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第八章 外存储器

第八章 外存储器. 8.1 数据磁记录方式和编码技术 8.2 外存储器接口标准 8.3 软盘存储器 8.4 硬盘存储器 8.5 磁带存储器 8.6 光盘存储器. 本章学习目标. 数据磁记录编码技术 EIDE 接口和 SCSI 接口的特点 软盘控制芯片 82077AA 硬盘存储技术的发展 磁带存储器工作原理 光盘存储器工作原理. 8.1 数据磁记录方式和编码技术. 数据磁记录 : 把要记录的 二进制数据 转换成 有规律的脉冲序列 ，脉冲序列在磁头线圈中形成电流使磁头周围产生磁场，磁场使在磁头下运动的磁盘的介质磁化。

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第八章 外存储器

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  1. 第八章 外存储器 8.1 数据磁记录方式和编码技术 8.2 外存储器接口标准 8.3 软盘存储器 8.4 硬盘存储器 8.5 磁带存储器 8.6 光盘存储器

  2. 本章学习目标 • 数据磁记录编码技术 • EIDE接口和SCSI接口的特点 • 软盘控制芯片82077AA • 硬盘存储技术的发展 • 磁带存储器工作原理 • 光盘存储器工作原理

  3. 8.1数据磁记录方式和编码技术 数据磁记录:把要记录的二进制数据转换成有规律的脉冲序列，脉冲序列在磁头线圈中形成电流使磁头周围产生磁场，磁场使在磁头下运动的磁盘的介质磁化。 数据磁记录方式:利用某种规律将二进制数据序列转换成介质磁层相应的磁化翻转的方向。

  4. 8.1 数据磁记录编码技术 磁记录编码：对有用的数据序列和作同步用的时钟序列进行编码，或者对于数据序列的位置重新进行编排，将其变换成记录脉冲序列。 归零制 非编码磁记录 不归零制 FM制 MFM制 编码磁记录 M2FM制 GCR(4/5)制 (d，k)RLL制

  5. 8.1 数据磁记录编码技术 （1）归零制RZ 利用脉冲的有无来表示二进制数据1和0。 当要记录的数据为1时，用正脉冲或负脉冲表示；当要记录的数据为0时，没有脉冲。 数据 1 0 1 1 0 1 记录脉冲 介质磁化状态

  6. 8.1 数据磁记录编码技术 （2）不归零制NRZ ①逢1翻转不归零制NRZ-I 当数据为1时，写电流的方向就翻转一次，介质磁化状态随之翻转一次；当数据为0时，写电流不翻转，磁化状态不变。 数据 1 1 0 0 1 0 1 1 记录脉冲 介质磁化状态

  7. 8.1 数据磁记录编码技术 ②异码翻转不归零制NRZ-C 当相邻数据位不同时，写电流方向才翻转，使介质磁化状态随之发生变化。 数据 1 0 0 1 1 0 0 1 记录脉冲 介质磁化状态

  8. 8.1 数据磁记录编码技术 （3）FM制 在不归零制基础上插入同步脉冲，叠加后的记录序列再按NRZ-I制写入磁介质。 每个位单元的起始位置是时钟位，时钟位始终为1，出现脉冲；每个位单元的中心位置是数据位，当数据为1时出现脉冲，数据为0时无脉冲。 时钟 1 0 0 0 1 0 1 1 数据 FM制编码 位单元

  9. 8.1 数据磁记录编码技术 • （4）MFM制 • 数据位仍在位单元中间，记录数据1或0时按FM制编码规则。 • 仅当相邻两个位单元中的数据位都是0时，才在位单元之间 插入时钟位。 时钟 1 0 0 0 1 0 1 1 数据 MFM制编码 位单元

  10. 8.1 数据磁记录编码技术 • （5）M2FM制 • 数据位仍按MFM制编码规则。 • 当数据序列中连续0的数目大于或等于2时，在头两个0的位 单元之间插入时钟脉冲，以后每隔两个0仅在下一个数据0 的位单元起始位置插入一个时钟脉冲。 时钟 1 0 0 0 1 0 1 1 数据 MFM制编码 位单元

