4.6

虛擬存儲器2021/7/31虛擬存儲器是一種存儲器系統，它具有請求調入功能和置換功能，能從邏輯上對內存容量加以擴充的。虛擬存儲器是建立在主存—輔存層次上，由附加硬件和操作系統存儲管理軟件組成的存儲體系，其目的是為用戶提供比主存容量大得多的程序空間。采用虛擬存儲器技術后，可將主存和輔存的地址空間統一編址，用戶按其程序需要使用邏輯地址

(即虛地址)進行編程。邏輯地址（虛地址）CPU執行指令所生成的地址。所有邏輯地址的集合稱為邏輯地址空間或虛地址空間。物理地址（實地址）加載到內存地址寄存器中的地址。虛存的邏輯容量由內存容量和外存容量之和決定。其運行速度接近于內存速度，而每位的成本卻又接近于外存。程序執行時，從虛地址到物理地址的映射是由內存管理部件MMU完成的。2021/7/32虛擬存儲器的原理2021/7/33根據程序的局部性原理，應用程序在運行之前，可以僅將當前需要運行的部分代碼和數據先裝入內存，其余部分暫留在磁盤上。程序運行時，如果發現所要訪問的內容尚未調入內存，則產生系統中斷，由操作系統自動將所缺部分從磁盤調入內存，以使程序能繼續執行下去。如果內存已滿，無法再裝入新的內容，操作系統會利用置換功能，將內存中暫時不用的內容調至磁盤，騰出足夠的內存空間，裝入要訪問的內容，使程序繼續執行下去。CPU執行程序時，按照程序提供的虛地址訪問內存。由存儲管理硬件判斷該地址內容是否在內存中。若已調入內存，則通過地址變換機制將程序中的虛地址轉換為內存的物理地址(即實地址)，據此訪問內存的實際單元。若尚未調入主存，則通過缺頁中斷程序，以頁為單位調入或實現內存內容的替換。2021/7/34虛存的訪問過程過程對于用戶程序是透明的。用戶只是用位數較長的虛地址編程，CPU可按虛地址訪存。這樣用戶可訪問的存儲空間很大，遍及輔存空間。注意：虛擬存儲器是一個虛擬層次。2021/7/35虛擬存儲器從原理上和Cache有不少相同之處。虛擬存儲器和Cache的不同之處：Cache控制是全部用硬件實現的，所以對各類程序員是透明的；虛擬存儲器的控制是軟硬件結合的，對設計存儲管理軟件的系統程序員是不透明的，而對應用程序員是完全透明的。虛擬存儲器的管理方式有三種：頁式、段式和段頁式。2021/7/364.6.1

頁式虛擬存儲器1.

頁式虛存的基本原理在頁式虛擬存儲系統中，將邏輯地址空間和物理地址空間均劃分為若干大小相等的塊，稱為“頁”，每一頁中的字數是相同的。邏輯頁（虛頁）：邏輯空間中的塊。物理塊（頁框、實頁）：物理空間中的塊。設邏輯地址空間大小為2n，頁面大小為2m，則頁式虛擬存儲系統中的邏輯地址結構：邏輯頁號P頁內地址dn-m位m位2021/7/37操作系統將程序的部分邏輯頁離散地存儲在內存中不同的物理頁框中，并為每個程序建立一張頁表。頁表中的每個表項（行），分別記錄了相應的邏輯頁在內存中對應的物理頁框（塊）號、存在狀態（是否在內存）、以及對應的外存地址等控制信息。程序執行時，通過查找頁表即可找到每個邏輯頁在內存中的物理頁框號，實現邏輯地址到物理地址的映射。2021/7/38頁式虛擬存儲器的地址映射2021/7/392.

快表2021/7/310頁式虛存的頁表通常存放在內存，使得CPU在每次執行指令時至少要訪問兩次主存，一次是訪問內存中的頁表，從中找到指定頁的物理塊號，第二次訪存才是獲得所需數據或指令。這使計算機的處理速度降低近1/2。解決辦法在地址變換機構中增設一組由相聯存儲器構成的小容量特殊高速緩沖寄存器（通常只存放16～512個頁表項），用于存放當前正在訪問的頁表項。這種特殊高速緩沖寄存器又稱為“聯想寄存器”(AssociativeMemory)或稱為“快表”，而內存中的頁表則稱為“慢表”。具有快表的頁式虛擬存儲器的地址映射2021/7/3114.6.2

段式虛擬存儲器段式虛擬存儲系統把程序按照其邏輯結構劃分為若干邏輯段，如主程序段、子程序段、數據段等。每個段的大小不固定，由各段的邏輯信息長度決定。邏輯段內的地址從0開始編址，并采用一段連續的邏輯地址空間。段式虛擬存儲系統中的邏輯地址：邏輯段號S2021/7/312段內地址d操作系統在裝入程序時，將程序的若干邏輯段離散地存儲在內存不同的區塊中，每個邏輯段在物理內存占有一個連續的區塊。為了能在內存中找到每個邏輯段，并實現邏輯地址到物理地址的映射，系統為每個程序建立了一張段表。程序的每個邏輯段在段表中都有一個對應的表項，用于記錄該段的長度、在物理內存的起始地址、存在狀態（是否在內存）、對應的外存地址等控制信息。2021/7/313若程序執行時產生了訪存的邏輯地址，段式虛存地址變換機構就以邏輯地址中的邏輯段號為索引檢索段表，得到該邏輯段在內存的起始物理地址，將起始物理地址與邏輯地址中的段內地址相加，即可得到物理地址，完成地址映射。2021/7/314段式虛擬存儲器的地址映射2021/7/3154.6.3

