任务四 外部存储器
任务分析：
外部存储器在计算机中扮演着数据仓库的作用，计算机系统的所有数据都可以存储在外部存储器上。当计算机开机时，操作系统所需数据也是从外部存储器调入内存中才能被CPU使用，所以计算机启动速度与外部存储器的速度密切相关，当前制约计算机运行速度的因素除主板总线速度跟不上CP U的运算速度外，还有一个重要的制约因素就是外部存储器的读写速度不能跟上总线的读写速度。任务四分为六个部分，分别是外部存储器概述、机械硬盘的结构及性能指标、固态硬盘的结构及性能指标、移动存储器的简介、主流外部存储器的配置和外存储器的选购常识。学习需重点掌握机械硬盘的结构及性能指标部分、固态硬盘的结构及性能指标部分，只有对外部存储器有足够的了解才能在选购中加以甄别，做到心中有数。
2.16 外部存储器概述
外部存储器（外存）是指不能由CP U直接控制访问的存储设备，相对于内部存储器的高速，外部存储器普遍读写速度较低，但其存储容量巨大、价格相对较低，且具有掉电后信息不消失的特性，被广泛地用于计算机的存储领域。
外部存储器与内部存储器同为存储设备，哪些数据需要放在内部存储器，哪些数据需要放在外部存储器呢？简单地说，CP U需要立刻调用才能完成程序制定工作的数据需要放入内部存储器，其他暂时不用的程序和数据都可以放在外部存储器中。相对于内部存储器主要选用 R AM作为存储单元，外部存储器的最大优势就是数据的永存性，也就是断电后信息不消失。那么除CP U需要调用的程序和数据之外，在非调用状态时，用户的个人数据也可以存储在外部存储器中，如用户的文档、图片、视频、音频等文件。
外部存储器的种类繁多，常用的有机械硬盘（磁盘存储）、SSD固态硬盘（闪存存储）、U盘（闪存存储）、光盘（光盘存储）等。现在购买计算机的用户基本上不再配置光驱，但是光盘作为物美价廉的外部存储设备还没有被完全淘汰，部分图书或者资料会附赠一张光碟，那么如果要读取光盘内容，只需要单独购买一个USB接口的移动光驱即可。
2.17 机械硬盘的结构及性能指标
机械硬盘主要由硬磁盘片、磁头、磁盘主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等部分组成，如图2-4-1所示。
图2-4-1 机械硬盘的机械结构
机械硬盘的工作原理是，磁头可沿盘片的半径方向运动，当盘片以每分钟几千转的高速旋转时，磁头就可定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。信息通过离磁性表面很近的磁头传递，用电流磁场来改变磁单元磁极性方式写到磁盘片上，信息可以通过相反的方式读取。机械硬盘存储容量大的原因是，因为一个机械硬盘里的磁盘转动轴上有多张磁碟，且都可以双面读写。
机械硬盘中的PCB上搭载了机械硬盘的各种电路及芯片。大多数的控制电路板都采用贴片式焊接，它包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。机械硬盘包括主控制芯片、读写控制芯片、缓存芯片、BIOS芯片、S ATA桥接芯片等，如图2-4-2所示。
图2-4-2 机械硬盘的电路板
除了电路和芯片，机械硬盘作为外部存储器，与内部存储器之间进行通信连接的接口也是很重要的部分。接口包括电源接口插座和数据接口插座两部分，其中电源接口插座就是与主机电源相连接，可为硬盘正常工作提供电力保证。数据接口插座则是硬盘数据与主板控制芯片之间进行数据传输交换的通道，使用时用一根数据电缆将其与主板IDE接口或其他控制适配器的接口相连接，通常说的 40 针、80 芯的接口电缆就是指数据电缆。硬盘接口可以分成IDE接口、S ATA接口、SCSI接口。当前，机械硬盘普遍采用S ATA接口与主板总线相连，如图2-4-3所示。
图2-4-3 机械硬盘的接口
机械硬盘的性能可以从以下技术参数反映出来。
1.容量
机械硬盘作为计算机系统的数据存储器，容量是机械硬盘最主要的参数之一。它的容量以GB或TB为单位，1GB=1024MB，1TB=1024GB。但硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取1GB=1000MB，因此在 BIOS中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值要小。
由于固态硬盘对市场的侵占，以及机械硬盘技术的不断成熟，同样的价格前两年只能买到500GB或1TB的存储容量，现今可以选购2TB及以上容量的机械硬盘，将其作为不常使用但是需要长时间保存的个人数据存储盘。
2.转速
