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磁盤存儲�
閱讀�21404時間�2011-08-24 11:28:12

  磁盤存儲�是利用磁記錄技�(shù)在涂有磁記錄介質(zhì)的旋�(zhuǎn)圓盤上�(jìn)行數(shù)�(jù)存儲的輔助存儲器。磁盤存儲器不僅容量�,存取速度�,而且可以�(shí)�(xiàn)隨機(jī)存取,是實(shí)�(xiàn)虛擬存儲器所必需的硬�,因此在現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)�,都配置了磁盤存儲�,并以它為主存放文件�

原理

  磁盤是依靠由一個個同心圓組成的磁道上的具有不同磁化方向的磁化元來存儲0�1信息�。對這些磁化元的讀寫是通過一個磁頭來�(jìn)行的。磁頭是由磁性材料制作而成,形狀如同一個矩形環(huán),靠近磁道方向上開有一個小間隙,在磁頭上還分別繞有一組寫線圈和讀線圈。磁頭在對一個磁道�(jìn)行讀寫操作時,磁頭固定不�,而磁道運(yùn)�。如圖所示�

磁盤存儲器磁頭構(gòu)造

  �(jìn)行寫操作時,在寫線圈中通過一定方向的脈沖電流�,磁鐵芯�(nèi)就產(chǎn)生一定方向的磁�,并在磁頭間隙處�(chǎn)生很�(qiáng)的磁�� 在這個磁場作用下,位于磁頭下的磁道上的某個固定單元就被磁化成相應(yīng)極性的磁化�。每個磁化元記錄一位二�(jìn)制位,當(dāng)磁盤相對于磁頭運(yùn)動時,就可以連續(xù)寫入一連串的二�(jìn)制信��

  �(jìn)行讀操作�,經(jīng)過磁頭的磁化元會使磁鐵芯�(nèi)�(chǎn)生磁通的變化,從而使讀線圈中產(chǎn)生一定的感應(yīng)電勢,經(jīng)�(zhuǎn)換變成一定方向的脈沖電流,由此脈沖電流即可判定所讀出的�0還是1�

  傳統(tǒng)的磁盤是將讀和寫操作共用一個磁頭完�,而新一代的硬盤系統(tǒng)則采用了不同的讀寫機(jī)制,它將讀寫操作分別在兩個不同的磁頭上完�,寫�(jī)制與傳統(tǒng)方式相同,而讀�(jī)制則有所不同。讀磁頭是由一個磁阻(magnetoresistive,MR)式感應(yīng)器組�,MR的電阻大小取決于在它下面�(yùn)動的介質(zhì)的磁化方�。讓電流通過MR感應(yīng)�,電阻的變化作為電壓信號被檢測出來,從而檢測出讀出的�0還是1。采用這種新的讀�(jī)�,允許有更高的讀操作頻度,從而使磁盤可以�(dá)到更高的存儲密度和讀操作速度�

�(gòu)�

  磁盤存儲器主要由磁盤片、磁盤驅(qū)動器和磁盤控制器等組�。軟盤是由單個盤片構(gòu)�,而硬盤則由多個盤片構(gòu)�,通常稱為盤片��

  磁盤�(qū)動器由機(jī)械和電器兩大部分組成。硬磁盤中,盤片組固定安裝在一個主軸上,主軸通過傳動帶與一個主電機(jī)相�。硬盤組的每一個盤面上都有一個獨(dú)立的磁頭,磁頭通過磁頭臂連接在一個在固定滑軌上運(yùn)動的小車上,再通過小車與一個定位驅(qū)動裝置相�,如圖所示�

磁盤存儲器的構(gòu)成

  磁盤�(qū)動器的機(jī)械部分一方面�(qū)動盤片組按一定轉(zhuǎn)速繞主軸�(zhuǎn)�,另一方面�(qū)動小車通過磁頭臂帶動磁頭沿徑向�(yùn)動,�(jìn)行磁道的定位。目前磁頭小車的�(qū)動方式采用步�(jìn)電機(jī)或音圈電�(jī)兩種。步�(jìn)電機(jī)靠脈沖信號驅(qū)�,控制簡�,整個驅(qū)動定位系�(tǒng)是開�(huán)控制,因此定位精度較�,一般用于道密度不高的硬磁盤�(qū)動器。而音圈電�(jī)是線性電�(jī),可以直接驅(qū)動磁頭作直線�(yùn)�,驅(qū)動定位系�(tǒng)是一個帶有速度和位置信息反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),驅(qū)動速度�,定位精度高,因此被更多的硬磁盤�(qū)動器所采用�

  磁盤�(qū)動器的電器部分主要是由一些控制電路組�,其功能主要包括主電�(jī)和定位電�(jī)的控�,磁頭的選擇和讀寫控制,磁盤索引的識別和扇區(qū)的定位等�

  磁盤控制器是主機(jī)與磁盤驅(qū)動器之間的接�。磁盤存儲器是高速外存設(shè)�,它與主�(jī)之間采用成組�(shù)�(jù)交換方式。作為主�(jī)與驅(qū)動器之間的控制器,磁盤控制器有兩個方面的接口:一個是與主�(jī)的接�,控制磁盤與主機(jī)之間通過外部總線交換�(shù)�(jù);另一個是與磁盤驅(qū)動器的接�,根�(jù)主機(jī)命令控制磁盤�(qū)動器的操�。另外,磁盤控制器還能完成磁盤與主機(jī)之間的數(shù)�(jù)格式�(zhuǎn)換以及數(shù)�(jù)的編碼和解碼工作�

�(shù)�(jù)�(jié)�(gòu)

  磁盤是以“盤面∣磁道∣扇區(qū)”的方式來�(jìn)行數(shù)�(jù)組織�。磁盤的盤面由一個個同心圓�(huán)組成,每一個圓�(huán)稱為一個磁�。當(dāng)對磁盤�(jìn)行讀寫時,磁頭定位在磁道上,為防止或減少由于磁頭未定位準(zhǔn)確或磁域間的干擾所引起的錯�,相鄰磁道間有一定的間隙。一般來講,一個磁盤面有上千個磁��

  磁道又�(jìn)一步被分割成幾十到上百個等長的圓弧,每一段圓弧稱為一個扇區(qū)。一個扇區(qū)可以存儲若干位信�,它也是磁盤與主�(jī)之間交換信息的基本單位,也就是說,主�(jī)對磁盤的讀寫操作一次至少是一個扇區(qū)。一個扇區(qū)所存儲二�(jìn)制位�(shù)的大小由操作系統(tǒng)對磁盤�(jìn)行格式化時確�,大多數(shù)系統(tǒng)所定義的扇區(qū)的大小為512B�2KB。相鄰扇區(qū)間同樣留有一定的間隙。磁盤的�(shù)�(jù)組織形式如圖所��

磁盤存儲器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

  �(dāng)磁盤�(zhuǎn)動時,內(nèi)圈磁道經(jīng)過磁頭的速率要比外圈�。因�,需要尋找一種方式來�(bǔ)償速率的變�,使磁頭能以同樣的速率讀寫所有的磁道。一種有效的辦法是通過增大信息位的間隙來實(shí)�(xiàn)。這樣以恒定角速度(constant angular,CAV)轉(zhuǎn)動的盤,能使磁頭以相同的速率來掃描所有信息位。上圖就是一種采用CAV技�(shù)的磁盤布局格式,它的好處是,能方便地以磁道號和扇區(qū)號來直接尋址各個數(shù)�(jù)�。為將磁頭從�(dāng)前位置移到指定位置,只需將磁頭徑向移動到指定磁道,然后等待指定扇區(qū)�(zhuǎn)到磁頭下即可。CAV的缺�(diǎn)�,外圈的長磁道上存儲的數(shù)�(jù)位數(shù)與內(nèi)圈的短磁道相�,浪�(fèi)了長磁道的存儲空��

