《计算机组成原理》第7章 外围设备解析
计算机组成原理第七章
磁记录原理
磁性材料的物理特性 磁表面存储器的读写原理
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读操作：当磁头经过载磁体的磁化元时，由于磁头铁芯 读操作：当磁头经过载磁体的磁化元时， 是良好的导磁材料， 是良好的导磁材料，磁化元的磁力线很容易通过磁头而 形成闭合磁通回路。 形成闭合磁通回路。不同极性的磁化元在铁芯里的方向 是不同的。 是不同的。 写操作：当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时， 写操作：当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯 内就产生一定方向的磁通。 内就产生一定方向的磁通。
磁表面存储
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用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体 存储信息 优点
存储容量大， 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 非破坏性读出， 非破坏性读出，读出时不需要再生信息
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缺点
存取速度慢，机械结构复杂， 存取速度慢，机械结构复杂，对工作环境要求高
通常用作辅助大容量存储器使用
磁盘存储器的技术指标
采用定长数据块格式， 【例题1解】：(4)采用定长数据块格式，直接寻址的最小单 例题 解 采用定长数据块格式 位是一个记录块(一个扇区 一个扇区)， 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， 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： 可用如下格式：
第七章
外围设备
外围设备 磁记录原理 磁盘驱动器 磁盘控制器 磁盘存储器
教学要求
重点和难点
外围设备的一般功能 磁记录原理 磁盘的组成 磁盘驱动器和控制器 磁盘上的信息分布 磁盘存储器的技术指标
主要内容
外围设备概述 磁盘存储设备 磁盘存储设备的技术发展 磁带存储设备 光盘和磁光盘存储设备
计算机组成原理(华科版)第七章 输入输出系统
第七章 输入输出系统
5. 外围处理机方式(Peripheral Processor Unit—PPU) 外围处理机的结构更接近于一般的处理机，甚至 就是一般小型通用计算机。它可完成I/O通道所要完 成的I/O控制，还可完成码制变换、格式处理、数据 块的检错、纠错等操作。它可具有相应的运算处理 部件、缓冲部件，还可形成I/O程序所必须的程序转 移等操作。它可简化设备控制器，而且可用它作为 维护、诊断、通信控制、系统工作情况显示和人机 联系的工具。 外围处理机基本上独立于主机工作。在多数系 统中，设置多台外围处理机，分别承担I/O控制、通 信、维护诊断等任务。有了外围处理机后，计算机 系统结构有了质的飞跃，由功能集中式发展为功能 分散的分布式系统。
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计算机组成原理
第七章 输入输出系统
7.1 信息交换的控制方式
信息交换的控制方式一般分为5种类型。
1. 程序查询方式(Programmed Direct Control) 这种方式又称为程序直接控制方式，是指信息交 换的控制完全由主机执行程序来实现。当主机执行到 某条指令时，发出询问信号，读取设备的状态，并根 据设备状态，决定下一步操作，这样要花费很多时间 用于查询和等待，效率大大降低。这种控制方式用于 早期的计算机。现在，除了在微处理器或微型机的特 殊应用场合，为了求得简单而采用外，一般不采用了。
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计算机组成原理
第七章 输入输出系统
I/O 控制方式
主要由程序实现
主要由附加硬件实现
程序 查询方式
程序 中断方式
DMA方式
通道方式
PPU 方式
图 7.1
外围设备的 I/O 方式
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计算机组成原理
第七章 输入输出系统
计算机组成原理第7章系统总线课件
7.1.1 总线的基本概念
总线宽度:指一次并行传输的信息位数。 总线频率:指总线工作时每秒内能传输数据的次数。 传输率:指每秒能够传输的字节数，用MB/s表示。
传输率和总线宽度、总线频率之间的关系是： 传输率=总线宽度／8×总线频率
7.1 总线概述
7.1.2 总线的工作原理
