第五节　辅助存储器

一、 概述

　　1．辅助存储器的特点 　　辅助存储器作为主存的后援设备，又称作外部存储器，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。 与主存相比，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。目前，广泛用于计算机系统的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(如盘状、带状等)的载体上，涂有磁性材料层，工作时，靠载磁体高速运动，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。磁盘的磁道是一个个同心圆，见下图 (a)，磁带的磁道是沿磁带长度方向的直线，见下图(b)。

(a)　　　　　　　　(b)

　　下面结合磁表面存储器介绍它们的一些主要技术指标。

　　2．磁表面存储器的主要技术指标 　　(1)记录密度。记录密度通常是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，单位是道/英寸(TPI)或道/毫米(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叫道距，因此道密度Dt等于道距P的倒数。即

　　 　　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 (bits per inch)或bpm(位/毫米)。磁带存储器主要用位密度来衡量，常用的磁带有800bpi，1600bpi，6250bpi等。对于磁盘，位密度Db可按下式计算：

　　 　　为每道总位数，为同心圆中最小直径，各磁道上所记录的信息量是相同的而位密度不同，一般的磁盘位密度是指最内圈磁道的位密度，即最大位密度。 　　(2)存储容量。存储容量是指外存所能存储的二进制信息总数量，一般以位或字节为单位。以磁盘存储器为例，存储容量可按下式计算：

　　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，它一般为非格式化容量的60％～70％。 　　(3)平均寻址时间。由存取方式分类可知，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ts，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tw。由于从最外圈磁道找到最里圈磁道和寻找相邻磁道所需时间是不等的，而且磁头等待不同区段所花的时间也不等。因此，取其平均值，称作平均寻址时间Ta，它是平均找道时间tsa和平均等待时间twa之和：

　　 　　平均寻址时间是磁盘存储器的一个重要指标。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。 　　磁带存储器采取顺序存取方式，磁头不动，磁带移动，不需要寻找磁道，但要考虑磁头寻找记录区段的等待时间，所以磁带寻址时间是指磁带空转到磁头应访问的记录区段所在位置的时间。 　　(4)数据传输率。数据传输率Dr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和记录介质的运动速度V有关：

　　此外，辅存和主机的接口逻辑应有足够快的传送速度，用来完成接收/发送信息，以利主机与辅存之间的传送正确无误。 　　(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的总信息位数之比。为了减少出错串，磁表面存储器通常采用循环冗余码来发现并纠正错误。

二、磁记录原理和记录方式

　　1．磁记录原理 　　磁表面存储器通过磁头和记录介质的相对运动完成读写操作。写入时，记录介质在磁头下方匀速通过，根据写入代码的要求，对写入线圈输入一定方向和大小的电流，使磁头导磁体磁化，产生一定方向和强度的磁场。由于磁头与磁层表面间距非常小，磁力线直接穿透到磁层表面，将对应磁头下方的微小区域磁化(叫作磁化单元)。可以根据写入驱动电流的不同方向，使磁层表面被磁化的极性方向不同，以区别记录“0”或“1”。

磁表面存储器写入原理

　　读出时，记录介质在磁头下方匀速通过，磁头相对于一个个被读出的磁化单元作切割磁力线的运动，从而在磁头读线圈中产生感应电势e，且（n为读出线圈匝数），其方向正好和磁通的变化方向相反。由于原来磁化单元的剩磁通的方向φ不同，感应电势方向也不同，便可读出“1”或“0”两种不同信息。如下图所示。

　　2．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。磁记录方式对记录密度和可靠性都有很大影响， 　　常用的记录方式有6种，如下图所示。

