图片来源：南京大学软件学院COA课程PPT

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10 外部存储器

外存不在计算机系统的内部，不在冯诺依曼架构中

用于存储不常用，数据量大的数据，外存是非易失的

磁盘存储器

玻璃基材更具优势

其中，能够支持磁头有较低的飞行高度。飞行高度是指磁头离盘片的高度，飞行高度越低，能分辨的范围就越小，那么磁盘上就能把更小的范围作为一个单元，这样存储的信息就能更多

飞行高度取决于基材的性质，飞行高度越低，就要求基材越平整（否则就可能撞到），同时要求基材受外界环境因素如气温的影响要小，如温度变化时形变小

基材的圆片是软的那么就是软盘，硬的就是硬盘

软盘的存储数据量为1.44MB，常用的就是容量为1.44MB的3.5英寸软盘，之后由于U盘的出现，软盘的应用逐渐衰落直至淘汰

硬盘可以多个盘片叠在一起，增大容量，而软盘只有一层；硬盘更加稳定，软盘很容易坏

结构

蓝色的是中间的轴，红色的是盘片，盘片的两个面都可以用来存储信息，绿色的是读写头，可以移动读写头的位置来读取/写入想要的信息

每一个面都需要一个读写磁头，所有的磁头都是固定在一起，同时移动的，所处位置相同。盘片是和轴固定在一起的，一起旋转，转速相同。

磁头只能在一条直线上来回移动，盘片在旋转移动。

温彻斯特磁头：盘片静止时，停留在盘片上，盘片选择时，空气压力使得磁头上升，从而达到一个比较小飞行高度

读写机制

读写时静止是指读写单个位置的信息时，磁头当然是不动的，但在广义的读写上，磁头当然是要移动的

现在的硬盘用两个磁头（双磁头）分别来进行读和写

早期单磁头的使用的仅仅是上面的写磁头，也即利用感应磁场来进行写入，感应电流来读取（但显然感应电流的产生需要变化的磁场，同时电流不够稳定，因此利用感应电流来读取信息效率不好）（应该是根据感应电流的方向来判断信息，如果没有产生感应电流，那么信息和之前的一样）

后来新加入的读取磁头利用的是一个磁阻敏感器，根据磁场的方向不同，敏感器的电阻会改变，通过检测敏感器的电压变化即可实现读取信息，效率更高，因此硬盘的读取速度一般比写入速度快。同时使用这种方式，对介质的大小要求也会更低*（如果是感应电流，那么介质面积不能太小，否则可能产生不了感应电流）*，因此存储密度也可以更高

数据组织

数据以扇区的形式来传输信息，默认一个扇区是512B（即使面积大小不同的扇区容量也都一样为512B）

磁道从外往里面编号，最外面是0，里面是N

磁头不读取信息时会停留在最外侧，也即磁道0

扇区划分——恒定角速度（CAV）

扇区划分——多带式记录/多重区域记录

外层的扇区数目多于内层，而扇区的容量是一样的，同时为了保证数据传输的稳定性（即读写不同区域的速度应当一样）因此外层扇区对应的圆心角会更小，所以在读取外层数据时，盘的转速要小，而内层扇区对应的圆心角会更大，因此读取内层数据盘的转速要更大。这样需要更加精细的调控，所以电路更加复杂

注意：上图中的一个同心圆不是一个磁道，而是一组磁道，里面包含了多个磁道 （因为往外一个磁道，周长的增加是很小的，可能不够在多放进去一个扇区，所以这个磁道应当保持和里面一层磁道相同的扇区划分，就像恒定角速度划分一样，即多个相邻磁道是采用恒定角速度的）

格式化

如何将磁盘按上面说的数据组织方式来组织呢？并不是在加工时就划分好，而是后期来处理的，这个过程就是格式化

同步字节是用来告诉磁头接下来就是一个新的扇区了，就可以读取后面的内容来判断如扇号等信息了

间隙的留出是让磁头去处理判定读到的信息如扇号是不是想要的那个（因为盘是不停地在转的，而判断需要时间，如果没有间隙，数据和扇号紧挨着，那么当判定完时，数据已经转过一部分了。如果判断的时间是固定的，那么就可以用一个固定长度的间隙让其反应）。转速越快，那么间隙就要越大

