四辅助存储器

四、辅助存储器

1.概述

辅助存储器的特点

辅助存储器作为主存的后援设备又称为外部存储器，简称外存，它与主存一起组成了存储器系统的主存-辅存层次。辅存具有容量大、速度慢、价格低、可脱机保存信息等特点，属“非易失性”存储器。而主存具有速度快、成本高、容量小等特点，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。
辅助存储器有硬磁盘、软磁盘、磁带、光盘等。前三种均属磁表面存储器。磁表面存储器。是在不同形状的载体上涂有磁性材料层，工作时靠载体高速运动，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。

磁表面存储器的主要技术指标

1.记录密度
记录密度：指单位长度内所存储的二进制信息量。磁盘存储器用道密度和位密度表示；磁带存储器则用位密度表示。磁盘沿半径方向单位长度的磁道数为道密度，单位是tip或tpm。为了避免干扰，磁道与磁道之间需保持一定距离，相邻两条磁道中心线之间的距离称为道距，因此道密度 $D_t$ 等于道距P的倒数，即

D_{t} = \frac{1}{P}

$D_t=\frac{1}{P}$
单位长度磁道能记录二进制信息的位数，称为 位密度或线密度，单位是bpi或bpm。

D_{b} = \frac{f_{t}}{π d_{m i n}}

$D_b=\frac{f_t}{\pi d_{min}}$ 其中，

f_{t}

$f_t$ 为每道总位数，

d_{m i n}

$d_{min}$ 为同心圆中的最小直径。
在磁盘各磁道上所记录的信息量是相同的，而位密度不同，一般泛指 磁盘位密度时，是指最内圈磁道上的位密度（最大位密度）。

2.存储容量
存储容量是指外村所能存储的二进制信息总数量，一般以位或字节为单位。

C = n \times k \times s

$C=n\times k \times s$ 其中，C为存储总容量，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。
磁盘有格式化容量和非格式化容量两个指标。 非格式化容量是磁表面可以利用的磁化单元总数。 格式化容量是指按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。

3.平均寻址时间
磁盘采取直接存取方式，寻址时间分为两个部分，其一是磁头寻找目标磁道的找道时间 $t_s$ ，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 $t_w$ 。平均寻址时间 $T_a$ ，它是平均找道时间 $t_{sa}$ 和平均等待时间 $t_{wa}$ 之和：

T_{a} = t_{s a} + t_{w a} = \frac{t_{s m a x} + t_{s m i n}}{2} + \frac{t_{w m a x} + t_{w m i n}}{2}

$T_a=t_{sa}+t_{wa}=\frac{t_{smax}+t_{smin}}{2}+\frac{t_{wmax}+t_{wmin}}{2}$ 硬磁盘的平均寻址时间比软磁盘的平均寻址时间短，所以硬磁盘存储器比软磁盘存储器速度快。

4.数据传输率
数据传输率 $D_r$ 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 $D_b$ 和记录截至的运动速度V有关：

D_{r} = D_{b} \times V

$D_r=D_b \times V$

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正错误。

2.磁记录原理和记录方式

磁表面存储器的记录方式

磁记录方式又称为编码方式，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。磁记录方式常用的有六种：

1.归零制（RZ）
2.不归零制（NRZ）
3.“见1就翻”的不归零制（NRZ1）
4.调相制（PM）
5.调频制（FM）
6.改进型调频制（MFM）

评价记录方式的主要指标

（1）编码效率
编码效率是指位密度与磁化翻转密度的比值，可用记录一位信息的最大磁化翻转次数来表示。
（2）自同步能力
自同步能力是指从单个磁道读出的脉冲序列中所提取同步时钟脉冲的难易程度。
对于高密度的记录系统，可直接从磁盘读出的信号中提取同步信号，这种方法称为自同步。
自同步能力可用最小磁化翻转间隔和最大磁化翻转间隔之比值R来衡量。R越大，自同步能力也越强。

3.硬磁盘存储器

硬磁盘存储器类型

按磁头的工作方式可分为固定磁头磁盘存储器和移动磁头磁盘存储器；按磁盘是否具有可换性又可分为可换盘磁盘存储器和固定盘磁盘存储器。
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。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。可换盘磁盘存储器是指盘片可以脱机保存。

硬磁盘存储器的结构

硬磁盘存储器由**磁盘驱动器、磁盘控制器、盘片**3大部分组成。

硬磁盘的磁道记录格式

为了便于寻址，数据块在盘面上的分布遵循一定规律，称为磁道记录格式。常见的有定长记录格式和不定长记录格式两种。
（1）定长记录格式
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。

