计算基础技术及导论 2

项目6文件管理与数据存储知识目标1）熟悉计算机文件的基础知识，了解计算机文件管理的发展历史。2）熟悉计算机文件资源管理器基本结构和主要操作。3）熟悉计算机文件存储的主要技术，了解基本存储设备。学习目标思政元素在学习文件管理与数据存储的过程中融入思政教育元素，能够帮助学生在掌握技术操作技能的同时，培养其在信息管理、数据安全、伦理道德、法律遵守、社会责任等方面的意识。（1）数据组织与分类：教授文件命名规则、目录结构设计，强调逻辑分类的重要性，培养学生有序思维，提升工作效率，同时映射到生活中的条理性和规划能力。学习目标（2）资源管理：硬盘分区等，理解资源分配，强调资源效率，培养节约意识，环保利用，理解科技与环境的关系。（3）终身学习：软件更新、新技术（如大数据、AI存储），鼓励持续学习，适应技术进步，形成学习习惯，理解知识更新与职业发展。（4）国际视野：多国数据标准、跨境存储法规，提升国际理解，开阔视野，尊重多样性，适应全球化工作环境，培养跨文化沟通。学习目标学习难点1）计算机文件存储技术。2）计算机主要存储设备。学习目标在本项目中，我们来学习使用计算机管理数据的基础知识，例如数据存储，创建合法文件名，使用文件资源管理器工具组织磁盘文件等。项目6文件管理与数据存储01文件基础知识02文件资源管理器03文件存储技术04存储设备目录/CONTENTSPART01文件基础知识术语“文件”原意是指文件柜或者成堆的纸张。现在，数字格式的计算机为存储文档、照片、视频和音乐提供了一种简便的途径。计算机文件（简称“文件”）是存放在存储介质（例如硬盘、光盘或U盘）中的数据的有名字的集合。文件拥有诸多特征，例如名称、格式、位置、大小和日期。文件可以包含程序或者数据，比如文档、图形、数字视频，或者数字化声音等。6.1文件基础知识文件名是字母和数字的唯一性集合，用于标识一个文件，文件名后面一般还有文件扩展名，文件名描述了文件内容，文件扩展名说明了文件所属的类别。例如，Microsoft画图软件的文件名是Pbrush.exe，其中，Pbrush是文件名，exe是扩展名。扩展名与文件名之间用“.”隔开。6.1.1文件名与通配符创建文件时，必须按照特定规范来设置该文件的有效文件名，该规范被称作文件命名规范。每个操作系统都有自己的命名规范集（表6-1）。通常，计算机文件基于其包含的数据、创建该文件的软件，以及使用该文件的方式进行分类。了解文件分类的特征可以提高访问文件的效率。6.1.1文件名与通配符表6-1文件命名规范6.1.1文件名与通配符有时候可能要用到多个文件，例如想列出磁盘上所有扩展名为exe的文件，这时可以用*.exe来指定。星号是一个通配符，在文件名或扩展名中用来替代一组字符。“?”号文件名通配符在文件名或扩展名中用来替代一个字符。可以使用通配符字符来定位或者删除磁盘上的一组文件。6.1.1文件名与通配符例如，假设某磁盘包含如下9个文件：

Word.exe Word.cfg Sam.bmp Spell.exe Recruits.doc Silver.exe Report.doc Mail.dat Middle.batWord.*的含义是文件名是Word，但扩展名随意。在本例中，有两个文件符合这—模式：Word.exe和Word.cfg；*.doc意味着具有.doc扩展名的任意文件。在本例中，有两个文件符合这一模式：Recruits.doc和Report.doc；S*意味着任何以字母“S”开头的文件名。在本例中，Spell.exe、Sam.bmp和Silver.exe都符合这一模式。*.*则意味着所有文件。6.1.1文件名与通配符可执行文件包含了告诉计算机执行特定任务的程序指令。例如，控制计算机显示和打印存储在磁盘上的文本的文字处理程序就是可执行文件（如Word.exe），其他可执行文件还有操作系统、工具软件和应用软件等。大多数可执行文件的扩展名都是.exe，有的也使用.com扩展名。6.1.2可执行文件和数据文件数据文件含有可以查看、编辑、存储、发送和打印的文本、数字和图片等。通常在使用应用软件时可以创建数据文件。例如，当要存储一份使用文字处理软件写的文档或使用图形处理软件绘制的图形时，就会创建一个数据文件。