组成原理(十六)：外部设备

1、外部设备的概述

　　中央处理器(CPU) 和 主存储器(MM) 构成计算机的主机。除主机外，围绕主机设置的各种硬件装置称为外部设备或外围设备。主要用来完成数据的输入、输出、成批存储以及对信息加工处理的任务。

1.1、外部设备的分类

　　输入输出设备，向计算机输入信息的外部设备称为输入设备；接收计算机输出信息的外部设备称为输出设备。

　　辅助存储器，主机以外的存储装置，又称后援存储器。辅助存储器的读写，本质就是输入或输出。

　　终端设备，由输入设备、输出设备和中断控制器组成，通常通过通信线路与主机相连。终端一般分为通用终端设备和专用终端设备两大类。

1.2、外部设备的地址及作用

　　外部设备是人际对话的通道；

　　外部设备是完成数据媒体变换的设备；

　　外部设备是计算机系统软件和信息的驻在低；

　　外部设备是计算机在各领域应用的桥梁。

2、磁介质存储器的性能和原理

　　磁介质存储器的存储过程是一种电磁转换的过程。

2.1、磁介质存储的读写

2.1.1、磁记录介质和磁头

　　磁记录介质，在磁介质存储器中，信息是记录在一薄层磁性材料上的，这个薄层称为磁层。磁层与所附着的载体称为记录介质或记录媒体。载体由非磁性材料制成，可分为软质载体和硬质载体，软质载体一般为聚酯薄膜材料，硬质载体一般为铝合金片。

　　磁头，磁头是记录设备的关键部件之一，是一种电磁转换元件，能把电脉冲表示的二进制代码转换成磁记录介质上的磁化状态，电 → 磁 转换；反过来，能把cijilu介质上的磁化状态转换成电脉冲，即 磁 → 电 转换。

　　读写时，按磁头与磁记录介质之间的接触与否，可分为接触式磁头与浮动式磁头。

　　在磁带和软盘中，由于是软质载体，只能采用接触式磁头。会因磨损而降低磁头与记录介质的使用寿命；

　　在硬盘中，由于是硬质载体，必须尽量减少磨损，采用浮动式磁头，硬盘读写时，盘片高速旋转，带动盘面表层气流形成气垫，使质量很轻的磁头浮起，与盘面之间保持一个极小的间隙，磁头不你那个与盘面直接接触。

　　在读写过程中，磁记录介质和磁头之间相对运动，一般是记录介质运行而磁头不动。

2.1.2、写入过程

　　在写磁头线圈中通以一定方向的写电流，所产生的的磁通将从磁头的头隙进入记录介质，然后流回磁头，形成一个回路，于是在磁头下方的一个局部区域被磁化，形成一个磁化单元(或称记录单元)，磁通将进入的一侧为S极，流出的一侧为N极。

　　

　　在写磁头线圈中通以正、负两个不同方向的写电流，会产生两种不同的剩磁状态，正好对应二进制信息的"1"或"0"。

2.1.3、读出过程

　　读出时，读磁头线圈不加外电流，当某一磁化单元运动到读磁头下方时，使得磁头中流过的磁通有很大的变化，于是在读磁头线圈两端产生感应电动势e。

　　e的极性与磁通变化的极性相反，当磁通由小到大变化时，在读磁头线圈中感应产生一个负脉冲，当磁通由大到小变化时，则感应产生一个正脉冲。

2.2、磁介质存储器的技术指标

2.2.1、记录密度

　　记录密度又称存储密度，是指磁介质存储器上单位长度或单位面积所存储的二进制信息量。通常以道密度和位密度表示，也可用两者的乘积 - 面密度来表示。

　　道密度，横向密度，是指垂直与磁道向上单位长度中的磁道数目。磁道指的是磁头写入磁场在记录介质上形成的磁化轨迹，为避免干扰，磁道和磁道间需保持一定的距离，相邻量一熬磁道中心线之间的距离成为道距。

　　位密度，纵向密度，是指沿磁道方向上单位是长度中所记录的二进制信息的位数。

2.2.2、存储容量

　　存储容量是指整个磁介质存储器所能存储的二进制信息的总量，一般以字节为单位表示，与存储介质的尺寸和记录密度直接相关。

　　磁介质存储器的存储容量有非格式化容量和格式化容量两种指标。

　　非格式化容量是指磁记录介质上全部的磁化单元数；格式化容量是指用户实际可以使用的存储容量。

2.2.3、平均存取时间

　　在磁介质存储器中，当磁头接到读写命令后，从原来的位置移动到指定位置并完成读写操作的事件称为存取时间。

　　对于采用直接存取方式的磁盘存储器来说，存取时间包括4个部分：

　　寻道时间或定位时间，磁头从原先位置移动到目的磁道所需要的事件；

　　旋转时间或等待时间，在到达目的磁道后，等待被访问的记录块旋转到磁头下方的等待时间；

　　传输时间，信息的读写操作时间；

　　磁盘控制器的开销。

2.2.4、数据传输率

　　磁介质存储器在单位时间内向主机传送的数据的位数或字节数，称为数据传输率Dr，单位为b/s或B/s。传输速率Dr正比与记录密度D和磁记录介质通过磁头时的速度v，即Dr = D * V。