转速是指硬盘内电机主轴的旋转速度，即机械硬盘磁盘片在1分钟内的转数。转速的快慢是机械硬盘档次的重要参数之一，也是决定硬盘内部传输率的关键因素之一，可直接影响硬盘的读写速度。RPM（Revolutions Per minute，转/每分钟）值越大，内部传输率就越快，访问时间就越短，硬盘的整体性能也就越好。
3.平均访问时间
平均访问时间（Average Access Time）是指磁头从起始位置到达目标磁道的位置，并且可从目标磁道上找到实际读写数据扇区所需的时间。平均访问时间体现了硬盘的读写速度，它包括硬盘的寻道时间和等待时间，即平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间。
硬盘的平均寻道时间（Average Seek Time）是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间。这个时间当然是越小越好，硬盘的平均寻道时间通常为 8ms～12ms，而 SCSI 硬盘则应小于或等于8ms。
硬盘的平均等待时间 Latenc y 是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。平均等待时间为盘片旋转1周所需时间的一半，一般应在4ms以下。
4.传输速率
传输速率（Data Transfer Rate）是指硬盘读写数据的速度，单位为MB/s（兆字节每秒）。硬盘的传输率又包括内部传输率和外部传输率。
内部传输率（Internal Transfer Rate）反映了磁介质至硬盘缓冲区间的传输性能，它主要依赖于硬盘的旋转速度和磁介质识别性能。
外部传输率（External Transfer Rate，即通常所言的传输率）指系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率。外部传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。
SATA的传输率为150MB/s，SATA2的传输率为300MB/s，但这些都是理想状态，实际上硬盘的内部传输速度连100MB/s都达不到，所以硬盘传输率一般达不到标称值。
5.缓存
缓存（Cache memory）是硬盘控制器上的一块内存芯片，具有极快的存取速度。它是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器。由于硬盘的内部传输速率和外部传输速率不同，缓存能在其中起到缓冲和传输速率匹配的作用。缓存的大小与速度是直接关系硬盘传输速度的重要因素，能够大幅度提高硬盘的整体性能。硬盘存取零碎数据时需要不断在硬盘与内存之间交换数据，当有大缓存时，则可以将零碎数据暂存在缓存中，以减小外部系统的负荷，提高数据的传输速度。
2.18 固态硬盘的结构及性能指标
固态硬盘（Solid State Disk，SSD）是用固态电子存储芯片阵列而制成的“硬盘”，由控制单元和存储单元组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘相似，在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘接近，虽然成本较高，但也已经逐渐普及到DIY市场。由于固态硬盘技术与传统硬盘技术不同，所以产生了不少新兴的SSD生产厂商。厂商只需购买N AND存储器，再配合适当的控制芯片，就可以制造固态硬盘了。固态硬盘所使用的接口有S ATA-2接口、S ATA-3接口、SAS接口、MS ATA接口、PCI-E接口、NGFF接口、CFast接口、SFF-8639接口和M.2 NVME/SATA协议，如图2-4-4～图2-4-6所示。
图2-4-4 SATA接口SSD
图2-4-5 M.2接口SSD
图2-4-6 PCI-E接口SSD
固态硬盘的内部构造相对简单，主体是一块PCB，其配件有控制芯片、缓存芯片和用于存储数据的闪存芯片。
市场上比较常见固态硬盘的主控芯片有 Marvell、Samsung、Intel、LSI SandForce、Indilinx、JMicron、Goldendisk等多个厂家的产品。主控芯片是固态硬盘的大脑，可以合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷，并管理整个数据中转，连接闪存芯片和外部S ATA接口。不同主控在数据处理能力、算法，以及对闪存芯片的读取/写入的控制方法会有所不同，直接导致固态硬盘产品在性能上的差距明显。
