外存系统结构与性能标准版v.ppt

1、计算机硬件技术结构与性能教学课件（标准版） 易建勋 编著 清华大学出版社2011年5月,主讲：易建勋老师,第2页 共79页,第8章 外存系统的结构与性能,8.1 闪存的结构与性能【重点】 8.2 硬盘的结构与性能【重点】 8.3 光盘的结构与性能,主讲：易建勋老师,第3页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,8.1.1 闪存的基本类型 闪存从EEPROM技术发展而来。 优点：快速存储，永久存储，可利用现有的半导体工艺生产。 缺点：读写速度较DRAM慢，擦写次数有极限。 读写特性： 闪存以区块为单位进行数据擦除和写入; 区块大小为8KB128KB。,主讲：易建勋老师,第4页 共79页,8.1 闪

2、存的结构与性能,由于闪存不能以字节为单位进行数据的随机写入，因此闪存目前还不可能作为内存使用。 NOR（异或）型闪存 由Intel和AMD公司主导，用于程序储存和运行。 NOR闪存特点： 可随机读，但写操作按“块”进行。,主讲：易建勋老师,第5页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,NOR闪存适合于频繁随机读操作，并直接在闪存内运行。如BIOS芯片，手机存储芯片，交换机、路由器中的存储器等。 手机是NOR闪存应用的大户。,主讲：易建勋老师,第6页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,NAND（与非 ）型闪存： 大部分专利权掌握在东芝、三星、SanDisk等公司。 NAND闪存采用地址线和数据线

3、复用技术。 NAND闪存小数据块操作速度慢，而大数据块速度快。 NAND闪存主要用来存储资料，如U盘、数码存储卡、固态硬盘等。,主讲：易建勋老师,第7页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,8.1.2 闪存存储单元工作原理 闪存采用单晶体管设计，无需存储电容。 闪存结构： （1）SLC（单级储存单元）结构： 在1个存储单元存储1位数据。 （2）MLC（多级储存单元） 结构： 在1个存储单元中存储2位数据。,主讲：易建勋老师,第8页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,MLC通过不同级别的内部电压，在1个存储单元中记录2组位信息（00、01、11、10）。 MLC的记录密度比SLC提高了1倍。

4、但是，MLC电压变化频繁，使用寿命远低于SLC，MLC只能承受约1万次的擦写。 MLC需要更长的读写时间； SLC比MLC要快3倍以上。,主讲：易建勋老师,第9页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,NAND闪存和NOR闪存都采用MOS晶体管作为基本存储单元，不同的是构成存储阵列时，采用了不同的技术方式。 NAND闪存采用“与非”方式构成存储阵列； NOR闪存采用“异或”方式构成储存阵列。,主讲：易建勋老师,第10页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,闪存通过在浮空栅极上放置电子和清除电子来表示数据 浮空栅极中有电子时为“0”，无电子时为“1”。,主讲：易建勋老师,第11页 共79页,8.1

5、 闪存的结构与性能,在闪存存储单元中，当没有外部电流来改变存储单元中浮空栅极的电子状态时，浮空栅极就会一直保持原来状态，这也就保证了数据不会因为断电而丢失。,主讲：易建勋老师,第12页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,8.1.3 NOR闪存结构与性能 NOR闪存电路特点： (1) NOR闪存有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取数据。 (2) NOR闪存写入数据前，必须先将目标块内所有位都写为0（擦除操作）。 (3) NOR闪存可以单字节写入，但不能单字节擦除。 NOR闪存传输效率很高，适合存储程序代码，对大型数据文件应用显得力不从心。,主讲：易建勋老师,第13页 共79页,8.1 闪

6、存的结构与性能,8.1.4 NAND闪存结构与性能 NAND闪存接口位宽为8位或16位。 如韩国现代HY27UK08BGFM闪存芯片： 总容量为4GB，页面大小为（2KB+64B），8个I/O接口每次可以传输（2KB+64B）8=16.5KB数据。 NAND闪存采用地址/数据总线复用技术 大容量闪存一般采用32位地址总线。 NAND闪存的一个重要特点是闪存芯片容量越大，寻址时间越长。,主讲：易建勋老师,第14页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,NAND闪存与NOR闪存的性能比较,主讲：易建勋老师,第15页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,8.1.5 固态盘技术与性能 SSD（固态硬盘）

7、由存储单元和控制单元组成，存储单元采用闪存作为存储介质，控制单元采用高性能I/O控制芯片。 固态硬盘耗电量只有机械硬盘的5%左右，写入速度与机械硬盘相当，读取速度是机械硬盘的3倍。 成本与寿命是固态盘普及的最大问题。,主讲：易建勋老师,第16页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,固态硬盘在接口标准、功能及使用方法上，与机械硬盘完全相同。 固态硬盘没有机械部件，因而抗震性能极佳，同时工作温度很低。 固态硬盘与U盘的区别在于用途不同，U盘着眼于移动性，采用USB接口；固态硬盘着眼于赶超机械硬盘，采用SATA接口。,主讲：易建勋老师,第17页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,NAND闪存芯片技