总线是以分时的方法来为多个部件服务的，但是在任意时刻只 为某两个部件或设备所占用。当总线上的一个部件要与另一个部件 进行通信时，首先应该发出总线请求信号。在某一时刻，可能会有 多个部件同时要求使用总线，总线控制机构根据一定的判决原则， 决定首先由哪个部件使用总线。只有获得了总线控制权的部件，才 能开始传送数据。此时发送信息的总线主部件分时的将信息发往总 线，再由总线将这些信息同时发往各个接收信息的总线从部件。究 竟哪个部件接收信息，是由获得总线控制权的总线主部件给出的地 址信息经过译码之后产生的控制信号来决定。
7.1.3 总线的结构
7.1.4 总线的分类
指令系 统
吞吐量
最大存储 容量
分类
7.2 总线的控制与通信
7.2.1 总线的控制
总线在任意时刻只被某两个部件或设备所占用。当总线 上的一个部件要与另一个部件进行通信时，首先应该发出总 线请求信号。在某一时刻，可能会有多个部件同时要求使用 总线，总线控制机构根据一定的判决原则，决定首先由哪个 部件使用总线。只有获得了总线控制权的部件，才能开始传 送数据。获得总线控制权的部件被称为主部件，主部件一旦 获得总线控制权后，就立即开始向另一个部件进行一次信息 传送。负责接收信息的部件被称为从部件。
计数器的初始值还可以由程序来设置，这就可以方便地改变优先 次序，增加系统的灵活性。
7.2 总线的控制与通信
计算机组成原理之外围设备
点距：相邻像素的距离（相同色彩点的距离）
灰度和色彩
• 灰度级：黑白显示器所显示的像素点 的亮暗差别,彩色显示器所能表现的颜 色数量(彩色深度)。 • 单色显示器：只有两级灰度的显示器。 • 黑白显示器：具有多种灰度级的黑白 显示器。 • 彩色显示器：红、绿、蓝三色发光点 组成。
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7.4 硬磁盘存储设备
7.4.1 磁记录原理与记录方式 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。
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7.1 外围设备概述
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7.2 显示设备
阴极射线管显示器CRT 阴极射线管显示器CRT Cathode Ray Tube
液晶显示器LCD 液晶显示器LCD Liquid Crystal Display
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磁记录方式
磁记录方式是一种编码方法，将数字 信息转换成磁化单元
调相制（PM）：又称相位编码（PE） ）：又称相位编码 •调相制（PM）：又称相位编码（PE）Phase Modulation 记录数据“0”时，规定磁化翻转的方向由负 变为正，记录数据“1”时从正变为负。 “0”，“1”的读出信号相位不同，抗干扰能力 强（磁带多用此）。 具有自同步能力。
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磁盘存储器的主要技术指标 （1/4）
(2)存储容量 以字节为单位,指存储器所能存储的二进制信息 总量。 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
计算机原理 第七章第一节—四节“计算机外围设备”的相关知识。
计算机原理第七章第一节—四节“计算机外围设备”的相关知识。
主题：第七章第一节—四节“计算机外围设备”的相关知识。
学习时间：2016年12月5日--12月11日内容：我们这周主要学习第七章一节—四节“外围设备概述”、“磁盘存储设备”、“磁带存储设备”的相关知识。
希望通过这四节内容的学习能使同学们掌握计算机外围设备的相关知识。
一、学习要求1．了解外围设备概述知识；2．掌握磁盘存储设备的相关知识；3．了解磁带存储设备相关内容。
二、主要内容（一）外围设备概述1．概念：计算机系统中除主机外的其他设备，包括输入和输出设备、外存储器、模数转换器、数模转换器、外围处理机等，是计算机与外界进行通信的工具，例如打印机、磁盘驱动器或键盘。
其主要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，将外界的信息输入计算机，取出计算机要输出的信息，存储需要保存的信息和编辑整理外界信息以便输入计算机。
2．基本组成：---存储介质，它具有保存信息的物理特征；---驱动装置，它用于移动存储介质；---控制电路，它向存储介质发送数据或从存储介质接受数据；---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。
3．常见外围设备简介1）输入设备输入设备主要完成输入程序、数据和操作命令等功能，也是进行人机对话的主要部件。
（1）键盘键盘是目前应用最普遍的一种输入设备，与CRT显示器组成终端设备。
