一、外围设备的功能和分类
外围设备的功能是在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系。 从某种意义上讲，外围设备的地位越来越重要。本章重点介绍外存设备，包括硬磁盘、可移动磁盘、磁带和光盘。
1、外围设备的一般功能
（1）功能： 外围设备这个术语涉及相当广泛的计算机部件。事实上，除了CPU和主存外，计算机系统的每一部分都可作为一个外围设备来看待。外围设备的功能是在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系。
（2）组成：存储介质 ，具有保存信息的物理特征； 驱动装置 ，用于移动存储介质； 控制电路 ，向存储介质发送数据或从存储介质接收数据。
2、分类
一个计算机系统配备什么样的外围设备，是根据实际需要来决定的，一个典型化了的计算机环境，包含了五大类外围设备，输入、输出、外存、数据通信和过程控制（I/O设备）。
二、磁盘存储设备
计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储，是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。
磁盘存储设备是计算机的辅助大容量存储器，具有存储容量大、位价格低、信息可长期保存等优点，但存取速度较慢。本节将详细介绍磁盘存储设备的组成、分类、技术指标以及磁盘阵列RAID等内容。
1、磁记录原理
过渡：在讲解磁记录原理之前，我们首先介绍一下什么是剩磁状态。在计算机中，用于存储设备的磁性材料，是一种具有矩形磁滞回线的磁性材料。当磁性材料被磁化后，会形成两个稳定的剩磁状态。具体矩形磁滞回线材料是什么，我们暂且不做讨论，只要记住这种材料可以产生矩形磁滞回线即可。那接下来我们详细看下什么是剩磁状态。
（1）剩磁状态：磁化元或存储元=一个二进制信息位的最小单位
计算机存储设备使用的磁性材料有特殊的磁滞回线特性。这种材料被磁化后，可以保持两种稳定的剩磁状态（+Br或-Br），就像触发器电路的两个稳定状态。 利用这两种状态，可以表示二进制代码1和0。加正向脉冲电流使材料正向磁化，表示「1」；加负向脉冲电流使材料反向磁化，表示「0」。
磁性材料上呈现剩磁状态的地方形成了一个磁化元或存储元，它是记录一个二进制信息位的最小单位。
我们知道磁性材料的剩磁状态，那么磁性材料是如何记录数据的呢？接下来我们分别看下磁性材料的写操作和读操作。
（2）写操作：载磁体被磁化成相应极性的磁化位或磁化元。
当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，会在铁芯内部产生一个具有特定方向的磁通。这是因为电流会产生磁场，而铁芯作为高导磁率的材料，能够有效地集中和引导磁场。
因为铁芯是高导磁材料，而空隙处则是非磁性材料。磁场在通过不同导磁率的材料交界处时，会发生挤压和集中现象，导致在空隙处形成较强的磁场。
在这个强磁场的作用下，载磁体会被磁化成相应极性的磁化位或磁化元。如果在写线圈中通入相反方向的脉冲电流，就会产生相反方向的磁场，从而得到相反极性的磁化元。这样，通过改变脉冲电流的方向，可以实现对磁化元的写入操作。
为了方便表示和识别，我们可以规定按图中所示电流方向为写「1」，那么写线圈里通以相反方向的电流时即为写「0」。这样，通过控制脉冲电流的方向，就可以在载磁体上写入一系列的二进制信息。
需要注意的是，一个磁化元就是一个存储元，它可以存储一位二进制信息（即0或1）。当载磁体相对于磁头运动时，就可以连续写入一连串的二进制信息，实现数据的存储和记录。
（3）读操作
当磁头经过载磁体的磁化元时，不同的磁化状态，所产生的感应电势方向不同，根据不同方向的感应电势就可判知读出的信息是「1」还是「0」。
当磁头经过载磁体的磁化元时，由于磁头铁芯是良好的导磁材料，磁化元的磁力线很容易通过磁头而形成闭合磁通回路。不同极性的磁化元在铁芯里的方向是不同的。当磁头对载磁体作相对运动时，由于磁头铁芯中磁通的变化，使读出线圈中感应出相应的电动势。
2、磁盘的组成和分类
我们知道了磁盘记录数据的原理，那么硬磁盘有哪些组成和分类呢，一般提到分类，我们都会有个分类标准，我们接下来学习一下。
（1）磁盘的分类
依据：磁盘片可换/固定；磁头可移动/固定 。
