第五讲--硬盘...ppt

第五讲硬盘,本讲主要内容:,硬盘的历史硬盘的存储原理与结构硬盘的性能指标硬盘的数据结构硬盘的接口规格与工作模式磁盘阵列RAID硬盘型号的识别,一、硬盘的历史,1956年9月，IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM350RAMAC(RandomAccessMethodofAccountingandControl），其磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区域，从而成功地实现了随机存储，这套系统的总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘，重量达上百公斤。盘片表面涂有一层磁性物质，它们被叠起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。IBM350RAMAC的出现使得航空售票、银行自动化、医疗诊断和航空航天等领域引入计算机成为了可能。,1973年，IBM又发明了Winchester（温氏）硬盘，其特点是工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，这便是现代硬盘的原型。“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片、磁头沿盘片径向移动”是“温彻斯特”硬盘技术的精髓。今天个人电脑中的硬盘容量虽然已经高达几十GB以上，但仍然没有脱离“温彻斯特”模式,1979年，IBM再次发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度提供了可能。下图是1982年用在IBM-XT上的一块10M的硬盘除了外型略大，无论外观还是内部结构和现在最先进的硬盘并无大的差别,80年代末期IBM对硬盘发展的又一项重大贡献，即发明MR(MagnetoResistive)磁阻，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度能够比以往20MB每英寸提高了数十倍1991年IBM生产的3.5英寸的硬盘使用了MR磁头，使硬盘的容量首次达到了1GB，从此硬盘容量开始进入了GB数量级1999年9月7日，Maxtor宣布了首块单碟容量高达10.2GB的ATA硬盘，从而把硬盘的容量引入了一个新里程碑,2000年3月16日，硬盘领域又有新突破，第一款“玻璃硬盘”问世，这就是IBM推出的Deskstar75GXP及Deskstar40GV，此两款硬盘均使用玻璃取代传统的铝作为盘片材料，这能为硬盘带来更大的平滑性及更高的坚固性2004年3月10日，HitachiGST（HGST）正式发布了迄今为止最大容量的硬盘Deskstar7K400，容量为400GB（80GB5）,二、硬盘的存储原理与结构,磁盘是利用特定的磁粒子的极性来记录数据，磁头在读取数据时将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号再利用数据转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号变成计算机可以识别使用的数据,物理结构（外部）：,物理结构（内部）：,工作时，磁盘在中轴马达的带动下，高速旋转，而磁头臂在音圈马达的控制下，在磁盘上方进行径向的移动进行寻址,逻辑结构：CHS,磁头(Heads)：每张磁片的正反两面各有一个磁头，一个磁头对应一张磁片的一个面。因此，用第几磁头就可以表示数据在哪个磁面。柱面(Cylinder)：所有磁片中半径相同的同心磁道构成“柱面，意思是这一系列的磁道垂直叠在一起，就形成一个柱面的形状。简单地理解，柱面就是磁道。扇区(Sector)：将磁道划分为若干个小的区段，就是扇区。虽然很小，但实际是一个扇子的形状，故称为扇区。每个扇区的容量为512字节。,硬盘容量磁头数柱面数扇区数512字节,三、硬盘的性能指标,1、每分钟转速（RPM，RevolutionsPerMinute）：这一指标代表了硬盘主轴马达（带动磁盘）的转速，比如7200RPM就代表该硬盘中的主轴转速为每分钟7200转2、平均寻道时间（AverageSeekTime）：如果没有特殊说明一般指读取时的寻道时间，单位为ms（毫秒）。这一指标的含义是指硬盘接到读/写指令后到磁头移到指定的磁道（应该是柱面，但对于具体磁头来说就是磁道）上方所需要的平均时间,3、平均潜伏期（AverageLatency）：这一指标是指当磁头移动到指定磁道后，要等多长时间指定的读/写扇区会移动到磁头下方（盘片是旋转的），盘片转得越快，潜伏期越短。平均潜伏期是指磁盘转动半圈所用的时间。显然，同一转速的硬盘的平均潜伏期是固定的。