8、术参数,主讲：易建勋老师,第18页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,3U盘存储技术 U盘是利用闪存、控制芯片和USB接口技术的一种小型半导体移动固态盘。,主讲：易建勋老师,第19页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,固态盘的基本组成,主讲：易建勋老师,第20页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,8.1.6 闪存卡技术与性能 闪存卡是在闪存芯片中加入专用接口电路的一种单片型移动固态盘。,主讲：易建勋老师,第21页 共79页,8.1 闪存的结构与性能,各种非易失性半导体存储器技术比较,主讲：易建勋老师,第22页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,8.2.1 硬盘基本组成 SATA接口硬盘

9、主要用于台式微机； SAS接口硬盘主要用于服务器； USB硬盘主要用作移动存储设备。 （1）硬盘呼吸孔 呼吸孔的作用是调节硬盘内部气压，使他与大气气压保持一致，避免剧烈的气压变化使硬盘顶盖突起或凹陷。,主讲：易建勋老师,第23页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,硬盘外观,伺服孔,呼吸孔,主讲：易建勋老师,第24页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,（2）盘片伺服孔 硬盘伺服孔用于磁头定位信号写入。 3硬盘内部组成 盘片组件 磁头组件 控制电路板（PCB） 盘体和盖板等。,主讲：易建勋老师,第25页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,硬盘基本组成,盘片组件,磁头组件,盘体组件,电路组件,

10、主讲：易建勋老师,第26页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,4盘片组件 盘片用铝合金作为基片，厚度大约1mm； 盘片数量在15片之间； 盘片尺寸与存储容量有关，2.5英寸的磁盘存储容量约为3.5英寸磁盘的一半左右； 主流产品为3.5英寸硬盘。,主讲：易建勋老师,第27页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,硬盘转速的提高带来了磨损加剧、温度升高、噪声增大等一系列负面影响。 5磁头组件 滑块和磁头 磁头传动臂组件 前置放大器 磁头悬架组件 音圈电机等,主讲：易建勋老师,第28页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,硬盘磁头组件,主讲：易建勋老师,第29页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,

11、6控制电路板组件 控制电路芯片 主控制芯片 电机控制芯片 高速数据缓存芯片 数据物理层读取芯片 固件芯片等,主讲：易建勋老师,第30页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,8.2.2 硬盘工作原理 硬盘采用温彻斯特（Winchester）技术，它采用密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而且不与盘片直接接触。 硬盘必须在净室环境中生产。,主讲：易建勋老师,第31页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,2硬盘数据存储原理 硬盘盘片由铝质合金和磁性材料组成。 硬盘利用磁记录位的极性来记录二进制数据位。 如将南极表示数字“0”，北极表示为“1”。 硬盘利用

12、一个很小区域组成一个同一方向的“磁记录位”（小于100nm）,主讲：易建勋老师,第32页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,直流平衡问题： 当出现长串的连续“1”或连续“0”信号时，接收端无法从收到的数据流中提取位同步信号。 编码的目的是解决直流平衡，使“0”与“1”的编码个数相当。 硬盘普遍采用RLL（运行长度受限）编码方式记录磁信号。,主讲：易建勋老师,第33页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,3磁头飞行间隙的控制 盘片高速旋转产生的气流相当强，它使磁头升起与盘面保持一个微小的距离。磁头飞行高度约为10nm左右,主讲：易建勋老师,第34页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,4硬盘读

13、操作工作原理 早期硬盘采用读写合一的电磁感应式磁头。 目前采用读/写分离的GMR和TMR磁头。 GMR磁头利用“磁阻效应”，即磁头中导体的电阻值，会随盘片上磁场的变化而变化。 目前硬盘读操作采用GMR磁头，而写操作仍采用传统的磁感应磁头。,主讲：易建勋老师,第35页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,硬盘磁头读/写原理,主讲：易建勋老师,第36页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,5硬盘写操作工作原理 写操作原理 电流通过导体时，围绕导体会产生一个磁场。当电流方向改变时，磁场的极性也会改变。,主讲：易建勋老师,第37页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,8.2.3 硬盘电路结构 硬盘电路

