10-外部存储器

特性
- 储存不经常使用、数据量较大的信息
- 非易失

磁盘存储器

磁盘：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
  - 改善磁膜表面的均匀性，提高磁盘的可靠性
  - 显著减少整体表面瑕疵，以帮助减少读写错误
  - 能够支持（磁头）较低的飞行高度
  - 更高的硬度，使磁盘转动时更加稳定
  - 更强的抗冲击和抗损伤能力
软盘&硬盘

硬盘

结构

盘片

多层盘面

磁头

对盘片进行读写操作
每个盘面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，与磁盘中心等距
磁头必须产生或感应足够大的电磁场，以便正确地读写
磁头越窄，离盘片的距离就越近
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
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

读写机制

读写期间磁头静止、盘片旋转
磁头数量
- 单磁头：读写公用，软盘/早期硬盘
- 双磁头：使用单独的磁头读取，当代硬盘
写入
- 电流脉冲被发送到写入磁头
- 变化的电流激发出磁场
- 产生的磁性图案记录在盘片表面
- 反转电流方向，记录介质上的磁化方向也会反转
读取
- 读取磁头：磁阻（MR）敏感器，电阻取决于在其下移动的介质磁化方向
- 电流通过MR敏感器时，通过电压信号检测其电阻变化
- MR敏感器允许更高频率的操作，实现更高的储存密度和更快的操作速度

数据组织

磁道：盘片上的数据组织呈现为同心圆环
扇区：存取512B用户数据，数据以扇区的形式传入/出磁盘
相邻磁道、扇区之间留有间隙
柱面：盘片上位于相同的相对位置的一组磁道

CAV Constant Angular Velocity 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
优点：能以磁道号和扇区号直接寻址
缺点：容量受最内层磁道限制，外层浪费空间大

Multiple Zone Recording 多带式记录

外层的同心圆的磁道数量多余内层数量
优点：提升储存容量
缺点：需要更复杂的电路

格式化

磁道必须有一些起始点和辨别每个扇区起点终点的方法
格式化时，会附有仅被磁盘使用、不被用户存取的额外数据

物理扇区

Gap：缓冲，防止过去

Gap1

ID域

Gap2

数据域

间隙

515

ID域

同步字节：提示即将到达新的数据区域

同步字节

道号

头号

扇号

CRC

数据域

同步字节

数据

CRC

512

I/O访问时间

寻道时间 Seek Time：初始启动时间，磁头定位到磁道所需时间
旋转延迟 Rotational Delay：等待相应扇区的起始处到达磁头所需时间，平均为磁道旋转半周所需的时间
传送时间 Transfer Time：数据传输所需的时间
平均访问时间： $T_a=T_s+\frac{1}{2r}+\frac{b}{rN}$
- $b$ ：传送的字节数， $r$ ：旋转速率，转/秒， $N$ ：每磁道的字节数（扇区数和扇区字节数之积）
- $T_s$ 平均寻道时间
- $\frac{1}{2r}$ 平均旋转延迟
- $\frac{b}{rN}$ 实际传送时间若有数据传输率的数值直接用数据传输率来算 $\frac{b}{N}$ 可以是传输/磁道的扇区数的比值，也可以是数据大小的比值
- 要将转速转换为rps：15000rpm=250rps
读取多个相邻磁道，只需考虑1次寻道时间，每个磁道都需考虑旋转延迟

例：某个硬盘的平均寻道时间为4ms，转速为15000rpm，每磁道500扇区，每扇区512B，现读取一个由2500个扇区组成的文件

顺序组织： $T=4 \cdot 10^{-3}+5\cdot \left(\frac{1}{2 \cdot 250}+\frac{512 \cdot 500}{250 \cdot 512 \cdot 500}\right)=0.034 s$
随机存取： $T=2500 \cdot \left( 4 \cdot 10^{-3}+\frac{1}{2 \cdot 250}+\frac{512}{250 \cdot 512 \cdot 500}\right)=15.02s$
因此有了磁盘整理将碎片数据重新顺序排列

