第八章輔助存儲器前言8.1輔助存儲器的種類與技術指標8.2磁記錄原理與記錄方式8.3硬磁盤存儲器8.4軟磁盤存儲器8.5磁帶存儲器8.6光盤存儲器8.7硬盤、軟盤、磁帶和光盤存儲器的綜合比較8.8固態盤前言

按存放信息的不同存儲器分為兩種：主存儲器和輔助存儲器。主存儲器用來存放需要立即使用的數據和程序，輔助存儲器用來放當前不需立即使用的信息。輔助存儲器的特點是：容量大，成本低，斷電后還能保存信息，屬于非易失性存儲器。大部分存儲介質脫機后還能保存信息。8.1輔助存儲器的種類與技術指標

一.輔助存儲器的種類

常用輔助存儲器主要有兩類：磁表面存儲器和光存儲器。1、磁表面存儲器分兩類：數字磁記錄和模擬磁記錄。數字式磁記錄：硬盤、軟盤和磁帶。模擬式磁記錄：錄音和攝像設備。

工作原理：磁性材料沉積在基體上形成記錄介質，通過磁頭與記錄介質的相對運動來讀寫信息。

2、光存儲器用于計算機系統的光存儲器主要是光盤。

光盤的記錄原理：利用激光束在具有感光特性的表面上存儲信息。

二.輔助存儲器的技術指標

主要技術指標：存儲密度、存儲容量和尋址時間。1、存儲密度

定義：單位長度或單位面積磁層表面所存儲的二進制信息量。對磁盤存儲器來說可以用道密度或位密度來表示，也可用兩者的乘積——面密度表示。對于磁帶，其磁道是沿著磁帶長度方向的直線，存儲密度主要用位密度來衡量。

道密度：沿磁盤半徑方向單位長度的磁道數，單位是道/英寸或道/毫米。

位密度：單位長度磁道能記錄的二進制信息的位數，又叫線密度。單位是位/英寸或位/毫米。

2、存儲容量

定義：磁表面存儲器所能存儲的二進制信息總量。一般以字節為單位。

磁盤存儲器有格式化和非格式化兩個指標。

格式化容量：按照某種特定的記錄格式所能存儲信息的總量，也就是用戶真正可以使用的容量，一般為非格式化容量的60%~70%。

非格式化容量：磁記錄表面可以利用的磁化單元總數。

將磁盤存儲器用于計算機系統中，必須首先進行格式化操作，然后才能供用戶記錄信息。

3、尋址時間

磁盤存儲器用直接存取方式，尋址時間包括兩部分：磁頭尋找目標磁道所需的找道時間和找到磁道后磁頭等待所需要讀寫的區段旋轉到磁頭下方的等待時間。平均尋址時間=平均找道時間+平均等待時間（平均等待時間是磁盤旋轉半圈所需的時間）

磁帶存儲器用順序存取方式，其尋址時間是磁帶空移到磁頭應訪問記錄區所在位置的時間。它比硬盤的尋址時間長得多。4、數據傳輸率

定義：磁表面存儲器的緩存在單位時間內與主機之間傳送數據的位數或字節數。

傳輸率=記錄密度D*記錄介質的運動速度V5、誤碼率

定義：衡量磁表面存儲器的出錯概率的參數。誤碼率=出錯信息的位數/讀出的總信息位數。6、價格

通常用位價格來比較各種存儲器。位價格=設備價格/容量8.2磁記錄原理與記錄方式8.2.1磁記錄原理

磁表面存儲器通過磁頭和記錄介質的相對運動完成讀寫。磁表面存儲器中的信息的讀寫過程是電和磁的相互轉換過程。

1、寫磁頭線圈通一電流，磁頭中將產生磁場，在磁頭前隙處磁力線通過磁表面形成一個閉合回路，因此磁表面被磁化。當電流被撤走后，剩磁形成了磁化小區域，即電信號轉化成了磁信號。線圈中電流方向不同，剩磁狀態不同，可用來記錄0或1。

2、讀磁表面和磁頭之間相對運動，事先被磁化了的區域經過磁頭前隙時，磁力線穿過磁頭并被切割，磁頭中的磁通發生變化，線圈中產生感應電動勢，磁通正向增大時，磁頭線圈中產生一個負的電動勢；磁通變小時則產生正的感應電動勢，即產生負、正脈沖——磁信號轉換成電信號。垂直記錄是利用磁頭磁場的垂直分量，在具有各向異性的記錄介質上寫入信息，從而在介質上形成垂直于磁層表面的小磁化區。垂直記錄與水平記錄相比具有更高的存儲密度。目前的磁盤一般采用水平記錄技術。

