外存設(shè)備與磁盤陣列技術(shù)

1、外存設(shè)備與磁盤陣列技術(shù) 　　這里說的外存設(shè)備，主要指磁盤、磁帶和光盤。當(dāng)高速磁盤以虛擬存儲(chǔ)器的面貌出現(xiàn)時(shí)，人們更喜歡稱其為輔助存儲(chǔ)器。外存設(shè)備，更多的是強(qiáng)調(diào)這些設(shè)備的如下特性：設(shè)備的存儲(chǔ)容量大、存儲(chǔ)成本低，特別是在斷電后仍能長期保存信息，大部分存儲(chǔ)介質(zhì)還能脫機(jī)保存信息。本節(jié)內(nèi)容屬于一般了解的部分比較多，例如磁表面存儲(chǔ)器的讀寫原理，這些設(shè)備的一般組成等；屬于應(yīng)掌握的內(nèi)容不是很多，主要是磁記錄編碼，光盤簡單組成與讀寫原理，磁盤陣列與容錯(cuò)技

2、術(shù)中的主要概念性知識(shí)。,外存設(shè)備概述 1. 外存設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo) （1） 存儲(chǔ)密度：　　在存儲(chǔ)介質(zhì)的單位長度上或單位面積上所存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息的數(shù)量。對(duì)于磁盤設(shè)備，通常用道密度和位密度表示，也可以用二者的乘積表示。對(duì)磁帶設(shè)備，通常總是用位密度表示。（2） 存儲(chǔ)容量：　　一臺(tái)設(shè)備所能存儲(chǔ)的總信息數(shù)量，通常以字節(jié)為單位表示。（3） 尋址時(shí)間：　　磁盤設(shè)備屬于按直接存取方式讀寫的設(shè)備，它的尋址時(shí)間由兩部分組成，一是磁頭沿磁盤

3、的徑向運(yùn)動(dòng)到達(dá)目標(biāo)磁道的時(shí)間，二是在目標(biāo)磁道上磁盤被讀寫區(qū)段旋轉(zhuǎn)到磁頭下面的時(shí)間。由于這兩個(gè)時(shí)間都與磁頭距離目標(biāo)位置的遠(yuǎn)近有關(guān)，故習(xí)慣上都用這兩個(gè)時(shí)間的最大與最小時(shí)間的平均時(shí)間值之和來表示。當(dāng)前的磁盤，該值為幾個(gè)毫秒到十幾個(gè)毫秒；磁盤本身的讀寫速度相對(duì)較快。磁帶設(shè)備則是以順序存取方式完成讀寫，不存在尋找磁道的問題，但要讀寫磁帶某個(gè)區(qū)域上的信息，必須首先等待磁帶旋轉(zhuǎn)到該區(qū)域所用的時(shí)間，可能是幾分鐘到十幾分鐘，時(shí)間回比較長；磁帶本身的讀寫速

4、度也要慢一些。,（4） 數(shù)據(jù)傳輸率：　　指磁表面存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)可以向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量，通常用二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)或字節(jié)數(shù)表示。它與設(shè)備本身的讀寫速度和接口邏輯線路有關(guān)。5） 誤碼率：　　外存設(shè)備是高精密度的機(jī)械電子裝置，集機(jī)械、電子、電磁、光電等多項(xiàng)技術(shù)于一身，不僅價(jià)格較高，其運(yùn)行的可靠性也遠(yuǎn)比CPU、主存等電子邏輯部件要低。誤碼率就是用于衡量磁表面設(shè)備運(yùn)行可靠性的重要指標(biāo)，它等于在一次讀操作過程中，出錯(cuò)信息數(shù)量在讀出的全部信息中

5、所占的比例。（6） 價(jià)格：在現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，外存設(shè)備本身的價(jià)格算得上是很貴的部分，但由于它的存儲(chǔ)容量特別大，為存儲(chǔ)單位信息（例如1KB）所占的平均價(jià)格又是最低的部件。　2。磁表面存儲(chǔ)器的工作原理(1) 磁記錄原理 磁表面記錄設(shè)備，是在磁頭和磁性材料的記錄介質(zhì)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過一個(gè)電磁轉(zhuǎn)換過程完成讀寫操作的。磁頭是實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)換過程的關(guān)鍵裝置，通常由軟磁材料（外界磁場的作用消失后，該磁性材料的磁性容易消失）做成。