7200RPM时约为4.167ms，5400RPM时约为5.556ms,4、平均访问时间（AverageAccessTime）：又称平均存取时间，一般在厂商公布的规格中不会提供，这一般是测试成绩中的一项，其含义是指从读/写指令发出到第一笔数据读/写时所用的平均时间，包括了平均寻道时间、平均潜伏期与相关的内务操作时间（如指令处理），由于内务操作时间一般很短（一般在0.2ms左右），可忽略不计，所以平均访问时间可近似等于平均寻道时间+平均潜伏期，因而又称平均寻址时间。如果一个5400RPM硬盘的平均寻道时间是9ms，那么理论上它的平均访问时间就是14.556ms,5、数据传输率（DTR，DataTransferRate）：单位为MB/s（兆字节每秒，又称MBPS）或Mbits/s（兆位每秒，又称Mbps）。DTR分为最大（Maximum）与持续（Sustained）两个指标，根据数据交接方的不同又分外部与内部数据传输率。内部DTR是指磁头与缓冲区之间的数据传输率，外部DTR是指缓冲区与主机（即内存）之间的数据传输率。外部DTR上限取决于硬盘的接口，目前流行的UltraATA-100接口即代表外部DTR最高理论值可达100MB,6、缓冲区容量（BufferSize）：很多人也称之为缓存（Cache）容量，单位为MB。在一些厂商资料中还被写作CacheBuffer。缓冲区的基本要作用是平衡内部与外部的DTR。为了减少主机的等待时间，硬盘会将读取的资料先存入缓冲区，等全部读完或缓冲区填满后再以接口速率快速向主机发送。目前缓冲区一般为2MB，有些为8MB,四、硬盘的数据结构组成,MBR(主引导记录)DBR(操作系统引导记录)FAT(文件分配表)FDT(根目录区)DATA(数据区),FAT16文件系统,FAT32文件系统,MBR位于0柱，0头，1扇区DBR从逻辑0扇区开始FAT1从逻辑1扇区开始,MBR位于0柱，0头，1扇区DBR从逻辑0扇区开始DBR副本从逻辑6扇区开始FAT1从逻辑32扇区开始,1、MBR,位于整个磁盘的0磁头0柱面1扇区主引导记录中包含了硬盘的一系列参数和一段引导程序硬盘引导程序的主要作用是检查分区表是否正确MBR是由分区程序（如F）所产生的，它不依赖任何操作系统,分区信息16个字节,例:800101000BFEBFFC3F0000007E86BB00,在这里我们可以看到，最前面的80是一个分区的激活标志，表示系统可引导；010100表示分区开始的磁头号为01，开始的扇区号为01，开始的柱面号为00；0B表示分区的系统类型是FAT32，其他比较常用的有04（FAT16）、07（NTFS）；FEBFFC表示分区结束的磁头号为254，分区结束的扇区号为63、分区结束的柱面号为764；3F000000表示首扇区的相对扇区号为63；7E86BB00表示总扇区数为12289622。,2、,它通常位于硬盘的0磁头1柱面1扇区是操作系统可以直接访问的第一个扇区由高级格式化命令生成（如format)它包括一个引导程序和一个被称为BPB（BiosParameterBlock）的本分区参数记录表BPB参数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、硬盘介质描述符、根目录大小、FAT个数，分配单元的大小等重要参数。引导程序的主要任务是当MBR将系统控制权交给它时，判断本分区根目录前两个文件是不是操作系统的引导文件（以DOS为例，即是Io.sys和Msdos.sys）。如果确定存在，就把其读入内存，并把控制权交给该文件。,3、,同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，而往往会分成若干段，像一条链子一样存放。这种存储方式称为文件的链式存储。（如图）为了实现文件的链式存储，硬盘上必须准确地记录哪些簇已经被文件占用，还必须为每个已经占用的簇指明存储后继内容的下一个簇的簇号，对一个文件的最后一簇，则要指明本簇无后继簇。这些都是由FAT表来保存的，表中有很多表项，每项记录一个簇的信息。,FAT16用16位来表示簇号，最多能管理65536个簇，而每个簇最大为64扇区（32kB),故最多只能表示65536*32kB2GBFAT32则用32位来表示簇号,4、,DIR（Directory）是根目录区，紧接着第二FAT表（即备份的FAT表）之后，记录着根目录下每个文件（目录）的起始单元，文件的属性等。定位文件位置时，操作系统根据DIR中的起始单元，结合FAT表就可以知道文件在硬盘中的具体位置和大小了,5、,数据区是真正意义上的数据存储的地方，位于DIR区之后，占据硬盘上的大部分数据空间,小结,一个物理磁盘只有一个（分区产生）每一个分区都有一个（格式化产生）记录了文件的名字及起始地址；记录了文件在磁盘上的具体位置.通过FAT和FDT可以顺利地确定文件的位置并读取它,附一:各文件系统下逻辑盘容量与簇大小关系,附二:几条关于引导错误信息的产生原因,主引导记录读取失败:Diskbootfailure.Insertsystemdiskandpressenter若主引导记录读操作系统引导记录连续5次失败,则提示ErrorLoadingOperatingSystem若读正确,则将操作系统引导记录装入0000:7c00,并检查最后2个字节是否为55AA,若不是则提示MissingOperatingSystem,附:低级格式化与高级格式化,低级格式化:物理格式化，有损格式化高级格式化:逻辑格式化，重写文件分配表,五、硬盘的接口规格与工作模式,硬盘的接口规格主要有:IDE、S-ATA、SCSI、FibreChannel、IEEE1394、USB人们在谈论硬盘时经常讲到PIO模式和DMA模式，它们是什么呢？