8.2.2磁記錄介質與磁頭

1、磁記錄介質

磁記錄介質指的是涂有薄層磁性材料的信息載體，可以脫機保存信息，是不同系統之間信息交互的手段，又稱磁記錄媒體。根據記錄介質的基底不同可分軟性介質和硬性介質。基底和磁性材料都會影響記錄介質的性能。常用的磁性介質是磁粉。不同的涂布工藝方式（平涂工藝和甩涂工藝）產生的記錄介質的質量也不同。

2、磁頭磁頭是實現電磁相互轉換的裝置。磁頭的性能對讀寫、清除、記錄密度和讀出速度等均有影響。

①感應式磁頭采用電磁感應原理讀記錄信號。按工作方式分為接觸式磁頭和浮動式磁頭。接觸式磁頭：磁頭與記錄介質直接接觸。

浮動式磁頭：介質高速運動時產生的氣流在磁頭與介質表面之間形成一層空氣薄膜，使磁頭與介質表面脫離接觸。

②MR磁頭磁頭利用磁致電阻效應可在高密度記錄下讀出信息。專用于讀出的磁頭，不能寫。磁致電阻效應：將某些磁性材料放在磁場中，如果通以一恒定電流，當外加磁場改變時，該材料的電阻率也隨之改變。8.2.3磁記錄方式

定義：是一種編碼方法，按某種規律將一串二進制數字信息變換成存儲介質磁層的相應磁化翻轉形式，并經讀寫控制電路實現這種轉換規律。

常用的編碼方法有：歸零制(RZ)不歸零制(NRZ)見1就翻的不歸零制（NRZ1）調相制(PM)調頻制(FM)改進調頻制(MFM)8.3硬磁盤存儲器

8.3.1硬磁盤存儲器的種類及基本結構

硬磁盤存儲器指的是記錄介質為硬質圓形盤片的輔助存儲器系統。以鋁合金為基底，上面涂有磁粉，采用甩涂工藝。根據磁頭的工作方式分類可分成移動頭磁盤存儲器和固定頭磁盤存儲器。固定頭磁盤存儲器中每一個磁道都對應一個磁頭，省去了找道時間。移動盤存儲器為浮動磁頭，存取數據時磁頭在磁盤盤面上徑向移動。

磁盤存儲器由驅動器（HDD）和控制器（HDC）組成。磁盤驅動器又稱磁盤機或磁盤子系統，是獨立于主機外的一個裝置。硬盤控制器一般指插在主機總線插槽中的一塊電路板。它的作用是接受主機發送的命令和雙向傳送數據，將主機命令轉換成驅動器的命令，將數據轉換成對方可以接受的格式，以實現驅動器的讀寫操作。

8.3.2HDD與HDC

1、HDD（硬磁盤驅動器）

HDD的主要組成部分是定位驅動系統、數據控制系統、主軸系統和盤組（或盤片）。

1、磁頭定位驅動系統

磁頭定位驅動機構是驅動磁頭沿盤面徑向位置運動以尋找目標磁道位置的機構。定位驅動系統由驅動部件和運載部件組成。磁盤驅動器普遍采用音圈電機驅動和伺服盤定位。音圈電機直接驅動磁頭運動。磁盤機音圈電機控制系統工作過程：（1）位置檢測電路檢測出磁頭當前位置（2）控制器送來目標磁道位置（3）邏輯電路求出目標位置與磁頭當前位置的差值。（4）模擬控制電路根據差值及磁頭現在的運行速度求出磁頭運動方向和速度。（5）功率放大器把信號放大為驅動磁頭運動的電流（6）音圈電機推動小車到預定位置2、主軸系統與數據控制系統

主軸系統的作用是安裝盤片，并驅動他們以額定的轉速穩定旋轉。主要部件是主軸電機和有關控制電路。

數據控制系統的作用是控制數據的寫入和讀出。主要包括磁頭，磁頭選擇電路，讀寫電路和索引區標電路等。（1）寫入數據過程a、接收選頭選址信號，并把硬盤地址信號發到地址寄存器中完成尋址操作。b、根據控制器發來的寫命令及數據開始寫入信息c、寫電流由頭選信號、寫命令和文件保護信號控制流入選定的磁頭線圈。d、由檢測電路檢查是否出錯。

