《《系统结构与分析》第六章外部存储器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《系统结构与分析》第六章外部存储器（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 六 章外 部 存 储 器,本章要点,RAID磁盘技术 使用多个磁盘作为数据并行阵列存储设备 以内在冗余性来补偿磁盘故障 光存储技术 CD-ROM 可写式CD、DVD技术,外存的种类,磁盘 RAID磁盘阵列 可移动磁盘 光盘 CD-ROM CD-R(可刻录光盘) CD-R/W(可重写光盘) DVD 磁带,磁盘是在衬底上涂有一层磁性物质 传统的衬底是铝或铝合金材料 最近已推出玻璃衬底，其优点如下： 改善了磁层表面的均匀性，从而提高了可靠性 减少了整个表面的缺陷，从而有助于减少读写错误 支持更低的磁头飞行高度 更好的刚度，降低了磁盘动力需求 更好的耐冲击和耐损能力,6.1 磁盘,磁盘的读写通过一
2、个叫做磁头的导电线圈进行 多数系统使用两个磁头，一个读，一个写 读写期间，磁头固定不动，磁盘磁头下面旋转 写机制是基于电流的磁场效应 根据0或1对写磁头通过方向相反的电流，即可在它下面的区域产生不同方向的磁场 传统读机制是基于磁盘相对线圈运动时产生电流的效应 这种磁头既可读又可写，主要用于软盘系统和老式硬盘系统 当前读机制采用独立的读磁头 读磁头有一个部分被屏蔽的磁阻 (MR)式敏感器组成，MR的阻值取决于它下面的介质的磁化方向 在MR上加一定的电流，对不同的磁化方向(分别代表0和1)，MR的值也不同，因此检测到的电压也不同,磁盘的读写机制,感应式写磁头和磁阻(MR)式读磁头,磁盘上的数据呈现
3、一组同心圆环，每个环称为一个磁道(track) 磁道之间留有间隙 间隙的大小要兼顾磁盘的密度和读取的精度 每个磁道分为几个扇区 扇区之间也有间隙 磁盘数据以块为单位存储数据，块的大小至少为一个扇区，也可为多个扇区,数据组织与格式化,磁盘数据分布,由于各个磁道的旋转角速度相同，则内侧的磁道线速度要低于外侧的磁道 必须考虑方法来补偿速率的变动，使得磁头能以相同速率读取所有数据 恒定角速度 (CAV)方法 外侧和内侧的数据排列线密度不一致，但角密度相同 优点：易于定位 缺点：浪费了外侧磁道的存储空间 多带式记录技术 将盘面划为几个带，带中的位数是固定的 提升了磁盘容量，但需要更复杂的电路,磁盘读取速
4、率,盘面布局方法比较,磁盘必须有个起始点并标识出每个扇区 格式化磁盘 对用户不可见的附加信息 标识各个磁道和扇区,寻找扇区,ST506 磁盘格式,固定磁头或可移动磁头 固定磁头：每个磁道有一组读写头 可移动磁头：只有一个磁头，磁头可垂直伸缩 不可更换磁盘或可更换磁盘 单面或双面磁盘(通车是双面) 单盘面或多盘面 磁头位置 磁头接触盘面(软盘) 磁头固定在盘面之上，留有间隙 磁头“悬浮”在盘面上，间隙很小(Winchester密封硬盘),物理特性,多盘面磁盘,磁道和柱面,8”, 5.25”, 3.5” 容量小 最多 1.44Mbyte (很少有达到2.88M) 速度慢 应用普遍 价格低廉 逐渐被
5、取代,软盘,由 IBM 推出 磁头被密封在驱动器中 一个或多个盘面 磁盘旋转时，产生的气压使得磁头悬浮在盘面上 磁头更窄，间隙更小 稳定性更好 应用普遍 价格经济 是速度最快的外存设备 容量在不停地变大,Winchester 硬盘,ZIP盘 价格低廉，比较普遍 仅有100M JAZ 价格较贵，可达1G L-120 可读 3.5” 软盘 All obsoleted by CD-R and CD-R/W?,移动硬盘,寻道时间 磁头定位到所需的磁道 旋转延迟 等待相关扇区旋转到磁头下面 存取时间 = 寻道时间 +旋转延迟,磁盘读写速率,磁盘 I/O 传送时序,设,磁盘平均存取时间,则传送时间,又设,
