《輔助存儲器》課件

輔助存儲器輔助存儲器是一種用于擴展計算機系統(tǒng)主內(nèi)存容量的存儲設備。它存儲容量大、成本低、速度慢，用于保存主存中暫時不用的信息和程序，以及存儲需要長期保存的數(shù)據(jù)。課程導言了解存儲的重要性數(shù)據(jù)存儲對于現(xiàn)代計算機系統(tǒng)至關(guān)重要，它允許我們保存、檢索和處理信息。存儲技術(shù)的多樣性從傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動器到閃存和云存儲，存儲技術(shù)不斷發(fā)展，為我們提供更多選擇。探索存儲的奧秘本課程將深入探討存儲技術(shù)的工作原理，幫助您理解數(shù)據(jù)存儲的復雜性。輔助存儲器的作用和特點作用輔助存儲器用來存儲大量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以是程序、數(shù)據(jù)文件、操作系統(tǒng)等。CPU無法直接訪問輔助存儲器，必須先將數(shù)據(jù)加載到主存儲器中才能訪問。輔助存儲器通常比主存儲器容量更大，但速度更慢、成本更低。特點輔助存儲器中的數(shù)據(jù)可以長期保存，即使計算機關(guān)閉，數(shù)據(jù)也不會丟失。輔助存儲器通常是永久性存儲，而主存儲器是易失性存儲。磁盤存儲器磁盤存儲器是計算機系統(tǒng)中常用的輔助存儲器，它使用旋轉(zhuǎn)的磁盤來存儲數(shù)據(jù)。磁盤存儲器具有容量大、價格低廉、可隨機訪問等優(yōu)點，適用于存儲大量數(shù)據(jù)和程序。磁盤存儲器分為硬盤和軟盤，其中硬盤是計算機的主存儲器，而軟盤則是一種可移動存儲介質(zhì)。隨著技術(shù)的發(fā)展，固態(tài)硬盤（SSD）逐漸取代了傳統(tǒng)的機械硬盤（HDD）。磁盤的組成和工作原理1磁盤盤片磁盤盤片由金屬或玻璃基板制成，表面涂覆磁性材料，用于存儲數(shù)據(jù)。2磁頭磁頭負責讀寫數(shù)據(jù)，它可以在磁盤表面移動，并通過磁場將數(shù)據(jù)寫入或從磁盤讀取數(shù)據(jù)。3主軸電機主軸電機驅(qū)動磁盤盤片高速旋轉(zhuǎn)，以便磁頭能夠快速訪問磁盤上的任何位置。4控制器控制器負責控制磁盤的讀寫操作、尋址、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。磁盤的分類和性能指標磁盤的分類主要取決于其物理結(jié)構(gòu)、記錄方式和工作原理。常見的磁盤分類包括硬盤、軟盤和光盤。磁盤性能指標主要用于衡量磁盤的讀寫速度和數(shù)據(jù)存儲容量。重要的性能指標包括：7200轉(zhuǎn)速每分鐘轉(zhuǎn)速越高，磁盤訪問速度越快。10M數(shù)據(jù)傳輸率每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大，磁盤訪問速度越快。1T存儲容量磁盤能夠存儲的數(shù)據(jù)量大小。5尋道時間磁盤磁頭從一個磁道移動到另一個磁道的平均時間。磁盤的訪問方式1順序訪問從磁盤的第一個扇區(qū)開始順序讀取數(shù)據(jù)，速度較慢，常用于磁帶存儲。2直接訪問可以隨機訪問磁盤上的任何一個扇區(qū)，速度快，適合于文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫。3索引順序訪問結(jié)合順序訪問和直接訪問的特點，先通過索引找到數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)，再進行順序訪問。4其他訪問方式還有其他訪問方式，如磁盤緩存和磁盤鏡像技術(shù)，可以進一步提高訪問速度。磁盤文件系統(tǒng)組織和管理文件磁盤文件系統(tǒng)提供一種結(jié)構(gòu)化的方式來組織和管理存儲在磁盤上的數(shù)據(jù)，以便用戶能夠輕松地訪問和操作文件。邏輯地址空間它創(chuàng)建了一個邏輯地址空間，將物理磁盤上的塊映射到文件系統(tǒng)中的文件和目錄，從而簡化了文件訪問。保護和管理它提供文件和目錄的保護機制，防止意外刪除或修改，并提供權(quán)限控制，確保數(shù)據(jù)的安全性。文件分配策略它使用不同的文件分配策略，例如連續(xù)分配、鏈接分配和索引分配，以有效地管理磁盤空間。磁帶存儲器磁帶存儲器是一種順序訪問的存儲器，信息以連續(xù)的順序存儲在磁帶上。磁帶存儲器通常用于備份數(shù)據(jù)，存儲大量數(shù)據(jù)，或存檔數(shù)據(jù)。磁帶的組成和工作原理磁帶是一種順序訪問存儲設備，可以用于存儲大量數(shù)據(jù)，例如備份和存檔。1磁帶機讀取和寫入數(shù)據(jù)2磁帶存儲數(shù)據(jù)的介質(zhì)3磁頭讀取和寫入數(shù)據(jù)磁帶存儲器的工作原理是將數(shù)據(jù)以磁信號的形式記錄在磁帶上，并通過磁頭讀取和寫入數(shù)據(jù)。