计算机 - 数据存储与内存

数据存储和内存都是计算机的重要组成部分，但在存储和检索信息方面，它们的功能不同。计算机内存存储数据和指令，供CPU处理任务。内存对于计算机效率至关重要，并且有多种形式。

数据存储 - 数字信息的永久性、长期存储称为数据存储。数据存储在不同的物理和虚拟存储系统和介质上。数据存储有几种类型：

主存储器（主内存或RAM）

计算机将活动数据保存在主存储器中。由于它是易失性内存，因此机器关闭时数据会丢失。

正在使用的数据和程序会快速且暂时地存储。RAM是易失性的，计算机关闭时数据会丢失。RAM更大的计算机可以同时处理多个任务并流畅运行应用程序。

辅助存储器（非易失性存储器）

辅助存储器保存长期数据。与主存储器不同，它即使在机器关闭时也能存储数据。例如HDD、SSD、CD、DVD和USB驱动器。

2.1 硬盘驱动器 (HDD)

硬盘驱动器是计算机中存储数据的主要硬件。大多数文件，包括操作系统和程序标题，都保存在硬盘驱动器上。

HDD及其组件

硬盘驱动器有一些基本组件。一个或多个闪亮的银色磁盘以磁性方式存储信息，一个机械臂移动一个称为读写头的微型磁铁在磁盘上记录或存储信息，一个电子电路控制所有内容并将硬盘驱动器连接到您的计算机。

执行器 - 执行器臂是一个机械元件，负责为读/写磁头提供支撑。该机构促进了读/写磁头移动到盘片上预期磁道以进行数据读取或写入。现代硬盘驱动器 (HDD) 使用音圈执行器来实现精确定位。
读写磁头 - 每个磁盘都配备了相应的读写磁头，该磁头略微悬停在其表面上方。这些组件负责从磁盘检索数据以及将数据存储到磁盘。利用执行器臂快速遍历磁盘表面，从而可以访问磁盘的不同部分。
中央主轴 - 磁盘以恒定速度与主轴一起旋转。大多数HDD以5,400或7,200 RPM的速度旋转，而一些高性能设备以10,000或15,000 RPM的速度旋转。
磁性磁盘 - 它以二进制形式存储信息。HDD内部扁平的圆形磁盘称为磁盘。这些盘片通常由铝或玻璃制成，并涂有磁性涂层。磁性图案将信息保存在盘片上。
电源连接器 - 它将硬盘驱动器连接到个人电脑的电路板。需要电源连接器才能从计算机的电源为内部HDD供电。现代磁盘使用SATA电源连接器。
读写磁头 - 是读写臂末端的一个微型磁铁。
电路板 - 控制器板，也称为“印刷电路板”（PCB），是HDD的大脑。它包含驱动器的软件，该软件控制如何访问数据并修复错误。驱动器板还将驱动器连接到计算机的接口（例如SATA或IDE）。
数据连接器 - 计算机的电源设备通过电源连接器为内部HDD供电。SATA电源连接器在较新的驱动器中很常见。
小型主轴 - 这允许读写臂在磁盘上摆动。

磁盘是硬盘驱动器最重要的元件。它们的名称意味着它们是由玻璃、陶瓷或铝制成的硬盘，涂有一层薄金属涂层，可以磁化或去磁。虽然紧凑型硬盘驱动器只有一个磁盘，但每一面都涂有磁性涂层。较大的驱动器具有堆叠在主轴上的磁盘，磁盘之间留有很小的间隙。读写磁头可以到达磁盘的任何区域，这些磁盘的旋转速度高达10,000 rpm。