段頁式虛擬存儲器2021/7/316段頁式虛擬存儲器將程序按照其邏輯結構分為若干段，每段再劃分為若干大小相等的邏輯頁；物理內存被劃分為若干同樣大小的頁框。操作系統以頁為單位為每個邏輯段分配內存，這樣不僅段與段之間不連續，一個邏輯段內的各邏輯頁也離散地分布在物理內存中。段頁式虛擬存儲系統中的邏輯地址：邏輯段號S段內頁號P頁內地址d4.7

輔助存儲器2021/7/317輔助存儲器作為主存儲器的后援存儲器，用于存放CPU當前暫時不用的程序和數據。當CPU需要時，再將數據成批地調入主存。從輔存所處的部位和與主機交換信息的方式看，輔存屬于外部設備的一種。輔存的特點：容量大，成本低，可以脫機保存信息。輔存主要有磁表面存儲器和光存儲器兩類，如磁盤、磁帶、光盤等。4.7.1

磁表面存儲器的基本原理磁表面存儲器把某些磁性材料均勻地涂敷在載體的表面上，形成厚度為0.3～5μm的磁層，將信息記錄在磁層上，構成磁表面存儲器。磁表面存儲器存儲信息的原理利用磁性材料在不同方向的磁場作用下，形成的兩種穩定的剩磁狀態來記錄信息。2021/7/318記錄介質：磁層及其所附著的載體。載體由非磁性材料制成，如塑料、合金材料、玻璃、陶瓷等。磁帶：載體為帶狀，一般由聚脂塑料制成。磁盤：載體為盤狀，如果由合金材料制成，則為硬盤，若由塑料制成則為軟盤。磁頭：磁表面存儲器的讀寫元件。利用磁頭來形成和判別磁層中的不同磁化狀態。磁頭是由鐵氧化體或坡莫合金等高導磁率的材料制成的電磁鐵，磁頭上繞有讀寫線圈，可以通過不同方向的電流。寫磁頭：用于寫入信息的磁頭。讀磁頭：用于讀出信息的磁頭。復合磁頭：既可用于讀出，又可用于寫入的磁頭。2021/7/319磁頭鐵芯通常呈現圓環或馬碲形，鐵芯上有一個縫隙，用玻璃等非磁性材料填充，稱為頭隙。2021/7/320磁表面存儲器的讀寫原理2021/7/321磁表面存儲器的讀/寫操作是通過磁頭與磁層相對運動進行的。一般都采用磁頭固定，磁層作勻速平移或高速旋轉。由磁頭縫隙對準運動的磁層進行讀/寫操作。(1)寫操作當寫線圈中通過一定方向的脈沖電流時，鐵芯內就產生一定方向的磁通。由于鐵芯是高導磁率材料，而鐵芯空隙處為非磁性材料，故在鐵芯空隙處集中很強的磁場。在這個磁場的作用下，磁層就被磁化成相應極性的磁化單元或磁化位。若在寫線圈里通入相反方向的脈沖電流，就可得到相反極性的磁化單元。一個磁化單元就是一個存儲元，一個磁化單元中存儲一位二進制信息。當載體相對于磁頭運動時，就可以連續寫入一連串的二進制信息。I2021/7/322ISNNS磁層例如我們規定某電流方向為寫“1”，那么寫線圈里通以相反方向的電流時即為寫“0”。這個過程稱為“寫入”。Φ

Φ寫入過程2021/7/323(2)讀操作讀出時，被磁化了的磁層相對磁頭高速移動，處于剩磁狀態的磁化單元經過磁頭縫隙，使磁層與磁頭交鏈的磁路中發生磁通變化，于是此變化的磁通在讀磁頭線圈中產生感應電勢，不同的剩磁狀態產生的感應電勢的方向不同。感應電勢經讀出放大電路放大和整形，在選通脈沖的選通下，讀出原寫入的信息。2021/7/324讀出過程2021/7/3254.3.2磁記錄方式2021/7/326磁記錄方式：形成不同寫入電流的方式。實際應用中，磁性材料寫入二進制代碼0或1，是靠不同的寫入電流波形來實現的。磁記錄方式就是一種編碼方法，它按某種規律將一串二進制數字信息變換成磁層中相應的磁化單元狀態，用讀寫控制電路實現這種轉換。研究磁記錄方式是為了解決在寫磁頭線圈中加入什么樣的寫入電流波形才能寫入所要求的二進制數字信息的問題。4.7.2磁記錄方式2021/7/327磁記錄方式是一種編碼方法，它研究的是按照某種規律將一連串的二進制數字信息變換成磁層的磁化翻轉形式，并經讀寫控制電路實現這種轉換規律。磁記錄方式的實質是解決在磁頭線圈中加入什么樣的寫入電流波形才能實現所要求的二進制數字信息的寫入操作，也就是按何種規律對寫入電流進行編碼。磁記錄方式：形成不同寫入電流的方式。實際應用中，磁性材料寫入二進制代碼0或1，是靠不同的寫入電流波形來實現的。2021/7/3

