前言本节核心三大模块机械磁盘磁表面存储器、固态硬盘 SSD、高速缓存 Cache。计组侧重硬件结构、性能计算操作系统侧重磁盘调度、页面管理两科知识点可互通但考察重点不同。磁盘、RAID、SSD、Cache 均为选择、计算题高频考点Cache 是本章重中之重。一、磁表面存储器机械硬盘 / 磁带1.底层读写原理写入原理盘 / 磁带表面涂磁性磁粉读写头是电磁铁线圈通入不同方向电流铁芯磁极改变磁化磁粉形成两种磁化状态规定左南右北 0左北右南 1以此存储二进制。读取原理切割磁感线磁介质划过磁头磁场变化在线圈产生不同方向电流电路解析出 0/1。核心硬件特性读写最小单位1bit串行读写主机并行 8bit 字节需串并转换电路读写不能同时进行磁表面存储器优缺点✅ 优点存储容量大单位成本低介质可反复擦写断电数据长期保存支持脱机移动存储非破坏性读出读取不改变磁化状态无需刷新再生。❌ 缺点存取速度慢依赖机械运动机械结构复杂故障率更高易受强磁场干扰数据丢失。补充磁盘同时属于输入、输出设备。2. 机械磁盘硬件结构整体分为磁盘驱动器机械部分 磁盘控制器电路板 IO 接口驱动器机械组成马达主轴带动所有盘片匀速旋转多层盘片正反两面涂磁介质单面 / 双面均可存储磁头臂可径向内外移动每个记录面对应独立读写磁头读写磁头完成 1bit 串行读写。磁盘存储分区专业名词磁道单个盘面一圈环形磁介质同心圆柱面所有盘片同一半径位置的全部磁道垂直组成一个柱面柱面号 磁道径向位置扇区单条磁道切分扇形小块主机读写最小单位是扇区磁头一个盘面对应一个磁头盘面号用来选择激活对应磁头。磁盘控制器IO 接口芯片实现磁盘与主机的数据交互常见标准IDE (ATA)、SATA串行 ATA主流。3. 磁盘核心性能指标计算题重点1容量格式化 / 非格式化容量•非格式化磁盘物理理论最大比特容量•格式化划分扇区后预留备用坏扇区、控制标识格式化容量 非格式化容量。2记录密度3 类道密度磁盘半径方向单位长度磁道数量位密度单条磁道单位长度可存储比特外圈磁道长、位密度低内圈磁道短、位密度高磁盘容量由内圈位密度上限决定所有扇区存储比特数统一面密度 道密度 × 位密度。3平均存取时间必考计算完整读写一扇区分为三阶段寻道时间 Ts磁头臂移动到目标柱面机械动作耗时最长题目直接给平均值旋转延迟 Tr盘片旋转等待目标扇区转到磁头下方平均延迟 磁盘旋转半圈时间由转速计算。传输时间 Tt扇区完整划过磁头完成数据读写可选附加控制器延迟 Tc控制电路收发指令耗时总平均存取时间 平均寻道时间 平均旋转延迟 单扇区传输时间 控制器延迟4数据传输率单位时间磁盘向主机传输数据量公式每秒转速 × 每条磁道总字节数。4. 磁盘地址编码定位扇区完整地址 4 段依次驱动器号 → 柱面号 → 盘面号 → 扇区号驱动器号区分电脑内多块硬盘柱面号控制磁头臂径向移动到对应磁道盘面号选择激活对应盘面的读写磁头扇区号盘片旋转时定位目标扇区。计算题考法给出各部分数量计算每段地址所需二进制位数。5. RAID 廉价冗余磁盘阵列作用多块磁盘组合提升读写速度 数据容错备份RAID 0条带化•逻辑连续数据拆分条带分散存储在多块磁盘并行读写速度大幅提升•无冗余、无校验任意磁盘损坏全部数据丢失•优点速度最快磁盘利用率 100%缺点无容错。RAID 1镜像•两块磁盘存完全相同副本•读可并行加速一块盘损坏另一块完整备份•缺点磁盘利用率仅 50%存储成本翻倍。RAID 2•按比特拆分数据搭配海明校验磁盘•可自动纠正单比特错误、检测双比特错•冗余开销比 RAID1 低商用极少使用。