第十讲 外部存储器
外部存储器
特性
- 用于存储不经常使用的、数据量较大的信息
- 非易失的
类型
- 磁盘存储器
- 光存储器
- 磁带
- U盘
- 固态硬盘SSD
磁盘存储器
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
结构
- 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
对盘片进行读写操作的装置叫做磁头
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
- 单磁头:读写公用同一个磁头
- 双磁头:使用一个单独的磁头进行读取
写入机制
- 电流脉冲被发送到写入磁头
- 变化的电流激发出磁场
- 产生的磁性图案被记录在下面的盘片表面上
- 反转电流方向，则记录介质上的磁化方向也会反转
读取机制
- 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
- 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，实现更高的存储密度和更快的操作速度
数据组织
- 盘片上的数据组织呈现为一组同心圆环，称为磁道
- 数据以扇区（sector）的形式传输到磁盘或从传出磁盘
- 默认512B
- 相邻磁道之间有间隙（gap），相邻的扇区之间也留有间隙
- 扇区划分方式
- 恒定角速度
- 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限制
- 多带式记录/ 多重区域记录
- 优点:提升存储容量
- 缺点:需要更复杂的电路
- 恒定角速度
- 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)
格式化
- 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
- 格式化时，会附有一些仅被磁盘驱动器使用而不被用户存取的额外数据
I/O访问时间计算
- 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, 是初始启动时间, 跨越若干磁道所用的时间
- 旋转延迟: 等待响应扇区的起始处到达磁头所需的时间, 通常是磁道旋转半周所需的时间(一个平均值)
- 传送时间（transfer time）：数据传输所需的时间
T = b/(rN)需要传输的字节数/磁盘转动速度 - 平均访问时间
Ta = Ts + 1/2r + T, Ts是平均寻道时间 - 当连续访问多个相邻的磁道时, 对于每个磁道都要考虑旋转延迟, 如果题目有给出跨越1个磁道的寻道时间就需要考虑, 否则只要计算第一个磁道的寻道时间
磁头寻道和磁盘的调度
- 先来先服务FCFS
- 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
- 最短寻道时间优先SSTF
- 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
- 扫描/电梯SCAN
- 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
- 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
- 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
- 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
光存储器
- 光盘（Compact disk，CD）
- 光盘只读存储器（CD read-only memory，CD-ROM）
- 可刻录光盘（CD recordable，CD-R）
- 可重写光盘（CD rewritable，CD-RW）
- 数字多功能光盘（digital versatile disk，DVD）
- 可刻录DVD（DVD recordable，DVD-R）
- 可重写DVD（DVD rewritable，DVDRW）
- 高清晰视频光盘（High definition video disk，Blu-Ray DVD）
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
U盘和固态硬盘
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
- 与硬磁盘存储器相比：抗振性好，无噪声，能耗低，发热量低