6、它是一個(gè)留有前后間隙的磁性環(huán)狀物體，上面繞有線圈。后間隙越小越好，前間隙（稱為工作間隙）要寬窄適當(dāng)。當(dāng)向線圈提供一定方向和大小的電流時(shí)，將使磁頭體被磁化，建立起有一定方向和強(qiáng)度的磁場，即在磁環(huán)內(nèi)有磁力線產(chǎn)生，由于磁頭的前間隙處磁阻較大，將產(chǎn)生漏磁，這漏磁就是向磁記錄介質(zhì)中寫入信息的信息源。 磁記錄介質(zhì)，是在某種剛性（如硬盤）或柔性（如軟盤、磁帶）載體上涂有薄層磁性材料的物體，用于記錄以磁狀態(tài)表示的信息。磁記錄介質(zhì)用硬磁材料（外

7、界磁場的作用消失后，該磁性材料的磁性盡量多的保留）做成。,,磁表面存儲(chǔ)器的磁性材料具有如圖所示的矩形磁滯回線，當(dāng)這些磁性材料被磁化后，其工作特點(diǎn)總是在磁滯回線，只要外加足夠大的正向脈沖電流（外加磁場H），則電流消失后，磁感應(yīng)強(qiáng)度并不為0而處于正剩磁狀態(tài)+Br。反之若外加負(fù)向脈沖電流，磁感應(yīng)強(qiáng)度可出現(xiàn)負(fù)剩磁狀態(tài)-Br即當(dāng)這些磁性材料被磁化后，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)，形成一磁化元或存儲(chǔ)元。如果規(guī)定+Br 狀態(tài)表示代碼“1”，

8、-Br表示代碼“0”，則利用剩磁狀態(tài)可以記錄一位二進(jìn)制信息。磁表面存儲(chǔ)器是利用“磁頭”來形成和判別磁層中的不同磁化狀態(tài)的。,。2、寫操作 ——寫入線圈通入寫脈沖電流Ｉ，產(chǎn)生磁通Φ，通過磁頭縫隙  將高速運(yùn)動(dòng)的磁層磁化，磁層的剩磁記錄了寫入的信息。                二

9、進(jìn)制位→磁化位（磁化元） 3、讀操作 ——記錄有磁化位的磁層高速通過磁頭縫隙，與鐵心耦合形成              閉合磁路，磁通的變化可在讀出線圈感應(yīng)出電勢，經(jīng)放大           &

10、#160;  輸出1或0的信號(hào)。                ｅ＝-Ｋ×（dΦ/dｔ） 磁表面存儲(chǔ)器存取信息的原理是：通過電磁變換，利用磁頭寫線圈中的脈沖電流，可把一位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成載磁體存儲(chǔ)單元的不同剩磁狀態(tài)；反之，通過磁電變換，可將存儲(chǔ)單元的不同剩磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換成不同方向

11、的感應(yīng)電動(dòng)勢，經(jīng)讀出放大器鑒別后形成二進(jìn)制信息。,（2）磁記錄方式當(dāng)前最常用的基本編碼方式有如下幾種，各自的寫入電流和磁化強(qiáng)度的波形給出在圖4.27 中：1） 歸零制（RZ）　　這是用向磁頭線圈送入正、負(fù)脈沖電流的辦法執(zhí)行寫"1"、寫"0"操作的方案，使1和0信號(hào)的磁化狀態(tài)正好相反。它的主要矛盾，是在兩個(gè)信息位之間磁層處于非磁化狀態(tài)，難以解決，故不實(shí)用，但對(duì)理解經(jīng)過電磁轉(zhuǎn)換在磁性材料中記錄二

12、進(jìn)制信息的原理是有幫助的。2） 不歸零制（NRZ）　　這是用向磁頭線圈送入正、反向電流的辦法執(zhí)行寫"1"、寫"0"操作的方案，使1和0信號(hào)的磁化狀態(tài)正好相反。與前一種方案相比，取消了兩個(gè)信息位之間磁頭線圈中無電流的情況，故磁層中不存在未被磁化的狀態(tài)，不是被正向磁化，就是被正向磁化。3） 見1就翻的不歸零制（NRZ1）　　這是用在寫"1"時(shí)就變化磁頭線圈中的電流方向（寫&

13、quot;0"則不變電流方向）的辦法執(zhí)行寫"1"、寫"0"操作的方案。4） 調(diào)相制（PM）　　這是用在磁層中不同的磁化翻轉(zhuǎn)方向來區(qū)別數(shù)據(jù)"1"和"0"的方案，為此，磁頭線圈中的電流，在寫"1"和寫"0"的要朝不同的方向變化，讀出時(shí)，就表現(xiàn)為讀出的信號(hào)是正還是負(fù)脈沖，即二者的信號(hào)相位差為180度。5） 調(diào)

