计算机组成原理——外存、SSD、Cache

前言
本节核心三大模块：机械磁盘（磁表面存储器）、固态硬盘 SSD、高速缓存 Cache。
计组侧重硬件结构、性能计算；操作系统侧重磁盘调度、页面管理，两科知识点可互通但考察重点不同。
磁盘、RAID、SSD、Cache 均为选择、计算题高频考点，Cache 是本章重中之重。

一、磁表面存储器（机械硬盘 / 磁带）
1.底层读写原理
写入原理

1. 盘 / 磁带表面涂磁性磁粉，读写头是电磁铁；
2. 线圈通入不同方向电流，铁芯磁极改变，磁化磁粉形成两种磁化状态；
3. 规定：左南右北 = 0，左北右南 = 1，以此存储二进制。

读取原理
切割磁感线：磁介质划过磁头，磁场变化在线圈产生不同方向电流，电路解析出 0/1。

核心硬件特性

1. 读写最小单位：1bit，串行读写；主机并行 8bit 字节需串并转换电路；
2. 读写不能同时进行；

磁表面存储器优缺点
✅ 优点

1. 存储容量大，单位成本低；
2. 介质可反复擦写；
3. 断电数据长期保存，支持脱机移动存储；
4. 非破坏性读出：读取不改变磁化状态，无需刷新再生。

❌ 缺点

1. 存取速度慢（依赖机械运动）；
2. 机械结构复杂，故障率更高；
3. 易受强磁场干扰，数据丢失。

补充：磁盘同时属于输入、输出设备。

2. 机械磁盘硬件结构
整体分为磁盘驱动器（机械部分） + 磁盘控制器（电路板 IO 接口）
驱动器机械组成

1. 马达主轴：带动所有盘片匀速旋转；
2. 多层盘片：正反两面涂磁介质，单面 / 双面均可存储；
3. 磁头臂：可径向内外移动，每个记录面对应独立读写磁头；
4. 读写磁头：完成 1bit 串行读写。

磁盘存储分区专业名词

1. 磁道：单个盘面一圈环形磁介质，同心圆；
2. 柱面：所有盘片同一半径位置的全部磁道垂直组成一个柱面；柱面号 = 磁道径向位置；
3. 扇区：单条磁道切分扇形小块，主机读写最小单位是扇区；
4. 磁头：一个盘面对应一个磁头，盘面号用来选择激活对应磁头。

磁盘控制器
IO 接口芯片，实现磁盘与主机的数据交互，常见标准：IDE (ATA)、SATA（串行 ATA，主流）。

3. 磁盘核心性能指标（计算题重点）
1）容量：格式化 / 非格式化容量
•非格式化：磁盘物理理论最大比特容量；
•格式化：划分扇区后，预留备用坏扇区、控制标识，格式化容量 < 非格式化容量。

2）记录密度（3 类）

1. 道密度：磁盘半径方向，单位长度磁道数量；
2. 位密度：单条磁道单位长度可存储比特；
   外圈磁道长、位密度低；内圈磁道短、位密度高，磁盘容量由内圈位密度上限决定；
   所有扇区存储比特数统一；
3. 面密度= 道密度 × 位密度。

3）平均存取时间（必考计算）
完整读写一扇区分为三阶段：

1. 寻道时间 Ts：磁头臂移动到目标柱面（机械动作，耗时最长），题目直接给平均值；
2. 旋转延迟 Tr：盘片旋转，等待目标扇区转到磁头下方；
   平均延迟 = 磁盘旋转半圈时间；由转速计算。
3. 传输时间 Tt：扇区完整划过磁头，完成数据读写；
   可选附加：控制器延迟 Tc（控制电路收发指令耗时）

总平均存取时间 = 平均寻道时间 + 平均旋转延迟 + 单扇区传输时间 + 控制器延迟

4）数据传输率
单位时间磁盘向主机传输数据量；
公式：每秒转速 × 每条磁道总字节数。

4. 磁盘地址编码（定位扇区）
完整地址 4 段，依次：驱动器号 → 柱面号 → 盘面号 → 扇区号

1. 驱动器号：区分电脑内多块硬盘；
2. 柱面号：控制磁头臂径向移动到对应磁道；
3. 盘面号：选择激活对应盘面的读写磁头；
4. 扇区号：盘片旋转时定位目标扇区。

计算题考法：给出各部分数量，计算每段地址所需二进制位数。

5. RAID 廉价冗余磁盘阵列
作用：多块磁盘组合，提升读写速度 + 数据容错备份
RAID 0（条带化）
•逻辑连续数据拆分条带，分散存储在多块磁盘，并行读写，速度大幅提升；
•无冗余、无校验；任意磁盘损坏，全部数据丢失；
•优点：速度最快，磁盘利用率 100%；缺点：无容错。