  一個磁道的存儲容量是與磁道的長度(周長)有�(guān)�。在上述CAV方式�,為使所有磁道的容量相同,從外圈磁道到內(nèi)圈磁道的線性密度是逐漸增大的,磁盤的容量也就受到最�(nèi)圈磁道所能達(dá)到的記錄密度的限�。為提高存儲容量,現(xiàn)代磁盤系�(tǒng)使用一種稱為多區(qū)式記錄(multi zone recording,MZR)的技�(shù)。它將磁盤盤面劃分成幾個區(qū)(典型的�16區(qū)),每個區(qū)中的所有磁道的扇區(qū)�(shù)是相同的,從而磁道的容量也是相同�;但不同區(qū)的磁道所擁有的扇區(qū)�(shù)是不同的,從而容量也就不�,越往�(nèi)圈的區(qū),磁道容量越�。當(dāng)磁頭由一個區(qū)移動到另一個區(qū)�,容量的改變會引起磁頭上讀寫時序的變化,也就使磁盤控制電路的控制更為復(fù)�,但這種電路的復(fù)雜所帶來的是磁盤容量的提��

  為使磁頭能對扇區(qū)�(jìn)行準(zhǔn)確定位,磁道上會有一個起始點(diǎn),稱為磁盤索�,同時每個扇區(qū)還有起點(diǎn)和終�(diǎn)的標(biāo)�。磁盤經(jīng)格式化后,相�(guān)控制信息被記錄在磁盤上,并由磁盤�(qū)動器所識別和使��

  磁盤格式化的一個例子如�5-31所�。在此例中,每個磁道包�30個固定長度扇區(qū),每個扇區(qū)�600B,其�512B為有效數(shù)�(jù),剩余的為磁盤控制器使用的控制信�。其中各控制信息的含義如下:

  ·ID� 是的一個標(biāo)識或地址,用于定位具體扇區(qū)�

  ·同步字節(jié) 是一個特殊的位序列,用來定義區(qū)域的起始�(diǎn)�

  ·磁道� 用來�(biāo)識磁盤上的一個磁道�

  ·磁頭� 用來�(biāo)識磁盤組中的一個磁��

  ·扇區(qū)� 用來�(biāo)識磁道上的一個扇區(qū)�

  ·CRC 循環(huán)冗余校驗(yàn)��

技�(shù)指標(biāo)

  磁盤存儲器的主要性能指標(biāo)包括存儲密度、存儲容量和訪問速度等�

  磁盤存儲器的主要性能指標(biāo)包括存儲密度、存儲容量和訪問速度��

  �1)存儲密�

  磁盤表面的存儲密度主要分為道密度和位密度。道密度是指沿磁盤徑向單位長度上的磁道數(shù),單位為�/英寸(TPI)或�/毫米(TPM�。位密度是指磁道單位長度上能記錄的二�(jìn)制代碼位�(shù),單位為�/英寸(BPI)或�/毫米(BPM��

  �2)存儲容�

  一個磁盤存儲器所能存儲的字節(jié)總數(shù),稱為磁盤存儲器的存儲容�。存儲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種特定的記錄格式所能存儲信息的總量,也就是用戶可以真正使用的容�。非格式化容量是磁記錄表面可以利用的磁化單元總數(shù)。將磁盤存儲器用于某計算�(jī)系統(tǒng)�,必須首先�(jìn)行格式化操作,然后才能供用戶記錄信息。從前面的圖5-30可以看出,經(jīng)格式化后的磁盤的每個扇區(qū)�(nèi)部和扇區(qū)之間都留有間隙及控制和校�(yàn)信息,因此,格式化容量比非格式化容量�,一般為非格式化容量�60%�70%�

  在所有磁道容量相同的磁盤存儲器中,格式化容量可以按下述方法計算:

  磁盤存儲器總?cè)萘浚奖P面數(shù)×每面容量

  面容量=磁道�(shù)×每道容量

  道容量=扇區(qū)�(shù)×每扇區(qū)容量

  而非格式化容量則可以按下述方法計算:

