《存贮论初步》课件

《存储论初步》存储论是计算机科学领域的重要基础理论之一它研究数据存储的原理、方法和技术，旨在有效地管理和利用存储资源课程大纲存贮论基础存贮系统架构存贮应用与发展介绍存贮的概念、基本原理以及分类，为深探讨存贮系统的组成、工作过程和性能指标介绍存贮系统在不同领域的应用场景，展望入理解存贮系统打下基础，了解不同类型的存贮设备未来存贮技术发展趋势什么是存贮论存贮论是研究信息存储和管理的科学探索如何有效地存储、访问,和管理信息它涵盖了信息存储的理论、技术和应用，以及信息存储系统的设计和实现存贮论的核心是探讨信息的存储、组织、访问和检索，涉及数据的表示、结构、组织、存储介质、存储技术、存储管理等多个方面存贮论的研究对象数据存储存储系统数据存储是存贮论的核心研究领域它涉存储系统是数据的载体，由硬件和软件组及数据存储的原理、方法、技术和应用成研究内容包括存储系统的结构、功能例如，数据压缩、编码、加密、备份等、性能、可靠性、安全性等存贮论的发展历程早期1机械存贮设备为主，容量小，速度慢中期2磁性存贮设备的普及，容量增加，速度提升现代3半导体存贮设备成为主流，容量巨大，速度极快未来4光学存贮技术、量子存贮技术等，将继续推动存贮技术发展存贮的基本概念定义目的存贮是将信息或数据以某种形式存贮是为了保存信息或数据，以保存下来，以便在未来某个时间便在需要时能够随时访问和使用点访问或使用类型存贮可以分为永久性存贮和临时性存贮，以及内存储器和外存储器存贮的分类按存贮介质分类按存取方式分类根据存贮介质的物理特性进行分类，例如机械根据数据存取方式进行分类，例如随机存取存存贮器、电子存贮器、光学存贮器等贮器（）、顺序存取存贮器（）等RAM SAM按存贮容量分类按存贮功能分类根据存贮器容量大小进行分类，例如主存贮器根据存贮功能进行分类，例如指令存贮器、数、辅存贮器、外存贮器等据存贮器、高速缓存等存贮系统的基本组成存贮控制器存贮介质12控制存贮设备的读写操作，管存储数据的物理载体，例如硬理存贮空间盘、内存、闪存等存贮接口存贮管理软件34连接存贮设备和主机的桥梁，管理和维护存贮系统的工具，负责数据传输例如文件系统、控制器等RAID存贮系统的基本工作过程读操作向存贮器发出读请求，存贮控制器将要读取的数据从存贮器CPU中取出，再传送给CPU写操作向存贮器发出写请求，存贮控制器将要写入的数据写入到指CPU定的存贮单元中存贮管理存贮控制器负责管理存贮空间的分配、回收和保护，以及存取操作的调度和控制存贮设备的分类与特点机械存贮设备电子存贮设备磁性存贮设备光学存贮设备传统机械硬盘，使用磁性介质固态硬盘使用闪存芯片存储数磁带驱动器使用磁带存储数据光盘使用激光技术读取数据，记录数据，容量大、价格低，据，速度快、可靠性高，但价，适用于备份和归档，价格低容量中等，速度慢，价格低，但速度慢、可靠性低格高，容量不如机械硬盘，但速度慢、容量大适用于数据备份和文件存档机械存储设备机械存储设备使用机械部件来存储和检索数据机械存储设备通常速度较慢，但价格低廉，存储容量大常见的机械存储设备包括硬盘驱动器和磁带驱动器HDD机械存储设备在数据中心、企业服务器和个人电脑中广泛应用电子存贮设备随机存取存储器固态硬盘嵌入式存储器缓存存储器RAM SSD是计算机系统中的主要工使用闪存芯片存储数据，嵌入式存储器通常集成在电子缓存存储器是高速缓冲区，用RAM SSD作内存，用于存储正在运行的比传统硬盘速度更快，更耐用设备中，例如手机、平板电脑于存储最常用的数据和指令，程序和数据它具有快速访问，但价格也更高和一些智能设备它们通常是以便快速访问，提高系统性能速度，但数据在断电后会丢失闪存或，为设备提供固定ROM的存储空间磁性存贮设备磁性存贮设备利用磁性材料的磁化特性来存贮信息常见的磁性存贮设备有硬盘、软盘、磁带等这些设备利用磁性材料的磁化状态来表示数据，通过磁头对磁性材料进行读写操作来实现数据的存取磁性存贮设备具有存贮容量大、价格低廉等优点，但存取速度相对较慢光学存贮设备光学存贮设备利用激光束来读取和写入数据数据存储在光盘上的特定位置，光盘上有反射层常见的类型包括、和蓝光光盘它们具有高存储容量、低成本和易于CD DVD使用的特点半导体存贮设备半导体存储器利用半导体材料的特性，将数据存储在半导体器件中半导体存储器具有读写速度快、体积小、功耗低等优点，广泛应用于计算机系统中常见的半导体存储器包括静态随机存取存储器（）和SRAM动态随机存取存储器（）DRAM使用晶体管和电容器保存数据，速度快，但成本较高使SRAM