1、復(fù)習(xí)思考題191. 計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備是指_。2. 在調(diào)頻制記錄方式中，是利用_來寫“0”或“1”的。3. 在調(diào)相制(PE)中，記錄“1”時，寫電流在位周期中間由_。4. 磁盤存儲器中，在記錄面上一條條磁道形成一個個同心圓，越往內(nèi)側(cè)，磁道的編號越小。（ ）5. 硬盤的柱面數(shù)與硬盤的磁頭數(shù)有關(guān)。（ ）第8章 外部設(shè)備8.1 外部設(shè)備概述8.2 磁介質(zhì)存儲器的性能和原理8.3 磁介質(zhì)存儲設(shè)備8.4 磁盤陣列8.5 光盤存儲器8.6 新型輔助存儲器8.7 鍵盤輸入設(shè)備8.8 其他輸入設(shè)備8.9 打印輸出設(shè)備8.10 顯示設(shè)備 硬盤存儲器的基本結(jié)構(gòu)磁道磁道記錄面記錄面n磁道(Track)n扇區(qū)(Sect

2、or)n柱面(Cylinder)n磁頭(Head) 驅(qū)動器號驅(qū)動器號 柱面號柱面號 磁頭號磁頭號磁盤地址格式磁盤地址格式磁道號磁道號 記錄面號記錄面號 扇區(qū)號扇區(qū)號 8.3.4 硬盤的技術(shù)參數(shù)n記錄密度指磁介質(zhì)存儲器上單位長度指磁介質(zhì)存儲器上單位長度或或單位單位面積所存儲的二進(jìn)制面積所存儲的二進(jìn)制信息量。信息量。n道密度道密度(橫向密度橫向密度) n指垂直于磁道方向上單位長度中的磁道指垂直于磁道方向上單位長度中的磁道數(shù)數(shù)。n單位單位: 道道/英寸英寸(TPI)，道道/mm(TPM)n位密度位密度(縱向密度縱向密度) n沿磁道方向上單位沿磁道方向上單位長度的長度的二進(jìn)制二進(jìn)制信息位數(shù)信息位數(shù)。n

3、單位單位: 位位/英寸英寸(bpi)，位位/mm(bpm)。 硬盤的主要性能指標(biāo)n 硬盤容量n未格式化硬盤容量的計(jì)算未格式化硬盤容量的計(jì)算 容量容量 = 記錄面數(shù)記錄面數(shù)柱面數(shù)柱面數(shù)一條磁道的容量一條磁道的容量n柱面數(shù)柱面數(shù) = 磁盤有效記錄區(qū)寬度磁盤有效記錄區(qū)寬度道密度道密度n一條磁道的容量一條磁道的容量 = 內(nèi)圓周長內(nèi)圓周長內(nèi)圓位密度內(nèi)圓位密度n設(shè)某硬盤有設(shè)某硬盤有10個盤面?zhèn)€盤面,有效記錄寬度為有效記錄寬度為5cm，內(nèi)圓周長為，內(nèi)圓周長為8cm，道密度為，道密度為20道道/cm，內(nèi)層位密度，內(nèi)層位密度1000b/cmn柱面數(shù)柱面數(shù) = 5cm20道道/cm=100道，即道，即100個柱面

4、個柱面 每道信息量每道信息量=1000b/cm8cm=8000b=1000B 每面信息量每面信息量=1000B100=100000B 100KB 盤組總?cè)萘勘P組總?cè)萘?100KB10=1000KB 1MB 硬盤的主要性能指標(biāo)n硬盤容量n已格式化硬盤容量的計(jì)算已格式化硬盤容量的計(jì)算 容量容量=柱面數(shù)柱面數(shù)扇區(qū)數(shù)扇區(qū)數(shù)每扇區(qū)字節(jié)數(shù)每扇區(qū)字節(jié)數(shù)磁頭數(shù)磁頭數(shù) n設(shè)某硬盤有設(shè)某硬盤有8000個柱面、個柱面、63個扇區(qū)、個扇區(qū)、512B/扇區(qū)、扇區(qū)、16個磁頭。個磁頭。 n容量容量 = 800063512B16 70GB 硬盤的主要性能指標(biāo)n硬盤轉(zhuǎn)速 單位時間內(nèi)硬盤所轉(zhuǎn)的單位時間內(nèi)硬盤所轉(zhuǎn)的圈數(shù)。圈數(shù)。n