可移动磁头固定盘片、固定磁头固定盘片、可移动磁头可换盘片，需要在超净环境中使用。
温彻斯特磁盘机（温盘） ：可移动磁头固定盘片，划时代意义的磁盘。是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。
我们知道了磁盘的分类，接下来我们学习硬磁盘的组成。
（2）磁盘的组成
驱动器： 各类磁盘驱动器的具体结构虽然有差别，但基本结构相同，主要由 定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统 组成。
定位驱动系统寻找目标磁道位置；主轴系统的作用是安装盘片，并驱动它们以额定转速稳定旋转；数据转换系统的作用是控制数据的写入和读出。
控制器：主机与磁盘驱动器之间的接口。
一个是与主机的接口，控制外存与主机总线之间交换数据；另一个是与设备的接口，根据主机命令控制设备的操作。
3 、磁盘上信息的分布
我们学习了磁盘的组成和分类，那么磁盘上存储的数据是如何进行分布的呢，接下来我们学习下磁盘上的信息分布。
（1）磁道和扇区编号
盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为记录面。记录面上一系列同心圆称为磁道。每个盘片表面通常有几百到几千个磁道，每个磁道又分为若干个扇区。磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆称为 0 磁道，最里面的一个同心圆称为 n 磁道，n 磁道里面的圆面积并不用来记录信息。
除了磁道号和扇区号，还有记录面的面号，以说明本次处理是在哪一个记录面上。在磁道上，信息是按区存放的，每个区中存放 一定数量的字或字节，各个区存放的字或字节数是相同的 。
（2）磁道的起始位置
索引的意义：在磁盘上，数据是存储在多个同心圆的磁道上的。为了准确地读取或写入数据，系统需要知道每个磁道的起始位置。这个起始位置就叫做「索引」。
如何产生索引：磁盘上有一个特定的标志或区域，当磁盘旋转到这个位置时，传感器可以检测到它。这个标志或区域就是索引标志。当传感器检索（或检测）到这个索引标志时，它会产生一个脉冲信号。
脉冲信号的处理：产生的脉冲信号会被送到磁盘控制器。磁盘控制器是管理磁盘操作的一个关键组件。当控制器接收到这个脉冲信号时，它会进行处理，并根据这个信号确定磁道的起始位置。
简而言之，索引就是磁盘上每个磁道的起始位置，通过传感器检测索引标志产生的脉冲信号，并经过磁盘控制器的处理，系统可以准确地找到这个起始位置，从而进行读取或写入操作。
（3）数据在磁盘上的记录格式
磁盘存储器的每个扇区记录定长的数据，因此读/写操作是以扇区为单位一位一位串行
进行的。每一个扇区记录一个记录块。
a.空白段
b.序标
c.校验字
每个扇区开始时由磁盘控制器产生一个扇标脉冲。扇标脉冲的出现即标志一个扇区的开始。两个扇标脉冲之间的一段磁道区域即为一个扇区(一个记录块)。每个记录块由头部空白段、序标段、数据段、校验字段及尾部空白段组成。其中空白段用来留出一定的时间作为磁盘控制器的读写准备时间，序标被用来作为磁盘控制器的同步定时信号。序标之后即为本扇区所记录的数据。数据之后是校验字，它用来校验磁盘读出的数据是否正确。
4 、磁盘存储器的技术指标
过渡：我们学习了磁记录的原理、磁盘的分类和组成和磁盘的信息分布等知识，那么衡量磁盘存储器的性能有哪些技术指标呢？接下来我们具体看下。
（1）存储密度
存储密度分道密度、位密度和面密度。道密度是沿磁盘半径方向单位长度
上的磁道数，单位为道/英寸。位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位为位/英寸。面密度是位密度和道密度的乘积，单位为位/英寸 2 。
（2）存储容量
磁盘存储器能存多少字节，叫存储容量。分格式化与非格式化两种：格式化是用户可用的，按特定格式存信息；非格式化是磁面可利用的单元数。用磁盘前要先格式化，格式化容量通常是非格式化的60%～70%。
（3）存取时间
a.平均寻址时间：这段时间包括寻道时间和等待时间。磁盘接到读/写指令后将磁头定位至所要访问的磁道上所需的时间，称为寻道时间；寻道完成后，磁道上需要访问的扇区移动到磁头下方所需的时间，称为等待时间。
b.平均存取时间：包括寻道时间、等待时间及相关的内务操作时间。内务操作时间一般很短(一般在 0.2ms 左右)，可忽略不计。
