第8章 辅助存储器

辅助存储器（外存）容量大、成本低、非易失，用于长期保存程序和数据，包括磁盘、磁带、光盘和固态盘等。

8.1 种类与技术指标

六大技术指标

指标 说明 典型值
存储密度 道密度（tpi）+ 位密度（bpi）或面密度 磁道密度数百~数千tpi
存储容量 格式化容量（用户可用）≈ 非格式化容量×60%~70% —
寻址时间 平均寻址时间 = 平均找道时间 + 平均等待时间 磁盘~10ms
数据传输率 D_r = 记录密度 × 介质运动速度 —
误码率 出错位数 / 读出总位数 10^-8~10^-12
价格 位价格 = 设备价格 / 容量 磁盘 < 内存 < Cache

8.2 磁记录原理与记录方式

读写原理

  • 写入：磁头线圈通电流 → 磁头磁化 → 工作间隙产生漏磁场 → 介质表面磁性粒子磁化形成磁化单元
  • 读出：介质运动切割磁力线 → 读出线圈产生感应电压 e ∝ -N·dΦ/dt

磁记录方式

方式 特点 编码效率 自同步
RZ（归零制） 正脉冲=1，负脉冲=0，位间电流为0 低 无
NRZ（不归零制） 始终有电流，连续1或0时不改变方向 100% 无
NRZ1（见1就翻） 遇1翻转方向，遇0不变 100% 无
PM（调相制） 利用相位差180°代表0和1 50% 有
FM（调频制） 1在中心翻转且位间翻转，0仅位间翻转 50% 有
MFM（改进调频制） 1在中心翻转，连续0时在起始翻转 100% 有

编码效率 η = 位密度 / 最大磁化翻转密度

PRML（部分响应最大似然）技术：利用符号间干扰的规律性，通过计算观测消除干扰，进一步提高记录密度。

磁头技术

  • 感应式磁头：环形导磁体绕线圈，有工作间隙
  • MR磁头（磁致电阻效应）：专用读出磁头，输出灵敏度高且与转速无关
  • 浮动式磁头：硬盘磁头利用气垫悬浮于盘片表面，浮动间隙越小密度越高

8.3 磁盘存储器

温彻斯特磁盘

1973年IBM 3340首先采用。密封组合式，磁头、盘片、电机等制成不可拆卸整体，防尘好、可靠性高。

HDD组成

  1. 磁头定位驱动系统：步进电机（开环，精度低）或音圈电机（闭环，速度快精度高）
  2. 主轴系统：转速3600~15000rpm
  3. 数据控制系统：读写电路、磁头选择、索引区标等
  4. 盘组：记录面→磁道（同心圆）→扇区

磁盘地址格式：[记录面号] [磁道号] [扇区号]

磁盘Cache

由SRAM或DRAM组成（十余MB以上），Cache行是基本单位，采用"写通"或"写回"策略。预读策略利用局部性规则对顺序读操作特别有效。

RAID（独立冗余磁盘阵列）

1988年D.A. Patterson提出，基础是数据分块技术。

级别 名称 特点 容错
0 无冗余数据分块 I/O性能最高，无容错 无
1 镜像磁盘阵列 工作盘+镜像盘 盘故障可恢复
2 海明码+位交叉 可单纠错双检错 盘故障可恢复
3 奇偶校验+位交叉 一个奇偶校验盘，适合大批量数据 一个盘故障
4 奇偶校验+块交叉 独立访问 一个盘故障
5 奇偶校验+块交叉分布 校验信息分布到所有盘，无专用校验盘 一个盘故障
6 两种奇偶校验+块交叉 可靠性最高 两个盘故障
10 RAID 0+RAID 1 分块+镜像，性能和安全性兼备 盘故障可恢复

8.4 磁带存储器

  • 顺序存取设备，存取时间比磁盘长，但容量大、位价格低、格式统一
  • 数据流磁带机：数据块间不启停，简化结构
  • 记录方式：线性记录（磁道与带边平行）和螺旋扫描记录（磁道呈斜线，道密度高）
  • LTO-5：容量1.5TB/3.0TB（压缩），传输速度140~280MB/s
  • CRC纠错：CRC + 横向奇校验 + 纵向偶校验，可定位并纠正单磁道错误

8.5 光盘存储器

激光聚焦成直径＜1μm的小光点进行读写。

类型

类型 容量 特点
CD-ROM 650MB 只读，误码率＜10^-12
CD-R（WORM） 650MB 用户写入一次，不可修改
DVD 4.7~17GB 单/双面单/双层，红色激光650nm
蓝光光盘 25~100GB 蓝色激光405nm

读写原理

  • 形变：激光热作用在薄膜上形成凹坑（=1），无坑=0
  • 相变：晶态与非晶态的反射特性不同
  • 磁光（M-O）：热磁效应，检测光的偏振方向

8.6 固态盘（SSD）

采用半导体存储介质（NAND Flash或DRAM）和传统磁盘接口，无机械旋转活动。

  • 随机寻址速度比HDD快3个数量级
  • 传输速度恒定，不受内外圈影响
  • 防震，低功耗，无噪音
  • 成本高于HDD，寿命受限于Flash写入次数

考试重点

★★☆ 第二梯队

考点 典型题型
磁记录方式对比（NRZ1/FM/MFM） 对比表 + 编码分析
磁盘技术指标（容量/寻址时间/数据传输率） 计算
RAID级别对比 对比表 + 简答

★☆☆ 第三梯队

考点 典型题型
磁记录原理（读写过程） 简答
温彻斯特磁盘特点 简答
光盘类型对比（CD/DVD/蓝光） 对比简答
SSD vs HDD对比 简答
磁带存储器的特点 简答