计算机组成原理资料

存储容量：
指以字节为单位存储器所能存储的二进制信 息总量。一般以位或以字节为单位。 C＝n×k×s 磁盘存储器有格式化容量和非格式化容量两 个指标： 格式化容量：指按照特定的记录格式存储 信息的总量。 非格式化容量：磁记录表面可以利用的磁 化单元总数。 一般格式化容量是非格式化容量的60%－ 70%。
硬盘存储器的基本结构

1 硬盘驱动器
磁盘驱动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。
磁盘驱动器结构示意图
磁头 磁 盘 组 主轴 通风机 滤尘器 小车 传动皮带 主电机 取数臂 定位驱动器 密封罩 速度 传感器

光盘存储器

信息记录的轨迹称为光道。光道上划分出 一个个扇区，它是光盘的最小可寻址单位。 扇区的结构如图所示。
光盘扇区分为四个区域。2个全零字节和 10个全1字节组成同步区，标志着扇区的 开始。4字节的扇区标识区用于说明扇区 的地址和工作模式。光盘的扇区地址编码 不同于磁盘，它是以分（MN）、秒（SC） 和分秒数（FR，1/75s）时间值作为地址。 由于光盘的恒定线速度是每秒钟读出75个 扇区，故FR的值实际上就是秒内的扇区 号(0—74)。





存储密度高，记录容量大，每位价格低； 记录介质可以重复使用； 记录信息可长时间保存而不致丢失； 非破坏性读出，读出时不需再生信息； 存取速度较低，机械结构复杂，对工作环境要求较严。
磁盘存储设备

对磁盘的直观认识
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磁记录原理
磁表面记录设备，是在磁头和磁性材料的记录 介质之间有相对运动时，通过一次电磁转换完 成一次读写操作。 磁头：通常由软磁材料（外界磁场的作用消失 后，该磁性材料的磁性容易消失）做成。
【例2】CDROM光盘的外缘有5mm宽的范围因 记录数据困难，一般不使用，故标准的播放时 间为60分钟。计算模式1和模式2情况下光盘存 储容量是多少? 解： 扇区总数=60分×60秒×75扇区/秒=270 000(扇区) 模式1存放计算机程序和数据，其存储容量为 270 000×2048B/220=527MB 模式2存放声音、图像等多媒体数据，其存储容 量为270 000×2336B/220=601MB
完整的硬盘控制逻辑，如图所示。
硬盘存储器的信息分布
硬盘中信息分布呈以下层次：记录面、“磁道、圆柱 面”、扇区。
n
主 轴 0 道 0
记 录 面 滑 架
n 道
扇 区 磁 头 （ a ） （ b ） （ c ）
图 6 － 5 6硬 盘 信 息 分 布 示 意 图
磁道的编址是从外向内依次编 号。最里面的一个同心圆叫n 磁道，该磁道并不用来记录信 息。扇区可连续（交叉因子=1） 或不连续编号。因为读一个扇 区需一定时间，当读完1号扇区 并处理完后，磁头已经滑过2号 扇区，需等盘片转一圈才能找 到2号扇区，降低传输速率。所 以可采用不连续编号。


数据传输率：单位时间内向主机传送数据的位数或字节 数。 对磁盘存储器，单磁头串行读/写半径R0已知，数据 传输率计算如下： 每道信息量=位密度2R0，（R0为内半径） 数据传输率(bps)= 每道信息量转速r，（r是每秒转速） =位密度2R0转速 例：某盘组共9块盘片，有16个盘面来记录数据，每面 分256个磁道，每道有16个扇区，每个扇区存储512个 字节，假设磁盘旋转速度为每分钟3600转，求数据传 输率。 解：每秒钟的的转速=3600/60=60转； 数据传输率=每一磁道容量×每秒钟转速 =16×512×60 =480KB/S
解：(1) 每道记录信息容量=12,288字节 每个记录面信息容量=275×12,288字节 共有4个记录面， 硬盘存储器总容量=4×275×12,288字节=13,516,800字节
(2) 最高位密度D1按最小磁道半径R1计算(R1=115mm)： D1=12,288字节/2π R1≈17字节/mm 最低位密度D2按最大磁道半径R2计算： R2=R1+(275÷5)=115+55=170mm D2=12,288字节/2π R2≈11.5字节/mm

4.4.2光盘存储器
光盘存储器 只读型光盘系统都基于一个共同原理，即光盘上 的信息以坑点形式分布，有坑点表示为“1”，无坑点表 示为“0”，一系列的坑点(存储元)形成信息记录道，见 图（b）。对数据存储用的CDROM光盘来讲，这种坑 点分布作为数字“1”、“0”代码的写入或读出标志。为 此必须采用激光作为光源，并采用良好的光学系统才能 实现。 光盘的记录信息以凹坑方式永久性存储。读出时，当激 光束聚焦点照射在凹坑上时将发生衍射，反射率低；而 聚焦点照射在凸面上时大部分光将返回。根据反射光的 光强变化并进行光电转换，即可读出记录信息。
(3) 硬盘传输率Dr=rN r=3000/60=50转/秒 N=12,288字节(每道信息容量) Dr=r×N=50×12,288字节=614,400字节/秒 (4) 平均等待时间=1/2r=1/(2×50)=10ms (5) 假定只有一台硬盘驱动器，所以不考虑驱动器号地址。有4 个 记录面，每个记录面有 275 条磁道。假定每个扇区记录 1024个 字节，则需要 12,288 字节÷1024 字节 =12 个扇区。由此可得如 下地址格式：
3 磁盘存储器的主要性能指标