一个五盘式硬盘驱动器需要十个读写磁头，因为每个磁盘包含两个，一个用于顶部，一个用于底部。电动臂将读写磁头从驱动器中心移动到边缘再返回。

HDD的特性

数据存储 - HDD由一个或多个刚性、快速旋转的涂有磁性材料的磁盘（盘片）组成。数据以磁性模式的形式存储在这些盘片上。为了读取或写入数据，读/写磁头会在旋转的盘片上移动。
容量 - HDD有多种存储容量，从几吉字节 (GB) 到多个太字节 (TB) 不等。HDD的容量取决于它包含的盘片数量及其数据密度。
速度 - 就数据访问时间和读写速度而言，HDD通常比SSD慢。这是因为读写磁头需要物理移动到磁盘上的正确位置，从而导致延迟。
耐用性 - HDD是带有活动部件的机械设备，如果受到物理冲击、跌落或过度振动，则容易发生机械故障。从这方面来看，固态硬盘由于是固态的，因此更耐用。
价格 - 与SSD相比，HDD的每吉字节价格通常更低。这使得它们成为大型存储需求的经济高效的选择。
噪音和热量 - HDD由于旋转的盘片和移动的磁头会产生噪音。它们还会产生热量，因此需要适当的通风以防止过热。
功耗 - 由于机械部件，HDD通常比SSD消耗更多功率。这会导致笔记本电脑和台式电脑的电力消耗略微增加。
寿命 - HDD的寿命可能会有所不同，但通常比SSD短。随着时间的推移，机械部件可能会磨损，导致数据丢失。
应用 - HDD通常用于各种目的，例如存储大型文件（照片、视频和文档）、运行操作系统和软件以及在网络附加存储 (NAS) 设备中进行备份和数据共享。
备份 - 由于其机械特性，重要的是定期备份HDD上的数据，以防万一发生故障而导致数据丢失。可以使用冗余存储系统或RAID配置来增强数据保护。

硬盘驱动器的工作原理？

HDD的工作原理取决于其上面描述的组件。主要元件；旋转盘片和执行器臂，如下所示：

磁性盘片 - 盘片指圆形盘片。硬盘驱动器中的盘片数量与其存储容量成正比，因为每个盘片可以容纳一定数量的信息。因此，与存储容量较小的硬盘驱动器相比，存储容量较大的硬盘驱动器将包含更多数量的盘片。从盘片存储和检索信息的过程涉及使用称为磁道的同心圆，这些磁道进一步细分为扇区。
机械臂 - 机械臂指的是突出在盘片上方的组件。机械臂配备读写磁头，用于在盘片上读取和存储磁性数据。每个盘片将拥有自己的机械臂，用于从其读取和写入数据。

电机用于以每分钟4,500到15,000转 (RPM) 的速度旋转磁盘。驱动器的旋转速度越高，性能越好。当计算机需要从硬盘驱动器检索数据时，电机启动盘片的旋转，而机械臂将自身重新定位到盘片上方存储数据的位置。位于机械臂上的磁头负责检测盘片上存在的磁性位。然后，这些磁头将检测到的位转换为相应的数据，计算机可以使用这些数据。相反，在将数据传输到驱动器期间，磁头将向盘片发出磁脉冲，从而改变盘片表面的磁特性，然后存储信息。

HDD比SSD便宜，容量更大，但速度更慢，耐用性也较差。用例和成本-性能-存储容量的平衡决定了是否使用HDD或SSD。计算机和电子设备在HDD上存储和检索数据。几十年来使用后，由于其速度和可靠性，固态硬盘 (SSD) 变得流行起来。

2.2 固态硬盘 (SSD)

固态硬盘 (SSD) 是一种常用在计算机和各种电子设备中的数据存储设备。与使用旋转磁盘来检索和存储数据的传统硬盘驱动器 (HDD) 相反，固态硬盘 (SSD) 使用基于 NAND 闪存的技术。固态硬盘 (SSD) 因其诸多优势而越来越受欢迎，这些优势包括速度更快、功耗更低和耐用性更高。

固态硬盘 (SSD) 能够将数据永久存储在集成电路中，通常使用闪存技术。在 SSD 中使用闪存使得数据写入、传输和擦除过程成为电气化的、无噪音的过程。与机械硬盘驱动器 (HDD) 不同，SSD 没有任何移动部件。由于没有移动部件，固态硬盘具有出色的性能和低噪音水平。但是，需要注意的是，SSD 通常比 HDD 更贵。

过去，与传统的硬盘驱动器相比，SSD 的存储容量比较有限。然而，目前 SSD 和 HDD 都提供各种尺寸，以满足不同的存储需求。SSD 常用于高端计算机系统或作为面向消费者的个人电脑中的补充存储组件。

