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计算机组成原理—— 外围设备（十三）

news 来源：原创 2025/9/22 9:05:29

记住，伟大的成就往往诞生于无数次尝试和失败之后。每一次跌倒，都是为了让你学会如何更加坚定地站立；每一次迷茫，都是为了让你找到内心真正的方向。即使前路漫漫，即使困难重重，心中的火焰也不应熄灭。它代表着你的热情、你的勇气以及对未来的无限希望。

无论世界如何变化，请保持那份最初的纯真与好奇。让每一个小小的进步成为通向伟大目标的阶梯，用每一次的努力编织成通往梦想的道路。在这个过程中，你会发现最强大的力量来源于自己内心的坚持与不懈追求。

因此，勇敢地迎接每一个挑战，积极面对生活中的每一次起伏。相信自己，你可以超越任何界限，实现心中所愿。因为你不仅仅是在为自己的梦想奋斗，更是在用自己的行动诠释着生命的意义。未来充满了无限可能，而你正是那个能够开启这些可能性的人。

所以，请继续怀揣着希望前行，用你的行动证明给世界看，你是独一无二的存在，拥有改变世界的力量。在你追求梦想的路上，每一步都将绽放出属于你的光芒，照亮你前进的方向，也激励着周围的人去追寻他们自己的星辰大海。未来正等待着你去书写，而你就是那支描绘辉煌篇章的笔。

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目录

8.1 外围设备概述

8.1.1 什么是外围设备

8.1.2 外围设备的分类和功能

8.2 磁盘存储设备详解

8.2.1 磁记录原理与记录方式

1. 磁记录物理原理

2. 常见磁记录方式

3. 编码示例（RLL(2,7)）

8.2.2 磁盘的基本组成和分类

1. 机械结构组成

2. 分类标准

8.2.3 硬磁盘驱动器和控制器

1. HDD硬件架构

2. 控制器核心功能

8.2.4 磁盘上信息的分布

1. 物理结构参数

2. 低级格式化示例

8.2.5 磁盘存储器的技术指标

1. 关键性能指标

2. 可靠性指标

8.2.6 磁盘阵列（RAID）

1. RAID级别对比

2. Linux下RAID5配置示例

扩展1：磁头飞行高度控制技术（空气轴承原理）

1. 空气轴承工作原理

2. 飞行高度控制技术

扩展2：叠瓦式(SMR) vs 垂直记录(PMR)对比

1. 结构对比示意图

2. 性能对比表

扩展3：振动补偿系统原理

1. 系统组成框图

2. 振动补偿算法伪代码

扩展4：ZBR（区域位记录）详细算法

1. ZBR分区原理

**2. 分区配置示例代码

扩展5：纠错码数学推导（以Reed-Solomon码为例）

1. 伽罗华域(GF)基础

2. RS编码过程

扩展6：RAID重构过程状态机分析

1. 状态转移图

2. 重构过程伪代码

扩展7：Facebook冷存储架构设计案例

1. 架构拓扑图

2. 关键设计参数

3. 纠删码存储示例

8.1 外围设备概述

8.1.1 什么是外围设备

外围设备（Peripheral Devices）是计算机系统中除中央处理器（CPU）和内存外，所有与主机进行数据交换的硬件设备。它们通过接口与主板连接，扩展计算机的功能边界。

核心特征：

  • 非核心计算组件
  • 需通过标准接口（USB/PCIe/SATA等）连接
  • 具有独立电源需求（部分设备）

8.1.2 外围设备的分类和功能

按功能分类的完整体系：

类别功能描述典型设备示例
输入设备将外部信息转换为数字信号键盘、扫描仪、麦克风
输出设备将数字信号转换为人类可感知形式显示器、打印机、扬声器
存储设备持久化数据存储HDD、SSD、光盘驱动器
通信设备实现系统间数据交换网卡、调制解调器、蓝牙适配器
混合设备综合多种功能触摸屏（输入+输出）、多功能打印机

