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1、1第七章 外围设备返回2第七章 外围设备l外围设备概述l磁盘存储设备l磁盘存储设备的技术发展l磁带存储设备l显示设备l输入设备和打印设备37.1外围设备概述外围设备的功能是在计算机和其他机器之 间，以及计算机与用户之间提供联系。由于外 围设备的地位越来越重要，主要介绍以下内容 ：l硬磁盘、可移动磁盘、磁带和光盘。47.1外围设备概述一、外围设备的一般功能外围设备的功能是在计算机和其他机器之间，以及计算机与用 户之间提供联系。 二、外围设备（磁盘）基本组成 (1) 存储介质，它具有保存信息的物理特征。例如磁盘就是一个存储 介质的例子，它是用记录在盘上的磁化元表示信息。 (2) 驱动装置，它用于移
2、动存储介质。例如，磁盘设备中，驱动装置 用于转动磁盘并进行定位。 (3)控制电路，它向存储介质发送数据或从存储介质接受数据。例如 ，磁盘读出时，控制电路把盘上用磁化元形式表示的信息转换成 计算机所需要的电信号，并把这些信号用电缆送给计算机主机。57.1外围设备概述三、外围设备的分类一个计算机系统配备什么样的外围设备， 是根据实际需要来决定的。如下图所示出了计 算机的五大类外围设备，这只是一个典型化了 的计算机环境。677.2磁盘存储设备一、磁记录原理l计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储，是用 某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息 。磁盘存储器、磁带存储器均属
3、于磁表面存储器。磁表面存储器 的优点： 存储容量大，位价格低； 记录介质可以重复使用； 记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档； 非破坏性读出，读出时不需要再生信息。当然，磁表面存储器也有 缺点，主要是存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较 高。l磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在计算机系统中作 为辅助大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数 据库等大量程序与数据信息。87.2磁盘存储设备二、磁盘的组成和分类 1、磁盘的组成：见图l写入时，将计算机并行送来的数 据取至并串变换寄存器，变为串 行数据，然后一位一位地由写电 流驱动器作功率放大并加到写磁 头线圈上产生电流
4、，从而在盘片 磁层上形成按位的磁化存储元。 读出时，当记录介质相对磁头运 动时，位磁化存储元形成的空间 磁场在读磁头线圈中产生感应电 势，此读出信息经放大检测就可 还原成原来存入的数据。由于数 据是一位一位串行读出的，故要 送至串 并变换寄存器变换为并行 数据，再并行送至计算机。97.2磁盘存储设备l硬磁盘按盘片结构，分成可换盘片式与固定盘片式两种；磁头 也分为可移动磁头和固定磁头两种。可移动磁头固定盘片的磁盘机的特点是一片或一组盘片固定在主 轴上，盘片不可更换。盘片每面只有一个磁头，存取数据时磁头 沿盘面径向移动。可移动磁头可换盘片的磁盘机：盘片可以更换 ，磁头可沿盘面径向移动。优点是盘片可
5、以脱机保存，同种型号 的盘片具有互换性。固定磁头磁盘机特点是磁头位置固定，磁盘的每一个磁道对应一 个磁头，盘片不可更换。优点是存取速度快，省去磁头找道时间 ，缺点是结构复杂。l温彻斯特磁盘机简称温盘，是一种采用先进技术研制的可移动 磁头固定盘片的磁盘机。它是一种密封组合式的硬磁盘，即磁 头、盘片、电机等驱动部件乃至读写电路等组装成一个不可随 意拆卸的整体。工作时，高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头 平稳浮起。优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不 高，成为最有代表性的硬磁盘存储器。而普通的硬磁盘要求具 有超净环境，只能用于大型计算机中。107.2磁盘存储设备三、磁盘驱动器和控制器l磁盘驱动