磁头寻道/磁盘调度

目标：有多个磁盘访问任务时，平均寻道时间最小

例：磁头目前位于100号磁道需要访问55，58，39，18，90，160，150，38，184号磁道，磁盘边界为 $[0,200]$

FCFS First Come First Service 先来先服务

按请求顺序寻道
优点：公平简单
缺点：请求磁道分散时耗时长
上例中，需移动 $|100-55|+|55-58|+|58-39|+...+|150-38|+|38-184|=498$ ，平均寻道长度 $55.3$ 个磁道

SSTF Shortest Seek Time First 最短寻道时间优先

优先处理离当前位置最近的寻道任务，类似贪心
优点：局部最优，平均寻道时间缩短
缺点：产生”饥饿“现象，两端的磁道请求可能会长时间等待
上例中，需移动 $|100-90|+|90-58|+...+|38-18|+|18-150|+|150-160|+|160-184|=|100-18|+|184-18|=248$ ，平均寻道长度 $27.5$ 个磁道

SCAN 扫描/电梯

总是按照一个方向调度，在终点折返
优点：性能较好、不产生饥饿现象
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（某几根磁道的数据可能频繁访问，错过后要等折返回来）
上例中，需移动 $|100-200|+|200-18|=282$ ，平均寻道长度 $31.3$ 个磁道

C-SCAN 循环扫描

只有磁头朝1个方向时响应请求，移到终点后立刻返回起点，返回途中不处理数据
优点：对于磁道响应频率更平均
缺点：平均寻道时间更长
上例中，需移动 $|100-200|+|200-0|+|0-90|=390$ ，平均寻道长度 $43.3$ 个磁道

LOOK

基于SCAN算法，前方无请求就换向
上例中，需移动 $|100-184|+|184-18|=250$ ，平均寻道长度 $27.8$ 个磁道

C-LOOK

基于C-SCAN算法，前方无请求就回最远的请求点
上例中，需移动 $|100-184|+|184-18|+|90-18|=322$ ，平均寻道长度 $35.8$ 个磁道

光存储器

CD

CD：Compact Disk 光盘
CD-ROM：光盘只读存储器，较CD更耐用且有纠错功能
优点：
- 可更换
- 大规模复制方便
缺点：
- 只读
- 存取时间长
CD-R：可刻录CD
- 包含染色层，用于改变反射率，并且由高强度激光激活
- 可用适当强度的激光改变染色层，写入一次
- 生成的盘兼容CD-ROM驱动器
CD-RW：可刻录光盘
- 使用在两种不同相位状态下拥有两种显著不同反射率的材料，激光束能改变材料的相位状态
- 材料会老化，支持50万-100万次擦除

读取

通过播放器/光驱中的低强度激光束读取信息
- 照在凹坑pit上，因表面不平散射，返回低强度的激光
- 照在台land上，表面平坦，返回高强度的激光
盘片上包含一条单螺旋的轨道，轨道上所有扇区角度相同
盘片旋转角速度变化，使读取凹坑的线速度恒定

DVD

位组装更紧密：光道间隙凹坑间距 4.7GB
双层结构：设有半反射层，通过调整焦距读取配一层 8.5GB
DVD-ROM：双面记录数据 17GB
同样有DVD-R DVD-RW
高清晰视频光盘（蓝光DVD）使用更短波长的激光（蓝-紫光）实现更高的位密度 25GB

磁带

使用与磁盘类似的记录和读取技术
记录：以柔韧的聚酯薄膜作介质，外涂磁性材料
读取：顺序读取，要读N必须从1读到N-1（相较于磁盘的直接存取）
记录方式
- 并行记录：把1位分成8个bit记录在8根磁道上，第9根磁道作奇偶校验
- 串行记录：数据以位为单位存放在磁道上（蛇形记录，当前使用较多）
- 同时读写多磁道：依然是串行，以块为单位存在不同磁道上，磁头同时读取多磁道，效率更高

