第二章存储系统第三节课件

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1、2.3 辅 助 存 储 器,2.3.1 辅助存储器的主要技术指标 2.3.2 磁表面存储原理 2.3.3 磁盘存储器 2.3.4 磁带存储器 2.3.5 光盘存储器 2.3.6 磁盘阵列RAID 2.3.7 闪速存储器 习题,辅助存储器是主存储器的后援存储设备，用以存放当前暂时不用的程序或数据。对辅助存储器的基本要求是：容量大、成本低、可以脱机保存信息。目前主要有磁读写、光读写两类，如磁盘、磁带、光盘、光磁盘等。,2. 3.1 辅助存储器的主要技术指标,1. 记录密度 磁盘、磁带、光盘、光磁盘等辅助存储器中的信息被存储的位置轨迹称为道。每条道都有一定宽度，道之间还有一定的间隙。从横向看，单位长

2、度的道数，称为道密度。道密度的单位是tpi(track per inch)或tpm(道/mm)。道密度Dt在数值上等于道距P的倒数。,单位长度磁道所能记录的二进制信息的位数称为位密度或线密度，单位是bpi(bits per inch)或bpm(位/mm)。磁带存储器主要用位密度来衡量，常用的磁带有800bpi，1600bpi，6250bpi等。对于磁盘，位密度Db按下式计算:Db=ft/dmin 其中，ft为每道总位数，dmin为同心圆中的最小直径。 5.25英寸磁盘的存储密度有如下几种： 单密度：位密度为2581bpi，道密度为48tpi。 倍密度：位密度为5876bpi，道密度为48tpi

3、。 倍位倍道密度：位密度为5876bpi，道密度为96tpi。 高密度：位密度为9646bpi，道密度为96tpi。,2. 存储容量 存储容量是指存储设备所能存储的二进制信息总量，一般以位(bit)或字节(byte)为单位。存储容量取决于盘面数、盘面大小和存储密度。若一个磁盘组有n个盘面存储信息，每个盘面有T条磁道，每条磁道分成S个扇段，每段存放B个字节，则存储容量：C = nTSB 磁盘有格式化容量和非格式化容量两个指标。非格式化容量是磁表面可以利用的磁化单元总数。格式化容量是指按某种特定的记录格式所能存储信息的总量，即用户可以使用容量，它一般为非格式化容量的60%70%左右。 3.平均寻址

4、时间 读/写头接到读/写命令从起始位置到达指定的位置，所需的全部时间称为寻址时间，也称定位时间。寻址时间包括两部分：一是将读/写头移动到指定的道的时间找道时间Ts；二是找到道后，读/写头要等待存储介质上的指定区段旋转到其下方所需的等待时间Tw。这两部分都是随机的，故要取它们的平均值：T=Tsa+Twa=(Tsmax+Tsmin)/2+(Twmax+Twmin)/2,4.数据传输率 数据传输率是指单位时间存储器读/写的二进制信息量。它与存储密度和磁介质通过磁头的速度之间关系为：R=DV 式中，R为数据传输率，单位为字节/秒或位/秒；D为存储密度(磁盘为位密度，磁带为位密度与数据道数的乘积)；V为

5、速度(注意，速度、密度中的长度单位要一致)。 在计算一批数据的平均传输率时，还应考虑其他因素，如磁盘应考虑换道寻址时间，磁带应考虑记录之间的间隙等。 5. 误码率 误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数，它等于从辅存读出时，出错信息位数和读出的总信息位数之比。为了减少出错率，要采用校验码。 在一般设备中，通常用奇偶校验码来发现1个或奇数个错误。对磁表面存储器，由于介质表面的缺陷、尘埃等影响，可能会出现多个错误，通常采用循环冗余码来发现并纠正错误。,2.3.2 磁表面存储原理,磁盘、磁带都是磁表面存储器。由于磁表面存储器的存储容量大、位成本低、信息保存时间长、读出时不需要再生等，目前在计算机辅助

6、存储器中使用最为普遍。 1. 磁表面存储元 磁表面存储器中的信息存储在涂覆在载体表面的磁层中。如图2.28所示，当具有很窄缝隙的磁头的写线圈中通过电流时，其垂直下方的一个小区间会形成一个局部小磁环，称为存储元。磁头的写线圈中的电流方向不同，存储元被磁化的磁极性方向就不相同。也就是说，存储元记录了磁头写线圈中电流的方向。让载磁体向一个方向运动，且磁头的写线圈中通过与某0，1信息一致的脉冲电流时，如果速度匹配，就会在磁表面磁头下的条线(称磁道)上的连续的存储元中，记录下相应的信息。若写线圈中不通脉冲电流，让载磁体在磁头下运动时，存储元中的剩磁便会在读出线圈中感应出脉冲电动势，经过读出放大器放大鉴别

