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The StorageThe Storage

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儲存體的種類儲存體的種類• 輔助儲存體

– 儲存以後要用到的資料– 長期儲存

• 記憶體– 儲存最近要使用的資料– 暫時儲存– 存取速度比輔助儲存體快

• 快取 cache• 暫存器

– 儲存與目前正在執行的指令立即相關的資料– 存取速度最快

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儲存體容量的測量單位儲存體容量的測量單位• KB – kilobyte

– 1024 個位元組– 有些磁片– 快取記憶體

• MB – megabyte– 約百萬個位元組– RAM

GB – gigabyte• 約十億個位元組• 硬碟• CD 和 DVD

TB – terabytes• 約一兆個位元組• 大型硬碟

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記憶體的主要類型記憶體的主要類型• RAM 隨機存取記憶體

(Random Access Memory)• ROM

唯讀記憶體 (Read Only Memory)

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RAMRAM

•需要電流才能保持資料•揮發性 (Volatile)•可以讀取及修改裡面的指令和資料•使用者通常是指這種記憶體

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RAMRAM 裡有什麼資料裡有什麼資料 ??•作業系統•目前正在執行中的程式•上述程式需要的資料•等著要輸出的中間結果

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ROMROM•非揮發性 (Non-volatile)•負責開機的指令•裡面的指令和資料可以讀取，但不能修改•這些指令通常是在工廠裡燒錄進去的

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程式執行時的特性程式執行時的特性• 時間區域性 (Temporal locality)

– 當一筆資料被使用到，在短時間內，它很可能再度被使用到

• 空間區域性 (Spatial locality)– 當一筆資料被使用到，它附近的資料很可能也

會被使用到

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快取快取 (Cache)(Cache)

•它是一塊小但非常快速的暫存記憶體•目的為了加速內部資料和軟體指令的傳輸•存放著最近用過或最常被使用到的資料和指令

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為什麼要有為什麼要有 cache?cache?• main memory

– 優點：便宜– 缺點：存取速度太慢

• 較快的記憶體卻非常貴…• 為了要有較快的存取速度，同時兼顧價錢便宜的

優點，所以有 cache 的想法。

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快取 快取 (Cache)(Cache)

第 1 步處理器要求擷取資料或指令

第 2 步到主記憶體中的該位址去

讀取

第 3 步傳送到 CPU 和快取中

下一次微處理器需要資料或指令時• 先到記憶體快取中尋找• 找不到再到記憶體中尋找

處理器

R

A

M

快取

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快取的種類快取的種類•內部快取

– 第一級 (L1)– 內建在微處理器中– 最多到 128KB

•外部快取– 第二級 (L2)– 在單獨晶片上– 256KB 或 512 KB– SRAM 技術– 它比 L1 快取便宜但是較慢– 比記憶體快但是較貴

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ExampleExample• 假設 cache 的存取時間 : 5ns• memory 存取時間 : 120ns• miss penalty: 130ns• Hit rate: 90%

– 平均存取時間 : 5*0.9 + 130*0.1 = 17.5ns• Hit rate: 99%

– 平均存取時間 : 5*0.99 + 130*0.01 = 6.25ns

只要 cache 的 hit rate 很高，平均的存取時間將會非常低因為程式時間和空間上的特性，所以我們可以猜的很準…

CPU

cache

memory

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記憶體的建構技術記憶體的建構技術• DRAM (Dynamic Random Access Memor

y)• SRAM (Static Random Access Memory)• DDR (Double Data Rate)• RDRAM (Rambus)

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快閃記憶體 快閃記憶體 (Flash)(Flash)•非揮發性 RAM•使用在

– 行動電話– 數位相機– 數位錄音器– PDA– 隨身碟

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輔助儲存元件輔助儲存元件•輔助儲存元件的好處

– 半永久狀態– 非揮發性– 可靠性高– 方便 – 可迅速找到及存取要的資料

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•儲存容量大– 磁片 – 大約 500 頁印刷文件 – 光碟 – 大約 500 本書

•符合經濟效益– 節省儲存資料的實體花費– 改善儲存與擷取資料的速度和方便性

輔助儲存元件的好處輔助儲存元件的好處

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儲存元件的種類儲存元件的種類•磁碟儲存元件 (Floppy, Hardisk)•光碟

– 磁光學媒體 (Magneto-optical ， MO)– CD-ROM– CD-R– CD-RW– DVD-ROM

•磁帶儲存元件 (Tape)

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磁碟儲存元件磁碟儲存元件•以磁碟上的磁化小點來表示資料

– 該小點有被磁化 = 1– 該小點未被磁化 = 0

•讀取– 將磁化過的資料轉換成電子訊號

•寫入– 將電子訊號轉換成磁碟上的磁化小點

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磁碟容量磁碟容量大小

MB舊式硬碟

GB目前的 PC

TB即將到來

儲存什麼東西？使用者文件

軟體圖形影像聲音檔案影片檔案

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磁片磁片• 容量小 – 用來儲存小檔案• 可攜性佳• 有硬的塑膠外殼來保護• 3 ½ 吋， 1.44 MB

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高容量的可攜帶磁碟高容量的可攜帶磁碟•用來儲存較大的檔案•可攜性佳•高容量

– 120 / 200 MB– 也可以讀寫標準的磁片– 如 Superdisk

• Zip 磁碟– 250 MB– 它與 3½ 吋磁片並不相容

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硬碟硬碟•有各種大小•攜帶性

– 一般是不可攜帶的– 在 PC 上可以選擇可卸除式的硬碟

•它是表面有著磁氧化物的金屬盤

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磁碟組磁碟組

由數個磁碟盤所組成安排緊密的密封模組將磁碟組掛在磁碟機上

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磁碟組磁碟組•磁碟組有一組存取臂•每個存取臂上有兩個讀寫磁頭

