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1、公司公司徽标徽标第5章 输入输出组织本章结构15.1 输入输出系统概述输入输出系统概述25.2 输入输出控制方式输入输出控制方式35.3 外外部存储器的组织部存储器的组织45.4 RAID技术技术5.1 输入输出系统概述 输入输出设备输入输出接口输入输出设备的编址与管理 1.输入输出设备输入输出设备又称外围设备（periphery）。除了CPU和主存外，计算机系统的其它部件都可看成是外围设备。计算机的外围设备可以分为以下五大类：输入设备 输出设备 存储设备 数据通信设备 过程控制设备 2.输入输出接口输入输出接口 计算机外围设备之间差异很大，主要体现在以下几个方面：物理特性方面主要是指设备连接
2、的方式和读写驱动方式等，如连接口的类型、机械尺寸、信号线的条数以及排列等。电气特性方面数据在信号线上传递时，是以一定的电平值来表示二进制0和1的。电气特性定义每一条信号线的传递方向和有效电平范围。有的设备的电信号使用的是TTL电平标准，有的设备使用的是CMOS电平标准，这两者是不兼容的，其中TTL电路电源电压使用的是5V，而CMOS电路电源电压使用的是12V。另外，两者在表示逻辑0和逻辑1 的电平值也是不相同的。功能特性方面功能特性定义了设备连接的每一条信号线的功能，如用于传递数据的信号线、用于传递地址的信号线、用于传递控制的信号线等。尤其对于种类繁多的外围设备来说，不同的设备所需的控制信号也
3、各不相同，有的设备与主机之间采用中断传送方式，需要中断控制信号，有的设备与主机之间采用DMA传送方式，需要相应的DMA控制信号等。数据格式方面外围设备与主机之间的数据传送主要分为两种形式：串行传送和并行传送。串行传送是一位一位地进行，而并行传送则是多位同时进行，不同的设备并行传送的位数也会有所不同。传输速度方面不同外围设备在速度上差异是非常明显的。有的设备的数据传输速率高达每秒几百兆字节（如磁盘），而有的设备则只有几十字节甚至更低。例如，键盘与CPU之间传输数据的速度取决于我们人的手指敲键的速度，一个键对应一个字节的数据，一秒钟敲十个键数据传输速率也才每秒10字节。计算机在设计时，针对与一些标
4、准输入输出设备（这些设备往往是计算机的标配设备，如输入设备鼠标键盘、输出设备显示器、存储设备硬盘或光驱等）的连接，专门在主机板上设计了相应的接口电路，使得CPU可以通过这些接口电路实现对这些设备的控制。而一些计算机非标准配置的设备（如各种多媒体信息输入输出设备、过程控制设备等），或者通过计算机的一些标准接口（如串口、并口、USB接口等）连接，或者使用专门的设备控制适配器与CPU连接。CPU显示接口键盘接口磁盘接口串行接口并行接口(1)I/O接口的组成结构 无论是与计算机标准输入输出设备连接的标准接口还是与计算机非标准配置设备连接的专用接口统称为计算机的输入输出接口，简称I/O接口。I/O接口中
5、包含有一些数据寄存器、地址寄存器、状态寄存器、控制寄存器和相应的控制电路。为了控制的灵活性和适应性，很多I/O接口中的寄存器往往是可编程的。(2)I/O接口的功能 I/O接口的功能包括以下几个方面。数据的寄存和缓冲对设备的控制和监测对设备的寻址信号变换等3.输入输出设备的编址与管理输入输出设备的编址与管理 外围设备以及设备的I/O接口中有很多可供CPU访问的寄存器，这些不同种类的寄存器称为I/O端口（port）。CPU对I/O端口的访问采用的是与访存类似的按地址访问方式，即为每一个I/O端口分配一个地址，又称为I/O地址或I/O端口号，CPU通过给出I/O端口地址访问相应的I/O端口，也即访问
6、相应的设备。CPU对I/O端口的编址方式主要有两种：一是独立编址方式，二是统一编址方式。I/O端口的独立编址方式是指系统使用一个不同于主存地址空间之外的单独的一个地址空间为外围设备及接口中的所有I/O端口分配I/O地址。在这种方式下，CPU指令系统中有专门的用于与设备进行数据传输的输入输出指令，对设备的访问必须使用这些专用指令进行。独立编址方式的优点：一是I/O端口的地址没有占用主存的地址空间；二是I/O端口的地址码较短，地址译码器设计、实现简单，译码时间也较短。其缺点是：只能使用专用输入输出指令访问I/O设备，对I/O设备操作的程序设计灵活性较差。I/O端口的统一编址方式 是指I/O端口与主