主控芯片旁边是缓存芯片，固态硬盘和传统硬盘一样需要高速的缓存芯片辅助主控芯片进行数据处理。这里需要注意的是，有一些廉价固态硬盘方案为了节省成本，省去了这块缓存芯片，这将对使用性能产生较大影响。
除了主控芯片和缓存芯片以外，PCB板上其余的大部分位置都是NAND Flash闪存芯片了。NAND Flash闪存芯片又分为SLC（单层单元）、MLC（多层单元），以及TLC（三层单元）等类别。
固态硬盘相对于机械硬盘有如下优点：读写速度快、防震抗摔、低功耗、无噪音、工作温度适应范围大、轻便等，正是因为这些优点，使固态硬盘在市场中的普及速度非常快。但是固态硬盘也有致命的缺点：固态硬盘有寿命限制，即擦写次数有上限，这是因为固态硬盘所使用的存储器是闪存类型，闪存的基本存储单元叫浮栅晶体管，其中浮栅层被绝缘的二氧化硅包裹，可以存储电子。如果其中存储的电子数量大于一个中间值，则被认为是0；如果小于这个中间值，则被认为是1，但是没有办法直接知道浮栅中的电子数量，只能通过往控制极加载一个中间值电压看两个N极是否导通。如果导通，则说明浮栅中的电子数量较少，识别为1；如果不导通，则说明浮栅中电子数量较多，识别为0。晶体管擦写数据时，二氧化硅绝缘层会困住部分电子，这些电子的累积会逐渐抵消控制极上的电压，使控制极为了导通两个 N 极所需要的电压越来越大，当这个偏移量超过中间值时，通过读/取就无法分辨0和1了。现在为了降低固态硬盘的成本价格而推出的多层存储单元（S LC、MLC、TLC、QLC等）更容易受到这种电压偏移的影响，所以从SLC到QLC总的擦写次数呈几何级数递减。除了寿命限制，固态硬盘所存储的数据通常在断电1年后，因为浮栅中的电子衰减而彻底丢失数据，相比于传统机械硬盘断电后数据可保存10年以上。固态硬盘的这个缺陷使许多喜欢存储大量数据的用户，在购买时需重点考虑，慎重对待。
以下六个性能指标可以反映出固态硬盘性能的优劣。
1.主控芯片
主控芯片负责固态硬盘里所有数据的管理。它对存储闪存颗粒、固件都非常重要，也决定着固态硬盘的性能和寿命，比较好的主控品牌有马牌、三星和英特尔。
2.闪存颗粒类型
闪存颗粒是固态硬盘用来存储数据的，闪存颗粒分为三种类型，即S LC、MLC和TLC。目前，SLC寿命和性能是最好的，其次是MLC，以及TLC。虽然TLC闪存颗粒的寿命不如前两者，但是正常使用 3 年～5 年是没有问题的，到时又会有性能更强、价格更便宜的固态硬盘出现了，所以不用担心。由于价格便宜，TLC是主流的闪存颗粒固态硬盘。
3.缓存
缓存可作为主控芯片和闪存颗粒之间数据的缓存桥梁。SSD缓存有两种：一种是DD R缓存，速度和主板上内存条差不多；另一种是S LC缓存。
4.4K IPOS值
4K IPOS值是指一块固态硬盘在读/取散布在不同位置的小块文件时的速度。这项指标重要的原因是，普通用户的日常操作，如上网、杀毒、保存文档等，都需要读/取零散在各处的小文件，而不是连续的大文件。所以，4K IPOS值的随机读写速度影响着开机和打开文件的速度，以及游戏的加载速度。
5.顺序读写速度
顺序读写速度影响着读写一个超大文件的速度，这个指标是商家最喜欢拿来做宣传的，也是直接判断一块SSD性能好坏的指标之一。
6.NVMe协议
NVMe（快速非易失存储）协议标准是为 PCI-E固态而制定的新接口标准，这个标准确定的PCI-E 3.0×4接口标准的SSD传输速率最高可达4GB/s，远远大于SATA接口传输速率。M.2接口大部分采用PCI-E 3.0×4接口标准。
选购SSD时应该抓住四个重点：主控、闪存颗粒、读写速度、4K IPOS值，因为这4个参数直接影响 SSD 的数据读写速度和使用寿命，其中主控和闪存颗粒是一款 SSD 的灵魂，三星和Intel在这方面的技术水平具有领先优势。
2.19 移动存储器简介
因为USB接口的普及和提速，现在移动存储器越来越受到消费者的追捧。市场上最常用的移动存储器就是 U盘和移动硬盘。U盘以其足够大的存储空间、小巧的体积等优势成为职场人必备的移动存储设备。移动硬盘相比于U盘就显得足够稳重，它拥有更大的存储空间，在需要存放大文件或需要长时间保存的重要文件等方面展现出了比U盘更多的优势。
2.19.1 U盘
U盘是 US B盘的简称，根据谐音也称“优盘”。U盘采用的存储芯片和SSD一样都是闪存，故也被称为闪盘。U盘与硬盘的最大不同是，它不需物理驱动器，可即插即用，且极便于携带。
U 盘集磁盘存储技术、闪存技术及通用串行总线技术于一体。U 盘的结构简单，使用US B接口连接计算机，US B接口是 U盘的数据输入、输出的通道；U盘的主控芯片使计算机将 U盘识别为可移动磁盘，是U盘控制读写操作的最核心的芯片；U盘的闪存芯片可保存数据，在断电后也不会丢失；U盘的PCB基板将各部件连接在一起，如图2-4-7所示。
