第四講 存儲設(shè)備.ppt

計算機及外設(shè)維修維護 汪鳳麟聯(lián)系方式QQ 18585600EMAIL learningwang Mobil第四講存儲設(shè)備 存儲器的分類及工作原理半導體存儲器磁存儲器光存儲器 存儲器的分類及工作原理 存儲器的分類及工作原理 半導體存儲器 半導體存儲器 DRAM SRAM 半導體存儲器 DRAM 硬盤 半導體存儲器 ROM用于存儲固定數(shù)據(jù) 如BIOS等通常由生產(chǎn)廠商在出廠前通過專用設(shè)備寫入 半導體存儲器 固態(tài)盤存儲器SSD SolidStateDisk 沒有盤片 讀寫頭 旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 實際上是一種非易失性半導體存儲器 起工作原理與內(nèi)存有相似性 速度快 是普通磁盤的千倍以上成本問題 書上關(guān)于其成本高已經(jīng)解決 三大體系 NOR EEPROM NAND EEPROM 半導體存儲器 固態(tài)盤存儲器 半導體存儲器 固態(tài)盤存儲器 半導體存儲器 磁泡存儲器主要用于某些特殊領(lǐng)域如航空航天信息處理系統(tǒng)中的大容量數(shù)據(jù)存儲器 要求體積小 功耗低 高可靠 抗惡劣環(huán)境 主要有兩種材料 鐵氧體單晶片或石榴單晶片 鐵 鈷等與稀土金屬Gd的合金非結(jié)晶膜 半導體存儲器 電荷耦合器件存儲器CCD Charge CoupledDevice 半導體器件利用大規(guī)模集成電路的工藝制造集成度高 功耗低 工作速度快數(shù)碼攝影 攝像 半導體存儲器 電荷耦合器件存儲器 半導體存儲器 電荷耦合器件存儲器 半導體存儲器 電荷耦合器件存儲器 磁存儲器 磁存儲器 磁存儲器的特點優(yōu)點非易失性 可長期存儲存儲密度高 容量大R W速度快缺點機械部件易磨損存取速度較內(nèi)存還是有幾個數(shù)量級的差別功耗大 體積大 磁存儲 磁存儲原理屬于磁表面存儲器 以剩磁的狀態(tài)表示信息 磁表面 在帶狀或圓片狀的載體上涂敷一層薄磁性材料而成 其厚度一般在0 2 0 5微米之間 利用線圈制造磁場 讓磁場在次表面上通過 然后在磁表面上留下磁籌 剩磁 讀出來的時候就讓線圈在磁籌上通過 通過切割磁力線 產(chǎn)生感應(yīng)電流 從而把數(shù)據(jù)從磁表面上讀出來 硬磁盤存儲器 概述工作原理結(jié)構(gòu)組成及工作原理接口硬磁盤適配器磁道格式硬磁盤存儲器的發(fā)展 1概述 硬磁盤存儲器是計算機系統(tǒng)的主要外存儲器 世界第一臺硬盤驅(qū)動器 HDD 是1956年問世的IBM350 它由五十片直徑為24英寸的盤片組成 面密度為每平方英寸2KB 存儲容量僅5MB 轉(zhuǎn)速為1200轉(zhuǎn) min 磁頭是靜壓式 工作時需要向盤組壓人壓縮空氣 平均定位時間長達600毫秒 自那以后 硬盤驅(qū)動器經(jīng)歷了近40年的發(fā)展 技術(shù)取得了驚人的進步 硬盤從它誕生的第一天開始就作為計算機的外存儲設(shè)備 目前盡管受到來自光盤和半導體盤的激烈競爭和挑戰(zhàn) 但從數(shù)據(jù)存儲速度和產(chǎn)品價格兩方面比較 要把光盤從現(xiàn)在的70 80ms平均存取時間降到HDD現(xiàn)在已經(jīng)達到的20ms左右的水平 要把現(xiàn)在幾十倍于HDD價格的半導體盤降到現(xiàn)在HDD的價格水平 不是一件輕而易舉的事 同時HDD的性能 價格比還在飛速提高 因此 HDD在計算機各類外存儲設(shè)備的統(tǒng)治地位 至少短時期內(nèi)不會改變 特點存儲容量大隨機存儲數(shù)據(jù)速率高可靠性好分類按磁頭的工作方式分類按磁盤的可換性分類按磁盤尺寸分類按磁層分類按盤片數(shù)目分類 硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2工作原理 磁盤存儲器的數(shù)據(jù)讀 