《外围设备新修改》PPT课件.ppt

第七章 外围设备 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 7.7 输入设备和打印设备 * 7.6 显示设备 * 除了 CPU和主存，其他部件都是 “ 外设 ” 。 外设的功能 提供不同计算机之间的联系； 提供计算机与用户的联系。 外设的基本组成 存储介质 : 具有保存信息的物理特征 驱动装置 : 用于移动存储介质 控制电路 : 向存储介质发送数据或从存储介质接受数 据。 7.1.1 外围设备的一般功能 外围设备（磁盘）基本组成 磁盘就是一个存储介质的例子，它是用记录在盘上的磁化元 表示信息。 例如，磁盘设备中，驱动装置用于转动磁盘并进行定位。 (3)控制电路，它向存储介质发送数据或从存储介质接受数据。 例如，磁盘读出时，控制电路把盘上用磁化元形式表示的信 息转换成计算机所需要的电信号，并把这些信号用电缆送给 计算机主机。 (1) 存储介质，它具有保存信息的物理特征。 (2) 驱动装置，它用于移动存储介质 并 定位 。 7.1.2 外围设备的分类 一个计算机系统配备什么样的外围设备，是根据实际需要来决定的。 计算机的五大类外围设备，这只是一个典型化了的计算机环境。 通过 I/O口和主机连接，并受主机控制，它还能控制外设工作。 适配器 也叫接口 系统总线 连接主机 和接口 外总线 连接设备 B 7.2 磁盘存储设备 7.2.1 磁记录原理 计算机的外存储器又称磁表面存储设备。 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、 软磁盘 均属于磁表面存储器。 磁表面存储器的优点： 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，甚至可以脱机存档； 非破坏性读出，读出时不需要再生信息。 缺点， 主要是存取速度较慢，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。 1、磁性材料的物理特性（简单看一下） 图 7.2 磁性材料的磁滞回线 用于存储设备的磁性材料，是 一种具有矩形磁滞回线的磁性材料。 这种磁性材料在外加磁场的作用下， 其磁感应强度 B与外加磁场 H的关 系，可以用矩形滞回线来描述。 磁化后，有两个剩磁状态。 +Br（正剩磁）状态表示“ 1”； Br（负剩磁）状态表示“ 0”； 2、磁表面存储器的读写原理 在磁表面存储器中，利用一种称为 “磁头” 的装置来形成和判 别磁层中的不同磁化状态。 写入 时，利用磁头使盘片具有 不同的磁 化状态 ，而在 读出 时又利用磁头来 判别不同的磁化状态 。 磁头 实际 上是由 软磁材料做铁芯绕有读写线圈的电磁铁。 S N S N 写线圈 读线圈 铁芯 磁层 载磁体 运动方向 磁头 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。如图所示 电流方向为写“ 1”，那么写线圈 的电流方向 相反后，就是写“ 0” 写操作： 读操作： 当 磁头对载磁体作相对运动 时，由于磁头铁芯中磁通的变化， 使读出线圈中 感应出相应的电动势 。不同的磁化状态，所产生的感应 电势方向不同 。经过读出放大器放大鉴别，就可判知读出的信息是 “ 1”，还是“ 0”。 如何实现写操作和读操作？ 写 ：通过电 -磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可 把一位二进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态； 读 ：通过磁 -电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储元 的不同剩磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出。 磁层上的存储元被磁化后，它可以供多次读出而不被破 坏。当不需要这批信息时，可通过磁头把磁层上所记录的信 息全部抹去，称之为写 “ 0”。 什么是写 0？ 7.2.2 磁盘的组成和分类 1、磁盘的组成： 写入时，将计算机并行送来的数据取至并 串变换寄存器，变为串 行数据，然后一位一位地由 写电流驱动器 作功率放大并加到写 磁头线圈 上产生电流，从而在盘片磁层上形成 按位的磁化存储元 。 读出时，当记录介 质相对磁头运动时，位 磁化存储元形成的空间 磁场在读磁头线圈中产 生 感应电势 ，此读出信 息经 放大检测 就可还原 成 原来存入的数据 。 由 于数据是一位一位 串行读 出 的，故要送至 串 并变 换 寄存器变换为并行数据， 再并行 送至计算机 。 