一、外圍裝置的功能和分類
外圍裝置的功能是在電腦和其他機器之間，以及電腦與使用者之間提供聯系。 從某種意義上講，外圍裝置的地位越來越重要。本章重點介紹外存裝置，包括硬磁盤、可移動磁盤、磁帶和光碟。
1、外圍裝置的一般功能
（1）功能： 外圍裝置這個術語涉及相當廣泛的電腦部件。事實上，除了CPU和主記憶體外，電腦系統的每一部份都可作為一個外圍裝置來看待。外圍裝置的功能是在電腦和其他機器之間，以及電腦與使用者之間提供聯系。
（2）組成：儲存介質 ，具有保存資訊的物理特征； 驅動裝置 ，用於移動儲存介質； 控制電路 ，向儲存介質發送數據或從儲存介質接收數據。
2、分類
一個電腦系統配備什麽樣的外圍裝置，是根據實際需要來決定的，一個典型化了的電腦環境，包含了五大類外圍裝置，輸入、輸出、外存、資料通訊和過程控制（I/O裝置）。
二、磁盤儲存裝置
電腦的外記憶體又稱磁表面儲存裝置。所謂磁表面儲存，是用某些磁性材料薄薄地塗在金屬鋁或塑膠表面作載磁體來儲存資訊。磁盤記憶體、磁帶記憶體均屬於磁表面記憶體。
磁盤儲存裝置是電腦的輔助大容量記憶體，具有儲存容量大、位價格低、資訊可長期保存等優點，但存取速度較慢。本節將詳細介紹磁盤儲存裝置的組成、分類、技術指標以及磁碟陣列RAID等內容。
1、磁記錄原理
過渡：在講解磁記錄原理之前，我們首先介紹一下什麽是剩磁狀態。在電腦中，用於儲存裝置的磁性材料，是一種具有矩形磁滯回線的磁性材料。當磁性材料被磁化後，會形成兩個穩定的剩磁狀態。具體矩形磁滯回線材料是什麽，我們暫且不做討論，只要記住這種材料可以產生矩形磁滯回線即可。那接下來我們詳細看下什麽是剩磁狀態。
（1）剩磁狀態：磁化元或儲存元=一個二進制資訊位的最小單位
電腦儲存裝置使用的磁性材料有特殊的磁滯回線特性。這種材料被磁化後，可以保持兩種穩定的剩磁狀態（+Br或-Br），就像觸發器電路的兩個穩定狀態。 利用這兩種狀態，可以表示二進制程式碼1和0。加正向脈沖電流使材料正向磁化，表示「1」；加負向脈沖電流使材料反向磁化，表示「0」。
磁性材料上呈現剩磁狀態的地方形成了一個磁化元或儲存元，它是記錄一個二進制資訊位的最小單位。
我們知道磁性材料的剩磁狀態，那麽磁性材料是如何記錄數據的呢？接下來我們分別看下磁性材料的寫操作和讀操作。
（2）寫操作：載磁體被磁化成相應極性的磁化位或磁化元。
當寫線圈中透過一定方向的脈沖電流時，會在鐵芯內部產生一個具有特定方向的磁通。這是因為電流會產生磁場，而鐵芯作為高導磁率的材料，能夠有效地集中和引導磁場。
因為鐵芯是高導磁材料，而空隙處則是非磁性材料。磁場在透過不同導磁率的材料交界處時，會發生擠壓和集中現象，導致在空隙處形成較強的磁場。
在這個強磁場的作用下，載磁體會被磁化成相應極性的磁化位或磁化元。如果在寫線圈中通入相反方向的脈沖電流，就會產生相反方向的磁場，從而得到相反極性的磁化元。這樣，透過改變脈沖電流的方向，可以實作對磁化元的寫入操作。
為了方便表示和辨識，我們可以規定按圖中所示電流方向為寫「1」，那麽寫線圈裏通以相反方向的電流時即為寫「0」。這樣，透過控制脈沖電流的方向，就可以在載磁體上寫入一系列的二進制資訊。