磁頭是磁帶機的重要組成部分，它可以讀取和寫入磁帶上的數(shù)據(jù)。磁帶的分類和性能指標類型特點性能指標DAT磁帶高密度、高容量、高速度容量：2-4GB，速度：1.5-6MB/sLTO磁帶高容量、高可靠性、高壽命容量：300GB-18TB，速度：140-360MB/s磁帶庫自動化、高效率、高安全性容量：10-100TB，速度：10-100MB/s光盤存儲器光盤類型包括CD、DVD和藍光碟，適用于存儲音樂、視頻、軟件和數(shù)據(jù)。光盤刻錄機使用激光束在光盤表面寫入數(shù)據(jù)的設備，支持刻錄和讀取功能。讀寫原理利用激光束讀取或?qū)懭牍獗P上的信息，數(shù)據(jù)存儲在光盤的反射層上。光盤的組成和工作原理1光盤基板光盤基板由聚碳酸酯制成，具有高強度和耐熱性。2反射層反射層由鋁或金制成，用于反射激光束。3保護層保護層由透明的樹脂材料制成，保護數(shù)據(jù)層不受刮擦和灰塵影響。4數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)層記錄著數(shù)字信息，采用凹坑和凸起表示數(shù)據(jù)。光盤驅(qū)動器通過激光束讀取數(shù)據(jù)層上的信息。激光束照射到數(shù)據(jù)層上的凹坑和凸起時，反射回來的光束強度會發(fā)生變化，驅(qū)動器根據(jù)光束強度的變化來識別數(shù)據(jù)。光盤的分類和性能指標CD-ROMDVD-ROM藍光光盤其他光盤根據(jù)存儲容量和讀寫速度分類，常見的光盤類型有CD-ROM、DVD-ROM和藍光光盤。光盤的存儲容量和讀寫速度是衡量其性能的重要指標。閃存存儲器閃存存儲器是一種基于半導體技術(shù)的非易失性存儲器，也被稱為固態(tài)硬盤（SSD）。閃存存儲器具有速度快、體積小、功耗低、可靠性高的優(yōu)點，廣泛應用于計算機、移動設備、嵌入式系統(tǒng)等領域。閃存的組成和工作原理閃存芯片閃存芯片是閃存存儲器的核心，包含多個存儲單元，每個單元存儲一個位數(shù)據(jù)。這些單元以矩陣形式排列，通過行列地址進行訪問。閃存控制器閃存控制器負責管理閃存芯片的操作，包括數(shù)據(jù)讀寫、擦除操作、地址映射、錯誤檢測和糾正等。存儲器接口存儲器接口連接閃存控制器和主機系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)傳輸和控制信號傳遞。閃存的分類和性能指標閃存存儲設備根據(jù)其結(jié)構(gòu)、性能和應用領域，可分為多種類型。常見的分類包括：1SLC單層單元閃存，性能最高，價格最昂貴，通常用于高性能應用場景，如服務器、高端存儲設備2MLC多層單元閃存，性能比SLC低，但價格更低，通常用于移動設備、消費級存儲設備3TLC三層單元閃存，性能較低，但價格最低，通常用于容量要求高的存儲設備，如存儲卡、SSD4QLC四層單元閃存，性能更低，價格更低，通常用于容量要求極高的存儲設備，如大容量存儲卡、硬盤除了以上分類外，閃存存儲設備還有一些重要的性能指標，例如：100M讀取速度每秒可讀取的數(shù)據(jù)量，單位為兆字節(jié)（MB/s），影響數(shù)據(jù)訪問速度100K寫入速度每秒可寫入的數(shù)據(jù)量，單位為千字節(jié)（KB/s），影響數(shù)據(jù)寫入速度100000IOPS每秒的輸入/輸出操作次數(shù)，影響隨機訪問性能10耐久性閃存存儲設備能夠承受的寫入次數(shù)，影響閃存設備的壽命存儲器層次結(jié)構(gòu)高速緩存速度最快，容量最小，用于存儲最常訪問的數(shù)據(jù)，例如指令和數(shù)據(jù)。主存速度較快，容量中等，用于存放當前運行的程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲器速度最慢，容量最大，用于存儲長期保存的數(shù)據(jù)，例如操作系統(tǒng)、應用程序和用戶文件。緩存技術(shù)提高訪問速度緩存技術(shù)通過將常用的數(shù)據(jù)存儲在速度更快的存儲器中，例如高速緩存，從而加速訪問。減少訪問延遲緩存技術(shù)減少了訪問存儲器的次數(shù)，從而減少了訪問時間，提高了系統(tǒng)的性能。降低存儲器壓力緩存技術(shù)可以減少對主存儲器的訪問頻率，降低主存儲器的壓力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。虛擬存儲技術(shù)11.概念虛擬存儲器技術(shù)是一種將物理內(nèi)存和輔助存儲器結(jié)合起來使用的技術(shù)。它使用硬件和軟件技術(shù)，將主存空間擴大，讓程序可以使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。22.優(yōu)勢虛擬存儲器技術(shù)可以使程序運行所需的內(nèi)存空間大于實際物理內(nèi)存大小，提高了系統(tǒng)效率和資源利用率。