Lecture 21

Hard Disk Drives (HDD) 的特性

1. HDD 定义：

• 硬盘驱动器是计算机中最重要的永久性存储设备，尤其是在个人电脑（PC）中。

2. 与其他存储设备的主要区别：

• 大小（Size）：通常容量较大。

• 速度（Speed）：相比于磁带等大容量存储设备，硬盘速度更快。

• 持久性（Permanence）：硬盘通常固定在计算机内部，不可轻易移除。

硬盘的结构图

1. 关键组件：

• Voice Coil Actuator（音圈执行器）：

• 控制读写磁头的位置，确保对数据的精确读取和写入。

• Read-Write Head（读写磁头）：

• 用于读取或写入磁盘表面上的数据。

• Data Sectors（数据扇区）：

• 数据存储在磁盘表面按轨道分布的扇区中。

• Tracks（轨道）：

• 每个磁盘上由同心圆组成的数据存储路径。

Tracks, Sectors 和 Cylinders

1. 磁盘的组织结构：

• Platter（磁盘盘片）：

• 每个磁盘盘片的两个表面（surfaces）都可以存储数据。

• 每个表面对应一个 Head（磁头）。

Each platter has two heads

• Tracks（轨道）：

• 数据按同心圆路径存储。

• Sectors（扇区）：

• 轨道分割成更小的单元，通常每个扇区存储 512 字节。

• Cylinders（柱面）：

• 多个磁盘中，所有轨道半径相同的轨道构成一个柱面。

Disk Cylinders, Tracks, Sectors（磁盘柱面、轨道和扇区）

Addressing（寻址方式）

1. CHS（柱面、磁头和扇区寻址）：Cylinder, Head, Sector system.

• 基于柱面号（Cylinder）、磁头号（Head）、扇区号（Sector）来标识数据位置。

• 磁盘控制器（disk controller）使用这些信息定位并访问数据。

Can be mapped onto LBA.

