外部存储器，主要介绍磁盘存储器（结构、读写、数据组织），略带介绍光盘、磁带、快闪存储器。

# Lecture09 - 外部存储器

# 外部存储器简介

# 磁盘存储器

磁盘是一种由非磁性材料制成称为衬底（基材）的圆盘，其上涂有一层磁性材料。

磁可以保持稳定。

玻璃基材有很多优点。

飞行高度 —— 磁头并不直接接触磁道。飞行高度更低，面对的数据（面积）更小，电磁感应更强，更利于读写数据。磁盘读取很快，如果直接接触，会导致较大的摩擦力，会毁坏磁盘。

坏道，在无尘环境中修复。（唱片）的针扫到 “灰尘”，会有吱呀吱呀的声音。

# 磁盘存储器类型

软盘（读写头在读或写操作时实际地物理接触磁表面，其容量小、使用灵活和价格便宜）

# 硬磁盘存储器

# 结构 —— 轴盘头臂

多个盘片，盘间相隔约 1 英寸。

大多数磁盘是两面都有可磁化的涂层，称为双面磁盘。

在上图中，共有 10 个面，有 6 个磁头，中间 4 个是双面的。

温彻斯特磁盘（温氏磁盘）

# 读写机制

读写速度由电磁感应的物理速度限制。

MR magnetoresistive 磁阻

红框应该框中 MR 敏感器，MR 敏感器是为了满足更高的读速度的要求而出现。MR 敏感器对磁场较为敏感，需要做屏蔽机制，防止周围的磁场造成影响。

# 数据组织 —— 磁道、扇区

每个盘面上有上千个磁道。

相邻磁道间隙 —— 防止或至少可以减少由于磁头为对准或磁域干扰所引起的错误。

相邻扇区间隙 —— 避免对系统提出不合理的定位精度要求。

扇区默认大小为 512B。（如果题目中没有说明，则采用默认值 512B）

编号从外向里递增。

# CAV constant angular velocity 恒定角速度

优点：直接寻址

缺点：容量限制

# Multiple zone recording 多重区域记录

同一个区域以相同的角速度转，不同的区域以不同的角速度转。区域可以包含多个磁道（相邻磁道之间的周长相差不大，所以需要隔一些磁道进行分组）

# 格式化

图中，每个扇区有 600 字节，包含 512 字节的数据和磁盘控制器使用的控制信息。

同步字节 ——ID 域开始特定的 01 序列

扇区间隙 —— 没有被磁化，既不表示 0，也不表示 1。有延时。

数据域 ——4096 是主流标准，512 是之前的标准，因为之前需要存储的程序和数据较小，存储大小大会造成碎片化问题。混用的时候，把 4096 分为 8 个区域，共享同一个 ID。

快速格式化并没有清除数据，而是标注可写。

# IO 访问时间

# 寻道时间、旋转延迟、传送时间

旋转延迟 —— 可能刚好到，也可能刚好错过，取平均为半周

访问时间 = 寻道时间（如果有） + 旋转延迟【是到达读写位置所需的时间】

rpm 转速常用单位 resolution per minute

寻道时间只考虑第一个磁道 —— 访问相邻的磁道，磁道很窄、移动时间可以忽略不计

# 案例

1 / (2 * 15000 / 60) = 0.002 s = 2ms【注意单位的统一】

500 / (500 * 15000 / 60) = 4ms

# 磁头寻道、磁盘调度

# 先来先服务

# 最短寻道时间优先

最短寻道时间优先 (SSTF) 算法会导致 “饥饿” 现象发生，因为只要不断有新进程的请求到达，且其所要访问的磁道与磁头当前所在磁道的距离较近，这种新进程的 I/O 请求必然优先满足（也就是距离磁头当前所在磁道的距离较远的磁道总是得不到访问）。

# 扫描 / 电梯 SCAN

# 循环扫描 C-SCAN

# LOOK (SCAN 算法的升级)

# C-LOOK（C-SCAN 算法的改进）

# 光存储器

# CD 和 CD-ROM

# 制造方法

在凹坑表面镀上一层高反射材料（一般采用铝，HQCD 采用银合金）

# 读取

光传感器检测凹坑与台之间的反射光强弱变化，并将其转换成数字信号。传感器以规整的间隔检测表面。一个凹坑的开始或结束表示一个 1；间隔之间无标高变动出现时，记录为一个 0。
单螺旋式轨道 —— 凹坑被激光以恒定线速度（CLV，constant linear velocity）读出
CD-ROM 块格式

# 优缺点

# CD-R 和 CD-RW

# CD-R

可刻录 CD—— 一写多读

# CD-RW

可重写盘 —— 多写

使用了光致相变材料

# DVD 数字多功能光盘

# 高清晰光盘

衍射极限公式：

波长 lambda 和分辨两点的最小距离 D 正相关

# 磁带

磁性材料，有许多磁针，根据磁场方向发生变化。

磁带顺序读取 —— 依次读取，想要读取前面的必须倒带

直接存取 —— 不需要顺序读取磁盘上的所有扇区

并行记录（parallel recording）读写蛇形

串行记录（serial recording）（蛇形记录 serpentine recording 时串行记录的典型记录技术）

6-14(a)

6-14 (b) 为了提高速度，读 - 写头能同时对几个相邻磁道进行读写操作

# 快闪存储器

# U 盘和固态硬盘

# 总结