硬盤存儲(chǔ)之基礎(chǔ)知識(shí)

1、存儲(chǔ)技術(shù)與產(chǎn)品基礎(chǔ)存儲(chǔ)硬盤基礎(chǔ)知識(shí)目錄 硬件結(jié)構(gòu) 工作原理 主要參數(shù) 硬盤接口及發(fā)展介紹 目前主要使用的硬盤及型號(hào)編碼硬件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)主軸馬達(dá)主軸馬達(dá)(Spindle Motor)音圈馬達(dá)音圈馬達(dá)(Voice Coil Motor)磁頭磁頭基座基座(Base Plate)磁頭停放區(qū)磁頭停放區(qū)(Parking Zone)盤片盤片(Media)傳動(dòng)部件傳動(dòng)部件接口接口硬件結(jié)構(gòu)：玻璃盤片和鋁合金盤片硬件結(jié)構(gòu)：玻璃盤片和鋁合金盤片玻璃盤片玻璃盤片優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)w 存儲(chǔ)密度高存儲(chǔ)密度高,容量大容量大w 磁盤壽命長(zhǎng)磁盤壽命長(zhǎng)w 抗沖擊的可靠性高抗沖擊的可靠性高GlassMedia缺點(diǎn)缺點(diǎn):w 價(jià)格昂貴價(jià)格昂貴w

2、 要使用磁頭加載要使用磁頭加載/卸載技術(shù)卸載技術(shù)鋁合金盤片鋁合金盤片優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)w 技術(shù)成熟技術(shù)成熟w 價(jià)格便宜價(jià)格便宜AluminumMedia缺點(diǎn)缺點(diǎn)w 對(duì)沖擊較為敏感對(duì)沖擊較為敏感w 對(duì)溫度較為敏感對(duì)溫度較為敏感硬件結(jié)構(gòu)：硬盤磁頭技術(shù)硬件結(jié)構(gòu)：硬盤磁頭技術(shù) 磁頭(Head) 磁道(Track) 柱面(Cylinder) 扇區(qū)(Sector)扇區(qū)1磁道n磁道0磁道硬件結(jié)構(gòu)：磁頭與柱面硬件結(jié)構(gòu)：磁頭與柱面硬件結(jié)構(gòu)：硬盤受撞擊硬件結(jié)構(gòu)：硬盤受撞擊 15 of 23硬件結(jié)構(gòu)：磁道硬件結(jié)構(gòu)：磁道 1磁道n磁道硬件結(jié)構(gòu)：扇區(qū)硬件結(jié)構(gòu)：扇區(qū) 扇區(qū)工作原理工作原理磁盤表面磁盤表面主軸馬達(dá)帶動(dòng)主軸馬達(dá)帶動(dòng)磁盤

3、旋轉(zhuǎn)磁盤旋轉(zhuǎn)讀寫磁頭在磁盤讀寫磁頭在磁盤表面上方飛行表面上方飛行 硬盤最基本的功能就是存儲(chǔ)電腦資料,并且當(dāng)需要時(shí)讀取出來供電腦運(yùn)算與處理磁場(chǎng)資料磁場(chǎng)資料讀寫磁頭讀寫磁頭磁記錄原理磁記錄原理 磁性材料層磁性材料層(Magnetic Film)金屬金屬性粒子呈性粒子呈不規(guī)則狀排列不規(guī)則狀排列盤盤片片線圈線圈(Coil)磁芯磁芯(Core)S N已磁化的金屬性粒子已磁化的金屬性粒子未磁化的金屬性粒子未磁化的金屬性粒子磁記錄原理磁記錄原理NSBinary 0(同性同性)Binary 1(異性異性)線圈線圈(Coil)磁芯磁芯(Core)磁性材料層磁性材料層(Magnetic Film)盤盤片片硬盤主要

4、參數(shù)硬盤主要參數(shù) 容量 轉(zhuǎn)速 緩存 平均訪問時(shí)間 尋道時(shí)間 內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率 外部數(shù)據(jù)傳輸率S.M.A.R.T.技術(shù) DFT技術(shù) MTBFAFR硬盤主要參數(shù)：容量硬盤主要參數(shù)：容量 容量(Capacity) 磁頭(Head) 磁道(Track) 柱面(Cylinder) 扇區(qū)(Sector)格式化容量 =柱面數(shù) X 每磁道扇區(qū)數(shù) X 磁頭數(shù) X 扇區(qū)字節(jié)數(shù) 扇區(qū)1磁道n磁道0磁道硬盤主要參數(shù)：轉(zhuǎn)速硬盤主要參數(shù)：轉(zhuǎn)速 硬盤主軸馬達(dá)轉(zhuǎn)速 單位為每分鐘轉(zhuǎn)速 (rpm) 主軸馬達(dá)轉(zhuǎn)速越快，就越快存取資料 目前大多數(shù)硬盤主軸馬達(dá)轉(zhuǎn)速： 5,400及7,200RPM(ATA), 7,200、10,000、及