U盘/固态

使用闪存，非易失性半导体存储器
U盘：体积小、容量大、携带方便、寿命长
固态硬盘：较U盘容量更大，性能更高
较磁盘抗振性好，无噪声，能耗低，发热量低

上一页09-Cache 下一页11-RAID

最后更新于19天前

10-外部存储器

特性
- 储存不经常使用、数据量较大的信息
- 非易失

磁盘存储器

磁盘：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
  - 改善磁膜表面的均匀性，提高磁盘的可靠性
  - 显著减少整体表面瑕疵，以帮助减少读写错误
  - 能够支持（磁头）较低的飞行高度
  - 更高的硬度，使磁盘转动时更加稳定
  - 更强的抗冲击和抗损伤能力
软盘&硬盘

硬盘

结构

盘片

多层盘面

磁头

对盘片进行读写操作
每个盘面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，与磁盘中心等距
磁头必须产生或感应足够大的电磁场，以便正确地读写
磁头越窄，离盘片的距离就越近
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
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

读写机制

读写期间磁头静止、盘片旋转
磁头数量
- 单磁头：读写公用，软盘/早期硬盘
- 双磁头：使用单独的磁头读取，当代硬盘
写入
- 电流脉冲被发送到写入磁头
- 变化的电流激发出磁场
- 产生的磁性图案记录在盘片表面
- 反转电流方向，记录介质上的磁化方向也会反转
读取
- 读取磁头：磁阻（MR）敏感器，电阻取决于在其下移动的介质磁化方向
- 电流通过MR敏感器时，通过电压信号检测其电阻变化
- MR敏感器允许更高频率的操作，实现更高的储存密度和更快的操作速度

数据组织

磁道：盘片上的数据组织呈现为同心圆环
扇区：存取512B用户数据，数据以扇区的形式传入/出磁盘
相邻磁道、扇区之间留有间隙
柱面：盘片上位于相同的相对位置的一组磁道

CAV Constant Angular Velocity 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
优点：能以磁道号和扇区号直接寻址
缺点：容量受最内层磁道限制，外层浪费空间大

Multiple Zone Recording 多带式记录

外层的同心圆的磁道数量多余内层数量
优点：提升储存容量
缺点：需要更复杂的电路

格式化

磁道必须有一些起始点和辨别每个扇区起点终点的方法
格式化时，会附有仅被磁盘使用、不被用户存取的额外数据

物理扇区

Gap：缓冲，防止过去

Gap1

ID域

Gap2

数据域

间隙

515

ID域

同步字节：提示即将到达新的数据区域

同步字节

道号

头号

扇号

CRC

数据域

同步字节

数据

CRC

512

I/O访问时间

寻道时间 Seek Time：初始启动时间，磁头定位到磁道所需时间
旋转延迟 Rotational Delay：等待相应扇区的起始处到达磁头所需时间，平均为磁道旋转半周所需的时间
传送时间 Transfer Time：数据传输所需的时间
平均访问时间： $T_a=T_s+\frac{1}{2r}+\frac{b}{rN}$
- $b$ ：传送的字节数， $r$ ：旋转速率，转/秒， $N$ ：每磁道的字节数（扇区数和扇区字节数之积）
- $T_s$ 平均寻道时间
- $\frac{1}{2r}$ 平均旋转延迟
- $\frac{b}{rN}$ 实际传送时间若有数据传输率的数值直接用数据传输率来算 $\frac{b}{N}$ 可以是传输/磁道的扇区数的比值，也可以是数据大小的比值
- 要将转速转换为rps：15000rpm=250rps
读取多个相邻磁道，只需考虑1次寻道时间，每个磁道都需考虑旋转延迟

例：某个硬盘的平均寻道时间为4ms，转速为15000rpm，每磁道500扇区，每扇区512B，现读取一个由2500个扇区组成的文件

顺序组织： $T=4 \cdot 10^{-3}+5\cdot \left(\frac{1}{2 \cdot 250}+\frac{512 \cdot 500}{250 \cdot 512 \cdot 500}\right)=0.034 s$
随机存取： $T=2500 \cdot \left( 4 \cdot 10^{-3}+\frac{1}{2 \cdot 250}+\frac{512}{250 \cdot 512 \cdot 500}\right)=15.02s$
因此有了磁盘整理将碎片数据重新顺序排列

