磁盤陣列技術(shù)與容錯支持課件

1、計算機原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第三十九講主講教師：趙宏偉 學(xué)時：64第1頁，共34頁。第9章輔助存儲器與磁盤陣列技術(shù)第2頁，共34頁。本章主要內(nèi)容外部存儲設(shè)備概述磁盤設(shè)備組成與運行原理磁盤陣列技術(shù)與容錯支持光盤設(shè)備組成與運行原理3第3頁，共34頁。外部存儲設(shè)備概述類型：主要指 磁表面存儲器（磁盤、磁帶） 光存儲器（光盤）特性：容量大、成本低、斷電后還可以保存信息，能脫機保存信息，彌補了主存的不足技術(shù)指標(biāo)存儲密度：單位長度或單位面積上存儲的二進制信息數(shù)量。存儲容量：一臺設(shè)備能存儲的總信息量，以字節(jié)為單位。尋址時間：直接存取方式訪問（如磁盤） 順序存取方式訪問（如磁帶）數(shù)據(jù)傳輸率：單位時間內(nèi)傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量

2、，單位bps或者Bps。誤碼率：一個輪次讀操作過程中，出錯的比例。價格：總價格和存儲單位信息的平均價格。P2304第4頁，共34頁。磁記錄原理磁表面記錄設(shè)備，是在磁頭和磁性材料的記錄介質(zhì)之間有相對運動時，通過一次電磁轉(zhuǎn)換完成一次讀寫操作。磁頭：通常由軟磁材料（外界磁場的作用消失后，該磁性材料的磁性容易消失）做成。磁記錄介質(zhì)：在剛性或柔性載體上涂有薄磁材料的物體，記錄以磁狀態(tài)表示的信息。一般選用硬磁材料（外界磁場的作用消失后，該磁性材料的磁性盡量多的保留）。P2315第5頁，共34頁。磁記錄原理前間隙后間隙鐵氧體線圈電流磁記錄介質(zhì)磁頭結(jié)構(gòu)和電磁轉(zhuǎn)換示意圖磁頭，軟磁材料導(dǎo)磁率高，飽和磁感應(yīng)強度大矯

3、頑力小，剩余磁感應(yīng)強度小 磁記錄材料，硬磁材料記錄密度高，記錄信息時間長輸出信號幅度大，噪聲低表面組織緊密、光滑、無麻點 薄厚均勻，溫度、濕度影響小P2316第6頁，共34頁。磁記錄方式磁記錄方式：是指一種編碼方法，即如何將一串二進制信息，通過讀寫電路變換成磁層介質(zhì)中的磁化翻轉(zhuǎn)序列好的編碼方法應(yīng)該有：更高的編碼效率：編碼效率：指記錄密度與最大磁化翻轉(zhuǎn)密度之比，即為記錄一位信息所用的最多磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)的倒數(shù)；FM、PM編碼效率50，MFM、NRZ、NRZ1編碼效率100更高的自同步能力：自同步能力：指從讀出的數(shù)據(jù)信息中提取出同步時鐘信號的難易程度，可以用最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔與最大翻轉(zhuǎn)間隔的比值來衡量；

4、NRZ、NRZ1沒有自同步能力，PM、FM、MFM有自同步能力更高的讀寫可靠性：采用能檢查錯誤，甚至自動糾正錯誤的措施P2317第7頁，共34頁。常用的編碼方式歸零制（RZ）向磁頭線圈送入正、負脈沖電流的辦法執(zhí)行寫“1”、寫“0”操作，使1和0信號在介質(zhì)磁層中的磁化狀態(tài)正好相反。主要矛盾，是在兩個信息位之間磁層處于非磁化狀態(tài)，難以解決，故不實用。不歸零制（NRZ）與RZ方案相比，取消了兩個信息位之間磁頭線圈中無電流的情況，故磁層中不存在未被磁化的狀態(tài)，不是被正向磁化，就是被反向磁化。編碼效率為100%，但無自同步能力。 見1翻轉(zhuǎn)的不歸零制（NRZ1）用在寫“1”時就要變化磁頭線圈中的電流方向（

