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單元八

單元八. 磁碟與磁碟機. 單元八磁碟與磁碟機. 8-1 前言 8-2 磁碟的分類 8-3 磁碟的格式與記憶容量 8-4 磁碟的格式 8-5 資料的組織方法 8-6 磁碟控制器 8-7 錯誤發生的種類 8-8 硬式磁碟機 8-9 軟式磁碟機 8-10 ZlP 磁碟機. 8-1 前言. 磁帶→錄音帶，磁碟→唱片或 CD 唱片了。 磁帶 以循序處理的方式寫入或讀出資料 速度較慢， 只能利用快速前進或後退的動作方式，跳過不必要的位置，直接到達資料的存放位置，進行寫入或讀取的動作。. 8-2 磁碟的分類.

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  1. 單元八 磁碟與磁碟機

  2. 單元八磁碟與磁碟機 • 8-1 前言 • 8-2 磁碟的分類 • 8-3 磁碟的格式與記憶容量 • 8-4 磁碟的格式 • 8-5 資料的組織方法 • 8-6 磁碟控制器 • 8-7 錯誤發生的種類 • 8-8 硬式磁碟機 • 8-9 軟式磁碟機 • 8-10 ZlP磁碟機

  3. 8-1 前言 • 磁帶→錄音帶，磁碟→唱片或CD唱片了。 • 磁帶 • 以循序處理的方式寫入或讀出資料 • 速度較慢， • 只能利用快速前進或後退的動作方式，跳過不必要的位置，直接到達資料的存放位置，進行寫入或讀取的動作。

  4. 8-2 磁碟的分類 • 磁碟(magnetic disk) • 高容量。可快速存取的一種磁性媒體裝置， • 輔助記憶體，儲存資料或程式。 • 可解除電腦對電源的依賴性。 • 利用電磁感應原理來進行數位式資料的讀寫工作 • 讀寫用磁頭與磁碟間並沒有接觸，兩者間有幾十微米的閒隙。 • 磁碟依其直徑大小可分為3 1/2吋、5 1/4吋、8吋、12吋、14吋等

  5. 8-2 磁碟的分類 • 依材料性質不同可分為 • 軟式磁碟(floppy disk) • 硬式磁碟(hard disk)。 • 依其儲存容量刑有360kB、l.2MB、1.44MB 、 20MB、…數十GB等多種。 • 硬式磁碟的記憶容量。則大大於軟式磁碟。目前以3.5吋為主流。在筆記型電腦則使用2 1/2吋。

  6. 8-2 磁碟的分類 • 硬式磁碟 • 在一片硬質的圓形鋁板或塑膠圓板上，鍍上一層極薄的磁性金屬氧化物，一般為氧化鐵類的磁性材料 • 直徑在2 1/2吋到14吋之間， • 將數片磁碟固定於一同心軸上，加大其容量。稱為磁碟組。有兩片式、四片式、十二片式等，視其儲存容量需要而定。 • 在某些電腦系統中，硬碟容量高達數百GB，一般都固定裝在磁碟機上，稱之為固定磁碟組;有些磁碟組可視需要隨時更換，稱為可動式磁碟組。 • 將磁碟劃分成數十個到數百個同心圓軌，每一圓軌就稱寫一個磁軌(track) • 再將每一磁軌劃分成數個磁區(sector)，磁區就是儲存資料的最小單位。

  7. 8-2 磁碟的分類 • 軟式磁碟(floppy disk) • 將磁性材料微粒塗布在薄的塑膠圓片上。 • 磁片本身較軟。因此稱之為軟式磁碟。 • 軟式磁碟一般置於硬式封套中加以保護。封套有紙質和塑膠質兩種。 • 在磁碟片與封套中有一軟質裏襯，可避免磁碟片和封套間的摩擦。 • 目前軟式磁碟的直徑為3 1/2吋。 • 將讀寫孔封閉，在置入磁碟機後再行開啟。可避免不小心所引起的破壞。 • 其封套為硬質，可避免因彎曲所造成的損壞。 • 3 1/2吋的尺寸雖然較為迷你，但其容量卻在0.5M位元組到2M位元組之間。