2.2.5、误码率

　　衡量磁介质存储器出错概率的参数，等于读出信息位数和读出总的信息位数之比。

3、磁介质存储设备

　　磁介质存储器主要包括硬盘存储器、软盘存储器和磁带存储器。

　　硬盘存储器的记录载体是硬质材料，软盘存储器和磁带存储器的记录载体是软质材料。

3.1、硬盘储存器的基本结构与分类

　　磁盘存储器的硬件包括硬盘控制器(适配器)、硬盘驱动器以及连接电缆。

　　硬盘控制器(HDC)对硬盘进行管理，并在主机和硬盘之间传送数据；硬盘驱动器(HDD)中有盘片、磁头、主机电机、磁头定位机构、读写电路和控制逻辑。

　　根据头-盘是否是一个密封的整体，硬盘存储器可分为温彻斯特盘和非温彻斯特盘。温彻斯特盘将磁头、盘片、磁头定位机构、主轴，及读写驱动电路等都被封在一个盘盒内，构成一个头-盘组合体。

　　根据磁头是否可移动，硬盘存储器可分为固定头硬盘和活动头硬盘。固定头硬盘，每个磁道对应一个磁头；活动头硬盘，每个盘面只有一个读写头，安装在读写臂上，当需要在不同磁道上读写时，要驱动读写臂沿盘面作径向移动。

3.2、硬盘驱动器

　　目前常用的硬盘驱动器是活动头的温彻斯特盘，简称温盘。

3.2.1、磁头

　　温盘的磁头采用接触启停式。接触式启停，是指在读写操作时磁头浮空，不与盘面记录区相接触。以免划伤记录区。由于磁头的浮起要依靠盘片高速旋转时产生的起点浮力，因此在启动前和停止后，磁头将仍与盘面接触、

　　在盘面记录区与轴心之间有一段空白区，被当做启停区或着陆区。未启动前及停止后，磁头停在启停区，与盘面接触。当盘片旋转并达到额定转速时，气垫浮力使磁头浮起并达到所需的浮动高度，然后将磁头向外移至0号磁道，准备寻道。当读写工作完毕后，必须先将磁头移至启停区，盘片减速至静止，相应的磁头着陆，然后才能关机。

3.2.2、磁头定位系统

磁头定位系统驱动磁头验证盘面径向移动寻道并精确定位。

　　1、硬盘驱动器启动过后，或中途寻道出错后，要使磁头准确的回到0号磁道，以等待寻道命令；

　　2、快速、准确的将磁头移到指定磁道的中心位置；

　　3、当硬盘驱动器发生故障或掉电后，要使磁头迅速退出盘面数据区，以保护盘面免受擦伤。

3.3、磁盘的信息分布和磁盘地址

3.3.1、硬盘的信息分布

　　硬盘的信息分布：记录面、圆柱面、磁道和扇区。

　　

　　记录面，一台硬盘驱动器中有多个盘片，每个盘片有两个记录面，每个记录面对应一个磁头，所以记录面号就是磁头号，如(a)。

　　磁道，在记录面上，一条条磁道形成一组同心圆，最外圈的磁道为0号，往内则磁道号逐步增加，如(b)。

　　圆柱面，在一个盘组中，各记录面上相同编号(位置)的诸磁道构成一个圆柱面。引入圆柱面是为了提高硬盘的存取速度，如(c)。

　　扇区，一条磁道划分为若干段，每个段称为一个扇区或扇段，每个扇区存放一个定长的信息块，如(b)。

3.3.2、磁盘地址

　　主机向磁盘控制器送出有关寻址信息，磁盘地址一般表示为：驱动器号、圆柱面(磁道)号、记录面(磁头)号、扇区号。

　　主机通过一个硬盘控制器连接几台硬盘驱动器，需要送出驱动器号。调用磁盘常以文件为单位，故寻址信息一般应当给出文件起始位置所在的圆柱面号与记录面号(确定具体磁道)、起始扇区号，并给出扇区数(交换量)。

3.4、硬盘存储器的主要性能指标

　　硬盘容量，硬盘容量越大越好；

　　硬盘转速，硬盘主轴的旋转速度决定硬盘内部传输率的关键因素之一，硬盘转速以每分钟多少转(RPM)来表示，RPM值越大，内部传输率就越快；

　　道密度；

　　平均存取时间，又称平均访问时间，是指磁头从起始位置到达目标磁道位置，并且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需要的时间，包括硬盘的寻道时间和等待时间。硬盘的寻道时间是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需要的时间。

