# 外存类型

• 磁盘
  • 硬盘，软盘
  • RAID (redundant array of independent Disks)
  • 可拆卸硬盘
• 光学的
  • CD-ROM
  • CD-writable
  • CD-RW
  • DVD: digital video disk
• 磁带

# 磁盘

金属或塑料盘片，涂覆有可磁化的材料（铁氧化物… 锈）
根据极性记录数据。
头部：导电线圈
在读 / 写的时候，头部是固定的，盘片在旋转。
基底过去是铝。
现在是玻璃。
改进了表面的均匀性。
提高了可靠性。
减少了表面缺陷。
减少了读 / 写错误。
降低飞行高度（稍后详述）。
更好的刚度。
更好的抗冲击 / 防损伤效果。

# 读写机制

# 写

通过一个被称为 “头” 的导电线圈进行记录和检索
可能是单一的读 / 写头或分别的头
在进行读 / 写操作时，头保持静止，盘片旋转
写入：电流流经线圈产生磁场
线圈中的电流能够产生磁场
正负电流给出不同的脉冲信号，以在磁盘上产生不同的磁区，分别代表 0 或 1。
在下面的表面记录磁性模式

# 读

(传统) 读取

• 磁场相对于线圈的移动产生电流
• 不同极性会产生不同方向的电流
• 线圈在读取和写入时是相同的

(现代) 读取

• 独立的读取头，靠近写入头
• 部分屏蔽的磁阻 (MR) 器件
• 电阻依赖于磁场的方向
• 高频运行
• 更高的存储密度和速度

# 数据组织与格式化

• 同心环或轨道
  一个环就是一条轨道，每条轨道的宽度与磁头的宽度相同
  轨道之间存在间隙，以防止数据干扰
  减小间隙可以增加容量
  每条轨道上的比特数相同（变动的存储密度）
  简化电路
  从外到内，数据密度逐渐增加
  常数角速度
• 轨道被划分为扇区
  每条轨道包含 10~100 个扇区
  轨道内部 / 记录之间的间隙
• 最小的块尺寸是一个扇区
• 可能有超过一个扇区的块

# 磁盘速度

• 旋转磁盘中心附近的位比磁盘外侧的位通过固定点的速度慢
• 增加不同轨道之间的位距
• 以恒定角速度（CAV）旋转磁盘
  产生像饼图形状的扇区和同心轨道
  单独的轨道和扇区可寻址
  将磁头移至给定轨道并等待给定扇区
  外侧轨道上的空间浪费
  数据密度较低
• 可以使用分区来增加容量
  每个分区都有固定的每轨位数 (靠近内部的块小，但和外部的块有相同容量，为了改善，改变块大小)
  电路更复杂

# 扇区中的控制数据

# 物理特性

固定磁头

• 每轨一个读写头
• 磁头安装在固定刚性臂上
  可移动磁头
• 每面一个读写头
• 安装在可移动的臂上
• 该臂可以伸出或缩回

可移动磁盘

• 可从驱动器中取出并替换为另一张磁盘
• 提供无限的存储容量
• 系统间数据传输方便

不可移动磁盘

• 永久装载在驱动器中

双面磁盘
单面磁盘，例如：软盘
多盘片：两个盘片之间 1 英寸，每个表面都有一个读写头，也被称为磁盘组，例如：硬盘

• 每面一个读写头
• 读写头是连接并对齐的
• 每个盘片上对齐的磁道形成了柱面
• 数据通过柱面进行条带化 – 这减少了读写头运动，并提高了速度（传输率）

Winchester 硬盘
由美国 Winchester 的 IBM 公司开发
密封单元
一个或多个盘片（磁盘）
当磁盘旋转时，读写头在边界空气层上飞行
非常小的读写头到磁盘间隙
越来越强大
通用
便宜
最快的外部存储
容量一直在增大
现在，500GB 的容量已经很容易获得

磁头机制

• 接触式：磁头直接接触磁盘表面，例如软盘。
• 固定间隙：磁头和表面之间的空气隙，例如硬盘。
• 空气动力学隙：磁头越窄，轨道越窄，数据密度越大，必须更靠近盘片表面，且错误更容易产生。
  对于 Winchester 磁盘，当磁盘静止时，磁头轻轻地休息在盘片表面上。然而，当磁盘旋转时，旋转产生的气压足够使磁头升离表面。

