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1、第八章辅助存储器第1页，共54页，编辑于2022年，星期三第第8 8章章 辅助存储器辅助存储器 重点：重点：qq辅助存储器的记录原理辅助存储器的记录原理辅助存储器的记录原理辅助存储器的记录原理;qq记录方式记录方式记录方式记录方式;qq地址格式地址格式地址格式地址格式;qq技术指标的计算技术指标的计算技术指标的计算技术指标的计算;qq学时：学时：学时：学时：33第2页，共54页，编辑于2022年，星期三8.1 8.1 磁记录原理磁记录原理辅助存储器也称辅助存储器也称磁表面存储器，所谓磁表面存储器，所谓“磁表面磁表面”是在载体上涂是在载体上涂敷薄薄的一层磁性材料而形成的，读取信息是靠磁头，磁头用
2、敷薄薄的一层磁性材料而形成的，读取信息是靠磁头，磁头用铁磁性材料作磁芯，上面绕有读写线圈。工作时，磁头位于铁磁性材料作磁芯，上面绕有读写线圈。工作时，磁头位于贴近磁表面的上方，载体相对磁头作匀速运动，磁头上开有一贴近磁表面的上方，载体相对磁头作匀速运动，磁头上开有一条很窄的缝隙条很窄的缝隙,如下图所示。如下图所示。第3页，共54页，编辑于2022年，星期三1.1.磁表面存储器的读写原理磁表面存储器的读写原理q写写入入原原理理：写写“1”和和写写“0”时时分分别别在在读读写写线线圈圈中中通通以以不不同同方方向向的的电电流流，当当磁磁头头相相对对磁磁层层运运动动时时就就在在磁磁层层的的表表面面留留
3、下下不不同同方方向向的的磁磁化化单单元元，分别代表分别代表“1”和和“0”。q读读出出原原理理：当当磁磁头头相相对对磁磁层层运运动动时时，磁磁层层表表面面不不同同方方式式的的磁磁化化单单元元在在读读写写线线圈圈感感应应出出不不同同方方式式的的感感应应电电动动势势，分分别别记记为为“1”和和“0”。8.1 8.1 磁记录原理磁记录原理第4页，共54页，编辑于2022年，星期三读写原理读写原理第5页，共54页，编辑于2022年，星期三2.2.信息的记录方式信息的记录方式(1)(1)(1)(1)记录方式记录方式记录方式记录方式是是一一种种编编码码方方法法，把把待待写写入入的的二二进进制制信信息息按按
4、照照某某种种规规律律变变成成对对应应的的写写电电流流脉脉冲冲序序列列，写写入入电电流流波波形形的的组组成成方方式式称称为为记记录方式。录方式。8.1 8.1 磁记录原理磁记录原理第6页，共54页，编辑于2022年，星期三磁记录方式磁记录方式磁记录方式磁记录方式:（1 1 1 1）归零制（）归零制（）归零制（）归零制（RZRZRZRZ）（2 2 2 2）不归零制（）不归零制（）不归零制（）不归零制（NRZNRZNRZNRZ）（3 3 3 3）见）见）见）见“1”“1”“1”“1”就翻的不归零制（就翻的不归零制（就翻的不归零制（就翻的不归零制（NRZ1NRZ1NRZ1NRZ1）（4 4 4 4）调
5、相制（）调相制（）调相制（）调相制（PMPMPMPM）（5 5 5 5）调频制（）调频制（）调频制（）调频制（FMFMFMFM）（6 6 6 6）改进调频制（）改进调频制（）改进调频制（）改进调频制（MFMMFMMFMMFM）8.1 8.1 磁记录原理磁记录原理第7页，共54页，编辑于2022年，星期三常用磁记录方式波形图常用磁记录方式波形图第8页，共54页，编辑于2022年，星期三(2)(2)(2)(2)评定记录方式的优劣标准评定记录方式的优劣标准评定记录方式的优劣标准评定记录方式的优劣标准 自自自自同同同同步步步步能能能能力力力力自自同同步步能能力力是是指指从从单单个个磁磁道道读读出出的的
6、脉脉冲冲序序列列中中提提取取同同步步时时钟钟脉脉冲冲的的难难易易程程度度。自自同同步步能能力力可可用用最最小小磁磁化化翻翻转转间间隔隔和和最最大大磁磁化化翻翻转间隔之比值转间隔之比值R来衡量。来衡量。编码效率编码效率编码效率编码效率编码效率是指位密度与最大磁化翻转密度之比。编码效率是指位密度与最大磁化翻转密度之比。读分辨率读分辨率读分辨率读分辨率磁记录系统对读出信号的分辨能力。磁记录系统对读出信号的分辨能力。信息的相关性信息的相关性信息的相关性信息的相关性即漏读或错读一位是否能传播误码。即漏读或错读一位是否能传播误码。信道带宽、抗干扰能力、编码译码电路的复杂性等信道带宽、抗干扰能力、编码译码电
