中国海洋大学计算机组成原理课件(第8章)
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磁带：从70年代晚期到80年代出现了小型的盒式磁带，长度为 90分钟的磁带每一面可以记录大约660KB的数据。
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
25
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
存储密度:单位长度或单位面积磁层表面所存储的 二进制信息量.
＊对于磁盘存储器，用道密度和位密度表示，也可以用两者的乘积面密度表示。 ＊对于磁带存储器，则用位密度表示。
16
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
Above left: The magnetic Drum Memory of the UNIVAC computer. Above right: A 16-inch-long drum from the IBM 650 computer. It had 40 tracks, 10 kB of storage space, and spun at 12,500 revolutions per minute．
数据传输率
＊单位时间内从磁表面存储器所读/写的信息量。
误码率
＊出错信息位数／读出的总信息位数．
价格
＊位价格
27
§8.2 磁记录原理与记录方式
磁记录原理
磁表面存储器通过磁头和记录介质的相对运动完成 写入和读出。
图8.1 读写原理
28
§8.2 磁记录原理与记录方式
磁记录介质： – 涂有薄层磁材料的信息载体。-Fe2O3 磁头：实现电-磁转换的装置。
也正是在磁芯存储器获得广泛应用之后，才有了我们今天耳熟 能详的RAM这个词。
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
1951年,中国移民王安(1920～1990) 发明了磁芯存储器,IBM于1956年购买 了这项技术专利。
IBM 制作的磁芯存储器,1958年．
10
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
磁芯存储器(开随机存储的先河)． 在铁氧体磁环里穿进一根导线，导线中流过不同方向的电流 时，可使磁环按两种不同方向磁化，代表“1”或“0”的信息 便以磁场形式储存下来 .
王安博士利用这一思想研制的“脉冲传输控制装置(Pulse transfer controlling device)”于1949年获得了美国专利，于是 开创了磁芯存储器(magnetic core memory)时代。
记录1时电流正向流动，记录0时电流反向流动。在记录2 个信息位之间有一段距离没有电流变化。
不归零制（NRZ）
记录1时电流正向流动，电流保持到下一个信息到来，记 录0时电流反向流动，并电流保持到下一个信息到来。
不归零-1制（NRZ1）
记录1时电流改变极性，使磁记录层的磁化强度方向发生 翻转；记录0时保持原来的写电流和磁化强度方向。
穿孔卡片用于输入数据和 程序,直到上世纪70年代中期 还在广泛应用. •右图是一条Fortan程序表 达式Z(1) = Y+ W(1),1946年
left: Punch card reader. right: Punch card writer.
15
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
穿孔纸带：既用来输入数据，输出同样也在穿孔纸带上。 每一行代表一个字符。1946年
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
硬盘驱动器：RAMAC 350采用接触式磁头，主轴电机旋转
速度为1200rpm，步进电机驱动磁头完成寻道。
19
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
Above left: A 250 MB hard disk drive from 1979.
Above right: The IBM 3380 from 1980, the first gigabyte-capacity hard disk drive.
