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合集-数的二进制表示-定点运算-BCD 码-浮点数四则运算-内置存储器-Cache-外存-纠错-RAID-内存管理-总线-指令集: 特征- 指令集:寻址方式和指令格式

  • 特点
    • 大容量,非常用
    • 非易失性
  • 类型
    • 磁盘
    • 光盘
    • 磁带
    • U盘,SSD

磁盘

  • 磁盘是一种由非磁性材料制成的称为衬底的圆盘,其上涂有一层磁性材料.
    • 衬底材料: 铝合金,铝,玻璃..
    • 玻璃衬底的优点:
      • 改善磁层表面的均匀性,增加磁盘的可靠性.
      • 显著减少整个表面的缺陷,有助于减少读写错误.
      • 支持更低的飞行高度.
      • 更好的刚度,降低了磁盘的动力需求.
      • 更好的耐冲击和耐磨损能力.
  • 分类:
    • 软盘
    • 硬盘

物理特性

  • 采用可移动磁头,每面只有一个读-写头.磁头固定在支架上,支架可以伸缩,使磁头可以定位到任意磁道.
  • 任何时候,所有的磁头都定位在磁道上,所有的磁道都是同心圆.
  • 磁盘上相对位置相同的所有磁道的集合称为柱面.

读写机制

  • 读-写是通过一个叫做磁头的导电线圈进行的.
  • 读写期间,磁头静止不动,盘片高速旋转
  • 头的数量:
    • 单: 读写共用一个头.用于软盘, 老式硬盘.
    • 双: 单独的读,写头.用于现代硬盘.

写机制

  • 脉冲电流送入写磁头.
  • 利用通电线圈周围产生磁场的性质,线圈中的电流在缝隙中感应出一个磁场.
  • 产生的磁化模式被记录在其下的磁盘表面
  • 逆转电流的方向将逆转记录介质上的磁化方向.

读机制

  • 传统的读机制采用磁盘相对线圈运动产生磁场的效应.
  • 当代读机制采用一个单独的读磁头,由一个部分被屏蔽的磁阻(MR)传感器组成.当下方介质的磁化方向改变的时候,电阻会发生变化.
  • 让电流通过 MR 传感器,电阻的变化作为电压变化被检测出来.
  • MR 设计允许高频操作, 这等同于更高的存储密度和更快的操作速度.

磁头机制

磁头必须产生或者感应到足够大小的电磁场,以便正确读写.

  • 较窄的磁头要求与盘面距离更近.
  • 更大的数据密度需要更窄的磁头和更窄的磁道.这将导致更大的出错率.
  • 温切斯特磁盘:
    • 磁头是一个空气动力箔片,盘片静止时,他停靠在盘面上.
    • 旋转盘片产生的气压足以使滤波从表面上升起.

数据组织和格式化

  • 盘上的数据组织呈现为一组同心圆环,圆环被称为磁道(track).
  • 数据以扇区(sectors)为单位传入或者传出磁盘.通常大小为 512 字节
  • 相邻此岛之间有间隙(gap),它可以防止或减少由于磁头未对准或磁域干扰引起的错误.为了防止对系统提出不合理的定位要求,相邻的扇区也留有间隙.

恒定角速度(CAV)

  • 盘外沿的传输要比靠近盘中心快, 通过增加位之间的间隔,使磁盘以固定的速度扫描信息.
  • 优点:
    • 可以用磁道号和扇区号直接寻址.
  • 缺点:
  • 外围长磁道与内圈短磁道存储的数据一样多.

多重区域记录

  • 盘面被分为多个区域,每个区域中各磁道的扇区数是一定的,远离中心的磁道能够容纳更多的扇区.
  • 优势: 提升了存储容量.
  • 劣势: 实现的电路更加复杂.

格式化

  • 磁道必须有一些起始点和辨识每个扇区的起点及终点的方法.
  • 格式: 附加一些仅被磁盘驱动器使用而不被用户存取的额外数据.
    • ID 域是唯一的一个标识或地址，用于定位具体的扇区.
    • 同步字节是一个特殊的位模式，用来定义区域的起始点.
    • 磁道号标识磁盘表面上的一个磁道.
    • 磁头号标识一个磁头，因为磁盘有多个面.
    • ID 和数据域各包含一个检错码.

磁盘性能参数

寻道时间

  • 磁头定位到该磁道所花的时间.
    • 初始启动的时间
    • 穿越磁道的时间

旋转延迟

  • 等待相应扇区的起始处到达磁头的时间.
    • 平均为磁盘周期的一半.

存取时间

  • 寻道时间和旋转延迟总和

传送时间

  • 数据传送到磁盘所需时间
    • $b$ 待传送字节数
    • $N$ 各磁道的字节数
    • $r$ 转速

总平均存取时间

  • 可以证明磁盘整理加快存取速度.

磁盘调度算法

  • 先来先服务(FCFS)
    • 按 I/O 请求的顺序处理.
  • 最短寻道时间(SSTF)
    • 优先处理距离当前磁头位置的最短寻道时间的请求.
  • SCAN
    • 在 0 和 N 之间移动磁头,优先处理当前移动方向上的请求,到达一端后反向.
  • C-SCAN
    • 将磁头从 N 移动到 0, 到达 0 后立即返回 N
  • LOOK
    • 建立在 SCAN 和 C-SCAN 的基础上, 磁头只移动到一个方向最远的请求.

光盘

CD 和 CD-ROM

  • 生产
    • 用精密聚焦的高强度激光制造母盘.
    • 用母盘在聚碳酸酯上压印出复制品.
    • 在凹坑表面镀上高反射的材料.
    • 表面涂一层丙烯酸树脂防止灰尘或划伤.
    • 用丝网印刷术把标签印刷在丙烯酸上.
  • 读
    • 通过安装在光盘播放机或驱动器中的低功率激光从CD或CD-ROM中检索
    • 如果激光束落在表面有点粗糙的凹坑上，光就会散射，低强度的光就会反射回来
    • 如果激光束落在一个光滑的表面上，更高的强度会被反射回来
    • 磁盘包含一个单一的螺旋轨道，和所有扇区是相同的长度
    • 以变速旋转磁盘
    • 然后激光以恒定的线速度读取凹坑
  • CD和CD - ROM的区别
    • CD-ROM player更坚固，并有错误纠正设备，以确保数据正确传输
  • 优势
    • 光盘和存储在上面的信息可以廉价地大量复制
    • 光盘是可移动的
  • 缺点
    • 它是只读的，不能更新
    • 它的存取时间比磁盘长得多

CD-R

  • 包括染色层，用于改变反射率，并被高强度激光激活
  • 可以用适当强度激光写入一次
  • 生成的磁盘可以在CD-R或CD-ROM驱动器上读取

CD-RW

  • 使用一种在不同相位下反射率显著不同的材料, 可以被激光改变.
  • 会随着使用老化最终完全失去性能.

DVD

  • 与CD相比
    • 位组装更加紧密.
    • DVD 采用双层结构
    • DVD-ROM可以是双面的, CD只能是单面的.

磁带

  • 顺序存储
  • 廉价
  • 写方式
    • 并行写:多个磁道同时写
    • 串行写:一个磁道返回来写另一个