6、则总的平均存取时间,考虑一个磁盘 读取一个由 2500 扇区组成的文件,文件存放位置对存取时间的影响(1),情况一：该文件顺序存放在相邻的 5 个磁道的全部扇区,则：读第一个磁道的时间,由于读后续磁道不再需要寻道，则读后续磁道的时间：,读所有磁道的时间：,考虑一个磁盘 读取一个由 2500 扇区组成的文件,文件存放位置对存取时间的影响(2),情况二：该文件的扇区随机存放在各个磁道上,则：读任何一个扇区的时间,由于读每个扇区都需要重新寻道，则读所有扇区的时间,情况一：该文件顺序存放在相邻的 5 个磁道的全部扇区读取时间：,情况二：该文件的扇区随机存放在各个磁道上读取时间：,考虑一个磁盘 读取一个
7、由 2500 扇区组成的文件,文件存放位置对存取时间的影响(3),结论：文件存放机制对存取时间的影响很大,RAID 是用多个小容量磁盘代替一个大容量磁盘 其分布数据的方法能够同时从多个磁盘中存取数据 RAID分为7级(06级)，但不是层次结构，而是表示具有下列共同点的不同设计结构： 是一组物理磁盘驱动器，在操作系统下视为一个单一的逻辑盘 数据分布在各个物理盘上 冗余磁盘容量用于存储奇偶校验信息，用于纠错，这是RAID 独特的贡献,6.2 RAID(磁盘冗余阵列),数据以条带状形式分布在可用磁盘上 条带是一些物理的块、扇区或其它单位 条带存储提高了存取速度 磁盘访问可以并行进行 无冗余 可靠性不
8、如 RAID 16,RAID 0,适用于高性能的非关键数据,RAID 0 (无冗余),RAID 0 的数据映射,采用磁盘镜像来实现冗余 数据也是存放在条带上 每个条带都有 2 份拷贝，分布在不同的盘上 读操作时，读任何一个盘均可 写操作时，两个盘均要写 数据损坏时恢复算法很简单： 从另一个未损坏的盘上读取即可 造价昂贵，适合存放关键数据,RAID 1,RAID 1 (镜像),使用并行存取技术，所有成员都参加每个I/O请求的执行 各个驱动器的轴是同步旋转的，每个磁盘的每个磁头在任何时刻都处于同一位置 条带很小，往往小至一个 byte 或 word 通过各个数据盘上的相应位计算校验码 通常是 Ha
9、mming 码，可以纠正一位错误，检测两位错误 编码的位存储在多个奇偶校验盘的对应位 冗余信息非常多 造价昂贵 现在已很少使用,RAID 2,RAID 2 (冗余使用 Hamming 码),数据的组织方式与 RAID 2 相似 只有一个冗余盘，不管磁盘阵列有多大 每组相关的数据位只有一位奇偶校验位 传输速率很快 某一磁盘损坏时，可由其它盘和奇偶校验盘恢复出来：,RAID 3,例：考虑一个 5 磁盘阵列，X0X3保存数据，X4是奇偶校验盘，奇偶检验位的计算如下：,假设X0盘损坏，上式两边同时异或,RAID 3 (位交错奇偶校验),每个磁盘成员的操作是独立的，各个I/O请求能够并行处理 更适合于高
10、速 I/O 请求的场合 数据条带较大 奇偶校验位由数据位计算，存放在奇偶校验盘上 由于每次写操作都要重写奇偶校验盘，因此奇偶校验盘很容易成为瓶颈,RAID 4 (块级奇偶校验),RAID 5 (块级分布式奇偶校验),组织方式类似于 RAID 4 不同的是，奇偶校验条带分布在所有磁盘上，可以避免 RAID 4 中潜在的瓶颈 常用于网络服务器,进行两种不同的奇偶奇偶运算 将校验码以分开的块存放在不同的盘中 N 个磁盘组成的阵列，需要 2 个奇偶校验盘 优点：高可靠性，只有当平均修复时间内3个磁盘都出了故障，数据才会丢失 缺点：每次写都要影响 2 个奇偶块,RAID 6 (双冗余度),最早用于存储音
11、频信号，容量650MB， 可存储超过60分钟的音频信号 本体由树脂构成，表面有一系列记录数据的凹坑，凹坑表面镀上高反光材料(铝或金) 由激光束发射、接收来读取 数据以相同的密度存放 数据以相同的线速度读取,6.3 光存储器,音频CD驱动器的速度是固定的 恒定的线速度，1.2 m/s 使用螺旋式轨道存放数据，轨道长度为 5.27km 顺序读取整个轨道需要 4391 秒 = 73.2 分钟 其他驱动器的速度通常表示为音频驱动器的倍数，e.g. 24x,CD-ROM 驱动器的速度,CD-ROM盘上的光道是用来存储信息的，光道是一个完整的螺旋型。,CD 的读取,CD-ROM盘上的信息是按照螺旋形状的信
