磁盘驱动读取系统频域性能综合分析

磁盘驱动读取系统

主要内容

一、课题背景简介 二、磁盘驱动读取系统模型

一、课题背景简介

磁盘可以方便有效的存储信息。磁盘驱动 器则广泛用于从便携式计算机到大型计算 机等各类计算机中。 现代的磁盘在每厘米宽度内有多达5000个 磁道，每个磁道的宽度仅为1μm,磁盘驱动 系统对磁头的定位精度要求很高。磁头滑片 转轴 臂的转动 支撑臂

磁道a 激励电机 磁道b

图1 磁盘驱动器结构示意图

1.磁盘磁头安装结构

磁头安装在一个与手臂相连的簧片上，它 读取磁盘上各点处不同的磁通量并将信号 提供给放大器，簧片(弹性金属制成)保 证磁头以小于100nm的间隙悬浮于磁盘之 上(如图2)。电机 电机

手臂 手臂

图2 磁头安装结构图

簧片 簧片

磁头 磁头

2.磁盘控制系统原理图

磁盘驱动器读取装置的目标是要将磁头准 确定位，以便正确读取磁盘磁道上的信息。 要精确控制的变量是磁头(安装在一个滑 动簧片上)的位置。磁盘旋转速度在1800 转/分和7200转/分之间，磁头在磁盘上方 不到100nm的地方“飞行”,位置精度指 标初步定为 1μm;如有可能，我们还要进 一步做到使磁头由磁道a移动到磁道b的时 间小于50ms。

至此，我们可以给出图3所示的初步的系统 结构，该闭环系统利

磁盘驱动读取系统

主要内容

一、课题背景简介 二、磁盘驱动读取系统模型

一、课题背景简介

磁盘可以方便有效的存储信息。磁盘驱动 器则广泛用于从便携式计算机到大型计算 机等各类计算机中。 现代的磁盘在每厘米宽度内有多达5000个 磁道，每个磁道的宽度仅为1μm,磁盘驱动 系统对磁头的定位精度要求很高。磁头滑片 转轴 臂的转动 支撑臂

磁道a 激励电机 磁道b

图1 磁盘驱动器结构示意图

1.磁盘磁头安装结构

磁头安装在一个与手臂相连的簧片上，它 读取磁盘上各点处不同的磁通量并将信号 提供给放大器，簧片(弹性金属制成)保 证磁头以小于100nm的间隙悬浮于磁盘之 上(如图2)。电机 电机

手臂 手臂

图2 磁头安装结构图

簧片 簧片

磁头 磁头

2.磁盘控制系统原理图

磁盘驱动器读取装置的目标是要将磁头准 确定位，以便正确读取磁盘磁道上的信息。 要精确控制的变量是磁头(安装在一个滑 动簧片上)的位置。磁盘旋转速度在1800 转/分和7200转/分之间，磁头在磁盘上方 不到100nm的地方“飞行”,位置精度指 标初步定为 1μm;如有可能，我们还要进 一步做到使磁头由磁道a移动到磁道b的时 间小于50ms。

至此，我们可以给出图3所示的初步的系统 结构，该闭环系统利

操作系统课程设计

题 目： 磁盘驱动调度算法模拟

班 级: 姓 名： 学 号： 指导教师: 成 绩:

2014年6月

操作系统课程设计

一、课程设计目标

1．进一步加深对磁盘驱动调度算法的理解。

2．编程实现“先来先服务”、“最短寻道时间优先”、“电梯调度”、“循环扫描”算法。

二、课题内容

1．假设一个磁盘具有4个盘片，每个盘片有100个磁道，每道有8个扇区，模拟格式化时对柱面和扇区进行编号的过程。

2．设计若干磁道访问请求，要求用户输入线性块号，系统能将其转换为对应的磁道号（柱面号），并计算出分别采用“先来先服务”、“最短寻道时间优先”、“电梯调度”、“循环扫描”算法的寻道总长度。

3．提供可视化且简洁清晰的用户界面，能直观且动态地描述磁头移动。

三、设计思路

（一）系统概要设计 1.整体模块设计图

《信号与系统》课程研究性学习手册

信号的频域分析专题研讨

【目的】

(1) 建立工程应用中有效带宽的概念，了解有限次谐波合成信号及吉伯斯现象。

(2) 掌握带限信号，带通信号、未知信号等不同特性的连续时间信号的抽样，以及抽样过程中的参数选择与确定。认识混叠误差，以及减小混叠误差的措施。

(3) 加深对信号频域分析基本原理和方法的理解。

(4) 锻炼学生综合利用所学理论和技术，分析与解决实际问题的能力。 【研讨内容】——基础题 题目1：吉伯斯现象 (1)以(C02?2?n?1Cn)/P?0.90定义信号的有效带宽，试确定下图所示信号的有效带宽N?0，

