计算机组成原理 第三章（存储器）—第五节（辅助存储器）

写在前面：

1. 本系列笔记主要以《计算机组成原理（唐朔飞）》为参考，大部分内容出于此书，笔者的工作主要是挑其重点展示，另外配合下方视频链接的教程展开思路，在笔记中一些比较难懂的地方加以自己的一点点理解（重点基本都会有标注，没有任何标注的难懂文字应该是笔者因为强迫症而加进来的，可选择性地忽略）。

2. 视频链接：计算机组成原理（哈工大刘宏伟）135讲（全）高清_哔哩哔哩_bilibili

一、概述

1、辅助存储器简介

（1）辅助存储器作为主存的后援设备，又称外部存储器，简称外存，它不直接与CPU交换信息，它与主存一起组成了存储器系统的主存-辅存层次。

（2）与主存相比，辅存具有容量大、速度慢、价格低、可脱机（掉电）保持信息等特点，属“非易失性”存储器；而主存具有速度快、成本高、容量小的特点，而且大多由半导体芯片构成，所存信息无法永久保存，属“易失性”存储器。

（3）目前，广泛用于计算机系统的辅助存储器有硬磁盘、软磁盘、磁带、光盘等，前三种均属于磁表面存储器。磁表面存储器是在不同形状（如盘状、带状）的载体上涂有磁性材料层，工作时，靠载磁体高速运动，由磁头在磁层上进行读/写操作，信息被记录在磁层上，这些信息的轨迹就是磁道（下图中左图为磁盘，右图为磁带）。

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2、磁表面存储器的主要技术指标

（1）存储容量：一个磁盘所能存储的字节总数或者二进制数据位数称为存储容量。

①以磁盘存储为例，其存储容量为，其中C为存储容量，n为存放信息的盘面数，k为每个盘面的磁道数，s为每条磁道上记录的二进制代码数。

②磁盘容量有非格式化容量和格式化容量之分，非格式化容量是指磁记录表面可以利用的磁化单元总数，格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，即用户可以使用的容量。

（2）记录密度：记录密度是指盘片单位面积上记录的二进制的信息量，通常以道密度、位密度和面密度表示。

①道密度是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数。

②位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数。

③面密度是位密度和道密度的乘积。

（3）平均寻址时间：磁盘采取直接存取方式，寻址时间分为两部分，其一是磁头寻找目标磁道的找道时间，其二是找到磁道后磁头等待欲读/写的磁道区段旋转到磁头下方所需要的等待时间，由于从最外圈磁道找到最里圈磁道和寻找相邻磁道所需的时间是不等的，而且磁头等待不同区段所花的时间也不等，因此取其平均值称为平均寻址时间，它是平均找道时间和平均等待时间之和。

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（4）数据传输率：数据传输率是指单位时间内磁表面存储器向主机传送数据的位数或字节数，它与记录密度和记录介质的运动速度有关。

（5）误码率：误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数，它等于从辅存读出时出错信息位数和读出信息的总位数之比。（为了减少出错率，磁表面存储器通常采用循环冗余码来发现并纠错）

3、磁表面存储器的优缺点

（1）优点：

①存储容量大，位价格低。

②记录介质可以重复使用。

③记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档。

④非破坏性读出，读出时不需要再生。

（2）缺点：

①存取速度慢。

②机械结构复杂。

③对工作环境要求较高。

二、磁记录原理和记录方式

1、磁记录原理

（1）写入过程：

        写入时，记录介质在磁头下方匀速通过，根据写入代码的要求，对写入线圈输入一定方向和大小的电流，使磁头导磁体磁化，产生一定方向和强度的磁场。由于磁头与磁层表面间距非常小，磁力线直接穿透磁层表面，将对应磁头下方的微小区域磁化（称为磁化单元）。可以根据写入驱动电流的不同方向，使磁层表面被磁化的极性方向不同，以区别记录“0”或“1”。

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（2）读出过程：

        读出时，记录介质在磁头下方匀速通过，磁头相对于一个个被读出的磁化单元作切割磁力线的运动，从而在磁头读线圈中产生的感应电势，其方向正好和磁通的变化方向相反。由于原来磁化单元的剩磁通的方向不同，感应电势方向也不同，便可读出“1”或“0”两种不同的信息。

