26-计组-外存

一、外存

1. 磁盘存储器

1）硬盘定义

• 硬盘：又称辅存，用于长期存储大量未运行的数据（如手机上未启动的应用程序）。
• 特点：在考试中常涉及计算题，是计算机组成原理的重要考点。
• 概念等同：在408考试范围内，磁盘存储器与“硬盘”概念等同。

磁盘的组成结构

• 核心组件：主轴串联多个盘面，每个盘面配有读写磁头。
• 磁道结构：盘面由半径递增的同心圆磁道组成，类似黑胶唱片。
• 读写机制：磁臂驱动组合臂移动磁头，盘面旋转完成数据存取。

存储区域

• 层级关系：硬盘 → 多个盘面 → 多个磁道 → 多个扇区。
• 扇区：读写的最小单位，在数据结构外部排序中称为“磁盘块”。
• 簇：某些操作系统中多个扇区的集合，作用等同于放大版的扇区。

柱面数

• 定义：不同盘面相同半径的磁道组成的圆柱形表面。
• 与磁道关系：柱面数 = 单个盘面的磁道数，二者本质相同。
• 应用场景：考题可能用柱面数替代磁道数描述磁盘结构。

性能指标

磁盘容量

• 分类：
  • 格式化容量：按特定记录格式存储的信息总量。
  • 非格式化容量：磁化单元总数（操作系统课程会深入讲解）。

平均存取时间

• 组成要素：
  • 寻道时间：磁头移动到目标磁道的时间（通常取最内到最外圈时间的一半）。
  • 旋转延迟：盘面旋转使目标扇区到达磁头下方的时间（通常取旋转一圈时间的一半）。
  • 传输时间：实际读取数据的时间。
• 计算要点：寻道时间和旋转延迟取平均值，传输时间根据题目具体计算。

数据传输率

• 公式：D=r⋅N
  • r ：转速（转/秒）。
  • N：单磁道容量。
• 原理：单位时间内通过磁头的数据量，与转速和磁道容量成正比。

磁盘地址

• 字段顺序：驱动器号 → 柱面号 → 盘面号 → 扇区号。
• 考试重点：
  • 柱面号：确定磁道。
  • 盘面号：确定具体盘面。
  • 扇区号：定位具体数据。

RAID

• 技术本质：通过冗余磁盘阵列提高数据安全性和读写性能。
• 各级别特点：
  • RAID 0：无冗余，数据分散存储（速度快，无容错）。
  • RAID 1：镜像备份（安全性高，存储效率低）。
  • RAID 2：海明码纠错（已淘汰）。
  • RAID 3/4：位交叉/块交叉奇偶校验（专用校验盘）。
  • RAID 5：分布式奇偶校验（校验信息均匀分布）。

固态硬盘（SSD）

1）固态硬盘的特点

• 优势：
  • 随机访问速度快。
  • 能耗低。
  • 抗震性能强。
  • 数据安全性高。
• 缺陷：
  • 存在写磨损（每个块约10万次写入寿命）。
  • 随机写速度较慢。

2）固态硬盘的结构

• 存储单元：硬盘包含 B 个块，每个块包含 P 个页（数据按页读写）。
• 写入机制：
  • 必须先擦除整个块才能写入页。单位是页。
  • 修改含数据页时，需将有效页复制到新块。
  • 每个页写入一次，在重新写入之前必须先擦除。
• 擦除特性：以块为单位擦除，无法单独擦除页。

二、应用案例

1. 例题：求读扇区平均时间

时间组成要素：读取扇区平均时间包括：

• 平均寻道时间：题目给出
• 旋转延迟时间：一转需要多少秒的一半
• 数据传输时间：总/速率。正常算
• 控制器延迟时间：题目给出

2. 例题：求访问一个扇区的平均存取时间

题目解析