外部存储器

考情分析

磁盘存取时间的计算是高频考点（2013、2015、2022），常以综合题或选择题出现。SSD 和 RAID 的基本概念也偶尔涉及。

磁盘存储器

物理结构

磁盘由多个盘片组成，每个盘片有一个或两个记录面，每面含若干同心圆磁道，每条磁道划分为若干扇区。

    记录面
      │
 ┌────┴────┐
 磁道 0  磁道 1  ...  磁道 n
   │
 ┌─┴─┐
扇区0 扇区1 ... 扇区m

• 记录面数 = 磁头数，每个磁头负责一个记录面
• 柱面数 = 单个记录面上的磁道数。所有记录面上同一编号的磁道构成一个柱面
• 扇区是磁盘读写的最小单位（通常 512B 或 4KB）

扇区按固定圆心角度划分，外圈磁道周长大但扇区数相同，因此从外到内位密度递增，存储能力受限于最内圈的最大位密度。

磁盘地址

柱面（磁道）号	盘面（磁头）号	扇区号

例如 16 个盘面、256 条磁道、16 个扇区/磁道，地址 = 8 位柱面号 + 4 位盘面号 + 4 位扇区号 = 16 位。

磁盘容量

$$\text{格式化容量}=\text{记录面数}\times \text{柱面数}\times \text{每道扇区数}\times \text{每扇区字节数}$$

非格式化容量 > 格式化容量（需预留扇区间隙、同步字段等开销）。

磁盘存取时间（核心公式）

$$\boxed{{\displaystyle \text{存取时间}=\text{寻道时间}+\text{旋转等待时间}+\text{数据传输时间}}}$$

• 寻道时间：磁头移动到目标磁道所需时间。平均寻道时间 $\approx$ 最大寻道时间的一半
• 旋转等待时间：目标扇区旋转到磁头下方的时间。平均旋转等待时间 = 磁盘转半圈的时间

$$\text{平均旋转等待时间}=\frac{1}{2}\times \frac{1}{\text{转速(转/秒)}}=\frac{1}{2r}$$

• 数据传输时间：读写数据所需时间

$$\text{传输时间}=\frac{\text{读写字节数}}{\text{数据传输速率}}$$

数据传输速率

设转速为 $r$ 转/秒，每条磁道容量为 $N$ 字节：

$$D_r=rN$$

例 1：磁盘转速 7200 RPM，平均寻道时间 8ms，每磁道 500 个扇区，每扇区 512B。读一个扇区的平均存取时间？

解：转速 $=7200/60=120$ 转/秒，每转时间 $=1/120\approx 8.33\text{ms}$

• 平均寻道时间 = 8ms
• 平均旋转延迟 $=8.33/2\approx 4.17\text{ms}$
• 数据传输速率 $=120\times 500\times 512=30.72\text{MB/s}$
• 传输一个扇区的时间 $=512/(30.72\times {10}^6)\approx 0.017\text{ms}$

$$\text{平均存取时间}=8+4.17+0.017\approx 12.19\text{ms}$$

例 2：磁盘转速 10000 RPM，共 8 个记录面，每面 20000 条磁道，每磁道 200 个扇区（512B）。格式化容量和数据传输速率？

解：

• 格式化容量 $=8\times 20000\times 200\times 512\text{B}=16.384\text{GB}$
• 转速 $=10000/60\approx 166.7$ 转/秒
• 每磁道容量 $=200\times 512=100\text{KB}$
• 数据传输速率 $=166.7\times 100\text{KB}\approx 16.67\text{MB/s}$

磁盘阵列（RAID）

RAID 将多个物理磁盘组合为逻辑磁盘，通过并行访问和冗余提高性能与可靠性。

级别	特点
RAID0	条带化（数据分布在多盘），无冗余，速度快
RAID1	镜像备份，有效容量减半，可靠性高
RAID2	海明码纠错
RAID3	位交叉 + 单独校验盘
RAID4	块交叉 + 单独校验盘
RAID5	分布式奇偶校验，无独立校验盘

固态硬盘（SSD）

SSD 基于 Flash 存储器构建，由闪存芯片阵列和闪存翻译层组成。

基本特性

特点	说明
读写单位	读/写以页为单位（512B~4KB），擦除以块为单位（16KB~512KB）
写前必须擦除	一个块擦除后，其中所有页才能被重新写入
擦写寿命有限	每个块的擦写次数有限（几百~几千次）
无机械部件	随机访问延迟极低，抗震、低功耗、无噪声

随机写入较慢的原因：擦除操作耗时长（比页访问慢一个数量级）；修改已有数据的页时，需先将整块有效数据复制到新块，再写入。

SSD vs HDD

对比项	SSD	HDD
随机读取速度	极快（微秒级）	慢（毫秒级，需寻道+旋转）
顺序写入速度	快	较快
随机写入速度	较慢（需先擦后写）	慢
抗震性	强	弱（机械部件）
功耗	低	高
价格	高	低
寿命	受限于擦写次数	受限于机械磨损

磨损均衡

为避免某些块频繁擦写导致提前损坏，SSD 控制器采用磨损均衡技术：

• 动态磨损均衡：写入时优先选择擦写次数少的空闲块
• 静态磨损均衡：定期将高磨损块中的数据迁移到低磨损块，使高磨损块转为以读为主

考点清单

• 存取时间 = 寻道时间 + 旋转等待时间 + 传输时间
• 平均旋转等待时间 = 转半圈的时间 = $1/(2r)$
• 数据传输速率 $=r\times N$（转速 $\times$ 每磁道容量）
• 格式化容量 = 面数 $\times$ 柱面数 $\times$ 扇区数/道 $\times$ 字节数/扇区
• 磁盘地址：柱面号 + 盘面号 + 扇区号
• SSD 读写以页为单位，擦除以块为单位，写前必须擦除
• RAID0 无冗余但快，RAID1 镜像但容量减半

真题练习