　　图中波形既代表了磁头线圈中的写入电流波形，也代表磁层上相应位置所记录的理想的磁通变化状态。 　　(1)归零制(RZ)。归零制记录“1”时，通以正向脉冲电流，记录“0”时，通以反向脉冲电流，使其在磁表面形成两个不同极性的磁饱和状态，分别表示“1”和“0”。由于两位信息之间驱动电流归零，故叫归零制记录方式。这种方式在写入信息时很难覆盖原来的磁化区域，所以为了重新写入信息，在写入前，必须先抹去原存信息。这种记录方式原理简单，实施方便，但由于两个脉冲之间有一段间隔没有电流，相应的该段磁介质未被磁化，即该段空白，故记录密度不高，目前很少使用。 　　(2)不归零制(NRZ)。不归零制记录信息时，磁头线圈始终有驱动电流，不是正向，便是反向，不存在无电流状态。这样，磁表面层不是正向被磁化，就是反向被磁化。当连续记录“1”或“0”时，其写电流方向不变，只有当相邻两信息代码不同时，写电流才改变方向，故称为“见变就翻”的不归零制。 　　(3)见“1”就翻的不归零制(NRZ1)。见“1”就翻的不归零制在记录信息时，磁头线圈也始终有电流。但只有在记录“0”时电流改变方向，使磁层磁化方向发生翻转；记录“1”时，电流方向保持不变，使磁层的磁化方向也维持原来状态，这就叫见“1”就翻的不归零制。 　　(4)调相制(PM)。调相制又称为相位编码(PE)。其记录规则是：记录“1”时，写电流由负变正：记录“0”时，写电流由正变负，而且电流变化出现在一位信息记录时间的中间时刻，它以相位差为180o的磁化翻转方向来表示“1”和“0”。因此，当连续记录相同信息时，在每两个相同信息的交界处，电流方向都要变化一次，若相邻信息不同，则两个信息位的交界处电流方向维持不变。调相制在磁带存储器中用得较多。 　　(5)调频制(FM)。调频制的记录规则是：以驱动电流变化的频率不同来区别记录“1”还是“0”。当记录“0”时，在一位信息的记录时间内电流保持不变；当记录“1”时，在一位信息记录时间的中间时刻，使电流改变一次方向。而且无论记录“0”还是“1”，在相邻信息的交界处，线圈电流均变化一次。因此，写“1”时，在位单元的起始和中间位置，都有磁通翻转；在写“0”时，仅在位单元起始位置有翻转。显然，记录“1”的磁翻转频率为记录“0”的两倍，故又称为倍频制。调频制记录方式被广泛应用在硬磁盘和软磁盘中。 　　(6)改进调频制(MFM)。这种记录方式基本上同调频制，即记录“0”时，在位记录时间内电流不变；记录“1”时，在位记录时间的中间时刻电流发生一次变化。两者不同之处在于，改进调频制只有当连续记录两个或两个以上的“0”时，才在每位的起始处电流改变一次，不必在每个位起始处都改变电流方向。由于这一特点，在写入同样数据序列时，MFM比FM磁翻转次数少，在相同长度的磁层上可记录的信息量将会增加，从而提高了磁记录密度。FM制记录一位二进制代码最多是两次磁翻转，MFM制最多只要一次翻转，记录密度提高了一倍，故又称之为倍密度记录方式。倍密度软磁盘即采用MFM记录方式。

　　3．评价记录方式的主要指标 　　评价一种记录方式的优劣标准，主要反映在编码效率和自同步能力等方面。 　　（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。如FM、PM记录方式中，记录一位信息最大磁化翻转次数为2，因此编码效率为50％；而MFM、NRZ、NRZ1三种记录方式的编码效率为100%，因为它们记录一位信息磁化翻转最多一次。 　　(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。从磁表面存储器的读出可知，为了将数据信息分离出来，必须有时间基准信号，称为同步信号。同步信号可以从专门设置用来记录同步信号的磁道中取得，这种方法叫做外同步，如NRZl制就是采用外同步的。下图画出了NRZl制驱动电流、记录磁通、感应电势、同步脉冲、读出代码等几种波形的理想对应关系(图中未反映磁通变化的滞后现象)。读出时将读线圈获得的感应信号放大(负波还要反相)、整形，这样，对于每个记录的“1”都会得到一个正脉冲，再将它们与同步脉冲相“与”，即可得读出代码波形。

　　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。例如NRZ和NRZl方式在连续记录“0”时，磁层都不发生磁化磁转，而NBz方式在连续记录“1”时，磁层也不发生磁化翻转，因此，NRZ和NRZl都没有自同步能力。而PM、FM、MFM方式均有自同步能力。FM记录方式的最大磁化翻转间隔是T(T为―位信息的记录时间)，最小磁化翻转间隔是T/2，所以RFM＝0.5。 　　影响记录方式的优劣因素还有很多，如读分辨力、信息独立性(即某一位信息读出时出现误码而不影响后续其他信息位的正确性)、频带宽度、抗干扰能力以及实现电路的复杂性等等。

三、硬磁盘存储器

　　硬磁盘存储器是计算机系统中最主要的外存设备。

　　1．硬磁盘存储器类型 　　硬磁盘存储器的盘片由硬质铝合金材料制成，表面涂有一层可被磁化的硬磁特性材料。它可以按以下几种方式分类。 　　（1）按磁头的工作方式分。硬磁盘存储器按磁头的工作方式分为固定磁头磁盘存储器和移动磁头磁盘存储器；如下图所示：

