06.+外部存储器.ppt

1、外部存储器,陆海宁 ,S.J.T.U.,外部存储器的类型,磁盘 RAID 光存储器 CD-ROM CD-Recordable (CD-R) CD-R/W DVD 磁带存储器,S.J.T.U.,磁盘,涂有磁性材料的衬底圆盘 衬底传统上使用铝或铝合金 现在用玻璃 改善磁盘表面的均匀性 减少了表面的缺陷 更低的磁头飞行高度 更高的硬度 更好的耐冲击和耐损耗能力,S.J.T.U.,读写机制,通过被称为“磁头”的导电线圈进行数据读写 单一的读写头或者分立的读写头(一读一写) 读写的时候，磁头静止，盘在下方高速旋转 写机制 电流通过线圈产生磁场 脉冲电流送至磁头 磁头下的表面记录磁象 读机制(传统) 磁场

2、相对线圈运动产生电流 读机制(当前) 单独的读磁头 半屏蔽磁阻感应器 电阻大小取决于磁场的方向 支持高频度的操作,S.J.T.U.,感应式写/磁阻式读,S.J.T.U.,数据组织和格式化,同心圆环(磁道) 相邻磁道之间有间隙 磁道被划分为多个扇区 通常几十或上百扇区 最小的块长为一个扇区 几乎通用512字节 数据以块为最小单位传入传出磁盘,S.J.T.U.,磁盘数据分布,S.J.T.U.,磁盘速度,靠近旋转中心的数据位经过固定点(磁头)的速度要比边缘的数据位慢 恒定角速度(constant angular velocity) 增大外层数据的信息位间隔 构造简单，将磁头移至指定磁道，等待扇区即可

3、 浪费了外层磁道的数据容量 多区段记录(multiple zone recording) 每个区段包含一个或多个磁道 在区段内，每个磁道的位数是固定的 远离中心的区段比靠近中心的区段容纳更多的位 更复杂的电路,S.J.T.U.,磁盘盘面布局,S.J.T.U.,Multiple Zone Recording,S.J.T.U.,寻找扇区,需要确定磁道的起始位置以及扇区的起点和终点 格式化磁盘 附加用户不可见的数据 标记磁道和扇区,S.J.T.U.,温彻斯特硬盘磁道格式(ST506),S.J.T.U.,物理特性,固定或可移动的磁头 可插拔或固定 单面或双面 单盘片或多盘片 磁头机制 接触式(软盘)

4、固定间隙 飞行(温彻斯特),S.J.T.U.,固定或可移动磁头,固定磁头 每磁道一个读写头 所有读写头安装在一个固定支架上 可移动磁头 每面只有一个读写头 读写头固定在一个可伸缩的支架上,S.J.T.U.,多盘片,每面一个磁头 磁头与圆心等距地固定在支架上并一起移动 同圆心距的一组磁道称为一个柱面,S.J.T.U.,多盘片,S.J.T.U.,磁道和柱面,S.J.T.U.,温彻斯特硬盘,磁头越窄，数据密度越高，同时也要求磁头越接近盘片 磁盘旋转所产生的气压使磁头升高 磁头更贴近磁盘，可以使用更窄的磁头，数据密度更高 普遍使用，廉价 容量不断增大,S.J.T.U.,磁盘I/O传输时序,S.J.T.

5、U.,磁盘性能参数,寻道时间(Seek time) 移动支架使磁头对准所需磁道所花费的时间 当代硬盘一般几毫秒到十几毫秒 旋转延迟 磁道选定后，等待相关扇区旋转到磁头可读写的位置 平均而言，是磁盘旋转半周的时间 传送时间 磁盘数据的传送时间，取决于磁盘的旋转速率,S.J.T.U.,磁盘性能参数,传送时间 T = b / rN b：传送的字节数 r：磁盘旋转速率(转/秒) N：每磁道字节数 平均存取时间 Ta = Ts + 1/2r + b/rN Ts：平均寻道时间,S.J.T.U.,磁盘冗余阵列(RAID),Redundant Array of Independent Disks 7级标准 一