RAID 1（镜像）
•两块磁盘存完全相同副本；
•读可并行加速；一块盘损坏，另一块完整备份；
•缺点：磁盘利用率仅 50%，存储成本翻倍。

RAID 2
•按比特拆分数据，搭配海明校验磁盘；
•可自动纠正单比特错误、检测双比特错；
•冗余开销比 RAID1 低，商用极少使用。

RAID3/4/5（拓展了解）
编号越大，校验冗余占用存储空间越少，容错能力更强，企业云存储常用。
考点总结：RAID0 无容错；RAID1 镜像容错；高编号 RAID 平衡成本与可靠性。

二、固态硬盘 SSD（闪存盘）
1.底层基础
存储介质：闪存 Flash（电可擦除 ROM EEPROM），U 盘、SSD 同原理；
整体两大模块：闪存翻译层 + 闪存芯片阵列。

2. 闪存内部层级结构
芯片 → 块 (block) → 页 (page)

1. 读写单位：页（等价机械盘扇区）；
2. 擦除单位：块（整页有数据不能单独覆写，必须整块擦除）；
   规则：一页擦除后可多次读、仅能写入一次；重复写必须擦除整块。
   覆写流程：
3. 将块内其他有效页复制到空闲新块；
4. 擦除原整块；
5. 写入更新数据；
6. 闪存翻译层修改逻辑→物理地址映射。

3. 闪存翻译层核心功能

1. 接收主机逻辑块号；
2. 逻辑地址映射到闪存物理页；
3. 维护地址映射表，数据迁移后自动更新映射；
4. 实现磨损均衡。

4. SSD vs 机械硬盘 对比
✅ SSD 优势

1. 无机械结构，随机访问速度极快，无寻道、旋转延迟；
2. 无噪音、抗震耐摔；
3. 功耗更低。

❌ SSD 劣势

1. 单位存储价格更高；
2. 闪存块擦写次数存在寿命上限，反复擦写会损坏块；

机械硬盘无擦写寿命限制。

5. 磨损均衡技术（必考）
目的：均匀分散擦写操作，避免同一块频繁擦写快速老化，延长 SSD 寿命

1. 动态磨损均衡：每次写入优先选择擦除次数少的空闲块；
2. 静态磨损均衡：后台自动迁移冷数据（只读、极少写入）到老旧块，高频写入数据分配给新块。

三、高速缓存 Cache（本章重中之重，选择 + 计算题高频）
1.引入 Cache 的根本原因
CPU 运算速度远快于主存 DRAM，二者速度差距大；

解决方案：在 CPU 内部集成高速 SRAM 作为 Cache，缓存近期使用指令 / 数据，减少访问慢速主存。
•Cache：SRAM，速度极快、成本高、容量小；
•主存：DRAM，速度慢、廉价、容量大。

2. 理论基础：程序局部性原理（Cache 能生效的核心）
1）时间局部
近期访问的指令 / 数据，短期内会再次重复访问（循环、变量反复读写）。

2）空间局部
当前访问地址周边相邻地址，短期内大概率被访问（数组顺序存储、指令连续存放）。

反例：按列遍历二维数组，跳跃访问，空间局部性差，Cache 命中率低，程序运行慢。

3. Cache 工作流程

1. CPU 访问数据，优先查询 Cache；
2. 命中：数据存在 Cache，直接高速读取；
3. 不命中（缺失）：访问慢速主存，同时将该数据所在整块调入 Cache（利用空间局部）。

核心指标

1. 命中率 H：CPU 访问时数据在 Cache 的概率；缺失率 = 1-H；
2. 平均访问时间计算（两种出题模型）
   模型 1：先查 Cache，不命中再访问主存
   T 平均 = H×Tc + (1-H)×(Tc + Tm)
   Tc：Cache 访问时间，Tm：主存访问时间
   模型 2：Cache、主存同时并行访问
   T 平均 = H×Tc + (1-H)×Tm
   并行模型平均耗时更低，做题必须区分题干描述。
3. 主存与 Cache 分块规则
   1.主存、Cache 划分为大小完全相等的块；
   2.数据交换最小单位：块；
   3.主存地址拆分：主存块号 + 块内地址；

4.术语区分：
主存块 = 页面；Cache 块 = Cache 行；

5. Cache 三大核心待解决问题（后续课时）

1. 映射方式：主存块如何对应存放至 Cache 块（直接 / 全相联 / 组相联）；
2. 替换算法：Cache 存满，新主存块调入时淘汰哪一块；
3. 写一致性策略：Cache 副本与主存原始数据同步更新（写直达、写回）。

整体复习思维导图速记
1.外存
磁表面磁盘：读写原理→硬件结构→性能指标→RAID 阵列
SSD 闪存：块 / 页结构、磨损均衡、机械盘对比

2.Cache
局部性原理→命中 / 缺失→平均访问时间计算→分块机制