計算機 - 資料儲存與記憶體

資料儲存和記憶體都是計算機的重要組成部分，但在儲存和檢索資訊方面，它們的功能不同。計算機記憶體儲存資料和指令，供CPU處理任務。記憶體對於計算機效率至關重要，並且有多種形式。

資料儲存 - 數字資訊的永久性、長期儲存稱為資料儲存。資料儲存在不同的物理和虛擬儲存系統和介質上。資料儲存有幾種型別：

主儲存器（主記憶體或RAM）

計算機將活動資料儲存在主儲存器中。由於它是易失性記憶體，因此機器關閉時資料會丟失。

正在使用的資料和程式會快速且暫時地儲存。RAM是易失性的，計算機關閉時資料會丟失。RAM更大的計算機可以同時處理多個任務並流暢執行應用程式。

輔助儲存器（非易失性儲存器）

輔助儲存器儲存長期資料。與主儲存器不同，它即使在機器關閉時也能儲存資料。例如HDD、SSD、CD、DVD和USB驅動器。

2.1 硬碟驅動器 (HDD)

硬碟驅動器是計算機中儲存資料的主要硬體。大多數檔案，包括作業系統和程式標題，都儲存在硬碟驅動器上。

HDD及其元件

硬碟驅動器有一些基本元件。一個或多個閃亮的銀色磁碟以磁性方式儲存資訊，一個機械臂移動一個稱為讀寫頭的微型磁鐵在磁碟上記錄或儲存資訊，一個電子電路控制所有內容並將硬碟驅動器連線到您的計算機。

執行器 - 執行器臂是一個機械元件，負責為讀/寫磁頭提供支撐。該機構促進了讀/寫磁頭移動到碟片上預期磁軌以進行資料讀取或寫入。現代硬碟驅動器 (HDD) 使用音圈執行器來實現精確定位。
讀寫磁頭 - 每個磁碟都配備了相應的讀寫磁頭，該磁頭略微懸停在其表面上方。這些元件負責從磁碟檢索資料以及將資料儲存到磁碟。利用執行器臂快速遍歷磁碟表面，從而可以訪問磁碟的不同部分。
中央主軸 - 磁碟以恆定速度與主軸一起旋轉。大多數HDD以5,400或7,200 RPM的速度旋轉，而一些高效能裝置以10,000或15,000 RPM的速度旋轉。
磁性磁碟 - 它以二進位制形式儲存資訊。HDD內部扁平的圓形磁碟稱為磁碟。這些碟片通常由鋁或玻璃製成，並塗有磁性塗層。磁性圖案將資訊儲存在碟片上。
電源聯結器 - 它將硬碟驅動器連線到個人電腦的電路板。需要電源聯結器才能從計算機的電源為內部HDD供電。現代磁碟使用SATA電源聯結器。
讀寫磁頭 - 是讀寫臂末端的一個微型磁鐵。
電路板 - 控制器板，也稱為“印刷電路板”（PCB），是HDD的大腦。它包含驅動器的軟體，該軟體控制如何訪問資料並修復錯誤。驅動器板還將驅動器連線到計算機的介面（例如SATA或IDE）。
資料聯結器 - 計算機的電源裝置透過電源聯結器為內部HDD供電。SATA電源聯結器在較新的驅動器中很常見。
小型主軸 - 這允許讀寫臂在磁碟上擺動。

磁碟是硬碟驅動器最重要的元件。它們的名稱意味著它們是由玻璃、陶瓷或鋁製成的硬碟，塗有一層薄金屬塗層，可以磁化或去磁。雖然緊湊型硬碟驅動器只有一個磁碟，但每一面都塗有磁性塗層。較大的驅動器具有堆疊在主軸上的磁碟，磁碟之間留有很小的間隙。讀寫磁頭可以到達磁碟的任何區域，這些磁碟的旋轉速度高達10,000 rpm。

