Learning Objectives
- 說明主記憶體與儲存裝置的差別，認識常見的儲存裝置
- 用尋軌時間、旋轉等待與傳輸時間解釋硬碟的存取時間，說明連續與隨機讀取為什麼差很多
- 說明 SSD 的快閃記憶體以頁讀寫、以區塊抹除，以及損耗平均的用途
- 比較輪詢、中斷與 DMA 三種輸入輸出方式對 CPU 的影響，認識驅動程式的角色
這一課要回答的問題
常聽到這些說法：
- 「舊電腦把硬碟換成 SSD，開機快了好多。」
- 「複製一個 4 GB 的影片很快，複製一個裝了幾萬個小檔案的資料夾卻要等很久。」
- 「電腦在讀檔的時候，CPU 是不是就在旁邊乾等？」
上一課看到，記憶體階層的最底層是儲存裝置：容量最大、最便宜，也最慢。 這一課要回答：硬碟和 SSD 怎麼存資料、為什麼速度差這麼多？CPU 又怎麼和這些比它慢很多的裝置合作？
主記憶體與儲存裝置
主記憶體（DRAM）存放「正在執行」的程式與資料，斷電就消失；儲存裝置（storage）長期保存檔案，關機後資料還在。 開啟一個檔案，其實就是把它從儲存裝置讀進主記憶體；按下存檔，就是把主記憶體裡的內容寫回儲存裝置。
常見的儲存裝置：
| 裝置 | 怎麼存資料 | 特色 |
|---|---|---|
| 傳統硬碟（HDD） | 旋轉的磁性碟片，讀寫頭改變或讀取磁化方向 | 容量大、每位元組便宜；有機械動作，隨機存取慢，怕摔 |
| 固態硬碟（SSD） | 快閃記憶體晶片（NAND flash） | 沒有機械動作，快、安靜、耐震；寫入次數有上限 |
| USB 隨身碟、記憶卡 | 快閃記憶體 | 體積小、方便攜帶，速度通常比內接的 SSD 慢 |
| 光碟（CD、DVD、藍光） | 雷射讀取碟片上的凹凸或變化 | 適合發行與長期保存，現在較少使用 |
| 磁帶 | 磁性帶子依序捲動 | 只能依序存取，但容量大、適合大量資料的備份與封存 |
為什麼新買的硬碟，作業系統顯示的容量比外盒上寫的小？廠商以 1 TB＝10¹² 位元組計算， 有些作業系統以 2 的次方（1 TiB＝2⁴⁰ 位元組）計算後仍寫成「TB」，同樣的位元組數看起來就變小了。
硬碟怎麼讀資料
硬碟裡有一片或多片高速旋轉的碟片，每一面有一個讀寫頭，裝在可以擺動的讀寫臂上：
- 碟片上一圈一圈的同心圓叫磁軌（track），每條磁軌再切成好幾個磁區（sector），磁區是讀寫的最小單位。
- 碟片由馬達帶著以固定轉速旋轉，常見的轉速是每分鐘 5400 或 7200 轉（rpm）。
讀一個磁區要經過三段時間：
存取時間 = 尋軌時間 + 旋轉等待 + 傳輸時間
| 階段 | 在做什麼 |
|---|---|
| 尋軌時間（seek time） | 讀寫臂把讀寫頭移到目標磁軌 |
| 旋轉等待（rotational latency） | 讀寫頭到位後，等目標磁區轉到下方；平均要等半圈 |
| 傳輸時間（transfer time） | 磁區轉過讀寫頭，把資料讀出來 |
前兩段都是機械動作，以毫秒計，比電子訊號慢非常多。 如果要讀的磁區連續放在同一條磁軌上，只要尋軌、等待一次，之後一個接一個轉過來； 如果是隨機散在各處，每讀一個都要重新尋軌、重新等待。這就是「幾萬個小檔案比一個大檔案慢」的主要原因。
SSD 與快閃記憶體
SSD 用快閃記憶體存資料：每個記憶單元用電荷的多寡表示 0 與 1，斷電後電荷還在，所以資料不會消失。 它沒有轉動的碟片，控制器用電子訊號直接選到資料所在的位置，所以隨機讀取也很快。
快閃記憶體有幾個和硬碟很不一樣的特性：
- 以「頁」（page）為單位讀寫，以「區塊」（block，由許多頁組成）為單位抹除。 已經寫過的頁不能直接覆寫，要先把整個區塊抹除。 所以 SSD 改資料時，通常是把新內容寫到另一個空的頁，再把舊的頁標成作廢，之後由控制器整理回收。