14、頻制（FM）　　這是用在磁層中不同的磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)來區(qū)別數(shù)據(jù)"1"和"0"的方案，記錄"1"比記錄"0" 磁化翻轉(zhuǎn)頻率要多一倍。為此，磁頭線圈中的電流，在每個(gè)位周期起始處要變化一次方向，在寫"1"時(shí)，還要在位周期中心處再變化一次方向，而寫"0"則不會(huì)在位周期中心處變化電流方向。讀出時(shí)，讀出的1信號(hào)表現(xiàn)為兩個(gè)脈沖，讀出的

15、0信號(hào)表現(xiàn)為一個(gè)脈沖。二者的讀出脈沖頻率差一倍。6） 改進(jìn)調(diào)頻制（MFM）　　正象它的名字指明的，這是對(duì)前面講的調(diào)頻制一種改進(jìn)方案，其目的是提高這一方案的編碼效率，使其從調(diào)頻制的50%提高到現(xiàn)在的100%。這一改進(jìn)表現(xiàn)在取消了在某些位期起始處的變化磁頭線圈中的電流方向的動(dòng)作，只保留在連續(xù)的"0"信號(hào)的位期起始處的的電流方向變化，以便保證該編碼方式的自同步能力。,圖4.27 不同紀(jì)錄方式的寫入脈沖和磁化強(qiáng)度波形圖,

16、作業(yè)：1。設(shè)寫入代碼為11011001，試畫出RZ、NRZ、NRZ1，PE、FM、MFM的寫電流波形，指出哪些有自同步能力。2。設(shè)寫入磁盤存儲(chǔ)器的`數(shù)據(jù)代碼為001101，試用NRZ1制記錄方式畫出寫入電流、記錄介質(zhì)磁化狀態(tài)、讀出信號(hào)、整流及選通輸出各信號(hào)波形圖。,磁盤設(shè)備的組成與運(yùn)行原理磁盤設(shè)備是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最主要的外存設(shè)備，也是計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中，在提高性能、降低成本兩個(gè)方面取得驕人成績的最典型的設(shè)備。目前使用最多最廣的是

17、硬磁盤(以溫徹斯特磁盤為代表，簡稱溫盤)和軟磁盤(以3“軟磁盤為代表)兩種類型。硬磁盤存儲(chǔ)容量大，讀寫速度快，普及型產(chǎn)品價(jià)格也不是很貴，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的主流外存設(shè)備；軟磁盤的特點(diǎn)則與硬磁盤恰好相反，它的存儲(chǔ)容量小，讀寫速度慢，但價(jià)格相對(duì)很便宜，被配置在幾乎所有的微、小型計(jì)算機(jī)中，更多的情況是用于脫機(jī)保存計(jì)算機(jī)文件和在不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間完成文件拷貝，很少作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中聯(lián)機(jī)運(yùn)行所使用的外存設(shè)備磁盤設(shè)備，通?？梢员焕斫鉃橛幸韵氯齻€(gè)組成部

18、分：(1)磁盤驅(qū)動(dòng)器，又稱磁盤機(jī)，通常是一個(gè)完整獨(dú)立的設(shè)備，包括作為磁記錄介質(zhì)使用的磁盤和驅(qū)動(dòng)磁盤勻速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部件，完成讀寫功能的磁頭和驅(qū)動(dòng)磁頭沿磁盤徑向方向運(yùn)動(dòng)和準(zhǔn)確定位的部件，以及其它一些控制邏電路等部件。(2)單獨(dú)的、可以和磁盤驅(qū)動(dòng)器分開保存的磁記錄介質(zhì)(硬磁盤片、磁盤組、軟磁盤片等)，最典型的情況是軟磁盤系統(tǒng)，軟磁盤驅(qū)動(dòng)器本身并沒有固定好的軟磁盤片，所用的軟磁盤片通常總是與軟磁盤驅(qū)動(dòng)器分開保存的，要使用時(shí)，把要用的

19、軟磁盤片插入軟磁盤機(jī)中。其實(shí)，在某些硬磁盤系統(tǒng)中，也有把硬磁盤機(jī)與硬磁盤片(組)做成分體結(jié)構(gòu)的，此時(shí)稱這種用法的磁盤系統(tǒng)為活動(dòng)盤系統(tǒng)，而把那些盤、機(jī)固定合一的磁盤系統(tǒng)稱為固定磁盤系統(tǒng)。對(duì)活動(dòng)磁盤系統(tǒng)來說，一個(gè)磁盤機(jī)可以有非常多的磁盤片可用，總的存儲(chǔ)容量不受太多約束，而固定磁盤系統(tǒng)的最大存儲(chǔ)容量，則是由安裝上去磁盤片(組)的存儲(chǔ)容量決定的。(3)磁盤接口電路，是插在主機(jī)總線插槽中的一塊電路卡，用于把磁盤驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)主機(jī)連接為一體系統(tǒng)，