14、结构有： DSP（数字信号处理）芯片； 磁头组件电路； 主轴电机/音圈电机控制电路； 高速缓存等。,主讲：易建勋老师,第38页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,8.2.4 硬盘逻辑结构 逻辑结构：盘片上信号存储格式。,主讲：易建勋老师,第39页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,磁道 盘片最外圈为0道，最内圈为n道。 扇区 每个扇区可以存储512B信息。 扇区分为两部分，一部分为ID地址段；另一部分是用户数据段。 伺服扇区 指磁道和扇区定位信息，一般写入格雷码信息，根据格雷码可以对某一个磁道的某一扇区进行精确定位。,主讲：易建勋老师,第40页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,柱面 数

15、据按柱面进行读/写，不是按磁道进行读/写。 簇 操作系统分配磁盘存储空间的最小单位。在Windows 2000/XP/Vista操作系统中，缺省情况下每簇为4KB。 寻址方式 硬盘为线性寻址，即以扇区为单位进行寻址。,主讲：易建勋老师,第41页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,LBA（逻辑块寻址）模式 BIOS中的柱面、磁头、扇区等参数，并不是硬盘的实际物理参数。 硬盘容量=LBA512 硬盘中部分存储空间对用户是隐藏的； 隐藏部分包括固件区和替代缺陷扇区的保留区。,主讲：易建勋老师,第42页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,固件区：保存若干程序模块和硬盘参数。,主讲：易建勋老师,第4

16、3页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,8.2.5 固件与缺陷表 固件功能 硬盘初始化、伺服信息或伺服字段参数、硬盘低级格式化、固件微代码（操作程序）、配置表、硬盘缺陷表等。,主讲：易建勋老师,第44页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,硬盘生产过程极其精密，很难做到100%完美，盘面或多或少存在一些缺陷。 P-List（基本缺陷列表） 硬盘出厂前通过低级格式化，自动找出所有缺陷磁道和缺陷扇区，记录在P-List中，操作系统和用户不能使用它们。 硬盘基本缺陷表记录有一定数量的缺陷，少则数百，多则数以万计。,主讲：易建勋老师,第45页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,G-List（增长缺

17、陷表） 硬盘使用中，会出现一些新的缺陷扇区。为了减少硬盘返修率，厂商在硬盘内设计了一个自动修复机制。在硬盘读写过程中，如果发现一个缺陷扇区，则自动分配一个备用扇区来替换该缺陷扇区，并将缺陷扇区及其替换情况记录在G-List中，这样，少量的缺陷扇区对用户的使用没有太大的影响。,主讲：易建勋老师,第46页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,P-List和G-List表无法用标准ATA硬盘指令来获取以及修改。 专业硬盘修复工具软件（如PC-3000）需要装载不同的固件模块才能对它们进行操作。,主讲：易建勋老师,第47页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,8.2.6 硬盘接口类型 1IDE接口 I

18、DE接口采用ATA标准，也称为PATA。,主讲：易建勋老师,第48页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,2SATA接口 SATA采用低压差分信号传输。 SATA双工通信由两个单工信道组成，一个用于发送信号（写数据），一个用于接收信号（读数据），每个单工信道需要2根数据线，SATA共需要4根数据线。,主讲：易建勋老师,第49页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,硬盘接口类型,主讲：易建勋老师,第50页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,SATA采用点对点方式进行数据传输 SATA信号接口采用7针“L”型连接器 SATA 2.0标准最大接口速率为3.0Gbit/s SATA最大线路连接长度为

19、1m SATA提供+12V、+5V和+3.3V的电压,主讲：易建勋老师,第51页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,3eSATA接口 eSATA接口采用平直型“一”字形接口。 采用屏蔽信号线，eSATA连接长度达2m。 SATA只能插拔 几十次，eSATA 能插拔2000次左右。,主讲：易建勋老师,第52页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,4SCSI接口 SCSI接口用于服务器硬盘，它能连接多个设备。 SCSI硬盘的CPU占用率极低，但是SCSI硬盘较贵，因此SCSI接口处于淘汰趋势。,SCSI接口,主讲：易建勋老师,第53页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,5SAS接口 SAS（串

20、行连接SCSI）是SCSI的串行版。 SAS和SATA在物理上和电气上有兼容性。,主讲：易建勋老师,第54页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,8.2.7 硬盘设计技术 1垂直磁记录技术 垂直磁记录技术将磁场方向改变了90度，磁记录垂直于盘面的磁场，增加了磁盘整体存储容量。 采用垂直磁记录技术，硬盘的基本工作原理和结构都没有发生改变，重要的技术变革在于磁介质、磁头和读写电子器件上。,主讲：易建勋老师,第55页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,硬盘水平和垂直磁记录技术,水平磁记录,垂直磁记录,主讲：易建勋老师,第56页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,2多层磁盘结构技术 磁盘表面采用了

