计算机硬件技术计算机硬件技术结构与性能结构与性能教学课件（标准版）教学课件（标准版） 易建勋易建勋 编著编著清华大学出版社清华大学出版社2011年年5月月主讲：易建勋老师1第第8章章 外存系统的结构与性能外存系统的结构与性能8.1 闪存的结构与性能【重点】8.2 硬盘的结构与性能【重点】8.3 光盘的结构与性能主讲：易建勋老师28.1 闪存的结构与性能8.1.1 闪存的基本类型闪存的基本类型闪存从EEPROM技术发展而来。优点：快速存储，永久存储，可利用现有的半导体优点：快速存储，永久存储，可利用现有的半导体工艺生产。工艺生产。缺点：读写速度较缺点：读写速度较DRAMDRAM慢，擦写次数有极限。慢，擦写次数有极限。读写特性： 闪存以区块为单位进行数据擦除和写入; 区块大小为8KB128KB。主讲：易建勋老师38.1 闪存的结构与性能由由于于闪闪存存不不能能以以字字节节为为单单位位进进行行数数据据的的随随机机写写入入，因此闪存目前还不可能作为内存使用。因此闪存目前还不可能作为内存使用。 NOR（异或）（异或）型闪存 由由IntelIntel和和AMDAMD公司主导，用于程序储存和运行。公司主导，用于程序储存和运行。NOR闪存特点： 可随机读，但写操作按“块”进行。主讲：易建勋老师48.1 闪存的结构与性能NORNOR闪闪存存适适合合于于频频繁繁随随机机读读操操作作，并并直直接接在在闪闪存存内内运运行行。如如BIOSBIOS芯芯片片，手手机机存存储储芯芯片片，交交换换机机、路路由由器器中的存储器等。中的存储器等。手机是NOR闪存应用的大户。主讲：易建勋老师58.1 闪存的结构与性能NAND（与非（与非 ）型闪存： 大部分专利权掌握在东芝、三星、大部分专利权掌握在东芝、三星、SanDiskSanDisk等公司。等公司。NAND闪存采用地址线和数据线复用技术。NANDNAND闪存小数据块操作速度慢，而大数据块速度快。闪存小数据块操作速度慢，而大数据块速度快。NANDNAND闪存主要用来存储资料，如闪存主要用来存储资料，如U U盘、数码存储卡、盘、数码存储卡、固态硬盘等。固态硬盘等。主讲：易建勋老师68.1 闪存的结构与性能8.1.2 闪存存储单元工作原理闪存存储单元工作原理闪存采用单晶体管设计，无需存储电容。 闪存结构：（1）SLC（单级储存单元）（单级储存单元）结构： 在在1 1个存储单元存储个存储单元存储1 1位数据。位数据。（2）MLC（多级储存单元）（多级储存单元） 结构： 在在1 1个存储单元中存储个存储单元中存储2 2位数据。位数据。主讲：易建勋老师78.1 闪存的结构与性能MLCMLC通通过过不不同同级级别别的的内内部部电电压压，在在在在1 1 1 1个个个个存存存存储储储储单单单单元元元元中中中中记记记记录录录录2 2 2 2组位信息组位信息组位信息组位信息（0000、0101、1111、1010）。）。MLCMLC的记录密度比的记录密度比SLCSLC提高了提高了1 1倍。倍。但但是是，MLCMLC电电压压变变化化频频繁繁，使使用用寿寿命命远远低低于于SLCSLC，MLCMLC只能承受约只能承受约1 1万次的擦写。万次的擦写。MLCMLC需要更长的读写时间；需要更长的读写时间；SLCSLC比比MLCMLC要快要快3 3倍倍以上。以上。主讲：易建勋老师88.1 闪存的结构与性能NANDNAND闪闪存存和和NORNOR闪闪存存都都采采用用MOSMOS晶晶体体管管作作为为基基本本存存储储单单元元，不不同同的的是是构构成成存存储储阵阵列列时时，采采用用了了不不同同的的技技术方式。术方式。