  11. 8.1 数据磁记录编码技术 • （6）GCR(4/5)制 成组编码的原理是把数据序列按几位编成一组，对应每一种组成就有一种记录序列。 GCR(4/5)编码是把数据按4位编成一组，与之对应，再变换成5位的记录序列，每组以及各组记录连接后的序列中不允许出现两个以上的连续0。

  12. 8.1 数据磁记录编码技术 • （7）(d,k)RLL制 RLL(游程长度受限)编码是使记录序列中两个“1”之间“0”的个数受限制，用主要参数d和k来表示其特征： • d表示记录序列中两个“1”之间需要插入“0”的最少个数 • k表示记录序列中两个“1”之间需要插入“0”的最多个数 还有三个参数m、n、r： • m表示编码前的数据序列位数 • n表示编码后记录序列的位数 • r表示m和n的值是否可变

  13. 8.2外存储器接口标准 • ST506/412接口 为低性能5MB和10MB的磁盘驱动器设计 数据传输率5Mb/s • ESDI(Enchanced Small Device Interface)接口 速率可达15Mb/s • EIDE(Enhanced Integrated Drive Electronics)接口 • SCSI(Small Computer System Interface)接口

  14. 8.2.3 EIDE接口 1、IDE接口 • 具有ST506和系统的接口 • 具有ESDI的速率 • 具有类似SCSI接口的智能，能接受高级命令 • 不适合多媒体时代信息容量大、速度快、种类多 的要求

  15. IDE接口的主要信号线 8.2.3 16位数据线DD0～DD15 3位地址线DA0～DA2 2根读/写线DIOR-，DIOW- 2根DMA线DMARQ，DMACK- 1根中断线INTRQ 1根I/O就绪线IORDY 1根16位选择线IOCS16- 2根片选线CS1FX-，CS3FX- 1根从驱动器存在/驱动器工作指示线 DASP- 1根通过诊断/从驱动器失败指示线 PDIAG-

  16. 2、EIDE接口 8.2.3 （1）容量扩大 IDE驱动器的容量由BIOS和IDE接口共同决定，导致容量的限制。 EIDE提供了两种解决方案在CMOS中设置: ①自动配置 使用标准的驱动器参数表（DPT）将IDE驱动器容量信息直接传送给操作系统。 ②自动转换 通过增强的驱动器参数表（EDPT）来实现 BIOS INT 13H EIDE EDPT IDE接口 硬盘驱动器

  17. 2、EIDE接口 8.2.3 （2）速度加快 IDE有PIO和DMA两种数据传输方式 最初，IDE采用处理器控制的PIO方式 随着快速总线的引入，EIDE采用DMA方式 （3）驱动器数量增加 IDE最多连接2个设备 EIDE建议要求BIOS和系统制造商支持基本和第二两组控制器同时使用，使得一个系统中能同时存在4个IDE设备 （4）设备种类增多 通过ATAPI建议支持CD-ROM、磁带机等设备

  18. 8.2.4 SCSI接口 1、SCSI的体系结构 • SCSI接口是系统级接口，是处于主机适配器与智能 控制器之间的并行I/O接口 • SCSI规范中，用3位编址或信号电平来产生ID号 • SCSI总线上的设备分为启动器（Initiator）和目标 器（Targeter） 2、SCSI接口总线 • 由8根数据线、1根奇偶校验线、9根控制和状态线及 地线组成 • 规定单端和差分传送两种电气条件

  19. 3、SCSI的基本操作 8.2.4 SCSI总线的操作分阶段进行，由控制线的各信号线组合来表示8个不同的阶段。 启动或复位 总线 空闲阶段 仲裁 阶段 选择或 重选阶段 信息传送： 命令、数据、状态或消息传送阶段

  20. 4、SCSI的高数据传输率 8.2.4 （1）异步方式 启动器到目标器的传送： • 当目标器准备好时使REQ信号有效 • 主机使ACK信号有效并把数据放到总线上 • 目标器锁存总线上的数据，并使REQ无效 • 启动器查到这种情况使ACK无效 目标器到启动器的传送： • 目标器把数据放在总线上，使REQ有效 • 启动器锁存数据，使ACK有效

