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單元八
磁碟與磁碟機
單元八磁碟與磁碟機
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8-1 前言
8-2 磁碟的分類
8-3 磁碟的格式與記憶容量
8-4 磁碟的格式
8-5 資料的組織方法
8-6 磁碟控制器
8-7 錯誤發生的種類
8-8 硬式磁碟機
8-9 軟式磁碟機
8-10 ZlP磁碟機
8-1 前言
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磁帶→錄音帶，磁碟→唱片或CD唱片了。
磁帶
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以循序處理的方式寫入或讀出資料
速度較慢，
只能利用快速前進或後退的動作方式，跳過不必要的位置，直
接到達資料的存放位置，進行寫入或讀取的動作。
8-2 磁碟的分類
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磁碟(magnetic disk)
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高容量。可快速存取的一種磁性媒體裝置，
輔助記憶體，儲存資料或程式。
可解除電腦對電源的依賴性。
利用電磁感應原理來進行數位式資料的讀寫工作
讀寫用磁頭與磁碟間並沒有接觸，兩者間有幾十微米的閒隙。
磁碟依其直徑大小可分為3 1/2吋、5 1/4吋、8吋、12吋、
14吋等
8-2 磁碟的分類
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依材料性質不同可分為
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軟式磁碟(floppy disk)
硬式磁碟(hard disk)。
依其儲存容量刑有360kB、l.2MB、1.44MB 、 20MB、…數十
GB等多種。
硬式磁碟的記憶容量。則大大於軟式磁碟。目前以3.5吋為
主流。在筆記型電腦則使用2 1/2吋。
8-2 磁碟的分類
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硬式磁碟
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在一片硬質的圓形鋁板或塑膠圓板上，鍍上一層極薄的磁性金
屬氧化物，一般為氧化鐵類的磁性材料
直徑在2 1/2吋到14吋之間，
將數片磁碟固定於一同心軸上，加大其容量。稱為磁碟組。有
兩片式、四片式、十二片式等，視其儲存容量需要而定。
在某些電腦系統中，硬碟容量高達數百GB，一般都固定裝在磁
碟機上，稱之為固定磁碟組;有些磁碟組可視需要隨時更換，
稱為可動式磁碟組。
將磁碟劃分成數十個到數百個同心圓軌，每一圓軌就稱寫一個
磁軌(track)
再將每一磁軌劃分成數個磁區(sector)，磁區就是儲存資料的
最小單位。
8-2 磁碟的分類
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軟式磁碟(floppy disk)
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將磁性材料微粒塗布在薄的塑膠圓片上。
磁片本身較軟。因此稱之為軟式磁碟。
軟式磁碟一般置於硬式封套中加以保護。封套有紙質和塑膠質
兩種。
在磁碟片與封套中有一軟質裏襯，可避免磁碟片和封套間的摩
擦。
目前軟式磁碟的直徑為3 1/2吋。
將讀寫孔封閉，在置入磁碟機後再行開啟。可避免不小心所引
起的破壞。
其封套為硬質，可避免因彎曲所造成的損壞。
3 1/2吋的尺寸雖然較為迷你，但其容量卻在0.5M位元組到2M
位元組之間。
8-3 磁碟的格式與記憶容量
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對磁碟作格式化(format)、複製(copy)、資料讀/寫、磁碟
空間管理…等數方面的控制。
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磁碟作業系統(disk-operation system，簡稱DOS) ，
檔案管理系統(file-management system，簡稱FMS)，
在不同的磁碟作業系統中，磁碟的格式並不相同，因此無法
直接變換使用。
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早期的Apple II電腦使用軟式磁碟來儲存資料，其作業系統稱
為DOS3.3。
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使用5 1/4吋磁片，單面使用，將磁片劃分為35磁軌，每一磁軌
(track)再劃分為16個磁區(sector)，每一磁區可儲存256bytes(
位元組)的資料。因此，每張磁碟的記憶容量為:
1磁區=256bytes
1磁軌=16磁區=256bytes×16 = 4096bytes = 4Kbytes
1磁碟= 35磁軌=4096bytes×35 = 14OKbytes
8-3 磁碟的格式與記憶容量
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目前的微電腦IBM-PC則是使用3 1/2吋高密度磁片，是雙面
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1磁區= 512bytes
1磁軌=18磁區= 512bytes×18=9Kbytes
1面=80磁軌=9Kx80=72OKbytes
1磁碟=2面= 72Ok×2 = 1440Kbytes=1.44MB
3.5 英吋
1.44MB
5.25 英吋
1.2MB
5.25 英吋
360KB
5.25 英吋
320KB
容量(位元組)
1474560
1228800
368640
327680
磁頭數
2
2
2
2
每面磁軌數
80
80
40
40
每磁軌之磁區數
18
15
9
8
每磁區位元組數
512
512
512
512
8-3 磁碟的格式與記憶容量
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硬式磁碟的容量
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必須將每一磁碟的兩面均加以格式化之後，才能讀寫資料
硬式磁碟可由多片磁碟組成。
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記憶容量=磁碟面數×每一面的磁軌數×每一軌的磁區數×每一磁區的位元組數
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基本上，軟碟與硬碟儲存的基本單位為磁區(Sector)，但在記
憶裝置加大之後，改用叢集(Cluster)做為儲存的實用單位
檔案配置表(File Allocation Table，簡稱FAT )
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12位元的FATl2。最大記憶容量只有5OMB左右
16元的FATl6。在FATl6格式中，每一叢集(Cluster)為32KB，最
多可用65535個叢集，最大容量為32kb×65535=2097120KB=2GB。
Windows 95 OSR2 之後改用FAT32。最大容量高達
2TB(lTB=1024GB)
Windows NT則使用NTFS 格式，以64位元定址。最高可達到
16EB264
8-3 磁碟的格式與記憶容量
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磁柱(cylinder)
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硬碟中將同一半徑的所有磁軌的集合稱之為磁柱
儲存時先存在第0磁碟面的第n個磁軌，存滿時接著存到第1磁碟
面的第n個磁軌，第2面的第n個磁軌，最後再從第0面的n十1磁軌
續存
8-3 磁碟的格式與記憶容量
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磁碟的儲存容量