28各種磁記錄方式M

FM

制FM

制PE

制NR

Z-1

制NRZ

制RZ

制待寫信息

I0

1

0010110001磁記錄方式分類直接記錄方式按位編碼方式成組編碼方式歸零制不歸零制不歸零－1制調相制調頻制改進調頻制群碼制三位調制碼游程長度受限碼2021/7/329在磁表面存儲器中，由于寫入電流的幅度、相位、頻率變化不同，從而形成了不同的記錄方式。1.歸零制（RZ）若寫入“1”，則加正向寫入脈沖若寫入“0”，則加負向寫入脈沖每寫完一位信息，電流歸零。歸零制記錄方式的特點：控制簡單，但記錄密度低。抗干擾能力差。現已不使用。2021/7/3302.不歸零制（NRZ）若寫入“1”，則加正向寫入脈沖若寫入“0”，則加負向寫入脈沖寫完一位信息后，電流不歸零。不歸零制記錄方式的特點：①磁頭線圈的寫入電流不會出現電流為0的狀態，所以抗干擾能力較好。②磁頭線圈的寫入電流在連續記錄相同的信息時，電流方向不變，只有相鄰兩位信息不同時，電流才改變方向。不歸零制記錄方式也稱為見變就翻的不歸零制（NRZ—0）。2021/7/3313．不歸零—1制（NRZ—1）若寫入“1”

，則寫入電流改變一次方向。若寫入“0”

，則寫入電流方向維持不變。不歸零—1制也稱為見1就翻的不歸零制。這種記錄方式通常被用于低速磁帶機中。2021/7/3324.調相制（PM）調相制又稱相位編碼（PE）或曼徹斯特碼。調相制利用磁層的磁化翻轉方向的相位差表示“1”或“0”。若寫入“1”

，則在一個寫入周期中間使寫入電流從正變負（或相反）。若寫入“0”

，則在一個寫入周期中間使寫入電流從負變正（或相反）。若連續寫多個“0”或多個“1”

，則在兩個位周期交界處，寫入電流改變一次方向。2021/7/333調相制記錄方式的特點：①“0”和“1”信號的讀出相位不同，抗干擾能力較強。②經分離電路可提取自同步定時脈沖，具有自同步能力。調相制記錄方式常用于磁帶機。2021/7/3345．調頻制（FM）若寫入“1”

，則在一個寫入周期中間使寫入電流改變一次方向（不管原來方向如何）。若寫入“0”

，則在一個寫入周期中保持寫入電流方向不變。不論寫“0”還是寫“1”，在兩個位周期交界處，寫入電流均改變一次方向。2021/7/335調頻制記錄方式的特點：①記錄密度高，具有自同步能力。②電流方向改變頻繁，磁層狀態翻轉多，花費時間多。由于調頻制記錄方式在記錄“1”時，磁層磁化翻

轉頻率為記錄“0”時的兩倍，因此又稱為倍頻制。調頻制記錄方式主要用于早期的單密度磁盤。2021/7/3366．改進調頻制（MFM）若寫入“1”

，則在一個寫入周期中間使寫入電流改變一次方向（不管原來方向如何）。若寫入“0”

，則在一個寫入周期中保持寫入電流方向不變。若連續寫多個“0”，則在兩個“0”的位周期交界處，寫入電流改變一次方向。改進調頻制記錄方式的特點：①磁層狀態翻轉少，可更高地提高記錄密度。②具有自同步能力。改進調頻制記錄方式用于雙密度磁盤。2021/7/337各種磁記錄方式的評價標準2021/7/338⑴自同步能力從讀出的脈沖信號序列中提取同步時鐘信號的能力。同步信號：從讀出信號中分離出數據信息所需的時間基準信號。磁表面存儲器為了從讀出信號中分離出數據信息必須要有時間基準信號。2021/7/3

39T同步信號的取得方法①外同步：從專門設置用來記錄同步信號的磁道中取得。②內同步（自同步）：直接從讀出信號中提取同步信號。NRZ、NRZ—1：無自同步能力。PM、FM、MFM：有自同步能力。同步能力的大小可以用最小磁化翻轉間隔與最大磁化翻轉間隔的比值R來衡量。比值R越大，自同步能力越強。例：調頻制（FM）記錄方式中，最小磁化翻轉間隔是T/2，最大磁化翻轉間隔是T，其中T為位周期。因此

RFM＝

T/2

＝0.5⑵編碼效率（記錄效率）指每次磁層磁化翻轉所存儲信息的位數。編碼效率是位密度與磁化翻轉密度的比值。η也說明了記錄一位信息的最大磁化翻轉次數。FM、PM記錄方式：存儲一位信息磁層最大磁化翻轉次數為2次，編碼效率為50％。NRZ、NRZ—1、MFM記錄方式：存儲一位信息磁層磁化翻轉次數為1次，編碼效率為100％。除編碼效率和自同步能力外，還有讀出信號的分

辨能力、頻帶寬度、抗干擾能力以及編碼譯碼電

路的復雜性等。它們都影響記錄方式的取舍評價。最大磁化翻轉密度2021/7/340位密度η＝除上述討論的幾種記錄方式外，還有改進的改進調頻制M2FM、成組編碼法GCR、游程長度受限碼

RLLC等記錄方式，它們已廣泛用于高密度磁帶和磁盤中。成組編碼法(GCR)把待寫入的信息序列按4位長度進行分組，然后按某一確定規則將4位信息編碼為5位碼字，再把編碼字序列按NRZ—1制記錄方式記錄在磁層中。讀出時再把讀出的編碼字序列進行譯碼，以讀出原存信息。采用這種編碼可使磁帶機存儲密度提高到6250位/英寸(bpi)。2021/7/341游程長度受限碼(RLLC)把待輸入的信息序列變換為“0”游程長度受限碼，即任何兩位相鄰的“1”之間的“0”的最大位數k和最小位數d均受到限制的新編碼，然后再用NRZ—1方式進行寫入。RLLC碼的實質就是把原始數據序列變換成“0”、“1”受限制的記錄序列。正確地設計k、d值，可以獲得優良的編碼性能。RLLC碼已廣泛用于高密度磁盤中。2021/7/3424.7.3

