大学计算机组成原理 第7章 外围设备

外围设备
1.磁性材料的物理特性
当磁性材料被磁化后，会形成两个稳定的剩磁
状态，就像触发器电路有两个稳定的状态一样。
+Br (正剩磁状态的磁感应强度)表示代码“1”。
加正向脉冲电流，使磁性材料正向磁化； -Br (负剩磁状态的磁感应强度)状态表示代码 “0”。加负向脉冲电流，使磁性材料反向磁化。 磁性材料上呈现剩磁状态的地方形成了一个磁化 元或存储元，它是记录一个二进制信息位的最小单位。
目和磁道是相同的。
而每个磁道又分为若干个扇区，它是磁盘上的 最小记录单位。
硬盘的磁道、 扇区、柱面 柱面
磁道
扇区
0磁道 n磁道
不记录信息
外围设备
例如，对活动头磁盘组来说，磁盘地址是由 记录
面号(也称磁头号)+磁道号+扇区号 三部分组成。
在磁道上，信息是按扇区存放的，每个扇区中存 放一定数量的字或字节，并且，各个扇区存放的字或 字节数是相同的。 为进行读/写操作，要求定出磁道的起始位臵， 这个起始位臵称为索引。 索引标志在传感器检索下 可产生脉冲信号，再通过磁盘控制器处理，便可定出
接口
外围设备
外围设备可分为: 输入设备
输出设备
外存设备 数据通信设备 过程控制设备 各类外设的工作模式、信息类型、处理速度 和控制方式等都各自不同。
外围设备
7.2磁盘存储设备
7.2.1 磁记录原理
7.2.2 磁盘机的基本组成和分类
7.2.3 磁盘驱动器和控制器 7.2.4 磁盘上信息的分布 7.2.5 磁盘存储器的技术指标
工作时，高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头平稳浮
起。优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求 不高。
外围设备
7.4.4 磁盘上信息的分布
盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片 表面称为记录面。 记录面上一系列同心圆称为磁道。
每个盘片表面通常有几十到几百个磁道，柱面
指的就是多个盘片上具有相同编号的磁道，它的数
外围设备
硬磁盘机分类：
按盘片结构分成可换盘片式与固定盘片式两种；
磁头也分为可移动磁头和固定磁头两种。
(1)可移动磁头固定盘片的磁盘机 ：一片或一组 盘片固定在主轴上，盘片不可更换 。盘片每面只有 一个磁头，存取数据时磁头沿盘面径向移动。 (2)固定磁头磁盘机 ：磁头位臵固定，磁盘的每 一个磁道对应一个磁头，盘片不可更换。优点是存取 速度快，省去磁头找道时间，缺点是结构复杂。
计算机组成原理
第7章 外围设备
课程教学要求
本章内容：
7.1 外围设备概述 7.2 硬磁盘存储设备 7.5光盘和磁光盘存储设备 本章小结
7.1 外围设备概述
7.1.1 外围设备的一般功能
外围设备
7.1.2 外围设备的分类
7.1.1 外围设备的一般功能
外围设备的定义：
外围设备
外围设备涉及到相当广泛的计算机部件。除了CPU 和主存，计算机系统的每一部分都可作为一个外围设 备来看待。 外围设备的功能：在计算机和其他机器之间，以 及计算机与用户之间提供或建立联系。
可达几十兆字节/秒。
外围设备
【例4】磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面， 最上最下两个面不用。存储区域内（直）径22cm ， 外（直）径33cm，道密度为40道/cm，内层位密度400 位/cm，转速2400转/分。问：
(1)共有多少柱面?
来自百度文库
(2)盘组总存储容量是多少?
(3)数据传输率多少? (4)采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小 单位是什么? 寻址命令中如何表示磁盘地址? (5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将 它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上?
