《计算机组织结构》期末复习-第9讲-外部存储器

最新推荐文章于 2024-05-11 21:15:35 发布

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第9讲-外部存储器

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外部存储器

特性：用于存储不经常使用的、数据量较大的信息；非易失。
类型：
- 磁盘存储器（magnetic disk disk）
- 光存储器（optical memory memory）
- 磁带（magnetic tape tape）
- U盘（USB flash disk disk）
- 固态硬盘（solid state disk disk，SSD）

磁盘

磁盘是由涂有可磁化材料的非磁性材料（基材）构成的圆形盘片
- 基材：铝、铝合金、玻璃
- 玻璃基材的优势（稳定可靠、为存储更多信息提供基础）
  - 改善磁膜表面的均匀性，提高磁盘的可靠性
  - 显著减少整体表面瑕疵，以帮助减少读写错误
  - 能够支持（磁头）较低的飞行高度
  - 更高的硬度，使磁盘转动时更加稳定
  - 更强的抗冲击和抗损伤能力
类型：硬盘、软盘
磁头：对盘片进行读写操作的装置
- 磁盘存储器每个盘片表面有一个读写磁头，所有磁头通过机械方式固定在一起，同时移动。在任何时候，所有磁头都位于距磁盘中心等距离的磁道上。
- 磁头必须产生或感应足够大的电磁场，以便正确地读写
- 磁头越窄，电磁感应能力越弱，离盘片的距离就越近
- 更高的数据密度需要更窄的磁头和更窄的磁道，这将导致更高的出错风险
- 硬盘必须密封
- 温彻斯特磁头（Winchester head head）
  - 磁头实际上是一个空气动力箔片，当磁盘静止时，它轻轻地停留在盘片的表面上
  - 旋转圆盘时产生的空气压力足以使箔片上升到盘片表面上方
读写机制
- 在读或写操作期间，磁头静止，而盘片在其下方旋转
- 磁头的数量
  - 单磁头：读写公用同一个磁头（软盘、早期硬盘）
  - 双磁头：使用一个单独的磁头进行读写（当代硬盘）
- 写入机制
  - 电流脉冲被发送到写入磁头
  - 变化的电流激发出磁场
  - 产生的磁性图案被记录在下面的盘片表面上
  - 反转电流方向，则记录介质上的磁化方向也会反转，由此区分0和1
- 读取机制
  - 旧的磁盘系统使用单磁头，当磁盘在磁头下方旋转时，会产生与记录的磁极相同的电流，根据电流方向读取数据。
  - 现代磁盘用单独的读磁头
    - 读取磁头是由一个部分屏蔽的磁阻（MRMR）敏感器组成，其电阻取决于在其下移动的介质的磁化方向
    - 恒定电流通过MR 敏感器时，通过电压信号检测其电阻变化
    - MR传感器允许更高频率的操作，实现更高的存储密度和更快的操作速度
数据组织
- 盘片上的数据组织呈现为一组同心圆环，称为磁道（track）。
- 数据以扇区（sector）的形式传输到磁盘或从传出磁盘（一般为512字节）。
- 相邻磁道之间有间隙（gap），相邻的扇区之间也留有间隙，否则磁场容易相互影响。
- 磁道编号从外往里递增（0~N），磁头静止时停在磁道0 外侧。
- 扇区划分
  - 恒定角速度（Constant angular velocity, CAV)：增大记录在盘片区域上的信息位的间隔，使得磁盘能够以恒定的速度扫描信息，即恒定的数据传输率
    - 优点：能以磁道号和扇区号直接寻址各个数据块
    - 缺点：磁盘存储容量受到了最内层磁道所能实现的最大记录密度的限制
  - 多带式记录 / 多重区域记录（Multiple zone recording）：将盘面划分为多个同心圆区域，每个区域中各磁道的扇区数量是相同的，距离中心较远的分区包