RAID3/4/5拓展了解编号越大校验冗余占用存储空间越少容错能力更强企业云存储常用。考点总结RAID0 无容错RAID1 镜像容错高编号 RAID 平衡成本与可靠性。二、固态硬盘 SSD闪存盘1.底层基础存储介质闪存 Flash电可擦除 ROM EEPROMU 盘、SSD 同原理整体两大模块闪存翻译层 闪存芯片阵列。2. 闪存内部层级结构芯片 → 块 (block) → 页 (page)读写单位页等价机械盘扇区擦除单位块整页有数据不能单独覆写必须整块擦除规则一页擦除后可多次读、仅能写入一次重复写必须擦除整块。覆写流程将块内其他有效页复制到空闲新块擦除原整块写入更新数据闪存翻译层修改逻辑→物理地址映射。3. 闪存翻译层核心功能接收主机逻辑块号逻辑地址映射到闪存物理页维护地址映射表数据迁移后自动更新映射实现磨损均衡。4. SSD vs 机械硬盘 对比✅ SSD 优势无机械结构随机访问速度极快无寻道、旋转延迟无噪音、抗震耐摔功耗更低。❌ SSD 劣势单位存储价格更高闪存块擦写次数存在寿命上限反复擦写会损坏块机械硬盘无擦写寿命限制。5. 磨损均衡技术必考目的均匀分散擦写操作避免同一块频繁擦写快速老化延长 SSD 寿命动态磨损均衡每次写入优先选择擦除次数少的空闲块静态磨损均衡后台自动迁移冷数据只读、极少写入到老旧块高频写入数据分配给新块。三、高速缓存 Cache本章重中之重选择 计算题高频1.引入 Cache 的根本原因CPU 运算速度远快于主存 DRAM二者速度差距大解决方案在 CPU 内部集成高速 SRAM 作为 Cache缓存近期使用指令 / 数据减少访问慢速主存。•CacheSRAM速度极快、成本高、容量小•主存DRAM速度慢、廉价、容量大。2. 理论基础程序局部性原理Cache 能生效的核心1时间局部近期访问的指令 / 数据短期内会再次重复访问循环、变量反复读写。2空间局部当前访问地址周边相邻地址短期内大概率被访问数组顺序存储、指令连续存放。反例按列遍历二维数组跳跃访问空间局部性差Cache 命中率低程序运行慢。3. Cache 工作流程CPU 访问数据优先查询 Cache命中数据存在 Cache直接高速读取不命中缺失访问慢速主存同时将该数据所在整块调入 Cache利用空间局部。核心指标命中率 HCPU 访问时数据在 Cache 的概率缺失率 1-H平均访问时间计算两种出题模型模型 1先查 Cache不命中再访问主存T 平均 H×Tc (1-H)×(Tc Tm)TcCache 访问时间Tm主存访问时间模型 2Cache、主存同时并行访问T 平均 H×Tc (1-H)×Tm并行模型平均耗时更低做题必须区分题干描述。主存与 Cache 分块规则1.主存、Cache 划分为大小完全相等的块2.数据交换最小单位块3.主存地址拆分主存块号 块内地址4.术语区分主存块 页面Cache 块 Cache 行5. Cache 三大核心待解决问题后续课时映射方式主存块如何对应存放至 Cache 块直接 / 全相联 / 组相联替换算法Cache 存满新主存块调入时淘汰哪一块写一致性策略Cache 副本与主存原始数据同步更新写直达、写回。整体复习思维导图速记1.外存磁表面磁盘读写原理→硬件结构→性能指标→RAID 阵列SSD 闪存块 / 页结构、磨损均衡、机械盘对比2.Cache局部性原理→命中 / 缺失→平均访问时间计算→分块机制 计算机组成原理——外存、SSD、Cache