（2）讀出數據過程讀出電路接收磁盤表面的磁通變化，作為磁頭的激磁電壓，即在磁頭線圈內產生感應電動勢。a、執行尋址操作并選擇磁頭b、磁頭讀出信號送放大器c、讀放大器輸出送譯碼電路，如果采用自同步記錄方式，在此將讀出信號分為兩路，一路為數據脈沖，一路為同步脈沖。

3、盤組（或盤片）

盤片的上下兩面都能記錄信息，通常將盤片表面成為記錄面，記錄面上一系列同心圓稱為磁道。

磁盤地址由記錄面號（或稱磁頭號）、磁道號和扇區號組成，一次讀寫操作至少讀寫一個磁道上的一個扇區的數據。

一個磁盤存儲器所能存儲的字節總數，稱為存儲容量，存儲容量有格式化容量和非格式化容量之分。格式化容量一般是非格式化容量的60%--70%。4、HDC（硬磁盤控制器）

磁盤控制器是主機與磁盤驅動器之間的接口，由于輔助存儲器是快速的外部設備，它們與主機之間是成批交換數據的。采用直接存儲器存取（DMA）控制方式。作為主機與驅動器之間交接部件的控制器，有兩個接口，一個是與主機之間的接口（系統級接口），控制輔存與主機總線之間交換數據；另外一個是與設備的接口（設備級接口），根據主機的命令控制設備的操作。目前常見的系統級硬盤接口有ESDI接口、SMD接口、IDE接口、SCSI接口。

8.3.3磁盤cache

1、磁盤cache概念

主存與磁盤的讀取速度差距太大，為彌補主存與磁盤之間的速度差距可采用增加磁盤主軸轉速、提高I/O總線速度、采用磁盤cache等方法。磁盤cache就是為了彌補主存與磁盤之間的速度差距。

2、磁盤cache的工作原理

cache行：在磁盤cache中，由一些數據塊組成的一個基本單位。

當一個I/O請求送到磁盤驅動器時，首先搜索驅動器上的高速緩存行是否已被寫上數據，如果是讀操作，且要讀的數據已在cache中，則為命中可從cache中讀出數據，否則需從磁盤介質中讀出。寫入操作和CPU中的cache類似，有“寫通”和“寫回”兩種方法。

CPU與主存之間的高速緩存用硬件來實現。磁盤cache的管理和實現一般由硬件和軟件共同完成。目前的磁盤驅動器一般都帶有高速緩存，可由SRAM和DRAM組成。然而SRAM和DRAM為易失性存儲器，斷電后，存儲的數據會丟失，存在隱患。因此在網絡存儲領域，不少大型磁盤陣列自身帶有不間斷電源設備，以保證陣列的緩存中數據的安全。

8.3.4磁盤陣列存儲器

獨立冗余磁盤陣列（RAID）是用多臺磁盤儲存器組成的大容量外存儲子系統。其基礎是數據分塊技術，即在多個磁盤上交錯存放數據，使之可以并行存取。促進磁盤陣列技術快速發展的因素主要有以下三點：（1）CPU速度的增長大大超過了磁盤驅動器數據傳輸率的增長。（2）小盤徑陣列磁盤驅動器與大型驅動器相比具有成本低，功耗小和性能好等優點。（3）能保證極高的可靠性和數據的可用性。RAID0級：無冗余和無校驗的數據分塊RAID1級：鏡像磁盤陣列RAID2級：采用糾錯海明碼和位交叉存取的磁盤陣列RAID3級：采用奇偶校驗碼和位交叉存取的磁盤陣列RAID4級：采用奇偶校驗碼和塊交叉存取的磁盤陣列RAID5級：采取奇偶校驗碼和塊交叉存取的磁盤陣列RAID6級：采取塊交叉技術和兩種奇偶校驗碼的磁盤陣列RAID7級：獨立接口的磁盤陣列RAID10級：RAID0級+RAID1級8.3.5硬磁盤驅動器的發展動向向微小型，輕量化，大容量，快速，小功耗和價格低方向發展。磁盤驅動器主要采取了以下技術措施來提高其性能：（1）采用浮動磁頭，降低浮動高度。（2）采用伺服機構，提高磁道密度。（3）采用溫徹斯特技術。（4）采用MR磁頭和PRML信號處理方法。（5）改進存儲介質和盤基，提高記錄密度。（6）縮短平均儲存時間，提高數據傳輸速率。（7）HDD的微小型化。8.4軟磁盤存儲器