7、路的复杂性等信道带宽、抗干扰能力、编码译码电路的复杂性等信道带宽、抗干扰能力、编码译码电路的复杂性等。磁带机一般采用调相制记录方式磁带机一般采用调相制记录方式(PE);磁盘机中则主要选择磁盘机中则主要选择FM和和MFM，分别用于单密度和双密度磁盘存储器。，分别用于单密度和双密度磁盘存储器。8.1 8.1 磁记录原理磁记录原理第9页，共54页，编辑于2022年，星期三3 3 3 3信息的还原信息的还原信息的还原信息的还原q无无论论采采用用哪哪一一种种磁磁记记录录方方式式，当当记记录录介介质质在在磁磁头头下下匀匀速速通通过过时时，如磁层的磁化强度发生变化，将在磁头的读出线圈中感应出电压。如磁层的磁
8、化强度发生变化，将在磁头的读出线圈中感应出电压。q但从读出线圈读出的信号需经过一些变换、选通才能还原成写进去的信息。但从读出线圈读出的信号需经过一些变换、选通才能还原成写进去的信息。8.1 8.1 磁记录原理磁记录原理第10页，共54页，编辑于2022年，星期三欲欲将将10010111写写入入磁磁表表面面存存储储器器中中，分分别别画画出出归归零零制制、见见“1”就就翻翻的的不不归归零零制制(NRZl)、调调相相制制、调调频频制制的的写写入入电电流流、记记录录介介质质磁磁化化状状态态、读读出出信信号号、整整流流及及选选通通输输出出各各信信号号波波形形图图；指指出出哪哪几几种种方方式式有有自自同同
9、步步能力？能力？【例题解答】【例题解答】【例题解答】【例题解答】(1)归零制归零制(RZ)：有自同步能力，如图所示。：有自同步能力，如图所示。(2)见见“1”就翻的不归零制就翻的不归零制(NRZl)：无自同步能力，如图无自同步能力，如图4.35所示。所示。(3)调相制调相制(PE)：有自同步能力有自同步能力，如图，如图4.36所示。所示。8.1 8.1 磁记录原理磁记录原理第11页，共54页，编辑于2022年，星期三 归零制记录方式的信息还原过程归零制记录方式的信息还原过程归零制记录方式的信息还原过程归零制记录方式的信息还原过程 1 0 0 1 0 1 1 1 写入电流波形 记录介质磁化状态
10、Br Br Br Br Br Br Br Br 读出信号e e=d/dt 整形 自同步信号T 输出信号D D=T e(逻辑与)正脉冲为1；负脉冲为0。(有自同步能力)第12页，共54页，编辑于2022年，星期三见见见见“1”“1”“1”“1”就翻的记录方式的信息还原过程就翻的记录方式的信息还原过程就翻的记录方式的信息还原过程就翻的记录方式的信息还原过程 第13页，共54页，编辑于2022年，星期三调相制记录方式的信息还原过程调相制记录方式的信息还原过程调相制记录方式的信息还原过程调相制记录方式的信息还原过程 1 0 0 1 0 1 1 1 写入电流波形 记录介质磁化状态 +Br -Br +Br
11、 -Br +Br -Br +Br -Br+BrBr+Br-Br 读出信号e 整形 自同步信号T 输出信号D D=Te(逻辑与)正脉冲为 1；负脉冲为 0。(有自同步能力)第14页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2 8.2 硬盘存储器硬盘存储器1.1.硬盘的分类硬盘的分类(1)根据磁盘的盘体材料可分为软磁盘和硬磁盘。根据磁盘的盘体材料可分为软磁盘和硬磁盘。(2)根根据据磁磁头头运运动动与与否否分分为为固固定定磁磁头头磁磁盘盘和和活活动动磁磁头头磁磁盘盘。活活动动磁磁头头式式磁磁盘盘的的每每个记录盘面只用一个磁头，目前使用得最多的是活动磁头磁盘。个记录盘面只用一个磁头，目前使用得最多的是活
12、动磁头磁盘。(3)根据磁头是否与盘面接触可分为接触式磁头和浮动式磁头。根据磁头是否与盘面接触可分为接触式磁头和浮动式磁头。q接接触触式式磁磁头头在在读读写写时时接接触触盘盘面面，因因而而磁磁头头与与盘盘面面都都会会磨磨损损，影影响响使使用用寿寿命命，但结构简单，价格低廉，多用于软盘。但结构简单，价格低廉，多用于软盘。q浮浮动动式式磁磁头头。磁磁头头与与盘盘面面无无直直接接接接触触，使使磁磁头头与与记记录录介介质质均均不不受受磨磨损损。主要应用于各类硬盘。主要应用于各类硬盘。第15页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2 8.2 硬盘存储器硬盘存储器q(4)(4)根据盘片是否可更换可分为可换
