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9.外部存储器

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作者 Sa1i3ri 19 分钟阅读

特性：

  • 用于存储不经常使用的、数据量较大的信息
  • 非易失

1. 磁盘存储器

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左边是软盘，现在没人用了。

右边是硬盘，就是现在都在用的机械硬盘。

磁盘是由涂有可磁化材料的非磁性材料（基材）构成的圆形盘片

  • 基材：铝、铝合金、玻璃……
  • 玻璃基材的优势（稳定可靠、为存储更多信息提供基础）
    1. 改善磁膜表面的均匀性，提高磁盘的可靠性
    2. 显著减少整体表面瑕疵，以帮助减少读写错误
    3. 能够支持（磁头）较低的飞行高度
    4. 更高的硬度，使磁盘转动时更加稳定
    5. 更强的抗冲击和抗损伤能力

1.1 结构

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  • 磁盘存储器每个盘片表面有一个读写磁头， 所有磁头通过机械方式固定在一起，同时移动
  • 在任何时候，所有磁头都位于距磁盘中心等距离的磁道上

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图上看起来是磁臂左右平移，但实际上是通过一个轴转动，而移进来的。

1.1.1 磁头

磁头：对盘片进行读写操作的装置。

  1. 磁头必须产生或感应足够大的电磁场，以便正确地读写
  2. 磁头越窄，电磁感应能力越弱，离盘片的距离就越近
  3. 更高的数据密度需要更窄的磁头和更窄的磁道，这将导致更高的出错风险（手写的字越小，一张纸尽量写更多行，那一张纸能写的字也就越多）
  4. 硬盘必须密封（其实以前不需要，就算有灰落在磁盘上，也不会影响读取和写入，因为磁头比较大，不会影响；但是现在很需要，因为现在磁头小，一粒灰就像是大山一样挡在磁头面前）

温彻斯特磁头（Winchester head）

  • 磁头实际上是一个空气动力箔片，当磁盘静止时，它轻轻地停留在盘片的表面上
  • 旋转圆盘时产生的空气压力足以使箔片上升到盘片表面上方

1.2 读写机制

在读或写操作期间，磁头静止，而盘片在其下方旋转。

磁头的数量

  1. 单磁头：读写公用同一个磁头（软盘、早期硬盘）
  2. 双磁头：使用一个单独的磁头进行读取（当代硬盘）

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1.2.1 写入机制

高中物理哦，电磁感应，虽然我早就还给老师了。

  1. 电流脉冲被发送到写入磁头
  2. 变化的电流激发出磁场
  3. 产生的磁性图案被记录在下面的盘片表面上
  4. 反转电流方向，则记录介质上的磁化方向也会反转

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1.2.2 读取机制

高中物理：V=IR

  1. 读取磁头是由一个部分屏蔽的磁阻（MR）敏感器组成，其电阻取决于在其下移动的介质的磁化方向
  2. 恒定电流通过MR敏感器时，通过电压信号检测其电阻变化
  3. MR敏感器允许更高频率的操作，实现更高的存储密度和更快的操作速度

也就是给恒定电流，通过检测电压来读取。

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注意：读比写更快。因为电压的改变是被动的，检测到底下电阻改变自然就会变。但是改变电流方向是主动的。

1.3 数据组织

  1. 盘片上的数据组织呈现为一组同心圆环，称为磁道（track）

  2. 数据以扇区（sector）的形式传输到磁盘或从传出磁盘

    • 默认值为512B（考试的时候没给的话，那就是512B）

    • 是不是注意到了，最内侧的扇区面积比最外侧的磁道面积小这么多，但是扇区的容量确实一样的，说明越靠外侧，扇区浪费的空间越大。

  3. 相邻磁道之间有间隙（gap），相邻的扇区之间也留有间隙
  4. 磁道编号从外往里递增（0~N），磁头静止时停在磁道0外侧
  5. 所有盘片上处于相同的相对位置的一组磁道被称为柱面(cylinder)

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1.3.1 恒定角速度

  • 增大记录在盘片区域上的信息位的间隔， 使得磁盘能够以恒定的速度扫描信息， 即恒定的数据传输率
  • 优点：能以磁道号和扇区号直接寻址各个数据块
  • 缺点：磁盘存储容量受到了最内层磁道所能实现的最大记录密度的限制（如上所述）

