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1、计算机及外设维修维护,汪凤麟 联系方式 QQ:18585600 EMAIL： Mobil:13873446601,第四讲 存储设备,存储器的分类及工作原理 半导体存储器 磁存储器 光存储器,存储器的分类及工作原理,半导体存储器,半导体存储器,DRAM/SRAM,半导体存储器,DRAM“硬盘”,半导体存储器,ROM 用于存储固定数据，如BIOS等 通常由生产厂商在出厂前通过专用设备写入,半导体存储器,固态盘存储器 SSD(Solid State Disk) 没有盘片，读写头、旋转机构，实际上是一种非易失性半导体存储器。起工作原理与内存有相似性。 速度快：是普通磁盘的千倍以上 成本问题：书上关于其
2、成本高已经解决。 三大体系：NOR、EEPROM、NAND-EEPROM,半导体存储器,固态盘存储器,半导体存储器,固态盘存储器,半导体存储器,磁泡存储器 主要用于某些特殊领域 如航空航天信息处理系统中的大容量数据存储器，要求体积小、功耗低、高可靠，抗恶劣环境。 主要有两种材料：铁氧体单晶片或石榴单晶片；铁、钴等与稀土金属Gd的合金非结晶膜,半导体存储器,电荷耦合器件存储器 CCD（Charge-Coupled Device） 半导体器件 利用大规模集成电路的工艺制造 集成度高、功耗低、工作速度快 数码摄影、摄像,半导体存储器,电荷耦合器件存储器,半导体存储器,电荷耦合器件存储器,半导体存储器
3、,电荷耦合器件存储器,磁存储器,磁存储器,磁存储器的特点 优点 非易失性，可长期存储 存储密度高，容量大 R/W速度快 缺点 机械部件易磨损 存取速度较内存还是有几个数量级的差别 功耗大，体积大,磁存储,磁存储原理 属于磁表面存储器，以剩磁的状态表示信息。 磁表面：在带状或圆片状的载体上涂敷一层薄磁性材料而成，其厚度一般在0.20.5微米之间。 利用线圈制造磁场，让磁场在次表面上通过，然后在磁表面上留下磁筹（剩磁）。 读出来的时候就让线圈在磁筹上通过，通过切割磁力线，产生感应电流，从而把数据从磁表面上读出来。,硬磁盘存储器,概述 工作原理 结构组成及工作原理 接口 硬磁盘适配器 磁道格式 硬磁
4、盘存储器的发展,1 概述,硬磁盘存储器是计算机系统的主要外存储器。世界第一台硬盘驱动器(HDD)是1956年问世的IBM350，它由五十片直径为24英寸的盘片组成，面密度为每平方英寸2KB，存储容量仅5MB。转速为1200转min。磁头是静压式，工作时需要向盘组压人压缩空气。平均定位时间长达600毫秒。自那以后，硬盘驱动器经历了近40年的发展，技术取得了惊人的进步。 硬盘从它诞生的第一天开始就作为计算机的外存储设备。目前尽管受到来自光盘和半导体盘的激烈竞争和挑战，但从数据存储速度和产品价格两方面比较，要把光盘从现在的7080ms平均存取时间降到HDD现在已经达到的20ms左右的水平，要把现在几
5、十倍于HDD价格的半导体盘降到现在HDD的价格水平，不是一件轻而易举的事。同时HDD的性能价格比还在飞速提高。因此，HDD在计算机各类外存储设备的统治地位，至少短时期内不会改变。,特点 存储容量大 随机存储 数据速率高 可靠性好 分类 按磁头的工作方式分类 按磁盘的可换性分类 按磁盘尺寸分类 按磁层分类 按盘片数目分类,硬盘内部结构,2 工作原理,磁盘存储器的数据读写是靠磁头和盘片来实现的，盘片是在圆形盘基表面上涂有一层磁介质而制成的，工作时盘片在主轴电机驱动下匀速旋转，读写磁头浮动在盘片上。数据是按磁道分布的。盘片上的磁道从外缘向圆心，按0N顺序编号。磁头通过磁头臂安装在滑动小车上，在驱动和
