初試計(jì)算機(jī)組成原理lecture

1、劉衛(wèi)東計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系第三單元層次存儲(chǔ)器系統(tǒng)第五講磁表面存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)容提要磁表面存儲(chǔ)原理簡(jiǎn)介磁記錄方式磁盤訪問(wèn)過(guò)程RAID技術(shù)2計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理虛擬存儲(chǔ)器系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的要求：大容量、極低成本、可靠性非電易失性3計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理磁芯存儲(chǔ)器圓柱型陶瓷上涂磁粉手工穿線，水手結(jié) 消磁后重寫存儲(chǔ)原理簡(jiǎn)單工藝復(fù)雜可靠性低大存儲(chǔ)容量成本低廉?dāng)嚯姾蟊４鏀?shù)據(jù)4計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理磁表面存儲(chǔ)設(shè)備磁顆粒的不同偏轉(zhuǎn)方向來(lái)區(qū)分不同的狀態(tài)主存中存放CPU要立即訪問(wèn)的程序和數(shù)據(jù)輔助存儲(chǔ)器中存放CPU不立即使用的信息，在需要時(shí)再調(diào)入主存中一般為磁盤、光盤等容量大、成本低、斷電后還

2、可以保存信息，能脫機(jī)保存信息，彌補(bǔ)了主存的不足串行訪問(wèn)、數(shù)據(jù)交換頻率低、數(shù)據(jù)交換量大5計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理隨機(jī)訪問(wèn)和串行訪問(wèn)隨機(jī)訪問(wèn)隨機(jī)訪問(wèn)任何單元，訪問(wèn)時(shí)間與信息存放位置無(wú)關(guān)每一位都有各自的讀寫設(shè)備串行訪問(wèn)順序地一位一位地進(jìn)行，訪問(wèn)時(shí)間與存儲(chǔ)位的物理位置有關(guān)共用一個(gè)讀寫設(shè)備 順序訪問(wèn)和直接訪問(wèn)6計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理主要指標(biāo)存儲(chǔ)密度單位長(zhǎng)度（磁帶）或單位面積（磁盤）磁層表面所存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量存儲(chǔ)容量磁表面存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息的總量，以字節(jié)為單位尋址時(shí)間 數(shù)據(jù)傳輸率誤碼率價(jià)格7計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理磁表面存儲(chǔ)設(shè)備如何保存?磁顆粒的不同磁化偏轉(zhuǎn)方向如何表示

3、?磁記錄方式如何組織?扇區(qū)、磁道、柱面、硬盤如何管理?操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)8計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理前間隙后間隙鐵氧體線圈電流9計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理磁記錄介質(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(qiáng)度大矯頑力小，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度小磁記錄材料，硬磁材料記錄密度高，記錄信息時(shí)間長(zhǎng)輸出信號(hào)幅度大，噪聲低表面組織緊密、光滑、無(wú)麻點(diǎn)薄厚均勻，溫度、濕度影響小磁記錄原理磁記錄方式磁記錄方式指一種編碼方法，即如何將一串二進(jìn)制信息，通過(guò)讀寫電路變換成磁層介質(zhì)中的磁化翻轉(zhuǎn)序列。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)編碼效率表示一個(gè)二進(jìn)制位數(shù)據(jù)需要使用多少個(gè)磁顆粒？自同步能力讀寫時(shí)準(zhǔn)確定位二進(jìn)制數(shù)據(jù)位的能力

4、讀寫可靠性10計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理歸零制（RZ）線圈中正脈沖為“1”，負(fù)脈沖表示“0”，兩位信息位之間線圈中電流為零。不歸零制（NRZ）線圈中一直有正或負(fù)脈沖（包括兩位信息位之間）。見1翻轉(zhuǎn)的不歸零制（NRZ1）只有見到“1”才改變電流的方向11計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理磁記錄方式調(diào)相制（PM）用脈沖的邊沿來(lái)表示“0”和“1”調(diào)頻制（FM）“1” ：位周期中心和位與位之間都翻轉(zhuǎn)“0” ：位周期中心不翻轉(zhuǎn)，位與位之間翻轉(zhuǎn)改進(jìn)的調(diào)頻制（MFM）只有連續(xù)兩個(gè)或以上的“0”時(shí)，才在位周期的起始位置翻轉(zhuǎn)12計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理磁記錄方式位信息10111 NRZ0001位周期

