Chapter 8 Cache(8)

这一节是讲解Secondary Storage的。

Contents of this lecture

English	中文
Magnetic Hard Disks	磁性硬盘
Mechanical Structure	机械结构
Data Organization	数据组织
Accessing of Data on a Disk	硬盘上数据的访问

机械结构

(1)

存储介质
- 一个或多个磁盘（双面/单面）安装在一个共同的主轴上。
- 磁盘是由金属或涂有磁性材料的塑料制成的圆形盘片。
- 磁盘放置在旋转驱动器中，并以均匀的速度旋转。

(2)

读/写头
- 固定头
  - 每个磁道有一个读写头。
  - 头部安装在固定的刚性臂上。
- 可移动头
  - 每个磁盘面有一个读写头。
  - 头部安装在可移动的臂上。

(3)

旋转驱动器
- 旋转驱动器包含主轴和臂部，用于控制磁盘的旋转和读写头的位置。

(4)

读/写头
- 每个读写头由磁性轭和磁化线圈组成。
- 读写头必须保持在非常接近移动磁盘表面的距离。

(5)

存储原理
- 写入：通过将适当极性的电流脉冲施加到磁化线圈上，可以将数字信息存储在磁性膜上。
- 读取：由于磁带与磁轭的相对运动，磁头周围磁场的变化会在磁化线圈中感应出电压，从而读取信息。

(6)

温彻斯特硬盘
- 温彻斯特技术
  - 由IBM于1968年开发。
- 特点
  - 磁盘和读写头放置在一个密封的、空气过滤的外壳中。
  - 读写头可以更靠近磁化轨道表面进行操作。
- 优点
  - 数据密度较大。
  - 在相同物理大小的情况下，相较于未密封的单元，容量更大。

数据组织

(1)

磁道与扇区
- 每个磁盘面被划分为同心磁道，每个磁道被划分为若干个扇区。
- 示例：
  - 扇区 0，磁道 0
  - 扇区 3，磁道 n
  - 扇区 0，磁道 1

(2)

磁道与扇区
- 每个磁道包含相同数量的扇区。
- 外层磁道的扇区数量更多（适用于大容量磁盘）。
- 磁道数量：每个磁盘面大约有 500 到 2000 个磁道。
- 每个磁道包含 10 到 100 个扇区。
- 扇区大小：通常为 512 字节。
- 磁盘地址：由（磁盘面编号，磁道编号，扇区编号）组成。

(3)

磁道和扇区的组织结构
- 扇区间间隙：用于区分两个连续扇区，避免干扰。

(4)

磁道和扇区的组织结构
- 扇区头部（前导码）：包含用于找到选定磁道上所需扇区的识别（寻址）信息。
- ECC（错误更正码）位：用于检测和纠正写入或读取 512 字节数据时可能发生的错误。

(5)

柱面
- 柱面是磁盘中所有表面在给定半径上的磁道集合。
- 同一柱面上的所有磁道数据可以在不移动读写头的情况下访问。

(6)

磁盘格式
- 将磁盘划分为磁道和扇区。
- 格式化过程可能会发现一些有缺陷的扇区，甚至整个磁道。
- 格式化信息（包括扇区头部、ECC 位、扇区间隙）占磁盘总存储容量的约 15%。

磁盘数据访问

### (1)

磁盘访问时间
- 访问时间 = 寻道时间 + 旋转延迟时间
- 寻道时间
  - 寻道时间是指将读写头移动到正确磁道所需的时间。
  - 平均值：5毫秒到8毫秒。
- 旋转延迟时间（或旋转时间）
  - 旋转延迟时间是指从读写头定位到正确磁道后，直到目标扇区的起始位置经过读写头下方所需的时间。
  - 平均值：磁盘旋转半圈所需的时间。

(2)

传输速率
- 传输速率是指在读写头定位到数据位置后，数据传输的速率。
传输时间
- 传输时间是指传输数据所需的时间。

测验

问题：
访问同一柱面上的所有磁道都不需要移动磁头。
选择一个正确答案：
A. 磁面
B. 磁盘
C. 扇区
D. 柱面

答案： D. 柱面
解释： 同一柱面上的所有磁道都位于磁盘的同一半径上，因此读写头在同一柱面上移动时不需要再进行额外的运动。
问题：
根据某硬盘的规格，磁头在相邻磁道之间的寻道时间是3毫秒。如果磁盘有100个柱面，那么从最内层的柱面到最外层柱面所需的时间是多少？
选择一个正确答案：
A. 3毫秒
B. 30毫秒
C. 300毫秒
D. 3000毫秒

答案： C. 300毫秒
解释： 每个寻道的时间是3毫秒，从最内层柱面到最外层柱面需要经过99个柱面，所以总时间是：
$ 99 , = 297 , $，近似为300毫秒。
问题：
一个硬盘有5个双面盘片，每个盘片有2048个磁道，磁头的数量是多少？
选择一个正确答案：
A. 5 B. 10
C. 2048*5 D. 2048*10

答案： B. 10
解释： 每个盘面上都有一个磁头。5个双面盘片意味着有10个盘面（因为每个盘片有两面），因此有10个磁头。
问题：
当我们从磁盘读取一个数据块到内存时，寻道时间指的是：
A. 将读写头移动到正确磁道所需的时间
B. 定位读写头并传输数据块所需的时间
C. 将正确的扇区旋转到读写头下所需的时间
D. 以上都不是

答案： A. 将读写头移动到正确磁道所需的时间
解释： 寻道时间指的是磁头从当前位置移动到目标磁道所需的时间，这个时间与扇区的旋转时间无关。
问题：
从磁盘读取一个数据块到内存所需的时间由寻道时间、旋转延迟和传输时间组成。旋转延迟指的是：
A. 盘片完成一次完整旋转所需的时间
B. 读写头移动到合适磁道所需的时间
C. 盘片将正确的扇区旋转到读写头下所需的时间
D. 以上都不是

答案： C. 盘片将正确的扇区旋转到读写头下所需的时间
解释： 旋转延迟是指磁盘旋转到正确的扇区下方所需要的时间。
问题：
一个硬盘有 5 个盘片，每个盘片有 2048 个磁道，1024 个扇区/磁道（每个磁道扇区数量固定），每个扇区大小为 512 字节。那么它的总容量是多少？

A. 5GB
B. 10GB
C. 15GB
D. 20GB

解答过程：
总容量 = 盘片数量 × 每个盘片的磁道数 × 每个磁道的扇区数 × 每个扇区的字节数
总容量 = 5 × 2048 × 1024 × 512 字节
= 5 × 2048 × 1024 × 512 ÷ (1024 × 1024 × 1024) GB
= 5GB

答案： A. 5GB