一個五盤式硬碟驅動器需要十個讀寫磁頭，因為每個磁碟包含兩個，一個用於頂部，一個用於底部。電動臂將讀寫磁頭從驅動器中心移動到邊緣再返回。

HDD的特性

資料儲存 - HDD由一個或多個剛性、快速旋轉的塗有磁性材料的磁碟（碟片）組成。資料以磁性模式的形式儲存在這些碟片上。為了讀取或寫入資料，讀/寫磁頭會在旋轉的碟片上移動。
容量 - HDD有多種儲存容量，從幾吉位元組 (GB) 到多個太位元組 (TB) 不等。HDD的容量取決於它包含的碟片數量及其資料密度。
速度 - 就資料訪問時間和讀寫速度而言，HDD通常比SSD慢。這是因為讀寫磁頭需要物理移動到磁碟上的正確位置，從而導致延遲。
耐用性 - HDD是帶有活動部件的機械裝置，如果受到物理衝擊、跌落或過度振動，則容易發生機械故障。從這方面來看，固態硬碟由於是固態的，因此更耐用。
價格 - 與SSD相比，HDD的每吉位元組價格通常更低。這使得它們成為大型儲存需求的經濟高效的選擇。
噪音和熱量 - HDD由於旋轉的碟片和移動的磁頭會產生噪音。它們還會產生熱量，因此需要適當的通風以防止過熱。
功耗 - 由於機械部件，HDD通常比SSD消耗更多功率。這會導致筆記型電腦和臺式電腦的電力消耗略微增加。
壽命 - HDD的壽命可能會有所不同，但通常比SSD短。隨著時間的推移，機械部件可能會磨損，導致資料丟失。
應用 - HDD通常用於各種目的，例如儲存大型檔案（照片、影片和文件）、執行作業系統和軟體以及在網路附加儲存 (NAS) 裝置中進行備份和資料共享。
備份 - 由於其機械特性，重要的是定期備份HDD上的資料，以防萬一發生故障而導致資料丟失。可以使用冗餘儲存系統或RAID配置來增強資料保護。

硬碟驅動器的工作原理？

HDD的工作原理取決於其上面描述的元件。主要元件；旋轉碟片和執行器臂，如下所示：

磁性碟片 - 碟片指圓形碟片。硬碟驅動器中的碟片數量與其儲存容量成正比，因為每個碟片可以容納一定數量的資訊。因此，與儲存容量較小的硬碟驅動器相比，儲存容量較大的硬碟驅動器將包含更多數量的碟片。從碟片儲存和檢索資訊的過程涉及使用稱為磁軌的同心圓，這些磁軌進一步細分為扇區。
機械臂 - 機械臂指的是突出在碟片上方的元件。機械臂配備讀寫磁頭，用於在碟片上讀取和儲存磁性資料。每個碟片將擁有自己的機械臂，用於從其讀取和寫入資料。

電機用於以每分鐘4,500到15,000轉 (RPM) 的速度旋轉磁碟。驅動器的旋轉速度越高，效能越好。當計算機需要從硬碟驅動器檢索資料時，電機啟動碟片的旋轉，而機械臂將自身重新定位到碟片上方儲存資料的位置。位於機械臂上的磁頭負責檢測碟片上存在的磁性位。然後，這些磁頭將檢測到的位轉換為相應的資料，計算機可以使用這些資料。相反，在將資料傳輸到驅動器期間，磁頭將向盤片發出磁脈衝，從而改變碟片表面的磁特性，然後儲存資訊。

HDD比SSD便宜，容量更大，但速度更慢，耐用性也較差。用例和成本-效能-儲存容量的平衡決定了是否使用HDD或SSD。計算機和電子裝置在HDD上儲存和檢索資料。幾十年來使用後，由於其速度和可靠性，固態硬碟 (SSD) 變得流行起來。

2.2 固態硬碟 (SSD)