5、NRZ1PMFM MFM RZ磁記錄方式波形圖13計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理目的長(zhǎng)期存儲(chǔ)、斷電后存儲(chǔ)容量大、價(jià)格低廉，但速度慢可用在層次存儲(chǔ)器的最底層特點(diǎn)使用旋轉(zhuǎn)托盤上的表面磁顆粒來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可移動(dòng)的讀/寫頭來(lái)訪問(wèn)磁盤硬盤、軟盤比較硬質(zhì)托盤（金屬鋁），面積可以比較大；由于可被精確控制，密度可以更高旋轉(zhuǎn)速度快，傳輸率高可以多個(gè)盤片組合磁盤14計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理磁盤組主軸通風(fēng)機(jī)速度傳感器小車傳動(dòng)皮帶主電機(jī)濾塵器密封罩硬磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖硬磁盤設(shè)備磁頭取數(shù)臂定位驅(qū)動(dòng)器15計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理磁盤訪問(wèn)過(guò)程：尋道：將讀寫磁頭 移動(dòng)到正確的磁道上（平均需要8 to 20 m

6、s ）尋找扇區(qū)：等待磁盤旋轉(zhuǎn)到需要訪問(wèn)的扇區(qū)（.5 / RPM）數(shù)據(jù)傳輸：讀寫數(shù)據(jù)（1個(gè)或多個(gè)扇區(qū)）（ 2 to 15 MB/sec）PlatterTrackPlattersSectorsTracks硬磁盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)16計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理硬盤參數(shù)（與容量有關(guān)）500 至 2,000 磁道（每面）32 至 128個(gè)扇區(qū)（每個(gè)磁道）扇區(qū)是磁盤訪問(wèn)的最小單位早期硬盤上每個(gè)磁道上的扇區(qū)數(shù)是一樣的增加容量位密度不變：外磁道比內(nèi)磁道扇區(qū)數(shù)多一些PlattersTrackSector17計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理硬磁盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)柱面：位于同一半徑的磁道集合讀/寫數(shù)據(jù)的三個(gè)步驟：尋道時(shí)間： 將

7、磁頭移動(dòng)到正確的磁道上 旋轉(zhuǎn)延遲： 等待磁盤上扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下傳輸時(shí)間：真正的數(shù)據(jù)讀/寫時(shí)間當(dāng)前平均尋道時(shí)間：一般為 8 至12 msTrackSectorHeadCylinder Platter18計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理硬磁盤參數(shù)旋轉(zhuǎn)延遲：旋轉(zhuǎn)速度：3600至7200 RPM旋轉(zhuǎn)時(shí)間：16 ms至8 ms每轉(zhuǎn)平均尋址時(shí)間8ms至4ms訪問(wèn)速度：數(shù)據(jù)量（通常為1個(gè)扇區(qū)）： 1 KB / sector旋轉(zhuǎn)速度： 3600 RPM至7200 RPM存儲(chǔ)密度：磁道上單位長(zhǎng)度存儲(chǔ)的位數(shù)磁盤直徑：2.5至 5.25 in一般為： 2 至12 MB每秒TrackSectorHead19計(jì)算機(jī)科學(xué)

