UIT存储基础培训课件

1、第三章 存储介质硬盘技术磁带技术第1页，共31页。硬盘读写数据原理 磁存储技术的工作原理是通过改变磁粒子的极性来在磁性介质上记录数据。在读取数据时，磁头将存储介质上的磁粒子极性转换成相应的电脉冲信号，并转换成计算机可以识别的数据形式。磁存储设备是利用一层亚微米量级的表面磁介质作为记录信息的媒体，以磁介质的两种不同剩磁状态或不同剩磁方向变化的规律来表示二进制数字信息，磁表面存储器的信息记录和输出过程都是电、磁信息转换的过程，是通过磁头和运动着的磁介质来实现的。 第2页，共31页。目前用户所使用的硬盘主要是温彻斯特磁盘，简称温盘。温盘的主要特点是：把磁头、小车、导轨、主轴和盘片等封装在一个腔体内，

2、制成一个整体组件，称之为头盘组件（Head Disk Assembly，HDA）。这种结构的最大优点是盘片和磁头之间没有互换要求，每个磁头只读出它自己写入的信息，磁头不再需要作径向和偏斜等调整，有利于提高磁道密度。另外，整体封装有利于防尘，磁头的浮动高度大大降低，提高了位密度和可靠性。采用了质量轻、浮力小的磁头。采取了接触起停方式，又称CSS方式（Contact Start Stop）。这种方式下，启动和停机时，磁头是降落在盘面上的。盘面上有一个起停区，停机时，磁头降落在起停区内。盘片起动旋转时，轻质磁头在盘面上滑行，当盘片由低速过渡到正常速度时，磁头浮起，从而精简了过去磁头退出盘面和进入盘面

3、的一套机构。温彻斯特硬盘第3页，共31页。硬盘主要物理结构盘片马达(motor)底座（Base）磁头PCB及RV传感器硬盘接口第4页，共31页。盘片 Platter磁盘驱动器的主要组件之一是盘片，其盘片构成材料是铝合金或者是玻璃，表面覆盖着磁记录层。 硬磁盘盘片直径小型化的同时，面密度也在不断提高。目前硬盘的面密度已经超过每平方英寸100GB。 磁头 Head硬磁盘驱动器的磁头是浮动磁头，工作过程中磁头与盘面不接触，两者之间有一个很小的间隙。当磁盘高速旋转时，由于空气的粘滞性，附着在盘面上的空气在磁头和盘面之间形成了一层空气垫，托住磁头。主轴Spindle和主轴电机 Motor硬盘驱动器由主轴

4、带动盘片旋转，其转速很高，目前一般为5400r/min、7200r/min。高速硬盘一般是15000r/min，用于服务器和高速磁盘阵列。主轴电机一般为无刷直流电机，采用流体动压轴承以达到极小的径向偏摆，从而保证极小的磁道偏摆，利于磁头对磁道的跟踪。硬盘主要物理结构A hard drive platter being accessed by an actuator arm.第5页，共31页。磁盘驱动器在存取工作过程中，首先要把磁头移动到目标磁道，这个过程称为寻道。到达目标磁道后，还要通过伺服跟踪系统使磁头动态保持在目标磁道的中心，这个过程叫磁道跟踪。在寻道过程中，首先执行寻道命令，把磁头当前所

5、处磁道距目标磁道的距离计算出来，装入差值计数器中，然后根据差值的正、负和大小来驱动磁头运动。为了提高寻道速度，一般把控制分成两个阶段来进行。第一阶段是“粗控”阶段，作用是速度控制。当目标磁道和当前磁道之差大于零时，采用速度控制，目的在于尽快找到目标磁道。当找到了目标磁道后，才进入“精控”阶段。“精控”阶段的作用是位置控制，保证磁头牢牢盯住目标磁道，所以又称跟踪控制方式。当访问某一个扇区时，磁头须从当前所处的磁道运动到指定的目标磁道，再等待被访问的扇区旋转到磁头下。所有盘面上的磁头装在同一个小车上作同步运动，即每一瞬间各盘面上的磁头均处于各自同一序号的磁道上，这些序号相同的磁道组成了一个柱面，与

6、磁道编号一样，零磁道所在的柱面为零柱面，1号磁道所在的柱面为1号柱面，依次类推。访问时，先要选择柱面，其次要选择磁头（也就是选择盘面）和扇区。所以，寻址用的地址信息应该有柱面号、磁头号和扇区号。硬盘的读写工作第6页，共31页。硬盘存储结构磁头Head磁头是硬盘中最昂贵、最重要的部件。MR磁头（Magnetoresistive heads），即磁阻磁头，采用的是分离式的磁头结构：写入磁头仍采用传统的磁感应磁头（MR磁头不能进行写操作），读取磁头则采用新型的MR磁头，即所谓的感应写、磁阻读。这样，在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化，以得到最好的读/写性能。磁道Track当磁盘旋转时，磁头

