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计算机存储结构与磁盘管理
2023-03-23 09:30:43 36阅读
1.层次化存储结构
又叫分级存储体系，主要是为了解决解决存储的容量、价格和速度之间的矛盾
注意：不是为了解决存储器读写可靠性，读写可靠性都是通过增加冗余结构来增加的
寄存机的存储结构是越靠近内部越快成本越高，cpu的缓存（寄存器）就是最快的，但通常只有64位，即我们常说的64位系统；
外存：比如硬盘，解决了主存容量不足的问题
内存，我们比较熟悉的内存条（DRAM，掉电数据丢失，动态随机存储，即会定时刷新的随机存储设备，rom掉电就不会丢失通常用到BIOS等比较重要的地方）
外存+内存：又叫做虚拟存储体系，其调用过程由os来控制
cache+外存+内存：又叫三级存储结构，他们可以通过程序操作（cache需要用汇编操作，但程序员是看不到cache的）
cache又叫缓存/高速缓存，基本在MB的级别，用的是相联存储器（按内容存取，通过页面的编号去查找存储位置，即内容与位置相关）
eg：我下载一个60g的游戏，存在外存（硬盘）里，如果我运行这个游戏，那么内存就会从外存里读取游戏数据（当然不会加载整个60g的游戏，是需要用什么就调用什么，这与程序的局部性原理相关），cache再从内存里调，cpu再从cache里掉
2.Cache（高速缓存）
是cpu与主存之间的告诉缓存，解决cpu与主存之间速度容量不匹配的问题（即冯诺依曼瓶颈），是计算机存储体系中除cpu寄存器外速度最快的层次，其设计思想为：在合理的成本下提高命中率h
cache具有透明性，其地址和映射关系由硬件直接完成，与程序员无关
为什么cache可以改善系统性能？——程序的局部性原理（时间局部性+空间局部性）
- 时间局部性：某条程序可能短时间要执行多次，比如程序中的多层循环操作
- 空间局部性：访问了某个存储单元，可能它附件的很多单元马上也要被访问（即一段时间内需要访问的地址都靠的很近），比如访问一个上千个元素的数组，并遍历它（即程序的顺序执行）
如果没有cache，这类代码cpu就需要频繁的从主存里读取，非常浪费时间
还有一个重要概念：
工作集理论——工作集是进程（运行的程序就叫进程）运行时被频繁访问的存储页面集合
cache的访问速度t3由h/t1/t2决定，他们分别是：
- h：cache访问命中率（1-h为失效率），比如cpu需要访问100个内容，其中10个可以从cache访问到，h就为0.1；h与cache替换算法有关，典型值为0.92
- t1：cache的周期时间，即从cache中获得数据的典型时间
- t2：主存的周期时间
- t3：cache+主存的周期时间（本质就是个加权平均值），t3 = h×t1 + (1-h)×t2
3.主存编址计算
在计算机中所有的数据，他们的本质就是以bit（也叫位）为单位的二进制（或者说机器语言），为了方便存储，计算机都会把一定位数的bit作为一个存储单元（即字长），比如说某计算机把4个bit作为一个字长，那么他的主存就被分成了许许多多个4bit字长的存储单元，每个存储单元有自己的地址编号，计算机就是根据这个地址编号来快速定位去哪里找数据（这个地方存的数据就叫做编址内容）。比如下图，是一个容量32位的8*4的存储器（即有8个存储单元，每个单元有4位），总容量 = 存储单元个数 × 编址内容容量
——>虽然这里的地址编号是用十进制表示的，但实际在计算机里也是用二进制存的
回到我们的主存，本质上就是这样许许多多的小存储器（实际上是一些小存储芯片）拼接起来的（可以横着拼成8*8，也可以竖着拼成16*4），横着拼比较常见，因为8位为一字节（byte），比较常用
刚刚说的都是很简单的理想情况，那么现实中的计算机是怎么编址的呢？
- 按字编址：存储单元为字存储单元（即一个存储单元里面放一个字，这个字有多长不同的电脑不一样，刚刚的例子是4位，现在的计算机一般是64位，就是所谓的64位计算机），即最小寻址单位就是一个字，每个字我给他一个地址