寫是靠磁頭和盤片來實現(xiàn)的 盤片是在圓形盤基表面上涂有一層磁介質(zhì)而制成的 工作時盤片在主軸電機驅(qū)動下勻速旋轉(zhuǎn) 讀 寫磁頭浮動在盤片上 數(shù)據(jù)是按磁道分布的 盤片上的磁道從外緣向圓心 按0 N順序編號 磁頭通過磁頭臂安裝在滑動小車上 在驅(qū)動和定位機構(gòu)控制下 磁頭沿盤片徑向作進 退運動 訪問相應(yīng)磁道 一般盤片的兩面都有讀 寫磁頭 多片盤的情況 各片盤上相同編號的磁道組成一個柱面 柱面的編號與磁道號相同 3結(jié)構(gòu)組成及工作原理 磁盤驅(qū)動動器主要有盤片 或盤組 主軸驅(qū)動機構(gòu) 磁頭 磁頭驅(qū)動和定位機構(gòu) 讀 寫電路接口及控制電路等組成 溫式盤的主要特點 1 把磁頭 小車 導軌 主軸和盤片等封裝在一個腔體內(nèi) 制成一個整體組件 稱之為HDA headdiskassembly 2 采用了質(zhì)量輕 浮力小的磁頭 采取了接觸起停方式 又稱CSS方式 contactstartstop 3 由于采用了接觸起停的方式 磁頭與盤面有磨擦 為了延長使用壽命 除了在主軸電機上裝有制動機構(gòu) 縮短停機摩擦過程外 盤面上還涂有一層潤滑劑 使CSS的次數(shù)由原來的1000次提高到10000次以上 4接口 常用的控制器有4種 ST 506 ST 412接口ESDISCSIIDEEIDE 對IDE的擴展 5硬磁盤適配器 連接主板和硬盤的接口電路 6磁道格式 記錄在盤面上的信息是串行排列在磁道上的 以字節(jié)為單位 一群相關(guān)的字節(jié)組成字節(jié)組 一系列字節(jié)組稱為記錄 一批相關(guān)的記錄組成文件 盤面上的信息是遵循一定的規(guī)律安排的 并加上了尋址信息 不同類型的磁盤驅(qū)動器 由于基本結(jié)構(gòu)上的區(qū)別 其尋址方式 磁道格式等都可能不同 就一般移動式磁頭的磁盤驅(qū)動器而言 當要訪問某一個記錄時 磁頭須從當前所處的磁道運動到指定的目標磁道 再等待被訪問的記錄塊旋轉(zhuǎn)到磁頭下 所有盤面上的磁頭是裝在同一個小車上作同步運動的 也就是說 每一瞬間各盤面上的磁頭均處于各自同一序號的磁道上 這些序號相同的磁道組成了一個柱面 與磁道編號一樣 零磁道所在的柱面為零柱面 1號磁道所在的柱面為1號柱面 依次類推 7硬磁盤存儲器的發(fā)展 硬磁盤驅(qū)動器的技術(shù)進步主要表現(xiàn)在下列幾個方面 一 降低浮動磁頭的高度60年代后 成功地研制了動壓浮動磁頭 這種磁頭是利用盤片旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的氣流而浮起的 浮動高度從20pm不斷地降低到lOOnm 二 采用伺服定位 提高磁道密度最初的硬盤驅(qū)動器用油壓機構(gòu)來驅(qū)動和機械方法定位磁頭 精度差 磁道密度僅為每英寸20道 后來磁頭驅(qū)動改進為步進電機 直流伺服電機 音圈電機 磁頭定位從簡單的開環(huán)控制到閉環(huán)伺服盤控制 數(shù)據(jù)道的嵌入伺服 光伺服 技術(shù)的進步 使磁道密度不斷提高 達到了每英寸5000道 甚至17000道 7硬磁盤存儲器的發(fā)展 三 采用接觸起停方式 CSS方式 和溫徹斯特技術(shù)1973年開始采用CSS技術(shù) 1976年出現(xiàn)了用溫徹斯特技術(shù)制成的硬盤驅(qū)動器 由于它的系列優(yōu)點 把磁盤技術(shù)推進到一個新的階段 四 采用磁阻磁頭 MR磁頭 提高面密度 為了提高磁記錄密度 磁頭技術(shù)是關(guān)鍵 傳統(tǒng)的感應(yīng)式磁頭經(jīng)歷了從鐵氧體磁頭到MIG整體型磁頭 到薄膜磁頭 到MR感應(yīng)薄膜磁頭的發(fā)展過程 1990 1991年 IBM公司首次將MR磁頭應(yīng)用在磁盤驅(qū)動器上 MR磁頭是利用磁致電阻效應(yīng)的磁頭 