这种记录格式结构简单，可按磁道号、盘面号、扇段号进行直接寻址，但及录取的利用率不高。

（2）不定长记录格式

起始标志*ID，又称为索引标志*，表示磁道的起点。
间隙 $G_1$ 是一段空白区，占36~72个字节长度，其作用是使连续的磁道分成不同的区，以利于磁盘控制器与磁盘机之间的同步和定位。
&emsp**磁道地址块HA，又称为标识地址或专用地址**，占7个字节，用来表明4部分的状况：磁道是否完好、柱面逻辑地址号和校验码。
间隙 $G_2$ 占18~38个字节长度。
磁道标识块 $R_0$ ，用来说明本磁道的状况，不作为用户数据区。
间隙 $G_3$ 包含一个以专用字符表示的地址标志，指明后面都是数据记录块。
数据记录块 $R_1$ 由**计数区、关键字区、数据区**3段组成，这3段都有循环校验码。一般要求一个记录限于同一磁道内，若设有专门的磁道溢出手段，则允许继续记录到统一柱面的另一磁道内。数据区长度不定，实际长度由计数区的DL给定。
从主存调出数据时，常常带有奇偶校验位，在写入磁盘时，则由磁盘控制器删去奇偶校验位，在写入磁盘时，则由磁盘控制器删去奇偶校验位，并在数据区结束时加上循环校验位。当从磁盘读出数据时，需进行一次校验操作，并恢复原来的奇偶校验位。

4.循环冗余校验码

循环冗余校验码（CRC）可以发现并纠正信息在存储或传送过程中连续出现的多位错误代码。CRC码是基于模2运算而建立彪马规律的校验码。模2运算的特点是不考虑进位或错位运算，其规律如下：

模2加和模2减的结果是相等的，即0 $\pm$ 1=1，0 $\pm$ 0=0，1 $\pm$ 0=1，1 $\pm$ 1=0。可见，两个相同的数的模2和恒为0。

模2乘是按模2和求部分积之和。

模2除是按模2减求部分余数。每求一位商应使部分余数减少一位。上商的原则是：当部分余数的首位为1时，上商1；当部分余数的首位为0时，上商0。当部分余数的位数小于除数的位数时，该余数即为最后余数。

CRC码的编码方法

CRC码就是用多项式 $M(x) \cdot x^k$ 除以生成多项式 $G(x)$ （即产生校验码的多项式），所得余数作为校验位。为了得到k位余数（校验位）， $G(x)$ 必须是k+1位。
设所得余数为 $R(x)$ ，商为 $Q(x)$ ，则有

M (X) \cdot x^{k} = Q (x) \cdot G (x) + R (x)

$M(X) \cdot x^k =Q(x) \cdot G(x)+R(x)$
这个CRC码用多项式表示为

M (X) \cdot x^{k} + R (x) = Q (x) \cdot G (x)

$M(X) \cdot x^k+R(x)=Q(x) \cdot G(x)$
CRC码是一个可被生成多项式

G (x)

$G(x)$ 除尽的数码。如果CRC码在传输过程中不出错，其余数必为0；如果传输过程中出错，则余数不为0，再由该余数指出哪一位出错，即可纠正。

CRC码的译码和纠错

不同的出错位其余数也不同。更换不同的待测码字，余数和出错位的关系不变，只与码制和生成多项式有关。如果对余数补0继续除下去，将发现各次所得余数将按表顺序循环。
并不是任何一个（k+1）位多项式都可以作为生成多项式。从检错和纠错的要求出发，生成多项式应满足以下要求：

任何一位发生错误，都应该使余数不为零。

不同位发生错误应使余数不同。

对余数继续作模2除，应使余数循环。

5.光盘存储器

概述

关盘是利用光学方式进行读/写信息的圆盘。应用激光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。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。根据光存储性能和用途的不同光盘存储器可分为三类：

（1）只读型光盘（CD-ROM）
这种光盘内的数据和程序由厂家实现写入的，使用时用户只能读出，不能修改或写入新的内容。
（2）只写一次性光盘（WORM）
这种光盘允许用户写入信息，写入后可多次读出，但只能写入一次，而且不能修改，故称其为“写一次型”（WORM）。
（3）可擦写型光盘
这种光盘类似磁盘，可以重复读/写。从原理上来看，目前仅有光磁记录（热磁反转）和相变记录（晶态-非晶态转变）两种。

光盘的存取原理

光盘存储器利用激光束在记录表面上存储信息，根据激光束和反射光的强弱不同，可以实现信息的读/写。由于光学读/写头和介质保持较大的距离，因此它是非接触型读/写的存储器。

光盘存储器和其他辅助存储器的比较

光盘可靠性高，对使用环境要求不高，机械蔗农的问题甚少，不需要次啊去特殊的防震和防尘措施。
硬磁盘存储器容量大，数据传输率比光盘高，等待时间短。
软磁盘存储器容量小，数据传输率低，平均寻道时间长，而且是接触时存取，盘片不固定在驱动器中，运行时有大量的灰尘进入盘面，易造成盘面磨损或出现误码，不易提高位密度。
磁带存储器的数据传输率更低，采用接触式记录，容量也很大，每兆字节价格较低，记录介质也容易装卸、互换和携带，可用作硬盘的后备存储器。

【笔记】存储器（三）