第三章 04外存储器（王道）

一、磁盘存储器

1.1 外存储器

磁盘存储器的读写原理

• 基本原理：利用电磁铁原理读写二进制数据，写线圈通过改变电流方向使磁层呈现不同磁极状态
• 写入过程：磁带移动时，写线圈施加不同方向电流改变磁涂层状态
• 读取过程：磁带移动切割磁感线，读线圈检测不同方向的感应电流
• 读写特性：每次只能读写1比特数据，需要串并转换电路处理字节数据
• 操作限制：读写操作不能同时进行

磁表面存储器的优点

• 容量优势：存储容量大，位价格低（同价位下机械硬盘容量大于SSD）
• 重复使用：记录介质可重复擦写
• 持久保存：信息可长期保存不丢失，支持脱机存档
• 读取特性：非破坏性读出，读取不影响存储数据

磁表面存储器的缺点

• 速度缺陷：存取速度慢（机械硬盘明显慢于固态硬盘）
• 结构复杂：机械结构复杂，包含多个运动部件
• 环境敏感：对工作环境要求高，强磁场可能导致数据丢失
• 功能特性：兼具输入/输出设备功能

1.2 磁盘设备的组成

• 分层结构：
  • 记录面：每个盘片的磁涂层表面
  • 磁道：每个记录面上的同心圆存储轨道
  • 柱面：不同盘面相同位置的磁道组成的圆柱形存储区域
  • 扇区：磁道划分的最小读写单位（也称块）

• 关键参数：
  • 磁头数：等于记录面数，每个记录面对应一个磁头
  • 柱面数：等于单个盘面的磁道数
  • 扇区数：每条磁道划分的扇区数量

• 读写机制：磁头臂移动定位磁道，盘片旋转使扇区划过磁头下方
• 访问特性：按块存取，每次读写至少一个扇区

• 核心组件：
  • 磁盘驱动器：
    • 磁头组件：负责数据读写
    • 盘片组件：数据存储介质
    • 温彻斯特盘：可移动头固定盘片的典型结构
  • 磁盘控制器：
    • 实现主机与硬盘的接口
    • 主流标准：IDE(ATA)、SCSI、SATA
• 实际结构特点：
  • 多数盘片双面记录（最上层单面记录）
  • 磁头臂通常配备双向读写磁头
  • 通过柱面号定位磁道位置

1.3 磁盘的性能指标

磁盘的容量

• 非格式化容量：指磁盘物理上可存储的二进制比特位上限，即磁记录表面可利用的磁化单元总数。
• 格式化容量：按照特定记录格式存储信息的总量，由于需要预留备用扇区（如损坏扇区替换机制），实际可用容量比非格式化容量小约5-10%。
• 实例说明：厂商生产磁盘时通过格式化预留备用扇区，当扇区A损坏时自动用备用扇区B顶替，这部分管理开销导致格式化容量减小。

记录密度

• 道密度：沿磁盘半径方向单位长度（如1cm）的磁道数，例如60道/cm表示半径方向每厘米有60个磁道。通过道密度和磁盘半径可计算总磁道数。
• 位密度：单条磁道上单位长度存储的二进制位数（如600bit/cm）。需注意：
  • 内侧磁道位密度＞外侧磁道（相同扇区存储量下，内侧磁道物理长度更短）
  • 磁盘容量受最内侧磁道位密度制约（工艺极限）
• 面密度：位密度与道密度的乘积，反映盘片单位面积信息存储量。
• 关键特性：所有扇区存储量相同，因此外侧磁道扇区物理长度＞内侧磁道扇区。

平均存取时间

数据传输率

1.4 磁盘存储器地址

• 地址组成：驱动器号|柱面（磁道）号|盘面号|扇区号
• 驱动器号：用于选择特定硬盘驱动器，计算机可连接多个硬盘
• 柱面号：控制磁头臂移动，定位到指定磁道（所有盘面相同位置的磁道组成柱面）
• 盘面号：激活对应磁头，每个盘面有独立编号（如0,1,2…）
• 扇区号：确定最终读写位置，磁盘旋转时通过扇区号识别目标扇区

1.5 硬盘的工作过程

• 工作流程：
  • 主机发送控制字指定操作类型（寻址/读/写）
  • 磁盘控制器执行控制字
  • 串行操作特性：同一时间只能进行读或写，不能同时进行
• 数据转换：
  • 写入时需要并行转串行转换（通过并-串变换电路）
  • 读取时需要串行转并行转换（通过串-并变换电路）