- 按字节编址：存储单元为字节存储单元，即最小寻址单位就是一个字节，即每个字节我给他分配一个地址，所有的计算机里字节都是8位
eg：如果要按字节编址，有一种小型的存储芯片，它的规模是8K×4bit（注意在计算机里K=2^10，M=2^20，G=2^30，千万别用10^3这种来近似），如果要用它构成的地址范围为84000H-8FFFFH（H代表16进制hexadecimal）的内存，需要多少片？
- 先算一个芯片有多大的内存：有8K个存储单元，每个单元4bit，那就是一共有2^12个字节（即4K）的容量
- 再算需要多少内存：4000-FFFF一共有多少？其实很简单就是16-4个FFF，即12×2^12
- 除一下就完事了，需要12片，而且由于是按字节编址，需要6*2这样拼起来
4.磁盘管理-磁盘基本结构与存取过程
磁盘的基本结构如下图：
可以看到磁盘是一个立体的结构形态，是多个盘面堆叠而成的，且每个盘面都配备一个读写的磁头，这些磁头通过硬件连接在一个主杆上面；
所有的盘面都是固定围绕轴心来进行匀速且同向的运动的，而具体到某一盘面，他是多个同心圆组成的，每个同心圆都是一个磁道，如果把这些磁道按角度来切割，每个切割出来的内容就叫做扇区
在实际读取的过程中，我们都是通过扇区来读取数据的；磁道可以有自己的编号，一般从外往内是从0到n（扇区也有编号但不这样编，一般是R）；磁头的编号通常是盘面的编号
所有盘面的同一号磁道可以组成一个圆柱，称为柱面；由于所有的磁头都在同一个主杆上（都是一起动的），因此磁头查找磁道的过程本质上就是查找柱面的过程
总而言之：从磁盘读取信息的本质，就是磁头在磁道上运动的过程
当然磁头的运动可以分为两个方向，或者说读取信息可以分为两个步骤：
- 垂直寻道：磁头向圆心移动，跨越不同的磁道，直到找到我们需要的磁道（所谓的移臂调度）（寻道时间）
- 读取扇区数据：找到对应磁道之后，等磁盘匀速转动，直到我们所需要的扇区转到磁头的下方，这个是计算机硬件的特性，没有规律（旋转延迟/等待时间）
（平均）数据存取时间 = （平均）寻道时间 + （平均）等待时间
注意：平均存取时间（Average Access Time）是磁头找到指定数据的平均时间，不包含数据传输的时间（而且这个时间通常很小，可以忽略不记）
5.磁盘管理-磁盘优化分布存储
扇区又可以叫做物理块，通常用Rn来表示，如果是顺序存放，那将会是这样的：
比如要读取R0，磁头划过R0之后，读取的数据会被存在一个单缓冲区（只能存一个，必须要把数据传出去才能读下一个），单缓冲区的数据传输出去是需要时间的，如果这个时候你需要继续读R1的数据，必须等磁头绕一圈之后才行（因为这个时候R0的数据已经处理完了，单缓冲区可以用了）
非常明显，这样太耗时间了，所以我们通常是需要优化一下这个扇区的分布，让连续的数据存储的不连续；比如要存一个两个扇区才存的下的数据，读的时候往往也是连续读的，我们就考虑采用下面这种间隔一个的方法来设置R：
6.磁盘管理-磁盘移臂调度算法
移臂调度实际上就是垂直寻道的过程，这个算法主要有四种（描述的是磁头的移动过程）：
- FCFS：先来先服务，谁先申请就先去找谁，最简单的寻道方法，效率比较低
- SSTF：最短寻道时间优先，考虑距当前位置最短的寻道申请
- SCAN：扫描算法/电梯算法，类比电梯，比如电梯从1楼到10楼，中间所有楼层的响应都会被“顺便”处理；可以自内向外也可以自外向内，是双向的
- CSCAN：循环扫描算法，单向的扫描算法，比如说规定只能自外向内，磁头只能从外向内移动（移动到最内侧就会调回最外侧）
7.磁盘管理-磁盘单缓冲区与双缓冲区读取
单缓冲区必须要等到数据传送入工作区之后，才可以输入下一个数据；双缓冲区可以在数据输入完成之后就进行下一个数据的输入。逻辑如下：
- 0
- 0
- 0
-