13、盘片磁盘和固定盘片磁盘根据盘片是否可更换可分为可换盘片磁盘和固定盘片磁盘q可换盘存储器可换盘存储器是指磁盘不用时可以从驱动器中取出脱机保存。这种是指磁盘不用时可以从驱动器中取出脱机保存。这种磁盘可以在兼容的磁盘存储器间交换数据，由于可脱机保存，故便于磁盘可以在兼容的磁盘存储器间交换数据，由于可脱机保存，故便于扩大存储容量。为了达到可靠地交换数据的目的，磁盘的道密度要适扩大存储容量。为了达到可靠地交换数据的目的，磁盘的道密度要适当降低，从而使可换磁盘记录密度的提高受到限制。当降低，从而使可换磁盘记录密度的提高受到限制。q固定盘存储器固定盘存储器是指磁盘不能从驱动器中取出，更换时要把整是指磁盘不能
14、从驱动器中取出，更换时要把整个个“头盘组合体头盘组合体”一起更换。这种结构的磁盘存储器称为温一起更换。这种结构的磁盘存储器称为温彻斯特磁盘彻斯特磁盘(Winchester Disk)(Winchester Disk)。第16页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2 8.2 硬盘存储器硬盘存储器q温彻斯特磁盘简称温盘温彻斯特磁盘简称温盘，是一种可移动磁头固定盘片的磁盘存储器，是一种可移动磁头固定盘片的磁盘存储器，它是目前应用最广，最有代表性的硬磁盘存储器。它是目前应用最广，最有代表性的硬磁盘存储器。q所谓温彻斯特磁盘实际上是一种技术，这种技术是由所谓温彻斯特磁盘实际上是一种技术，这种技术是由
15、IBMIBM公司位于公司位于美国加州坎贝尔市温彻斯特大街的研究所研制的，它于美国加州坎贝尔市温彻斯特大街的研究所研制的，它于19731973年首年首先应用于先应用于IBM3340IBM3340硬磁盘存储器中，因此将这种技术称作温彻斯特硬磁盘存储器中，因此将这种技术称作温彻斯特技术。技术。第17页，共54页，编辑于2022年，星期三8.2 8.2 硬盘存储器硬盘存储器q温彻斯特技术是磁盘向高密度、高容量发展的产物。温盘的主要温彻斯特技术是磁盘向高密度、高容量发展的产物。温盘的主要特点是一种密封组合式的硬磁盘，将磁头、盘片、电机等驱动部特点是一种密封组合式的硬磁盘，将磁头、盘片、电机等驱动部件甚至
16、读写电路等制成一个不可随意拆卸的整体，也叫件甚至读写电路等制成一个不可随意拆卸的整体，也叫“头盘组头盘组合体合体”。它的防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。而。它的防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。而普通的硬磁盘要求具有超净环境，只有中大型计算机才有可能创普通的硬磁盘要求具有超净环境，只有中大型计算机才有可能创建这样的环境。建这样的环境。q磁盘存储器由驱动器磁盘存储器由驱动器(hard disk drive(hard disk drive，简称，简称HDD)HDD)和控制器和控制器(hard disk controller(hard disk controller，简称，简称HD
17、C)HDC)组成。组成。q磁盘驱动器是一种精密的电子和机械装置，对于温盘驱动器，还磁盘驱动器是一种精密的电子和机械装置，对于温盘驱动器，还要求在超净工作环境下组装。要求在超净工作环境下组装。第18页，共54页，编辑于2022年，星期三2.2.硬磁盘驱动器硬磁盘驱动器硬磁盘驱动器硬磁盘驱动器第19页，共54页，编辑于2022年，星期三3.3.3.3.硬盘的信息分布硬盘的信息分布硬盘的信息分布硬盘的信息分布 在硬盘中信息分布是按记录面、圆柱面、磁道、扇区、记录块层次安排的。在硬盘中信息分布是按记录面、圆柱面、磁道、扇区、记录块层次安排的。(1)基本概念基本概念记录面记录面:磁盘片表面称为记录面。磁
18、盘片表面称为记录面。磁道磁道:记录面上一系列同心圆称为磁道。记录面上一系列同心圆称为磁道。柱柱面面：所所有有记记录录块块上上半半径径相相等等的的磁磁道道的的集集合合称称为为圆圆柱柱面面。圆圆柱柱面面数数=记录面上的磁道数。记录面上的磁道数。扇区：将每一个记录面分成若干个区域，每一个区域称为一个扇区。扇区：将每一个记录面分成若干个区域，每一个区域称为一个扇区。记录块：将每一个磁道分成若干个段，每段称为一个记录块。记录块：将每一个磁道分成若干个段，每段称为一个记录块。8.2 8.2 硬盘存储器硬盘存储器第20页，共54页，编辑于2022年，星期三(2)(2)(2)(2)磁盘地址格式磁盘地址格式磁盘
19、地址格式磁盘地址格式记录块是磁盘存储器读写信息的最小单位。记录块是磁盘存储器读写信息的最小单位。磁盘地址格式为：磁盘地址格式为：磁盘地址格式为：磁盘地址格式为：驱动器号驱动器号磁道号磁道号(圆柱面号圆柱面号)记录面号记录面号(磁头号磁头号)扇区号扇区号请注意磁道号请注意磁道号请注意磁道号请注意磁道号(圆柱面号圆柱面号圆柱面号圆柱面号)与记录面号的顺序。与记录面号的顺序。与记录面号的顺序。与记录面号的顺序。如如果果有有一一个个较较大大的的文文件件，在在某某磁磁道道、某某记记录录面面的的所所有有扇扇区区都都存存不不下下时时，应应先先改改变变记记录录面面号号(即即换换成成与与该该磁磁道道号号对对应应