記錄密度達到每平方英寸2000MB 目前 容量大于1GB的磁盤驅(qū)動器中普遍應(yīng)用了MR磁頭 IBM的擴充式磁組 MRX 磁頭等技術(shù)使2 5英寸硬盤達到每盤面1 8GB的容量 1994年 又開發(fā)了利用旋閥效應(yīng) Spin Valve 的改進型巨磁阻效應(yīng)磁頭 GMR磁頭 進一步提高了面密度 達到前所未有的每片3 38GB的容量 五 采用先進的通道信號處理技術(shù)從通信的觀點看 磁記錄通道相當于通信系統(tǒng)的信道 由于脈沖擁擠效應(yīng)而使磁記錄通道中的信號產(chǎn)生干擾 把通信技術(shù)中的PRML PartialResponseMaximumLikelihood 信號處理方法應(yīng)用到數(shù)字磁記錄產(chǎn)品中來是1984年開始的 理論和實踐證明 PRML技術(shù)很適合于磁記錄通道 與傳統(tǒng)的 建立在RLLC碼和峰值檢測基礎(chǔ)上的磁記錄通道處理方法相比 記錄密度有明顯提高 1990年 PRMI 技術(shù)用到了硬盤驅(qū)動器上 與采用MR磁頭同時 PRML信號處理方法 可以確保讀出信號幅度 降低噪聲 使硬盤驅(qū)動器的面密度和存儲容量提高了30 50 數(shù)據(jù)傳輸率提高了30 40 PRML通道技術(shù)和MR磁頭一起代表了當前大容量計算機磁存儲讀通道領(lǐng)域的主要技術(shù) 六 媒體和盤基的改進媒體的改進經(jīng)歷了涂布媒體 電鍍媒體 濺射媒體的過程 盤基從鋁合金 玻璃 陶瓷 塑料到碳的發(fā)展過程 隨著計算機的微小型化 促使磁盤驅(qū)動器的微小型化 經(jīng)歷了盤徑從14英寸 8英寸 5 25英寸 3 5英寸 2 5英寸 1 8英寸 1 3英寸 驅(qū)動器厚度從82mm 41mm 25 4mm 17mm的演變過程 七 驅(qū)動器速度的提高主要包括縮短磁頭行程 提高主軸轉(zhuǎn)速 擴充讀 寫控制電路的高速緩沖存儲器的容量 改進接口技術(shù) 采用冗余磁盤陣列 RAID 等 平均存取時間從最早的600毫秒提高到目前的7 9毫秒 主軸轉(zhuǎn)速從每分鐘1200轉(zhuǎn)提高到7200轉(zhuǎn) 甚至12000轉(zhuǎn)以上 數(shù)據(jù)傳輸率從每秒8 8KB提高到111MB 磁盤陣列技術(shù) 在計算機系統(tǒng)中 主機半導體器件和CPU性能提高得很快 但是I O速度和CPU速度的不匹配一直是高性能計算機長期面臨的 日益嚴重的I O瓶頸問題 作為外存主要設(shè)備的磁盤驅(qū)動器 盡管在容量上和每Mb 兆位 價格上都有了明顯的進步 但磁盤驅(qū)動器的平均訪問時間 數(shù)據(jù)傳輸率等性能均受到盤片轉(zhuǎn)動和磁頭臂移動等機械動作的限制 單靠磁盤驅(qū)動器本身性能的改進 很難追綜主機速度的提高 因此 主機與磁盤子系統(tǒng)之間的瓶頸問題必須要從結(jié)構(gòu)上解決 磁盤陣列技術(shù)改變了構(gòu)成大容量磁盤子系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法 用多臺廉價的小溫式磁盤驅(qū)動器組成磁盤陣列 將并行處理的控制技術(shù)應(yīng)用到磁盤驅(qū)動器一級 改變了以往驅(qū)動器級的串行控制方式 一個磁盤陣列相當于一個大容量邏輯磁盤 用戶數(shù)據(jù)按一定的方式分散在陣列中的各個物理磁盤驅(qū)動器上 磁盤陣列技術(shù) 磁盤陣列技術(shù)的優(yōu)點 1 海量存儲能力2 高可靠性3 并行處理能力4 便于維護 RAID容錯技術(shù) 磁盤陣列是用多臺廉價小型磁盤驅(qū)動器連接起來組成 個邏輯空間 陣列中的磁盤驅(qū)動器越多 故障的概率也越高 丟失數(shù)據(jù)的可能性就越大 所以沒有磁盤冗余結(jié)構(gòu)的陣列是不可靠的 為了提高磁盤陣列工作的可靠性 不得不犧牲陣列的部分容量和I O帶寬 通常的作法是采用ECC錯誤檢測和校正 