（计算机应用技术专业论文）加速pc存储系统的新方案研究.pdf

摘要p c 机是以其低廉的价格、灵活的架构、不错的性能被人们广泛地应用在各行各业中。近十几年来，p c 机性能飞速发展。但是p c 机重要的存储部件一硬盘的性能发展速度缓慢。而人们对存储需求从容量和速度上的需求越来越大，现有的存储系统面临着挑战。如何有效地加速存储，使之跟上p c 机发展的脚步，是我们现在面临的紧迫课题。本文通过分析p c 存储性能问题，在现有技术的基础上研究如何改进存储性能，提出加速存储的设计原则，根据现有的三个方案提出一个以固态盘为核心的新方案，最后对新旧方案进行测试实验并对比各个方案。本文以j m f 6 0 2 为存储主控芯片，以闪存芯片k 9 g a g 0 8 u o m 为存储芯片，构成一个高性价比的简易固态盘。利用两个简易固态盘的r a i do 阵列构成p c 机存储系统的主盘，再次提高了存储性能。利用原有的普通硬盘作为p c 机存储系统的辅助盘，补充了主盘容量的不足。利用r a m d i s k 技术虚拟一个速度更快的内存盘，解决简易固态盘内部没有c a c h e 和闪存芯片写次数有限的问题。整个存储方案针对普通固态盘成本高、容量不足、技术复杂等问题提出的。通过测试实验表明，本文提出的方案使p c 机存储系统性能提高1 7 5 ，瓶颈问题得到改善。关键词存储，固态盘，性能测试a b s t r a c tp ci sw i d e l yu s e di na l lw o r k sb e c a u s ei ti sl o wc o s t ，f l e x i b l es t r u c t u r e ，g o o dp e r f o r m a n c e o v e rt h el a s td e c a d e ，p cp e r f o r m a n c ei sr a p i d l yd e v e l o p i n g b u tt h em o s ti m p o r t a n to fp cm e m o r yc o m p o n e n t s t h eh a r dd i s kd e v e l o ps l o w l yo nt h ep e r f o r m a n c e p e o p l e sn e e do fs t o r a g eb o t hc a p a c i t ya n ds p e e di sg r o w i n g ，t h ee x i s t i n gs t o r a g es y s t e m sf a c i n gc h a l l e n g e s h o wt oe f f e c t i v e l ys p e e du pt h es t o r e ，a n dh o wt om a k ei tk e e pu pw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp c ，i ti st h eu r g e n tt a s k i nt h i sp a p e r , b ya n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c eo fp cm e m o r yp r o b l e m sa n dh o wt oi m p r o v es t o r a g ep e r f o r m a n c ei nt h ee x i s t i n gt e c h n o l o g yo nt h eb a s i so fr e s e a r c ho n ，ia r g u et h ep r i n c i p l e so fh o wt od e s i g naf a s t e rs t o r a g e ，an e ws t o r a g ep r o g r a mb a s e do nas o l i d - s t a t ed i s kb yu s i n gt h ee x i s t i n gt h r e es t o r a g ep r o g r a m ，a n dt h ec o m p a r eo fp e r f o r m a n c et e s tb e t w e e nt h eo l dp r o g r a m sa n dt h en e w t h ec h e a pa n db e s tp e r f o r m a n c es o l i d s t a t ed i s ki sb a s eo nt h em a i nc o n t r o lc h i p j m f 6 0 2 ，a n dt h ef l a s hm e m o r yc h i p s - k 9 g a g 0 8 u o m b e c a u s et w os o l i d - s t a t ed i s k sa r em a d er a i d 0t oap c sm a i nd r i v ed i s k ,t h ep e r f