1、第五章磁盤存儲設(shè)備,計算機(jī)的磁存儲設(shè)備主要有軟盤和硬盤，硬盤是目前計算機(jī)上配置的最重要的外部存儲器，是各種計算機(jī)保存程序、數(shù)據(jù)的必不可少的存儲設(shè)備。外部存儲器的作用是長時間保護(hù)或永久保存數(shù)據(jù)。,2,1.寫入數(shù)據(jù)原理： 將二進(jìn)制信息經(jīng)過寫入電路轉(zhuǎn)換成一個個脈沖，并產(chǎn)生電流輸入到線圈中，在磁頭鐵芯中產(chǎn)生磁通，磁通通過縫隙形成閉合的磁場。當(dāng)磁介質(zhì)緊貼磁頭表面作勻速運動時，磁頭縫隙處的磁介質(zhì)被局部磁化。 利用磁化方向的“翻轉(zhuǎn)”與否來記錄數(shù)據(jù)。即當(dāng)電流方向改變時，磁通方向也會改變，從而使介質(zhì)局部記錄了與原來磁場方向相反的磁化狀態(tài)。 如果需要記錄“1”，則改變電流方向，進(jìn)而引起磁化方向的翻轉(zhuǎn)；如果需要記錄

2、“0”，則不需要改變電流方向，無需翻轉(zhuǎn)。,5.1 磁盤存儲器工作原理,5.1.1磁盤存儲器存取二進(jìn)制數(shù)的原理,3,2.讀出數(shù)據(jù)原理： 讀出是寫入的逆過程，可以使原磁化信息還原成數(shù)據(jù)信息。 當(dāng)磁頭與磁介質(zhì)作相對運動時，介質(zhì)與磁頭鐵芯的縫隙相接觸，鐵芯中出現(xiàn)原記錄的磁通，并且在讀出線圈兩端產(chǎn)生感生電動勢，經(jīng)過讀出電路還原為讀出電流，讀出電流的方向、大小正好與原記錄信號相同，從而還原為原記錄的二進(jìn)制信息。,2.磁盤存儲器盤片的組織結(jié)構(gòu),磁盤包含一或多個盤片，每片分兩面，每面又可分成若干條磁道，磁道之間留有必要的空隙。 為簡單起見，在每條磁道上存儲相同數(shù)目的二進(jìn)制位。因而，內(nèi)層磁道的存儲密度（每英寸所

3、存儲的位數(shù)）較外層磁道的密度高。每條磁通又分成若干個扇區(qū)，每個扇區(qū)的大小相當(dāng)于一個盤塊，各扇區(qū)之間保留一定的間隙。 在磁盤存儲數(shù)據(jù)前要格式化磁盤。,盤片組 盤片是磁盤存儲數(shù)據(jù)的載體。 磁盤盤片組一般是由一片或幾片圓形盤片疊加而成，不同容量的磁盤盤片數(shù)是不同的。每個盤片有兩個面，每個面都可以記錄數(shù)據(jù)，為了有效地管理數(shù)據(jù)，提高讀寫數(shù)據(jù)的效率，通常將盤片分成為磁面、磁道、扇區(qū)、柱面和著陸區(qū)。 （1）磁面。按照磁盤面的多少，依次稱為0面、1面、2面等。對應(yīng)于每個面都要有一個讀寫磁頭，稱為0磁頭（head）、1磁頭、2磁頭等。為了能讀寫每個面上的數(shù)據(jù)，硬盤的磁頭數(shù)與盤面數(shù)相同。,（2）磁道。在盤片表面上

4、以盤片圓心為中心，分出不同半徑的同心圓用來存放數(shù)據(jù)，我們稱這樣的圓周為一個磁道（Track）。針對不同的磁道從外向內(nèi)可以編上不同的號，即磁道號。從外道到內(nèi)道為0、1、2、n）,（3）柱面。在硬盤中我們將不同盤片相同半徑的 磁道組成的空心圓柱面稱為柱面（Cylinders）。這 樣硬盤的柱面數(shù)就等于每個面的磁道數(shù)。,（4）扇區(qū)。為了有效的管理硬盤數(shù)據(jù)，將每個磁道劃分成若干段，每段稱為一個扇區(qū)（Sector）。并規(guī)定一個扇區(qū)存放512字節(jié)的數(shù)據(jù)，在硬盤上每個磁道上的扇區(qū)數(shù)相同，,每一扇區(qū)除存放512字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)外，還存放著用于同步、數(shù)據(jù)定位、數(shù)據(jù)校驗等作用的輔助數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)一般只作用于硬盤內(nèi)部