NAND闪存采用“与非”方式构成存储阵列；NOR闪存采用“异或”方式构成储存阵列。主讲：易建勋老师98.1 闪存的结构与性能闪闪存存通通过过在在浮浮空空栅栅极极上上放放置置电电子子和和清清除除电电子子来来表表示示数据数据浮空栅极中有电子时为浮空栅极中有电子时为“0 0”，无电子时为，无电子时为“1 1”。主讲：易建勋老师108.1 闪存的结构与性能在闪存存储单元中，当没有外部电流来改变存储单元中浮空栅极的电子状态时，浮空栅极就会一直保持原来状态，这也就保证了数据不会因为断电而丢失。主讲：易建勋老师118.1 闪存的结构与性能8.1.3 NOR闪存结构与性能闪存结构与性能NOR闪存电路特点：(1) NOR闪存有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取随机读取数据。(2) NOR(2) NOR闪存写入数据前，必须先将目标块内所有位都闪存写入数据前，必须先将目标块内所有位都写为写为0 0（擦除操作）。（擦除操作）。(3) NOR闪存可以单字节写入单字节写入，但不能单字节擦除不能单字节擦除。NORNOR闪存传输效率很高，适合存储程序代码，对大型闪存传输效率很高，适合存储程序代码，对大型数据文件应用显得力不从心。数据文件应用显得力不从心。主讲：易建勋老师128.1 闪存的结构与性能8.1.4 NAND闪存结构与性能闪存结构与性能NAND闪存接口位宽为8 8位位或1616位位。如韩国现代如韩国现代HY27UK08BGFMHY27UK08BGFM闪存芯片：闪存芯片： 总总容容量量为为4GB4GB，页页面面大大小小为为（2KB+64B2KB+64B），8 8个个I/OI/O接口每次可以传输（接口每次可以传输（2KB+64B2KB+64B）8=16.5KB8=16.5KB数据。数据。NAND闪存采用地址地址/ /数据总线复用数据总线复用技术大容量闪存一般采用3232位地址总线位地址总线。NAND闪存的一个重要特点是闪闪存存芯芯片片容容量量越越大大，寻址时间越长寻址时间越长。主讲：易建勋老师138.1 闪存的结构与性能NAND闪存与闪存与NOR闪存的性能比较闪存的性能比较 技术指标技术指标技技 术术 参参 数数闪存类型闪存类型NAND（与非型）（与非型）NOR（或非型）（或非型）写入写入/擦除擦除1个块的时间个块的时间24ms12s擦除操作擦除操作简单简单写入前先将所有位擦除为写入前先将所有位擦除为0读取速率（读取速率（MB/s）6080120150写入速率（写入速率（MB/s）20408存储容量存储容量大大小小I/O接口接口复杂复杂简单简单总线总线共享地址和数据总线共享地址和数据总线独立的地址总线和数据总线独立的地址总线和数据总线读取模式读取模式串行存取数据串行存取数据随机读取随机读取擦除电路擦除电路少少多多擦写次数擦写次数约约100万次万次*约约10万次万次坏块处理坏块处理关键性数据需要关键性数据需要ECC无，坏块故障少无，坏块故障少主讲：易建勋老师148.1 闪存的结构与性能8.1.5 固态盘技术与性能固态盘技术与性能SSD（固态硬盘）由存存储储单单元元和控控制制单单元元组成，存存储储单单元元采采用用闪闪存存作作为为存存储储介介质质，控控制制单单元元采采用用高高性性能能I/OI/O控制芯片控制芯片。固固态态硬硬盘盘耗耗电电量量只只有有机机械械硬硬盘盘的的5%5%左左右右，写写入入速速度度与机械硬盘相当，读取速度是机械硬盘的与机械硬盘相当，读取速度是机械硬盘的3 3倍。倍。成本成本与寿命寿命是固态盘普及的最大问题。