7、存单元使用同一个地址空间进行统一编址。在这种方式下，CPU指令系统中无需设置专门的与设备进行数据传输的输入输出指令，I/O端口被当成主存单元同样对待，对主存单元进行访问和操作的指令可以同样用于对I/O端口的访问和操作。统一编址方式的优点：可以使用访存指令访I/O，对I/O设备操作的程序设计灵活性较好。其缺点是：I/O端口的地址占用了主存的部分地址空间，对I/O端口访问的地址译码更加复杂。5.2 输入输出控制方式程序控制方式程序控制方式 中断控制方式中断控制方式 DMA控制方式控制方式 通道控制方式通道控制方式 1.程序控制方式程序控制方式程序控制方式是指主机与设备间的数据传输是通过CPU执行一
8、道软件程序，在程序的控制下完成输入输出操作。程序控制方式根据设备的不同又分为无条件传送控制方式和查询式传送控制方式。无条件传送控制方式 当设备与CPU交换数据时，可以认为它们总是处于就绪（Ready）状态，随时可以进行数据传送，这就是无条件传送，有时也称它为立即传送或同步传送。无条件传送程序控制流程 向设备输出一个数据开始无条件输出结束从设备输入一个数据结束开始无条件输入查询传送控制方式查询传送控制方式CPU在与设备间数据传送前首先查询设备的状态，若设备未READY，则继续查询；若设备已READY，则进行数据的传送。向设备输出一个数据开始 完成？结束查询输出NY查询设备状态 就绪？NY从设备输
9、入一个数据开始 完成？结束查询输入NY查询设备状态 就绪？NY2.中断控制方式中断控制方式 程序控制方式在多用户多道程序系统中，当CPU控制与慢速的设备进行数据交换时，一方面CPU大部分时间处于等待设备准备就绪的空置状态，另一方面其它程序因得不到CPU而不能运行，使得CPU的有效利用率很低。为解决这种矛盾，计算机设计者提出了中断控制方式。中断的基本概念 中断是指CPU正在运行一个程序时发生了某种非预期的事件，CPU暂停正在运行的程序，转而执行对这一事件进行处理的程序（称为中断服务程序），完成后再返回原程序继续运行的过程。中断源：引起中断的事件。对于计算机系统来说，中断源分为外部中断和内部中断。
10、外部中断主要是指由计算机外围设备、系统定时时钟及人工干预等外部事件起的中断，通过设备产生的外部中断，能使CPU与设备间进行中断方式的数据传输 内部中断主要包括指令中断和故障中断。指令中断是由软件指令引起的，设置指令中断的目的通常是为用户程序提供对系统资源的访问。故障中断主要是指由系统软硬件故障引起的中断，如内存校验故障、电源掉电、除零错、算术溢出、内存越界、指令非法、虚拟存储器页面失效等。中断控制的基本原理中断控制的基本原理 图511（a）和（b）分别给出了程序控制方式和中断控制方式这两种方式下打印机的打印输出过程。程序控制和中断控制方式的不同之处：程序控制方式下，CPU是通过查询方式了解打印
11、机的状态的；而中断控制方式下，CPU是通过中断方式了解打印机的状态的。程序控制方式下，CPU和打印机之间是串行工作的；而中断控制方式下，CPU和打印机可以并行工作。程序控制方式对于单用户单道程序系统来说是有效的；而中断控制方式对于多用户多道程序系统来说可以大大提高CPU的利用率。中断处理过程 中断系统的中断处理过程如图所示。主程序指令主程序指令有否中断请求？中断响应中断源识别中断服务中断返回YN中断处理（1）中断请求的建立中断请求和中断屏蔽（2）中断响应在CPU处于中断允许状态时，可以对来自中断请求线上的中断请求进行响应；而CPU处于中断禁止状态时，则对来自中断请求线上的中断请求不予响应。一旦
12、CPU 响应了中断，便进入中断响应周期。在中断响应周期里，中断系统主要完成以下三项功能：关中断和保护断点 进行中断源的识别 形成中断源中断服务程序的入口地址 （3）中断源识别中断源识别的任务是确定某次中断响应具体该响应的是哪个中断源。中断源识别的方法很多，常用的方法主要有软件查询法、硬件查询法和中断向量法等。软件查询法是通过执行一段软件查询程序，对中断请求寄存器的状态逐位判断，从而确定某次该响应的是哪个中断源。硬件查询法是通过专门的硬件电路实现中断源识别。一种实现中断源识别的串行排队链路。中断向量法是一种通过硬件控制电路形成一个所识别的中断源的中断向量号，并由此中断向量号实现中断响应的方法。在