需要註意的是，一個磁化元就是一個儲存元，它可以儲存一位二進制資訊（即0或1）。當載磁體相對於磁頭運動時，就可以連續寫入一連串的二進制資訊，實作數據的儲存和記錄。
（3）讀操作
當磁頭經過載磁體的磁化元時，不同的磁化狀態，所產生的感應電勢方向不同，根據不同方向的感應電勢就可判知讀出的資訊是「1」還是「0」。
當磁頭經過載磁體的磁化元時，由於磁頭鐵芯是良好的導磁材料，磁化元的磁力線很容易透過磁頭而形成閉合磁通回路。不同極性的磁化元在鐵芯裏的方向是不同的。當磁頭對載磁體作相對運動時，由於磁頭鐵芯中磁通的變化，使讀出線圈中感應出相應的電動勢。
2、磁盤的組成和分類
我們知道了磁盤記錄數據的原理，那麽硬磁盤有哪些組成和分類呢，一般提到分類，我們都會有個分類標準，我們接下來學習一下。
（1）磁盤的分類
依據：磁盤片可換/固定；磁頭可移動/固定 。
可移動磁頭固定盤片、固定磁頭固定盤片、可移動磁頭可換盤片，需要在超凈環境中使用。
溫徹斯特磁盤機（溫盤） ：可移動磁頭固定盤片，劃時代意義的磁盤。是防塵效能好，可靠性高，對使用環境要求不高。
我們知道了磁盤的分類，接下來我們學習硬磁盤的組成。
（2）磁盤的組成
驅動器： 各類磁碟機的具體結構雖然有差別，但基本結構相同，主要由 定位驅動系統、主軸系統和數據轉換系統 組成。
定位驅動系統尋找目標磁軌位置；主軸系統的作用是安裝盤片，並驅動它們以額定轉速穩定旋轉；數據轉換系統的作用是控制數據的寫入和讀出。
控制器：主機與磁碟機之間的介面。
一個是與主機的介面，控制外存與主機匯流排之間交換數據；另一個是與裝置的介面，根據主機命令控制裝置的操作。
3 、磁盤上資訊的分布
我們學習了磁盤的組成和分類，那麽磁盤上儲存的數據是如何進行分布的呢，接下來我們學習下磁盤上的資訊分布。
（1）磁軌和磁區編號
盤片的上下兩面都能記錄資訊，通常把磁盤片表面稱為記錄面。記錄面上一系列同心圓稱為磁軌。每個盤片表面通常有幾百到幾千個磁軌，每個磁軌又分為若幹個磁區。磁軌的編址是從外向內依次編號，最外一個同心圓稱為 0 磁軌，最裏面的一個同心圓稱為 n 磁軌，n 磁軌裏面的圓面積並不用來記錄資訊。
除了磁軌號和磁區號，還有記錄面的面號，以說明本次處理是在哪一個記錄面上。在磁軌上，資訊是按區存放的，每個區中存放 一定數量的字或字節，各個區存放的字或字節數是相同的 。
（2）磁軌的起始位置
索引的意義：在磁盤上，數據是儲存在多個同心圓的磁軌上的。為了準確地讀取或寫入數據，系統需要知道每個磁軌的起始位置。這個起始位置就叫做「索引」。
如何產生索引：磁盤上有一個特定的標誌或區域，當磁盤旋轉到這個位置時，傳感器可以檢測到它。這個標誌或區域就是索引標誌。當傳感器檢索（或檢測）到這個索引標誌時，它會產生一個脈沖訊號。
脈沖訊號的處理：產生的脈沖訊號會被送到磁盤控制器。磁盤控制器是管理磁盤操作的一個關鍵元件。當控制器接收到這個脈沖訊號時，它會進行處理，並根據這個訊號確定磁軌的起始位置。
