软磁盘存储器的原理、结构、技术特点及功能介绍

磁盘存储器与磁鼓、磁带存储器（数字磁带机）一样，也用作电子计算机的外存储器。磁带存储器容量大，可以脱机保存，但存取速度比较慢。磁鼓容量比较小，但存储速度快。磁盘存储器则兼有磁鼓和磁带的优点，存储量大，速度快，可脱机保存。因此，在计算机系统中，磁盘被广泛作为外存储器。作为“信息交换中心”，磁盘不断向计算机的中央处理单元输送所需的数据，同时又不断接收从中央处理单元送来的计算结果，将其存放起来。此外，磁盘存储器还不断地以其所寄存的程序指令供给控制器，使控制器按程序指挥计算机的各个部件和所有外部设备执行程序指令规定的各种操作。磁盘存储器一般分为硬磁盘和软磁盘存储器两大类。

硬磁盘存储器的功能、基本原理、结构和主要电路与软磁盘存储器类似，数据存储方式也相同。它们的主要差别是片基材料不同，因而在性能、结构等方面各具特点。例如，软盘的主轴转速较低，一般为每分钟360转，而硬盘的主轴转速则从每分钟一千多转到上万转。软盘的容量较低，而硬盘的容量可从几兆字节到几百兆字节甚至上千兆字节。软盘采用接触式磁头，而硬盘采用浮动式磁头。硬盘的道密度、位密度、数据传输率也远高于软盘。但是，软盘的结构简单，成本很低；而硬盘的结构复杂得多，故成本也高得多。下面仅就软磁盘存储器的工作原理、结构性能、技术特点作一介绍。

一、软磁盘的结构和性能

目前软磁盘规格主要有三种：8″、5.25″和3″软盘。其结构和外形如图6-10所示。在盘套上开有数据读写窗孔。通过这个窗口，磁头可和盘片直接接触。盘片上还有索引孔，这是磁道的起始标志。有的盘片上还开有写保护缺口，如果软磁盘机上装有写保护线路，那么使用这种盘片可以保护盘片上的数据。要在这样的盘片上记录信息，必须用不透光的胶纸把写保护缺口封住（5.25″盘与此相反），否则只能读出数据，不能记录信息。

图6-10 软磁盘片结构图

磁盘沿着半径方向分成一个个磁道，在一个磁道上又分成若干个扇区。磁盘属于磁性介质，在使用时必须注意防外磁场干扰，防曝晒、防尘、防划伤、防擦抹、防折迭，在电源接通或切断时不插入磁盘。

二、信息在磁盘上的记录方式

所有信息在磁道上都是以二进制形式记录的。通常采用不回零（NRZ）技术：即“0”磁化为一个方向，“1”磁化为另一个方向，没有中间状态（实际0状态）。

磁盘上的数据通常采用频率调制（FM）编码：每一位二进制数带有一个时钟位，如图6-11所示。从一个时钟位前沿到下一个时钟位前沿的时间称为一个位单元，在位单元的中间是数据位。一个字节是由相邻的八个位单元构成，最高位单元称为0位单元，而最低位单元称为7位单元。当向软盘写一个字节时，0位单元首先写入，而7位单元最后写入。在读出时，0位单元先读出，而7位单元最后读出。在读写一个数据块时，数据的高位字节首先写入，低位字节后写入；读出时，也是高位字节先读出，而低位字节后读出。当从盘上读出数据时，必须要检测和区分开时钟和数据。通常，用一个锁相振荡器去精确地检测和区分时钟与数据。

图6-11 盘上数据格式

磁盘上的所有数据是以字节作为基本单元的，字节也必须同步。这是由每一个信息块起始处一个规定的标记来实现的。磁盘第一次使用时，必须经过初始化，经过初始化，磁盘上形成了各个磁道，划分了各个扇区和标上了所需的标记。在把8位数变成一个字节时，必须先完成串行（从盘上读出信息是串行的）到并行的转换，而在写入时要完成从并行到串行的转换。这是由磁盘控制器来完成的。

三、软磁盘存储器的组成及工作原理

软磁盘存储器由软磁盘机和软磁盘控制器两部分组成。软磁盘机包括软磁盘片和软磁盘驱动器。它的功能是，按照软磁盘控制器的命令完成数据的存储与读出，并发出表示驱动器状态的信号。软磁盘控制器通常是由一块大规模集成电路及一些辅助电路组成的。它的功能是，根据计算机的命令控制软磁盘机的动作，并在主机与软磁盘机之间实现数据和信号传输。