N2取A=1，T=2。

(2)画出有效带宽内有限项谐波合成的近似波形，并对结果加以讨论和比较。 (3)增加谐波的项数，观察其合成的近似波形，并对结果加以讨论和比较。

x(t)A/2tAx(t)?T0?T0/2?A/2T0/2T0?T0T0/2T0t(a) 周期矩形信号 (b) 周期三角波信号

【知识点】

连续周期信号的频域分析，有效带宽，吉伯斯现象

【信号频谱及有效带宽计算】

（a） 周期矩形信号

利用连续Fourier级数的时移特性，以

第五章 连续时间系统的复频域分析

皮埃尔·西蒙·拉普拉斯是法国数学家和天文学家。拉普拉斯变换是一种积分变换，它把时域中的常数线性微分方程变换为复频域中的常系数线性代数方程。

复频域分析是分析LTI系统的有效工具。与傅氏变换分析法相比，它可以扩大信号变换的范围，而且求解比较简便，因而应用更为广泛。一些不存在傅里叶变换的时间函数，其拉普拉斯变换却存在，这在一定程度上弥补了傅里叶变换的不足，使得拉普拉斯变换更有生命力。

本章首先从傅里叶变换中导出拉普拉斯变换，把频域扩展为复频域，将拉普拉斯变换理解为广义的傅氏变换，对拉氏变换给出一定的物理解释。然后讨论拉氏正、反变换以及拉氏变换的一些基本性质，并以此为基础，着重讨论线性系统的拉氏变换分析法。最后介绍双边拉普拉斯变换、线性系统的模拟和信号流图。

5.1拉普拉斯变换

在前面章节的讨论中，可以看到，信号既可用时域表示，也可用傅里叶变换的频域表示，但并不是所有的时域信号都可以有对应的频域信号。事实上有许多信号，如阶跃信号??t?、单边斜坡信号t??t?、单边正弦信号sint??t?等等，它们不满足绝对可积的条件，因而不能直接得到其傅里叶变换表达式。虽然借助于广义函数仍可求得它们的傅里叶变换，但同时也增加

第五章 线性系统的频域分析法

5-1 什么是系统的频率响应？什么是幅频特性？什么是相频特性？什么是频率特性？ 答 对于稳定的线性系统，当输入信号为正弦信号时，系统的稳态输出仍为同频率的正弦信号，只是幅值和相位发生了改变，如图5-1所示，称这种过程为系统的频率响应。

图5-1 问5-1图

称为系统的幅频特性，它是频率

的函数：

的函数； 称为

称为系统的频率特

系统的相频特性，它是频率

性。

稳定系统的频率特性可通过实验的方法确定。 5-2 频率特性与传递函数的关系是什么？试证明之。 证 若系统的传递函数为s用

代替。证明如下。

，则相应系统的频率特性为

，即将传递函数中的

假设系统传递函数为：

输入 时，

经拉氏反变换，有： 稳态后，则有： 其中：

将

与 写成指数形式：

则： 与输入

比较得：

幅频特性 所以

相频特性

是频率特性函数。

5-3 频率特性的几何表示有几种方法？简述每种表示方法的基本含义。 答 频率特性的几何表示一般有3种方法。

⑴幅相频率特性曲线（奈奎斯特曲线或极坐标图）。它以频率 为参变量

实验4：连续系统的频域分析

一、实验目的

（1）掌握连续时间信号的傅里叶变换和傅里叶逆变换的实现方法。

（2）掌握傅里叶变换的数值计算方法和绘制信号频谱的方法。

二、实验原理

1.周期信号的分解

根据傅里叶级数的原理，任何周期信号都可以分解为三角级数的组合——称为

()f t 的傅里叶级数。在误差确定的前提下，可以由一组三角函数的有限项叠加而得到。 例如一个方波信号可以分解为：

11114111()sin sin 3sin 5sin 7357E f t t t t t ωωωωπ??=++++ ???