　　硬盘的等待时间又称潜伏期，是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。平均等待时间为盘片旋转一周所需要的时间的一半。

　　缓存，硬盘控制器上的一块内存芯片，具有极快的存取速度，是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器。

　　数据传输率，分为内部传输率和外部传输率，内部传输率也称为持续传输率，指的是磁头与硬盘缓存之间的数据传输率，主要依赖于硬盘的旋转转速。外部数据传输率也称为1突发数据传输率，指的是系统总线与硬盘缓存之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和缓存大小有关。

3.5、硬盘的分区域记录

　　每个磁道有相同数量的扇区：

　　　　

　　分区域记录技术可以增加硬盘驱动器的容量。分区域记录是把磁盘柱面分成一系列的组，又称区域(Zoned)。由于外圈磁道有更长的周长，所以外层磁道要比内层磁道包含更多的扇区，外圈磁道上保存的信息比内圈磁道多。

　　

　　分区域记录的另一个影响是数据传输速率随磁头所处的区域而变化。分区域驱动器以恒定速度旋转，因外层区域每磁道有更多的扇区，所以数据传输速率较内层更快，这就是驱动器标注最小和最大连续传输速率的原因，因为传输速率取决于磁头读写的位置。

3.6、硬盘的NCQ技术

　　NCQ(Native Command Queuing，全速命令排队)技术，通过对内部队列中的命令进行重新排序实现智能数据管理，避免同传统硬盘机械的按照接收命令的先后顺序移动磁头读写硬盘的不同位置，从而减少磁头反复移动带来的损耗。

硬盘寻址的过程：

　　1、寻找目标圆柱面；

　　2、寻找目标盘面；

　　3、寻找目标扇区。

对于支持NCQ技术的硬盘对接收到的命令按照它们访问的地址距离进行重排列，对硬盘机械动作的执行过程实施智能化的内部管理，减少磁头臂来回移动的时间。

4、光盘存储器

　　光盘存储器由光盘控制器和光盘驱动器及接口组成，光盘控制器主要包括数据输入缓冲器、记录格式器、编码器、读出格式器和数据输出缓冲器等。

　　光盘驱动器主要包括主轴电机驱动机构、定位机构。光头装置及电路。光头装置是驱动器的关键部分。

　　光盘片，是指整个盘片，盘片主要包括基板、记录层、反射层、保护层、印刷层5层。

　　基板一般采用聚碳酸晶片制成；记录层又称染料层，供激光记录信息；反射层是反射激光光束的区域，借反射的激光光束读取光盘片中的信息；保护层用来保护光盘中的反射层和记录层，防止信息被破坏。

4.1、CD-ROM光盘的读取

　　CD-ROM光盘有一条从内向外的由凹痕和平坦表面相互交替而组成的连续的螺旋形路径。

　　

　　数据和程序是以刻痕的形式保存在盘片上，当一束激光照射在盘面上，靠盘面上有无凹痕的不同反射率来读出程序和数据。

　　程序和数据文件是按内螺旋线的规律顺序存放在盘上，不能像磁盘驱动器那样读取文件的每个扇区，所以读出速度较慢。

　　当光驱读取这些盘片时，激光头射出的激光束在穿过透明基片后，直接聚焦在盘片反射层上，被反射回来的激光会被光感应器检测到。每当激光透过凹痕时光强会发生变化，代表读取到数据"1"；而激光通过平坦表面时光强不发生变化，代表读取到数据"0"。

　　光驱的信号接收系统则负责把这种光强的而变化装换成相应的电信号再传送到系统总线，从而实现数据的读取。

4.2、CD-RW光盘的读写原理

　　CD-RW光盘利用激光照射引起记录介质的可逆性物理变化来进行读写，光盘上有一个相位变化刻录层，CD-RW光盘也称为相变光盘。

　　相变光盘的读写原理是利用存储介质的京态、非晶态可逆转换，引起对入射激光束不同强度的反射(或折射)，形成信息一一对应关系。

　　写入时，利用高功率的激光聚焦于记录介质表面的一个微小区域内，使晶态在吸热后置熔点，并在激光束离开瞬间骤冷转变为非晶态，信息即被写入。

　　读出时，由于晶态和非晶态对入射激光束存在不同的反射和折射率，利用已记录信息区域的反射与周围未发生晶态改变区域的反射之前存在着明显反差效应，将所记录的信息读出。

　　擦除时，利用适当波长和功率的激光作用于记录信息点，使该点温度介于材料的熔点和非晶态转变温度之间，使之产生重结晶而恢复到晶态，完成擦除功能。