磁盤存儲器軟盤：載體是塑料，對環境要求低，價格低1.磁盤的分類硬盤：載體是金屬，容量大，速度快按盤片材料分活動頭固定盤組活動頭可卸盤組按磁頭與盤組分磁頭固定，每磁道一個磁頭，固定頭可卸盤組：環境要求高，沒有磁頭運動，固定頭固定盤組：速度快。可卸盤組，可卸下保存。一個磁頭運動尋道，結構簡單，成本低。固定盤組采用密封方

式，環境要求不高。如溫盤。非接觸式：多為硬盤，讀寫速度快2021/7/343接觸式：多為軟盤，讀寫速度慢按磁頭與盤片接觸分2021/7/344溫徹斯特（Winchester）磁盤簡稱溫盤，是一種典型的固定式盤片活動頭硬盤存儲器。溫徹斯特磁盤的主要特點是把磁頭、盤片、磁頭定位機構以及讀寫電路等均密封在一個盤盒內，構成密封的頭—盤組合體。這個組合體不可隨意拆卸，因此其防塵性能好，可靠性高，對使用環境要求不高。2021/7/345硬盤發展歷史1956年9月IBM公司展示了世界上首個硬盤——

IBM

350

RAMAC2021/7/346IBM350RAMAC的容量為5MB，共有50個直徑為24英寸的磁盤，重量達上百公斤。磁盤盤片表面涂有一層磁性物質，并且堆疊在一起，通過一個傳動軸承進行工作。盤片上只有一個磁頭，磁頭上下前后運動尋找要讀寫的磁道。盤片上數據密度為每平方英寸2000bit，數據處理能力為1.1KB/s。當時推出的售價是35000美元。2021/7/3471968年，IBM公司首次提出“溫徹斯特”技術。1973年，IBM公司制造出第一臺采用“溫徹斯特”技術的硬盤IB

M

3340。2021/7/3481979年，IBM發明了薄膜磁頭，為進一步減小硬盤體積、增大容量、提高讀寫速度提供了可能。80年代末期IBM發明了MR磁阻磁頭。MR磁頭在讀取數據時對信號變化相當敏感，使得盤片的存儲密度達到每平方英寸200MB以上。1991年，IBM生產的3.5英寸的硬盤使用了MR磁頭，使硬盤的容量首次達到了1GB，從此硬盤容量開始進入了GB數量級。2021/7/3492021/7/350目前最新的磁頭技術為第四代GMR（巨磁阻）磁頭技術。GMR比MR具有更高的信號變化靈敏度，從而使得硬盤的單碟容量可以做得更高。2021/7/351希捷大容量桌面硬盤1.5TB 7200.11

32M2008年7月發布。該硬盤采用四碟裝設計，單碟容量375GB，格式

化后總容量1397.26GB。緩存容量32MB，轉速

7200RPM，理論持續數據傳輸率120MB/s。2021/7/352磁盤存儲器由驅動器、控制器和盤片三部分組成。2.磁盤存儲器的組成及邏輯結構2021/7/353硬盤內部結構2021/7/3542021/7/355⑴磁盤驅動器2021/7/356磁盤驅動器又稱磁盤機或磁盤子系統：用于控制磁頭與盤片的運動及讀寫。是獨立于主機之外的完整裝置。驅動器內包含有旋轉軸驅動部件、磁頭定位部件、讀寫電路和數據傳送電路等。旋轉軸驅動部件：其作用是安裝盤片，并驅動它們以額定轉速穩定旋轉。主要部件包括主軸電機和有關控制電路。磁頭定位部件：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、傳動部件、運載部件（磁頭小車）組成。數據轉換系統：其作用是控制數據的寫入和讀出。包括磁頭、磁頭選擇電路、讀寫電路以及索引、

區標電路等。2021/7/357磁盤驅動器結構2021/7/358⑵讀寫電路2021/7/359⑶磁盤控制器2021/7/360磁盤控制器：主機與磁盤驅動器之間的接口，

通常是插在主機總線插槽中的一塊印刷電路板。磁盤控制器的作用：接受主機發出的命令與數據，轉換為驅動器的控制命令和數據格式，控制驅動器的操作。一個控制器可以控制一臺或多臺驅動器。例如，微機內的磁盤控制卡一般可控制兩臺軟盤驅動器和一臺溫盤驅動器。由于磁盤存儲器是高速外存設備，故與主機之間采用成批交換數據方式。磁盤控制器上的接口：①與主機的接口，控制外存與主機總線之間交換數據。稱為系統級接口。②與設備的接口，根據主機命令控制設備的操作。稱為設備級接口。2021/7/361主機與磁盤驅動器交換數據的控制邏輯2021/7/362控制器與驅動器之間的交界面劃分①接口交界面設在A處—ST506接口標準驅動器只完成讀寫和放大，因而數據分離以后的控制邏輯構成磁盤控制器。如ST506磁盤控制器，它是插在PC機總線上的一塊電路板，控制器與設備之間就采用了A形式的接口。2021/7/363②接口交界面設在B處—IDE接口（ATA接口）驅動器中包含數據的編碼和譯碼電路，磁頭定位控制邏輯等。微機大都采用IDE標準。目前又出現了增強型IDE標準（EIDE）。③接口交界面設在C處—SCSI(小型計算機系統接口)磁盤控制器的功能全部轉移到設備中，主機與設備之間采用標準的通用接口。隨著技術進步，C種接口越來越多地被采用，以增強設備的功能，使設備相對獨立。2021/7/3642021/7/3653.磁盤信息記錄格式及其讀寫0磁道n磁道扇區盤片