13、这种方法中，每个中断源对应有一个中断向量号，中断向量号对应一个中断向量，即中断服务程序入口地址，将所有中断向量集中存放在内存中的一片固定区域中。在中断响应周期，首先由一个专门的中断控制电路进行中断识别，并形成一个对应该中断源的中断向量号；然后将此中断向量号传送给CPU；最后由CPU依据中断向量号生成该中断源的中断向量在内存中的首地址，从这一地址单元中即可取出中断服务程序的入口地址。中断向量法示意图。x86CPU采用的就是中断向量法，其中断响应过程如下：当某一中断源i需要申请中断时，向中断控制电路发出一个请求中断信号INTi；在该中断源的中断请求未被屏蔽的情况下，中断控制电路向CPU发出中断请求
14、信号INTR；在CPU处于开中断的情况下，CPU响应中断，向中断控制电路发回一个中断响应信号INTA；中断控制电路完成中断源的识别，并将中断源的中断向量号通过数据总线传送给CPU；CPU依据此中断向量号计算得到中断向量地址，并从此地址单元中取出该中断源对应的中断服务程序入口地址。（4）中断服务中断服务程序包括以下几个过程：保护现场开中断 中断服务关中断 恢复现场开中断中断返回 单级中断和多级中断 中断优先权和中断级一个机器系统中有多个中断源，但CPU一次只能响应和处理一个中断源的中断请求。当某一时间有两个或两个以上的中断源同时发出中断请求时，中断系统就必须从中选择一个进行响应，选择的依据就是各
15、个中断源的中断优先权。如果机器系统的中断源很多，还可以在中断优先权的基础上进一步分级，高一级的任何一个中断源的优先权都比低一级的任何一个中断源的优先权高。如果一个机器系统只有一个中断级，则称该机器的中断系统为单级中断系统；如果一个机器系统有多个中断级，则称该机器的中断系统为多级中断系统。在单级中断系统中，当几个不同优先权的中断源同时请求中断时，系统按照它们优先权高低先后顺序一一响应。而当CPU正在处理一个中断时，不再响应其它新的中断源的中断请求，即使新的中断源的优先权更高也不予响应，只有一个中断处理完毕后再响应新的中断请求。在多级中断系统中，则允许高优先级的中断源再中断低优先级的中断服务，这称
16、为多重中断或中断嵌套。理论上多重中断可以无限制地嵌套。【例5.1】【例5.2】中断接口电路 3.DMA控制方式控制方式 在中断控制方式下，CPU每经历一次中断，都要进行从中断请求信号的建立、中断源识别、中断响应到中断服务等的操作，在中断服务程序里还要执行一系列的诸如保护现场/恢复现场、开中断/关中断等的指令，这些操作和指令的执行花费了不少时间。对于CPU与一些高速设备间采用成组数据交换的应用来说，中断控制方式就有些显得力不从心了。DMA的基本概念 DMA的全称是Direct Memory Access，即直接存储器访问，这是一种完全由硬件（称为DMA控制器）控制主机与设备间进行数据交换的输入输
17、出传送控制方式，它通过在主存与设备间建立一条直接通道的方法，来进一步提高I/O数据传输效率。在机器中，我们依据各部件所处的地位将它们划分为两大类：一类是主设备，一类是从设备。主设备是指能够占用系统总线并通过总线对其它从设备进行控制的设备，一般来讲，主设备能够在总线上给出地址和控制等信号，完成对存储器和外围设备等的访问，如CPU就是机器系统中的主设备。从设备是指被主设备控制和访问的设备，如存储器及各种外围设备等。前面讲到的程序控制方式和中断控制方式，都是在CPU这一主设备的控制下完成存储器与外围设备间的数据交换。为实现DMA传送，机器系统专门设置了一个主设备DMA控制器，由DMA控制器代替CPU
18、控制完成存储器与外围设备间的数据交换，DMA控制器可以像CPU一样，通过总线向存储器和外围设备给出地址和控制信号，实现对这些设备的访问和控制。DMA的工作模式 通常有三种方式：突发方式（burst mode）周期挪用方式（cycle stealing）透明方式（transparent mode）DMA控制器的组成及工作原理 如图示：DMA传输控制过程：DMA数据传输前的初始化。DMA控制器选择一个DMA设备开始工作。当被选中的设备准备就绪时（对输入设备来说就是准备好了一个数据，对输出设备来说就是准备好接收），向DMA控制器发出一个DMA请求信号DREQ。DMA控制器接收到设备请求后，向CPU发
