外存储器是指需要通过设备接口与微机相连的存储器，也称辅存。与内存相比，外存容量大、
价格低、能长期和脱机保存信息，但速度较慢，主要用作微机系统的后备存储器，用以存放计算 机工作所需要的系统文件、应用程序、用户程序、文档和数据等，也用作虚拟存储器的硬件支持。
目前，微机系统常用的外存储器有硬盘、光盘、移动硬盘、软盘和 U 盘等。软盘已基本不用，所 以本节只对硬盘、光盘、移动硬盘和 U 盘作一简单介绍。
4.6.1 硬盘存储器
硬盘是微机系统中最主要的外存储器，主要用作大容量的后备存储器和虚拟存储器的硬件支 持。第一个商品化的硬盘是由美国 IBM 公司于 1956 年研制成功的。近五十年来，无论在结构还 是在性能上，磁盘存储器都有了很大的发展和进步。
1．磁盘存储器的记录原理
磁盘和磁带均属于磁表面存储器。磁表面存储器记录信息是通过在磁头和磁性记录介质之间 作相对运动来实现读写操作的，如图 4.26 所示。磁头是实现电磁转换过程的关键装置，它是由软 磁材料做铁芯，上面绕有读/写线圈的电磁铁。磁记录介质是在某种刚性（如硬盘）或柔性（如软 盘、磁带）载体上涂有薄层磁性材料的物体，用于记录以磁状态表示的信息。
图 4.26 磁表面存储器记录信息原理图
（1）磁存储器的写入过程
当向线圈提供一定方向和大小的电流时，将使磁头体被磁化，建立起有一定方向和强度的磁 场，即在磁环内有磁力线产生，由于磁头的磁化间隙处磁阻较大，将产生漏磁，这个漏磁就是向 磁记录介质中写入信息的信息源。当磁头前端与磁记录介质距离很近时，磁化间隙处的漏磁将把
磁记录介质
载磁体
写数据 读数据
写线圈
I
读线圈 铁芯
磁化间隙
磁头
磁盘运动方向
写电路 读电路
处于附近的磁记录介质上的一小片磁性材料（磁化单元）磁化，而当磁头离去时，就在这个磁化 单元保留了磁化状态，从而记录下写入的一位信息（完成了“电－磁”转换）。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”。
（2）磁存储器的读出过程
当磁头前端与磁记录介质距离很近且高速经过时，若所经过的磁记录介质上的磁化单元已被 磁化，这一磁化状态将在磁头的环体内产生磁力线，从而在磁头的线圈中感应出一个脉冲电流，
这表示读出了记录在磁记录介质中的一位信息（完成了“磁－电”转换）。根据感应电流的方向不 同，可以区分读出的是“0”还是“1”。
2．硬盘存储器的组成原理
硬盘存储器由硬盘驱动器、硬盘控制器和盘片几大部分组成，如图 4.27 所示。
图 4.27 硬盘存储器的基本结构
微机系统中配置的硬盘均为可移动磁头固定盘片结构，这种结构的硬盘又称为温彻斯特磁盘，
简称温盘。其特点是工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触。如图 4.28 所 示，它采用密封组合方式，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”。
图 4.28 揭开外盖后的温彻斯特磁盘
（1）硬盘驱动器
硬盘驱动器一般与盘片一起构成一个完整独立的设备，称为硬盘机（实物如图 4.28 所示）。
它包括作为磁记录介质使用的磁盘和驱动磁盘匀速旋转的动力与驱动部件，完成读写功能的磁头 和驱动磁头沿磁盘径向方向运动和准确定位的部件，以及控制逻辑电路等部件。其内部结构框图 如图 4.29 所示，分为三个子系统：
一是主轴电机驱动电路。硬磁盘的盘片（组）被固定在硬盘机的主轴上，由主轴带动磁盘匀 速旋转，而硬盘机的主轴则由一个主电机通过传动皮带带动旋转。为使读写数据正确，同时保证 浮动磁头与磁盘表面有合理的距离，要求磁盘以一个额定的转速匀速旋转。为此在电机上用光电
主 机
硬 盘 控 制 器
硬 盘 驱 动 器
盘 片
硬 盘 机
传动轴 磁盘片
传动手臂
读写磁头 主轴组件 前置控
制电路
或霍尔元件设置了测速装置，经变换后与标准值比较，形成一个闭环的自调节系统使其转速尽可 能的均匀。二是磁头驱动电路。提高磁盘平均读写速度的关键在于提高寻道速度，由于硬盘上的 道密度相当高，这就给快速且准确寻道带来了困难。电路中对道定位的准确性进行检测，且进行 反馈自动调整，保证每次寻道都能使磁头落在磁道中央。三是磁头读写电路。它除了产生写电流 和读出处理功能外，还具有磁头选择功能。硬盘通常由多个盘片组成，且每个盘都有正反两面，
如图 4.29 所示为 4 个盘片共 6 个有效记录面。所以，它一般都有多个磁头同时运动。为了确定有 效的磁头并使它工作，设定了磁头选择逻辑和相应的电子开关。
图 4.29 硬盘驱动器内部结构框图
