一、存储介质 Physical Storage Media

1. 存储层次 Storage Hierarchy

1. 一级存储（Primary Storage）
   • 最快，易失
   • 包括 Cache 和 Main Memory
2. 二级存储（Secondary Storage）
   • 慢于一级存储，不易失
   • 又称为联机存储器（on-line storage）
   • 包括 Flash Memory 和 Magnetic Disk
3. 三级存储（Tertiary Storage）
   • 最慢，不易失，常用于数据备份
   • 又称为脱机存储器（off-line storage）
   • 包括 Optical Disk（光盘）和 Magnetic Tapes（磁带）

2. 磁盘 Magnatic Disk

1. 磁盘的特性

   • 磁盘是长期数据的主要介质，通常将整个数据库存储于磁盘上
   • 磁盘支持直接访问（Direct-access），即磁盘上的数据可以按任意顺序读取（反例：磁带只能按顺序读取 Sequential-access）

2. 磁盘的结构

   

   • 盘片（Platter）：一块磁盘约有 4-16 个盘片
   • 磁道（Track）：每个盘片约有 50K-100K 个磁道
   • 扇区（Sector）：每个磁道包含千余个扇区，每个扇区常规为 512 字节，扇区是数据读写的最小单元
   • 柱面（Cylinder）：柱面是磁盘中所有盘片上相同半径的磁道的集合
   • 转轴（Spindle）：多个盘片连接在同一个转轴上，共同旋转
   • 读写头（Read-write head）：与盘片接触，用于读写数据
   • 臂（Arm）：所有读写头固定在一个共用的臂上

3. 磁盘的工作原理

   • 臂旋转到正确的磁道上方
   • 盘片持续地转动，当扇区经过读写头下方时，进行数据的读写

4. 磁盘控制器 Disk Controller

   • 磁盘控制器是计算机系统和磁盘硬件之间的接口，可以接受磁盘读写的高级命令，并对相应位置进行读写操作
   • 在读取数据后，计算数据的校验和（Checksum）附加到每个扇区，以验证数据是否被正确读取（如果数据损坏，存储的校验和很可能与重新计算的校验和不匹配）
   • 在写入数据后，通过读回扇区来确保成功写入
   • 执行不良扇区的重映射（remapping of bad sectors）：将该扇区从逻辑上映射到预留的物理扇区，并且重映射被记录在磁盘或其他非易失性存储器中

5. 磁盘子系统 Disk Subsystem

   

   • 多个磁盘通过同一个控制器连接到总线
   • 磁盘接口分为不同标准（ATA、SATA …），对应不同的速度等级和能力

6. 磁盘的性能评估

   • 访问时间（Access Time）
     • 含义：从读写请求发出，到数据开始传输的时间
     • 访问时间 = 寻道时间 + 旋转延迟
     • 寻道时间（Seek Time）：将读写头移动到正确的磁道上方需要的时间
     • 旋转延迟（Rotational Latency）：将扇区旋转到读写头下方的时间，平均为盘片旋转一圈用时的二分之一
   • 数据传输速率（Data-transfer rate）
     • 内侧的磁道慢于外侧
     • 多个磁盘通过同一个控制器连接到总线时，数据传输速率受到控制器的影响
   • 平均故障时间（MTTF）
     • 含义：磁盘在没有任何故障的情况下连续运行的平均时间
     • MTTF 随磁盘老化而降低

7. 磁盘的优化技术

   • 块（Block）
     • 含义：单个磁道上多个连续扇区组成的序列
     • 数据在磁盘与主存之间的传输，实际上以块为单位，是对空间局部性的利用
     • 常见的块大小为 4-16 千字节
   • 磁盘臂调度算法（Disk-arm-scheduling algorithms）
     • 对待处理的轨道访问进行排序，以使磁盘臂的移动最小化
     • 电梯算法：在一个方向上移动磁盘臂（从外轨道到内轨道，反之亦然），处理该方向上的下一个请求，直到该方向上没有更多请求，然后反转方向并重复
   • 文件组织（File Organization）
     • 文件可能会随着时间的推移而碎片化，对碎片文件的顺序访问会导致磁盘臂移动增加，从而降低速度
     • 对文件系统进行碎片整理，以加快文件访问速度；但是，在碎片整理期间，系统通常无法使用
   • 非易失性写缓冲区（Non-volatile Write Buffers）
     • 当写请求时，立即将块写入非易失 RAM 缓冲区，从而加速磁盘写入
     • 当磁盘空闲时，控制器才将缓冲区的数据写入磁盘
     • 缓冲区的非易失性保证了数据的断电安全
   • 日志磁盘（Log Disk）
     • 日志磁盘是顺序记录块更新（block updates）的磁盘，所有写入操作以追加日志的形式存储，类似于非易失性 RAM 的行为
     • 无需寻道：数据始终顺序写入，磁头无需移动，大幅提升写入速度

3. 光盘 Optical Disk

1. CD-ROM（Compact Disk ROM）
   • 出厂时数据已经固化，仅可读，不可写
   • 常见于商业软件、音乐专辑等预录制内容
   • 相比于磁盘，寻道时间更长，转速更高，数据传输速率更低
2. CD-R / DVD-R：不可擦写，一次写入，多次读取
3. CD-RW / DVD-RW / DVD-RAM：可擦写，多次写入，多次读取

4. RAID 技术