  8. 8-3 磁碟的格式與記憶容量 • 對磁碟作格式化(format)、複製(copy)、資料讀/寫、磁碟空間管理…等數方面的控制。 • 磁碟作業系統(disk-operation system，簡稱DOS) ， • 檔案管理系統(file-management system，簡稱FMS)， • 在不同的磁碟作業系統中，磁碟的格式並不相同，因此無法直接變換使用。 • 早期的Apple II電腦使用軟式磁碟來儲存資料，其作業系統稱為DOS3.3。 • 使用51/4吋磁片，單面使用，將磁片劃分為35磁軌，每一磁軌(track)再劃分為16個磁區(sector)，每一磁區可儲存256bytes(位元組)的資料。因此，每張磁碟的記憶容量為: • 1磁區=256bytes • 1磁軌=16磁區=256bytes×16 =4096bytes =4Kbytes • 1磁碟=35磁軌=4096bytes×35 =14OKbytes

  9. 8-3 磁碟的格式與記憶容量 • 目前的微電腦IBM-PC則是使用3 1/2吋高密度磁片，是雙面 • 1磁區=512bytes • 1磁軌=18磁區=512bytes×18=9Kbytes • 1面=80磁軌=9Kx80=72OKbytes • 1磁碟=2面=72Ok×2 =1440Kbytes=1.44MB

  10. 8-3 磁碟的格式與記憶容量 • 硬式磁碟的容量 • 必須將每一磁碟的兩面均加以格式化之後，才能讀寫資料 • 硬式磁碟可由多片磁碟組成。 • 記憶容量=磁碟面數×每一面的磁軌數×每一軌的磁區數×每一磁區的位元組數 • 基本上，軟碟與硬碟儲存的基本單位為磁區(Sector)，但在記憶裝置加大之後，改用叢集(Cluster)做為儲存的實用單位 • 檔案配置表(File Allocation Table，簡稱FAT ) • 12位元的FATl2。最大記憶容量只有5OMB左右 • 16元的FATl6。在FATl6格式中，每一叢集(Cluster)為32KB，最多可用65535個叢集，最大容量為32kb×65535=2097120KB=2GB。 • Windows 95 OSR2 之後改用FAT32。最大容量高達2TB(lTB=1024GB) • Windows NT則使用NTFS 格式，以64位元定址。最高可達到16EB264

  11. 8-3 磁碟的格式與記憶容量 • 磁柱(cylinder) • 硬碟中將同一半徑的所有磁軌的集合稱之為磁柱 • 儲存時先存在第0磁碟面的第n個磁軌，存滿時接著存到第1磁碟面的第n個磁軌，第2面的第n個磁軌，最後再從第0面的n十1磁軌續存

  12. 8-3 磁碟的格式與記憶容量 • 磁碟的儲存容量 • 與磁碟作業系統和所用磁碟機有關， • 影響儲存容量的因素有三: • 所用磁面數; • 每一磁軌的儲存密度: • 磁軌數 • 單面或雙面磁片 • 最早推出的磁碟片只能單面儲存資料，稱之為單面磁碟片。 • 一般以SS (single，side)或1S稱之， • 可雙面讀/寫者稱為雙面磁碟 DS (double side)或2S。

  13. 8-3 磁碟的格式與記憶容量 • 記錄密度(recording density) • 指磁碟最內圈磁碟的每1吋圓弧所能記錄的位元數， • 單位為bpi (bit per inch) • 單密度磁碟的最內圈磁碟每吋可儲存2768位元;雙密度則為5876位元。 • 磁軌數 • 磁軌數與所用磁碟機有關， • 一般使用40軌/面的磁碟機，在高容量的磁碟作業系統，則可使用80軌2面的磁碟機，如IBM-PC AT即使用這類磁碟機。

  14. 8-3 磁碟的格式與記憶容量

  15. 8-4 磁碟的格式 • 格式化(format) • 將磁碟劃分成許多同心圓，並將每一磁軌再劃分為數個扇形區，一般稱之為磁區(sector)。磁碟作業系統即以此為基本單位，來存放資料。 • 磁區法(sector method) • 若使用軟式磁碟來存取資料時，一般是以磁區為作業單位，磁片上的每一磁區均有編號。 • 在磁碟作業系統中，每一檔案均有其檔案控制區(file control block，FCB)，存著檔案中資料存放在那些磁區的記錄，即資料的存取是根據磁區編號來定位。此種磁碟的資料結構稱為磁區法(sector method)。

