第7章 外部存储器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,7,章 外部存储器,外部存储器是通过外部设备接口与,CPU,连接的存储设备。常用的外部存储器包括硬盘、软盘和光盘等存储器，以及近年来出现的移动硬盘、,USB,接口的,FLASH,盘（俗称,U,盘或闪盘）等新型外部存储器。本章重点介绍硬盘、软盘和光盘的组成、工作原理及技术参数。,7.1,硬盘,硬盘为计算机提供了大容量的、可靠的与高速的外部存储手段，其存储容量比内存和软盘大，而存取速度比内部存储器低，又比软盘和光盘等其他外部存储器高，是目前最常用的大容量存储设备。,7.1.1,硬盘的发展及分类,1.,硬盘的发展,在发明磁盘系统之前，计算机使用穿孔纸带、磁带等来存储程序与数据，这些存储方式不仅容量低、速度慢，而且有个缺陷。它们都是顺序存储，为了读取后面的数据，必须从头开始读，无法实现随机存取数据。,(1),硬盘的产生,(1),硬盘的产生,(2),技术的发展,“,温彻斯特”技术,(3)GB,时代,(4),高速发展时期,2.,硬盘的分类,硬盘的分类有不同的分类方式。,按盘径尺寸分类：,5.25,英寸、,3.5,英寸、,2.5,英寸和,1.8,英寸。,盘径为,5.25,英寸的硬盘是昆腾公司生产的,Bigfoot,（大脚）系列硬盘，现在很少在见到。盘径为,3.5,英寸的硬盘是目前大多数台式机使用的硬盘。而盘径为,2.5,英寸和,1.8,英寸的硬盘主要用于笔记本计算机及部分便携仪器中。,按接口类型分类：,IDE,接口硬盘、,SATA,接口硬盘和,SCSI,接口硬盘。,7.1.2,硬盘的构成,硬盘主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成，常见的硬盘如下图所示。,1.,硬盘的外部结构,(1),接口,(2),控制电路板,(3),固定盖板,2.,硬盘的内部结构,(1),浮动磁头组件,(2),磁头驱动机构,(3),盘片和主轴组件,(4),前置控制电路,7.1.3,硬盘的工作原理,1.,信息存储格式,磁盘由最基本的盘片组成，盘片可划分为磁道、扇区和柱面。,2.,磁盘数据读写,硬盘的最基本组成单元,盘片是在非磁性的合金材料（最新的磁盘则采用玻璃材料）表面涂上一层很薄的磁性材料，通过磁层的磁化方向来存储“,0”,、“,1”,信息。,信息存储在盘片上，由磁头来进行信息的读写，磁头采用轻质薄膜部件，盘片在高速旋转下产生的气流浮力迫使磁头离开盘面悬浮在盘片上方。当硬盘接到系统读写数据的指令后，由相应的磁头根据给出的地址，首先按磁道进行定位，然后再通过盘片的转动找到相应的扇区，实现扇区的定位。最后，由磁头在寻址的位置上进行信息的读写并将相应的信息传送给指定位置（如硬盘自带的缓存上）。,3.,接口类型及传输模式,硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬盘接口，决定着硬盘与计算机之间的连接速度。在整个系统中，硬盘接口的优劣，直接影响着程序运行快慢和系统性能好坏。从整体的角度上，硬盘接口分为,IDE,、,SATA,、,SCSI,和光纤通道四种。,IDE,接口硬盘，多用于家用产品中，也部分应用于服务器。,SATA,是一种新的硬盘接口类型，还正处于市场普及阶段，在家用市场中有着广泛的前景。,SCSI,接口的硬盘，则主要应用于服务器市场。,光纤通道，只在高端服务器上，价格昂贵。,7.1.4,硬盘的性能参数,在介绍硬盘的构成及工作原理之后，我们有必要先了解一下硬盘的主要性能参数。关于硬盘的性能参数有很多，这里只介绍与性能有关的主要参数，它们是使用和选择硬盘时的主要技术指标。,1.,硬盘容量,2.,转速,3.,缓存,4.,平均寻道时间,5.,硬盘的数据传输率,7.1.5,硬盘技术的最新发展,1.,热插拔技术,2.,磁盘阵列技术,3.,移动硬盘,4.,微型硬盘,7.2,软盘,软盘属于可移动介质，在早期的,PC,机中，软盘是惟一可更换的磁盘存储器，主要用于文件复制和应用软件载体。