计算机组成原理-学习笔记9-外部存储器

lecture 9 互连及输入输出组织

金字塔的下半部分

外部存储设备

• 特性
  • 储存不常使用的 数据量较大的信息
  • 非易失
• 类型
  • 磁盘储存器
  • 光储存器
  • 磁带
  • U盘 固态硬盘

磁盘存储器

• 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（更强的磁信号）
      • 磁头飞行在磁盘上面，其实是利用微空气动力学，磁盘高速旋转带来了高速的气流，附的气体磁头提供了升力。
    • 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

结构

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• 轴逆时针转
• 每个盘片有一个读写磁头，通过机械方式固定的同时移动
• 任何时候，所有磁头都等距离位于磁道上

磁头：

• 对盘片进行读写操作的装置叫做磁头

  • 磁头产生/感应电磁场

  • 磁头越窄，电磁感应能力越弱，离盘片的距离越近

  • 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）

    • 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

磁头读写机制

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• 读或写期间，磁头静止，盘片在下方旋转
• 磁头数量
  • 单磁头：读写公用（软盘/早期硬盘）
  • 双磁头：单独的读写（当代硬盘）

写入机制

• 电流脉冲被发送到写入磁头
• 变化的电流发出磁场
• 磁性图案（磁针）被记录在下方盘片
  • 反转电流方向，则记录介质上的磁化方向也会反转
  • 感应电流稳定需要时间
  • 单磁头时，不加电流可以读

读取机制

• 由部分屏蔽（为了精准获取下方）的磁阻（MR）敏感器组成，其电阻取决于下方介质的磁化方向
• 恒定电流通过MR敏感器时，通过电压检测电阻变化（U= IR）
• MR敏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
  • 电压改变比电流更快（读比写更快）
  • 比单磁头对磁性介质的要求低

数据组织（结构）

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• 一组同心圆环，称为磁道
• 数据以扇区的形式传输或传出到磁盘
  • 默认512B
• 磁道间有间隙
• 从外往里编号递增，磁头停止时在磁道0外侧

扇区划分

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• 恒定角速度
  • 增大信息位区隔，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：能直接从磁道号和扇区号寻址数据块
  • 缺点：磁盘储存容量受到最内层磁道的最大记录密度的限制
• 多带式记录/多重区域记录
  • 距离中心较远的分区包含的扇区数多于距离中心较近的分区
  • 优点：提升存储容量
  • 缺点：需要更复杂的电路
• 所有盘片上处于相同的相对位置的一组磁道被称为柱面(cylinder)
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格式化

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• 低级格式化/物理格式化

  • 清除数据
  • 有损：是一种损伤性操作，它对硬盘寿命有影响
  • 建议场景：硬盘受到外部强磁体、强磁场的影响而受到物理性损伤的情况

• 高级格式化/逻辑格式化

  • 在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

    • 快速格式化：会删除目标磁盘上原有的文件分配表和根目录，不检测坏道，

      不备份数据，它格式化的速度很快，但不是很稳定。

    • 一般/完全格式化：会清除目标磁盘上的所有的数据。重新生成引导信息、初始化文件分配表、标注逻辑坏道，一样不备份数据。

IO访问时间

• 寻道时间：
  • 磁头定位到所需移动到的磁道所花费的时间。
    • 初始启动时间:跨越若干磁道所用的时间
• 旋转延迟
  • 等待响应扇区的起始处到达磁头所需的时间
  • 通常是磁道旋转半周所需的时间1/2r
• 传送时间
  • 

T = 秒/每转 * 圈数b/N

• 平均访问时间

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  • 对于每个磁道都需要考虑旋转延迟

  • 通常只需要考虑第一个磁道的寻道时间，但在明确知道跨越每个磁道

    需要的时间时需要考虑

• 1 /(15000rpm) = 4ms

  • rpm = 转 每60s

磁头寻道算法

• 目标：当有 多个访问磁盘任务 时，使得 平均寻道时间最小

• 常见的磁头寻道/磁盘调度算法

​ • 先来先服务（First Come First Service，FCFS）

​ • 最短寻道时间优先（Shortest Seek Time First，SSTF）

​ • 扫描/电梯（SCAN）

​ • 循环扫描（C-SCAN）

​ • LOOK

​ • C-LOOK

先来先服务（FCFS)