o r m a n c eo fs t o r a g ei sr a i s e d b yu s i n gt h eo r i g i n a lh a r dd i s ka sas u p p o r t i n gd r i v e ，s t o r a g es y s t e m sc a p a c i t yi sl a r g e b yu s i n gr a m d i s kt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a lm e m o r y , af a s t e rd i s k ，t h ep r o b l e mo fs s dn oc a c h ea n dt h el i m i to fw r i t en u m b e rt i m e si ss o l u t e i nt h i sp a p e r ，t h es t o r a g es o l u t i o nb a s eo nt h ec u r r e n ts s dp r o b l e ma sh i 曲c o s t 、t h el a c ko fc a p a c i t ya n dc o m p l i c a t et e c h n o l o g y t h ep e r f o r m a n c et e s t ss h o wt h a tt h ep cs t o r a g es y s t e ma c c e l e r a t17 5 ，t h eb o t t l e n e c k si si m p r o v e d k e y w o r d ss t o r a g e ，s s d ，p e r f o r m a n c et e s t i n g原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：盔垒霉日期：4 年竺月止日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。期：坐# 年单月厶日硕士学位论文第一章绪论1 1 引言第一章绪论近几年来，随着社会信息化的脚步加快，越来越多的个人、企事业使用p c机。所谓p c 机，就是p e r s o n a lc o m p u t e r ( 个人计算机) n 3 。它以较低的价格较高的性能被更多人青睐。p c 机的性能也受到了更多的关注。目前p c 的性能存在瓶颈口1 ，主要在于存储子系统，存储子系统的瓶颈主要在于硬盘。硬盘并没像p c的“摩尔定律 口3 一样发展，硬盘成高性能p c 发展的绊脚石。特别是更高性能双核c p u 普及、p c i - e 总线的应用，以及大容量软件的应用，加剧了硬盘存储供需矛盾。国内研究存储的研究，集中在服务器上，如s a n h l 、n a s 1 、i s c s i 或者p c 机集群存储。这些技术成本太高，技术难度大，普通p c 机用户难以使用。近几年，开始有学者关注于硬盘的替代产品固态盘嘲，从固态盘组成到固态盘的c a c h e 的算法。例如，邸海霞在固态盘缓存设计技术研究中提出固态盘c a c h e 的大小、映射方法以及固态盘的擦写均衡的算法口3 ，这些技术对于p c 存储器件性能提高具有前瞻性的意义。厂商方面，湖南源科创新科技股份有限公司推出的3 2 g b 固态硬盘，标志着国内第一款大容量的固态硬盘诞生，填补了国产固态盘的空白。该公司的产品性能上可以达到3 0 船s 的速度，并且已经通过国防科技大学的可靠实验室测试。国外的研究已经转化为成果，处领先地位。首先，美国的风河公司提出t r u e f f s 嘲方法，为固态盘的文件系统打下基础。其次，微软公司在新一代的操作系统w i n d o w sv i s t a 跚中加入了r e a d yb o o s t 技术和r e a d yd r i v e r 技术，可帮助使用者在v i s t a 环境中快速切换常用的应用程序和加速开机程序。最后，美国的s a n d i s k 公司推出了目前最廉价的固态盘1 6 g b ( 1 9 9 5 ) ，并且在s o n y 、d e l l 、f u j i t s u 笔记本电脑上装配。美国盐湖城的f u s i o n - i o 公司现在就推出了一种新型的、兼顾高速度和大容量的闪存硬盘，它通过p c i - ex 4 插槽n 伽与系统相连，其读写传输速率高达8 0 0 船秒和6 0 0 m b 秒，f u s i o n - i o 公司现已推出了容量为6 4 0 g b 的版本。对于普遍应用的p c 来说，改善存储的性能有着重要的意义。本文通过设计一个改进的存储方案来解决这个问题。让普通用户认识到，现在的p c 中高性能的存储比高性能的计算更有意义。对于计算机厂商或计算机销售商，能在生产或组装p c 机时，更注重存储的性能的提高。硕士学位论文第一章绪论1 2p c 存储的瓶颈在于硬盘当前p c 机的存储需求急剧增加，而存储的性能提高有限。p c 机的除了硬盘外其他零部件的性能提升了很多。硬盘作为存储系统的最底层，也是最重要的部件，性能提高很少。