图2-4-7 U盘
因为U盘各芯片在当前工艺下可以被做得非常小巧，PCB的面积也可相应缩小，所以出现了很多被做成各种形状的创意 U盘，在具有存储数据能力的同时，又具有趣味性，如图2-4-8～图2-4-10所示。
图2-4-8 创意U盘1
图2-4-9 创意U盘2
图2-4-10 创意U盘3
在日常使用U盘的过程中，还应特别注意以下3点：
（1）防止USB接口与PCB基板的连接部位被折断；
（2）防止日常摔、撞、压U盘，以免其控制芯片或者存储芯片被损坏；
（3）防止U盘掉入水中。
2.19.2 移动硬盘
移动硬盘采用 USB接口与计算机连接，以较高的速度与计算机系统进行数据传输，支持热插拔，且小巧轻便。根据其存储原理，市场上有两种移动硬盘：一种是以机械硬盘为存储介质的移动硬盘；另一种是以SSD为存储介质的移动硬盘。移动硬盘的优点是容量大、即插即用、速度快、体积小、安全可靠，如图2-4-11和图2-4-12所示。
图2-4-11 SSD移动硬盘
图2-4-12 机械式移动硬盘
移动硬盘由外壳、电路部分（电路板及其搭载的控制芯片及数据电源接口）和硬盘三个部分组成。外壳一般是铝合金或者碳纤维材质的，可起到抗压、抗振、防静电、防摔、防潮、散热等作用。控制芯片可控制移动硬盘的读写性能；最常见的数据接口是 USB接口。用于存储数据的硬盘通常选用2.5英寸的微型硬盘。
因移动硬盘的内部存储设备就是微型硬盘或者SSD，这里就不再赘述移动硬盘的技术参数了。
移动存储设备将来的发展趋势应该是，体积越来越小、容量越来越大、数据读写速度越来越快、数据安全性越来越好、售卖价格越来越低、搭载的新技术越来越多、外观越来越好看。
2.20 主流外部存储器的配置
购买计算机时们既要考虑外部存储器的空间大小，也要考虑其读写速度，所以最优的方案就是，购买一款 SSD 作为系统盘，存放操作系统和最常用的应用程序，这样可以极大地提升计算机的开机速度和软件启动速度；另外再购买一款传统机械式硬盘，用于放置海量的文件，如工作、生活文档，或保存手机导入的照片、视频等，这样就不会丢失文件了。下面介绍主流外部存储器的配置。
1.机械硬盘
选购机械硬盘时，在预算范围内尽量选择足够大的存储空间，如希捷4TB的机械硬盘价格在几百元，如果预算不够就可选用2TB或者1TB的机械硬盘。
2.固态硬盘
如果主板支持，尽量选择采用PCI-E总线的固态硬盘，如新型的M.2接口或者P CI-E接口的固态硬盘，只有这种固态硬盘才有可能搭载N VMe协议，其读写速度极快，不过价格稍高。如果预算不足，也可以考虑购买采用S ATA总线的固态硬盘，比单独使用机械硬盘的性能要好得多。
3.U盘和移动硬盘
U盘选择面广，主要看个人喜好及需求进行购买即可。
移动硬盘的主要功能是数据备份，所以推荐使用机械式移动硬盘。
2.21 外部存储器的选购常识
对外部存储器的选购，首先要明确购买的目的：为了提升整机速度，就选购更优的SSD；为了数据安全存储，就选购传统机械硬盘；为了随身携带数据，就选购 U盘；为了数据备份，就选购移动硬盘。不同的使用场景决定了选购什么样的硬件来支持，所以对于外部存储器的购买要根据需要出发，不要盲从。
外部存储器在选购过程中，应关注以下内容。
1.SSD选购要点
（1）关注SSD的总控芯片；
（2）关注SSD的闪存颗粒；
（3）关注SSD的读写速度；
（4）关注SSD的接口类型；
（5）关注SSD的存储容量。
2.机械硬盘选购要点
（1）关注机械硬盘的存储容量；
（2）关注机械硬盘的磁碟转速；
（3）关注机械硬盘的缓存大小；
（4）关注机械硬盘的接口类型；
（5）关注机械硬盘的单碟容量。
3.U盘选购要点
（1）关注U盘的存储容量；
（2）关注U盘的品牌；
（3）关注U盘的传输速度；
（4）关注U盘的数据安全；
（5）关注U盘的售后服务。
4.移动硬盘的选购要点
（1）关注移动硬盘的存储容量；
（2）关注移动硬盘的传输速率；
（3）关注移动硬盘的抗振性能；
（4）关注移动硬盘的体积；
（5）关注移动硬盘的售后服务。
温馨提示
通常购买的外部存储设备的实际容量比商家标注的容量少了许多，是谁“偷走”了存储空间呢？其实外部存储设备的容量在操作系统里所使用的算法是“二进制”，即1GB=1024MB，但是行业的标准算法是“十进制”，即1GB=1000MB，所以才会有官方标注32GB容量的U盘，在自己的计算机上显示为29.8GB，这种情况并不是碰到了奸商，而是行业制造规范与计算机规范不同所导致的。