6
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
水银延迟线存储器(最早最早的计算机的内存)
•水银延迟线的工作原理：将一块石头掷入水中，形成波浪，波 头经过一段时间才能传播到远方某处。 •1951年3月，由ENIAC的主要设计者莫齐利和埃克特设计的第一 台通用自动计算机UNIVAC-1使用了水银延迟线存储装置。
7
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
IBM 706静电存储管
•存储管是英国曼彻斯特大学的科学家威廉(Freddie C. Williams)于1948年设计 成功，因此也称作威廉管。
•较有代表性的应用是IBM706存储管,它被用以IBM 701军用计算机中.这台计 算机共使用了72个IBM706,可存储10,240 bit的数据,存取速度为12ms,这个速度 在当时是很快的,非常适合用作随机存取存储器.因此静电存储管取代了此前水 银延迟线。
值得一提的是,1959 年9月我国自行研制成功的第一台电子管计算机104机,该 机运算速度为每秒1万次,内存就是采用的自行研制的磁芯存储器,容量为2K～
4K,而把速度较慢的磁鼓作为外存使用。
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
1024的选数管(从256到4096比特),1946年
14
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
改进型调频制（MFM）
当二进制信息中出现连续0时，其记录单元的交界处翻转一次。在其 它情况下（0->1,1->0,1->1)其记录单元的交界处不翻转； 在一个记录单元的中间点，记录1时改变电流方向，产生磁化翻转， 记录0时不改变电流方向，不产生磁化翻转。
(Computer Organization Principles)
主讲教师
实验教师
蒋永国(jiangyg@ouc.edu.cn)
(信息学院南楼,B313室)
徐惠敏(yziping@ouc.edu.cn)
For Students of Lab 2010
计算机硬件系统组成(章节分配)
第二部分 (5,6章)
12
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
今天的半导体存储器芯片的存取管理模式与磁芯存储器完全相 同,RAM(Random Access Memory,随机存取存储器)一词正是为了 说明磁芯存储器的特性才出现的。
从50年代初到70年初集成电路技术成熟之前长达20年的时间里，磁芯存储器 在计算机的主存储器领域一直占居着统治地位。
硬盘驱动器：首个容量突破1GB的硬盘是IBM在1980年制造的
IBM 3380，总容量为2.52GB，重约250千克，售价从81000美元 到142400美元不等。
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
Above left: A Laserdisc next to a regular DVD. Above right: Another Laserdisc 光盘：早先的光盘主要用于电影行业，第一款于1987年进入市场， 直径为30厘米，每一面可以记录60分钟的音频或视频。看看和我们 今天常用的DVD大小对比。
磁鼓存储器：最初于1932年在奥地利创造出来，上世纪五六 十年代广泛使用，通常作为内存，容量在10kB左右。 17
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
硬盘驱动器：第一款硬盘驱动器是IBM Model 350 Disk
File，于1956年制造，其中包含了50张24英寸盘片，而总 容量不到5MB．
18
11
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
磁芯存储器也称作铁氧体磁芯存储器(ferrite-core memory),是一种非易失性存储器(断电后存储的信息不会丢失), 磁带、磁盘等磁存储设备基于同样的存储原理。但是，对磁芯进 行存取操作时无需旋转机械的帮助，其中存储的信息可以通过寻 址线立即获得，存取速度自然要快很多，因此非常适合作内存使 用。
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
软盘：由IBM在1971年引入，从上世纪70年代中期到90年代末 期被广泛使用，最初为8寸盘，之后有了5.25和3.5英寸软盘。 1971年最早的软盘容量为79.7kB，并且是只读的，一年后有了 可读写的版本。 22
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
Above left: The row of tape drives for the UNIVAC I computer. Above right: The IBM 3410 Magnetic Tape Subsystem, introduced in 1971. 磁带：磁带从1951年起被作为数据存储设备使用，被称为 UNISERVO，可以每秒钟传输7200个字符，这套磁带长达365米, 相当沉重。 23
面密度：单位面积中存储的二进制信息量；（磁盘） 道密度：单位长度上存储的二进制信息量。（磁带）
存储容量:一般以字节(B:Byte)为单位．
＊格式化容量 ＊非格式化容量
寻址时间
＊磁盘：平均寻道时间+平均等待时间； ＊磁带：磁带空转到磁头应访问位置的时间．
26
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
4
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
Βιβλιοθήκη Baidu
1.存储密度 2.存储容量 3.寻址时间 4.数据传输率 5.误码率 6.价格
5
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
1、电子管计算机(1946～1959):主存储器有水银延迟线存储 器、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓和磁芯存储器等类型， 通常按此对计算机进行分类。 2、晶体管计算机时期(1959～1964):主存储器均采用磁芯存 储器,磁鼓和磁盘开始用作主要的辅助存储器。 3、1964年以后,在集成电路发展:半导体存储器逐步取代了 磁芯存储器的主存储器地位,磁盘成了不可缺少的辅助存储 器，并且开始普遍采用虚拟存储技术。 随着各种半导体只读存储器和可改写的只读存储器的迅 速发展，以及微程序技术的发展和应用，计算机系统中开始 出现固件子系统。
控 制 器
运 算 器
第一部分(2,3章)
第 三
部 分 4 7 8 章 ( ,
高速缓存
主存储器 虚拟存储器 (磁盘设备) 总 线 和 接 口
第四部分(9,10章)
I/O
输入设备 输出设备
2
, )
第8章 辅助存储器(目录部分)
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 辅助存储器的种类与技术指标 磁记录原理与记录方式 硬磁盘存储器 软磁盘存储器 磁带存储器 光盘存储器 硬盘,软盘,磁带和光盘存储器的综合比较
数据写入:在线圈中通以一定 方向的电流。
数据读出:磁介质在磁头下匀 速运动。
Iw
29
§8.2 磁记录原理与记录方式
图8.2 水平记录和垂直记录
30
§8.2.3 磁记录方式
磁记录方式 按某种规律将一串二进制数字信息变 换成磁层的相应磁化翻转形式，并经过读写控制电 路实现这种转换规律。 归零制（RZ）
3
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
计算机存储系统中,有主存储器和辅助存储器.