8.4.1概述軟磁盤存儲器簡稱軟盤。軟磁盤存儲器由軟盤驅動器、軟磁盤控制器與軟磁盤片三部分組成。一、軟磁盤存儲器與硬磁盤存儲器比較

同：（1）存儲原理（2）記錄方式異：（1）硬盤轉速高，存取速度快；軟盤轉速低，存取速度慢（2）軟盤磁頭是接觸式讀寫，硬盤磁頭不接觸盤片（3）軟盤造價低，盤片保管方便，使用靈活,且具有互換性（4）硬盤有固定磁頭，固定盤，盤組等結構。軟盤都是活動頭，可換盤片結構。8.4.2軟磁盤的記錄格式記錄格式指的是磁盤表面上信息的存儲格式,也稱為記錄格式。目前常用軟分段格式。每個磁道數據的記錄格式如下所示：

8.4.3軟磁盤驅動器和控制器

軟盤驅動器主要由驅動機構、磁頭及定位機構和讀寫電路組成。軟盤控制器的功能是解釋來自主機的命令并向軟盤驅動器發出何種控制信號，同時檢測驅動器的狀態，按規定的數據格式向驅動器讀寫數據等。集體操作包括以下幾項：（1）尋道操作。（2）地址檢測。（3）讀數據。（4）寫數據。（5）初始化。8.4.4軟磁盤驅動器發展動向1.盤徑縮小趨勢明顯2.軟盤驅動器向薄型化發展3.發展大容量光磁軟盤驅動器8.5磁帶存儲器磁帶存儲器的讀寫工作原理基本上與磁盤存儲器相同，因其存儲信息的媒體呈帶狀看，故成為磁帶。磁盤存儲器，無論是硬盤還是軟盤，都屬于直接存取設備，因為是只要給出信息所在的盤面、磁道和扇區，磁頭就能直接運動到那個位置存取信息。而磁帶存儲器是順序設備，磁帶上的文件只能依次存放。磁帶存儲器的發展趨勢也是提高傳輸率，提高記錄密度，改善機械結構，提高可靠性，提高性能價格比。提高密度的關鍵是磁頭技術。在機械結構方面，簡化了啟停機構，發展了數據流磁帶機，數據流磁帶機已成為計算機中主要的后備存儲設備。書上標題下的簡介8.5.1磁帶機的結構磁帶機工作時，磁頭固定，磁帶移走。磁帶的運動方向與磁盤不同。磁盤只在一個方向上作高速旋轉運動。而磁帶機為了尋找記錄區，必須驅動磁帶正走或反走，有的磁帶機讀寫完畢后又要使磁頭停在兩個記錄區之間。因此，為了保證磁帶以一定的速度平穩地運動以及快速啟停，在磁帶機結構和電路上都應采取相應的技術措施。不同種類的磁帶機差別很大。下面介紹傳統的開盤式啟停磁帶機和數據流磁帶機的結構。1.開盤式啟停磁帶機的結構開盤式磁帶指的是磁帶纏繞在圓形的帶盤上，而且磁帶的首端可以出去的磁帶。開盤式磁盤機有有手動裝帶和自動裝帶兩種結構。開盤式啟停磁帶機的結構比較復雜看，主要由走帶機構，磁帶緩沖機構，帶盤驅動機構及磁頭等組成。走帶機構有雙壓輪式和真空機主動輪式兩種，其作用是帶動磁盤運動，以完成讀寫操作。緩沖機構的作用是減小磁帶運動中的慣性，以便使磁帶快速地啟停。緩沖機構有擺桿式和真空帶箱兩種。雙壓輪真空積帶箱式磁帶機如圖所示：2.數據流磁帶機數據流磁帶機是將數據連續地寫在磁帶上，每個數據塊間插入記錄間隙，使磁帶機在數據塊間不啟停，從而簡化了磁帶機的結構。盒式磁帶的結構類似于錄音帶和錄像帶，盒帶內部裝有供帶盤和收帶盤。數據流磁帶機的讀寫機構與啟停式磁帶機區別較大。傳統的啟停式磁帶機是多位并行讀寫，而數據流磁帶機采用類似于磁盤的串行讀寫方式，決定了兩者之間的記錄格式不同。8.5.2磁帶的記錄格式國際上通用的1/2英寸9道啟停式磁帶和1/4英寸盒式數據流磁帶的記錄格式，這是兩種最常用的標準磁帶。在1/4英寸磁帶中，QIC-24是一種標準記錄格式。QIC-24記錄格式有4道和9道兩種基本格式。注意：數據流磁盤機是串行隧道記錄，其讀寫順序類似于磁盤。這種方式叫作蛇形記錄。8.5.3循環冗余校驗碼（CRC）外部設備中的數據，在存儲與傳送過程中，可能產生錯誤，通常用奇偶校驗碼來發現1個或奇數個錯誤。對于磁表面存儲器，可能會出現多個錯誤碼，通常采用循環冗余校驗碼（CRC）來發現并糾正錯誤。下面以磁帶機為例來說明利用CRC對一個記錄塊進行糾錯的方法。假設采用寬度為1/2英寸的標準磁帶，有9條磁道，其中8條磁道記錄信息（一個字節）；一條磁道記錄橫向奇偶校驗碼，對每一行信息進行奇偶校驗。通常采用奇校驗。磁帶上每個記錄塊的末行數據之后留有三行空白行，接著是一行CRC碼，在CRC之后又有三行空白行，然后是一行縱向奇偶校驗碼，對每一磁道上的信息（包括CRC）在內進行校驗，本例采用偶校驗。由于在多個磁道上同時發生錯誤的可能性很小，也就是說，錯誤一般發生在同一磁道上，CRC能發現僅在一個磁道出錯的多個錯誤碼。并能將它們糾正。寫入磁帶是按行（9位，并行）進行的，行與行之間是串行的。圖7.22表示循環冗余碼的形成和糾錯過程。糾錯原理是：用循環碼的規律和專門線路指出產生錯誤的磁道Ｘ，然后用橫向奇偶校驗碼檢測每一行是否有錯。如有錯，就錯在該行的Ｘ磁道，取該位的反碼，錯誤即得到糾正。參看圖7.22（a），寫入磁帶的數據（8位）先形成奇校驗位，連同原數據（共9位）一起寫入磁帶，并且同時送入循環冗余校驗寄存器CRCR，如此重復，直到所有的數據全部寫入磁帶，然后將CRCR中的內容（即校驗碼）也寫入磁帶，寫帶過程結束。CRCR由一個移位寄存器（9位）和13個異或門組成，上圖為其示意圖，該圖中循環碼所用的生成多項式為：