当存储电子表格、图片、声音剪辑或视频时，也会创建数据文件。数据文件都是与应用软件一起使用的，应用软件处理文件中的数据。通常，可以使用创建该文件的软件来查看、修改和打印数据文件中的信息。例如，可以使用MicrosoftWord软件来编辑使用由Word创建的（.doc）数据文件。6.1.2可执行文件和数据文件为了查看或者编辑某个数据文件，需要将它“打开”，标准方法是先启动应用程序，然后使用应用程序提供的“打开”命令。通常使用文字处理软件打开文档，使用电子表格软件打开工作表，使用画图软件打开图形。一般来说，没有必要记住特定的数据文件的扩展名。当创建数据文件时，所使用的软件会在文件名后面自动加上正确的文件扩展名。6.1.2可执行文件和数据文件除了可执行文件和数据文件之外，计算机通常还包含对硬件或者软件操作很必要的其他文件。这些文件具有诸如.bat、.sys、.cfg、.dll、.ocx、.ini、.mif、.hlp以及.tmp等扩展名。这些文件——甚至所谓的“临时”文件——对于计算机系统的正确操作是很关键的，不要随意删除它们。表6-2列举了一些文件类别的信息。6.1.3配置文件、程序模块和其他文件表6-2配置文件和程序模块的文件扩展名6.1.3配置文件、程序模块和其他文件如果操作系统已将特定的意义赋予某些符号，那么在文件名中将不能使用这些符号。例如，Windows使用冒号（:）字符将驱动器名和文件名或文件夹名分开（如C:Music）。诸如Report:2010之类的含有冒号的文件名是无效的，因为操作系统不知道如何对冒号进行解释。在使用Windows应用程序时，不要在文件名中使用:*\<>“/和?等符号。6.1.4保留符号与保留字一些操作系统也会包含一系列的保留字，这些保留字用作命令或特定标识符。这些词语不能单独用作文件名，但是它们可以用作较长的文件名的一部分。例如，在Windows中，用Nul作文件名是无效的，但是将文件命名成NulCommitteeNotes.doc或NullSet.exe是可以的。除了Nul之外，Windows用户应该避免使用以下保留字作为文件名：Aux、Com1、Com2、Com3、Corn4、Con、Lpt1、Lpt2、Lpt3和Prn。6.1.4保留符号与保留字一些操作系统是对大小写敏感的，但是在Windows和MacOS系统中创建文件名时，用户可以自由使用大小写字母。用户还可以在文件名中使用空格。这和电子邮件地址不允许空格的规则不同。通常会在电子邮件地址中使用下划线或句点来代替空格（如Madi_Jones@）。但诸如“LettertoMadiJones”这样的文件名是有效的。6.1.4保留符号与保留字文件格式表示了文件中数据的组织和排列方式。例如，音乐文件的存储与文本文件和图形文件的存储方式不同，甚至对于同一类数据也有很多文件格式，例如，图形数据可存储为位图、GIF、JPEG或PNG等不同的文件格式。6.1.5文件格式文件的格式包括文件头、数据和文件终止标记。文件头数据有创建文件的日期、最近一次更新日期、文件大小以及文件类型。表6-3例举比较了Windows的位图文件和GIF文件的区别，虽然这两个文件格式都包含图形，但其文件结构并不相同。6.1.5文件格式表6-3Windows位图和GIF文件的区别6.1.5文件格式使用“打开”对话框时，应用程序会自动筛选文件，只显示对该应用程序来说“正确”的文件列表。当用户双击某个文件名时，计算机会自动地打开能处理正确文件格式的应用软件。6.1.5文件格式数据文件的格式种类比较多，有必要熟悉一些主要的文件格式和数据类型）。表6-5数据文件扩展名要使用特定的文件格式，必须确定计算机中安装了相应的软件。6.1.5文件格式PART02文件资源管理器在计算机的磁盘和其他存储设备中存储着成千上万的文件。为了跟踪这些文件，Windows操作系统提供了“文件资源管理器”操作功能，主要用于定位、重命名、移动、复制和删除文件等。