8.2 磁盘存储设备详解

8.2.1 磁记录原理与记录方式
1. 磁记录物理原理
  • 基本原理：利用磁性材料的剩磁特性存储二进制数据（0/1）
  • 关键组件：
    • 磁头：实现电信号→磁场→磁化翻转
    • 磁介质：如钴基合金盘片，划分磁道和扇区
  • 写入过程：电流通过磁头线圈产生磁场，磁化盘片表面
  • 读取过程：磁头感应磁化方向变化，转化为电信号
2. 常见磁记录方式
记录方式编码规则优点缺点
归零制(RZ)正脉冲表1，负脉冲表0，脉冲后归零简单低密度，高误码
不归零制(NRZ)电平翻转表1，保持表0密度高时钟同步困难
调频制(FM)每位起始处跳变，中间跳变表1时钟同步方便效率低
改进调频制(MFM)仅当连续0时插入同步跳变密度提升25%复杂度增加
游程长度受限码(RLL)限制连续0的数量，提升密度高密度，高效编码复杂
3. 编码示例（RLL(2,7)）
# RLL(2,7)编码表片段示例
encoding_table = {'00': '1010','01': '1000','10': '0010','11': '0000'
}

8.2.2 磁盘的基本组成和分类
1. 机械结构组成
+-----------------------+
| 主轴电机 → 旋转盘片    |
| 磁头臂 → 音圈电机控制  |
| 空气过滤系统           |
| 接口电路板(PCB)        |
+-----------------------+

2. 分类标准
分类维度类型
介质类型硬盘(HDD)、软盘(Floppy)、磁带
可移动性固定盘、可换盘
接口类型SATA III (6Gbps), SAS (12Gbps), NVMe（SSD专用）
应用场景企业级（15K RPM）、桌面级（7.2K RPM）、监控专用
8.2.3 硬磁盘驱动器和控制器
1. HDD硬件架构
            +------------+| 主机接口   || (SATA/SAS)|+-----+------+|+-----v------+| 控制器     || (ARM SoC) |+-----+------+|+-----v------+     +-----------------+| 缓存芯片   <-----> 读写缓冲 (256MB) |+-----+------+     +-----------------+|+-----v-------------------+| 前置放大器/读写通道     |+-----+-------------------+|+-----v-------------------+| 磁头堆栈组件 (HSA)      |+-------------------------+

2. 控制器核心功能
  • 坏道管理：G-LIST（增长缺陷表）和P-LIST（原始缺陷表）
  • 命令队列：NCQ（Native Command Queuing）优化IO顺序
  • 纠错编码：Reed-Solomon码处理扇区错误
8.2.4 磁盘上信息的分布
1. 物理结构参数
          +------------------------+| 柱面 (Cylinder)        ||  → 磁道 (Track)        ||    → 扇区 (Sector)     ||       → 512/4K字节      |+------------------------+

2. 低级格式化示例
// 模拟磁盘低级格式化过程
struct DiskGeometry {int cylinders;int heads;int sectors_per_track;
};void low_level_format(struct DiskGeometry dg) {for (int cyl = 0; cyl < dg.cylinders; cyl++) {for (int head = 0; head < dg.heads; head++) {for (int sec = 0; sec < dg.sectors_per_track; sec++) {write_sector(cyl, head, sec, BLANK_DATA);}}}
}

