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  • 磁盘 内存 读取数据原理

    千次阅读 2019-11-26 09:02:20
    当程序要读取的数据时传入内存地址(行地址+列地址),如果数据不在主存中时,会触发一个缺页异常,此时系统会向磁盘发出读盘信号,通过柱面号,磁头号,扇区号定位磁盘位置,找到数据的起始位置并向后连续读取一页...

    当程序要读取的数据时传入内存地址(行地址+列地址),如果数据不在主存中时,会触发一个缺页异常,此时系统会向磁盘发出读盘信号,通过柱面号,磁头号,扇区号定位磁盘位置,找到数据的起始位置并向后连续读取一页或几页载入内存中。

     


    我们在程序中的数据处理主要是操作磁盘和内存,硬盘是磁盘里面最常用的一种.以前有所谓的软盘,也是磁盘的一种,原理和硬盘是一样的.都是利用磁性物质的特性来保存信息.磁盘的原理就是利用电磁转换,学物理时我们知道电可以使物质带上磁性,而金属在磁场运动时切割磁感线时会产生电流.磁盘上有很多微粒的磁粉.当写通过磁头写数据时,磁头中的电流会导致磁粉极化,改变方向.读数据时,导体磁头经过磁粒的区域时会产生电流. 反正大概意思就是这样.

    硬盘的存储数据原理:

    我们知道信息存储在硬盘里,把它拆开也看不见里面有任何东西,只有些盘片。假设,你用显微镜把盘片放大,会看见盘片表面凹凸不平,凸起的地方被磁化,凹的地方是没有被磁化;凸起的地方代表数字1(磁化为1),凹的地方代表数字0。因此硬盘可以以二进制来存储表示文字、图片等信息。

    磁盘结构

    磁盘由一层一层的盘片组成,每个盘片区分上下面,每个盘面由磁道组成,磁道上凹凸不平,其中凸起的地方代表被磁头划过即数字1,反之,凹的地方表示数字0,故磁盘可以用二进制存储来表示文字、图片等信息。同时,各盘面相同半径的磁道组成柱面。磁盘还有另外一个重要组件,磁头,不同盘面上的磁头是同时移动的。
     

     

    内存存储数据原理:

    而内存的原理就完全不同,内存是晶体管制作的(CPU也是晶体管做的),而晶体管的特性就是我们平时常说的用开关的开和关来表示1,0.
    通过一些门电路的组合可用来表示数字和实现复杂的逻辑功能.而内存主要是用来临时保存数据.CPU就是处理一些逻辑关系.

    晶体管由于必须得通电,然后用电流的有无状态来表示信息,充放电后电荷的多少(电势高低)分别对应二进制数据0和1,所以只有通电的时候可以保存数据,电一断内存里的晶体管状态就处未知状态就啥用处也没了.而磁盘断电后磁性物质还会一直保持原样.

    我们知道访问磁盘时就通过磁头去指到固定的地方然后读取数据.不过内存就不一样,不需要啥磁头去读取数据,它是有数据总线连接,我们是通过总线去读取内存的数据.

    磁盘的读写原理:(柱面号,磁头号,扇区号)


    确定磁盘地址(柱面号,磁头号,扇区号),内存地址(源/目):

           当需要从磁盘读取数据时,系统会将数据逻辑地址传给磁盘,磁盘的控制电路按照寻址逻辑将逻辑地址翻译成物理地址,即确定要读的数据在哪个磁道,哪个扇区。

    为了读取这个扇区的数据,需要将磁头放到这个扇区上方,为了实现这一点:

             1)首先必须找到柱面,即磁头需要移动对准相应磁道,这个过程叫做寻道,所耗费时间叫做寻道时间,

             2)然后目标扇区旋转到磁头下,即磁盘旋转将目标扇区旋转到磁头下。这个过程耗费的时间叫做旋转时间。

    即一次访盘请求(读/写)完成过程由三个动作组成:
           1)寻道(时间):磁头移动定位到指定磁道 
           2)旋转延迟(时间):等待指定扇区从磁头下旋转经过 
           3)数据传输(时间):数据在磁盘与内存之间的实际传输

    内存的读写原理:(行地址+列地址)

    内存地址

    内存中的cell按矩阵形排列,每一行和每一列都会有一个对应的行地址线路(正规叫法叫做word line)和列地址线路(正规叫法是bit line),每个具体的cell就挂接在这样的行地址线路和列地址线路上,对应一个唯一的行号和列号,把行号和列号组合在一起,就是内存的地址。