图6-1Windows文件资源管理器6.2文件资源管理器一般计算机都拥有多个存储设备，如硬盘、光盘或者U盘等。存储设备通常由设备驱动器号来标识，它提供了保存或者打开文件时引用特定存储设备的简捷方式。最初的IBMPC机使用两个软盘驱动器，被指定为驱动器A和B。硬盘驱动器加入时被指定为驱动器C，其他存储设备顺序分配D~Z。设备驱动器号有时后跟一个冒号，如C:。6.2.1设备驱动器号磁盘分区是指硬盘驱动器上被当作独立存储单元的区域。多数计算机都会配置一个硬盘分区存放操作系统、程序和数据，还可以创建多个硬盘分区。例如，为操作系统文件设立一个分区，而为程序和数据设立另一个分区。需要使用特定的程序才能创建、修改或删除分区。6.2.1设备驱动器号操作系统为每一个存储设备维护一个称为目录的文件列表。主目录也称为根目录，根目录可以进一步细分为更小的列表。每一个列表就称为一个子目录。在使用Windows、MacOS或Linux图形化的文件管理器时，子目录被描述为文件夹，每一个文件夹可以存放相关项，例如，一系列文档、声音、财务数据和照片。Windows提供了名为“我的文档”的文件夹，用户也可以创建文件夹和子文件夹并对其命名以满足自身要求。例如在Music文件夹中创建Jazz文件夹来存放爵士音乐，而创建Reggae文件夹来存放雷鬼音乐。6.2.2文件目录和文件夹在Windows操作系统中，文件夹的名称通过反斜杠（\）符号与驱动器名以及其他文件夹名相区分。例如，存放在驱动器C上Music文件夹中的音乐文件，就应该标记为“C:Music\Reggae”。计算机文件的位置是由文件规范（有时也称为路径）定义的，它包含驱动器名、文件夹、文件名和扩展名。假设要将Reggae文件夹中名为MarleyOneLove的MP3文件存储在硬盘上，那么它的文件规范应该如下图所示。

图6-2文件规范提供了文件的名称和位置6.2.2文件目录和文件夹文件中所包含数据的存储形式为成组的位（bit）。位数越多，文件也就越大。文件大小通常以字节（byte）、千字节（kilobyte）或兆字节（rnegbyte）来度量。操作系统能够记录所有文件的大小和创建的时间信息，并且在用户需要文件列表时提供这些信息。6.2.2文件目录和文件夹文件资源管理器目录结构的比喻视图被称为逻辑模型，它们表示了目录结构的逻辑设想（而非实际物理存储）。文件资源管理器实用工具经常使用多种文件存储比喻法，包括“文件夹”和“树结构”等。树干是根目录，树的分支代表文件夹，这些分支可以细分为更小的分支或者子文件夹，分支顶端的叶子代表单个文件。借助于树结构比喻，可以清楚地理解文件夹和文件的组织方式。但作为用户界面，可以设想把树图表扩展显示为更加实际的包含成百上千文件的文件夹集合。6.2.3文件资源管理器操作文件资源管理器的目的是帮助用户查找、重命名、复制、移动，以及删除文件或者文件夹，实现有效的文件管理。其主要文件操作包括：（1）查找。在可以打开或者操纵文件或者文件夹之前，有必要了解该文件或者文件夹位于何处。文件资源管理器可以帮助查看存储设备的目录结构来定位文件夹，然后通过浏览文件夹来查找特定的文件。（2）重命名。重命名文件时，通常应该保证文件扩展名不变，以便必要时可以使用正确的应用软件来打开。6.2.3文件资源管理器操作（3）复制。可以把文件或者文件夹复制到U盘或其他存储器中。复制操作可以建立文档的副本，以保证文件的安全或者方便文件的转移等。（4）移动。可以将文件从一个文件夹移到另一个文件夹，或从一个存储设备移到另一个存储设备。当移动操作时，文件将脱离原始位置，因此，要确保记住它的新位置；也可以将文件夹从一个存储设备移到另一个存储设备中。6.2.3文件资源管理器操作（5）删除。当不再需要某个文件时，可以删除它，也可以删除文件夹。删除文件夹时一定要小心，因为文件资源管理器也会同时删除该文件夹所包含的所有文件和子文件夹。6.2.3文件资源管理器操作多数Windows的应用程序都在“文件”菜单中提供了一组保存文件的功能选项，包括“另存为…”和“保存”等。“另存为…”选项允许为要保存的文件选择名称和存储设备，而“保存”选项则是简单地将文件的最新版本以当前的名称保存在当前位置。使用应用软件时，执行“打开”和“保存”文件之类的操作都需要软件与操作系统的文件管理系统进行交互。在创建文件时，操作系统需要知道文件的名称，在查找文件时，应用软件需要检查操作系统以获取可用文件的列表。