7、，就可把所存的磁信息转换成脉冲电流读出。,磁表面存储器是无源存储器，停电后所存的信息仍可保存。但是应当保护存储元不受力、光或化学的作用改变磁层的物质结构，也可不受磁的作用改变剩磁方向。 2. 数字磁记录格式 磁记录格式规定了一连串的二进制数字信息与磁层存储元的相应磁化翻转形式(即对应的写入电流波形)互相转换的规则。磁记录方式很多，图2.29是4种基本的记录方式。具体选择哪一种记录方式，主要看这种记录方式能否达到以下几点。 自同步能力:只有读出脉冲序列呈周期性时，才可能从规定的时间间隔时钟窗口中提取时钟脉冲，提供自同步能力。 记录密度:磁记录密度主要由记录一位二进制信息的磁化翻转次数决定，翻转次

8、数多的磁记录密度就低。 记录信息的可靠性:可靠性与实现机构的复杂程度有关，如看其是否能提供同步脉冲，信号频率是否过宽(过宽时，读出信息必须采用直流放大形式)等因素.,(1)归零制(RZ) 这种方式是用写电流的正脉冲表示1，负脉冲表示0，使磁层在记录“1”时从无磁性状态转变为向某个方向磁化状态，记录“0”时从未磁化状态转变为另一方向的磁化状态。在两信息之间，磁头线圈的写电流要回到零，这是归零制的特点。这种方式简单易行，每一位记录信息本身包含有时钟脉冲信息，用来作为读出时的同步控制时钟，提供自同步能力。但是，在写入信息前必须先让磁层去磁，存储一位信息要使磁层的状态变化两次(称为磁层翻转)，磁层的相

9、邻两个磁化小区间有未被磁化的空白区，因此记录密度低，抗干扰能力差。 (2) 不归零制(NRZ) 在记录信息时，磁头线圈中总是有电流，不是正向，就是反向电流，不需磁化电流回到无电流的状态，所以称不归零制。这样磁层不是被正向磁化，就是被反向磁化，特点是变才反转，即信息有变化，电流才改变方向，因此也称为异码翻转不归零制(NRZC)。这种方式的抗干扰能力较好，但它没有自同步能力。,(3)调相制(PE或PM) 调相制编码又称曼彻斯特码。它的特点是中间有跳变，并且利用电流的跳变的方向记录“1”或“0”。写每个“1”时，写电流由正向负跳变一次；写每个“0”时，写电流由负向正跳变一次；当记录连续的“0”或“1

10、”时，信息交界处也要翻转一次。写“1”与“0”的存储元磁化翻转方向分别为0和180，所以称调相制。这种方式具有自同步能力，抗干扰能力强，但频带较窄。 (4)调频制(FM或FD) 调频制的特点是，在两个信息的交界处写电流都要改变方向；并且利用中间有无跳变记录“1”或“0”，如让记录“1”时，写电流在信息位周期中央改变一次方向，在记录“0”时，电流方向保持不变。很明显，记录“1”时的写电流频率是记录“0”时的2倍，故又称双频制。这种方式具有自同步能力。实际上，它相邻两位信息之间嵌入了一位总是为“1”的同步信息，因而记录每位信息磁层至少翻转一次。,评价一种记录方式的优劣标准主要是编码效率和自同步能力

11、等。 编码效率直接影响磁记录的密度，它是指位密度与磁化翻转密度的比值，可用记录1位信息的最大磁化翻转次数来表示。如FM，PE的编码效率为50%，NRZ的编码效率为100%。 自同步能力可用最小磁化翻转间隔和最大磁化翻转间隔的比值R来衡量，例如FM磁化翻转的最大间隔是T，最小间隔是T/2，所以RFM=0.5。而NRZ没有自同步能力。R越大，自同步能力越强。 此外，影响记录方式优劣的因素还有：读出信息的分辨能力、频带宽度、抗干扰能力、实现电路的复杂性等。 为了提高记录方式的性能，人们不断对记录方式进行改进，出现了改进不归零制(NREP)、改进的调频制(MFM)、二次改进的调频制(M2FM)等。如单