簡而言之，索引就是磁盤上每個磁軌的起始位置，透過傳感器檢測索引標誌產生的脈沖訊號，並經過磁盤控制器的處理，系統可以準確地找到這個起始位置，從而進行讀取或寫入操作。
（3）數據在磁盤上的記錄格式
磁盤記憶體的每個磁區記錄定長的數據，因此讀/寫操作是以磁區為單位一位一位序列
進行的。每一個磁區記錄一個記錄塊。
a.空白段
b.序標
c.校驗字
每個磁區開始時由磁盤控制器產生一個扇標脈沖。扇標脈沖的出現即標誌一個磁區的開始。兩個扇標脈沖之間的一段磁軌區域即為一個磁區(一個記錄塊)。每個記錄塊由頭部空白段、序標段、數據段、校驗欄位及尾部空白段組成。其中空白段用來留出一定的時間作為磁盤控制器的讀寫準備時間，序標被用來作為磁盤控制器的同步定時訊號。序標之後即為本磁區所記錄的數據。數據之後是校驗字，它用來校驗磁盤讀出的數據是否正確。
4 、磁盤記憶體的技術指標
過渡：我們學習了磁記錄的原理、磁盤的分類和組成和磁盤的資訊分布等知識，那麽衡量磁盤記憶體的效能有哪些技術指標呢？接下來我們具體看下。
（1）儲存密度
儲存密度分道密度、位密度和面密度。道密度是沿磁盤半徑方向單位長度
上的磁軌數，單位為道/英寸。位密度是磁軌單位長度上能記錄的二進制程式碼位數，單位為位/英寸。面密度是位密度和道密度的乘積，單位為位/英寸 2 。
（2）儲存容量
磁盤記憶體能存多少字節，叫儲存容量。分格式化與非格式化兩種：格式化是使用者可用的，按特定格式存資訊；非格式化是磁面可利用的單元數。用磁盤前要先格式化，格式化容量通常是非格式化的60%～70%。
（3）存取時間
a.平均尋址時間：這段時間包括尋道時間和等待時間。磁盤接到讀/寫指令後將磁頭定位至所要存取的磁軌上所需的時間，稱為尋道時間；尋道完成後，磁軌上需要存取的磁區移動到磁頭下方所需的時間，稱為等待時間。
b.平均存取時間：包括尋道時間、等待時間及相關的內務操作時間。內務操作時間一般很短(一般在 0.2ms 左右)，可忽略不計。
c.總的總的平均讀寫操作時間：
Ts 表示平均尋道時間，b 表示傳送的字節數，N 表示每磁軌字節數，b/(rN)表示數據傳輸時間。
（4）數據傳輸率：內部、外部，寫公式
磁盤記憶體在單位時間內向主機傳送數據的字節數，稱為數據傳輸率。現代磁盤裝置通常會配置磁盤 cache，單位時間內從硬碟 cache 向主機傳送的數據資訊量稱為外部數據傳輸率。
Dr=nN(字節/秒) 或 Dr=D·v(字節/秒)
5、磁盤cache
隨著微電子技術的飛速發展，主記憶體芯片容量和磁碟機的容量每 1.5 年增長 1 倍左右，但磁碟機的存取時間沒有出現相應的下降，仍停留在毫秒(ms)級。而主記憶體的存取時間為納秒(ns)級，兩者速度差別十分突出。因此磁盤 I/O
系統成為整個系統的瓶頸。為了減少存取時間，采用cache的方式。
主記憶體和 CPU 之間設定快取 cache 是為了彌補主記憶體和 CPU 之間速度上的差異。同樣， 磁盤 cache 是為了彌補慢速磁盤和主記憶體之間速度上的差異。