  16. 8-4 磁碟的格式 • 磁柱法(cylinder method) • 以磁柱為基準，在存取時，存取臂定位在某一磁軌上，存取臂上的多個讀寫頭一次讀寫某一面的某一磁軌，這些磁軌即合稱為磁柱(cylinder)。 • 一個磁柱讀寫完之後，換到另一磁柱繼續，在這種方式中，資料是以實體記錄為單位來儲存，在使用磁柱法時。需由程式指定磁柱編號、磁面編號和記錄編號。 • 硬式分段 • 磁碟片上的磁區。是以固定的指標孔來區分。

  17. 8-4 磁碟的格式 • 軟式分段(soft-sectoring) • 以軟體程式。將磁碟的每一磁軌分成數個磁區。 • 在軟式分段的磁碟上，則只有一個指標孔 • 指標孔上下方有一組光電晶體，和發光二極體組成的檢知裝置，當磁碟旋轉而使指標孔通過時，即使光電晶體導通，而產生一個指標脈波，用以表示某一磁軌的資料的起點。 • 在每一個記錄之前，都有一個特別的識別號碼。 • 相鄰的記錄間是以間隙(gap)分開的。

  18. 8-4 磁碟的格式 • IBM磁碟軌道的四種間隙: • 由於驅動馬達的速度會有輕微的變動，因此必須在一個記錄的終點。和下一個記錄之間必須留有一段空白的間隙。 • 如此才不致因驅動馬達速率不穩定。而使一記錄的長度改變，而影響另一個記錄的資料。 • 間隙1稱為指標間隙 • 間隙2為ID間隙 • 間隙3稱為資料間隙 • 間隙4為一個磁軌的結束

  19. 8-4 磁碟的格式 • 間隙1稱為指標間隙。 • 出現於每一磁軌的起始位置，即指標脈波出現之後。 • 它包含20個位元組，前16個位元組均為十六進位數的“FF”，後四個位元組則是“00”。利用這四個“00”位元組資料做為界標之用。表示緊接著是一軌資料的開始。 • ID1為第一個記錄的識別欄，由五個位元組組成，即ID位址標示軌道位址、磁區位址。及兩個CRC核對和(check sum)位元組， • 軌道位址和磁區位址用以比對是否為所選定的磁軌與磁區，

  20. 8-4 磁碟的格式 • 間隙二為ID間隙， • 用以分隔識別欄與資料欄， • 由十個位元組組成，前6個為"FF"。後四個為"00"。其長度可略為改變，以配合更新後的資料長度。 • 間隙2之後是第一個記錄(record)或資料欄(data field) • 使用131個位元組。 • 第一個位元組為資料，或資料消除的位址標誌。 • 其後為128位元組的真正資料。最後二位元組為CRC核對和位元組。

  21. 8-4 磁碟的格式 • 間隙3稱為資料間隙。 • 將第一個記錄結束 • 使用21個位元組。前17個為“FF．”，後四個為“00”， • 錄於磁碟或磁區上的每一個資料錄都是ID、間隙2、資料、間隙3…等等的順序依次存放。 • 間隙4為一個磁軌的結束、位於資料結束之後與指標間隙之前

  22. 8-5 資料的組織方法 • 磁碟的記憶容量和磁碟的徑向密度(radial density)和線性密度(linear density)有關。 • 徑向密度：即可規劃的最大的磁軌數。以TPI (track per inch)為單位 • 線性密度：即每英吋長度可儲存的容量。以BPI (bytes per inch)為單位。 • 磁碟常用的編碼方式 寫入磁碟的資料。並不是直接將資料寫入磁碟，而事先經過編碼之後再行寫入，其目的在使讀出的錯誤率減到最小 • 調頻編碼(FM)。 • 修正調頻編碼(MFM)。 • 再修正調頻編碼(F2FM)。 • 群碼記錄(GCR)，