1 2 1 存储的需求不断扩大p c 机上的存储需求不断扩大表现在以下几点：1 操作系统自身的存储空间增大据i d g 的统计数据显示，在美国8 5 的p c 机使用的操作系统是w i n d o w s 操作系统n 1 1 。w i n d o w s 操作系统随着版本的升级本身占用的硬盘空间也越来越大，从早期的w i n d o w s9 5 的3 4 0 m b 升级到w i n d o w s2 0 0 0 的i g b ，再到现在的w i n d o w sv i s t a 的4 g b ，操作系统的功能越来越强大，软件的规模必然越来越大。同时，一个w i n d o w s 操作系统在使用过程中也会占领更多的存储空间，这是因为：1 w i n d o w s 需要更多的补丁来防止更多更新的病毒和非法入侵的攻击，微软公司每周大约会有2 0 m b 的补丁提供下载；2 更多的硬件被使用，w i n d o w s 需要更多的硬件驱动程序；3 更多的系统垃圾在使用产生。例如，上网和安装软件都会产生大量临时文件n 2 1 和无用d l l 文件。2 应用软件的数量和规模增大普通p c 机用户在使用计算机时，会安装更多的软件而不愿意卸载很少使用甚至根本不用的软件，除非系统崩溃而不得不重新安装操作系统与软件。普通的应用软件也是随着软件版本升级占用更多的存储空间。目前推动存储容量飞速发展的主要动力在于以下两点：一随着网络应用的日益发展，各地电信网络不断增容、升级，网络用户能享用到越来越大的带宽，上网速度越来越快。随之而来的一个问题是，从网上下载的数据量也会剧增。二数字媒体内容快速增长，一些存储密集型的多媒体应用也在刺激大容量驱动器发展。这些应用包括数码电视、照片、电影以及音乐等等，它们均加重了p c 机存储系统的负荷。根据太平洋网预测：以上的存储应用会变得越来越流行，而且会成为持续刺激硬盘扩容的一项重要因素。下面列出为满足这些数码应用的要求，需要准备多大的存储空间：1 高清数字电视：每小时1 3 g b ( 采用m i n i d v 格式) ；2 音乐：每辑5 0 m b ( 采用m p 3 格式) ；3 电影：一部1 0 8 0 p 的数字电影可达2 5 g b ：4 相片：每张8 0 0 k b ( 3 百万像素级质量) ；5 游戏： 魔兽游戏客户端程序需要4 7 g b 。2硕士学位论文第一章绪论3 更多的程序并行随着多任务操作系统的产生，比以前更多的程序并行，例如：一边上网浏览网页，一边打开q q 软件与朋友联系，一边下载资料或影音，一边防火墙和杀毒程序还得正常工作。更多的程序在p c 机上并行，导致操作系统中的进程页面不断地在内外存之间换入换出，加重了存储系统的负担。普通p c 机在日常应用中大约就有四十几个进程在同时运行。综上所述，p c 机的存储需求越来越大了，容量和速度的需求都提高了。1 2 2 系统性能存储存在瓶颈系统性能存在瓶颈表现再两个方面：1 c p u 、内存和i o 性能高速发展近几年来，p c 机的c p u 性能以超“摩尔定律发展。主流c p u 从2 0 0 0 年的1 g 主频到现在的3 g 主频，从单核到多核，2 0 0 0 年- 2 0 0 7 年i n t e l 公司的性能如图1 一l 所示。、丐。7 珊删节掣冀”懈 群一舢吧。4 ”1 神4 ? ”斜警氢iii一一i匪儿一m 矗。匠，t2 0 0 0 年2 0 0 2 年2 0 0 4 年2 0 0 6 年年份图1 - 1i n t e lc p t i2 0 0 0 # - - 2 0 0 7 年性能发展柱状图同硼l ! ! 型i从2 0 0 0 年到现在，内存带宽从6 6 7 船s 迅速发展到4 6 g b s ，从单通道发展到了双通道n 引。传输更快的i o 设备被投入使用。例如：从2 0 0 0 年到现在，u s b 接口传输带宽从1 o 版本的1 2 m b p s 发展到现在的2 0 版本的4 8 0 m b p s n 们，p c i e 接口完全取代了较慢的a g p 接口的显卡。p c i ex 1 6 接口具有8 g b s 的带宽。现在的p c机主机板上都普及了更高速的1 0 0 0 m b p s 的网卡。2 硬盘的性能发展缓慢从2 0 0 0 年到现在，市场上主流p c 机配置的硬盘转速还是7 2 0 0 转分钟。虽然引入新的垂直记录技术，虽然硬盘的外部带宽从1 0 0 衄s 提高到3 g s ，但是当前主流7 2 0 0 r p m 硬盘的平均速率只有5 0 船s 左右，5 4 0 0 r p m 笔记本硬盘的平均速率多在3 0 m b s 上下。最快的7 2 0 0 r p m 硬盘的随机访问时间在7 9 m s 左右，3000oooo0o000oooo0ooo005o505053322llspim硕士学位论文第一章绪论硬盘的缓存最高的只有1 6 i b ，硬盘的性能没有得到本质的改善“。从上面可以看出：相对与c p u 内存和i 0 的高速发展而言，硬盘的发展停滞不前，更严重的问题是，用户和系统对存储的需求急剧增加，而硬盘的性能受限于硬盘的磁头和磁盘结构。p c 机的存储系统结构“为：c p uc a c h e “”、内存、硬盘三级的存储结构。