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1、MSE培训教材硬盘技术,硬盘的结构及主要技术 硬盘接口技术 硬盘的种类及发展趋势 关于FC和SAS磁盘,学习目标,硬盘结构,图1：硬盘主要组成,图2：硬盘结构图,图4：控制电路和读写磁头,图3：多盘片读写示意,硬盘结构组成,常用指标,容量：指硬盘能存储的数据量大小，以字节为基本单位 单碟容量：硬盘都是由一个或几个盘片组成的，单碟容量就是指包括正反两面在内的单个盘片的总容量 转速：即主轴马达转动速度，单位为RPM（Round Per Minute)，即每分钟盘片转动圈数 缓存：是硬盘控制器上的一块内存芯片，具有极快的存取速度，它是硬盘内部盘片和外部接口之间的缓冲器,硬盘的主要指标（一）,常用指标
2、,平均访问时间：硬盘磁头找到目标数据所需的平均时间 平均寻道时间：磁头寻找目标数据所在磁道所需的平均时间 平均潜伏时间：当磁头移动到数据所在的磁道后，等待指定的数据扇区转动到磁头下方的时间 数据传输率： 内部数据传输率：数据从盘片表面传输到硬盘的缓存的速率 外部数据传输率：数据从硬盘的缓存读出到外部总线的速率 MTBF：Mean Time Between Failure，平均无故障时间,硬盘的主要指标（二）,常用指标,S.M.A.R.T： Self-Monitoring ,Analysis and Reporting Technology，自监测、分析及报告技术，监测磁头、磁盘、马达、电路等部
3、件，然后根据得到的关于各部件运行情况与历史记录的数据进行分析、比较，根据需要会自动向用户发出警告 TCQ：Tagged Command Queuing ，标记命令队列 NCQ：Native Command Queuing ，本机命令队列，是SATA 规范支持的一种新的功能，支持NCQ的硬盘可以对指令进行排队（多达32条指令），重新编排指令执行次序，也可以立即执行指令，可提高硬盘的性能，减少CPU占用率 Duty Cycle：指硬盘的工作负荷， 定义为特定时间段内硬盘用于寻道、读/写操作的时间占总时间的百分比。100%即表示硬盘每天24小时不停在进行读写操作 SCT： 即S.M.A.R.T Co
4、mmand Transport，该技术在硬盘内部划出一部分扇区做为日志记录，分析SMART命令包含的状态信息，判断硬盘的工作状况从而调节负载（比如数据流量）来保证硬盘可靠性,硬盘的主要技术,影响硬盘性能的主要参数,目前的硬盘分为单碟和多碟磁盘两种类型，每张盘片正反两面均可以存放数据，但硬盘每个时刻只允许一个磁头来读写数据。影响硬盘性能的因素主要包括以下几种：硬盘转速：转速是影响硬盘连续IO时吞吐量性能的首要因素，盘片转的越快，数据传输时间就越短，目前硬盘转速最高为15000转每分。 寻道速度：寻道速度是影响硬盘随机IO性能的首要因素，随机情况下，磁头臂需要频繁更换磁道。目前高端磁盘的平均寻道速
5、度都在10ms以下。 缓存：缓存为磁盘电路板上的一块RAM芯片，硬盘缓存的大小直接影响硬盘的整体性能。 接口速度：接口速度是影响硬盘性能的一个最不重要的因素，目前的接口速度在理论上已经满足了磁盘所能达到的最高外部传输带宽，远远大于实际的磁盘内部传输带宽。,内部传输率和外部传输率,硬盘数据传输率：硬盘数据传输率表现出硬盘工作时数据传输速度，是硬盘工作性能的具体表现，在读取硬盘不同磁道、不同扇区的数据，数据存放的是否连续等因素都会影响到硬盘数据传输率。 因为这个数据的不确定性，所以厂商在标示硬盘参数时，更多是采用外部数据传输率(External Transfer Rate)和内部数据传输率（Int
6、ernal Transfer Rate）。内部传输率：是指硬盘磁头与缓存之间的数据传输率，简单的说就是硬盘将数据从盘片上读取出来，然后存储在缓存内的速度。内部传输率可以明确表现出硬盘的读写速度，是衡量硬盘性能的真正标准。主流企业级硬盘的内部传输率从70MB/s-150MB/s不等。外部传输率：是指硬盘缓存和电脑系统之间的数据传输率，也就是通过硬盘接口从缓存中将数据读出交给相应的控制器的速率。,硬盘的结构及主要技术 硬盘接口技术 硬盘的种类及发展趋势 关于FC和SAS磁盘,学习目标,硬盘接口技术,SCSI和ATA是目前现行的两大主机与外设通信的协议规范，且各自都有自己的物理接口定义。目前硬盘提供
7、的物理接口主要包括以下几种：用于ATA指令系统的并行IDE接口 用于ATA指令系统的串行SATA接口 用于SCSI指令系统的并行SCSI接口 用于SCSI指令系统的串行SCSI（SAS）接口 用于SCSI指令系统的并且承载于FabreChannel协议的串行FC接口,硬盘接口技术发展趋势,SCSI-2 SCSI-3,FC-AL 100MB/S per Port,FC-AL 200MB/S per Port,Synchronous SCSI 5MB/s,FastWide SCSI 10/20MB/s,Ultra SCSI 20/40MB/s,Ultra2 SCSI 40/80MB/s,Ultra