旋轉軸移動方向磁頭架n0記錄面：磁盤片表面稱為記錄面。盤片的上下兩面都能記錄信息。磁道：記錄面上一系列同心圓。每個盤片表面通常有幾十到幾百個磁道。磁道的編址：從外向內依次編號，最外一個同心圓叫0磁道，最里面的一個同心圓叫n磁道，

n磁道里面的圓面積不用來記錄信息。扇區：將盤面沿垂直于磁道的方向劃分成若干個扇區。扇區的編號方法：可以連續編號，也可間隔編號。2021/7/366扇段：每條磁道在扇區內的部分稱為扇段，每個扇段存儲等量的信息。扇段是磁盤信息的基本單位。由于各條磁道的半徑不同，各條磁道的存儲密度不同。外圈存儲密度低，內圈存儲密度高。活動頭磁盤組磁盤記錄的編址：記錄面的面號(磁頭號)＋磁道號＋扇區號柱面（圓柱面）：n個面上位于同一半徑的磁道形成一個圓柱面。磁盤組的圓柱面數等于一個盤面的磁道數。在讀/寫過程中，各個盤面的磁頭總是處于同一個圓柱面上。存取信息時，可按圓柱面順序地進行操作。2021/7/367硬盤的CHS2021/7/368柱面（Cylinder）磁頭（Head）扇區（Sector）只要知道了硬盤的CHS的數目，即可確定硬盤的容量。絕對扇區：以柱面/磁頭/扇區表示的磁盤地址，又稱物理磁盤地址磁盤地址的表示：2021/7/369圓柱面號盤面號扇區號例如，若某盤片組有8個記錄面，每個盤面分成256條磁道，8個扇區；當主機要訪問其中第5個記錄面上，第65條磁道，第7個扇區的信息時，則主機應向磁盤控制器提供如下的地址信息：0100000l

101

111如果主機配有幾臺磁盤驅動器，磁盤地址信息

還應給出驅動器編號，用來選擇所需的驅動器，此時磁盤信息的地址格式為：2021/7/370當盤片為單片單面結構時，將上述地址格式中的圓柱面號改為磁道號。驅動器號圓柱面號盤面號扇區號為進行讀/寫操作，必須定出磁道的起始位置。索引：磁道的起始位置。索引標志在傳感器檢索下產生脈沖信號，再通過磁盤控制器處理，便可定出磁道起始位置。磁道的索引和扇段地址的確定方法：在盤片上設置缺口或孔，通過光源和光敏元件，使盤片每轉一圈產生一個索引脈沖和若干個扇標脈沖(硬分段)。索引脈沖標志了磁道信息的起點，此后的第一個扇區為0扇區，第二個為1扇區(連續編址)等等。再利用扇標脈沖作為定時時鐘驅動一個計數器，根據計數器的內容即可確定磁道上的扇段編號。2021/7/371磁盤存儲器的每個扇段記錄定長的數據，讀/寫操作是以扇段為單位一位一位串行進行的。每一個扇段記錄一個記錄塊。一個扇段的記錄格式扇段的記錄格式扇標脈沖磁道頭空 序標數據(512

字節)

校驗字

尾空

頭空

序標

數據下個扇段1

個扇段2021/7/372磁盤的讀寫2021/7/373磁盤讀/寫操作總是從扇區的邊界開始，由磁盤控制器產生的扇標脈沖標志著一個扇區的開始。每次交換一個扇段的信息。如果寫入的內容不滿一個扇段，則在該扇段的余下部分重復數據的最后一位。磁盤和主存間的數據交換可通過DMA或通道控制完成。為了保證寫入時數據的可靠性，通常在“寫”操作以后啟動一個讀操作，把從磁盤讀出的內容與從主存相應的單元讀出的內容進行比較，如果不一致，則經中斷系統向CPU送一個出錯信息。定時信號的產生對于包含同步信息的記錄方式，磁道上每一個數據位的同步脈沖可以直接從存儲的磁盤信息中分離出來。對于不包含同步信息的記錄方式，則須由專用磁道來提供定時脈沖。2021/7/3744.磁盤存儲器的主要技術指標2021/7/375⑴存儲容量C存儲容量指磁盤組所有盤片能記錄的二進制信息的最大數量，一般以字節為單位。?非格式化容量：記錄面可以利用的磁化單元的總數。設一個磁盤組有n個盤面存儲信息，每個面有T條磁道，每條磁道分成S個扇段，每段存放B個字節，則存儲容量C為：C＝n×T×S×B格式化容量：按照特定記錄格式所存儲的用戶可以使用的信息總量。新磁盤使用前必須先進行格式化。格式化實際