6、器是一种精密的电子和机械装置，因 此各部件的加工安装有严格的技术要求。对温 盘驱动器，还要求在超净环境下组装。各类磁 盘驱动器的具体结构虽然有差别，但基本结构 相同，主要由定位驱动系统、主轴系统和数据 转换系统组成。如下图是磁盘驱动器外形和结 构示意图。11127.2磁盘存储设备l磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口，电路板 实物见下图(a)所示。由于磁盘存储器是高速外存设备 ，故与主机之间采用成批交换数据方式。作为主机与 驱动器之间的控制器，它需要有两个方面的接口：一 个是与主机的接口，控制外存与主机总线之间交换数 据；另一个是与设备的接口，根据主机命令控制设备 的操作。前者称为系统级接口
7、，后者称为设备级接口 。l主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑见下图(b)。磁 盘上的信息经读磁头读出以后送读出放大器，然后进 行数据与时钟的分离，再进行串 并变换、格式变换 ，最后送入数据缓冲器，经DMA(直接存储器传送)控 制将数据传送到主机总线。13147.2磁盘存储设备四、磁盘上信息的分布盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁 盘片表面称为记录面。记录面上一系列同心圆 称为磁道。每个盘片表面通常有几百到几千个 磁道，每个磁道又分为若干个扇区，如下一页 图所示。从图中看出，外面扇区比里面扇区面 积要大。磁盘上的这种磁道和扇区的排列称为 格式。1516数据在磁盘上的记录格式177.2磁盘存储设
8、备五、磁盘存储器的技术指标l磁盘存储器的主要技术指标l存储密度：存储密度分道密度、位密度和面密度。l道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为 道/英寸。l位密度：磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单 位为位/英寸。l面密度：位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸 。l存储容量：一个磁盘存储器所能存储的字节总数， 称为磁盘存储器的存储容量。187.2磁盘存储设备l存取时间：存取时间是指从发出读写命令后，磁头从 某一起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表 面读出或写入信息加上传送数据所需要的时间。取决 于以下三个因素决定：l一个是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称为找道 时
9、间；l第二个是找道完成后至磁道上需要访问的信息到达磁头下的 时间，称为等待时间，这两个时间都是随机变化的，因此往 往使用平均值来表示，平均找道时间是最大找道时间与最小 找道时间的平均值。平均等待时间和磁盘转速有关，它用磁 盘旋转一周所需时间的一半来表示。l第三个是数据传送时间。197.2磁盘存储设备l数据传输率：磁盘存储器在单位时间内向主机 传送数据的字节数，叫数据传输率，传输率与 存储设备和主机接口逻辑有关。从主机接口逻 辑考虑，应有足够快的传送速度向设备接收/ 发送信息。从存储设备考虑，假设磁盘旋转速 度为n转/秒，每条磁道容量为N个字节，则数 据传输率：Dr=nN(字节/秒)或Dr=Dv
10、(字节/秒)20【例1】磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最 下两个面不用。存储区域内径22cm，外径33cm，道 密度为40道/cm，内层位密度400位/cm，转速6000转 /分。问： (1)共有多少柱面? (2)盘组总存储容量是多少? (3)数据传输率多少? (4)采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什 么?寻址命令中如何表示磁盘地址? (5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在 同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上?21解：(1)有效存储区域=16.5-11=5.5(cm) 因为道密度=40道/cm，所以405 5=220道，即220个圆柱面。 (2)内层磁道