　　固定磁头的磁盘存储器，其磁头位置固定不动，磁盘上的每一个磁道都对应一个磁头，盘片也不可更换。其特点是省去了磁头沿盘片径向运动所需寻找磁道的时间，存取速度快，只要磁头进入工作状态即可进行读写操作。 　　移动磁头的磁盘存储器在存取数据时，磁头在盘面上作径向运动，这类存储器可以由一个盘片组成，也可由多个盘片装在一个同心主轴上，每个记录面各有一个磁头，除上下两外侧为保护面外，其余的盘面可作为记录面，并对应多个磁头。这类结构的硬磁盘存储器，目前应用最广泛。最典型的就是温彻斯特磁盘。 　　（2）按磁盘是否具有可换性分。硬磁盘存储器按磁盘是否具有可换性可分为可换盘磁盘存储器和固定盘磁盘存储器。 　　可换盘磁盘存储器是指盘片可以脱机保存。这种磁盘可以在互为兼容的磁盘存储器之间交换数据，便于扩大存储容量。盘片可以只换单片，如在4片盒式磁盘存储器中，3片磁盘固定，只有1片可换。也可以将整个磁盘组(如6片、11片、12片等)换下。 　　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。 　　温彻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。它是目前用得最广，最有代表性的硬磁盘存储器。其特点是采用密封组合方式，将磁头、盘片、驱动部件以及读写电路等制成一个不能随意拆卸的整体，叫作“头盘组合体”。因此，它的防尘性能好、可靠性高、对环境要求不高。过去有些普通的硬磁盘存储器要求在超净环境中应用，往往只能用在特殊条件的大、中型计算机系统中。

　　2．硬磁盘存储器的结构 　　硬磁盘存储器是由磁盘驱动器、磁盘控制器和盘片组成，如下图所示。

　　(1)磁盘驱动器。磁盘驱动器是主机外的一个独立装置，又称磁盘机。大型磁盘驱动器要占用一个或几个机柜，温盘只是一个比砖还小的小匣子。驱动器主要包括主轴、定位驱动及数据控制等。下图所示为磁盘驱动器的主轴系统和定位驱动系统。

　　图中主轴上装有6片磁盘，主轴受传动机构控制，可使磁盘组作高速旋转运动。磁盘组共有10个有效记录面，每一面对应一个磁头。10个磁头分装在读写臂上，连成一体，固定在小车上，尤如一把梳子。在音圈电机带动下，小车可以平行移动，带着磁头作盘的径向运动，以便找到目标磁道。磁头还具备浮动的特性，即当盘面作高速旋转时，依靠盘面形成的高速气流将磁头微微“托”起，使磁头与盘面不直接接触形成微小的气隙。 　　整个驱动定位系统是一个带有速度和位置反馈的闭环调节自控系统。由位置检测电路测得磁头的即时位置，并与磁盘控制器送来的目标磁道位置进行比较，找出位差；再根据磁头即时平移的速度求出磁头正确运动的方向和速度，经放大送回给线性音圈电机，以改变小车的移动方向和速度，由此直到找到目标磁道为止。 　　数据控制部分主要完成数据转换及读/写控制操作。在写操作时，首先接收选头选址信号，用以确定道地址和扇段地址。再根据写命令和写数据选定的磁记录方式，井将其转化为按一定变化规律的驱动电流注入磁头的写线圈中。按照前面讲述过的磁头工作原理，使可将数据写入到指定磁道上。读操作时，首先也要接收选头选址信号，然后通过读放大器以及译码电路，将数据脉冲分离出来。 　　(2)磁盘控制器。磁盘控制器通常制作成一块电路板，插在主机总线插槽中。其作用是接受由主机发来的命令，将它转换成磁盘驱动器的控制命令，实现主机和驱动器之间的数据格式转换和数据传送，并控制驱动器的读写。可见，磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之问的接口。其内部又包含两个接口，一个是对主机的接口，称为系统级接口，它通过系统总线与主机交换信息；另一个是对硬盘(设备)的接口，称为设备级接口，又称为设备控制器，它接收主机的命令以控制设备的各种操作。一个磁盘控制器可以控制一台或几台驱动器。下图是磁盘控制器的接口示意图。