外围设备的基本组成：
(1)存储介质，它具有保存信息的物理特征。 (2)驱动装臵，它用于移动存储介质。 (3)控制电路，它向存储介质发送数据或从存储介 质接受数。
7.1.2 外围设备的分类
五大类外围设备
中央是CPU和 主存，通过总 线与第二层的 适配器(接口) 部件相连，第 三层是各种外 围设备控制器， 最外层则是外 围设备。
外围设备
(3)可移动磁头可换盘片的磁盘机：盘片可以更
换，磁头可沿盘面径向移动。优点是盘片可以脱机保
存，同种型号的盘片具有互换性。
(4)温彻斯特磁盘机。简称温盘，是一种采用先 进技术研制的可移动磁头固定盘片的磁盘机。它是一 种密封组合式的硬磁盘，即磁头、盘片、电机等驱动 部件乃至读写电路等组装成一个不可随意拆卸的整体。
7.4.2 硬磁盘机的基本组成和分类
硬磁盘机是指记录介质为硬质圆形盘片 的磁表面存储器。 它主要由磁记录介质、磁盘控制器、磁 盘驱动器三大部分组成。 磁盘控制器包括控制逻辑与时序、数据 并-串变换电路和串-并变换电路。 磁盘驱动器包括写入电路与读出电路、 读写转换开关、读写磁头与磁头定位伺服系 统等。
外围设备
存储容量： 一个磁盘存储器所能存储的字节总 数，称为磁盘存储器的存储容量。存储容量有格式化 容量和非格式化容量之分。 格式化容量: 指按照某种特定的记录格式所能存 储信息的总量，也就是用户可以真正使用的容量。 非格式化容量: 磁记录表面可以利用的磁化单元 总数。 将磁盘存储器用于某计算机系统中，必须首先进 行格式化操作，然后才能供用户记录信息。格式化容 量一般是非格式化容量的60% ~70%。目前，3.5英 寸的硬盘机容量可达几十GB。
7.2.1 磁记录原理与记录方式
磁表面存储器的优点： (1)存储容量大，位价格低； (2)记录介质可以重复使用；
外围设备
磁表面存储：用磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料 表面作载磁体来存储信息。e.g.磁盘/磁带。
(3)记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档
(4)非破坏性读出，读出时不需要再生信息 。 磁表面存储器的缺点：存取速度较慢，机械结构复 杂，对工作环境要求较高。 磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在计算 机系统中作为辅助大容量存储器使用。
线圈
前间隙
电流
磁记录介质
磁头结构和电磁转换示意图
外围设备
磁表面存储器存取信息的原理： 通过电-磁变换，利用磁头写线圈 中的脉冲电流，可把一位二进制代码 转换成载磁体存储元的不同剩磁状态； 通过磁-电变换，利用磁头读出线 圈，可将由存储元的不同剩磁状态表 示的二进制代码转换成电信号输出。
外围设备
外围设备
2.记录方式
形成不同写入电流波形的方式，称为记录方式。 记录方式是一种编码方式，它按某种规律将一串二 进制数字信息变换成磁层中相应的磁化元状态，用
读写控制电路实现这种转换。
在磁表面存储器中，由于写入电流的幅度、相 位、频率变化不同，从而形成了不同的记录方式。 常用记录方式可分为不归零制(NRZ)，调相制
7.4.5 磁盘存储器的技术指标
外围设备
磁盘存储器的主要指标包括存储密度、存储容量、 存取时间及数据传输率。
存储密度： 道密度、位密度和面密度。 道密度: 沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数， 单位为道/英寸。
位密度: 磁道单位长度上能记录的二进制代码位 数， 单位为位/英寸。
面密度: 位密度和道密度的乘积，单位为位/平 方英寸。
编码效率 是指位密度与最大磁化翻转密度之比，也就是
指每次磁层状态翻转 所存储的数据信息位的多少。 自同步能力 是指从读出数据(脉冲序列)中自动提取同步 信号( 时间基准信号)的能力。自同步能力的大小可以用最小 磁化翻转间隔与最大磁化翻转间隔的比值R来衡量。R越大，自
同步能力越高。
检读分辨力 是指磁记录系统对读出信号的分辨能力。 信息相关性 是指漏读或错读一位是否会传播误码，所以 是衡量精度的指标。
(PM)，调频制(FM)几大类。
各种记录方式中代码0或1的写入电流波形
数据序列 NRZ0 NRZ1 1 0 0 0 1 1 1 0
PM
FM MFM
外围设备
不归零制(NRZ0)： 其特点是磁头线圈中始终有电流，不
是正向电流(代表1)就是反向电流(代表0)，因此不归零制记 录方式的抗干扰性能较好。
见“1”就翻不归零制(NRZ1) 与 NRZ0制的相同处：磁头线