6.2.3文件资源管理器操作PART03文件存储技术用户在文件资源管理器中看到的文件夹和文件的概念模型与计算机在磁盘上数据的实际存储之间没有多大关联。计算机通常并不会为每个文件夹单独标识出特定的磁盘区域，也不会把文件存储为一个单元。事实上，一个文件的数据很可能会散布在某个磁盘的任何地方。计算机在磁盘上实际存储数据的方式被称为“物理存储”。相对而言，文件和文件夹的概念模型被称为“逻辑存储”。通常，一般用户没有必要理解与物理存储相关的所有细节。6.3文件存储技术数据存储系统包含两个主要部分：存储介质和存储设备。存储介质是磁盘、磁带、光盘、纸张，或者包含数据的其他物质；而存储设备是对存储介质进行数据记录和检索操作的机械设备，包括硬盘、固态硬盘、移动硬盘、光盘、磁带以及U盘等。所谓“存储技术”指的是存储设备和它所使用的介质。存储数据的过程通常称为“写数据”或者“保存文件”，检索数据的过程通常称为“读数据”、“加载数据”，或者“打开文件”，读和写数据通常与主机应用有关。6.3文件存储技术可以把计算机内存中所保存的文档看作是l和0的长序列，这些位被发送到存储设备中，存储设备把数据写到存储介质中。显然数据1和0必须被转换为存储介质表面的变化，具体实现这种转换取决于存储技术。个人计算机存储设备通常既使用磁存储技术，也使用光存储技术。6.3.1磁技术硬盘和磁带存储都是磁存储技术，磁存储通过磁化磁盘或者磁带表面上细小的粒子来存储数据。在数据没有变化时，粒子方向不会变化，这使得磁盘和磁带成为长期的、但是可以更改的存储介质。磁盘驱动器中的读写头设备可以读取和写入表示数据的磁化粒子。磁化方式存储的数据可以很容易地被改变或者删除，这只需要改磁盘表面粒子的方向即可。磁存储的这种特性使我们可以灵活地编辑数据，以及复用存储介质中各个区域。6.3.1磁技术另一方面，在磁场环境下，存储在磁介质上的数据容易受磁场、灰尘、潮湿、烟尘、高温，以及存储设备机械问题的影响而改变。磁介质的磁性也会随着时间的流逝而慢慢降低，最终导致数据丢失。6.3.1磁技术CD、DVD和BD都采用光存储技术，利用光学方法读写数据，一般情况下使用激光作为光源，所以也称为激光存储。光盘是集光、机、电三者为一体的信息存储技术，它利用光学方法在记录介质上进行信息读写。光盘的特点是容量大、寿命长、价格低、携带方便．是永久存储多媒体信息的理想媒体。6.3.2光技术光存储技术的基本物理原理是：改变一个存储单元的某种性质．使其性质的变化反映被存储的数据，识别这种存储单元性质的变化，就可以读出存储的数据。光存储单元的性质（如反射率、反射光极化方向等）可以改变，它们对应于存储二进制数据0、1，光电检测器检测出光强和光极性的变化，从而读出存储在光盘上的数据。6.3.2光技术为了识别数据，光盘上定义激光刻出的小坑（转折处）代表二进制的“1”，而平坦处代表二进制的“0”。DVD-ROM盘的记录凹坑比CD-ROM更小，最小凹坑长度仅为0.4μm，而且非常紧密，其螺旋储存凹坑之间的距离也更小，每个坑点间距离只是CD-ROM的50%，并且轨距只有0.74μm。由于高能量的激光束可以聚焦成约1um的光斑，因此其他存储技术存储容量更高。6.3.2光技术光技术分为三类：只读、可记录与可重写。（1）只读技术（ROM）能将数据永久地存储在光盘上，这种光盘不能再进行添加或更改。只读光盘（如CD-ROM、数字音频CD、视频DVD和DVD-ROM）通常是在大规模生产中压制的，它可以用来装入软件、音乐和电影等。（2）可记录技术（R）用激光改变夹在明亮塑料盘面下染色层的颜色，以记录数据激光在染色层制造的用于读取的凹点。染色层中的改变是永久的，所以数据一旦被记录就不能被改变。6.3.2光技术（3）可重写技术（RW）使用“相位改变”技术来改变光盘表面的晶状体结构，从而记录数据。改变晶状体结构来创建亮点（平面）和暗点（凹点）的模式与CD上的平面和凹点十分相似。晶状体结构可以从亮变暗再从暗变亮，并且可反复多次，这使得它可以像硬盘一样记录和修改数据，即“可重复记录”，或“可重写”。6.3.2光技术计算机在存储介质上存储数据之前，会创建等价的电子存储“柜子”，称为磁道。