　　(3)盘片。盘片是存储信息的载体，随着计算机系统的不断小型化，硬盘也在朝着小体积和大容量的方向发展。

　　3．硬磁盘存储器的发展动向 　　(1)半导体盘。用半导体材料制成的“盘”，它既没有盘，也没有其他运动部件，它是以半导体芯片为核心，加上接口电路和其他控制电路，在功能上模拟硬盘，即按硬盘的工作方式存取数据。如EEPROM，它可用电信号改写，断电时其原存信息也不被丢失，因此，它就可以作成半导体盘，其存取速度比硬盘要快得多，大约在0.1ms以下。 　　F1ash Memory是在EPROM和EEPROM基础上产生的一种新型的、具有性能价格比和可靠性更高的可接写、非易失性的存储器。大容量的F1ash Memory既能长期反复使用，又不丢失信息，因此它可以用来替代磁盘。 　　(2)提高磁盘记录密度。为提高磁盘记录密度，通常可采用以下技术： 　　・采用高密度记录磁头； 　　・采用先进的信息处理技术，克服由高密度带来的读出信号减弱和信号干扰比下降的缺点； 　　・降低磁头浮动高度和采用高性能磁头浮动块； 　　・改进磁头伺服跟踪技术； 　　・采用高性能介质和基板的磁盘； 　　・改进编码方式。 　　(3)提高传输率和缩短存取时间。为实现磁盘高速化，可采用如下措施： 　　・提高主轴转速，从过去的2400转/分、3600转/分(记作3600rpm)提高到4400、4500、5400、6300和7200rpm。 　　・采用超高速缓冲存储器Cache芯片作/写操作控制电路， 　　(4)采用磁盘阵列RAID。尽管磁盘存储器的速度有了很大的提高，但与处理器相比，差距仍然很大。这种状态使磁盘存储器成了整个计算机系统功能提高的瓶颈。于是又出现了磁盘阵列RAID(Redundant Array of Independent Disks))。它的基本原理是将并行处理技术引入到磁盘系统。使用多台小型温盘构成同步化的磁盘阵列，将数据展开分放在多台盘上，而这些盘又能像一台盘那样操作，使数据传输时间为单台盘的1/n(n为并行驱动器个数)。

　　4．硬磁盘的磁道记录格式 　　盘面的信息串行排列在磁道上，以字节为单位，若干相关的字节组成记录块，一系列的记录块又构成一个“记录”，一批相关的“记录”组成了文件。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。一个具有n个盘片的磁盘组，可将其n个面上同一半径的磁道看成一个圆柱面，这些磁道存储的信息叫做柱面信息。在移动磁头组合盘中，磁头定位机构一次定位的磁道集合正好是一个柱面。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，每条磁道就被分割成若干个扇段，数据在盘片上的布局如上图所示。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/柱面磁道号/盘面号/扇段号等字段组成。 　　ISOT-1370型等磁盘都采用定长记录格式。ISOT-1370盘磁道记录格式如下图所示。

　　ISOT盘共有12个扇区，每个扇段内只记录一个数据块，每个扇段开始由扇区标志盘读出一个扇标脉冲，标志一个扇段的开始，0扇区标志处再增加一个磁道标志，指明是起始扇区。 　　每个扇段的头部是空白段，起到隧道清除作用。序标段以某种约定代码作为数据块的引导。数据段可写入512字节，若不满512字节，该扇段余下部分为空白；若超过512字节，则可占用几个扇段。检验字段写一个校验字，常用循环冗余码(CRC)检验，尾空白段为全0或空白区以示数据结束。 　　这种记录格式结构简单，可按柱面号(磁道号)、盘面号、扇段号进行直接寻址，但记录区的利用率不高。 　　(2)不定长记录格式。在实际应用中，信息常以文件形式存入磁盘。若文件长度不是定长记录的整数倍时，往往造成记录块的浪费。不定长记录格式可根据需要来决定记录块的长度。如IBM 2311、2314等磁盘驱动器采用不定长记录格式，下图是IBM 2311盘不定长度磁道记录格式示意。

　　图中ID是起始标志，又叫索引标志，表示磁道的起点。间隙G1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。磁道地址块HA又叫标识地址或专用地址，它占有7个字节，用来表明四部分的状况，如磁道是否完好；柱面逻辑地址号；磁头逻辑地址号和校验码。间隙G2占18～38个字节长度。R0是磁道标识块，用来说明本磁道的状况，不作为用户数据区。间隙G3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R1由计数区、关键字区和数据区三段组成，这三段分别都有循环校验码。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，则允许继续记录到同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，通常为1KB至64KB。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，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。可见，在磁盘数据区中，数据是串行的，字节之间没有间隙，字节后面没有校验位。

四、软磁盘存储器

　　1．概述 　　软磁盘存储器的盘片是用类似塑料薄膜唱片的柔性材料制成的，简称软盘。 　　软磁盘存储器与硬磁盘存储器的存储原理和记录方式是相同的，但在结构上有较大差别：硬盘转速高，存取速度快；软盘转速低，存取速度慢。硬盘有固定磁头、固定盘、盘组等结构；软盘都是活动头，可换盘片结构。硬盘是靠浮动磁头读写，磁头不接触盘片；软盘磁头直接接触盘片进行读写。硬盘系统及硬盘片价格比较贵，大部分盘片不能互换；软盘价格便宜，盘片保存方便、使用灵活、具有互换性。硬盘对环境要求苛刻，要求采用超净措施；软盘对环境的要求不苛刻。因此，软盘在微小型计算机系统中，获得了广泛的应用，甚至有的大中型计算机系统中也配有软盘。 　　软磁盘存储器的种类主要是按其盘片尺寸不同而区分的，现有8英寸、5.25英寸、3.5英寸和2.5英寸几种。软盘尺寸越小，记录密度就越高，驱动器也越小。从内部结构来看，若按使用的磁记录面(磁头个数)不同和记录密度不同，又可分为单面单密度、单面双密度、双面双密度等多种软盘存储器。 　　软盘存储器除主要用作外存设备外，还可以和键盘一起构成脱机输入装置其作用是给程序员提供输入程序和数据，然后再输入到主机上运行，这样使输入操作不占用主机工作时间。