c p u先从c a c h e 中获取数据或指令，如果没有则去内存中取，否则到硬盘中取。c p u的片内c a c h e 随着c p u 主频的提高而提高性能，内存也是发展迅速，硬盘和上两级的存储的性能差异正在加剧。2 0 0 1 年，p c 机内存的传输速率为2 1 g b s ，硬盘的传输速宰为6 0 犯s 。当前，内存的传输速率为64 g b s ，硬盘最快时只有7 0 舯s ，可以看出硬盘和内存的性能差异在增大。如图卜2 所示从一段时间的c p u 使用记录，可以看出；所有的原始数据和程序都来源于硬盘，c p u 大部分时c p u 使用记录囤1 - 2c p u 使用记录囤间在等待慢速的硬盘传来程序和数据。从图中分析可以得到，c p u 大部分时间不是全速工作的，硬盘传来的数据只能满足c p u - 4 段时间的满负荷运算。因此，硬盘成为了整个p c 系统的瓶颈。著名的计算机系统结构专家a m d a h l 提出：加快某部件的执行速度所获得的系统性能加速比，受限与该部件在系统中的重要性。“”系统加速比“”s = l ( ( 卜f )+ f k ) ，f 为可改进比例，k 为部件加速比。从上述公式可以得到：如果只针对整个任务的一部分进行优化，整个系统加速比不大于1 ( 卜f ) ：一个具有高性价比1 的计算机系统是一个带宽平衡的系统，而不是看它使用的某些部件的性能。所以整个存储系统结构要均衡发展，而硬盘在发展中跟不上整个存储系统，必然成为了瓶颈。要改进整个p c 机系统性能，不只是政进c p u 和内存，更主要的是要改进硬盘。综上所述，p c 机的性能瓶颈在于硬盘。13 目前的三种应对方案针对p c 机硬盘的瓶颈问题目日u 计算机厂商提供的以下几种应对方案：1 一个硬盘性能不佳，就使用多个硬盘构成阵列来改善性能，称为p a i d 方硕士学位论文第一章绪论案3 ；2 用一种性能更好的存储器件替换硬盘工作，目前技术成熟的器件只有固态盘1 ( s o l i ds t a t ed i s k ) ，称为s s d 方案；3 用软件的方法将“剩余的内存”虚拟成一个硬盘，称为r a m d i s k 方案。31r a i d 硬盘冗余方案r a i d 是r e d u n d a n ta r r a y so fi n e x p e n s i v ed i s k s ( 廉价硬盘冗余阵列) 的缩写，即由一系列硬盘组成的阵列。r a i d 这一术语首次出现在1 9 8 8 年，是由加利福尼亚大学三个研究者发表的。对于操作系统和终端用户来说，不必关心硬盘阵列中究竟组合了多少个硬盘，使用中整个阵列让用户感觉一个容量更大、速度更快的逻辑硬盘存在。大多数p c 机只有r a i d o 模式、r a i d l 模式和r a i d o + i 模式三种4 1 可以提供选择。r a i d o + i 模式至少需要四块硬盘，成本高，普通p c 机用户不接受，所以本文不进行讨论。r a i d i 模式的宗旨是最大限度的保证用户数据的可靠性，r a i d1的操作方式是把用户写入硬盘的数据百分之百地自动复制到另外一个硬盘上，没有提高性能，所以本文也不进行讨论。r a i d0 模式的特点就是多块硬盘并行工作，成倍提高硬盘读取、写入速率。r a i d o 又叫“条带”，如图1 3 所示，在r a i do 模式中，数据被分为多个块，这些块将分别写入阵列的所有硬盘。假设当前有两块相同的硬盘组成的r a i d0 系统，在写入数据时，与以前需要等待系统将8 k b数据写到一块硬盘上不同，r a i d0 模式能够把8 k b 数据分解成两个4 k b 的数据同时分别写到两块硬盘上，在读入数据时，也能类似地同时从两个硬盘上读取，从而提供更好的i 0 性能。因此，现在有一些厂商采用两个硬盘的r a i d o 模式来提高p c 存储性能。例如，d e l l 在x p s l 2 1 0 笔记本上安装两个硬盘构成r a i d o 。圈1 - 3r a i d0 腰硕士学位论文第一章绪论1 3 2s s d 固态盘方案固态存储器( s o l i ds t a t ed i s k ) ，简称s s d 。s s d 从构成上分成两种：f l a s h b a s e ds s d ( 基于f l a s h 的固态存储器) 和d r a m b a s e ds s d ( 基于d r a m的固态存储器嘶3 ) 。研究p c 机系统结构的目标是追求较好的性价比。d r a m - b a s e ds s d 目前的价格太高了。例如，g i g a b y t e 公司生产i - r a m 汹4 g b 大约要人民币4 0 0 0 元，够买一台高性能p c 机，产品的产量很少，所以本文的s s d 不考虑d r a m - b a s e ds s d 。本文以下的s s d 都是指n a n d 型乜7 1 的f l a s h b a s e ds s d 。利用s s d 技术改进存储系统的两种方案：1 直接用s s d 取代传统硬盘利用n a n d 型f l a s h 构成“阵列汹h ，每个“阵列 中采用多芯片组成的流水线，由“阵列”组成的存储器取代传统硬盘。