磁记 录介 质 磁盘控制器 磁盘驱动器 硬磁盘 按 盘片结构 ，分成 可换盘片式 与 固定盘片式 两种； 磁头 也分为 可移动磁头 和 固定磁头 两种。 2、分类 : 可移动磁头固定盘片的磁盘机 固定磁头磁盘机 可移动磁头可换盘片的磁盘机 温彻斯特磁盘机 (温盘 ) 每面一个磁头，盘片旋转，磁头径向移动； 每磁道一个磁头 磁头径向移动； 盘片可更换 可移动磁头固定盘片的磁盘机； 目前微机中使用的是温盘。 可移动磁头固定盘片的磁盘机 的特点是一片或一组盘片固定 在主轴上，盘片不可更换。 盘片每面只有一个磁头，存取数据时 磁头沿盘面径向移动 。 固定磁头磁盘机 特点是磁头位置固定，磁盘的 每一个磁道 对应一个磁头 ，盘片不可更换。 优点 是存取速度快，省去磁头找道时间，缺点是结构复杂。 可移动磁头可换盘片的磁盘机： 盘片可以更换，磁头可沿盘面 径向移动。 优点 是盘片可以脱机保存，同种型号的盘片具有互换性。 温彻斯特磁盘简称温盘，是一种采用先进技术研制的 可移动 磁头固定盘片 的磁盘机 它是一种密封组合式的硬磁盘，即磁头、盘片、电机等 驱动部件乃至读写电路等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。 优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高，成 为最有代表性的硬磁盘存储器， 而普通的硬磁盘要求具有超净 环境，只能用于大型计算机中。 7.2.3 磁盘驱动器和控制器 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。 1、定位驱动系统 驱动磁头沿盘面径向位置运动以寻找目标磁道位置的机构叫磁头定位驱动 系统。它由驱动部件、传动部件、运载部件（磁头小车组成）。 2、主轴系统 安装盘片，并驱动它们以额定转速稳定旋转。 3、数据转换系统 控制数据的写入和读出，包括磁头、磁头选择电路、读写电路以及索引、 区标电路等。 一、 磁盘驱动器 如下图是磁盘驱动器外形和结构示意图。（课本 P214页） 磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口，通常被制作 成一块电路板插在主机总线插槽中。 电路板实物见下图 (a)所示。 二、 磁盘控制器 它的作用是接收由主机发来的命令，将它转换成磁盘驱动 器的控制命令，实现 主机和驱动器 之间的 数据格式转换 和 数据 传送 ，并控制驱动器的读 /写。 主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑见下图 (b)。 磁盘上的信息经读磁头读出以后送读出放大器，然后进行 数据缓冲器，经 DMA(直接存储器传送 )控制将数据传送到主机 总线。 主机与设备之间采用 SCSI接口 7.2.4 磁盘上信息的分布 盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为记录面。 记录面上一系列同心圆称为磁道。 每个盘片表面通常有几百到几千个磁道，每个磁道又分为若干个扇区 从图中看出，外面扇区比里面扇区面积要大。 磁盘上的这种磁道和扇区的排列称为格式。 盘片的 上下面 都可记录信息； 温盘最上 (下 )盘片只使用一个记录面。 每个记录面上有几十至几百个 环形磁道 ； 从外向内对磁道编号， 0、 1、 2、 、 n。 n磁道的内侧面积 不用 。 柱面 ：多个盘片上具有相同编号的磁道 0磁道 n磁道 PC机中每个扇区的标准容量是 512B 而每一个 磁道 又按 512个 字节 为单位划分为等分，叫做扇区， 对活动头磁盘组来说，磁盘地址由 记录面号（磁头 号）、柱面号（磁道号）、扇区号 三部分组成。 数据在磁盘上的记录格式 思考： 是不是扇区数 每扇区字节数 就是每条磁道容量？ 磁头数就是面数？磁道数等于柱面数？ 7.2.5 磁盘存储器的技术指 标 磁盘存储器的主要技术指标 1、存储密度：道密度、位密度和面密度。 2、存储容量 3、存取时间 4、数据传输率 道密度： 沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道 /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 为位 /英寸。 面密度： 位密度和道密度的乘积，单位为位 /平方英寸。 0磁道 n磁道 2、存储容量： 一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器 的存储容量。 3、存取时间： 存取时间是指从发出读写命令后，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加上传 送数据所需要的时间。 取决于三个因素决定。 