《微型计算机接口技术 教学课件 ppt 作者 古辉 主编 10章-外存储器及接口》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微型计算机接口技术 教学课件 ppt 作者 古辉 主编 10章-外存储器及接口（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第十章 外存储器及接口,2,本章要点,磁存储技术、剩磁、读/写磁头 数据编码、归零制RZ、不归零制NRZ1、调相制PM、调频制FM、改进调频制MFM 磁道、扇区、柱面、磁盘盘片、磁盘驱动器、磁盘控制器 只读型光盘、一次写入型光盘和可重写型光盘 IDE、EIDE、SCSI,3,本章学习目标,了解磁存储原理 了解光存储技术 掌握软盘存储器和硬盘存储器结构和接口 掌握外存储器接口IDE和SCSI标准,4,10.1 磁盘存储器,磁表面存储器主要用于计算机系统中的辅存，可以存放大量的程序和数据。磁表面存储器包括磁盘、磁带、磁鼓、磁卡片等，但目前以磁盘为主。,5,10.1.1数据的磁存储原理,将磁性材
2、料涂敷于基体上，制成磁记录载体，通过磁头与基体之间的相对运动来读写记录的存储器就是磁表面存储器。 磁记录信息的基本原理是利用硬磁性材料的剩磁状态来存储二进制信息的。磁性材料具有矩形磁滞线特性，如图10.1所示。,6,图10.1 磁性材料的B-H曲线,7,10.1.1数据的磁存储原理,磁性材料具有矩形磁滞线特性， 当外加电流产生的磁场强度H（或-H）建立时，磁性材料将相应地产生一磁感应强度B（或-B）。当H（或-H）=0时，B（或-B）不等于0而等于+Br（或- Br），这就是剩磁现象。+Br称作正向剩磁，- Br称作负向剩磁。利用磁性材料的两种不同剩磁状态可以表示二进制。如果规定+Br表示1，
3、则- Br表示0。要在磁性材料上存1，则要加正向脉冲电流，反之则加反向脉冲电流。 根据电磁感应原理，变化磁场穿过闭合线圈时可以产生感应电势或电流。如果让已被磁化的磁性材料，在绕有线圈回路的磁头空隙处运动，使穿过线圈回路中的磁通量发生变化，那么在线圈中将会产生感应电信号，这样就把通过磁性材料的不同剩磁状态所表示的二进制信息，转换为电信号输出。,8,10.1.1数据的磁存储原理,磁头结构 用绕有线圈的有间隙的铁芯，作为读/写磁头，完成电磁能量转换，实现对磁表面存储器的写入和读出信息。磁头结构见图10.2。 当写入信息时，由a至b在瞬间通过电流，磁头铁芯里将产生顺时针方向的磁通，磁头两端空隙处形成定
4、向磁场。当载磁体在这个磁场作用下做相对运动时，磁层表面就被磁化成有相应极性的磁化单元。要读出磁表面的信息时，磁头和载磁体之间相对运动，磁头铁芯中的磁力线发生变化，在磁头线圈回路中产生感应电势。由于磁化单元中剩磁的方向不同，因而在磁头线圈中产生的感应电势方向也不同，从而可以读出磁表面上的信息0或1。,9,图10.2磁头结构示意,10,10.1.2 磁盘数据编码方式,磁盘的数据编码方式，就是磁表面存储器记录二进制的方式。由于信息记录是在磁头中通以磁化电流来实现的，所以编码方式取决于写入电流波形的组合方式。数据编码方式的选取直接影响到记录密度、存储容量、传送速率以及读写控制逻辑。 数据编码方式按照写
5、信息所施加的电流波形的极性、频率和相位的不同，有 归零制（RZ）、不归零制（NRZ1）、调相制（PM）、调频制（FM）和改进型调频制（MFM）。 现在常用的数据编码方式是调频制（FM）和改进型调频制（MFM）。,11,10.1.2 磁盘数据编码方式,归零制RZ（Return to Zero） 写“1”用正脉冲电流，写“0”用负脉冲电流。写完后电流总回归到零。这种方式又叫双向归零制或典型归零制。归零制的写电流波形如图10.3所示。,图10.3 归零制写1100101时写电流波形,12,10.1.2 磁盘数据编码方式,归零制RZ（Return to Zero） 归零制的主要特点是写入前先退磁，两个
