《计算机组成原理4_5磁表面存储设备的存储原理与组成》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理4_5磁表面存储设备的存储原理与组成（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第三单元 层次存储器系统,第五讲 磁表面存储设备的存储原理与组成 liuwd,2,内容提要,磁表面存储设备简介 磁记录方式 磁盘访问过程 RAID技术,3,磁表面存储设备简介,主存中存放CPU要立即访问的程序和数据。 辅助存储器中存放CPU不立即使用的信息，在需要时再调入主存中。 一般为磁盘、光盘等。 容量大、成本低、断电后还可以保存信息，能脱机保存信息，弥补了主存的不足。,4,随机访问和串行访问,随机访问 随机访问任何单元，访问时间与信息存放位置无关。 每一位有自己的读写设备。 串行访问 顺序地一位一位地进行，访问时间与位置有关。 共用一个读写设备。 顺序访问和直接访问。,5,主要技术指
2、标,存储密度 单位长度（磁带）或单位面积（磁盘）磁层表面所存储的二进制信息量 存储容量 磁表面存储器所能存储的二进制信息的总量，以字节为单位 寻址时间 数据传输率 误码率 价格,6,磁盘,目的： 长期存储、断电后存储 容量大、价格低廉，但速度慢 可用在层次存储器的最底层 两种主要类型： 软盘、硬盘 特点： 使用旋转托盘上的表面磁颗粒来存储数据 可移动的读/写头来访问磁盘 硬盘、软盘比较： 硬质托盘（金属铝），面积可以比较大； 由于可被精确控制，密度可以更高 旋转速度快，传输率高 可以多个盘片组合,7,磁记录原理,前间隙,后间隙,铁氧体,线圈,电流,磁记录介质,磁头结构和电磁转换示意图,磁头，软
3、磁材料 导磁率高，饱和磁感应强度大 矫顽力小，剩余磁感应强度小,磁记录材料，硬磁材料 记录密度高，记录信息时间长 输出信号幅度大，噪声低 表面组织紧密、光滑、无麻点 薄厚均匀，温度、湿度影响小,8,磁记录方式,磁记录方式是指一种编码方法，即如何将一串二进制信息，通过读写电路变换成磁层介质中的磁化翻转序列。 好的编码方法应该有：更高的编码效率， 更高的自同步能力，更高的读写可靠性等。 常用的编码方式有： 不归零制（NRZ） 见 1 就翻的 NRZ 调相制 （PM） 调频制 （FM） 改进调频制（MFM）,9,几种磁记录方式,归零制（RZ） 线圈中正脉冲为“1”，负脉冲表示“0”，两位信息位之间线
4、圈中电流为零。 不归零制（NRZ） 线圈中一直有正或负脉冲（包括两位信息位之间）。 见1翻转的不归零制（NRZ1） 只有见到“1”才改变电流的方向,10,几种磁记录方式,调相制（PM） 用脉冲的边沿来表示“0”和“1” 调频制（FM） “1”:位周期中心和位与位之间都翻转 “0”:位周期中心不翻转，位与位之间翻转 改进的调频制（MFM） 只有连续两个或以上的“0”时，才在位周期的起始位置翻转,11,常用磁记录方式波形图,NRZ,NRZ1,PM,FM,MFM,位信息 1 0 1 1 1 0 0 0 1,位周期,RZ,12,（3） 硬 磁 盘 设 备,磁头,磁 盘 组,主轴,通风机,取数臂,定位驱
5、动器,速度 传感器,小车,主电机,传动皮带,滤尘器,密封罩,硬磁盘驱动器结构示意图,13,硬盘内部结构,磁盘访问过程： 寻道：将读写磁头 移动到正确的磁道上（平均需要8 to 20 ms ） 寻找扇区：等待磁盘旋转到需要访问的扇区（.5 / RPM） 数据传输：读写数据（1个或多个扇区）（ 2 to 15 MB/sec）,14,硬盘内部结构（续）,硬盘参数（与容量有关） 500 至 2,000 磁道（每面） 32 至 128个扇区（每个磁道） 扇区是磁盘访问的最小单位 早期硬盘上每个磁道上的扇区数是一样的 增加容量 位密度不变：外磁道比内磁道扇区数多一些,Platters,Track,Sect