8、與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理Cylinder Platter硬磁盤參數(shù)磁盤訪問(wèn)時(shí)間 = 尋道時(shí)間 + 旋轉(zhuǎn)延遲 + 傳輸時(shí)間 + 磁盤控制器延遲舉例：平均尋道時(shí)間= 12ms;旋轉(zhuǎn)速度= 5400rpm 磁盤控制器延遲： 2ms傳輸速度= 5MB扇區(qū)大小= 512bytes讀取一頁(yè)（8KB）需要多少時(shí)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(shí)間。旋轉(zhuǎn)1 周= 1/5400 minutes= 11.1ms = 周： 5.6 ms讀1個(gè)扇區(qū)時(shí)間 = 12ms + 5.6ms+ .5K/5MB + 2ms= 12 + 5.6 + .1ms + 2ms= 19.7 ms讀1頁(yè)的時(shí)間= 12 ms + 5

9、.6ms + 8K/5MB/s + 2ms= 12ms + 5.6ms + 1.6ms + 2ms= 21.2 ms硬磁盤訪問(wèn)時(shí)間20計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理頁(yè)容量大，為什么扇區(qū)卻如此小呢？理由 #1： 可靠性?？梢栽谏葏^(qū)物理?yè)p壞時(shí)不再使用該扇區(qū)。理由 #2： 還是可靠性。檢錯(cuò)糾錯(cuò)碼分布在每 個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)容量小，檢錯(cuò)速度快，效率高。理由 #3：靈活性。支持不同的操作系統(tǒng)，不同的頁(yè)面大小。采用流水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(gè)扇區(qū)，可以節(jié)約時(shí)間。也可以分擔(dān)部分總線延遲并行 #1：并行讀多個(gè)層面并行 #2：并行讀多個(gè)磁盤TrackSectorCylind

10、er PlatterHead21計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理對(duì)磁盤訪問(wèn)的思考結(jié)論應(yīng)該記住以下兩點(diǎn)：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(yè)面存放在相鄰扇區(qū)中可以避免額外的尋道開銷22計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理對(duì)磁盤的訪問(wèn)總是由缺頁(yè)引起的：CPU給出地址，需要訪問(wèn)某存儲(chǔ)單元；進(jìn)行TLB查找和cache查找；TLB查找后聲明沒有找到；停止并行查找，并通知操作系統(tǒng)處理；操作系統(tǒng)檢查頁(yè)表，發(fā)現(xiàn)該頁(yè)不在內(nèi)存中，需要從硬盤調(diào)入。應(yīng)該如何進(jìn)行呢？操作系統(tǒng)從主存中選擇一頁(yè)準(zhǔn)備換出，為調(diào)入的頁(yè)安排存放空間； 若被換出的頁(yè)是“臟”頁(yè)，需要將其寫回磁盤存儲(chǔ)；操作系統(tǒng)申請(qǐng)I/O總線；獲得批準(zhǔn)

11、后，發(fā)送寫命令給I/O 設(shè)備（磁盤）。 緊跟著傳送需要寫回的頁(yè)的全部數(shù)據(jù)。I/O控制器發(fā)現(xiàn)發(fā)給自己的寫命令 ，加入到握手協(xié)議，并接受數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)要寫入的地址，讀/寫頭移動(dòng)到正確的柱面，同時(shí)，將數(shù)據(jù)接收到緩沖區(qū)。尋道結(jié)束后，等待相應(yīng)的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下面，將數(shù)據(jù)寫入扇區(qū)中。在寫入數(shù)據(jù)間隙，計(jì)算校驗(yàn)碼并寫入扇區(qū)中。23計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理磁盤訪問(wèn)過(guò)程下一步，操作系統(tǒng)繼續(xù)申請(qǐng)總線（如果還保持總線控制權(quán)，則不必申請(qǐng)）。得到授權(quán)后，向磁盤發(fā)出讀命令。然后，磁盤識(shí)別地址，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的地址段。尋道，將讀/寫頭移動(dòng)到指定位置。從指定扇區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行校驗(yàn)。磁盤申請(qǐng)I/O總線。得到授權(quán)后，將數(shù)

