磁表面存储设备的存储原理与组成课件

磁表面存儲設備的存儲原理與組成

1磁表面存儲設備簡介主存中存放CPU要立即訪問的程式和數據。輔助記憶體中存放CPU不立即使用的資訊，在需要時再調入主存中。一般為磁片、光碟等。容量大、成本低、斷電後還可以保存資訊，能脫機保存資訊，彌補了主存的不足。2隨機訪問和串行訪問隨機訪問隨機訪問任何單元，訪問時間與資訊存放位置無關。每一位有自己的讀寫設備。串行訪問順序地一位一位地進行，訪問時間與位置有關。共用一個讀寫設備。順序訪問和直接訪問。3主要技術指標存儲密度單位長度（磁帶）或單位面積（磁片）磁層表面所存儲的二進位資訊量存儲容量磁表面記憶體所能存儲的二進位資訊的總量，以位元組為單位尋址時間數據傳輸率誤碼率價格4磁片目的：長期存儲、斷電後存儲容量大、價格低廉，但速度慢可用在層次記憶體的最底層兩種主要類型：軟碟、硬碟特點：使用旋轉託盤上的表面磁顆粒來存儲數據可移動的讀/寫頭來訪問磁片硬碟、軟碟比較：硬質託盤（金屬鋁），面積可以比較大；由於可被精確控制，密度可以更高旋轉速度快，傳輸率高可以多個盤片組合5

磁記錄原理前間隙後間隙鐵氧體線圈電流磁記錄介質磁頭結構和電磁轉換示意圖磁頭，軟磁材料導磁率高，飽和磁感應強度大矯頑力小，剩餘磁感應強度小

磁記錄材料，硬磁材料記錄密度高，記錄資訊時間長輸出信號幅度大，雜訊低表面組織緊密、光滑、無麻點薄厚均勻，溫度、濕度影響小6磁記錄方式磁記錄方式是指一種編碼方法，即如何將一串二進位資訊，通過讀寫電路變換成磁層介質中的磁化翻轉序列。好的編碼方法應該有：更高的編碼效率，更高的自同步能力，更高的讀寫可靠性等。常用的編碼方式有：不歸零制（NRZ）見1就翻的NRZ

調相制（PM）調頻制（FM）改進調頻制（MFM）7幾種磁記錄方式歸零制（RZ）線圈中正脈衝為“1”，負脈衝表示“0”，兩位資訊位之間線圈中電流為零。不歸零制（NRZ）線圈中一直有正或負脈衝（包括兩位資訊位之間）。見1翻轉的不歸零制（NRZ1）只有見到“1”才改變電流的方向8幾種磁記錄方式調相制（PM）用脈衝的邊沿來表示“0”和“1”調頻制（FM）“1”:位週期中心和位與位之間都翻轉“0”:位週期中心不翻轉，位與位之間翻轉改進的調頻制（MFM）只有連續兩個或以上的“0”時，才在位週期的起始位置翻轉9常用磁記錄方式波形圖NRZNRZ1PMFMMFM位資訊101110001位週期RZ10（3）硬磁盤設備磁頭磁盤組主軸通風機取數臂定位驅動器速度感測器小車主電機傳動皮帶濾塵器密封罩硬磁片驅動器結構示意圖11硬碟內部結構磁片訪問過程：尋道：將讀寫磁頭移動到正確的磁軌上（平均需要8to20ms）尋找扇區：等待磁片旋轉到需要訪問的扇區（.5/RPM）數據傳輸：讀寫數據（1個或多個扇區）（

2to15MB/sec）12硬碟內部結構（續）硬碟參數（與容量有關）500至2,000磁軌（每面）32至128個扇區（每個磁軌）扇區是磁片訪問的最小單位早期硬碟上每個磁軌上的扇區數是一樣的增加容量位密度不變：外磁軌比內磁軌扇區數多一些PlattersTrackSector13硬碟參數柱面：位於同一半徑的磁軌集合讀/寫數據的三個步驟：尋道時間：將磁頭移動到正確的磁軌上旋轉延遲：等待磁片上扇區旋轉到磁頭下傳輸時間：真正的數據讀/寫時間當前平均尋道時間：一般為8至12msSectorTrackCylinderHeadPlatter14典型硬碟參數（續）旋轉延遲：旋轉速度：3,600至7200RPM旋轉時間：16ms至8ms每轉平均尋址時間8ms至4ms訪問速度：數據量（通常為1個扇區）：