固態硬碟 (SSD) 是一種常用在計算機和各種電子裝置中的資料儲存裝置。與使用旋轉磁碟來檢索和儲存資料的傳統硬碟驅動器 (HDD) 相反，固態硬碟 (SSD) 使用基於 NAND 快閃記憶體的技術。固態硬碟 (SSD) 因其諸多優勢而越來越受歡迎，這些優勢包括速度更快、功耗更低和耐用性更高。

固態硬碟 (SSD) 能夠將資料永久儲存在積體電路中，通常使用快閃記憶體技術。在 SSD 中使用快閃記憶體使得資料寫入、傳輸和擦除過程成為電氣化的、無噪音的過程。與機械硬碟驅動器 (HDD) 不同，SSD 沒有任何移動部件。由於沒有移動部件，固態硬碟具有出色的效能和低噪音水平。但是，需要注意的是，SSD 通常比 HDD 更貴。

過去，與傳統的硬碟驅動器相比，SSD 的儲存容量比較有限。然而，目前 SSD 和 HDD 都提供各種尺寸，以滿足不同的儲存需求。SSD 常用於高階計算機系統或作為面向消費者的個人電腦中的補充儲存元件。

SSD 的工作原理

NAND 快閃記憶體 − SSD 的主要元件是 NAND 快閃記憶體。這是一種非易失性儲存器，即使在電源關閉後也能保留資料。NAND 快閃記憶體由組織成頁和塊的儲存單元組成。
單元和位 − NAND 快閃記憶體中的每個儲存單元可以儲存多個數據位，通常每個單元一個、兩個或三個位。單元可以儲存的位越多，SSD 的成本效益就越高，但也可能影響效能和壽命。
頁和塊 − 資料以固定大小的頁寫入和讀取 NAND 快閃記憶體，這些頁分組到更大的塊中。當資料寫入 SSD 時，它首先被寫入到空頁中。為了更新或刪除資料，SSD 使用一種稱為磨損均衡的技術，該技術確保資料均勻分佈在 NAND 單元中，以防止任何一個單元過度磨損。
控制器 − SSD 控制器是一個關鍵元件，它管理資料與 NAND 快閃記憶體之間的資料讀取和寫入。它處理諸如錯誤校正、磨損均衡和垃圾回收等任務，以最佳化效能和壽命。
TRIM − TRIM 命令是 SSD 的一項重要功能。它允許作業系統告知 SSD 哪些資料塊不再使用，從而允許 SSD 執行高效的垃圾回收和磨損均衡，這有助於隨著時間的推移保持效能。
磨損均衡 − NAND 快閃記憶體單元的寫入-擦除迴圈次數有限，之後會降級。磨損均衡確保資料均勻寫入到儲存單元中，從而延長 SSD 的壽命。
讀寫操作 − SSD 可以非常快速地讀取資料，因為沒有移動部件參與其中。但是，寫入操作可能更復雜，因為資料必須寫入空頁，並且必須擦除以前使用過的頁才能重寫。此過程由 SSD 控制器管理，以最佳化速度並最大限度地減少寫入放大。

SSD 透過將資料儲存在 NAND 快閃記憶體單元中工作，使用控制器管理讀寫操作，並實施磨損均衡和垃圾回收等各種技術來確保壽命並保持效能。它們的速度、可靠性和效率使其成為現代計算機和電子裝置中首選的儲存方式。

2.3 三級儲存

三級儲存介質用於長期備份和存檔。它比主儲存和二級儲存慢且使用較少，但為長期資料提供大容量儲存。

磁帶、光碟和專用硬碟是三級儲存介質。

三級儲存的工作原理？

磁帶

記錄機制 − 磁帶是一條長而薄的塑膠帶，表面覆蓋著磁鐵。代表二進位制 0 和 1 的磁化區域將資料儲存在磁帶上。
讀取機制 − 磁帶透過磁帶驅動器執行時，讀取磁化部分以恢復資料。此順序過程需要驅動器快進或倒帶才能訪問特定資料，這比硬碟或 SSD 等隨機訪問儲存慢。