5、寫“0”則不變電流方向）的辦法執(zhí)行寫“1”、寫“0”操作的方案。編碼效率為100%，但無自同步能力。 8第8頁，共34頁。常用的編碼方式調(diào)相制（PM）在磁層中采用不同的磁化翻轉(zhuǎn)方向來區(qū)別數(shù)據(jù)“1”和“0”的方案，磁頭線圈中的電流，在寫“1”和寫“0”時要朝不同的方向變化，讀出時，就表現(xiàn)為讀出的信號是正還是負脈沖，即二者的信號相位差為180度。有自同步能力，但編碼效率為50% 調(diào)頻制（FM）用在磁層中不同的磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)來區(qū)別數(shù)據(jù)“1”和“0”的方案，記錄“1”比記錄“0” 磁化翻轉(zhuǎn)頻率要多一倍。磁頭線圈中的電流，在每個位周期的起始處要變化一次方向，在寫“1”時，還要在位周期中心處再變化一次方向，

6、而寫“0”則不會在位周期中心處變化電流方向。有自同步能力，但編碼效率為50% 改進的調(diào)頻制（MFM）調(diào)頻制的改進方案，提高編碼效率到100，取消了大部分的在位期起始處的改變磁頭線圈中的電流方向的動作，只保留在連續(xù)的“0”信號的位周期起始處的的電流方向變化，以便保證該編碼方式的自同步能力。有自同步能力，編碼效率為100 9第9頁，共34頁。常用磁記錄方式波形圖NRZNRZ1PMFMMFM位信息 1 0 1 1 1 0 0 0 1位周期RZ10第10頁，共34頁。計算機原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第四十講主講教師：趙宏偉 學(xué)時：64第11頁，共34頁。本章主要內(nèi)容外部存儲設(shè)備概述磁盤設(shè)備組成與運行原理磁盤陣列

7、技術(shù)與容錯支持光盤設(shè)備組成與運行原理12第12頁，共34頁。磁盤設(shè)備組成與運行原理磁盤設(shè)備的組成磁盤驅(qū)動器：通常是一個完整獨立的設(shè)備，包括作為磁記錄介質(zhì)使用的磁盤和驅(qū)動磁盤勻速旋轉(zhuǎn)的動力與驅(qū)動部件，完成讀寫功能的磁頭和驅(qū)動磁頭沿磁盤徑向方向運動和準(zhǔn)確定位的部件，以及其它一些控制邏電路等部件。 磁記錄介質(zhì)：單獨的、可以和磁盤驅(qū)動器分開保存的硬磁盤片、磁盤組、軟磁盤片等。磁盤接口電路：是插在主機總線插槽中的一塊電路卡，用于把磁盤驅(qū)動器與計算機主機連接為一體系統(tǒng)，接收主機發(fā)給磁盤的操作命令，實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖與格式變換，處理主機與磁盤之間的其它交互作用與時間上的同步等。 P23313第13頁，共34頁。硬

8、磁盤驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖磁頭磁盤組主軸通風(fēng)機取數(shù)臂定位驅(qū)動器速度傳感器小車主電機傳動皮帶濾塵器密封罩P23414第14頁，共34頁。磁盤結(jié)構(gòu)與參數(shù)磁盤結(jié)構(gòu)（典型數(shù)據(jù)與磁盤容量相關(guān)）磁道：每個盤片每面500 至 2000 磁道扇區(qū)：扇區(qū)是磁盤訪問的最小單位，每個磁道32 至 128個扇區(qū)。早期硬盤上每個磁道上的扇區(qū)數(shù)相同，位密度不同為增加容量，位密度恒定，外磁道比內(nèi)磁道扇區(qū)數(shù)多一些柱面：位于同一半徑的磁道集合讀寫磁盤數(shù)據(jù)的三個步驟：尋道時間：將磁頭移動到正確的磁道上所用時間旋轉(zhuǎn)延遲：等待磁盤上扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所用時間傳輸時間：真正的數(shù)據(jù)讀寫時間（1個或多個扇區(qū)）P23715第15頁，共34頁。磁盤結(jié)

9、構(gòu)與參數(shù)尋道時間：一般為 8 至12 ms旋轉(zhuǎn)延遲：旋轉(zhuǎn)速度：3600至7200 RPM旋轉(zhuǎn)時間：16 ms至8 ms每轉(zhuǎn)平均尋址時間8 ms至4 ms訪問速度：數(shù)據(jù)量（通常為1個扇區(qū)）： 1 KB/扇區(qū)旋轉(zhuǎn)速度：3600 RPM至7200 RPM存儲密度：磁道上單位長度存儲的位數(shù)磁盤直徑：2.5至 5.25 in一般為：2 至12 MB每秒SectorTrackCylinderHeadPlatter16第16頁，共34頁。磁盤訪問時間舉例磁盤訪問時間 = 尋道時間 + 旋轉(zhuǎn)延遲 + 傳輸時間 + 磁盤控制器延遲舉例： 平均尋道時間 = 12ms;旋轉(zhuǎn)速度 = 5400rpm磁盤控制器延遲：

