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存储系统是用来保存数据，并能够按照用户请求提供相应数据的一组部件。它不但负责数据的读/写请求，也负责数据的传输。如图1-10所示，存储系统由主机系统、互联部件和存储设备三部分组成。
图1-10 存储系统组成
主机系统负责完成操作系统和需要数据的应用之间的交互，并完成数据的读/写请求。从结构上看，主机系统可分为物理部件和逻辑部件。
主机的物理部件是由中央处理单元（CPU）、存储设备和输入输出设备组成，如图1-11所示，三者通过总线或者通信线路连接起来。中央处理单元包括算术逻辑单元、寄存器组和1级高速缓冲寄存器。存储设备由半导体存储器或者光盘、磁盘等存储器组成，负责数据的存储。输入输出设备主要负责主机与外部发送和接收数据，包括键盘、鼠标、USB、主机总线适配器（HBA）等。
主机的逻辑部件主要由系统软件和协议组成，它们实现了与用户数据的交互，主要的逻辑部件包括操作系统、设备驱动、文件系统以及应用程序。其中，应用程序为用户与主机间或主机与其他系统间提供交互点。
图1-11 主机的物理部件
操作系统控制计算机环境的各个方面，它工作在应用程序和计算机物理部件之间，为应用程序提供数据访问接口，同时也对用户的行为进行监视和响应。操作系统组织和控制着物理资源的分配，并对资源访问和使用提供基本安全保障。其在管理其他底层资源如文件系统和设备驱动的同时，也担当基本存储管理的任务。
设备驱动是一种特殊的软件，是操作系统和输入输出设备间的黏合剂。设备驱动负责将操作系统的请求传输、转化为特定物理设备的控制器能够理解的命令。设备驱动是硬件相关的，且与操作系统紧密关联。
文件系统是一个有关联关系的记录或数据的集合，它们作为一个整体存储在一起。一个文件系统就是大量文件的分层组织结构，它需要基于主机的逻辑结构和控制读/写存储软件例程来控制对文件的存取。文件系统通过使用目录把数据组织成分层结构，当用户试图通过文件名访问特定文件时，通过该名称在目录中查找相应文件入口，并在入口处获得具体的元数据。常见的文件系统有FAT32、NTFS、UFS、EXT等，在后续章节会进行详细介绍。文件系统可以根据是否保存日志分为无日志文件系统和有日志文件系统。因为更新数据和元数据可能会使用许多独立的写操作，因此无日志文件系统可能会造成文件的丢失。有日志文件系统使用一个独立的日志区域保存运行记录。日志可以保存所有写操作的数据和将要更新的元数据，在对文件系统修改之前，这些修改先写入独立的日志区。只有在日志区被更新后，操作才能进行。如果在操作过程中发生障碍，可通过日志信息恢复相应的操作。通过日志方式可以快速检查文件系统操作，大大降低文件丢失的可能性。
互连是指主机之间或者主机同其他外围设备之间的连接，包括连接主机和存储设备的物理部件和用于主机和存储设备之间的通信协议。
连接主机和存储设备的三个物理部件是总线、端口和线缆，如图1-12所示。
图1-12 物理连接部件
总线是实现计算机各个部件直接进行数据传输的一组数据通路集合。端口是专用插口，使得主机和外部设备之间可以建立连接。线缆用于连接主机和内部或外部设备，主要由铜或光纤制成。
物理部件通过总线在设备之间发送数据包来进行相互通信，这些数据包通过串行或并行的方式被传送。在串行通信中，各位按顺序进行传输；在并行通信中，各位同时在多个通路中进行传输。
计算机系统中的总线大致可分为两种，一种是系统总线，负责处理器和主存之间的数据传输，另一种是局部总线，是直接连接到处理器的高速通路。
位宽是总线的非常重要的指标，决定了一次可以传送的数据量。例如，32位的总线能并行传输32位数据，而64位总线能并行传递64位数据。总线以MHz作为衡量速度的指标，总线传输率越快，主机对存储设备的存取效率越高。
通信协议是指定义好的通信格式和交互约定，使得发送方和接收方设备能够按约定的方式进行通信。用于局部总线和内部磁盘系统互连的协议主要包括PCI、IDE/ATA和SCSI。采用闪存（主要为NAND Flash芯片）作为存储介质时，与主机通信时主要采用USB、SATA等接口协议。下面对各个接口协议作简要介绍，而对于各个接口协议的详细内容也会在后续章节进行介绍。