　　2．软磁盘片 　　软磁盘片的盘基是由厚约为76μm的聚脂薄膜制成，其两面涂有厚为2.3～3μm的磁层。盘片装在塑料封套内，套内有一层无纺布，用来防尘，保护盘面不受碰撞，还起到消除静电的作用。盘片连封套一起插入软盘机中，盘片在塑料套内旋转，无纺布消除因盘片转动而产生的静电，保证信息可以正常读写。 　　塑料封套均为正方形，其上有许多孔，如用来装卡盘片的“中心孔”、用于定位的“索引孔”、用于磁头读写盘片的“读写孔”，以及“写保护”缺口(8英寸盘)或“允许写”缺口(5.25英寸盘)等。下图示意了软磁盘盘片及其外形示意。

　　5.25英寸软盘外形　　　　　　　　5.25英寸软盘盘片

　　8英寸软盘有77个磁道，从外往里依次为00道到76道。5.25英寸软盘有40个和80个磁道两种。 　　与硬磁盘相同，软磁盘盘面也分为若干个扇区，每条磁道上的扇段数相同，记录同样多的信息。由于靠里的磁道圆周长小于外磁道的圆周长，因此，里圈磁道的位密度比外圈磁道高。至于一个盘面分成几个扇区，则取决于它的记录方式。区段的划分采用软分段方式，由软件写上的标志实现。 　　索引孔可作为旋转一圈开始或结束的标志，通常在盘片和保护套上各打有小孔。当盘片上的小孔转到与保护套上的小孔位置重合时，通过光电检测元件测出信号，即标志磁道已到起点或已为结束点。 　　近年来8英寸盘和5.25英寸盘已逐渐被3.5英寸盘取代，其盘片装在硬塑料封套内，它们的基本结构类似。 　　按软盘驱动器的性能区分，有单面盘和双面盘。前者驱动器只有一个磁头，盘片只有一个面可以记录信息。双面盘的驱动器有两个磁头，盘片有两个记录面。 　　按记录密度区分，有单密度和双密度两种。前者采用FM记录方式，后者采用MFM记录方式。 　　综上所述，软盘分为单面单密度(SS，SD)、双面单密度(DS，SD)、单面双密度(SS，DD)、双面双密度(DS，DD)四种。对于5.25英寸和3.5英寸的磁盘机而言，均采用双面双密度及高密度(四倍密度)的记录方式。

　　3．软磁盘的记录格式 　　软磁盘存储器采用软分段格式，软分段格式有IBM格式和非IBM格式两种。格式被国际标准化组织(ISO)确定为国际标准。下面以IBM 3740的8英寸软盘为例，介绍其软分段格式，如下图所示。

　　软分段的磁道由首部、扇区部和尾部三部分组成。当磁盘驱动器检查到索引孔时，便标志磁道的起始位已找到。首部是一段空隙，它是为避免由于不同软盘驱动器的索引检测器和磁头机械尺寸误差引起读写错误而设置的。尾部是依次设置在首部和各扇区后所剩下的间隙，起到转速变化的缓冲作用。首部和尾部之间的弧被划分成若干扇区，又称为扇段。 　　上图(a)中索引孔信号的前沿标志磁道开始，经46个字节的间隙后，有一个字节的软索引标志，后面再隔26个字节的间隙后，便是26个扇区(每个扇区188个字节)，最后还有247个字节的间隙，表示一个磁道结束。 　　上图(b)中标出了一个扇区的188个字节的具体分配。前13个字节是地址区，详细内容可见图(c)。其中地址信息占4个字节，分别指明磁道号、磁头号、区段号和记录长度。地址区字段的最后2个字节是CRC循环冗余校验码。此外，一个扇区内还有131个字节的数据区，它由数据标志、数据、CRC校验码三部分组成。在地址区和数据区后各自都有一由间隙。 　　对上图所示的单面单密度软盘而言，其格式化容量为： 　　磁道数/盘片×扇区数/磁道×数据字节数/扇区=77×26×128≈256KB 　　不同规格的软盘每磁道究竟分成多少区段，IBM格式都有明确规定。 　　例如，5.25英寸软盘，每磁道区段数为15、9或8三种，每个区段字节数均为512个。 　　出厂后未使用过的盘片叫做白盘，需格式化后才能使用。采用统一的标准记录格式是为了达到盘片互换及简化系统设计的目的。但是软件生产厂家为了保护软件的产权，常用改变盘片上的数据格式来达到软件不被盗版的目的。因为通过对磁盘控制器编程，可以方便地指定每条磁道上的扇区数和所采用的记录格式，甚至可以调整间隙长度，改变磁盘地址的安排顺序等。经过这些处理，使用通用软件就不能正确拷贝磁盘文件了。