11、周长为2R=23.1411=69.08(cm) 每道信息量=400位/cm69.08cm=27632位=3454B 每面信息量=3454B220=759880B 盘组总容量=759880B10=7598800B (3)磁盘数据传输率Dr=rN N 为每条磁道容量，N=3454B r为磁盘转速，r=6000转/60秒=100转/秒 Dr=rN=1003454B=345400B/s (4)采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录块(一个扇区)，每 个记录块记录固定字节数目的信息，在定长记录的数据块中，活动头磁 盘组的编址方式可用如下格式：此地址格式表示有4台磁盘（2位），每台有16个记录面
12、/盘面（4位） ，每面有256个磁道（8位），每道有16个扇区（4位）。 (5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个柱面上，因为 不需要重新找道，数据读/写速度快。台号柱号（磁道）号扇区号盘面号/磁头号227.3磁盘存储设备的技术发展一、磁盘cache 随着微电子技术的飞速发展，CPU的速度每年增 长1倍左右，主存芯片容量和磁盘驱动器的容量每 1 5年增长1倍左右。但磁盘驱动器的存取时间没有 出现相应的下降，仍停留在毫秒(ms)级。而主存的存 取时间为纳秒(ns)级，两者速度差别十分突出，因此 磁盘I/O系统成为整个系统的瓶颈。为了减少存取时 间，可采取的措施有：提高磁盘机主轴
13、转速，提高 I/O总线速度，采用磁盘cache等。主存和CPU之间设 置高速缓存cache是为了弥补主存和CPU之间速度上 的差异。同样，磁盘cache是为了弥补慢速磁盘和主 存之间速度上的差异。237.3磁盘存储设备的技术发展l磁盘cache的原理l在磁盘cache中，由一些数据块组成的一个基本单位称为cache行 。当一个I/O请求送到磁盘驱动时，首先搜索驱动器上的高速缓冲 行是否已写上数据？如果是读操作，且要读的数据已在cache中， 则为命中，可从cache行中读出数据，否则需从磁盘介质上读出。 写入操作和CPU中的cache类似，有“直写”和“写回”两种方法。磁 盘cache利用了被
14、访问数据的空间局部性和时间局部性原理。空间 局部性是指当某些数据被存取时，该数据附近的其他数据可能也 将很快被存取；时间局部性是指当一些数据被存取后，不久这些 数据还可能再次存取。因此现在大多数磁盘驱动器中都使用了预 读策略，而根据局部性原理预取一些不久将可能读入的数据放到 磁盘cache中。CPU的cache存取时间一般小于10ns，命中率95% 以上，全用硬件来实现。磁盘cache一次存取的数量大，数据集中 ，速度要求较CPU的cache低，管理工作较复杂，因此一般由硬件 和软件共同完成。其中cache采用SRAM或DRAM。247.3磁盘存储设备的技术发展二、磁盘阵列RAIDlRAID称
15、廉价冗余磁盘阵列，它是用多台磁盘存储器组成的大容量 外存系统。其构造基础是利用数据分块技术和并行处理技术，在 多个磁盘上交错存放数据，使之可以并行存取。在RAID控制器的 组织管理下，可实现数据的并行存储、交叉存储、单独存储。由 于阵列中的一部分磁盘存有冗余信息，一旦系统中某一磁盘失效 ，可以利用冗余信息重建用户信息。lRAID是1988年由美国加州大学伯克利分校一个研究小组提出的， 它的设计理念是用多个小容量磁盘代替一个大容量磁盘，并用分 布数据的方法能够同时从多个磁盘中存取数据，因而改善了I/O性 能，增加了存储容量，现已在超级或大型计算机中使用。l工业上制定了一个称为RAID的标准，它分
16、为7级(RAID 0RAID 6)。这些级别不是表示层次关系，而是指出了不同存储容量、可 靠性、数据传输能力、I/O请求速率等方面的应用需求。25下面以RAID 0级为例来说明。考虑到低成 本比可靠性更重要，RAID 0未采用奇偶校验 等冗余技术。RAID 0用于高速数据传输和高 速I/O请求。l对RAID 0,用户和系统数据分布在阵列中的所 有磁盘上。与单个大容量磁盘相比，其优点是 ：如果两个I/O请求正在等待两个不同的数据 块，则被请求的块有可能在不同的盘上。因此 ，两个请求能够并行发出，减少了I/O排队的 时间。见下图。26RAID 0级阵列的数据映射277.4磁带存储设备l磁带机的记录原理与磁盘机基本相同，只是它 的载磁体是一种带状塑料，叫做磁带。写入时 可通过磁头把信息代码记录在磁带上。当记录 有代码的磁带在磁头下移动时，就可在磁头线 圈上感应出电动势，即读出信息代码。磁带存 储设备由磁带机和磁带两部分组成，它通常用 作为海量存储设备的数据备份。l磁带速度比磁盘速度慢，原因是磁带上的数据