就是在磁盤上劃分記錄區、寫入各種標志信息

和地址信息。這些信息占用了磁盤的存儲空間，所以格式化后的有效存儲容量要小于非格式化

容量。格式化容量一般為非格式容量的60％一70％。2021/7/376⑵平均存取時間（平均尋址時間）從發出讀寫命令到讀出或寫入信息所需的時間。平均尋址時間＝平均磁道定位時間＋平均旋轉等待時間＋讀寫操作時間＋控制延時時間磁道定位時間：在活動頭系統中，當訪問磁盤中某一扇段時，由磁道定位機構把讀寫頭移到相應的磁道位置上所需的時間。磁道定位時間取決于磁頭的起始位置與所要求磁道間的距離。平均磁道定位時間為最大和最小定位時間的平均值。2021/7/377旋轉等待時間：定位以后尋找所需扇區的時間，也稱旋轉延遲。旋轉等待時間的平均值為磁盤旋轉半圈的時間。讀寫操作時間：讀取扇區時間和傳輸數據時間兩者中的最大值。讀寫操作時間與數據量、磁盤轉速、記錄密度、傳輸線的帶寬等因素有關。控制延時時間：磁盤控制器從收到讀磁盤命令到啟動磁頭移動的延遲時間。控制時延通常很小。因為后兩項時間小于前兩項的時間，所以有時將后兩部分的時間忽略不計。2021/7/378⑶存儲密度位密度：沿磁道方向單位長度所能存儲的二進制位數，又稱線密度。單位是位/英寸(bpi)。記錄密度內外圈不同，以最里圈的位密度為準。道密度：沿磁盤徑向單位長度所包含的磁道數。單位是道/英寸(tpi)或道/毫米(tpm)。面密度：位密度與道密度的乘積。單位為位/平方英寸2021/7/379⑷數據傳輸率Dr磁盤存儲器單位時間內所能傳送的數據量。單位為字節/秒(B/s)。設磁盤旋轉速度為n轉/秒，每條磁道容量為N個字節，則Dr＝n×N(字節/秒)。設D為位密度，v為磁盤旋轉的線速度，則

Dr＝D×v(字節/秒)2021/7/380⑸誤碼率出錯信息和讀出總信息位數之比。⑹價格通常采用位價格來比較各種存儲器。位價格：存儲器設備價格除以容量。2021/7/381例 設某磁盤由8片盤組成，其中最上面和最下面兩面不記錄信息，已知該盤每個記錄面共有1024個磁道，每個磁道有64個扇區。磁盤轉速為6000轉/分，平均尋道時間為12ms，啟動延遲為1ms。假設磁盤最內圈直徑為5cm，最外圈直徑為10cm。⑴計算磁盤的容量；⑵判斷磁盤地址需要多少位；⑶計算磁盤的數據傳輸率；⑷計算讀寫一個扇區的數據需要的平均訪問時間；⑸計算該盤的道密度，最小位密度和最大位密度。2021/7/382解：⑴磁盤的容量（非格式化容量）為：C＝記錄面×磁道數/面×扇區數/道×字節數/扇區＝14×1024×64×512（字節）＝448MB⑵磁盤的地址格式為：2021/7/383磁盤地址需要20位。?柱面號

(1024個柱面)盤面號

(16個盤面)扇區號(64個扇區/面)⑶數據傳輸率為：Dr＝每一磁道的容量×每秒轉數＝64×512×6000/60秒＝3200KB/S⑷平均訪問時間＝平均尋道時間＋平均旋轉時間＋傳送一個扇區數據所需的時間＋啟動延遲＝12＋＋ ＋1＝18.16毫秒6000

·

2

3200KB/秒2021/7/38460秒

512字節⑸磁道密度＝＝409.6道/厘米1024(10

-

5)

/

2最小位密度＝

8

·512

·

64

＝834.9位/毫米p

·10最大位密度＝

8

·512

·

64

＝1669.7位/毫米2021/7/385p

·5問題：如果某文件長度超過一個磁道的容量，應將它記錄在同一個存儲面上，還是記錄在同一個柱面上?答：如果文件長度超過一個磁道的容量，應將它記錄在同一柱面上，因為不需要重新尋道，數據讀寫速度快。2021/7/386例：磁盤組有6片磁盤，每片有兩個記錄面，最上最下兩個面不用。存儲區域內徑22cm，外徑33cm，道密度為40道/cm，內層位密度400位/cm，轉速2400轉/分，平均尋道時間為10ms。問：(1)共有多少柱面?(2)盤組總存儲容量是多少？(3)數據傳輸率多少?(4)平均尋址時間是多少？(5)采用定長數據塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么?尋址命令中如何表示磁盤地址?2021/7/387解：(1)有效存儲區域＝16.5－11＝5.5(cm)因為道密度＝40道/cm，所以共有40×5.5＝220道，即

220個圓柱面。(2)內層磁道周長為2πR＝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盤組總容量＝759880B×l0＝7598800B＝7.25MB(3)磁盤數據傳輸率Dr＝r×NN為每條磁道容量，N＝3454Br為磁盤轉速，r＝2400轉/60秒＝40轉/秒Dr＝r×N＝40×3454B＝13816B/s2021/7/388(4)磁盤旋轉一圈的時間為?平均尋址時間Ta＝10ms＋25/2ms+512B/13816B/s＝22.5ms+37ms(5)采用定長數據塊格式，直接尋址的最小單位是一個扇區，每個記錄塊記錄固定字節數目的信息，在定長記錄的數據塊中，活動頭磁盤組的編址方式可用如下格式：24002021/7/38960t＝·103＝25ms驅動器號圓柱面號盤面號扇區號4.

