For

Students

of Computer

2012(Computer

Organization

Principles)主講教師實驗教師蔣永國()(信息學院南樓,B313室)徐惠敏()計算機硬件系統組成(章節分配)運算器控制器主存儲器輸入設備輸出設備I/O總線和 接口高速緩存虛擬存儲器(磁盤設備)第一部分(2,3章)第二部分(5,6章)第三部分(,,478章)第四部分(9,10章)2第8章輔助存儲器(目錄部分)輔助存儲器的種類與技術指標磁記錄原理與記錄方式硬磁盤存儲器軟磁盤存儲器磁帶存儲器光盤存儲器硬盤,軟盤,磁帶和光盤存儲器的綜合比較3§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標計算機存儲系統中,有主存儲器和輔助存儲器.主存儲器存放立即使用的程序和數據,要求存取速度快,通常由半導體存儲器構成.輔助存儲器用于存放當前不需立即使用的信息.它作為主存的后備和補充,是主機的外部設備,又稱為外存儲器.輔助存儲器特點:容量大,成本低;“非易失性”存儲器.輔助存儲器主要有磁表面存儲器和光存儲器兩大類.41.存儲密度2.存儲容量3.尋址時間4.數據傳輸率5.誤碼率6.價格§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標5§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標1、電子管計算機(1946～1959):主存儲器有水銀延遲線存儲

器、陰極射線示波管靜電存儲器、磁鼓和磁芯存儲器等類型，通常按此對計算機進行分類。2、晶體管計算機時期(1959～1964):主存儲器均采用磁芯存儲器,磁鼓和磁盤開始用作主要的輔助存儲器。3、1964年以后,在集成電路發展:半導體存儲器逐步取代了磁芯存儲器的主存儲器地位,磁盤成了不可缺少的輔助存儲器，并且開始普遍采用虛擬存儲技術。隨著各種半導體只讀存儲器和可改寫的只讀存儲器的迅速發展，以及微程序技術的發展和應用，計算機系統中開始出現固件子系統。6水銀延遲線存儲器(最早最早的計算機的內存)水銀延遲線的工作原理：將一塊石頭擲入水中，形成波浪，波頭經過一段時間才能傳播到遠方某處。1951年3月，由ENIAC的主要設計者莫齊利和埃克特設計的第一臺通用自動計算機UNIVAC-1使用了水銀延遲線存儲裝置。§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標7IBM

706靜電存儲管存儲管是英國曼徹斯特大學的科學家威廉(FreddieC.Williams)于1948年設計成功，因此也稱作威廉管。較有代表性的應用是IBM706存儲管,它被用以IBM701軍用計算機中.這臺計算機共使用了72個IBM706,可存儲10,240bit的數據,存取速度為12ms,這個速度在當時是很快的,非常適合用作隨機存取存儲器.因此靜電存儲管取代了此前水銀延遲線。§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標靜電存儲管雖然速度比水銀延遲線要快，但它也有缺點：對環境的要求比較苛刻，機房必須保持黑暗，否則光照會導致存儲出錯。沒過多久，靜電存儲管又被華人科學家王安發明的磁芯存儲器取代了。從50年代初到70年初集成電路技術成熟之前長達20年的時間里，磁芯存儲器在計算機的主存儲器領域一直占居著統治地位。也正是在磁芯存儲器獲得廣泛應用之后，才有了我們今天耳熟能詳的RAM這個詞。§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標10§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標1951年,中國移民王安(1920～1990)發明了磁芯存儲器,IBM于1956年購買了這項技術專利。IBM

制作的磁芯存儲器,1958年．§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標磁芯存儲器(開隨機存儲的先河)．在鐵氧體磁環里穿進一根導線，導線中流過不同方向的電流時，可使磁環按兩種不同方向磁化，代表“1”或“0”的信息便以磁場形式儲存下來.王安博士利用這一思想研制的“脈沖傳輸控制裝置(Pulsetransfer

controllingdevice)”于1949年獲得了美國專利，于是開創了磁芯存儲器(magnetic

core

memory)時代。11§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標磁芯存儲器也稱作鐵氧體磁芯存儲器(ferrite-corememory),是一種非易失性存儲器(斷電后存儲的信息不會丟失),磁帶、磁盤等磁存儲設備基于同樣的存儲原理。但是，對磁芯進行存取操作時無需旋轉機械的幫助，其中存儲的信息可以通過尋址線立即獲得，存取速度自然要快很多，因此非常適合作內存使用。12§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標今天的半導體存儲器芯片的存取管理模式與磁芯存儲器完全相同,RAM(Random

AccessMemory,隨機存取存儲器)一詞正是為了說明磁芯存儲器的特性才出現的。從50年代初到70年初集成電路技術成熟之前長達20年的時間里，磁芯存儲器在計算機的主存儲器領域一直占居著統治地位。值得一提的是,1959

