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计算机理论学习Day10

news 2025/10/6 10:08:26

1.6 外存储器

1.外存

外存储器，简称外存，也称辅存，一般有硬盘、光盘、软盘、U盘等

2.硬盘

非易失性存储器，可以长期保存二进制信息
存储原理：通过磁头对盘片（铝合金或玻璃）上磁性材料粒子的不同磁化方向来记录数据
硬盘物理结构：磁盘的磁道和扇区
- 磁道：盘面上有几千个磁道，有里向外有一圈一圈的同心圆，每个同心圆就是一个磁道，相同磁道的存储数量相同，不相同磁道的存储密度不相同，每个磁道都有一个编号，最外面的是0磁道（由外往里递增）
- 扇区：每个磁道被划分为诺干段（段又叫扇区）每个扇区的存储容量为512B或4KB，磁盘读写基本单位是扇区，操作系统读取硬盘的时候，不会一个个扇区读取，这样效率太低，而是一次性连续读取多个扇区，即一次性读取一个“块”，这种由多个扇区组成的“块”，是文件存取的最小单位
- 磁盘的记录方式有两种：
  - 旧式——非分区记录方式（不同磁道扇区数相同）
  - 新式——分区记录方式（不同磁道扇区数不同）
- 柱面：通常一块硬盘由1至5张盘片（1张盘片也称为1个单碟）组成，所有盘片上相同半径处的一组磁道称为“柱面”，所以，硬盘上的数据位置需要使用三个参数来定位：柱面号、扇区号、磁头号，硬盘的磁道数与柱面数是相等的，由于每个盘面都有自己的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。
- 目前通常用硬盘的盘片直径一般为3.5或2.5英寸和1.8英寸等，3.5主要用于台式PC，2.5主要用于笔记本电脑
硬盘存储容量 = 磁头数（盘片数 * 面数）* 柱面数（磁道数）* 扇区数（每个磁道上） * 每扇区字节数（正常就512B，如果高于2TB容量时，会是4KB）
注意：磁头数等于有效记录面数，即虽然有18个盘片，但是有效记录面数不足36个，这个时候就需要使用有效记录面来计算
公式中主要针对使用格式化容量计算的，非格式一般是指厂商出厂时标的如4TB、500GB这些，格式化分为：高级格式化和低级格式化
一般不说明，硬盘的时高级格式化，软盘使用低级格式化和高级格式化都有，低级（物理上）格式化就是对磁盘进行分柱面、磁道、扇区的操作。高级（逻辑上）格式化是根据用户文件系统，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。
Windows系统上的文件系统：FAT文件系统、exFAT文件系统、NTFS文件系统
扇区、簇和块的关系：簇=块=诺干扇区
硬盘的最小存储单位就是扇区了。
基于扇区时，在寻址时比较困难，所以操作系统就将多个的扇区组合在一起，形成一个更大的单位，在对这个单位进行整体的操作。
在Windows下，FAT，FAT32和NTFS文件系统中叫做簇
在Linux下如Ext4等文件系统中叫做块
每个簇或者块可以包括2、4、8、16、32、64…2的n次方个扇区
数据块（即簇）是编址方式，扇区最小的编址单位
操作系统是通过块和簇来作为单位读取等操作数据的
文件系统就是操作系统的一部分，所以文件系统操作文件的最小单位是块和簇
硬盘的主要性能指标：容量、缓存、平均寻道时间、平均等待时间、平均存取时间、数据传输速率等
1. 容量：GB为单位，目前已经出现TB级别的硬盘
2. 缓存：硬盘的高速缓存（Cache），由DRAM芯片构成，不安装在主板上，硬盘在控制器上的一块内存芯片，其类型一般以SDRAM为主，具有极快的存取速度，它是硬盘内部存储和外界接口之间的缓存器。
3. 平均寻道时间 = 全部寻道时间的一半 = 磁头从0磁道移至中央磁道的一半
  - 寻道时间——磁头寻找到在指定磁道所需要时间（大约5ms）
  - 平均寻道——指磁道找到指定磁道所需的平均时间
4. 平均等待时间 = 最大等待时间和最小等待时间的平均 = 磁盘旋转一圈时间的一半
  等待时间指磁头已处于要访问的磁道，等待所需要访问的扇区旋转至磁头下方的时间
5. 平均存取时间（也称平均访问时间，几ms~几十ms之间） = 平均寻道时间 + 平均旋转等待时间；由硬盘的旋转速度、磁头寻道时间和数据传输速率所决定
6. 数据传输速率：外部传输速率（主机向硬盘缓存读写）、内部传输速率（盘片上读写）；内部传输速率小于外部传输速率。内部传输速率取决于转速
7. 硬盘与主机接口：
  - 并行ATA（现在很少用）
  - SCSI（小型计算机系统接口）：主要应用于中、高端服务器和高档工作站（接口有串行也有并行）；
  - IDE（集成设备电路）：传统常用的并行口；
  - SATA（串行高级技术附件）：串行口，目前主流，SATA1.0传输速率150MB/s，SATA2.0是300MB/S，SATA3.0 600MB/s
使用事项：断电插拔硬盘（防止读写过程中关电）、环境控制（防尘、防高温、防潮湿等）、即时清理硬盘（文件、目录、碎片等）、防计算机病毒等
分类：机械硬盘、固态硬盘（SSD）、移动硬盘（USB3.0/3.1接口）
机械硬盘和固态硬盘的主要区别：固态硬盘的存取速度要比机械硬盘的块
固态硬盘：NAND型内存、外形及与主机的接口和常规硬盘相同，在便携式计算机中代替传统的硬盘，有点：低功耗、无噪音、抗震动、低热量，读写速度也快于传统硬盘，缺点：成本高于常规的硬盘，Flash存储器都有一定的写入寿命到期后数据会读不出来且难以修复。

3.光盘和光盘驱动器

光盘存储原理：光盘上有由里向外的连续螺旋形的光道，这一条光道是用于记录数据的，通过盘面上压制凹槽的方法来记录信息，凹坑边缘表示“1”，凹坑平坦部分表示“0”.
光盘分类
- 按信息读写能力分：只读光驱、可写光驱（光盘刻录机）
- 按可处理盘片类型进一步分成：CD只读光驱、CD刻录机、DVD只读光驱、DVD刻录机、DVD只读/CD刻录机组合而成的“康宝”，BD只读光驱、BD刻录机
- 按存储容量与读写特性分为：CD（红外激光，650MB）盘片、DVD（红外激光，>=4.7GB）盘片，BD（蓝色激光，>=25GB）盘片
  - CD盘片：CD-ROM（只读）、CD-R（一次性可写）、CD-RW（可擦写）
  - DVD盘片：只读盘片（DVD）、一次性可写盘片（DVD-R，DVD+R）、可擦写盘片（DVD-RW，DVD+RW DVD-RAM）
  - 蓝光盘片：BD（只读）、BD-R（一次性可写）、BD-RE（可擦写）：
    单层盘片存储容量是25GB；双层盘片存储容量是50GB
光盘驱动器：只读光驱、可写光驱（光盘刻录机）
公式：X = 150KB/s；NX = N * 150KB/s。单位是KB/s可以根据题目进行转换。
光驱速度是用“X”倍速来表示的，这是相对于第一代光驱来讲的
第一代光驱的速度接近于150KB/s
光驱与主机的接口现在大多为SATA接口，也可以使用USB接口与主机连接