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1、第七章 外圍設(shè)備,【相關(guān)說明：本課件以白中英老師教材及課件為藍本制作而成，特表感謝；網(wǎng)上文檔會伴隨教研過程不定期更新版本；最后，懇請文檔使用者批評、指正文中出現(xiàn)的錯誤、疏漏?！?計算機組成原理（第五版）白中英、戴志濤主編 課件PPT,第七章 外圍設(shè)備,外圍設(shè)備概述磁盤存儲設(shè)備磁盤存儲設(shè)備的技術(shù)發(fā)展磁帶存儲設(shè)備顯示設(shè)備輸入設(shè)備和打印設(shè)備,7.1外圍設(shè)備概述,外圍設(shè)備的功能是在計算機和其他機器之間，以及計算機與用戶之間提供聯(lián)系。外圍設(shè)備的地位越來越重要，主要介紹以下內(nèi)容：硬磁盤、可移動磁盤、磁帶和光盤。,7.1外圍設(shè)備概述,一、外圍設(shè)備的一般功能 外圍設(shè)備的功能是在計算機和其他機器之間，以及計算機

2、與用戶之間提供聯(lián)系。二、外圍設(shè)備（磁盤）基本組成(1) 存儲介質(zhì)，它具有保存信息的物理特征。例如磁盤就是一個存儲介質(zhì)的例子，它是用記錄在盤上的磁化元表示信息。(2) 驅(qū)動裝置，它用于移動存儲介質(zhì)。例如，磁盤設(shè)備中，驅(qū)動裝置用于轉(zhuǎn)動磁盤并進行定位。(3)控制電路，它向存儲介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)或從存儲介質(zhì)接受數(shù)據(jù)。例如，磁盤讀出時，控制電路把盤上用磁化元形式表示的信息轉(zhuǎn)換成計算機所需要的電信號，并把這些信號用電纜送給計算機主機。,7.1外圍設(shè)備概述,三、外圍設(shè)備的分類 一個計算機系統(tǒng)配備什么樣的外圍設(shè)備，是根據(jù)實際需要來決定的。如下圖所示出了計算機的五大類外圍設(shè)備，這只是一個典型化了的計算機環(huán)境。,7.2

3、磁盤存儲設(shè)備,一、磁記錄原理計算機的外存儲器又稱磁表面存儲設(shè)備。所謂磁表面存儲，是用某些磁性材料薄薄地涂在金屬鋁或塑料表面作載磁體來存儲信息。磁盤存儲器、磁帶存儲器均屬于磁表面存儲器。磁表面存儲器的優(yōu)點：存儲容量大，位價格低；記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用；記錄信息可以長期保存而不丟失，甚至可以脫機存檔；非破壞性讀出，讀出時不需要再生信息。當然，磁表面存儲器也有缺點，主要是存取速度較慢，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對工作環(huán)境要求較高。磁表面存儲器由于存儲容量大，位成本低，在計算機系統(tǒng)中作為輔助大容量存儲器使用，用以存放系統(tǒng)軟件、大型文件、數(shù)據(jù)庫等大量程序與數(shù)據(jù)信息。,7.2磁盤存儲設(shè)備,磁性材料的物理特性見圖,7.2

4、磁盤存儲設(shè)備,磁表面存儲器的讀寫原理見圖寫操作：當寫線圈中通過一定方向的脈沖電流時，鐵芯內(nèi)就產(chǎn)生一定方向的磁通。讀操作：當磁頭經(jīng)過載磁體的磁化元時，由于磁頭鐵芯是良好的導(dǎo)磁材料，磁化元的磁力線很容易通過磁頭而形成閉合磁通回路。不同極性的磁化元在鐵芯里的方向是不同的。,7.2磁盤存儲設(shè)備,記錄方式的寫讀波形圖通過電磁變換，利用磁頭寫線圈中的脈沖電流，可把一位二進制代碼轉(zhuǎn)換成載磁體存儲元的不同剩磁狀態(tài)；反之，通過磁電變換，利用磁頭讀出線圈，可將由存儲元的不同剩磁狀態(tài)表示的二進制代碼轉(zhuǎn)換成電信號輸出。這就是磁表面存儲器存取信息的原理。磁層上的存儲元被磁化后，它可以供多次讀出而不被破壞。當不需要這批信