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计算机存储结构与磁盘管理
2023-03-23 09:30:43 36阅读
1.层次化存储结构
又叫分级存储体系，主要是为了解决解决存储的容量、价格和速度之间的矛盾
注意：不是为了解决存储器读写可靠性，读写可靠性都是通过增加冗余结构来增加的
寄存机的存储结构是越靠近内部越快成本越高，cpu的缓存（寄存器）就是最快的，但通常只有64位，即我们常说的64位系统；
外存：比如硬盘，解决了主存容量不足的问题
内存，我们比较熟悉的内存条（DRAM，掉电数据丢失，动态随机存储，即会定时刷新的随机存储设备，rom掉电就不会丢失通常用到BIOS等比较重要的地方）
外存+内存：又叫做虚拟存储体系，其调用过程由os来控制
cache+外存+内存：又叫三级存储结构，他们可以通过程序操作（cache需要用汇编操作，但程序员是看不到cache的）
cache又叫缓存/高速缓存，基本在MB的级别，用的是相联存储器（按内容存取，通过页面的编号去查找存储位置，即内容与位置相关）
eg：我下载一个60g的游戏，存在外存（硬盘）里，如果我运行这个游戏，那么内存就会从外存里读取游戏数据（当然不会加载整个60g的游戏，是需要用什么就调用什么，这与程序的局部性原理相关），cache再从内存里调，cpu再从cache里掉
2.Cache（高速缓存）
是cpu与主存之间的告诉缓存，解决cpu与主存之间速度容量不匹配的问题（即冯诺依曼瓶颈），是计算机存储体系中除cpu寄存器外速度最快的层次，其设计思想为：在合理的成本下提高命中率h
cache具有透明性，其地址和映射关系由硬件直接完成，与程序员无关
为什么cache可以改善系统性能？——程序的局部性原理（时间局部性+空间局部性）
- 时间局部性：某条程序可能短时间要执行多次，比如程序中的多层循环操作
- 空间局部性：访问了某个存储单元，可能它附件的很多单元马上也要被访问（即一段时间内需要访问的地址都靠的很近），比如访问一个上千个元素的数组，并遍历它（即程序的顺序执行）
如果没有cache，这类代码cpu就需要频繁的从主存里读取，非常浪费时间
还有一个重要概念：
工作集理论——工作集是进程（运行的程序就叫进程）运行时被频繁访问的存储页面集合
cache的访问速度t3由h/t1/t2决定，他们分别是：
- h：cache访问命中率（1-h为失效率），比如cpu需要访问100个内容，其中10个可以从cache访问到，h就为0.1；h与cache替换算法有关，典型值为0.92
- t1：cache的周期时间，即从cache中获得数据的典型时间
- t2：主存的周期时间
- t3：cache+主存的周期时间（本质就是个加权平均值），t3 = h×t1 + (1-h)×t2
3.主存编址计算
在计算机中所有的数据，他们的本质就是以bit（也叫位）为单位的二进制（或者说机器语言），为了方便存储，计算机都会把一定位数的bit作为一个存储单元（即字长），比如说某计算机把4个bit作为一个字长，那么他的主存就被分成了许许多多个4bit字长的存储单元，每个存储单元有自己的地址编号，计算机就是根据这个地址编号来快速定位去哪里找数据（这个地方存的数据就叫做编址内容）。比如下图，是一个容量32位的8*4的存储器（即有8个存储单元，每个单元有4位），总容量 = 存储单元个数 × 编址内容容量
——>虽然这里的地址编号是用十进制表示的，但实际在计算机里也是用二进制存的
回到我们的主存，本质上就是这样许许多多的小存储器（实际上是一些小存储芯片）拼接起来的（可以横着拼成8*8，也可以竖着拼成16*4），横着拼比较常见，因为8位为一字节（byte），比较常用
刚刚说的都是很简单的理想情况，那么现实中的计算机是怎么编址的呢？
- 按字编址：存储单元为字存储单元（即一个存储单元里面放一个字，这个字有多长不同的电脑不一样，刚刚的例子是4位，现在的计算机一般是64位，就是所谓的64位计算机），即最小寻址单位就是一个字，每个字我给他一个地址