19、出HOLD信号，申请占用总线。CPU通过HLDA信号进行总线响应，同时将其引出脚的地址、数据和部分控制线置为浮空状态，即将总线的控制权让出。DMA控制器获得总线控制权后，向设备回答一个DMA响应信号DACK，并开始启动一次数据的传输。DMA控制器将其地址寄存器的内容输出到地址总线上，并给出读/写控制信号，控制设备与存储器之间的一次数据交换，然后地址寄存器增1，字计数寄存器减1。重复以上过程，直到字计数寄存器减为零，DMA控制器向CPU发出中断请求，同时结束DMA传输，将总线控制权归还CPU。CPU响应DMA中断请求，并进行DMA传输的后处理操作4.通道控制方式通道控制方式 I/O通道（I/O
20、channel）又称通道处理器，是一种能执行有限指令集的专用处理器，它通过执行存储在内存中的固定或由CPU设置的通道程序来控制设备的输入输出操作。与DMA控制器一样，通道也是一个独立的控制部件，但它比DMA控制器更进了一步，一方面它是一个处理器，有有限的指令集，能够执行程序；另一方面它控制灵活，可以适应不同工作方式、不同速度要求和不同数据格式的不同种类的设备的要求。I/O通道的功能 使用通道方式组织的输入输出系统，一般采用“主机通道设备控制器I/O设备”四级连接方式。通道对I/O设备的控制通过设备控制器或I/O接口进行。通道一般具有以下几方面的功能：接收来自CPU的I/O指令，根据指令要求选择
21、设备。执行CPU为通道组织的通道程序，这包括从主存中取出通道指令，对通道指令进行译码，并根据指令的要求向设备控制器发出各种命令。控制设备与主存之间的数据传输，提供主存地址和传送的数据字数控制，根据需要完成传输过程中的数据格式转换等。检查设备的工作状态，并将完整的设备状态信息送往主存或指定单元保存。向CPU发出输入输出操作中断请求，将外围设备的中断请求和通道本身的中断请求按次序报告CPU。设备控制器的具体任务包括：从通道接受通道命令，控制设备完成指定的操作。向通道提供设备的状态。将各种设备的不同信号转换成通道能够识别的标准信号。I/O通道的种类 按通道的数据传输及工作方式划分，通道可分成字节多路
22、通道、选择通道和数组多路通道三种类型。一个机器系统可以兼有三种通道，也可以只包含其中一种或两种，以适应不同种类设备的需要。字节多路通道：字节多路通道用于连接多个慢速或中速的设备，这些设备的数据传送以字节为单位。通道以字节为单位轮流为多个设备服务，以提高通道的利用率。字节多路通道的操作模式有两种：字节交叉模式和猝发模式。选择通道：选择通道一次只与一个设备进行数据传输，直到传输完成为止，然后为其他外围设备传输数据。对于高速的设备，如磁盘等，要求较高的数据传输速度，它们与主机之间可以采用选择通道。数组多路通道：以数组(数据块)为单位在若干高速传输操作之间进行交叉复用，数组多路通道既保留了选择通道高速
23、传输的优点，又能同时为多个设备提供服务。I/O通道的工作过程示意图：5.3 外部存储器的组织外存又称为辅存，从现代存储介质的发展看，主要由磁介质存储器和光盘存储器构成，它的特点是容量大，价格低廉。在计算机中，外存是作为设备来进行管理的。1.磁盘存储器磁盘存储器 磁盘是在一定的基质上涂上一层磁性材料而构成的圆盘，在磁盘表面利用磁存储原理来存储信息。磁盘分为硬盘和软盘两种，硬盘和软盘在构成上以及容量和访问速度上有所不同，但从信息的存储原理来讲，它们是完全相同的。磁记录原理和读写方式 磁盘存储器的物理构成 磁盘存储器主要由磁盘片、磁盘驱动器和磁盘控制器等组成。软盘是由单个盘片构成，而硬盘则由多个盘片
