3存储器层次-3

计算机组成原理3.10外存储器主存的后备和扩充，也称外存。特点：容量大,可靠性高,单位存储容量价格低,在掉电情况下能长期保存信息。非易失性存储器。辅助存储器的主要技术指标是存储密度、存储容量、寻址时间、访问时间等。（1）存储密度。道密度(TPI)：磁盘半径方向单位长度包含的磁道。位密度(BPI)：在每一个磁道内单位长度内所能记录的二进制信息数。（2）存储容量存储容量指磁表面存储器所能存储的二进制信息总量，一般以字节、扇区或数据块为单位。3.10.1外存储器概述计算机组成原理（3）寻址时间磁盘存储器采取直接存取方式，寻址时间包括两部分：•磁头寻找目标磁道所需的找道时间Ts。•找到磁道以后，磁头等待所需要读写的区段旋转到它的下方所需要的等待时间tw。由于寻找不同磁道和等待相应扇区所需的时间不同。因此取它们的平均值，称作平均寻址时间Ta。它由平均寻道时间Tsa和平均等待时间Twa组成：Ta=Tsa+Twa=(Tsmax+Tsmin)/2+(Twmax+Twmin)/2磁带存储器采取顺序存取方式，不需要寻找磁道但需要考虑磁头寻找记录区的等待时间。磁盘平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间+传输时间（4）数据传输率磁表面存储器在单位时间内与主机之间传送数据的位数或字节数，称为数据传输率Dr。计算机组成原理磁记录原理磁盘存储是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料、陶瓷或玻璃等表面作载磁体来存储信息。磁表面记录设备是在磁头和磁性材料的记录介质之间有相对运动时，通过一个电磁转换过程完成读写操作的。磁头是实现电磁转换过程的关键装置，通常由软磁材料做成（外界磁场的作用消失后，该磁性材料的磁性容易消失）。计算机组成原理磁记录原理局部磁化单元载磁体写线圈SNI局部磁化单元写线圈SN铁芯磁通磁层写入“0”写入“1”I写入：将计算机并行数据进行并-串变换，然后一位一位的由写电流驱动器将交变信号电流通过磁头线圈，使磁体内的磁通量发生变化，交变磁场从缝隙中漏出，使匀速转动的磁盘表面磁化。根据写入电流的方向决定是写“1”还是写“0”。当载磁体相对于磁头运动时，就可以连续写入一连串的二进制信息。计算机组成原理N读线圈S读线圈SN铁芯磁通磁层运动方向运动方向ssttffee读出“0”读出“1”读出：磁盘匀速转动，磁化点顺序经过磁头，在磁头线圈中感应出相应的电动势，经过放大检测等一定的处理后，还原成原来存入的数据信号。由于数据是一位一位串行读出的，故要经串-并变换后，再将并行信号送至计算机。计算机组成原理3.10.2硬盘存储器硬盘存储器的组成旋转电机直线电机磁头计算机组成原理磁盘磁盘组主轴磁头音圈电机位置检测定位驱动模拟控制放大闭环自动控制系统由磁盘控制器送来的目标磁道信号测速输出读写臂传动机构主轴定位驱动数据控制（1）磁盘驱动器核心部件是磁头组件和盘片组件计算机组成原理头盘组件磁头组件、磁头驱动机构、驱动机构及盘片、读写放大电路、循环过滤器、底座和上盖、其他附件。温切斯特磁盘（温盘）：实际上是一种技术，这种技术是由IBM公司位于美国加州坎贝尔市温切斯特大街的研究所研制的，它是于1973年被应用的。温氏技术特点全封闭结构，杜绝灰尘危害固定磁头和盘片，磁头采用接触式启停一体化主轴和电机（2）硬盘控制器主机与磁盘驱动器间的接口，即控制辅存与主机总线之间数据交换和根据主机的命令控制设备的操作。计算机组成原理硬盘的管理结构盘面：每个盘片有上下两面。磁道：对单个盘片而言可以称为磁道。柱面：硬盘每个盘面的同一编号的磁道构成柱面扇区或数据块号:对定长格式的硬盘存在扇区的概念，对不定长的硬盘以数据块号（记录号）存储信息。容量格式化容量=磁头数*柱面数*每柱面扇区数*每扇区字节数；=磁头数*柱面数*每柱面数据块数*每数据块内的字节数。硬盘转速现在已达到7200r/min或9600r/min。