,除了可以更换和移动等特点外，软盘在容量、速度和可靠性等指标方面都与硬盘相差甚远。,7.2.1,软盘的发展及分类,1.,软盘的发展,在,20,世纪,80,年代及,90,年代初期，光盘、移动硬盘等其他外部存储设备没有出现，软盘几乎是惟一的可移动、可携带的外部存储设备，软件安装、个人文件保存、文件交换、文件备份主要都采用软磁盘为载体。,近年来，随着各种各样其他外部存储设备的快速发展，软盘由于容量小，存储速度较慢，所以应用逐渐减少。另外，软盘使用需要有专门的驱动器支持，该驱动器除电子部分外，还有慢速的机械部分，容易出现故障。而使用,USB,接口的存储设备，不需要专门的驱动器，如,U,盘等，可以使用计算机的,USB,接口。对于,U,盘来讲，只有电子器件，没有机械设备，容量大，速度快。随着,U,盘和移动硬盘的价格逐步下降，软盘将逐步被淘汰。,2.,软盘的分类,软盘（,FD,，,Floppy Disk,）的分类有不同的分法。,按照盘片的大小分为：,5.25,英寸软盘和,3.5,英寸软盘，但是软盘技术发展到今天，,5.25,英寸软盘已经很少见了，大部分计算机上已经没有了这种软盘的接口和驱动器。,按信息存储密度又分为：单密度和双密度。,其存储面有单面和双面之分，由于这种差别，出现了双面双密度、双面单密度、单面双密度、单面单密度四种类型。,7.2.2,软盘的构成,PC,机软盘系统的结构与硬盘系统类似，由软盘片、软盘控制器、软盘驱动器（磁头位于其上）组成，,3.5,英寸，容量为,1.44MB,软盘的物理外观如图,7-7,所示。,7.3,光盘,光存储器简称光盘，是近年来越来越受到重视的,种外存设备，已经逐步成为多媒体计算机不可缺少的设备。,7.3.1,光盘的发展及特点,1.,光盘的发展,光存储技术的研究从,20,世纪,70,年代开始。人们发现通过对激光聚焦后，可获得直径为,1,微米的激光束。根据这个事实，荷兰,Philips,公司的研究人员开始研究用激光束来记录信息。,1972,年,9,月,5,日，该公司向新闻界展示了可以长时间播放电视节目的光盘系统，这个系统被正式命名为,LV,（,Laser Vision,）光盘系统（又称激光视盘系统），并于,1978,年投放市场。这个产品对世界产生了深远的影响，从此，拉开了序幕利用激光来记录信息的革命。光盘的发展历程如下图所示。,2.,光盘的特点,(1),与传统的大容量存储介质磁带相比,磁带特别是数据流磁带的单盘容量虽然较大，可达到,500GB,，但这样的磁带价格昂贵，同时磁带如果保管不善则易发霉、易磨损，接近磁体时数据易丢失，而且不同厂家的不同格式的磁带驱动器也互不兼容，以至于数据交换很不方便。,(2),与软磁盘相比,软磁盘容量小，即使,Zip,软盘，容量也仅有,120MB,，且安全可靠性差，目前也已经很少使用。,(3),与硬盘相比,光盘具有坚固、抗震性好、不易损坏等优点。,CD/DVD,光盘具有容量大、易保存（其保存期长达,30,年以上）、可靠性高、表面磨损后可进行修复、携带方便，数据交换方便等特点，在近年来的存储市场上发展十分迅速。,7.3.2,光盘的分类,1.,按照物理格式分类,(1)CD,系列,(2)DVD,系列,2.,按照应用格式分类,(1),音频（,Audio,）,(2),视频（,Video,）,(3),文档,(4),混合（,Mixed,）,3.,按照读写限制分类,(3),可读写式,(1),只读式,(2),一次性写入式,4.,按照工作原理分类,(1),光技术,(2),磁、光技术结合,7.3.3 CD,光盘的物理构造,1.,光盘的材料,CD,光盘采用聚碳酸脂（,Polycarbonate,）制成，这种材料寿命很长而且不易损坏，摩托车头盔和防弹玻璃也是采用这种材料制成的。,2.,物理构造,CD,光盘上记录的信息最小单元是比特（,bit,）。