外存儲(chǔ)器—磁盤

計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備一般分為兩種：內(nèi)存儲(chǔ)器(main memory)和外存儲(chǔ)器(external memory)。?內(nèi)存存取速度快，但容量小，價(jià)格昂貴，而且不能長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)(在不通電情況下數(shù)據(jù)會(huì)消失)。

外存儲(chǔ)器—磁盤是一種直接存取的存儲(chǔ)設(shè)備(DASD)。它是以存取時(shí)間變化不大為特征的。可以直接存取任何字符組，且容量大、速度較其它外存設(shè)備更快。

磁盤的構(gòu)造

磁盤是一個(gè)扁平的圓盤(與電唱機(jī)的唱片類似)。盤面上有許多稱為磁道的圓圈，數(shù)據(jù)就記錄在這些磁道上。磁盤可以是單片的，也可以是由若干盤片組成的盤組，每一盤片上有兩個(gè)面。如下圖11.3中所示的6片盤組為例，除去最頂端和最底端的外側(cè)面不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之外，一共有10個(gè)面可以用來(lái)保存信息。

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當(dāng)磁盤驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行讀/寫功能時(shí)。盤片裝在一個(gè)主軸上，并繞主軸高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁道在讀/寫頭(又叫磁頭)?下通過(guò)時(shí)，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀?/?寫了。

一般磁盤分為固定頭盤(磁頭固定)和活動(dòng)頭盤。固定頭盤的每一個(gè)磁道上都有獨(dú)立的磁頭，它是固定不動(dòng)的，專門負(fù)責(zé)這一磁道上數(shù)據(jù)的讀/寫。

活動(dòng)頭盤?(如上圖)的磁頭是可移動(dòng)的。每一個(gè)盤面上只有一個(gè)磁頭(磁頭是雙向的，因此正反盤面都能讀寫)。它可以從該面的一個(gè)磁道移動(dòng)到另一個(gè)磁道。所有磁頭都裝在同一個(gè)動(dòng)臂上，因此不同盤面上的所有磁頭都是同時(shí)移動(dòng)的(行動(dòng)整齊劃一)。當(dāng)盤片繞主軸旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，磁頭與旋轉(zhuǎn)的盤片形成一個(gè)圓柱體。各個(gè)盤面上半徑相同的磁道組成了一個(gè)圓柱面，我們稱為柱面?。因此，柱面的個(gè)數(shù)也就是盤面上的磁道數(shù)。?

磁盤的讀/寫原理和效率

磁盤上數(shù)據(jù)必須用一個(gè)三維地址唯一標(biāo)示：柱面號(hào)、盤面號(hào)、塊號(hào)(磁道上的盤塊)。

讀/寫磁盤上某一指定數(shù)據(jù)需要下面3個(gè)步驟：

(1)??首先移動(dòng)臂根據(jù)柱面號(hào)使磁頭移動(dòng)到所需要的柱面上，這一過(guò)程被稱為定位或查找?。

(2)??如上圖11.3中所示的6盤組示意圖中，所有磁頭都定位到了10個(gè)盤面的10條磁道上(磁頭都是雙向的)。這時(shí)根據(jù)盤面號(hào)來(lái)確定指定盤面上的磁道。

(3)?盤面確定以后，盤片開始旋轉(zhuǎn)，將指定塊號(hào)的磁道段移動(dòng)至磁頭下。

經(jīng)過(guò)上面三個(gè)步驟，指定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置就被找到。這時(shí)就可以開始讀/寫操作了。

訪問(wèn)某一具體信息，由3部分時(shí)間組成：

●?查找時(shí)間(seek time) Ts:?完成上述步驟(1)所需要的時(shí)間。這部分時(shí)間代價(jià)最高，最大可達(dá)到0.1s左右。

●?等待時(shí)間(latency time) Tl:?完成上述步驟(3)所需要的時(shí)間。由于盤片繞主軸旋轉(zhuǎn)速度很快，一般為7200轉(zhuǎn)/分(電腦硬盤的性能指標(biāo)之一,?家用的普通硬盤的轉(zhuǎn)速一般有5400rpm(筆記本)、7200rpm幾種)。因此一般旋轉(zhuǎn)一圈大約0.0083s。

●?傳輸時(shí)間(transmission time) Tt:?數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)總線傳送到內(nèi)存的時(shí)間，一般傳輸一個(gè)字節(jié)(byte)大概0.02us=2*10^(-8)s

磁盤讀取數(shù)據(jù)是以盤塊(block)為基本單位的。位于同一盤塊中的所有數(shù)據(jù)都能被一次性全部讀取出來(lái)。而磁盤IO代價(jià)主要花費(fèi)在查找時(shí)間Ts上。因此我們應(yīng)該盡量將相關(guān)信息存放在同一盤塊，同一磁道中。或者至少放在同一柱面或相鄰柱面上，以求在讀/寫信息時(shí)盡量減少磁頭來(lái)回移動(dòng)的次數(shù)，避免過(guò)多的查找時(shí)間Ts。

所以，在大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外存磁盤中，而在外存磁盤中讀取/寫入塊(block)中某數(shù)據(jù)時(shí)，首先需要定位到磁盤中的某塊，如何有效地查找磁盤中的數(shù)據(jù)，需要一種合理高效的外存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就是下面所要重點(diǎn)闡述的B-tree結(jié)構(gòu)，以及相關(guān)的變種結(jié)構(gòu)：B⁺-tree結(jié)構(gòu)和B^*-tree結(jié)構(gòu)。

總結(jié)

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