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與磁碟作業系統和所用磁碟機有關，
影響儲存容量的因素有三:
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所用磁面數;
每一磁軌的儲存密度:
磁軌數
單面或雙面磁片
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最早推出的磁碟片只能單面儲存資料，稱之為單面磁碟片。
一般以SS (single，side)或1S稱之，
可雙面讀/寫者稱為雙面磁碟 DS (double side)或2S。
8-3 磁碟的格式與記憶容量
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記錄密度(recording density)
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指磁碟最內圈磁碟的每1吋圓弧所能記錄的位元數，
單位為bpi (bit per inch)
單密度磁碟的最內圈磁碟每吋可儲存2768位元;雙密度則為5876
位元。
磁軌數
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磁軌數與所用磁碟機有關，
一般使用40軌/面的磁碟機，在高容量的磁碟作業系統，則可使
用80軌2面的磁碟機，如IBM-PC AT即使用這類磁碟機。
8-3 磁碟的格式與記憶容量
8-4 磁碟的格式
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格式化(format)

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將磁碟劃分成許多同心圓，並將每一磁軌再劃分為數個扇形區
，一般稱之為磁區(sector)。磁碟作業系統即以此為基本單位
，來存放資料。
磁區法(sector method)

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若使用軟式磁碟來存取資料時，一般是以磁區為作業單位，磁
片上的每一磁區均有編號。
在磁碟作業系統中，每一檔案均有其檔案控制區(file
control block，FCB)，存著檔案中資料存放在那些磁區的記
錄，即資料的存取是根據磁區編號來定位。此種磁碟的資料結
構稱為磁區法(sector method)。
8-4 磁碟的格式
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磁柱法(cylinder method)
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以磁柱為基準，在存取時，存取臂定位在某一磁軌上，存取臂
上的多個讀寫頭一次讀寫某一面的某一磁軌，這些磁軌即合稱
為磁柱(cylinder)。
一個磁柱讀寫完之後，換到另一磁柱繼續，在這種方式中，資
料是以實體記錄為單位來儲存，在使用磁柱法時。需由程式指
定磁柱編號、磁面編號和記錄編號。
硬式分段
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磁碟片上的磁區。是以固定的指標孔來區分。
8-4 磁碟的格式
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軟式分段(soft-sectoring)
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以軟體程式。將磁碟的每一磁軌分成數個磁區。
在軟式分段的磁碟上，則只有一個指標孔
指標孔上下方有一組光電晶體，和發光二極體組成的檢知裝置，
當磁碟旋轉而使指標孔通過時，即使光電晶體導通，而產生一個
指標脈波，用以表示某一磁軌的資料的起點。
在每一個記錄之前，都有一個特別的識別號碼。
相鄰的記錄間是以間隙(gap)分開的。
8-4 磁碟的格式
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IBM磁碟軌道的四種間隙:
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由於驅動馬達的速度會有輕微的變動，因此必須在一個記錄的
終點。和下一個記錄之間必須留有一段空白的間隙。
如此才不致因驅動馬達速率不穩定。而使一記錄的長度改變，
而影響另一個記錄的資料。
間隙1稱為指標間隙
間隙2為ID間隙
間隙3稱為資料間隙
間隙4為一個磁軌的結束
8-4 磁碟的格式
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間隙1稱為指標間隙。
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出現於每一磁軌的起始位置，即指標脈波出現之後。
它包含20個位元組，前16個位元組均為十六進位數的“FF”，後
四個位元組則是“00”。利用這四個“00”位元組資料做為界標
之用。表示緊接著是一軌資料的開始。
ID1為第一個記錄的識別欄，由五個位元組組成，即ID位址標示
軌道位址、磁區位址。及兩個CRC核對和(check sum)位元組，
軌道位址和磁區位址用以比對是否為所選定的磁軌與磁區，
8-4 磁碟的格式
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間隙二為ID間隙，



用以分隔識別欄與資料欄，
由十個位元組組成，前6個為"FF"。後四個為"00"。其長度可略
為改變，以配合更新後的資料長度。
間隙2之後是第一個記錄(record)或資料欄(data field)

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
使用131個位元組。
第一個位元組為資料，或資料消除的位址標誌。
其後為128位元組的真正資料。最後二位元組為CRC核對和位元組。
8-4 磁碟的格式

間隙3稱為資料間隙。




將第一個記錄結束
使用21個位元組。前17個為“FF．”，後四個為“00”，
錄於磁碟或磁區上的每一個資料錄都是ID、間隙2、資料、間隙
3…等等的順序依次存放。
間隙4為一個磁軌的結束、位於資料結束之後與指標間隙之前
8-5 資料的組織方法

磁碟的記憶容量和磁碟的徑向密度(radial density)和線性
密度(linear density)有關。

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徑向密度：即可規劃的最大的磁軌數。以TPI (track per
inch)為單位
線性密度：即每英吋長度可儲存的容量。以BPI (bytes per
inch)為單位。
磁碟常用的編碼方式
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寫入磁碟的資料。並不是直接將資料寫入磁碟，而事先經
過編碼之後再行寫入，其目的在使讀出的錯誤率減到最小
調頻編碼(FM)。
修正調頻編碼(MFM)。
再修正調頻編碼(F2FM)。
群碼記錄(GCR)，
8-6 磁碟控制器

