工程结构可靠度是指在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。结构的失效概率是指结构不能完成预定功能的概率，用Pf表示。结构可靠度分析的依据就是根据结构的极限状态计算结构的失效状态的概率。假定式所述两个随机变量的均值和标准差分别为μR、μS和σR、σS，且随机变量均服从正态分布，由此可以获取Z的概率密度函数。......
2025-09-30
外存储器：容量大、可靠且低价
【摘要】：外存储器既可作输入设备又可作输出设备，它的特点是存储容量大、可靠性高、价格低，但不能被CPU直接访问。常见的外存有软盘存储器、硬盘存储器、光盘存储器和可移动存储器等。1）软盘存储器软盘存储器由软盘盘片、软盘驱动器和软盘适配器三部分组成。
通常，计算机中内存的容量总是有限的，不能满足存放数据的需要，而外存储器作为计算机中不可缺少的外部设备，是内存的延伸，其主要作用是长期存放计算机工作所需要的程序、文档和数据等。外存储器既可作输入设备又可作输出设备，它的特点是存储容量大、可靠性高、价格低，但不能被CPU直接访问。当CPU需要执行某部分程序或数据时，要将该程度或数据由外存调入内存以供CPU访问。
常见的外存有软盘存储器、硬盘存储器、光盘存储器和可移动存储器等。也许你会觉得现在几乎没有人使用软盘，有些计算机上甚至没有软驱，根本没有必要再介绍软盘了。但提到软盘，可能会勾起很多人小时候刚开始学习计算机的回忆，另外它的结构和硬盘有些相似，所以这里仍然从软盘开始介绍。
1）软盘存储器
软盘存储器由软盘盘片、软盘驱动器和软盘适配器三部分组成。软盘盘片是存储介质，软盘驱动器是读写装置，软盘适配器是软盘驱动器与主机连接的接口。计算机所配置的通用软盘驱动器大多数是3.5英寸的1.44MB薄型软盘驱动器，适用1.44MB软盘（如图2.8所示）。
图2.8 3.5英寸软盘
（1）软盘的存储原理
3.5英寸软盘盘片是软盘的核心，是记录数据的载体.表面涂着一层由铁氧化物构成的磁性材料。盘片在软盘驱动器中旋转并通过磁头来读写盘片的信息。写的过程是以电脉冲将磁头下方磁道上那一点磁化，而读的过程则是将磁头下方磁道上那一点的磁化信息转化为电信号，并通过电信号的强弱来判断为“0”还是“1”。
软盘上的写保护口主要用于保护软盘中的信息。一旦设置了写保护，就意味着只能从该软盘中读信息，而不能再往软盘中写信息。
（2）软盘的格式化
新软盘只有经过格式化后才可以使用。格式化是为存储数据做准备，在此过程中，软盘被划分成若干个磁道，磁道又被划分为若干个扇区，如图2.9所示。
图2.9 软盘的磁道和扇区
（3）软盘的主要技术指标
①面数：只用一面存储信息的软盘称为单面软盘，而用双面存储信息的软盘称为双面软盘。
②磁道：是由外向内的一组同心圆。磁道从外向内编号，通常软盘的磁道数为80，磁道从0开始编号。
③扇区：每个磁道被划分成若干区域，每个区域称为一个扇区。扇区是软盘的基本存储单位，每个扇区的存储容量为512B。
④容量：指软盘所能存储数据的字节数，可由如下公式计算得出：
软盘的容量＝记录面数×磁道数×扇区数×每扇区的字节数
例如，3.5英寸软盘的容量为：2×80×18×512B/（1 024×1 000）＝1.44 MB
2）硬盘存储器
硬盘是最重要的外存储器，用于存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据，它的特点是存储容量大、可靠性高、存取速度快。
（1）硬盘的结构和存储原理
硬盘一般由一组同样尺寸的磁盘片环绕共同的核心组成，这些磁盘片是涂有磁性材料的铝合金盘片，质地较硬，质量较好。每个磁面各有一个磁头，磁头在驱动马达的带动下在磁盘上做径向移动，寻找定位点，完成写入或读出数据的工作。硬盘驱动器通常采用温彻斯特技术，将硬盘驱动电机和读写磁头等组装并封装在一起，称为“温彻斯特驱动器”。硬盘结构如图2.10所示。
图2.10 硬盘结构示意图
从图2.10可以看出，硬盘是由一组盘片组成，所有盘片的同一磁道共同组成了一个圆柱面，称为“柱面”。由此可知：硬盘容量＝每扇区字节数×扇区数×磁道数×记录面数×盘片数。
（2）硬盘的格式化
硬盘格式化的目的与软盘格式化的目的相同，但操作较为复杂。硬盘格式化一般分为硬盘的低级格式化和硬盘的高级格式化。