12、據(jù)通過(guò)總線送到內(nèi)存。磁盤訪問(wèn)過(guò)程24計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理兩個(gè)經(jīng)?；煊玫脑~匯：可靠性（reliability）：設(shè)備出現(xiàn)故障的幾率來(lái)衡量?？捎眯裕╝vailability）：系統(tǒng)能正常運(yùn)行的幾率來(lái)衡量。可用性可以增加硬件冗余來(lái)提高：例如：在存儲(chǔ)器中增加校驗(yàn)碼。可靠性只能通過(guò)下面途徑提高：改善使用環(huán)境提高各部件的可靠性減少組成部件可用性的提高可能帶來(lái)可靠性的降低可靠性和可用性25計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理RAID的提出CPU性能在過(guò)去的十年中有了極大地提高，幾乎是每18個(gè)月翻一番。但磁盤的性能卻沒能跟上。在70年代，小型機(jī)磁盤的平均查找時(shí)間為 50 到100 毫秒， 現(xiàn)在是10

13、毫秒。在許多行業(yè)（如汽車或航空業(yè)），如果性能的提高能達(dá)到這個(gè)速度，即20年內(nèi)提高5到10倍，那就會(huì)是頭條新聞，但對(duì)計(jì)算機(jī)行業(yè)，這卻成了一個(gè)障礙。因?yàn)镃PU性能和磁盤性能間的差距這些年來(lái)越來(lái)越大。26計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理RAID的提出在提高CPU性能方面，并行處理技術(shù)已得到廣泛使用。這些年來(lái)，許多人意識(shí)到，并行I/O也是一個(gè)提高磁盤性能的好辦法。1988年，Patterson et al.在他的一篇文章中建議用6個(gè)特定的磁盤組織來(lái)提高磁盤的性能或可靠性，或兩方面都同時(shí)提高。這個(gè)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。Patterson et al.把RA

14、ID定義為廉價(jià)磁盤的冗余陣列（Redundant Array of Inexpensive Disks），但工業(yè)界把“I”由“廉價(jià)的（Inexpensive）”替換成 “獨(dú)立的（Independent）”。27計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理RAIDRAID目標(biāo)1/N的訪問(wèn)時(shí)間更高的性價(jià)比采用冗余技術(shù)提高存儲(chǔ)信息的可用性RAID定義廉價(jià)磁盤的冗余陣列（Redundant Arrays of Inexpensive Disks）用 N 個(gè)低價(jià)磁盤構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一管理的陣列，以取代特貴單一磁盤RAID0：Data Striping28計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理RAID1： Drive Mirro

15、ringN個(gè)磁盤的容量RAID4：Data GuardingRAID5：Distributed Data GuardingRAID0RAID0將由RAID模擬的單個(gè)虛擬磁盤劃分成帶（strip），每帶k個(gè)扇區(qū)。第0帶為第0到第k 1扇區(qū)，第1帶為第k扇區(qū)到第2k 1扇區(qū)，等等。對(duì)k=1，每個(gè)帶為1個(gè)扇區(qū)；對(duì)k=2，每帶有2個(gè)扇區(qū)；等等。RAID 0以交叉循環(huán)的方式將數(shù)據(jù)寫到連續(xù)的帶中，下圖描述的就是有 4個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器的RAID盤。這種在多個(gè)驅(qū)動(dòng)器上分布數(shù)據(jù)的方式叫作條帶化。如果軟件發(fā)出從帶的邊界開始讀四個(gè)連續(xù)帶的數(shù)據(jù)塊的命令， RAID控制器將把這個(gè)命令分解成四個(gè)單獨(dú)的 讀命令，四個(gè)驅(qū)動(dòng)器每個(gè)

