计算机的主存储器与辅助存储器

前言

今天给大家介绍计算机的主存储器和辅助存储器，也就是我们所说的主存和辅存。主存一般就是指内存，辅存指的就是磁盘。在正式介绍之前，大家可以思考两个问题：为什么计算机断电，内存数据会丢失？为什么计算机断电，磁盘数据不会丢失？这两个问题贯穿我们今天要介绍的全部内容。

一、主存储器（内存）

主存储器也就是内存，长相如下图所示，左边的是台式机的内存，右边是笔记本的内存：

1.主存储器特征

主存储器特征如下：

• 它属于RAM（随机存取存储器：Random Access Memory）类型
• RAM通过电容存储数据，必须隔一段时间刷新一次
• 如果掉电，那么一段时间后将丢失所有数据

2.主存储器构成

主存储器构成如下图所示，包含有半导体存储器、驱动器、译码器、读写电路、控制电路五部分：

3.主存储器和CPU如何交互

主存储器和CPU是怎么交互的呢？对于CPU来说，它里面有一个主存数据寄存器(MDR)，该寄存器通过数据总线和读写电路进行连接。同时，在CPU里面还有一个主存地址寄存器(MAR)，这个部分通过地址总线和内存进行连接。因为有数据总线和地址总线的存在，CPU就可以通过地址总线来指定数据的位置，通过数据总线来传输相关的数据。示意图如下所示：

4.主存储器和操作系统位数的关系

主存储器和操作系统位数也有关系，我们平时所说的32位系统以及64位系统，不同位数的系统对内存的支持也是不一样的。比如说：32位系统最多只能支持4GB的内存（2^32 = 4 x 2^30 = 4GB），也就是说在32位系统里面，即使加更多的内存也是没有用的，它最多只能支持4GB的内存。因为对32位系统来说，它的地址总线只有32位，所以呢，它的寻址范围最多就是4GB的大小；而对于64位系统，它所能支持的内存是（2^64 = 2^34 x 2^30 = 2^34GB），这是非常大的数值了，这就是操作系统位数与主存储器的关系。

二、辅助存储器（磁盘）

辅助存储器也叫磁盘，长相如下图所示：

1.辅助存储器构成

辅助存储器主要由两部分组成：图中右边光滑的盘片和左边的磁头（也叫悬臂），盘片是利用磁材料存储数据，磁头通过左右移动来读取特定磁道里面的信息。磁盘的立体结构如下图所示：

图中盘片就是使用磁材料存储数据的，磁道可以理解为盘片一周的内容，扇区可以理解为磁道里面的一部分内容。

接下来我们来看盘片的平面图如下：

图中绿色的一圈我们称为磁道，而磁道的一部分我们称为扇区。除了磁道和扇区以外，我们平时在描述一个磁盘的时候，还关注磁头位置，来描述磁头当前是位于哪个磁道的。同时还有磁头方向，比如是往里走还是往外走的。

2.辅助存储器特征

辅助存储器特征如下：

• 表面是可磁化的硬磁性材料
• 移动磁头径向运动读取磁道信息

3.磁盘的调度算法

了解了磁盘的物理结构和特征之后，我们重点来看看磁盘的调度算法，总共有4种：

• 先来先服务算法
• 最短寻道时间优先
• 扫描算法（电梯算法）
• 循环扫描算法

为了方便介绍这几种算法，我们把盘片的磁道图中最外面的一圈称为磁道1，把最里面的一圈称为磁道5，如下图所示：

假设现在磁头在磁道4，并且磁头方向向外，现在需要读取磁道：1 4 2 3 1 5。要完成整个读取过程分别按照上面的4种算法是怎么读取的呢？我们逐一看看。

3.1先来先服务算法

先来先服务算法是按顺序访问进程的磁道读写需求，这个算法就是对于多个读写磁盘的请求，将这些请求排成队。谁先来我就先服务谁，可以说是粗暴简单的一种方法。

如果使用先来先服务算法来完成上面的案例，过程是这样的：首先调度读取第1个磁道，这个时候磁头会从第4个磁道移向第1个磁道，接着将会读取第4个磁道，然后读取第2个磁道，接着读取第3个磁道，然后读取第1个磁道，最后再读取第5个磁道，这就是先来先服务算法的过程。

3.2最短寻道时间优先算法

最短寻道时间优先算法调度的顺序与磁头当前位置有关，它将会优先访问离磁头最近的磁道，还是以刚才的例子来说明该算法的调度过程。

过程是这样的：首先将会读取第4个磁道，因为当前磁头就是位于磁道4的，所以按照最短寻道时间优先的判断，首先读取第4个磁道，接着读取第5个磁道还是第3个磁道呢？5和3都是与4相邻，这里我们假设读取的是第5个磁道，剩下的就只有1、2、3、1这几个磁道了，按照最短寻道时间优先，接着读取第3个磁道，然后是读取第2个磁道，最后才是读取第1个磁道，读取两次。这就是最短寻道时间优先算法，这个算法每次都是找到当前磁头最近的这个磁道去读取。

3.3扫描算法（电梯算法）

扫码算法本质上和电梯的调度算法是一致的， 故而又称为电梯算法，该算法特征如下：

• 磁头每次只往一个方向移动（比如磁头有内往外或者由外往内，一次只往一个方向移动）
• 到达一个方向需要服务的尽头再反方向移动

以刚才的例子来说明扫描算法的过程，是这样的：磁头首先读取第4个磁道，因为当前磁头位于4磁道，且方向向外，所以接着读取第3个磁道，接着读取第2个磁道，接着读取第1个磁道，接着还是读取第1个磁道，接下来因为到了一个方向服务的尽头了，所以这时候磁头反方向运动，变为由外往内移动，所以再读取第5个磁道，这就是使用扫描算法调度得到的结果。

3.4循环扫描算法

因为上述扫描算法其实并不公平，所以在扫描算法的基础上就提出了循环扫描算法。与扫描算法不一样的是：循环扫描算法读取的时候只往一个方向读取，到了尽头也不会调转方向，而是从尽头的另一边起始磁道重新继续朝这个方向读取。

还是以刚才的例子来说，只是稍作变化，这里假设默认磁头方向是从外往内，那么读取的过程是：首先读取第4个磁道，接着由外往内读取第5个磁道，到了第5个磁道就到了尽头，因此会把磁头移动到另一边的最开始的第1个磁道里面，所以接下来会读取第1个磁道，接着读取第1个磁道，然后读取第2个磁道，最后是第3个磁道。

循环扫描算法相对于扫描算法就会比较公平，这里需要区分的是：循环扫描算法只能往一个方向读取，而扫描算法读取的时候可以两个方向的读取。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-745751.html

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