6、or,15,硬盘参数,柱面： 位于同一半径的磁道集合 读/写数据的三个步骤： 寻道时间： 将磁头移动到正确的磁道上 旋转延迟： 等待磁盘上扇区旋转到磁头下 传输时间：真正的数据读/写时间 当前平均寻道时间： 一般为 8 至12 ms,Sector,Track,Cylinder,Head,Platter,16,典型硬盘参数（续）,旋转延迟： 旋转速度：3,600至7200 RPM 旋转时间：16 ms至8 ms每转 平均寻址时间8ms至4ms 访问速度： 数据量（通常为1个扇区）： 1 KB / sector 旋转速度： 3600 RPM至7200 RPM 存储密度：磁道上单位长度存储的位数 磁
7、盘直径： 2.5至 5.25 in 一般为： 2 至12 MB每秒,17,磁盘访问时间举例,磁盘访问时间 = 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间 + 磁盘控制器延迟 举例： 平均寻道时间 = 12ms; 旋转速度 = 5400rpm 磁盘控制器延迟： 2ms 传输速度 = 5MB 扇区大小 = 512 bytes 读取一页（8KB）需要多少时间？,旋转延迟：平均旋转延迟应为磁盘旋转半周的时间。 旋转1 周 = 1/5400 minutes = 11.1ms = 周： 5.6 ms 读1个扇区时间 = 12ms + 5.6ms + .5K/5MB + 2ms = 12 + 5.6 + .1ms
8、 + 2ms = 19.7 ms 读1页的时间= = 12 ms + 5.6ms + 8K/5MBpersec + 2ms = 12ms + 5.6ms + 1.6ms + 2ms = 21.2 ms,18,对例子的思考,页容量大，为什么扇区却如此小呢？ 理由 #1： 可用性。 可以在扇区物理损坏时不再使用该扇区。 理由 #2： 还是可用性。 检错纠错码分布在每个扇区，扇区容量小，检错速度快，效率高。 理由 #3：灵活性。 使用不同的操作系统，不同的页面大小。,采用并行方式和大容量传输方式克服磁盘控制器延迟 大容量传输： 每次读取多个扇区，可以节约时间。 也可以分担部分总线延迟 并行 #1：并
9、行读多个层面 并行 #2：并行读多个磁盘,19,结论,应该记住以下两点： 额外开销在总开销中比例较大 =一次传输大量数据比较有效 将页面存放在相邻扇区中可以避免额外的寻道开销,20,访问磁盘过程,对磁盘的访问总是由缺页引起的： CPU给出地址，需要访问某存储单元； 并行进行TLB查找和cache查找； TLB查找后申明没有找到； 停止并行查找，并通知操作系统处理； 操作系统检查页表，发现该页不在内存中，需要从硬盘调入。应该如何进行呢？,操作系统从主存中选择一页准备换出，为调入的页安排存放空间； 若被换出的页是“脏”页，需要将其写回磁盘存储； 操作系统申请I/O总线； 获得批准后，发送写命令给I
10、/O 设备（磁盘）。 紧跟着传送需要写回的页的全部数据。 I/O控制器发现发给自己的写命令 ，加入到握手协议，并接受数据。 根据数据要写入的地址，读/写头移动到正确的柱面，同时，将数据接收到缓冲区。 寻道结束后，等待相应的扇区旋转到磁头下面，将数据写入扇区中。 在写入数据间隙，计算校验码并写入扇区中。,21,访问磁盘过程（续）,下一步，操作系统继续申请总线（如果还保持总线控制权，则不必申请）。 得到授权后，向磁盘发出读命令。 然后，磁盘识别地址，并转换为相应的地址段。 寻道，将读/写头移动到指定位置。 从指定扇区中读去数据，并进行校验。 磁盘申请I/O总线。 得到授权后，将数据通过总线送到内存
