数据存储技术总论

信息时代的核心无疑是信息技术，而信息技术的核心则在于信息的处理与存储。随着数据量的剧增，数据存储技术已经面临着巨大的挑战。当我们每天关注于CPU主频的不断提高，操作系统版本的不断升级和计算机网络技术的日新月异的时候，或许不应该忽略一个这样的事实，即无论信息处理技术多么的先进，我们都必须将信息存储于一定的介质之上，信息和信息技术本身都需要依托于一定的存储介质而存在。近几年来，计算机在商业和个人方面的应用得到了显著的增长，现在几乎每一间办公室都拥有计算机，许多家庭都已经拥有或者正打算购买计算机，而大多数的公司都建立了计算机网络来共享应用程序和数据。所有这些变化使数据字节取代了纸张，提高了生产力和生产效率，减小了冗余，并增加了信息的可用性。
        由于越来越多的信息变成了电子信息，这就使信息存储技术显得更加重要，特别是计算机网络应用的迅速增强更大大地增加了对信息存储产品的需求量和对信息存储技术的安全性、可靠性的要求。根据3M公司对800名网络计算机用户的调查发现，每次硬盘的失效将造成5天以上的无效工作日。而在一个典型的商业应用中，重建1000MB数据平均要耗时3.5个月，费用为95000美元。由此可见，信息存储的安全对最终用户来说是何等的重要。
数据存储介质：
        凡是仅有两种稳定的物理状态，能方便地检测出处于哪种稳定状态，两种稳定状态又容易相互转换的物质或元器件，都可以用来存储二进制代码“0”和“1”，这样的物质或元器件被称为存储介质或记录介质。存储介质不同，存储信息的机理也不同。
        信息存储技术在近几年的发展非常迅速，各种新产品、新技术层出不穷，但从总体上看它们呈现出一种类似金字塔的结构，其中塔尖为 CPU，距离CPU越近则存储速度越快，每兆字节的存储成本越昂贵，容量也越小；反之，则存储速度越慢，每兆字节的存储成本越低，容量也越大。
        计算机的存储设备从体系结构上看可分为内存储器和外存储器。内存储器（即内存）直接与计算机的CPU相连，处于金字塔的最上层。它的存取速度要求能与CPU相匹配，通常由半导体存储器芯片组成，由于成本高，容量通常不太大。而对于大量数据的保存通常要使用外存储器。外存储器又可以分成几个层次。与内存储器相连接的是联机存储器（或称在线存储器），如硬磁盘机、磁盘阵列等。再下一层是后援存储器（或称近线存储器），它由存取速度比硬盘更慢的光盘机、光盘库、磁带库等设备组成。最底层是脱机存储器（或称离线存储器），由磁带机和磁带库等组成仓库，它的存取速度比较慢，仅是数量级，由于存储介质可脱机保存，可以更换，因此容量几乎是无限大。
        对于普通的个人计算机用户，使用硬盘、软件和光盘等存储介质来进行数据存储就已经够用了，但对于商业用户和一些网络系统来说，磁带机、磁带库和光盘库则是必不可少的数据存储与备份设备，现在还有正在飞速发展的存储网络，能提供更为方便的数据保存方式。下面，通过不同的存储介质来看一看当今市场上流行的主机信息存储技术，按其存储原理可以分为电存储技术，如内存、闪存等；磁存储技术，如磁带、磁盘等；光存储技术，如光盘、DVD等。

1.电存储技术
        电存储技术主要是指半导体存储器SCM（Semiconductor Memory）。早期的SCM采用典型的晶体管触发器作为存储位元，加上选择、读写等电路构成存储器。现代的SCM采用超大规模集成电路工艺支撑存储芯片，每个芯片中包含相当数量的存储位元，再由若干芯片构成存储器。从集成电路类型的角度看，SCM分为晶体管双极（Bipolar）型和场效应管MOS（Metal Oxide Semiconductor）型。双极性又分射极耦合逻辑即ECL（Emitter Couple Logic）、晶体管逻辑TTl（Transistor Transistor Logic）和集成注入逻辑即I2L（Integrated Injection Logic）三种类型。从制造工艺看，MOS型有PMOS（P channel MOS）、NMOS（N channel MOS）和CMOS（Complementary MOS）三类，目前广泛采用的是NMOS和COMS。从加电后能否长时间保持所存信息的角度看，SCM又有静态存储器和动态存储器之分，静态存储器的存储位元电路是双稳态触发器，动态存储器存储位元电路的关键部件是电容；前者只要电源正常供电，信息就能长期保存，后者即使电源正常供电，信息也只能保持几ms到十几ms，因此必须在规定时间内刷新。若电源电压不正常或断电，两者信息都会丢失。