DRAM用电容存储数据，需要定期刷新，成本较低，但速度略低于SRAM存贮容量的概念定义单位存贮容量是指存贮器能够存储的信息量存贮容量是衡量存贮器存贮容量通常以字节为单位，字节等于个比特Byte18Bit大小的重要指标存贮容量的计量单位单位符号大小比特b1bit字节B8bit千字节KB1024B兆字节MB1024KB吉字节GB1024MB太字节TB1024GB拍字节PB1024TB存贮系统的性能指标存取时间存贮容量12存取时间是指从发出存取命令到数据实际被读出或写入的时存贮容量是指存贮器能存储的数据总量，通常用字节或比特间，是存贮器性能的重要指标之一表示数据传输率可靠性34数据传输率是指单位时间内存贮器能传输的数据量，它反映存贮器的可靠性是指存贮器在规定的时间内正常工作的概率了存贮器的速度，是衡量存贮器质量的重要指标存贮系统的选型原则成本性能存贮系统的成本是首要考虑因素选择性能优秀的系统可以提高数之一选择性价比高的系统可以据处理速度，提升工作效率性节约成本，同时满足存储需求能指标包括读写速度、吞吐量和延迟等可靠性扩展性选择可靠性高的系统可以减少数选择具有扩展性的系统可以满足据丢失风险，确保数据安全可未来业务发展需求，避免更换系靠性指标包括和等统的麻烦扩展性指标包括容量MTBF MTTR扩展和性能扩展等存贮器的工作原理地址译码1将逻辑地址转换为物理地址读写操作2根据地址访问存储单元数据传输3将数据写入或读出存储单元存贮器的工作原理是将逻辑地址转换为物理地址，再根据地址访问存储单元，最后将数据写入或读出存储单元存储器的工作原理类似于一个图书馆，逻辑地址相当于书名，物理地址相当于书架上的位置，数据相当于书的内容存储器可以被看作是计算机的大脑，存储着程序和数据，是计算机正常运行不可或缺的一部分“”存贮器的读写过程写入操作1将数据从传输到存贮器中保存数据CPU,读取操作2从存贮器中提取数据到然后进行处理CPU,地址定位3使用地址信息找到目标存贮单元执行读写操作,存贮器的编码方式二进制编码编码ASCII12存贮器内部使用二进制编码表编码是美国信息交换标ASCII示数据，每个数据位用或准码，用于表示字符、数字和01表示控制字符编码编码3Unicode4BCD编码是一种字符集，编码是二进制编码的十进Unicode BCD支持多种语言的字符，可用于制表示，每个十进制数字用4表示更多字符个二进制位表示存贮系统的存贮层次层次结构访问速度存贮系统通常由多个层次组成，每个层次都拥有不同的特性和功最靠近的层次通常是最快的，但也最昂贵，容量也最小CPU能层次结构使存贮系统能够有效地管理数据，并根据不同的访问频最远的层次速度最慢，但成本最低，容量最大率和数据重要性进行优化存贮系统的层次结构缓存层主存层辅存层Cache MainMemory SecondaryStorage缓存层是最靠近的层级速度最主存层是直接访问的内存，存储辅存层是用于存储大量数据和程序的长CPU CPU快，容量最小用于存储访问频率最高当前运行程序和数据，速度较快，容量期存储设备，速度较慢，容量最大，例的数据，例如最常使用的指令和中等如硬盘、光盘等CPU数据存贮系统的访问方式随机存取顺序存取直接存取联机存取每个存贮单元都有唯一的地址存取数据按顺序进行访问所数据按块存储可以通过块号存贮设备与主机直接连接可访问任何一个存贮单元所需需时间取决于数据在存储介质直接访问，但访问时间与块号以快速访问数据，适合频繁使时间相同上的位置有关用的数据存贮系统的存取控制访问控制确保仅授权用户可以访问数据，防止未经授权访问和数据泄露权限管理为不同用户分配不同的权限，例如读、写、执行等，限制操作范围安全机制使用加密、身份验证等技术保障数据安全，防止恶意攻击和数据篡改存贮系统的可靠性数据完整性高可用性确保数据不会因硬件故障或系统错误而丢失，提供持续不间断的服务，即使系统出现故障也保证数据的准确性和完整性例如，使用能快速恢复正常，保证系统运行的稳定性和可RAID技术、数据备份和校验和等机制靠性容错性可维护性能够在硬件或软件出现故障的情况下，仍能正系统的设计和结构方便维护和管理，便于诊断常运行，提高系统的稳定性和可靠性和修复故障，提高系统的可靠性和可用性存贮系统的安全性数据加密访问控制加密算法可保护数据免受未经授权的访问通过加密，数据被转访问控制机制限制对存储数据的访问权限不同的用户或组拥有换为无法理解的格式，只有拥有密钥的人才能解密不同的访问权限，例如读、写、执行等操作密钥管理非常重要，它决定着数据安全性的最终保障密钥的安访问控制可有效防止未经授权的访问，保证数据的完整性和机密全存储和管理是数据安全的重要环节性通过设置访问控制策略，可确保数据访问的安全性存贮系统的维护与管理定期维护环境监测数据备份安全管理定期检查设备运行状态，预防监控机房温度、湿度、电源等定期备份重要数据，防止数据制定安全策略，加强安全管理故障发生，延长设备使用寿命环境参数，确保设备正常运行丢失，确保数据安全，防止数据泄露，确保数据安全未来存储技术的发展趋势非易失性内存1更快，更节能量子存储2更高密度，更安全存储DNA3超高密度存储，长寿光存储4更大容量，更快速度未来存储技术将朝更高密度、更快速度、更低功耗、更安全的方向发展非易失性内存、量子存储、存储和光存储等新技术将成为未来存储技DNA术的主流。