24、构成，通常称为盘片组。磁盘存储器的数据组织 磁盘是以“盘面磁道扇区”的方式来进行数据组织的。磁盘的盘面由一个个同心圆环组成，每一个圆环称为一个磁道。磁道又进一步被分割成一个个等长的圆弧，每一段圆弧称为一个扇区。一个扇区可以存储若干位信息，它也是磁盘与主机之间交换信息的基本单位 磁盘存储器的性能参数 磁盘存储器的主要性能指标包括存储密度、存储容量和访问速度等。（1）存储密度磁盘表面的存储密度主要分为道密度和位密度。道密度是指沿磁盘径向单位长度上的磁道数，单位为道/英寸（TPI）或道/毫米（TPM）。位密度是指磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位为位/英寸（BPI）或位/毫米（BPM）。（2
25、）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。格式化容量是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。非格式化容量是磁记录表面可以利用的磁化单元总数。格式化容量的计算：磁盘存储器总容量盘面数每面容量面容量磁道数每道容量道容量扇区数每扇区容量非格式化容量的计算：磁盘存储器总容量盘面数每面容量面容量磁道数每道容量磁道数道密度径向有效距离道容量位密度磁道周长（3）访问时间磁盘存储器的访问时间主要由寻道时间、旋转延时和传送时间三部分组成。寻道时间磁头定位到需读写的磁道所花的时间。由于寻道时间是不确定的，因此一
26、个磁盘存储器的寻道时间一般取平均寻道时间。平均寻道时间是最大寻道时间与最小寻道时间的平均值，目前平均寻道时间为1020ms，一些高速硬盘的平均寻道时间小于10ms。旋转延时需读写的扇区旋转到磁头下所花的时间。每次对一个磁道上某个扇区的访问，旋转延时也是不同的，因此旋转延时也取平均值。平均旋转延时和磁盘转速有关，它用磁盘旋转一周所需时间的一半来表示。转速为7200转/分的磁盘其平均旋转时间为4.17ms。寻道时间和旋转延时的总和称为存取时间，即定位到读写位置的时间。从所访问的扇区头开始，整个扇区从磁头下经过，即完成了该扇区的数据传送，这部分时间称为传送时间。磁盘的数据传送时间，除了与所传送的数据
27、大小有关外，主要取决于磁盘的数据传输率。磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，称为数据传输率。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DrN（字节/秒）若要传送的数据为b字节，则传送时间表54 给出了当今典型的磁盘存储器的性能参数。【例5.3】【例5.4】2.磁带存储器磁带存储器 磁带上的磁道是沿磁带运动方向平行排列的。计算机中所用的磁带宽度从0.15英寸(0.38厘米)到0.5英寸（1.27厘米)，长度从600英寸（182米）到2400英寸（728米）不等。早期磁带系统一般使用9个磁道，每次存取一个字节，其中8个磁道构成一个有效字节信息，第9磁道上是附加的奇偶
28、校验位。后来的磁带系统使用18或36个磁道，这对应于数字的一个字或双字。这种记录格式称为并行记录。现代大多数磁带系统使用串行记录方式，数据作为一系列的二进制位串沿同一磁道顺序存储，就如同磁盘在同一磁道上顺序存储数据一样。串行记录磁带使用一种被称为蛇形记录(serpentine recording)的记录方式。按此方式，数据从一个磁带的头部开始，沿一个磁道从头到尾记录，到达磁带尾部时，再沿另一磁道从尾到头记录，再次回到磁带头部时，又沿第三个磁道从头到尾记录，如此往复。一种采用并行记录的0.5英寸9道启停式磁带和数据记录格式 一种采用串行记录的0.25英寸数据流磁带的数据记录格式 为提高磁带存储器
29、的访问速度，磁头能同时对几个相邻磁道（通常是2到8个磁道)进行读写操作。数据仍是沿各磁道蛇形串行记录，但数据块不是在同一磁道上顺序存放，而是在相邻磁道依序排列。表55给出了几个磁带的系统参数。3.光盘存储器光盘存储器 光盘存储器是一种采用光存储技术存储信息的存储器，它采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息，以介质材料的光学性质(如反射率、偏振方向)的变化来表示所存储信息的“1”或“0”。光盘存储器的分类 按光盘可擦写性分类主要包括只读型光盘和可擦写型光盘。只读型光盘所存储的信息是由光盘制造厂家预先用模板一次性将信息写入，以后只能读出数据而不能再写入任何数据。按照盘片内容所采用的数据格