磁碟控制器

微電腦主記憶中的資料為並列的資料。傳送到磁碟機再經
磁碟機轉為串列資料，並且按照資料組織的方法轉成寫入頭的
電流，送到磁碟的寫頭再寫到磁碟片上，必須經過相當繁複的
轉換工作與精密的定位控制。
磁碟控制器(disk controller)必須負責下列工作:
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(1)讀寫頭的定位。
(2)確定磁碟的磁區位置。
(3)控制驅動馬達以定速轉動。
(4)取入資料供錄寫之用。
(5)指示讀取磁碟資料。
(6)偵錯與改正錯誤。
(7)關閉磁碟不良部份。即做上記錄。
(8)將資料送到界面裝置，以便置於電腦匯流排上。
8-6 磁碟控制器
8-6 磁碟控制器
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DMA控制器
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由於硬碟和CPU之間資料傳輸量非常大，傳統中斷式I/0存取方
式太慢，改用直接記憶體存取(Direct memory access，DMA)
方式存取，
DMA方式使磁碟控制器可以直接和記憶體傳送資料，不須經由
CPU的居中控制，因此速度極快。
為統一磁碟機介面，由各大軟硬體廠商共同制定出ATA傳輸介
面，即AT Attachment介面，規定了硬碟與微電腦連接的規格
通常我們將ATA的傳輸速度加在ATA後面標示，如ATA33表示該
介面支援33MB/sec的資料傳輸速度
IDE (Integrated Drive)指的是硬碟驅動技術的規格