• 仅消除数据是高级格式化

• 建立磁道，建立扇区是低级格式化，完全清除数据，对整个硬盘做格式化，不能区分C/D盘等，同时低级格式化是对硬盘有损伤的

现在的新标准是是指将8个扇区（每扇区512Byte）重新定义为一个“4K扇区”格式，共用1个ID，这样可以提高效率，一次读取数据只要读取更少的扇区即可

新标准的"4K扇区"硬盘，为了保证与之前512B的兼容性，会将扇区模拟成512B，这才会有4K扇区和4K簇不对齐的情况发生

I/O访问时间

访问多个相邻磁道

• 旋转延迟都要考虑

• 寻道时间通常指考虑第一个磁道的寻道时间，因为后续磁道很近，寻道时间非常短，但在明确指出跨越每个磁道的寻道时间时仍要考虑

这里随机存取，平均寻道时间是要算入的，因为不是相邻的磁道

显然顺序组织的方式速度更快

计算机中的磁盘整理就是把分散的文件信息放到连续的一起，因此一定的磁盘整理是有必要的，但不能过于频繁，因为在这个过程中会对磁盘有大量的读写，会对磁盘有损伤

磁头寻道/磁盘调度

先来先服务（FCFS）

最短寻道时间优先（SSTF）

饥饿现象是指最边上的会很难被访问到，要一直等待

扫描/电梯（SCAN）

先以一个方向到头，再返回，循环往复，对于不同位置的磁道响应频率不同，靠近两端的会在一次响应后很快又得到一次响应，而明明刚刚已经处理过了，这时再次响应会有所浪费，而再下一次想要响应间隔时间又会很长，也即两次响应的间隔不均匀（中间的磁道是均匀的）

循环扫描（C-SCAN）

LOOK

对SCAN的升级，但也有代价：如果调转方向后，又产生了原来方向上的任务，这时候就会导致这个新任务需要较长时间才能被响应

C-LOOK

光存储器

CD和CD-ROM

CD和CD-ROM都是只读的，只是CD-ROM具有耐用和纠错的功能，因此加了给ROM后缀

保护高反射材料的丙烯酸树脂保护层是不透明的，而聚碳酸酯塑料是透明的，因此上图中，下面是反光的那一层，上面是可以用来印制图案的，即标签

光盘需要光驱来读取，事实上磁盘也是需要特定的驱动器来读取的，但随着磁盘容量增大，对环境的要求增大，因此磁盘驱动器是和磁盘绑定在一起了，但光盘的容量小，且比较廉价，因此和光驱还是分开的

用低强度激光来读取

光盘中是以一根单螺旋线来存储信息的，而不是和磁盘那样分磁道，因此，光盘上所有扇区长度一样长，就像是把一根直线弯曲成一圈圈圆

同样为了保证读取速度的恒定，光驱应当以恒定的线速度读出，所以盘片要变速选旋转

光盘的一个扇区分为4个部分（如图以CD-ROM为例）：同步区，ID区，数据区，纠错区（CD-ROM有纠错功能）

CD-ROM的容量大约为650MB

CD-R和CD-RW

CD-R（可刻录）只能写一次，CD-RW（可重写）可以写多次。使用高强度激光来改变

DVD（DVD-R/DVD-RW）

DVD的容量更大，因此DVD的激光束会比较细，波长更短，这也是为什么DVD的光驱可以读CD的，但反过来CD的光驱不能读DVD

DVD采用两层结构（一个半反射层，一个全反射层），注意不是两面，而是在一面中有两层，通过调整激光束可以读取不同层的信息

DVD-ROM是用两面都可以用于记录

高清晰光盘

磁带

串行记录（蛇形记录）方式，如上图，是左右的蛇形方式，先在磁道0上从左读写到右，再从磁道1上从右到左读写。

上图下面的一张是指在局部上会有并行，但整体主要是串行方式，比如有12个磁道，从左到右先同时读取0-3这4个磁道，再从右到左读写4-7这4个磁道

U盘和固态硬盘

内存和外存的界限在变得模糊

总结