主存储器存放立即使用的程序和数据,要求存取速度快,通 常由半导体存储器构成. 辅助存储器用于存放当前不需立即使用的信息.它作为主 存的后备和补充,是主机的外部设备,又称为外存储器. 辅助存储器特点:容量大,成本低; “非易失性”存储器. 辅助存储器主要有磁表面存储器和光存储器两大类.
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
静电存储管虽然速度比水银延迟线要快，但它也有缺点：对环 境的要求比较苛刻，机房必须保持黑暗，否则光照会导致存储 出错。
没过多久，静电存储管又被华人科学家王安发明的磁芯存储器 取代了。从50年代初到70年初集成电路技术成熟之前长达20年 的时间里，磁芯存储器在计算机的主存储器领域一直占居着统 治地位。
31
§8.2.3 磁记录方式
调相制（PM）
在一个记录单元内，磁头线圈种的写入电流由负到正表示记录信息1， 由正到负表示记录信息0。两者的相位相差180度。当二进制信息中出 现连续两个1或连续2个0时，为了维持上述规则，在两个记录单元的 交界处也要发生翻转。
调频制（FM）
在记录单元起始处不论是记录0还是1，都要改变电流方向，产生翻转； 在一个记录单元中间点，记录1时改变电流方向，产生翻转，记录0时 不改变电流方向，不产生翻转。这样记录1的频率是记录0的频率的1 倍。
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
Above left: The standard compact cassette.
Above right: The Commodore Datassette is sure to bring up fond memories for people who grew up in the 80s.
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
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§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
存储密度:单位长度或单位面积磁层表面所存储的 二进制信息量.
＊对于磁盘存储器，用道密度和位密度表示，也可以用两者的乘积面密度表示。 ＊对于磁带存储器，则用位密度表示。
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§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
Above left: The magnetic Drum Memory of the UNIVAC computer. Above right: A 16-inch-long drum from the IBM 650 computer. It had 40 tracks, 10 kB of storage space, and spun at 12,500 revolutions per minute．
数据传输率
＊单位时间内从磁表面存储器所读/写的信息量。
误码率
＊出错信息位数／读出的总信息位数．
价格
＊位价格
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§8.2 磁记录原理与记录方式
磁记录原理
磁表面存储器通过磁头和记录介质的相对运动完成 写入和读出。
图8.1 读写原理
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§8.2 磁记录原理与记录方式
磁记录介质： – 涂有薄层磁材料的信息载体。-Fe2O3 磁头：实现电-磁转换的装置。
也正是在磁芯存储器获得广泛应用之后，才有了我们今天耳熟 能详的RAM这个词。
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
1951年,中国移民王安(1920～1990) 发明了磁芯存储器,IBM于1956年购买 了这项技术专利。
IBM 制作的磁芯存储器,1958年．
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§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
磁芯存储器(开随机存储的先河)． 在铁氧体磁环里穿进一根导线，导线中流过不同方向的电流 时，可使磁环按两种不同方向磁化，代表“1”或“0”的信息 便以磁场形式储存下来 .
王安博士利用这一思想研制的“脉冲传输控制装置(Pulse transfer controlling device)”于1949年获得了美国专利，于是 开创了磁芯存储器(magnetic core memory)时代。
记录1时电流正向流动，记录0时电流反向流动。在记录2 个信息位之间有一段距离没有电流变化。
不归零制（NRZ）
记录1时电流正向流动，电流保持到下一个信息到来，记 录0时电流反向流动，并电流保持到下一个信息到来。
不归零-1制（NRZ1）
记录1时电流改变极性，使磁记录层的磁化强度方向发生 翻转；记录0时保持原来的写电流和磁化强度方向。
穿孔卡片用于输入数据和 程序,直到上世纪70年代中期 还在广泛应用. •右图是一条Fortan程序表 达式Z(1) = Y+ W(1),1946年
left: Punch card reader. right: Punch card writer.