5、。,扇區(qū)的界限標(biāo)志,3.磁盤的分區(qū)結(jié)構(gòu),硬盤上的數(shù)據(jù)按照其不同的特點和作用大致可分為5部分：MBR區(qū)、DBR區(qū)、FAT區(qū)、DIR區(qū)和DATA區(qū)。 1MBR區(qū) 主引導(dǎo)記錄區(qū)MBR（Main Boot Record）位于整個硬盤的0磁道、0柱面、1扇區(qū)上，即硬盤第一個扇區(qū)。在主引導(dǎo)區(qū)內(nèi)主要有兩項內(nèi)容： （1）主引導(dǎo)記錄。主引導(dǎo)記錄是一段程序代碼，其作用主要是對硬盤上安裝的操作系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)。 （2）主引導(dǎo)分區(qū)表。主引導(dǎo)分區(qū)表DPT（Disk Partition Table）是用來存儲硬盤主引導(dǎo)分區(qū)信息的。,在總共512字節(jié)的主引導(dǎo)扇區(qū)中，MBR只占用了地址0到1BDH，共446個字節(jié)，另外的64個字

6、節(jié)用來存放4個硬盤主引導(dǎo)分區(qū)表，每個DPT占用8個字節(jié)，最后2個字節(jié)“55，AA”是分區(qū)的結(jié)束標(biāo)志。 2DBR區(qū) 操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)DBR（Dos Boot Record）通常位于硬盤的0磁道1柱面1扇區(qū)，是操作系統(tǒng)可以直接訪問的第一個扇區(qū)，它包括一個引導(dǎo)程序和一個被稱為BPB（Bios Parameter Block）的分區(qū)參數(shù)記錄表。引導(dǎo)程序的主要任務(wù)是當(dāng)MBR將系統(tǒng)控制權(quán)交給它時，判斷該分區(qū)根目錄前兩個文件是不是操作系統(tǒng)的引導(dǎo)文件。,如果確定存在，就把引導(dǎo)文件讀入內(nèi)存中，并把控制權(quán)交給該文件。BPB參數(shù)塊記錄著本分區(qū)的起始扇區(qū)、結(jié)束扇區(qū)、文件存儲格式、硬盤介質(zhì)描述符、根目錄大小、FAT個

7、數(shù)、分配單元的大小等重要參數(shù)。DBR是由高級格式化程序F等軟件完成的。 3FAT區(qū) 簇。簇是文件或數(shù)據(jù)存儲在硬盤中時所占用的最小單位。蔟大小一般由分區(qū)的格式或分區(qū)的大小決定，一個簇可能包括扇區(qū)數(shù)為4、16、32或64個不等。對一個文件來說，不論該文件大小如何，都至少要占用一個蔟，即使一個很小的文件，它也要占用一個簇，剩余的空間會全部閑置在那里，形成了硬盤空間的浪費。所以蔟的大小將影響著硬盤空間的利用率和性能。,由于在磁盤上會經(jīng)常刪除和添加文件，同一個文件的數(shù)據(jù)并不一定完整地存放在磁盤的一個連續(xù)的區(qū)域內(nèi)，而往往會被分成若干段，但仍會像一條鏈子一樣存放，這種存儲方式稱為文件的鏈?zhǔn)酱鎯Α?為了實現(xiàn)文

8、件的鏈?zhǔn)酱鎯?，硬盤上必須準(zhǔn)確地記錄哪些簇已經(jīng)被文件占用，還必須為每個已經(jīng)占用的簇指明存儲后繼內(nèi)容的下一個簇的簇號，對一個文件的最后一簇，則要指明本簇?zé)o后繼簇，這些都是由FAT表來保存的。 FAT的格式有好幾種，最為常見的是FAT16和FAT32格式。,使用FAT16格式管理硬盤時，每個分區(qū)的最大存儲容量只有2G （6553632 KB） 使用32位的文件分配表來管理硬盤文件，這樣系統(tǒng)就能為文件分配多達(dá)4294967296（即2的32次方）個簇，所以在簇的大小同樣為32KB時，每個分區(qū)容量最大可達(dá)128TB（terabytes：吉字節(jié)）。 4DIR區(qū) 根目錄區(qū)DIR（Directory）緊接在F