年9月我國自行研制成功的第一臺電子管計算機104機,該機運算速度為每秒1萬次,內存就是采用的自行研制的磁芯存儲器,容量為2K～4K,而把速度較慢的磁鼓作為外存使用。14§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標1024的選數管(從256到4096比特),1946年15§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標穿孔卡片用于輸入數據和程序,直到上世紀70年代中期還在廣泛應用.右圖是一條Fortan程序表達式Z(1)=Y+

W(1),1946年left:

Punch

card

reader.right:

Punch

card

writer.16§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標穿孔紙帶：既用來輸入數據，輸出同樣也在穿孔紙帶上。 每一行代表一個字符。1946年§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標Above

left:

The

magnetic

Drum

Memory

of

the

UNIVAC

computer.Above

right:

A

16-inch-long

drum

from

the

IBM

650computer.

It

had

40tracks,

10

kB

of

storage

space,

and

spun

at

12,500

revolutions

per

minute．磁鼓存儲器：最初于1932年在奧地利創造出來，上世紀五六十年代廣泛使用，通常作為內存，容量在10kB左右。17硬盤驅動器：第一款硬盤驅動器是IBM

Model

350

DiskFile，于1956年制造，其中包含了50張24英寸盤片，而總容量不到5MB．§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標18硬盤驅動器：RAMAC

350采用接觸式磁頭，主軸電機旋轉速度為1200rpm，步進電機驅動磁頭完成尋道。§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標19Above

left:

A

250

MB

hard

disk

drive

from

1979.Above

right:

The

IBM

3380

from

1980,

the

first

gigabyte-capacityhard

disk

drive.硬盤驅動器：首個容量突破1GB的硬盤是IBM在1980年制造的IBM

3380，總容量為2.52GB，重約250千克，售價從

81000美元到142400美元不等。§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標Above

left:

A

Laserdisc

next

to

a

regular

DVD.

Above

right:

Another

Laserdisc光盤：早先的光盤主要用于電影行業，第一款于1987年進入市場，直徑為30厘米，每一面可以記錄60分鐘的音頻或視頻。看看和我們今天常用的DVD大小對比。22§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標軟盤：由IBM在1971年引入，從上世紀70年代中期到90年代末期被廣泛使用，最初為8寸盤，之后有了5.25和3.5英寸軟盤。1971年最早的軟盤容量為79.7kB，并且是只讀的，一年后有了可讀寫的版本。23§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標Above

left:

The

row

of

tape

drives

for

the

UNIVAC

I

computer.Above

right:

The

IBM

3410

Magnetic

Tape

Subsystem,

introducedin

1971.磁帶：磁帶從1951年起被作為數據存儲設備使用，被稱為

UNISERVO，可以每秒鐘傳輸7200個字符，這套磁帶長達365米,相當沉重。§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標Above

left:

The

standard

compact

cassette.Above

right:

The

Commodore

Datassette

is

sure

to

bring

up

fondmemories

for

people

who

grew

up

in

the

80s.磁帶：從70年代晚期到80年代出現了小型的盒式磁帶，長度為

90分鐘的磁帶每一面可以記錄大約660KB的數據。§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標25存儲密度:單位長度或單位面積磁層表面所存儲的二進制信息量.＊對于磁盤存儲器，用道密度和位密度表示，也可以用兩者的乘積-面密度表示。＊對于磁帶存儲器，則用位密度表示。面密度：單位面積中存儲的二進制信息量；（磁盤）道密度：單位長度上存儲的二進制信息量。（磁帶）存儲容量:一般以字節(B:Byte)為單位．＊格式化容量＊非格式化容量尋址時間＊磁盤：平均尋道時間+平均等待時間；＊磁帶：磁帶空轉到磁頭應訪問位置的時間．26§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標數據傳輸率＊單位時間內從磁表面存儲器所讀/寫的信息量。誤碼率＊出錯信息位數／讀出的總信息位數．價格＊位價格27§8.1

輔助存儲器的種類與技術指標§8.2

磁記錄原理與記錄方式磁記錄原理磁表面存儲器通過磁頭和記錄介質的相對運動完成寫入和讀出。28圖8.1讀寫原理磁記錄介質：–涂有薄層磁材料的信息載體。g-Fe2O3磁頭：實現電-磁轉換的裝置。Iw數據寫入:在線圈中通以一定方向的電流。數據讀出:磁介質在磁頭下勻速運動。29§8.2