磁盤的垂直記錄技術（PRM）2021/7/390Perpendicular

Magnetic

Recording技術人員實現硬盤擴容的方法就是把平鋪在磁盤上用于記錄數據的磁微粒不斷削小（或提高道密度）來擴大硬盤容量。但磁顆粒變小也有極限，當到達極限時就會導致“超順磁”（superparamagnetic）現象，即承載數據的微粒變得非常小，以至于在室溫下任何材料的原子隨機振動都會引起數據位的磁定向發生自然逆轉，從而致使記錄數據丟失。磁盤的垂直記錄技術垂直記錄技術使磁記錄單元的排列方式從原來的“首尾相接”的水平排列，變為了

“肩并肩”的垂直排列。磁頭的構造也有了改進，并且增加了軟磁底層。2021/7/391垂直記錄技術采用環形磁頭在間隙處產生的雜散場來將信息寫入，采用具有相同飽和磁化強度的材料所制備的垂直寫入磁頭，能產生兩倍于縱向寫入磁頭所能產生的磁場，使得盤片中的存儲密度可以在一定程度內得到進一步的提高。2021/7/3924.7.4

光盤存儲器2021/7/393光存儲一種是通過光學的方法讀寫數據的存儲技術。其工作原理是改變一個存儲單元的性質，使其性質的變化反映出被存儲的數據，利用光學原理識別這種性質的變化，就可以讀出存儲的數據。光盤：利用光學方式讀寫信息的圓盤光盤存儲器采用聚焦激光束在盤式介質上非接觸地記錄高密度信息，以介質材料的光學性質(如反射率、偏振方向)的變化來表示所存儲信息的“1”或“0”。高能量激光束可以聚焦成約1μm的光斑，因此光存儲技術比其他存儲技術具有更高的容量。光盤存儲器的特點2021/7/394優點：光盤存儲器記錄密度高，存儲容量大，非接觸式讀寫，光盤易于更換便于保管，對環境條件沒有苛求。缺點：尋道時間長，數據傳輸率低，可擦寫性能不如磁盤快。951.光盤存儲器的類型（1）只讀光盤（CD-ROM）只讀型光盤屬形變型光盤，模壓式記錄使光盤發生永久性物理變化，記錄的信息只能讀出，不能被修改。工作特點：采用激光調制方式記錄信息，將信息以凹坑（pits）和凸區（lands）的形式記錄在螺旋形光道上。只能順序讀出，不能寫入和擦除，信息出廠時已寫好。光道為由里向外的螺旋線，扇區長度、位密度均相同工作時，線速度相同，角速度時刻變化，為恒線速2021盤/7/3。形變型光盤2021/7/396LD：俗稱影碟，記錄模擬視頻和音頻信息，可放演60分鐘全帶寬的PAL制電視。CD—DA：數字唱盤，記錄數字化音頻信息，可存儲74分鐘數字立體聲信息。VCD：俗稱小影碟，記錄數字化視頻和音頻信息。可存儲74分鐘按MPEG—1標準壓縮編碼的動態圖像信息。DVD：數字視盤。單記錄層容量為4.7GB，可存儲135分鐘按MPEG—2標準壓縮編碼的相當于高清晰度電視的視頻圖像信息和音頻信息。CD—ROM：主要用作計算機外存儲器，可記錄數字數據，也可同時記錄數字化視頻和音頻信息。2021/7/397只讀型光盤的典型產品只寫一次型光盤可由用戶利用CD-R（CompactDiscRecordable）驅動器寫入信息（也稱為刻盤），寫入的信息用CD-ROM光驅可以讀出。一次型光盤的光道可為螺旋線也可為同心圓。只寫一次型光盤屬不可逆相變型光盤。寫入信息會使介質的物理特性發生永久性變化，因此只能寫一次。寫后的信息不能再改變。2021/7/398（2）只寫一次型光盤（CD-R）只寫一次型光盤的示意性組成2021/7/399可擦寫型光盤（CompactDiscRewritable）類似于磁盤，可以重寫信息。2021/7/31003）可擦寫型光盤2.光盤的工作原理光盤存儲器邏輯示意圖主機輸入輸出接口光盤盤片光盤驅動器光盤控制器2021/7/3101（1）只讀光盤讀原理2021/7/3102只讀光盤上的信息是沿著盤面螺旋形狀的信息軌道以凹坑和凸區的形式記錄的。用低功率的讀出激光束掃描記錄介質上的信息軌道，在讀出光束的照射下，有凹坑和無凹坑處反射的光強不同，利用光電檢測器檢測反射率的變化，就可以讀出二進制信息。光盤的記錄方式光盤上的信息以凹坑形式存在，一連串的凹坑形成記錄光道。光盤上有兩種形成記錄的方式：⑴將凹坑中間記為“1”，非凹坑記為“0”。1

1

0

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

1

0

0?⑵以凹坑和非凹坑的邊界轉變引起反射光的變化來表示“1”，其他情況（即在凹坑連續底部或非凹坑部位）均表示“0”0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

02021/7/3103光盤的轉動是恒線速度的，光道以螺旋形的方式記錄信息。2021/7/31042021/7/3105（2）可擦寫光盤CD-RW的擦寫原理2021/7/3106可擦寫光盤寫入信息的過程是通過改變光盤介質的某種性質來實現的。以光盤介質的性質變化和性質不變兩種狀態分別表示“1”和“0”

。要實現光盤信息的重寫，必須恢復光盤介質原來的性質，擦去已存儲的信息，然后重新記錄新的信息。磁光式擦寫原理2021/7/3107磁光盤用非結晶稀土材料作為盤片，在200C時加入磁外力，即可改變磁極性。磁光盤利用熱磁效應寫入數據。當激光束將磁光介質上的記錄點加熱到居里點溫度以上時，外加磁場作用改變記錄點的磁化方向，而不同的磁化方向可表示數字“0”和“1”。磁光盤利用磁光科爾效應讀出數據，當激光來照射到記錄點時，記錄點的磁化方向不同，會引起反射光的偏振面發生左旋或右旋，從而檢測出所記錄的數據“1”或“0”。磁光盤用磁光材料——非結晶稀土材料作光盤片，在200C

時加入磁外力，即可改變磁極性。2021/7/3108相變型光盤2021/7/3109相變盤利用相變材料的晶態和非晶態來記錄信息。寫入：高功率激光(18mw，600C

)：晶態fi

非晶態。清除：中功率激光束(8mw，100C

)：非晶態fi

晶態。讀出：低功率激光束(2mw)：依反射光強（晶態）、弱（非晶態）檢出信息。無論是磁光盤還是相變盤，介質材料發生的物理特性改變都是可逆變化，因此是可重寫的。2021/7/3110相變式擦寫原理3.

