辅存及磁盘阵列.ppt

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1、4.4 辅助存储器,一、概述 1. 特点：不直接与 CPU 交换信息 2. 磁表面存储器的技术指标 (1) 记录密度 道密度 Dt：沿磁盘半径方向长度上的磁道数 道密度磁道数/存储区域的长度 单位：道/英寸（TPI）；道/毫米（TPM） 位密度 Db：位密度是磁道单位长度上可以记录的二进制代码数位。 位密度磁道容量/内圈的周长 单位：位/英寸（BPI）；位/毫米（BPM）,4.4,几个概念,记录面：磁盘片表面称为记录面。 磁道：记录面上一系列同心圆称为磁道。它的编址是由外向内依次编号，最外一个同心圆叫做零磁道。 柱面：所有记录块上半径相等的磁道的集合称为柱面，一个磁盘组的柱面数等于其中一个记录

2、面上的磁道数。 扇区：将每一个记录面分成若干个区域，每一个区域称为一个扇区。 记录块：将每一个磁道分成若干个段，每段称为一个记录块或扇段。,4.4,磁盘的磁道和扇区,磁盘表面被分为许多同心圆，每个同心圆称为一个磁道。每个磁道都有一个编号，最外面的是0磁道,每个磁道被划分为若干段（段又叫扇区），每个扇区的存储容量为512字节。每个扇区都有一个编号,注：所谓磁盘的格式化操作，指在盘面上划分磁道和扇区，并在扇区中填写扇区号等信息的过程,近三十年来，扇区大小一直是512字节。但最近几年正迁移到更大、更高效的4096字节扇区，通常称为4K扇区。国际硬盘设备与材料协会（IDEMA）将之称为高级格式化。,如

3、何增大磁盘片的容量？,提高盘片上的信息记录密度！ 增加磁道数目提高磁道密度 增加扇区数目提高位密度，并采用可变扇区数,早期的磁盘所有磁道上的扇区数相同，所以位数相同，内道上的位密度比外道位密度高,现代磁盘磁道上的位密度相同，所以，外道上的扇区数比内道上扇区数多，使整个磁盘的容量提高,在此例中，每个磁道包含30个固定长度的扇段，每个扇段有600个字节(17+7+41+515+20=600)。,磁盘磁道的格式,2. 磁表面存储器的技术指标,（2）存储容量：磁盘存储器可以存储的总字节数 格式化容量：是可按照某个特定记录格式利用的磁化单元数，也是用户真正可以使用的容量 格式化容量记录面数每面的磁道数扇

4、区数记录块的字节数， 单位：KB或MB。 非格式化容量：是磁记录表面可以利用的磁化单元总数。 非格式化容量记录面数每面的磁道数磁道容量， 单位:KB或MB。 关系：格式化容量一般为非格式化6070,4.4,平均存取时间,硬盘的操作流程如下： 所有磁头同步寻道（由柱面号控制） 选择磁头（由磁头号控制） 被选中的磁头等待扇区到达磁头下方（由扇区号控制） 读写该扇区中的数据,（3）平均寻址时间：从读写命令发出后，磁头从某一起始位置出发移动到新的记录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息所需要的时间。 寻道时间：将磁头定位到所要求的磁道上所需要的时间 等待时间：等待磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间

5、平均寻址时间平均寻道时间平均等待时间。 平均寻道时间（最大寻道时间最小寻道时间）/2； 平均等待时间磁盘旋转一周所需时间的一半，即1/2（1/转速）。,2. 磁表面存储器的技术指标,4.4,磁盘上的信息以扇区为单位进行读写，平均存取时间为： T = 寻道时间 + 旋转等待时间 + 数据传输时间（忽略不计） 寻道时间磁头寻找到指定磁道所需时间(大约5ms) 旋转等待时间指定扇区旋转到磁头下方所需要的时间(大约46ms) ( 转速： 4200 / 5400 / 7200 / 10000rpm ) 数据传输时间( 大约0.01ms / 扇区 ),（4）数据传输率：磁盘存储器在单位时间能向主机传送的字