G(X)=Ｘ９+Ｘ６+Ｘ５+Ｘ４+Ｘ３+１

=1001111001循環冗余校驗寄存器CRCR和錯誤模式寄存器EPR8.5.4磁帶機的發展動向

圖中R表示觸發器，每送入一次數據同時完成循環移位和異或操作，其中有４位還經過兩個異或門。當一組數據寫入完畢后，CRCR再進行一次操作，但此時輸入數據為全“0”，因此在圖上部的4個異或門參與下，完成了一次循環移位操作。這時在CRCR中的數據即為循環冗余碼。把它寫入磁帶。8.6光盤存儲器光盤（OpticalDisk）指的是利用光學方式進行讀寫信息的圓盤。應用激光在某種介質上寫入信息，然后再利用激光讀出信息的技術稱為光存儲技術。如果光存儲使用的介質是磁性材料，亦即利用激光在磁記錄介質上存儲信息，就稱為磁光存儲。70年代研究出半導體激光器，解決了光源問題；又解決了讀出微小信息位的光學伺服系統等關鍵技術問題，使光存儲技術達到了實用化水平。8.6.1 光盤存儲器種類根據性能和用途的不同，光盤存儲器可分為三種類型：（1）只讀型光盤（CD-ROM）這種光盤的盤片是由生產廠家預先寫入數據或程序，出廠后用戶只能讀取，而不能寫入修改。在計算機領域主要用于檢索文獻數據庫或其它數據庫，也可用于計算機輔助教學等。由于這種光盤具有ROM的性質，因此又稱為CD-ROM。屬于第一代光存儲技術產品。（2）只寫一次型光盤（WROM）這種光盤可以由用戶寫入一次信息，寫入后可以多次讀出，但不能修改。因此它被稱為“寫一次型”WROM。主要用于計算機系統中的文件存檔或寫入的信息不需經常修改的場合。屬于第一代光存儲技術產品。（3）可擦寫型光這種光盤類似于磁盤，可以重復讀寫，是很有發展前途的輔助存儲器。8.6.2光盤的讀寫原理

根據激光束及反射光的強弱不同完成信