20、的的另另一一记记录录面面存存放放)，这这样样，可可避避免免磁磁头头的的机机械械运运动动给给存存取取速速度度带带来来影影响响。只只有有当当该该磁磁道道号号(圆圆柱柱面面号号)对对应应的的所所有有记记录面都存不下时，才改变磁道号录面都存不下时，才改变磁道号(圆柱面号圆柱面号)。8.2 8.2 硬盘存储器硬盘存储器第21页，共54页，编辑于2022年，星期三(3)(3)(3)(3)磁道的信息格式磁道的信息格式磁道的信息格式磁道的信息格式目前，大部分磁盘采用目前，大部分磁盘采用IBM磁道记录格式，如图所示。磁道记录格式，如图所示。第22页，共54页，编辑于2022年，星期三说说说说 明明明明q G4间
21、间隙隙一一条条磁磁道道上上只只有有一一个个。它它是是一一个个自自由由的的间间隙隙，处处在在一一条条磁磁道道的的末末尾尾到到索索引引孔孔之前。之前。qG1间隙在一记录块的开始处。间隙在一记录块的开始处。qID1是是第第一一个个记记录录的的标标识识段段。它它包包括括：ID地地址址标标志志、磁磁道道地地址址、扇扇区区地地址址和和两个两个CRC(循环冗余校验循环冗余校验)检验字节。它们是在磁盘初始化检验字节。它们是在磁盘初始化(格式化格式化)时确定的。时确定的。qG2为标识符间隙，它被用来分隔记录中的数据和标识段。为标识符间隙，它被用来分隔记录中的数据和标识段。q数数据据记记录录段段中中第第一一个个字
22、字节节是是数数据据或或被被删删除除的的地地址址标标记记，接接着着是是用用户户数数据据，最后两个是最后两个是CRC检验字节。检验字节。qG3用来结束第一个记录，称为数据间隙。用来结束第一个记录，称为数据间隙。q以后的记录均由以后的记录均由ID、G2开始，开始，G3结束。结束。q磁盘片的地址信息和控制信息是由磁盘格式化操作磁盘片的地址信息和控制信息是由磁盘格式化操作(FORMAT)写入的。写入的。8.2 8.2 硬盘存储器硬盘存储器第23页，共54页，编辑于2022年，星期三4.4.4.4.磁盘存储器的主要技术指标磁盘存储器的主要技术指标磁盘存储器的主要技术指标磁盘存储器的主要技术指标(1)存储密
23、度：磁盘单位面积能记录的二进制信息量，存储密度：磁盘单位面积能记录的二进制信息量，它包括道密度和位密度。它包括道密度和位密度。道密度道密度道密度是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数。道密度是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数。道密度磁道数存储区域的长度道密度磁道数存储区域的长度单位为道英寸单位为道英寸(TPI)或道毫米或道毫米(TPM)；位密度位密度位密度是磁道单位长度上可以记录的二进制代码位数。位密度是磁道单位长度上可以记录的二进制代码位数。位密度磁道容量内圈的周长位密度磁道容量内圈的周长单位为位英寸单位为位英寸(bpi)或位毫米或位毫米(bpm)。q虽虽然然磁磁道道的的周周长长各各不不相相同同
24、，但但其其磁磁道道容容量量是是相相同同的的，所所以以内内圈圈的的位位密密度度最最大大，外圈的位密度最小，一般位密度是指内圈的位密度。外圈的位密度最小，一般位密度是指内圈的位密度。8.2 8.2 硬盘存储器硬盘存储器第24页，共54页，编辑于2022年，星期三 存储容量是存储容量是磁表面存储器可以存储的总字节数。磁表面存储器可以存储的总字节数。格式化容量格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量;格式化容量记录面数格式化容量记录面数每面的磁道数每面的磁道数扇区数扇区数记录块的字节数。记录块的字节数。非格式化容量非格式化容量是磁记录表面可以利
25、用的磁化单元总数。是磁记录表面可以利用的磁化单元总数。非格式化容量记录面数非格式化容量记录面数每面的磁道数每面的磁道数磁道容量磁道容量非格式化容量非格式化容量格式化容量格式化容量存储容量的单位是：存储容量的单位是：KB或或MB，1KB103B、1MB106B。(2)(2)(2)(2)存储容量存储容量存储容量存储容量8.2 8.2 硬盘存储器硬盘存储器第25页，共54页，编辑于2022年，星期三(3)(3)(3)(3)平均寻址时间平均寻址时间平均寻址时间平均寻址时间从从读读写写命命令令发发出出后后，磁磁头头从从某某一一起起始始位位置置出出发发移移动动到到新新的的记记录录位位置置，到到开开始始从从