30、式的不同，又可以将盘片分为CDDA、CDI、VideoCD、CDROM、DVD等。可擦写型光盘是由制造厂家提供空盘片，用户可以使用刻录光驱将自己的数据刻写到光盘上，它包括CDR、CDRW和相变光盘及磁光盘等。常见的光盘种类、功能及相关标准见表56。CDROM 标准CDROM盘片的直径为120mm，中心装卡孔径为15mm，厚度为1.2mm，重量约1418g，其基质由树酯(如聚碳酸酯)制成，数据信息以一系列微凹坑的样式刻录在光盘表面上。CDROM光盘在制作时，首先用精密聚焦的高强度激光束制造一个母盘，然后以母盘作为模板压印出聚碳酸酯的复制品，再在凹坑表面上镀一层高反射材料(铝或金)，最后在这外层上
31、涂层丙烯酸树酯以防灰尘或划伤。CDROM盘片的结构。CDROM是通过安装在光盘驱动器内的激光头来读取盘片上的信息的。当盘片转动并经过激光头时，激光头能产生可以穿过透明的聚碳酸酯层的低强度激光束。激光束照射到盘片的不同区域时，反射的激光强度发生变化。具体来说，当激光束照射在凹坑上时，由于凹坑表面有些不平，光被散射，反射回的光强度变低。凹坑之间的区域称为台(1and)，台的表面光滑平坦，反射回的光强度高。光传感器将检测到的这种光强变化转换成数字信号。传感器以固定的间隔检测盘表面，一个凹坑的开始或结束表示存储了一位二进制“1”；间隔之间无标高变动出现时，记录的是“0”。CDROM与磁盘在数据记录方式
32、上有所不同。磁盘是由一个个同心圆的磁道组成。而CDROM却不同，它是在整个盘面上只有一条螺旋式轨道，由靠近中心处开始，逐圈向外旋转直到盘的外沿。靠外的扇区与靠内的扇区具有相同的长度，于是，按同样大小的段分组的信息可以均匀分布在整个盘上。CDRCDR（Compact Disk Recordable）是一种一次写、多次读的可刻录光盘系统，它由CDR盘片和刻录光驱组成。CDR光盘与普通CDROM光盘在外观尺寸、记载数据的方式等方面是相同的，也同样是利用激光束的反射原理来读取信息。但与CDROM不同的是，在CDR光盘表面除了含有聚碳酸酯层、反射层和丙烯酸树酯保护层外，另外还在聚碳酸酯层和反射层之间加上
33、了一个有机染料记录层。当使用CDR刻录光驱对空白盘片进行刻录时，是将写激光束照射到有机染料记录层上，激光照射时产生的热量将有机染料烧熔，并使其产生光痕。光痕会使今后读激光束改变光的反射率，从而达到一次刻录改写信息的目的。CDRW CDRW（Compact Disk ReWritable）光存储系统是在CDR基础上进一步发展起来的，是一种多次写、多次读的可重复擦写的光存储系统。CDRW光盘结构与CDROM基本相同，只是在盘片中增加了可改写的染色层。读写数据采用相变（phase change）技术。相变技术利用物质的状态变化进行数据的读、写和擦除。CDRW盘片内部镀上一层一定厚度的薄膜即相变记录层
34、。相变记录层由一种银合金材料组成，随加热温度的不同，它可以形成晶体，也可以形成非晶体。因此，适当调整加热温度就可以自由地控制记录层的结晶状态。在晶体状态中原子整齐排列，光反射率高；相反，在非晶体状态中原子排列不整齐，光反射率低。对CDRW的读、写和擦除正是利用光反射率的这种变化来实现。对CDRW盘片的读写操作是通过CDRW刻录机完成的。目前的CDRW刻录机兼容CDROM和CDR盘片，它分为内置式和外置式两种。在与主机接口上，内置式刻录机主要通过IDE、SCSI等接口连接，而外置式刻录机通过计算机的外部并行接口连接。DVD DVD的英文全名是Digital Video Disk，即数字视频光盘。
35、DVD不仅仅用来存储视频数据，还可以用来存储其它类型的数据，因此DVD又为 Digital Versatile Disk，即数字通用盘，。图537是DVD和CDROM盘片数据记录道和凹坑情况的比较。从图中可以看出，CDROM 盘的道间距为1.6m，而DVD盘的道间距为0.74m；CDROM盘的最小凹坑为0.83m，而DVD盘的最小凹坑为0.4m。DVD盘片的道密度和凹坑密度都远高于CD盘片。单从这两方面的改进，就使DVD的单片单层容量提高到CDROM的7倍多，可达4.7GB。DVD盘片分为单面单层、单面双层、双面单层和双面双层四种物理结构。因此，可以将DVD盘片分为四种规格，分别是DVD5、D