光盤存儲器的主要技術指標2021/7/31111）

數據傳輸率數據傳輸率是指將數據從光盤驅動器傳送到主存的速率。用單位時間內光盤的光道上傳送的數據比特數來表示。數據傳輸率與光盤轉速、存儲密度有關。光盤轉得越快，數據從光盤傳送到主機內存的速度越快。常速（單倍速）8倍速10倍速32倍速48倍速2021/7/3112150Kbp/s（比特/秒）1200Kbp/s1500Kbp/s4800Kbp/s7200Kbp/s一個CD-RW驅動器有三個速度，例如標示為

24X/12X/40X的CD-RW光驅，其寫速度是24X，重寫的速度是12X，讀的速度是40X。2）存儲容量存儲容量是指所能讀寫的光盤盤片的容量。光盤容量又分為格式化容量和用戶容量，采用不同的格式和不同驅動器，光盤格式化后容量不同。一般用戶容量比格式化容量要少，因為光盤還需要存放有關控制、校驗等信息。2021/7/3113光盤的線密度一般是千位/mm，道密度是600至700道/mm，所以光盤的面密度一般可達10～100兆位/cm2。光盤容量：CD：700M左右DVD：1.4G~8.5G藍光（BD）：最高25G。2021/7/3114例如650MB的CD-ROM盤片，螺旋線形的光道被劃分成一個個扇區，扇區是最小的信息記錄單位。每個扇區的信息記錄格式：2021/7/3115每個扇區可存放2048字節的有效數據。每個扇區的地址被標記為“分、秒、扇區”。每秒鐘的數據需要75個扇區存放，一張盤片可存儲74分鐘的數據，所以整張盤片的容量為：74分鐘×60秒×75扇區/秒×2048字節=681984000字節≈

650MB12字節同步4字節頭2048字節用戶數據4字節

EDC8字節空白276字節

ECC276字節

ECC/EDC98字節控制字節平均存取時間是指在光盤上找到需要讀寫的信息的位置所需要的時間，即從計算機向光盤驅動器發出命令，到光盤驅動器可以接受讀寫命令為止的時間。平均存取時間也稱平均訪問時間。一般取光頭沿半徑移動全程1/3長度所需要的時間為平均尋道時間，盤片旋轉一周的一半時間為平均等待時間，兩者加上讀寫光頭的穩定時間就是平均存取時間。2021/7/31163）平均存取時間4)接口規范2021/7/3117CD-ROM驅動器與主機的接口方式有IDE和SCSI。IDE接口：采用40針的通訊電纜將光驅與主板連接起來。絕大多數主板上都固化有IDE控制器，能自動識別CD-ROM驅動器。SCSI接口：絕大多數情況下需要購買SCSI適配器將光驅與主機連接起來。有些主板固化有SCSI接口。SCSI接口的傳輸速度比IDE接口的傳輸速度快。4.7.5固態硬盤（SSD－SolidStateDisk）2021/7/3118固態硬盤是采用固態電子存儲芯片陣列制成的硬盤。固態硬盤由控制單元和存儲單元(Flash芯片、DRAM芯片)組成。因為固態硬盤采用閃存芯片作為存儲介質，不存在硬盤的機械結構，沒有數據查找時間、延遲時間和尋道時間，所以數據讀取和寫入的速度可以達到普通硬盤的50~1000倍。影響固態硬盤替代普通硬盤的主要因素是其可靠性。由于固態硬盤通常采用半導體NAND型閃存作為存儲介質，而NAND閃存并不像DRAM內存顆粒一樣擁有無限壽命，一旦某個存儲單元的寫入循環極限，可能遭遇徹底的物理損壞。2021/7/31194.8

廉價磁盤冗余陣列RAID2021/7/3120輔存的性能遠落后于處理器和主存，其解決方法之一是采用磁盤陣列。磁盤陣列：使用多個磁盤（包括驅動器）的組合來代替一個大容量的磁盤。多個磁盤并行工作。以條帶為單位把數據均勻地分布到多個磁盤上。（交叉存放）條帶存放可以使多個數據讀/寫請求并行地被處理，從而提高總的I/O性能。?磁盤陣列的優點2021/7/3121多個獨立的請求可以由多個盤來并行地處理。減少了I/O請求的排隊等待時間如果一個請求訪問多個塊，可以由多個盤合作來并行處理。提高了單個請求的數據傳輸率廉價磁盤冗余陣列RAID

的特征2021/7/3122⑴RAID由一組磁盤及其驅動器構成，操作系統將它們看成是單一的邏輯盤；⑵存儲的數據遍布在磁盤陣列的各個物理磁盤上；⑶采用冗余磁盤用于存儲校驗信息，以保證磁盤的故障恢復能力。RAID方案有多個不同的級別，分別定義了不同的體系結構。但除RAID0不支持⑶以外，其他級別都具有以上三個特征。4.8.1 RAID

0RAID

0：非冗余磁盤陣列把若干磁盤連接在一起構成能并行工作的大容量磁盤。所有用戶和系統數據被看成存儲在一個邏輯盤上。數據被分為條帶（strip）。條帶大小可以是物理塊、扇區、或其他一些單位。數據條帶順序交叉地存放到陣列中的各個磁盤上。2021/7