外部存储设备概述

  • 特性
    • 用于存储不经常使用的、数据量较大的信息
    • 非易失
  • 类型
    • 磁盘存储器(magnetic disk)
    • 光存储器(optical memory)
    • 磁带(magnetic tape)
    • U盘(USB flash disk), 固态硬盘(solid state disk, SSD)

磁盘存储器

  • 磁盘是由涂有可磁化材料和非磁性材料(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)
      • 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, 是磁盘转动时更加稳定
      • 更强的抗冲击性和抗损伤能力

类型

  • 软盘与硬盘

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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

  • 对盘片进行读写操作的装置叫做磁头

    • 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, 电磁感应能力越弱, 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
    • 硬盘必须密封
    • 温切斯特磁头
      • 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

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  • 在读或写操作期间, 磁头静止, 而盘片在其下方选择

  • 磁头的数量

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

写入机制

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  • 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

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  • 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

  • 恒定电流通过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

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  • 盘片上的数据组织呈现为一组同心圆环, 称为磁道(track)

  • 数据以**扇区(sector)**的形式传输到磁盘或传出磁盘

    • 默认值为512B

  • 相邻磁道之间有间隙(gap), 相邻的扇区之间也留有间隙, 否则磁场容易相互影响

  • 磁道编号从外往里递增(0~N), 磁头静止时停在磁道0外侧

  • 扇区划分

    • 恒定角速度

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      • 增大外层记录在盘片区域上的信息位的间隔, 以实现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

    • 多带式记录/多重区域记录

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      • 注意: 图中每条圆环代表的不是一个磁道, 而是包含多个磁道的区域

      • 将盘面划分为多个同心圆区域, 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

  • 所有盘片上处于相同的相对位置的一组磁道被称为柱面

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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

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格式化类型

  • 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

    • 清除数据(如果硬盘分过区, 所有区都会被清除)
    • 有损: 是一种损伤性操作, 它对硬盘寿命有影响
    • 建议场景: 硬盘受到外部强磁体, 强磁场的影响而受到物理性损伤的情况

  • 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

    • 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, 它的格式化速度很快, 但不是很稳定
    • 一般/完全格式化: 会清除目标磁盘上所有的数据(非物理的), 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

I/O访问时间

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  • 寻道时间: 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

  • 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

  • 传送时间: 数据传输所需的时间

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  • 平均访问时间

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  • 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(磁道非常多, 顺序移到下一个磁道的耗时是非常少的)磁道的寻道时间, 但在明确知道跨越每个磁道需要的时间时需要考虑

示例

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  • 磁盘整理: 将数据散落在磁盘多个位置的一个文件, 读到内存, 然后写到一个连续的磁盘区域中

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

  • 常见的磁头寻道/磁盘调度算法

    • 先来先服务(First Come First Service, FCFS)
    • 最短寻道时间优先(Shortest Seek Time First, SSTF)
    • 扫描/电梯(SCAN)
    • LOOK
    • 循环扫描(C-SCAN)
    • C-LOOK

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

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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接近的读写任务

  • 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

    image-20250119220859192扫描/电梯 SCAN

  • 总是按照一个方向进行磁盘调度, 知道该方向上的边缘, 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

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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到起点, 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

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LOOK

  • SCAN算法的升级, 只有磁头移动方向上不再有请求就立即改变磁头的方向

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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

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光存储器

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CD和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

  • 制作方法

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读取

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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
    • 光盘更换方便
    • 寿命长

  • 缺点

    • 它是只读的, 不能更改
    • 其存取时间比磁盘存储器慢得多

CD-R和CD-RW

  • CD-R (写一次)

    • 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 (写多次)

    • 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 相位状态
    • 材料老化最终会永久失去相位可变的特性

数字多功能光盘 (DVD)

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磁带

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  • 便宜, 寿命长

U盘和固态硬盘

  • U盘 (USB flash disk)

    • 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 (Solid State Disk/Drive)

    • 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: 抗震性好, 无噪声, 能耗低, 发热量低