16、一個(gè)，讓它們并行執(zhí)行。這樣，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)軟件透明的并行I/O操作。29計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理Strip3Strip7Strip11Strip0Strip4Strip8Strip1Strip5Strip9Strip2Strip630計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理Strip10適合數(shù)據(jù)請(qǐng)求量比較大的情況沒有冗余，可靠性差，不算真正的RAIDRAID0RAID1它復(fù)制了所有的磁盤，所以有四塊主磁盤和四塊輔助磁盤。每個(gè)對(duì)磁盤的寫操作都進(jìn)行兩次，而每次讀操作則可以讀任意一個(gè)備份，把負(fù)載均衡分布到不同的驅(qū)動(dòng)器上。這樣，寫操作的性能并不比單個(gè)磁盤好，但讀磁盤的性能卻比單個(gè)磁盤高了兩倍。容錯(cuò)性能就更

17、好了，如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)器崩潰的話，只要簡(jiǎn)單的用備份驅(qū)動(dòng)器代替就行了。恢復(fù)整個(gè)磁盤的操作包括兩個(gè)步驟：裝上一個(gè)個(gè)新的驅(qū)動(dòng)器，然后將整個(gè)備份驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)容拷貝到新的驅(qū)動(dòng)器上。31計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理Strip0 Strip4 Strip832計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理Strip1 Strip5Strip9Strip2 Strip6Strip10Strip3 Strip7 Strip11Strip3 Strip7Strip11Strip2 Strip6 Strip10Strip1 Strip5 Strip9Strip0 Strip4 Strip8冗余備份，可靠性高寫性能不高，但讀性能卻提

18、高了兩倍成本較高RAID1RAID2RAID 2的工作單位為字，可能的話甚至可以是字節(jié)。首先我們可以想象將單個(gè)虛擬磁盤上的字節(jié)分解成一對(duì)4位的半字節(jié)，對(duì)每個(gè)半字節(jié)加上3位海明碼形成7位字，即其中1、2、4位做校驗(yàn)位。然后，用下圖所示的七個(gè)驅(qū)動(dòng)器的磁頭和旋轉(zhuǎn)同步，就可能將整個(gè)海明碼字寫在七個(gè)驅(qū)動(dòng)器上，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器一位。33計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理Bit134計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理Bit2Bit3Bit4Bit5Bit6Bit7驅(qū)動(dòng)器必須同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器個(gè)數(shù)要足夠多需要多個(gè)控制器RAID2RAID3RAID 3是RAID 2的一個(gè)簡(jiǎn)化版本，它只需對(duì)每個(gè)字計(jì)算一個(gè)校驗(yàn)位，寫到一個(gè)校驗(yàn)驅(qū)

19、動(dòng)器上。和RAID 2相同，驅(qū)動(dòng)器之間必須嚴(yán)格同步，因?yàn)橐粋€(gè)字被分布到多個(gè)驅(qū)動(dòng)器中。35計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理Bit136計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理Bit2Bit3Bit4Parity驅(qū)動(dòng)器之間要嚴(yán)格同步對(duì)整個(gè)磁盤崩潰的錯(cuò)誤，能夠進(jìn)行恢復(fù)RAID3RAID4RAID 4和RAID 0類似，將對(duì)帶的校驗(yàn)寫在額 外的驅(qū)動(dòng)器上。例如，若帶的長(zhǎng)度是k個(gè)字節(jié)，將所有的帶異或到一起，產(chǎn)生一個(gè)k字節(jié)長(zhǎng)的 校驗(yàn)帶。如果其中一塊磁盤崩潰的話，它的內(nèi)容可以從校驗(yàn)磁盤上重新計(jì)算出來(lái)。37計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理Strip0 Strip4 Strip838計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)組成原理Strip1 Strip5Strip9Strip2 Strip6Strip10Strip3 Strip7 Strip11P0-3 P4-7 P8-11不對(duì)字進(jìn)行校驗(yàn)，也不需要驅(qū)動(dòng)器同步可以防止整塊盤崩潰，但對(duì)盤上部分字節(jié)數(shù)據(jù)出錯(cuò)的糾錯(cuò)性能相當(dāng)差校驗(yàn)盤負(fù)載沉重RAID4RAID5RAID 5為減