三个子系统均由一个单片机统一控制，它们接受控制器送来的命令，产生完成各种动作 所需的信号，保证驱动器各部分协调地工作。硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路中的 单片机初始化模块进行初始化工作，此时磁头置于盘片中心位置，初始化完成后主轴电机将启动 并以高速旋转，装载磁头的小车机构移动，将浮动磁头置于盘片表面的 00 道，处于等待指令的启 动状态。当接口电路接收到微机系统传来的指令信号，通过前置放大控制电路，驱动音圈电机发 出磁信号，根据感应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正确定位，并将接收后的数据信息解码，
通过放大控制电路传输到接口电路，反馈给主机系统完成指令操作。结束硬盘操作的断电状态，
在反力矩弹簧的作用下浮动磁头驻留到盘面中心。
（2）硬盘控制器
硬盘控制器也称为硬盘驱动器适配器。它是插在主机总线插槽中的一块电路卡，用于将硬盘 驱动器与计算机主机连接为一体系统，以便接收主机发来的命令，将它转换成硬盘驱动器的控制 命令，实现主机与驱动器之间的数据格式变换和数据传送，并控制驱动器的读写和保证主机与驱 动器在时间上的同步。可见，硬盘控制器是主机与硬盘驱动器之间的接口。它是将硬盘驱动器与主 机构成一个能协同运行的整机系统所必需的，该控制器无疑需要在两个方向上有正确的接口关系。
在一个方向上，它需要与主机正确连接与协调运行，这是与主机的接口，称为系统级接口，
主要是与主机系统的总线打交道；在另一个方向上，它需要与硬盘设备实现连接并协调运行，这 是与设备的接口，称为设备级接口（或设备控制器），它接收主机的命令以控制设备的各种操作。
读写电路
主轴电机 驱动电路 接口电路
（单片机）
无刷直 流电机 磁头选择
前置放大
驱动电机
（音圈电机）
反馈信号
磁头 盘片
磁头 驱动电路 硬
盘 控 制 器
循环过滤器
驱动电路 头盘组件
测速输出
主轴
读写臂
一个硬盘控制器通常可以控制一台或几台驱动器。但一般说来，硬盘机都有自己的控制器，
不同的硬盘机，在处理硬盘机本身的驱动器与硬盘控制器之间的功能划分方面，会有一些不同的 安排。图 4.30 给出了硬盘控制器与硬盘驱动器功能划分的示意表示。
图 4.30 硬盘控制器与硬盘驱动器的功能划分
如采用 ST506 接口标准，硬盘控制器与驱动器的界面可设在图 4.30 的 A 处。这时硬盘读/写 等逻辑电路主要划分在硬盘控制器上，而硬盘驱动器部分只保留了读写和放大电路。如采用 ESDI
（Enhanced Small Device Interface，增强型小型设备接口）标准，则将界面设在 B 处，把数据分离 电路和编码、译码电路划入硬盘驱动器中，控制器仅完成串/并或并/串转换、格式控制和 DMA 控 制等逻辑功能。
而采用当前流行的 IDE（Integrated Drive Electronics，集成驱动电子部件）或 SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口），则硬盘控制器的功能全部划归到设备之中。这 种把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到 了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其他厂商生产的控 制器兼容，对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。
3．硬盘上的信息组织
磁盘片是磁存储器的信息记录载体，它的上下两面都可用于记录信息。硬盘一般采用多片结 构的磁盘组，读这样的磁盘上的信息时，必须指出该信息在磁盘的哪个盘片的哪一记录面。由于 磁盘上的信息必须由磁头读出或写入，所以记录面的数量与磁头数是一样的。一般就用磁头（head）
号来代替记录面号。
在同一个磁盘记录面上，信息被写在许多个同心圆上，每个同心圆为一个磁道，不同磁道用 磁道号表示。磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫 0 磁道，最里面的一个同心圆 叫 n 磁道。不同记录面上的同一磁道被叫做一个柱面（Cylinder），柱面个数正好等于磁道数，所 以磁道号就是柱面号。
在同一个磁道上，信息被组织为固定大小的区段，称为扇区（sector），即把一个圆周等分成 若干部分，每部分就构成一个扇区，每个扇区的一个磁道，用于存储一定数目的二进制信息（一
在同一个磁道上，信息被组织为固定大小的区段，称为扇区（sector），即把一个圆周等分成 若干部分，每部分就构成一个扇区，每个扇区的一个磁道，用于存储一定数目的二进制信息（一