1、計算機(jī)學(xué)院(許先斌)、計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)本科生課程教學(xué)、計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)，本課程主要講述計算機(jī)系統(tǒng)的硬件與軟件組成方法，包括硬件系統(tǒng)中的計算機(jī)、控制器、存儲器、輸入設(shè)備與輸出設(shè)備與總線系統(tǒng)的組成原理等計算機(jī)科學(xué)和技術(shù)系的專業(yè)核心課程。 本課程著重于計算機(jī)系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)教學(xué)與研究。 計算機(jī)結(jié)構(gòu)被定義為系統(tǒng)程序員可以看到的計算機(jī)硬件的特性。計算機(jī)結(jié)構(gòu)是計算機(jī)硬件的具體實(shí)現(xiàn)。 第八章輔助存儲器、輔助存儲器的種類和技術(shù)指標(biāo)磁記錄原理和記錄方式硬盤存儲器磁帶存儲器光盤存儲器、8.1輔助存儲器的種類和技術(shù)指標(biāo)，一、輔助存儲器的種類目前市面上銷售的輔助存儲器主要有磁表面存儲器和光存儲器兩種。 磁表面存儲器在

2、盤(或磁帶)的基體上堆積磁性材料形成記錄介質(zhì)，并通過卷繞線圈的磁頭和記錄介質(zhì)之間的相對移動來寫入或讀取信息。 現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)使用的磁表面存儲器有數(shù)字磁記錄和模擬磁記錄兩種。 數(shù)字磁記錄主要是硬盤、軟盤和磁帶。 8.1輔助存儲器的種類和技術(shù)指標(biāo)，光盤是利用光學(xué)原理讀寫信息的存儲器。 典型特征是容量大、速度快、密度高、介質(zhì)壽命長、不易受干擾、可進(jìn)行非接觸讀和高速隨機(jī)訪問。8.1輔助存儲器的種類和技術(shù)指標(biāo)、只讀光盤只讀光盤(Read Only ) :光盤是制造商事先寫入數(shù)據(jù)或程序，出廠后用戶只能讀取，不能寫入和修改。 只寫入一次光盤(Write Once Only ) :用戶可以寫入信息，但只能寫入

3、一次。 寫入后不能修改。 可多次讀取。 相當(dāng)于PROM。 盤上留有空閑區(qū)域，能夠?qū)⑦M(jìn)行修正和改寫的數(shù)據(jù)追加到空閑區(qū)域。 可寫入母盤母盤可寫入光盤：利用磁光效應(yīng)訪問信息，采用特殊磁性薄膜作為記錄介質(zhì)，用激光束記錄、再現(xiàn)、刪除信息，也稱為磁光盤，類似磁盤，反復(fù)讀寫8.1輔助內(nèi)存的種類和技術(shù)指標(biāo)，二、輔助內(nèi)存的技術(shù)指標(biāo)輔助內(nèi)存的主要技術(shù)指標(biāo)是內(nèi)存密度、內(nèi)存容量、尋址時間等。 1 .存儲密度存儲密度是存儲在每單位長度或每單位面積的磁性層表面上的二進(jìn)制信息量。 關(guān)于磁盤存儲器，可以用軌道密度和位密度來表示，關(guān)于磁帶存儲器，可以主要用位密度來表示。 磁道是存儲在介質(zhì)表面的信息的磁化軌跡，磁盤和磁帶的磁化軌

4、跡不同。 8.1輔助存儲器的類型和技術(shù)指標(biāo)是磁道在磁盤表面上的許多同心圓，因?yàn)橄鄬τ诖疟P存儲器，磁盤旋轉(zhuǎn)，磁頭能夠處于不同的半徑上。 在由多張盤構(gòu)成的盤組中，將由處于同一半徑的軌道構(gòu)成的圓柱面稱為圓柱面。 光盤半徑方向的每單位長度的軌道數(shù)稱為軌道密度。 軌跡密度單位為“每英寸軌跡”(TPI )或“毫米軌跡”(Mimi )。 軌道具有一定的寬度，稱為軌道寬度。 取決于打印頭的動作間隙長度和打印頭定位精度等因素。 為了避免干擾，軌道和軌道之間必須保持一定的距離，并且兩個相鄰軌道的中心線之間的距離稱為軌道距離。 能夠記錄在每單位長度的軌道上的二進(jìn)制信息的位數(shù)稱為位密度或線密度。 單位為位英寸BPI