二、磁盘阵列

2.1 RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks）

• 定义: RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks）是将多个独立物理磁盘组成逻辑盘的技术，通过数据分割交叉存储和并行访问提升存储性能、可靠性和安全性。
• 核心特性:
  • 并行访问: 逻辑相邻数据物理分散存储（如RAID0将A1A3存Disk0，A2A4存Disk1）
  • 容错能力: RAID1~RAID5支持热插拔更换损坏磁盘而不丢失数据
  • 性能类比: 类似”低位交叉编址的多体存储器”思想，通过多磁盘并行提高IO速度

RAID0

• 存储方式:
  • 逻辑相邻数据块（条带）轮转存储在不同物理盘（如4磁盘系统将条带0-3分别存Disk0-3）
  • 示例：A1→Disk0, A2→Disk1, A3→Disk0, A4→Disk1（双磁盘情况）
• 优势:
  • 速度提升: 连续读取时多磁盘并行工作（如同时从Disk0读A1、Disk1读A2）
• 缺陷:
  • 无冗余: 单磁盘损坏将导致对应条带数据永久丢失
  • 无校验: 无法检测/纠正比特跳变错误（如扇区数据受干扰）

RAID1

• 镜像机制:
  • 所有数据完整复制到另一磁盘（如Disk0存A1A3，Disk1也存A1A3）
  • 存储空间利用率仅50%（双磁盘情况）
• 优势:
  • 高可靠性: 单磁盘损坏可通过镜像盘恢复数据
  • 错误检测: 通过双盘数据比对发现比特错误
  • 并行读取: 仍支持从不同磁盘并行读取不同数据块
• 适用场景: 对数据安全性要求高于存储成本的场景

RAID2

• 校验机制:
  • 比特级分散存储（如4数据比特A1-A4存4磁盘）
  • 专用校验盘存储海明码（4数据位需3校验位）
• 容错能力:
  • 纠错: 可恢复单比特错误（如某磁盘损坏）
  • 检错: 可发现双比特错误

2.2 方案对比

• 演进规律:
  • 编号越大冗余占比越低（RAID1→RAID5）
  • 可靠性随编号递增（RAID0无容错→RAID5高容错）
• 商业价值:
  • 云存储场景（如百度云）需平衡成本与可靠性
  • RAID5等方案通过分布式校验实现高性价比冗余

2.3 内容回顾

• 重点考点:
  • RAID0: 无容错但提速明显（类比多体存储器）
  • RAID1: 镜像备份牺牲50%存储空间
  • 性能指标: 平均存取时间=寻道时间+旋转延迟+传输时间
• 地址结构: 驱动器号|柱面号|盘面号|扇区号（与操作系统关联）
• 发展脉络:
  • RAID0→1→2…5：冗余递减但容错机制更智能
  • 企业级应用通过RAID实现”廉价”的高可靠性存储

三、固态硬盘SSD（大纲新增）

3.1 考点汇总

3.2 固态硬盘的读写性能特性

• 基本原理：基于闪存技术(Flash Memory)，属于电可擦除ROM(EEPROM)，由闪存翻译层和多个闪存芯片组成存储介质。

• 读写特性：
  • 单位：以页为单位读写（相当于磁盘的”扇区”），以块为单位擦除
  • 限制：擦干净的块中每页可写一次、读无限次；已写入数据的页需先擦除整块才能重写
  • 性能：读快写慢（写操作可能引发数据迁移），支持随机访问（通过电路直接定位）

3.3 与机械硬盘对比

• 优势：读写速度快、随机访问性能高、安静无噪音、耐摔抗震、能耗低
• 劣势：造价更贵、存在擦写寿命限制（单个块擦除过多会损坏）

3.4 固态硬盘的磨损均衡技术

• 产生原因：固态硬盘块擦除次数有限（约1万次），重复擦写同一块会导致提前损坏
• 核心思想：通过闪存翻译层的地址映射功能，将擦除操作平均分布到各个块
• 技术分类：
  • 动态磨损均衡：写入时优先选择累计擦除次数少的新闪存块
  • 静态磨损均衡：系统自动监测，将读多写少的数据迁移到老旧块，让新块承担更多写操作
• 实现机制：利用闪存翻译层可动态改变逻辑-物理地址映射的特性，在不影响使用的前提下调整数据存储位置

3.5 固态硬盘的结构

3.6 理想情况下，固态硬盘的寿命 – 固态硬盘使用年限计算