5、15000RPM （SCSI）硬盤主要參數(shù)硬盤主要參數(shù) -緩存緩存 緩存 緩存是硬盤與外部總線交換數(shù)據(jù)的場(chǎng)所 硬盤上的記憶晶片用來暫時(shí)存放數(shù)據(jù)以增強(qiáng)硬盤性能 EDO、SDRAM硬盤主要參數(shù)硬盤主要參數(shù)平均訪問時(shí)間平均訪問時(shí)間l平均訪問時(shí)間：硬盤磁頭找到目標(biāo)數(shù)據(jù)的平均時(shí)間。l平均尋道時(shí)間：硬盤磁頭從一個(gè)柱面移動(dòng)到另一個(gè)柱 面所需要的平均時(shí)間。l平均潛伏時(shí)間(等待時(shí)間)：當(dāng)磁頭移動(dòng)到數(shù)據(jù)所在的磁道后，等待目標(biāo)扇區(qū)可用的平均時(shí)間。平均潛伏時(shí)間一般取盤片旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間的一半平均訪問時(shí)間 = 平均尋道時(shí)間 + 平均潛伏時(shí)間硬盤主要參數(shù)硬盤主要參數(shù)-尋道時(shí)間尋道時(shí)間 磁頭尋找資料所在軌道所需的時(shí)間 單位

6、為毫秒 (千分之秒) 時(shí)間越短表示讀寫資料的速度越快 最大尋道時(shí)間： 從最內(nèi)道到最外道或從最外道到最內(nèi)道所需時(shí)間 最小尋道時(shí)間： 磁頭從所在磁道移動(dòng)到相鄰磁道所需時(shí)間 平均尋道時(shí)間=（最大尋道時(shí)間+最小尋道時(shí)間）/3磁場(chǎng)資料磁場(chǎng)資料讀寫磁頭讀寫磁頭硬盤主要參數(shù)硬盤主要參數(shù)-內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率讀寫磁頭讀寫磁頭磁盤表面磁盤表面磁場(chǎng)資料磁場(chǎng)資料緩存緩存 數(shù)據(jù)從磁盤表面?zhèn)鬏數(shù)接脖P的緩存的速率 單位為每秒百萬位元 (Mbits/sec)硬盤主要參數(shù)硬盤主要參數(shù)-外部數(shù)據(jù)傳輸率外部數(shù)據(jù)傳輸率緩存緩存Cache)數(shù)據(jù)由緩存經(jīng)由介質(zhì)傳輸?shù)较到y(tǒng)主機(jī)的速率單位為 (Mbytes/sec)一定比內(nèi)部數(shù)據(jù)傳

7、輸速率快介面介面(Interface)S.M.A.R.T.技術(shù)技術(shù)Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology最早由Compaq 和 IBM推動(dòng), 目的是盡可能預(yù)測(cè)硬盤的可靠性，在硬盤損壞之前給用戶警告很多由硬盤部件功能性衰減的問題是可以預(yù)測(cè)的，通 過以下參數(shù)磁頭飛行高度 信息輸出效率 旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)間 尋道失敗率 尋道時(shí)間的效率 DFT技術(shù)技術(shù)DFT（Drive Fitness Test，驅(qū)動(dòng)器健康檢測(cè)）IBM公司為其PC硬盤開發(fā)的數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù),通過使用 DFT程序訪問IBM硬盤里的DFT微代碼對(duì)硬盤進(jìn)行檢測(cè)。DFT軟件是一個(gè)獨(dú)立的不依賴操