①硬盘的低级格式化：是对硬盘进行初始化，目的是对硬盘重新划分磁道和扇区。低级格式化是在高级格式化之前进行的，它只能够在DOS环境下来完成，而且只能针对一块硬盘而不能针对单独的某一个分区。一般在以下这两种情况下需要对硬盘进行低级格式化：一是硬盘出厂前，硬盘厂商会对硬盘进行一次低级格式化；一是当硬盘出现某种类型的坏磁道时，使用低级格式化能起到一定的缓解或者屏蔽作用。
②硬盘的高级格式化：主要是对硬盘的各个分区进行磁道的格式化，在逻辑上划分磁道。高级格式化有两个作用：一是装入操作系统，使硬盘兼有系统启动盘的作用；二是对指定的硬盘分区进行初始化，建立文件分配表以便系统按指定的格式存储文件。
（3）硬盘的技术指标
①容量：硬盘作为计算机系统的数据存储器，容量是其最主要的参数。硬盘的容量一般以吉字节（GB）为单位，1GB＝1 024 MB。但硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取1G＝1 000 MB，因此我们在BIOS中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值要小。目前硬盘中一般有1～5个存储盘片，其所有盘片容量之和为硬盘的存储容量。
②转速：指硬盘盘片每分钟转动的圈数，单位为rpm。目前市场上主流硬盘的转速一般都已达到了7 200rpm，而更高的则达到了10 000rpm。
③平均寻道时间：指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间，该时间越短，硬盘的工作速度则越快。目前硬盘的平均寻道时间通常在8ms到12ms之间。
④平均等待时间：指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。平均等待时间为盘片旋转一周所需的时间的一半，一般应在4ms以下。
⑤数据传输速率：指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。硬盘的数据传输率又包括了内部数据传输率和外部数据传输率。内部数据传输率反映了硬盘在盘片上读写数据的速度，主要依赖于硬盘的旋转速度。外部数据传输率反映了系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，它与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。
⑥缓存：与主板上的高速缓存一样，硬盘缓存的目的是为了解决系统读写速度不匹配的问题，以提高硬盘的读写速度。目前，大多数IDE硬盘的缓存在8 M左右。
技术指标无疑是衡量硬盘性能的主要参数，可对非专业用户来说，在选购硬盘时经常会考虑品牌因素，目前市场上的流行品牌有希捷、西部数据（图2.11）、东芝等。除了品牌外，还可根据硬盘的颜色来进行选择。以西部数据的硬盘为例，它分为绿盘、蓝盘和黑盘。绿盘的转速为5 400rpm，性能较差，型号一般是以DS、CS结尾；蓝盘的转速为7 200rpm，综合性能好，型号一般是以KS结尾；黑盘的功能强大，价格高，型号一般以LS结尾。(https://www.chuimin.cn)
图2.11 西部数据的硬盘
3）光盘存储器
光盘是利用光学和电学原理进行读/写信息的存储介质，它是由反光材料制成的，通过在其表面上制造出一些变化来存储信息。当光盘转动时，上面的激光束照射已存储信息的反射表面，根据产生反射光的强弱变化识别出存储的信息，从而达到读出光盘上信息的目的。
目前光盘存储器已广泛地应用于计算机系统中，因为它具有如下优点：第一，存储容量大，例如一张DVD格式的光盘的存储容量可达10GB，因此这类光盘特别适合多媒体的应用；第二，可靠性高，例如不可重写的光盘上的信息几乎不可能丢失，特别适用于档案资料管理；第三，存取速度高，目前蓝光光盘的数据传输率为36 Mbps。
常用的光盘存储器可分为下列几种类型：
（1）CD
CD是英文“Compact Disc”的缩写，意思是高密度盘，即光盘。光盘是从20世纪70年代末的胶木唱片发展而来的，经过不断完善和发展，品种不断增加，并获得广泛的应用。到目前为止，光盘制品有十多个规格品种，每个品种又都有对应的标准格式。CD的存储容量一般为650～700 MB，它主要有CD－ROM、CD－R和CD－RW三种格式。