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1.3.2 多带式记录 / 多重区域记录

  • 将磁盘上的所有磁道划分为多个区域，每个区域中各磁道的扇区数量是相同的，距离中心较远的分区包含的扇区数多于距离中心较近的分区
  • 优点：提升存储容量
  • 缺点：需要更复杂的电路

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上图中，这不是一个磁道，而是包含多个磁道的区域

1.4 扇区的格式和格式化

1.4.1 扇区的格式

磁道必须有一些起始点和辨别每个扇区起点及终点的方法

扇区的格式：

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像这样就可以在磁道上划分出一个个扇区。

1.4.2 格式化

  1. 低级格式化/物理格式化：创建硬盘扇区（sector）使硬盘具备存储能力的操作（和操作系统无关的格式化，物理级的格式化，从无到有的过程）
    • 完全清除了数据
    • 有损：对硬盘寿命有影响
    • 建议场景：硬盘受到物理性损伤
  2. 高级格式化/逻辑格式化：根据用户选定的文件系统，在磁盘的特定区域写入特定数据， 以达到初始化磁盘或磁盘分区、清除原磁盘或磁盘分区中所有文件的一个操作。（一般重装系统时都是⾼级格式化）
    • 快速格式化：会删除目标磁盘上原有的文件分配表和根目录，不检测坏道， 不备份数据，它格式化的速度很快，但不是很稳定。
    • 一般/完全格式化：会清除目标磁盘上的所有的数据。重新生成引导信息、 初始化文件分配表、标注逻辑坏道，一样不备份数据。

1.5 I/O访问时间

  1. 寻道时间（seek time）：磁头定位到所需移动到的磁道所花费的时间

    • 初始启动时间，跨越若干磁道所用的时间

  2. 旋转延迟（rotational delay）：等待响应扇区的起始处到达磁头所需的时间（磁头不动，等盘转过来）

    • 平均是磁道旋转半周所需的时间

  3. 传送时间（transfer time）：数据传输所需的时间

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  4. 平均访问时间：

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    1/2r 是平均旋转延迟

  5. 当连续访问多个相邻的磁道时，跨越磁道：

    • 对于每个磁道都需要考虑旋转延迟
    • 通常只需要考虑第一个磁道的寻道时间(顺序移到下一个磁道的耗时是非常少的)，但在明确知道跨越每个磁道需要的时间时需要考虑

1.5.1 示例

注：1ms = 0.001s = 10^-3^s

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平均旋转延迟: 15000 rpm / 60 / 2 = 250 rps / 2 = 4 * 10^-3^ spr /2 = 2 ms

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所以最好的情况是，需要读取的数据全部都顺序组织。因而，需要有磁盘整理，把分散的数据放到连续的磁盘空间中。