目前硬盘与主机进行数据交换的方式有两种，一种是通过CPU执行I/O端口指令来进行数据的读写；另外，一种是不经过CPU的DMA方式,附:ATA接口标准传输速率,六、磁盘阵列技术RAID,（一）什么是RAID（RedundantArrayofInexpensiveDisk)通俗的说，RAID就是由一个硬盘控制器来控制多个硬盘的相互连接，使多个硬盘的读写同步，减少错误，增加效率和可靠度的技术,（二）RAID可以实现的几个技术,1、镜像技术镜像技术就是在两个或多个独立的硬盘驱动器上存放数据的多个拷贝，系统会同时把数据写在作为镜像的两个硬盘上，镜像也称冗余技术，用来防止数据意外丢失，当某一个硬盘出现问题时系统可以访问镜像的硬盘来继续工作,Data(ABCDEF),RAIDController,A,B,C,A,B,C,镜像技术示意图,DISK1,DISK2,2、奇偶校验技术（Parity）,Parity是应用于RAID中的另一种冗余技术，比如你的一个数据单位有X位数字，那么你可以使用这X位数字产生一个奇偶校验位，并把这奇偶校验位作为这个数据的单位的第X+1位，如果这X+1位中任何一个丢失剩下的X位仍能修复这个数据,现在你是不是可以想到你不必把数据存为两份，而只要一个硬盘就能保护你的数据了，这就是奇偶校验位相对镜像技术的优势，但奇偶校验位相对镜像技术的优势，但奇偶校验技术要进行大量的运算，对于计算机有着相当高的要求，因为每一次读取、写入数据都要进行一次奇偶校验运算，这就必须具备硬件RAID控制卡，运用软件RAID几乎是不现实的,3、条带技术（striping),前面两项技术都是讨论数据可靠性，而条带技术主要是完成数据的读写速度条带技术是把数据分布在阵列的所有驱动器上，而条带技术的主要原理是并行处理例如：你在一个单独的硬盘上有一个非常大的文件，如果读取它只能从头到尾逐一读取，而Striping技术可以把它分成小块分别存储在多个硬盘上，读取的时候可以从多个硬盘同时调用，写数据同理,Data(ABCDEF),RAIDController,A,C,E,B,D,F,DISK1,DISK2,（三）RAID的基本模式,RAID0：条带功能RAID1：镜像技术RAID2：字节级条带技术RAID3：奇偶校验技术和字节级条带技术RAID4：块级条带技术RAID5：奇偶校验技术和块级条带技术,注：在win2000/XP中自带RAID0技术,七、硬盘型号的识别,IBM硬盘的识别方法为：系列号（此系列最大硬盘容量+转速）+硬盘类型+硬盘尺寸+转速+容量。以34GXPDPTA372050为例首先在硬盘系列号中的34代表此类型硬盘的最大容量为34GB，以GP为结尾的硬盘是5400转，以GXP结尾的硬盘是7200转；下面的DPTA代表的是DeskStar（桌面之星），PT代表的是34GXP与37GP两个系列硬盘，A代表此硬盘是ATA接口的硬盘；然后，看硬盘的型号，首位为3，代表此硬盘是3寸盘；后面跟着7，代表此硬盘的转速为7200RPM；再后面的2050代表此硬盘的容量为20.5GB。IBM硬盘在国内的总代理是新资源，要认准新资源的标志。,迈拓的硬盘的识别方法为：系列号+此系列硬盘最大容量+首位+容量+接口类型+碟头数。以金钻四代DiamondMaxPlus4053073U6为例系列号中的DiamondMaxPlus代表硬盘是金钻系列；然后40代表此系列硬盘最大容量为40GB，也代表了此硬盘是金钻四代硬盘（金钻三代及以前的数字是四个数字，代表单碟容量，而金钻五代的数字是60）；首位没有什么大用处，只是说明一段时间罢了，最新的金钻系列硬盘都是5；后面的3073代表此硬盘的容量是30.7GB；U代表此硬盘接口是UltraDMA/66接口，如果是D代表是UltraDMA/33接口，如果是A代表是UltraDMA/100接口；最后的6代表此硬盘有6根磁头，由此说明此硬盘有62=3张碟片，如果是奇位数，那么就加1再除以2就是硬盘的碟片数了。迈拓硬盘在国内的总代理是蓝德电子，购买时认准LAND的标志。,Seagate硬盘的识别方法为：ST+硬盘尺寸+容量+主标识+副标识+接口类型。以Seagate酷鱼II代IDE硬盘ST330630A为例：ST代表Seagate；3代表硬盘的尺寸为3.5英寸，厚度为25mm，如果为1代表尺寸为3.5英寸，厚度为41mm，如果为4代表尺寸为5.25英寸，厚度为82mm，如果为5，代表尺寸为3.5英寸，厚度为19mm，如果为9，代表尺寸为2.5英寸；306代表此硬盘容量是30.6GB；后面的3代表此硬盘的碟片数目是3，Seagate的IDE硬盘的主标识都是指硬盘的碟片数，SCSI硬盘的主标识指的是硬盘的转速；0代表硬盘的