1、第五章外存储技术及设备 软磁盘机的发展1972年 IBM3740 8 单面 单密度 400KB1976年 SA400 5 25 单面 单密度 48TPI 125KB为扩大容量 由单面 双面 单密度 倍密度 倍道密度 高密度微型软磁盘 3 4 3 5 135TPI 5 1软磁盘机一 概述 软磁盘的磁道格式 为方便地从软磁盘中查出存储的文件 要对软磁盘预先进行格式化 扇区 为了存取数据的方便 每个磁道又分为许多称之为扇区的小区段 每个磁道 不管是里圈还是外圈 上的扇区数是一样的 盘地址 园柱号 磁道号 磁头号 面号 扇区号 非格式化容量 f t 磁道数 面数格式化容量 扇区字节数 扇区数 磁道数
2、面数 3 5英寸软盘分为高密盘和低密盘 例如在DOS环境下 3 5英寸低密盘的每个盘面划分为0 79 80 个磁道 每个磁道分割为9个扇区 每个扇区存放512个字节 存储容量为720KB 3 5英寸高密度磁盘的盘面划分为80个磁道 每个磁道又分割为18个扇区 存储容量为1 44MB 某3 5英寸软盘机 转速为300rpm 数据传输率为500Kb s 2面 每面有80个磁道 每道18个扇区 每扇区512字节 该盘片因为格式化用掉的存储容量为多少 非格式化容量 f t 磁道数 面数 500 60 300 80 2 Kb 16000Kb 2MB格式化容量 扇区字节数 扇区数 磁道数 面数 512 1
3、8 80 2 B 1 44MB格式化用掉的容量 2 1 44 0 56MB 二 软盘驱动器的结构 磁头及磁头支持机构 磁盘驱动定位机构 磁头定位机构 磁头加载机构 磁盘保护机构 1 磁头软盘磁头具有适应软盘驱动器和介质互换性的能力 为此 R W头两侧备有抹头 抹头的缝隙宽度小于道间隙宽 这样 在不抹除有效信息的情况下 可以保证道间数据与数据之间的间隔 防止道间串扰 弥补磁头中心不能完全对准磁道中心的不足 降低了磁头定位精度的要求 2 磁盘驱动定位机构将软盘准确地定位于主轴中心位置 并使其匀速转动 由磁盘插入引导机构 主轴驱动机构 磁盘夹紧机构和磁盘弹射机构等组成 磁盘插入引导机构使软盘初步定位
4、于主轴中心位置 以使磁盘夹紧机构能将盘片压紧在主轴上 主轴驱动机构用来带动盘片匀速转动 现在 使用的是薄型直流直接驱动电机 磁盘夹紧机构用来把盘片固位在主轴上 并使之旋转 磁盘弹射机构使盘片自动弹出 磁盘夹紧机构分以下两种 1 利用磁盘的中心孔直接夹紧 有圆柱形和杯形结构 2 在磁盘上预先安装一个金属或塑料卡毂 利用这个卡毂使磁盘与主轴夹紧 3 磁头定位机构作用 准确地将磁头驱动道指定的磁道位置 以保证互换性 组成 大部分采用步进电机开环控制 由步进电机 传动件 磁头小车 小车导轨等组成 常用的传动件有 钢带 丝杆和螺旋凸轮等 4 磁头加载机构作用 给磁头一个外加力 以保证磁头与盘面良好接触
5、有电磁铁加载和直接加载 5 磁盘保护机构 三 软盘机的控制电路 盘选择电路 主轴恒速驱动电路 状态检测电路 磁头定位电路 写入和读出电路 接口 1 盘选择电路 2 主轴恒速驱动电路 3 状态检测电路 1 00 道检测电路光电检测器微动开关 2 索引信号检测电路光电检测器 霍尔元件 3 写保护检测电路光电检测器微动开关 4 准备好 信号检测电路微动开关准备好状态 1 被选中 2 盘片插好 3 主轴电机已旋转 4 磁头定位在00道 4 写入电路根据写入数据产生相应的写电流原理框图 波形图 对写入电路的要求 1 写电流应足够大 2 写电流应保持恒定 3 写电流过渡过程时间应短 4 提供合适的抹电流