    上图是Thaiphoon Burner的一个SPD dump,每个地址是一个字节。不过我们可以把这些数据假设成只有一个bit,当成是一个简单的内存地址表,左边竖着的是行地址,上方横着的是列地址。例如我们要找第七行、倒数第二列(地址为7E)的数据,它就只有一个对应的值:FD。当然了,在内存的cell中,它只能是0或者1。

    寻址

    数据要写入内存的一个cell,或者从内存中的一个cell读取数据,首先要完成对这个cell的寻址。寻址的过程,首先是将需要操作的cell的对应行地址信号和列地址信号输入行/列地址缓冲器,然后先通过行解码器(Row Decoder)选择特定的行地址线路,以激活特定的行地址。每一条行地址线路会与多条列地址线路和cell相连接,为了侦测列地址线路上微弱的激活信号,还需要一个额外的感应放大器(Sense Amplifier)放大这个信号。当行激活之后,列地址缓冲器中的列地址信号通过列解码器(Column Decoder)确定列地址,并被对应的感应放大器通过连接IO线路,这样cell就被激活,并可供读写操作,寻址完成。从行地址激活,到找到列地址这段时间,就是tRCD。

    从内存读取到磁盘预读
      由于存储介质的特性,磁盘本身存取就比主存慢很多,再加上机械运动耗费,磁盘的存取速度往往是主存的几百分分之一,因此为了提高效率,要尽量减少磁盘I/O。为了达到这个目的,磁盘往往不是严格按需读取,而是每次都会预读,即使只需要一个字节,磁盘也会从这个位置开始,顺序向后读取一定长度的数据放入内存。这样做的理论依据是计算机科学中著名的局部性原理:

      当一个数据被用到时,其附近的数据也通常会马上被使用。

      程序运行期间所需要的数据通常比较集中。

      由于磁盘顺序读取的效率很高(不需要寻道时间,只需很少的旋转时间),因此对于具有局部性的程序来说,预读可以提高I/O效率。

      预读的长度一般为页(page)的整倍数。页是计算机管理存储器的逻辑块,硬件及操作系统往往将主存和磁盘存储区分割为连续的大小相等的块,每个存储块称为一页(在许多操作系统中,页得大小通常为4k),主存和磁盘以页为单位交换数据。当程序要读取的数据不在主存中时,会触发一个缺页异常,此时系统会向磁盘发出读盘信号,磁盘会找到数据的起始位置并向后连续读取一页或几页载入内存中,然后异常返回,程序继续运行。

    参考:


    http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7408047
    硬盘的读写原理
    http://www.cnblogs.com/QQParadise/articles/2430204.html
    内存的工作原理及时序介绍
    http://blog.csdn.net/lujiandong1/article/details/44569161
     深入理解内存:原理简介
    原文链接:https://blog.csdn.net/zhanghongzheng3213/article/details/54141202

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  • Java数据类型分为基本数据类型与引用数据类型。 1、 基本数据类型 ...byte:Java中最小的数据类型,在内存中...int:整型,用于存储整数,在内存中占4个字节,取值范围-2147483648~2147483647,默认值0 lo...

    Java数据类型分为基本数据类型与引用数据类型。
    在这里插入图片描述

    1、 基本数据类型

    • byte:Java中最小的数据类型,在内存中占1个字节(8 bit),取值范围-128~127,默认值0

    • short:短整型,2个字节(16 bit),取值范围-32768~32717,默认值0

    • int:整型,用于存储整数,在内存中占4个字节,取值范围-2147483648~2147483647,默认值0

    • long:长整型,在内存中占8个字节-263~263-1,默认值0L

    • float:浮点型,在内存中占4个字节,用于存储带小数点的数字(与double的区别在于float类型有效小数点只有6~7位),默认值0

    • double:双精度浮点型,用于存储带有小数点的数字,在内存中占8个字节,默认值0

    • char:字符型,用于存储单个字符,内存中占2个字节,取值范围0~65535,默认值为空

    • boolean:布尔类型,占1个字节,用于判断真或假(仅有两个值,即true、false),默认值false

    2 、引用类型

    Java语言本身不支持C++中的结构(struct)或联合(union)数据类型,它的复合数据类型一般都是通过类或接口进行构造,类提供了捆绑数据和方法的方式,同时可以针对程序外部进行信息隐藏。引用类型分3种(5种):类,接口,数组(枚举,注解);

    • 类(Class):所有的类,无论是Java自身已经存在的,还是用户后来创建的;
      Objec类: 它是所有类的父类,每个类都实现这个类的方法;用Object 可以定义所有的类;
      String类: String类代表字符串,