c.总的总的平均读写操作时间：
Ts 表示平均寻道时间，b 表示传送的字节数，N 表示每磁道字节数，b/(rN)表示数据传输时间。
（4）数据传输率：内部、外部，写公式
磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，称为数据传输率。现代磁盘设备通常会配置磁盘 cache，单位时间内从硬盘 cache 向主机传送的数据信息量称为外部数据传输率。
Dr=nN(字节/秒) 或 Dr=D·v(字节/秒)
5、磁盘cache
随着微电子技术的飞速发展，主存芯片容量和磁盘驱动器的容量每 1.5 年增长 1 倍左右，但磁盘驱动器的存取时间没有出现相应的下降，仍停留在毫秒(ms)级。而主存的存取时间为纳秒(ns)级，两者速度差别十分突出。因此磁盘 I/O
系统成为整个系统的瓶颈。为了减少存取时间，采用cache的方式。
主存和 CPU 之间设置高速缓存 cache 是为了弥补主存和 CPU 之间速度上的差异。同样， 磁盘 cache 是为了弥补慢速磁盘和主存之间速度上的差异。
在磁盘 cache 中，由一些数据块组成的一个基本单位称为 cache 行。当一个 I/O 请求送到磁盘驱动时，首先搜索驱动器上的高速缓冲行是否已写上数据？如果是读操作，且要读的数据已在 cache 中，则为命中，可从 cache 行中读出数据，否则需从磁盘介质上读出。写入操作和 CPU 中的 cache 类似，有「直写」和「写回」两种方法。 磁盘 cache 利用了被访问数据的空间局部性和时间局部性原理。
6、磁盘阵列RAID
（1）提出： RAID 是 1988 年由美国加州大学伯克利分校一个研究小组提出的，它的设计理念是用多个小容量磁盘代替一个大容量磁盘，并用分布数据的方法能够同时从多个磁盘中存取数据，因而改善了 I/O 性能，增加了存储容量。
（2）RAID0级阵列的数据映射
工业上制定了一个称为 RAID 的标准，它分为 7 级(RAID 0～RAID 6)。这些级别不是表示层次关系，而是指出了不同存储容量、可靠性、数据传输能力、I/O 请求速率等方面的应用需求。
对 RAID 0，用户和系统数据分布在阵列中的所有磁盘上。与单个大容量磁盘相比，其优点是：如果两个 I/O 请求正在等待两个不同的数据块，则被请求的块有可能在不同的盘上。因此，两个请求能够并行发出，减少了 I/O 排队的时间。
图表示使用磁盘阵列管理软件在逻辑磁盘和物理磁盘间进行映射。此软件可在磁盘子系统或主机上运行。
所有的用户数据和系统数据都被看成是逻辑条带，存储在一个逻辑磁盘上。而实际物理磁盘也以条带形式划分，每个条带是一些物理的块、扇区或其他单位。数据条带以轮转方式映射到连续的阵列磁盘中。每个磁盘映射一条带，一组逻辑连续条带称为条带集。
我们学习了磁盘存储技术，磁存储设备除磁盘之外，还有磁带，其记录原理与磁盘基本相同，都是应用了磁-电转换。接下来我们学习下磁带存储设备。
三、磁带存储设备
磁带存储设备由磁带机和磁带两部分组成，写入时可通过磁头把信息代码记录在磁带上。当记录有代码的磁带在磁头下移动时，就可在磁头线圈上感应出电动势，即读出信息代码。磁带速度比磁盘速度慢，原因是磁带上的数据采用顺序访问方式，而磁盘则采用随机访问方式。
过渡：磁带可作为海量存储设备的数据备份，目前常用的磁带技术有以下几种类型。
（1）1/4 英寸磁带(QIC)
磁带的最大存 储容量达到 4GB
QIC 磁带驱动器使用 3 个磁头，即一个读磁头两侧各有一个写磁头，如图 7.11 所示。这种设计使磁带驱动器能在磁带往两个方向上运动时，都可以确认刚写入的数据。在规定的记录方式下，磁带以 100 英寸/秒的速度移动。
（2）数码音频磁带(DAT)
DAT 是数码音频磁带的英文缩写，它采用旋转扫描技术。DAT 的存储容量最 大达到12GB 。与 QIC 相比，价格上比较昂贵。
（3）8mm 磁带
8mm 磁带最初为视频行业设计，现已被计算机行业采用，被认为是存储大量计算机数据的可靠方式。8mm 磁带与 DAT 磁带在结构上类似，但是 最大存储容量可达 25GB 。
（4）数码线性磁带(DLT)
DLT 是数码线性磁带的英文缩写，它是半英寸宽的磁带，比 8mm 磁带宽 60%，比 QIC 磁带宽 2 倍。因此 DLT 磁带提供所有磁带类型的存储容量， 最大可以达到 35GB 。