6、节数。 Dr = Db V 如果磁盘的旋转速度为每秒n转，每条磁道的容量为N个字节，则数据传输率 DrnN（B/s）,2. 磁表面存储器的技术指标,4.4,(5) 误码率:出错信息位数与读出信息的总位数之比 CRC循环冗余校验码,2. 磁表面存储器的技术指标,4.4,3、记录的地址格式,磁盘地址格式：对于活动头磁盘组，磁盘地址由记录面号（也称为磁头号）、磁道号和扇区号组成。一台主机如果配有几台磁盘机，则还要给它们编号，因此，磁盘地址格式为： 注意磁道号（柱面号）与记录面号的顺序。 如果有一个较大的文件，在某磁道、某记录面的所有扇区内存放不下时，应先改变记录面号（即换成与该磁道号对应的另一记录面

7、存放），这样可避勉磁头的机械运动影响存取速度。只有当磁道号（柱面号）对应的所有记录都存放不下时，才改变磁道号（柱面号）。,4.4,PC中的外存储器,线圈,写1：线圈通以正向电流，使呈N-S状态 写0：线圈通以反向电流，使呈S-N状态 读时：磁头固定不动，载体运动。因为载体上小的磁化单元外部的磁力线通过磁头铁芯形成闭合回路，在铁芯线圈两端得到感应电压。根据不同的极性，可确定读出为0或1。,不同的磁化状态被记录在磁盘表面,二、磁记录原理和记录方式,二、磁记录原理和记录方式,1. 磁记录原理,写,4.4,磁记录原理,读,4.4,磁表面信息读出过程,磁记录方式是一种编码方式，即按照某种规律，把待写入的

8、二进制信息转换成磁表面相应的磁化状态。实际就是将二进制信息转换成对应的写电流脉冲序列，写入电流波形的组成方式称为记录方式。 归零制（RZ，Return to Zero）记录方式中，写“1”时磁头线圈中加正向脉冲，写“0”时加负向脉冲。由于脉冲电流均要回到零，故称归零制 不归零制（NRZ，Non Return to Zero）：磁头线圈中始终有电源。写“1”时有正向电流，写“0”时有负向电流。由于磁头中电流不回到零，故称为不归零制。 见“1”就翻的不归零（NRZ1）这是一种改进的不归零制，记录“1”时，在位周期中间写电流改变方向；而记录“0”时，写电流方向维持不变，所以称之为见“1”就翻的不归零

9、制。,2. 磁表面存储器的记录方式,4.4,2. 磁表面存储器的记录方式,4.4,调相制（PE，Phase Encoding）：写“1”时，磁头线圈中的电流先正后负；写“0”时，电流先负后正。 调频制（FM，Frequency Modulation）：写“1”时，磁头线圈中的电流在位周期开始时改变一次方向，在位周期中间还要改变一次方向；写“0”时，磁头线圈中的电流只在位周期开始时改变一次方向。（差分曼彻斯特） 改进的调频制（MFM） 是对FM制改进，编码规则：记录“1”时，写电流在位周期中间改变方向；记录单独的一个“0”时，写电流不改变方向；记录连续的两个“0”时，写电流在位周期边界改变方向。

10、,2. 磁表面存储器的记录方式,4.4,2. 磁表面存储器的记录方式,4.4,例 NRZ1 的读出代码波形,4.4,三、硬磁盘存储器,1. 硬磁盘存储器的类型,(1) 固定磁头和移动磁头,(2) 可换盘和固定盘,2. 硬磁盘存储器结构,4.4,硬盘存储器的组成,磁记录介质：用来保存信息 磁盘驱动器：包括读写电路、读/写转换开关、读写磁头与磁头定位伺服系统等 磁盘控制器：包括控制逻辑、时序电路、“并串”转换和“串并”转换电路等。（用于连接主机与盘驱动器）,磁盘驱动器,磁盘控制器,硬盘存储器的逻辑结构,(1) 磁盘驱动器,4.4,(2) 磁盘控制器,接受主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令,

