操作系统中的海量存储结构

在本教程中，我们将学习操作系统中的海量存储结构。我们知道操作系统中有不同类型的存储设备。

现在，我们将详细了解每一个海量存储设备。但在了解它们之前，让我们先了解一下什么是主存储器和辅助存储器。

主存储器

处理器或计算机在使用计算机时最初或直接访问主存储器。它使处理器能够访问当前正在使用并暂时存储在特定内存区域的程序和服务。

主存储器是可以使用术语“主存储器”的替代词。

主存储器是计算机系统的易失性存储组件。虽然可能存在数据总线、缓存或随机访问存储器（RAM），但 RAM 是主存储器的最常见示例。

计算机启动后，操作系统（OS）、用户界面以及任何用户安装和运行的软件实用程序都会被加载到主存储器中。当从主存储器启动程序或应用程序时，它会与系统处理器通信以执行其所有独特功能。

辅助存储器比主存储器慢。

辅助存储器

辅助存储器是非易失性的、永久性的计算机内存，计算机或处理器无法直接访问。数据可以通过用户存储，然后以这种方式使用，从而能够被应用程序和服务快速轻松地检索、传输和使用。

辅助存储是可以使用术语“辅助存储”的另一个名称。

只读存储器（ROM）、闪存驱动器、硬盘驱动器（HDD）、磁带以及其他内部和外部存储介质都属于辅助存储器。只有主存储器或主存储器在计算过程中才能访问辅助存储器，并且只有那时它才会被发送到处理器。

即使计算机未通电，数据也可以存储在辅助存储器中并被保留，而辅助存储器比主存储器慢。此外，它还具有大存储容量，每个存储器可以存储从几兆字节（MB）到许多太字节（TB）的任何容量。

辅助存储器比主存储器慢。

所有海量存储介质都属于辅助存储器。

主存储器与辅助存储器的区别

现在，让我们来了解一下市面上现有的海量存储介质的类型。

海量存储结构

用于存储海量数据的系统称为海量存储设备。海量存储设备有时也与外围存储互换使用，外围存储是指比计算机或设备的本机存储容量更大的数据的管理。

海量存储的基本思想是创建一个数据备份或数据恢复系统。

随着计算机系统的发展，海量存储技术和策略的定义也在不断变化。专家表示，最早和最基础的海量存储技术可以追溯到大型机超级计算机时代。打孔卡、霍勒瑞斯卡和其他相对相似的手动存储介质是当今此类海量存储介质的示例。如今，海量存储可能包括多种类型的硬盘或固态存储设备，以及磁带驱动器和其他物理数据存储设备。

数据备份和数据恢复的概念经常与海量存储介质相关联。大型企业公司将制定记录、存储和备份所有可用数据的计划，这需要比工厂直销设备能提供更多的海量存储介质。这表明了一种处理连续海量存储的方法，该方法使用磁带或其他介质。其他类型的海量存储可以作为大型网络或一组移动远程设备的数据存储计划。例如，为了备份内部容量不大的便携式平板电脑上的数据，平板电脑的海量存储可能需要使用闪存或通用串行总线介质（USB 介质）。

海量存储结构设备是

1. 磁盘
2. 固态硬盘
3. 磁带

磁盘

现在，我们将了解磁性磁盘海量存储结构设备的各个方面。

磁性磁盘，一种存储设备，使用磁化过程来写入、重写和访问数据。这个过程称为磁性磁盘。它被磁性涂覆，并具有用于存储数据的磁道、磁点和扇区。

1956 年，IBM 推出了第一款磁性硬盘，这是一个带有 50 个 21 英寸（53 厘米）盘片的庞大设备。尽管体积庞大，但它只能存储 5 兆字节的信息。此后，磁性磁盘的存储容量急剧增加，同时尺寸也在缩小。

磁性磁盘的基本常见示例是

1. 软盘
2. 硬盘
3. Zip 磁盘

磁性磁盘的基本外观如下

磁性磁盘的结构和工作原理

磁性磁盘的基本结构是

磁性磁盘主要由一个在旋转的磁性表面（称为盘片）上移动的机械臂组成。它们组合在一起形成一个“梳子”。机械臂用于读取和写入磁盘。使用磁化过程来读取和写入磁性磁盘上的数据。

一个或多个盘状盘片，上面覆盖着磁性材料。与由更灵活的塑料制成的“软盘”不同，硬盘盘片由坚硬的金属制成。

每个盘片上有两个工作区域。由于它们更容易损坏甚至在某些情况下损坏，较旧的硬盘驱动器有时会避免使用堆叠盘片的最顶部和最底部表面。

当盘片继续快速旋转时，臂上的磁头在盘片表面滑动。由于整个装置是密封的，磁头漂浮在微小的空气层上。盘片表面的微小区域被磁化，并在磁头施加小电流时存储数据。当磁头需要读取数据时，可以将小电流施加到盘片上的这些微小位置。