包括腳位、各接腳之定義、電壓準位等．與ATA略有不同，
8-7 錯誤發生的種類
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錯誤發生的種類
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磁碟控制器在讀寫動作進行時。隨時檢查並更正錯誤，錯
誤的發生大致可分為軟式、硬式、尋軌錯誤等數種。
軟式錯誤
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軟式錯誤是因微處理機，或程式的錯誤動作所產生
錯誤發生機率大約是108。或109位元中產生一個。
其錯誤並非因磁碟表面缺陷所產生雜訊或傳輸電流所致。
其錯誤可藉循環冗餘核對碼偵知
透過核對和的觀念，對整個資料段加以核對，即可偵知是否正確
目前以 CRC-l2、OCRC-16、OCRC-CCITT三種最受歡迎
8-7 錯誤發生的種類
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硬式錯誤
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因磁碟表面缺陷所致，其機率約為1011~1012位元中產生一位元的
錯誤。
當偵錯到錯誤時，控制器會再讀十次。若第十次資料仍為錯誤，
表示該錯誤為不可更正的錯誤。
大部份的控制器在多次測知錯誤時，可將該磁區設為壞磁區(bad
sector)而予以關閉。
尋軌錯誤
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尋軌錯誤是指磁頭到達一錯誤的軌位。
控制器比較軌位號碼即知是否尋軌錯誤。
產生軌位錯誤時，可重新由00軌位開始，經軌位修正後到達正確
的軌位。
8-8 硬式磁碟機
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硬式磁碟機
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硬式磁碟機依其磁碟是否可更換分為可替換(removable)和不
可替換(non-removable)兩種。
可替換磁碟可以離線方式儲存程式和資料，一般用於大型電腦
系統，在微電腦系統較少使用。
不可替換磁碟多使用於迷你電腦或微電腦系統中，供線上即時
儲存大量資料用。
硬式磁碟機使用至今已有三十餘年歷史，
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最早於1956年2月lBM發表IBM350型硬式磁碟機，
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使用50片24吋硬式磁碟片，轉速為112Orpm儲存容量為5M位元組
1971年發表3300型。容量為100M位元組，轉速為360Orpm
1974年發表3300改良型，容量為數千M位元組，直徑均為14吋。
8-8 硬式磁碟機
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1978年，IBM發表8吋硬式磁碟機。進入了所謂溫徹斯特磁碟機
(Winchester drlve)的時代，目前微電腦所用的硬式磁碟機幾乎
都是溫徹斯特磁碟機，只是由8吋改為5 1/4吋及3 1/2吋，其容
量在數十MB到數十GB之間。
溫徹斯特硬式磁碟機:
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1.磁碟的讀/寫頭及磁碟傳動的整個機械部份，及磁碟片組在
內都密封起來，只讓過濾的空氣不斷流通。
2.磁碟以高速旋轉，約為360Orpmn，快速旋轉所造成的氣流使
磁頭浮起，和磁碟面之間有一極小空隙(約1.5微米)，磁頭與
磁碟間並無接觸，增加兩者壽命。
3.當驅動器的動力關掉之後，磁頭座一定要停放在磁碟面，因
此磁碟片必須加潤滑保護。
4．磁碟面為一層磁性薄膜。
8-9
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硬式磁碟機規格
硬式磁碟機規格
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1.記憶容量
