10_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

1. 硬磁盘存储器

• 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
  • 玻璃基材优势：
    • 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

1.1. 磁盘结构

• 每个盘片（双面）表面都有一个磁头，同时移动

• 所有磁头都位于离中心等距离轨道上

• 磁头：

  • 对盘片进行读写的装置
  • 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，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

1.2. 读写机制

• 读写期间，磁头静止，盘片旋转
• 磁头不工作时在最外面
• 磁头数量
  • 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）

1.2.1. 写入机制

上图绿色

• 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

1.2.2. 读取机制

上图红色

• 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

1.3. 数据组织

• 磁道（track）: 盘片上的数据组织呈现为一组同心圆环
• 扇区（sector）: 数据以扇区（sector）的形式传输到磁盘或从传出磁盘
  • 默认大小512B
  • 每个扇区大小相同
• 间隙（gap）: 相邻磁道之间有间隙（gap），相邻的扇区之间也留有间隙
  

1.3.1. 扇区划分

• 恒定角速度
  • 读写速度恒定，转过每个扇区时间一样。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
  • 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
  • 分成多个带，里中心越远的带扇区越多
  • 读写速度恒定的代价：不同带的转速不同
  • 优点：提升存储容量
  • 缺点：需要更复杂的电路
  • 其中每个圈为一组磁道
    • 例子：8个扇区9个扇区

1.4. 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
  

1.5. I/O访问时间

• 寻道时间（seek time）：磁头定位到磁道所花时间

  • 初始化时间，跨越若干磁道所用时间

• 旋转延迟（rotational delay）: 等待响应扇区的其实位置到达磁头的时间

  • 通常时磁道旋转半圈的时间

• 传送时间（transfer time）: 数据传输时间
  

• 平均访问时间：

  • 其中为平均寻道时间
  • 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

• 顺序读取和随机读取

  • 随机读取每次都需要寻道，因此比顺序读取慢得多
  • 磁盘整理可以一定程度上缓解

1.6. 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
• 常见算法

1.6.1. 先来先服务（FCFS）

1.6.2. 最短寻道时间优先（SSTF）

1.6.3. 扫描/电梯（SCAN）

1.6.4. 循环扫描（C-SCAN）

1.6.5. LOOK

1.6.6. C-LOOK

2. 光存储器

2.1. 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
  • 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

2.2. 读取

• 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

  • 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
  • 激光束照在台（land） 上，台的表面光滑平坦，反射回来 的是高强度的激光

• 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

  • 盘片以变速旋转
  • 凹坑被激光以恒定线速度读出
  • 

• CD-R

  • 高强度激光可修改
  • 只能修改一次

• CD-RW

  • 使用两种反射率显著不同的材料
  • 可以修改多次

2.3. 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17GB）
• DVD-R和DVD-RW

2.4. 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）

2.5. 磁带

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

3. U盘和固态硬盘

[[08_内部存储器#4.3 快闪存储器]]

• 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