘存储器的盘片是聚脂材料的，属于可更换盘片的磁盘存储器。,硬磁盘存储器在工作时，磁头与磁盘是非接触的，无磨损。软磁盘存储器在工作时，磁头与磁盘是接触的，有磨损。,硬磁盘驱动器的转速一般为数千转/分钟。软磁盘驱动器的转速仅为数百转/分钟，所以，硬磁盘存储器的读写速度比软磁盘存储器高一个数量级。,磁表面存储器 Magnetic Surface Memory,Mechanically, there are usually two types of motion: the constant rate rotation, which passes the data of a
10、 track sequentially under a read head, and the radial head motion or seek, which selects the track.,盛建伦jlsheng,13,磁头Head,盘片,磁道Track是存储在介质表面上的信息的磁化轨迹。,磁盘上的磁道是一系列同心圆组成的记录轨迹。,多个存储面处于同一半径的磁道组成圆柱面 Cylinder。,相邻2条磁道中心线间的距离称为道距。,扇区Sector,存储面,磁盘组,磁盘上最外圈的磁道是第0道。,arm,磁道Track, 扇区Sector, 圆柱面Cylinder,盛建伦jlsheng,1
11、4,磁盘格式化就是在磁盘上形成磁道和扇区的过程。扇区是磁盘的最小可寻址单位。,Hard disks store and organize files using tracks, sectors, and cylinders. When a hard disk is formatted, tracks, sectors, and cylinders are assigned.,磁盘地址由磁盘机号，磁头号（存储面/记录面号），磁道号（柱面号），扇区号组成。,磁盘采用CAV（恒角速度）伺服 Constant Angular Velocity Servo,Constant angular veloci
12、ty (CAV) keeps the disk spinning at a fixed rate, measured in revolutions per minute (RPM).,盛建伦jlsheng,15,磁带存储器的磁道是平行于磁带长度方向的直线。,8. 4 磁带存储器 Magnetic Tape,磁带存储器的数据按文件、数据块组织，数据块是磁带的最小可寻址单位。,在现代计算机系统中，磁带存储器一般作为磁盘存储器的后援存储器使用，主要用于数据备份。,Beginning of the tape,End of the tape,盛建伦jlsheng,16,磁带机分类：,1. 开盘式启停磁带
13、机,盘式/盒式,2. 数据流磁带机,1,3,0,2,BOT,EOT,规格：1/2英寸，1/4英寸，4mm，8mm。（磁带宽度）,结构：开盘式，盒式。,并行道数：9，16，18，36，4 等,磁带存储器 Magnetic Tape,盛建伦jlsheng,17,(1) 存储密度 Recording Density,单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制信息量。,磁盘存储器的存储密度分位密度和道密度。,磁盘沿盘半径方向单位长度的磁道数称为道密度 Track Density，单位是道/英寸TPI（Track Per inch），或道/毫米TPM。,单位长度磁道能记录的二进制代码的位数称为磁盘存储器的
14、位密度 Track-recording Density，单位是位/英寸bpi（bits per inch）或位/毫米bpm。,磁表面存储器的主要技术指标,磁带存储器的存储密度一般用位密度表示。,盛建伦jlsheng,18,(2) 存储容量,能存储的二进制信息总量。用Byte和bit表示。,磁盘存储器的容量分格式化容量和非格式化容量。,非格式化容量是磁记录表面可以利用的磁化单元总数。,格式化容量Formatted Capacity是指按某种特定的记录格式所能存储信息的总量（可用）。,格式化容量约为非格式化容量的6070%。,磁道的(非格式化)存储容量=最内层的磁道长度内层位密度,磁盘组的存储容量
15、 = 每个磁道的存储容量柱面数存储面数,磁道的(格式化)存储容量 = 扇区容量每磁道扇区数,盛建伦jlsheng,19,(3) 寻址时间, 磁盘存储器的寻址时间,磁盘存储器属于直接存取存储器 Direct-Access Storage。,寻址时间包括：寻道时间（找道时间）,等待时间,寻道时间 Seek time - time needed to move the head to a new position (specific track).,等待时间 Rotational delay - time, once the arm is on the right track, before a h
16、ead is over a desired sector.,不同磁道的找道时间不一样。,通常用平均寻址时间Ta表示。,平均寻址时间=平均寻道时间+平均等待时间,平均等待时间=磁盘旋转1/2圈的时间,盛建伦jlsheng,20, 磁带存储器的寻址时间,磁带存储器属于顺序存取存储器 Sequential-Access Storage。,磁带存储器的寻址时间是磁带空转到磁头应访问的记录区所在位置的时间。,读写1个记录块的时间= 寻道时间+等待时间+读写时间,硬磁盘存储器的平均寻址时间为十毫秒左右。,磁头,平均寻址时间=平均寻道时间+平均等待时间,盛建伦jlsheng,21,(4) 数据传输率 Data Transfer Rate,数据传输率是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。,(5) 误码率,衡量磁表面存储器出错概率的参数。误码率等于从辅存读出时，出错信息位数和读出的总信息位数之比。,(6) 价格Cost