– 一個面朝上存取在它上方的表面– 一個面朝下存取在它下方的表面

•所有的存取臂是一起移動的•不過一次只能有一個讀寫磁頭進行存取

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磁碟資料的組織方法磁碟資料的組織方法磁軌磁軌

•磁碟平面上的同心圓軌道•當磁碟旋轉時，讀寫磁頭會經過這些磁軌

• 1.44 MB 的磁片它的兩個平面上各有 80 個磁軌

•每個磁軌儲存的資料量相同

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磁碟資料的組織方法磁碟資料的組織方法磁區磁區 (sector)(sector)

• 在磁軌上再劃分成一些磁區

• 儲存固定個數的位元組 ( 通常是 512 個 )

•叢集 (cluster)– 由相鄰的磁區所組成，被視為一個儲存單位– 個數固定 (2-8 個磁區 )– 檔案最少所佔用的空間大小

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磁碟資料的組織方法磁碟資料的組織方法磁柱磁柱

•由每個 platter 中相同位置的磁軌所組成

•儲存檔案時可能會分佈在多個 platter 上

•目的是減少存取的時間

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磁碟資料的組織方法磁碟資料的組織方法分區記錄法分區記錄法

•在外圈的磁軌上指定較多的磁區•更多磁區 = 能儲存的資料更多

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磁碟機磁碟機讀寫動作讀寫動作

•磁碟旋轉 •存取臂會移動讀寫磁頭•開始讀寫動作直到完成為止

•資料是讀取自 / 寫入到記憶體

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存取時間存取時間

尋找時間磁頭切換旋轉延遲

資料傳輸速率

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磁碟資料損毀磁碟資料損毀磁頭損毀磁頭損毀

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磁碟快取磁碟快取•將需要的資料讀取到記憶體中•同時也將旁邊鄰近的資料讀取到磁碟快取裡 ( 記憶體內的某一塊特定區域 )

•當程式碰到下一條讀取指令開始執行時– 先檢查它要的資料是否有在磁碟快取裡– 如果有，就不必再實際執行這個讀取動作了– 如果沒有，再去讀取硬碟

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RAIDRAID

冗餘磁碟陣列 (Redundant Array of Independent Disks ，簡稱 RAID )

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光碟光碟• 比其它可攜式媒體容量更大• 過程

– 把雷射打到光碟表面佈滿金屬物質的表層上– 寫入資料 – 雷射所產生的熱會在光碟表面產生小點

– 讀取資料 – 使用雷射掃描光碟，透鏡會接受從不同的點所產生不同的反射

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MOMO磁光學媒體磁光學媒體 ((Magneto-opticMagneto-optic

al)al)•混合型媒體•高容量•可多次寫入•過程

– 雷射光束在塑膠表面上融化一個小點– 用磁力將晶體排列– 讀取資料 –雷射會接受晶體反射而來的光束加以判讀

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CD-ROMCD-ROMCompact Disk Read-Only Compact Disk Read-Only

MemoryMemory• 高容量且方便攜帶• 可多次讀取• 不能寫入• 容量 – 多達 680 MB ( 等於 450 張標準的 3 ½ 吋磁片 )

• 目前是軟體散佈時所使用的主要媒體

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CD-RCD-RCompact Disc-RecordableCompact Disc-Recordable•高容量•攜帶方便•只能寫入一次•可讀取多次

– CD-R 光碟燒錄機 – CD-ROM 光碟機

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CR-RWCR-RWCompact Disk-RewritableCompact Disk-Rewritable

•高容量•攜帶方便•可讀取多次•可寫入多次•在標準的 CD-ROM 光碟機上讀取 CD-R

W 光碟時有時會遇上相容性方面的問題

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影音數位光碟影音數位光碟 (DVD-ROM)(DVD-ROM)Digital Versatile DiskDigital Versatile Disk

•容量比 CD-ROM 更大– 標準大小 – 高達 4.7 GB, 是 CD-ROM 的 7 倍– 單面雙層 – 8.5 GB– 雙面雙層 – 17 GB

•資料的密度更高•可讀取多次，不可寫入•也可以讀取 CD-ROM 光碟片

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•優點– 完整片長的電影– 媲美音樂光碟的精緻音效– 超大量的商業資訊

•估計在不久的未來就會取代 CD-ROM

影音數位光碟影音數位光碟 (DVD-ROM)(DVD-ROM)Digital Versatile DiskDigital Versatile Disk

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•硬體– CD-ROM 或 DVD-ROM– 音效卡或內建的音效晶片– 喇叭

• MPEG– 一組影像標準– 光碟機的速度愈高，資料就會傳輸地愈快，而螢幕上所呈現的影像就會愈平穩

應用程式應用程式多媒體多媒體

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磁帶儲存元件磁帶儲存元件• 塗佈著磁性物質的塑膠帶• 容量是根據密度而定 – bpi 或 cpi• 磁帶機

– 讀寫磁頭– 消除磁頭會先消除先前記錄在磁帶上的資料

• 地位比磁碟次要– 可靠度不如– 循序存取

• 價格便宜• 主要是做備份用途

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備份系統備份系統•避免資料遺失

– 火災– 天然災害– 磁碟的電子或機械零件故障– 使用者的疏失– 軟體錯誤– 不小心刪除了資料

•將資料保存在一個以上的地方

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Memory HierarchyMemory Hierarchy