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光盤存儲器8.6磁盤存儲器與光盤存儲器的比較前言

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CPU正在使用的數據和程序，輔助存儲器用來放目前不使用的信息。輔助存儲器的特點是：容量大，速度較慢，成本低，斷電后還能保存信息，屬于非易失性存儲器。大部分輔助存儲器脫機后還能保存信息。8.1輔助存儲器的種類與技術指標

8.1.1輔助存儲器的種類

目前常用的輔助存儲器主要有兩類：磁表面存儲器和光存儲器。1、磁表面存儲器把磁性材料沉積在基體上形成記錄介質，分兩類：數字磁記錄和模擬磁記錄。

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

記錄原理：用激光在具有感光特性的介質上非接觸地記錄高密度信息，以介質材料的光學性質的變化來表示0或1。

優點：容量大。

缺點：速度慢。

8.1.2輔助存儲器的技術指標

主要技術指標有存儲密度、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。

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：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容量，格式化容量指的是用戶可以使用的容量，一般為非格式化容量的80%。

格式化分高級格式化和低級格式化。

高級格式化：清除硬盤上的數據，生成引導信息，初始化FAT表，標注邏輯壞道等。

三種文件系統：FAT、FAT32和NTFS。

①FAT：文件分配表（Table），是硬盤對其上文件分配管理的一種系統，它記錄著硬盤的容量，文件配置的情況，哪些扇區己被數據占用，哪些扇區沒有被數據占用。FAT適用范圍：DOS、WIN3.X。WIN95使用的是擴展文件分配表(VFAT)，支持長文件名。

②FAT32FAT32支持的文件大小可以達到4GB。FAT32支持的磁盤容量達到2048GB，而FAT只能支持2GB的磁盤大小。基于FAT32的Win2000可以支持分區最大為32GB。支持這一磁盤分區格式的操作系統有win98和win2000、winXP，向下兼容。基于FAT16的Win2000支持的分區最大為4GB。

③NTFS新技術文件系統，NTFS支持文件加密管理功能，可為用戶提供更高層次的安全保證。NTFS可以支持的文件大小可以達到64GB。支持NTFS的系統有win2000、winNT和winXP。NTFS可以支持的分區大小可以達到2TB。

4、數據傳輸率（外部）

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。單位bps。硬盤內部數據傳輸率：磁頭與硬盤cache之間的數據傳輸率。5、誤碼率衡量磁表面存儲器的出錯概率，等于出錯信息的位數和讀出的總信息位數比。例題1：某軟盤有兩個記錄面，每面有80個磁道，每個磁道分15個扇區，每個扇區可記錄512字節的信息，轉速為360轉每分，求此盤的容量及平均等待時間。解：容量=512*15*80*2=1.2MB旋轉一圈需要的時間為1/360=0.167秒

∴平均等待時間為0.167/2=83ms盤片

磁盤的數據傳輸率（內部數據傳輸率）：磁頭與硬盤cache之間的數據傳輸率Dr，取決于硬盤的轉速和道容量。假設磁盤轉數為n轉/秒，每條磁道的容量為N個字節，則Dr=n*N，單位字節/秒。2002年程序員試題某硬盤中共有9個盤片，16個記錄面，每個記錄面上有2100個磁道，每個磁道分為64個扇區，每扇區為512字節，則該硬盤的存儲容量為(58)。磁盤的位密度隨著磁道從內向外而(59)。(58)A、590.6MBB、9225MBC、1050MBD、1101MB(59)A、減少B、不變C、增加D、視磁盤而定CA2002年高程試題假設一個有3個盤片的硬盤，共有4個記錄面，轉速為7200轉/分，盤面有效記錄區域的外直徑為30cm，內直徑為10cm，記錄位密度為250位/mm，磁道密度為8道/mm，每磁道分16個扇區，每扇區512字節，則該硬盤的非格式化容量和格式化容量約為__(58)__，數據傳輸率約為__(59)__若一個文件超出一個磁道容量，剩下的部分__(60)__。(58)A.120MB和100MBB.30MB和25MBC.60MB和50MBD.22.5MB和25MB(59)A.2356KB/sB.3534KB/sC.7069KB/sD.1178KB/sBD

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，則剩磁狀態不同，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。