12、密度软磁盘采用FM记录方式，倍密度软磁盘采用MFM记录方式。,2.3.3 磁盘存储器,磁盘存储器是目前应用最广泛的一种辅助存储器，由软磁盘、磁盘驱动器及其适配器组成。 1.软磁盘及其磁道格式 软盘基片是厚度约为76m的聚脂薄膜，两面涂有厚为2.33.0m的磁层，按直径可以分为8英寸，5.25英寸，3.5英寸3种。盘片尺寸越小，记录密度越高，受温度影响也小，盘片不易变形，能保证读写的精度。盘片装在方形黑色封套内，套内有一层无纺布，用来防尘，保护盘面，并可以消除静电。使用时，连同保护套一起插入软盘驱动器内，驱动机构带动盘片匀速旋转，但保护套不动，无纺布消除因盘片转动产生的静电，保证信息的正常读写。

13、,每个软磁盘有若干个磁道，形成若干个同心环，最外面的称为0磁道，最里面的称为末磁道，信息按一定的格式存放在软磁盘上的磁道上。目前广泛采用的是IBM格式。每个磁道被分成若干段，每个段一般为128B或512B，存储一个信息块。同一径向的段，组成磁盘的一个扇区。主存与磁盘按块为单位交换信息。操作系统按磁道号+扇区号对信息块寻址。索引作为扇区的定位号，提供0扇区的起始标志。 出厂未使用过的盘片称为白盘。数据要按一定的格式写在磁盘上。软磁盘磁道格式的划分，称为软磁盘格式化。有硬分段和软分段两种格式化方法。硬分段是靠在盘片上冲上若干个等弧度的孔所产生扇段脉冲来划分扇区。这种方法已经不用。软分段是用专门的格

14、式化软件来划分扇区。,软分段的磁道由首部、扇区部分和尾部3部分组成。当磁盘驱动器检索到索引孔时，便以此作为磁道的起始位置。首部是考虑不同的软盘驱动器的索引检测器和磁头的机械尺寸误差以免引起读写错误而留下的一段空隙。尾部是依次设置首部和各扇区后所剩下的间隙(余头)，起转速变化缓冲作用。首部和尾部之间的弧被划分成为若干扇区。5.25英寸盘的每磁道扇区数有15，8，9等。每个扇区由ID段和数据段两部分组成，段之间留有间隙。 目前广泛使用的软磁盘磁道格式有IBM格式和ISO格式。图2.30为IBM 5.25软磁盘格式。ID段用以表示扇区开始和地址信息，地址标记AM1和AM2分别表示ID段和数据段的开始

15、位置，GAP1，GAP2，GAP3，GAP4为间隙，CRC为循环冗余校验码，SYSC为同步字段。,软磁盘的格式化就是利用软件对盘片上数据记录区域的每条磁道，按一定格式进行扇区分段，并登记各扇段的地址标记。格式化过程中还对盘面质量进行检查，发现有不适合记录的坏块，就将其有关参数(磁道号)扇区号以及长度制成表格存放在0磁道。格式化后的软盘片称为空盘，其数据块是空的，用以写入数据。即使是已经格式化了的空盘，由于驱动器类型、磁头位置的差异，在使用前也最好先再格式化一次。 0磁道是一个关键磁道，除磁盘本身的有关信息外，微机中的磁盘操作系统的系统文件、用户文件目录也存放在0磁道。系统加电初始化后，CPU将

16、0磁道上的信息调入内存备用。为使磁盘正常工作，必须保证0磁道不遭破坏。,2.软磁盘驱动器及其控制适配器 软磁盘驱动器主要由以下几部分组成： 盘片驱动和夹紧装置，用以夹紧盘片并驱动盘片旋转。 磁头及其定位机构，使磁头沿盘片径向移动，定位于需读写的磁道上。 读/写控制电路。 保护机构，如防误夹机构。 状态检测，如检查盘片索引孔位置，检查磁头是否在零号磁道以及写保护检测器。 其他控制电路。,软磁盘驱动器的控制适配器是软磁盘驱动器与主机的接口。软磁盘控制(FDC)芯片是一块大规模集成电路。它既能以DMA(见第5章)方式在软盘和主存之间传送数据，也能采用非DMA方式在软盘和CPU之间传送数据。它的主要功能为： 将磁盘上的串行信息转换成为并行信息，送到数据总线，或把来自数据总线的并行信息变成串行信息写入磁盘，并对信息进行校验。 寄存软盘驱动器的各种状态，如就绪、写保护、索引、0磁道等，供主机读出。 将主机命令翻译成控制驱动器的各种信息。 DMA控制。 数据缓冲。,3.硬磁盘存储器 硬磁盘的盘片以铝合金为基体，其存储原理与软磁盘相同。图2.31(a)、(b)、(c)为硬磁盘的磁道、柱面与扇区的示意