计算机硬件技术基础 教学课件 作者 谢长生 第04章.ppt

第4章 外存储系统 大容量、高性能、安全可靠性和可扩展性成为当前外存储系统新的特征。为了满足应用的需求，除了标准的硬盘、光盘、磁带等外存储设备外，近十年来还出现了磁盘阵列（RAID）、附网存储(NAS)、存储区域网(SAN)等适应于网络环境的新的存储系统。 4.1 磁存储设备 磁存储设备是外存储系统的主力设备，主要包括硬盘、软盘、磁带等磁表面存储器。它们是利用一层亚微米量级的表面磁介质作为记录信息的媒体，以磁介质的两种不同剩磁状态或不同剩磁方向变化的规律来表示二进制数字信息，磁表面存储器的信息记录和输出过程都是电、磁信息转换的过程，是通过磁头和运动着的磁介质来实现的。 在磁表面存储器中，二进制数字信息的写入操作是按照特定的磁记录方式进行的。记录方式又称编码方式，主要记录的方式有：未经编码的记录方式、按位编码的记录方式、成组编码的记录方式、游程长度受限方式。未经编码的记录方式可分为：归零方式（RE）、不归零方式（NRE）、改进型的不归零方式（NREI）； 按位编码的记录方式可分为：调频制记录方式（FM）、改进型的调频制记录方式（MFM）、调相制记录方式（PE）；成组编码记录方式可分为：GCR（4/5）编码方式、三单元调制码（3PM）方式；游程长度受限方式限制数据系列中0和1的个数，如硬盘中常用的（1，7）码，连续0的个数最少为1，最多为7。 4.1.1 硬盘的工作原理 1．硬盘存储器的读／写过程 读/写过程从查找操作开始，驱动机构根据柱面地址把磁头向目标磁道移动，并定位在目标磁道上，等待有关信息区段旋转到磁头下，然后进行读/写操作。 2．基本结构 磁盘驱动器主要有盘片组、主轴驱动机构、磁头、磁头驱动定位机构、读/写电路、接口及控制电路等组成。 接口电路和控制器相连，传送地址和数据到驱动器。音圈电机的音圈和磁头小车（目前多采用摇臂结构）固定在一起，由磁头定位伺服系统驱动磁头作径向运动。磁头地址经磁头选择电路译码，选择相应的磁头。主轴电机驱动主轴带动盘片旋转。进入盘腔的空气均经过过滤器过滤，保证盘腔内极高的空气洁净度要求。 目前用户所使用的硬盘主要是温彻斯特磁盘，简称温盘。温盘的主要特点是： （1）把磁头、小车、导轨、主轴和盘片等封装在一个腔体内，制成一个整体组件，称之为头盘组件（Head Disk Assembly，HDA）。这种结构的最大优点是盘片和磁头之间没有互换要求，每个磁头只读出它自己写入的信息，磁头不再需要作径向和偏斜等调整，有利于提高磁道密度。另外，整体封装有利于防尘，磁头的浮动高度大大降低，提高了位密度和可靠性。 （2）采用了质量轻、浮力小的磁头。采取了接触起停方式，又称CSS方式（Contact Start Stop）。这种方式下，启动和停机时，磁头是降落在盘面上的。盘面上有一个起停区，停机时，磁头降落在起停区内。盘片起动旋转时，轻质磁头在盘面上滑行，当盘片由低速过渡到正常速度时，磁头浮起，从而精简了过去磁头退出盘面和进入盘面的一套机构。 （3）由于采用了接触起停的方式，磁头与盘面有磨擦，为了延长使用寿命，除了在主轴电机上装有制动机构，缩短停机摩擦过程外，盘面上还涂有一层润滑剂以减少摩擦。 3．盘片 磁盘驱动器的主要组件之一是盘片，其盘片构成材料是铝合金或者是玻璃，表面覆盖着磁记录层。 硬磁盘盘片直径小型化的同时，面密度也在不断提高。目前硬盘的面密度已经超过每平方英寸100GB，比世界第一台硬盘的密度提高了约1000万倍。 4．磁头 硬磁盘驱动器的磁头是浮动磁头，工作过程中磁头与盘面不接触，两者之间有一个很小的间隙。当磁盘高速旋转时，由于空气的粘滞性，附着在盘面上的空气在磁头和盘面之间形成了一层空气垫，托住磁头。 5．主轴和主轴电机 硬盘驱动器由主轴带动盘片旋转，其转速很高，目前一般为5 400r/min和7 200r/min。高速硬盘一般都超过10 000r/min，用于服务器和高速磁盘阵列。主轴电机一般为无刷直流电机，采用流体动压轴承以达到极小的径向偏摆，从而保证极小的磁道偏摆，利于磁头对磁道的跟踪。 6．磁头寻道与磁道跟踪系统 磁盘驱动器在存取工作过程中，首先要把磁头移动到目标磁道，这个过程称为寻道。到达目标磁道后，还要通过伺服跟踪系统使磁头动态保持在目标磁道的中心，这个过程叫磁道跟踪。 在寻道过程中，首先执行寻道命令，把磁头当前所处磁道距目标磁道的距离计算出来，装入差值计数器中，然后根据差值的正、负和大小来驱动磁头运动。为了提高寻道速度，一般把控制分成两个阶段来进行。第一阶段是“粗控”阶段，作用是速度控制。当目标磁道和当前磁道之差大于零时，采用速度控制，目的在于尽快找到目标磁道。当找到了目标磁道后，才进入“精控”阶段。“精控”阶段的作用是位置