CD－ROM（Compact Disk Read Only Memory）是一种只读型光盘，由生产厂家预先写入数据和程序，使用时用户只能读出内容，不能修改或写入新内容。CD－ROM光驱的读取速率一般都在50倍速以上（单倍速是指每秒钟光驱的读取速率为150KB）。与硬磁盘表面一组同心圆组成的磁道不同，CD－ROM有一条从内向外的、由凹坑和平坦表面互相交替组成的连续的螺旋线轨道，也就是说，数据和程序是以凹坑形式保存在盘上的。
当要读出光盘中的信息时，激光头射出的激光束透过表面的透明基片直接聚集在盘片反射层上，被反射回来的激光会被光感应器检测到。当激光通过凹坑时，反射光强度减弱，代表读出数据“1”；当激光通过平坦表面时，则光强度不发生变化，代表读出数据“0”。光盘驱动器的信号接收系统负责把这种光强度的变化转换成电信号再传送到系统总线，从而实现数据的读取。
CD－R（CD－Recorder）又称“只写一次型光盘”，这种光盘存储器的盘片可由用户写入信息，但只能写入一次，写入后的信息将永久地保存在光盘上，可以多次读出，但不能重写或修改。
CD－RW（CD－Rewritable）类似于磁盘，可以重复读写，其写入和读出信息的原理与使用的介质材料有关。例如，用磁光材料记录信息的原理是：利用激光束的热作用改变介质上局部磁场的方向来记录信息，再利用磁光效应来读出信息。
（2）DVD
最早出现的DVD（Digital Video Disk，数字视频光盘）是一种只读型光盘，必须由专门的影碟机播放。随着技术的不断发展，数字通用光盘（Digital Versatile Disk）取代了原先的数字视频光盘，其中每张光盘的存储容量都可以达到4.7GB以上。
DVD的基本格式有DVD－ROM、DVD－Video、DVD－Audio、DVD－R、DVD－RW、DVDRAM等。
（3）蓝光光盘
目前单面标准的DVD可保存4.7GB的信息，这大约可以存储两小时长、带一些附加功能的标准清晰度的视频。但随着电视机和影视制作开始采用高清晰度标准，消费者也将需要拥有更多存储容量的播放系统。蓝光光盘是下一代数字视频光盘，它可以记录、存储和播放高清晰度视频和数字音频以及计算机数据。蓝光光盘的优势是可以存储海量的信息，图2.12为25GB容量的蓝光光盘。
图2.12 三菱的蓝光光盘
一张单层蓝光光盘的尺寸与DVD大致相同，但是可保存27GB的数据——可以存储2小时以上的高清晰度视频或大约13小时的标准视频。一张双层蓝光光盘最多可存储50GB的数据，足以保存约4.5小时的高清晰度视频或20多个小时的标准视频。
蓝光光盘的主要优势有以下几个方面：可以录制高清晰度的电视（高清电视）节目，无任何质量损失；即时搜索光盘；可以在观看光盘上的一个节目的同时录制另一个节目；可以创建播放列表；可对光盘上录制的节目进行编辑或重新排序。
和CD、DVD类似，蓝光光盘也设计了几种不同的格式：BD－ROM（只读），适合存储预先录制的内容；BD－R（可录制），适合PC数据存储；BD－RW（可擦写），适合PC数据存储；BD－RE（可擦写），适合录制高清电视节目。
4）可移动存储器
由于软盘的存储容量较小，也较易损坏，目前已被一种可移动的存储器所取代，这就是U盘和移动硬盘，如图2.13所示。
图2.13 移动存储器
（1）闪存盘（U盘）
U盘采用一种可读写、非易失的半导体存储器——闪存作为存储介质，通过通用串行总线接口（USB）与主机相连，可以像使用软盘、硬盘一样在该盘上读写、传送文件。目前U盘的容量一般在8GB～64GB。U盘之所以被广泛使用是因为它具有许多优点：
①体积小、重量轻，便于携带。
②采用USB接口，无需外接电源，支持即插即用和热插拔。在Windows Me以上的操作系统中，不用安装驱动程序就可以使用U盘。
③存取速度至少比软盘快15倍以上，数据至少可保存10年，擦写次数可达10万次以上。
④抗震防潮性能好，还具有耐高低温等特点。
（2）移动硬盘
虽然U盘具有性能高、体积小等优点，但对于需要存储较大量数据的情况，其容量就不能满足要求了，因而需要使用另一种可移动存储器——移动硬盘。与U盘相比，移动硬盘的特点是容量更大（1TB～4TB），传输速度更快。移动硬盘大多采用USB接口，能提供较高的数据传输速率。目前USB 3.0接口的传输速率是500 MB/s。
综上所述，在计算机中存储信息的设备有内存、硬盘、软盘、光盘、U盘等，每种存储设备都有其特点。为了充分发挥各种存储设备的长处，将其有机地组织起来，这就构成了具有层次结构的存储系统，如图2.14所示。
图2.14 存储系统的层次结构
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