s s d 在接口上仍采用传统硬盘的i d e 接口和s a t a 接口。当前已经有三星电子公司、p q i 公司、m - s y s t e m 公司、c u r t i s 公司等成功生产出f l a s h - b a s e ds s d ，最快的s s d 平均访问时间为0 2 m s ，最大容量为6 4 g b 。2 用s s d 部分替代硬盘目前有三星电子公司和i n t e l 提出类似的方案。三星的方案是：类似汽车混合动力技术，结合硬盘与闪存的混合型硬盘( h y b r i dd i s k ) 如图l 一4 所示，就是在硬盘上安装上4 g b 容量的快速s s d 模块。i n t e l “迅盘 的方案是：在具有i n t e l 讯驰4 平台的主机板p c i - e 接口上插入一张s s d 的m e m o r yd i s k c a c h ea c c e l e r a t o r 加速卡，将常用的程序和数据存在s s d 中，s s d 不命中时再去读硬盘，称为r o b s o n 技术啪1 。而微软公司提供两个方案是：1 r e a d yb o o s t 是允许用户使用闪存提高w i n d o w s 系统启动的速度，在普通计算机( 可以是非i n t e l平台) 上插入高速读写的u 盘呦1 或者其它闪存做为中间存储介质，在v i s t a 环境中加快切换常用的应用程序和加速程序载入速度；2 r e a d yd r i v e 是由w i n d o w sv i s t a 使用的一组命令，用于管理闪存上存储的内容，在v i s t a 环境中加快操作系统启动速度，目前混合硬盘可以利用这项技术。r e a d yb o o s t 和r e a d yd r i v e都是w i n d o w sv i s t a 上可以支持的提高系统性能的技术。6硕士学位论文第一章绪论囤卜4 混合硬盘图13 3r a n d i s k 内存盘方案i n t e r f a c e所谓r a 如i s k ，实际上是把系统内存划出一部分当作硬盘使用。内存的读速度9 0 0 m b s ，写速度8 0 0 船s ，存取周期3 5 n s ，普通硬盘的读速度6 5 蛐s ，写速度4 5 惦s ，存取周期8 9 m s ，所以f , a m d i s k 性能高于普通硬盘。应用r n , m i s k 技术的软件有1 0 种左右，原理基本相同，功能上有一些差异。s u p e r s p e e ds o f t w a r e 公司出品的r a m d i s k 套件就是一个专业商用r a m d i s k 软件国内程序员写的p , a 如i s k 2 0 0 0 是免费软件。r a m d i s k 的使用非常简单，只需在安装的过程中或在运行程序后，重新启动计算机后，就可以在资源管理器中看到虚拟的硬盘符号r a 帅i s k ( s ) ，打开该虚拟硬盘，就可以使用了。要注意的是这个i i s k 一旦关机上面所有的资料都会丢失，重要的数据一定要在关机以前拷贝到硬盘上。如果内存足够大，你还可以将一些在硬盘上运行起来较慢的程序拷贝到r 帅i s k 中。除此之外，还有很多应用。例如，将要在w e b 或f t p 发布的文件复制一份放在r a 矾d i s k 上，并且将服务器的主目录设置在这个“硬盘”上，可以大大加快访问的速度、响应时问和吞吐率。再如，将要用b t 下载的文件目录设置在这个r a m d i s k 上，可以避免高速多进程的读写对硬盘的损伤。总之，r a m d i s k 也是一个高性能的应对方案。1 4 本文研究内容及主要结果本文主要研究工作：分析目前p c 机存储系统的瓶颈问题，利用整合技术整合现有的三种方案形成一个新的存储方案，即以p , a m d i s k 形成第一层次的存储，硕士学位论文第一章绪论以小容量简易固态盘的r a i d 0 形成第二层次的存储，以大容量普通硬盘形成第三层次的存储，并以简易固态盘为整个存储系统核- e l , 的存储方案。通过测试实验，对比和评价新方案和这三种方案，检验新方案的设计是否能加速p c 存储系统并且由于加速存储带来的成本不高。本文的主要结果：p c 存储系统的总体性能提高1 7 5 ，p c 机瓶颈问题得到缓解，可以应对现在或者将来一段时间p c 机高负荷存储的问题。8硕士学位论文第二章新方案的设计思路第二章新方案的设计思路2 1 新存储的整体设计思想存储系统的改进，依赖现有的计算机技术和半导体技术的发展。可以由软件和硬件两方面去改进。从上面的分析得到，存储系统的瓶颈本质是由于硬盘器件本身设计不合理的造成的。我们可以从改造硬盘本身器件，或是硬盘上的冗余，或是直接寻找替代存储器件，或是重新界定存储系统结构的软硬件层次由软件完成硬件的存储功能，这些方法中寻找答案。2 1 1 可以迁移现有的服务器上的技术如今，领先的计算机技术总是首先应用到造价很高的服务器中，然后在p c机上应用，这已经是整个p c 机系统结构改进的重要方法。例如：1 内存的多通道技术在上世纪9 0 年代就开始使用在小型机中，2 0 0 3 年为了改进p c 机的内存传输带宽引入此技术并普及了内存双通道。