计算机组成原理——辅助存储器

 

 外存储器概述

主存的后备和扩充，也称外存。
特点:容量大,可靠性高,单位存储容量价格低,在掉电情况下能长期保存信息

 

辅助存储器的主要技术指标

辅助存储器的主要技术指标是存储密度、存储容量、寻址时间等

1.存储密度。 

是指单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制的信息量。  对于磁表面存储器，用道密度和位密度表示。
道密度(TPI)：磁盘半径方向单位长度包含的磁道数。
位密度(BPI)：在每一个磁道内单位长度内所能记录的二进制信息数。

2.存储容量

指磁表面存储器所能存储的二进制信息总量（B）。
存储容量有格式化容量和非格式化容量两个指标。
格式化容量：指按照某种特定的记录格式所能存储的信息总量，也就是用户真正可以使用的容量。
非格式化容量：是磁记录表面可以利用的磁化元总数。

计算公式：
非格式化容量=面数×道数（面）×每个磁道的容量
格式化容量=面数×道数（面）×扇区数（道）×字节数（扇区）

3.寻址时间

找道时间：磁头寻找目标磁道所需的时间。
等待时间：磁头等待所需读写的区段旋转到它的下方所需要的时间。
这两个时间是随机的，一般取二者的平均值
平均等待时间：一般以磁盘旋转半周所需的时间为准。

4.数据传输率

磁表面存储器在单位时间内与主机传送数据的位数或字节数。计算公式为：
         Dr=n × N
 其中：n为转速，单位为转/秒；
       N为磁道的容量，单位为字节。
       单位为：字节/秒

5.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的总信息位数之比。

6.价格

通常用“位价格”来比较各种存储器，它等于：设备价格/容量。在所有的存储设备中，磁表面存储器和光存储器的位价格是最低的。

 

磁盘结构

 

 

 

 

盘片（Platter）

一块硬盘有若干盘片，每个盘片有可以存储数据的上、下两盘面（Side）。这些盘面堆叠在主轴上高速旋转，它们从上至下从“0”开始依次编号

读写磁头（Head）

每个盘面上一个读写磁头，盘面号即磁头号。所有磁头在磁头臂作用下同时内外移动，即任意时刻，所有磁头所处的磁道号是相同的。 
每个盘片有两个面，每个面都有一个磁头，习惯用磁头号来区分。

 

磁道（Track）

每个盘面被划分成许多同心圆，这些同心圆轨迹叫做磁道；磁道从外向内从0开始顺序编号。

扇区（Sector）

将一个盘面划分为若干内角相同的扇形，这样盘面上的每个磁道就被分为若干段圆弧，每段圆弧叫做一个扇区。每个扇区中的数据作为一个单元同时读出或写入。硬盘的第一个扇区，叫做引导扇区。

为了对扇区进行查找和管理，需要对扇区进行编号，扇区的编号从0磁道开始，起始扇区为1扇区，其后为2扇区、3扇区……，0磁道的扇区编号结束后，1磁道的起始扇区累计编号，直到最后一个磁道的最后一个扇区（n扇区）。例如，某个硬盘有1024个磁道，每个磁道划分为63个扇区，则0磁道的扇区号为1~63，1磁道的起始扇区号为64最后一个磁道的最后一个扇区号为64512。硬盘在进行扇区编号时与软盘有一些区别，在软盘的一个磁道中，扇区号一次编排，即1、2、3……n扇区。由于硬盘的转速较高，磁头在完成某个扇区数据的读写后，必须将数据传输到微机，这需要一个时间，但是这时硬盘在继续高速旋转，当数据传输完成后，磁头读写第二个扇区时，磁盘已经旋转到了另外一个扇区。因此在早期硬盘中，扇区号是按照某个间隔系数跳跃编排的。

柱面（Cylinder）

 