  23. 8-6 磁碟控制器 • 磁碟控制器 微電腦主記憶中的資料為並列的資料。傳送到磁碟機再經磁碟機轉為串列資料，並且按照資料組織的方法轉成寫入頭的電流，送到磁碟的寫頭再寫到磁碟片上，必須經過相當繁複的轉換工作與精密的定位控制。 • 磁碟控制器(disk controller)必須負責下列工作: • (1)讀寫頭的定位。 • (2)確定磁碟的磁區位置。 • (3)控制驅動馬達以定速轉動。 • (4)取入資料供錄寫之用。 • (5)指示讀取磁碟資料。 • (6)偵錯與改正錯誤。 • (7)關閉磁碟不良部份。即做上記錄。 • (8)將資料送到界面裝置，以便置於電腦匯流排上。

  24. 8-6 磁碟控制器

  25. 8-6 磁碟控制器 • DMA控制器 • 由於硬碟和CPU之間資料傳輸量非常大，傳統中斷式I/0存取方式太慢，改用直接記憶體存取(Direct memory access，DMA)方式存取， • DMA方式使磁碟控制器可以直接和記憶體傳送資料，不須經由CPU的居中控制，因此速度極快。 • 為統一磁碟機介面，由各大軟硬體廠商共同制定出ATA傳輸介面，即AT Attachment介面，規定了硬碟與微電腦連接的規格 • 通常我們將ATA的傳輸速度加在ATA後面標示，如ATA33表示該介面支援33MB/sec的資料傳輸速度 • IDE (Integrated Drive)指的是硬碟驅動技術的規格 • 包括腳位、各接腳之定義、電壓準位等．與ATA略有不同，

  26. 8-7 錯誤發生的種類 • 錯誤發生的種類 磁碟控制器在讀寫動作進行時。隨時檢查並更正錯誤，錯誤的發生大致可分為軟式、硬式、尋軌錯誤等數種。 • 軟式錯誤 • 軟式錯誤是因微處理機，或程式的錯誤動作所產生 • 錯誤發生機率大約是108。或109位元中產生一個。 • 其錯誤並非因磁碟表面缺陷所產生雜訊或傳輸電流所致。 • 其錯誤可藉循環冗餘核對碼偵知 • 透過核對和的觀念，對整個資料段加以核對，即可偵知是否正確 • 目前以 CRC-l2、OCRC-16、OCRC-CCITT三種最受歡迎

  27. 8-7 錯誤發生的種類 • 硬式錯誤 • 因磁碟表面缺陷所致，其機率約為1011~1012位元中產生一位元的錯誤。 • 當偵錯到錯誤時，控制器會再讀十次。若第十次資料仍為錯誤，表示該錯誤為不可更正的錯誤。 • 大部份的控制器在多次測知錯誤時，可將該磁區設為壞磁區(bad sector)而予以關閉。 • 尋軌錯誤 • 尋軌錯誤是指磁頭到達一錯誤的軌位。 • 控制器比較軌位號碼即知是否尋軌錯誤。 • 產生軌位錯誤時，可重新由00軌位開始，經軌位修正後到達正確的軌位。

  28. 8-8 硬式磁碟機 • 硬式磁碟機 • 硬式磁碟機依其磁碟是否可更換分為可替換(removable)和不可替換(non-removable)兩種。 • 可替換磁碟可以離線方式儲存程式和資料，一般用於大型電腦系統，在微電腦系統較少使用。 • 不可替換磁碟多使用於迷你電腦或微電腦系統中，供線上即時儲存大量資料用。 • 硬式磁碟機使用至今已有三十餘年歷史， • 最早於1956年2月lBM發表IBM350型硬式磁碟機， • 使用50片24吋硬式磁碟片，轉速為112Orpm儲存容量為5M位元組 • 1971年發表3300型。容量為100M位元組，轉速為360Orpm • 1974年發表3300改良型，容量為數千M位元組，直徑均為14吋。

  29. 8-8 硬式磁碟機 • 1978年，IBM發表8吋硬式磁碟機。進入了所謂溫徹斯特磁碟機(Winchester drlve)的時代，目前微電腦所用的硬式磁碟機幾乎都是溫徹斯特磁碟機，只是由8吋改為5 1/4吋及3 1/2吋，其容量在數十MB到數十GB之間。 • 溫徹斯特硬式磁碟機: • 1.磁碟的讀/寫頭及磁碟傳動的整個機械部份，及磁碟片組在內都密封起來，只讓過濾的空氣不斷流通。 • 2.磁碟以高速旋轉，約為360Orpmn，快速旋轉所造成的氣流使磁頭浮起，和磁碟面之間有一極小空隙(約1.5微米)，磁頭與磁碟間並無接觸，增加兩者壽命。 • 3.當驅動器的動力關掉之後，磁頭座一定要停放在磁碟面，因此磁碟片必須加潤滑保護。 • 4．磁碟面為一層磁性薄膜。