2、磁頭磁頭是實現電磁相互轉換的裝置。

Iw

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。

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NRZ1調相制(PM)調頻制(FM)改進調頻制(MFM)

BIOS：BasicInput/outputSystem的縮寫，基本輸入/輸出系統，它是操作系統和硬件之間連接的橋梁。是一個固件，即以硬件形式提供的軟件產品。BIOS實質是一組程序而且包含了一組缺省參數。

BIOSROMEPROME2PROM

CMOS：是一個能存儲128字節的芯片，用來存放BIOS的初始參數——日期、時鐘、內存容量、顯示設備類型等等。由內部電池供電，斷電后仍能保存信息。即CMOS是一RAM，存儲BIOS設置程序設置的一些參數。

BIOS是一組操縱計算機芯片的控制程序，是計算機最基本的操縱程序，任何操作系統都建立在其基礎之上。BIOS程序包括自檢及初始化、硬件中斷服務和BIOS設置。1、自檢及初始化（1）自檢當電源接通后，系統硬件生成一條執行命令，啟動BIOS自檢程序運行。對各硬件進行檢測，如果發現故障，則以代碼或響聲來報告。因為程序用匯編語言編寫，所以不能用文字顯示說明。

（2）初始化通過檢測CMOSRAM里的內容來識別系統的硬件配置，并根據這些配置信息進行初始化。（3）系統自舉BIOS完成自檢和初始化后，將系統主引導扇區的內容讀到內存，并啟動主引導程序。2、硬件中斷服務程序操作系統與硬件打交道是通過中斷服務程序實現的，中斷服務程序包括：磁盤中斷服務程序、通信中斷服務程序、鍵盤中斷服務程序、顯示中斷服務程序、打印中斷服務程序、磁道中斷服務程序等等。

3、BIOS設置

可進行日期、時間、硬盤驅動器參數、軟盤驅動器參數、各芯片功能的啟用和關閉等項。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。1、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。

2、根據磁盤可換與否分類可分成可換盤存儲器與固定盤存儲器。

可換盤存儲器是指磁盤不用時可以脫機保存，如現用的軟盤。

固定盤存儲器是指磁盤不能從驅動器中取出來，更換時要把整個頭盤組合體一起換。

溫盤是可移動磁頭固定盤片的磁盤存儲器，采用的溫徹斯特技術。

3、硬磁盤的基本結構硬盤由驅動器（HDD）和控制器（HDC）組成。硬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數據，并轉換成驅動器的控制命令和驅動器可以接受的數據格式，控制驅動器的讀寫。硬盤基本結構

8.3.2HDD與HDC

1、HDDHDD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。①定位驅動系統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。由驅動部件和運載部件組成。目前HDD普遍采用音圈電機和伺服盤定位。音圈電機直接驅動磁頭運動。

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主軸系統作用是安裝盤片，并驅動他們以額定的轉速穩定旋轉。③數據控制系統作用是控制數據的讀寫。（1）寫入數據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b、根據控制器發來的寫命令及CPU中DR的數據開始寫入信息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有錯誤

（2）讀出數據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

④盤組由盤片組成，每個盤片有兩個記錄面，但盤組的最上和最下兩個記錄面不用。

2、HDC硬盤控制器是主機與磁盤驅動器之間的接口，與主機之間成批交換數據，采用DMA控制方式。主機與驅動器之間的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），另外一個是與設備的接口。目前常見的系統級硬盤接口有二種，它們分別是IDE接口、SCSI接口。

①IDE即IntegratedDriveElectronics，它的本意是指把控制器與盤體集成在一起的硬盤驅動器，我們常說的IDE接口，也叫ATA（AdvancedTechnologyAttachment）接口。②SCSI(SmallComputerSystemInterface，小型計算機系統接口)原是一種廣泛應用于小型機上的高速數據傳輸技術，現在越來越多地出現在PC服務器上，SCSI接口正在成為PC服務器的標準接口。速度快，轉數高。磁盤cache容量大。8.3.3磁盤上信息的分布

磁道的編址由外向內依次編號，從零開始，最里面一個磁道內的圓面積不用來記錄信息。扇區號從1開始，可連續編號，也可以間隔編號。記錄面的面號從0開始。所以磁盤地址由記錄面號、磁道號和扇區號組成。8.3.4磁盤cache