7、若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区，磁盘上的信息是沿着磁道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着，因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响，硬盘上的磁道密度很大，通常一面有成千上万个磁道。扇区Sector每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节的信息，磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。柱面Cylinder硬盘由重叠多盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称为磁盘的柱面。柱面数磁道数是相等的。由于每个盘面都有自

8、己的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。所谓硬盘的CHS,即Cylinder（柱面）、Head（磁头）、Sector（扇区），只要知道了硬盘的CHS，即可确定硬盘的容量，硬盘的容量=柱面数磁头数扇区数512Byte。第7页，共31页。Data Rate: Inner vs. Outer Tracks To keep things simple, originally same number of sectors per trackSince outer track longer, lower bits per inchCompetition decided to keep bits per in

9、ch (BPI) high for all tracks (“constant bit density”) More capacity per disk More sectors per track towards edge Since disk spins at constant speed, outer tracks have faster data rateBandwidth outer track 1.7x inner track!外部边缘外部中间中心内部中间内部边缘磁道平面图访问速度慢慢快第8页，共31页。硬盘的基本参数容量硬盘的容量MB或GB为单位。容量指标还包括硬盘的单碟容量单，

10、是指包括正反两面在内的单个盘片的总容量 。单碟容量越大，单位成本越低，平均访问时间也越短。转速转速(Rotational speed)是指盘片每分钟转动的圈数RPM（Round Per Minute) 。 平均访问时间平均访问时间(Average Access Time)是指磁头从起始位置到达目标磁道位置，并且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。平均访问时间体现了硬盘的读写速度，它包括平均寻道时间+平均等待时间。平均寻道时间(Average Seek Time)是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间，一般8ms以内。平均等待时间是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁

11、头下方的时间。平均等待时间为盘片旋转一周所需的时间的一半，一般应在4ms以下。传输速率传输速率(Data Transfer Rate) 硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。硬盘数据传输率又包括了内部数据传输率和外部数据传输率。内部传输率(Internal Transfer Rate) 也称为持续传输率(Sustained Transfer Rate)，它反映了硬盘缓冲区未用时的性能。内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。外部传输率（External Transfer Rate）也称为突发数据传输率（Burst Data Transfer Rate）或接口传输率，

12、它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。缓存硬盘缓存的目的是为了解决系统前后级读写速度不匹配的问题，以提高硬盘的读写速度。常用指标第9页，共31页。硬盘的主要技术S.M.A.R.TSelf-Monitoring ,Analysis and Reporting Technology，自监测、分析及报告技术，监测磁头、磁盘、马达、电路等部件，然后根据得到的关于各部件运行情况与历史记录的数据进行分析、比较，根据需要会自动向用户发出警告TCQTagged Command Queuing ，标记命令队列NCQNative Command Queu

13、ing ，本机命令队列，是SATA 规范支持的一种新的功能，支持NCQ的硬盘可以对指令进行排队（多达32条指令），重新编排指令执行次序，也可以立即执行指令，可提高硬盘的性能，减少CPU占用率Duty Cycle指硬盘的工作负荷， 定义为特定时间段内硬盘用于寻道、读/写操作的时间占总时间的百分比。100%即表示硬盘每天24小时不停在进行读写操作SCT即S.M.A.R.T Command Transport，该技术在硬盘内部划出一部分扇区做为日志记录，分析SMART命令包含的状态信息，判断硬盘的工作状况从而调节负载（比如数据流量）来保证硬盘可靠性第10页，共31页。硬盘类型及接口SASSATAFC

14、SCSIATA/IDELCSC硬盘类型接口视图第11页，共31页。ATA/IDE接口硬盘Power连接器主/从盘 跳线40-pin连接器ATA( Advanced Technology Attachment ) 高级技术附加ATA硬盘是传统的桌面级硬盘，主要应用于个人PC机，也经常称为IDE( IntegratedDriveElectronic )硬盘ATA接口为并行ATA技术，正在被串行ATA（SATA）所替代第12页，共31页。SCSI接口硬盘SCSI (Small Computer System Interface )小型计算机系统接口SCSI硬盘并发处理性能优异，常应用于企业级存储领域

15、SCSI硬盘采用并行接口，接口速率发展到320MB/s，已经达到极限，正在被SAS（ Serial Attached SCSI ）硬盘所替代80-pin 公接头第13页，共31页。FC接口硬盘采用FC-AL( Fiber Channel Arbitrated Loop，光纤通道仲裁环) 接口模式FC-AL是一种双端口的串行存储接口FC-AL支持全双工工作方式FC-AL提供一种单环拓扑结构，一个控制器能访问126个硬盘第14页，共31页。SATA接口硬盘SATA串行ATA：(Serial AdvancedTechnologyAttachment ) SATA采用串行方式进行数据传输，接口速率比I