1KB/sector

旋轉速度：3600RPM至7200RPM

存儲密度：磁軌上單位長度存儲的位數磁片直徑：

2.5至5.25in一般為：

2至12MB每秒SectorTrackCylinderHeadPlatter15磁片訪問時間舉例磁片訪問時間=尋道時間+旋轉延遲+傳輸時間+磁片控制器延遲舉例：

平均尋道時間

=12ms;旋轉速度

=5400rpm磁片控制器延遲：

2ms傳輸速度

=5MB扇區大小

=512bytes讀取一頁（8KB）需要多少時間？旋轉延遲：平均旋轉延遲應為磁片旋轉半周的時間。旋轉1周=1/5400minutes=11.1ms=>½

周：

5.6ms讀1個扇區時間

=12ms+5.6ms+.5K/5MB+2ms=12+5.6+.1ms+2ms=19.7ms讀1頁的時間==12ms+5.6ms+8K/5MBpersec+2ms=12ms+5.6ms+1.6ms+2ms=21.2ms16對例子的思考頁容量大，為什麼扇區卻如此小呢？理由#1：可用性。可以在扇區物理損壞時不再使用該扇區。理由#2：還是可用性。檢錯糾錯碼分佈在每個扇區，扇區容量小，檢錯速度快，效率高。理由#3：靈活性。使用不同的操作系統，不同的頁面大小。採用並行方式和大容量傳輸方式克服磁片控制器延遲大容量傳輸：每次讀取多個扇區，可以節約時間。也可以分擔部分匯流排延遲…並行#1：並行讀多個層面並行#2：並行讀多個磁片SectorTrackCylinderHeadPlatter17結論應該記住以下兩點：額外開銷在總開銷中比例較大=>一次傳輸大量數據比較有效將頁面存放在相鄰扇區中可以避免額外的尋道開銷18訪問磁片過程對磁片的訪問總是由缺頁引起的：CPU給出地址，需要訪問某存儲單元；並行進行TLB查找和cache查找；TLB查找後申明沒有找到；停止並行查找，並通知操作系統處理；操作系統檢查頁表，發現該頁不在內存中，需要從硬碟調入。應該如何進行呢？操作系統從主存中選擇一頁準備換出，為調入的頁安排存放空間；若被換出的頁是“髒”頁，需要將其寫回磁片存儲；操作系統申請I/O匯流排；獲得批准後，發送寫命令給I/O設備（磁片）。緊跟著傳送需要寫回的頁的全部數據。I/O控制器發現發給自己的寫命令，加入到握手協議，並接受數據。根據數據要寫入的地址，讀/寫頭移動到正確的柱面，同時，將數據接收到緩衝區。尋道結束後，等待相應的扇區旋轉到磁頭下麵，將數據寫入扇區中。

在寫入數據間隙，計算校驗碼並寫入扇區中。19訪問磁片過程（續）下一步，操作系統繼續申請匯流排（如果還保持匯流排控制權，則不必申請）。得到授權後，向磁片發出讀命令。

然後，磁片識別地址，並轉換為相應的地址段。

尋道，將讀/寫頭移動到指定位置。從指定扇區中讀去數據，並進行校驗。磁片申請I/O匯流排。得到授權後，將數據通過匯流排送到記憶體。20可靠性和可用性兩個經常混淆的辭彙：可靠性：設備出現故障的幾率來衡量。可用性：系統能正常運行的幾率來衡量。可用性可以增加硬體冗餘來提高：例如：在記憶體中增加校驗碼。可靠性只能通過下麵途徑提高：改善使用環境提高各部件的可靠性減少組成部件可用性的提高可能帶來可靠性的降低21RAID的提出CPU性能在過去的十年中有了極大地提高，幾乎是每18個月翻一番。但磁片的性能卻沒能跟上。在70年代，小型機磁片的平均查找時間為50到100毫秒，現在是10毫秒。在許多行業（如汽車或航空業），如果性能的提高能達到這個速度，即20年內提高5到10倍，那就會是頭條新聞，但對電腦行業，這卻成了一個障礙。因為CPU性能和磁片性能間的差距這些年來越來越大。22RAID的提出在提高CPU性能方面，並行處理技術已得到廣泛使用。這些年來，許多人意識到，並行I/O也是一個提高磁片性能的好辦法。1988年，Pattersonetal.在他的一篇文章中建議用6個特定的磁片組織來提高磁片的性能或可用性，或兩方面都同時提高。這個建議很快就被採用，並導致了一種新的I/O設備的誕生，這就是RAID盤。Pattersonetal.把RAID定義為廉價磁片的冗餘陣列（RedundantArrayofInexpensiveDisks），但工業界把“I”由“廉價的（Inexpensive）”替換成“獨立的（Independent）”。23廉價磁片的冗餘陣列(RAID)