5、 單位：轉(zhuǎn)單位：轉(zhuǎn)/分鐘（分鐘（RPM）n 評價：評價：RPM越大，內(nèi)部越大，內(nèi)部傳輸率就越快、訪問時傳輸率就越快、訪問時間越短、硬盤整體性能間越短、硬盤整體性能越好越好磁盤的轉(zhuǎn)速磁盤的轉(zhuǎn)速一般為一般為3600轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分鐘分鐘15000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分鐘分鐘 即即 3600RPM 15000RPM 硬盤的主要性能指標(biāo)n平均存取時間Tan平均尋道時間平均尋道時間Ts磁頭定位在目的磁道的時間磁頭定位在目的磁道的時間n平均等待時間平均等待時間Tw目的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方的目的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方的時間時間n磁盤控制器磁盤控制器的開銷的開銷( )minmaxminmax22sswwaswttttTTT 硬盤的主要性

6、能指標(biāo)n數(shù)據(jù)傳送輸率n磁頭定位后，單位時間內(nèi)與主機(jī)交換數(shù)據(jù)的信磁頭定位后，單位時間內(nèi)與主機(jī)交換數(shù)據(jù)的信息容量息容量 數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率 = 一個磁道的容量一個磁道的容量磁盤每秒轉(zhuǎn)速磁盤每秒轉(zhuǎn)速= 一個磁道的容量一個磁道的容量 / 磁盤旋轉(zhuǎn)磁盤旋轉(zhuǎn)一圈的一圈的時間時間n單位：單位：位位/秒秒(b/s)或或字節(jié)字節(jié)/秒秒(B/s)n 設(shè)某硬盤有8000個柱面、63個扇區(qū)、512B/扇區(qū)、16個磁頭，轉(zhuǎn)速為2400RPM。 數(shù)據(jù)傳輸率 = 63512B2400RPM / 60 =1260KB/s 硬盤的主要性能指標(biāo)n硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率分為n內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率n主要依賴于硬盤的旋轉(zhuǎn)速度，因硬

7、盤品牌及型號而主要依賴于硬盤的旋轉(zhuǎn)速度，因硬盤品牌及型號而有較大差異。有較大差異。n外部數(shù)據(jù)傳輸率外部數(shù)據(jù)傳輸率n是是系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線與與硬盤緩沖區(qū)硬盤緩沖區(qū)之間的之間的數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率，它與，它與硬盤接口類型和硬盤接口類型和緩存緩存大小有關(guān)。大小有關(guān)。n硬盤緩沖存儲器n設(shè)置緩存的目的設(shè)置緩存的目的n解決硬盤內(nèi)部與接口數(shù)據(jù)之間速度不匹配的問題，解決硬盤內(nèi)部與接口數(shù)據(jù)之間速度不匹配的問題，可以提高硬盤的可以提高硬盤的R/W速度速度n如：硬盤緩存為如：硬盤緩存為16MB64MB 硬盤的接口標(biāo)準(zhǔn)n硬盤的接口標(biāo)準(zhǔn)n是硬盤與主機(jī)系統(tǒng)間的連接部件是硬盤與主機(jī)系統(tǒng)間的連接部件n不同硬盤接口決定硬盤與計(jì)算