键盘是由一组排列成阵列形式的按键开关组成的，每按下一个键，产生一个相应的字符代码(每个按键的位置码)，然后将它转换成ASCII码或其他码，送主机。
ASCII：(American Standard Code for Information Interchange) 用于信息交换的美国标准代码。
ASCII是128个字符组成的字符集。
（2）光笔、图形板和画笔（或游动标）输入光笔(light pen)的外形与钢笔相似，头部装有一个透镜系统，能把进入的光会聚为一个光点。
计算机组成原理(第七章 输入输出系统
第七章输入输出系统第一节基本的输入输出方式一、外围设备的寻址1．统一编址：将输入输出设备中控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等与内存单元一样看待，将它们和内存单元联合在一起编排地址，用访问内存的指令来访问输入输出设备接口的某个寄存器，从而实现数据的输入输出。
2．单独编址：将输入输出设备中控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器单独编排地址，用专门的控制信号进行输入输出操作。
3．CPU与外围设备进行通信有三种类型：（1）CPU向外围设备发出操作控制命令。
（2）外围设备向CPU提供状态信息。
（3）数据在CPU与外围设备之间的传递。
历年真题1．对外设统一编址是指给每个外设设置一个地址码。
（2002年）【分析】CPU与外设之间的信息传送是通过硬件接口来实现的，各种外设的硬件接口上又都包含有多个寄存器，如控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等。
统一编址是将外设接口上的各种寄存器等同于内存储器的存储单元，通过使用访问内存单元的指令来访问外设接口上的各个寄存器，这样就可以使用访存指令来访问外设，输入输出操作简单，程序设计比较简便。
由于外设接口上的寄存器种类和数量通常不止一个，所以一个外设至少对应一个以上的内存地址。
【答案】对外设统一编址是将外设接口上的寄存器等同内存单元，给每个外设设置至少一个地址码。
二、外围设备的定时1．外围设备的定时方式有异步传输方式和同步定时方式两种。
2．实现输入输出数据传输的方式主要有：程序控制方式、直接存储访问（DMA）方式、通道方式。
程序控制方式又可分为程序查询方式和中断方式两种。
历年真题1．对I/O数据传送的控制方式，可分为程序中断控制方式和独立编址传送控制方式两种。
（2001年）【分析】对1/O数据传送的控制方式，可分为程序直接控制方式、程序中断控制方式、DMA控制方式、通道控制方式等。
程序中断控制方式只是其中的一种方法，独立编址是指对1/O设备的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等单独进行地址编排，使用专门的指令对其进行操作，可用在各种数据传送的控制方式中。
计算机组成原理与系统结构的外围设备
计算机组成原理与系统结构的外围设备信息与科技工程学院计算机组成原理与系统结构主讲要点回顾概述总线是计算机系统中多个部件或设备共用的传递信息的数据通路(电子通道)。
要点回顾总线类型与结构1.总线类型1)按连接层次划分(1)片内总线:(2)系统总线:(3)通信总线:2)按数据位数划分(1)并行总线:(2)串行总线:3)按用法划分(1)专用总线:(2)公用(共享)总线:要点回顾总线类型与结构2.总线特性1)总线的特性(1)机械特性:(2)电气特性:(3)功能特性:(4)时间特性：2)总线的性能指标(1)总线带宽:(2)总线宽度(3)总线负载要点回顾总线类型与结构3.总线结构1)单总线结构2)多总线结构要点回顾总线类型与结构3.总线结构图一个基于PCI的系统示意图要点回顾总线的信息传输方式1.总线操作在总线上为配合某种功能实现而进行的各种信息传输被称为总线操作。
2.数据传输方式1)并行传送方式2)串行传送方式3)分时传送方式4)消息传送方式3.总线通信方式1)同步通信方式（时钟控制）2)异步通信方式（握手协议）要点回顾总线仲裁1.集中式仲裁1)菊花链图菊花链仲裁方式要点回顾总线仲裁1.集中式仲裁2)轮询图轮询仲裁方式要点回顾总线仲裁1.集中式仲裁3)独立请求独立请求方式要求共享总线的每个设备有独立的BR线和BG线。
图独立请求仲裁方式要点回顾总线仲裁2.分布式仲裁图自举分布式仲裁方式要点回顾总线仲裁2.分布式仲裁2）链式分布式仲裁方案图链式分布式仲裁方式要点回顾典型的总线1.PCI总线由于图形界面及高速音频、视频数据传输的需求，Intel公司于1991年首先提出了PCI总线的概念。
B总线USB(UniversalSerialBus)是由Compaq、Hewlett-Packard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC、Philips这7家公司联合开发的通用串行总线，其总线规范几经修订，形成了现在广泛使用的2.0版本，而最新发布的是3.0版本。
计算机组成原理--外围设备