11、实现主机和驱动器之间的数据格 式转换,控制磁盘驱动器读写,4.4,硬盘控制器的逻辑结构,磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口 磁盘控制器与磁盘驱动器之间并没有明确的界线 ( 可以在 A点 / B点 / C点 ),服务器大多使用SCSI接口 PC机前几年大多使用IDE(ATA)接口 近两年PC机开始大量使用SATA接口,通过总线与主机连接,通过接口电缆与磁盘驱动器连接,(3) 盘片 磁层由非矩形剩磁特性的导磁材料（如氧化铁、镍钴合金）构成。导磁材料制成的磁胶涂敷或镀在载磁体上，厚度通常在0.15m。载磁体可以是金属合金（硬质载磁体）或者塑料（软质载磁体）,冗余磁盘阵列(RAID),RAID的基

12、本思想： 将多个独立操作的磁盘按某种方式组织成磁盘阵列(Disk Array)，以增加容量，利用类似于主存中的多体交叉技术，将数据存储在多个盘体上，通过使这些盘并行工作来提高数据传输速度，并用冗余(redundancy)磁盘技术来进行错误恢复(error correction)以提高系统可靠性。 RAID特性： （1）RAID是一组物理磁盘驱动器，在操作系统下被视为一个单个逻辑驱动器。 （2）数据分布在一组物理磁盘上。 （3）冗余磁盘用于存储校验信息，保证磁盘万一损坏时能恢复数据。 RAID级别 目前已知的RAID方案分为8级（0-7级），以及RAID10（结合0和1级）和RAID30 （结合

13、0和3级）和 RAID50 （结合0和5级） 。但这些级别不是简单地表示层次关系，而是表示具有上述3个共同特性的不同设计结构。,系统总体性能的提高不匹配 处理器和主存性能改进快 辅存性能性能改进慢*可靠性(Reliability) 所用措施：RAID-Redundant Arrays of Inexpensive Disk （磁盘冗余阵列）,冗余磁盘阵列 ( RAID 0 ),不遵循特性(3)，所以无冗余。适用于容量和速度要求高的非关键数据存储的场合 与单个大容量磁盘相比有两个优点： (1) 连续分布或大条区交叉分布时，如果两个I/O请求访问不同盘上的数据，则可并行发送。减少了I/O排队时间。

14、具有较快的I/O响应能力。 (2) 小条区交叉分布时，同一个I/O请求有可能并行传送其不同的数据块(条区)，因而可达较高的数据传输率。例如，可以用在视频编辑和播放系统中，以快速传输视频流,冗余磁盘阵列 ( RAID 1 ),镜像盘实现1对1冗余(100% redundancy) （1）读：一个读请求可由其中一个定位时间更少的磁盘提供数据。 （2）写：一个写请求对应的两个磁盘并行更新。故写性能由两次中较慢的一次写来决定，即定位时间更长的那一次。 （3）检错：数据恢复很简单。当一个磁盘损坏时，数据仍能从另一个磁盘中读取。 特点；可靠性高，但价格昂贵。 常用于可靠性要求很高的场合，如系统软件的存储，

15、金融、证券等系统。,冗余磁盘阵列 ( RAID2 ),用海明校验法生成多个冗余校验盘，实现纠正一位错误、检测两位错误的功能。 采用条区交叉分布方式，且条区非常小（有时为一个字或一个字节）。这样，可获得较高的数据传输率，但I/O响应时间差。 采用海明码，虽然冗余盘的个数比RAID1少，但校验盘与数据盘成正比。所以冗余信息开销还是太大，价格也较贵 读操作性能高（多盘并行）。 写操作时要同时写数据盘和校验盘。,RAID2已不再使用！,为什么？,冗余磁盘阵列 ( RAID 3 ),采用奇偶校验法生成单个冗余盘。 与RAID 2相同，也采用条区交叉分布方式，并使用小条区。这样，可获得较高的数据传输率，但