10、2ms傳輸速度 = 5MBps扇區(qū)大小 = 512 bytes讀取一頁（8KB）需要多少時間？旋轉(zhuǎn)延遲：平均旋轉(zhuǎn)延遲應(yīng)為磁盤旋轉(zhuǎn)半周的時間。旋轉(zhuǎn)1 周 = 1/5400 minutes= 11.1ms = 周： 5.6 ms讀1個扇區(qū)時間 = 12ms + 5.6ms + 0.5KB/5MBps + 2ms = 12ms + 5.6ms + 0.1ms + 2ms = 19.7 ms讀1頁的時間= 12 ms + 5.6ms + 8KB/5MBps + 2ms = 12ms + 5.6ms + 1.6ms + 2ms = 21.2 ms17第17頁，共34頁。對例子的思考頁容量大，為什么扇區(qū)卻

11、如此小呢？理由 #1： 可用性。 可以在扇區(qū)物理損壞時不再使用該扇區(qū)。理由 #2： 還是可用性。 檢錯糾錯碼分布在每個扇區(qū)，扇區(qū)容量小，檢錯速度快，效率高。理由 #3：靈活性。 使用不同的操作系統(tǒng)，不同的頁面大小。采用并行方式和大容量傳輸方式克服磁盤控制器延遲大容量傳輸：每次讀取多個扇區(qū)，可以節(jié)約時間，也可以分擔(dān)部分總線延遲。并行方式并行 #1：并行讀多個層面并行 #2：并行讀多個磁盤兩點結(jié)論額外開銷在總開銷中比例較大 =一次傳輸大量數(shù)據(jù)比較有效將頁面存放在相鄰扇區(qū)中可以避免額外的尋道開銷18第18頁，共34頁。磁盤控制器接口主機與磁盤驅(qū)動器之間的接口與主機接口：控制磁盤與主機總線交換數(shù)據(jù)系統(tǒng)

12、級接口與設(shè)備接口：根據(jù)主機的命令控制設(shè)備的操作設(shè)備級接口P23919第19頁，共34頁。本章主要內(nèi)容外部存儲設(shè)備概述磁盤設(shè)備組成與運行原理光盤設(shè)備組成與運行原理磁盤陣列技術(shù)與容錯支持20第20頁，共34頁。光盤設(shè)備組成與運行原理光盤設(shè)備特點存儲密度高，容量大，非接觸式讀寫可靠性好，價格便宜，廣泛使用光盤類型只讀型光盤CD-ROM(CD-Read Only Memory)標(biāo)準(zhǔn)容量650M寫一次型光盤 WORM(write once, read many) CD-R(CD-Recordable)可擦寫型光盤CD-RWCD-RW(CD-ReWritable)P24021第21頁，共34頁。CD-RO

13、M存儲原理CD是通過在涂有玻璃表層的主盤上，用高能紅外激光束燒出0.8毫米直徑的小孔制成的。用這種主盤做成模子，上面帶有燒好的激光孔，然后往模子上注入熔化的多種碳酸鹽脂，使激光孔的形狀和玻璃主盤的形狀一樣，就基本上完成了CD的主體。接著，在碳酸鹽脂上沉淀上一薄層的反射鋁，再覆蓋上一層起保護作用的表層，最后再打上標(biāo)簽，整個CD就完成了。碳酸鹽脂底基的凹陷部分叫作凹區(qū)，凹區(qū)兩邊未經(jīng)過燒制的部分叫作凸區(qū)。22第22頁，共34頁。CD-R存儲原理CD-R在大小上和CD-ROM一樣，最初時也是120mm的空白盤，只是CD-R有一條0.6mm寬的凹槽，用來引導(dǎo)激光進行刻盤。凹槽有0.3mm的正弦偏移，頻率