在聚碳酸脂材料上用凹痕和凸痕的形式记录二进制“,0”,和“,1”,，然后覆上一层薄反射层，最后再覆上一层透明胶膜保护层，并在保护层的一面印上标记。我们通常称光盘的两面分别为数据面和标记面。,CD-ROM,盘片数据面呈银白色，使用的是铝反射层。,CD-R,盘片的感光层都使用有机染料制成，目前主要有金、绿、蓝三种颜色，分别称为金盘、绿盘和蓝盘。目前通常用的光盘直径为,12cm,，厚度约为,1mm,，中心孔直径为,15mm,，重约,14,18g,。,CD,盘片的结构如图,7-10,所示。,3.,数据记录和读取方式,二进制数据以微观的凹痕形式记录在螺旋轨道（,track,，也称光道）上，光道从盘的中心开始直到盘的边缘结束，这与磁盘的同心环型磁道不一样。,光道上凹凸交界的跳变沿均代表数字“,1”,，两个边缘之间代表数字“,0”,。“,0”,的个数是由边缘之间的长度决定的。信息读取时，,CD,机的激光头发出一束激光照到,CD,盘的数据面并拾取由凹痕反射回来的光信号，由此判别记录的是“,1”,或“,0”,。,4.,数据容量,普通光盘凹痕宽约,0.5m,，凹痕最小长度约,0.83m,，光道间距约,1.6m,。每张光盘大约包含,8,亿个凹痕，可容纳高达,680 MByte,的数据量，因此光盘的容量很大。,7.3.4 CD-ROM,驱动器工作原理,CD-ROM,驱动器以下述方式工作：,激光二极管向一个反射镜发射一束低功率的红外线光束。,伺服电机根据微处理器的命令，通过移动反射镜将光束定位在,CD-ROM,正确的轨道上。,当光束照到光盘时，这个红外光已通过盘片下面的第一个透镜聚集起来并聚焦，从镜子反射回来的光束送到光束分离器。,光束分离器将返回的激光束送往另一个聚焦透镜。,这个最后的透镜将光束送往光电二极管，在那里将光信号转换成电脉冲。,这些电脉冲由微处理器解码，然后以数据的形式送往主机。,7.3.5,光驱的接口,(1)SCSI,接口,(2)IDE,接口,(3),并行接口,(4)USB,接口,7.3.6,光驱的主要技术指标,1.,数据传输速率,数据传输速率是指在给定的时间内，驱动器能从光盘上读出并传送给主机的数据量。一般来说，数据传输速率反映了驱动器读取大量连续数据流的能力。,在工业界，标准的计量单位是每秒千字节，通常缩写成,KB/s,，而现代快速光驱，则用每秒兆字节（,MB/s,）。假设一个制造商声称某光驱的传输速率为,150KB/s,，则表示在该光驱达到正常转速后，能从光盘上以,150KB/s,的速度读取连续的数据流。注意，这是对单个大文件持续、顺序地读，而不是读盘片中不同部位的数据。显然，数据传输速率规格反映的是驱动器读取数据的峰值能力。有一个高速的数据传输率固然好，但是还有许多其他因素对性能来说也很重要。,2.,访问时间,CD-ROM,驱动器访问时间的测量方法与,PC,硬盘驱动器相同。访问时间是指驱动器从接到读取命令后到实际读出第一个数据位之间的时间延迟。这个时间以毫秒为单位，对,24,倍速光驱，标称的访问时间一般为,75ms,。这里指的是平均访问速率，实际的访问速率主要取决于数据在盘上的位置。当读取机构被定位在盘中心附近时，其访问速率要比被定位在外道附近快。许多制造商标称的访问速率是通过一系列的随机读取操作后统计出来的平均值。,3.,缓存,/,高速缓存,多数,CD-ROM,驱动器中，都在板上装有内部缓存或存储器的高速缓存。这些缓存其实就是安装在驱动器电路板上的存储器芯片，使在将数据发送给,PC,以前先在这里积累成一个较大的段。虽然,CD-ROM,驱动器的缓存数量有多有少，但典型数量为,256KB,。通常，较快的驱动器使用较多的缓存来处理较高的数据传输速率。但是，许多低价,CD-ROM,驱动器只有,128KB,缓存，虽节省了成本，却牺牲了性能。,4.CPU,利用率,CPU,利用率参数是指为了帮助硬件或软件正常工作，占用,CPU,资源的时间的多少。当然希望有较低的,CPU,利用率，因为节省下来的,CPU,时间可用于其他任务，从而提高整个系统的性能。在,CD-ROM,