8.2.5 磁盘存储器的技术指标
1. 关键性能指标
指标计算公式典型值
平均寻道时间机械运动时间3-15ms
旋转延迟0.5*(60/RPM)2ms(15K RPM)
数据传输率(转速×字节/磁道)/60250MB/s(SATA III)
IOPS1000/(寻道+旋转+传输时间)150-200(随机读)
2. 可靠性指标
  • MTBF（平均无故障时间）：1,000,000小时↑
  • 年故障率(AFR)：0.5%-2%
  • UBER（不可恢复误码率）：<10^-15
8.2.6 磁盘阵列（RAID）
1. RAID级别对比
级别冗余性最少盘数利用率典型应用场景
RAID0无2100%视频编辑临时存储
RAID1镜像250%系统盘
RAID5分布式校验3(n-1)/n数据库存储
RAID6双校验4(n-2)/n归档存储
RAID10镜像+条带450%金融交易系统
2. Linux下RAID5配置示例
# 使用mdadm创建RAID5
mdadm --create /dev/md0 --level=5 --raid-devices=3 /dev/sd[abc]1 --spare-devices=1 /dev/sdd1# 查看RAID状态
mdadm --detail /dev/md0# 输出示例：
#          Version : 1.2
#    Creation Time : Wed Aug 21 10:17:14 2024
#       Raid Level : raid5
#       Array Size : 209584128 (199.88 GiB 214.60 GB)
#    Used Dev Size : 104792064 (99.94 GiB 107.30 GB)

注：以上为精简核心内容，下面是扩展知识：

扩展1：磁头飞行高度控制技术（空气轴承原理）

1. 空气轴承工作原理

其中：

  • hh：磁头与盘面间隙（典型值1-3nm）
  • pp：气膜压力
  • μμ：空气粘度
  • UU：盘面线速度（~20m/s）
2. 飞行高度控制技术
  • 热膨胀调节： 
    # 磁头加热器控制算法示例
def adjust_flying_height(current_height, target=2.5e-9):error = target - current_heightheater_power = PID_controller(error)  # PID控制输出apply_thermal_expansion(heater_power)  # 通过加热改变磁头形状return new_height

  • 关键技术参数：
    参数典型值
    飞行高度1-3 nm
    动态调节精度±0.1 nm
    响应时间<10 μs

扩展2：叠瓦式(SMR) vs 垂直记录(PMR)对比

1. 结构对比示意图
PMR结构：
+---+---+---+---+---+
|   |   |   |   |   | ← 独立磁道
+---+---+---+---+---+SMR结构：
+-------------------+
|      磁道N        | ← 覆盖下层磁道N-1
+-------------------+

2. 性能对比表
特性SMRPMR
存储密度提高15-25%标准密度
随机写性能差（需缓存区重组）优秀
适用场景冷数据/顺序写入通用存储
典型容量20TB+18TB
写放大率2-5倍1倍
管理复杂度需要专用主机支持即插即用

扩展3：振动补偿系统原理

1. 系统组成框图
+---------------------+
| 加速度传感器        | → 检测振动信号
+----------+----------+|
+----------v----------+
| 自适应滤波算法      | → 消除机械共振频率
+----------+----------+|
+----------v----------+
| 音圈电机(VCM)       | → 动态调整磁头位置
+---------------------+

2. 振动补偿算法伪代码
class VibrationCompensator:def __init__(self):self.buffer = CircularBuffer(size=100)  # 存储振动历史数据self.filter = KalmanFilter()           # 卡尔曼滤波器def update(self, acceleration):# 1. 数据预处理filtered = self.filter.apply(acceleration)# 2. 补偿量计算compensation = 0for i in range(self.buffer.size):weight = 0.5**(i+1)  # 指数衰减权重compensation += self.buffer[i] * weight# 3. 驱动VCM执行补偿adjust_head_position(compensation)# 更新缓冲区self.buffer.push(filtered)

扩展4：ZBR（区域位记录）详细算法

1. ZBR分区原理

数据密度公式：D(r)=B/2πr⋅s(其中：r=半径,s=扇区数,B=每扇区字节数)数据密度公式：D(r)=2πr⋅sB​(其中：r=半径,s=扇区数,B=每扇区字节数)

**2. 分区配置示例代码
// 典型ZBR分区表
struct ZBR_Zone {int start_sector;int end_sector;int sectors_per_track; // 外圈扇区数多于内圈int bit_density;       // bits/inch
};struct ZBR_Zone zones[] = {{0, 10000, 250, 2_800_000},   // 外圈区域{10001, 20000, 200, 2_200_000},{20001, 30000, 180, 1_900_000}, // 内圈区域
};