8、機(jī)間的連接速度。不同硬盤接口決定硬盤與計(jì)算機(jī)間的連接速度。n硬盤接口分為nIDE(Integrated Drive Electronics)接口接口(并行并行ATA)16位位并行并行傳送方式，傳送方式，多用于家用產(chǎn)多用于家用產(chǎn)品中品中筆記本電腦的筆記本電腦的IDE接口接口PC機(jī)的機(jī)的IDE接口接口 硬盤的接口標(biāo)準(zhǔn)n硬盤的接口標(biāo)準(zhǔn)n是硬盤與主機(jī)系統(tǒng)間的連接部件是硬盤與主機(jī)系統(tǒng)間的連接部件n不同硬盤接口決定硬盤與計(jì)算機(jī)間的連接速度。不同硬盤接口決定硬盤與計(jì)算機(jī)間的連接速度。n硬盤接口分為nSCSI(“Small Computer System Interface”)接口接口(小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口小型

9、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口)一種接入各種類型設(shè)備的一種接入各種類型設(shè)備的通用通用快速接口快速接口，廣泛，廣泛應(yīng)用于小型機(jī)上的應(yīng)用于小型機(jī)上的傳輸技術(shù)，傳輸技術(shù)，主要應(yīng)用于中、主要應(yīng)用于中、高端服高端服務(wù)器和務(wù)器和高檔工作站中高檔工作站中。 硬盤的接口標(biāo)準(zhǔn)n硬盤接口分為nSATA接口接口(串行串行ATA)2001年，由年，由Intel、APT、Dell、IBM等幾等幾大大廠商廠商共同正式確立共同正式確立SATA 1.0規(guī)范。規(guī)范。SATA采用串行連接方式采用串行連接方式 ，結(jié)構(gòu)簡單，具備更結(jié)構(gòu)簡單，具備更強(qiáng)的強(qiáng)的糾錯能力，糾錯能力，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目蓚鬏數(shù)目煽啃源蟠筇岣??？啃源蟠筇岣摺Ｄ壳白罡邤?shù)據(jù)傳輸率目前最

10、高數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)達(dá)640MB/s, 在家用市場中有著廣泛的前景。在家用市場中有著廣泛的前景。磁盤存儲器的讀取技術(shù)現(xiàn)狀n 巨磁電阻效應(yīng)n一個微弱的磁場變化可以在巨一個微弱的磁場變化可以在巨磁電阻系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的電阻磁電阻系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的電阻變化變化n1988年，法國和德國科學(xué)家因年，法國和德國科學(xué)家因先后獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了先后獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻巨磁電阻”效應(yīng)共同獲得效應(yīng)共同獲得2007年諾貝爾物年諾貝爾物理學(xué)獎理學(xué)獎n它可歸功于它可歸功于1970年發(fā)展的新技年發(fā)展的新技術(shù)術(shù)制造超薄物料的技術(shù)制造超薄物料的技術(shù)n1997年首個應(yīng)用巨磁電阻效應(yīng)年首個應(yīng)用巨磁電阻效應(yīng)的讀取頭研制成功的讀取頭研制成功n 這項(xiàng)技

11、術(shù)同時被認(rèn)為是這項(xiàng)技術(shù)同時被認(rèn)為是“前途廣闊的納米技術(shù)領(lǐng)前途廣闊的納米技術(shù)領(lǐng)域的首批實(shí)際應(yīng)用之一域的首批實(shí)際應(yīng)用之一”n 應(yīng)用產(chǎn)物n小型大容量硬盤小型大容量硬盤nMP3音樂播放器音樂播放器n筆記本電腦等。筆記本電腦等。 磁盤參數(shù)的計(jì)算例：設(shè)有一個盤面直徑為例：設(shè)有一個盤面直徑為18 in的磁盤組，有的磁盤組，有20個記個記錄面，每面有錄面，每面有5 in的區(qū)域用于記錄信息，記錄密度的區(qū)域用于記錄信息，記錄密度為為100TPI和和1000bpi，轉(zhuǎn)速為，轉(zhuǎn)速為2400RPM，道間移動，道間移動時間為時間為0.2ms，試計(jì)算該，試計(jì)算該盤組的容量、數(shù)據(jù)傳輸率盤組的容量、數(shù)據(jù)傳輸率和平均存取時間和平