6、定位机构控制下，磁头沿盘片径向作进、退运动，访问相应磁道。一般盘片的两面都有读写磁头。多片盘的情况，各片盘上相同编号的磁道组成一个柱面，柱面的编号与磁道号相同。,3 结构组成及工作原理,磁盘驱动动器主要有盘片(或盘组)、主轴驱动机构、磁头、磁头驱动和定位机构、读写电路接口及控制电路等组成。,温式盘的主要特点,1）把磁头、小车、导轨、主轴和盘片等封装在一个腔体内，制成一个整体组件，称之为HDA(headdiskassembly)。 2）采用了质量轻、浮力小的磁头。采取了接触起停方式，又称CSS方式(contact startstop)。 3）由于采用了接触起停的方式，磁头与盘面有磨擦，为了延长使
7、用寿命，除了在主轴电机上装有制动机构，缩短停机摩擦过程外，盘面上还涂有一层润滑剂，使CSS的次数由原来的1 000次提高到10 000次以上。,4 接口,常用的控制器有4种： ST-506/ST-412接口 ESDI SCSI IDE EIDE（对IDE的扩展）,5 硬磁盘适配器,连接主板和硬盘的接口电路,6 磁道格式,记录在盘面上的信息是串行排列在磁道上的，以字节为单位，一群相关的字节组成字节组，一系列字节组称为记录，一批相关的记录组成文件。盘面上的信息是遵循一定的规律安排的，并加上了寻址信息。不同类型的磁盘驱动器，由于基本结构上的区别，其寻址方式、磁道格式等都可能不同。就一般移动式磁头的磁
8、盘驱动器而言，当要访问某一个记录时，磁头须从当前所处的磁道运动到指定的目标磁道，再等待被访问的记录块旋转到磁头下。所有盘面上的磁头是装在同一个小车上作同步运动的，也就是说，每一瞬间各盘面上的磁头均处于各自同一序号的磁道上，这些序号相同的磁道组成了一个柱面，与磁道编号一样，零磁道所在的柱面为零柱面，1号磁道所在的柱面为1号柱面，依次类推。,7 硬磁盘存储器的发展,硬磁盘驱动器的技术进步主要表现在下列几个方面。 (一)降低浮动磁头的高度 60年代后，成功地研制了动压浮动磁头，这种磁头是利用盘片旋转时产生的气流而浮起的，浮动高度从20pm不断地降低到lOOnm。 (二)采用伺服定位，提高磁道密度 最
9、初的硬盘驱动器用油压机构来驱动和机械方法定位磁头，精度差，磁道密度仅为每英寸20道。后来磁头驱动改进为步进电机、直流伺服电机、音圈电机，磁头定位从简单的开环控制到闭环伺服盘控制、数据道的嵌入伺服、光伺服。技术的进步，使磁道密度不断提高，达到了每英寸5 000道，甚至17 000道。,7 硬磁盘存储器的发展,(三)采用接触起停方式(CSS方式)和温彻斯特技术 1973年开始采用CSS技术，1976年出现了用温彻斯特技术制成的硬盘驱动器，由于它的系列优点，把磁盘技术推进到一个新的阶段。 (四)采用磁阻磁头(MR磁头)，提高面密度,为了提高磁记录密度，磁头技术是关键，传统的感应式磁头经历了从铁氧体磁
10、头到MIG 整体型磁头，到薄膜磁头，到MR感应薄膜磁头的发展过程。19901991年，IBM公司首次将MR磁头应用在磁盘驱动器上，MR磁头是利用磁致电阻效应的磁头，记录密度达到每平方英寸2 000MB。目前，容量大于1GB的磁盘驱动器中普遍应用了MR磁头。IBM的扩充式磁组(MRX)磁头等技术使25英寸硬盘达到每盘面18GB的容量。1994年，又开发了利用旋阀效应(SpinValve)的改进型巨磁阻效应磁头(GMR磁头)，进一步提高了面密度，达到前所未有的每片338GB的容量。,(五)采用先进的通道信号处理技术 从通信的观点看，磁记录通道相当于通信系统的信道，由于脉冲拥挤效应而使磁记录通道 中
11、的信号产生干扰，把通信技术中的PRML(PartialResponseMaximum Likelihood)信号处理 方法应用到数字磁记录产品中来是1984年开始的，理论和实践证明，PRML技术很适合于磁记录通道，与传统的、建立在RLLC码和峰值检测基础上的磁记录通道处理方法相比，记录密度有明显提高。1990年，PRMI。技术用到了硬盘驱动器上，与采用MR磁头同时，PRML信号处理方法，可以确保读出信号幅度，降低噪声，使硬盘驱动器的面密度和存储容量提高了3050，数据传输率提高了3040。PRML通道技术和MR磁头一起代表了当前大容量计算机磁存储读通道领域的主要技术。,(六)媒体和盘基的改进
