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Lesson 06 - Data Storage.md

File metadata and controls

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Lesson 06 - Data Storage

主要介绍了硬件层面的数据存储方式

位(bit)

计算机为何用二进制?

计算机为什么非要使用二进制呢?十进制不香吗?

计算机内部是由电路构建成的,流通在电路元器件之间的是电流。既然电流可以流经各元器件,自然不难想到,让电流作为信息的载体。如何将电流解读为信息呢?电流只有两种最稳定的状态——有电流和没电流(高电平和低电平),把这两种状态解读为两种信息就好了。这限制了我们表示一个数字的任意一位的时候,只能用两个数字(对应两个状态),于是人们就决定让低电平代表0、高电平代表1,每一位都用0和1去表示数,这恰好就是二进制。

怎么把电流状态保持下来?

计算机得记住信息才行,但在一般的电路里,电流流过后信息就不在了。那我们如何记住“刚刚这里电流流过”这个信息呢?这就要用到一个重要的元器件Flip-Flop(触发器),这个东西能将信息保存下来。

为了学习触发器,我们需要学习以下几样东西:

logical operations(逻辑操作)

我们也可以把低电平(0)看成False,高电平(1)看成True,于是就有了对这些真值的逻辑操作。基本的四种逻辑操作有:AND(与)、OR(或)、NOT(非)和XOR(异或)。这些逻辑操作也被叫做布尔操作,为了纪念数学家布尔,也是发明这个数学表示的人。

Logic gates(逻辑门)

逻辑门就是实现具体逻辑运算的电路。相对应四种基本逻辑操作,基本的逻辑门也有:与门、或门、非门和异或门。任何复杂的逻辑电路都可以由这些门电路组成。下面是每一种逻辑门对应的电路符号以及它们的真值表:

L06_1

除此之外还有NAND(与非门)和NOR(或非门),很简单,就相当于是在与门和或门后串联一个非门。

Flip-flop(触发器)

存储bit的核心元器件,下面的图是触发器的一种实现方式:

L06_2

以下为个人理解:

  1. 首先,上下两个input都是一个瞬间的电流,它们几乎不可能同时到达,也就是说input都为1(都有电流)这种情况是不可能发生的
  2. 再说说上下两个input所代表的意义:
    • 上输入:Set,有电流时将输出设置为1
    • 下输入:Reset,有电流时将输出重新设置为0
    • 其他情况(都没有电流)将保持上一个操作所设置的值

stream(流)

一长串位称为流,为了简化1010101010这样子不太好看懂的01字符串,我们可以将4位4位的流直接转换成16进制。

Main Memory(主存)

一些像Flip-flop这样可以存储位的东西先组合成小的存储单元cell,一般cell的大小都是8个bit,也就是1个byte。而Main Memory就是由大量的cell按顺序排列成的,按照顺序,这些cell们有递增的address

  • high-order end,most significant bit:高位端,最高位,指左边
  • low-order end,least significant bit:低位端,最低位,指右边

1KB = 1024Byte;1MB = 1024KB;1GB = 1024MB;1TB = 1024GB;……

RAM和ROM

这是两种存储器的硬件实现:

RAM(Random Access Memory):

  • 随机存取存储器
  • 可读可写,但是断电后就都没啦
  • 主要分为SRAMDRAM两种
    • SRAM(Static RAM):使用传统的flip-flop,快但昂贵
    • DRAM(Dynamic RAM):使用电容器,充电时为1,放电时为0,,慢但便宜
  • 也是主存的主要硬件构成

ROM(Read-Only Memory):

  • 只读存储器
  • 不能改变其中的内容,只能读取,但是断电之后可以依然存在(除非你把ROM砸了,里面数据才能损坏掉)
  • 制作时就把数据烧写在了存储器里面

Mass (Secondary) Storage Systems

主存断电就GG并且空间有限,我们还需要二级的存储系统

例如:磁盘、磁带、CD、DVD、闪存盘等等

这些存储系统有如下的优缺点:

  • 优点:数据不易失、存储空间大、廉价,并且方便从一台设备转移到另一台设备
  • 缺点:需要机械移动,因此读写时间开销更大

Magnetic Disk(磁盘)

读或写时磁盘会转

  1. Track:磁道,绕磁盘中心的一个个同心圆
  2. Cylinder:圆柱,磁盘多层的同半径的磁道的集合
  3. Sector:扇区,磁道可以被分为一个个小的扇区
  4. Formatting:初始决定磁道和扇区位置的过程

四个衡量磁盘性能的决定因素:

  1. seek time:把读写头从一个磁道移到另一个磁道的过程所需要的时间
  2. rotation delay:由于数据可能在相应磁道的任意位置,一般要旋转一圈才能找到,取平均后,即为旋转半圈的时间
  3. access time:前两者的和
  4. transfer rate:数据从磁盘读出的速率

CD(Compact disk)则是使用的反光材料和激光读写头。

CD-DA(Compact disk-digital audio):一种数据存储格式

Flash memory用电信号输送,不需要机械运动,据说运用了量子隧穿效应,所以说快的一批。

File

大体上在操作系统这一节才细讲,请看Lesson 10 - Operating System