額外增加奇偶校驗盤 增加鏡像盤 三者結(jié)合解決可靠性問題 六種容錯結(jié)構(gòu) 1 RAID 0級RAID 0級支持不帶任何容錯能力的數(shù)據(jù)分塊 它具有最高的I O性能 但可靠性最差 2 RAID 1級RAID 1級使用數(shù)據(jù)分塊 校驗是用鏡像方式 但采用扇區(qū)一級的鏡像 它比單純使用鏡像盤的系統(tǒng)性能要好 它的缺點是對鏡像的讀寫降低了由數(shù)據(jù)分塊改善的I O性能 3 RAID 2級RAID 2級的校驗方式是海明碼方式 即采用海明碼錯誤校驗和位交叉技術(shù) 把數(shù)據(jù)按位交叉寫到若干個磁盤上 海明碼被編到每一個字符的位中 按位進行檢查 需要有多個校驗盤來檢測和校正錯誤 不像鏡像盤結(jié)構(gòu)那樣100 的冗余度 其系統(tǒng)冗余度為40 也就是說 對于一個有10個盤的小型陣列 至少需要4個校驗盤 RAID 2級可以很好地滿足具有大量順序I O請求的計算以及超級計算 至于微機或服務(wù)器則并不適宜 4 RAID 3級RAID 3級采用位交叉 數(shù)據(jù)校驗方式是奇偶校驗方式 只用一個奇偶校驗盤 同樣 數(shù)據(jù)按位交叉寫到幾個磁盤上 用一個校驗盤來識別一個數(shù)據(jù)錯誤 由控制器重構(gòu)數(shù)據(jù) 如果校驗盤損壞 可以重新計算校驗位將其恢復到一個新盤上去 因為只需要一個校驗盤 對于有10個盤的陣列 其系統(tǒng)冗余讀為1 10 因此實際存儲利用率比RAID 1和RAID 2高 成本也較低 但是有奇偶校驗盤讀寫的瓶頸問題 5 RAID 6級RAID 6級是一種采用分塊交叉技術(shù)和兩個磁盤驅(qū)動器容錯的磁盤陣列 由于它用兩個磁盤驅(qū)動器存放檢錯 糾錯冗余碼 即使發(fā)生雙盤出錯的情況 仍能保證數(shù)據(jù)的完整性和有效性 所以 RAID 6有很高的數(shù)據(jù)可靠性 另外 RAID 6中數(shù)據(jù)和校驗信息分塊交叉存儲在陣列中的各磁盤上 多個磁盤同時讀寫 I O傳輸率較高 但是 寫性能比RAID 5差 因為每次寫入數(shù)據(jù)時 要對三個驅(qū)動器訪問兩次 一個數(shù)據(jù)盤驅(qū)動器和兩個校驗盤驅(qū)動器 6 RAID 7級RAID 7用一個奇偶校驗盤驅(qū)動器 陣列中的所有磁盤驅(qū)動器 包括奇偶校驗盤驅(qū)動器同每一個主機接口 可能為多主機接口 間有獨立的控制和數(shù)據(jù)通道 因此可以對每一個驅(qū)動器完全獨立地進行訪問 RAID 7的主要優(yōu)點是速度快 它通過最小化訪問次數(shù) 優(yōu)化讀 寫請求 并用空間和時間局部性原則平滑集成單個用戶的隨機請求等 可獲得近似主存的I O性能 數(shù)據(jù)傳輸能力隨陣列中數(shù)據(jù)盤數(shù)量的增加而直線增加 7 RAID 10級RAID 10級采用分塊技術(shù)和鏡像存儲 分塊技術(shù) 使多個磁盤可并行讀寫 I 性能很高 鏡像存儲技術(shù)使得它的可靠性在所有磁盤陣列中是最高的 RAID 10實際上是RAID 1加上RAID 0 因此綜合了RAID 1和RAID 0的優(yōu)點 它的性能是所有RAID結(jié)構(gòu)中最好的 缺點是每次寫入數(shù)據(jù)時 要對兩個互為鏡像的磁盤進行寫入操作 因此寫代價比較高 4 EVENODD結(jié)構(gòu)EVENODD結(jié)構(gòu)是用兩個冗余盤存放檢錯 糾錯信息 是一種容雙磁盤錯的陣列結(jié)構(gòu) 所以為最優(yōu)冗余方案 光存儲器 CD CompactDisk優(yōu)點 存儲密度高 數(shù)據(jù)傳輸率高 數(shù)據(jù)保存時間長 信息位價格低光盤及光盤驅(qū)動器的分類光盤存儲原理光盤及光盤驅(qū)動器的主要參數(shù)光盤驅(qū)動器結(jié)構(gòu)光盤的預格式化 1 光盤及光盤驅(qū)