SSD 的工作原理

NAND 闪存 − SSD 的主要组件是 NAND 闪存。这是一种非易失性存储器，即使在电源关闭后也能保留数据。NAND 闪存由组织成页和块的存储单元组成。
单元和位 − NAND 闪存中的每个存储单元可以存储多个数据位，通常每个单元一个、两个或三个位。单元可以存储的位越多，SSD 的成本效益就越高，但也可能影响性能和寿命。
页和块 − 数据以固定大小的页写入和读取 NAND 闪存，这些页分组到更大的块中。当数据写入 SSD 时，它首先被写入到空页中。为了更新或删除数据，SSD 使用一种称为磨损均衡的技术，该技术确保数据均匀分布在 NAND 单元中，以防止任何一个单元过度磨损。
控制器 − SSD 控制器是一个关键组件，它管理数据与 NAND 闪存之间的数据读取和写入。它处理诸如错误校正、磨损均衡和垃圾回收等任务，以优化性能和寿命。
TRIM − TRIM 命令是 SSD 的一项重要功能。它允许操作系统告知 SSD 哪些数据块不再使用，从而允许 SSD 执行高效的垃圾回收和磨损均衡，这有助于随着时间的推移保持性能。
磨损均衡 − NAND 闪存单元的写入-擦除循环次数有限，之后会降级。磨损均衡确保数据均匀写入到存储单元中，从而延长 SSD 的寿命。
读写操作 − SSD 可以非常快速地读取数据，因为没有移动部件参与其中。但是，写入操作可能更复杂，因为数据必须写入空页，并且必须擦除以前使用过的页才能重写。此过程由 SSD 控制器管理，以优化速度并最大限度地减少写入放大。

SSD 通过将数据存储在 NAND 闪存单元中工作，使用控制器管理读写操作，并实施磨损均衡和垃圾回收等各种技术来确保寿命并保持性能。它们的速度、可靠性和效率使其成为现代计算机和电子设备中首选的存储方式。

2.3 三级存储

三级存储介质用于长期备份和存档。它比主存储和二级存储慢且使用较少，但为长期数据提供大容量存储。

磁带、光盘和专用硬盘是三级存储介质。

三级存储的工作原理？

磁带

记录机制 − 磁带是一条长而薄的塑料带，表面覆盖着磁铁。代表二进制 0 和 1 的磁化区域将数据存储在磁带上。
读取机制 − 磁带通过磁带驱动器运行时，读取磁化部分以恢复数据。此顺序过程需要驱动器快进或倒带才能访问特定数据，这比硬盘或 SSD 等随机访问存储慢。

磁带有一层记录磁信号的小层和一层较厚的薄膜背衬。顶层或磁性涂层是聚合物结合的磁性颜料。

磁性颗粒和磁带背衬由粘合剂粘合在一起。磁脉冲存储在顶层或磁性层中。

光盘

光盘使用光学技术读取和写入数据。它们是扁平的圆形聚碳酸酯光盘，具有反射数据层和保护外层。

不同类型的光盘存储不同的数字数据：

CD (光盘) − CD 是最早的光盘类型之一，于 20 世纪 80 年代初发布。它们最多可以存储 700 MB 的数据，广泛用于音乐、软件和数据存储。
DVD (数字通用光盘) − DVD 比 CD 的存储容量大得多，单层 4.7 GB，双层 8.5 GB。用于电影、软件分发和数据备份。
蓝光光盘 − 蓝光等较新的光盘可以存储比 DVD 更多的数据。标准光盘可存储 25 GB（单层）和 50 GB（双层），专用版本可存储更多数据。蓝光光盘用于高清视频和数据存储。
档案光盘 − 档案光盘可长期保存数据。档案级数据容量和耐用性使其成为理想的选择。
可记录和可重写光盘 − 提供可重写和一次性写入的光盘。可重写光盘可以擦除和重写，而可记录光盘只能写入一次。

光盘的工作原理？

光盘使用激光读取和写入数据。

记录机制 − 激光在 CD、DVD 和蓝光光盘上创建微小的凹坑和凸起。凹坑和凸起代表二进制数据。
读取机制 − 光盘驱动器的激光检测凹坑和凸起的反射来读取数据。驱动器将反射转换成数字数据。

使用功率较低的激光读取反射层上设计的数字信息。要写入数据，更强大的激光会加热反射层的一小部分，从而形成表示二进制数据的凹坑和凸起。

光盘是一种流行的数据存储和视频分发方式，现在必须与其他存储技术（如 USB 驱动器、外部硬盘和云存储）竞争。但它们仍在某些情况下使用，在这些情况下，它们的耐用性、即使计算机未开启也能存储数据的能力以及抗数据损坏能力非常重要。