14、為22.05kHz，用來準(zhǔn)確控制CD-R的轉(zhuǎn)速，并在必要時加以調(diào)整。只是CD-R表面是金色，而不象CD-ROM那樣表面是銀色。用真正的金子代替鋁來做反射層。而CD-R的凹區(qū)和凸區(qū)是用不同的反射光來模擬，這點是通過在碳酸鹽脂和金質(zhì)反射層之間加上一層染料來實現(xiàn)的。CD-R被刻之前，染料層是透明的，激光束可以穿過它后從金質(zhì)層反射回來?？瘫P時，照射CD-R的激光能量被調(diào)高到816mW，光束照射到染料的一個點上時產(chǎn)生的熱量使之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變了染料的分子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一個黑點。讀出時激光束的能量為0.5mW，光接收器就可以分辨出染料被照射過的黑點和未被照射過的透明區(qū)，并用這個區(qū)別來對應(yīng)普通光盤的凹區(qū)和凸區(qū)

15、。23第23頁，共34頁。寫一次型光盤光學(xué)系統(tǒng)示意圖光盤旋轉(zhuǎn)臺He-Ne激光器10%光束分離器90%調(diào)制器光束分離器調(diào)制信號聚焦系統(tǒng)，物鏡徑向跟蹤反射鏡寫光束讀出信號光敏管P24024第24頁，共34頁。CD-RW存儲原理用銀、銦、銻和碲組成的合金做記錄層。這種合金有兩個穩(wěn)定態(tài)：晶態(tài)和非晶態(tài)，兩個狀態(tài)有不同的反射特性。CD-RW的驅(qū)動器使用三種不同能量的激光。在高能激光照射下，合金熔化并從高反射性的晶態(tài)轉(zhuǎn)化為低反射性的非晶態(tài)，表示凹區(qū)。在能量中等的激光束照射下，合金熔化并重新轉(zhuǎn)化為本來的晶態(tài)，又成為凸區(qū)。低能激光可以感知材料的狀態(tài)（用來讀盤），但不會導(dǎo)致狀態(tài)轉(zhuǎn)換。25第25頁，共34頁。光盤設(shè)

16、備組成與運行原理DVDCD的挑戰(zhàn)DVD：數(shù)字多用途盤（Digital Versatile Disk）DVD的容量比普通光盤提高了7倍，達到4.7GB單速DVD驅(qū)動器的工作速度為1.4MB/秒（而CD為150KB/秒）DVD的4種標(biāo)準(zhǔn)單面單層（4.7GB）單面雙層（8.5GB）雙面單層（9.4GB）雙面雙層（17GB）26第26頁，共34頁。光盤設(shè)備組成與運行原理DVD存儲原理DVD的基本設(shè)計和CD相同，也是120mm直徑的注入碳酸鹽的盤模，由激光二極管照射的凸區(qū)和凹區(qū)組成，通過光接收器讀入信息。使用紅色激光（DVD激光的波長為0.65微米，而CD的為0.78微米）；凹區(qū)更小（DVD為0.4微米

17、，而CD為0.8微米）；螺旋線更緊湊（DVD道間距為0.74微米，而CD的道間距為1.6微米）。其他的新標(biāo)準(zhǔn)HVD vs EVD27第27頁，共34頁。本章主要內(nèi)容外部存儲設(shè)備概述磁盤設(shè)備組成與運行原理光盤設(shè)備組成與運行原理磁盤陣列技術(shù)與容錯支持28第28頁，共34頁。磁盤陣列技術(shù)與容錯支持CPU性能在過去的十年中有了極大地提高，幾乎是每18個月翻一番。但磁盤的性能卻沒能跟上。在70年代，小型機磁盤的平均查找時間為50到100毫秒，現(xiàn)在是10毫秒。CPU性能和磁盤性能間的差距這些年來越來越大。在提高CPU性能方面，并行處理技術(shù)已得到廣泛使用。這些年來，許多人意識到，并行I/O也是一個提高磁盤性

18、能的好辦法。1988年，Patterson et al.在他的一篇文章中建議用6個特定的磁盤組織來提高磁盤的性能或可用性，或兩方面都同時提高。這個建議很快就被采用，并導(dǎo)致了一種新的I/O設(shè)備的誕生，這就是RAID盤。P24129第29頁，共34頁。磁盤陣列技術(shù)與容錯支持廉價磁盤的冗余陣列（RAID）最初的稱謂：Redundant Arrays of Inexpensive Disks工業(yè)界修改：Redundant Arrays of Independent DisksRAID原理和特點多個統(tǒng)一管理的磁盤組成磁盤陣列，數(shù)據(jù)分塊交叉存儲在多個磁盤上，提高讀寫并行性，性能好陣列中的一部分磁盤存放冗余信息，