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2、记录方式

        磁记录方式又称编码方式，它是按某种规律将一串二进制数字信息变换成磁表面相应的磁化状态，常用的记录方式有六种，如下图所示。

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三、硬磁盘存储器

1、硬磁盘存储器的类型

（1）按磁头的工作方式可将其分为固定磁头磁盘和移动磁头磁盘。

①固定磁头的磁盘存储器，其磁头位置固定不动，磁盘上的每一个磁道都对应一个磁头，盘片也不可更换，其特点是省去了磁头沿盘片径向运动所需寻找磁道的时间，存取速度快，只要磁头进入工作状态即可进行读/写操作。

②移动磁头的磁盘存储器在存取数据时，磁头在盘面上做径向运动，这类存储器可以由一个盘片组成，也可由多个盘片装在一个同心主轴上，每个记录面各有一个磁头（盘的上下两面都可使用）。

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（2）按磁盘是否具有可换性可将其分为可换磁盘存储器和固定磁盘存储器。

①可换盘磁盘存储器是指盘片可以脱机保存，这种磁盘可以在互为兼容的磁盘存储器之间交换数据，便于扩大存储容量。

②固定盘磁盘存储器是指磁盘不能从驱动器中取下，更换时要把整个头盘组合体一起更换。

（3）温切斯特磁盘是一种可移动磁头固定盘片的磁盘存储器，简称温盘，它是目前（2020年）用得最广、最具代表性的硬磁盘存储器。

2、硬磁盘存储器的结构

（1）一块硬盘含有若干个记录面，每个记录面划分为若干条磁道，而每条磁道又划分为若干个扇区，扇区（也称块）是磁盘读写的最小单位，也就是说磁盘按块存取。

①磁头数，即记录面数，表示硬盘总共有多少个磁头，磁头用于读取/写入盘片上记录面的信息，一个记录面对应一个磁头。

②柱面数，表示硬盘每一面盘片上有多少条磁道。在一个盘组中，不同记录面的相同编号（位置）的诸磁道构成一个圆柱面。

③扇区数，表示每一条磁道上有多少个扇区。

（2）硬磁盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和盘片三大部分构成。

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①磁盘驱动器：主机外的一个独立装置，又称磁盘机。

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②磁盘控制器：其作用是接收由主机发来的命令，将它转换成磁盘驱动器的控制命令，实现主机和驱动器之间的数据格式转换和数据传送，并控制驱动器的读/写，可见磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口。

[1]磁盘控制器包含一个对主机的接口，称为系统级接口，它通过系统总线与主机交换信息。

[2]磁盘控制器还包含一个对硬盘的接口，称为设备级接口，它接收主机的命令以控制设备的各种操作。

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注：硬盘属于机械式部件，其读写操作是串行的，不可能在同一时刻既读又写，也不可能在同一时刻读，读写时数据都要变成串行传输。

3、磁盘阵列RAID

（1）RAID（廉价冗余磁盘阵列）是将多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑盘，数据在多个物理盘上分割交叉存储、并行访问，具有更好的存储性能、可靠性和安全性。

（2）RAID的分级如下所示（越往下可靠性越强）。在RAID1~RAID5的几种方案中，无论何时有磁盘损坏，都可以随时拔出受损的磁盘再插入好的磁盘，而数据不会损坏。

RAID0：无冗余和无校验的磁盘阵列

RAID1：镜像磁盘阵列。

RAID2：采用纠错的海明码的磁盘阵列。

RAID3：位交叉奇偶校验的磁盘阵列。

RAID4：块交叉奇偶校验的磁盘阵列。

RAID5：无独立校验的奇偶校验磁盘阵列。

       RAID0把连续多个数据块交替地存放在不同物理磁盘的扇区中，几个磁盘交叉并行读写，不仅扩大了存储容量，而且提高了磁盘数据存取速度，但RAID0没有容错能力。

        RAID1是为了提高可靠性，使两个磁盘同时进行读写，互为备份，如果一个磁盘出现故障，可从另一磁盘中读出数据。两个磁盘当一个磁盘使用，意味着容量减少一半。

（3）RAID通过同时使用多个磁盘提高了传输率，通过在多个磁盘上并行存取来大幅提高存储系统的数据吞吐量，通过镜像功能可以提高安全可靠性，通过数据校验可以提供容错能力。

4、硬磁盘的磁道记录格式

（1）盘面的信息串行排列在磁道上，以字节为单位，若干相关的字节组成记录块，一系列的记录块又构成一个“记录”，一批相关的“记录”组成了文件。为了便于寻址，数据块在盘面上的分布遵循一定规律，这称为磁道记录格式。

