第4章计算机硬件及网络

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,第,4,章 外部存储器,本章要点,4.1,磁盘存储器,4.2,磁带,4.3,光盘,4.4,移动式存储器,4.5,硬盘性能测试程序,习题,本章逻辑结构,4.1,磁盘存储器,4.1.1 磁盘存储原理,4.1.2 软盘驱动器,4.1.3 硬盘驱动器,4.2,磁带,4.2.1 磁带存储器概述,4.2.2 磁带机的工作原理和结构,4.2.3 磁带的应用领域,本章逻辑结构,4.3,光盘,4.3.1 光盘概述,4.3.2 CD-ROM和可写入CD-ROM,4.3.3 DVD与可写入DVD,4.3.4 蓝光光盘（Blu-ray Disc）,3.4,移动式存储器,4.4.1 U盘,4.4.2 可移动硬盘,4.4.3 盒式磁带备份机,4.5,硬盘性能测试程序,习题,4.1,磁盘存储器,4.1.1,磁盘存储原理,1.,电磁原理,磁记录的基本原理电磁感应，磁头由绕有线圈的,U,型片状导体构成，相当于一个电磁铁，线圈通电后会产生相应极性的磁场，磁场方向随电流方向的变化而快速变化，磁场会影响到盘面的磁记录物质。磁盘读写操作是一个电磁信息的转换过程。数字信息以电流的形式输入到写磁头线圈中并转换成磁场去磁化记录介质，从而将数字信息以磁化状态记录在介质上，这样就完成了写入操作过程。反之，磁头将磁化状态转换成电信号并转换为数字信息输出就完成了读出操作过程。,1,记录介质,2,磁头,4.1,磁盘存储器,2.,在磁盘上读写文件,磁表面存储器的读写是通过磁头与记录介质之间相对运动进行的，一般都采用磁头固定，记录介质做高速运动。,1,写入过程,2,读出过程,3,磁表面存储器的技术指标,存储密度,存储容量,平均存取时间,数据传输率,误码率,4.1,磁盘存储器,4.1.2,软盘驱动器,1,软盘存储器概述,软盘存储器是个人计算机（,PC,）中最早使用的可移介质，它的读写是通过软盘驱动器完成的。软盘存取速度慢，容量也小，但可装可卸、携带方便。软盘现在已经不作为主要的存储媒体，但在绝大多数系统中还有使用价值，尤其是在故障处理时。当要在新的硬盘上安装或建立一个系统时，我们可以用软盘来载入分区和格式化硬盘的软件。,现在使用的软盘大都是,3.5,英寸、,1.44MB,的。在一些早期的,PC,系统上还曾经广泛使用过,5.25,英寸、,1.2MB,的软盘。,（,1,）软盘片,（,2,）软盘信息分布和寻址,4.1,磁盘存储器,2,磁道记录格式,一个磁道被软划分为若干扇区，每个扇区又分为标志区和数据区，每个区包含若干项。记录的有效数据或程序，位于数据区的,DATA,项之中。其他信息则是为了识别有效数据而设置的格式信息。每条磁道分为前置区、扇区及后置区,3,部分。,4.1,磁盘存储器,4.1.3,硬盘驱动器,1,硬盘的基本结构与分类,硬盘存储器的硬件包括硬盘控制器（适配器）、硬盘驱动器以及连接电缆。硬盘控制器（,Hard Disk Controller,，简称,HDC,）对硬盘进行管理，并在主机和硬盘之间传送数据。硬盘控制器以适配卡的形式插在主板上或直接集成在主板上，然后通过电缆与硬盘驱动器相连。硬盘驱动器（,Hard Disk Drive,，简称,HDD,）中有盘片、磁头、主轴电机、磁头定位机构、读写电路和控制逻辑等。其中盘片用来存储信息，而磁头用来读写盘片上的信息，盘片旋转依靠主轴电机的驱动，速度可达到,3600,转,/,分钟以上。,2,硬盘的信息分布,在硬盘中信息分布呈如下层次：记录面、圆柱面、磁道、信息块扇区,4.1,磁盘存储器,4.1.3,硬盘驱动器,1,硬盘的基本结构与分类,（,1,）按硬盘驱动器各部件是否密封分类,硬盘存储器可分为温彻斯特盘和非温彻斯特盘两类。,（,2,）按磁头是否可以移动分类,硬盘存储器又可分为固定头存储器和移动头存储器两类。,（,3,）按盘组是否可拆卸分类,硬盘存储器可分为可换盘片式与固定盘片式两类。