主讲：易建勋老师158.1 闪存的结构与性能固固态态硬硬盘盘在在接接口口标标准准、功功能能及及使使用用方方法法上上，与机械硬盘完全相同。与机械硬盘完全相同。固固态态硬硬盘盘没没有有机机械械部部件件，因因而而抗抗震震性性能能极极佳佳，同时工作温度很低。同时工作温度很低。固态硬盘与固态硬盘与U U盘的区别在于用途不同，盘的区别在于用途不同，U U盘着盘着眼于移动性，采用眼于移动性，采用USBUSB接口；固态硬盘着眼于接口；固态硬盘着眼于赶超机械硬盘，采用赶超机械硬盘，采用SATASATA接口。接口。主讲：易建勋老师168.1 闪存的结构与性能NAND闪存芯片技术参数闪存芯片技术参数 技技术指指标技技术参数参数技技术指指标技技术参数参数芯片型号芯片型号HY27UK08BGFM页随机存取时间页随机存取时间25s（最大）（最大）存存储容量容量4GB（4G8bit）页顺序存取时间页顺序存取时间30ns（最小）（最小）接口位接口位宽8bit页编程时间（写）页编程时间（写）200m页尺寸尺寸(2KB+64B)字节字节快速块擦除时间快速块擦除时间2ms块尺寸尺寸(128KB+4KB)字节字节写写/擦除次数擦除次数10万次万次阵列大小列大小(2KB+64B)字节字节64页页16 384块块*数据保存时间数据保存时间10年年工作工作电压2.7V3.6V芯片封装芯片封装48脚脚TSOP1主讲：易建勋老师178.1 闪存的结构与性能3U盘存储技术 U U盘盘是是利利用用闪闪存存、控控制制芯芯片片和和USBUSB接接口口技技术术的的一一种种小小型半导体移动固态盘。型半导体移动固态盘。主讲：易建勋老师188.1 闪存的结构与性能固态盘的基本组成主讲：易建勋老师198.1 闪存的结构与性能8.1.6 闪存卡技术与性能闪存卡技术与性能闪闪存存卡卡是是在在闪闪存存芯芯片片中中加加入入专专用用接接口口电电路路的的一一种种单单片型移动固态盘。片型移动固态盘。主讲：易建勋老师208.1 闪存的结构与性能各种非易失性半导体存储器技术比较各种非易失性半导体存储器技术比较 技技术指指标FlashFlashNV SRAMMRAMFRAMOUMDRAM非易失性具备具备具备具备具备具备具备具备具备具备具备具备不具备不具备读速度中等中等中等中等快快快快快快快快中等中等写速度慢慢慢慢快快快快快快快快中等中等随机存取不支持不支持不支持不支持支持支持支持支持支持支持支持支持支持支持写入次数10106 6无限无限101210121012无限无限芯片密度高高高高低低高高中等中等高高中等中等读特性非破坏非破坏非破坏非破坏非破坏非破坏非破坏非破坏破坏破坏非破坏非破坏破坏破坏耗电量中等中等中等中等低低中等中等低低中等中等高高市场应用主流主流主流主流成熟成熟研发中研发中小量应用小量应用研发中研发中主流主流主讲：易建勋老师218.2 硬盘的结构与性能8.2.1 硬盘基本组成硬盘基本组成SATASATA接口硬盘主要用于台式微机；接口硬盘主要用于台式微机；SASSAS接口硬盘主要用于服务器；接口硬盘主要用于服务器；USBUSB硬盘主要用作移动存储设备。硬盘主要用作移动存储设备。（1）硬盘呼吸孔呼呼吸吸孔孔的的作作用用是是调调节节硬硬盘盘内内部部气气压压，使使他他与与大大气气气气压压保保持持一一致致，避避免免剧剧烈烈的的气气压压变变化化使使硬硬盘盘顶顶盖盖突突起起或凹陷。或凹陷。主讲：易建勋老师228.2 硬盘的结构与性能硬盘外观伺服孔呼吸孔主讲：易建勋老师238.2 硬盘的结构与性能（2）盘片伺服孔硬盘伺服孔用于磁头定位信号写入。硬盘伺服孔用于磁头定位信号写入。