　　 4．软磁盘驱动器和控制器 　　软磁盘存储器也由软磁盘驱动器、软磁盘控制器和软磁盘片三部分组成。软磁盘驱动器是一个相对独立的装置，又称软磁盘机，主要由驱动机构、磁头及定位机构和读写电路组成。软磁盘控制器的功能是解释来自主机的命令，并向软盘驱动器发出各种控制信号，同时还要检测驱动器的状态，按规定的数据格式向驱动器发出读写数据命令等。具体操作如下： 　　(1)寻道操作：将磁头定位在目标磁道上； 　　(2)地址检测操作：主机将目标地址送往磁盘控制器，控制器从驱动器上按记录格式读取地址信息，并与目标地址进行比较，找到欲读(写)信息的磁盘地址； 　　(3)读数据操作：首先检测数据标志是否正确，然后将数据字段的内容送入主存、最后用CRC校验； 　　(4)写数据操作：写数据时，不仅要将原始信息经编码后写入磁盘，同时要写上数据区标志和CRC校验码以及间隙； 　　(5)初始化：在盘片上写格式化信息，对每个磁道划分区段。 　　以上操作是由软盘控制器完成的，为此设计了软盘控制器芯片，将许多功能集成在一块芯片上，如FDl771，FD1991，μPD765等。它们都是可编程的，将磁盘最基本的操作用这些芯片的指令编程实现便可实现对驱动器的控制。 　　软磁盘控制器发给驱动器的信号有：驱动器选择信号(表示某台驱动器与控制器接通)；马达允许信号(表示驱动器的主轴电机旋转或停止)；步进信号（使所选驱动器的磁头按指定方向移动，一次移一道）：步进方向(指磁头移动的方向)；写数据与写允许信号；选头信号(选择“0”面还是“1”面的磁头)。 　　驱动器提供给控制器的信号有：读出数据信号；写保护信号(表示盘片套上是否贴有写保护标志，如果贴有标记，则发写保护信号)；索引信号(表示盘片旋转到索引孔位置，表明一个磁道的开始)；0磁道信号(表示磁头正停在0号磁道上)。

五、磁带存储器

　　1．概述 　　磁带存储器也属磁表面存储器，其记录原理和记录方式与磁盘存储器是相同的。但从存取方式来看，磁盘存储器属于直接存取设备。即只要知道信息所在盘面、磁道和扇区的位置，磁头便可直接找到其位置并读写。磁带存储器必须按顺序进行存取，即磁带上的文件是按磁带头尾顺序存放的。如果某文件存在磁带局部，而磁头当前位置在磁带首部，那么必须等待磁带走到尾部时才能读取该文件，因此磁带存取时间比磁盘长。但由于磁带容量比较大，位价格也比磁盘低，而且格式统一便于互换，因此，磁带存储器仍然是一种用于脱机存储的后备存储器。 　　磁带存储器是由磁带和磁带机两部分组成。磁带按长度分有2400英尺、1200英尺、600英尺几种；按宽度分有1件英寸、1／2英寸、1英寸、3英寸几种；按记录密度分有800bpi、1600bpi、6250bpi等几种；按磁带表面并行记录信息的道数分有7道、9道、16道等；按磁带外形分有开盘式磁带和盒式磁带两种。现在计算机系统较广泛使用的两种标准磁带为：1/2英寸开盘式和1/4英寸盒式。 　　磁带机又有很多种类，按磁带机规模分布标准半英寸磁带机，海量宽带磁带机(Mass storage)和盒式磁带机三种。按磁带机走带速度分，有高速磁带机(4～5m/s)、中速磁带机(2～3m/s)和低速磁带机(2m/s以下)。磁带机的数据传输率取决于记录密度和走带速度。在记录密度相同时清况下，带速越快，传输率就越高。按装卸磁带机构分，有手动装卸式和自动装卸式；按磁带传动缓冲机构分，有摆杆式和真空式；按磁带的记录格式分，有启停式和数据流式。数据流磁带机已成为现代计算机系统中主要的后备存储器，其位密度可达8000bpi，它用于资料保存，文件复制，作为脱机后备存储装置。特别是当温盘出现故障时，用以恢复系统。 　　磁带机正朝着提高传输率、提高记录密度、改善机械结构、提高可索性等方向发展。