        双极型存储都是静态存储器，而MOS型存储器有静态、动态之分。双极型存储器速度快，通常比MOS存储器至少高一个数量级，但功耗大，集成度低，适用于快速小容量存储器，如高速暂存存储器和Cache。NMOS静态存储器制造工艺简单、集成度高、单片容量大，主要用作快速主存。CMOS静态存储器功耗最小，速度比NMOS快，集成度比双极型高很多，可靠性高，虽然制造工艺复杂，但目前应用得很广泛，主要用作快速主存和Cache。动态MOS存储器内部结构最简单，在各类SCM中集成度最高，功耗很小，速度虽比静态MOS和双极型存储器低一些，但仍广泛用作主存。
综上所述，根据工作方式的不同，SCM的分类如下。
1.读写存储器，或称随机存取存储器。按信息存储方式不同又可分为：
(1)静态RAM（SRAM）
(2)动态RAM（DRAM）
        动态RAM利用电容存储电荷的原理来记忆信息。由于电容器的漏电，存储的电荷会逐渐减少，当减少到一定程度时，RAM中存入的信息会消失。因此，需要在信息丢失之前，给电容器充电。给电容器充电的过程就叫做动态存储器的刷新。
2.只读存储器，只读存储器包含以下几类。
(1)掩模式ROM（MROM，MaskRom）：厂家做好内容后不能更改。
(2)可编程ROM（PROM，Programmable ROM）：用户只能写入一次，写入后不能再更改。
(3)可擦除EPROM（EPROM，Erasable PROM），这种EPROM在通常工作时只能读取信息，但可以用紫外线擦除已有信息，并在专用设备上高电压写入信息。
(4)电擦除PROM（E2PROM，Electrically Erasable PROM），用户可以通过程序的控制进行读写操作，它就是常说的闪存（FLASH）。

2.磁存储技术
        磁存储，主要指表面存储器MSM（Magnetic Surface Memory）。
        磁表面存储器是用非磁性金属或塑料做基体，在其表面涂敷、电镀、沉积或溅射一层很薄的高导磁率、硬矩磁材料的磁面，用磁层的两种剩磁状态记录信息“0”和“1”。基体和磁层合成为磁记录介质。依记录介质的形状可分别称为磁卡存储器、磁带存储器、磁鼓存储器和磁盘存储器。计算机中目前广泛使用的MSM是磁盘和磁带存储器。
MSM通过磁记录介质做高速旋转或平移，借助于软磁材料制作的磁头实现读写，由于是机械运动方式，所以存取速度远低于SCM，为ms级。MSM 的存储位元是磁层上非常小的磁化区域，可以小至20um的平方，所以存储容量可以很大，与SCM相比，每位价格低得多，因此广泛用作辅存。目前IBM已开发出垂直磁记录技术，可将磁记录密度提高到6倍以上。
        磁盘是广大用户最为熟悉的存储介质。在目前所有的PC中硬盘都是必不可少的设备，而软盘则由于其便于携带的特点和通用性，至今仍然是计算机用户进行数据交换时广泛使用的存储介质。
        磁盘技术包括磁性盘片、电机、盘上方的伸缩臂以及伸缩臂上的磁头。电机带动磁盘旋转，伸缩臂在盘上移动，磁头进行读盘或写盘操作。读盘时，磁头检测盘表面磁性的变化，将其转化为0或1的数据组。写盘时，通过磁头改变盘上数据的磁性，如正、负极分别与0和1相对应。在外存储器中，硬盘的存取速度最快，因此它最适合存储那些需要经常访问和快速访问的程序和文件。对于个人用户来说，硬盘是最主要的存储设备，计算机的操作系统、应用程序和重要的数据资料都存储在硬盘之中，因此要求硬盘的容量尽可能的大，速度越快越好；对于专业用户来说，由于数据丢失将会给它们带来非常大的损失，所以它们除了要求更高的速度、更大的容量之外，对硬盘的容错能力和安全性也有很高的要求。
        市场的需要就是未来技术的发展方向，硬盘技术的发展方向正是向着高容量、高速度和高可靠性的方向发展。
        早期的硬盘仅有几十MB，而且价格昂贵。在几年前，一台家用PC的标准配置还是420MB或1GB的硬盘。现在，100GB、200GB的硬盘都已经进入了寻常百姓家。能够产生如此大的飞跃主要得益与硬盘表面存储密度的不断提高，现在90mm（3.5英寸）的商品盘单片容量已达20GB或更高， 130mm（5.25英寸）的单片容量达到40GB或更高。