9、AT表之后，記錄著根目錄下每個文件目錄的起始單元、文件的屬性等。5DATA區(qū) 數(shù)據(jù)區(qū)DATA是硬盤上真正意義上的存儲數(shù)據(jù)的地方，位于DIR區(qū)之后，占據(jù)硬盤上的大部分?jǐn)?shù)據(jù)空間。,4.磁盤存儲器的格式化容量,磁盤存儲器的格式化容量計算公式為： 格式化容量 = 每面磁道數(shù)每道扇區(qū)數(shù)面數(shù)磁盤片數(shù)512字節(jié),硬盤驅(qū)動器加電正常工作后，利用控制電路中的單片機(jī)初始化模塊完成初始化，此時磁頭置于盤片中心位置。初始化后，主軸電機(jī)將啟動并以高速旋轉(zhuǎn)，裝載磁頭的小車機(jī)構(gòu)移動將浮動磁頭置于盤片表面的 00 道，處于等待命令的啟動狀態(tài)。 當(dāng)接口電路接收到電腦系統(tǒng)傳來的命令信號后通過前置放大控制電路驅(qū)動音圈電機(jī)發(fā)出磁信號

10、。根據(jù)感應(yīng)阻值變化的磁頭正確定位盤片數(shù)據(jù)信息，并將接收后的數(shù)據(jù)信息解碼通過放大控制電路傳輸?shù)浇涌陔娐?，反饋給主機(jī)系統(tǒng)完成命令操作。結(jié)束硬盤操作的斷電狀態(tài)在反力矩彈簧的作用下將浮動磁頭駐留到盤面中心。,5.1.2磁盤存儲器的工作流程,硬盤存儲器簡稱硬盤，是微機(jī)中廣泛使用的外部存儲設(shè)備。 它具有比軟盤大得多的存儲容量和快得多的存取速度。 硬盤的盤片在驅(qū)動器內(nèi)部，不可拿出 硬盤一般都安裝在主機(jī)箱內(nèi)部，用戶無法從外觀上看到。 硬盤的生產(chǎn)過程是在無塵工廠中進(jìn)行的，磁盤和磁頭全部密封在鐵皮盒子中，因此它在出廠之前其容量就已經(jīng)固定了。 由于硬盤密封在金屬盒中，防潮、防霉、防灰塵性能好，如果使用得當(dāng)，硬盤上的

11、數(shù)據(jù)可保存數(shù)年之久。,5.3 硬盤存儲器,5.3.1 硬盤驅(qū)動器的分類,1按盤徑尺寸分類 微硬盤的外觀如圖所示。,3.5英寸硬盤,18,IDE硬盤接口和連接電纜,2按接口類型分類 （1）IDE接口和EIDE接口 IDE（integrated drive electronics，電子集成驅(qū)動器）的本意是指把硬盤控制器與盤體集成在一起的硬盤存儲器。也稱 ATA接口,19,EIDE接口 Enhanced IDE，增強(qiáng)型IDE，EIDE接口已直接把適配電路集成在主板上，并留有專門的IDE連接器插口，因此不必再購買單獨的適配卡。 標(biāo)準(zhǔn)： ATA-2(Fast ATA)，最大傳輸速度可達(dá)到16.7MB/s

12、，支持的硬盤容量可達(dá)8.4GB，兩個插口，可以支持四個設(shè)備。,（2）SCSI接口 SCSI（small computer system interface，小型計算機(jī)系統(tǒng)接口）是一種廣泛應(yīng)用于小型機(jī)上的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù), 并不是專門為硬盤設(shè)計的接口。SCSI接口具有應(yīng)用范圍廣、多任務(wù)、帶寬大、CPU占用率低，以及熱插拔等優(yōu)點，但價格較高，主要應(yīng)用于中、高端服務(wù)器和高檔工作站中。,SATA硬盤外部接口,（3）Serial ATA接口 使用SATA（Serial ATA）口的硬盤又叫串口硬盤，它結(jié)構(gòu)簡單，支持熱插拔，是未來PC機(jī)硬盤的趨勢。,SATA（串行）與IDE（并行）傳輸接口相比，SATA擁

