计算机组成-第8章外围设备课件

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1、第8章 外围设备,第1节 外围设备概述 第2节磁盘存储设备 第3节磁带存储设备 第4节 光盘和磁光盘存储设备,一、 外围设备的一般功能,第1节 外围设备概述,外围设备的定义： 外围设备涉及到相当广泛的计算机部件。除了 CPU和主存外，计算机系统的每一部分都可作为一个外围设备来看待。,外围设备的功能： 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的“桥梁”。 外围设备的基本组成： (1)存储介质，它具有保存信息的物理特征。 (2)驱动装置。 (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。,二、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。 中央部

2、分是CPU和主存（主机），通过总线与第二层的适配器(接口)部件相连，第三层是各种外围设备控制器，最外层则是外围设备。 外围设备可分为输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备和过程控制设备几大类。 每一种外围设备，都是在它自己的设备控制器控制下进行工作，而设备控制器则通过适配器和主机连接，并受主机控制.,第2节磁盘存储设备,一、 磁记录原理与记录方式,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、磁带存储器均属于磁表面存储器。 磁表面存储器的优点： (1)存储容量大，位价格低； (2)记录介质可以重复使用； (3)

3、记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档； (4)非破坏性读出，读出时不需要再生信息 。,磁表面存储器的缺点：存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。 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。,通过写入电流变化产生不同的磁化状态来表示信息。磁性材料上呈现剩磁状态的地方形成了一个磁化元或存储元，它是记录一个二进制信息位的最小单位。 通过电-磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可把一位二进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态；反之，通过磁-电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储元的不同剩磁状

4、态表示的二进制代码转换成电信号输出。,运动方向,记录方式 形成不同写入电流波形的方式，称为记录方式。记录方式是一种编码方式，它按某种规律将一串二进制数字信息变换成磁层中相应的磁化元状态，用读写控制电路实现这种转换。 在磁表面存储器中，由于写入电流的幅度、相位、频率变化不同，从而形成了不同的记录方式。常用记录方式可分为RZ归零制、不归零制(NRZ)，调相制(PM)，调频制(FM)几大类。(具体细节双学位同学部要求),RZ归零制 正脉冲表示“1”，负脉冲表示“0”。两位信息之间线圈里的电流为0，这是归零制的特点。 NRZ不归零制 正向电流表示“1”；反向电流表示“0”。对于连续记录 “1”或“0”

5、写电流的方向不变。此方法比规零的方法减少了磁化翻转的次数。,PM调相制 利用两个相位相差180的磁化翻转方向代表数据“0”和“1”。 FM调频制 在纪录“1”时，不仅在位周期中心产生磁化翻转，在位与位之间也翻转。记录“0”，在位周期中心不产生磁化翻转，但在位与位之间也翻转。 MFM 记录“1”，在位周期中心产生磁化翻转，记录“0”，不翻转。记录两个或两个以上的“0”，位与位之间才翻转。,硬磁盘机是指记录介质为硬质圆形盘片的磁表面存储器。它主要由磁记录介质、磁盘控制器、磁盘驱动器三大部分组成。 磁盘控制器 包括控制逻辑与时序、数据并-串变换电路和串-并变换电路。 磁盘驱动器包括写入电路与读出电路

6、、读写转换开关、读写磁头与磁头定位伺服系统等。 硬磁盘机通常按以下方法分类：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。,二、硬磁盘机的基本组成和分类,磁盘驱动器,定 位 , 读 写 电 路,1.磁盘驱动器 主要由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统组成。 2.磁盘控制器 磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口。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，后者

7、称为设备级接口。,三、硬磁盘驱动器和控制器,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十到几百个磁道，每个磁道又分为若干个扇区。 磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫0磁道，最里面的一个同心圆叫n磁道，n磁道里面的圆面积并不用来记录信息。对活动头磁盘组来说，磁盘地址是由记录面号(也称磁头号)、磁道号和扇区号三部分组成。,圆柱面 在一个盘组中，各记录面上相同编号（位置）的诸磁道构成一个圆柱面。例如，某驱动器有4片8面，则8个0号磁道构成0号圆柱面，8个1号磁道构成1号圆柱面，。硬盘的圆柱面数等于一个记

8、录面上的磁道数，圆柱面号即对应的磁道号。,五、磁盘存储器的技术指标 磁盘存储器的主要指标包括存储密度、存储容量、存取时间及数据传输率。 存储密度 : 分道密度、位密度和面密度。 道密度是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道/英寸。 位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数， 单位为位/英寸。 面密度是位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸。,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。 存储容量有格式化容量和非格式化容量之分: 格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是用户可以真正使用的容量。非格式化容量是磁记录表面可以利用的磁化单元