光技术在盘片上从里到外螺旋式的磁道中存储数据。磁道按照同心圆安排，同心圆进一步被细分为楔形磁道和扇区，并被编号以便于提供数据存储的访问地址，编号方案取决于存储设备和操作系统。磁道和扇区可以分别或者成组处理。为了提高读写数据过程的速度，磁盘驱动器通常处理扇区组，也称为簇。根据磁盘容量和磁盘驱动器的技术规范不同，组成簇的扇区数也不同。6.3.3磁道、扇区和簇操作系统通过创建类似于每个存储介质上内容表的文件来确定所存储文件的位置。介质类型不同，内容表的结构也不同。比如，CD-ROM的内容表与软盘或者硬盘的内容表稍有区别。当计算机在磁盘上存储文件时，操作系统在文件分配表（FAT）中记录存放该文件的起始簇号码。FAT是非常重要的操作系统文件，记录了磁盘上的文件和它们在硬盘上的物理位置。如果FAT被磁头故障或其他故障破坏了，就不能对存储在磁盘上的数据进行存取。这也是要备份硬盘数据的原因之一。6.3.4文件分配表当存储文件时，操作系统首先在FAT表中寻找空簇。找到后，操作系统就将数据放在空簇中，并在FAT表中记录下该簇的编号。新文件的名字和包含该文件数据的首簇编号记录在目录中。如果一簇放不下一个文件，就将该文件分割，存放在相邻的空簇中。如果相邻的簇有数据，操作系统就会将该文件存放在不连续的簇中，并建立指针用来连接。指针指向了文件的每一片。6.3.4文件分配表如果读文件，操作系统通过目录找到文件名和包含文件数据的首簇编号。FAT表给出哪些簇包含该文件的数据。操作系统将读写头移动到文件首簇的位置，读出数据。如果文件存储在多个簇中，读写头还要移动到其他簇上读出多个文件段。如果文件存放在不连续的簇中，读取文件花费的时间就要多，这是因为磁盘和读写头要移动多次才能找到文件的后续部分的缘故。6.3.4文件分配表当删除一个文件时，操作系统会改变FAT表中相应簇的状态。例如，如果文件存储在簇5、7、9和11中，当删除它的时候，操作系统把这四个簇的状态改变为“空”。这些簇的数据并没有在物理上移动或清除。相反，这些数据仍然保存在簇中，直到有新的数据将它覆盖。这种方式就使得我们在错误删除了一个文件后，仍然能够通过回收站的还原特性来恢复。当然，这只有在没有写入新的数据时才可以恢复。因此，一旦发现误删除文件，就要立刻恢复。6.3.4文件分配表很多文件通常会被存放在许多不连续的簇中。当驱动器定位含有部分文件数据的簇比较困难的时候，驱动器的性能也就变得很差。要重新获得驱动器的峰值性能，可以使用“磁盘碎片整理”工具来重新组织磁盘上的文件，使它们存放在连续的簇中。6.3.4文件分配表PART04存储设备计算机的存储技术目前主要有硬盘、固态硬盘和U盘等。通常使用四个标准，即多功能性、持久性、容量和速度，来比较存储设备。（1）多功能性。有些存储设备可以访问多种类型介质上的数据（例如DVD）。（2）持久性。大多数存储技术容易受到错误存放或者其他环境因素（比如热和潮湿）的破坏，有些技术则不容易受影响。持久性强的，就是不容易出现数据丢失等破坏的技术。6.4存储设备（3）容量。人们通常更喜欢选择容量大的存储设备。存储容量是该存储设备上可以存储数据的最大数量，通常使用干字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）和太字节（TB）等来衡量。1KB就是1024个字节，但是通常省略后面的零头。（4）速度。快速访问数据是很重要的，所以人们喜欢速度快的存储设备。存储设备的速度是由访问时间和数据传输速率决定的。6.4存储设备访问时间是计算机定位存储介质上的数据并读取它的平均时间。存储设备的访问时间一般使用毫秒来衡量。随机访问设备的访问时间是最好的，它是指设备直接“跳到”包含所请求数据的磁道或者扇区的能力，硬盘、光盘驱动器都是随机访问设备。另外，磁带驱动器必须使用速度较低的顺序访问，每次访问数据时都要从磁带的开始处定位数据。数据传输速率是存储设备在每秒时间内从存储介质传输到计算机的数据量。数字越大说明数据传输速率越快。6.4存储设备硬盘存储器是目前计算机最常用的磁存储设备，这主要是因为它的访问速度快。硬盘盘片一般是用铝或玻璃制作的，平滑和坚硬的盘片，上面覆盖着磁性氧化物。硬盘由读写磁头和一个或多个盘片组成。