16、I/O响应时间差。为什么？ 用于大容量的 I/O请求的场合，如：图像处理、CAD 系统中。 某个磁盘损坏但数据仍有效的情况，称为简化模式。此时损坏的磁盘数据可以通过其它磁盘重新生成。数据重新生成非常简单，这种数据恢复方式同时适用于RAID3、4、5级。,冗余磁盘阵列 ( RAID 4 ),用一个冗余盘存放相应块（较大的数据条区）的奇偶校验位。 采用独立存取技术，每个磁盘的操作独立进行，所以可同时响应多个I/O请求。因而它适合于要求I/O响应速度块的场合。 对于写操作，校验盘成为I/O瓶颈，因为每次写都要对校验盘进行。 少量写（只涉及个别磁盘）时，有“写损失”，因为一次写操作包含两次读和两次写

17、大量写（涉及所有磁盘的数据条区）时，则只需直接写入奇偶校验盘和数据盘。因为奇偶校验位可全部用新数据计算得到。而无须读原数据,RAID 3/4/5的数据恢复与RAID4的少量写,RAID3/4/5的数据恢复操作 假定考虑一个有5个磁盘的阵列，X0到X3保存数据，p是奇偶校验盘，奇偶校验的第i位计算公式如下： p(i)=X3(i)X2(i) X 1(i) X0(i) 若磁盘X0损坏，上述等式两边同时异或p(i) X0(i)，则得到以下等式： X0(i)= p(i) X3(i) X2(i) X1(i) 因此，在阵列中，某一数据磁盘中的任何一个数据条区的内容都能从剩余磁盘的相应条区中重新生成,RAID

18、4的少量写操作 假定考虑一个有5个磁盘的阵列，X0到X3保存数据，P是奇偶校验盘，初始时对每位i有下列关系式： p(i)= X3(i) X2(i) X1(i) X0(i) 写操作后，可能改变的位数表示如下： P (i) = X3(i) X2(i) X1(i) X0(i) = X3(i) X2(i) X1(i) X0(i) X0(i) X0(i) 化简后得到： p(i)= p(i) X0(i) X0(i) 由此可见，要更新一个X0(i)，必须先读p(i)和X0(i)，然后写X0(i)和p (i),冗余磁盘阵列 ( RAID 5 ),与RAID 4组织方式类似，只是奇偶校验块分布在各个磁盘中，所以

19、所有磁盘地位等价，这样可提高容错性，并且避免了使用专门校验盘时潜在的I/O瓶颈。 与RAID 4一样，采用独立的存取技术，因而有较高的I/O响应速度。 小数据量的操作可以多个磁盘并行操作 成本不高但效率高，所以被广泛使用,P块为校验块，分布在不同的磁盘中,冗余磁盘阵列 ( RAID 6 ),冗余信息均匀分布在所有磁盘上，而数据仍以块交叉方式存放 双维块交叉奇偶校验独立存取盘阵列，容许双盘出错 它是对RAID 5的扩展，主要是用于要求数据绝对不能出错的场合 由于引入了第二种奇偶校验值，对控制器的设计变得十分复杂，写入速度也比较慢，用于计算奇偶校验值和验证数据正确性所花费的时间比较多 RAID 6

20、级以增大开销的代价保证了高度可靠性,P0代表第0条区的奇偶校验值，而PA代表数据块A的奇偶校验值,冗余磁盘阵列 ( RAID 7 ),带Cache的盘阵列 在RAID6的基础上，采用Cache技术使传输率和响应速度都有较大提高 Cache分块大小和磁盘阵列中数据分块大小相同，一 一对应 有两个独立的Cache，双工运行。在写入时将数据同时分别写入两个独立的Cache，这样即使其中有一个Cache出故障，数据也不会丢失 写入磁盘阵列以前，先写入Cache中。同一磁道的信息在一次操作中完成 读出时，先从Cache中读出，Cache中没有要读的信息时，才从RAID中读,Cache和RAID技术结合，弥补了RAID的不足（如：分块的写请求响应性能差等），从而以高效、快速、大容量、高可靠性，以及灵活方便的存储系统提供给用户,