6、5 在高密度软盘机中 在43道以内的磁道 应减小写电流 抹电路作用 产生抹电流 以修整磁道边缘 防止道间串扰 抹电流应比写电流延迟导通和切断 为什么 5 读出电路原理框图 波形图 5 2硬磁盘机硬盘机的发展经历了以下四个阶段 1 固定头硬磁盘机 2 活动头 固定盘式硬磁盘机 3 活动头 可换盘式硬磁盘机 4 温式硬磁盘机 活动头 固定盘 一 温式硬盘机的特点 P323 1 头盘组件和定位机构采用全封闭方式 2 磁头采用接触式启停 3 主轴和电机一体化磁头浮动原理 P330 正压 浮力垂直向上负压 浮力垂直向下 二 温式硬盘机的组成 P324 三 磁头定位系统1 磁头定位控制方式 P323 P3
7、26 开环控制 半闭环控制 闭环控制 P326 速度控制 粗控 道差 1时 快速定位于目标道位置控制 精控 道差 1时 尽可能快速地保证数据头稳定在数据磁道中心 2 闭环控制的伺服方式 P323 面伺服 扇区伺服 埋入伺服 光电伺服3 执行机构 旋转式 直线式 4 伺服信息编码 双位码奇 偶伺服道上分别记录相位相差180 的双位脉冲 PES Vo Ve 二相双位码 伺服码 110110001010001010001010001010001101100 X A BY C D 四 硬盘的CHS P334 C Cylinder 柱面H Head 磁头S Sector 扇区硬盘存储容量 磁头数 柱面数
8、 扇区数 扇区字节数 五 高密度硬盘存储的关键技术 P338 1 高密度磁头技术铁氧体 MIG TF MRMR头的工作原理 利用磁电阻效应检测磁强 磁电阻效应是一种物质受到外加磁场作用后引起电阻率 发生改变的现象 0 cos2 0 电阻率的固定部分 磁场作用后所导致的电阻率的变化 与磁化强度M有关 磁化矢量与电流矢量 MR头两端产生周期性电压脉冲 即 V R I 其中 R R0 0 V R0 I 0 2 低信噪比下的信号处理技术PRML Viterbi信号处理技术3 高矫顽力 低噪音的记录介质技术4 精密伺服定位技术 1 先进的伺服跟踪技术 如光伺服 2 采用两级定位器5 采用高速通道 高速缓
9、存和超级数字信号处理 UltraDSP 技术6 提高主轴电机转速 采用流体动压轴承HDB 7 盘阵列技术以实现并行处理 5 3光存储技术 一 概述1 光存储技术的特点 P342 存储密度高存储寿命长非接触式读写数据传输率较低 2 光存储设备分类 P342 只读存储一次写入多次读出可镲除重写存储相变型 磁光型3 CD ROM存储器技术指标 P370 1 数据传输率单速驱动器 150KB s 记为1X 倍速驱动器 300KB s 记为2X 16倍速驱动器 16 150KB s 记为16X 光盘转动速度为CLV方式 恒定线速度 P372 二 光盘存储器的组成 P358 激光器和与之相连形成读 写光点
10、的光学系统 检测和校正读 写光点与数据道之间的定位误差的光电伺服系统 检测和读出数据的光电系统 移动光头的机构 写 读数据通道中的编 译码及ECC电路 光盘 数据存储媒体 光盘主轴机构 光盘机的电子线路 1 只读式记录方式 坑点 三 光盘存储系统的记录机理 P350 2 一次写入多次读出记录方式 烧蚀型 存储介质为金属等 起泡型 聚合物 高熔点金属两层薄膜 熔绒型 离子刻蚀过的硅 合金化型 铂 硅等双层结构 相变型 硫化合物或金属合金 3 可重写 1 相变型写入 利用高功率和短脉宽激光束聚焦于记录介质薄膜上 介质吸热后迅速升至熔点并在骤冷条件下形成非晶态 擦除 利用适当功率和较长脉宽的激光束再