以5400rpm的硬盘而言，其相应的平均等待时间为5.6ms。现在常用硬盘的数据传输率可达到5MB/s以上。按盘径分：5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸计算机组成原理例：磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两面不用。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？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？计算机组成原理解：1、有效存储区域=33/2－22/2=16.5－11=5.5cm柱面数=道密度×有效区域=40道/cm×5.5cm=220道，即220个圆柱面。2、内道周长=3.14×22=69.08cm道信息量N=400位/cm×69.08cm=27632位=3454B面信息量=3454B×220=759880B盘组容量=759880B×10=7598800B≈7.25MB3、磁盘数据传输率=转速r×道容量N=（2400转/60秒）×3454B=40×3454=13816B/S=13.492KB/S4、最小单位是一个记录块（一个扇区），其编址方式可为如下格式：5、记录在同一个柱面上，因为不需要重新找道，数据读写速度快。磁盘机号柱面号盘面号扇区号计算机组成原理常用硬盘接口类型IDE（IntergratedriveElection)接口：40条通信线，属于设备级接口（主机命令控制设备的操作）。将控制器集成到驱动器内部，使传输可靠。传输速率在1.5MB/s左右；最多可连接2台IDE设备，内部接口连在主板的ISA总线上。EIDE（EnhancedIDE）接口：支持大容量硬盘。传输速率达到18MB/s；最多可连接4台IDE设备，内部接口可直接连在局部总线上，数据传输宽度32位。SCSI(SmallComputerSystemInterface)接口:将原来磁盘控制器的功能转移到设备驱动器上，以标准的电缆（50条，后扩充到68条）和协议与多台主机设备进行数据交换。可连接多达32个SCSI设备，传输速率达到160MB/s。它属于系统级接口（控制外存与总线之间交换信息）。USB接口计算机组成原理串行ATA（SATA）接口SATA——SerialAdvancedTechnologyAttachment（串行高级技术附件，一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口），是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盘接口规范。SATA规范将硬盘的外部传输速率理论值提高到了150MB/s，比PATA标准ATA/100高出50%，比ATA/133也要高出约13%，而随着未来后续版本的发展，SATA接口的速率还可扩展到2X和4X（300MB/s和600MB/s）。从其发展计划来看，未来的SATA也将通过提升时钟频率来提高接口传输速率，让硬盘也能够超频。SATA的优势：支持热插拔，传输速度快，执行效率高。计算机组成原理3.10.3磁盘阵列存储器多个独立的的磁盘组成一个独立的逻辑盘，通过数据在多个物理盘上的分割交叉存储，并行访问得到高逻辑性能。CPU速度的增长大大超过磁盘驱动器数据传输速率的增长小盘径磁盘驱动器组成的阵列与大型驱动器相比：成本低、功耗低、性能好等优点低代价的编码容错方案特性并行数据处理，高传输速率和I/O吞吐率访问负载均匀分布在所有磁盘阵列的控制、数据的分块和拼接、磁盘阵列的并行调度等阵列控制功能。