现在多数的p c 机北桥芯片口上都具备此功能，如i n t e l 的北桥芯片1 9 6 5 ，n v i d i a 的北桥芯片n f o r c e6 1 0 0 ，a m d 的北桥芯片r s 7 8 0 ；2 在一台计算机上使用多c p u 技术，如今普通p c 上配备的c p u以双核为主，而四核c p u 还是应用在服务器上；3 r a i d 技术，在服务器上在上个世纪9 0 年代就是标准配置，而直到2 0 0 6 年才在p c 上普及了这一项技术，而且只支持r a i d o 、l 、0 + 1 模式，没有用上r a i d 的全系列模式( r a i d o 一5 ) 。为什么出现这种现象? 因为新的技术在没有经过大量的生产和应用前往往意味着高成本，只能在高成本的或者不计成本的服务器上才可能得到应用，而作为个人计算机除了性能还要考虑整个系统的性价比。所以在p c 机上应用已经成熟并且价格较低的服务器技术是合理的。例如，r a i d 技术，就是一种价格低、技术成熟的技术。2 0 0 6 年之后销售的大部分p c 机主机板上都提供r a i d 功能，根据本人调查统计大约9 9 用户都没有使用此项功能。使用此项技术，只需要增加一个硬盘和硬盘线的价格，且技术成熟，所以此项技术在p c 上可性的。此外，内存双通道技术也是一种来源于服务器的技术。从价格上分析，它只增加同容量内存一条与两条之间的差价：技术上，现在销售的所有主机板都提供此项功能。因此，迁移服务器技术是改进p c 机系统结构的重要手段。9硕士学位论文第二章新方案的设计思路2 1 2 可以迁移现有其它与计算机有关的半导体技术f l a s h 闪存嘞1 作为存储介质已经在手机、数码相机、m p 3 等数码产品上应用了多年，它具有类似硬盘的存储功能，存储性能上可以超过硬盘，完成可以用来替代硬盘，上文中介绍的固态盘就是利用这种技术。但是，闪存存在寿命、容量、价格等问题有待解决。常见的闪存是n a n d 型，分为m l c 和s l c 两种。m l c 每个单元写的次数为1万次左右，s l c 每个单元写的次数为1 0 万次左右，对于日常p c 机应用，写的次数都太少了。现在所有的p c 机在设计时候就是以硬盘作为外部存储器来考虑，在i o 算法上是按照硬盘存储数据的特点，以扇区为单位进行数据的存贮和读取，所以会出现一个扇区里就一个或者少量字节的数据单元的情况，属于典型的随机分布，但是由于扇区是从外圈往内圈连续分布的，当用户在进行i o 操作的时候，硬盘的磁头往往只是在一些固定区域进行读写，导致结果就是磁盘上每个磁极的读写次数差异非常大，好在磁极的磁性变化非常稳定，不影响盘片使用寿命。基于以上原因，当现在的软件对闪存进行操作的时候，也会产生这样的情况，问题产生了，闪存每个单元寿命是固定的，如果不进行刻意的随机分布，就容易产生部分单元失效。对于大容量闪存设备的读写问题，计算机厂家们采用了适合闪存特点的i o算法，即线性存储，让每个单元都顺序参与读写。例如，一个4 g b 的闪存卡，每次往里面就写入一个1 n f l b 的文件，然后删除，然后再写入，再删除，按常理认为一定是反复在一个地址段上读写。实际情况是，闪存的i c 控制器会按照容量合理安排，第一次1 m b 数据写在o - 1 m 的地址，删除时仅仅标记，不真正操作，第二次l m b 文件写在1 - 2 m 的地址位，以此类推，等到地址段用光之后，才会把标记过的地址全部清零删除，然后反复，这样可以保持所有单元的写次数尽可能一致，导致写入速度比读取速度慢。s s d 的读写控制芯片其实就是把p c 机系统的i o 算法转换成线性存储方式，所以目前写速度上相比普通硬盘不具有优势，但是寿命方面可以进入商用环节。美国风河公司提出的t r u e f f s 算法可以极大地延长闪存设备的寿命。一般闪存可以擦写1 0 万次，如果不使用t r u e f f s 算法，寿命就非常短。例如，在s s d 上实现一个f a t l 6 格式的d o s 文件系统，簇的大小是2 k b ，如果要向s s d 内写入一个8 m b 的文件，共占用4 k 个簇，由于考虑可靠性问题，每写一个簇，f a t 表就更新一次，写一个8 m b 的文件，f a t 表需要更新4 0 9 6 次；而f a t 表一直位于某个固定扇区中，所以8 m b 的文件最多只能更新2 5 次，假设一个s s d 每天需要备份8 m b的文件，那么这个s s d 的寿命只有2 5 天。这种应用方式使s s d 寿命与其容量无l o硕士学位论文第二章新方案的设计思路关，其它绝大部分可用扇区白白浪费。如果采用了t r u e f f s 算法，因为损耗均衡算法不允许f a t 表固定在某个扇区中，损耗平均分配给所有物理扇区。期望的闪存寿命可以用下列公式计算：期望寿命= ( 容量总擦写次数0 7 5 ) 每天写入字节数其中，o 7 5 表示文件系统和t r u e f f s 管理结构的额外消耗系数。如果同样每天备份一个8 m b 文件，那么期望寿命= ( 6 4 m b x1 0 00 0 0 x 0 7 5 ) s m b = 6 0 0 0 0 0 ( 天)( 约1 6 4 3 年) 。