5、(每英寸位)或位毫米bpm。 在磁帶的情況下，其磁道是沿著磁帶的長度方向的直線，記憶密度主要以位密度進(jìn)行測量。 例如，常用磁帶的記錄密度為800bpi、1600bpi、6250bpi等各種各樣。 8.1輔助存儲器的種類和技術(shù)指標(biāo)，2，存儲容量存儲容量是指磁表面存儲器能夠存儲的二進(jìn)制信息的總量。 通常以字節(jié)為單位。 磁盤存儲有兩個指標(biāo)：格式化容量和非格式化容量。格式化容量是可以以特定記錄格式保存的信息的總量，即用戶實(shí)際可用的容量。 非格式化容量是可在磁記錄表面上利用的磁化單元的總數(shù)。 要在計算機(jī)系統(tǒng)中使用磁盤存儲，必須先進(jìn)行格式化操作，然后用戶才能記錄信息。 格式容量一般約為非格式容量的6070

6、。 8.1輔助存儲器的種類和技術(shù)指標(biāo)，3，尋址時間盤存儲器采用直接存取方式，尋址時間包括兩個部分：一個是磁頭尋找目標(biāo)磁道所需的跟蹤時間ts 2，在找到磁道后，需要磁頭的讀寫段保持原樣由于相鄰軌道的搜索和從最外部軌道到最內(nèi)部軌道的搜索所需的時間不同，所以頭等待不同的段所需的時間也不同，所以取它們的平均值，由平均搜索時間tsa和平均等待時間twa構(gòu)成：8.1輔助存儲器的種類和技術(shù)指標(biāo)，平均地址時間為盤存儲器硬盤存儲器比軟盤存儲器的平均地址時間短。 磁帶存儲器采用順序存取方式，不需要尋找磁道，但需要考慮磁頭尋找記錄區(qū)域的等待時間，實(shí)際上磁頭不動，磁帶不移動，所以所謂地址時間是指磁帶空轉(zhuǎn)到應(yīng)該存取記錄

7、區(qū)域的位置的時間， 8.1輔助存儲器的種類和技術(shù)指標(biāo)，4，數(shù)據(jù)傳輸率磁表面存儲器在單位時間內(nèi)與主機(jī)之間傳送的數(shù)據(jù)的位數(shù)或字節(jié)數(shù)稱為數(shù)據(jù)傳輸率Dr。 為了避免主機(jī)和磁性表面存儲器之間的傳輸信息丟失，傳輸速率與存儲設(shè)備和主機(jī)接口邏輯都有關(guān)。 從裝置側(cè)觀察的傳送速率等于記錄密度d與記錄介質(zhì)的移動速度v的乘積。 必須以足夠快的傳輸速度從主機(jī)接口邏輯接收發(fā)送的消息，以確保主機(jī)與輔助存儲之間的傳輸正確。 8.1輔助存儲器的種類和技術(shù)指標(biāo)，5，誤碼率是測量磁表面存儲器誤碼率的殘奧儀表。 這等于從子存儲器讀取時的錯誤消息位數(shù)與讀取的總消息位數(shù)的比。 6 .價格通常以位價比較各種內(nèi)存。 位價格是設(shè)備價格除以容量

8、，在所有存儲設(shè)備中，磁表面存儲器和光盤存儲器的位價格較低。 8.1輔助存儲器的種類和技術(shù)指標(biāo)，8.2磁記錄原理和記錄方式，而磁記錄原理磁表面存儲器通過磁頭和記錄介質(zhì)的相對運(yùn)動完成寫入和讀出。 所謂“磁性表面”，是指在載體上涂層薄磁性材料，讀取信息的是磁頭，磁頭以強(qiáng)磁性材料為磁芯，在其上卷繞讀寫線圈。 動作時，磁頭位于靠近磁表面的上方，載體相對于磁頭進(jìn)行等速運(yùn)動，在磁頭上開有狹窄的間隙。 如圖8.1所示。8.2磁記錄原理和記錄方式、圖8.1讀寫原理、8.2磁記錄原理和記錄方式、寫入原理：寫入1和0時分別在讀寫線圈中流過不同方向的電流，磁頭相對于磁性層移動時在磁性層的表面留下不同方向的磁化手段，

9、分別表示“1”的讀出原理：當(dāng)磁頭相對于磁性層運(yùn)動時，磁性層表面不同方式的磁化單元在讀寫線圈中感應(yīng)出不同方式的感應(yīng)電動勢，分別標(biāo)記為“1”和“0”。 感應(yīng)電動勢的大小與線圈匝數(shù)n、運(yùn)動的相對速度v、磁通變化率成正比：8.2磁記錄原理稱為記錄方式，環(huán)形磁頭邊緣磁場的水平成分向介質(zhì)寫入信息的方式稱為縱磁記錄或水平磁記錄。 另外，如圖8.2所示，也有提高了存儲密度的垂直磁記錄方式。 8.2磁記錄原理和記錄方式，二、磁記錄介質(zhì)和磁頭1，磁記錄介質(zhì)的磁記錄介質(zhì)是指涂敷薄層磁性材料的信息載體。 也稱為磁記錄介質(zhì)。 根據(jù)記錄媒體的基礎(chǔ)，主要有軟媒體(磁帶和軟盤片)和硬媒體(硬盤片)兩種。 磁性材料也有粒子材料