磁記錄原理與記錄方式圖8.2

水平記錄和垂直記錄§8.2磁記錄原理與記錄方式30磁記錄方式按某種規律將一串二進制數字信息變換成磁層的相應磁化翻轉形式，并經過讀寫控制電路實現這種轉換規律。歸零制（RZ）記錄1時電流正向流動，記錄0時電流反向流動。在記錄2個信息位之間有一段距離沒有電流變化。不歸零制（NRZ）記錄1時電流正向流動，電流保持到下一個信息到來，記錄0時電流反向流動，并電流保持到下一個信息到來。不歸零-1制（NRZ1）記錄1時電流改變極性，使磁記錄層的磁化強度方向發生翻轉；記錄0時保持原來的寫電流和磁化強度方向。31§8.2.3

磁記錄方式調相制（PM）在一個記錄單元內，磁頭線圈種的寫入電流由負到正表示記錄信息1，由正到負表示記錄信息0。兩者的相位相差180度。當二進制信息中出現連續兩個1或連續2個0時，為了維持上述規則，在兩個記錄單元的交界處也要發生翻轉。調頻制（FM）在記錄單元起始處不論是記錄0還是1，都要改變電流方向，產生翻轉；在一個記錄單元中間點，記錄1時改變電流方向，產生翻轉，記錄0時不改變電流方向，不產生翻轉。這樣記錄1的頻率是記錄0的頻率的1倍。改進型調頻制（MFM）當二進制信息中出現連續0時，其記錄單元的交界處翻轉一次。在其它情況下（0->1,1->0,1->1)其記錄單元的交界處不翻轉；在一個記錄單元的中間點，記錄1時改變電流方向，產生磁化翻轉，記錄0時不改變電流方向，不產生磁化翻轉。32§8.2.3

磁記錄方式圖8.4

磁記錄方式波形圖3334圖8.5三種記錄方式的磁化強度和讀出信號波形§8.3硬磁盤存儲器Above:

The

first

hard

disk

drive,

IBM

Model

350.

1956.35根據磁頭的工作方式移動頭磁盤存儲器:存取數據時,磁頭在磁盤盤面上徑向移動,磁頭與盤面不接觸,且隨氣流浮動,稱為浮動磁頭.盤片的每面都有一個磁頭.固定頭磁盤存儲器:磁頭位置固定,磁盤的每一個磁道都對應一個磁頭,盤片也不可更換.根據磁盤可換與否可換盤存儲器:指磁盤不用時可以從驅動器中取出脫機保存.這種磁盤可以在兼容的磁盤存儲器間交換數據,由于可脫機保存故便于擴大存儲容量.固定盤存儲器:是指磁盤不能從驅動器中取出,更換時要把整個“頭盤組合體”一起更換(溫切斯特磁盤，溫盤)．36§8.3

硬磁盤存儲器§8.337硬磁盤存儲器§8.338硬磁盤存儲器§8.3

硬磁盤存儲器磁盤信息分布記錄面磁道柱面信息塊/扇區39磁頭磁盤組主軸通風機取數臂定位驅動器速度傳感器小車主電機傳動皮帶濾塵器密封罩圖8.8

硬磁盤驅動器結構示意圖§8.340硬磁盤存儲器§8.341硬磁盤存儲器圖8.9

音圈電機控制系統42最早驅動器只完成讀寫和放大,數據分離和以后的控制邏輯構成磁盤控制器.如ST506接口.以后驅動器還要完成數據分離和編碼譯碼操作.如增強型小型設備接口ESDI.現在要進一步完成串/并轉換,格式控制和DMA控制等.如小型計算機系統接口SCSI.§8.3

硬磁盤存儲器-磁盤控制器接口圖8.12

磁盤控制器接口磁盤Cache:磁盤驅動器的存取時間仍停留在毫秒(ms)級,主存的存取時間為納秒(ns)級,兩者速度差別十分突出.I/O系統成為整個系統的瓶頸.為了減少存取時間,磁盤驅動器廠家采取了增加磁盤主軸轉速,提高I/O總線速度,改進讀/寫算法和采用磁盤Cache等措施.磁盤Cache-工作原理在磁盤Cache中,由一些數據塊組成的一個基本單位稱為

Cache行.當一個I/O請求送到磁盤驅動器時,首先搜索Cache行是否已被寫上數據,如果是讀操作,且命中,則從Cache行讀出數據,否則從磁盤介質上讀出.目前的磁盤驅動器一般都帶有高速緩存,容量在1MB-幾MB之間,可由SRAM或DRAM組成.43§8.3

硬磁盤存儲器-磁盤Cache冗余磁盤陣列(Redundant

Array

ofInexpensive/IndependentDisk,簡稱RAID):一種對多盤數據設計的工業標準。促進磁盤陣列技術快速發展的因素有以下三點:⑴CPU速度的增長大大超過了磁盤驅動器數據傳輸率的增長.⑵小盤徑陣列磁盤驅動器與大型驅動器相比具有成本低,功耗小,性能好等優點.⑶能保證極高的可靠性和數據的可用性.RAID