5、息時，可通過磁頭把磁層上所記錄的信息全部抹去，稱之為寫“0”。通常，寫入和讀出是合用一個磁頭，故稱之為讀寫磁頭。每個讀寫磁頭對應(yīng)著一個信息記錄磁道。,7.2磁盤存儲設(shè)備,二、磁盤的組成和分類1、磁盤的組成：見圖,寫入時，將計算機并行送來的數(shù)據(jù)取至并串變換寄存器，變?yōu)榇袛?shù)據(jù)，然后一位一位地由寫電流驅(qū)動器作功率放大并加到寫磁頭線圈上產(chǎn)生電流，從而在盤片磁層上形成按位的磁化存儲元。讀出時，當記錄介質(zhì)相對磁頭運動時，位磁化存儲元形成的空間磁場在讀磁頭線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，此讀出信息經(jīng)放大檢測就可還原成原來存入的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)是一位一位串行讀出的，故要送至串并變換寄存器變換為并行數(shù)據(jù)，再并行送至計算機。

6、,7.2磁盤存儲設(shè)備,硬磁盤按盤片結(jié)構(gòu)，分成可換盤片式與固定盤片式兩種；磁頭也分為可移動磁頭和固定磁頭兩種?？梢苿哟蓬^固定盤片的磁盤機的特點是一片或一組盤片固定在主軸上，盤片不可更換。盤片每面只有一個磁頭，存取數(shù)據(jù)時磁頭沿盤面徑向移動?？梢苿哟蓬^可換盤片的磁盤機：盤片可以更換，磁頭可沿盤面徑向移動。優(yōu)點是盤片可以脫機保存，同種型號的盤片具有互換性。固定磁頭磁盤機特點是磁頭位置固定，磁盤的每一個磁道對應(yīng)一個磁頭，盤片不可更換。優(yōu)點是存取速度快，省去磁頭找道時間，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。,溫徹斯特磁盤機簡稱溫盤，是一種采用先進技術(shù)研制的可移動磁頭固定盤片的磁盤機。它是一種密封組合式的硬磁盤，即磁頭、盤片、

7、電機等驅(qū)動部件乃至讀寫電路等組裝成一個不可隨意拆卸的整體。工作時，高速旋轉(zhuǎn)在盤面上形成的氣墊將磁頭平穩(wěn)浮起。優(yōu)點是防塵性能好，可靠性高，對使用環(huán)境要求不高，成為最有代表性的硬磁盤存儲器。而其他類型的硬磁盤要求具有超凈環(huán)境，只能用于大型計算機中。,7.2磁盤存儲設(shè)備,三、磁盤驅(qū)動器和控制器磁盤驅(qū)動器是一種精密的電子和機械裝置，因此各部件的加工安裝有嚴格的技術(shù)要求。對溫盤驅(qū)動器，還要求在超凈環(huán)境下組裝。各類磁盤驅(qū)動器的具體結(jié)構(gòu)雖然有差別，但基本結(jié)構(gòu)相同，主要由定位驅(qū)動系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。如下圖是磁盤驅(qū)動器外形和結(jié)構(gòu)示意圖。,7.2磁盤存儲設(shè)備,磁盤控制器是主機與磁盤驅(qū)動器之間的接口，

8、電路板實物見下圖(a)所示。由于磁盤存儲器是高速外存設(shè)備，故與主機之間采用成批交換數(shù)據(jù)方式。作為主機與驅(qū)動器之間的控制器，它需要有兩個方面的接口：一個是與主機的接口，控制外存與主機總線之間交換數(shù)據(jù)；另一個是與設(shè)備的接口，根據(jù)主機命令控制設(shè)備的操作。前者稱為系統(tǒng)級接口，后者稱為設(shè)備級接口。主機與磁盤驅(qū)動器交換數(shù)據(jù)的控制邏輯見下圖(b)。磁盤上的信息經(jīng)讀磁頭讀出以后送讀出放大器，然后進行數(shù)據(jù)與時鐘的分離，再進行串并變換、格式變換，最后送入數(shù)據(jù)緩沖器，經(jīng)DMA(直接存儲器傳送)控制將數(shù)據(jù)傳送到主機總線。,7.2磁盤存儲設(shè)備,四、磁盤上信息的分布 盤片的上下兩面都能記錄信息，通常把磁盤片表面稱為記錄面