10、和連續(xù)材料兩種。、8.2磁記錄原理和記錄方式，最常用的磁性材料是-Fe2O3針狀粒子材料，稱為磁粉，用涂布工藝涂布在基體上，形成記錄介質(zhì)。 根據(jù)涂布工藝的不同，(1)平涂工藝分為使用涂布機(jī)在帶上涂布磁性漿料2種。 (2)鑄塑工序也稱為離心涂層，該工序既可以在鋁合金盤基板上制造硬盤，也可以在軟片基板上制造軟盤。 2 .感應(yīng)磁頭是實(shí)現(xiàn)電一磁轉(zhuǎn)換的裝置。 在有縫隙的環(huán)狀導(dǎo)磁體上纏繞線圈構(gòu)成磁頭。 在圖81中看到的磁頭的導(dǎo)磁性體以對開環(huán)對接，存在前后2個間隙。8.2磁記錄原理和記錄方式、磁頭的環(huán)狀導(dǎo)磁性材料要求導(dǎo)磁率高、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大、矯頑力小，因此磁頭通常由軟磁性材料制成。 常用的軟磁性材料有金屬

11、軟磁性材料兩種。 另一種是鐵氧體材料。 磁頭的形式很多。 從動作方式來看，可以分為接觸式磁頭和浮動式磁頭兩種。 8.2磁記錄原理和記錄方式，3、MR磁頭可以利用磁阻效應(yīng)(magneto resistive，簡稱MR )磁頭在高密度記錄下讀取信號。 MR磁頭是只讀磁頭，雖然不能進(jìn)行寫入動作，但由于具有高輸出靈敏度和光盤轉(zhuǎn)速無關(guān)的輸出特性，因此需要與專用的寫入磁頭組合使用。8.2磁記錄原理和記錄方式、三、磁記錄方式磁記錄方式是編碼方式，指根據(jù)一定規(guī)則將一系列二進(jìn)制數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為存儲介質(zhì)磁性層的對應(yīng)磁化反轉(zhuǎn)形式，并通過讀寫控制電路實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換規(guī)則。 采用高效可靠的記錄方式是提高記錄密度的有效手段之一。

12、 下圖顯示了一些通用的磁記錄方式的寫入電流波形，也是記錄在磁性層上的對應(yīng)位置的理想的磁化狀態(tài)或磁化強(qiáng)度。8.2磁記錄原理和記錄方式、8.2磁記錄原理和記錄方式、(1)歸零制(RZ)Return to Zero正脈沖電流為“1”、負(fù)脈沖電流為“0”； 即使記錄“0”或“1”，在記錄下一個信息之前，也容易將記錄電流轉(zhuǎn)為零電流，記錄密度低，難以改寫磁性層上的記錄，一般先去磁后寫入。 (2)歸零制(NRZ)NonReturn to Zero Change磁頭線圈始終相對于連續(xù)記錄的“1”和“0”有電流，寫入電流的方向不變。 沒有自我同步功能。8.2磁記錄原理和記錄方式；(3)看“1”時不反轉(zhuǎn)的歸零制(

13、nrz1) nonreturntozerochangeonone磁頭線圈始終有電流流過。 記錄“1”時，電流改變方向，寫“0”的電流不變。 沒有自同步能力，需要引用外部同步信號(4)的調(diào)制(PM: Phase Mudulation )也被稱為相位編碼記錄數(shù)據(jù)“0”的情況下，具有磁化反轉(zhuǎn)的方向從負(fù)向正變化，記錄數(shù)據(jù)“1”時從正向負(fù)變化為“0”的自同步能力在頻率調(diào)制方式(FM)Frequency Modulation記錄“1”的情況下，不僅在位周期的中心發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)，在位與位的邊界也反轉(zhuǎn)1次。 在記錄“0”的情況下，位周期的中心不發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)，但在位與位的邊界反轉(zhuǎn)1次。 有自同步功能。 (6)改善

