第9讲-外部存储器

外部存储器

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

磁盘

  1. 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
    • 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，使磁盘转动时更加稳定
      • 更强的抗冲击和抗损伤能力
  2. 类型：硬盘、软盘
  3. 磁头：对盘片进行读写操作的装置
    • 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。
    • 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
    • 温彻斯特磁头（Winchester head 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
        e20e1bd3a341940ab123750d324233a
  4. 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（软盘、早期硬盘）
      • 双磁头：使用一个单独的磁头进行读写（当代硬盘）
    • 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，由此区分0和1
    • 读取机制
      • 旧的磁盘系统使用单磁头，当磁盘在磁头下方旋转时，会产生与记录的磁极相同的电流，根据电流方向读取数据。
      • 现代磁盘用单独的读磁头
        • 读取磁头是由一个部分屏蔽的磁阻（MRMR）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传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
          bcb749bfc52178b14ab2f9ae805d7f6
  5. 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（track）。
    • 数据以扇区（sector）的形式传输到磁盘或从传出磁盘（一般为512字节）。
    • 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（Constant angular velocity, CAV)：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，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（Multiple zone recording）：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
          8d555856ec333a4a99944c32925294f
    • 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)
  6. 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
      image-20231213204908276
    • 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（如FAT12 、FAT16 、FAT32 、exFAT 、NTFS 、EXT2 、EXT3 等），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，它格式化的速度很快，但不是很稳定。
      • 一般 完全格式化：会清除目标磁盘上的所有的数据（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。
  7. I/O访问时间
    • 寻道时间（seek time time）：初始启动时间，以及当访问臂达到速度后，遍历需跨越的磁道所需花费的时间。不是线性函数，而是包含了建立时间（把磁头放置到目标磁道之后，直到确认磁道标识的时间）。
    • 旋转延迟（rotational delay delay）：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（transfer time time）：数据传输所需的时间，取决于磁盘的旋转速度。
      T = 传送时间，b = 传送字节数，N = 每磁道的字节数，r = 旋转速率，单位是转/秒。
    • 平均访问时间(Ts是平均寻道时间)
    • 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
  8. 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 Service，FCFSFCFS）
      • 最短寻道时间优先（Shortest Seek Time First First，SSTFSSTF）
      • 扫描/电梯（SCANS）
      • LOOK
      • 循环扫描（C-SCAN）
      • C-LOOK
    • 先来先服务（FCFSFCFS）
      • 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
    • 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
    • 扫描/电梯（SCAN）
      • 总是按照一个方向进行磁盘调度，直到该方向上的边缘，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
    • 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

光存储器

  1. 光存储器产品

    • 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，DVD-RW）
    • 高清晰视频光盘（High definition video disk，Blu Ray DVD）
      image-20231213212222255

  2. 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
    • 制造方法
      • 用精密聚焦的高强度激光束制造一个母盘
      • 以母盘作为模板压印出聚碳酸酯的复制品
      • 在凹坑表面上镀上一层高反射材料（一般采用铝，HQCD 采用银合金）
      • 使用丙烯酸树脂保护高反射材料
      • 在丙烯酸树脂层上用丝网印刷术印制标签
    • 通过安装在光盘播放器或驱动装置内的低强度激光束从CD 或CD ROM 处读取信息
      • 如果激光束照在凹坑（pit）上，由于凹坑表面有些不平，因此光被散射，反射回低强度的激光
      • 如果激光束照在台 面（land）上，台的表面光滑平坦，反射回来的是高强度的激光
      • 光电传感器检测凹坑和台之间的变化，凹坑的起点或终点代表“11”，没有高度变化则记为“00”。
    • 盘片上包含一条单螺旋的轨道，轨道上的所有扇区长度相同
      • 从内向外扫描，角速度逐渐变小
      • 凹坑被激光以恒定线速度读出
        3d2877d801e717f0a82870495705abe
    • 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
  3. 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
  4. 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的相位状态
    • 材料老化最终会永久失去相位可变的特性，当前的材料可用于50 万次到100 万次的擦除
  5. 数字多功能光盘（DVD）
    • DVD vs.CD
      • DVD上的位组装更紧密：光道间隙，凹坑间距（容量达到4.7GB）
      • DVD采用双层结构：设有半反射层，可以通过调整焦距读取每一层（容量达到8.5GB）
      • DVD-ROM 可以用两面记录数据（容量达到17GB17GB）
      • DVD的激光束更细，所以能读DVD 的设备可以读CDCD，但反过来不行
    • DVD-R 和DVD-RW
  6. 高清晰光盘
    • 通过使用更短波长的激光（在蓝 紫光范围），可以实现更高的位密度（数据凹坑相对更小）

磁带

  1. 使用与磁盘类似的记录和读取技术
  2. 记录：介质是柔韧的聚酯薄膜带，外涂磁性材料
  3. 读取
    • 磁带：顺序读取（sequential access）
    • 磁盘：直接读取（direct access）
    • 并行记录 vs. 串行记录（蛇形记录）
    • 并行+串行
      image-20231213220640293

U盘和固态硬盘

  1. U盘（USB flash disk 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
  2. 固态硬盘（Solid State Disk/Drive 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：抗振性好，无噪声，能耗低，发热量低