扩展5：纠错码数学推导（以Reed-Solomon码为例）

1. 伽罗华域(GF)基础

2. RS编码过程

扩展6：RAID重构过程状态机分析

1. 状态转移图
[正常] --检测到磁盘故障--> [降级]
[降级] --插入新磁盘--> [重构中]
[重构中] --完成校验--> [正常]--超时/错误--> [失败]

2. 重构过程伪代码
def raid_rebuild(raid_array, new_disk):state = "PREPARING"try:state = "READ_PARITY"parity_data = calculate_parity(raid_array.healthy_disks)state = "WRITE_DATA"for stripe in raid_array.stripes:rebuild_data = xor_operation(parity_data, stripe.healthy_blocks)new_disk.write(stripe.position, rebuild_data)state = "VERIFY"if verify_integrity(new_disk):state = "NORMAL"return Trueelse:state = "FAILED"return Falseexcept Exception as e:log_error(f"重构失败于状态 {state}: {str(e)}")state = "FAILED"return False

扩展7：Facebook冷存储架构设计案例

1. 架构拓扑图
+----------------+      +----------------+
| Web服务器       |      | 热存储集群      |
| (处理元数据)    |<---->| (SSD, RAID10)  |
+----------------+      +----------------+↓
+----------------+      +----------------+
| 编码代理        |----->| 冷存储集群      |
| (Erasure Coding)|      | (SMR HDD, RS(10,16))
+----------------+      +----------------+

2. 关键设计参数
参数规格
编码方案Reed-Solomon(10,16)
存储密度80PB/机架
功耗比0.7W/TB
数据完整性99.9999999999% (12个9)
访问延迟分钟级
3. 纠删码存储示例
# RS(10,16)编码示例
from reedsolo import RSCodeccodec = RSCodec(6)  # 可纠正6个错误
data = b"Facebook_Cold_Data_123"
encoded = codec.encode(data)# 模拟存储节点分布
storage_nodes = {'node01': encoded[0:5],'node02': encoded[5:10],'node03': encoded[10:15],'node04': encoded[15:20],'node05': encoded[20:25],'node06': encoded[25:30]  # 最后6个为校验块
}

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分区表 使用场景&#xff1a;数据量庞大且经常用来做查询的表 特点&#xff1a;将数据分别存储到不同的目录里 优点&#xff1a;避免全盘扫描&#xff0c;提高查询效率 分区的类型 它们的默认值分别是: false, strict, 要求至少有一个静态分区列&#xff0c;而 nonstr…...

编程日记 2025/9/18 8:41:11

深入解析PID控制算法：从理论到实践的完整指南

前言 大家好&#xff0c;今天我们介绍一下经典控制理论中的PID控制算法&#xff0c;并着重讲解该算法的编码实现&#xff0c;为实现后续的倒立摆样例内容做准备。 众所周知&#xff0c;掌握了 PID &#xff0c;就相当于进入了控制工程的大门&#xff0c;也能为更高阶的控制理论…...

编程日记 2025/9/21 19:24:48

linux--关于GCC、动态库静态库

gcc和g的异同 他们是不同的编译器&#xff0c; 在linux中&#xff0c;生成可执行文件不像和windows一样。 linux中是以**.out作为可执行文件**的 无论是什么系统&#xff0c;生成可执行文件分为4步&#xff1a; 预处理–>编译–>汇编–>链接。 从.c/.cpp–>.i文件…...

编程日记 2025/9/21 23:31:40

matlab汽车动力学半车垂向振动模型

1、内容简介 matlab141-半车垂向振动模型 可以交流、咨询、答疑 2、内容说明 略 3、仿真分析 略 4、参考论文 略...