  30. 8-9 硬式磁碟機規格 • 硬式磁碟機規格 • 1.記憶容量 • 2.資料傳遞速度：或稱資料傳輸率(data transfer rate) 以Mbits/sec為單位。愈快愈好。 • 3.存取時間(access time) • (1) 尋軌時間(Seeking time)這是磁頭由本磁時 • (2)迴轉等待時間：移動到指定磁軌後，等待磁區轉到磁頭下方需時間。一般以半圈轉動時間為準。 • 例如3600rpm=600rps 則等待時間為1/120秒。 • RPM (Revolutions Per Minute) 是磁碟機圓盤轉動的週率，它是代表一分鐘圓盤轉動的圈數。 • (3)資料傳輸時間:自開始讀取資料，到傳送給cpu完成所需時間。一般而言非常短，幾乎可以忽略。

  31. 8-9 硬式磁碟機規格 • 4.轉速:即磁碟的轉速，早期為360Orpm。現在有 540Orpm、720Orpm，甚至有150OOrpm者。 • 5.記錄密度:其值決定同心圓軌道的記錄能力。一般以最內層軌道為準，以每英吋的位元數(bpi)為單位。 • 6.軌道密度:以每吋的軌道數(TPI)為單位，主要決定磁碟片半徑上的軌道解析能力。 • 7.目前多標示磁頭(head)數即磁面數，磁柱數(cylinder)及磁區數(Sector)。三者的乘積再乘512Bytes，即為其總儲存容量 • 8.目前硬碟多支援ATA/33，若是支援ATA-66或者ATA-l00其排線改為80條。總排線寬度不變，多出的40條線為隔離接地用。可有效降低雜訊之干擾。 • 9.信賴性:用以表示該磁碟機的穩定程式和錯誤發生率。

  32. 8-9 軟式磁碟機 • 軟式磁碟機 • 記憶容量較小，功能較弱。讀寫速度與傳輸率均較硬式磁碟機慢。 • 依使用磁碟的直徑可分為8吋、5 1/4吋及3 1/2吋三種。 • 目前以3 1/2吋最為常用。 • 8吋軟式磁碟機的轉速為360rpm，5 1/4吋和3 1/2吋的轉速均為30Orpm與硬式磁碟機相較，速度慢了許多，傳輸率也慢了許多。 • 讀/寫時，磁頭與磁頭表面接觸。讀/寫完畢磁頭即離開磁碟表面。因此，在讀寫時。磁頭移到所欲讀/寫磁區時間也較長， • 軟式磁碟系統的成本較低，且磁碟片可任意更換。在使用攜帶方面極為方便，因此，雖有不少缺點，仍然極受歡迎，成為微電腦的主要輔助儲存裝置。

  33. 8-9 軟式磁碟機 • 以3.5吋軟式磁碟機 • 儲存容量為:512Bytes/磁區×18磁區/磁軌×80磁軌/面×2面=1440KB • 目前軟碟機以3.5吋為主， • 使用高密度(2HD)磁碟片， • 其徑向密度為135TPI， • 每面只用80磁軌， • 其資料編碼方式為MFM或M2FM。 • 轉速為30Orpm。尋軌時間約為12mns，迴轉等待時間約為1OOms • 電源方面需要+5V及十12V，消耗功率大約在8W左右。

  34. 8-10 ZIP 磁碟機 • ZIP 磁碟機 • 由於電腦資料量的增多，傳統1.44MB軟碟機已不敷使用，Iomega公司推出ZIP磁碟機，有1OOMB和25OMB二種規格， • 早期用印表機埠傳輸，目前則有採用USB介面產品 • 3M推出LMl20，有12OMB/片的容量，可讀寫1.44MB磁片，但速度較慢，也有廠商推出單匣1.5GB的抽換式磁碟機，價格不菲

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