8、作系統(tǒng)的軟件，它可以在用戶其他任何軟件失效的情況下運(yùn)行?？煽啃灾笜?biāo)可靠性指標(biāo)-MTBF現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行生產(chǎn)階段耗損失效期偶然失效期早期失效期使用壽命入(t)tMTBF8760年返修率溫度對(duì)可靠性指標(biāo)的影響溫度對(duì)可靠性指標(biāo)的影響通常，硬盤的工作環(huán)境溫度為25402525262630303434383842424646505054545858626266667070環(huán)境溫度（）0 01 11.11.1溫度應(yīng)力因子通常硬盤：2400小時(shí)/年（6.5小時(shí)/天）（見下表）商用硬盤：4000小時(shí)/年（11小

9、時(shí)/天）高可靠性硬盤：8766小時(shí)/年（24小時(shí)/天）上電時(shí)間對(duì)可靠性指標(biāo)的影響上電時(shí)間對(duì)可靠性指標(biāo)的影響49249211281128176417642400240030363036367236724308430849444944558055806216621668526852748874888124812487608760每年上電時(shí)間0 00.50.51 11.51.52 22.52.5MTBF倍數(shù)Annualized Failure Rate (AFR)MTBF值：數(shù)字游戲？舉例：一個(gè)失效率是在“一年365天、一天24小時(shí)不間斷”循環(huán)工作條件下測(cè)出的，另一個(gè)是在“每天8小時(shí)不間斷”循環(huán)工作

10、條件下測(cè)出的，兩款產(chǎn)品的性能高低一下子就比較出來。AFR，“按年計(jì)算的失效率” ，與MTBF不同的是，AFR能夠更合理地反映磁盤驅(qū)動(dòng)器的失效率。AFR值是根據(jù)制造商每年回收的不合格產(chǎn)品占年度總產(chǎn)量的比例計(jì)算出來的，企業(yè)級(jí)磁盤驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品的AFR值一般都會(huì)控制在1%以下硬盤接口及發(fā)展介紹硬盤接口及發(fā)展介紹ATA接口SATA接口 SCSI接口 SAS接口FC接口 What are IDE？ IDE-Integrated Drive Electronics 電子集成驅(qū)動(dòng)器 Power連接器連接器M/S 跳線跳線40-pin連接器連接器What are ATA？ATA：Advanced Technolo

11、gy Attachment 高級(jí)技術(shù)附加裝置7個(gè)版本： ATA-1-ATA-7（ATA 133）速率基本上走到了極限 ATA數(shù)據(jù)傳輸模式數(shù)據(jù)傳輸模式PIO模式：模式：Programming Input/Output Model通過CPU執(zhí)行I/O端口指令來進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫的數(shù)據(jù)交換模式DMA模式：模式：Direct Memory Access 直接內(nèi)存訪問直接內(nèi)存訪問 不經(jīng)過CPU而直接從內(nèi)存了存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式 Ultra DMA：Ultra Direct Memory Access 高級(jí)直高級(jí)直接內(nèi)存訪問接內(nèi)存訪問增加了CRC（Cyclic Redundancy Check循環(huán)冗余碼校驗(yàn)

12、）技術(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸過程中的準(zhǔn)確What are SATA？SATA： Serial Advanced Technology Attachment 串行ATA這是一種完全不同于并行ATA的新型硬盤接口類型，由于采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)而得名。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、支持熱插拔、傳輸速率快的優(yōu)點(diǎn)2000年Intel聯(lián)合IBM、Maxtor、Seagate等廠商合作開發(fā)2002年Serial ATA 1.0標(biāo)準(zhǔn) 150MB/s 2005年Serial ATA II 300MB/s SATA傳輸機(jī)制傳輸機(jī)制利用單個(gè)路徑串行一位一位傳送數(shù)據(jù)，用另外一條路徑給發(fā)送端返回接收確認(rèn)的信號(hào)1500MHZ內(nèi)嵌時(shí)鐘*1（每個(gè)時(shí)

13、鐘周期一位）*80% (8b/10b編碼效率/8（每字節(jié)8位)=150MB/sSATA與與PATA對(duì)比對(duì)比 SATAPATA數(shù)據(jù)電纜連接刀片和梁式插頭結(jié)構(gòu)，4根信號(hào)線，3根地線引腳與插口結(jié)構(gòu)，80根線電源電纜連接刀片和梁式結(jié)構(gòu)，15針3.3V/5V/12V電源連接器，寬度為2.22cm4針“D形”5V/12V電源連接器，寬度為2.25cm硬盤連接每個(gè)通道1個(gè)硬盤（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接）每個(gè)通道2個(gè)硬盤（總線主/從方式）熱插拔特性可熱插拔，也可以插入背板或設(shè)備插槽無熱插拔特性傳輸速率目前SATAII為300MB/s外部最大傳輸率133MB/s線纜長(zhǎng)度1米18英寸What are SCSI？SCSI：Sma