12、均存取時間。解解： 每一記錄面的磁道數(shù)每一記錄面的磁道數(shù)N為為 N5 in100TPI 500(道道/面面) 最內(nèi)圈磁道的周長最內(nèi)圈磁道的周長為為L = (18-25)in=25.12 in 以以最內(nèi)圈磁道的周長最內(nèi)圈磁道的周長當(dāng)作每條磁道的長度，故當(dāng)作每條磁道的長度，故該盤組該盤組的存儲容量（非格式化容量）的存儲容量（非格式化容量）為為 C=1000b/in25.12in/道道500道道/面面20面面 =251.2106 b=31.4106 B 31.4MB容量容量 = 記錄面數(shù)記錄面數(shù)柱面數(shù)柱面數(shù)一條磁道的容量一條磁道的容量 磁盤參數(shù)的計(jì)算(續(xù))例：設(shè)有一個盤面直徑為例：設(shè)有一個盤面直徑為

13、18 in的磁盤組，有的磁盤組，有20個記錄面，個記錄面，每面有每面有5 in的區(qū)域用于記錄信息，記錄密度為的區(qū)域用于記錄信息，記錄密度為100TPI和和1000bpi，轉(zhuǎn)速為，轉(zhuǎn)速為2400RPM，道間移動時間為，道間移動時間為0.2ms，試計(jì)算該試計(jì)算該盤組的容量、數(shù)據(jù)傳輸率和平均存取時間盤組的容量、數(shù)據(jù)傳輸率和平均存取時間。磁盤每秒的轉(zhuǎn)速為磁盤每秒的轉(zhuǎn)速為v = 2400 60 =40(r/s)數(shù)據(jù)傳輸率為數(shù)據(jù)傳輸率為Dr=一個磁道的容量一個磁道的容量磁盤轉(zhuǎn)速磁盤轉(zhuǎn)速 =1000b/in25.12in40=125600(B/s)平均存取時間平均存取時間Ta=ts+tw 磁盤轉(zhuǎn)一圈的時間磁

14、盤轉(zhuǎn)一圈的時間=1/240060= 0.025(s)=25ms )(.)(.msTa462225021500200n傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動器n各磁道的扇區(qū)數(shù)相同，存儲的信息量相同各磁道的扇區(qū)數(shù)相同，存儲的信息量相同n這意味著在磁盤上這意味著在磁盤上位密度位密度是變化的。是變化的。n內(nèi)圈磁道的位密度高內(nèi)圈磁道的位密度高，外圈磁道的位密度低，外圈磁道的位密度低，最內(nèi)圈磁道的位密度（最大位密度）決定了最內(nèi)圈磁道的位密度（最大位密度）決定了磁盤驅(qū)動器的容量。磁盤驅(qū)動器的容量。n因各磁道記錄的信息量及轉(zhuǎn)速是相同的，所因各磁道記錄的信息量及轉(zhuǎn)速是相同的，所以它們的數(shù)據(jù)傳送率也是相同的。以它們的數(shù)據(jù)傳送率也是相同的。

15、n 由于外圈磁道比內(nèi)圈磁道更長一些，但存儲的信息量卻相同，所以外圈磁道上明顯地存在著浪費(fèi)。8.3.5 硬盤的分區(qū)域記錄硬盤參數(shù)的計(jì)算舉例n 設(shè)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1024個磁道/記錄面，64個扇區(qū)/磁道，512B /扇區(qū)，磁盤轉(zhuǎn)速2400RPM，平均尋道時間為12ms，設(shè)磁盤最內(nèi)圈直徑為5cm，最外圈直徑為10cm。n磁盤的地址格式為 磁頭號磁頭號 磁道號磁道號 扇區(qū)號扇區(qū)號磁盤地址磁盤地址格式格式(記錄面號記錄面號) 柱面號柱面號4106硬盤參數(shù)的計(jì)算舉例n 設(shè)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1024個磁道/記錄面，64個扇區(qū)/

