數(shù)據(jù)庫(kù)原理與開(kāi)發(fā)技術(shù) 課件 6.1 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第6章數(shù)據(jù)存儲(chǔ)本章主要內(nèi)容：（1）存儲(chǔ)器的種類：高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器、

二級(jí)存儲(chǔ)器（磁盤）、三級(jí)存儲(chǔ)器（2）文件組織：定長(zhǎng)記錄、可變長(zhǎng)記錄（4）文件中記錄的組織：堆文件組織、順序文件組織、散列文件組織6.1存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)及特性存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)存放程序和數(shù)據(jù)的物理設(shè)備，是計(jì)算機(jī)信息儲(chǔ)存和信息交流的中心。存儲(chǔ)器有下面3個(gè)要素：

（1）存儲(chǔ)容量。存儲(chǔ)器所能容納的二進(jìn)制信息量的總和稱為存儲(chǔ)容量，它是衡量計(jì)算機(jī)整體性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

（2）存取周期。計(jì)算機(jī)從存儲(chǔ)器中讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)所需要的時(shí)間稱為存取周期。存取周期越短，CPU從存儲(chǔ)器中讀寫數(shù)據(jù)的速度越快，計(jì)算機(jī)的整體性能就越高。

（3）存儲(chǔ)地址。存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)單元構(gòu)成。存儲(chǔ)單元是計(jì)算機(jī)從存儲(chǔ)器中存取數(shù)據(jù)的基本單位，即每次最少也要存取一個(gè)存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)。為了區(qū)別不同的存儲(chǔ)單元，就給每個(gè)存儲(chǔ)單元分配一個(gè)唯一的編號(hào)，這個(gè)編號(hào)就是存儲(chǔ)單元的地址，簡(jiǎn)稱存儲(chǔ)地址。

6.1.1存儲(chǔ)器的種類及訪問(wèn)特性評(píng)價(jià)存儲(chǔ)器的基本指標(biāo)有3個(gè)：存儲(chǔ)容量、存儲(chǔ)速度和制作成本。這三者是相互矛盾的。速度越高，制作成本就越高。解決辦法一般采用分級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。由于CPU的運(yùn)算速度快，內(nèi)存的存取速度相對(duì)較慢，當(dāng)CPU與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)經(jīng)常停下來(lái)等待內(nèi)存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)。為了解決這個(gè)矛盾，就在CPU與內(nèi)存之間增加了一種存取速度非?？斓拇鎯?chǔ)器，即高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache），俗稱緩存。

6.1.1存儲(chǔ)器的種類及訪問(wèn)特性這樣，根據(jù)CPU訪問(wèn)的遠(yuǎn)近，一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括4種類型的存儲(chǔ)器：高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）、二級(jí)存儲(chǔ)器（磁盤）、三級(jí)存儲(chǔ)器。離CPU越近，訪問(wèn)速度越快。這4中存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)，如圖6-1所示。

6.1.1存儲(chǔ)器的種類及訪問(wèn)特性

1.高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）高速緩沖存儲(chǔ)器是CPU直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)器，它被集成在CPU芯片內(nèi)。Cache中的數(shù)據(jù)是主存儲(chǔ)器中特定數(shù)據(jù)的副本，CUP會(huì)將訪問(wèn)頻率比較高的數(shù)據(jù)復(fù)制到Cache中，以加快數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和處理速度。程序運(yùn)行時(shí)，CPU首先在高速緩沖存儲(chǔ)器中尋找指令和數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有找到，就到內(nèi)存中去尋找并將其復(fù)制到Cache中，然后將其處理后的數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)存中原來(lái)的位置上。

6.1.1存儲(chǔ)器的種類及訪問(wèn)特性

2.主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）主存儲(chǔ)器（MainMemory）也稱主存或內(nèi)存，計(jì)算機(jī)無(wú)論是執(zhí)行指令還是處理數(shù)據(jù)都需要將它們先駐留在內(nèi)存上，然后讀入高速緩沖存儲(chǔ)器。內(nèi)存主要分為兩類：隨機(jī)存儲(chǔ)器（RadomAccessMemory，RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ReadOnlyMemory，ROM）。隨機(jī)存儲(chǔ)器就是人們常說(shuō)的內(nèi)存。計(jì)算機(jī)按存儲(chǔ)單元的地址來(lái)訪問(wèn)內(nèi)存數(shù)據(jù)，根據(jù)指定的地址，把信息存入存儲(chǔ)單元，或從指定的地址讀取信息。內(nèi)存訪問(wèn)是隨機(jī)的。

6.1.1存儲(chǔ)器的種類及訪問(wèn)特性概括講，RAM特點(diǎn)如下：（1）CPU可以隨時(shí)讀出其中的內(nèi)容，也可以隨時(shí)寫入其中的內(nèi)容。寫入時(shí)，會(huì)覆蓋原有內(nèi)容。

（2）隨機(jī)存取，即存取任一單元所需要的時(shí)間相同，不必順序訪問(wèn)存儲(chǔ)單元。

（3）斷電后，RAM中的內(nèi)容立即消失。

6.1.1存儲(chǔ)器的種類及訪問(wèn)特性

3.磁盤存儲(chǔ)器磁盤存儲(chǔ)器有多種，其中最常見(jiàn)的是硬盤，它是把磁性材料涂在鋁合金圓盤上，數(shù)據(jù)就記錄在表面的磁介質(zhì)中。計(jì)算機(jī)讀取硬盤數(shù)據(jù)的速度比內(nèi)存要慢，但存儲(chǔ)容量比內(nèi)存大，并且可長(zhǎng)期保存。

