外部存储器概要

第七章外部存储器•硬盘•U盘•光盘储存系统第2页计算机硬件技术基础计算机存储器系统和内存相比，外存的特点：容量大(单位容量成本低)、具有非易失性、寻址和访问速度慢、存储体可更换等。计算机存储系统内存外存磁存储器光存储器磁盘磁带软磁盘硬磁盘其他磁盘存储器CDDVDDVD-R….VCDCD-R….半导体存储器Flash电子盘外部存储器概述第3页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.1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工艺生产。缺点：读写速度较DRAM慢，而且擦写次数有极限。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8KB~128KB。第4页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.1闪存的基本类型NOR（异或）型闪存：由Intel和AMD公司主导，用于程序储存和运行。NOR闪存可随机读，但写操作按“块”进行。NOR闪存适合于频繁随机读操作，并直接在闪存内运行。如BIOS芯片，手机存储芯片，交换机、路由器中的存储器等。手机是NOR闪存应用的大户。第5页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.1闪存的基本类型NAND（与非）型闪存：大部分专利权掌握在东芝、三星、SanDisk等公司。NAND闪存采用地址线和数据线复用技术。NAND闪存小数据块操作速度慢，而大数据块速度快。NAND闪存主要用来存储资料，如U盘、数码存储卡、固态硬盘等。第6页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.2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SLC（单级储存单元）结构：在1个存储单元存储1位数据。闪存MLC（多级储存单元）结构：在1个存储单元中存储2位数据。第7页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.2闪存存储单元工作原理MLC通过不同级别的内部电压，在1个存储单元中记录2组位信息（00、01、11、10）。MLC的记录密度比SLC提高了1倍。但是，MLC电压变化频繁，使用寿命远低于SLC，MLC只能承受约1万次的擦写。MLC需要更长的读写时间，SLC比MLC要快3倍以上。第8页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.2闪存存储单元工作原理NAND闪存和NOR闪存都采用MOS晶体管作为基本存储单元，不同的是构成存储阵列时，采用了不同的技术方式。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。第9页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.2闪存存储单元工作原理闪存通过在浮空栅极上放置电子和清除电子来表示数据，浮空栅极中有电子时为“0”，无电子时为“1”。第10页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.3NOR闪存结构与性能NOR闪存电路特点：NOR闪存有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取数据。NOR闪存写入数据前，必须先将目标块内所有位都写为0（擦除操作）。NOR闪存可以单字节写入，但不能单字节擦除。NOR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。第11页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.4NAND闪存结构与性能NAND闪存接口位宽为8位或16位。如韩国现代HY27UK08BGFM闪存芯片：总容量为4GB，页面大小为（2KB+64B），8个I/O接口每次可以传输（2KB+64B）×8=16.5KB数据。NAND闪存采用地址/数据总线复用技术，大容量闪存一般采用32位地址总线。第12页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.4NAND闪存结构与性能NAND闪存的一个重要特点是闪存芯片容量越大，寻址时间越长。第13页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.4NAND闪存结构与性能NAND闪存芯片技术参数技术指标技术参数技术指标技术参数芯片型号HY27UK08BGFM页随机存取时间25μs（最大）存储容量4GB（4G×8bit）页顺序存取时间30ns（最小）接口位宽8bit页编程时间（写）200μm页尺寸(2KB+64B)字节快速块擦除时间2ms块尺寸(128KB+4KB)字节写/擦除次数10万次阵列大小(2KB+64B)字节×64页×16384块*数据保存时间10年工作电压2.7V~3.6V芯片封装48脚TSOP1第14页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.4NAND闪存结构与性能各种非易失性半导体存储器技术比较技术指标FlashNVSRAMMRAMFRAMOUMDRAM非易失性具备具备具备具备具备不具备读速度中等快快快快中等写速度慢快快快快中等随机存取不支持支持支持支持支持支持写入次数106无限101210121012无限芯片密度高低高中等高中等读特性非破坏非破坏非破坏破坏非破坏破坏耗电量中等低中等低中等高市场应用主流成熟研发中小量应用研发中主流第15页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.5NVSRAM闪存结构与性能NVSRAM采用SAM芯片加电池的结构形式，这种设计方案在主板的CMOS（BIOS参数设置芯片）设置电路中广泛应用。第16页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.6MRAM闪存结构与性能MRAM利用电阻随磁化方向变化记录数据，并通过隧道效应扩大电阻值的差别。MRAM耗电量低，而且具有高速写入和读取性能，擦写次数无限制，而且具有存储数据的非易失性，也不需要刷新操作，速度接近SRAM。第17页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.7FRAM闪存结构与性能FRAM采用PZT（锆钛酸铅）薄膜材料为存储单元，耗电量极低，断电后也能保存数据。FRAM结构与DRAM非常类似，不同之处是DRAM利用普通电容记录数据，FRAM采用铁电电容记录数据。铁电电容在自然状态下分为正极和负极，加电后它的极性会统一成为一个方向，即使关闭电源后状态也不会改变。第18页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.8OUM闪存结构与性能OUM中的相变材料通过施加电场来加热，以发生相变，改变阻抗值，从而实现二进制数据存储。第19页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.9固态盘技术与性能SSD（固态硬盘）由存储单元和控制单元组成，存储单元采用闪存作为存储介质，控制单元采用高性能I/O控制芯片。固态硬盘耗电量只有机械硬盘的5%左右，写入速度与机械硬盘相当，读取速度是机械硬盘的3倍。成本与寿命是固态盘普及的最大问题。