9、。記錄面上一系列同心圓稱為磁道。每個盤片表面通常有幾百到幾千個磁道，每個磁道又分為若干個扇區(qū)。從圖中看出，外面扇區(qū)比里面扇區(qū)面積要大。磁盤上的這種磁道和扇區(qū)的排列稱為格式。,磁盤上信息的分布,數(shù)據(jù)在磁盤上的記錄格式,7.2磁盤存儲設(shè)備,五、磁盤存儲器的技術(shù)指標磁盤存儲器的主要技術(shù)指標存儲密度：存儲密度分道密度、位密度和面密度。道密度：沿磁盤半徑方向單位長度上的磁道數(shù)，單位為道/英寸。位密度：磁道單位長度上能記錄的二進制代碼位數(shù)，單位為位/英寸。面密度：位密度和道密度的乘積，單位為位/平方英寸。存儲容量：一個磁盤存儲器所能存儲的字節(jié)總數(shù)，稱為磁盤存儲器的存儲容量。,7.2磁盤存儲設(shè)備,存取時間：

10、存取時間是指從發(fā)出讀寫命令后，磁頭從某一起始位置移動至新的記錄位置，到開始從盤片表面讀出或?qū)懭胄畔⒓由蟼魉蛿?shù)據(jù)所需要的時間。取決于以下三個因素決定：一個是將磁頭定位至所要求的磁道上所需的時間，稱為找道時間；第二個是找道完成后至磁道上需要訪問的信息到達磁頭下的時間，稱為等待時間，這兩個時間都是隨機變化的，因此往往使用平均值來表示，平均找道時間是最大找道時間與最小找道時間的平均值。平均等待時間和磁盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，它用磁盤旋轉(zhuǎn)一周所需時間的一半來表示。第三個是數(shù)據(jù)傳送時間。,7.2磁盤存儲設(shè)備,數(shù)據(jù)傳輸率：磁盤存儲器在單位時間內(nèi)向主機傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，叫數(shù)據(jù)傳輸率，傳輸率與存儲設(shè)備和主機接口邏輯有關(guān)。從

11、主機接口邏輯考慮，應(yīng)有足夠快的傳送速度向設(shè)備接收/發(fā)送信息。從存儲設(shè)備考慮，假設(shè)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為r轉(zhuǎn)/秒，每條磁道容量為N個字節(jié)，則數(shù)據(jù)傳輸率： Dr=rN(字節(jié)/秒) 或Dr=Dv(字節(jié)/秒),D位密度,v旋轉(zhuǎn)線速度,平均找道時間,平均等待時間,數(shù)據(jù)傳送時間,【例1】磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，最上最下兩個面不用。存儲區(qū)域內(nèi)徑22cm，外徑33cm，道密度為40道/cm，內(nèi)層位密度400位/cm，轉(zhuǎn)速6000轉(zhuǎn)/分。問：(1)共有多少柱面?(2)盤組總存儲容量是多少?(3)數(shù)據(jù)傳輸率多少?(4)采用定長數(shù)據(jù)塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么?尋址命令中如何表示磁盤地址?(5)如果某文

12、件長度超過一個磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個存儲面上，還是記錄在同一個柱面上?,解：(1)有效存儲區(qū)域=16.5-11=5.5(cm)因為道密度=40道/cm，所以4055=220道，即220個圓柱面。(2)內(nèi)層磁道周長為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盤組總?cè)萘?759880B10=7598800B,(3)磁盤數(shù)據(jù)傳輸率Dr=rNN為每條磁道容量，N=3454Br為磁盤轉(zhuǎn)速，r=6000轉(zhuǎn)/60秒=100轉(zhuǎn)/秒Dr=rN=1003454B=345400B/s,(4)采用定長數(shù)