1973年，IBM公司推出了Winchester（溫氏）硬盤，即：溫徹斯特式硬盤，英文名為HardDiscDrive（簡(jiǎn)稱HDD），它的特點(diǎn)是：“工作時(shí)，磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的盤片上方，而不與盤片直接接觸，使用時(shí)，磁頭沿高速旋轉(zhuǎn)的盤片上做徑向移動(dòng)”，從而拉開(kāi)現(xiàn)代硬盤發(fā)展的序幕。今天高端硬盤容量雖然高達(dá)TB量級(jí)，但都沒(méi)有脫離“溫徹斯特”的運(yùn)作模式。其結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。

6.1.1存儲(chǔ)器的種類及訪問(wèn)特性

3.磁盤存儲(chǔ)器硬盤主要的組成部件包括：盤片、磁頭、盤片主軸、控制電機(jī)、磁頭控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口、緩存等。

6.1.1存儲(chǔ)器的種類及訪問(wèn)特性從物理結(jié)構(gòu)的角度看，硬盤的盤體分為磁面（Side）、磁道（Track）、柱面（Cylinder）和扇區(qū)（Sector）。（1）磁面硬盤的盤體由多個(gè)盤片重疊在一起組成。磁面是指一個(gè)盤片的2個(gè)面，其編號(hào)方式為：第一個(gè)盤片的第一個(gè)面為0，第二個(gè)面為1；第二個(gè)盤片的第一個(gè)面為2，第二個(gè)面為3，以此類推。在硬盤中，一個(gè)磁面對(duì)應(yīng)一個(gè)讀寫磁頭，所以在對(duì)硬盤進(jìn)行讀寫操作時(shí)，不再稱磁面0、磁面1、磁面2、…，而是稱磁頭0、磁頭1、磁頭2、磁頭3、…。

6.1.1存儲(chǔ)器的種類及訪問(wèn)特性（2）磁道、柱面每個(gè)盤片的每個(gè)磁面都被劃分為許多同心圓，稱之為磁道，整個(gè)盤體中所有磁面上半徑相同的同心磁道稱為一個(gè)柱面，一個(gè)硬盤有多少個(gè)同心圓，就有多少個(gè)柱面。（3）扇區(qū)每個(gè)磁道又被規(guī)劃出多個(gè)扇區(qū)。扇區(qū)是被間隙分割的圓弧片段，是操作磁盤的最小單位。傳統(tǒng)上每個(gè)扇區(qū)可存儲(chǔ)512個(gè)字節(jié)。由此，我們可以計(jì)算得出：硬盤的總?cè)萘?磁頭數(shù)×磁道數(shù)×扇區(qū)數(shù)×512（字節(jié)）

6.1.1存儲(chǔ)器的種類及訪問(wèn)特性每個(gè)字節(jié)的讀取，是由幾十到幾百個(gè)~nm（納米）的磁性顆粒（CoPt或FePt合金）直接參與的。磁頭在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，將磁粒子的不同極性轉(zhuǎn)換成不同的電脈沖信號(hào)，再利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將這些原始信號(hào)變?yōu)殡娔X可以識(shí)別的數(shù)據(jù)。寫入過(guò)程與此正好相反。硬盤在開(kāi)始使用前，必須進(jìn)行格式化，格式化后，硬盤的每個(gè)扇區(qū)都有唯一的編號(hào)，即存儲(chǔ)地址，硬盤的存儲(chǔ)地址由三部分組成：磁面號(hào)·磁道號(hào)·扇區(qū)號(hào)

6.1.2硬盤的訪問(wèn)特性硬盤的訪問(wèn)特性是指數(shù)據(jù)在硬盤和內(nèi)存之間的移動(dòng)過(guò)程及所花時(shí)間成本。在數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)中，由于DBMS自己管理數(shù)據(jù)的存取和訪問(wèn)，了解硬盤的訪問(wèn)特性非常必要，它是設(shè)計(jì)高效的數(shù)據(jù)讀寫算法的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)在進(jìn)行文件讀取所花費(fèi)的時(shí)間，主要由下面三個(gè)部分組成：（1）磁頭尋道。將磁頭定義到合適柱面的時(shí)間為尋道時(shí)間。如果磁頭恰好在所需要的柱面上，則尋道時(shí)間為0；如果不在，則磁頭需要移動(dòng)。目前，主流硬盤的平均尋道時(shí)間為9毫秒（ms）。（2）磁盤旋轉(zhuǎn)。將磁盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，是磁頭位于組成該塊的第一個(gè)扇區(qū)的起始位置，這個(gè)時(shí)間稱為旋轉(zhuǎn)延遲。目前主流硬盤主軸的旋轉(zhuǎn)速度為每分鐘7200轉(zhuǎn)，常用磁盤的平均延遲時(shí)間為5ms左右。

6.1.2硬盤的訪問(wèn)特性（3）數(shù)據(jù)傳輸。將數(shù)據(jù)從磁盤移到主存或從主存移動(dòng)到磁盤，這個(gè)過(guò)程中，磁頭從塊所包含的第一個(gè)扇區(qū)的起始點(diǎn)到最后一個(gè)扇區(qū)的終結(jié)點(diǎn)所花時(shí)間稱為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。這個(gè)時(shí)間與磁盤旋轉(zhuǎn)時(shí)間密切相關(guān)。根據(jù)上面3點(diǎn)，計(jì)算機(jī)讀取一個(gè)塊的總時(shí)間為：塊讀取時(shí)間