辅助存储器

SCSI接口
DMA
控制 格
式
数
控
据
制
缓
冲 C
ESDI接口
串/并
数据
转换
译码
并/串
数据
转换
编码
B
ST506接口
读时钟 发生器
读出 放大器
写入 驱动器
A
图4.49 磁盘控制器接口逻辑
磁盘控制器与磁盘驱动器之间并没有明确的界线
⑤ 磁盘上的信息分布
磁盘表面称为记录面，记录面上一系列同心圆称为磁 道（track），有双面和单面之分。 每个记录面上都有一个磁头，在寻道时同步运动。 磁盘组上直径相同的磁道构成一个柱面(Cylinder)， 柱面从外向里编址。
▲ 只读型光盘
只读型光盘由生产厂家预先用激光在盘片上蚀 刻而成，信息不能改写。
如LV、CD、CD-ROM，已相当普及。
▲ 一次写入型光盘
由用户一次写入、可多次读出但不能擦除的光盘 。要修改的数据只能追记在盘片上的空白处，用 于不需要修改的应用场合。
▲ 可重写型光盘是读/写型光盘，第一代是改写型 ，第二代是重写型。
④ 调频制（FM制）（图）
写入一个二进制信息时，磁头中通入的写 电流的频率是不相同的。
FM 1 +I
100 101
-I 图4.45 FM制写电流波形
调频制特点： 1) 每记录一个代码时，在两个信息位的交界处，写电
流一定改变方向。
2) 写“1”时，写电流的频率比写“0”时的频率高一倍 。 3) 有自同步能力。
⑤ 改进调频制（MFM制）（图）
改进调频制和调频制的区别在于去掉了 FM制中的冗余信息，
MFM 1 +I
1
0
0
1
0
1
-I 图4.46 MFM制写电流波形
其特点是：
1) 写电流不是在每个位周期的起始处都翻转，而是只 有 连续记录两个或两个以上‘0’时，才在位周期的 起始处翻转一次；
2) 逢1在位中央翻转一次。仍然保持了自同步能力，而 使记录密度提高，故又称倍密度记录方式，在磁盘 中得到广泛应用。
(3) 磁表面存储器的性能指标
① 记录密度
记录密度可用道密度和位密度来表示。 磁道是在磁层运动方向上被磁头扫过的轨迹。一个 磁表面会有许多磁道。
在沿磁道分布方向上，单位长度内的磁道数目，叫 道密度。常用的道密度单位为TPI（每英寸磁道数）， 目前软磁盘的道密度约40—150TPI。
在磁道中，单位长度内存放的二进制信息的数目叫 位密度。位密度的单位为bPI（每英寸二进制位数） 。软盘位密度约每英寸4000—10000位。
温盘的盘片直径有14吋、8吋、5.25吋和3.5吋等几种 ，用于IBM PC 系列机的温盘一般是3.5吋的，现在容 量可达20GB以上。
③ 硬盘驱动器
硬盘驱动器是精密的机电装置，由定位驱动系统、主轴 系统和数据转换系统组成。加工和安装有严格的技术要 求，在超净环境下组装。
来自或送到 磁盘控制器
写命令 写入数据 读出数据 读命令 盘地址
寻道结束
扇区符合
写入电路 读出电路
磁头选择 读写磁头
磁盘地址 寄存器 道地址
扇区号
扇区符合 比较器
磁头定位 伺服系统
扇区 计数器
扇区标志脉冲
图4.48 磁盘驱动器逻辑框图
磁盘驱动器的逻辑操作归纳为寻址、读盘和写盘。
·寻址操作 ☉根据控制字中的盘地址（柱面号、磁头号、扇区号）
辅助存储器
磁表面存储器
◆ 磁表面存储器包括磁鼓、磁带、磁盘和磁卡片 等。目前，在计算机系统中以磁盘和磁带为主。
磁表面存储器主要用作辅存，可存储大量的程 序和数据，需要时，调入主存供CPU访问。属 I/O设备。 ◆ 本节主要介绍磁表面存储器的存储原理、数
据的记录方式以及磁盘和磁带的结构及寻址方 式。
③ 调相制（PM制）（图）
利用写电流的相位不同实现写“1”和写“0”的
一种记录方式。若写“0”时，写电流先正后负；
而写“1”时，写电流是先负后正。
PM 1
100 101
+I
-I
图4.44 PM制写电流波形
主要特点：无论写1还是写0，在一个位信息期间， 写电流相位至少有一次改变。利用记录信号变向，可 生成读同步脉冲。
FF
字节数 80 12 4 4
3个
代码
FF
00
A1 1个
FE
128 2 22 12 1 256 2 54
512
F8
4E 00 或
FF
FB