13、有更多的技術(shù)優(yōu)勢。 高數(shù)據(jù)傳輸率 1.0可達(dá)150MB/S，2.0可達(dá)300MB/S，3.0可達(dá)600MB/S 無需復(fù)雜設(shè)置 在并行硬盤的時代主板上的一個IDE接口上同時可以安裝兩個IDE硬盤，這時就必須設(shè)置主/從（Master/Slave）選項。但是SATA接口使用點對點傳輸協(xié)議，也就是說每個通信道都只能單獨安裝一個設(shè)備，并且獨享帶寬，這種工作模式在實際應(yīng)用中更容易被管理。,支持熱拔插功能 數(shù)據(jù)線可以更長 傳統(tǒng)的IDE接口為40針結(jié)構(gòu)，其線纜的長度被限制在了45cm之內(nèi)。而SATA數(shù)據(jù)線采用點對點傳輸，最長距離可以擴(kuò)展到1米以上。,接口注重人性化 IDE接口在連接時用戶必須區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)線安裝時的

14、反正。SATA硬盤則采用了L形接口，根本不存在接反的可能。但SATA接口線纜設(shè)計有先天缺陷，L形的接口不允許用戶多次拔插，否則就會引發(fā)接觸不良的問題。,25,（4）IEEE 1394 Fire Wire,火線，高檔通用串行接口。 特點： 最多連接63個設(shè)備； 傳輸速率是100MB/s， 400MB/s，1.2GB/s； 支持熱插拔； 設(shè)備類型多樣化（硬盤、光驅(qū)、打印機(jī)、掃描儀、 數(shù)碼相機(jī)等）,5.3.2 硬盤驅(qū)動器的結(jié)構(gòu),1硬盤的外部結(jié)構(gòu),IDE硬盤的正面示意圖,（1）電源接口 電源接口與主機(jī)電源相連，作用是為硬盤正常工作提供電力保證。 IDE硬盤的電源接口為4針接口， 而SATA硬盤的電源接

15、口為15針.,（2）數(shù)據(jù)接口 數(shù)據(jù)接口是硬盤數(shù)據(jù)和主板控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換的紐帶 SATA硬盤使用7針端口, 跳線插針：在硬盤電源接口旁有一個8針或9針的跳線，是用來設(shè)置硬盤的主從。主要應(yīng)用于IDE接口硬盤。 固定面板：硬盤的固定面板就是硬盤正面的面板，它與底板結(jié)合成一個密封的整體，保證了硬盤腔體中的盤片、磁頭和其它機(jī)構(gòu)能在絕對無塵的環(huán)境下穩(wěn)定運行。,2硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu),硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu),（1）盤片：盤片是硬盤存儲數(shù)據(jù)的載體，現(xiàn)在的盤片大都采用金屬薄膜磁盤，這種金屬薄膜磁盤具有更高的記錄密度。 硬盤由多個盤片組成，單片分別有0面和1面；盤片上的每一個同心圓為一個磁道，最外面為0道；每一個磁道又

16、分為多個扇區(qū)，每個扇區(qū)都是512字節(jié)；每個盤片的相同磁道形成柱面。,2硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu),2硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu),（2）磁頭：磁頭是硬盤中對盤片進(jìn)行讀寫工作的工具，是硬盤中最精密的部位之一。硬盤在工作時，磁頭通過感應(yīng)旋轉(zhuǎn)的盤片上磁場的變化來讀取數(shù)據(jù)；通過改變盤片上的磁場來寫入數(shù)據(jù)。最初磁頭是讀寫功能一起的，這對磁頭的制造工藝、技術(shù)都要求很高，而對于個人電腦來說，在與硬盤交換數(shù)據(jù)的過程中，讀取數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于寫入數(shù)據(jù)，讀、寫操作二者的特性也完全不同，這也就導(dǎo)致了讀、寫分離的磁頭，二者分別工作、各不干擾。,（3）伺服控制電機(jī) 伺服控制電機(jī)是用來驅(qū)動主軸帶動盤片在磁頭下面高速旋轉(zhuǎn)，盤片高速運轉(zhuǎn)時帶動周圍的氣體產(chǎn)生

17、浮力使磁頭懸浮在盤片上方進(jìn)行工作。,（4）磁頭組件及磁頭驅(qū)動機(jī)構(gòu)： 磁頭組件是硬盤中最精密的部位之一，它由讀寫磁頭、傳動手臂、傳動軸三部份組成。磁頭是硬盤技術(shù)中最重要和關(guān)鍵的一環(huán)，它采用了非接觸式頭、盤結(jié)構(gòu)，加后電在高速旋轉(zhuǎn)的磁盤表面移動，與盤片之間的間隙只有0.10.3um，這樣可以獲得很好的數(shù)據(jù)傳輸率。,（5）控制電路板 硬盤的控制電路位于硬盤背面，它包括主軸調(diào)速電路、磁頭驅(qū)動與伺服定位電路、讀寫電路、控制與接口電路等。,5.3.3 硬盤驅(qū)動器的參數(shù)與主要性能指標(biāo),1.硬盤主要參數(shù) （1）磁頭數(shù) （2）柱面數(shù) （3）每磁道扇區(qū)數(shù) （4）交叉因子 （5）容量,5.3.3 硬盤驅(qū)動器的參數(shù)與主