12、媒体的改进经历了涂布媒体、电镀媒体、溅射媒体的过程，盘基从铝合金、玻璃、陶瓷、塑料到碳的发展过程。 随着计算机的微小型化，促使磁盘驱动器的微小型化，经历了盘径从14英寸、8英寸、 525英寸、35英寸、25英寸、18英寸、13英寸，驱动器厚度从82mm、41mm、254mm、17mm的演变过程。,(七)驱动器速度的提高 主要包括缩短磁头行程，提高主轴转速，扩充读写控制电路的高速缓冲存储器的容量，改进接口技术，采用冗余磁盘阵列(RAID)等。 平均存取时间从最早的600毫秒提高到目前的79毫秒。 主轴转速从每分钟1 200转提高到7 200转，甚至12 000转以上。 数据传输率从每秒88KB提
13、高到111MB。,磁盘阵列技术,在计算机系统中，主机半导体器件和CPU性能提高得很快，但是IO速度和CPU速度的不匹配一直是高性能计算机长期面临的、日益严重的IO瓶颈问题。作为外存主要设备的磁盘驱动器，尽管在容量上和每Mb(兆位)价格上都有了明显的进步，但磁盘驱动器的平均访问时间、数据传输率等性能均受到盘片转动和磁头臂移动等机械动作的限制，单靠磁盘驱动器本身性能的改进，很难追综主机速度的提高。因此，主机与磁盘子系统之间的瓶颈问题必须要从结构上解决。 磁盘阵列技术改变了构成大容量磁盘子系统的传统方法，用多台廉价的小温式磁盘驱动器组成磁盘阵列，将并行处理的控制技术应用到磁盘驱动器一级，改变了以往驱
14、动器级的串行控制方式。一个磁盘阵列相当于一个大容量逻辑磁盘，用户数据按一定的方式分散在阵列中的各个物理磁盘驱动器上。,磁盘阵列技术,磁盘阵列技术的优点,1海量存储能力 2高可靠性 3并行处理能力 4便于维护,RAID容错技术,磁盘阵列是用多台廉价小型磁盘驱动器连接起来组成个逻辑空间，阵列中的磁盘驱动器越多，故障的概率也越高，丢失数据的可能性就越大。所以没有磁盘冗余结构的阵列是不可靠的。为了提高磁盘阵列工作的可靠性，不得不牺牲阵列的部分容量和IO带宽。通常的作法是采用ECC错误检测和校正、额外增加奇偶校验盘、增加镜像盘，三者结合解决可靠性问题。,六种容错结构,(1)RAID0级 RAID0级支持
15、不带任何容错能力的数据分块，它具有最高的IO性能，但可靠性最差。 (2)RAID1级 RAID1级使用数据分块，校验是用镜像方式，但采用扇区一级的镜像。它比单纯使用镜像盘的系统性能要好。它的缺点是对镜像的读写降低了由数据分块改善的IO性能。 (3)RAID2级 RAID2级的校验方式是海明码方式，即采用海明码错误校验和位交叉技术。把数据按位交叉写到若干个磁盘上，海明码被编到每一个字符的位中，按位进行检查。需要有多个校验盘来检测和校正错误。不像镜像盘结构那样100的冗余度，其系统冗余度为40。也就是说，对于一个有10个盘的小型阵列，至少需要4个校验盘。RAID2级可以很好地满足具有大量顺序IO请
16、求的计算以及超级计算，至于微机或服务器则并不适宜。,(4)RAID3级 RAID3级采用位交叉，数据校验方式是奇偶校验方式，只用一个奇偶校验盘。同样，数据按位交叉写到几个磁盘上，用一个校验盘来识别一个数据错误，由控制器重构数据。如果校验盘损坏，可以重新计算校验位将其恢复到一个新盘上去。因为只需要一个校验盘，对于有10个盘的阵列，其系统冗余读为110，因此实际存储利用率比RAID1和RAID2高，成本也较低，但是有奇偶校验盘读写的瓶颈问题。,(5)RAID6级 RAID6级是一种采用分块交叉技术和两个磁盘驱动器容错的磁盘阵列。由于它用两个磁盘驱动器存放检错、纠错冗余码，即使发生双盘出错的情况，仍能保证数据的完整性和有效性。所以，RAID6有很高的数据可靠性。另外，RAID6中数据和校验信息分块交叉存储在阵列中的各磁盘上，多个磁盘同时读写，IO传输率较高。但是，写性能比RAID5差，因为每次写入数据时，要对三个驱动器访问两次(一个数据盘驱动器和两个校验盘驱动器)。,(6)RAID7级 RAID7用一个奇偶校验盘驱动器。阵列中的所有磁盘驱动器，包括奇偶校验盘驱动器