计算机组成原理–外围设备1. 介绍外围设备是计算机系统中与计算机核心部件（如CPU、内存等）相连的一些输入/输出设备，用于完成人机交互和数据传输的任务。
在计算机组成原理中，外围设备是指与计算机核心部件相连的各种输入/输出设备，包括但不限于键盘、鼠标、显示器、打印机、扫描仪等。
本文将重点介绍常见的外围设备并探讨其工作原理。
2. 键盘键盘是一种常见的输入设备，用于向计算机输入文本、命令和控制信息等。
键盘通常采用矩阵排列的按键结构，具有各种控制键和功能键。
当用户按下键盘上的按键时，按键会触发开关，产生一个电信号，然后通过连接到计算机主板的电路传递给CPU。
CPU解释这个电信号，将其转化为二进制数据，进而进行相应的处理，例如输入字符、执行命令等。
3. 鼠标鼠标是一种常用的输入设备，在计算机图形用户界面中起到了重要的作用。
鼠标通常由几个按钮和一个移动球或光学传感器组成。
通过移动鼠标，用户可以控制光标在屏幕上的位置，并通过鼠标左键和右键与计算机进行交互。
当用户点击鼠标按钮时，鼠标会产生一个电信号，然后通过连接到计算机主板的电路传递给CPU。
CPU解释这个信号，将其转化为相应的操作，例如在屏幕上选中文本、打开应用程序等。
4. 显示器显示器是一种常用的输出设备，用于将计算机处理的数据和图像以可视化的方式显示给用户。
显示器通常使用液晶显示技术或荧光显示技术，通过控制每个像素点的亮度和颜色来显示图像。
当CPU处理完数据后，它将通过显卡将数据发送到显示器。
显卡将数据转化为显示器可识别的信号，然后通过显示器的电路驱动屏幕上的像素点发出光来显示图像。
5. 打印机打印机是一种常见的输出设备，用于将计算机处理的数据和图像打印到纸张上。
打印机通常具有喷墨打印、激光打印、热敏打印等多种打印技术。
当CPU处理完数据后，它将通过打印机接口将数据发送给打印机。
打印机通过控制喷墨头或激光束在纸张上打印出相应的图像或文本。
6. 扫描仪扫描仪是一种常见的输入设备，用于将纸质文档或照片转化为电子文件。
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硬磁盘内部构成
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7.2.3 硬磁盘驱动器和控制器
定位驱动系统
主轴系统 数据转换系统 主机与磁盘驱动 器之间的接口。
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硬磁盘的驱动器
2018年12月26日星期三
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现代硬盘结构示意图
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7.2.4 磁盘上信息的分布
控制电路 读写控制 用于使该外设与外界（如CPU）的信息传递。
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7.1.2 外围设备的分类
分类 输入/出设备； 外存设备； 数据通信设备； 过程控制设备； …… 外设都是通过适配器与 主机连接的； 适配器控制所连外设 的具体工作；
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用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记录信息可以长期保存而不丢失；
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； 非接触式读写，对工作环境要求较高。 要求防尘、防震
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磁表面存储器的读写原理
在磁表面存储器中，信息的读写是利用磁头来进行的； 磁头：由软磁材料做铁芯，绕有读写线圈的电磁铁。 写操作 原理：电-磁变换； 利用磁头写线圈中的脉冲电流，在磁表面每个存储元上形 读操作 原理：磁-电变换； 利用磁头读线圈， 将磁表面每个存储 元上的不同剩磁状 态转换成电信号读出；
第7章 外围设备
目录
7.1 外围设备概述 7.2 磁盘存储设备 7.3 磁盘存储设备的技术发展 7.4 磁带存储设备 7.5 光盘和磁光盘存储设备 7.6 显示设备 7.7 输入设备和打印设备
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——了解 ——掌握 ——了解 ——了解 ——理解 ——理解 ——理解
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考研大纲要求
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为便于进行读/写操作；