20、接收主機(jī)發(fā)給磁盤的操作命令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖與格式變換，處理主機(jī)與磁盤之間的其它交互作用與時(shí)間上的同步等。一般說來，磁盤機(jī)都有自己的控制器系統(tǒng)，但不同的磁盤機(jī)，在處理磁盤機(jī)本身的控制器與磁盤接口卡之間的功能劃分方面，會(huì)有一些不同的安排。我們還是更傾向于把磁盤接口卡的名字突出出來，而不是籠統(tǒng)地稱其為磁盤控制器(disk controller)。,圖4.29 硬磁盤驅(qū)動(dòng)器的一般組成,(1)主軸及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬磁盤的盤片(組)被固定(或插入后卡在

21、)磁盤機(jī)的主軸上，由主軸帶動(dòng)磁盤勻速旋轉(zhuǎn)， 而磁盤機(jī)的主軸，則是由一個(gè)主電機(jī)通過傳動(dòng)皮帶帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的。主電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須被監(jiān)測和進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。為保證有正常的讀寫信號(hào)，保證浮動(dòng)磁盤頭與磁盤表面有合理的距離，要求磁盤以一個(gè)額定的轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)。因此，必須在剛加電啟動(dòng)時(shí)，檢測磁盤是否已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，通常在未達(dá)到這一轉(zhuǎn)速之前，可以不允許磁頭進(jìn)入磁盤外沿之內(nèi)；在磁盤正常旋轉(zhuǎn)的過程中，還可以用一個(gè)閉環(huán)的自調(diào)節(jié)系統(tǒng)使其轉(zhuǎn)速盡可能的均勻。,1硬磁盤驅(qū)動(dòng)器的

22、組成與功能(1)主軸及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (2)磁頭及其定位系統(tǒng)(3) 數(shù)據(jù)讀寫等控制邏輯部分,(2)磁頭及其定位系統(tǒng)大部分的磁盤系統(tǒng)中，只為每個(gè)磁盤面設(shè)立一個(gè)磁頭，為在磁盤徑向方向的某個(gè)位置(某一磁道)完成讀寫，必須驅(qū)動(dòng)磁頭移到并定位在那里，實(shí)現(xiàn)這一功能的部件被稱為磁頭定位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它由磁頭小車和驅(qū)動(dòng)部件組成，磁頭被安裝在小車上，小車的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)磁頭沿磁盤的徑向方向前進(jìn)或后退。這樣的磁盤系統(tǒng)被稱為活動(dòng)頭磁盤，它的尋找磁道的時(shí)間比較

23、長；也有一些磁盤，出于提高讀寫速度的需要，為每個(gè)磁道分別安裝一（多）個(gè)磁頭，使用的磁頭數(shù)目變多，但取消了磁頭尋找磁道的時(shí)間，這樣的磁盤系統(tǒng)被稱為固定頭磁盤?！　「咝阅艿亩ㄎ或?qū)動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜。軟磁盤和道密度不高(例如每英寸300道)的硬磁盤中，一般選用步進(jìn)電機(jī)，它是用脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，每個(gè)脈沖信號(hào)是磁頭移動(dòng)一個(gè)磁道，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單但速度與定位精度都低。高性能的定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，多采用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)和伺服盤定位，音圈電機(jī)是線性電機(jī)，由提供給

24、它的直流電流的大小控制電機(jī)的活動(dòng)部分(磁頭小車就固定在它的前端)作不同速度的直線運(yùn)動(dòng)。它的高性能(高的運(yùn)動(dòng)速度和定位精度)來自于帶有速度和位置反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。如圖4.30所示。,圖4.30 音圈電機(jī)控制系統(tǒng),浮動(dòng)磁頭的概念:磁頭與記錄信息的磁表面之間的距離，與磁盤記錄密度和讀寫的可靠性有密切聯(lián)系。距離一變大，磁頭漏磁對(duì)磁表面上的磁性材料的作用強(qiáng)度會(huì)變小，顯然會(huì)影響讀寫的可靠性；距離太小，又很容易發(fā)生直接接觸(撞在一起)的

25、危險(xiǎn)，在二者以非常高的速度相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，很容易劃傷盤面或磨壞磁頭；最好的解決方案，當(dāng)然是磁頭本身具有自動(dòng)調(diào)節(jié)它與磁盤表面距離的能力，也就是磁頭在磁表面上方能上上下下的自行浮動(dòng)的能力，這就是浮動(dòng)磁頭的概念。它的實(shí)現(xiàn)是建立"氣墊"原理之上的，即當(dāng)磁頭與磁盤面之間進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)有空氣在二者之間形成一個(gè)薄層的"氣膜"，把磁頭向上抬起，當(dāng)磁頭與磁表面距離變小時(shí)，抬的力會(huì)變大，把磁頭稍稍往上推一點(diǎn)，當(dāng)這一距

