[计算机组成原理] 第四章 存储器系统 Part3

第四章 存储器系统 Part 3

4.15 辅助存储器

辅助存储器作为主存的后援存储器用来存放当前CPU暂时不用的程序和数据，是外部设备的一种

特点: 容量大, 成本低, 可以脱机保存信息

目前主要分为2类

(1) 磁表面存储器

(2) 光存储器

4.16 磁表面存储器

4.16.1 基本原理

将某些磁性材料均匀地涂敷在载体的表面上, 形成0.3~5$\mu m$的磁层, 将信息记录在磁层上

(利用磁性材料在不同磁场反向下, 会形成两种稳定的剩磁状态记录信息)

4.16.2 名词术语

记录介质

磁层及其所附着的载体

磁带

载体为带状, 一般由聚酯塑料制成

磁盘

载体为盘状, (1) 硬盘 , 由合金材料制成 (2) 软盘, 由塑料制成

磁头

磁表面存储器的读写元件, 由高导磁率材料制成的电磁铁, 绕有读写线圈, 可通不同方向电流

铁芯上有一个缝隙, 用玻璃等非磁性材料填充, 称为**“头隙”**

"读": 利用磁头判别磁盘中的不同磁化状态(磁头磁层发生磁通变化产生感应电动势, 再经放大电路)

"写": 写线圈中通不同方向的脉冲电流, 磁层被磁化成相应极性的磁化单元或磁化位

写磁头

用于写入信息的磁头

读磁头

用于读出信息的磁头

复合磁头

即可写入, 又可读出的磁头

4.16.3 磁记录方式

形成不同写入电流的方式

目的: 在写磁头线圈中加入什么样的写入电流波形, 才能写入所要求的二进制数字信息

归零制(RZ) “return zero”

规则: 记录"1", 加正向写入电流脉冲. 记录"0", 加负向写入电流脉冲, 每写入一个信息, 电流归零

特点： 控制简单, 但记录密度低, 抗干扰能力差

不归零制(NRZ)“not return zero”

规则: 记录"1", 加正向写入电流脉冲. 记录"0", 加负向写入电流脉冲. 但是"见变就翻"的不归零

特点: 抗干扰能力好

不归零-1制(NRZ-1)

规则: 写"1"时, 写入电流改变一次方向. 写"0"时, 写入电流维持不变

特点: 用于低速磁带机

调相制(PM PE)“phase modulation”

规则: 记录"0"时, 写入电流在中间位置"上升"(负到正). 记录"1"时, 写入电流在中间位置"下降"(正到负)

特点: 曼彻斯特码, 用于磁带机

调频制(FM)“frequency modulation”

规则: 写"1"时, 写入电流在中间位置改变一次方向. 写"0"时, 写入电流维持不变

在两位周期交界处, 写入电流总要改变一次方向

特点: 记录"1"时, 翻转频率是记录"0"的两倍, 所以被称为"倍频制"

用于早期单密度磁盘

改进调频制(MFM)“modified frequency modulation”

规则: 写"1"时, 写入电流在中间位置改变一次方向. 写"0"时, 写入电流维持不变

若连续写多个0, 则在两个0周期交界处, 写入电流改变一次方向

特点: 用于双密度磁盘

磁记录方式评价标准

自同步能力

从读出的脉冲信号序列中提取同步时钟的能力

同步信号: 从读出信号中分离数据信息所需的时间基准信号

外同步: 从专门设置用来记录同步信号的磁道中取得

内同步: 直接从读出信号中提取同步信号

NRZ, NRZ-1: 无自同步能力

PM, FM, MFM: 有自同步能力

$$同步能力R=\frac{最小磁化翻转间隔}{最大磁化翻转间隔}$$

$R_{FM}$ = 0.5, $R_{PM}$=0.5, $R_{MFM}$=0.66

编码效率

$$编码效率\eta =\frac{位密度}{最大磁化翻转密度}$$

4.17 磁盘存储器

4.17.1 磁盘分类

4.17.2 逻辑结构

磁盘驱动器

旋转轴驱动部件, 磁头定位部件, 读/写电路, 数据传送电路

磁盘控制器

可控制多台驱动器

任务: 接受主机发送的命令数据, 转化为驱动器的控制命令和数据格式 + 控制驱动器读写操作

盘片

存储信息的介质

盘片组最上面和最下面不做记录作为保护面

4.17.3 结构, 记录格式, 读写(重要)

磁盘编址 = 圆柱面号 + 盘面号 + 扇区号

索引: 磁道的起始位置(在盘面上设置缺口或孔, 通过光敏元件, 每转一圈产生一个索引脉冲和若干个扇标脉冲)

如果有多个驱动器

磁盘编址 = 驱动器号 + 圆柱面号 + 盘面号 + 扇区号

扇段记录格式 = 头空 + 序标 + 数据(512字节) + 校验字 + 尾空

4.17.4 磁盘存储器技术指标

存储容量C

$$非格式化容量C=n\times T\times S\times B$$

$$n为盘面数,T为盘面磁道数,S磁道扇段数,B为扇段字节数(512B)$$

格式化容量为非格式化容量的0.6-0.7

平均存取时间

$$平均存取时间=平均磁道定位时间+旋转等待时间+读写操作时间+控制延时时间$$

$$旋转等待时间=磁盘旋转半圈的时间$$

$$读写操作时间=传输一个扇区数据所需时间=512B/数据传输率$$

数据传输率

单位时间内磁盘存储器所能传送的数据量

位密度(线密度)

沿磁道方向单位长度能存储的二进制位数(位/英寸)

道密度

沿磁道径向单位长度的磁道数(道/英寸)

面密度

位密度*道密度