记录密度： 单位长度或单位面积所存储的二进制信 息量。 磁盘的记录密度： (a)道密度：指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道 数 (b)位密度：指沿磁道的单位长度上记录的二进制 信息位数 (c) 面密度：以上两个乘积。 在磁盘各磁道上所记录的信息量是相同的，而 位密度不同，一般泛指磁盘位密度时，是指内圈磁 道上的位密度。

平均寻址时间：对磁盘存储器，平均寻址时间=平 均寻道时间+平均等待时间 平均等待时间与磁盘转速有关，可用磁盘旋转一 周所需要时间的一半来表示平均等待时间。 例：磁盘的转速为3600r/min，则 平均等待时间=0.5×60/3600=8.3ms。 读写周期：读出/写入一个字的时间称为读写时间， 两次读出/写入操作之间的时间间隔称为读写周期 或存取周期
误码率：是衡量出错概率的参数，等于出错位 数与读写总信息位数之比。 价格：通常用位价格来比较各种外存储器。位 价格是用设备价格除以存储器二进制位总容量。 一个常识： 每面信息量=每道信息量柱面数 =每道信息量道密度（外半径-内半径） 总容量=每面信息量面数

例题：

1. 2. 3. 4. 5.
4.4 辅助存储器
辅助存储器的特点:
容量大 成本低 在断电后能保存信息(其中大部分存储介质还能脱机保存信息)
辅助存储器主要有:
磁表面存储器
光盘存储器
4.4.1 磁表面存储器
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。 特点：
硬盘的地址格式
驱动器号 磁道号 (圆柱面号) 记录面号 扇区号
请注意磁道号(圆柱面号)与记录面号的顺序。 如果有一个较大的文件，在某磁道、某记录面的所有扇 区内存储不下时，应先改变记录面号(即换成与该磁道号对 应的另一记录面存放)，这样可避免磁头的机械运动给存取 速度带来影响。 只有当该磁道号(圆柱面号)对应的所有记录面都存不下 时，才改变磁道号(圆柱面号)。
解：
有效存储区域=16.5-11=5.5(cm) ∵道密度=40道/cm ∴40*5.5=220道 即220个柱面. 2. 内层磁道周长= 2R =2*3.14*11=69.08(cm) 每道信息量=400位/cm*69.08=27632=3454位 每面信息量=3454B*220=759880B 盘组总容量=759880*10=7598800B 3. 磁盘数据传输率 Dr=rN=2400/60*3454=13816B/s
台号
16 15 14
柱面(磁道)号
8 7
盘面(磁头)号
4 3
扇区号
0
2.某硬盘存储器转速为3000r/min，共有4个记录面，每个记录面上共有275 条磁道，每mm为5道，每道记录信息为12,288字节，最小磁道直径为230mm。
问： (1) (2) (3) (4) (5)
磁盘存储器的容量是多少？ 最高位密度与最低位密度是多少？ 硬盘数据传输率是多少？ 平均等待时间是多少？ 给出一个硬盘地址格式方案。
（ a ） 写 入
（ b ） 读 出
图 6 － 5 0读 写 原 理
通过磁头对磁层写入/读出。 磁层上被磁化的小区域，称为磁化单元。 写入信息时，写“1”和写“0”时分别在 读写线圈中通以不同方向的电流，如图650(a)所示。读出信息时，在读/写线圈中 感应出不同方向的电势，分别记为“1” 和“0”。如图6-50(b)所示。

ID区的MD为模式控制。用于控制数据区和校验 区的使用。共有三种模式：模式0规定数据区和 校验区的全部2336个字节都是0，这种扇区不 用于记录数据；模式1规定288个字节的校验区 为4字节的检测码、8字节的保留域和276字节 的纠错码。这种扇区有2048字节的数据并有很 强的检测和纠错能力，适合于计算机程序和数 据。模式2规定288字节的校验区也用于存放数 据，用于保存声音、图像等对误码率要求不高 的数据。
磁记录介质：在刚性或柔性载体上涂有薄磁材 料的物体，记录以磁状态表示的信息。一般选 用硬磁材料（外界磁场的作用消失后，该磁性 材料的磁性尽量多的保留）。


磁表面存储器的读写原理
后 间 隙 写 入 线 圈 I w g 工 作 间 隙 局 部 磁 化 v 局 部 磁 化 单 元 v 磁 力 线 读 出 线 圈 e