13、據(jù)塊格式，直接尋址的最小單位是一個記錄塊(一個扇區(qū))，每個記錄塊記錄固定字節(jié)數(shù)目的信息，在定長記錄的數(shù)據(jù)塊中，活動頭磁盤組的編址方式可用如下格式： 此地址格式表示有4臺磁盤（2位），每臺有16個記錄面/盤面（4位），每面有256個磁道（8位），每道有16個扇區(qū)（4位）。,(5)如果某文件長度超過一個磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個柱面上，因為不需要重新找道，數(shù)據(jù)讀/寫速度快。,7.3磁盤存儲設(shè)備的技術(shù)發(fā)展,一、磁盤cache隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，CPU的速度每年增長1倍左右，主存芯片容量和磁盤驅(qū)動器的容量每1.5年增長1倍左右。但磁盤驅(qū)動器的存取時間沒有出現(xiàn)相應(yīng)的下降，仍停留在毫秒(ms)級

14、。而主存的存取時間為納秒(ns)級，兩者速度差別十分突出，因此磁盤I/O系統(tǒng)成為整個系統(tǒng)的瓶頸。為了減少存取時間，可采取的措施有：提高磁盤機主軸轉(zhuǎn)速，提高I/O總線速度，采用磁盤cache等。磁盤cache是為了彌補慢速磁盤和主存之間速度上的差異。,7.3磁盤存儲設(shè)備的技術(shù)發(fā)展,磁盤cache的原理在磁盤cache中，由一些數(shù)據(jù)塊組成的一個基本單位稱為cache行。當一個I/O請求送到磁盤驅(qū)動時，首先搜索驅(qū)動器上的高速緩沖行是否已寫上數(shù)據(jù)？如果是讀操作，且要讀的數(shù)據(jù)已在cache中，則為命中，可從cache行中讀出數(shù)據(jù)，否則需從磁盤介質(zhì)上讀出。寫入操作和CPU中的cache類似，有“直寫”和“

15、寫回”兩種方法。磁盤cache利用了被訪問數(shù)據(jù)的空間局部性和時間局部性原理?？臻g局部性是指當某些數(shù)據(jù)被存取時，該數(shù)據(jù)附近的其他數(shù)據(jù)可能也將很快被存??；時間局部性是指當一些數(shù)據(jù)被存取后，不久這些數(shù)據(jù)還可能再次存取。因此現(xiàn)在大多數(shù)磁盤驅(qū)動器中都使用了預(yù)讀策略，而根據(jù)局部性原理預(yù)取一些不久將可能讀入的數(shù)據(jù)放到磁盤cache中。磁盤cache一次存取的數(shù)量大，數(shù)據(jù)集中，速度要求較CPU的cache低，管理工作較復(fù)雜，因此一般由硬件和軟件共同完成。其中cache采用SRAM或DRAM。,7.3磁盤存儲設(shè)備的技術(shù)發(fā)展,二、磁盤陣列RAIDRAID稱廉價冗余磁盤陣列，它是用多臺磁盤存儲器組成的大容量外存系統(tǒng)

16、。其構(gòu)造基礎(chǔ)是利用數(shù)據(jù)分塊技術(shù)和并行處理技術(shù)，在多個磁盤上交錯存放數(shù)據(jù)，使之可以并行存取。在RAID控制器的組織管理下，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行存儲、交叉存儲、單獨存儲。由于陣列中的一部分磁盤存有冗余信息，一旦系統(tǒng)中某一磁盤失效，可以利用冗余信息重建用戶信息。工業(yè)上制定了一個稱為RAID的標準，它分為7級(RAID 0RAID 6)。分別代表了不同存儲容量、可靠性、數(shù)據(jù)傳輸能力、I/O請求速率等方面的應(yīng)用需求。,下面以RAID 0級為例來說明。考慮到低成本比可靠性更重要，RAID 0未采用奇偶校驗等冗余技術(shù)。RAID 0用于高速數(shù)據(jù)傳輸和高速I/O請求。對RAID 0,用戶和系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布在陣列中的所有磁盤上。與單個大容量磁盤相比，其優(yōu)點是：如果兩個I/O請求正在等待兩個不同的數(shù)據(jù)塊，則被請求的塊有可能在不同的盤上。因此，兩個請求能夠并行發(fā)出，減少了I/O排隊的時間。,RAID 0級陣列的數(shù)據(jù)映射,7.4磁帶存儲設(shè)備,磁帶機的記錄原理與磁盤機基本相同，只是它的載磁體是一種帶狀塑料，叫做磁帶。寫入時可通過磁頭把信息代碼記錄在磁帶上。當記錄有代碼的磁帶在磁頭下移動時，就可在磁頭線圈上感應(yīng)出電動勢，即