3硬盘内部组成 盘片组件 磁头组件 控制电路板（PCB） 盘体和盖板等。主讲：易建勋老师248.2 硬盘的结构与性能硬盘基本组成盘片组件磁头组件盘体组件电路组件主讲：易建勋老师258.2 硬盘的结构与性能4盘片组件盘片用铝合金作为基片，厚度大约盘片用铝合金作为基片，厚度大约1mm；盘片数量在盘片数量在1 15 5片片片片之间；之间；盘片尺寸与存储容量有关，盘片尺寸与存储容量有关，2.52.5英寸的磁盘存储容量英寸的磁盘存储容量英寸的磁盘存储容量英寸的磁盘存储容量约为约为约为约为3.53.5英寸磁盘的一半左右英寸磁盘的一半左右英寸磁盘的一半左右英寸磁盘的一半左右；主流产品为主流产品为3.5英寸硬盘。英寸硬盘。主讲：易建勋老师268.2 硬盘的结构与性能硬盘转速的提高带来了磨损加剧、温度升高、噪声硬盘转速的提高带来了磨损加剧、温度升高、噪声增大等一系列负面影响。增大等一系列负面影响。5磁头组件滑块和磁头磁头传动臂组件前置放大器磁头悬架组件音圈电机等主讲：易建勋老师278.2 硬盘的结构与性能硬盘磁头组件悬挂架 平直线圈越位档块信号线 前置放大器磁头主讲：易建勋老师288.2 硬盘的结构与性能6控制电路板组件控制电路芯片 主控制芯片主控制芯片 电机控制芯片电机控制芯片 高速数据缓存芯片高速数据缓存芯片 数据物理层读取芯片数据物理层读取芯片 固件芯片等固件芯片等主讲：易建勋老师298.2 硬盘的结构与性能8.2.2 硬盘工作原理硬盘工作原理硬盘采用温彻斯特（Winchester）技术，它采用密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而且不与盘片直接接触。硬盘必须在净室环境中生产。主讲：易建勋老师308.2 硬盘的结构与性能2硬盘数据存储原理硬盘盘片由铝质合金和磁性材料组成。硬盘盘片由铝质合金和磁性材料组成。硬盘利用磁记录位的极性来记录二进制数据位硬盘利用磁记录位的极性来记录二进制数据位。如将南极表示数字“0”，北极表示为“1”。硬盘利用一个很小区域组成一个同一方向的“磁磁记记录位录位”（小于100nm）主讲：易建勋老师318.2 硬盘的结构与性能直流平衡问题： 当当出出现现长长串串的的连连续续“1”或或连连续续“0”信信号号时时，接接收收端无法从收到的数据流中提取位同步信号。端无法从收到的数据流中提取位同步信号。编码的目的是解决直流平衡，使编码的目的是解决直流平衡，使“0”与与“1”的编的编码个数相当。码个数相当。硬盘普遍采用RLL（运行长度受限）（运行长度受限）编码方式记录磁信号。主讲：易建勋老师328.2 硬盘的结构与性能3磁头飞行间隙的控制盘盘片片高高速速旋旋转转产产生生的的气气流流相相当当强强，它它使使磁磁头头升升起起与与盘盘面面保保持持一一个个微微小小的的距距离离。磁磁头头飞飞行行高高度度约约为为10nm左右左右 主讲：易建勋老师338.2 硬盘的结构与性能4硬盘读操作工作原理早期硬盘采用读写合一的电磁感应式磁头。早期硬盘采用读写合一的电磁感应式磁头。目前采用读目前采用读/ /写分离的写分离的GMRGMR和和TMRTMR磁头。磁头。GMR磁头利用磁头利用“磁阻效应磁阻效应”，即磁头中导体的电阻，即磁头中导体的电阻值，会随盘片上磁场的变化而变化。值，会随盘片上磁场的变化而变化。目前硬盘读操作采用GMR磁头，而写操作仍采用传统的磁感应磁头。 主讲：易建勋老师348.2 硬盘的结构与性能硬盘磁头读/写原理GMR读磁头磁感应写磁头磁粒子档块主讲：易建勋老师358.2 硬盘的结构与性能5硬盘写操作工作原理写操作原理 电电流流通通过过导导体体时时，围围绕绕导导体体会会产产生生一一个个磁磁场场。