《外部存储器》PPT课件

上 海 交 通 大 学外部存储器陆海宁 S.J.T.U. 外部存储器的类型v磁盘 RAIDv光存储器 CD-ROM CD-Recordable (CD-R) CD-R/W DVDv磁带存储器 S.J.T.U. 磁盘v涂有磁性材料的衬底圆盘v衬底传统上使用铝或铝合金v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v通过被称为“磁头”的导电线圈进行数据读写v单一的读写头或者分立的读写头(一读一写)v读写的时候，磁头静止，盘在下方高速旋转v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v读机制(传统)磁场相对线圈运动产生电流v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v同心圆环(磁道)相邻磁道之间有间隙v磁道被划分为多个扇区通常几十或上百扇区v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v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v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，等待扇区即可浪费了外层磁道的数据容量v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v需要确定磁道的起始位置以及扇区的起点和终点v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v固定或可移动的磁头v可插拔或固定v单面或双面v单盘片或多盘片v磁头机制接触式(软盘)固定间隙飞行(温彻斯特) S.J.T.U. 固定或可移动磁头v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v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v每面一个磁头v磁头与圆心等距地固定在支架上并一起移动v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v磁头越窄，数据密度越高，同时也要求磁头越接近盘片v磁盘旋转所产生的气压使磁头升高v磁头更贴近磁盘，可以使用更窄的磁头，数据密度更高v普遍使用，廉价v容量不断增大 S.J.T.U. 磁盘I/O传输时序 S.J.T.U. 磁盘性能参数v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v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v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v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v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)vRedundant Array of Independent Disksv7级标准v一组物理磁盘，但在操作系统下视为单一逻辑驱动器v数据分布在一组物理磁盘上v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. RAID0v没有冗余v数据分布在所有的磁盘上v数据条带以轮转方式映射到连续的阵列磁盘中v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. RAID1v镜像磁盘v数据以轮转条带形式分布在多个磁盘上v每个条带映射到两个不同的磁盘上v读请求可以访问包含数据的两个磁盘的任意一个v写请求则需要更新两个磁盘，可以并行v数据恢复简单替换失效硬盘并镜像恢复不存在停机时间v非常昂贵 S.J.T.U. RAID1 S.J.T.U. RAID2v磁盘同步旋转v非常小的条带通常一个字或字节v通过各数据盘上的相应位计算纠错码v纠错码存放在校验盘上(通常采用汉明码，纠一位错)v大量的冗余昂贵未实际应用 S.J.T.U. RAID2 S.J.T.U. RAID3v类似于RAID2v无论阵列多大，只需一个冗余盘v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)v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) S.J.T.U. RAID3 S.J.T.U. RAID4v每个磁盘独立操作v较长的数据条带v每个数据盘上的相应条带逐位计算校验条带v校验数据存放在校验盘上v写操作包含两次读和两次写 X4(i) = X4(i) X1(i) X1(i)v校验盘成为瓶颈 S.J.T.U. RAID4 S.J.T.U. RAID5v类似于RAID4v轮转方案将校验条带分布在所有的磁盘上v避免了RAID4种校验盘的瓶颈v至少三个磁盘 S.J.T.U. RAID5 S.J.T.U. RAID6v两种不同的奇偶计算v两种校验码以分开的块存放于不同的磁盘中vN个数据磁盘需要N+2块磁盘组成RAID6v较高的数据可用性三个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-ROMv最初用于存放音频v650M以上的容量，超过70分钟的音频v聚碳酸酯本体，镀高反射材料(铝)v通过“坑”和“台”存放数据v通过反射激光读取数据v螺旋式轨道v恒定的存储密度v恒定线速度 S.J.T.U. CD操作 S.J.T.U. CD-ROM的速度v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v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. CD-ROM块格式 S.J.T.U. CD-ROM上的随机访问v比较困难v移动读头到大致的位置v设定正确的读取速率v读取当前地址v微调至所需的位置 S.J.T.U. CD-ROM的优点和缺点v优点大容量(?)容易大量生产可更换v缺点只读，不可修改存取时间较长 S.J.T.U. 其他光学存储vCD-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vCD-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？)vDigital Video DiskvDigital Versatile Diskv官方没有正式定义 S.J.T.U. DVD技术v可双层(或多层)反射层上半反射层，容量几乎翻倍v高容量 (4.7GB/层)更短的激光波长更小的圈间间隙更小的凹坑间距v可用双面vDVD视频盘包含地区代码 S.J.T.U. CD和DVD S.J.T.U. 磁带v顺序访问v更高的容量v速度缓慢v备份存储 S.J.T.U. 蛇形读写