  21. 4、SCSI的高数据传输率 8.2.4 （2）同步方式 启动器和目标器协议“窗口化”传送以避免等待联络信号。 • 目标器在每个字节发REQ信号，启动器同步地发送 ACK信号 • 允许两个信号相互超前

  22. 8.3软盘存储器 8.3.1 软盘驱动器 • 盘片定位和驱动器机构 • 磁头和加载机构 • 磁头驱动和定位机构 • 索引信号检测机构 • 写保护和读/写电路

  23. 8.3.2软盘控制器 主机与软盘驱动器之间的接口设备 82077AA芯片 • 可控制4个驱动器 • 能以4种速度传送数据 • 片内有接口信号缓冲以及磁盘驱动接口信号的驱动电路 • 具有磁带驱动控制电路

  24. 8.3.2 1、82077AA结构

  25. 1、82077AA结构 8.3.2 • 先进先出缓冲区 • 接口逻辑 • 片内振荡电路 • 软盘接口的驱动和控制电路 驱动器接口控制电路 输入/输出缓冲区 数据分割电路 串行接口逻辑电路 预补偿电路

  26. 2、82077AA引脚信号 8.3.2

  27. 2、82077AA引脚信号 8.3.2 H

  28. 2、82077AA引脚信号 8.3.2 H

  29. 8.3.3光磁软盘 将光学技术和磁记录技术结合起来 磁记录技术读/写数据，光学技术伺服定位 • 特殊的模压工艺 在记录磁道中间埋入光伺服道 • 工作原理 红外光通过磁头块中间的小孔照到光伺服道上 反射的光信号转换成电信号控制伺服电机

  30. 8.3.4软盘存储技术的进步 1、改进盘片介质、磁头性能和记录方式 采用了高矫顽力的存储介质、MIG磁头或硬盘非接触式磁头、垂直磁记录方式，使位密度可达80KB/英寸，3.5英寸软盘容量从4MB直到50MB 2、充分发挥ECC纠正技术 扩大软盘驱动器中可纠正突发码的位数和允许的个数，并用控制器内置CRC电路保证ECC的正确性

  31. 8.3.4软盘存储技术的进步 3、采用先进的伺服定位技术 扇区伺服、埋入伺服和光伺服技术 4、使用SCSI接口 按SCSI标准设计嵌入式控制器，把与驱动器接口的部分留在驱动器中，把与主机打交道的部分移到适配器中，驱动程序固化在主机适配器的BIOS内，速度快、连接方便、具有通用性

  32. 8.4硬盘存储器 8.4.1 硬盘驱动器 1、基本机构 • 盘片组 • 主轴电机和主轴驱动机构 • 磁头和磁头驱动定位机构 • 读/写电路 • 接口和控制电路

  33. 2、温彻斯特技术 8.4.1 • 磁头、小车、导轨、主轴、盘片等封装在一个腔体 内，称为头盘组件 • 采用质量轻、浮力小的磁头和接触启停工作方式 • 主轴电机上装有缩短摩擦过程的制动机构，在盘片 上涂有一层润滑剂

  34. 8.4.2硬盘控制器 主机与硬盘驱动器之间的接口 • 处理机接口 接受来自处理机的命令、参数及写入数据，并向处理机输出命令结构及读出数据 • 智能控制电路 一般由微处理器、DMA控制器、硬盘专用控制芯片、RAM和ROM组成，统一管理对驱动器的操作 • 驱动器接口

  35. 8.4.3硬盘存储技术的发展 1、温彻斯特技术 采用全密封结构 采用非接触的头、盘结构,能获得极高的数据传输率，提高存储数据的可靠性 2、采用高精度、轻型的磁头驱动和定位系统 3、采用液态轴承马达 以油膜代替滚珠，避免了金属面的摩擦

  36. 4、磁盘和磁头的技术进步 8.4.3 • 采用电镀和溅射工艺制成厚度极薄的高磁性能金属 薄膜硬盘，其金属薄膜媒体具有高记录密度、高制 磁和高矫顽力，并使盘径缩小、驱动器变薄 • 使用窄道宽的磁阻（MR）磁头和巨磁阻（GMR）磁头 容易测出窄道宽磁盘上的读出信号，可以提高面密 度及容量。用于读的磁阻磁头和用于写的磁感应磁 头可以分别优化以得到最好的性能

