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1、高级数据库技术 ch2杨圣洪 第二章 Memeory Hierarchy Disks Access Times Optimizations Other Topics: Storage costs Using secondary storage Disk failuresStorage Hierarchy2.1 存储介质当前的电子数字计算机系统常采用电、磁、光等 存储介质存储数据。这些存储介质包括（按存取速度 由高到低次序）： 1）CPU寄存器，CPU缓存存储器，高速缓存存储器。 它们一般用来存放将要执行的机器指令和有关操作数 据，由操作系统使用和管理。数据库管理系统不考虑 它们。拷贝、直写；容
2、量为128KB-512KB;访问速度为纳秒(nanosecond)级：10-9-10-8秒。 2）主存储器，常为MOS器件，可以随机访问，一般数 据库系统只用它存储从外存调入主存需要处理的那部 分数据。掉电后，主存中的数据丢失（易失）。容量 为几百MB-几GB; 访问速度为10-8-10-7秒。是主存数据库（实际用的是虚存）的主要存储介质。2.1 存储介质3）快闪存储器(EEPROM)断电后数据仍能保存在，速度在内存与磁盘之 间，读数=100ns=100*10-9，写数=410微秒 =410*10-6，容量在32MB1024MB。擦写次数有限！优盘到一定的次数后不能用！ 4)虚存:硬盘上的一小
3、块的地盘，32位地址空间 ，232=22*210*210*210=4GB，是主存数据库的主 要存储介质。2.1 存储介质5）硬盘（第二级存储），是连机存储数据、程序的 主要存储设备。掉电后，数据不丢失（非易失），是 一种直接存取存储设备。硬盘被逻辑分块（block), 块 大小为4KB-56KB。容量为几十GB-几百GB。 磁盘I/O, 访问速度在毫秒 级10-2。 磁盘阵列，是近年来用于提高数据库性能和 可靠性的一种技术。 6）磁带（第三级存储），是顺序存取设备，常脱机 作为数据归档的存储设备。访问速度约为几秒-几分， 容量为GB-TB。 5）光盘，目前常用的是只读光盘（ROM/RW），一
4、次存入，多次访问，常用于文献库，资料库。Storage Cost10-910-610-310-0103 access time (sec)101510131011109107105103cacheelectronic mainelectronic secondarymagnetic optical disks online tapenearline tape & optical disksoffline tapetypical capacity (bytes)from Gray & ReuterStorage Cost10-910-610-310-0103 access time (sec)1
5、0410210010-210-4cacheelectronic main electronic secondarymagnetic optical disksonline tapenearline tape & optical disks offline tapedollars/MBfrom Gray & Reuter第二章 Memeory Hierarchy Disks Access Times Optimizations Other Topics: Storage costs Using secondary storage Disk failuresMagnetic Disks Mecha
6、nism磁盘控制器：(1)将磁头移到适当的磁道 上，同一时刻各个磁头处在不同盘片的同 一磁道上，从而形成一个柱面。(2)选择盘面(某个磁头)与相应的扇区。(3)将数据传送到内存。Terms: Platter(碟), Head(浮在盘片上 ), Track ,Cylinder, Sector (physical), Block (logical)=1n个Sector, Gap(缝隙10%)DISK“Typical” Numbers Diameter: 1 inch 15 inches Cylinders:100 2000 Surfaces: 1 (CDs) 2 (floppies) 30Trac
7、ks/Surface:39 10,000Sector/Tracks:9 256Sector Size:512B 50KCapacity:360 KB (old floppy) 300 GB=盘面数道数扇区数扇区尺寸=8面*8192道/面*256区/道*512字节/区=23*213*28*29=23*210*210*210=8GB“Typical” Numbers Capacity=盘面数道数扇区数扇区尺寸=8面*8192道/面*256区/道*512字节/区=23*213*28*29=23*210*210*210=8GB 单个磁道的容量=扇区数/道扇区尺寸=256区*512字节/区=28*29字
8、节=128KB/道 Block块=4KB=4096Byte，一个块有8个扇区因4096Byte/512Byte=8扇区，Rotation Speed:5400RPM=5400RP/60s=90RP/S , 1S/90RP=11ms/RP第二章 Memeory Hierarchy Disks Access Times Optimizations Other Topics: Storage costs Using secondary storage Disk failuresDisk Access Timeblock x in memory ?I want block XTime=Seek Tim