合成波形所包含的谐波分量越多，除间断点附近外，它越接近于原波形，在间断点附近，即使合成的波形所含谐波次数足够多，也任存在约

9%的偏差，这就是吉布

斯现象（Gibbs ）。

2.连续时间信号傅里叶变换的数值计算

由傅里叶变换的公式： 0()()lim ()j t j n n F j f t e dt f n e ωωττωττ∞∞---∞→=-∞==∑?

当()f t 为时限信号时，上式中的n 取值可以认为是有限项N ，则有：

()(),0k N

j n n F k f n e k N ωτττ-==≤≤∑，其中2k k N πωτ

=

3.系统的频率特性 连续LTI 系统的频率

控制系统时域与频域性能指标的联系

经典控制理论中，系统分析与校正方法一般有时域法、复域法、频域法。时域响应法是一种直接法，它以传递函数为系统的数学模型，以拉氏变换为数学工具，直接可以求出变量的解析解。这种方法虽然直观，分析时域性能十分有用，但是方法的应用需要两个前提，一是必须已知控制系统的闭环传递函数，另外系统的阶次不能很高。

如果系统的开环传递函数未知，或者系统的阶次较高，就需采用频域分析法。频域分析法不仅是一种通过开环传递函数研究系统闭环传递函数性能的分析方法，而且当系统的数学模型未知时，还可以通过实验的方法建立。此外，大量丰富的图形方法使得频域分析法分析高阶系统时，分析的复杂性并不随阶次的增加而显著增加。

在进行控制系统分析时，可以根据实际情况，针对不同数学模型选用最简洁、最合适的方法，从而使用相应的分析方法，达到预期的实验目的。

系统的时域性能指标与频域性能指标有着很大的关系，研究其内在联系在工程中有着很大的意义。

一、系统的时域性能指标

延迟时间上升时间

tttd 阶跃响应第一次达到终值h(?)的50%所需的时间

阶跃响应从终值的10%上升到终值的90%所需的时间；对有振荡的系

r统，也可定义为从0到第一次达到终值所需的时间

2007 年 9 月 06 日

了解如何在创建您的逻辑卷之前使用合适的磁盘布置以提高磁盘性能。本系列文章的第 2 部分（请参见参考资料）关注于监视逻辑卷，以及用于分析结果的命令和实用工具（iostat、lvmstat、lslv、lspv 和 lsvg）。 关于本系列

本系列教程共有三篇文章（请参见参考资料），介绍了 AIX? 磁盘和 I/O 子系统，重点关注于在优化磁盘 I/O 性能时的各种挑战。尽管磁盘优化很可能没有 CPU 或者内存优化那么激动人心，但它是优化服务器性能的关键部分。事实上，其中部分原因是因为磁盘 I/O 是最薄弱的子系统环节，与任何其他子系统相比，您可以执行更多的操作以提高磁盘 I/O 性能。 引言

与其他子系统的优化工作不同，实际上在构建系统的体系结构设计阶段就应该开始进行磁盘 I/O 优化。尽管存在一些 I/O 优化参数的虚拟内存等价项（ioo 和 lvmo），但是提高磁盘 I/O 性能的最佳方法是正确地配置您的系统，而不是优化相关的参数。与虚拟内存优化不同，在创建了逻辑卷并开始运行之后，要更改它们的组织结构会变得更加复杂，所以您通常只有一次机会正确地完成这项任务。本文讨论了配置逻辑卷的方式，以及相对于物理磁盘应该将它

连续时间系统的复频域分析

一、 实验目的

1.深刻理解和掌握拉普拉斯变换的运算方法和其性质。

2.熟练掌握利用部分分式展开的方法求解拉普拉斯逆变换，并能用MATLAB实现。

3.掌握复频域系统函数H(s)的意义，并能够熟练画出其频谱。

4.掌握利用复频域系统函数H(s)的零、极点分布对连续时间系统进行复频域分析的原理和方法。 二、 实验内容 1. 拉普拉斯变换

F(s)??????f(t)e?stdt (1)

s???j?

MATLAB实现：F=laplace(f) f=ilaplace(F)——F和f都是符号函数。 5-1 用laplace和ilaplace求：

(1) f(t)?e-2tcos(at)u(t)的拉普拉斯变换 (2) F(s)?1的拉普拉斯逆变换

(s?1)(s?2)(1)clc clear syms a t;

F=laplace(exp(-2*t)*cos(a*t))

F=(s+2)/(s^2+4*s+4+a^2) (2)

clc clear syms s

F=1/[(s+1)*(s+2)]; f=ilaplace(F);

f=exp(-t)-exp(-2*t)