  37. 5、局部响应最大相似通道技术 8.4.3 • 利用局部响应原理抑制记录位间的干扰，大幅度提高 盘片的记录密度 • 由于磁盘密度增大，磁头在相同时间可读取更多信 号，提高了读取速度 • 运用最大相似原理，通过多点采样，把磁头读取的信 号与标准信号进行对比，得出最匹配的信号再传 送，提高可靠性

  38. 6、具有数据保护功能 8.4.3 • 自监测、分析及报告技术（SMART）根据历史记录及预设安全值对被监测的磁头、磁盘、电机、电路的运行情况进行分析、比较，发现问题可以发生警告、自动降速并把重要数据文件备份到其他安全扇区、硬盘或存储设备 • 新一代硬盘嵌入如Data Lifeguard系统在硬盘闲置时间离线执行错误修复，减少在使用时执行错误修复的必要性，可以改善硬盘的整体性能

  39. 8.4.4磁盘阵列技术 1、磁盘阵列技术（RAID）的优点 • 海量存储 • 高可靠性 • 并行处理 • 便于维护 2、磁盘阵列的冗余结构 • ECC错误检测和校正 • 奇偶校验盘 • 镜像盘

  40. 3、磁盘阵列的容错结构 8.4.4 • RAID-0 数据分拆（Striping），条块交叉存储，高速高性能。 • RAID-1 数据分拆，扇区交叉存储，镜像盘备份。冗余量大，可靠性高。 • RAID-10 2个RAID-0互为镜像构成一个RAID-1。性能最好，代价较高。 • RAID-2 海明码校验，位交叉存储，有冗余。适于大量顺序I/O请求的计算。 • RAID-3 数据分拆，位/字节交叉存储，奇偶盘校验。适于超级计算，大数据量传输。

  41. 3、磁盘阵列的容错结构 8.4.4 • RAID-4 数据分拆，扇区交叉存储，奇偶盘校验。适于事务处理小数据量传输。 • RAID-5 数据位与奇偶位组合分拆，按扇区交叉存储。可靠性高，适于小数据量传输。 • RAID-6 数据分拆，块交叉存储，双盘存放检纠错冗余码。可靠性很高，I/O传输率较高。 • RAID-7 具有智能化实时OS、存储管理软件工具、多I/O通道的非同步访问、奇偶检验盘、磁盘Cache、多重热备份合电源冗余功能的存储计算机，具有很快的速度和很高的性能。

  42. 8.5磁带存储器 1、工作原理 磁带机的磁头固定不动，磁带在磁头下面作恒速运动，磁头在读/写电路作用下对磁带作写入或读出的操作 2、磁带机的分类 • 螺旋扫描读/写磁带机 磁头旋转、螺旋扫描（磁头在磁带上的运动轨迹是螺旋线）、高记录密度等 • 多磁头平行读/写磁带机 磁头固定、多磁头读/写、读/写轨迹与磁带运动方向平行

  43. 8.6光盘存储器 1、光盘存储原理 • 写入 记录信息调制的一定能量的激光束聚焦到光存储介质上直径1μm以下的细微光点，利用激光对光存介质的光效应或热效应，形成凹坑、起泡、相变、色变或偏振态变化的信息点，使其反射率发生变化。根据激光照射前面的两种不同状态以及与此相对应的反射率强弱，记录为“1”和“0”信息 • 读出 用低功率的激光束扫描信息轨道，由光电检测器检测其反射率的变化，经过光电转换解调出存储信息

  44. 2、光盘分类 8.6 • 只读光盘（CD-ROM） 通过光刻技术制成主盘，再在主盘上用喷镀银、电镀镍和镍膜剥离工艺生成副盘，最后用副盘复制出CD-ROM • 一次写入光盘 将聚焦成直径不到1μm的激光束照射到光盘介质上，烧蚀出μm级凹坑形微孔，或产生结晶状态变化，或引起物理变形，这些不可逆的物理化学变化改变了介质的反射率 • 可擦重写光盘 磁光盘 相变光盘

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