36、VD9、DVD10和DVD18。表57 四种DVD盘片比较。5.4 RAID技术1988年，美国加州大学Berkeley分校的David Patterson、Garth Gibson和Randy Katz三人发表了一篇题为A Case of Redundant Array of Inexpensive Disks（廉价磁盘冗余阵列方案）的论文，首次提出了RAID的一词。在论文中他们提出将多个小容量、价格低廉的磁盘进行有机组合，来替代通常在大型计算机中使用的昂贵的大容量磁盘系统，并使其具有更好的性能和更高的可靠性。Patterson、Gibson和Katz还定义了5种类型（称为级，level）的
37、RAID，每一级RAID都具有不同的性能和可靠性。原先这些级的编号是从1到5，后来人们又定义了RAID的第0级和第6级。所以RAID主要分为7个级，即从第0级到第6级。后来一些研究机构和公司还定义了其它的一些RAID级。RAID的设计思想：通过在多个硬盘上（又称为磁盘阵列）同时存取数据来大幅提高磁盘存储系统的数据吞吐率，而且在一些RAID 模式中通过较为完备的相互校验/恢复的措施，甚至是直接相互的镜像备份，以提高RAID 系统的容错度，从而提高了磁盘存储系统的安全性和可靠性。RAID分级 RAID级描述磁盘数容错性能并行I/O响应 0无容错的分块磁盘阵列N无容错有1磁盘镜像2N容错性最好有2专
38、用海明校验盘位分布磁盘系统N+m允许一个磁盘失效无3专用奇偶校验盘位分布磁盘系统N+1允许一个磁盘失效无4专用奇偶校验盘分块独立存取磁盘系统N+1允许一个磁盘失效有5分散校验分块独立存取磁盘系统N允许一个磁盘失效有6分散双校验分块独立存取磁盘系统N允许两个磁盘失效有RAID0 RAID0 全称是Striped disk array without fault tolerance(没有容错的条带磁盘阵列）。其构架如图538所示。磁盘以条带（strip）的形式划分，每个条带是一些物理的块、扇区或其他单位。所有的磁盘组成一个逻辑磁盘，系统数据和用户数据被看成是存储在这个逻辑磁盘上，逻辑磁盘上的一个个
39、条带数据以轮转方式映射到连续的阵列磁盘中。例如，在一个由N个磁盘组成的阵列中，逻辑磁盘的第1N个条带数据按顺序依次分布在第1N个磁盘的第1个条带上，第N12N个条带数据按顺序依次分布在第1N个磁盘的第2个条带上，依此类推。这种布局的优点是，如果单个I/O请求由多个逻辑相邻的条带组成，则多达对n个条带的请求可以并行处理，这样可以大大提高I/O的数据传输率。RAID0不是RAID家族中的真正成员，因为它没有数据冗余能力。由于没有采用备份或校验恢复技术，在RAID0阵列中任何一个磁盘损坏就会导致整个磁盘阵列数据的损坏。RAID1 RAID1又称为磁盘镜像（Disk Mirroring），是所有的RA
40、ID级中具有最佳失效保护的一种方案。它使用两组互为镜像的磁盘进行简单的完全数据备份，从而实现数据冗余。图中包含了两组相同的磁盘阵列。RAID1在每次写入时，都会同时将数据写入到两组磁盘中，使两组磁盘的数据保持完全的相同，以实现磁盘阵列的高可靠性。RAID1也采用与RAID0相同的条带数据划分，即在每组内，所有磁盘以条带方式进行数据组织，以保持与RAID0同样的高性能。RAID2 RAID1虽然同时具有高可靠性和高性能，但它的主要问题是成本太大，需要整整两倍于实际所需的磁盘数量才能达到数据的冗余。更好的方式是只使用磁盘组中的一个或几个磁盘用于数据冗余或数据校验之用。RAID2就定义了这些方法中的
41、一种。RAID2称为海明码校验（Hamming Code ECC），它将磁盘进行条带划分的方法运用到了极端的情形。它在每个条带中只写入一位二进制位，而不是采用像RAID0和RAID1中的数据块。这样的话，如果以字节为单位进行数据组织，则一个磁盘阵列中至少需要8个磁盘用于存储数据信息。RAID2采用了海明纠错码进行数据校验。与数据磁盘相对应，磁盘阵列中还需要一组磁盘用于存储纠错码信息。纠错码所需的磁盘数量取决于所采用的海明纠错码所需的校验位数。无论是数据盘还是校验盘，只要有一个磁盘损坏，其中的数据都可以通过海明码来重建恢复。由于生成海明码较为耗时，所以RAID2对大多数商业应用来说速度太慢。事实