26、盘盘片表面读出或写入信息所需要的时间。它包括寻道时间和等待时间。片表面读出或写入信息所需要的时间。它包括寻道时间和等待时间。寻道时间寻道时间:将磁头定位到所要求的磁道上所需要的时间。将磁头定位到所要求的磁道上所需要的时间。等待时间等待时间：等待磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间。：等待磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间。由于这两个数值可随机变化，所以：由于这两个数值可随机变化，所以：平均存取时间平均找道时间平均等待时间平均存取时间平均找道时间平均等待时间平均找道时间平均找道时间(最大找道时间最小找道时间最大找道时间最小找道时间)2。平均等待时间平均等待时间等于磁盘旋转一周所需要时间的一半等
27、于磁盘旋转一周所需要时间的一半12(1转速转速)。8.2 8.2 硬盘存储器硬盘存储器第26页，共54页，编辑于2022年，星期三(4)(4)(4)(4)数据传输率数据传输率数据传输率数据传输率q数据传输率是磁表面存储器在单位时间向主机传送数据的字节数。数据传输率是磁表面存储器在单位时间向主机传送数据的字节数。q如如果果磁磁盘盘的的旋旋转转速速度度为为每每秒秒n转转，每每条条磁磁道道的的容容量量为为N个个字字节节，则则数数数数据据据据传传传传输率输率输率输率DrDrnN(BnN(Bs)s)q由由于于各各扇扇区区之之间间存存在在间间隙隙，存存取取时时还还需需有有一一些些判判别别性性操操作作，所所
28、以以一一条条磁磁道的平均数据传输率要低于存取一个扇区的道的平均数据传输率要低于存取一个扇区的“瞬时瞬时”数据传输率。数据传输率。qq平均数据传输率每道扇区数平均数据传输率每道扇区数平均数据传输率每道扇区数平均数据传输率每道扇区数 扇区容量扇区容量扇区容量扇区容量 转速转速转速转速8.2 8.2 硬盘存储器硬盘存储器第27页，共54页，编辑于2022年，星期三例例1 1磁磁盘盘组组有有片片磁磁盘盘，每每片片有有两两个个记记录录面面，最最上上最最下下两两个个面面不不用用。存存储储区区域域内内径径cm，外外径径cm，道道密密度度为为道道cm，内内层层位位密密度度位位cm，转速转分。问：，转速转分。问
29、：()共有多少柱面？共有多少柱面？()盘组总存储容量是多少？盘组总存储容量是多少？(3)数据传输率是多少？数据传输率是多少？(4)采采用用定定长长数数据据块块记记录录格格式式，直直接接寻寻址址的的最最小小单单位位是是什什么么？寻寻址址命命令令中中如何表示磁盘地址？如何表示磁盘地址？(5)如如果果某某文文件件长长度度超超过过一一个个磁磁道道的的容容量量，应应将将它它记记录录在在同同一一个个存存储储面面上，还是记录在同一个柱面上？上，还是记录在同一个柱面上？第28页，共54页，编辑于2022年，星期三【例【例1 1解答】解答】(1)有效存储区域有效存储区域=16.511=5.5(cm)因为道密度因
30、为道密度=40道道/cm，所以，所以40道道/cm5.5cm=220道道(2)内层磁道周长为内层磁道周长为2R=23.1411=69.08(cm)每道信息量每道信息量=400位位/cm69.08cm=27632位位=3454B每面信息量每面信息量=3454B220=759880B磁盘总容量磁盘总容量=759880B10=7598800B(3)磁盘数据传输率磁盘数据传输率Dr=rNN为每条磁道容量，为每条磁道容量，N=3454Br为磁盘转速，为磁盘转速，r=2400转转/60秒秒=40转转/秒秒Dr=rN=40转转/秒秒3454B/转转=13816B/S第29页，共54页，编辑于2022年，星期
31、三(4)活动头磁盘组的编址方式可用如下格式：活动头磁盘组的编址方式可用如下格式：17161587430台台号号柱面柱面(磁道磁道)号号盘面盘面(磁头磁头)号号扇区号扇区号此此地地址址格格式式表表示示有有4台台磁磁盘盘，每每台台最最多多有有16个个记记录录面面，每每面面最最多多有有256个个磁磁道道，每每道道最多有最多有16个扇区。个扇区。（5）如如果果某某文文件件长长度度超超过过一一个个磁磁道道的的容容量量，应应将将它它记记录录在在同同一一个个柱柱面面上上，因因为为不不需需要重新找道，数据读要重新找道，数据读/写速度快。写速度快。例例1 1第30页，共54页，编辑于2022年，星期三例例2 2