PCI是局部总线连接外设一般采用的接口协议，它规定了PCI扩充卡（如网卡或调制解调器）与CPU如何交换信息，同时也提供了CPU与附加设备之间的互连。PCI协议具有即插即用功能，使得主机对新卡和设备能够容易地进行识别和配置，它可以进行32位或者64位的数据传输，可以达到133MB/s的吞吐量。
IDE/ATA协议是现在磁盘常用的接口协议，该协议集成电子技术和高级互连技术，具有低成本、高性能的特点。
SCSI协议是小型计算机系统接口协议，在高端计算机中备受青睐。但是由于其成本较高而且对于一些家庭和企业用户来说并不需要，使其没有IDE/ATA协议那样流行。SCSI协议能够把设备连接到主机，并且采用并行的方式实现多个数据线的数据传输。目前SCSI得到了很大的拓展，涵盖了多种技术和标准，我们将在后续章节对其进行详细介绍。
SATA是一种完全不同于并行ATA的新型硬盘接口类型，由于采用串行方式传输数据而得名。SATA总线使用嵌入式时钟信号，具备更强的纠错能力，能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。该串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。
USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是输入输出接口的一种技术规范，其即插即用的功能使其无须经过繁复的安装程序便可将外围装置进行任意连接、配置、使用及移除。而由于USB的弹性与容易使用，其被广泛地应用于个人计算机和移动设备等信息通信产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其他相关领域。
在具体的存储系统中，通常存在着不同类型的存储设备，它们在容量、成本、速度和性能上都存在很大的差异。为了达到用尽可能低的价格提供尽可能高的速度和尽可能大的存储容量，存储系统采用将不同的存储器组合起来，形成一个存储器层次结构。如图1-13所示，最高层的是CPU寄存器组，由编译器完成分配，传送速度同处理器速度，主要存放系统当前运行中最常用的数据；其次是高速缓存（Cache），分为内部Cache和外部Cache两层，用来存放主存中的常用数据，由存储管理单元控制；再次是主存储器，由存储管理单元和操作系统共同管理；最下面的是辅助存储器，通过I/O通道进行存取并提供大容量和非易失的数据存储能力。
图1-13 存储器层次结构
广义的存储系统包括CPU中的寄存器、多级Cache、内存和外部存储设备，而狭义的存储系统仅包含外部存储设备。在本书中，如没有特别说明，存储系统一般是指狭义的存储系统。相对于内存，外部存储设备要提供大容量和非易失性的数据存储能力，从而保证系统在断电或者意外断连主机的情况下能够正确地保存数据。
随着互联网的发展和数据信息量的爆炸式增长，用户需要拥有更高性能的计算机存储系统。然而传统硬盘由于其机械结构的存在，存取速度远远跟不上Cache和主存，成为高性能存储系统发展的瓶颈。而新兴的固态硬盘（SSD）技术日益成熟，由于其具有存储速度快、防震性好、能耗小、噪声低等特点，固态硬盘得到了越来越多用户和商家的青睐。目前有三种利用SSD技术解决存储结构问题的方案。
第一种方案是在存储系统中直接用SSD取代传统硬盘，该方法具有性能好、省电、无需修改存储系统结构和接口的优点，但是目前造价较机械硬盘仍偏高，适合用于相对高端的计算机。
第二种方案是使用带有SSD的改进硬盘，即在传统机械硬盘上安装快速SSD模块。该方案性价比较高、磁盘操作简单、传输带宽高，但是改变了原有的存储系统结构，同时继承了传统硬盘的一些缺点，如抗冲击性差、读写时间长等。
第三种方案是把SSD和BIOS芯片二合为一。该方案改变了存储系统结构，性能更好，操作系统可以快速开机，存取速度快，能够提高整个存储系统性能。但是此方法需要改变计算机系统结构，重写操作系统启动程序，因此目前技术上还不太成熟。无论使用哪种方案，SSD以其更高的存取效率和更好的稳定性，势必会成为未来主流的存储介质之一。