计算机存储原理——基础

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#云计算 #云IE

于 2024-08-21 18:21:03 首次发布

文章目录

存储介质简介
硬盘存储原理
存储接口与存储协议
文件系统
- 常见的文件系统
- 文件系统中块存储与文件的关系
存储链接方式
RAID磁盘冗余与逻辑卷LUN
- RAID

存储介质简介

1. 光介质存储

介质： 光盘
存储原理：

刻录后暗(被刻录后会有凹槽，不反光)表示1；亮表示0；

2. 磁介质存储

介质： 磁带，磁盘等
存储原理：
磁道中的不稳定磁性颗粒，经过磁头磁化后会变得有序，有序后指向南北极的方向不同，以此来区分0和1
在这里插入图片描述

磁带：条状磁道。
磁盘：有硬磁盘和软磁盘，圆状磁道。

3. flash(闪存)

介质： 固态硬盘，U盘，SD卡等
存储原理：
闪存颗粒中有存储单元，存储单元中存储电荷。控制栅极可以将电荷存储在存储单元中。
在这里插入图片描述
通过存储单元中的电荷有电压，达到某个阈值表示一个数值没有达到表示另一个数值，一个存储单元表示的数值有不同玩法，通常分为SLC、MLC、TLC、QLC。SLC更稳定

SLC：一个存储单元表示1bit的数据，达到阈值表示1达不到表示0
MLC：一个存储单元表示2bit的数据，根据阈值范围划分为00，01，10，11
TLC：一个存储单元表示3bit的数据，根据阈值范围划分为000，001，010，011，100，101，110，111
QLC：一个存储单元表示4bit的数据，同上

缺点： 寿命短，不利于持久化存储。企业上一般使用磁介质硬盘来做永久化存储，闪存当做缓存来使用。因为磁介质一旦经过磁化只要不是物理损伤数据不会丢失。

硬盘存储原理

磁盘组件

在这里插入图片描述
磁头摆臂可以摆动，盘片由主轴控制转动，如此以来磁头就能读取到盘片的所有磁道的数据。数据通过磁盘接口由总线发给计算机系统。
一个硬盘中可以有一个或多个盘片。盘片也可以分为单面和双面，双面表示盘片的正反两面都有磁道能存数据。

磁盘是如何存储文件的

早期磁盘存储数据方式：
磁盘存储文件时的最小单位为扇区sector，早期磁盘的寻址方式是CHS（cylinkder head sector）也就是先找到柱面再通过磁头编号找到磁道，再找到扇区。一个扇区是512Byte，若文件大于512Byte则需要跨扇区存储，但是这些扇区不一定连续这就导致读取数据时比较麻烦。
【什么是柱面】：比如一个硬盘有3个盘片，俯视图看有10个磁道，柱面就是俯视所有盘面的同一个磁道称为一个柱面。比如这三个盘面每一面的1号磁道的集合称为1号柱面，这一柱面有3个磁头分别指向这3个盘面的1号磁道。所以通过柱面-磁头编号就可以确定是哪个盘面的哪个磁道，在通过扇区找到要读取的数据。
在这里插入图片描述
目前主流磁盘的存储方式：
由于扇区的颗粒度太小，很容易跨扇区存储。所以后来有了block块(Linux下叫block)(windows下叫存储单元cluster)，这是一个逻辑概念。
当你在格式化磁盘的时候windows下默认一个存储单元是4096字节(也可以手动修改)，这4096字节是连续的8个扇区逻辑出来的一个块区域。格式化这个动作就是将这个磁盘的所有扇区全部按8个8个分成多个块区域，对文件系统来说他看到的最小存储单元就是一个块。
这就是你在windows上即使创建一个1字节的文件，通过文件右键->属性看到的占用空间却是4096字节的原因。
【空文件为什么占用空间是0字节】：因为文件分为描述数据(元数据metedata)和实际数据，而描述数据是有一个单独的存储位置。意味着这个文件并没有实际内容与扇区一一对应。当你往这个文件中写入一个字节的数据，这时就会占用一个块区域。
在这里插入图片描述
【为什么是4096字节】：虽然格式化时可以修改一个块的大小，但是最小也不能小于512字节，因为一个扇区就是512字节(这是真实的物理大小改变不了)。而文件系统存储文件的时候是按照块为最小单元来存储的，设置太大造成文件浪费，设置太小又会出现很多个跨块区域的数据。权衡后的大小就是4096字节。可以根据需求来调整格式化时的块区域大小，比如存的都是几个字节的零碎文件那就可以设置小一点，要是存的都是大文件那么就可以格式化的大一些，提高磁盘使用率。