32、有有一一台台磁磁盘盘机机，平平均均寻寻道道时时间间为为了了30ms，平平均均旋旋转转等等待待时时间间为为120ms，数数据据传传输输速速率率为为500B/ms，磁磁盘盘机机上上随随机机存存放放着着1000件件每每件件3000B的的数数据据。现现欲欲把把一一件件件件数数据据取取走走，更更新新后后在在放放回回原原地地，假假设设一一次次取取出出或或写写入入所所需需时时间间为为：平平均均寻寻道道时时间间平平均均等等待待时时间间数数据据传传送送时时间间。另另外外，使使用用CPU更更新新信信息息所所需需时时间间为为4ms，并并且且更更新新时时间同输入输出操作不相重叠。试问：间同输入输出操作不相重叠。试问：
33、(1)更新磁盘上全部数据需要多少时间？更新磁盘上全部数据需要多少时间？(2)若若磁磁盘盘及及旋旋转转速速度度和和数数据据传传输输率率都都提提高高一一倍倍，更更新新全全部部数数据据需需要要多多少少间间？第31页，共54页，编辑于2022年，星期三【例【例2 2解答】解答】(1)读出读出/写入一块数据所需时间为写入一块数据所需时间为3000B500B/ms=6ms由于由于1000件数据是随机存放，所以每取出或写入一块数据均要件数据是随机存放，所以每取出或写入一块数据均要定位。定位。故：故：更新全部数据所需的时间为更新全部数据所需的时间为：21000(平平均均找找道道时时间间平平均均等等待待时时间间
34、传传送送一一块块时时间间)1000CPU更更新新一一块块数据的时间数据的时间=21000(301206)ms10004ms=316000ms=316s(2)磁盘机旋转速度提高一倍后，平均等待时间为磁盘机旋转速度提高一倍后，平均等待时间为60ms，数据传输率提高一倍后，数据传输速率为数据传输率提高一倍后，数据传输速率为1000B/ms，读出读出/写入一块数据所需时间为写入一块数据所需时间为：3000B1000B/ms=3ms更新全部数据所需的时间为更新全部数据所需的时间为：21000(30603)ms10004ms=190000ms=190s第32页，共54页，编辑于2022年，星期三磁盘磁盘c
35、achecacheq1.1.磁盘磁盘cachecache的概念的概念q高速缓存高速缓存(cache)(cache)是增强相对慢速存储设备存取速度的暂存存储器。是增强相对慢速存储设备存取速度的暂存存储器。在主存储器和在主存储器和CPUCPU之间设置的之间设置的cachecache是为了弥补主存和是为了弥补主存和CPUCPU之间速度的之间速度的差别；同样磁盘差别；同样磁盘cachecache是为了弥补慢速磁盘和主存之间的速度差异。是为了弥补慢速磁盘和主存之间的速度差异。第33页，共54页，编辑于2022年，星期三磁盘磁盘cachecacheq2.磁盘磁盘cache的工作原理的工作原理q在磁盘在磁盘
36、cache中，由一些数据块组成的一个基本单位称为中，由一些数据块组成的一个基本单位称为cache行。当一个行。当一个I/O请求送到磁盘驱动器时，首先搜索驱动请求送到磁盘驱动器时，首先搜索驱动器上的高速缓存行是否已被写上数据，如果是读操作，且要器上的高速缓存行是否已被写上数据，如果是读操作，且要读的数据已在读的数据已在cache中，则为命中，可从中，则为命中，可从cache中读出数据，中读出数据，否则需从磁盘介质上读出。写入操作和否则需从磁盘介质上读出。写入操作和CPU中的中的cache类似，类似，有有“直写直写”和和“写回写回”两种方法。两种方法。第34页，共54页，编辑于2022年，星期三磁
37、盘阵列技术磁盘阵列技术 q1 1、磁盘阵列的概念及优点、磁盘阵列的概念及优点廉价冗余磁盘阵列廉价冗余磁盘阵列(Redundent Array Of Inexpensive Disk(Redundent Array Of Inexpensive Disk，简，简称称RAID)RAID)是用多台磁盘存储器组成的大容量外存储子系统。其基础是用多台磁盘存储器组成的大容量外存储子系统。其基础是数据分块技术，即在多个磁盘上交错存放数据，使之可以并行是数据分块技术，即在多个磁盘上交错存放数据，使之可以并行存取。在阵列控制器的组织管理下，能实现数据的并行、交叉存存取。在阵列控制器的组织管理下，能实现数据的并行
