计算机硬件存储与显示技术解析

# 计算机硬件存储与显示技术解析 ## 1. 磁盘阵列技术 在大型计算机环境中，为了提高数据存储和访问效率，常将多个磁盘组合成磁盘阵列。磁盘阵列有两个主要优势：一是通过在多个磁盘间共享数据，减少整体数据访问时间；二是提供存储冗余，增强系统可靠性。 ### 1.1 磁盘阵列的实现方法 磁盘阵列的实现主要有两种标准方法：镜像阵列和条带化阵列。 - **镜像阵列**：由两个或多个磁盘驱动器组成，每个磁盘存储完全相同的数据。读取时，从不同驱动器交替读取数据块，再组合成原始数据，多块读取的访问时间大约会按阵列中磁盘驱动器的数量成比例减少。若某个驱动器读取失败，可从其他驱动器读取数据，并标记坏块以防止再次使用，提高了系统可靠性。在关键应用中，可从两个甚至三个驱动器读取数据并进行比较，进一步提高可靠性。使用三个驱动器时，可采用多数逻辑方法发现正常读取失败未检测到的错误，这种技术适用于容错计算机等高度可靠的计算机系统。 - **条带化阵列**：将要存储的文件段分成块，同时将不同块写入不同磁盘，有效将吞吐量按阵列中数据磁盘的数量成倍提高。条带化阵列至少需要三个磁盘驱动器，最简单的配置中，会预留一个磁盘驱动器用于错误检查。写入操作时，系统会从每组数据块创建奇偶校验字块并存储在预留磁盘上。读取操作时，利用奇偶校验数据检查原始数据。 ### 1.2 RAID 标准 常见的 RAID 标准有 RAID 0、RAID 1 和 RAID 5 等。 - **RAID 1**：即上述的镜像阵列，通过至少存储两份数据提供保护，在大量数据读取场景下性能提升显著。 - **RAID 2、3 和 4**：以不同方式进行条带化，每个阵列都使用单独的磁盘进行错误检查，这可能会在用于错误检查的单个磁盘上形成瓶颈。 - **RAID 5**：通过将错误检查块分散到所有磁盘上，缓解了错误检查磁盘的瓶颈问题。 - **RAID 0**：并非真正的 RAID，因为它不提供冗余和固有错误检查。数据跨所有磁盘条带化，主要为了实现快速访问。但缺乏冗余意味着阵列中任何单个磁盘块的故障都会损坏系统中的所有数据，不过可通过适当备份和某些日志文件系统来克服这一缺点。还可以嵌套使用 RAID，如在 RAID 1 中使用一对 RAID 0 组实现镜像冗余，即 RAID 0 + 1。 ### 1.3 RAID 实现方式 - **使用 RAID 控制器硬件**：许多供应商提供 RAID 控制器硬件，特别是针对大型 RAID 5 系统。使用该硬件时，RAID 处理在阵列控制器内进行，阵列对计算机而言就像一个大磁盘驱动器。 - **使用常规磁盘控制器和操作系统软件**：也可使用常规的现成磁盘控制器和操作系统软件创建 RAID。虽然这会占用 CPU 处理时间，但现代计算机有足够的空闲处理能力，在很多情况下是可行的解决方案，还能降低单个 RAID 控制器导致整个阵列故障的可能性。 下面用 mermaid 流程图展示磁盘阵列数据读取的基本流程： ```mermaid graph TD; A[开始] --> B[定位数据块]; B --> C[移动磁头到正确磁道]; C --> D[读取磁道数据]; D --> E{是否找到正确块头}; E -- 是 --> F[将数据从磁盘传输到缓冲区]; E -- 否 --> D; F --> G[使用 DMA 将数据从缓冲区传输到内存]; G --> H[DMA 传输完成]; H --> I[磁盘控制器通知 CPU]; I --> J[结束]; ``` ## 2. 光盘存储技术 光盘存储是磁磁盘存储的替代方案，包括各种类型的 CD 和 DVD，有只读、一次写入和读写等形式。 ### 2.1 光盘存储的特点和用途 光盘便于携带，能将程序或适量数据打包成方便的形式。例如，直径 12 厘米的廉价 CD - ROM 大约可存储 650 MB 数据，相同尺寸的蓝光 D