编程日记 2025/9/18 8:40:40

Pygame中自定义事件处理的方法2-2

在《Pygame中自定义事件处理的方法2-1》中提到了处理自定义事件的方法。通过处理自定义事件&#xff0c;可以实现动画等效果。 1 弹跳小球程序 通过处理自定义事件&#xff0c;可以实现弹跳小球程序&#xff0c;如图1所示。 图1 弹跳小球程序 2 弹跳小球程序原理 实现弹跳小…...

编程日记 2025/9/21 1:54:36

B. Longest Divisors Interval

time limit per test 2 seconds memory limit per test 256 megabytes Given a positive integer nn, find the maximum size of an interval [l,r][l,r] of positive integers such that, for every ii in the interval (i.e., l≤i≤rl≤i≤r), nn is a multiple of ii. …...

编程日记 2025/9/18 8:42:48

什么是服务的雪崩、熔断、降级的解释以及Hystrix和Sentinel服务熔断器的解释、比较

1.什么是服务雪崩&#xff1f; 定义&#xff1a;在微服务中&#xff0c;假如一个或者多个服务出现故障&#xff0c;如果这时候&#xff0c;依赖的服务还在不断发起请求&#xff0c;或者重试&#xff0c;那么这些请求的压力会不断在下游堆积&#xff0c;导致下游服务的负载急剧…...

编程日记 2025/9/18 8:40:20

从驾驶员到智能驾驶：汽车智能化进程中的控制与仿真技术

在汽车技术持续演进的历程中&#xff0c;人类驾驶员始终是一个极具研究价值的智能控制系统“原型”。驾驶员通过视觉感知、行为决策与操作执行的闭环控制&#xff0c;将复杂的驾驶任务转化为车辆的实际动作&#xff0c;同时动态适应道路环境的变化。这一过程不仅体现了高度的自…...

编程日记 2025/9/18 8:41:40

mysql和minio

在现代应用架构中&#xff0c;Word 文档、PPT 等文件通常存储在对象存储服务&#xff08;如 MinIO&#xff09;中&#xff0c;而不是直接存储在关系型数据库&#xff08;如 MySQL&#xff09;中。以下是具体的分工和原因&#xff1a; 为什么选择对象存储&#xff08;如 MinIO&a…...

编程日记 2025/9/21 14:06:29

java练习（24）

PS:练习来自力扣 合并两个有序数组 给你两个按 非递减顺序 排列的整数数组 nums1 和 nums2&#xff0c;另有两个整数 m 和 n &#xff0c;分别表示 nums1 和 nums2 中的元素数目。 请你 合并 nums2 到 nums1 中&#xff0c;使合并后的数组同样按 非递减顺序 排列。 注意&am…...

编程日记 2025/9/19 19:53:14

Android的Activity生命周期知识点总结，详情

一. Activity生命周期 1.1 返回栈知识点 二. Activity状态 2.1 启动状态 2.2 运行状态 2.3 暂停状态 2.4 停止状态 2.5 销毁状态 三. Activity生存期 3.1 回调方法 3.2 生存期 四. 体验Activity的生命周期 五. Activity被回收办法 引言&#xff1a; 掌握Acti…...

编程日记 2025/9/18 8:42:10

STM32——HAL库开发笔记19（串口中断接收实验）（参考来源：b站铁头山羊）

本实验&#xff0c;我们以中断的方式使得串口发送数据控制LED的闪烁速度&#xff0c;发送1&#xff0c;慢闪&#xff1b;发送2&#xff0c;速度正常&#xff1b;发送3&#xff0c;快闪。 一、电路连接图 二、实现思路&CubeMx配置 1、实现控制LED的闪烁速度 uint32_t bli…...