（2）常见的磁道记录格式有定长记录格式和不定长记录格式两种。

①定长记录格式：

        一个具有n个盘片的磁盘组，可将其n个面上同一半径的磁道看成一个圆柱面，这些磁道存储的信息称为柱面信息。在移动磁头组合盘中，磁头定位机构一次定位的磁道集合正好是一个柱面。信息的交换通常在圆柱面上进行，柱面个数正好等于磁道数，故柱面号就是磁道号，而磁头号则是盘面号。

        盘面又分若干扇区，每条磁道被分割成若干个扇段，扇段是磁盘寻址的最小单位。在定长记录格式中，当台号决定后，磁盘寻址定位首先确定柱面再选定磁头，最后找到扇段。因此寻址用的磁盘地址应由台号、磁道号、盘面号、扇段号等字段组成，也可将扇段号用扇区号代替。

②不定长记录格式：

        在实践应用中，信息常以文件形式存入磁盘，若文件长度不是定长记录块的整数倍时往往会造成记录块的浪费，而不定长记录格式则可根据需要来决定记录块的长度，以此减少浪费。

四、软磁盘存储器

        软磁盘存储器与硬磁盘存储器的存储原理和记录方式是相同的，但在结构上有较大差别：

        ①硬盘转速高，存取速度快；软盘转速低，存取速度慢。

        ②硬盘有固定磁头、固定盘、盘组等结构；软盘都是活动头，可换盘片结构。

        ③硬盘是靠浮动磁头读/写，磁头不接触盘片；软盘磁头直接接触盘片进行读/写。

        ④硬盘系统及硬盘片价格比较贵，大部分盘片不能互换；软盘价格便宜，盘片保存方便、使用灵活、具有互换性。

        ⑤硬盘对环境要求苛刻，要求采用超净措施；软盘对环境的要求不苛刻。

        因此，软盘在微小型计算机系统中获得了广泛的应用，甚至有的大中型计算机系统中也配有软盘。

五、光盘存储器

1、概述

（1）光盘是利用光学方式进行读/写信息的圆盘，应用激光在某种介质上写入信息，然后再利用激光读出信息，这种技术称为光存储技术。

（2）如果光存储使用的介质是磁性材料，即利用激光在磁记录介质上存储信息，就称为磁光存储。通常把采用非磁性介质进行光存储的技术称为第一代光存储技术，它不能把内容抹掉重写新内容，磁光存储技术是在光存储技术的基础上发展起来的，称为第二代光存储技术，主要特点是可擦除重写。

（3）光盘存储器的特点是存储密度高、携带方便、成本低、容量大、存储期限长、容易保存等。

2、分类

（1）只读型光盘：光盘内的数据和程序由厂家事先写入，用户使用时只能读出，不能修改或写入新内容。

（2）只写一次型光盘：允许用户写入信息，但只能写入一次，之后都不能修改，只允许多次读出。

（3）可擦写型光盘：这种光盘类似磁盘，可以重复读/写。

六、循环冗余校验码

1、循环冗余校验码（CRC码）的编码与译码

（1）收发双方约定好一个生成多项式G（x），发送方基于待发送的数据和生成多项式计算出差错检测码（冗余码），将其添加到待传输数据后面一起传输，接收方通过生成多项式计算收到的数据是否产生了误码。

（2）发送方的处理：

①待发送的数据作为被除数的一部分，后面添加生成多项式最高次个0（下面的生成多项式举例中生成多项式最高次个0为4个0）以构成被除数，生成多项式各项系数构成的比特串作为除数，进行除法运算，得到商和余数。

②余数就是所计算出的冗余码，将其添加到待发送数据的后面一起发送。

③冗余码的长度与生成多项式最高次数相同，商仅作为标记防止计算过程中对错位。

（3）接收方的处理：

①将接收到的数据作为被除数，除数仍是生成多项式各项系数构成的比特串，进行除法运算，得到商和余数。

②如果余数为0，可判定传输过程中没有产生误码；如果余数不为0，可判定传输过程中产生了误码。

（4）生成多项式的各项系数只能是0或1；CRC算法要求生成多项式必须包含最低次项。

（5）循环冗余校验CRC举例：

2、CRC码的检错与纠错能力

（1）CRC码可检测出所有奇数个错误。

（2）CRC码可检测出所有双比特（连续两位）的错误。

（3）CRC码可检测出所有小于等于校验位长度的连续错误。

（4）若选择合适的生成多项式，且（其中R为生成多项式中x的最高次数，K为信息位的个数），则CRC码可纠正单比特的错误。