    • 接口(interface): 系统自带或者用户创建的

    • 数组(array): 系统自带或者用户创建的

    3 、Java中的数据类型在内存的存储原理

    • 基本数据类型的存储原理
      所有的简单数据类型不存在“引用”的概念,基本数据类型都是直接存储在内存中的内存栈上的,数据本身的值就是存储在栈空间里面,Java语言里面八种数据类型是这种存储模型 (对于整型定义数值不在(-128~127)之间的话 定义时会在堆中创建对象);
    • 引用类型的存储原理
      引用类型继承于Object类(也是引用类型)都是按照Java里面存储对象的内存模型来进行数据存储的,使用Java内存堆和内存栈来进行这种类型的数据存储,简单地讲,“引用”(存储对象在内存堆上的地址)是存储在有序(先进后出)的内存栈上的,而对象本身的值存储在内存堆上的

    #基本数据类型和引用类型的区别主要在于基本数据类型是分配在栈上的,而引用类型是分配在堆上的

    # #不论是基本数据类型还是引用类型,他们都会先在栈中分配一块内存,对于基本类型来说,这块区域包含的是基本类型的内容;而对于引用类型来说,这块区域包含的是指向真正内容的指针,真正的内容被手动的分配在堆上。

    补充说明:Java String 和 new String()的区别

    (1) String str1 = “abcd"的实现过程:首先栈区创建str1引用,然后在String池(常量池:独立于栈和堆而存在,存储不可变量)中寻找其指向的内容为"abcd"的对象,如果String池中没有,则创建一个,然后str指向String池中的对象,如果有,则直接将str1指向"abcd”;

    • 如果后来又定义了字符串变量 str2 = “abcd”,则直接将str2引用指向String池中已经存在的“abcd”,不再重新创建对象,此时比较str1==str2,返回值true;
    • 当str1进行了赋值(str1=“abc”),则str1将不再指向"abcd",而是重新指String池中的"abc",此时如果定义String str3 = “abc”,进行str1 == str3操作,返回值为true,因为他们的值一样,地址一样;
    • str1 = “abc”+“d”;拼凑的“abcd”时,此时与str1==str2,返回值true,因为他们是在编译期确定,都指向静态池中的“abcd”,他们的值一样,地址一样;。
    • 但是如果内容为"abc"的str1进行了字符串的+连接str1 = str1+“d”,此时str1指向的是在中新建的内容为"abcd"的对象,因为此时str1 = str1+"d"是在运行期创建的 编译期并未识别str1,即此时进行str1==str2,返回值false,因为地址不一样。

    (2) String str3 = new String(“abcd”)的实现过程:直接在堆中创建对象。如果后来又有String str4 = new String(“abcd”),str4不会指向之前的对象,而是重新创建一个对象并指向它,所以如果是执行str3==str4 则返回值是false,因为两个对象的地址不一样,如果是执行str3.equals(str4),返回true,因为内容相同。

    下篇介绍“==”与equals的区别

    本文参kao其他文章,原文在:https://www.cnblogs.com/Latiny/p/8099581.html

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  • 浮点型数据在计算机内存存储原理: 1、float占32bit,double占64bit; 2、float和double存储精度:  float可以保证十进制科学计数法小数点后6位有效精度和第7位的部分精度  double可以保证十进制科学...
    浮点型数据在计算机内存中存储原理:
    1、float占32bit,double占64bit;
    2、float和double存储精度:

        float可以保证十进制科学计数法小数点后6位有效精度和第7位的部分精度

        double可以保证十进制科学计数法小数点后15位有效精度和第16位的部分精度
    3、遵循的规范: 不论是float还是double在存储方式上都是遵从IEEE的规范 的,float遵从的是IEEE R32.24 ,        double 遵从的是R64.53
    4、存储原理:
        无论是float还是double,在内存中存储主要分为三部分:符号位、指数位、有效数字位;
        float由1个符号位、8位指数位和23位有效数字位组成,如下图表示:
        
         double由1个符号位、11位指数位和52位有效数字位组成,如下图表示:
        
     
        下面以float类型为例介绍浮点型数据在计算机内存中存储的方式:
        以8.25为例,分为整数位和小数位,整数位和小数位分别表示为1000.01;
        
    在这个地方不少人会奇怪为什么要加上127呢,小编认为:这个127的作用就是为了规定float数据类型的精度,同时避免遇到一些0.xx的小数时,指数位直接为负数,影响计算;float类型的精度是和127有关的,其精度正好为2的(127+1)次幂;同理double也是同样的,且其精度为2的2的10次方次幂。
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  • 内存存储原理与磁盘存储原理讲解

    千次阅读 2013-12-06 17:27:58
    从抽象角度看,主存是一系列的存储单元组成的矩阵,每个存储单元存储固定大小的数据。每个存储单元有唯一的地址,现代主存的编址规则比较复杂,这里将其简化成一个二维地址:通过一个行地址和一个列地址可以唯一定位...