（b）IBM格式的记录块组成
图4.51 IBM PC机所用软盘的记录格式
⑥ 硬盘容量和数据传输率的计算
(a) 未格式化容量的计算
按道密度和位密度计算出来的容量，没有考虑 由于格式化引入的各种附加信息，称未格式化 的容量，它比格式化后的实际容量要大。 未格式化容量=记录面数×理论柱面数×内圆 周长×位密度（bit）
④ 数据传送速率
数据传送速率是指磁表面存储器完成定位和等待操 作以后，单位时间内与主机交换数据的二进制信息 量，以位/秒或字节/秒表示。
由于磁表面存储器和主存之间的数据交换常以批量 方式进行，故传送速率较大。如软磁盘传送一个字节 约为几个微秒，而硬盘每秒可传送几兆字节。
（4）数据记录方式
(2) 磁表面存储器的读写过程
▲ 磁头固定，磁层作高速回转或匀速直线运动； 在相对运动中，通过磁头缝隙对磁层进行信息存取。
① 信息写入过程
写线圈中通以写电流脉冲，磁头缝隙处的磁场穿过 磁层中一微小区域，使该区域磁层以一定方向磁化， 且保持该方向的剩磁（+BR或-BR）。
② 信息读出过程
磁头与磁层作相对运动，当磁层中记录单元运动到 磁头缝隙下面时，在磁头中产生较大的磁通变化，读 线圈两端产生较大的感应电势E，经读出放大电路整 形和放大后成为读出信号。
找出目标磁道和记录块位置。 ·读写操作 ☉判断所找扇区已转到磁头下方。扇区定位成功，输
出扇区符合信号。 ☉控制器的读写控制电路动作。
☉写操作：就将数据送入写电路,写电路根据记录方式 生成相应的写电流脉冲。 ☉读操作：根据道、扇区地址读出内容送盘控制器。
④ 磁盘控制器
磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口；与和主 机之间采用成批数据交换方式。
1. 磁表面存储原理
(1)磁层和磁头
▲ 磁层是存放信息的介质，由非矩形剩磁特性 的导磁材料（氧化铁、镍钴合金等）构成。 将用这种材料制成的磁胶涂敷或镀在载磁体 上，其厚度通常为0.1~5μm，以记录信息。
磁层材料的剩磁（BR）要大（读出信息大）， 矫顽力HC要合适（较小的写电流）；磁层厚 度要薄（提高记录密度）；生成磁层的工艺、 机械性能好。
② 不归零-1（NRZ—1）制（图）
写电流只在写“1”时改变方向，写“0”时写电流 不变，所以又称作“见1就翻”不归零制。
NRZ-1
1
+I
1
00Leabharlann 101-I
图4.43 NRZ-1制写电流波形
信息位间无“间隙”，记录密度较高。 存“1”才能读出信号，存“0”无读出信号，故无自 同步能力。电流不回到零，功耗较大。
具体控制有：寻道操作、地址检测、读数据、 、写数据、初始化等。
光盘存储器
◆ 光盘存储器是一种采用聚焦激光束在盘形介质 上高密度地记录信息的存储装置。 具有记录密度高、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，广泛 应用于文件、声音和图象等，各种数字化信息 的存储。
1. 光盘存储器的分类
▲ 磁头是实现“磁—电”和“电—磁”转换的 元 件磁头由高导磁率的软磁性材料（如坡莫合金
和高频铁氧体）做成铁芯，在铁芯上开有缝隙并绕 有线圈。
用磁头对磁层进行信息读写的原理
磁头中的缝隙形状和尺寸将直接影响记录密 度和读出幅度。
磁头分读磁头、写磁头和读/ 写磁头，其铁芯 上的线圈分别称为读线圈、写线圈和读/写线圈
归零制的写电流波形（图）
RZ +I
1
1
0
0
1
0
1
-I
图4.42 归零制写电流波形
归零制主要特点 ☉写入前先退磁，两个信息位之间有未磁化的间隙 （B=0），记录密度较低。 ☉每个位单元有两个读出波形，具有自同步能力，即
能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。
数据传输率=（每分钟转速÷60）×内圆周长 ×位密度（bit/S）
(2) 软磁盘存储器
① 软磁盘存储器与硬磁盘存储器的差别 1) 硬盘（温盘）转速高，磁头与磁层不接触；而
软盘转速低，磁头与磁层接触。 2) 大多数硬盘采用固定盘组，软盘单片使用。