软磁盘驱动器的结构原理、电路组成及接口线分别如图6-12和图6-13所示。从图6-12可以看出，同步电机9通过皮带传动10带动主轴1旋转，盘片装入驱动器以后，压紧装置3将盘片紧压在主轴上，由主轴带动它旋转。门机构2和压紧装置联动。关门时夹紧盘片（图中是开门位置）。步进电机6通过丝杠螺母传动机构7带动小车8，磁头11就装在小车上。步进电机每走一步，磁头就移动一条磁道。加载继电器5动作时，加载臂4把盘片压向磁头，使两者相接触，以便进行读写操作。

软磁盘机的电路部分包括读写电路、磁头定位控制电路、索引检出和准备好电路（见图6-13），分别完成读写数据和控制驱动器的动作。根据功能不同，软盘驱动器的基本结构组成和特点如下；

1.盘片驱动定位机构

盘片驱动定位机构的作用是，将盘片快速、准确地定位于主轴中心位置，并使它以一定速度匀速转动。它由盘片插入引导机构、主轴驱动轮系、盘片压紧机构、以及盘片弹射机构等部分组成。

2.磁头驱动定位机构

它的作用是驱动磁头，使之定位在需要进行读写的目标磁道上。对它的主要要求是，定位准确，动作迅速及结构简单。磁头驱动定位机构按驱动和控制方式的不同，分为步进电机开环控制和音圈电机闭环控制两大类。在软盘机中普遍采用结构简单，控制方便的开环控制方式。

图6-12 软磁盘驱动器结构原理图

1—主轴；2—门机构；3—压紧装置；4—加载臂；5—加载继电器；6—步进电机；7—丝杠螺母传动机构；8—小车；9—同步电机；10—皮带传动；11—磁头；(www.xing528.com)

3.磁头及磁头加载机构

软盘机使用的是接触式磁头。这种磁头的铁心常用坡莫合金经精密加工制成。磁头的前板面通过与记录盘片表面接触和相对运动完成信号的读写。

磁头加载机构的作用是保证磁头工作时与盘片接触良好。单面盘和双面盘均采用外加载方式。由加载继电器操纵加载臂对磁头加载。

4.索引和区段信号检测、写保护检测等附属机构

通常，盘片以每分钟360转的速度旋转。当盘片上的索引孔转到发光二极管和光敏三极管之间时，光敏三极管导通，产生一个索引脉冲，该脉冲被整形放大后输出。两个索引脉冲的间隔时间为166.7ms，索引脉冲宽度为1ms。在连续测得三个索引脉冲后，准备就绪电路发出准备就绪信号。

软盘机的控制电路除上述以外，还有加载电路、选面电路、写保护电路及稳压电源等，不再一一介绍。

图6-13 软磁盘机的电路组成及接口线

四、磁盘存储器的主要技术参数

对于计算机的所有“外存”来说，存取速度和存储量是表征其技术性能的两个重要参数。磁盘存储器也不例外。此外，磁盘还有区别于其它存储器的技术参数。磁盘存储器的主要性能参数有：

1.存储密度

存储密度常以道密度与位密度来评定，也可用两者的乘积，即用单位面积上的存储位数来评定。

道密度是指沿磁盘径向单位长度内的磁道数。

位密度是指磁道单位长度上所记录的二进制数码的位数（比特）。

2.存储容量

存储容量是指存储器所能容纳的二进制数码的总量（以位数或字节数计量）。

3.平均存取时间

存储时间是指磁头从起始位置到达所要求的某一位置，并完成写入或者读出所需的全部时间。它包括两部分：一部分是寻找磁道所需的找道时间（或称驱动定位时间），另一部分是磁头等待所需写入或读出的区段旋转到它的下方所需的时间。

4.数据传输率

数据传输率或传输速度是指，在单位时间内磁盘存储器向主存储器传送数码的位数或字节数。数据传输率正比于位密度与盘面扫过磁头前隙处的线速度的乘积。通常，位密度取最内圈磁道上的位密度，线速度也是最内圈磁道上的线速度。