6、组物理磁盘，但在操作系统下视为单一逻辑驱动器 数据分布在一组物理磁盘上 可将校验信息存放在冗余磁盘空间上，以使得在磁盘损坏时可以恢复数据,S.J.T.U.,RAID0,没有冗余 数据分布在所有的磁盘上 数据条带以轮转方式映射到连续的阵列磁盘中 提高的速度 多个数据请求可能针对于不同的磁盘 并行磁盘访问 一组数据倾向于分布在多个磁盘上,S.J.T.U.,RAID0,S.J.T.U.,RAID0的数据映射,S.J.T.U.,RAID1,镜像磁盘 数据以轮转条带形式分布在多个磁盘上 每个条带映射到两个不同的磁盘上 读请求可以访问包含数据的两个磁盘的任意一个 写请求则需要更新两个磁盘，可以并行 数据恢

7、复简单 替换失效硬盘并镜像恢复 不存在停机时间 非常昂贵,S.J.T.U.,RAID1,S.J.T.U.,RAID2,磁盘同步旋转 非常小的条带 通常一个字或字节 通过各数据盘上的相应位计算纠错码 纠错码存放在校验盘上(通常采用汉明码，纠一位错) 大量的冗余 昂贵 未实际应用,S.J.T.U.,RAID2,S.J.T.U.,RAID3,类似于RAID2 无论阵列多大，只需一个冗余盘 使用所有数据盘同一位组计算奇偶校验位 eg：X4(i) = X3(i) X2(i) X1(i) X0(i) 损坏磁盘上的数据可通过其他磁盘恢复 eg：X1(i) = X4(i) X3(i) X2(i) X0(i),

8、S.J.T.U.,RAID3,S.J.T.U.,RAID4,每个磁盘独立操作 较长的数据条带 每个数据盘上的相应条带逐位计算校验条带 校验数据存放在校验盘上 写操作包含两次读和两次写 X4(i) = X4(i) X1(i) X1(i) 校验盘成为瓶颈,S.J.T.U.,RAID4,S.J.T.U.,RAID5,类似于RAID4 轮转方案将校验条带分布在所有的磁盘上 避免了RAID4种校验盘的瓶颈 至少三个磁盘,S.J.T.U.,RAID5,S.J.T.U.,RAID6,两种不同的奇偶计算 两种校验码以分开的块存放于不同的磁盘中 N个数据磁盘需要N+2块磁盘组成RAID6 较高的数据可用性 三个

9、磁盘同时故障才会引起数据丢失 更慢的写入速度,S.J.T.U.,RAID6,S.J.T.U.,光存储器 CD-ROM,最初用于存放音频 650M以上的容量，超过70分钟的音频 聚碳酸酯本体，镀高反射材料(铝) 通过“坑”和“台”存放数据 通过反射激光读取数据 螺旋式轨道 恒定的存储密度 恒定线速度,S.J.T.U.,CD操作,S.J.T.U.,CD-ROM的速度,音频CD只有一种速度 1.2米/秒 音轨总共5.27千米 5.27/1.2 = 4391秒 = 73.2分钟 其他情况下，速度用倍数来衡量 如：24x 其中，1x = 150KB/s 指的是最高的速度(可以降低),S.J.T.U.,C

10、D-ROM块格式,S.J.T.U.,CD-ROM上的随机访问,比较困难 移动读头到大致的位置 设定正确的读取速率 读取当前地址 微调至所需的位置,S.J.T.U.,CD-ROM的优点和缺点,优点 大容量(?) 容易大量生产 可更换 缺点 只读，不可修改 存取时间较长,S.J.T.U.,其他光学存储,CD-Recordable (CD-R) 一次性写入多次读出 兼容CD-ROM驱动器 适用于文件归档存储 CD-Rewritable (CD-RW) 可擦写 兼容大部分的CD-ROM驱动器 相变,S.J.T.U.,DVD (全称是？),Digital Video Disk Digital Versatile Disk 官方没有正式定义,S