26、離變大時(shí)，抬的力會(huì)變小，使磁頭稍稍往下落一點(diǎn)。,(3) 數(shù)據(jù)讀寫等控制邏輯部分要讀寫磁盤上的信息，首先必須給出信息在磁盤設(shè)備上的準(zhǔn)確位置，這個(gè)位置信息通常由哪個(gè)磁盤面(即哪一個(gè)磁頭)，哪一個(gè)磁道的哪一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域(通常為磁道的扇區(qū))等幾部分組成。對(duì)于寫操作，當(dāng)把要用的寫入地址送入磁盤的地址寄存器之后，再把要寫入的數(shù)據(jù)經(jīng)磁盤接口送到磁盤的讀寫控制邏輯電路，經(jīng)過編碼處理(在編碼方式一節(jié)略有說明)，送寫入驅(qū)動(dòng)器再送入選定的磁頭的寫入線圈，把

27、信息串行地寫入選定的磁道中；寫入操作伴有比較完善的出錯(cuò)檢查，并同時(shí)把這些檢查結(jié)果的信息(如CRC碼)也寫在特定的存儲(chǔ)區(qū)，用于讀操作時(shí)復(fù)核讀出結(jié)果的正確性。對(duì)于讀操作，首先使磁頭移動(dòng)到由磁盤地址寄存器指定的存儲(chǔ)區(qū)域，選中的磁頭執(zhí)行讀操作，讀出信號(hào)送讀出放大器，經(jīng)譯碼電路分離出數(shù)據(jù)脈沖，拼裝成字節(jié)或字的格式送入磁盤接口。讀的過程也伴有出錯(cuò)檢查(甚至自動(dòng)糾錯(cuò))操作。,讀寫電路框圖,2磁記錄介質(zhì)--磁盤片上的信息組織　磁盤片是磁存儲(chǔ)器的信

28、息記錄載體。不論是與磁盤驅(qū)動(dòng)器做成為一體的、還是可以分開保存的磁盤片，其信息組織形式是相同的。磁盤片可以是單片結(jié)構(gòu)的，可以只使用它的一個(gè)記錄面，或同時(shí)使用它的兩個(gè)記錄面。軟磁盤片就有單面與雙面兩種磁盤片。硬磁盤片通?？梢允褂闷鋬蓚€(gè)記錄面，在活動(dòng)磁盤系統(tǒng)中用的較多。也可以把多片磁盤片組裝在同一個(gè)軸上，從而構(gòu)成為一個(gè)多片結(jié)構(gòu)的磁盤組，通常用在固定磁盤系統(tǒng)中，這對(duì)于提高磁盤設(shè)備的總存儲(chǔ)容量很有成效，此時(shí)讀這樣的磁盤上的信息時(shí)，必須指出該信息

29、在磁盤的哪個(gè)盤片的哪一記錄面，具體會(huì)表現(xiàn)為選擇多個(gè)磁頭中的哪一個(gè)磁頭(假定對(duì)應(yīng)每個(gè)可用的盤片記錄面各有一個(gè)磁頭)。在同一個(gè)磁盤記錄面上，信息被寫在許多個(gè)同心圓上，每個(gè)同心圓為一個(gè)磁道，不同磁道用磁道號(hào)表示。磁道間的距離為道密度，它與磁頭選擇磁道的定位精度直接有關(guān)，對(duì)固定尺寸(直徑)的盤片，磁道密度與磁盤片的總存儲(chǔ)容量成正比。對(duì)多片結(jié)構(gòu)的磁盤組，不同記錄面上的同一磁道被叫做一個(gè)柱面。在同一個(gè)磁道上，信息被組織為固定大小的區(qū)段，稱為扇區(qū)

30、，即把一個(gè)圓周等分成若干部分，每部分就構(gòu)成一個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)的一個(gè)磁道，用于存儲(chǔ)一定數(shù)目的二進(jìn)制信息(如以字節(jié)數(shù)表示)。扇區(qū)的一個(gè)磁道通常是磁盤進(jìn)行讀寫的最小信息單位。不同扇區(qū)用扇區(qū)號(hào)表示，為此必須有辦法標(biāo)識(shí)一個(gè)磁道的起始位置，以便表明第一個(gè)扇區(qū)的開始。請注意，在一個(gè)磁道上，只有一部分區(qū)域用于記錄有用(外部寫入和用于讀出)的信息，還有很多區(qū)域用于標(biāo)記磁道的開始、結(jié)束、扇區(qū)位置(編號(hào))、磁頭號(hào)等，以及用于保存數(shù)據(jù)校驗(yàn)與糾錯(cuò)處理的冗余信息(