前言本节核心三大模块机械磁盘磁表面存储器、固态硬盘 SSD、高速缓存 Cache。计组侧重硬件结构、性能计算操作系统侧重磁盘调度、页面管理两科知识点可互通但考察重点不同。磁盘、RAID、SSD、Cache 均为选择、计算题高频考点Cache 是本章重中之重。一、磁表面存储器机械硬盘 / 磁带1.底层读写原理写入原理盘 / 磁带表面涂磁性磁粉读写头是电磁铁线圈通入不同方向电流铁芯磁极改变磁化磁粉形成两种磁化状态规定左南右北 0左北右南 1以此存储二进制。读取原理切割磁感线磁介质划过磁头磁场变化在线圈产生不同方向电流电路解析出 0/1。核心硬件特性读写最小单位1bit串行读写主机并行 8bit 字节需串并转换电路读写不能同时进行磁表面存储器优缺点✅ 优点存储容量大单位成本低介质可反复擦写断电数据长期保存支持脱机移动存储非破坏性读出读取不改变磁化状态无需刷新再生。❌ 缺点存取速度慢依赖机械运动机械结构复杂故障率更高易受强磁场干扰数据丢失。补充磁盘同时属于输入、输出设备。2. 机械磁盘硬件结构整体分为磁盘驱动器机械部分 磁盘控制器电路板 IO 接口驱动器机械组成马达主轴带动所有盘片匀速旋转多层盘片正反两面涂磁介质单面 / 双面均可存储磁头臂可径向内外移动每个记录面对应独立读写磁头读写磁头完成 1bit 串行读写。磁盘存储分区专业名词磁道单个盘面一圈环形磁介质同心圆柱面所有盘片同一半径位置的全部磁道垂直组成一个柱面柱面号 磁道径向位置扇区单条磁道切分扇形小块主机读写最小单位是扇区磁头一个盘面对应一个磁头盘面号用来选择激活对应磁头。磁盘控制器IO 接口芯片实现磁盘与主机的数据交互常见标准IDE (ATA)、SATA串行 ATA主流。3. 磁盘核心性能指标计算题重点1容量格式化 / 非格式化容量•非格式化磁盘物理理论最大比特容量•格式化划分扇区后预留备用坏扇区、控制标识格式化容量 非格式化容量。2记录密度3 类道密度磁盘半径方向单位长度磁道数量位密度单条磁道单位长度可存储比特外圈磁道长、位密度低内圈磁道短、位密度高磁盘容量由内圈位密度上限决定所有扇区存储比特数统一面密度 道密度 × 位密度。3平均存取时间必考计算完整读写一扇区分为三阶段寻道时间 Ts磁头臂移动到目标柱面机械动作耗时最长题目直接给平均值旋转延迟 Tr盘片旋转等待目标扇区转到磁头下方平均延迟 磁盘旋转半圈时间由转速计算。传输时间 Tt扇区完整划过磁头完成数据读写可选附加控制器延迟 Tc控制电路收发指令耗时总平均存取时间 平均寻道时间 平均旋转延迟 单扇区传输时间 控制器延迟4数据传输率单位时间磁盘向主机传输数据量公式每秒转速 × 每条磁道总字节数。4. 磁盘地址编码定位扇区完整地址 4 段依次驱动器号 → 柱面号 → 盘面号 → 扇区号驱动器号区分电脑内多块硬盘柱面号控制磁头臂径向移动到对应磁道盘面号选择激活对应盘面的读写磁头扇区号盘片旋转时定位目标扇区。计算题考法给出各部分数量计算每段地址所需二进制位数。5. RAID 廉价冗余磁盘阵列作用多块磁盘组合提升读写速度 数据容错备份RAID 0条带化•逻辑连续数据拆分条带分散存储在多块磁盘并行读写速度大幅提升•无冗余、无校验任意磁盘损坏全部数据丢失•优点速度最快磁盘利用率 100%缺点无容错。RAID 1镜像•两块磁盘存完全相同副本•读可并行加速一块盘损坏另一块完整备份•缺点磁盘利用率仅 50%存储成本翻倍。