2. LBA（逻辑块地址寻址）：Large Block Addressing

• 使用绝对扇区号（逻辑块号）来标识数据位置。

硬盘工作原理

1. 数据访问流程：

• 步骤 1：确定数据存储的位置。

• 使用 CHS 或 LBA 寻址找到数据。

• 步骤 2：通过磁盘驱动接口向磁盘发送请求。

• disk drive interface接口发送的请求中包含目标地址和需要的操作（读或写）。

硬盘数据访问流程的核心是：

1. 通过 CHS 或 LBA 地址确定数据位置。

2. 向磁盘控制器发出请求。

3. 磁头移动、定位数据，并完成数据传输。

总结：

• CHS 和 LBA 是数据寻址的两种主要方法。

• LBA 由于其简单性，在现代硬盘中更为常用。

现代磁盘内部通常使用 LBA 表示位置，但为了兼容性，系统可以将 CHS 转换为 LBA

硬盘在过去 25 年的进步

1. 过去的硬盘：

• 容量：10 MB。

• 成本：约 100 英镑（约 1100 元人民币）每 MB。

2. 当前的硬盘：

• 容量：大于 300 GB。

• 成本：每 MB 少于半便士（极低成本）。

总结：

• 在过去 25 年，硬盘容量显著增加，成本显著降低，这是存储技术进步的体现。

硬盘 vs 主存（RAM）

1. 比较：

• 容量：硬盘容量更大。

• 速度：硬盘速度比主存慢得多。

• 成本：硬盘每 MB 的成本比主存更低。

2. 适用场景：

• 硬盘适合长期存储大量数据。

• 主存（RAM）适合高速临时存储运行数据。

磁盘缓存（Disk Cache）

1. 定义：

• 磁盘缓存是用主存的一部分作为缓冲区，临时存储要写入或读取磁盘的数据。

2. 特点：

• 磁盘写操作是聚集的（clustered）：

• 写操作通常集中处理，以减少频繁访问磁盘的开销。

• 写入数据后，这些数据可能会再次被访问：

• 缓存中的数据可以快速读取，无需再次访问磁盘。

3. 示例：

• Java 中的 flush() 方法用于将缓存中的数据强制写入磁盘。

存储技术

1. 读取（Reading）：

• 将文件从硬盘加载到 RAM 中。

• 示例：

• 加载应用程序。

• 打开文件（如文档或程序文件）。

2. 写入（Writing）：

• 将数据从 RAM 保存到硬盘或其他次级存储设备。

总结：

• 读取是从次级存储加载数据到主存。

• 写入是将主存的数据备份到次级存储。

文件、记录、字段和键

1. 文件（Files）：

• 例如：一个人事文件（Personnel File）。

• 文件是数据的集合。

2. 记录（Records）：

• 文件中的单条记录，例如某个人的个人数据。

• 示例：

• Adam Smith, 35, Manager, Purchasing。

3. 字段（Fields）：

• 记录中的具体数据项。

• 示例：

• 姓名（Name）、年龄（Age）、职位（Position）、部门（Job Function）。

4. 键（Key）：

• 标识记录的唯一字段。

• 示例：

• “Adam Smith”可以作为记录的主键。

总结：

• 文件由多条记录组成，每条记录包含若干字段，其中键用来唯一标识记录。

Virtual Memory 概念

• 虚拟内存定义：

• 一种技术，和缓存技术在某种意义上是相反的。

• 通过使用低级别内存（如硬盘）来扩展高级别内存（主内存）。

• 作用：

• 提供一种方便的方法，将主内存的数据溢出（overflowing）到磁盘中，从而扩展了主内存。

• 关键术语：

• Swap Area：磁盘中专门用于存储被溢出数据的区域，称为交换区。

Virtual Memory 限制

• 虚拟内存的逻辑表示：

• 虚拟内存上限：系统的虚拟内存可以扩展到的最大容量（如1GB）。

• 物理内存上限：实际存在的主内存容量（如512MB）。

• 通过虚拟内存，逻辑上看系统拥有比物理内存更大的内存空间。

• 图表含义：

• 虚拟内存在逻辑层面扩展了物理内存的限制。

Memory Management - Virtual Memory

• 虚拟内存的关键点：

• 虚拟内存使用的是硬盘空间（hard disk space）。

• 当处理器需要更多的RAM（主存）空间时，会将不常用的数据交换到硬盘的虚拟内存区域。

• 优缺点：

• 提高了内存的灵活性。

• 缺点是虚拟内存比直接访问RAM慢很多。

Virtual Memory Management

• 内存分块机制：

• 主存被分成若干固定大小的块，称为帧（Frames），每块大小通常为4KB。

• 可执行程序被分割成与帧大小一致的块，称为页（Pages）。

• 加载机制：

• 程序启动时，并不是将所有的页加载到主存，而是仅加载一部分（通常是程序开始需要的部分）。

• 其余的页存储在磁盘的**交换区（Swap Area）**中。

• 页面调入和交换：

• 当程序需要从尚未加载到主存的页中获取指令时，该页会从磁盘加载到主存中。

• 如果主存中没有空闲帧，则会选择最少使用的帧（Least Used Frame），将其内容写回磁盘，腾出空间加载新的页。

• 术语：

• 这种操作被称为页面交换（Swapping）。

虚拟内存数据交换图解

• 图解描述：

• 数据在硬盘和主存之间流动：

• Page Out：当内存空间不足时，将主存中的数据页移到硬盘。

• Page In：当需要硬盘上的数据时，将数据页从硬盘移回主存。

• 交换流程：

• 当数据页被频繁交换时，会影响系统性能（即页面抖动（Thrashing））。

Virtual Memory Addressing（虚拟内存寻址）

• 逻辑地址的概念：

• 在用户程序中，地址以32位逻辑地址（logical address）的形式存在。

• 4KB分页系统（paging system）中的寻址：

• 低12位：表示页内偏移（即页面内的具体地址address within a page）。

• 高20位：表示页号（即该逻辑地址对应的页面编号）。

• 作用：

• **内存管理单元（Memory Management Unit MMU）**负责将逻辑地址映射为帧号及帧内的具体地址。

 

Virtual Memory Management（虚拟内存管理架构）

• 系统架构图解：

• CPU：中央处理器负责处理指令。

• MMU（内存管理单元）：执行地址转换，将逻辑地址转换为物理地址。

• SRAM Cache（高速缓存）：提供快速访问临时存储的数据。

• Main Memory（主内存）：存储程序和当前活跃的数据。

• IO Subsystem（输入输出子系统）：与外部设备的交互通道。

• System Bus（系统总线）：连接各个组件以传输数据。

 

Q: When you save to this, your data will remain intact even when the computer is 

turned off.

• a. RAM（随机存取存储器）

• b. motherboard（主板）

• c. secondary storage device（辅助存储设备）

• d. primary storage device（主要存储设备）

• 答案：

• c. secondary storage device（辅助存储设备，如硬盘、SSD等）。

问题：哪种数据访问方法会减慢数据检索的过程？

• 选项：

• a. direct access storage（直接访问存储）

• b. sequential storage（顺序存储）

• c. random access storage（随机访问存储）

• 答案：

• b. sequential storage（顺序存储）。

Q: The closed, concentric rings on a diskette are referred to as

磁盘上的封闭同心圆被称为？

• 选项：

• a. grooves（凹槽）

• b. tracks（磁道）

• c. sectors（扇区）

• d. circles（圆）

• 答案：

• b. tracks（磁道）。

• 原因：磁盘上的数据以同心圆形式存储，每一个同心圆称为磁道。

• 问题：当从辅助存储（secondary storage）中检索文件并显示在屏幕上时，以下哪种情况是正确的？

• 选项：

• a. 实际上检索了所需文件的副本并将其放置在桌面上。

• b. 旧版本文件仍保留在辅助存储中。

• c. 文件被发送到ROM。

• d. 如果检索后没有修改文件内容，原始文件不会被替换。

• 答案：

• b. 旧版本文件仍保留在辅助存储中。

• 原因：文件检索通常是将文件副本加载到内存或缓冲区中，原始文件仍保存在辅助存储中。