6、信息位之间有未磁化的间隙，记录密度较低。每个位单元有2个读出波形，具有自同步能力，即能够从本磁道读出的信息脉冲序列中提取出选通时钟信号，而无需增加附加的同步磁道。,13,10.1.2 磁盘数据编码方式,不归零制NRZ1（Not Return Zero） 写电流只在写“1”时改变方向，写“0”时写电流不变，所有又称为“见1就翻”不归零制。这种方式的写电流波形如图10.4所示。,图10.4 不归零制写1100101时写电流波形,14,10.1.2 磁盘数据编码方式,不归零制NRZ1（Not Return Zero） 特点是各信息位之间没有空隙，记录密度高。存“1”才能读出信号，存“0”无读出信号，
7、所以没有自同步能力。并且由于电流不回到零，功耗较大。,15,10.1.2 磁盘数据编码方式,调相制PM（Phase Modulation） 在此方式下，无论写“1”还是写“0”，一个位信息期间，写电流相位至少有一次改变。若写“0”，写电流先正后负，若写“1”，写电流先负后正。这种方式中，利用记录信号变向，可生成读同步脉冲，即具有自同步能力。波形见图10.5。,图10.5 调相制写1100101时写电流波形,16,10.1.2 磁盘数据编码方式,调频制FM（Frequency Modulation） 写入二进制信息时，磁头通入的写电流的频率不同。其特点是每记录一个代码时，两个信息位的交界处，写电
8、流方向一定改变。写“1”时，写电流的频率比写“0”时的频率高一倍。同样具有自同步能力。图10.6是写入1100101时的写电流波形。,图10.6 调频制写1100101时写电流波形,17,10.1.2 磁盘数据编码方式,改进调频制MFM（Modified Frequency Modulation） 调频制的一个缺点是每位信息电流都有12次的翻转，造成记录密度较低。 改进型调频制MFM去掉FM制中的冗余信息，设法减少电流翻转的次数。改进型调频制又称为延迟制调频制。,18,10.1.2 磁盘数据编码方式,改进调频制MFM（Modified Frequency Modulation） 它的写电流变化
9、规则不要求写电流在每位信息位之间都改变方向，而是只在连续的“0”信息之间电流方向才翻转一次。而逢“1”的信息则在位中央翻转一次。这样，保持了自同步能力，又使记录密度提高，所以又称为倍密度记录方式。图10.7MFM写电流波形。,图10.7改进调频制写1100101时的写电流波形,19,10.1.3 磁盘存储器的结构,磁盘存储器根据采用的盘体材料，可以分为两种。 如果盘体采用塑料（聚脂薄膜）做基体，两面涂上磁粉，装在保护套内，则称为软磁盘，简称软盘。 如果盘体采用金属（铝镁合金）做基体，两面涂上磁粉，则称为硬磁盘。由于硬磁盘是由多个盘片组成，所以也叫磁盘组。 磁盘的每个盘面上密布着若干与盘心同心的
10、闭合圆环，称为磁道。最靠近圆心的称为末道，最远离圆心的称为零道 由若干盘片组成的同轴盘片组中，距其轴心相同位置的一组磁道构成了一个圆柱，称为柱面。柱面从外到内顺序为零柱面至末柱面。 每个磁道或柱面按等弧度分为若干段，称做扇区，是磁头读写的最小单位。,20,10.1.3 磁盘存储器的结构,软盘存储器及接口 微机系统中常见的软盘有3英寸和五英寸软盘。软盘的盘片由聚脂塑料制成，厚度几十微米，上面涂有磁层，封装在方形的外壳中。外壳主要是为了防尘和保护盘面磁层不受损伤，以保护记录的信息。外壳上有3个孔，长形孔是供读写磁头寻找磁道用的，中心大圆孔是供驱动电机旋转磁盘用的，大孔旁边的小圆孔是用来检测磁道起始
11、位的检索孔。写保护缺口则对软盘实行写保护，即只能读出而不能写入信息。 软盘驱动器实现对盘片的读/写操作。驱动器结构如图10.8所示。,21,图10.8 软盘驱动器结构图,22,10.1.3 磁盘存储器的结构,软盘存储器及接口 软盘驱动器一般由转动磁盘的驱动机构、读/写磁头的定位机构、读/写磁头、读/写逻辑、驱动电机和步进电机的控制逻辑等组成。 软盘在驱动电机的带动下旋转，使磁头和磁盘表面之间产生相对运动，实现连续存取信息。磁头在步进电机的驱动下在软盘的径向移动，以寻址不同的磁道，定位在指定的扇区上方，然后由读/写逻辑电路来完成信息的写入或读出。 软盘控制器FDC（Floppy Disk Con