　　2．数据流磁带机 　　数据流磁带机是将数据连续地写到磁带上，每个数据块后有一个记录间隙，使磁带机在数据块间不启停，简化了磁带机的结构，用电子控制替代了机械启停式控制，降低了成本，提高了可靠性。 　　数据流磁带机有1/2英寸开盘式和1/4英寸盒式两种。盒式磁带的结构类似录音带和录相带。盒带内装有供带盘和收带盘，磁带长度有450英尺和600英尺两种，容量分别为45MB和60MB。近年来，容量高达1GB和1.35GB的1/4英寸盒式数据流磁带机也己问世。当采用数据压缩技术时，1/4英寸盒式数据流磁带机容量可达2GB或2.7GB。 　　数据流磁带机与传统的启停式磁带机的多位并行读写不同，它采用类似磁盘的串行读写方式，它的记录格式与软盘类似。 　　以4道数据流磁带机为例，4个磁道的排列次序如下图所示。在记录信息时，先在第0道上从磁带首端BOT记到磁带末端EOT，然后在第1道上反向记录，即从EOT到BOT，第2道又从BOT到EOT，第3道又从EOT到BOT。读出信息时，也是这个顺序。这种方式叫做蛇形(Serpentine)记录。9道1/4英寸数据流磁带记录格式也与此相同，偶数磁道从BOT到EOT，奇数磁道从EOT到BOT，依次首尾相接。

　　盒式数据流磁带机与主机的接口是标准的通用接口，可用小型计算机系统接口SCSI与主机相连，也可以通过磁带控制器与主机相连。磁带控制器的作用类似于磁盆控制器，控制主机与磁带机之间进行信息交换。

　　3．磁带的记录格式 　　磁带上的信息可以以文件形式存储，也可以按数据块存储。磁带可以在数据块之间启停，进行数据传输。按数据块存储的磁带互换性更好。 　　磁带机与主机之间进行信息传送的最小单位是数据块或叫做记录块(Block)，记录块的长度可以是固定的，也可以是变化的，由操作系统决定。记录块之间有空白间隙，作为磁头停靠的地方，并保证磁带机停止或启动时有足够的惯性缓冲。记录块尾部有几行特殊的标记，表示数据块结束，接着便是校验区。下图示意了磁带机上数据格式。

　　磁带信息的校验属于多重校验，由奇偶校验、循环冗余校验和纵向冗余校验共同完成。以9道磁带为例，横向可以并排记录9位二进制信息(称为一行)，其中8位是数据磁道，存储一个字节，另一位是这一字节的奇偶校验位，叫横向奇偶校验码。在每一个数据块内，沿纵向(即走带方向)每一磁道还配有CRC校验码。此外对每一磁道上的信息(包括CRC在内)，又有一个纵向奇偶校验码。纠错的原理是用循环冗余码的规律和专门线路，指出出错的磁道(CRC可发现一个磁道上的多个错误码)，然后用横向校验码检测每一行是否有错，纵横交错后就可指明哪行哪道处有错，如有错就立即纠正。

六、光盘存储器

　　1．概述 　　光盘(Optical Disk)是利用光学方式进行读写信息的圆盘。光盘存储器是在激光视频唱片和数字音频唱片基础上发展起来的。应用激光在某种介质上写入信息，然后再利用激光读出信息，这种技术叫光存储技术。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，就叫做磁光存储。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的，叫做第二代光存储技术，其主要特点是可擦洗重写。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是由厂家事先写入的，使用时用户只能读出，不能修改或写入新的内容。它主要用于电视唱片和数字音频唱片，可以获得高质量的图像和高保真的音乐。在计算机领域里，主要用于检索文献数据库或其他数据库，也可用于计算机的辅助教学等。因它具有ROM特性，故叫做CD―ROM(Compact Disk-ROM)。 　　(2)只写一次型光盘(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，故称它为“写一次型”WORM(Write 0nce Read Many)。主要用于计算机系统中的文件存档，或写入的信息不再需要修改的场合。 　　(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。它是很有前途的辅助存储器。