16、磁道，512B /扇區(qū)，磁盤轉(zhuǎn)速2400RPM，平均尋道時間為12ms，設(shè)磁盤最內(nèi)圈直徑為5cm，最外圈直徑為10cm。n磁道密度 )/(./)(cm道640925101024硬盤參數(shù)的計(jì)算舉例n 設(shè)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1024個磁道/記錄面，64個扇區(qū)/磁道，512B /扇區(qū)，磁盤轉(zhuǎn)速2400RPM，平均尋道時間為12ms，設(shè)磁盤最內(nèi)圈直徑為5cm，最外圈直徑為10cm。n最小位密度n最大位密度 )/(.cmb位498310851264)/(.cmb位971665851264未格式化容量未格式化容量= =記錄面數(shù)記錄面數(shù)柱面數(shù)柱面數(shù)內(nèi)道周長內(nèi)道周長內(nèi)道位

17、密度內(nèi)道位密度 硬盤的分區(qū)域記錄n 分區(qū)域記錄(等位密度)技術(shù)n可增加硬盤驅(qū)動器的容量，大可增加硬盤驅(qū)動器的容量，大大地提高了硬盤利用率大地提高了硬盤利用率n與采用每磁道固定扇區(qū)的硬盤比與采用每磁道固定扇區(qū)的硬盤比較，容量增加了較，容量增加了2050的。的。實(shí)際上，現(xiàn)在所有的實(shí)際上，現(xiàn)在所有的IDE和和SCSI都采用分區(qū)域記錄。都采用分區(qū)域記錄。 n數(shù)據(jù)傳輸率隨磁頭所處的區(qū)域而變化。數(shù)據(jù)傳輸率隨磁頭所處的區(qū)域而變化。n分區(qū)域驅(qū)動器還是以恒定速度旋轉(zhuǎn)，則外層區(qū)域因每磁分區(qū)域驅(qū)動器還是以恒定速度旋轉(zhuǎn)，則外層區(qū)域因每磁道有更多的扇區(qū)而使數(shù)據(jù)傳輸速度增加。道有更多的扇區(qū)而使數(shù)據(jù)傳輸速度增加。n這就是當(dāng)

18、今驅(qū)動器標(biāo)注這就是當(dāng)今驅(qū)動器標(biāo)注最小和最大連續(xù)傳輸速率最小和最大連續(xù)傳輸速率的原因，的原因，因?yàn)橐驗(yàn)閭鬏斔俾嗜Q于磁頭傳輸速率取決于磁頭R/W的位置的位置。磁盤參數(shù)計(jì)算舉例n 某磁盤格式化為16個扇區(qū)和20條磁道。該盤能按需要選擇順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一圈要320ms，讀一塊數(shù)據(jù)要1ms，磁道間移動時間是0.2ms。該盤上有三個文件：n文件文件A: 從磁道從磁道6、扇區(qū)、扇區(qū)1開始占開始占2塊塊n文件文件B: 從磁道從磁道2、扇區(qū)、扇區(qū)5開始占開始占5塊塊n文件文件C: 從磁道從磁道5、扇區(qū)、扇區(qū)3開始占開始占3塊塊問：問：若磁頭移動和磁盤轉(zhuǎn)動不同時進(jìn)行，且磁頭的初始若磁頭移動和磁盤轉(zhuǎn)動不同

19、時進(jìn)行，且磁頭的初始位置在位置在0磁道、磁道、0扇區(qū)，求按扇區(qū)，求按C、B、A讀出上述讀出上述3個文件的個文件的總時間；在相同的初始位置情況下，讀出上述總時間；在相同的初始位置情況下，讀出上述3個文件的個文件的最短時間是多少？最短時間是多少？磁盤參數(shù)計(jì)算舉例n 按C-B-A讀出3文件總時間為下各項(xiàng)之和n總的尋道時間總的尋道時間twn移動移動5道時間道時間 + 移動移動3道時間道時間 + 移動移動4道時間道時間 =12 0.2ms=2.4msn總的等待時間總的等待時間tsn等待一個扇區(qū)的時間等待一個扇區(qū)的時間=旋轉(zhuǎn)一圈的時間旋轉(zhuǎn)一圈的時間/一個磁道的扇區(qū)數(shù)一個磁道的扇區(qū)數(shù)=320/16=20(m