31、常用的是CRC校驗(yàn)碼)，可能還有一些必要的間隙部分。所以一個(gè)磁盤上的可用存儲(chǔ)容量，不是簡單地用磁道數(shù)乘上每個(gè)磁道理論上可寫入的最多信息數(shù)目(可磁化的單元數(shù))決定的。對(duì)一個(gè)磁盤片(組)，在使用之前要進(jìn)行格式化操作，即在每個(gè)磁道上完成區(qū)域劃分，寫入各種標(biāo)記信息，建立標(biāo)明磁盤記錄面使用情況的信息位圖等。磁盤的存儲(chǔ)容量，通常是指在磁盤完成格式化操作之后，留給用戶實(shí)際可用的存儲(chǔ)空間，通常用字節(jié)數(shù)表示。,IBM 3740 8寸軟盤的數(shù)據(jù)記錄格式。,

32、3磁盤接口卡磁盤接口是為了可以把不同型號(hào)的主機(jī)與不同型號(hào)的磁盤設(shè)備連接在一起，構(gòu)成一個(gè)能協(xié)同運(yùn)行的整機(jī)系統(tǒng)所必需的，該卡無疑需要在兩個(gè)方向上有正確的接口關(guān)系?！≡谝粋€(gè)方向上，它需要與主機(jī)正常連通與協(xié)調(diào)運(yùn)行，主要是與主機(jī)系統(tǒng)的總線打交道，CPU要發(fā)送數(shù)據(jù)與命令，接收數(shù)據(jù)與取得設(shè)備(接口)運(yùn)行裝態(tài)等，都要經(jīng)過總線完成，而接口卡正是插在主機(jī)總線插槽上的一塊線路板。在另一個(gè)方向上，它需要與磁盤設(shè)備連通并協(xié)調(diào)運(yùn)行。磁盤設(shè)備通常有自己的控制器

33、，以確保磁盤設(shè)備本身有比較好的獨(dú)立性和完備性。但不同磁盤的控制器所提供的功能并不一致，有些功能可以在磁盤本身的控制器中提供，也可能把它劃分在磁盤的接口卡中實(shí)現(xiàn)。顯而易見，不同廠家、型號(hào)的磁盤設(shè)備，會(huì)用不同的接口卡與指定的計(jì)算機(jī)主機(jī)接通，隨意配接往往是行不通的。,磁盤接口卡與磁盤控制器的功能劃分,其中ST506是美國 Seagate Technology 公司1980年為5.25英寸的 ST506小型溫盤研制的，以后其他一些公司在微機(jī)中也

34、采用了這一標(biāo)準(zhǔn)。它把磁盤讀寫等邏輯電路主要?jiǎng)澐衷诮涌诳ㄉ希疟P驅(qū)動(dòng)器部分主要保留了寫入放大器與讀出放大器電路。采用MFM編碼和步進(jìn)電機(jī)定位機(jī)構(gòu)尋道。ESDI(Enhanced Small Device Interface)，即增強(qiáng)型小型設(shè)備接口，是一種更通用的磁盤接口，也能接磁帶和光盤設(shè)備，具有5Mb/s和10Mb/s兩種傳送率。它把數(shù)據(jù)的編碼、譯碼部分拿到了磁盤驅(qū)動(dòng)器中，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，數(shù)據(jù)傳送采用不歸零制(NRZ)，驅(qū)動(dòng)器

35、也可以采用其它編碼標(biāo)準(zhǔn)，支持步進(jìn)方式(以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu))和連續(xù)方式(即以音圈電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu))兩種尋道方式。SCSI(Small Computer System Interface)，即小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口，是當(dāng)前最流行的小型機(jī)和微型機(jī)中的總線標(biāo)準(zhǔn)，有SCSI-1，SCSI-2和SCSI-3等幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，許多磁盤接口卡可以連接到SCSI總線上，能連接8位、16位或32位的多種設(shè)備。,光盤設(shè)備的組成與運(yùn)行原理光盤設(shè)備(Optical