可见，t r u e f f s 很大程度上延长了闪存器件的寿命。大部分闪存控制芯片采用了风河公司的t r u e f f s 算法，不同的闪存控制芯片具有不同的擦写算法，效率不同。闪存寿命的问题已经得到解决，其它的两个问题( 容量和价格问题) 将在下文中解决。总之，f l a s h 是半导体存储器件，可以使用在p c 存储上的。2 1 3 可以对现有p c 存储结构进行革新从系统结构角度去分析，现在p c 存储的系统结构不合理。不合理的因素有以下几个：第一，整个p c 存储的系统结构存在瓶颈硬盘；第二，硬盘和内存这两个层次性能和容量差异较大；第三，p c 存储的系统结构大部分由硬件完成。对应革新的方法有以下几种：第一，重新界定存储系统结构的软硬件层次由软件去完成部分硬件上的存储功能，如r a m d i s k 技术；第二，由于三级存储结构中硬盘和内存这两个层次性能差异较大，可以考虑将引入中间层次的存储器，性能和容量介于硬盘和内存之间，变成四级的存储结构m 1 ；第三，如果有一种器件，它能兼内存的性能又有硬盘的掉电而不丢失信息、容量大的特性，可以将变为两级的存储结构或单级存储。总之，我们必须利用现有技术去重新设计一个p c 机存储系统。2 2 整合技术的应用整合技术在计算机应用技术经常出现过。这种技术并不是简单的拼凑，而是将几种技术进行有机地组合嘲。例如，主机板将显卡技术、声卡技术、网卡技术整合在一块主机板上，这样既可以满足多种需求，又可以防止这些技术在中断上、地址上的冲突。现在，将第l 章中提出的现有3 种p c 存储方案进行整合，形成一个新的存储方案。首先，整合的目的是提高p c 机的存储性能。如果不能够提高存储性能，整合就是无效的。存储系统的整合也不能以牺牲其他部件性能为代价，如c p u 性能硕士学位论文第二章新方案的设计思路降低太多。整合的结果需要符合下文中提出的四个设计原则，即高性价比原则、可靠性原则、实用性原则、环保性原则；其次，整合的对象是r a i d 技术、s s d技术、r a m d i s k 技术。整合需要有效地利用这三种技术的优点，避免它们的缺点：最后，整合的方法是有机地组合这三种技术。组合犹如田忌赛马，有效地组合才能提升存储性能，否则可能更糟糕。下面来论证那种组合是合理的、正确的。这三种技术的两者组合有以下三种情况：1 r a i d 技术和r a m d i s k 技术的组合；2 s s d 技术和r a m d i s k 技术的组合；3 r a i d 技术和s s d 技术的组合。首先，第一种情况是不合理的，原因有以下两个：a r a m d i s k 本身是利用软件虚拟部分内存变成“硬盘 ，这个软件必须在操作系统启动后加载，而r a i d 的加载是在操作系统启动前就完成了，b r a i d 技术是通过多个磁盘阵列来提升性能的，r a m d i s k 性能很好无需更快，创建多个r a m d i s k 是系统内存容量不允许的；其次，第二种情况是合理的，原因有以下两个：a 存储器件上只有s s d 与r a m d i s k 读写性能上最接近，s s d 比r a m d i s k 容量大速度慢，可构成上下级的组合，b s s d 是硬件，和r a m d i s k 不冲突：最后，第三种情况是合理的，原因有：a s s d 比普通硬盘寻道时间上有优势，但传输速率没快多少，两个s s d 构成r a i d o 恰好能够弥补这一不足；b r a i d o 阵列的对象原本是硬盘，需要协调调度量两个硬盘的磁头，如果针对电子式的s s d 阵列，那么协调更容易。接着，可以对以上两种组合进行再次组合，结果是：s s d 的r a i d o 阵列与r a 泐i s k 进行组合，s s d 的r a i d o 阵列构成r a m d i s k 的下级c a c h e ，容量上从小到大，读写速率从高到低，价格上每她单价从高到低，符合存储系统的层次结构。可见，这种上下级的组合也是合理。综上所述，组合的结果是：s s d 的r a i d o 阵列与r a m d i s k 构成一种新的存储结构。2 3 新存储方案应遵守的原则改进存储系统的设计提出以下几个原则。2 3 1 高性价比原则一个成功的p c 存储系统必须要有很好的性能价格比，这是设计原则中最重要的。高性能而价格太高的存储系统，广大的普通用户是无法接受的，如果没有大量的应用，这中技术就不可以通过大量生产来单个产品的专利费用，最后这种技术被市场淘汰。例如，2 0 0 0 年i n t e l 公司为了提高p e n t i u m4 架构的整体性能采用了r a m b u s 类型嘲的内存。这种内存的性能当时是最高水平的，拥有8 0 0 m i i z的工作频率和3 2 g b s 的传输速率。但是该类型的内存价格太高，并且要求一台1 2硕士学位论文第二章新方案的设计思路p c 上至少要两秒条内存同时工作或者在空留的内存槽中插入一个定制的连接卡。这样导致及少数的用户购买这种内存，产品的单价也是居高不下。最后，i n t e l公司不得不放弃这种结构的内存，而采用性能一般但只要1 4 价格的d d r 内存。d d r 内存在普及后价格也是不断下降，很快地进行技术更新，推出了d d r 2 的内存，性能上超出了r a m b u s 内存。