11、作用于记录点 使该点温度上升至低于材料的熔点而高于非晶态的转变温度 使产生重结晶而恢复成为晶态 读出 由于晶态和非晶态材料的折射率和反射率不同 故记录点反射率与周围区域有明显反差 利用小功率激光束检出此反射率的差异 2 磁光型 Hc减小 四 光盘的伺服系统功能 以亚微米级的精度使扫描光点保持在焦点和信道上 实现光点的三维伺服 聚焦伺服径向跟踪伺服切向跟踪伺服1 聚焦伺服功能 自动移动物镜以确保光盘的记录介质平面保持在焦深范围内 聚焦误差信号的检测方法 像散法像散 物点发出的窄光束经透镜后不再交于一点的现象 P363 y x 正好聚焦 e 0 间距偏小 e 0 偏远 e 0 e y x 刀口法在
12、反射光束中非对称地设置一刀刃状物 把二象限探测器放在成象点处 径向跟踪伺服a 三光束 三点 法由衍射光栅产生读写用的主光束 径向跟踪用的 1级辅助光束 辅助光束在信道中心正负错开 跨在信道上 由于信道的平均反射率低于信道间反射率 当信道中心与两跟踪光点中心距离不等时 就会产生非零差分信号 自动调节输出为零 即实现自动跟踪伺服 b 推挽法利用导向槽边缘所产生的光的衍射实现 5 4网络存储技术一 DAS DirectAttachedStorage 传统存储技术 存储系统结构 画图说明 特点 局限性二 NAS NetworkAttachedStorage 附网存储 存储系统结构 画图说明 优点 缺点
13、 三 SAN StorageAreaNetwork 存储局域网 存储系统结构 画图说明 优势 存在的问题四 提出一种新的存储技术五 展望网络存储技术的发展趋势 5 5磁盘阵列技术冗余磁盘阵列技术 即RAID RedundantArraysofInexpensiveDisks 是指通过利用多块硬盘按照一定的规则组成阵列的形式来达到提高数据传输率或提供更高容错性 保证数据安全的技术 一 RAID结构根据阵列容错方式和数据分布方式的不同 通常有RAID0 1 2 3 4 5几种级别 1 RAID0采用数据分块技术 数据被分成大小相等的块写入阵列中的不同硬盘 存放格式如下 盘1盘2盘3盘4D1D2D3
14、D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15D16特点 效能较高 盘空间全被利用 但安全性差 对视频编辑和广告制作等需要高速传输和大容量的应用很有好处 2 RAID1采用镜像容错结构 每个数据盘都有一个与之成镜像的磁盘 两者保持完全相同的数据 盘1盘2盘3盘4D1D2D1D2D3D4D3D4D5D6D5D6D7D8D7D8特点 效能很低 盘空间浪费厉害 但可靠性高 适合于对数据安全要求较高的用户 如设计人员 网络服务器 3 RAID2位交叉 海明码纠错 数据盘 G个 校验盘 C个 2C C G 1特点 冗余度虽比RAID1小 但仍很大 且没有奇偶校验方式好 未被广泛采用 4 R
15、AID3位交叉 单盘奇偶校验 校验盘第1位 盘1第1位 盘2第1位 盘3第1位特点 冗余度较小 由于单盘冗错 校验盘的读写是 瓶颈 但读写涉及几个磁盘 不适合小数据传输 适合高数传率及数据量大但I O请求频率不高的系统 如科学计算及图像处理等 5 RAID4块交叉 单盘奇偶校验 特点 小数据传输比RAID3快 6 RAID5块交叉 奇偶校验信息分散存放 特点 避免了单校验盘的读写 瓶颈 系统的读写负载平衡 适合于处理I O吞吐率较高的事物处理应用 盘1盘2盘3盘4D1D2D3P1D6D5P2D4D9P3D7D8P4D10D11D12 7 RAID6块交叉 双纠错阵列 二 RAID的实现两种实现方法 硬件RAID软件RAID