36、Disk) 是利用激光照射圓形盤體完成信息讀寫的設(shè)備。它的特點(diǎn)是存儲(chǔ)密度高，容量大，非接觸式讀寫，工作可靠性好，價(jià)格便宜，因此在當(dāng)前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用?！　∧壳氨粡V泛應(yīng)使用的，主要有3種類型的光盤。第1種是只讀光盤，它上面的信息是由計(jì)算機(jī)廠家提供的，只供用戶執(zhí)行讀操作，被稱為CD-ROM(Compact Dsik-ROM)。第2種是一次型寫光盤WORM(Write Once,Read Many)，它上面的信息可以由用戶用寫光

37、盤機(jī)寫入，寫入后則不能再修改，是備份數(shù)據(jù)的有效手段。第3種是可擦寫型光盤，多是用激光照射特定的磁性材料介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的，它上面的信息可以被多次地寫讀，這種設(shè)備價(jià)格比較貴，目前使用的普及程度較差?！∫詫懸淮涡凸獗P為例，來說明光盤設(shè)備的組成與讀寫原理。寫一次型光盤設(shè)備由光盤機(jī)和盤片組成。光盤機(jī)由主軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，讀寫光頭和尋道定位機(jī)構(gòu)，激光器、光束分離器和光聚焦鏡等組成。光盤是圓形的、用于記錄信息的盤片，由基板、鋁質(zhì)反射層和薄金屬膜三層結(jié)構(gòu)組成，

38、基板提供合適的機(jī)械性能，反射層用于反射接收到的激光信號(hào)，而金屬膜則是記錄信息（區(qū)分"0""1"信號(hào))的介質(zhì)，即在比較強(qiáng)的激光照射下，它被融化出小洞，從而會(huì)改變照射到它上面的激光的反射強(qiáng)度。 激光器多為氣體（或半導(dǎo)體）激光器，它可以產(chǎn)生一定亮度(強(qiáng)度)的激光束，是光源部件。光束分離器把接收到的激光束分成為寫光束和讀光束兩部分。調(diào)制器用于控制是否要讓寫光束通過。寫光束要通過跟蹤反射鏡和聚焦鏡實(shí)現(xiàn)尋道

39、定位，把寫光束聚焦為很細(xì)的光束打到指定的光盤位置，從而在那里融出一個(gè)小于1l的一個(gè)小坑，表示已完成1個(gè)1信號(hào)的寫入操作。讀出時(shí)，讀光束也會(huì)照射到指定的光盤位置，但它的能量很弱，不會(huì)改變金屬膜的反射特性，只會(huì)把所照到之處有無小坑通過反射光的強(qiáng)弱表現(xiàn)出來，反射回來的光被送到光敏二極管，從而確定讀出來的是"1"信號(hào)還"0"信號(hào)。由于金屬膜的反射特性，一旦被破壞了就不能再恢復(fù)，所以這種類型的光盤只能被寫一

40、次。,,,,,磁盤陣列技術(shù)與容錯(cuò)支持作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)外存儲(chǔ)器的主要支柱設(shè)備，磁盤的容量、讀寫速度、價(jià)格和容錯(cuò)支持，一直是人們致力解決的問題。過去很長一段時(shí)間，研究工作多集中在提高、改善單個(gè)個(gè)體磁盤機(jī)的性能方面，因?yàn)榇纳频男阅?、要做的技術(shù)工作都有較大的選擇余地，這些工作也確實(shí)取得了巨大成績，極大地推動(dòng)了磁盤的普及應(yīng)用。但這是不是解決問題的唯一途徑呢？顯然不是，另外一個(gè)可行途徑，是使用統(tǒng)一管理的由多個(gè)磁盤組成的磁盤陣列，最早是由美國的一

41、個(gè)科研小組提出來并很快成為被工業(yè)界廣泛接受的一項(xiàng)技術(shù)。這一技術(shù)的著眼點(diǎn)，還是通過多個(gè)磁盤設(shè)備的并行操作來提高設(shè)備總體的性能和可靠性。顯而易見，如果一個(gè)磁盤有x MB的容量，單位時(shí)間提供y MB的傳送能力，則概念上講，n個(gè)這樣的磁盤就有n%x MB的容量，n%y MB的傳送能力，換句話說，要讀出y MB的數(shù)據(jù)，所用的平均時(shí)間只要原來單個(gè)磁盤所用時(shí)間的1/n；還有一點(diǎn)好處是，通過合理地在多個(gè)磁盤之間組織數(shù)據(jù)，可以得到比較理想的容錯(cuò)能力，這

42、指的是，額外拿出一定的存儲(chǔ)容量（冗余），用于保存檢錯(cuò)糾錯(cuò)的信息。從總體價(jià)格上考慮，使用多個(gè)磁盤也并不會(huì)給用戶帶來太大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，科研組在提出這一技術(shù)思路時(shí)，用的詞為Redundancy Arrays of Inexpensive disks (縮寫為RAID)，但到了工業(yè)界，卻更愿意把這里的Inexpensive換成Industry，在原來技術(shù)概念的基礎(chǔ)上加上點(diǎn)商業(yè)味道。,圖4.37 磁盤陣列,為統(tǒng)一管理磁盤陣列，使用戶所感覺到的