1.6 磁头寻道/磁盘调度

目标：当有多个访问磁盘任务时，使得平均寻道时间最小

1.6.1 先来先服务（FCFS）

按照请求访问磁盘的先后次序进行处理

  • 优点：公平简单
  • 缺点：如果有大量访问磁盘的任务，且请求访问的磁道很分散，则性 能上很差，寻道时间长

示例：假设磁头的初始位置是100号磁道，有多个任务先后陆续的请求访问55，58，39，18，90，160，150，38，184号磁道

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1.6.2 最短寻道时间优先（SSTF）

优先处理起始位置与当前磁头位置最近的读写任务

  • 优点：每次的寻道时间最短（局部最优），平均寻道时间缩短
  • 缺点：可能产生饥饿现象，尤其是位于两端的磁道请求

示例：假设磁头的初始位置是100号磁道，有多个任务先后陆续的请求访问55，58，39，18，90，160，150，38，184号磁道

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1.6.3 扫描/电梯（SCAN）

总是按照一个方向进行磁盘调度，直到该方向上的边缘，然后改变方向

  • 优点：性能较好，平均寻道时间短，不会产生饥饿现象
  • 缺点：只有到最边上的磁道才能改变磁头的移动方向，对于各个位置磁道响应频率不平均

示例：假设磁头的初始位置是100号磁道，有多个任务先后陆续的请求访问55，58，39，18，90，160，150，38，184号磁道

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1.6.4 循环扫描（C-SCAN）

只有磁头朝某个方向移动时才会响应请求，移动到边缘后立即让磁头返回起点，返回途中不做任何处理

  • 优点：与SCAN算法相比，对于各位置磁道的响应频率平均
  • 缺点：与SCAN算法相比，平均寻道时间更长

示例：假设磁头的初始位置是100号磁道，有多个任务先后陆续的请求访问55，58，39，18，90，160，150，38，184号磁道

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1.6.5 LOOK

SCAN算法的升级，只要磁头移动方向上不再有请求就立即改变磁头的方向

示例：假设磁头的初始位置是100号磁道，有多个任务先后陆续的请求访问55，58，39，18，90，160，150，38，184号磁道

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1.6.6 C-LOOK

C-SCAN算法的改进，只要在磁头移动方向上不再有请求，就立即让磁头返回起点，返回途中不做任何处理

示例：假设磁头的初始位置是100号磁道，有多个任务先后陆续的请求访问55，58，39，18，90，160，150，38，184号磁道

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2. 光存储器

2.1 CD和CD-ROM

光盘（Compact disk，CD）

光盘只读存储器（CD read-only memory，CD-ROM）

CD和CD-ROM采用类似的技术，但CD-ROM更加耐用且有纠错功能

2.1.1 制造方法

  1. 用精密聚焦的高强度激光束制造一个母盘
  2. 以母盘作为模板压印出聚碳酸酯的复制品
  3. 在凹坑表面上镀上一层高反射材料
  4. 使用丙烯酸树脂保护高反射材料
  5. 在丙烯酸树脂层上用丝网印刷术印制标签

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2.1.2 读取

通过安装在光盘播放器或驱动装置内的低强度激光束从CD或CD-ROM处读取信息

  • 如果激光束照在凹坑（pit）上，由于凹坑表面有些不平，因此光被散射，反射回低强度的激光
  • 如果激光束照在台（land）上，台的表面光滑平坦，反射回来的是高强度的激光
  • 盘片上包含一条单螺旋的轨道，轨道上的所有扇区长度相同
    • 盘片以变速旋转
    • 凹坑被激光以恒定线速度读出

2.1.3 优缺点

  • 优点
    • 存储有信息的光盘可以廉价地进行大规模复制
  • 缺点
    • 它是只读的，不能更改
    • 其存取时间比磁盘存储器长得多

2.2 CD-R和CD-RW

可刻录光盘（CD recordable，CD-R）

可重写光盘（CD rewritable，CD-RW）

  • CD-R
    • 包含了一个染色层，用于改变反射率，并且由高强度激光激活
    • 生成的盘既能在 CD-R 驱动器上也能在 CD-ROM 驱动器上读出
  • CD-RW
    • 使用了一种在两种不同相位状态下有两种显著不同反射率的材料，激光束能改变这种材料的相位状态
    • 材料老化最终会永久失去相位可变的特性，当前的材料可用于50万次到 100万次的擦除

2.3 DVD

数字多功能光盘（Digital Versatile Disk)

  • DVD vs. CD
    1. DVD 上的位组装更紧密：光道间隙，凹坑间距（容量达到4.7GB）
    2. DVD 采用双层结构：设有半反射层，可以通过调整焦距读取每一层 （容量达到8.5GB）
    3. DVD-ROM 可以用两面记录数据（容量达到17GB）

  • DVD-R和DVD-RW

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3. 磁带

使用与磁盘类似的记录和读取技术

介质是柔韧的聚酯薄膜带，外涂磁性材料

3.1 读取

磁带：顺序读取（sequential-access）（和磁盘不一样，磁盘可以直接读取）

并行记录 vs. 串行记录（蛇形记录）：

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4. U盘和固态硬盘（SSD）

  • U盘
    • 采用了快闪存储器，属于非易失性半导体存储器
    • 相比于软盘和光盘：体积小，容量大，携带方便，寿命长达数年
  • 固态硬盘
    • 与U盘没有本质区别：容量更大，存储性能更好
    • 与硬盘相比：抗振性好，无噪声，能耗低，发热量低
大二上, 计算机组织结构
课内笔记 大二上 计算机组织结构
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