RAID 2•按比特拆分数据搭配海明校验磁盘•可自动纠正单比特错误、检测双比特错•冗余开销比 RAID1 低商用极少使用。RAID3/4/5拓展了解编号越大校验冗余占用存储空间越少容错能力更强企业云存储常用。考点总结RAID0 无容错RAID1 镜像容错高编号 RAID 平衡成本与可靠性。二、固态硬盘 SSD闪存盘1.底层基础存储介质闪存 Flash电可擦除 ROM EEPROMU 盘、SSD 同原理整体两大模块闪存翻译层 闪存芯片阵列。2. 闪存内部层级结构芯片 → 块 (block) → 页 (page)读写单位页等价机械盘扇区擦除单位块整页有数据不能单独覆写必须整块擦除规则一页擦除后可多次读、仅能写入一次重复写必须擦除整块。覆写流程将块内其他有效页复制到空闲新块擦除原整块写入更新数据闪存翻译层修改逻辑→物理地址映射。3. 闪存翻译层核心功能接收主机逻辑块号逻辑地址映射到闪存物理页维护地址映射表数据迁移后自动更新映射实现磨损均衡。4. SSD vs 机械硬盘 对比✅ SSD 优势无机械结构随机访问速度极快无寻道、旋转延迟无噪音、抗震耐摔功耗更低。❌ SSD 劣势单位存储价格更高闪存块擦写次数存在寿命上限反复擦写会损坏块机械硬盘无擦写寿命限制。5. 磨损均衡技术必考目的均匀分散擦写操作避免同一块频繁擦写快速老化延长 SSD 寿命动态磨损均衡每次写入优先选择擦除次数少的空闲块静态磨损均衡后台自动迁移冷数据只读、极少写入到老旧块高频写入数据分配给新块。三、高速缓存 Cache本章重中之重选择 计算题高频1.引入 Cache 的根本原因CPU 运算速度远快于主存 DRAM二者速度差距大解决方案在 CPU 内部集成高速 SRAM 作为 Cache缓存近期使用指令 / 数据减少访问慢速主存。•CacheSRAM速度极快、成本高、容量小•主存DRAM速度慢、廉价、容量大。2. 理论基础程序局部性原理Cache 能生效的核心1时间局部近期访问的指令 / 数据短期内会再次重复访问循环、变量反复读写。2空间局部当前访问地址周边相邻地址短期内大概率被访问数组顺序存储、指令连续存放。反例按列遍历二维数组跳跃访问空间局部性差Cache 命中率低程序运行慢。3. Cache 工作流程CPU 访问数据优先查询 Cache命中数据存在 Cache直接高速读取不命中缺失访问慢速主存同时将该数据所在整块调入 Cache利用空间局部。核心指标命中率 HCPU 访问时数据在 Cache 的概率缺失率 1-H平均访问时间计算两种出题模型模型 1先查 Cache不命中再访问主存T 平均 H×Tc (1-H)×(Tc Tm)TcCache 访问时间Tm主存访问时间模型 2Cache、主存同时并行访问T 平均 H×Tc (1-H)×Tm并行模型平均耗时更低做题必须区分题干描述。主存与 Cache 分块规则1.主存、Cache 划分为大小完全相等的块2.数据交换最小单位块3.主存地址拆分主存块号 块内地址4.术语区分主存块 页面Cache 块 Cache 行5. Cache 三大核心待解决问题后续课时映射方式主存块如何对应存放至 Cache 块直接 / 全相联 / 组相联替换算法Cache 存满新主存块调入时淘汰哪一块写一致性策略Cache 副本与主存原始数据同步更新写直达、写回。整体复习思维导图速记1.外存磁表面磁盘读写原理→硬件结构→性能指标→RAID 阵列SSD 闪存块 / 页结构、磨损均衡、机械盘对比2.Cache局部性原理→命中 / 缺失→平均访问时间计算→分块机制