        在硬盘的速度即数据传输率方面，由于市场上的硬盘都带有高速缓存，盘面读出的数据先被送到缓存，再从缓存送到主机内存中，所以目前主要由这两个环节来决定硬盘的速度。从盘面到缓存的内部传输率等于位存储密度乘以盘面的线速度。因此在存储密度一定的情况下，提高硬盘转速可以进一步提高内部传输率。现在主流硬盘的转速都已达到了7200r/min，较高的已经达到10000r/min以上。由于硬盘是一种机电设备，它的转速受到机械结构的制约，因此，除非有大的技术变革，否则硬盘转速的提高将会越来越困难。从缓存到主机内存的外部传输率则与硬盘所采用的外部接口标准有关。硬盘接口早期为IDE（Intergrated Disk Electroonics）标准，它的最大支持容量只有528MB，传输速度慢且传输线易受干扰。此后，随着信息能技术的发展，IDE接口逐渐无法满足市场的要求，Enhanced IDE即EIDE接口的硬盘就取代IDE硬盘成为当前市场的主流产品。这种接口支持大于528MB的硬盘容量，并允许一套系统串接四台存储设备（不只是硬盘），数据传输速率达到 16.6MB/s。1996年10月，Quantum和Intel又共同提出了Ultra－IDE接口标准，将数据传输速率提高到33.3MB/s，并增加了CRC数据传输校验功能。其他的硬盘接口新技术加Fast SCSI标准的传输速率可达到80MB/s，随着技术的进步，更多更新的接口技术不断涌现，其速率也发展到 66MB/s、100MB/s、133MB/s，光纤通道（FCAL）则将传输速率提高到200MB/s。
        为了硬盘在工作时的可靠性，业界推出S.M.A.R.T（Self-Monitoring Analysi&Reporting Technology）技术，即自动监视分析及报告技术。它通过监视和分析硬盘工作时的状态和性能并显示出来，使用户可以随时了解硬盘的工作情况。当硬盘发生失效时，用户可以及时获得警告，从而采取适当的措施保证硬盘中的数据不受损失。对于大型的存储系统（如磁盘阵列），另一种提高可靠性的方法是进行及时的数据备份。其主要技术有：磁盘映射技术、磁盘双工技术、热备份、RAID（独立磁盘冗余阵列）技术等。
        谁也不能否认软磁盘曾经的辉煌，但由于其容量较小且容错性较差，放置较长时间后磁盘容易损坏，所以软盘一般不用做大量的数据备份，更多的是作为数据交换的介质。早期的软盘为5.25英寸，已经早就被淘汰了。目前广泛使用的是3.5英寸的软盘，容量仅为1.44MB。这种软盘的最大特点是便于携带，而且它的盘片是密封的，不会在携带中造成软盘损伤。但是它的容量太小，已经不能满足需求，于是大量容量的软磁盘便应运而生。最早推向市场的大容量软盘是Imation公司的LS-120和Icomage公司的Zip，它们的容量都超过了100MB。1997年10月Sony公司也推出了它的大容量软盘产品HiFD，其容量达到200MB，规格依然采用3.5英寸，数据传输速率为3.6MB/s，并向下兼容。
        大容量软磁盘作为脱机存储设备在存储金字塔中处于近底层的位置。软磁盘是许多个人计算机用户的备份介质。但实际上把软磁盘当作数据交换介质和输入输出介质可能更适合。
         当前大容量软磁盘在市面上见到的有两种，一种是其前身是3M公司的恰敏信（Imation）公司的产品LS-120。另一种是Iomage公司的 Zip。1996年MITSUMI公司发表了UHC高容量软磁盘，但没有推向市场，这三种磁盘性能见下表：
Zip LS-120 UHC
格式化容量(MB) 100 120 128
盘片直径(mm) 90 86 86
转速(r/min) 2945 720 3600
最大数据传输率(MB/s)1.4 0.663 2.45
平均寻道时间(ms) 29 65 20
向下兼容性 无 有 有
接口 SCSI/并行口 IDE/SCSI/并行口 IDE/SCSI