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§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
穿孔纸带：既用来输入数据，输出同样也在穿孔纸带上。 每一行代表一个字符。1946年
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
硬盘驱动器：RAMAC 350采用接触式磁头，主轴电机旋转
速度为1200rpm，步进电机驱动磁头完成寻道。
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§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
Above left: A 250 MB hard disk drive from 1979.
Above right: The IBM 3380 from 1980, the first gigabyte-capacity hard disk drive.
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§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
水银延迟线存储器(最早最早的计算机的内存)
•水银延迟线的工作原理：将一块石头掷入水中，形成波浪，波 头经过一段时间才能传播到远方某处。 •1951年3月，由ENIAC的主要设计者莫齐利和埃克特设计的第一 台通用自动计算机UNIVAC-1使用了水银延迟线存储装置。
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§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
IBM 706静电存储管
•存储管是英国曼彻斯特大学的科学家威廉(Freddie C. Williams)于1948年设计 成功，因此也称作威廉管。
•较有代表性的应用是IBM706存储管,它被用以IBM 701军用计算机中.这台计 算机共使用了72个IBM706,可存储10,240 bit的数据,存取速度为12ms,这个速度 在当时是很快的,非常适合用作随机存取存储器.因此静电存储管取代了此前水 银延迟线。
值得一提的是,1959 年9月我国自行研制成功的第一台电子管计算机104机,该 机运算速度为每秒1万次,内存就是采用的自行研制的磁芯存储器,容量为2K～
4K,而把速度较慢的磁鼓作为外存使用。
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
1024的选数管(从256到4096比特),1946年
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§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
改进型调频制（MFM）
当二进制信息中出现连续0时，其记录单元的交界处翻转一次。在其 它情况下（0->1,1->0,1->1)其记录单元的交界处不翻转； 在一个记录单元的中间点，记录1时改变电流方向，产生磁化翻转， 记录0时不改变电流方向，不产生磁化翻转。
(Computer Organization Principles)
主讲教师
实验教师
蒋永国(jiangyg@ouc.edu.cn)
(信息学院南楼,B313室)
徐惠敏(yziping@ouc.edu.cn)
For Students of Lab 2010
计算机硬件系统组成(章节分配)
第二部分 (5,6章)
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§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
今天的半导体存储器芯片的存取管理模式与磁芯存储器完全相 同,RAM(Random Access Memory,随机存取存储器)一词正是为了 说明磁芯存储器的特性才出现的。
从50年代初到70年初集成电路技术成熟之前长达20年的时间里，磁芯存储器 在计算机的主存储器领域一直占居着统治地位。
硬盘驱动器：首个容量突破1GB的硬盘是IBM在1980年制造的
IBM 3380，总容量为2.52GB，重约250千克，售价从81000美元 到142400美元不等。
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
Above left: A Laserdisc next to a regular DVD. Above right: Another Laserdisc 光盘：早先的光盘主要用于电影行业，第一款于1987年进入市场， 直径为30厘米，每一面可以记录60分钟的音频或视频。看看和我们 今天常用的DVD大小对比。
磁鼓存储器：最初于1932年在奥地利创造出来，上世纪五六 十年代广泛使用，通常作为内存，容量在10kB左右。 17
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
硬盘驱动器：第一款硬盘驱动器是IBM Model 350 Disk
File，于1956年制造，其中包含了50张24英寸盘片，而总 容量不到5MB．
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§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
磁芯存储器也称作铁氧体磁芯存储器(ferrite-core memory),是一种非易失性存储器(断电后存储的信息不会丢失), 磁带、磁盘等磁存储设备基于同样的存储原理。但是，对磁芯进 行存取操作时无需旋转机械的帮助，其中存储的信息可以通过寻 址线立即获得，存取速度自然要快很多，因此非常适合作内存使 用。
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