11、。,22,可靠性和可用性,两个经常混淆的词汇： 可靠性：设备出现故障的几率来衡量。 可用性：系统能正常运行的几率来衡量。 可用性可以增加硬件冗余来提高： 例如：在存储器中增加校验码。 可靠性只能通过下面途径提高： 改善使用环境 提高各部件的可靠性 减少组成部件 可用性的提高可能带来可靠性的降低,23,RAID的提出,CPU性能在过去的十年中有了极大地提高，几乎是每18个月翻一番。但磁盘的性能却没能跟上。在70年代，小型机磁盘的平均查找时间为50到100毫秒，现在是10毫秒。在许多行业（如汽车或航空业），如果性能的提高能达到这个速度，即20年内提高5到10倍，那就会是头条新闻，但对计算机行业，这
12、却成了一个障碍。因为CPU性能和磁盘性能间的差距这些年来越来越大。,24,RAID的提出,在提高CPU性能方面，并行处理技术已得到广泛使用。这些年来，许多人意识到，并行I/O也是一个提高磁盘性能的好办法。1988年，Patterson et al.在他的一篇文章中建议用6个特定的磁盘组织来提高磁盘的性能或可用性，或两方面都同时提高。这个建议很快就被采用，并导致了一种新的I/O设备的诞生，这就是RAID盘。Patterson et al.把RAID定义为廉价磁盘的冗余阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks），但工业界把“I”由“廉价的（Inexpensiv
13、e）”替换成“独立的（Independent）”。,25,廉价磁盘的冗余阵列(RAID) Redundant Arrays of Inexpensive Disks,用 N 个低价磁盘构成一个统一管理的阵列， 取代特贵单一磁盘，它可以：,有 1/N 的访问时间,有 N个磁盘的容量,有更高的性能价格比,对阵列盘采用冗余技术提高信息的可靠性,RAID0：data Striping,RAID1: Drive Mirroring,RAID4: Data Guarding,RAID5: Distributed data Guarding,26,RAID0,RAID0将由RAID模拟的单个虚拟磁盘划分成带
14、（strip），每带k个扇区。第0带为第0到第k 1扇区，第1带为第k扇区到第2k 1扇区，等等。对k=1，每个带为1个扇区；对k=2，每带有2个扇区；等等。RAID 0以交叉循环的方式将数据写到连续的带中，下图描述的就是有4个磁盘驱动器的RAID盘。这种在多个驱动器上分布数据的方式叫作分带。如果软件发出从带的边界开始读四个连续带的数据块的命令，RAID控制器将把这个命令分解成四个单独的读命令，四个驱动器每个一个，让它们并行执行。这样，就实现了对软件透明的并行I/O操作。,27,RAID0,Strip3,Strip7,Strip11,Strip0,Strip4,Strip8,Strip1,St
15、rip5,Strip9,Strip2,Strip6,Strip10,1. 适合数据请求量比较大的情况 2. 没有冗余，可靠性差，不算真正的RAID,28,RAID1,它复制了所有的磁盘，所以有四块主磁盘和四块辅助磁盘。每个对磁盘的写操作都进行两次，而每次读操作则可以读任意一个备份，把负载均衡分布到不同的驱动器上。这样，写操作的性能并不比单个磁盘好，但读磁盘的性能却比单个磁盘高了两倍。容错性能就更好了，如果一个驱动器崩溃的话，只要简单的用备份驱动器代替就行了。恢复整个磁盘的操作包括两个步骤：装上一个新的驱动器，然后将整个备份驱动器的内容拷贝到新的驱动器上。,29,Strip0,Strip4,Strip8,Strip1,Strip5,Strip9,Strip2,Strip6,Strip10,Strip3,Strip7,Strip11,Strip11,Strip7,Strip3,Strip2,Strip6,Strip10,Strip