 
所有盘面上的同一磁道构成一个圆柱，称作柱面。数据的读/写按柱面从外向内进行，而不是按盘面进行。定位时，首先确定柱面，再确定盘面，然后确定扇区。之后所有磁头一起定位到指定柱面，再旋转盘面使指定扇区位于磁头之下。写数据时，当前柱面的当前磁道写满后，开始在当前柱面的下一个磁道写入，只有当前柱面全部写满后，才将磁头移动到下一个柱面。在对硬盘分区时，各个分区也是以柱面为单位划分的，即从什么柱面到什么柱面；不存在一个柱面同属于多个分区。

磁道与柱面都是表示不同半径的圆，在许多场合， 磁道和柱面可以互换使用。

 

（1）硬盘有数个盘片，每盘片两个面，每个面一个磁头 
（2）盘片被划分为多个扇形区域即扇区 
（3）同一盘片不同半径的同心圆为磁道 
（4）不同盘片相同半径构成的圆柱面即柱面 
（5）公式：　存储容量＝磁头数×磁道（柱面）数×每道扇区数×每扇区字节数 
（6）信息记录可表示为：××磁道（柱面），××磁头，××扇区

 

例题

磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两面不用。存储区域内直径22cm，外直径33cm,道密度为40道/cm,内层位密度400位/cm,转速2400转/分，问:
1、共有多少柱面？
2、盘组总存储容量是多少？
3、数据传输率多少？
4、平均等待时间为多少？
5、采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么?寻址命令中如何表示磁盘地址？
6、如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上？

解：1、有效存储区域长度=33/2-22/2=5.5（cm）
            道数=5.5×40=220道，即220个柱面。（磁道和柱面可以互换使用）
       2、内层磁道周长=2 × 3.14 × 11=69.08（cm）
            每道信息量=400 ×69.08=27632位=3454（B）
            盘组总容量=3454 ×220 （磁道数）×10（10个记录面）=7598800（B）

            盘组容量=面数×道数/面×每个磁道的容量
      3、数据传输率=2400/60 ×3454=13816（B/秒）

            Dr=n× N

           其中：n为转速，单位为转/秒；
           N为磁道的容量，单位为字节。
           单位为：字节/秒
      4、平均等待时间=（60/2400）（磁盘旋转一周的时间）×（1/2）=12.5（ms）
      5、最小单位是一个扇区，其编址方式可为如下格式：
              
       6、记录在同一个柱面上，因为不需要重新找道，数据读写速度快。

假设磁盘组有11个盘面，每片有两个记录面；存储区域内直径2.36in，外直径5.00in；道密度为1250tpi，内层位密度为52400bpi，转速为2400rpm。问：

   1. 共有多少个存储面可用？
    由题可得，共有11个盘片，但最上面及最下面将用于封装，无法用于存储，故共有2*11-2=20个存储面。
    2.共有多少柱面？
   所有盘面上的统一磁道构成柱面，磁道数即为柱面数。

    有效存储区域长度=（5-2.36）/2=1.32in

    磁道数=1.32*1250=1650t;
   3.每道存储多少字节？盘组总存储容量是多少？
    已知，各磁道上道容量相等，故：

    内层磁道周长=2*pi*2.36/2=7.4104in

    每道信息量=52400*7.4104=388304.96b
    每道字节=388304.96/8=48.5KB
    总存储容量=48.5*1650*20=16GB
    4.数据传送率是多少？
    数据传输率Dr=磁道容量*转速
    =48.5*（2400rpm/60）rps
    =1.94MB/S
    5.每扇区存储2KB数据，在寻址命令中如何表示磁盘地址？
    已知确定磁盘地址，需确认盘面号、磁道号及扇区号，故磁盘地址需分成三部分。
    盘面号：因有20个存储面，故需至少5位用于表示
    磁道号：因有1650个磁道，故至少需11位用于表示
    扇区：因有磁道容量/扇区容量=48.5KB/2KB=25个扇区，故至少需5位用于表示
    即可得：
    盘面号    磁道号     扇区号
    5位     11位     5位
    6. 如果某文件长度超过了一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上？
   柱面上
   因为如果记录在一个存储面上，则需要重新寻道，而直接记录在同一个柱面上就不用，则可以节约寻道时间。