当当电电流方向改变时，磁场的极性也会改变。流方向改变时，磁场的极性也会改变。主讲：易建勋老师368.2 硬盘的结构与性能8.2.3 硬盘电路结构硬盘电路结构硬盘电路结构有： DSP（数字信号处理）（数字信号处理）芯片；芯片； 磁头组件电路；磁头组件电路； 主轴电机主轴电机/音圈电机控制电路；音圈电机控制电路； 高速缓存等。高速缓存等。主讲：易建勋老师378.2 硬盘的结构与性能8.2.4 硬盘逻辑结构硬盘逻辑结构逻辑结构：盘片上信号存储格式。盘片上信号存储格式。主讲：易建勋老师388.2 硬盘的结构与性能磁道 盘片最盘片最外圈为外圈为0道道，最内圈为，最内圈为n道道。扇区 每个扇区可以存储每个扇区可以存储512B512B信息信息。 扇扇区区分分为为两两部部分分，一一部部分分为为IDIDIDID地地地地址址址址段段段段；另另一一部部分分是是用户数据段用户数据段用户数据段用户数据段。伺服扇区 指指磁磁道道和和扇扇区区定位信息，一一般般写写入入格格雷雷码码信信息息，根根据据格格雷雷码码可可以以对对某某一一个个磁磁道道的的某某一一扇扇区区进进行行精精确确定位。定位。主讲：易建勋老师398.2 硬盘的结构与性能柱面 数据按柱面进行读数据按柱面进行读/写，不是按磁道进行读写，不是按磁道进行读/写。写。簇 操操作作系系统统分分配配磁磁盘盘存存储储空空间间的的最最小小单单位位。在在Windows 2000/XP/Vista操操作作系系统统中中，缺缺省省情情况况下下每每簇为簇为4KB4KB。寻址方式 硬盘为线性寻址，即以扇区为单位进行寻址。硬盘为线性寻址，即以扇区为单位进行寻址。主讲：易建勋老师408.2 硬盘的结构与性能LBA（逻辑块寻址）（逻辑块寻址）模式 BIOSBIOS中中的的柱柱面面、磁磁头头、扇扇区区等等参参数数，并并不不是是硬硬盘盘的的实际物理参数。实际物理参数。硬盘容量=LBA512硬盘中部分存储空间对用户是隐藏的；硬盘中部分存储空间对用户是隐藏的；隐藏部分包括隐藏部分包括固件区固件区和替代缺陷扇区的和替代缺陷扇区的保留区保留区保留区保留区。主讲：易建勋老师418.2 硬盘的结构与性能固件区：保存若干程序模块和硬盘参数。主讲：易建勋老师428.2 硬盘的结构与性能8.2.5 固件与缺陷表固件与缺陷表固件功能 硬硬盘盘初初始始化化、伺伺服服信信息息或或伺伺服服字字段段参参数数、硬硬盘盘低低级级格格式式化化、固固件件微微代代码码（操操作作程程序序）、配配置置表表、硬硬盘盘缺陷表等。缺陷表等。主讲：易建勋老师438.2 硬盘的结构与性能硬硬盘盘生生产产过过程程极极其其精精密密，很很难难做做到到100%完完美美，盘盘面面或多或少存在一些缺陷或多或少存在一些缺陷。P-List（基本缺陷列表）（基本缺陷列表） 硬硬盘盘出出出出厂厂厂厂前前前前通通过过低低级级格格式式化化，自自动动找找出出所所有有缺缺陷陷磁磁道道和和缺缺陷陷扇扇区区，记记录录在在P-List中中，操操作作系系统统和和用用户户不不能使用它们。能使用它们。硬硬盘盘基基本本缺缺陷陷表表记记录录有有一一定定数数量量的的缺缺陷陷，少少则则数数百百，多则数以万计。多则数以万计。 主讲：易建勋老师448.2 硬盘的结构与性能G-List（增长缺陷表）（增长缺陷表） 硬硬盘盘使使用用中中，会会出出现现一一些些新新的的缺缺陷陷扇扇区区。为为了了减减少少硬硬盘盘返返修修率率，厂厂商商在在硬硬盘盘内内设设计计了了一一个个自自动动修修复复机机制制。