33.工作原理虛擬存儲器技術(shù)主要依賴于分頁和分段技術(shù)，將程序劃分為若干個固定大小的頁面或分段，并將其存放在主存或輔存中，根據(jù)需要進行交換。44.類型常用的虛擬存儲器技術(shù)有分頁式虛擬存儲器和分段式虛擬存儲器兩種類型，它們在管理和訪問內(nèi)存方式上有所不同。磁盤陣列技術(shù)提高性能多個磁盤協(xié)同工作，提高數(shù)據(jù)吞吐量和I/O速度，加速數(shù)據(jù)訪問。增強可靠性通過冗余技術(shù)，即使單個磁盤出現(xiàn)故障，也不會丟失數(shù)據(jù)。提高容量將多個磁盤組合成一個大的邏輯磁盤，擴展存儲空間。數(shù)據(jù)備份與恢復數(shù)據(jù)備份數(shù)據(jù)備份是將數(shù)據(jù)從原始存儲位置復制到另一個位置的過程。備份的目標是保護數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)丟失。數(shù)據(jù)備份可以降低數(shù)據(jù)丟失的風險，并幫助恢復丟失或損壞的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)恢復數(shù)據(jù)恢復是從備份中還原數(shù)據(jù)的過程。數(shù)據(jù)恢復可以用于恢復意外刪除、損壞或丟失的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)恢復需要使用備份數(shù)據(jù)來重建原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)恢復可以恢復丟失的數(shù)據(jù)，但無法恢復數(shù)據(jù)丟失后的時間。熱備份和冷備份熱備份數(shù)據(jù)實時備份，系統(tǒng)正常運行。冷備份系統(tǒng)停止運行時進行備份，恢復時間較長。熱備份更安全，但成本更高。異地備份1數(shù)據(jù)安全數(shù)據(jù)備份是一種關(guān)鍵的安全措施，確保即使發(fā)生災難或事故，數(shù)據(jù)也不會丟失。2地理隔離異地備份是指將數(shù)據(jù)復制到遠離原始存儲位置的另一個地點，以防止數(shù)據(jù)因火災、洪水或其他災難而丟失。3數(shù)據(jù)保護異地備份通常存儲在不同物理位置的安全數(shù)據(jù)中心，這些數(shù)據(jù)中心通常配備了電源備份和安全措施。4恢復數(shù)據(jù)當主數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)問題時，可以從異地備份恢復數(shù)據(jù)，并繼續(xù)正常運行。鏡像備份數(shù)據(jù)同步鏡像備份是指將源數(shù)據(jù)完整地復制到另一臺存儲設備上，并在兩個副本之間保持同步。鏡像備份可以確保數(shù)據(jù)的高可用性，即使源存儲設備出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)也可以從鏡像副本恢復。數(shù)據(jù)保護鏡像備份是數(shù)據(jù)保護的重要手段，可以防止數(shù)據(jù)丟失或損壞。鏡像備份通常用于關(guān)鍵數(shù)據(jù)的備份，例如數(shù)據(jù)庫、應用程序服務器和重要的用戶數(shù)據(jù)。存儲管理軟件存儲資源管理存儲管理軟件可以有效管理存儲資源，例如磁盤空間、存儲設備和文件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)安全管理存儲管理軟件提供數(shù)據(jù)安全功能，例如訪問控制、加密和備份恢復，以保護敏感信息。數(shù)據(jù)備份與恢復存儲管理軟件簡化了數(shù)據(jù)備份和恢復過程，確保數(shù)據(jù)完整性和可靠性。系統(tǒng)性能優(yōu)化通過監(jiān)控和分析存儲系統(tǒng)性能，存儲管理軟件可以識別瓶頸并優(yōu)化性能。存儲管理的挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)增長數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，給存儲系統(tǒng)帶來巨大壓力。性能需求用戶對數(shù)據(jù)訪問速度和響應時間要求越來越高。安全性數(shù)據(jù)安全至關(guān)重要，需要防止數(shù)據(jù)丟失、損壞和泄露。成本控制存儲系統(tǒng)成本高昂，需要有效控制成本，提高存儲效率。存儲即服務(StorageasaService)11.按需分配根據(jù)實際需要靈活擴展存儲容量，無需提前購買硬件設備。22.可擴展性隨著數(shù)據(jù)量增長，可以輕松擴展存儲空間，滿足不斷增長的需求。33.成本效益通過按使