3) 硬盘系统价格高，存储量大，存取速度快；软 盘价廉，存储量小，存取速度较慢
理论上的柱面数应该等于（磁盘有效记录区外 径-有效记录区内径）÷2×道密度。
磁道能记录的二进制信息位的理论值等于内圆 周长×位密度；内圆的记录密度最大。
(b)格式化后容量（实际容量）的计算
实际容量=记录面数×实际柱面数×每道扇区 数×每扇区的字节数（字节容量）
(c)数据传输率
数据传输率是单位时间内磁盘与主机交换数据 的二进制信息量； 数据传输率等于单位时间内磁头划过的磁道弧 长乘以位密度
浮动型活动磁头
(1) 硬磁盘存储器 ① 硬磁盘存储器的基本组成（图）
主要由磁记录介质、磁盘驱动器、磁盘控制器三 大部分组成。
并行数据 来自总线
控制逻辑 时钟
送总线
并→串转换电路
读放电路
串→并转换电路
写电流驱动器
读写开关
读/写磁头 图4.47 硬磁盘存储器的逻辑结构
② 温彻斯特磁盘存储器
可移动磁头固定盘片的磁盘存储器，用密封组合式 结构，具有防尘性好、可靠性高等优点，应用广泛。
ID域：又由序标、扇区地址和相应CRC组成。
序标：又称同步字符，标志扇区开始的代码。
扇区地址：包括柱面号、磁头号、扇区号等。
从序标开始的CRC码。 数据域又有同步字符、数据标志、数据和 相应的CRC组成。
尾空：在数据块和数据块的CRC码后的区域， 也记全‘1’。
IBM PC机所用软盘的记录格式，硬盘的记录 格式与之类似(图4.51 )。
2. 磁盘存储器
▲ 以磁盘或磁盘组作为存储介质的记录装置，又叫磁 盘机。具有记录密度高、容量大、速度快等优点， 普遍使用的一种辅助存储器。
▲ 根据盘片的构成及其可更换性分类：
磁盘
金属机体硬盘
浮动型固定磁头
浮动型活动磁头 接触型活动磁头
固定式磁盘 可更换式磁盘 固定式磁盘 可更换式磁盘
塑料机体软盘
均为可更换式
▲ 记录方式取决于写入磁化电流波形的组合 方式。记 录方式的选取将直接影响记录密度、存储容量、传 送速率以及读/写的控制逻辑。
数据记录方式按照写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、不归零制、调相制 和调频制等。
① 归零制（RZ）
写“1”用正脉冲，写“0”用负脉冲，一位信息写完 后，电流总回归到零。 磁化单元的剩磁方向，在存“1”时为+Br，存“0”时 为－Br。
② 存储容量
指整个存储器所能存放的二进制字数或字节数。 它与磁表面大小和记录密度密切相关。 磁鼓容量最小，为几兆字节。磁带容量最大，为若 干亿字节；磁盘介于两者之间。
③ 平均存取时间
存取时间应包括定位和等待这两部分时间。 磁盘的平均寻道时间一般为10~20ms；等待时间一般 取磁盘旋转一周所需时间的一半，假如磁盘转速为 6000转/分，等待时间约为5ms。 磁带的定位时间与走带速度和带长有关，带愈长， 带速愈慢，其平均时间愈长。
索引
空隙 第一扇区 第二扇区 ... 第K扇区 空隙
FM 制
MFM制
(a) 磁道上信息的分布
ID域
数据域
信息名 头 同 地
间同 数
尾
空
步 字
址 标
地 址
CRC 隙
步 字
据 标
数据 CRC 空
符志
符志
字节数 40 6
1
4
2 11 6
1
128 256 2 27
512
代码 FF 00 FE
FF 00 F8
4) 硬盘盘片不可拆卸，一般不能互换，软盘是可 拆卸的且可互换。
② 软盘盘片
软盘盘片由聚酯塑料制成，厚度几十微米，上 面凃有磁层，封装在方形外壳中。
③ 软盘驱动器和控制器
软盘驱动器主要由驱动机构、磁头及定位机构 和读写电路组成。 软盘控制器解释来自主机的命令，向软盘驱动 器发出控制信号，并检测软盘驱动器的状态， 按规定的数据格式向驱动器读写数据。
扇区
柱面0
柱面n
图4.50 磁盘的柱面和扇区示意
定长记录格式
每个记录块记录的字节数固定。如IBM PC 中 每记录块记录128、256或512字节。 定长记录格式中每个扇区记录一个数据块，每 个扇区有头空、ID域、间隙、数据域和尾空。
头空：不记数据(记全‘1’)，磁盘转过该区域的 时间是留给磁盘控制器作准备用的。