磁盘上的数据按扇区和磁道排列，磁道是磁盘的圆形划分。数据块被分成扇区，扇区是磁道的子集。扇区是进行磁性磁盘读取和写入操作的地方。由于磁道非常靠近，因此在读取或写入数据时需要非常精确地控制浮动磁头。

磁道是一系列同心圆，用于分隔每个工作表面。一个柱面是由距离盘片边缘相同距离的所有磁道组成的，或者在附图中，是由所有直接相互叠放的磁道组成的。

一个磁道进一步划分为扇区，通常每个扇区存储 512 字节的数据，尽管一些较新的驱动器有时使用更大的扇区大小。

(扇区还包括一个头和一个尾，其中包含校验和数据等。尽管较大的扇区大小会增加内部碎片以及在发生错误时需要标记为坏的磁盘数量，但头和尾占用的磁盘百分比会减少。)

硬盘驱动器使用读写磁头读取数据。在典型设置（如下所示）中，每个表面使用一个磁头，安装在单独的臂上，并通过共享的臂组件同时从一个柱面移动到另一个柱面。（其他设计，例如独立的读写磁头，可能会加速磁盘访问，但会带来重大的技术挑战。）

磁头数量（或工作表面）* 每表面磁道数 * 每磁道扇区数 * 每扇区字节数 = 传统硬盘驱动器的存储容量。可以通过特定物理数据块的磁头-扇区-柱面号来标识它。

磁头从一个柱面移动到另一个柱面所需的时间以及磁头在传输后稳定下来的时间称为**定位时间**，也称为寻道时间或随机访问时间。这通常是移动缓慢的阶段，也是高传输速率的主要障碍。

所需扇区旋转并进入读写磁头所需的时间称为**旋转延迟**。

这可以是 0 到 1 次完整旋转之间的任何时间，平均为 1/2 次旋转。这是一个物理动作，通常在寻道时间之后发生，是第二慢的步骤。（如果磁盘以 7200 转/分钟旋转，平均旋转延迟为 1/2 转 / 120 转/秒，即略高于 4 毫秒，以计算机标准来看这是一个很长的时间。

从磁盘到计算机传输数据所需的时间称为传输速率。（一些作者也可能使用“传输速率”一词来指代整个传输速率，包括寻道时间、旋转延迟和电子数据传输速率。）

磁盘磁头在薄如纸的空气垫上“飞行”过表面。如果它们意外接触磁盘，就会发生磁头碰撞，这可能会或可能不会永久性地损坏甚至完全摧毁磁盘。因此，在关闭计算机时通常会停放磁盘磁头，这包括将磁头移出磁盘或移到磁盘上的空闲区域。

通常，软盘是可移动的。硬盘也可以取出并替换为新的，其中一些甚至可以在计算机仍在运行时进行热插拔。

I/O 总线是一种用于将磁盘驱动器连接到计算机的连接。增强型集成驱动电子设备（EIDE）、高级技术附件（ATA）、串行 ATA（SATA）、通用串行总线（USB）、光纤通道（FC）和小型计算机系统接口（SCSI）是一些常见的接口类型。

磁盘控制器包含在磁盘本身内，而主机控制器位于 I/O 总线的计算机端。通过输入输出端口，CPU 将命令发送到主机控制器。磁盘控制器将信息从板载缓存移动到主机控制器和主板内存，在将信息从磁性表面移动到板载缓存后，以电子速度进行传输。

固态硬盘

随着经济状况和技术的发展，旧技术经常被以新的方式使用。固态硬盘（SSD）的日益普及就是一个例子。

SSD 使用内存技术作为小型、快速的硬盘。为了在断电周期中保持信息，某些实现可能使用闪存或由电池保护的 DRAM 芯片。

由于没有移动部件，SSD 的运行速度比传统硬盘快得多，而且某些问题（例如磁盘访问的调度）根本不存在。

SSD 也有一些缺点，包括它们比硬盘贵，容量通常较小，并且寿命可能较短。

作为硬盘上需要快速检索的信息的高速缓存，SSD 特别有用。一种用途是存储频繁请求的文件系统元数据，例如目录和 i 节点信息。引导驱动器是另一种版本，其中包含操作系统和某些应用程序的可执行文件，但没有重要的用户数据。为了使笔记本电脑更薄、更轻、更快，SSD 也被用于其中。

由于 SSD 比传统硬盘快得多，总线吞吐量可能会成为限制问题，因此某些 SSD 直接连接到系统 PCI 总线。

磁带

在硬盘驱动器出现之前，磁带经常用于辅助存储；如今，它们主要用于备份。

访问磁带上的特定位置可能需要一段时间，但一旦开始读取或写入，访问速度就与磁盘驱动器相当。

磁带驱动器的容量可以从 20 GB 到 200 GB，压缩可以将其容量加倍。