2.4 U 盘

U 盘，也称为拇指驱动器、跳跃驱动器、笔式驱动器或 USB 存储棒，是一种存储设备，可用于在一个非常小的闪存芯片上记录信息。用户可以从中读取和保存数据。这些存储设备的设计比普通的存储盘小得多；事实上，其中一些大约只有拇指大小。U 盘可以连接到任何计算机；由于其通用串行总线（通常称为 USB）端口的兼容性。

数据可以存储在 U 盘上，U 盘是便携式存储设备。由于其便携性和易于传输和存储数据，它们非常紧凑且重量轻。由于这些特性，它们已成为一种非常常见的存储设备。

U 盘的特性

存储容量 − U 盘的存储容量范围很广，从几吉字节 (GB) 到几太字节 (TB) 不等。
物理尺寸 − 这些设备通常以其小巧紧凑的尺寸为特征，类似于带有 USB 接口的塑料或金属棒。这些设备专为方便携带而设计，可以轻松地放在口袋里或安全地连接到钥匙链上。
数据传输速度 − U 盘的数据传输速度各不相同，通常根据 USB 代次分类，包括 USB 2.0、USB 3.0、USB 3.1 和 USB 3.2。每一代都提供了更高的数据传输速率。USB 3.0 及更高版本与 USB 2.0 相比，速度有了显著提高。
文件存储 − U 盘能够存储各种数据类型，包括文档、照片、视频、音乐、软件和其他文件。这些设备通常用于在不同设备之间传输文件或作为可靠的备份存储解决方案。
即插即用 − U 盘通常被认为是即插即用设备，这意味着它们可以轻松连接到计算机上的 USB 端口并立即运行，无需安装额外的驱动程序或软件。
安全性 − 某些 U 盘配备了集成的安全功能，包括硬件加密和密码保护，可在丢失或被盗时增强数据的保护。
价格 − U 盘的价格会因存储容量、速度和品牌等因素而异。一般来说，容量较小的驱动器通常更经济实惠，而容量较大、速度较快的驱动器价格较高。

2.5 存储卡

存储卡是一种可以保存数据文件的存储设备。它为您提供了一个存储来自连接设备的数据和文件的地方。因此，存储卡是一种存储介质，用于在电子设备中存储各种类型的数据，例如照片、视频或其他电子信息。常用使用存储卡的设备包括数码相机、数码摄像机、手持式计算机、MP3 播放器、PDA、手机、游戏机和打印机。