图6-4硬盘驱动器6.4.1磁存储设备硬盘驱动器由一个或多个盘片和与之相关的读写头组成。硬盘盘片由覆盖有磁性铁氧化物微粒的扁平硬质铝盘片或玻璃盘片构成。盘片数目越多，数据存储容量越大。盘片会以每分钟数千转的转速绕固定轴旋转。个人计算机硬盘盘片的直径通常是3.5英寸。每张盘片都有一个悬浮在其上方几微英寸（1英寸的百万分之一，离磁盘表面非常小的高度）处的读写头。磁盘驱动器的读写头机制会通过磁化盘片上的微粒写入数据，并通过感应微粒的磁极读取数据。6.4.1磁存储设备可移动式硬盘由盘片和读写头组成，但是它可以像U盘那样插拔和移动。可移动硬盘增加了计算机系统的潜在存储容量，还提高了数据的安全性，可以很方便地在使用后将硬盘从计算机上取走，然后单独保存到安全的地方。6.4.1磁存储设备现在，许多计算机都配备有用来处理CD、DVD或蓝光技术（BD）的驱动器。（1）CD（光盘）技术起初是为存放74分钟的录制音乐而设计的。这样的容量能为计算机提供650MB的数据存储空间。改进后的CD标准将容量增加到80分钟的音乐或700MB的数据。6.4.2光存储设备（2）DVD（数字视频光盘）是CD技术的变体。起初DVD是作为录像机的一种替代品设计的，但很快被计算机业用来存储数据。最初DVD的标准容量是4.7GB，这大约是CD容量的7倍。DVD技术不断改进，能提供更多的存储容量，例如双层DVD在同一面上有两个可记录层，可以存储8.5GB的数据。（3）蓝光（Blu-ray）是指一种高容量存储技术，它的每个记录层都具有25GB的容量。蓝光技术的名称来源于用来读取蓝光光盘数据的蓝紫色激光。DVD技术使用的是红色激光，而CD技术使用了近红外线激光。6.4.2光存储设备CD、DVD和蓝光存储技术（BD）都属于光存储，它们通过光盘表面的微光点和暗点（凹点）存储数据。盘片上没有凹点的更亮的平面区域则称为平面。每个凹点的直径都小于1微米（百万分之一米），1500个凹点挨个排列起来大约只有钉头那么宽。

图6-5CD、DVD和BD的比较6.4.2光存储设备光驱动器有一个使光盘绕着激光透镜旋转的轴。激光透镜可将激光束投射到光盘的下面。由于光盘表面上暗的“凹点”和亮的“平面”反射的光不同，随着透镜读取光盘，这些不同的反射光便转换为表示数据的0和l序列。

图6-6光驱和光盘的结构6.4.2光存储设备光盘的表面涂有一层明亮的塑料，使得光盘持久耐用，而且让存储在光盘上的数据比存储在磁介质上的数据更不易受外界环境灾害的影响。光盘（如CD）不会受到潮湿、指纹、灰尘、磁铁或饮料滴溅的影响。光盘表面的划痕可能会影响数据传输，但可以使用牙膏对光盘表面进行抛光，这可以在不损坏光盘数据的前提下去除划痕。光盘的使用寿命通常在30年以上。6.4.2光存储设备DVD驱动器与CD驱动器的速度是用不同等级来度量的。24×速度的DVD驱动器数据传输速率大约为36KB/s。1×蓝光驱动器的数据传输速率是4500KB/s。

图6-7蓝光驱动器6.4.2光存储设备可重写CD、DVD或蓝光驱动器是很好的计算机系统附加设备，但它们却不能替代硬盘驱动器，这因为访问、保存和修改可重写光盘上的数据的过程相对硬盘存取来说速度都要慢很多。6.4.2光存储设备固态存储器有时也叫“闪存”，是能将数据存储到可擦除和可重写的电路上的技术，它被广泛应用于如数码相机、便携式媒体播放器、iPad和手机之类的消费型便携式设备中，还被用在某些笔记本电脑，作为硬盘存储器的替代品。固态存储器便携性强，存取数据的速度也相当快，是将数据存储在移动设备上，以及把数据从一台设备传输到另一台设备的理想解决方式。固态存储器包含的电路网格中，每个单元格含有2个作为门的晶体管。门打开时，电流可流通，单元格值表示“l”，而门关闭时单元格表示“0”。6.4.3固态存储器开关门需要的功率很低，这使得固态存储器对数码相机和媒体播放器这样依赖电池供电的设备来说非常理想。一旦数据被存储，就不易失存（不需要外部电源），芯片也能保留数据。固态存储器能很快地存取数据，因为它不包含移动部件。固态存储器非常持久耐用，它实际上不会受到震动、磁场和极端温度波动的影响。然而，固态存储器的容量尚不能与硬盘相比，而且每1MB存储容量的价格会稍高于磁存储器或光存储器。6.4.3固态存储器消费者现在可以选择多种固态存储器包括内存卡、固态硬盘和U盘等。