14、ll Computer System Interface 小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口 。特點(diǎn)特點(diǎn)：應(yīng)用范圍廣、多任務(wù)、帶寬大、CPU占用率低，以及熱插拔。 SCSI必須要有專門的SCSI控制器，也就是一塊SCSI控制卡，才能支持SCSI設(shè)備 What are SCSI？80-pin Male SCAConnectorSCSI 與與ATA 區(qū)別區(qū)別ATA： 桌面桌面/筆記本筆記本ATA磁盤中，如果用戶提出數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，CPU先對(duì)該命令作出響應(yīng)后再傳達(dá)給主板南橋或板載磁盤控制芯片上，之后再通過ATA總線將數(shù)據(jù)操作命令傳遞給硬盤的主控芯片。SCSI： 企業(yè)級(jí)企業(yè)級(jí)在SCSI系統(tǒng)有一塊專門的SCSI控制芯片。

15、負(fù)責(zé)管理SCSI總線外，還承擔(dān)設(shè)備讀寫的控制職能，管理所有SCSI相關(guān)的讀寫請(qǐng)求、總線控制和數(shù)據(jù)傳輸職能，CPU要做的工作只是將起始命令傳遞給SCSI控制芯片，之后便可徹底拋開不管做其他事情。What are SAS？SAS接口是SCSI的升級(jí)，為串行傳輸模式。SAS是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、全雙工、雙端口的接口，支持在SATA兼容的電纜和連接器上傳輸SCSI協(xié)議 SAS的兩大主要技術(shù)的兩大主要技術(shù) 差分信號(hào)技術(shù) SAS的兩大主要技術(shù)的兩大主要技術(shù) 差分信號(hào)技術(shù) SAS的兩大主要技術(shù)的兩大主要技術(shù)串行總線技術(shù) SAS的擴(kuò)展性的擴(kuò)展性Edge Expander：連接64個(gè)SAS/串行ATA存儲(chǔ)設(shè)備Fanou

16、t Expander：連接64個(gè)“Edge ExpanderSAS系統(tǒng)的極限容量就是“64644096”個(gè)終端設(shè)備What are FC？FC-AL(光纖通道仲裁環(huán)Fibre Channel Arbitrated Loop)，是一種雙端口的串行存儲(chǔ)接口，支持全雙工工作方式。利用類似于SATA/SAS所用的4芯連接，提供一種單環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)控制器能訪問126個(gè)硬盤40-pin Male FC-SCA II Connector典型連接方式典型連接方式 各接口的對(duì)比各接口的對(duì)比各種類型應(yīng)用各種類型應(yīng)用 接口應(yīng)用說明FC適用于在線、高可用性、隨機(jī)讀適用于大型企業(yè)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，價(jià)格昂貴SAS適用于在線、

17、高可用性、隨機(jī)讀適用于中型企業(yè)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，高性能，高可擴(kuò)展性，比FC價(jià)格低，并可兼容SATASATA適用于近線、一般可用性，連續(xù)讀低價(jià)格、高容量磁帶適用于離線高容量，可離線保存目前主要使用的硬盤目前主要使用的硬盤 Hitachi www. Seagate Fujitsu Maxtor Seagate 硬盤及型號(hào)編碼硬盤及型號(hào)編碼STXXXXXXX12345 1-ST Seagate Technology (希捷) 2-Form Factor (外型規(guī)格)1=3.5英寸，半高，1.6英寸(41mm)3=3.5英寸，扁平型，1英寸(25.4mm) 3-硬盤容量(GB)前兩位代表整數(shù)部分最后一位代表

18、小數(shù)部分 4-系列代號(hào) 5-Interface(接口類型)A=Ultra ATA IDE/EIDEFC=Fibre Channel光纖通道LC=熱插拔Ultra160 SCSILW=非熱插拔Ultra160 SCSI ST380011A ST336607LC ST373405FC Maxtor 硬盤及型號(hào)編碼硬盤及型號(hào)編碼 X XXXX X X 1 2 3 4 1 - 系列型號(hào)系列型號(hào) 9 DiamondMax 系列 (5400rpm) 3 DiamondMax VL 系列(5400rpm) 5 DiamondMax Plus 系列 (7200rpm) 6 DiamondMax 10 系列（7200rpm) 2 - 硬盤容量硬