9、总数。,平均存取时间 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所需要的时间。 磁头定位至所要求的磁道上所需的时间定位时间或找道时间； 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 (找道时间、等待时间)都是随机变化的， 因此往往使用平均值来表示。 平均存取时间等于平均找道时间Ts、平均等待时间Tw与数据传送时间之和。平均找道时间是最大找道时间与最小找道时间的平均值。,Ta=Ts+ 1/2r+b/(rN),平均找道 时间,平均等待 时间,数据传输时间,r 为磁盘旋转速率，转/秒；N为每磁道字节数,目前平均找

10、道时间为1020ms。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。目前固定头盘转速高达6000转/分，故平均等待时间为5ms。,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。 从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为每秒n转，每条磁道容量为N个字节，则数据传输率Dr=nN(字节/秒)。也可以写成Dr=Dv(字节/秒)，其中D为位密度，v为磁盘旋转的线速度。,平均存取时间虽然包括数据传输时间，但这一时间相对平均找道时间和平均等待时间来说可以忽略不计。所以磁盘的平均存取时间Ta ，近似地由平均找道时间Ts 和平均等待时间

11、Tw 组成：,【例】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2400转/分。问（P217，第4版） (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?,(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)内层磁道周

12、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=2400转/60秒=40转/秒 Dr=rN=403454B=13816B/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,(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

13、面上，因为不需要重新找道，数据读/写速度快。,六 磁盘存储设备的技术发展,1磁盘cache,(1) 磁盘cache的概念,磁盘驱动器的存取时间仍停留在毫秒(ms)级 ; 主存的存取时间为纳秒(ns)级; 两者速度差别十分突出。,改进方法: 增加磁盘主轴转速，提高I/O总线速度，改进该读/写算法和采用磁盘cache等措施。,高速缓存(cache)是增强相对慢速存储设备存取速度的暂存存储器。在主存储器和CPU之间设置的cache是为了弥补主存和CPU之间速度的差别；同样磁盘cache是为了弥补慢速磁盘和主存之间的速度差异。 所以硬盘和内存之间的Cache就叫做磁盘高速缓存。磁盘cache一次存取的

14、数量大，数据集中，速度要求比CPU高速缓存低，而且大容量缓存管理工作较复杂，因此磁盘cache的管理和实现一般由硬件和软件共同完成。 目前的磁盘驱动器一般都带有高速缓存，容量在1MB几 MB之间，可由 SRAM或DRAM组成。 这项技术可使计算机读写时的存储系统平均数据传输率提高510倍，适应了当前激增的海量数据存储需求。,(2)磁盘cache的工作原理,在磁盘cache中，由一些数据块组成的一个基本单位称为磁盘cache行。当一个I/O请求送到磁盘驱动器时，首先搜索驱动器上的高速缓存行是否已被写上，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中读出数据否则需从磁盘

15、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。,缓存利用了被访问数据的空间局部性和时间局部性规则。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；时间局部性是指当某些数据被存取后，不久这些数据还可能被再次存取 。,2 磁盘阵列存储器RAID,廉价冗余磁盘阵列(Redundent Array Of Inexpensive Disk，简称RAID)是用多台磁盘存储器组成的大容量外存储子系统。其基础是数据分块技术，即在多个磁盘上交错存放数据使之可以并行存取。在阵列控制器的组织管理下，能实现数据的并行、交叉存储或单独存储操作。由于阵列中的一部分

16、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数据。,促进磁盘阵列技术快速发展的因素主要有以下三点： (1)CPU速度的增长大大超过了磁盘驱动器数据传输率的增长。 (2)小盘径阵列磁盘驱动器与大型驱动器相比具有成本低、功耗小、性能好等优点。 (3)能保证极高的可靠性和数据的可用性。,RAID标准分为7级(RAID0-6),这些标准指出了不同存储容量、可靠性、数据传输能力、 I/O请求速率的应用需求。 其中RAID0是低成本的标准，未使用校验技术，可靠性级别低。,RAID 0可以把多块硬盘连接在一起形成一个容量更大的存储设备。最简单的RAID 0技术只是提供更多的磁盘空间，把4块磁盘组合在一起形成一个独立的逻辑驱动器，容量相当于任何一块单独硬盘的4倍。图中彩色区域所示，数据被依次写入到各磁盘中。当一块磁盘的空间用尽时，数据就会被自动写入到下一块磁盘中。 这种设置方式只有一个好处，那就是可以增加磁盘的容量。,也可以通过设置，使用RAID 0