2.資料傳遞速度：或稱資料傳輸率(data transfer rate) 以
Mbits/sec為單位。愈快愈好。
3.存取時間(access time)
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(1) 尋軌時間(Seeking time)這是磁頭由本磁時
(2)迴轉等待時間：移動到指定磁軌後，等待磁區轉到磁頭下方
需時間。一般以半圈轉動時間為準。
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例如3600rpm=600rps 則等待時間為1/120秒。
RPM (Revolutions Per Minute) 是磁碟機圓盤轉動的週率，它是代
表一分鐘圓盤轉動的圈數。
(3)資料傳輸時間:自開始讀取資料，到傳送給cpu完成所需時間
。一般而言非常短，幾乎可以忽略。
8-9
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硬式磁碟機規格
4.轉速:即磁碟的轉速，早期為360Orpm。現在有 540Orpm、
720Orpm，甚至有150OOrpm者。
5.記錄密度:其值決定同心圓軌道的記錄能力。一般以最內層
軌道為準，以每英吋的位元數(bpi)為單位。
6.軌道密度:以每吋的軌道數(TPI)為單位，主要決定磁碟片半
徑上的軌道解析能力。
7.目前多標示磁頭(head)數即磁面數，磁柱數(cylinder)及磁
區數(Sector)。三者的乘積再乘512Bytes，即為其總儲存容量
8.目前硬碟多支援ATA/33，若是支援ATA-66或者ATA-l00其排
線改為80條。總排線寬度不變，多出的40條線為隔離接地用。
可有效降低雜訊之干擾。
9.信賴性:用以表示該磁碟機的穩定程式和錯誤發生率。
8-9 軟式磁碟機
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軟式磁碟機
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記憶容量較小，功能較弱。讀寫速度與傳輸率均較硬式磁碟機
慢。
依使用磁碟的直徑可分為8吋、5 1/4吋及3 1/2吋三種。
目前以3 1/2吋最為常用。
8吋軟式磁碟機的轉速為360rpm，5 1/4吋和3 1/2吋的轉速均
為30Orpm與硬式磁碟機相較，速度慢了許多，傳輸率也慢了許
多。
讀/寫時，磁頭與磁頭表面接觸。讀/寫完畢磁頭即離開磁碟表
面。因此，在讀寫時。磁頭移到所欲讀/寫磁區時間也較長，
軟式磁碟系統的成本較低，且磁碟片可任意更換。在使用攜帶
方面極為方便，因此，雖有不少缺點，仍然極受歡迎，成為微
電腦的主要輔助儲存裝置。
8-9 軟式磁碟機
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以3.5吋軟式磁碟機
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儲存容量為:512Bytes/磁區×18磁區/磁軌×80磁軌/面×2面=1440KB
目前軟碟機以3.5吋為主，
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使用高密度(2HD)磁碟片，
其徑向密度為135TPI，
每面只用80磁軌，
其資料編碼方式為MFM或M2FM。
轉速為30Orpm。尋軌時間約為12mns，迴轉等待時間約為1OOms
電源方面需要+5V及十12V，消耗功率大約在8W左右。
8-10 ZIP 磁碟機
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ZIP 磁碟機
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由於電腦資料量的增多，傳統1.44MB軟碟機已不敷使用，
Iomega公司推出ZIP磁碟機，有1OOMB和25OMB二種規格，
早期用印表機埠傳輸，目前則有採用USB介面產品
3M推出LMl20，有12OMB/片的容量，可讀寫1.44MB磁片，但速
度較慢，也有廠商推出單匣1.5GB的抽換式磁碟機，價格不菲