第一个是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称为 找 道时间。 第二个是找道完成后至磁道上需要访问的信息到达磁头下的时 间，称为 等待时间。 这两个时间都是随机变化的 因此使用平均值来表示， 平均找道时间 是最大找道时间与最 小找道时间的平均值。 平均等待时间和磁盘转速有关，它用 磁盘旋转一周所需时 间的一半来 表示。 第三个是 数据传送时间。 Ta=Ts+1/2r+b/rN 磁盘总的平均存取时 间： 平均找道时间 平均等待时间 数据传送时间 磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，叫数据 传输率 从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为 n转 /秒 每条磁道容量为 N个字节，则数据传输率： Dr=nN(字节 /秒 ) 或 Dr=Dv(字节 /秒 ) D为位密度， v为磁盘旋转的线速度 4、数据传输率 【 例 1】 磁盘组有 6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用。 存储区域内径 22cm，外径 33cm，道密度为 40道 /cm， 内层位密度 400位 /cm，转速 6000转 /分。 问： (1)共有多少柱面 ? (2)盘组总存储容量是多少 ? (3)数据传输率多少 ? (4)采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么 ?寻址命 令中如何表示磁盘地址 ? (5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储 面上，还是记录在同一个柱面上 ? P217页 台号 柱号（磁道）号 扇区号 盘面号 /磁头号 解： (1)有效存储区域 =16.5-11=5.5(cm) 因为道密度 =40道 /cm，所以 40 5 5=220道，即 220个圆柱面。 (2)内层磁道周长为 2R=2 3.14 11=69.08(cm) 每道信息量 =400位 /cm 69.08cm=27632位 =3454B 每面信息量 =3454B 220=759880B 盘组总容量 =759880B 10=7598800B (3)磁盘数据传输率 Dr=rN N 为每条磁道容量， N=3454B r为磁盘转速， r=6000转 /60秒 =100转 /秒 Dr=rN=100 3454B=345400B/s (4)采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录块 (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，活动头磁盘组的编址方式可用如下格式： 此地址格式表示有 4台磁盘（ 2位），每台有 16个记录面 /盘面（ 4位）， 每面有 256个磁道（ 8位），每道有 16个扇区（ 4位）。 (5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个柱面上， 因为不需要重新找道，数据读 /写速度快。 例 2，某双面磁盘每面有 220道，内层磁道周长 70cm，位密 度 400位 /cm，转速 3000转 /分，问： (1)磁盘存储容量是多少？ (2)数据传输率是多少？ 7. 解：（ 1） 每道信息量 = 400位 /cm 70cm = 28000位 = 3500B 每面信息量 = 3500B 220 = 770000B 磁盘总容量 = 770000B 2 = 1540000B （ 2）磁盘数据传输率（磁盘带宽） Dr = r N N为每条磁道容量 N = 3500B r为磁盘转速 r = 3000 转 /60s = 50转 /s 所以 Dr = 50/s 3500B = 175000B/s C 7.3 磁盘存储设备的技术发展 7.3.1 磁盘 cache 随着微电子技术的飞速发展， CPU的速度每年增长 1倍左右 主存芯片容量和磁盘驱动器的容量每 1.5年增长 1倍左右 但磁盘驱动器的存取时间没有出现相应的下降，仍停留在毫秒 (ms)级 而主存的存取时间为纳秒 (ns)级，两者速度差别十分突出 因此磁盘 I/O系统成为整个系统的瓶颈 为了减少存取时间，可采取的措施有： 提高磁盘机主轴转速，提高 I/O总线速度，采用磁盘 cache等 主存和 CPU之间设置高速缓存 cache是为了弥补主存和 CPU之间速度上的差异 同样，磁盘 cache是为了弥补慢速磁盘和主存之间速度上的差异 磁盘 cache的原理 在磁盘 cache中，由一些数据块组成的一个基本单位称为 cache行。 当一个 I/O请求送到磁盘驱动时，首先搜索驱动器上的高速缓冲行是否已写上数据？ 