第20页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.9固态盘技术与性能2．闪存卡闪存卡是在闪存芯片中加入专用接口电路的一种单片型移动固态盘。第21页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.9固态盘技术与性能3．U盘存储技术U盘是利用闪存、控制芯片和USB接口技术的一种小型半导体移动固态盘。第22页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.9固态盘技术与性能4．固态硬盘技术固态硬盘在接口标准、功能及使用方法上，与机械硬盘完全相同。固态硬盘没有机械部件，因而抗震性能极佳，同时工作温度很低。固态硬盘与U盘的区别在于用途不同，U盘着眼于移动性，采用USB接口；固态硬盘着眼于赶超机械硬盘，采用SATA接口。第23页计算机硬件技术基础7.1闪存系统7.1.9固态盘技术与性能第24页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.1硬盘基本组成SATA接口硬盘主要用于台式微机；SAS接口硬盘主要用于服务器；USB硬盘主要用作移动存储设备。（1）硬盘呼吸孔呼吸孔的作用是调节硬盘内部气压，使他与大气气压保持一致，避免剧烈的气压变化使硬盘顶盖突起或凹陷。第25页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.1硬盘基本组成伺服孔呼吸孔第26页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.1硬盘基本组成（2）盘片伺服孔硬盘伺服孔用于磁头定位信号写入。3．硬盘内部组成硬盘主要部件有盘片组件、磁头组件、控制电路板（PCB）、盘体和盖板等。第27页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.1硬盘基本组成盘片组件磁头组件盘体组件电路组件第28页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.1硬盘基本组成4．盘片组件盘片用铝合金作为基片，厚度大约1mm；盘片数量在1～5片之间；盘片尺寸与存储容量有关，2.5英寸的磁盘存储容量约为3.5英寸磁盘的一半左右；主流产品为3.5英寸硬盘。第29页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.1硬盘基本组成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。5．磁头组件磁头组件由滑块和磁头、磁头传动臂组件、前置放大器、磁头悬架组件、音圈电机等组成。第30页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.1硬盘基本组成悬挂架平直线圈越位档块信号线前置放大器磁头第31页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.1硬盘基本组成6．控制电路板组件控制电路芯片：主控制芯片、电机控制芯片、高速数据缓存芯片、数据物理层读取芯片、固件芯片等。第32页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.2硬盘工作原理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。硬盘利用一个很小区域组成一个同一方向的“磁记录位”（小于100nm），硬盘利用磁记录位的极性来记录二进制数据位。磁极子第33页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.2硬盘工作原理直流平衡问题：当出现长串的连续“1”或连续“0”信号时，接收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“0”与“1”的编码个数相当。硬盘普遍采用RLL（运行长度受限）编码方式记录磁信号。第34页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.2硬盘工作原理3．磁头飞行间隙的控制盘片高速旋转产生的气流相当强，它使磁头升起与盘面保持一个微小的距离。磁头飞行高度约为10nm左右第35页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.2硬盘工作原理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。目前采用读/写分离的GMR和TMR磁头。GMR磁头利用“磁阻效应”，即磁头中导体的电阻值，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。第36页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.2硬盘工作原理GMR读磁头磁感应写磁头磁粒子档块第37页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.2硬盘工作原理5．硬盘写操作工作原理写操作原理：电流通过导体时，围绕导体会产生一个磁场。当电流方向改变时，磁场的极性也会改变。第38页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.3硬盘电路结构硬盘电路结构有：DSP（数字信号处理）芯片；磁头组件电路；主轴电机/音圈电机控制电路；高速缓存等。第39页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.4硬盘逻辑结构逻辑结构：盘片上信号存储格式。第40页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.4硬盘逻辑结构磁道：盘片最外圈为0道，最内圈为n道。扇区：每个扇区可以存储512B信息。扇区分为两部分，一部分为ID地址段；另一部分是用户数据段。伺服扇区：指磁道和扇区定位信息，一般写入格雷码信息，根据格雷码可以对某一个磁道的某一扇区进行精确定位。第41页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.4硬盘逻辑结构柱面：数据按柱面进行读/写，不是按磁道进行读/写。簇：操作系统分配磁盘存储空间的最小单位。在Windows2000/XP/Vista操作系统中，缺省情况下每簇为4KB。寻址方式：硬盘为线性寻址，即以扇区为单位进行寻址。第42页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.4硬盘逻辑结构LBA（逻辑块寻址）模式：BIOS中的柱面、磁头、扇区等参数，并不是硬盘的实际物理参数。硬盘容量=LBA×512硬盘中部分存储空间对用户是隐藏的；隐藏部分包括固件区和用于替代缺陷扇区的保留区。第43页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.4硬盘逻辑结构固件区：保存若干程序模块和硬盘参数。第44页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.5固件与缺陷表固件功能：硬盘初始化、伺服信息或伺服字段参数、硬盘低级格式化、固件微代码（操作程序）、配置表、硬盘缺陷表等。第45页计算机硬件技术基础7.2硬盘系统7.2.5固件与缺陷表硬盘生产过程极其精密，很难做到100%完美，盘面或多或少存在一些缺陷。P-Lis