磁帶有一層記錄磁訊號的小層和一層較厚的薄膜背襯。頂層或磁性塗層是聚合物結合的磁性顏料。

磁性顆粒和磁帶背襯由粘合劑粘合在一起。磁脈衝儲存在頂層或磁性層中。

光碟

光碟使用光學技術讀取和寫入資料。它們是扁平的圓形聚碳酸酯光碟，具有反射資料層和保護外層。

不同型別的光碟儲存不同的數字資料：

CD (光碟) − CD 是最早的光碟型別之一，於 20 世紀 80 年代初發布。它們最多可以儲存 700 MB 的資料，廣泛用於音樂、軟體和資料儲存。
DVD (數字通用光碟) − DVD 比 CD 的儲存容量大得多，單層 4.7 GB，雙層 8.5 GB。用於電影、軟體分發和資料備份。
藍光光碟 − 藍光等較新的光碟可以儲存比 DVD 更多的資料。標準光碟可儲存 25 GB（單層）和 50 GB（雙層），專用版本可儲存更多資料。藍光光碟用於高畫質影片和資料儲存。
檔案光碟 − 檔案光碟可長期儲存資料。檔案級資料容量和耐用性使其成為理想的選擇。
可記錄和可重寫光碟 − 提供可重寫和一次性寫入的光碟。可重寫光碟可以擦除和重寫，而可記錄光碟只能寫入一次。

光碟的工作原理？

光碟使用雷射讀取和寫入資料。

記錄機制 − 雷射在 CD、DVD 和藍光光碟上建立微小的凹坑和凸起。凹坑和凸起代表二進位制資料。
讀取機制 − 光碟驅動器的雷射檢測凹坑和凸起的反射來讀取資料。驅動器將反射轉換成數字資料。

使用功率較低的雷射讀取反射層上設計的數字資訊。要寫入資料，更強大的雷射會加熱反射層的一小部分，從而形成表示二進位制資料的凹坑和凸起。

光碟是一種流行的資料儲存和影片分發方式，現在必須與其他儲存技術（如 USB 驅動器、外部硬碟和雲端儲存）競爭。但它們仍在某些情況下使用，在這些情況下，它們的耐用性、即使計算機未開啟也能儲存資料的能力以及抗資料損壞能力非常重要。

2.4 U 盤

U 盤，也稱為拇指驅動器、跳躍驅動器、筆式驅動器或 USB 儲存棒，是一種儲存裝置，可用於在一個非常小的快閃記憶體晶片上記錄資訊。使用者可以從中讀取和儲存資料。這些儲存裝置的設計比普通的儲存盤小得多；事實上，其中一些大約只有拇指大小。U 盤可以連線到任何計算機；由於其通用序列匯流排（通常稱為 USB）埠的相容性。

資料可以儲存在 U 盤上，U 盤是行動式儲存裝置。由於其便攜性和易於傳輸和儲存資料，它們非常緊湊且重量輕。由於這些特性，它們已成為一種非常常見的儲存裝置。

U 盤的特性

儲存容量 − U 盤的儲存容量範圍很廣，從幾吉位元組 (GB) 到幾太位元組 (TB) 不等。
物理尺寸 − 這些裝置通常以其小巧緊湊的尺寸為特徵，類似於帶有 USB 介面的塑膠或金屬棒。這些裝置專為方便攜帶而設計，可以輕鬆地放在口袋裡或安全地連線到鑰匙鏈上。
資料傳輸速度 − U 盤的資料傳輸速度各不相同，通常根據 USB 代次分類，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資料傳輸速率。USB 3.0 及更高版本與 USB 2.0 相比，速度有了顯著提高。
檔案儲存 − U 盤能夠儲存各種資料型別，包括文件、照片、影片、音樂、軟體和其他檔案。這些裝置通常用於在不同裝置之間傳輸檔案或作為可靠的備份儲存解決方案。
即插即用 − U 盤通常被認為是即插即用裝置，這意味著它們可以輕鬆連線到計算機上的 USB 埠並立即執行，無需安裝額外的驅動程式或軟體。
安全性 − 某些 U 盤配備了整合的安全功能，包括硬體加密和密碼保護，可在丟失或被盜時增強資料的保護。
價格 − U 盤的價格會因儲存容量、速度和品牌等因素而異。一般來說，容量較小的驅動器通常更經濟實惠，而容量較大、速度較快的驅動器價格較高。

