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