RedundantArraysofInexpensiveDisks用N個低價磁片構成一個統一管理的陣列，取代特貴單一磁片，它可以：有1/N的訪問時間有N個磁片的容量有更高的性能價格比對陣列盤採用冗餘技術提高資訊的可靠性RAID0：dataStripingRAID1:DriveMirroringRAID4:DataGuardingRAID5:DistributeddataGuarding24RAID0RAID0將由RAID模擬的單個虛擬磁片劃分成帶（strip），每帶k個扇區。第0帶為第0到第k–1扇區，第1帶為第k扇區到第2k–1扇區，等等。對k=1，每個帶為1個扇區；對k=2，每帶有2個扇區；等等。RAID0以交叉迴圈的方式將數據寫到連續的帶中，下圖描述的就是有4個磁片驅動器的RAID盤。這種在多個驅動器上分佈數據的方式叫作分帶。如果軟體發出從帶的邊界開始讀四個連續帶的數據塊的命令，RAID控制器將把這個命令分解成四個單獨的讀命令，四個驅動器每個一個，讓它們並行執行。這樣，就實現了對軟體透明的並行I/O操作。25RAID0Strip3Strip7Strip11Strip0Strip4Strip8Strip1Strip5Strip9Strip2Strip6Strip101.適合數據請求量比較大的情況2.沒有冗餘，可靠性差，不算真正的RAID26RAID1它複製了所有的磁片，所以有四塊主磁片和四塊輔助磁片。每個對磁片的寫操作都進行兩次，而每次讀操作則可以讀任意一個備份，把負載均衡分佈到不同的驅動器上。這樣，寫操作的性能並不比單個磁片好，但讀磁片的性能卻比單個磁片高了兩倍。容錯性能就更好了，如果一個驅動器崩潰的話，只要簡單的用備份驅動器代替就行了。恢復整個磁片的操作包括兩個步驟：裝上一個新的驅動器，然後將整個備份驅動器的內容拷貝到新的驅動器上。27Strip0Strip4Strip8Strip1Strip5Strip9Strip2Strip6Strip10Strip3Strip7Strip11Strip11Strip7Strip3Strip2Strip6Strip10Strip1Strip5Strip9Strip0Strip4Strip8RAID11.冗餘備份，可靠性高2.寫性能不高，但讀性能卻提高了兩倍3.成本較高28RAID2RAID2的工作單位為字，可能的話甚至可以是位元組。首先我們可以想像將單個虛擬磁片上的位元組分解成一對4位的半位元組，對每個半位元組加上3位海明碼形成7位字，即其中1、2、4位做校驗位。然後，用下圖所示的七個驅動器的磁頭和旋轉同步，就可能將整個海明碼字寫在七個驅動器上，每個驅動器一位。29RAID2Bit1Bit2Bit3Bit4Bit5Bit6Bit71.驅動器必須同步旋轉2.驅動器個數要足夠多3.需要多個控制器30RAID3RAID3是RAID2的一個簡化版本，它只需對每個字計算一個校驗位，寫到一個校驗驅動器上。和RAID2相同，驅動器之間必須嚴格同步，因為一個字被分佈到多個驅動器中。31Bit1Bit2Bit3Bit4ParityRAID31.驅動器之間要嚴格同步2.對整個磁片崩潰的錯誤，能夠進行恢復32RAID4RAID4和RAID0類似，將對帶的校