编程日记 2025/9/20 5:32:23

基于腾讯云TI-ONE 训练平台快速部署和体验 DeepSeek 系列模型

引言 在前两篇文章中&#xff0c;我们通过腾讯云的HAI部署了DeepSeek-R1&#xff0c;并基于此进行了一系列实践。 腾讯云HAI DeepSeek 腾讯云AI代码助手 &#xff1a;零门槛打造AI代码审计环境 基于腾讯云HAI DeepSeek 快速开发中医辅助问诊系统 这些尝试不仅帮助我们理解…...

编程日记 2025/9/20 15:06:29

python的类装饰器

装饰器不仅可以用于函数&#xff0c;还能作用于类。将装饰器应用于类时&#xff0c;其核心原理与作用于函数类似&#xff0c;都是通过接收一个类作为输入&#xff0c;然后返回一个新的类或者修改后的原类&#xff0c;以此来为类添加额外的功能 简单的类装饰器 def add_method…...

编程日记 2025/9/20 7:46:40

C++17中的LegacyContiguousIterator（连续迭代器）

文章目录 特点内存连续性与指针的兼容性更高的性能 适用场景与C接口交互高性能计算 支持连续迭代器的容器示例代码性能优势缓存局部性指针算术优化 注意事项总结 在C17标准里&#xff0c;LegacyContiguousIterator&#xff08;连续迭代器&#xff09;是一类特殊的迭代器。它不仅…...

编程日记 2025/9/21 20:39:43

Linux-文件IO

1.open函数 【1】基本概念和使用 #include <fcntl.h> int open(const char *pathname&#xff0c;int flags); int open(const char *pathname&#xff0c;int flags&#xff0c;mode_t mode); 功能: 打开或创建文件 参数: pathname //打开的文件名 f…...

编程日记 2025/9/21 10:29:20

DeepSeek-R1 + Cherry Studio 本地部署打造个人 AI 知识库

ChatGPT 爆火的时候&#xff0c;我心里就燃起了一个想法&#xff1a;打造一个专属于自己的AI知识库&#xff0c;它就像我的第二大脑一样&#xff0c;能记住我生活里的点点滴滴。 我随口一问“去年5月我做了什么”&#xff0c;它不仅能精准找到记录&#xff0c;还能帮我回忆起那…...

编程日记 2025/9/21 22:02:19

《红色警戒：兵临城下》 游戏软件安装步骤与百度网盘链接

软件简介&#xff1a; 《红色警戒&#xff1a;兵临城下》&#xff08;Command & Conquer: Red Alert&#xff09;是一款经典的即时战略游戏&#xff0c;由Westwood Studios开发&#xff0c;于1996年首次发行。它是《命令与征服》系列的衍生作品&#xff0c;以其独特的世界…...

编程日记 2025/9/20 21:22:44

25/2/16 ＜算法笔记＞ DirectPose

DirectPose 是一种直接从图像中预测物体的 6DoF&#xff08;位姿&#xff1a;6 Degrees of Freedom&#xff09;姿态 的方法&#xff0c;包括平移和平面旋转。它在目标检测、机器人视觉、增强现实&#xff08;AR&#xff09;和自动驾驶等领域中具有广泛应用。相比于传统的位姿估…...

编程日记 2025/9/21 5:45:28

第32周：文献阅读

目录 摘要 Abstract 文献阅读 问题引入 研究问题 研究意义 研究方法 集成方法 随机森林&#xff08;RF&#xff09; 支持向量机&#xff08;SVM&#xff09; 简单循环神经网络&#xff08;SimpleRNN&#xff09; 长短期记忆网络&#xff08;LSTM&#xff09; 创…...

编程日记 2025/9/21 14:23:33

Ollama 开发指南

文章来源&#xff1a;开发指南 - Ollama中文文档|Ollama官方文档 安装先决条件&#xff1a; GOC/C 编译器&#xff0c;例如 macOS 上的 Clang、TDM-GCC &#xff08;Windows amd64&#xff09; 或 llvm-mingw &#xff08;Windows arm64&#xff09;、Linux 上的 GCC/Clang。…...

编程日记 2025/9/21 11:49:04