在在硬硬盘盘读读写写过过程程中中，如如果果发发现现一一个个缺缺陷陷扇扇区区，则则自自动动分分配配一一个个备备用用扇扇区区来来替替换换该该缺缺陷陷扇扇区区，并并将将缺缺陷陷扇扇区区及及其其替替换换情情况况记记录录在在G-List中中，这这样样，少少量的缺陷扇区对用户的使用没有太大的影响。量的缺陷扇区对用户的使用没有太大的影响。主讲：易建勋老师458.2 硬盘的结构与性能P-List和和G-List表表无无法法用用标标准准ATA硬硬盘盘指指令令来来获获取取以以及修改及修改。专专业业硬硬盘盘修修复复工工具具软软件件（如如PC-3000）需需要要装装载载不不同的固件模块才能对它们进行操作。同的固件模块才能对它们进行操作。主讲：易建勋老师468.2 硬盘的结构与性能8.2.6 硬盘接口类型硬盘接口类型1IDE接口IDE接口采用接口采用ATA标准，也称为标准，也称为PATA。主讲：易建勋老师478.2 硬盘的结构与性能2SATA接口SATASATA采用低压差分信号传输采用低压差分信号传输。SATA双双工工通通信信由由两两个个单单工工信信道道组组成成，一一个个用用于于发发送送信信号号（写写数数据据），一一个个用用于于接接收收信信号号（读读数数据据），每每个个单单工工信信道道需需要要2根根数数据据线线，SATA共共需需要要4根根数数据据线。线。主讲：易建勋老师488.2 硬盘的结构与性能硬盘接口类型电源插头信号插头电源插头信号插头主讲：易建勋老师498.2 硬盘的结构与性能SATA采用点对点方式进行数据传输SATA信号接口采用7针“L”型连接器SATA 2.0标准最大接口速率为3.0Gbit/sSATA最大线路连接长度为1mSATA提供+12V、+5V和+3.3V的电压主讲：易建勋老师508.2 硬盘的结构与性能3eSATA接口eSATA接口采用平直型“一”字形接口。采用屏蔽信号线，eSATA连接长度达2m。SATA只能插拔 几十次，eSATA 能插拔2000次左右。主讲：易建勋老师518.2 硬盘的结构与性能4SCSI接口SCSISCSI接口用于服务器硬盘，它能连接多个设备。接口用于服务器硬盘，它能连接多个设备。SCSISCSI硬硬盘盘的的CPUCPU占占用用率率极极低低，但但是是SCSISCSI硬硬盘盘较较贵贵，因因此此SCSISCSISCSISCSI接口处于淘汰趋势接口处于淘汰趋势接口处于淘汰趋势接口处于淘汰趋势。 SCSI接口主讲：易建勋老师528.2 硬盘的结构与性能5SAS接口SAS（串行连接SCSI）是SCSI的串行版。SAS和SATA在物理上和电气上有兼容性。主讲：易建勋老师538.2 硬盘的结构与性能8.2.7 硬盘设计技术硬盘设计技术1垂直磁记录技术垂垂直直磁磁记记录录技技术术将将磁磁场场方方向向改改变变了了90度度，磁磁记记录录垂垂直于盘面的磁场，增加了磁盘整体存储容量。直于盘面的磁场，增加了磁盘整体存储容量。采采用用垂垂直直磁磁记记录录技技术术，硬硬盘盘的的基基本本工工作作原原理理和和结结构构都都没没有有发发生生改改变变，重重要要的的技技术术变变革革在在于于磁磁介介质质、磁磁头和读写电子器件上。头和读写电子器件上。主讲：易建勋老师548.2 硬盘的结构与性能硬盘水平和垂直磁记录技术水平磁记录垂直磁记录主讲：易建勋老师558.2 硬盘的结构与性能2多层磁盘结构技术磁盘表面采用了特殊激光防滑齿保护层。记录层采用氧化铬覆盖（磁性材料）或钴层。磁盘一般采用1个记录层和12个稳定层。主讲：易建勋老师568.2 硬盘的结构与性能4硬盘数据保护技术S.M.A.R.T.（自监测、分析及报告）（自监测、分析及报告）技术： 由由硬硬盘盘监监测测电电路路对对磁磁头头、磁磁盘盘、电电机机、电电路路等等进进行行监监测测。