# 组织层次

• 主机
• disk controller:I/O interface including Cache memory (2-16MB). Typical disk interfaces:
• disk driver
• disks

# 性能指标

• 磁头 head
• 柱面 cylinder
• 磁道 track
• 扇区 sector

1. seek time 寻道时间
   寻道时间指的是移动磁盘臂所要求的磁道处所花费的时间
   跨越时间不是线性的，还包括一个校正时间
2. rotational delay 旋转延迟
   这个是可估计的，磁盘恒定速率旋转
   平均访问延迟：磁盘转半圈所用的时间
   转速度量单位是转 / 分钟
3. transfer time 传送时间
   决定因素：传送文件的大小；旋转速度
   公式：$T=\frac{b}{rN}$
   T：传送时间 b：传送的字节数 N：每磁道的字节数 r：旋转速率，单位是转 / 秒
   总的平均访问时间位：
   $T_a = T_s + \frac{1}{2r}+\frac{b}{rN}$,
   $T_s$ 是平均寻道时间

# Solid State Drives 固态硬盘

固态硬盘 （SSD） 是一种由固态组件制成的内存设备，可用于替代机械硬盘 （HDD）， 固态一词是指用半导体制造的电子电路

SSD 现在使用的半导体存储器是闪存 flash

跟机械硬盘相比，SSD 具有以下优点：

• 每秒高性能输入 \ 输出操作 IOPS
• 耐久性、寿命长
• 降低功耗，更安静
• 较低的访问时间和延迟率

# SSD 特有的两个实际问题

• SSD 性能在使用设备时有减速的趋势
  必须从闪存中读取整个块，并放置在 RAM 缓冲器中
  在将块写回闪存之前，必须擦除整个闪存块
  缓冲器的整个块现在被写回闪存 ，书写变慢
  解决方案：设置预留空间 overprovisioning 和擦除命令 trim command
• 在写一定数量的字后，闪存变得无法使用 -
  延长寿命的技术：
  前端闪存，带有缓存以延迟和组写操作
  使用均匀分布的磨损调平算法，在块之间写字
  坏块管理技术
  大多数闪存设备估计自己的剩余寿命，以便系统可以预测故障并采取先发制人的行动

# 光盘

# CD-ROM

盘本体由树脂（聚碳酸酯）制成，信息以一系列微凹坑方式刻录在表面，通过激光反射光强变化来识别。

等线速度，螺旋型存储

CD-ROM 比 CD 能力强，CD 只能存音频，CD-ROM 具有纠错机制，可以存程序。

也是以扇区作为传输单位
随机访问较困难

# WORM-CD

一次写入，多次读取 CD
主盘是通过爆破水泡来写入的
恒定角速度，牺牲了一些容量
与 CD-ROM 驱动器兼容
用于存档文档和文件

# 可擦写光盘

可以反复书写和重写

驱动程序可以发出两种激光，一种是强激光，可以改变用于书写的相位，另一种是弱激光，用于读取

# DVD

DVD：容量很大，是光盘的 7 倍 (可达 100GB+)

波长更短，坑更小，道之间的 gap 更小

# 磁带

• 带式系统使用与磁盘系统相同的读取和记录技术。
• 以块（称为物理记录）进行读写，中间由记录间隙分隔
• 新型磁带使用 18/36 个轨道
• 串行访问，速度慢
• 非常便宜
• 大容量
• 以前的磁带
  4G 字节未压缩
  8G 字节压缩
  - 当前的磁带
  超过 10TB+
  备份和存档

# 词汇

1. Head：磁头

2. Track：磁道

3. Sector：[扇] 区]

4. Intratrack gap：道内间隙

5. Intersector gap：扇区间间隙

6. Floppy disk：软盘

7. Redundancy：冗余

8. Queuing time: 排队时间

9. Transaction-oriented: 面向事务的

10. Exclusive-or calculation : 异或运算

11. Mean time to repair (MTTR): 平均修复时间

12. Erasable optic disk：可擦写光盘

# Key points

Organization of Disk System
Disk Performance Parameters
SSD
Types of optical memory