在磁盤 cache 中，由一些數據塊組成的一個基本單位稱為 cache 行。當一個 I/O 請求送到磁盤驅動時，首先搜尋驅動器上的高速緩沖行是否已寫上數據？如果是讀操作，且要讀的數據已在 cache 中，則為命中，可從 cache 行中讀出數據，否則需從磁盤介質上讀出。寫入操作和 CPU 中的 cache 類似，有「直寫」和「寫回」兩種方法。 磁盤 cache 利用了被存取數據的空間局部性和時間局部性原理。
6、磁碟陣列RAID
（1）提出： RAID 是 1988 年由美國加州大學柏克萊分校一個研究小組提出的，它的設計理念是用多個小容量磁盤代替一個大容量磁盤，並用分布數據的方法能夠同時從多個磁盤中存取數據，因而改善了 I/O 效能，增加了儲存容量。
（2）RAID0級陣列的數據對映
工業上制定了一個稱為 RAID 的標準，它分為 7 級(RAID 0～RAID 6)。這些級別不是表示層次關系，而是指出了不同儲存容量、可靠性、數據傳輸能力、I/O 請求速率等方面的套用需求。
對 RAID 0，使用者和系統數據分布在陣列中的所有磁盤上。與單個大容量磁盤相比，其優點是：如果兩個 I/O 請求正在等待兩個不同的數據塊，則被請求的塊有可能在不同的盤上。因此，兩個請求能夠並列發出，減少了 I/O 排隊的時間。
圖表示使用磁碟陣列管理軟體在邏輯磁盤和物理磁盤間進行對映。此軟體可在磁盤子系統或主機上執行。
所有的使用者數據和系統數據都被看成是邏輯條帶，儲存在一個邏輯磁盤上。而實際物理磁盤也以條帶形式劃分，每個條帶是一些物理的塊、磁區或其他單位。數據條帶以輪轉方式對映到連續的陣列磁盤中。每個磁盤對映一條帶，一組邏輯連續條帶稱為條帶集。
我們學習了磁盤儲存技術，磁儲存裝置除磁盤之外，還有磁帶，其記錄原理與磁盤基本相同，都是套用了磁-電轉換。接下來我們學習下磁帶儲存裝置。
三、磁帶儲存裝置
磁帶儲存裝置由磁帶機和磁帶兩部份組成，寫入時可透過磁頭把資訊程式碼記錄在磁帶上。當記錄有程式碼的磁帶在磁頭下移動時，就可在磁頭線圈上感應出電動勢，即讀出資訊程式碼。磁帶速度比磁盤速度慢，原因是磁帶上的數據采用順序存取方式，而磁盤則采用隨機存取方式。
過渡：磁帶可作為海量儲存裝置的數據備份，目前常用的磁帶技術有以下幾種型別。
（1）1/4 英寸磁帶(QIC)
磁帶的最大存 儲容量達到 4GB
QIC 磁帶驅動器使用 3 個磁頭，即一個讀磁頭兩側各有一個寫磁頭，如圖 7.11 所示。這種設計使磁帶驅動器能在磁帶往兩個方向上運動時，都可以確認剛寫入的數據。在規定的記錄方式下，磁帶以 100 英寸/秒的速度移動。
（2）數位音訊磁帶(DAT)
DAT 是數位音訊磁帶的英文縮寫，它采用旋轉掃描技術。DAT 的儲存容量最 大達到12GB 。與 QIC 相比，價格上比較昂貴。
（3）8mm 磁帶
8mm 磁帶最初為視訊行業設計，現已被電腦行業采用，被認為是儲存大量電腦數據的可靠方式。8mm 磁帶與 DAT 磁帶在結構上類似，但是 最大儲存容量可達 25GB 。
（4）數位線性磁帶(DLT)
DLT 是數位線性磁帶的英文縮寫，它是半英寸寬的磁帶，比 8mm 磁頻寬 60%，比 QIC 磁頻寬 2 倍。因此 DLT 磁帶提供所有磁帶型別的儲存容量， 最大可以達到 35GB 。