  磁盤存儲器總?cè)萘浚奖P面數(shù)×每面容量

  面容量=磁道�(shù)×每道容量

  磁道�(shù)=道密度×徑向有效距離

  道容量=位密度×磁道周�

 ?�?)訪問時�

  磁盤存儲器的訪問時間主要由尋道時�、旋�(zhuǎn)延時和傳送時間三部分組成�

  �(dāng)磁盤�(qū)動器操作時,磁盤主軸電機(jī)帶動盤片以恒定的速度�(zhuǎn)�。為了讀�?qū)?,磁頭必須精確定位在所含數(shù)�(jù)的磁道和扇區(qū)的起始處。磁道選擇包括在可移動磁頭系�(tǒng)中移動磁頭或在固定磁頭系�(tǒng)選擇某個磁�。在可移動磁頭系�(tǒng)�,磁頭定位到該磁道所花的時間稱為尋道時間。無論哪一種磁頭系�(tǒng),一旦磁道選�,磁盤控制器將處于等待狀�(tài),直到相�(guān)扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭可讀寫的位置,這段時間稱為旋轉(zhuǎn)延時。尋道時間和旋轉(zhuǎn)延時的總和稱為存取時間,即定位到讀寫位置的時間。從所訪問的扇區(qū)頭開始,整個扇區(qū)從磁頭下�(jīng)�,即完成了該扇區(qū)的數(shù)�(jù)傳送,這部分時間稱為傳送時��

  尋道時間 由于尋道時間是不確定�,因此一個磁盤存儲器的尋道時間一般取平均尋道時間。平均尋道時間是尋道時間與最小尋道時間的平均�,目前平均尋道時間為10�20ms,一些高速硬盤的平均尋道時間小于10ms�

  旋轉(zhuǎn)延時 每次對一個磁道上某個扇區(qū)的訪�,旋�(zhuǎn)延時也是不同�,因此旋�(zhuǎn)延時也取平均�。平均旋�(zhuǎn)延時和磁盤轉(zhuǎn)速有�(guān),它用磁盤旋�(zhuǎn)一周所需時間的一半來表示。轉(zhuǎn)速為7200�(zhuǎn)/分的磁盤其平均旋�(zhuǎn)時間�4.17ms�

  傳送時� 磁盤的數(shù)�(jù)傳送時�,除了與所傳送的�(shù)�(jù)大小有關(guān)�,主要取決于磁盤的數(shù)�(jù)傳輸�。磁盤存儲器在單位時間內(nèi)向主�(jī)傳送數(shù)�(jù)的字節(jié)�(shù),稱為數(shù)�(jù)傳輸�,數(shù)�(jù)傳輸率與存儲�(shè)備和主機(jī)接口邏輯有關(guān)。從主機(jī)接口邏輯考慮,應(yīng)有足夠快的傳送速度向設(shè)備接�/�(fā)送信�。從存儲�(shè)備考慮,磁盤轉(zhuǎn)速越�,數(shù)�(jù)傳輸率也就越�。假�(shè)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為每秒r�(zhuǎn),每條磁道容量為N個字節(jié),則�(shù)�(jù)傳輸�

  D=rN(字節(jié)/秒)

    �4)數(shù)�(jù)傳輸�

  磁盤存儲器在單位時間�(nèi)向主�(jī)傳送數(shù)�(jù)的字節(jié)�(shù),叫數(shù)�(jù)傳輸�,傳輸率與存儲設(shè)備和主機(jī)接口邏輯有關(guān)。從主機(jī)接口邏輯考慮,應(yīng)有足夠快的傳送速度向設(shè)備接�/�(fā)送信�。從存儲�(shè)備考慮,假�(shè)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為每秒n�(zhuǎn),每條磁道容量為N個字節(jié),則�(shù)�(jù)傳輸率Dr=nN(字節(jié)/�)。也可以寫成Dr=D?v(字節(jié)/�),其中D為位密度,v為磁盤旋�(zhuǎn)的線速度,磁盤存儲器的數(shù)�(jù)傳輸率可�(dá)幾十兆字節(jié)

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