12、息轨道的一系列凹坑的形式存储的，凹坑表示“1”、否则表示“0”。如下图所示。,记录信息时，使用功率较强的激光光源，将其聚焦成小于lm的光，照射到介质表面上，并用输入数据来调制光线的强弱。激光束会使介质表面的微小区域温度升高，从而产生微小的凹坑,该过程叫做烧蚀。读取信息时，使用功率较弱的激光光源，将其聚焦成小于lm的光，照射到介质表面上，根据表面的反射强度读出 1 和 0 。,模式 0=空的数据域 模式 1=2048 byte 数据 + 纠错码 模式 2=2336 byte 数据,CD-ROM 格式,大容量 易于批量制造 可移动 稳定性好，可长期存储数据 不可改写(普通CD) 速度慢,CD-RO
13、M 的优缺点,刻录盘 (CD-R) 可重写盘(CD-RW) 可重写 当前的技术允许 50 万 100 万次擦写,其它 CD,CD-ROM盘的标准（补）红皮书：Philips和Sony为激光数字音频唱盘CD-DA定义的标准，是CD工业的最基本标准。符合这种标准的光盘有“Digital Audio”标识；黄皮书：为CD-ROM定义的标准，当然CD-ROM还要另外遵守一个附加标准ISO 9660。符合这种标准的光盘有“Data Storage”标识。CD-ROM可以存储多媒体信息，是因为CD-ROM在CD-DA光道基础之上又增加了两种类型的光道用于存储计算机数据的CD-ROM Mode1光道和用于存
14、储压缩声音数据、静态图像或电视图像数据的CD-ROM Mode2光道，而CD-DA光道用于存储声音数据的；,绿皮书，CD-I标准： Philips和Sony为光盘交互式多媒体计算机系统CD-I定义的标准，它在CD-ROM基础之上增加了交互表达音频、视频、文字、数据的格式，以及多媒体系统的其它技术规格，它准许计算机数据、压缩的声音数据和图像数据交错放在同一条CD-I光道上，还规定了专用的操作系统CD-RTOS。详细内容后面讲述；橙皮书，可写CD标准：是为可读写小型光盘系统CD-R定义的标准。它在黄皮书之上增加了各种可写光盘的格式标准Orange Book1定义可擦除重写的CD-MO小型磁光盘，
15、Orange Book2定义一次写、多次读的CD-WO或CD-WORM小型光盘；蓝皮书： 是为激光电视光盘系统定义的标准，盘的直径为30cm.其上存储的电视信号是模拟的，而控制信号为数字的，其工作原理与CD类似；,白皮书，Video-CD标准：是JVC、Matsushita、Philips和Sony公司，于1993年联合为的数字电视盘定义的标准。它采用CD格式和用MPEG压缩方式存储音频和视频数据的影视光盘，Video-CD盘可以在CD-I、CD-ROM/XA、V-CD播放机上播放。1994.7在红皮书、黄皮书、ISO 9660、绿皮书等基础之上重新定义了Video CD Specificat
16、ion Version 2.0标准。,CD-ROM盘的记录格式及文件结构黄皮书标准规定，CD-ROM盘的主要参数为：激光束相对于光道的扫描速度为1.21.4m/s，扫描方向为从记录面观察的逆时针方向； 光道的间距为1.6m； 节目区起始位置直径50mm； 数据块大小2048/2352字节； 数据块速率75块/s； 数据传送速率净速率153.6Kb/s，毛速率176.4Kb/s。,Digital Video Disk 数字视频光盘，表示 DVD 用于存放电影 Digital Versatile Disk 数字通用光盘，表示 DVD 除了存放电影，还可当作计算机外存 尚无正式的官方命名,DVD 及其命名,多层存储 容量很大 (每层每面4.7G) 整部电影可存放在一张盘片上 使用 MPEG 压缩 电影带有区码，播放器只能播放对应区码的碟片 无区码碟片、碟机除外,DVD 技术,CD vs DVD CD,CD vs DVD DVD,DVD 也有可刻录和可重写版本，但其标准尚不完善 第一代 DVD 驱动器可能无法读取可写 DVD 第一代 DVD 驱动器也可能无法读取 可重写光盘 (CD-RW) 因此在购买时，先要确保上述问题已解决,
