【外部设备】磁介质存储器

一、磁介质存储器

1.1 概述

（1）概述：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。磁盘存储器的存储过程是一种电磁转换的过程。

（2）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载体。

（3）磁头：磁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，即电->磁转换；反过来能把磁记录介质上的磁化状态转换成电脉冲，即磁->电转换。

（4）磁记录原理：

原理：磁头和磁性记录介质相对运动时，通过电磁转换完成读/写操作。

编码方式：按某种方案（规律），把一连串的二进制信息变换成存储介质磁层中一个磁化翻转状态的序列，并使读/写控制电路容易、可靠地实现转换。

磁记录方式：通常采用调频制FM和改进型调频制MFM的记录方式。

（5）存储区域：一个磁盘含有若干记录面，每个记录面划分为若干圆形的磁道，而每条磁道又划分为若干扇区，扇区（也称为块）是磁盘读/写的最小单位，即磁盘按块存取。

1.2 硬盘存储器

1.2.1 概述

硬盘存储器具有存储容量大，使用寿命长，存取速度较快的优点。硬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。

1.2.2 硬盘的信息分布

（1）概述：在硬盘中信息分布呈以下层次：记录面，圆柱面，磁道和扇区，如图所示：

（2）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。

（3）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。

（4）圆柱面：在一个盘面上，各记录面上相同编号（位置）的诸磁道构成一个圆柱面。

（5）扇区：通常将一个磁道划分为若干个段，每个段称为一个扇区或扇段，每个扇区存放一个定长信息块。

（5）相关指标：

磁头数，即记录面数，表示磁盘共有多少个磁头，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；
柱面数，表示磁盘每面盘片上有多少个磁道，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；
扇区数，表示每条磁道上有多少个扇区。

1.2.3 磁盘地址

主机箱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。

驱动器号

圆柱面（磁道）号

记录面（磁头）号

扇区号

【例】若磁盘有16个盘面，每个盘面有256个磁道，每个磁道划分为16个扇区，则每个扇区地址要16位二进制代码，其格式如下图表示：

柱面（磁道）号（8位）

盘面（磁头）号（4位）

扇区号（4位）

1.2.4 硬盘接口标准

（1）概述：硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行速度的快慢和系统性能的好坏。整体上看，硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI和SAS等。

（2）IDE：也称ATA，或称并行ATA（PATA），采用16位数据并行传送方式。随着SATA接口的发展，IDE接口的硬盘也就淡出市场。

（3）SATA：Serial ATA的缩写，即串行ATA，以连续串行的方式传送数据。

（4）SCSI：小型计算机系统接口的缩写，并不是专门为硬盘设计的接口，而是一种接入各种类型设备的通用快速接口。

（5）SAS：即串行连接SCSI，新一代的SCSI技术，采用串行技术以获得更高的传输速度，并通过缩短连线改善内部空间。

1.3 性能指标

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

道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数。

位密度：磁道单位长度上能记录的二进制代码位数。

面密度：位密度和道密度的乘积。

（2）磁盘的容量：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：指磁记录表面可利用的磁化单元总数，非格式化容量=记录面数$\times$柱面数$\times$每条磁道的磁化单元数。也可等于非格式化容量=记录面数$\times$柱面数$\times$最大位密度$\times$最内圈磁道周长。

格式化容量：指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量。格式化容量=记录面数$\times$柱面数$\times$每道扇区数$\times$每个扇区的容量。格式化后的容量比非格式化容量小。

（3）缓存：磁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部接口之间的缓冲器。

（4）存取时间：存取时间由寻道时间（磁头移动到目的磁道的时间）、旋转延迟时间（磁头定位到要读/写扇区的时间）和传输时间（传输数据所有花费的时间）三部分构成。因为寻道时间和找扇区的距离远近不一，所以寻道时间和旋转延迟时间通常取平均值（平均寻道时间取从最外道移动到最内道时间的一半，平均旋转延迟时间取旋转半周的时间）

（5）数据传输速率：磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，称为数据传输率。假设磁盘转数为r转/秒，每条磁道容量为N字节，则数据传输速率为$D_r=rN$。

二、磁盘阵列

2.1 概述

RAID（独立冗余磁盘阵列）是指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。

2.2 分级

RAID可分为RAID0~RAID6，如图所示：

三、习题

3.1 知识点

数据传输速率为$D_r=rN$，（磁盘转数为r转/秒，每条磁道容量为N字节）

平均等待时间是磁盘旋转半圈的时间，为$\frac{1}{2r}$
读写一块信息的传输时间约等于$\frac{n}{rN}$（假设每块的字数为n，读写头定位在该块始端）

非格式化容量=记录面数$\times$柱面数$\times$最大位密度$\times$最内圈磁道周长
格式化容量=记录面数$\times$柱面数$\times$每道扇区数$\times$每个扇区的容量

3.2 例题

（1）例1：
（2）例2：