圈中始终有电流通过。不同处：记录“0”时电流方向不变，只 有遇到1时才改变方向。 调相制(PM)：其特点是在一个位周期的中间位臵，电流由 负到正为1，由正到负为0，即利用电流相位的变化进行写“1” 和“0”，所以通过磁头中的电流方向一定要改变一次，这种记 录方式中“1”和“0”的读出信号相位不同，抗干扰能力较强。 另外读出信号经分离电路可提取自同步定时脉冲，所以具有自
磁道起始位臵 。
外围设备
每个扇区记录定长的数据，每一个扇区记录一个记
录块。数据在磁盘上的记录格式如下：
扇标脉冲标志一个扇区的开始。 两个扇标脉冲之间即为一
个扇区。每个记录块由头部空白段、序标段、数据段、校验字 段及尾部空白段组成。空白段用来留出一定的时间作为磁盘控 制器的读写准备时间;序标被用来作为磁盘控制器的同步定时 信号。序标之后即为本扇区所记录的数据。数据之后是校验字， 它用来校验磁盘读出的数据是否正确。
• 硬盘容量 ＝ 柱面数×扇区数×每扇区字节数×记录面数
外围设备
平均存取时间： 磁盘存取时间是指从发出读写 命令后，磁头从某一起始位臵移动至新的记录位臵， 到开始从盘片表面读出或写入信息所需要的时间。 由两个数值所决定： 定位时间或找道时间: 将磁头定位至所要求的磁 道上所需的时间；
等待时间: 找道完成后至磁道上需要访问的信息 到达磁头下的时间。 平均存取时间 = 平均找道时间 + 平均等待时间
外围设备
(4)采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是 一个记录块(扇区)，每个记录块记录固定字节数目的信 息，在定长记录数据块中，本例活动头磁盘组的编址方 式可用如下格式：
是在每个位周期的起始处都翻转，因而进一步提高了记录密度。
MFM可用于双密度磁盘存储器。 除了上述几种记录方式外，还有游程长度受限码RLLC、
成组编码GCR等记录方式。
外围设备
评价一种记录方式优劣的标准：编码效率、自同步能力、
检读分辨力、信息相关性、抗干扰能力、信道带宽、编码译码 电路的复杂性等。
外围设备
【解】：(1)有效存储区域=16.5-11=5.5(cm)
因为道密度=40道/cm，所以40×5.5=220道，即： 每个记录面上有220条磁道。
可知：磁盘组共有220个圆柱面。
(2)内层磁道周长为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
盘组总容量=759880B×10=7598800B（约为7.5GB) (3)磁盘数据传输率Dr=r×N, N为每条磁道容量， N=3454B, r为磁盘转速，已知：r=2400转/60秒=40转/ 秒 故：Dr=r×N=40×3454B=13816 B/s
同步能力。磁带存储器中一般采用这种记录方式。
外围设备
调频制(FM) 其特点如下：(1)无论记录的代码是1或0，
或者连续写“1”或写“ 0”，在相邻两个存储元交界处电流都 要改变方向；(2)记录1时电流一定要在位周期中间改变方向， 写“1”电流的频率是写“0”电流频率的2倍，故称为倍频法。 这种记录方式的优点是记录密度高，具有自同步能力。FM可用 于单密度磁盘存储器。 改进调频制(MFM) 与调频制的区别在于只有连续记录两 个或两个以上“0”时，才在位周期的起始位臵翻转一次，而不
外围设备
平均找道时间是最大找道时间与最小找道时间的 平均值，目前平均找道时间为10—20ms。
平均等待时间和磁盘转速有关，它用磁盘旋转一周
所需时间的一半来表示。目前固定头盘转速高达6000 转/分，故平均等待时间为5ms。
数据传输率: 磁盘存储器在单位时间内向主机传
送数据的字节数。
传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。从主 机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度向设备接 收/发送信息。 从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为每秒r 转，每条磁道容量为N个字节，则数据传输率 Dr=r×N(字节/秒)。目前磁盘存储器的数据传输率
3.磁表面存储器的读写原理
磁头
磁盘用磁头形成和判别磁层中的不同 磁化状态，产生或者感应变化的电磁场，把 二进制信息写进盘状材料表面磁层中，或从 磁层中读出。 磁头实际上是由软磁材料做成铁芯， 并绕有读写线圈的电磁铁。 磁头是实现电-磁转换的装臵。 磁头分为： 接触式磁头、浮动式磁头。
后间隙
铁氧体