从此以后r a m b u s 内存彻底被淘汰了，该技术也不发展。因此，设计一个成功的存储系统应该在性能和价格上找到平衡点。首先，要有高性能，新的存储系统要现存的系统在性能上有较高幅度的提升。一个高性能的存储系统需要以下几个指标：1 较少的随机访问时间；2 较少的平均读写时间，尤其是读的时间：3 较高的i o p s 嘲；4 较小的c p u 占用率。这几个性能指标都必须比较好，而且需要均衡。其次，要有较低的价格。新存储系统的造价需要控制在一定的范围，如果存储系统的价格超出现在整个p c 机的价格，这种设计将失去意义。让大众能接受的价格才是让新的存储系统技术得到推广。新的存储系统可以比原有的系统价格更低是最好的，但高一点的价格如果能获取较高的性能也是计算机厂商和用户愿意接受的。最后，价格和性能中能够找到一个平衡点。2 3 2 可靠性原则对于p c 机用户特别是商业用户要求有很高的可靠性。p c 机的存储系统也有同样的要求。毕竟，谁都不愿意自己的p c 机经常出故障或者存储数据被丢失。可靠性在p c 存储系统上表现为：1 存储的数据能够长期地保存：2 读写数据的错误率很低；3 在复杂的软硬件环境中能够顺利地读写，不因为与其它软硬件发生冲突而发生故障。比如，在b i t t o r r e n t ( b t ) 乜力网络下载或者远行大型的软件时不会导致读写性能急剧下降，或者造成其它软硬件的性能下降，或者在运行某一些软件时性能特别低；4 数据在损坏时能够提供校验和纠错，在损坏后能够容易恢复；5 如果是笔记本型的p c ，还要考虑重量、体积、耗电、抗冲击能力和散热性能。2 3 3 实用性原则对于普通用户而言，能方便地安装、配置和使用新的存储系统，能够和现有的软硬件系统高度的兼容。具有实用性的存储系统对于非计算机专业人员的用户是“透明“的呻1 ，它能够在现有的各种操作系统上执行。例如，用户能在w i n d o w s操作系统上使用新的存储系统，能和原来一样地在“资源管理器一中管理和使用它。1 3硕士学位论文第二章新方案的设计思路新的存储系统容量上能够满足用户的需求。当前，大多数用户对p c 机的存储容量至少在i o o g b 以上。新的存储系统对于p c 机的厂商或服务商而言，能够方便地维护，无须高深的理论知识，只要短时间的培训，就能够较好地去维护新的存储系统。容易使用是实用性原则的重要组成。此外，新的存储系统，要符合现在硬件规格的要求。不能有太大的尺寸，否则无法装入p c 机；要符合现有的供电要求；要符合现有的存储i o 接口。2 3 4 环保性原则存储系统要符合环保性，应该有下列几个特征：1 低噪音。例如，高性能、技术成熟的1 5 0 0 0 转的s c s i 硬盘没用在p c 机上除了价格较高外，高转速带来的高噪音也是很重要的原因。在h p1 2 0 0 0 的服务器上安装8 个3 6 g b l 5 0 0 0 转的i b m硬盘，实验测试出的噪音达7 2 d b 。高于7 0 d b 的噪音，p c 用户是无法忍受的，所以噪音是p c 存储系统重要的指标；2 低耗电。保证新存储系统在工作时还是待机时都有较低的能耗，低能耗是现在p c 机设计的主要发展方向：3 低辐射。包括电磁辐射和热辐射方面。例如，高发热的存储系统就将带来更加耗电的散热系统，即使使用不耗电的热管，也要消耗更多的铜、铝金属资源；4 新存储系统能够有一段较长的产品周期，并且在使用完后可回收。总之，新的存储系统要有高性价比原则、可靠性原则、实用性原则、环保性原则。2 4 本章小结本章首先提出新存储的整体设计思想，由迁移现有的服务器上的技术引入一r a i d 技术和双通道技术，由迁移现有其它与计算机有关的半导体技术引入一f l a s h 闪存技术，由对现有p c 存储结构进行革新引入r a m d i s k 技术。其次整合技术的应用给出了这几种技术的合理组合，组合成新的存储方案。最后，设计新存储方案应遵守的原则：高性价比原则、可靠性原则、实用性原则、环保性原则。1 4硕士学位论文第三章新方案的模型及可行性分析第三章新方案的模型及可行性分析3 1 新方案的存储模型提出提出一个新的p c 机存储系统，是在现有的p c 机存储系统上改进的。在这些现有的方案中，目前最具有性价比的方案是s s d 部分取代硬盘方案。因为它是一种折中方案，符合性价比原则，相当于在硬盘和内存间插入一个c a c h e 。1 9 6 7 年6 i b s o n 提出c a c h e 技术，1 9 6 9 年首先在i b m3 6 0 计算机嘲上实现，现在大中小微计算机都采用这种技术。采用c a c h e 技术，是传统的存储系统体系结构发生了一些变化。如同传统结构一样，从c p u 寄存器到内存，到硬盘，到光盘，逐级用容量更大、速度较慢、每位价格更低的存储器来补充和支援上一级存储器。不同的是，在c p u 与内存之间、内存与硬盘之间，这种速度差异在一二个数量级甚至更大的上下两级存储器之间，安插进高速缓存c a c h e 。c a c h e 是一个速度等于或接近于上级存储的小容量存储器，保存下级存储器刚才被存取过的数据及其邻近小范围的数据。它的目标是，以较小的硬件投资，利用程序存取行为的局部性，使