16、DE接口高SATA硬盘采用点对点连接方式，支持热插拔，即插即用SATAII有以下五个主要特性：更高的端口传输率（300MB/s）本机命令队列（NCQ）组件管理（Enclosure Management ），比如风扇控制，温度控制，新硬盘指示，坏硬盘指示，硬盘状态指示等 端口复用（Port Multiplier ），允许多个硬盘连接到同一端口可向上兼容SAS技术SATA技术可对247企业在线和近线存储应用提供超大容量和高可靠性的支持第15页，共31页。SAS接口硬盘介绍SAS串行连接SCSI (Serial Attached SCSI) SAS是一种点对点、全双工、双端口的接口SAS专为满足高性

17、能企业需求而设计，并且兼容SATA硬盘，为企业用户带来前所未有的灵活性保留了SCSI技术良好的可测性和可靠性 点对点串行连接方式提供更高的带宽:单接口3Gb/6Gb/12Gb相对于SCSI更优异的信号和数据完整性灵活性 兼容SAS和SATA可扩展性 寻址范围宽，通过扩展器可以支持更多设备可靠性和可用性 全双工接口支持冗余路径更长的电缆连接，更小尺寸，更容易的连接方式，更多选择第16页，共31页。SAS/SATA 接口兼容性SASSATASATASASPluggableKeywayPort B第17页，共31页。SATA/SAS 快速比较CriteriaSATASASData Rates150-

18、300MB/Sec300-600MB/SecMTBF500-600K hrs1.2M hrsCable Length1m10mCost/MB$.01 - $.02$.05 - $.08 (Est)Rotational Speed5.4 or 7.2K RPM10-15k RPMBuffer8MB64MB第18页，共31页。各类硬盘对比ATASATASCSISASFC转速（RPM）7,2007,20015,00015,00015,000缓存（MB）8/168/16/328/168/168/16串行/并行并行串行并行串行串行容量（GB）2501000300450450年失效率AFR0.73%0.5

19、5%0.55%TCQ支持 支持支持支持支持NCQ不支持支持*支持支持支持* SATA 接口硬盘支持NCQ，SATA 不支持第19页，共31页。企业存储介质分级策略“Only a small percentage of data should be maintained on the highest cost, high performance devices. The rest is migrated to less expensive storage where it is immediately available when needed.” EMC Whitepaper April 20

20、05High capacityLow cost-per-gigabyteHigh reliabilityOptimized for near line applicationsTransactional Reference DataStaging &spoolingArchiveOn LineOff LineNear LinePerformanceAvailabilityAccess timeCost per TerabyteCapacityRetention第20页，共31页。企业级Nearline与Online硬盘区别 Nearline Storage7,200 rpm SATAOnlin

21、e Storage15,000 rpm SAS/FC成本容量负载可靠性扩展性性能耗电机械部分更大的磁铁坚固外壳空气控制设备更高寻道速度更多磁头更多盘片更小盘片直径更高转速电子部分Dual processorsDual portTwice the firmwareCommand schedulingSuperior error correctionSmart algorithmsPerform. optimizationData integrity checks 第21页，共31页。不同类型硬盘的需求变化第22页，共31页。不同类型硬盘发展趋势SCSI-2 SCSI-3FC-AL100MB/S

22、perPortFC-AL200MB/S perPortSynchronous SCSI 5MB/sFastWide SCSI 10/20MB/sUltra SCSI20/40MB/sUltra2 SCSI40/80MB/sUltra160SCSI160MB/sUltra320 SCSI320/MB/sSAS300MB/s per port SATA SATA IISerial ATA150MB/sSerial ATA II300MB/sFC-AL400MB/S perPort串行并行SAS600MB/s per port第23页，共31页。硬盘规格的发展变化第24页，共31页。硬盘容量的发展容

23、量FC&SAS硬盘 100GB 300GB 750GB 1TB 400GB 500GB 750GB1000GBSATA硬盘 500GB 1.5B 2TB73GB146GB300GB450GB600GB1.5TB2TB256GB250GBSSD固态硬盘第25页，共31页。多种多样的磁带技术磁带介质类型DAT (Digital Audio Tape) 4mmDLT (Digital Linear Tape) 、SDLT 1/2英寸 AIT、SAIT3590LTO （Linear Tape Open） Ultrium/Accelis DTF9840Mammoth 8mm第26页，共31页。螺旋扫描 vs. 线性记录1 ips4 Channel HeadWrite/Rea