43、不再是多個(gè)物理盤，似乎就是一個(gè)性能更高的單個(gè)磁盤，就要使用一塊特定的接口卡（一般稱為RAID卡，陣列控制卡），把組成陣列的多個(gè)物理（實(shí)際）磁盤連接為一個(gè)邏輯整體，這被稱為一個(gè)邏輯磁盤。該卡的一端將被插接到高速的SCSI總線或PCI總線的插槽中，以便與計(jì)算機(jī)主機(jī)接通，另外一端有1到3個(gè)接插頭，通過電纜與1到3組磁盤設(shè)備連接，每組可有串行連接在一起的1到7物理磁盤。該卡是一個(gè)有較強(qiáng)智處理能力的接口電路，上面有一個(gè)單片計(jì)算機(jī)，形成奇偶校驗(yàn)信息

44、的機(jī)構(gòu)，分析與處理主機(jī)CPU發(fā)送來的讀寫磁盤命令的機(jī)構(gòu)，有起緩沖作用的DRAM存儲(chǔ)器（又被成為陣列加速器，幾MB到幾十MB容量，分成兩個(gè)體以鏡像方式運(yùn)行，還有專用的后備電池支持）等幾個(gè)組成部分。系統(tǒng)能通過該卡對(duì)連接到卡上的多個(gè)磁盤，按用戶的使用要求，靈活地配置為不同的使用和容錯(cuò)方式。陣列磁盤運(yùn)行過程中，有兩項(xiàng)重要技術(shù)對(duì)磁盤系統(tǒng)的運(yùn)行性能產(chǎn)生較大影響。一個(gè)是并發(fā)命令請求和命令排隊(duì)，就是說CPU可以向磁盤設(shè)備發(fā)送多條命令，陣列卡會(huì)對(duì)這些命

45、令進(jìn)行排隊(duì)管理，并使多個(gè)命令得以并發(fā)處理；如果在處理命令的時(shí)候，還能進(jìn)行某些性能優(yōu)化，而不是機(jī)械地按命令到來的先后次序處理，還可以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)讀寫的速度，最簡單的例子，對(duì)兩個(gè)等待讀操作的命令，磁頭先到達(dá)哪一個(gè)命令的數(shù)據(jù)扇區(qū)，就先執(zhí)行哪一個(gè)命令，這在磁盤本身的控制器部分來處理可能更方便。另外一項(xiàng)技術(shù)是設(shè)備的快速接入和斷開，即當(dāng)一個(gè)占據(jù)了總線的磁盤開始執(zhí)行一個(gè)讀命令，數(shù)據(jù)又尚未準(zhǔn)備好時(shí)，它應(yīng)快速地暫時(shí)把自己從總線上斷離出來，以便使另外正急

46、于使用總線的磁盤可能搶到總線，從而提高總線的使用效率和系統(tǒng)性能；當(dāng)這個(gè)磁盤準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)保證它能把自己盡快地接通到總線上去（得到總線的使用權(quán)）。這實(shí)質(zhì)上是把占用總線的時(shí)間壓縮到盡可能短的一項(xiàng)處理技術(shù)?！∠旅娼榻B一下陣列磁盤對(duì)容錯(cuò)的支持情況。,合理地把一個(gè)文件的內(nèi)容劃分為"塊"并寫到組成一個(gè)邏輯磁盤的多個(gè)物理磁盤中去，再采取適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)措施，不僅可以提高數(shù)據(jù)讀寫的速度，而且可以大大增加磁盤系統(tǒng)工作的可靠性，

47、就是說使該磁盤系統(tǒng)具有很好的容錯(cuò)能力。提出這一技術(shù)思路的研究人員把這一容錯(cuò)劃分成6種模式，又經(jīng)常被說成6級(jí)容錯(cuò)，分別叫作RAID0、RAID1…、RAID4、RAID5。其中的RAID2方案與磁盤設(shè)備本身的工作特性不完全符合，RAID3要求多個(gè)物理磁盤同速并保持相關(guān)扇區(qū)同步，難以得到好的性能/價(jià)格比，采用的較少，其他4種已被工業(yè)界廣泛接受并在一些產(chǎn)品中得到實(shí)際應(yīng)用。 RAID0模式，是指把一個(gè)文件的數(shù)據(jù)分成容量相等（例如16KB）