    主存存取原理

    目前计算机使用的主存基本都是随机读写存储器(RAM),现代RAM的结构和存取原理比较复杂,这里本文抛却具体差别,抽象出一个十分简单的存取模型来说明RAM的工作原理。

    图5

    从抽象角度看,主存是一系列的存储单元组成的矩阵,每个存储单元存储固定大小的数据。每个存储单元有唯一的地址,现代主存的编址规则比较复杂,这里将其简化成一个二维地址:通过一个行地址和一个列地址可以唯一定位到一个存储单元。图5展示了一个4 x 4的主存模型。

    主存的存取过程如下:

    当系统需要读取主存时,则将地址信号放到地址总线上传给主存,主存读到地址信号后,解析信号并定位到指定存储单元,然后将此存储单元数据放到数据总线上,供其它部件读取。

    写主存的过程类似,系统将要写入单元地址和数据分别放在地址总线和数据总线上,主存读取两个总线的内容,做相应的写操作。

    这里可以看出,主存存取的时间仅与存取次数呈线性关系,因为不存在机械操作,两次存取的数据的“距离”不会对时间有任何影响,例如,先取A0再取A1和先取A0再取D3的时间消耗是一样的。

    磁盘存取原理

    上文说过,索引一般以文件形式存储在磁盘上,索引检索需要磁盘I/O操作。与主存不同,磁盘I/O存在机械运动耗费,因此磁盘I/O的时间消耗是巨大的。

    图6是磁盘的整体结构示意图。


    图6

    一个磁盘由大小相同且同轴的圆形盘片组成,磁盘可以转动(各个磁盘必须同步转动)。在磁盘的一侧有磁头支架,磁头支架固定了一组磁头,每个磁头负责存取一个磁盘的内容。磁头不能转动,但是可以沿磁盘半径方向运动(实际是斜切向运动),每个磁头同一时刻也必须是同轴的,即从正上方向下看,所有磁头任何 时候都是重叠的(不过目前已经有多磁头独立技术,可不受此限制)。

    图7是磁盘结构的示意图。


    图7

    盘片被划分成一系列同心环,圆心是盘片中心,每个同心环叫做一个磁道,所有半径相同的磁道组成一个柱面。磁道被沿半径线划分成一个个小的段,每个段叫做一个扇区,每个扇区是磁盘的最小存储单元。为了简单起见,我们下面假设磁盘只有一个盘片和一个磁头。

    当需要从磁盘读取数据时,系统会将数据逻辑地址传给磁盘,磁盘的控制电路按照寻址逻辑将逻辑地址翻译成物理地址,即确定要读的数据在哪个磁道,哪个扇区。为了读取这个扇区的数据,需要将磁头放到这个扇区上方,为了实现这一点,磁头需要移动对准相应磁道,这个过程叫做寻道,所耗费时间叫做寻道时间,然 后磁盘旋转将目标扇区旋转到磁头下,这个过程耗费的时间叫做旋转时间。

    局部性原理与磁盘预读

    由于存储介质的特性,磁盘本身存取就比主存慢很多,再加上机械运动耗费,磁盘的存取速度往往是主存的几百分分之一,因此为了提高效率,要尽量减少磁盘I/O。为了达到这个目的,磁盘往往不是严格按需读取,而是每次都会预读,即使只需要一个字节,磁盘也会从这个位置开始,顺序向后读取一定长度的数据放入内存。这样做的理论依据是计算机科学中著名的局部性原理:

    当一个数据被用到时,其附近的数据也通常会马上被使用。

    程序运行期间所需要的数据通常比较集中。

    由于磁盘顺序读取的效率很高(不需要寻道时间,只需很少的旋转时间),因此对于具有局部性的程序来说,预读可以提高I/O效率。

    预读的长度一般为页(page)的整倍数。页是计算机管理存储器的逻辑块,硬件及操作系统往往将主存和磁盘存储区分割为连续的大小相等的块,每个存 储块称为一页(在许多操作系统中,页得大小通常为4k),主存和磁盘以页为单位交换数据。当程序要读取的数据不在主存中时,会触发一个缺页异常,此时系统 会向磁盘发出读盘信号,磁盘会找到数据的起始位置并向后连续读取一页或几页载入内存中,然后异常返回,程序继续运行。

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内存存储数据的原理