0級-RAID

7級和RAID

10級陣列磁盤技術還支持聯機熱備份、熱插拔技術．44§8.3.4

磁盤陣列存儲器§8.3.4磁盤陣列存儲器＊磁盤陣列應用場景45§8.3.4磁盤陣列存儲器-RAID

0特點：無冗余。主要用于高速數據傳輸和高速I/O請求。Disk

0Disk

1Disk

2Disk

300102030011121310212223203132333RAID0Word

0Word

1Word

2Word

3陣列管理軟件邏輯盤460001020310……§8.3.4

磁盤陣列存儲器-RAID

1RAID1到RAID

5的主要區別在于采用的冗余方法不同。RAID

1為鏡像。Disk

0 Disk

1 Disk

2 Disk

3

Disk

0 Disk

1 Disk

2 Disk

3470010203001112131021222320313233300102030011121310212223203132333RAID1(鏡像磁盤陣列)–由磁盤對組成,每一個工作盤都有對應的鏡像盤,上面保存著與工作盤完全相同的數據,安全性高,但磁盤空間的利用率只有50%.§8.3.4

磁盤陣列存儲器-RAID

2RAID

2和RAID

3都采用了并行處理技術。RAID

2的數據冗余用于海明碼Disk

0Disk

1Disk

2Disk

3Disk

0Disk

1Disk

248b0b1b2b3?0?1?2RAID

2(糾錯海明碼的磁盤陣列)–采用海明碼糾錯技術和位交叉技術,用戶需增加足夠的校驗盤來提供單糾錯和雙驗錯功能.–對數據的訪問涉及到磁盤陣列中的每一個盤,對大數據量傳送有較高性能,但不利于小數據量的傳送§8.3.4

磁盤陣列存儲器-RAID

3采用1個磁盤作奇偶校驗，bi為字。Disk

0 Disk

1 Disk

2 Disk

3

Disk

049b0b1b2b3P(b)RAID

3(采用奇偶校驗碼和位交叉的磁盤陣列)將奇偶校驗碼放在一個磁盤上,目前多數磁盤控制器已能用

CRC檢測出本身磁盤是否出錯.因此只需一個奇偶校驗盤就能糾正出錯的數據.但由于采用位交叉,每次讀寫要涉及整個盤組,對小數據量不利.計算也比較費時.§8.3.4

磁盤陣列存儲器-RAID

4RAID

4和RAID

5都采用獨立的存取技術。–在獨立的存取陣列中，每個成員磁盤的操作是獨立的，因此，各個I/O請求能夠并行處理。Disk

0 Disk

1 Disk

2 Disk

3

Disk

0b0b1b2b3P(b)Bi為數據塊50P(b)為數據塊的奇偶校驗RAID 4(采用奇偶校驗碼和扇區交叉的磁盤陣列)采用一個奇偶校驗盤,但采用扇區交叉存取技術,因此寫入少量數據只與一個數據盤和一個校驗盤有關,簡化了產生校驗碼的方法,對于數據塊的重寫公式:新奇偶校驗位=(新數據XOR舊數據)XOR舊奇偶校驗位§8.3.4磁盤陣列存儲器-RAID

5Disk

0 Disk

1 Disk

2 Disk

3Disk

451Parity48120Parity91315Parity142610Parity371115ParityRAID5BlocksRAID

5(無專用校驗盤的奇偶校驗磁盤陣列)無專用的校驗盤,將校驗信息分布到組內所有盤上,對大、小數據量的讀寫都有很好的性能§8.3.4磁盤陣列存儲器-RAID

6RAID

6(采用分塊交叉技術和雙磁盤容錯)有兩個磁盤存儲器用于存放檢錯,糾錯冗余代碼,即使在雙磁盤出錯的情況下,仍能保持數據的完整性和有效性,但寫入數據時要對3個磁盤驅動器(一個數據盤和兩個校驗盤驅動器)訪問兩次.要進行兩種不同的奇偶計算.Disk

0Disk

1Disk

2Disk

3Disk

4Disk

504812159P(12~15)26P(8~11)Q(12~15)3P(4~7)Q(8~11)13P(0~3)Q(4~7)1014Q(0~3)7111552§8.3.4

磁盤陣列存儲器-RAID

7和RAID

1053RAID

7(獨立接口的磁盤陣列)每一個磁盤驅動器與每一主機接口有獨立的控制和數據通道的磁盤陣列,因此主機可完全獨立地對每個磁盤驅動器進行訪問RAID

10(RAID

0級+RAID

1級)由分塊和鏡像組成是所有RAID中性能最好的磁盤陣列,但每次寫入時要寫兩個互為鏡像的盤,價格高.§8.4

軟磁盤存儲器54與硬盤結構上的不同硬盤軟盤轉速高,存取速度快轉速低,存取速度慢有固定頭,固定盤活動頭,可換