        磁带存储可以说是最古老的存储方式之一。从1952年第一台13mm(0.5英寸)磁带机在IBM公司问世以来，它已经走过了50多年的历史，积累了大量的使用经验和可靠性数据。磁带存储是一种安全、可靠、易用、效率高的数据备份方法。因为磁带可以从驱动器上取出，因此可以实现非现场方式的保存或存放过去版本的数据。磁带存储系统大都易于操作，甚至可以做成无人值守的数据备份和磁带管理。磁带的速度虽然比硬盘和光盘更慢，但它也能在相对短的时间内(如一个晚上)备份需要的数据。由于磁带的可靠性很高(实践证明，一盘磁带上的数据可以保存 30年以上)，而且容量大(以目前的存储技术，一盘磁带存储容量可达200GB，磁带库则可扩展到几十TB的水平)，所以它是当之无愧的大容量数据备份的首选存储介质。
磁带品种较多，在选择时要考虑以下多方面的因素。
(1)磁带的密度和容量。磁带有0.5英寸、8mm、4mm、0.25英寸等规格，每盒容量从几十MB到几个GB，要选择适合自己系统的磁带。容量常常是指压缩过的容量，通常采用压缩比为2:1折算。但如果要存储的文件是已压缩过的，不可能再压缩，就需要选择容量大一些的。 (2)数据传输率。如果备份数据量大，矩需选择数据传输率大一些的，以减少备份所需要的时间。
(3)磁带寿命。它包括两个指标，一是通过磁头的次数，由于磁带和磁头在读写时有摩擦，造成磁带磨损，一般螺旋扫描式磨损较严重。二是保存寿命，可保存多少年，这与磁带材料和保存环境有关。
(4)向下兼容。磁带技术不断更新，要求新的机器能读出旧的保存的磁带。如果没有这个功能，就需要花费人工和时间来进行磁带转换。 (5)记录技术。现在磁带记录技术主要有两类：螺旋扫描记录和直线记录。8mm磁带和4mm磁带采用的是螺旋扫描记录技术，记录的轨迹与磁带运动方向有一夹角。这样有利于提高存储密度，但磁带与磁头间有夹角，磨损较严重，磁带机结构复杂，耐用性也差。DAT磁带，IBM3480系列，DLT磁带都是采用直线记录方式，磁带机结构简单，磁带的磨损也小，寿命长。
(6)边写边读功能，即在写入的同时读出数据进行核对，以确保数据的可靠性，如有差错可立即修改。IBM3480/3490，DLT,SLR，MLR磁带机都有这一功能，但有些功能价格就上涨许多，通常采用的是先写后读功能，一盒磁带写完后，要倒带再从头读出检查有无错误。这样做要花许多时间，还增加了磁头和磁带的磨损。
(7)接口不同的磁带机有不同接口。如IDE接口、并行接口、SCSI接口、软驱接口等。要选择与机器一致的接口。

3.光存储技术
        光存储器ODM(Optical Disk Memory)和MSM类似，也是将用于记录的薄层涂敷在基体上构成记录介质。不同的是基体的圆形薄片由热传导率很小，耐热性很强的有机玻璃制成。在记录薄层的表面再涂敷或沉积保护薄层，以保护记录面。记录薄层有非磁性材料和磁性材料两种，前者构成光盘介质，后者构成磁光盘介质。
        ODM是目前辅存中记录密度最高的存储器，存储位元区域可小至1um的平方，存储容量很大且盘片易于更换。缺点是存储速度比硬盘低一个数量级。现已生产出与硬盘速度相近的ODM，不久会成为重要的辅存。
        目前我们所能接触的光存储设备有：CD-ROM、CD-R、CD-RW、MO、DVD-ROM、DVD+RW、DVD-RW、DVD-RAM以及COMBO等。CD-ROM为只读光盘，多用于产品发布和电子出版领域；CD-R允许用户自己写CD，但只能写一次，可以无限次读，而且与CD-ROM兼容；CD-RW为可多次读写光盘，它采用CD-R的格式，因此可以与CD-R的刻录机通用；MO是永磁光碟，可以重复读写，具有很高的可靠性和耐久性，数据保存可长达100年。相应的 DVD产品可以视为CD的后代。此外，多台光盘机组合在一起有3种结构：光盘库、光盘塔和光盘阵列。它们都是大型的信息存储设备，一般应用在大、中型的网络系统和档案管理系统中。在所有光存储设备中，最基本的产片是CD。CD是Compact Disc的简称，直译就是小型、紧凑的盘片。其外径为120mm，厚度为1.2mm。
CD由光轨(Track)组成。光轨是光碟上一种资料记录的单位。光盘上存储的信息资料按一定规则排列，其形状像一条条“轨道”，称为“光轨”。光轨由内至外呈螺旋线形状。数据光盘内从目录(TOC，Table of Contents)开始记录起始地址的多个连续的逻辑扇区为一轨，而音频光盘内一首歌曲对应一条光轨，因此，一张光盘中有许多条光轨。光盘的光轨最多可达99条。