硬硬盘盘运运行行出出现现安安全全值值范范围围以以外外的的情情况况时时，硬硬盘盘自自动动向向用用户户发发出出警警告告，并并自自动动降降低低硬硬盘盘运运行行速速度度，将重要数据文件转存到其它安全扇区。将重要数据文件转存到其它安全扇区。主讲：易建勋老师578.2 硬盘的结构与性能S.M.A.R.T.S.M.A.R.T.只只要要硬硬盘盘电电源源开开着着，每每隔隔8 8 8 8小小小小时时时时就就会会做做一一次扫描、分析与修复动作。次扫描、分析与修复动作。S.M.A.R.T. S.M.A.R.T. 只只能能监监测测渐渐渐渐发发发发性性性性故故障障，对对突突突突发发发发性性性性故故障障，如磁头突然断裂等，这种技术也无能为力。如磁头突然断裂等，这种技术也无能为力。主讲：易建勋老师588.2 硬盘的结构与性能8.2.8 RAID磁盘阵列技术磁盘阵列技术改进磁盘性能的方法： 磁盘高速缓存高速缓存技术 RAIDRAID（廉价磁盘冗余阵列）（廉价磁盘冗余阵列）技术技术小型小型RAID由由2个硬盘和个硬盘和RAID控制卡组成控制卡组成大型大型RAID由专用计算机和几十个磁盘组成由专用计算机和几十个磁盘组成RAID级别大小并不代表技术的高低级别大小并不代表技术的高低主讲：易建勋老师598.2 硬盘的结构与性能小型磁盘阵列 主讲：易建勋老师608.2 硬盘的结构与性能3RAID 0条带技术RAID 0采用无数据冗余的条带化存储技术性能提高80%；硬盘利用率95%；无纠错。数据条带主讲：易建勋老师618.2 硬盘的结构与性能4RAID 1镜像技术RAID 1采用数据镜像技术。 无性能提高；硬盘利用率50%；数据备份。数据镜像主讲：易建勋老师628.2 硬盘的结构与性能5RAID 5校验技术RAID 5对硬盘数据进行纠错校验。性能提高70%；硬盘利用率90%；可纠错。主讲：易建勋老师638.2 硬盘的结构与性能8.2.9 硬盘主要技术性能硬盘主要技术性能单碟容量是衡量硬盘技术的一个主要指标。 硬盘单碟容量增加后速度反而加快了。硬盘转速越快，发热量和噪声越大。 平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间硬盘平均寻道时间在8ms8ms左右。硬盘7200rpm时，平均等待时间为4.167ms主讲：易建勋老师648.2 硬盘的结构与性能目前内部数据传输速率为8080150MB/s150MB/s高转速硬盘采用小尺寸盘片控制能耗和噪音。高转速硬盘采用小尺寸盘片控制能耗和噪音。主讲：易建勋老师658.3 光盘的结构与性能8.3.1 光盘的类型与结构光盘的类型与结构光盘读写原理： 只读光盘，如只读光盘，如DVD-ROM； 1次刻录光盘，如次刻录光盘，如DVD-R； 反复读写光盘，如反复读写光盘，如DVD-RW、DVD-RAM。光盘容量： CD-ROM容量为容量为650MB； DVD-ROM容量为容量为4.7-17GB； BD-ROM容量为容量为23-27GB。主讲：易建勋老师668.3 光盘的结构与性能光盘由保护层（透明塑料涂层）、反射层（镀铝涂层）、塑料基板层（数据记录）、标签层（光盘屏蔽保护）等组成。主讲：易建勋老师678.3 光盘的结构与性能只读光盘物理结构光盘每扇区为2KB光盘最内圈光道为起始扇区（光盘最内圈光道为起始扇区（1号扇区）号扇区）光盘数据存储原理：光盘中每个沟槽边缘代表数据“1”，其它地方代表数据“0”。