- 按字节编址：存储单元为字节存储单元，即最小寻址单位就是一个字节，即每个字节我给他分配一个地址，所有的计算机里字节都是8位
eg：如果要按字节编址，有一种小型的存储芯片，它的规模是8K×4bit（注意在计算机里K=2^10，M=2^20，G=2^30，千万别用10^3这种来近似），如果要用它构成的地址范围为84000H-8FFFFH（H代表16进制hexadecimal）的内存，需要多少片？
- 先算一个芯片有多大的内存：有8K个存储单元，每个单元4bit，那就是一共有2^12个字节（即4K）的容量
- 再算需要多少内存：4000-FFFF一共有多少？其实很简单就是16-4个FFF，即12×2^12
- 除一下就完事了，需要12片，而且由于是按字节编址，需要6*2这样拼起来
4.磁盘管理-磁盘基本结构与存取过程
磁盘的基本结构如下图：
可以看到磁盘是一个立体的结构形态，是多个盘面堆叠而成的，且每个盘面都配备一个读写的磁头，这些磁头通过硬件连接在一个主杆上面；
所有的盘面都是固定围绕轴心来进行匀速且同向的运动的，而具体到某一盘面，他是多个同心圆组成的，每个同心圆都是一个磁道，如果把这些磁道按角度来切割，每个切割出来的内容就叫做扇区
在实际读取的过程中，我们都是通过扇区来读取数据的；磁道可以有自己的编号，一般从外往内是从0到n（扇区也有编号但不这样编，一般是R）；磁头的编号通常是盘面的编号
所有盘面的同一号磁道可以组成一个圆柱，称为柱面；由于所有的磁头都在同一个主杆上（都是一起动的），因此磁头查找磁道的过程本质上就是查找柱面的过程
总而言之：从磁盘读取信息的本质，就是磁头在磁道上运动的过程
当然磁头的运动可以分为两个方向，或者说读取信息可以分为两个步骤：
- 垂直寻道：磁头向圆心移动，跨越不同的磁道，直到找到我们需要的磁道（所谓的移臂调度）（寻道时间）
- 读取扇区数据：找到对应磁道之后，等磁盘匀速转动，直到我们所需要的扇区转到磁头的下方，这个是计算机硬件的特性，没有规律（旋转延迟/等待时间）
（平均）数据存取时间 = （平均）寻道时间 + （平均）等待时间
注意：平均存取时间（Average Access Time）是磁头找到指定数据的平均时间，不包含数据传输的时间（而且这个时间通常很小，可以忽略不记）
5.磁盘管理-磁盘优化分布存储
扇区又可以叫做物理块，通常用Rn来表示，如果是顺序存放，那将会是这样的：
比如要读取R0，磁头划过R0之后，读取的数据会被存在一个单缓冲区（只能存一个，必须要把数据传出去才能读下一个），单缓冲区的数据传输出去是需要时间的，如果这个时候你需要继续读R1的数据，必须等磁头绕一圈之后才行（因为这个时候R0的数据已经处理完了，单缓冲区可以用了）
非常明显，这样太耗时间了，所以我们通常是需要优化一下这个扇区的分布，让连续的数据存储的不连续；比如要存一个两个扇区才存的下的数据，读的时候往往也是连续读的，我们就考虑采用下面这种间隔一个的方法来设置R：
6.磁盘管理-磁盘移臂调度算法
移臂调度实际上就是垂直寻道的过程，这个算法主要有四种（描述的是磁头的移动过程）：
- FCFS：先来先服务，谁先申请就先去找谁，最简单的寻道方法，效率比较低
- SSTF：最短寻道时间优先，考虑距当前位置最短的寻道申请
- SCAN：扫描算法/电梯算法，类比电梯，比如电梯从1楼到10楼，中间所有楼层的响应都会被“顺便”处理；可以自内向外也可以自外向内，是双向的
- CSCAN：循环扫描算法，单向的扫描算法，比如说规定只能自外向内，磁头只能从外向内移动（移动到最内侧就会调回最外侧）
7.磁盘管理-磁盘单缓冲区与双缓冲区读取
单缓冲区必须要等到数据传送入工作区之后，才可以输入下一个数据；双缓冲区可以在数据输入完成之后就进行下一个数据的输入。逻辑如下：
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