• 按照请求访问磁盘的先后次序进行处理

• 优点：公平简单

• 缺点：如果有大量访问磁盘的任务，且请求访问的磁道很分散，则性

  能上很差，寻道时间长

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最短寻道时间优先（ SSTF ）

• 优先处理起始位置与当前磁头位置最接近的读写任务
  • 优点：每次的寻道时间最短（局部最优），平均寻道时间缩短
  • 缺点：可能产生饥饿现象，尤其是位于两端的磁道请求
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扫描/电梯（SCAN）

• 总是按照一个方向进行磁盘调度，直到该方向上的边缘，然后改变方向

  • 优点：性能较好，平均寻道时间短，不会产生饥饿现象
  • 缺点：只有到最边上的磁道才能改变磁头的移动方向，对于各个位置磁

  道响应频率不平均

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循环扫描（ C-SCAN ）

• 只有磁头朝某个方向移动时才会响应请求，移动到边缘后立即让磁头返 回起点，返回途中不做任何处理
  • 优点：与SCAN算法相比，对于各位置磁道的响应频率平均
  • 缺点：与SCAN算法相比，平均寻道时间更长
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LOOK算法

• SCAN算法的升级，只要磁头移动方向上不再有请求就立即改变磁头的方向
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C-LOOK算法

• C-SCAN算法的改进，只要在磁头移动方向上不再有请求，就立即让磁头返回起点
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光储存器

• 类型

  • 光盘（Compact disk CD）

  • 光盘只读存储器（CD read-only memory，CD-ROM）

  • 可刻录光盘（CD recordable，CD-R）

  • 可重写光盘（CD rewritable，CD-RW）

  • 数字多功能光盘（digital versatile disk，DVD）

  • 可刻录DVD（DVD recordable，DVD-R）

    • 可重写DVD（DVD rewritable，DVD-RW）

    • 高清晰视频光盘（High definition video disk，Blu-Ray DVD）

CD和CD-ROM

CD-ROM更加耐用且有纠错功能

• 制作过程
  • 用精密聚焦的高强度激光束制造一个母盘
  • 以母盘作为模板压印出聚碳酸酯的复制品
  • 在凹坑表面上镀上一层高反射材料
  • 使用丙烯酸树脂保护高反射材料
  • 在丙烯酸树脂层上用丝网印刷术印制个性化标签

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• 读取

  • 通过安装在光盘播放器或驱动装置内的低强度激光束从CD或CD-ROM处读

    取信息

    • 如果激光束照在凹坑（pit）上，由于凹坑表面有些不平，因此光被散

      射，反射回低强度的激光

      如果激光束照在台（land）上，台的表面光滑平坦，反射回来的是高

      强度的激光

  • 盘片上包含一条单螺旋的轨道，轨道上所有扇区长度相同

    • 轨道由内向外转，角速度变小
    • 凹坑被激光以恒定线速度读出（扇区长度相同）

• 优点

  • 大规模廉价复制
  • 光盘可更换

• 缺点

  • 只读的不可更改
  • 存取时间比磁盘长的多

CD-R和CD-RW

反射率可改变

材料老化最终会永久失去相位可变的特性，当前的材料可用于50万次到100万次的擦除

DVD

组装更紧密

有多层结构，有半反射层， 可调整焦距读取每一层

DVD-ROM 可以用两面记录数据

高清晰光盘

• 使用更短波长的激光（在蓝-紫光范围），可以实现更高的位密度（数据凹坑相对更小）
• 和衍射公式相关

磁带

和磁盘类似的记录和读取技术

• 记录
  • 介质是柔韧的聚酯薄膜带，外涂磁性材料
• 读取
  • 磁带：顺序读取（sequential-access）
  • 磁盘：直接读取（direct-access）(能寻道)
  • 并行记录 （图b）vs. 串行记录（蛇形记录图a）

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U盘和固态硬盘

• U盘
  • 采用了快闪存储器，属于非易失性半导体存储器
  • 相比于软盘和光盘：体积小，容量大，携带方便，寿命长达数年
• 固态硬盘
  • 与U盘没有本质区别：容量更大，存储性能更好
  • 与硬磁盘存储器相比：抗振性好，无噪声，能耗低，发热量低