42、上，今天大多数磁盘驱动器都有内置的CRC纠错功能。对于单个磁盘和驱动器具有高可靠性的情况下，RAID2就没有太大的应用意义了。RAID3 RAID3称为带校验的并行传输（Parallel transfer with parity）。像RAID2一样，RAID3是按照每次一位的方式将数据交错分配到各个数据盘的条带上。但是，与RAID2所不同的是，RAID3只使用一个磁盘来存储一个简单的奇偶校验位，奇偶校验位的生成比海明码的生成快得多。RAID3的组成。RAID4 RAID4又称带有共享校验磁盘的独立数据磁盘系统（Independent data disks with shared parity
43、disk）。它与RAID3一样，同样采用“数据磁盘奇偶校验盘”的组织形式。但与RAID3不同的是，RAID4不是以位为单位进行数据的读写。它将所有磁盘划分成大小相同的条带，每个条带能存储一个块的数据。校验方法是每次对每个数据盘上的对应条带的同一位进行奇偶校验运算生成这一位的奇偶校验位。对应一个数据条带也就生成一个奇偶校验条带。例如，假设某由4个磁盘组成的RAID4磁盘系统的条带单位是字节，4个磁盘上对应的一个条带分别为S0、S1、S2、S3，与这一条带对应的偶校验条带为P，则：P(1)S0(1)S1(1)S2(1)S3(1)P(2)S0(2)S1(2)S2(2)S3(2)P(8)S0(8)S1
44、(8)S2(8)S3(8)RAID4的这种奇偶校验组织方式能有效地解决对并行I/O的响应问题，但它的写效率却较低。RAID4的校验盘是整个系统的关键，它的失效会带来整个系统的失效。RAID5 RAID5的全称是带分散校验盘的分条带数据磁盘系统（Striping with floating parity drive），它是对RAID4加以改进的优化方案。对RAID4而言，校验盘是独立的，校验盘的失效将带来整个磁盘系统的失效，因此校验盘成为RAID4的瓶颈。RAID5则是将奇偶检验分散到整个磁盘阵列中。在上图中，对条带（S0、S1、S2）、（S3、S4、S5）、（S6、S7、S8）、（S9、S10
45、、S11）的校验条带P02、P35、P68和P911分布在不同的磁盘上。这样的话，一方面保存了RAID4原有的独立磁盘所带来的并行I/O响应能力，另一方面又较好地解决了RAID4的校验盘瓶颈问题。但相对来说，RAID的磁盘控制功能是最复杂的。RAID5是目前在商业上得到了很好应用的RAID方案之一。RAID6 前面所讨论的大多数RAID系统只能允许最多有一个磁盘失效。但实际情况是大型计算机系统的磁盘常常有发生成群成簇失效的现象。RAID6就是为解决这种问题而提出的一种方案。RAID 6是由一些大型企业提出来的私有RAID级别标准，全称为带有两个独立分布式校验方案的独立数据磁盘（Independ
46、ent data disks with two independent distributed parity schemes）。它是在RAID 5的基础上发展而成，因此它的工作模式与RAID 5有相似之处。所不同的是RAID 5只使用了一种奇偶校验码，并只写入到一个磁盘上；而RAID 6除使用了奇偶校验码外，还使用了一种ReedSoloman纠错编码来提供第二层保护，并将这两种校验码写入到两个不同的磁盘上面。这样就增强了磁盘的容错能力，允许磁盘阵列中出现故障的磁盘可以达到两个。RAID 6的组织架构图。混合RAID系统 许多大型的计算机系统并不局限于只使用一种类型的RAID。在某些情况下，平衡磁盘系统的高可用性和经济性是非常重要的。我们还可以将多个RAID方案组合起来构建一种“新型”的RAID。其中RAID10就是这样一种磁盘系统，它组合了RAID0的分带方式和RAID1的镜像功能。虽然代价昂贵，但是RAID10可以提供优良的读取性能和最佳的可用性。表59 RAID0RAID6的优缺点及应用。