2.5 儲存卡

儲存卡是一種可以儲存資料檔案的儲存裝置。它為您提供了一個儲存來自連線裝置的資料和檔案的地方。因此，儲存卡是一種儲存介質，用於在電子裝置中儲存各種型別的資料，例如照片、影片或其他電子資訊。常用使用儲存卡的裝置包括數碼相機、數碼攝像機、手持式計算機、MP3 播放器、PDA、手機、遊戲機和印表機。

一些常見的儲存卡型別如下：

安全數字（SD）卡 − SD 卡是流行的儲存卡。有 MicroSD、miniSD 和普通 SD 卡。數碼相機、智慧手機和其他行動式裝置都需要 SD 卡。

CompactFlash（CF）卡 − SD 卡比 CompactFlash 卡更小巧，也更脆弱。專業相機和工業應用使用它們。

記憶棒 − 記憶棒在索尼相機、攝像機和筆記型電腦中曾很流行。

XQD 和 CFexpress − 這些高速儲存卡格式用於專業相機和攝像機。由於其快速的讀寫速度，它們可以拍攝高解析度的照片和影片。

多媒體卡 (MMC) − MMC 卡比 SD 卡小，用於較舊的裝置。如今已不太常見。

SmartMedia 卡 − 大多數數碼相機和其他行動式裝置不再使用 SmartMedia 卡。

資料傳輸速度和儲存容量因儲存卡而異。儲存卡應相容，具有足夠的儲存空間，並具有足夠快的速度以滿足其預期用途。選擇適合您需求的儲存卡，例如高速影片錄製或資料傳輸。

由於儲存卡容易受到粗暴處理和極端環境的影響，因此應小心處理以避免物理損壞和資料損壞。可以透過定期將儲存卡資料備份到外部儲存介質來避免資料丟失。

2.6 專業硬碟系統

專業硬碟系統是為特定應用而設計的儲存解決方案。它們通常是為了滿足特定行業或工作的需求而製造的。這些系統不同於您可以直接購買的消費級或企業級硬碟。

它們通常是定製的，以提高速度、可靠性和功能。

以下是專業硬碟系統的一些示例：

網路附加儲存 (NAS) − NAS 硬碟專為家庭和小型企業的檔案共享和儲存而設計。多個儲存托架、RAID 功能和內建網路連線使檔案訪問和共享變得容易。
儲存區域網路 (SAN) − 多個伺服器從高效能的 SAN 獲得塊級儲存，使用專業硬碟系統。資料中心和企業利用它們來集中和管理儲存資源。
影片監控儲存 − 影片監控系統需要硬碟才能進行持續的高畫質影片錄製和回放。這些硬碟針對寫密集型工作負載和監控進行了最佳化。
遊戲儲存 − 一些遊戲機和高階 PC 包含專業硬碟，以實現快速載入和流暢的遊戲體驗。SSD 將這些磁碟上的載入時間降至最低。
加固型硬碟 − 耐用的硬碟可以承受極端溫度、壓力和振動。軍事、航空航天和工業自動化等行業使用它們。
資料恢復系統 − 資料恢復公司使用配備現代工具和軟體的專業硬碟系統來從損壞或損壞的驅動器中恢復資料。
醫學影像儲存 − 核磁共振成像和 CT 掃描等醫學影像技術會產生海量資料，醫院需要儲存這些資料。專業的儲存解決方案可以保護資料並遵守隱私法律。
數字內容創作 (DCC) 儲存 − 影片編輯和 3D 動畫師等 DCC 專業人員需要高容量、高速儲存來儲存大型多媒體檔案。專業的儲存系統可以滿足這些需求。
科學研究儲存 − 科學研究，特別是基因組學和粒子物理學，需要大量的儲存和分析資料。有效的“大資料”工作需要專業的儲存解決方案。