38、、交叉存储或单独存储操作。由于阵列中的一部分磁盘存有冗余信息，一储或单独存储操作。由于阵列中的一部分磁盘存有冗余信息，一旦系统中某一磁盘失效，可以利用冗余信息重建用户数据。旦系统中某一磁盘失效，可以利用冗余信息重建用户数据。第35页，共54页，编辑于2022年，星期三磁盘阵列技术磁盘阵列技术q2 2、磁盘阵列控制卡（、磁盘阵列控制卡（RAIDRAID卡）卡）RAIDRAID卡是一块特定的接口卡，它能把组成阵列的多个物理磁盘连接为卡是一块特定的接口卡，它能把组成阵列的多个物理磁盘连接为一个逻辑磁盘。一个逻辑磁盘。RAIDRAID卡的组成及功能：卡的组成及功能：具有较强智能的处理能力，其上面有一个
39、单片计算机，形成奇偶校具有较强智能的处理能力，其上面有一个单片计算机，形成奇偶校验信息的机构，分析与处理验信息的机构，分析与处理CPUCPU发送的读写磁盘命令的机构。发送的读写磁盘命令的机构。有起缓冲作用的有起缓冲作用的DRAMDRAM存储器，又称为阵列加速器，容量从几存储器，又称为阵列加速器，容量从几MBMB到几到几十十MBMB。可根据用户的要求，灵活地配置不同的使用方式及容错方式。可根据用户的要求，灵活地配置不同的使用方式及容错方式。第36页，共54页，编辑于2022年，星期三磁盘阵列技术磁盘阵列技术q3、磁盘阵列中的两项重要技术：、磁盘阵列中的两项重要技术：（1）并发命令请求和命令排队）
40、并发命令请求和命令排队CPU可以向磁盘设备发送多个命令并使多个命令得以并发处理。可以向磁盘设备发送多个命令并使多个命令得以并发处理。在处理命令时可以进行某些性能优化，而不是机械地按命令到来的在处理命令时可以进行某些性能优化，而不是机械地按命令到来的先后次序处理，进一步提高了数据读写的速度。先后次序处理，进一步提高了数据读写的速度。q（2）设备的快速接入与断开）设备的快速接入与断开当一个占据了总线的磁盘开始执行一个读命令但数据尚未准备好，它会当一个占据了总线的磁盘开始执行一个读命令但数据尚未准备好，它会快速地暂时把自己从总线上分离出来，使另外正急于使用总线的磁盘可快速地暂时把自己从总线上分离出来
41、，使另外正急于使用总线的磁盘可能抢到总线。从而提高总线的使用效率和系统性能。能抢到总线。从而提高总线的使用效率和系统性能。第37页，共54页，编辑于2022年，星期三磁盘阵列技术磁盘阵列技术q4、磁盘阵列对磁盘容错的支持、磁盘阵列对磁盘容错的支持合理地把文件分成若干合理地把文件分成若干“块块”并写到多个物理磁盘中，再加上适当的数据存并写到多个物理磁盘中，再加上适当的数据存储保护措施，使磁盘系统具有很好的容错能力。储保护措施，使磁盘系统具有很好的容错能力。设计方案：将容错划分成设计方案：将容错划分成6种模式（又称种模式（又称6级容错），分别叫作级容错），分别叫作RAID0、RAID1、RAID2
42、、RAID3、RAID4、RAID5。其中。其中RAID2与与RAID3方案采方案采用得较少，其他用得较少，其他4种得到实际应用。种得到实际应用。RAID0模式模式第38页，共54页，编辑于2022年，星期三磁盘阵列技术磁盘阵列技术qRAID1模式模式是把相同的数据分别写到配对使用的两个磁盘中去，这叫做磁盘镜像是把相同的数据分别写到配对使用的两个磁盘中去，这叫做磁盘镜像（drivemirroring）,这一写操作是对两个磁盘同时进行的，不会降低速这一写操作是对两个磁盘同时进行的，不会降低速度。度。优点：若其中任何一个磁盘出现故障，可以从另一个磁盘中读出数据。优点：若其中任何一个磁盘出现故障，可
43、以从另一个磁盘中读出数据。缺点：磁盘总存储容量的有效利用率只有缺点：磁盘总存储容量的有效利用率只有50。第39页，共54页，编辑于2022年，星期三磁盘阵列技术磁盘阵列技术qRAID4模式模式是为是为N个存储数据的磁盘分配另外一个专用于存储奇偶校验信息的磁盘，个存储数据的磁盘分配另外一个专用于存储奇偶校验信息的磁盘，它仍然以数据散饰为基础，在把数据块写进多个磁盘的同时求出它们的它仍然以数据散饰为基础，在把数据块写进多个磁盘的同时求出它们的奇偶校验值，最终形成一个由奇偶校验位值组成的信息块，将其写入到奇偶校验值，最终形成一个由奇偶校验位值组成的信息块，将其写入到专用于存储奇偶校验位的磁盘。专用于
44、存储奇偶校验位的磁盘。优点：优点：提供了容错能力，提供了容错能力，N+1个磁盘中的任何一个出现故障，都不会丢失数个磁盘中的任何一个出现故障，都不会丢失数据。据。存储容量的有效利用率较高，为存储容量的有效利用率较高，为NN+1。缺点：缺点：计算有故障的磁盘中的正确数据比较费时间；计算有故障的磁盘中的正确数据比较费时间；受奇偶磁盘的制约，不支持多个数据磁盘的并行写操作。受奇偶磁盘的制约，不支持多个数据磁盘的并行写操作。第40页，共54页，编辑于2022年，星期三磁盘阵列技术磁盘阵列技术第41页，共54页，编辑于2022年，星期三磁盘阵列技术磁盘阵列技术qRAID5模式模式是对是对RAID4模式的改