图6-8固态存储器6.4.3固态存储器内存卡是一块平整的固态存储介质，常用于从数码相机和媒体播放器向计算机传输文件。虽然被称为内存卡，但其却是不易失存的，所以即便是将它们从计算机和其他设备中取出，它们还是会保留数据。6.4.3固态存储器内存卡的格式包括CF（快闪内存）卡、MMC（多媒体）卡、SD（安全数字）卡、xD（极限数字图片）卡和SM（智能介质）卡。读卡器这种设备能从这些固态存储器读取数据并向它们写入数据。许多个人计算机都装备了读卡器，用来和固态内存卡交换数据。而另一方面，计算机也可以下载MP3或iTune音乐文件并将它们存储在固态内存卡上，然后把这些内存卡从计算机上拔下来，插到便携式媒体播放器中以随时欣赏自己喜欢的音乐。6.4.3固态存储器固态硬盘（SSD）是一种可以替代硬盘驱动器的设备，它由一系列闪存芯片构成。

图6-9固态硬盘（SSD）6.4.3固态存储器与普通硬盘比较，固态硬盘有以下优点：（1）启动快，没有电机加速旋转的过程。（2）不用磁头，快速随机读取，读延迟极小。根据相关测试：两台电脑在同样配置的电脑下，搭载固态硬盘的笔记本从开机到出现桌面一共只用了18秒，而搭载传统硬盘的笔记本总共用了31秒，两者几乎有将近一半的差距。（3）相对固定的读取时间。由于寻址时间与数据存储位置无关，因此磁盘碎片不会影响读取时间。6.4.3固态存储器（4）无噪音。因为没有机械马达和风扇，工作时噪音值为0分贝。某些高端或大容量产品装有风扇，因此仍会产生噪音。（5）低容量的基于闪存的固态硬盘在工作状态下能耗和发热量较低，但高端或大容量产品能耗会较高。（6）内部不存在任何机械活动部件，不会发生机械故障，也不怕碰撞、冲击、振动。这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使用，而且在笔记本电脑发生意外掉落或与硬物碰撞时能够将数据丢失的可能性降到最小。6.4.3固态存储器（7）工作温度范围更大。典型的硬盘驱动器只能在5到55摄氏度范围内工作。而大多数固态硬盘可在-10~70摄氏度工作，一些工业级的固态硬盘还可在-40~85摄氏度，甚至更大的温度范围下工作。（8）低容量的固态硬盘比同容量硬盘体积小、重量轻。但这一优势随容量增大而逐渐减弱。直至256GB，固态硬盘仍比相同容量的普通硬盘轻。6.4.3固态存储器闪存技术是近年来新兴的半导体存储技术，采用闪存存储介质。闪存可反复读写。与传统电磁存储技术相比，闪存有许多优点：（1）在存储过程中没有机械运动，因此运行非常稳定，从而提高了抗震性能，使它成为所有存储设备中最不怕震动的设备。（2）由于闪存不存在类似硬盘、光盘等高速旋转的盘片，所以它的体积往往可以做得很小，例如MP3播放器。6.4.4闪存设备U盘是“USB闪存盘”的简称，又称“优盘”，它是采用闪存技术（闪存芯片）来存储数据信息的可移动存储盘，因此也叫闪盘，属于固态存储器的一种。U盘小巧便携而存储容量大、价格便宜，是目前常用的移动存储设备之一。虽然SSD和U盘使用了相同的存储技术，但SSD不能像U盘那样方便地从计算机上插拔。6.4.4闪存设备U盘的基本结构由五部分组成：USB端口、主控芯片、FLASH（闪存）芯片、PCB底板、外壳封装。如果操作系统是Windows或是苹果系统的话，将U盘直接插到机箱的USB接口上，系统就会自动识别，并命名为“可移动磁盘”。可以象平时操作文件一样，在U盘上进行保存和删除文件等操作。但要注意，使用完毕后应关闭U盘窗口，选择“安全删除硬件”操作以保护U盘数据。6.4.4闪存设备U盘的工作原理比较简单：USB端口负责连接电脑，是数据输入或输出的通道；主控芯片是U盘的“大脑”，负责各部件的协调管理和下达各项动作指令；FLASH芯片与电脑中内存条的原理基本相同，是保存数据的实体，在断电后数据不会丢失，能长期保存；PCB底板是负责提供相应处理数据平台，且将各部件连接在一起。6.4.4闪存设备U盘的存储原理是：在源极和漏极之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮动栅。