　　2．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。 　　对于只读型和只写一次型光盘而言，写入时，将光束聚焦成直径为小于1μm的微小光点，使其能量高度集中，在记录的介质上发生物理或化学变化，从而存储信息。例如，激光束以其热作用，融化盘表面的光存储介质薄膜，在薄膜上形成小凹坑，有坑的位置表示记录“1”，没坑的位置表示“0”。又比如，有些光存储介质在激光照射下，使照射点温度升高，冷却后晶体结构或晶粒大小会发生变化，从而导致介质膜光学性质发生变化(如折射率和反射串)，利用这一现象便可记录信息。 　　读出时，在读出光束的照射下，在有凹处和无凹处反射的光强是不同的，利用这种差别，可以读出二进制信息。由于读出光束的功率只有写入光束的1/10，因此不会使盘面融出新的凹坑。 　　可擦写光盘是利用激光在磁性薄膜上产生热磁效应来记录信息(称作磁光存储)。其原理是：由磁记录原理可知，在一定温度下，对磁介质表面加一个强度高于该介质矫顽力的磁场，就会发生磁通翻转，这便可用于记录信息。矫顽力的大小是随温度而变的。倘若设法控制温度，降低介质的矫顽力，那么外加磁场强度便很容易高于此矫顽力，使介质表面磁通发生翻转。磁光存储就是根据这一原理来存储信息的。它利用激光照射磁性薄膜，使其被照处温度升高，矫顽力下降，在外磁场HR作用下，该处发生磁通翻转，井使其磁化方向与外磁场HR一致，这就可视为寄存“1”。不被照射处，或HR小于矫顽力处可视为寄存“0”。通常把这种磁记录材料因受热而发生磁性交化的现象，叫做热磁效应。 　　擦除信息和记录信息原理一样，擦除时外加一个和记录方向相反的磁场HR，对已写入的信息用激光束照射，并使HR大于矫顽力，那么，被照射处又发生反方向磁化，使之恢复为记录前的状态。 　　这种利用激光的热作用改变磁化方向来记录信息的光盘，叫作“磁光盘”。

　　3．光盘存储器的组成 　　光盘存储器与磁盘存储器很相似，它也由盘片、驱动器和控制器组成。驱动器同样有读/写头、寻道定位机构、主轴驱动机构等。除了机械电子机构外，还有光学机构。下图是写一次型光盘的光学系统示意。

　　图中激光器产生的光束经分离器分离后，其中90％的光束用作记录光束，10％的光束作为读出光束。记录光束经调制器，由聚焦系统向光盘记录信息。读出光束经几个反射镜射到光盘盘片，读出光信号再经光敏二极管输出。 　　光盘盘片的形状与磁盘盘片类似，但记录材料不同。只读型光盘与只写一次型光盘都是三层式结构。第一层为基板，第二层为涂覆在基板上的一层铝质反射层，最上面一层为很薄的金属膜。反射层和金属薄膜的厚度取决于激光源的波长λ，两者厚度之和为λ/4。金属膜的材料一般是碲(Te)的合金组成，这种材料在激光源的照射下会融成一个小凹坑，用以表示“1”或“0”。

　　4．光盘存储器与其他辅助存储器的比较 　　光盘、硬磁盘、软磁盘、磁带在记录原理上很相似，都属于表面介质存储器。它们都包括头、精密机械、马达及电子线路等。在技术上都可采用自同步技术、定位和校正技术。它们都包含盎片、控制器、驱动器等等。但由于它们各自的特点和功能不同，使其在计算机系统中的应用各不相同。 　　光盘是非接触式读/写信息，光学头与盘面的距离几乎比磁盘的磁头与盘面的间隙大1万倍，互不磨擦，介质不会被破坏，大大提高了光盘的耐用性，其使用寿命可长达数十年以上。 　　光盘可靠性高，对使用环境要求不高，机械振动的问题甚少，不需要采取特殊的防震和防尘措施。 　　由于光盘是靠直径小于1pm的激光束写入每位信息，因此记录密度高，可达108位/平方厘米，约为磁盘的10～100倍。 　　光盘记录头分量重，体积大，使寻道时间长30～100ms。写入速度低，约为0.2秒，平均存取时间为100～500ms，与主机交换信息速度不匹配。因此，它不能代替硬盘只能作为硬盘的后备存储器。 　　光盘的介质互换性好，存储容量大，可用于文献档案、图书管理、多媒体等方面的应用。但由于目前价格比较贵，故尚不能替代磁带机。 　　硬盘存储器容量大，数据传输率比光盘高(采用磁盘阵列，数据传输率可达100Mb/s)，等待时间短，它作为主存的后备存储器，用以存放程序的中间和最后结果。 　　软盘存储器容量小，数据传输率低，平均寻道时间长，而且是接触式存取，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。但软盘盘片灵活装卸，便于携带，互换性好，价格便宜。因此，用它存储操作系统和应用软件极为方便。还可用于数据的输入、输出。特别是当今软件发展迅速，种类繁多，人们越来越愿意用软盘作为自己的小型数据库和软件库。 　　磁带存储器的历史比磁盘更久，20世纪60年代后期逐渐被磁盘取代。它的数据传输率更低，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。据统计，80％的磁带被用作磁盘的后备存储器，20％用作计算机的输入输出数据和文件的储存。