9、e(移动磁头到道固定) +Rotational Delay(旋到磁头下方固定) +Transfer Time (边旋边读送内存不定) +Other( CPU+磁控，0.?ms不计) Head HereBlock I WantSeek Time寻道时间若磁头就在待读磁道上方寻道时间为0，否则=固定的启动-停止时间(几ms)+与移动距离相关的巡航时间(1040ms)Head HereBlock I WantAverage Random Seek Time(磁盘速度）N N SEEKTIME (i j)S =N(N-1)i=1j=1 ji“Typical” S: 10 ms 40 msSeek Ti
10、me3x20xx1NCylinders TraveledTimeX为移动一 道的时间Average Random Seek Time(磁盘速度）N N SEEKTIME (i j)S =N(N-1)i=1j=1 ji此公式可看成Average Random Seek Time(磁盘速度）当磁头起始位置在0道时，移动的道数是 ：0道、1道、2道、n-1道，则其平均 值=(0+1+2+3+n-1)/n磁头起始位置在中间位置，移动的道数 是：0道、1道、2道、n/2道，则其平 均值=(0+1+2+3+n/2)/(n/2).依次考虑不同的起始位置，可以得相应 的平均值，将这些平均值加起来，再除以 N便
11、得到总的平均值。对于747型机,N=8192,其总平均寻道数为 2730.Average Random Seek Time(磁盘速度）依次考虑不同的起始位置，可以得相应 的平均值，将这些平均值加起来，再除以 N便得到总的平均值。对于747型机,N=8192,其总平均寻道数为 2730,故平均寻道时间为：1秒的启动-停止时间(见前面介绍)+平均寻道的巡航时间 =1ms+2730道/(500道/1ms)=1+5.46=6.46msRotation Delay旋转延迟： 3600rp/m=60rp/s, 1s/60rp=16.7ms/rp 5400rp/m=90rp/s, 1s/90rp=11.11
12、ms/rp 7200rp/m=120rp/s, 1s/120rp=8.33ms/rp如果恰好在待读扇区的上方则不转；若刚好转过去则要等一转！，故平均转速=旋转一周的/2Head HereBlock I WantAverage Rotational DelayR = 1/2 revolution“typical” R = 8.33 ms (3600 RPM)60*1000ms/3600/2=1000/(2*60)=100/12=25/3=8.33msComplication 转一圈才能读到 May have to wait for start of track before we an read
13、 desired blockHead HereBlock We WantTrack StartTransfer time传输时间：待读数据所在的扇区sectors与间隙gap， 依次旋过磁头下方的时间。需要转过的角度w=待读数据所占用的扇区数*每区的度数+待读数据所占用的间隙数*每间的度数Head HereBlock I Wantwo/(360o/转*x转/s) =w/(360*90/s) 3600RPMTransfer Rate: t “typical” t: 1 3 MB/second transfer time: block size t 传输速率=转数/s*扇区数/转*字节数/扇区 =
14、120转/s*256扇/转*512字节/扇区= =120*256*512字节/s=120*28*29B/s =(2627)*217B/s=816MB/sOther Delays CPU time to issue I/O Contention for controller Contention for bus, memory“Typical” Value: 0 Seek Time=1ms的启动-停止+巡航时间=1ms+磁道数/(500道/ms) 最好不要动，道就在头下方=0 最坏情况=要跨越所有磁道 =1ms+8191rp/500rp/ms=1+16.382=17.4ms Rotation l
15、atency:最长等1圈,最快为0。转速为3840rp/m=3840rp/60s=64rp/s1s/64rp=15.625ms/rp，最长等15.625ms Transfer Time:4096byteAn Example Megatron 747 Disk (old) 每道扇区数=256，占90%=360o*90%=324o,每扇度数= 324o/256扇 每道间隙数=256，占10%=36o /256间, 每间度数=36o/256间 待传数据所占扇区数=4096B/512B=8扇 共占用度数=8个扇区+7间隙=8扇* 324o /256扇+7间* 36o /256间=11.109o 转速=
16、3840rp/m=3840rp*360o/rp/(60*1000ms)=3840*360o/(60*1000ms)=23.04o/ms 传输时间=11.109o/(23.04o/ms)=0.482msAn Example Megatron 747 Disk (old) 最长总时间=最长寻道时间17.4ms+最长旋转等待时间15.625ms +输传时间0.482ms=33.5ms 最短总时间=最短寻道时间0ms+最短旋转等待时间0ms +输传时间0.482ms(只与数据长相关 )=0.5ms 平均时间=平均寻道时间6.5ms(见前面)+平均旋转等待时间15.625ms/2 +输传时间0.482ms=14.8ms 传一个块An Example Megatron 747 Disk