,（,4,）按磁盘的尺寸分类,国内常用的磁盘存储器有,360mm,（,14in,）、,200mm,（,8in,）和,130mm,（,5.25in,）三类，,360mm,（,14in,）的应用得最多。,（,5,）按磁层分类,根据磁层的不同，可分为颗粒型涂敷磁盘和连续膜磁盘两类。,4.1,磁盘存储器,4.1.3,硬盘驱动器,2,硬盘的信息分布,硬盘存储信息的区域按层次可以分为：磁面、圆柱面、磁道、扇区,4.1,磁盘存储器,3,磁头定位系统,为了在磁盘径向方向的某一磁道完成读写，必须驱动磁头移到并定位在那里，实现这一功能的部件就是磁头定位驱动系统，它由磁头小车和驱动部件组成，磁头被安装在小车上，小车的运动带动磁头沿磁盘的径向方向前进或后退。,4,寻址过程,（,1,）磁盘地址,（,2,）定位（寻道）,（,3,）寻找起始扇区,5,磁盘存储器参数的计算,4.2,磁带,4.2.1,磁带存储器概述,磁带存储器也称为顺序存取存储器（,SequentialAccessMemory,，简称,SAM,）即磁带上的文件依次存放。磁带存储器存储容量很大，但查找速度慢，在微型计算机上一般用做后备存储装置，以便在,硬盘,发生故障时，恢复系统和数据。,磁带存储器属于磁表面存储器，是以磁带为存储介质，由磁带机及其控制器组成的存储设备，它是计算机的一种辅助存储器。磁带是一种柔软的带状磁性记录介质，它由带基和磁表面层两部分组成，带基多为薄膜聚酯材料，磁表面层所用材料多为,-Fe2O3,和,CrO2,等。磁带机由磁带传动机构和磁头等组成，能驱动磁带相对磁头运动，用磁头进行电磁转换，在磁带上顺序地记录或读出数据。,1,磁带存储器分类,按其宽度分类，有,1/4in,、,1/2in,、,1in,和,3in,几种；按磁带外形分类，有开盘式和盒式磁带两种；按其长度分类，带长有,2400ft,、,1200ft,和,600ft,等；按记录位密度分类，有,800bpi,、,1600bpi,、,6250bpi,、,8000bpi,等几种；按磁带表面并行记录信息的磁道数分类，有,4,道、,7,道、,9,道等。在现代计算机系统中，普遍采用,1/2in,开盘式磁带和,1/4in,盒式磁带，这两种都是标准磁带。,根据读写磁带的工作原理，磁带可分为螺旋扫描技术、线性记录技术、,DLT,技术和,LTO,技术几类。,4.2,磁带,2,磁带存储器的主要技术指标,衡量磁带存储器的技术指标主要有以下几个方面。,磁带速度，是指磁带在单位时间内相对于磁头移动的长度，也称为额定磁带速度，单位是,in/s,或,cm/s,。带速主要影响数据的读写速度，带速越快，数据传输率越高。,记录间隙，指相邻两个记录块间的间隔距离，单位是英寸或毫米。,启停距离，启停距离为启动走带到达正常带速时磁带所走过的距离。停止距离是指从正常带速到完全停止磁带所走过的距离。启停距离和记录间隙直接有关，应该适合记录间隙的要求，以保证数据信息的准确读出和写入。,反绕时间，是指一定长度的满盘磁带的反绕时间，以秒为单位。,磁带宽度和磁道数，磁带宽度是区别磁带类型的主要指标，不同宽度的磁带不能互换。磁带宽度和磁带上的磁道数密切相关，在相同的磁道密度下，磁带宽度大的磁道多，磁带容量也就大。常见的磁道数为,9,道。,存储容量，指磁带能存储的二进制数据总量。如,1/4,英寸的磁带存储容量在,60MB,到,26GB,之间。,4.2,磁带,4.2.2,磁带机的工作原理和结构,1,磁带机的工作原理,下面以开盘式磁带机为例来阐述磁带机的读,/,写工作原理。,（,1,）数据的写入过程,（,2,）数据的读出过程,2,磁带机的结构,磁带机的种类很多，不同种类的磁带机结构也有差异，下面讨论一下开盘启停式磁带机和数据流磁带机的结构。,（,1,）开盘启停式磁带机,开盘式磁带指的是磁带缠绕在圆形的带盘上，而且磁带的首端可以取出的磁带。根据所装磁带的长短不同，带盘的直径不一样，但是都可以通用。