一些常见的存储卡类型如下：

安全数字（SD）卡 − SD 卡是流行的存储卡。有 MicroSD、miniSD 和普通 SD 卡。数码相机、智能手机和其他便携式设备都需要 SD 卡。

CompactFlash（CF）卡 − SD 卡比 CompactFlash 卡更小巧，也更脆弱。专业相机和工业应用使用它们。

记忆棒 − 记忆棒在索尼相机、摄像机和笔记本电脑中曾很流行。

XQD 和 CFexpress − 这些高速存储卡格式用于专业相机和摄像机。由于其快速的读写速度，它们可以拍摄高分辨率的照片和视频。

多媒体卡 (MMC) − MMC 卡比 SD 卡小，用于较旧的设备。如今已不太常见。

SmartMedia 卡 − 大多数数码相机和其他便携式设备不再使用 SmartMedia 卡。

数据传输速度和存储容量因存储卡而异。存储卡应兼容，具有足够的存储空间，并具有足够快的速度以满足其预期用途。选择适合您需求的存储卡，例如高速视频录制或数据传输。

由于存储卡容易受到粗暴处理和极端环境的影响，因此应小心处理以避免物理损坏和数据损坏。可以通过定期将存储卡数据备份到外部存储介质来避免数据丢失。

2.6 专业硬盘系统

专业硬盘系统是为特定应用而设计的存储解决方案。它们通常是为了满足特定行业或工作的需求而制造的。这些系统不同于您可以直接购买的消费级或企业级硬盘。

它们通常是定制的，以提高速度、可靠性和功能。

以下是专业硬盘系统的一些示例：

网络附加存储 (NAS) − NAS 硬盘专为家庭和小型企业的文件共享和存储而设计。多个存储托架、RAID 功能和内置网络连接使文件访问和共享变得容易。
存储区域网络 (SAN) − 多个服务器从高性能的 SAN 获得块级存储，使用专业硬盘系统。数据中心和企业利用它们来集中和管理存储资源。
视频监控存储 − 视频监控系统需要硬盘才能进行持续的高清视频录制和回放。这些硬盘针对写密集型工作负载和监控进行了优化。
游戏存储 − 一些游戏机和高端 PC 包含专业硬盘，以实现快速加载和流畅的游戏体验。SSD 将这些磁盘上的加载时间降至最低。
加固型硬盘 − 耐用的硬盘可以承受极端温度、压力和振动。军事、航空航天和工业自动化等行业使用它们。
数据恢复系统 − 数据恢复公司使用配备现代工具和软件的专业硬盘系统来从损坏或损坏的驱动器中恢复数据。
医学影像存储 − 核磁共振成像和 CT 扫描等医学影像技术会产生海量数据，医院需要存储这些数据。专业的存储解决方案可以保护数据并遵守隐私法律。
数字内容创作 (DCC) 存储 − 视频编辑和 3D 动画师等 DCC 专业人员需要高容量、高速存储来存储大型多媒体文件。专业的存储系统可以满足这些需求。
科学研究存储 − 科学研究，特别是基因组学和粒子物理学，需要大量的存储和分析数据。有效的“大数据”工作需要专业的存储解决方案。

特定应用的硬盘系统通常提供消费级硬盘不具备的功能和优化。为了满足行业或用例的需求，这些解决方案可能具有冗余性、容错性、数据完整性措施和专用接口。

三级存储的特点

介质类型 − 三级存储系统使用磁带、光盘和存档介质。这些廉价的介质可以存储大量数据。
低访问速度 − 三级存储访问数据比一级和二级存储慢。要读取磁带数据，必须物理移动它。
高容量 − 三级存储系统的典型存储容量为 TB 或 PB。它们可以实现长期数据保留。
归档和备份 − 存档数据长期保存在三级存储中，很少访问。此外，它还用于灾难恢复数据备份。
可靠性 − 由于其耐用性和寿命，三级存储介质可以长期保存数据而不会降级。
离线存储 − 离线或近线三级存储使介质不会旋转或无法立即访问。它们根据需要加载或安装。
经济高效 − 三级存储对于大量不经常访问的数据来说是经济高效的。介质比高速、大容量磁盘驱动器便宜。

由于数据保留法规严格，三级存储在医疗保健（用于病历）、银行（用于过去的交易数据）和政府（用于存档文件）中很有益处。它提供了一种高效且经济有效的方式来存储和保护大量数据。但是，其较慢的访问时间使其不适合实时事务处理和数据库搜索。这些应用程序不适用。

云存储

云存储是一种将数据存储在远程服务器上的方法，这些服务器由与用户没有直接关系的服务提供商管理和运营。通常，此数据的检索和管理是通过互联网连接进行的，而不是存储在本地存储设备（如硬盘驱动器）或本地服务器上。云存储服务具有许多优势，例如可扩展性、可访问性、经济高效性和数据冗余。

云存储的特点

可扩展性 − 由于云的高可扩展性，用户可以根据自己的需求调整在云中存储的数据量。这种弹性对于存储需求不断变化的企业来说非常有利。
可访问性 − 只要可以访问互联网，就可以从任何地方检索存储在云中的数据。因此，个人和组织可以使用各种设备（例如个人电脑、智能手机和平板电脑）更轻松地访问其数据。
经济高效性 − 云存储通常会根据用户使用的存储容量和资源向用户收费。这可能比更新本地存储更便宜。
安全性 − 用户数据的安全是云存储提供商的首要任务。这包括访问控制、频繁的安全审计以及数据的始终加密和解密。用户必须对他们在云中的数据安全性和配置负责。
备份和灾难恢复 − 云存储服务内置了备份和恢复工具。用户可以设置定期备份，并在数据丢失或系统崩溃时恢复数据。

在选择云存储提供商时，组织和个人应考虑其具体的存储需求、预算、安全要求以及提供商的可靠性和声誉。不同的云存储服务可能提供不同的功能和定价结构，因此选择一个符合您独特需求的服务非常重要。

数据存储用于长期存储数据，而 RAM 用于存储数据和指令以供 CPU 立即执行。计算机需要存储空间来存储容量，需要内存来提高速度和响应速度。

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