浮动栅包裹着一层硅氧化膜绝缘体。它的上面是在源极和漏极之间控制传导电流的选择/控制栅。数据是0或1取决于在硅底板上形成的浮动栅中是否有电子。有电子为0，无电子为1。写入前删除数据进行初始化，从所有浮动栅中导出电子。即将所有数据归“1”。只有数据为0时才进行写入，数据为1时则什么也不做。写入0时，向栅电极和漏极施加高电压，增加在源极和漏极之间传导的电子能量。这样一来，电子就会突破氧化膜绝缘体，进入浮动栅。6.4.4闪存设备读取数据时，向栅电极施加一定的电压，电流大为1，电流小则定为0。浮动栅没有电子的状态（数据为1）下，在栅电极施加电压的状态时向漏极施加电压，源极和漏极之间由于大量电子的移动，就会产生电流。而在浮动栅有电子的状态（数据为0）下，传导的电子就会减少。因为施加在栅电极的电压被浮动栅电子吸收后，很难产生影响。6.4.4闪存设备换句话说，计算机把二进制数字信号转为复合二进制数字信号（加入分配、核对、堆栈等指令）读写到USB芯片适配接口，通过芯片处理信号分配给EEPROM存储芯片的相应地址存储二进制数据，实现数据的存储。U盘平均以10~35MB/s的速度传输数据。在这样的速度下，U盘比硬盘要慢，所以用户可能会觉得有点迟钝，特别是在处理很大的文件时。6.4.4闪存设备云存储是一种基于互联网的线上数据存储方式，它允许用户通过互联网将数据保存在远程的服务器集群上，这些服务器由第三方服务提供商管理和维护。云存储服务适用于个人用户、中小企业到大型企业等多种场景，其核心特点是灵活性、可扩展性、高可用性和低成本。6.4.5云存储云存储的一些关键特点和优势如下。（1）超大规模：云存储系统能够管理极大量的数据，存储容量可达到PB（千万亿字节）乃至EB（百亿亿字节）级别。（2）高可扩展性：用户可以根据需求变化轻松增加或减少存储空间，支持业务的快速增长，无需预购额外硬件。（3）高可用性和可靠性：通过数据冗余（多副本存储）和故障转移机制确保数据的持续可访问性，即使个别服务器发生故障也不影响服务，易于实现数据备份和灾难恢复，提高业务连续性。6.4.5云存储（4）安全性：提供多层次的安全措施，包括数据加密、用户认证、访问控制和安全协议（如HTTPS、TLS），保护数据免受未授权访问。（5）透明服务：用户通过统一的API接口访问存储资源，无需关心底层硬件细节。用户可以从任何有互联网连接的地方访问数据。（6）自动容错：系统自动检测并修复错误，减少人工干预，提升运维效率。6.4.5云存储（7）低成本：由于资源的共享、优化和自动化管理，云存储减少了本地存储硬件的投入和维护费用，按需付费模式相比传统存储方案能显著降低成本。（8）易于管理：提供自动化和智能化的存储管理，简化IT运维工作。便于团队间共享文件和协作，促进工作效率。6.4.5云存储内存存储技术促进了对流数据的处理并且能够容纳整个数据库。这些技术使传统的磁盘存储的面向批量的处理转变到了内存存储的实时处理，提供了一种高性能、先进的数据存储方案。内存存储设备通常利用RAM作为存储介质来提供快速数据访问。RAM不断增长的容量以及不断降低的价格，伴随着固态硬盘不断增加的读写速度，为开发内存数据存储提供了可能性。6.4.6内存存储在内存中存储数据可以减少由磁盘I/O带来的延迟，也可以减少数据在主存与硬盘设备间传送的时间。数据读写延迟的总体降低会使得数据处理更加快速。通过水平扩展含有内存存储设备的集群将会极大地增加内存存储设备的存储能力。内存存储设备传输数据的速度是磁盘存储设备的80倍，这表明从内存存储设备中读数据比从磁盘中读数据大概要快80倍。注意，此处假定在网络上数据的传送时间在两个场景中是一样的，并且这部分时间不被包含在数据读取时间内。6.4.6内存存储基于集群的内存能够存储大量的数据，包括大数据数据集，与磁盘存储设备相比较，这些数据的获取速度将会快很多。这显著地降低了大数据分析的总体运行时间，也使得实时大数据分析成为可能。内存存储设备使内存数据分析成为可能，例如对存储在内存中而不是磁盘中的数据执行某些查询而产生统计数据。内存分析则可以通过快速的查询和算法使得运行分析和运营商业智能