软盘：由IBM在1971年引入，从上世纪70年代中期到90年代末 期被广泛使用，最初为8寸盘，之后有了5.25和3.5英寸软盘。 1971年最早的软盘容量为79.7kB，并且是只读的，一年后有了 可读写的版本。 22
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
Above left: The row of tape drives for the UNIVAC I computer. Above right: The IBM 3410 Magnetic Tape Subsystem, introduced in 1971. 磁带：磁带从1951年起被作为数据存储设备使用，被称为 UNISERVO，可以每秒钟传输7200个字符，这套磁带长达365米, 相当沉重。 23
面密度：单位面积中存储的二进制信息量；（磁盘） 道密度：单位长度上存储的二进制信息量。（磁带）
存储容量:一般以字节(B:Byte)为单位．
＊格式化容量 ＊非格式化容量
寻址时间
＊磁盘：平均寻道时间+平均等待时间； ＊磁带：磁带空转到磁头应访问位置的时间．
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§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
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§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
Βιβλιοθήκη Baidu
1.存储密度 2.存储容量 3.寻址时间 4.数据传输率 5.误码率 6.价格
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§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
1、电子管计算机(1946～1959):主存储器有水银延迟线存储 器、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓和磁芯存储器等类型， 通常按此对计算机进行分类。 2、晶体管计算机时期(1959～1964):主存储器均采用磁芯存 储器,磁鼓和磁盘开始用作主要的辅助存储器。 3、1964年以后,在集成电路发展:半导体存储器逐步取代了 磁芯存储器的主存储器地位,磁盘成了不可缺少的辅助存储 器，并且开始普遍采用虚拟存储技术。 随着各种半导体只读存储器和可改写的只读存储器的迅 速发展，以及微程序技术的发展和应用，计算机系统中开始 出现固件子系统。
控 制 器
运 算 器
第一部分(2,3章)
第 三
部 分 4 7 8 章 ( ,
高速缓存
主存储器 虚拟存储器 (磁盘设备) 总 线 和 接 口
第四部分(9,10章)
I/O
输入设备 输出设备
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第8章 辅助存储器(目录部分)
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 辅助存储器的种类与技术指标 磁记录原理与记录方式 硬磁盘存储器 软磁盘存储器 磁带存储器 光盘存储器 硬盘,软盘,磁带和光盘存储器的综合比较
数据写入:在线圈中通以一定 方向的电流。
数据读出:磁介质在磁头下匀 速运动。
Iw
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§8.2 磁记录原理与记录方式
图8.2 水平记录和垂直记录
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§8.2.3 磁记录方式
磁记录方式 按某种规律将一串二进制数字信息变 换成磁层的相应磁化翻转形式，并经过读写控制电 路实现这种转换规律。 归零制（RZ）
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§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
计算机存储系统中,有主存储器和辅助存储器.
主存储器存放立即使用的程序和数据,要求存取速度快,通 常由半导体存储器构成. 辅助存储器用于存放当前不需立即使用的信息.它作为主 存的后备和补充,是主机的外部设备,又称为外存储器. 辅助存储器特点:容量大,成本低; “非易失性”存储器. 辅助存储器主要有磁表面存储器和光存储器两大类.
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
静电存储管虽然速度比水银延迟线要快，但它也有缺点：对环 境的要求比较苛刻，机房必须保持黑暗，否则光照会导致存储 出错。
没过多久，静电存储管又被华人科学家王安发明的磁芯存储器 取代了。从50年代初到70年初集成电路技术成熟之前长达20年 的时间里，磁芯存储器在计算机的主存储器领域一直占居着统 治地位。
31
§8.2.3 磁记录方式
调相制（PM）
在一个记录单元内，磁头线圈种的写入电流由负到正表示记录信息1， 由正到负表示记录信息0。两者的相位相差180度。当二进制信息中出 现连续两个1或连续2个0时，为了维持上述规则，在两个记录单元的 交界处也要发生翻转。
调频制（FM）
在记录单元起始处不论是记录0还是1，都要改变电流方向，产生翻转； 在一个记录单元中间点，记录1时改变电流方向，产生翻转，记录0时 不改变电流方向，不产生翻转。这样记录1的频率是记录0的频率的1 倍。
§8.1 辅助存储器的种类与技术指标
Above left: The standard compact cassette.
Above right: The Commodore Datassette is sure to bring up fond memories for people who grew up in the 80s.