【XJTUSE 计算机组成与结构笔记】第六章 外存
文章目录
- 第六章 外存
- KEY POINTS
- 6.1 磁盘
- 6.1.1 磁读写机制
- 6.1.2 数据组织和格式化data organization and formatting
- 6.1.3 物理特性
- 6.1.4 性能指标
- 1、seek time寻道时间
- 2、rotational delay旋转延迟
- 3、transfer time传送时间
- 6.2 Solid State Drives固态硬盘
- 6.3 光存储器
- 6.3.1 光盘
- CD-ROM
- WORM-CD
- 可擦写光盘
- 6.3.2 数字多功能光盘
- 6.4 磁带
第六章 外存
KEY POINTS
1、磁盘数据的组织、如何布局、物理特性以及如何分类，特别注意温切斯特磁盘
2、对于多层磁盘，最上面和最下面的不能存数据，要会计算磁盘容量
3、磁盘的性能参数计算：寻道时间、旋转延迟、传送时间、总的存取时间（os考过）
4、固态盘的定义，与机械盘相比的优势，内部组成、存在的问题、解决方法
5、光盘、光盘的分类、各自的不同、光盘数据组织的一般形式
6、磁带知道存取方式就行
外存的类型：
磁盘
硬盘+软盘
RAID：独立磁盘的冗余阵列
可拆卸硬盘
光学的
光盘
DVD：数字视频盘
磁带
6.1 磁盘
磁盘是一种由非磁性材料制成称为衬底的圆盘，其上涂有一层磁性材料。传统上，衬底- -直使用铝或铝合金材料，而最近，已推出玻璃衬底。运行时磁盘在动，磁头固定。
6.1.1 磁读写机制
数据的记录和读写都是通过磁头的导电线圈进行的。多数系统使用两个磁头，读磁头，写磁头。
写机制
6.1.2 数据组织和格式化data organization and formatting
同心圆环/磁道
一个圆环就是一个磁道track，每个磁道和磁头同宽
防止磁干扰，磁道与磁道之间有间隙gap
要尽量减小gap来增加容量
每一个磁道存储相同位的数据
数据密度不同
数据以扇区(sector) 为单位传入或传出磁盘(如图6-2所示)。每个磁道通常有数百个扇区，其长度可固定也可变化。当前，大多数系统使用固定长度的扇区，512字节几乎是通用的扇区大小。为避免对系统提出不合理的定位精度要求，相邻扇区也留有间隙。
磁盘布局的方法
1️⃣ CAV(恒定角速度)
缺点：外围的长磁道上存储数据需要与内圈的短磁道所存数据一样多，容量会受限制
2️⃣ 多带式记录
越远扇区越多——能存储更多的数据
角速度会变
需要附加数据来记录磁道和扇区的位置信息
6.1.3 物理特性
固定/可移动(fixed/moveable)
可移动/不可移动(removable/nonremovable): 通常不可取出
双面/单面
某些磁盘驱动器内**垂直安装多个盘片,**一般最上面和最下面是不放数据的
磁头机制
接触(软盘)
固定间隙
空气动压气隙: 旋转以后由于浮力,磁头轻轻上升——应用最广泛
磁盘系统的组成：磁盘驱动器、磁盘控制器(和CPU的交互)、磁盘
6.1.4 性能指标
磁盘I/0操作的实际细节取决于计算机系统、操作系统、I/0通道特性和磁盘控制器硬件。
下图给出了一个常规的磁盘I/0传送时序图。
1、seek time寻道时间
寻道时间指的是移动磁盘臂所要求的磁道处所花费的时间
跨越时间不是线性的，还包括一个校正时间
2、rotational delay旋转延迟
这个是可估计的，磁盘恒定速率旋转
平均访问延迟：磁盘转半圈所用的时间
转速度量单位是转/分钟
3、transfer time传送时间
决定因素：传送文件的大小；旋转速度
公式：T=brNT=\frac{b}{rN}T=rNb
T：传送时间 b：传送的字节数 N：每磁道的字节数 r：旋转速率，单位是转/秒
总的平均访问时间位：
Ta=Ts+12r+brNT_a = T_s + \frac{1}{2r}+\frac{b}{rN} Ta=Ts+2r1+rNb
TsT_sTs是平均寻道时间
举例：一张转速为15000转/分、平均寻道时间为4ms、512B/扇区、500扇区/磁道的磁盘，假设我们希望读取一个总大小为1.28MB、由2500个扇区组成的文件，估计访问的总时间。
情况1：序列组织。
情况2：数据随机分布
6.2 Solid State Drives固态硬盘
固态硬盘 （SSD） 是一种由固态组件制成的内存设备，可用于替代机械硬盘 （HDD）， 固态一词是指用半导体制造的电子电路
SSD现在使用的半导体存储器是闪存flash
跟机械硬盘相比，SSD具有以下优点：
每秒高性能输入\输出操作IOPS
耐久性、寿命长
降低功耗，更安静
较低的访问时间和延迟率
缓冲越大，性能越好
重要文件最好还是存在机械硬盘中，容易恢复
SSD特有的两个实际问题
1️⃣ SSD性能在使用设备时有减速的趋势
必须从闪存中读取整个块，并放置在 RAM 缓冲器中
在将块写回闪存之前，必须擦除整个闪存块
缓冲器的整个块现在被写回闪存 ，书写变慢
解决方案：设置预留空间overprovisioning和擦除命令trim command
2️⃣ 在写一定数量的字后，闪存变得无法使用
延长寿命的技术：
前端闪存，带有缓存以延迟和组写操作
使用均匀分布的磨损调平算法，在块之间写字
坏块管理技术
大多数闪存设备估计自己的剩余寿命，以便系统可以预测故障并采取先发制人的行动
6.3 光存储器
6.3.1 光盘
CD-ROM
盘本体由树脂（聚碳酸酯）制成，信息以一系列微凹坑方式刻录在表面，通过激光反射光强变化来识别。
等线速度，螺旋型存储
CD-ROM比CD能力强，CD只能存音频，CD-ROM具有纠错机制，可以存程序。
也是以扇区作为传输单位
访问较困难
WORM-CD
写一次，读多次
是通过爆裂泡编写的
恒定角速度
可擦写光盘
可以反复书写和重写
驱动程序可以发出两种激光，一种是强激光，可以改变用于书写的相位，另一种是弱激光，用于读取
6.3.2 数字多功能光盘
DVD：容量很大，是光盘的7倍
波长更短，坑更小
6.4 磁带
磁带系统使用与磁盘系统相同的读取和记录技术，以块读取和书写
非常便宜，用于备份和存档
磁带驱动器是一种顺序存取设备
磁盘驱动器是一种直接存取设备
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