14、調(diào)頻(mfm ) modifiedfrequencymodulation的記錄數(shù)據(jù)“1”時比特周期的中心磁化反轉(zhuǎn)1次，記錄數(shù)據(jù)“0”時不反轉(zhuǎn)。 如果兩個或多個“0”是連續(xù)的，則在比特周期的起始位置反轉(zhuǎn)一次，而不是在每個比特周期的起始位置反轉(zhuǎn)一次。 有自同步功能。8.2磁記錄原理和記錄方式，數(shù)據(jù)讀取時，記錄介質(zhì)在磁頭下等速運(yùn)動時，磁性層的磁化變化，磁頭的讀出線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓，不同記錄方式的磁化和讀出信號波形為，8.2磁記錄原理和記錄方式，8.2磁記錄原理和記錄方式1個記錄方式自同步能力自同步能力是指難以從從單一磁道讀出的脈沖序列中提取同步時鐘脈沖。 自同步能力的大小可以用最小磁化反轉(zhuǎn)間隔和最大磁

15、化反轉(zhuǎn)間隔的比尺測量。 比r越大，自同步能力越強(qiáng)。8.2磁記錄原理和記錄方式，例如NRZ和NRZ1制記錄方式中，如果連續(xù)記錄“1”，則NRZ制記錄方式的磁性層不發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)，如果連續(xù)記錄“0”，則NRZ和NRZ1制記錄方式的磁性層不發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)，因此沒有自同步能力的PM、FM、MFM記錄FM記錄方式的最大磁化反轉(zhuǎn)間隔為位周期t，其最小磁化反轉(zhuǎn)間隔為T2，因此為RFM05。 8.2磁記錄原理與記錄方式、編碼效率編碼效率是比特密度與最大磁化反轉(zhuǎn)密度之比：編碼效率的高低是指每當(dāng)磁性層的狀態(tài)反轉(zhuǎn)時存儲的數(shù)據(jù)信息比特的多寡。 8.2磁記錄原理和記錄方式，【例如】以FM、PM記錄方式記錄的1位數(shù)字信息的最

16、大磁化反轉(zhuǎn)次數(shù)為2，因此編碼效率為50。 另一方面，MFM、NRZ、NRZ1這3個記錄方式的編碼效率為100，因?yàn)橛涗?位數(shù)字信息的磁化反轉(zhuǎn)最多為1次。 以8.2磁記錄原理和記錄方式、調(diào)頻方式(FM )為例，介紹了記錄方式的實(shí)現(xiàn)過程。 8.2磁記錄原理和記錄方式，電路實(shí)現(xiàn)的過程是8.2磁記錄原理和記錄方式，8.2磁記錄原理和記錄方式，8.3硬盤存儲器，另一方面，回顧歷史，世界上第一個計算機(jī)硬盤存儲系統(tǒng)，1956年，IBM這個人然而，從今天的角度來看，這個第一個硬盤系統(tǒng)可能有點(diǎn)奇怪，因?yàn)樗?0個直徑為24英寸的磁粉涂層圓盤，以及電機(jī)、磁頭和控制系統(tǒng)。 通過使用磁頭改變或判斷盤上的各扇區(qū)中的磁

17、場的方向(逆方向?yàn)?或1 )，能夠向盤上寫入或讀出數(shù)據(jù)。 磁盤上由環(huán)繞一周的軌道構(gòu)成，各軌道被分割為多個扇區(qū)，磁頭能夠從各扇區(qū)讀寫512kb的數(shù)據(jù)。 也就是說，這個巨大的系統(tǒng)，當(dāng)時只能保存5兆的數(shù)據(jù)。 8.3硬盤存儲器，從微觀上來看，盤上的磁性涂層是多層的，由體積極小的磁性粒子組成，多個磁性粒子構(gòu)成一個記錄單元而記錄1位的信息，即0或1。 這些微小的磁性粒子的極性可以由磁頭快速地改變，一旦改變之后可以相對穩(wěn)定地保持，并且在磁記錄單元之間的磁通或磁阻的變化分別表示二進(jìn)制方法中的0或1。 最初的磁頭是由錳鐵磁性體構(gòu)成，通過電磁感應(yīng)讀寫數(shù)據(jù)。 但是，使用這種磁頭讀取數(shù)據(jù)要求磁場強(qiáng)度，磁道密度不太大，所以以往使用磁頭的硬盤的最大容量每平方英寸只能達(dá)到20兆。 直到20世紀(jì)80年代末，IBM成功研制了磁阻(Mr )磁頭技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了飛躍：磁阻磁芯是金屬材料，其電阻隨磁場的變化而變化。 該磁頭采用分裂設(shè)計，采用感應(yīng)式磁頭燈、磁阻磁頭引線，使硬盤的磁道密度從每平方英寸3G