计算机组成原理磁盘阵列的致命缺点：整个盘的可靠性降低解决方法：冗余码进行纠错独立磁盘冗余阵列（RedundantArrayofIndependentDisk——RAID）RAID0无冗余和无校验的数据分块（安全性差）RAID1镜像磁盘阵列（利用率为50%）RAID2采用纠错的海明码的磁盘阵列（不利于小数据量传输）RAID3，4采用奇偶校验码的磁盘阵列（专有一个校验盘）RAID5无独立校验盘的磁盘阵列RAID6级（采用分块交叉技术和双磁盘容错的磁盘阵列）RAID7级（独立接口的磁盘阵列）RAID10级（RAID0级+RAID1级）：由分块和镜像组成，是所有RAID中性能最好的磁盘阵列，但每次写入时要写两个互为镜像的盘，价格高。计算机组成原理3.10.4光盘存储器光盘（OpticalDisk)：起源于激光数字影像技术。利用光学原理读/写信息。特点：容量大、可靠性高、使用方便、成本低组成：光盘盘片、光盘驱动器、控制器等。光盘结构：基片材料一般采用聚碳酸脂的耐热有机玻璃加工成盘片，然后涂上一层记录介质，然后加一层保护膜。分类：致密光盘（CD）和通用数字光盘（DVD）只读——ROM只写一次——WORM(writeonce,readmany)或则CD-R。可重写型——RW计算机组成原理•光盘是70年代发展起来的存储介质，具有存储密度高、容量大、价格低、寿命长和可替换等优点，是当今信息社会一种十分理想的存储介质。可擦写的磁光盘集磁记录和光存储的优点于一体，其存储密度比磁盘高十几倍～几十倍信息可保存60～100年（磁盘一般为3～5年）位成本比磁盘低、抗干扰能力强。•由于光盘记录头分量重、体积大，使其寻道时间长（30～100ms）。写入速度较低，与主机交换数据的速度不匹配，故不能作为计算机的中间存储器，这是光盘不能替换硬盘的主要原因。光盘介质可互换，存储量大，可用作文献档案、图书管理、多媒体方面的应用，另外在广播电视系统中也广泛应用光盘。光盘的类型及发展CD唱片CD-ROM光盘。以扇区代替帧VCDMPEG-1压缩标准和CD-1格式编码DVDMPEG-2压缩标准、EFM+调制方式、双面CD-R只读光盘CD-RW可重复读写的光盘计算机组成原理DVD光盘存储器•电影公司、娱乐电子公司和计算机公司这三个市场广阔而又能量巨大的行业的市场需求和技术的结合造就出了DVD，它最早是数字影像盘（DigitalVideoDisk）的缩写，但现在一般指数字多用途盘（DigitalVersatileDisk）。DVD的基本设计和CD相同，也是120mm直径注入碳酸盐的盘模，由激光二极管照射的凸区和凹区组成，通过光接受器读入信息。其新特性有：凹区更小（DVD为0.4µm，而CD为0.8µm）。螺旋线更紧凑（DVD道间距为0.74µm，而CD的道间距为1.6µm）。使用红色激光（DVD激光的波长为0.65µm，而CD的为0.78µm）。•这些改进使DVD的容量比普通光盘提高了7倍，达到4.7GB。单速DVD驱动器的工作速度为1.4MB/S（而CD为150KB/S）。遗憾的是，DVD及使用的红色激光头使得它需要加装上另外一个光源或经过一个怪异的光学转换才能读。现在超市中随处可见的CD和CD-ROM，但这些DVD机并没有提供这个功能。而且在DVD机上也可能读不出CD-R和CD-RW。计算机组成原理光盘的存储格式光道呈平面螺旋状，光道从中心开始旋向外边，只有一条大的螺旋道，共分27~33万个扇区。每个扇区除数据信息外，每个扇区首端还有同步信号和扇区地址，在最后位置上还有校验、纠错信息。光盘恒定线速度每秒75个扇区。Mode1方式（扇区数据容量为2048B）60min:2700002048/1024/1024=527.34MB74min:3300002048/1024/1024=650.39MBMode2方式-----适合音频、视频、图像等误码率要求不高的数据（扇区数据容量为2336B）60min:2700002336/1024/1024=601.50MB74min:3300002336/1024/1024=741.85MB计算机组成原理激光读取原理凹坑和点在螺旋光道上交替排列为不同数据。坑深为激光波长的近似1/4，凹坑代表“1”，无凹痕代表“0”。光盘存