數(shù)據(jù)庫原理與開發(fā)技術(shù) 課件 6.1 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

二級存儲器（磁盤）、三級存儲器（2）文件組織：定長記錄、可變長記錄（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存儲器的結(jié)構(gòu)及特性存儲器是計算機(jī)存放程序和數(shù)據(jù)的物理設(shè)備，是計算機(jī)信息儲存和信息交流的中心。存儲器有下面3個要素：

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

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

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

6.1.1存儲器的種類及訪問特性評價存儲器的基本指標(biāo)有3個：存儲容量、存儲速度和制作成本。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存儲結(jié)構(gòu)。由于CPU的運算速度快，內(nèi)存的存取速度相對較慢，當(dāng)CPU與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)時，會經(jīng)常停下來等待內(nèi)存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)。為了解決這個矛盾，就在CPU與內(nèi)存之間增加了一種存取速度非?？斓拇鎯ζ?，即高速緩沖存儲器（Cache），俗稱緩存。

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

6.1.1存儲器的種類及訪問特性

1.高速緩沖存儲器（Cache）高速緩沖存儲器是CPU直接訪問的存儲器，它被集成在CPU芯片內(nèi)。Cache中的數(shù)據(jù)是主存儲器中特定數(shù)據(jù)的副本，CUP會將訪問頻率比較高的數(shù)據(jù)復(fù)制到Cache中，以加快數(shù)據(jù)的訪問和處理速度。程序運行時，CPU首先在高速緩沖存儲器中尋找指令和數(shù)據(jù)，如果沒有找到，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)存中原來的位置上。

6.1.1存儲器的種類及訪問特性

2.主存儲器（內(nèi)存）主存儲器（MainMemory）也稱主存或內(nèi)存，計算機(jī)無論是執(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器。內(nèi)存主要分為兩類：隨機(jī)存儲器（RadomAccessMemory，RAM）和只讀存儲器（ReadOnlyMemory，ROM）。隨機(jī)存儲器就是人們常說的內(nèi)存。計算機(jī)按存儲單元的地址來訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)，根據(jù)指定的地址，把信息存入存儲單元，或從指定的地址讀取信息。內(nèi)存訪問是隨機(jī)的。

6.1.1存儲器的種類及訪問特性概括講，RAM特點如下：（1）CPU可以隨時讀出其中的內(nèi)容，也可以隨時寫入其中的內(nèi)容。寫入時，會覆蓋原有內(nèi)容。

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

（3）斷電后，RAM中的內(nèi)容立即消失。

6.1.1存儲器的種類及訪問特性

3.磁盤存儲器磁盤存儲器有多種，其中最常見的是硬盤，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。計算機(jī)讀取硬盤數(shù)據(jù)的速度比內(nèi)存要慢，但存儲容量比內(nèi)存大，并且可長期保存。

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（簡稱HDD），它的特點是：“工作時，磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，而不與盤片直接接觸，使用時，磁頭沿高速旋轉(zhuǎn)的盤片上做徑向移動”，從而拉開現(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，但都沒有脫離“溫徹斯特”的運作模式。其結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。

6.1.1存儲器的種類及訪問特性

3.磁盤存儲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存儲器的種類及訪問特性從物理結(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盤片重疊在一起組成。磁面是指一個盤片的2個面，其編號方式為：第一個盤片的第一個面為0，第二個面為1；第二個盤片的第一個面為2，第二個面為3，以此類推。在硬盤中，一個磁面對應(yīng)一個讀寫磁頭，所以在對硬盤進(jìn)行讀寫操作時，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存儲器的種類及訪問特性（2）磁道、柱面每個盤片的每個磁面都被劃分為許多同心圓，稱之為磁道，整個盤體中所有磁面上半徑相同的同心磁道稱為一個柱面，一個硬盤有多少個同心圓，就有多少個柱面。（3）扇區(qū)每個磁道又被規(guī)劃出多個扇區(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)上每個扇區(qū)可存儲512個字節(jié)。由此，我們可以計算得出：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存儲器的種類及訪問特性每個字節(jié)的讀取，是由幾十到幾百個~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，將磁粒子的不同極性轉(zhuǎn)換成不同的電脈沖信號，再利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將這些原始信號變?yōu)殡娔X可以識別的數(shù)據(jù)。寫入過程與此正好相反。硬盤在開始使用前，必須進(jìn)行格式化，格式化后，硬盤的每個扇區(qū)都有唯一的編號，即存儲地址，硬盤的存儲地址由三部分組成：磁面號·磁道號·扇區(qū)號

6.1.2硬盤的訪問特性硬盤的訪問特性是指數(shù)據(jù)在硬盤和內(nèi)存之間的移動過程及所花時間成本。在數(shù)據(jù)庫技術(shù)中，由于DBMS自己管理數(shù)據(jù)的存取和訪問，了解硬盤的訪問特性非常必要，它是設(shè)計高效的數(shù)據(jù)讀寫算法的基礎(chǔ)。計算機(jī)在進(jìn)行文件讀取所花費的時間，主要由下面三個部分組成：（1）磁頭尋道。將磁頭定義到合適柱面的時間為尋道時間。如果磁頭恰好在所需要的柱面上，則尋道時間為0；如果不在，則磁頭需要移動。目前，主流硬盤的平均尋道時間為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扇區(qū)的起始位置，這個時間稱為旋轉(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間為5ms左右。

6.1.2硬盤的訪問特性（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到磁盤，這個過程中，磁頭從塊所包含的第一個扇區(qū)的起始點到最后一個扇區(qū)的終結(jié)點所花時間稱為數(shù)據(jù)傳輸時間。這個時間與磁盤旋轉(zhuǎn)時間密切相關(guān)。根據(jù)上面3點，計算機(jī)讀取一個塊的總時間為：塊讀取時間