- 每個區塊能抹寫的次數有上限。 如果一直寫同一個地方，那些區塊會很快用壞。 控制器會做損耗平均（wear leveling）：把寫入平均分散到所有區塊，讓整顆 SSD 的壽命更長。
- SSD 裡有一顆控制器，負責記錄「檔案的哪一段實際放在哪一頁」、損耗平均、錯誤更正等工作。
介面：資料走哪條路進電腦。 內接的儲存裝置常見兩種介面：
| 介面 | 說明 |
|---|---|
| SATA | 原本為硬碟設計的序列介面，傳統硬碟與 2.5 吋 SSD 常用；傳輸速度上限較低 |
| NVMe（走 PCIe） | 專為快閃記憶體設計的協定，直接走 PCIe 連到 CPU，支援大量平行的命令佇列，延遲低、速度快 |
M.2 是一種小尺寸的接頭與模組規格，M.2 的 SSD 可能是 SATA，也可能是 NVMe；下一課組電腦時會再看到它們。
想一想：硬碟與 SSD
硬碟讀一個磁區的存取時間，由哪幾段組成？
一顆 7200 rpm（每分鐘 7200 轉）的硬碟，平均旋轉等待是轉半圈的時間，大約是幾毫秒？
SSD 的控制器為什麼要做「損耗平均」（wear leveling）？
CPU 怎麼和輸入輸出裝置溝通
鍵盤、滑鼠、螢幕、網路卡、硬碟、SSD 都是輸入輸出裝置（I/O device）。每個裝置旁邊有一個裝置控制器（device controller）， 它有自己的小型暫存器與緩衝區，負責實際操作裝置；作業系統則透過驅動程式（driver）和控制器溝通。 驅動程式知道某一款硬體的細節，對上提供統一的介面，所以應用程式不必知道你用的是哪一牌的網路卡。
裝置比 CPU 慢很多。CPU 要讀裝置的資料，有三種方式：
| 方式 | 怎麼做 | 對 CPU 的影響 |
|---|---|---|
| 輪詢（polling） | CPU 一直去問控制器「好了沒？」，好了就自己把資料搬走 | 寫法簡單；但等待時 CPU 什麼事都不能做 |
| 中斷（interrupt） | CPU 先去做別的事；裝置準備好時送出中斷訊號，CPU 暫停手上的工作、存好目前狀態，執行中斷處理程式，處理完再回到原本的工作 | 不用空等；但每次中斷都要切換狀態，中斷太頻繁也很花時間 |
| DMA（Direct Memory Access，直接記憶體存取） | CPU 告訴 DMA 控制器「把這一大塊資料搬到記憶體的哪裡」，搬運由 DMA 控制器負責，全部搬完才發一次中斷 | 搬大量資料時，CPU 幾乎不用參與 |
比喻：等外送。輪詢是每分鐘下樓看一次外送到了沒；中斷是外送員到了按門鈴； DMA 是請管理員代收一整批包裹，全部收齊才通知你一次。
想一想：輸入輸出
關於「中斷」，下面哪一個敘述正確？
要把 SSD 上一個很大的影片檔讀進主記憶體，最適合用哪一種方式？
換了一張新的網路卡要安裝「驅動程式」，驅動程式的角色是什麼？
重點整理
- 主記憶體存放執行中的程式與資料、斷電消失；儲存裝置長期保存檔案。開檔是從儲存裝置讀進記憶體，存檔是寫回去。
- 硬碟靠旋轉的碟片與讀寫頭：存取時間＝尋軌時間＋旋轉等待＋傳輸時間，前兩段是機械動作。連續讀取只等一次，隨機讀取每次都要等，所以差很多。
- SSD 用快閃記憶體，沒有機械動作，隨機讀取也快；以頁讀寫、以區塊抹除，抹寫次數有上限，控制器以損耗平均延長壽命。
- 內接儲存常見 SATA 與 NVMe（走 PCIe）兩種介面；M.2 是接頭與模組的規格，可能是 SATA 也可能是 NVMe。
- CPU 與裝置溝通：輪詢（一直問）、中斷（裝置好了才通知）、DMA（整塊資料由 DMA 控制器搬，最後通知一次）；驅動程式讓作業系統能操作各種硬體。
下一課：把這幾課看到的零件放在一起，認識主機板、CPU、記憶體、儲存、顯示卡、電源與機殼，並組一台電腦。