1、基本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：磁盤cache中一些數據塊組成的一個基本單位稱為cache行。緩存是硬盤與外部總線交換數據的場所。硬盤的讀數據的過程是將磁信號轉化為電信號后，通過緩存一次次地填充與清空，再填充，再清空，一步步按照PCI總線的周期送出，可見，緩存的作用是相當重要的。在接口技術已經發展到一個相對成熟的階段的時候，緩存的大小與速度是直接關系到硬盤的傳輸速度的重要因素。目前主流硬盤的緩存主要有512KB和2MB等幾種。其類型一般是EDODRAM或SDRAM，目前一般以SDRAM為主。根據寫入方式的不同，有寫通式和回寫式兩種。寫通式在讀硬盤數據時，系統先檢查請求指令，看看所要的數據是否在緩存中，如果在的話就由緩存送出響應的數據，這個過程稱為命中。這樣系統就不必訪問硬盤中的數據，由于SDRAM的速度比磁介質快很多，因此也就加快了數據傳輸的速度。回寫式就是在寫入硬盤數據時也在緩存中寫，如果找到就由緩存就數據寫入盤中，現在的多數硬盤都是采用的回寫式硬盤，這樣就大大提高了性能。

8.3.5磁盤陣列存儲器

廉價冗余磁盤陣列（RAID）是用多臺磁盤儲存器組成的大容量外存儲子系統。由美國加州大學伯克利分校提出。最初的研制磁盤，以目的是為了組合小的廉價磁盤來代替大的昂貴降低大批量數據存儲的費用，同時也希望采用冗余信息的方式，使得磁盤失效時不會使對數據的訪問受損失，從而開發出一定水平的數據保護技術，并且能適當的提升數據傳輸速度。1、RAID原因

（1）CPU速度增長幅度遠遠超過磁盤驅動器數據傳輸率的增長。（2）小盤徑磁盤比大盤徑磁盤成本低，功耗低。（3）數據的可靠性高。

2、RAID的工作原理

RAID按照實現原理的不同分為不同的級別，不同的級別之間工作模式是有區別的。整個的RAID結構是一些磁盤結構，通過對磁盤進行組合達到提高效率，減少錯誤的目的。

3、RAID的實現RAID實現有兩種方法，一種是用專門的控制芯片來完成，控制芯片可以做成RAID卡的形式，也可以集成在主板上。另一種方法是用軟件的方法來實現，比如WIN2000就含有軟件RAID的功能。8.3.6硬磁盤驅動器的發展動向

容量幾乎每年翻一倍，采用的措施是提高記錄密度和增加內裝盤片數量。發展動向：微型化、輕量化、大容量、速度快、供耗小、成本低。

8.3.7硬盤參數1、容量2、轉數（轉/分）3、磁盤cache8.4軟磁盤存儲器

8.4.1概述軟磁盤的基體是用柔性材料制造的，所以稱為軟磁盤，簡稱軟盤（floppydisk）。一、與硬盤比較同：（1）存儲原理（2）記錄方式異：（1）轉速低（2）接觸磁頭（3）成本低二、種類按盤徑大小分1.8英寸、2.5英寸、3.5英寸、5.25英寸、8英寸。三、盤片索引孔作用：檢測盤片的轉速和劃分盤片的區段。四、軟盤組成軟盤由三個部分組成：軟盤驅動器、軟盤控制器與盤片。其中驅動器分為驅動機構、定位機構、磁頭和讀寫電路四個部分。

軟盤驅動器（軟驅）是一個相對獨立的裝置，軟盤控制器是插在主機總線槽中的接口板，作用是完成主機與軟盤驅動器之間數據的傳輸與控制。目前使用較多的是1.44MB、3.5英寸的軟盤片。高端電腦開始告別軟盤，用U盤（閃盤）替代。

8.4.2軟磁盤片基體是聚酯薄膜，磁粉氧化鐵。

8.4.3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。目前常用軟分段格式。

8.4.4其他移動輔存即插即用，可用USB接口。USB：通用串行總線（UniversalSerialBus）的縮寫，Windows98及以上版本的操作系統都內置了對USB接口的支持。