如果是读操作，且要读的数据已在 cache中，则为命中 可从 cache行中读出数据，否则需从磁盘介质上读出。 写入操作和 CPU中的 cache类似，有“直写”和“写回”两种方法。 磁盘 cache利用了被访问数据的空间局部性和时间局部性原理。 空间局部性是指当某些数据被存取时，该数据附近的其他数据可能也将很快被存取 时间局部性是指当一些数据被存取后，不久这些数据还可能再次存取 因此现在大多数磁盘驱动器中都使用了预读策略， CPU的 cache存取时间一般小于 10ns，命中率 95%以上，全用硬件来实现。 磁盘 cache一次存取的数量大，数据集中，速度要求较 CPU的 cache低 管理工作较复杂，因此一般由硬件和软件共同完成。 其中 cache采用 SRAM或 DRAM 而根据局部性原理预取一些不久将可能读入的数据放到磁盘 cache中 7.3.2 磁盘阵列 RAID RAID称廉价冗余磁盘阵列，它是用多台磁盘存储器组成的大容量外存系统 其构造基础是利用数据分块技术和并行处理技术， 在多个磁盘上交错存放数据，使之可以并行存取 在 RAID控制器的组织管理下，可实现数据的并行存储、交叉存储、单独存储。 阵列中的一部分磁盘存有冗余信息，一旦系统中某一磁盘失效， 可以利用冗余信息重建用户信息 RAID是 1988年由美国加州大学伯克利分校一个研究小组提出的 它的设计理念是用多个小容量磁盘代替一个大容量磁盘， 因而改善了 I/O性能，增加了存储容量，现已在超级或大型计算机中使用。 工业上制定了一个称为 RAID的标准，它分为 7级 (RAID 0 RAID 6)。 这些级别不是表示层次关系，而是指出了不同存储容量、 可靠性、数据传输能力、 I/O请求速率等方面的应用需求。 并用分布数据的方法能够同时从多个磁盘中存取数据 7.4 磁带存储设备 磁带机的记录原理与磁盘机基本相同，只是它的载磁体是一种带状塑 料，叫做磁带。 写入时可通过磁头把信息代码记录在磁带上。 当记录有代码的磁带在磁头下移动时， 磁带存储设备由磁带机和磁带两部分组成，它通常用作为海量存储 设备的数据备份 磁带速度比磁盘速度慢，原因是磁带上的数据采用顺序访问方式 磁盘则采用随机访问方式。 就可在磁头线圈上感应出电动势，即读出信息代码。 7.5 光盘和磁光盘存储设备 7.5.1 光盘存储设备 目前的光盘有 CD-ROM、 WORM、 CD-R等 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。 对于数据存储用的 CDROM光盘，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。 1、 CD-ROM光盘 聚碳酸脂 铝质 聚丙酸稀脂 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。 2、 WORM、 CD-R光盘 WORM： 一次写多次读。 记录信息 1时，低功率激光束在光盘表面灼烧形成微小的凹陷区 CD-R： 允许多次分段写，多次读。 用激光将微型斑点烧在有机材料的表层 读出时，烧过的地方亮度较暗。 3、 CD-RW光盘 写数据 1时，用高温激光束使待写区域熔化，冷却后成非晶形状态 一种特殊的水晶复合物作为记录介质 写数据 0时，用较高温激光束使待写区域熔化，冷却后成晶形状态 4、 DVD-ROM光盘 两面可写 多层可写的光盘 7.5.2 磁光盘存储设备 磁光盘的基本工作原理是： 利用 热磁效应 写入数据 当激光束将 磁光介质 上的记录点加热到居里点温度以上时， 利用 磁光克尔 效应读出数据 当激光束照射到记录点时，记录点的磁化方向不同，会引起反射光的 偏振面发生不同结果，从而检测出所记录的数据“ 1”或“ 0”。 外加磁场作用改变记录点的磁化方向而不同的磁化方向可表示数字“ 0” 和“ 1” 磁光介质 记录信息的材料： 7.6 显 示 设 备 7.7 输入设备和打印设备 本章小结 外围设备大体分为 输入设备、输出设备、外存设备、数据通 信设备、过程控制设备 五大类。 磁盘、磁带属于磁表面存储器，特点是存储容量大，位价格 低，记录信息永久保存，但存取速度较慢，因此在计算机系 硬磁盘按盘片结构分为可换盘片式、固定盘片式两种，磁头 也分为可移动磁头和固定磁头两种。 温彻斯特磁盘 是一种采用先进技术研制的可移动磁头、固定 盘片的磁盘机，是目前应用广泛的硬磁盘存储器。 磁盘存储器的主要技术指标有： 存储密度、存储容量、平均 存取时间、数据传输速率 。 光盘是近年发展起来的一种外存设备，是多媒体计算机不可 习题 1， 6， 7， 8 磁盘数据传输率（磁盘带宽） Dr = r N r为磁盘转速 每条磁道容量 6、 每面信息量 Dr = r N 9位 2位 2位 4位 8、 忽略数据传送时间