,走带和导向机构,磁带缓冲机构,带盘驱动机构,磁头,4.2,磁带,4.2.2,磁带机的工作原理和结构,2,数据流式磁带机,数据流式磁带机是将数据连续地写在磁带上，每个数据块间插入记录间隙，使磁带机在数据块间不启停，从而简化了磁带机的结构。因为启停式磁带机的技术关键是既要保证快速的传输速率，又要求在数据块之间准确地启动、停止，所以设置了摆杆等磁带缓冲机构。数据流磁带机简化了启停机构，省去了摆杆、真空积带箱以及机械张力控制部件，用电子控制代替机械控制。这样不仅降低了成本，而且使可靠性大为提高。,数据流磁带机有,l/2英寸开盘式和1/4,英寸盒式两种，微型小型计算机系统中的后备存储器多采用,1/4,英寸盒式数据流磁带机,(quarter-inch-cartridge,简称,QIC),。,4.2,磁带,4.2.3,磁带的应用领域,虽然磁盘存储和光存储也能实现高容量存储，都可以作为备份方式。但考虑到单位成本与高容量，只有磁带技术才真正适合数据存储备份领域。磁带介质不仅能提供高容量、高可靠性以及可管理性，而且价格比光盘、磁盘便宜很多。,通常只有在原始数据出问题时才使用备份数据恢复，所以备份数据的使用频率一般不是很高，而且备份数据的存取速度不是要求很高，不必要为了追求备份高速度而增加高额成本，存储介质的容量是备份技术中最看重的。,从上述可知，虽然磁盘存储器和光盘存储器有很大的速度优势，但磁带的良好性价比和高容量优点使它成为很多领域备份设备的首选，在以后依旧有很多的应用空间。,4.3,光盘,4.3.1,光盘概述,光盘是近年来新开发的一种新型大容量存储器，它是一种不同于磁性载体的光学存储介质，用聚焦的氢离子激光束处理记录介质的方法存储和再生信息，又称激光光盘。由于软盘的容量太小，而大容量的固定硬盘存储器，其造价较高，且不便于携带，而光盘凭借记录密度高、存储容量大和使用安全可靠等优点，在实际中得到了广泛使用。,4.3,光盘,1,光盘存储器的工作原理,（,1,）只读光盘的读原理,只读光盘由碳酸脂做成，中心带有直径,15mm,的孔洞。在盘基上浇铸了一个螺旋状的物理磁道，从光盘的内部一直螺旋到最外圈，磁道内部排列着一个个蚀刻的,“,凹陷,”,，由这些,“,凹坑,”,和,“,平地,”,构成了存储的数据信息。光道深,0.12,m,，宽,0.6,m,。螺旋形轨迹中一条与下一条的间距为,1.6,m,。只读光盘既可以记录模拟信息，也可以记录数字信号。光道上凹坑或凸区的长度是,0.3,m,的整数倍。凹凸交界的正负跳变沿均代表数字,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。,4.3,光盘,（,2,）一次写多次读光盘（,WORM,）的读写原理,一次写多次读光盘（,WORM,）是利用聚焦成,1,m,左右的激光束的热能，使记录介质的形状发生永久性变化来进行记录的，这是一种记录后不能在原地址重新写入信息的不可逆记录方式，所以只能写入一次，不能擦除和改写。,写入数据时，先将要写入的数据在光盘控制器内调制成记录序列，然后变成相应的记录脉冲信号。该脉冲信号在电流驱动电路内变为电流后被送到激光器。激光器以,20mW,左右的功率发光，并聚焦成,1,m,左右的微小光点，落在记录介质表面上，对其微小的区域进行加热，打出微米级的凹坑，有凹坑代表写入“,l,”，无凹坑代表写入“,0,”。,读取数据时，用比写入功率低的激光连续照射在光盘上，当读取激光照射在凹坑上时，反射光的光强度降低，从而在光盘轨道上产生了光反射系数高与低的两种不同状态，再由光检测器将介质上反射率的变化转变为电信号，经过数据检测、译码后送入到计算机中。,4.3,光盘,（,3,）可读写型光盘（,CD-Rewritable,，,CD-RW,）的读写原理,目前常用的可读写型光盘有磁光材料记录介质（,MO,）和相变型（,PC,）两种。,MO,是以磁性光盘为数据存储介质，以激光读写方式进行数据操作的存储设备，这种光盘也称磁光盘。,相变型（,PC,）光盘是利用记录介质的两个稳态，即反射率高的稳态和反射率低的稳