12、troller）是实现软盘驱动器和主机之间信息交换的接口电路。软磁盘接口一般如图10.9所示。,23,图10.9 软磁盘接口框图,24,10.1.3 磁盘存储器的结构,软盘存储器及接口 软盘控制器的主要功能是将主机的命令翻译成控制驱动器的各种信息，将磁盘上的串行信息转换为并行信息输入计算机，或把计算机来的并行信息变成写入磁盘的串行信息，以及寄存软盘驱动器的各种状态信息，供主机查询，对数据进行校验等。 早期的软盘控制器做在一块印制板上，插入主机的扩展插座中，通过34针标准插座连接驱动器。在现代微机中软盘控制器集成在Super I/O芯片中，通过主板的34针插座与驱动器连接。,25,10.1.3
13、磁盘存储器的结构,硬盘存储器及接口 硬盘存储器的盘片用铝镁合金材料制成，其表面涂有磁性材料。 硬盘存储器根据磁头和盘片结构的不同可以分为固定磁头硬盘、活动磁头固定盘片硬盘、活动可换盘片硬盘等几种类型。目前的主流硬盘的盘片大都是由金属薄膜磁盘构成，比普通软磁盘存储介质的不连续颗粒相比，具有更高的记录密度和更强的安全性能。 硬盘存储器的驱动器是精密的机电装置，各部件的加工和安装有严格的技术要求，一般在超净环境下组装。硬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。,26,图10.10磁盘驱动器逻辑框图,27,10.1.3 磁盘存储器的结构,硬盘存储器及接口 磁盘驱动器接收主机控制字中的盘
14、地址（柱面号、磁头号、扇区号），送到磁盘地址寄存器，产生寻道命令，启动磁头定位伺服系统进行磁头定位操作，然后发出寻道结束信号给磁盘控制器。对于多盘片系统，所有磁头将同时定位在相同半径的磁道上，即同一柱面上。,28,10.1.3 磁盘存储器的结构,硬盘存储器及接口 磁盘高速旋转时，索引标志产生的脉冲将扇区计数器清零，以后每来一个扇区标志，扇区计数加1，把计数器中的内容与磁盘地址寄存器中的扇区地址进行比较，如果一致，则输出扇区符合信号。该信号送给磁盘控制器后，读写控制电路开始动作。如果是写操作，就将数据送入写电路，写电路根据数据的编码方式生成相应的写电流脉冲；如果是读操作，则将读出内容送磁盘控制器
15、。,29,10.1.3 磁盘存储器的结构,硬盘存储器及接口 硬盘的磁盘控制器是主机与硬盘驱动器之间的接口。 硬盘控制器和主机之间采用成批数据交换方式。主机与磁盘控制器数据交换的控制逻辑见图10.11。,30,图10.11磁盘控制器接口逻辑,31,10.1.3 磁盘存储器的结构,硬盘存储器及接口 磁盘上的数据由读磁头读出送到读出放大器，然后进行数据和时钟的分离，再进行串/并数据转换和格式变换送到数据缓冲器，经DMA控制将数据传送到主存。 磁盘控制器和磁盘驱动器之间的界线并不明显。ST506磁盘控制器就是完成读写和放大后的所有控制逻辑，读写和放大由驱动器完成。若驱动器中包含了数据分离电路，则磁盘控
16、制器包括从串/并、并/串转换和格式变换等逻辑，如ESDI接口。如果将全部控制功能都包含在驱动器内，则主机与磁盘驱动器之间为标准的通用接口，如SCSI接口这种形式。,32,10.2 光盘存储器,光盘(Optical Disk)是利用光存储技术读写信息的一种介质圆盘。 光存储技术是利用激光在某种介质上写入信息，再利用激光把信息读出的技术。 20世纪60年代开发出的半导体激光技术，可以使高能量的激光束集中在一平方微米的范围内，把介质聚焦为一个凹点，然后用能量相对较小的激光束把介质上的信息读出来。这样，可以实现记录密度高，存储容量大，信息保存寿命长，工作稳定可靠、环境要求低等特点，得到了广泛应用,33,10.2.1光盘的分类,光盘按读写类型分，目前光盘一般分为只读型、一次写入型和可重写型三种。 只读型光盘上所有的信息都以坑点的形式分布。一系列的坑点（信息元）形成信息记录道。这种坑点分布除了包含数据的编码信息外，还有用于读出和写入光点的引导信息。激光在旋转的光盘表面上聚焦，通过检测盘面上来的反射光的强弱，读出记录的信息。只读式光盘上记录的信息只能读出，用户不能修改或写入新的