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7.4.5 磁盘存储器的技术指标
存储密度 有道密度、位密度、面密度三个不同的指标； 相关概念
道距：相邻两磁道中心线之间的距离； 道宽：磁化轨迹的宽度。
存储容量 一个磁盘存储器所能存储的字节总数； 平均存取时间 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。 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；
记录面
磁盘片表面； 一个盘片有上下两个记录面。 磁道 记录面上一系列同心圆； 最外圈为0磁道 ，依次为1、2、……、N磁道； 每个磁道的存储容量均相同； 不同盘片的相同磁道构成一个柱面； 扇区 同心圆上的一段磁道区域； 每个扇区的存储容量也相同。
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组合
固定磁头固定盘片 固定磁头可换盘片
可移动磁头固定盘片 可移动磁头可换盘片
磁头、盘片、电机等部件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：防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。
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硬磁盘外观
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动画演示： 7-1.swf
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7.2 磁盘存储设备
7.2.1 磁记录原理
7.2.2 硬磁盘机的基本组成和分类
7.2.3 硬磁盘驱动器和控制器
7.2.4 磁盘上信息的分布
7.4.5 磁盘存储器的技术指标
重点掌握
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7.2.1 磁记录原理
磁表面存储器 如：磁带、磁盘
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7.2.2 磁盘的组成和分类
硬盘的逻辑结构组成 磁记录介质 磁盘控制器 磁盘驱动器
磁头、 小车、 传送带
读写控制电路
动画演示： 7-5.swf
硬质圆形盘片
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硬磁盘的分类
按盘片结构分
可换盘片式、固定盘片式
按磁头分 可移动磁头、固定磁头 温彻斯特磁盘机 简称温盘 可移动磁头固定盘片的磁盘机； 密封组合式的硬磁盘；
2018度上的磁道数； 单位：道/英寸。 位密度 磁道单位长度上能记录的二进制代码位数； 单位：位/英寸。 注意：每个磁道的位密度均不相同，有最高、最低位密度。
0磁道的位密度为最低位密度；
面密度 位密度和道密度的乘积；
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7.1.1 外围设备的一般功能
外围设备的定义： 计算机系统中，除CPU和主存之外的部件都可看作外设； 外围设备的功能： 在计算机和其他机器，或与用户之间提供联系。
外围设备的基本组成：
存储介质 盘片组 用于信息的保存；
以硬盘为例
驱动装置 定位驱动器 用于移动存储介质，使之正常工作；
七、输入输出系统 （一）I/O系统基本概念 （二）外部设备
1. 输入设备：键盘，鼠标
2. 输出设备：显示器、打印机
3. 外存储器：
硬盘存储器、硬盘阵列、光盘存储器
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7.1 外围设备概述
7.1.1 外围设备的一般功能 7.1.2 外围设备的分类
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磁盘上的信息记录方式
一个硬盘由多个盘片构成的磁盘组来记录信息； 每个盘片包括两个记录面（除最上面和最下面）； 每个记录面表面通常有几十到几百个磁道来记录信息； 每个磁道又分为若干个扇区。 磁盘组的信息记录顺序是按照柱面来组织的： 第0面第0道第1面第0道……第N面第0道 第0面第1道第1面第1道……第N面第1道 …… 硬盘上信息地址由记录面号、磁道号、扇区号三个部分组成。 索引 ：磁道的起始位置。
单位：位/平方英寸。
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存储容量
存储容量=记录面数×每面磁道数×磁道容量 非格式化容量 磁记录表面可以利用的磁化单元总数。
格式化容量
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。 格式化容量一般是非格式化容量的60%—70%。