特定應用的硬碟系統通常提供消費級硬碟不具備的功能和最佳化。為了滿足行業或用例的需求，這些解決方案可能具有冗餘性、容錯性、資料完整性措施和專用介面。

三級儲存的特點

介質型別 − 三級儲存系統使用磁帶、光碟和存檔介質。這些廉價的介質可以儲存大量資料。
低訪問速度 − 三級儲存訪問資料比一級和二級儲存慢。要讀取磁帶資料，必須物理移動它。
高容量 − 三級儲存系統的典型儲存容量為 TB 或 PB。它們可以實現長期資料保留。
歸檔和備份 − 存檔資料長期儲存在三級儲存中，很少訪問。此外，它還用於災難恢復資料備份。
可靠性 − 由於其耐用性和壽命，三級儲存介質可以長期儲存資料而不會降級。
離線儲存 − 離線或近線三級儲存使介質不會旋轉或無法立即訪問。它們根據需要載入或安裝。
經濟高效 − 三級儲存對於大量不經常訪問的資料來說是經濟高效的。介質比高速、大容量磁碟驅動器便宜。

由於資料保留法規嚴格，三級儲存在醫療保健（用於病歷）、銀行（用於過去的交易資料）和政府（用於存檔檔案）中很有益處。它提供了一種高效且經濟有效的方式來儲存和保護大量資料。但是，其較慢的訪問時間使其不適合即時事務處理和資料庫搜尋。這些應用程式不適用。

雲端儲存

雲端儲存是一種將資料儲存在遠端伺服器上的方法，這些伺服器由與使用者沒有直接關係的服務提供商管理和運營。通常，此資料的檢索和管理是透過網際網路連線進行的，而不是儲存在本地儲存裝置（如硬碟驅動器）或本地伺服器上。雲端儲存服務具有許多優勢，例如可擴充套件性、可訪問性、經濟高效性和資料冗餘。

雲端儲存的特點

可擴充套件性 − 由於雲的高可擴充套件性，使用者可以根據自己的需求調整在雲中儲存的資料量。這種彈性對於儲存需求不斷變化的企業來說非常有利。
可訪問性 − 只要可以訪問網際網路，就可以從任何地方檢索儲存在雲中的資料。因此，個人和組織可以使用各種裝置（例如個人電腦、智慧手機和平板電腦）更輕鬆地訪問其資料。
經濟高效性 − 雲端儲存通常會根據使用者使用的儲存容量和資源向用戶收費。這可能比更新本地儲存更便宜。
安全性 − 使用者資料的安全是雲端儲存提供商的首要任務。這包括訪問控制、頻繁的安全審計以及資料的始終加密和解密。使用者必須對他們在雲中的資料安全性和配置負責。
備份和災難恢復 − 雲端儲存服務內建了備份和恢復工具。使用者可以設定定期備份，並在資料丟失或系統崩潰時恢復資料。

在選擇雲端儲存提供商時，組織和個人應考慮其具體的儲存需求、預算、安全要求以及提供商的可靠性和聲譽。不同的雲端儲存服務可能提供不同的功能和定價結構，因此選擇一個符合您獨特需求的服務非常重要。

資料儲存用於長期儲存資料，而 RAM 用於儲存資料和指令以供 CPU 立即執行。計算機需要儲存空間來儲存容量，需要記憶體來提高速度和響應速度。

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