数据库原理与开发技术 课件 6.1 物理结构设计

第6章数据存储本章主要内容：（1）存储器的种类：高速缓冲存储器、主存储器、

二级存储器（磁盘）、三级存储器（2）文件组织：定长记录、可变长记录（4）文件中记录的组织：堆文件组织、顺序文件组织、散列文件组织6.1存储器的结构及特性存储器是计算机存放程序和数据的物理设备，是计算机信息储存和信息交流的中心。存储器有下面3个要素：

（1）存储容量。存储器所能容纳的二进制信息量的总和称为存储容量，它是衡量计算机整体性能的一个重要指标。

（2）存取周期。计算机从存储器中读出或写入数据所需要的时间称为存取周期。存取周期越短，CPU从存储器中读写数据的速度越快，计算机的整体性能就越高。

（3）存储地址。存储器由许多存储单元构成。存储单元是计算机从存储器中存取数据的基本单位，即每次最少也要存取一个存储单元中的数据。为了区别不同的存储单元，就给每个存储单元分配一个唯一的编号，这个编号就是存储单元的地址，简称存储地址。

6.1.1存储器的种类及访问特性评价存储器的基本指标有3个：存储容量、存储速度和制作成本。这三者是相互矛盾的。速度越高，制作成本就越高。解决办法一般采用分级存储结构。由于CPU的运算速度快，内存的存取速度相对较慢，当CPU与内存交换数据时，会经常停下来等待内存传送数据。为了解决这个矛盾，就在CPU与内存之间增加了一种存取速度非常快的存储器，即高速缓冲存储器（Cache），俗称缓存。

6.1.1存储器的种类及访问特性这样，根据CPU访问的远近，一般的计算机系统包括4种类型的存储器：高速缓冲存储器、主存储器（内存）、二级存储器（磁盘）、三级存储器。离CPU越近，访问速度越快。这4中存储器的层次结构，如图6-1所示。

6.1.1存储器的种类及访问特性

1.高速缓冲存储器（Cache）高速缓冲存储器是CPU直接访问的存储器，它被集成在CPU芯片内。Cache中的数据是主存储器中特定数据的副本，CUP会将访问频率比较高的数据复制到Cache中，以加快数据的访问和处理速度。程序运行时，CPU首先在高速缓冲存储器中寻找指令和数据，如果没有找到，就到内存中去寻找并将其复制到Cache中，然后将其处理后的数据复制到内存中原来的位置上。

6.1.1存储器的种类及访问特性

2.主存储器（内存）主存储器（MainMemory）也称主存或内存，计算机无论是执行指令还是处理数据都需要将它们先驻留在内存上，然后读入高速缓冲存储器。内存主要分为两类：随机存储器（RadomAccessMemory，RAM）和只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）。随机存储器就是人们常说的内存。计算机按存储单元的地址来访问内存数据，根据指定的地址，把信息存入存储单元，或从指定的地址读取信息。内存访问是随机的。

6.1.1存储器的种类及访问特性概括讲，RAM特点如下：（1）CPU可以随时读出其中的内容，也可以随时写入其中的内容。写入时，会覆盖原有内容。

（2）随机存取，即存取任一单元所需要的时间相同，不必顺序访问存储单元。

（3）断电后，RAM中的内容立即消失。

6.1.1存储器的种类及访问特性

3.磁盘存储器磁盘存储器有多种，其中最常见的是硬盘，它是把磁性材料涂在铝合金圆盘上，数据就记录在表面的磁介质中。计算机读取硬盘数据的速度比内存要慢，但存储容量比内存大，并且可长期保存。

1973年，IBM公司推出了Winchester（温氏）硬盘，即：温彻斯特式硬盘，英文名为HardDiscDrive（简称HDD），它的特点是：“工作时，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，使用时，磁头沿高速旋转的盘片上做径向移动”，从而拉开现代硬盘发展的序幕。今天高端硬盘容量虽然高达TB量级，但都没有脱离“温彻斯特”的运作模式。其结构如图6-2所示。

6.1.1存储器的种类及访问特性

3.磁盘存储器硬盘主要的组成部件包括：盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等。

6.1.1存储器的种类及访问特性从物理结构的角度看，硬盘的盘体分为磁面（Side）、磁道（Track）、柱面（Cylinder）和扇区（Sector）。（1）磁面硬盘的盘体由多个盘片重叠在一起组成。磁面是指一个盘片的2个面，其编号方式为：第一个盘片的第一个面为0，第二个面为1；第二个盘片的第一个面为2，第二个面为3，以此类推。在硬盘中，一个磁面对应一个读写磁头，所以在对硬盘进行读写操作时，不再称磁面0、磁面1、磁面2、…，而是称磁头0、磁头1、磁头2、磁头3、…。

6.1.1存储器的种类及访问特性（2）磁道、柱面每个盘片的每个磁面都被划分为许多同心圆，称之为磁道，整个盘体中所有磁面上半径相同的同心磁道称为一个柱面，一个硬盘有多少个同心圆，就有多少个柱面。（3）扇区每个磁道又被规划出多个扇区。扇区是被间隙分割的圆弧片段，是操作磁盘的最小单位。传统上每个扇区可存储512个字节。由此，我们可以计算得出：硬盘的总容量=磁头数×磁道数×扇区数×512（字节）

6.1.1存储器的种类及访问特性每个字节的读取，是由几十到几百个~nm（纳米）的磁性颗粒（CoPt或FePt合金）直接参与的。磁头在读取数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号变为电脑可以识别的数据。写入过程与此正好相反。硬盘在开始使用前，必须进行格式化，格式化后，硬盘的每个扇区都有唯一的编号，即存储地址，硬盘的存储地址由三部分组成：磁面号·磁道号·扇区号

6.1.2硬盘的访问特性硬盘的访问特性是指数据在硬盘和内存之间的移动过程及所花时间成本。在数据库技术中，由于DBMS自己管理数据的存取和访问，了解硬盘的访问特性非常必要，它是设计高效的数据读写算法的基础。计算机在进行文件读取所花费的时间，主要由下面三个部分组成：（1）磁头寻道。将磁头定义到合适柱面的时间为寻道时间。如果磁头恰好在所需要的柱面上，则寻道时间为0；如果不在，则磁头需要移动。目前，主流硬盘的平均寻道时间为9毫秒（ms）。（2）磁盘旋转。将磁盘进行旋转，是磁头位于组成该块的第一个扇区的起始位置，这个时间称为旋转延迟。目前主流硬盘主轴的旋转速度为每分钟7200转，常用磁盘的平均延迟时间为5ms左右。

6.1.2硬盘的访问特性（3）数据传输。将数据从磁盘移到主存或从主存移动到磁盘，这个过程中，磁头从块所包含的第一个扇区的起始点到最后一个扇区的终结点所花时间称为数据传输时间。这个时间与磁盘旋转时间密切相关。根据上面3点，计算机读取一个块的总时间为：块读取时间