20、s)nts=等待等待3個扇區(qū)時間個扇區(qū)時間+等待等待1個扇區(qū)時間個扇區(qū)時間+等待等待7個扇區(qū)時間個扇區(qū)時間 =11 20ms=220msn總的數(shù)據(jù)讀出時間總的數(shù)據(jù)讀出時間tr=(3+5+2) 1=10ms 總時間總時間=2.4+220+10=232.4(ms)磁盤參數(shù)計(jì)算舉例n 按A-C-B讀出3文件總時間為下各項(xiàng)之和n總的尋道時間總的尋道時間twn移動移動6道時間道時間 + 移動移動1道時間道時間 + 移動移動3道時間道時間 =10 0.2ms=2msn總的等待時間總的等待時間tsn等待一個扇區(qū)的時間等待一個扇區(qū)的時間=磁盤旋轉(zhuǎn)一圈的時間磁盤旋轉(zhuǎn)一圈的時間/一個磁道的扇區(qū)數(shù)一個磁道的扇區(qū)數(shù)=

21、320/16=20(ms)nts=等待等待1個扇區(qū)時間個扇區(qū)時間+等待等待0個扇區(qū)時間個扇區(qū)時間+等待等待1個扇區(qū)時間個扇區(qū)時間 =2 20ms=40msn總的數(shù)據(jù)讀出時間總的數(shù)據(jù)讀出時間tr=(2+3+5) 1=10ms 總時間總時間=2+40+10=52(ms)n NCQ技術(shù)技術(shù)(Native Command Queuing) 全速命令排隊(duì)全速命令排隊(duì)n此此技術(shù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)管理，n避免像傳統(tǒng)硬盤那樣機(jī)械地按照接收命令避免像傳統(tǒng)硬盤那樣機(jī)械地按照接收命令的先后順序移動磁頭讀寫硬盤的不同位置的先后順序移動磁頭讀寫硬盤的不同位置n減少了磁頭減少了磁頭臂臂反復(fù)移動帶來的損耗，

22、延長反復(fù)移動帶來的損耗，延長了硬盤的壽命。了硬盤的壽命。以使總線的服務(wù)時間最小以使總線的服務(wù)時間最小基于尋道和旋轉(zhuǎn)優(yōu)化的命令重新排序基于尋道和旋轉(zhuǎn)優(yōu)化的命令重新排序8.3.6 硬盤的 NCQ技術(shù)n磁盤陣列(RAID)廉價磁盤冗余陣列 (Redundant Arrays of Inexpensive Disks) 把把相同的數(shù)據(jù)存儲在多個硬盤的相同的數(shù)據(jù)存儲在多個硬盤的不同地方不同地方( (冗余冗余) )的的方法方法。n可理解成一種使用磁盤驅(qū)動器的方法，可理解成一種使用磁盤驅(qū)動器的方法，組成組成的邏輯磁盤驅(qū)動器的容量要小于各個磁盤驅(qū)的邏輯磁盤驅(qū)動器的容量要小于各個磁盤驅(qū)動器容量的動器容量的總和總和。n特點(diǎn)特點(diǎn)n具有具有，是目前解決計(jì)算機(jī)，是目前解決計(jì)算機(jī)I/O瓶頸的有效方瓶頸的有效方法之一，有著廣闊的發(fā)展前景。法之一，有著廣闊的發(fā)展前景。8.4 磁盤陣列（RAID）n分分為為7級級(RAID0RAID6)n在在RAID1RAID6的幾種方的幾種方案中案中n不論何時有磁盤損壞，都可不論何時有磁盤損壞，都可隨時隨時用好的磁盤替換用好的磁盤替換（硬件（硬件支持支持熱插拔熱插拔時時），），n數(shù)據(jù)不會受損，失效盤的內(nèi)數(shù)據(jù)不會受損，失效盤的內(nèi)容容會會很快重建，重建很快重建，重建的的工