45、进，它不再区分模式的改进，它不再区分N个存储数据的磁盘和另外一个专用个存储数据的磁盘和另外一个专用的奇偶校验磁盘，把的奇偶校验磁盘，把N+1个磁盘同等对待，都用于存放数据和奇偶校验个磁盘同等对待，都用于存放数据和奇偶校验信息，是以不同扇区的形式体现出来的。如下图所示：信息，是以不同扇区的形式体现出来的。如下图所示：第42页，共54页，编辑于2022年，星期三8.3 8.3 光盘存储设备光盘存储设备1.1.1.1.光盘的优点光盘的优点光盘的优点光盘的优点和硬、软磁盘相比，光盘具有下述一些优点。和硬、软磁盘相比，光盘具有下述一些优点。q(1)存存储储密密度度高高：光光盘盘的的线线密密度度一一般般为
46、为1000bitmm，道道密密度度是是600700道道mm。q(2)数据传输率高：一般数据传输的速度可达每秒几兆至几十兆字节。数据传输率高：一般数据传输的速度可达每秒几兆至几十兆字节。q(3)数数据据保保存存时时间间长长：光光盘盘的的记记录录介介质质是是封封在在两两层层保保护护膜膜中中的的，并并且且激激光光存存、取过程是非接触式的，因此寿命很长、数据保存时间一般在取过程是非接触式的，因此寿命很长、数据保存时间一般在10年以上。年以上。q(4)信信息息位位价价格格低低：由由于于光光盘盘存存储储密密度度高高，每每100Mb信信息息的的成成本本是是1美分。美分。q但但是是，到到目目前前为为止止，光光
47、盘盘的的工工作作速速度度还还低低于于硬硬盘盘。可可擦擦除除重重写写的的光光盘价格仍较高。盘价格仍较高。第43页，共54页，编辑于2022年，星期三2.2.2.2.光盘的尺寸及特点光盘的尺寸及特点光盘的尺寸及特点光盘的尺寸及特点 光光盘盘常常用用尺尺寸寸有有5.25，3.5，2.5in三三种种，它它们们各各自自的的特特点点如如下：下：(1)5.25in光盘目前最常用，可靠性高，存取时间快，容易升级。光盘目前最常用，可靠性高，存取时间快，容易升级。(2)3.5in光光盘盘体体积积小小，容容量量大大，光光驱驱轻轻便便，功功耗耗低低。但但兼兼容性较差，转速不高。容性较差，转速不高。(3)2.5in光盘
48、读写率高，功耗低，信噪比高。光盘读写率高，功耗低，信噪比高。8.3 8.3 光盘存储设备光盘存储设备第44页，共54页，编辑于2022年，星期三3.3.3.3.光盘分类光盘分类光盘分类光盘分类 (1)(1)只读型光盘只读型光盘(CD-ROM)(CD-ROM)q由生产厂家预先写入数据或程序，出厂后用户只能读取，而不能写入修由生产厂家预先写入数据或程序，出厂后用户只能读取，而不能写入修改。这种产品在娱乐领域里主要用于电视唱片和数字音频唱片，可以获改。这种产品在娱乐领域里主要用于电视唱片和数字音频唱片，可以获得高质量的图像和高保真度的音乐。在计算机领域里，主要用于检索文得高质量的图像和高保真度的音乐
49、。在计算机领域里，主要用于检索文献数据库或其他数据库，也可用于计算机辅助教学等。由于这种光盘具献数据库或其他数据库，也可用于计算机辅助教学等。由于这种光盘具有有ROMROM的性质，因此称只读型光盘的性质，因此称只读型光盘(compact disk-ROM(compact disk-ROM，简称，简称CD-ROM)CD-ROM)。8.3 8.3 光盘存储设备光盘存储设备第45页，共54页，编辑于2022年，星期三8.3 8.3 光盘存储设备光盘存储设备q(2)(2)只写一次型光盘只写一次型光盘(WORM)(WORM)q由用户写入信息，写入后可以多次读出，但只能写一次，信由用户写入信息，写入后可以
50、多次读出，但只能写一次，信息写入后不能修改。因此它被称为息写入后不能修改。因此它被称为“写一次型写一次型”(write”(write once,read manyonce,read many，简称，简称WORM)WORM)。主要用于计算机系统中的文。主要用于计算机系统中的文件存档或写入的信息不需修改的场合。件存档或写入的信息不需修改的场合。q(3)(3)可擦写型光盘可擦写型光盘q类似于磁盘，可以重复读写，是很有发展前途的辅助存储器。类似于磁盘，可以重复读写，是很有发展前途的辅助存储器。它采用的是磁光它采用的是磁光(M-O)(M-O)可重写技术。可重写技术。第46页，共54页，编辑于2022年，