18、要性能指標(biāo),2.硬盤的性能指標(biāo) （1）容量: 磁盤容量指其所能存儲的字節(jié)的總量。以GB為單位。 硬盤的容量一般表示為： 面數(shù)每面磁道數(shù)每磁道扇區(qū)數(shù)每扇區(qū)字節(jié)數(shù)（512Byte） 盤片數(shù) （2）轉(zhuǎn)速: 指硬盤內(nèi)部電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，它在很大程度上決定了硬盤的速度，同時也是區(qū)別硬盤檔次的重要標(biāo)志。轉(zhuǎn)速越快，硬盤性能越好。目前硬盤的轉(zhuǎn)速有5400、5600、6400、7200、10000、甚至15000轉(zhuǎn)/分鐘。 （3）平均搜索時間 是硬盤在收到索取數(shù)據(jù)的要求后，從硬盤中找到數(shù)據(jù)所在位置所需要的時間，數(shù)字越低性能越好。 （4）緩沖區(qū)的大小: 緩存指的是硬盤上用來當(dāng)作外部通道讀取數(shù)據(jù)時的緩沖區(qū)。目前，硬

19、盤的緩存已經(jīng)在MB級上。緩沖區(qū)的基本作用是平衡內(nèi)部與外部的DTR。為了減少主機(jī)的等待時間，硬盤會將讀取的資料先存入緩沖區(qū)，等全部讀完或緩沖區(qū)填滿后再以接口速率快速向主機(jī)發(fā)送。 （5）接口標(biāo)準(zhǔn),5.3.3 硬盤驅(qū)動器的參數(shù)與主要性能指標(biāo),（6）磁頭與單碟容量 磁頭是硬盤對盤片進(jìn)行讀寫的工具，磁頭技術(shù)的改進(jìn)可以更進(jìn)一步提高單碟容量。單碟容量的提高可以提高硬盤總?cè)萘?、降低平均尋道時間，從而降低成本、提高性能。 （7）平均潛伏期 平均潛伏期是指當(dāng)磁頭移動到數(shù)據(jù)所在的磁道后，等待所要的數(shù)據(jù)繼續(xù)轉(zhuǎn)動到磁頭下的時間，單位為毫秒ms （8）道對道訪問時間 磁頭從一個磁道轉(zhuǎn)移到另一磁道的時間，單位ms,5.3.

20、3 硬盤驅(qū)動器的參數(shù)與主要性能指標(biāo),（9）全程訪問時間（max full seek） 磁頭開始移動到最后找到所需要的數(shù)據(jù)塊所用的全部時間，單位ms （10）數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)： 現(xiàn)在所有的硬盤都有自監(jiān)測、分析、報告技術(shù)。 （11）數(shù)據(jù)傳輸率（DTR）: 硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率分為內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率和外部數(shù)據(jù)傳輸率。 內(nèi)部DTR是指磁頭與硬盤緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸率，一般取決于硬盤的盤片轉(zhuǎn)速和盤片數(shù)據(jù)線密度。外部DTR是微機(jī)通過數(shù)據(jù)總線從硬盤內(nèi)部緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)的最高速率，它與接口類型和緩存大小有關(guān)。,5.3.4硬盤的三種工作模式 1.Normal模式(普通模式) BOIS和IDE對硬盤參數(shù)不作任何轉(zhuǎn)換,支持最大柱面數(shù)為1024,最大磁頭數(shù)為16,最大扇區(qū)數(shù)為63,每個扇區(qū)的字節(jié)數(shù)為512,支持的最大硬盤容量為: 512*63*16*1024=528MB 2.LBA(邏輯塊尋址模式) Logic Block Addressing, 由IDE控制器把柱面,磁頭,扇區(qū)等參數(shù)確定的邏輯地址轉(zhuǎn)換為實際的硬盤的物理地址. 支持的硬盤容量為: 528MB136.9G