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磁盘是广为应用的保存大量数据的存储设备#xff0c;存储数据的数量级可以达到几百到几千千兆字节#xff0c;而基于RAM的存储器只能有几百或几千兆字节。不过#xff0c;从磁盘上读信息的时间为毫秒级#xff0c;比从DRAM读慢了10万倍#xff0c;比从SRAM读慢了…磁盘存储
磁盘是广为应用的保存大量数据的存储设备存储数据的数量级可以达到几百到几千千兆字节而基于RAM的存储器只能有几百或几千兆字节。不过从磁盘上读信息的时间为毫秒级比从DRAM读慢了10万倍比从SRAM读慢了100万倍。
1. 磁盘构造
磁盘是由盘片platter)构成的。每个盘片有两面或者称为表面surface)表面覆盖着磁性记录材料。盘片中央有一个可以旋转的主轴spindle)它使得盘片以固定的旋转速率 (rotational rate)旋转通常是 5400~15000 转每分钟Revolution Per MinuteRPM)。磁盘通常包含一个或多个这样的盘片并封装在一个密封的容器内。
下图中展示了一个典型的磁盘表面的结构。 每个表面是由一组称为磁道track)的同心圆组成的。每个磁道被划分为一组扇区sector)。每个扇区包含相等数量的数据位通常是512 字节这些数据编码在扇区上的磁性材料中。扇区之间由一些间隙gap)分隔开 这些间隙中不存储数据位。间隙存储用来标识扇区的格式化位。
盘是由一个或多个叠放在一起的盘片组成的它们被封装在一个密封的包装里如下图所示。整个装置通常被称为磁盘驱动器d1sk drive)通常简称为磁盘disk)。 2. 磁盘容量
一个磁盘上可以记录的最大位数称为它的最大容量或者简称为容量。磁盘容量是由以下技术因素决定的
记录密度recording density)(位/英寸磁道一英寸的段中可以放入的位数。
磁道密度track density)(道/英寸从盘片中心出发半径上一英寸的段内可以有的磁道数。
面密度areal density)(位/平方英寸记录密度与磁道密度的乘积。
下面的公式给出了一个磁盘的容量: 3. 磁盘操作
磁盘用读/写头read/write head)来读写存储在磁性表面的位而读写头连接到一个传动臂actuator arm)—端如图 所示。 传动臂沿着半径轴前后移动称之为寻道seek)。
磁盘以扇区大小的块来读写数据。对扇区的访问时间access time)有三个主要的部分
寻道时间seek time)为了读取某个目标扇区的内容传动臂首先将读/写头定位到包含目标扇区的磁道上。移动传动臂所需的时间称为寻道时间。
旋转时间rotational latency)一旦读/写头定位到了期望的磁道驱动器等待目标扇区的第一个位旋 转到读/写头下。这个步骤的性能依赖于当读/写头到达目标扇区时盘面的位置以及 磁盘的旋转速度。
最大旋转延迟以秒为单位是 传送时间transfer time)当目标扇区的第一个位位于读/写头下时驱动器就可以开始读或者写该扇区的内容了。一个扇区的传送时间依赖于旋转速度和每条磁道的扇区数目。
一个扇区以秒为单位的平均传送时间如下 4. 逻辑磁盘块
由于现代磁盘构造复杂有多个盘面这些盘面上有不同的记录区。为了对操作系统隐藏这样的复杂性现代磁盘将它们的构造呈现为一个简单的视图一个B个扇区大小的逻辑块的序列编号为0,1…B—1。磁盘封装中有一个小的硬件/固件设备称为磁盘控制器维护着逻辑块号和实际物理磁盘扇区之间的映射关系。
5. 连接 I/O设备
例如图形卡、监视器、鼠标、键盘和磁盘这样的输人/输出I/O)设备都是通过 I/O 总线例如Intel 的外围设备互连Peripheral Component Interconnect, PCI)总线连接到 CPU 和主存的。系统总线和内存总线是与CPU相关的与它们不同诸如PCI这样的I/0总线设计成与底层CPU无关。例如PC和Mac都可以使用PCI总线。
虽然I/O总线比系统总线和内存总线慢但是它可以容纳种类繁多的第三方I/O设 备。例如在图中有三种不同类型的设备连接到总线。 通用串行总线Universal Serial Bus, USB)控制器是一个连接到 USB总线的设备的中转机构USB总线是一个广泛使用的标准连接各种外围I/O设备包括键盘、鼠标、调制解调器、数码相机、游戏操纵杆、打印机、外部磁盘驱动器和固态硬盘。
图形卡或适配器包含硬件和软件逻辑它们负责代表CPU在显示器上画像素。
主机总线适配器将一个或多个磁盘连接到I/O总线使用的是一个特别的主机总线接口定义的通信协议。
6. 访问磁盘
CPU使用一种称为内存映射I/Omemory-mapped I/O)的技术来向 I/O设备发射命令如下图。在使用内存映射I/O的系统中地址空间中有一块地址是为与I/O设备通信保留的。每个这样的地址称为一个I/O端口I/O port)。当一个设备连接到总线时它与一个或多个端口相关联(或它被映射到一个或多个端口。