21、特殊激光防滑齿保护层。 记录层采用氧化铬覆盖（磁性材料）或钴层。 磁盘一般采用1个记录层和12个稳定层。,主讲：易建勋老师,第57页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,4硬盘数据保护技术 S.M.A.R.T.（自监测、分析及报告）技术： 由硬盘监测电路对磁头、磁盘、电机、电路等进行监测。硬盘运行出现安全值范围以外的情况时，硬盘自动向用户发出警告，并自动降低硬盘运行速度，将重要数据文件转存到其它安全扇区。,主讲：易建勋老师,第58页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,S.M.A.R.T.只要硬盘电源开着，每隔8小时就会做一次扫描、分析与修复动作。 S.M.A.R.T. 只能监测渐发性故障，对

22、突发性故障，如磁头突然断裂等，这种技术也无能为力。,主讲：易建勋老师,第59页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,8.2.8 RAID磁盘阵列技术 改进磁盘性能的方法： 磁盘高速缓存技术 RAID（廉价磁盘冗余阵列）技术 小型RAID由2个硬盘和RAID控制卡组成 大型RAID由专用计算机和几十个磁盘组成 RAID级别大小并不代表技术的高低,主讲：易建勋老师,第60页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,小型磁盘阵列,主讲：易建勋老师,第61页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,3RAID 0条带技术 RAID 0采用无数据冗余的条带化存储技术 性能提高80%；硬盘利用率95%；无纠错。,

23、数据条带,主讲：易建勋老师,第62页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,4RAID 1镜像技术 RAID 1采用数据镜像技术。 无性能提高；硬盘利用率50%；数据备份。,数据镜像,主讲：易建勋老师,第63页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,5RAID 5校验技术 RAID 5对硬盘数据进行纠错校验。 性能提高70%；硬盘利用率90%；可纠错。,主讲：易建勋老师,第64页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,8.2.9 硬盘主要技术性能 单碟容量是衡量硬盘技术的一个主要指标。 硬盘单碟容量增加后速度反而加快了。 硬盘转速越快，发热量和噪声越大。 平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间 硬

24、盘平均寻道时间在8ms左右。 硬盘7200rpm时，平均等待时间为4.167ms,主讲：易建勋老师,第65页 共79页,8.2 硬盘的结构与性能,目前内部数据传输速率为80150MB/s 高转速硬盘采用小尺寸盘片控制能耗和噪音。,主讲：易建勋老师,第66页 共79页,8.3 光盘的结构与性能,8.3.1 光盘的类型与结构 光盘读写原理： 只读光盘，如DVD-ROM； 1次刻录光盘，如DVD-R； 反复读写光盘，如DVD-RW、DVD-RAM。 光盘容量： CD-ROM容量为650MB； DVD-ROM容量为4.7-17GB； BD-ROM容量为23-27GB。,主讲：易建勋老师,第67页 共7

25、9页,8.3 光盘的结构与性能,光盘由保护层（透明塑料涂层）、反射层（镀铝涂层）、塑料基板层（数据记录）、标签层（光盘屏蔽保护）等组成。,主讲：易建勋老师,第68页 共79页,8.3 光盘的结构与性能,只读光盘物理结构 光盘每扇区为2KB 光盘最内圈光道为起始扇区（1号扇区） 光盘数据存储原理：光盘中每个沟槽边缘代表数据“1”，其它地方代表数据“0”。,主讲：易建勋老师,第69页 共79页,8.3 光盘的结构与性能,8.3.2 一次性写光盘的物理结构 BD-R/DVD-R/CD-R都是一次性写光盘（刻录光盘） 刻录光盘中，有一种有机染料，它在高温下会发生分子排列变化，可以用来记录数据。,主讲：

26、易建勋老师,第70页 共79页,8.3 光盘的结构与性能,刻录工作原理： DVD-R光盘在刻录过程中，刻录机激光头按数据脉冲信号发出高能量激光。激光透过光盘表面的透明层，使有机染料局部熔化。光照冷却后，有机染料的透光性在一些局部遭到了永久性破坏，没有受到激光照射的局部则呈现良好的透光率，这样就在DVD-R光盘上形成了永久的数据记录点。,主讲：易建勋老师,第71页 共79页,8.3 光盘的结构与性能,8.3.3 可读写光盘物理结构 BD-R/DVD-R/CD-R刻录原理： 利用有机染料在高温下会发生分子排列变化来记录数据。 DVD-R需要连续写入，但是存储在DVD-R中的数据可以随机读出。 BD-RW/DVD-RW/CD-RW刻录原理： 一些特殊晶体材料在不同温度下分别呈结晶态与非结晶态，使用不同功率的激光对它们照射，就可以使晶体材料发生相变。,主讲：易建勋老师,第72页 共7