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移动端

1.3.1 磁系统

《计算机科学概论(第12版)》第1章数据存储,在本章中,我们学习有关计算机中数据表示和数据存储的内容。我们要研究的数据类型包括文本、数值、图像、音频和视频。除了传统计算外,本章的很多内容还涉及数字摄影、音频/视频录制和复制,以及远程通信等领域。本节为大家介绍磁系统。

作者:刘艺/吴英/毛倩倩 译来源:人民邮电出版社|2018-01-28 20:10

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1.3.1 磁系统

很多年以来,磁技术已经占据了海量存储领域。最常见的例子便是我们现在使用的磁盘(magnetic disk)或者硬盘驱动器(hard disk drive,HDD),它里面是可以旋转的薄盘片,表面有用以存储数据的磁介质涂层(图1-9)。读/写磁头安装在盘片的上面和/或下面,当盘片旋转时,每个磁头在盘片上面或下面相对于称为磁道(track)的圆圈转动。通过重定位读/写磁头,可以对各个同心的磁道进行存取。在很多情况下,一个磁盘存储系统包含若干个盘片,这些盘片安装在同一根轴上,层叠在一起,盘片之间有足够读/写磁头滑动的空间。在这种情况下,所有读/写磁头是一起移动的。每当读/写磁头重定位时,都可以访问一组新磁道,这组磁道称为柱面(cylinder)。

因为一个磁道可以包含的信息通常比我们每一次想要处理的多,所以每个磁道又被划分成若干个称为扇区(sector)的小弧区,这些扇区上记录的信息是连续的二进制位串。磁盘上所有的扇区都包含相同数目的二进制位(典型的容量是512个字节到若干KB),而且在最简单的磁盘存储系统里,每一个磁道包含的扇区数都相同。因此,靠近盘片外边缘的磁道扇区上的位的存储密度,要比靠近盘片中心的磁道上的小,因为外磁道比内磁道长。相反,在大容量磁盘存储系统里,靠近外边缘的磁道包含的扇区要远多于靠近中心的磁道,这种存储能力常通过一种称作区位记录(zoned-bit recording,ZBR)的技术得以应用。在使用区位记录技术时,一些相邻的磁道会被统称为区,一个典型的盘片大约包含10个区。一个区的所有磁道有相同数目的扇区,但是靠外的区中每一个磁道包含的扇区数,比靠内的区中每一个磁道包含的扇区数多。采用这种方式,能够有效利用整个磁盘的表面。不管细节如何,一个磁盘存储系统都包含许多独立的扇区,每一个扇区都可以作为独立的位串进行存取。

一个磁盘存储系统的容量取决于使用的盘片数目以及磁道与扇区的划分密度。容量较小的系统可能只有一个盘片。大容量磁盘系统的容量可达数GB,甚至TB,同一根轴上可能装有3到6个盘片。此外,数据有可能存储在每个盘片的上下两面。

有4个标准可以用来评估一个磁盘系统的性能:(1)寻道时间(seek time),读/写磁头从一个磁道移到另一个磁道所需要的时间;(2)旋转延迟(rotation delay)或等待时间(latency time),盘片旋转一周所需时间的一半,也就是读/写磁头到达所要求磁道后,等待盘片旋转使读/写磁头位于所要存取的数据(扇区)上所需要的平均时间;(3)存取时间(access time),即寻道时间和旋转延迟之和;(4)传输速率(transfer rate),在磁盘上读出或写入数据的速率。需要注意的是,在区位记录存储情况下,盘片旋转一次,外区磁道通过读/写磁头传递的数据量,要多于内区磁道,因此,数据传输速率会随所使用的盘片部位的不同而有所变化。

限制磁盘存取时间和传输速率的一个因素是磁盘系统旋转的速度。为了支持高速旋转,这些系统里的读/写磁头并不接触盘片,而只是“悬浮”在盘片表面。磁头与盘片之间的空间很小,以至于一粒小小的灰尘都可能卡在其中,导致磁盘和磁头损坏,这一现象便是磁头划伤(head crash)。因此,磁盘系统出厂时都密封在箱子里。凭借这样的构造,磁盘系统能够以每秒几百次的速度旋转,达到每秒数以MB的传输速率。

因为磁盘系统的操作需要物理运动,所以难以与电子电路的速度相比。电子电路的延迟时间是以纳秒(十亿分之一秒)甚至更小的时间单位计算的,而磁盘系统的寻道时间、等待时间和存取时间是以毫秒(千分之一秒)度量的。因此,与电子电路等待结果的时间相比,从磁盘系统检索信息所需要的时间非常长。

磁存储技术现在很少使用了,包括磁带(magnetic tape)和软盘驱动器(floppy disk drive)。磁带是将信息记录在一条绕在卷轴上的薄塑料带的磁涂层上,软盘驱动器则是将带有磁涂层的单个盘片封在一个为了便于从驱动器中取出而设计的便携式的盒子里。磁带驱动器的寻道时间极长,它和它的兄弟——录音带——一样,都要花费很长的倒带时间和快进时间。不过,低成本和大数据容量,使磁带非常适用于那些数据主要被线性读或写的应用,如存档数据备份。虽然软盘盘片的可移动特性是以比硬盘盘片低得多的数据密度和存取速度为代价的,但是,在更大容量、更耐用的闪存驱动器诞生之前的几十年里,软盘盘片的便携性还是极其有价值的。


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