《计算机存储与外设》 3二级存储器

Posted 2020-12-17 caishunzhe

这一章介绍的是计算机存储结构的下一个层次：二级存储单元。用来保存当前没有被处理的大量数据，这些存储设备包括硬盘，固态硬盘和CD等。

1.磁存储技术

材料的磁性可能是最明显的数据存储方式,因为磁性是很好的二进制记录介质:磁性粒子可以磁化为N-S或者S-N方向。当某材料被磁化后,它将保持磁化状态直到按照相反的方向被磁化,这使得磁存储机制本身具有非易失性。
本节将在原子层面介绍磁化的概念,展示如何将材料磁化为两种状态。然后说明如何使用材料的这种属性构造磁盘驱动器。
磁性源于材料的原子结构,特别是电子在原子中的行为。电子有两种动作:绕原子核旋转与自旋(spin)。电子的自旋是形成磁性的原因。虽然自旋这个词意味着旋转,如果读者认为电子像陀螺一样旋转这就是误导。电子有两个量子自旋值,称为自旋向上(spin up)和自旋向下(spin down)
在铁磁( ferromagnetic)材料中,单个原子的自旋是四配的;也就是说,相邻原子之间是相互作用的。当施加外部磁场时,铁磁原子将沿着磁场方向排列。当去除外部磁场后,铁电材料可以保留一些原先磁场方向的磁性。

 

 

 磁头进行数据记录的过程

写

 

 

 变化的电流产生磁场，间隙会产生磁漏，这会导致将磁性图层的部分磁化。从而达到记录的目的。

磁盘数据记录原理

如3-11所示。磁头可以向中央或者边缘移动，磁盘自己旋转，磁头下的轨迹形成了磁道，磁道作为基础单位太大了，故将磁道划分为更小的单位-----扇区。扇区不能太大，因为对小文件多的系统会浪费大量的空间；也不能太小，因为存储大文件时会有大量的扇区，每个扇区都有开销，效率也不会很高，所以需要选择一个较为良好的扇区大小。

 

 为了减少磁盘驱动器的物理尺寸，同时也为了增加其数据容量，通常会在转轴上安装多个盘片，如3-12所示。但是3-12的实现比较复杂，我们一般使用的是使用磁臂在磁盘表面扫描，类似于以前的留声机，而不是电机步进。如下图所示，常见的机械硬盘。

 

 

磁头离磁面非常近，这是为什么呢

 

 使用读写头最大化面密度的一种方法是减少磁头到磁盘的距离-----减少磁头的飞行高度，降低飞行高度使得每位的输出信号更强，更容易被检测

磁盘可以存储的数据量是每英寸磁道的数量以及磁道中每英寸记录的数据位的函数。这两个参数的乘积就是面密度( areal density),用每平方英寸记录的位数表示。只能通过提高磁道中每英寸记录的数据位或每英寸磁道的数量来提高面密度。当每英寸记录的位数增加时,每位所占的空间相应减小。如果每位变得更小,磁盘旋转导致磁头读出的信号降低,这使得对数据进行可靠的解码变得更困难,

 

扇区是保持基本数据单元的数据结构。当磁盘首次使用时，扇区被写到磁盘表面。所以扇区是软件结构而不是磁盘的物理特性。

 

安全存储和RAID系统

一种很重要的计算思维-----冗余

 

RAID最早在《A case for redundant arrays of onexpensive disks(RAID)》之中提出

RAID的技术关键是条带(strip)，整个磁盘空间分为若干条带，这些条带以交叉方式分步在多个磁盘之中，数据在条带之中的分布方式以及条带在磁盘中的分布方式决定了RAID的级别

 

RAID0

最初始的版本。唯一的一个不使用冗余提供额外安全保障的级别(帧校验是一种安全保障),具有n个驱动器的RAID0将数据将数据划分为n个条带并保存在n个驱动器之中。

优点：高吞吐量，并行读取写入

缺点：一个磁盘失效会导致整个系统失效

 

 

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ps：这章节介绍了下面的知识点，对相关概念有了进一步的认识

 

 

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RAID1

使用镜像技术

 

 

 

优点：增强了数据安全性

缺点：效率低下

 

RAID 0/1

 

 

 

优点：兼顾数据访问与数据安全

缺点：价格最昂贵

 

RAID 2  和   RAID 3

采用多个同步的磁盘驱动器，RAID 2与 RAID 3区别是：RAID 2使用汉明码进行错误检测与校正，而RAID 3只使用一个简单的校验位；RAID 2使用的汉明码可能分步在多个驱动器上，而RAID 3奇偶校验位存储在一个磁盘上。

典型的RAID 3:

 

 

 

 

 

 

 

RAID 4  和   RAID 5

RAID 4和RAID 5与RAID 2和RAID 3相似。然而, RAID 4和RAID 5中,单个不再同步而是彼此独立地操作。其条带远比RAID 2和RAID 3的要大。RAID 4 (块交偶校验, block interleaved parity)中,奇偶校验条带徵存储在一个磁盘上,而在RAID 5奇偶校验条带被交错存储在阵列中的所有磁盘上。当更改数据时可以通过修改相应的奇1验位来高效地更新RAID 5中的奇偶校验信息。
图3-36所示的RAID 5是一种流行的配置,提供了条带存储以及错误恢复所需的奇f验。奇偶校验块分布在阵列中的各个驱动器中,使访问负载在驱动器中更加平衡。

由于需要时间来维护奇偶校验位信息，RAID5系统的写性能被降低。

 

固态硬盘

固态盘(solid-state drive,SSD)可以用来模拟硬盘，其使用半导体闪存技术存储数据。

其相对机械硬盘有巨大的优势：更高的性能，更低的能耗，重量更轻，更能容忍震动。

其他存储方式

磁带，光学存储技术

 

 

 

ps：

网易云上瓢下来一个很有意思的小情话：

“睡眠的拼音是什么？”
“shuimian。”
“那失眠的拼音是什么？”
“shimian。”
“好像少了什么。”
“我猜你会懂的。”