主讲：易建勋老师688.3 光盘的结构与性能8.3.2 一次性写光盘的物理结构一次性写光盘的物理结构BD-R/DVD-R/CD-R都是一次性写光盘（刻录光盘）（刻录光盘）刻录光盘中，有一种有机染料，它在高温下会发生分子排列变化，可以用来记录数据。主讲：易建勋老师698.3 光盘的结构与性能刻录工作原理： DVD-R光盘在刻录过程中，刻录机激光头按数据脉冲信号发出高能量激光。激光透过光盘表面的透明层，使有机染料局部熔化。光照冷却后，有机染料的透光性在一些局部遭到了永久性破坏，没有受到激光照射的局部则呈现良好的透光率，这样就在DVD-R光盘上形成了永久的数据记录点。主讲：易建勋老师708.3 光盘的结构与性能8.3.3 可读写光盘物理结构可读写光盘物理结构BD-R/DVD-R/CD-R刻录原理： 利利用用有机染料在在高高温温下下会会发发生生分分子子排排列列变变化化来来记记录数据。录数据。DVD-R需要连续写入，但是存储在DVD-R中的数据可以随机读出。BD-RW/DVD-RW/CD-RW刻录原理： 一一些些特特殊殊晶晶体体材材料料在在不不同同温温度度下下分分别别呈呈结结晶晶态态与与非非结结晶晶态态，使使用用不不同同功功率率的的激激光光对对它它们们照照射射，就就可可以以使晶体材料发生相变。使晶体材料发生相变。主讲：易建勋老师718.3 光盘的结构与性能8.3.4 光盘逻辑结构光盘逻辑结构计算机数据选择Mode 1扇区模式，Mode 2适合存放图形、声音、影音等资料。主讲：易建勋老师728.3 光盘的结构与性能光盘文件系统1ISO 9660光盘文件系统ISO 9660是描述计算机用是描述计算机用CD-ROM文件结构标准。文件结构标准。ISO 9660不支持长文件名（最长不支持长文件名（最长31个字符）个字符）2Windows光盘文件系统微微软软公公司司提提出出了了与与ISO 9660兼兼容容的的Joliet（朱朱丽丽叶叶）和和Romeo（罗密欧）光盘文件系统。（罗密欧）光盘文件系统。主讲：易建勋老师738.3 光盘的结构与性能Joliet文件系统最多允许64个字符，文件名和路径加起来不超过120个字符。Romeo文文件件系系统统只只能能用用于于Windows，文文件件名名最最多多128个字符。个字符。主讲：易建勋老师748.3 光盘的结构与性能8.3.5 光驱工作原理光驱工作原理光驱采用向下兼容的设计方案。例如，BD-ROM光驱可以读出DVD-ROM、CD-ROM、DVD-R、DVD-RW、CD-ROM等光盘。光驱由激光头、光头驱动机构、光盘驱动机构、控制电路、数据处理芯片等电路组成。主讲：易建勋老师758.3 光盘的结构与性能光光驱驱工工作作时时，光光盘盘上上的的灰灰尘尘在在激激光光高高温温熔熔化化下下，容容易易在在激激光光头头形形成成顽顽固固的的污污垢垢。这这影影响响了了光光驱驱读读盘盘性性能，也加速了光驱的老化。能，也加速了光驱的老化。主讲：易建勋老师768.3 光盘的结构与性能8.3.6 光驱主要技术性能光驱主要技术性能CD-ROM基准传输速率度为150KB/s（1x），如50x光驱的数据传输速度为7.5MB/s。DVD基准速率为1.35MB/s（1x），如20x光驱最大数据传输速度为27MB/s。BD-ROM基准速率为4.5MB/s（1x）。最最大大数数据据传传输输速速度度指指激激光光头头在在光光盘盘最最外外圈圈读读写写数数据据所所达达到到的的最最大大值值，光光盘盘内内圈圈数数据据传传输输速速度度大大约约为为外外圈的一半左右。圈的一半左右。主讲：易建勋老师77 课程作业与讨论 讨论：讨论：（1）硬盘光盘近期会淘汰吗？（2）外存容量多大足够了？【本章结束本章结束】主讲：易建勋老师78