磁头寻道/磁盘调度

目标：有多个磁盘访问任务时，平均寻道时间最小

例：磁头目前位于100号磁道需要访问55，58，39，18，90，160，150，38，184号磁道，磁盘边界为 $[0,200]$

FCFS First Come First Service 先来先服务

按请求顺序寻道
优点：公平简单
缺点：请求磁道分散时耗时长
上例中，需移动 $|100-55|+|55-58|+|58-39|+...+|150-38|+|38-184|=498$ ，平均寻道长度 $55.3$ 个磁道

SSTF Shortest Seek Time First 最短寻道时间优先

优先处理离当前位置最近的寻道任务，类似贪心
优点：局部最优，平均寻道时间缩短
缺点：产生”饥饿“现象，两端的磁道请求可能会长时间等待
上例中，需移动 $|100-90|+|90-58|+...+|38-18|+|18-150|+|150-160|+|160-184|=|100-18|+|184-18|=248$ ，平均寻道长度 $27.5$ 个磁道

SCAN 扫描/电梯

总是按照一个方向调度，在终点折返
优点：性能较好、不产生饥饿现象
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（某几根磁道的数据可能频繁访问，错过后要等折返回来）
上例中，需移动 $|100-200|+|200-18|=282$ ，平均寻道长度 $31.3$ 个磁道

C-SCAN 循环扫描

只有磁头朝1个方向时响应请求，移到终点后立刻返回起点，返回途中不处理数据
优点：对于磁道响应频率更平均
缺点：平均寻道时间更长
上例中，需移动 $|100-200|+|200-0|+|0-90|=390$ ，平均寻道长度 $43.3$ 个磁道

LOOK

基于SCAN算法，前方无请求就换向
上例中，需移动 $|100-184|+|184-18|=250$ ，平均寻道长度 $27.8$ 个磁道

C-LOOK

基于C-SCAN算法，前方无请求就回最远的请求点
上例中，需移动 $|100-184|+|184-18|+|90-18|=322$ ，平均寻道长度 $35.8$ 个磁道

光存储器

CD

CD：Compact Disk 光盘
CD-ROM：光盘只读存储器，较CD更耐用且有纠错功能
优点：
- 可更换
- 大规模复制方便
缺点：
- 只读
- 存取时间长
CD-R：可刻录CD
- 包含染色层，用于改变反射率，并且由高强度激光激活
- 可用适当强度的激光改变染色层，写入一次
- 生成的盘兼容CD-ROM驱动器
CD-RW：可刻录光盘
- 使用在两种不同相位状态下拥有两种显著不同反射率的材料，激光束能改变材料的相位状态
- 材料会老化，支持50万-100万次擦除

读取

通过播放器/光驱中的低强度激光束读取信息
- 照在凹坑pit上，因表面不平散射，返回低强度的激光
- 照在台land上，表面平坦，返回高强度的激光
盘片上包含一条单螺旋的轨道，轨道上所有扇区角度相同
盘片旋转角速度变化，使读取凹坑的线速度恒定

DVD

位组装更紧密：光道间隙凹坑间距 4.7GB
双层结构：设有半反射层，通过调整焦距读取配一层 8.5GB
DVD-ROM：双面记录数据 17GB
同样有DVD-R DVD-RW
高清晰视频光盘（蓝光DVD）使用更短波长的激光（蓝-紫光）实现更高的位密度 25GB

磁带

使用与磁盘类似的记录和读取技术
记录：以柔韧的聚酯薄膜作介质，外涂磁性材料
读取：顺序读取，要读N必须从1读到N-1（相较于磁盘的直接存取）
记录方式
- 并行记录：把1位分成8个bit记录在8根磁道上，第9根磁道作奇偶校验
- 串行记录：数据以位为单位存放在磁道上（蛇形记录，当前使用较多）
- 同时读写多磁道：依然是串行，以块为单位存在不同磁道上，磁头同时读取多磁道，效率更高

U盘/固态

使用闪存，非易失性半导体存储器
U盘：体积小、容量大、携带方便、寿命长
固态硬盘：较U盘容量更大，性能更高
较磁盘抗振性好，无噪声，能耗低，发热量低

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最后更新于19天前