8、160SCSI 160MB/s,Ultra320 SCSI320/MB/s,SAS 300MB/s per port,SATA SATA II,Serial ATA 150MB/s,Serial ATA II 300MB/s,FC-AL 400MB/S per Port,串行,并行,SAS 600MB/s per port,ATA,ATA-1 3.3MB/s,ATA-2/3 16.6MB/s,ATA-4 33.3MB/s,ATA-5 66.6MB/s,ATA-6 100MB/s,ATA-7 133MB/s,并行传输和串行传输,并行传输：并行传输是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输。并
9、行接口中各位数据都是并行传送的，它通常是以字节（8位）或（16位）为单位进行数据传输。 并行传输技术难点 不同数据如何同一时序到达 提高时钟频率导致相互串扰 增加位宽导致成本大幅上升 串行传输：串行传输是数据在传输中只有1个数据位在设备之间进行的传输。对任何一个由若干位二进制表示的字符，串行传输都是用一个传输信道，按位有序的对字符进行传输。,图5：IDE硬盘线缆,图6：SATA硬盘线缆,硬盘的结构及主要技术 硬盘接口技术 硬盘的种类及发展趋势 关于FC和SAS磁盘,学习目标,硬盘类型及接口图示,容量,FC硬盘,100GB,300GB,750GB,1000GB,146GB,300GB,SAS硬盘
10、,250GB,400GB,500GB,750GB,1TB,SATA硬盘,73GB,146GB,500GB,73GB,300GB,146GB,2007,SCSI硬盘,73GB,450GB,300GB,450GB,硬盘发展历史及趋势,2003,2004,2001,2008,2002,2008,2010,600GB,2010,600GB （6Gb/s）,2005,2TB,2009,100GB,200GB,400GB,SSD硬盘,2009,2011,ATA/IDE接口硬盘简介,ATA( Advanced Technology Attachment )高级技术附加装置 ATA硬盘是传统的桌面级硬盘，主要
11、应用于个人PC机，也经常称为IDE（ Integrated Drive Electronics ）硬盘 ATA接口为并行ATA技术，下一代的产品是串行ATA（SATA）,SCSI接口硬盘介绍,SCSI (Small Computer System Interface )小型计算机系统接口 SCSI硬盘并发处理性能优异，常应用于企业级存储领域 SCSI硬盘采用并行接口，接口速率目前发展到320MB/s，基本已经达到极限，已经逐渐被其串行版本SAS（ Serial Attached SCSI ）硬盘所替代,FC接口硬盘介绍,FC硬盘采用FC-AL( Fiber Channel Arbitrated
12、 Loop，光纤通道仲裁环) 接口模式 FC-AL是一种双端口的串行存储接口, 目前能够提供400MB/s速率 FC-AL支持全双工工作方式 FC-AL利用类似SATA/SAS所用的4芯连接，提供一种单环拓扑结构，一个控制器能访问126个硬盘,SATA接口硬盘介绍,SATA：Serial ATA (Serial Advanced Technology Attachment )串行ATA SATA采用串行方式进行数据传输，接口速率比IDE接口高，最低为150MB/s，并且第二代（SATA ）300MB/s接口硬盘已经广泛使用，规划内的最高速率可达600MB/s SATA硬盘采用点对点连接方式，支
13、持热插拔，即插即用,SATA技术,SATA II有以下五个主要特性： 更高的端口传输率（300MB/s） 本机命令队列（NCQ） 组件管理（Enclosure Management ），比如风扇控制，温度控制，新硬盘指示，坏硬盘指示，硬盘状态指示等 端口复用（Port Multiplier ），允许多个硬盘连接到同一端口 可向上兼容SAS技术,SAS磁盘技术,22,先进的磁盘接口 继承SCSI的稳定可靠性 全双工、点对点数据传输 3.0/6.0Gbps接口传输速率 双端口冗余备份 多种速率类型 支持15,000/10,000/7,200rpm三种速率 良好的兼容性 SATA磁盘兼容 SSD磁盘
14、的主要接口方式 服务器、存储阵列均可使用,SAS线缆接口,SAS磁盘,磁盘接口,SAS技术优点,性能：SAS技术单通道可提供6.0Gb/s的传输率，采用SAS 4路宽端口技术，单条链路即可达24Gb/s；SAS技术本身也已规划到12Gb的速率 兼容性：SAS连接器可以同时支持SATA和SAS硬盘 可扩展性： 通过Expander可以扩展到超过16000个设备 支持世界范围唯一的设备ID号，提高了设备寻址能力 支持更长距离的电缆，在无光纤传输能力的情况下，电缆长度可以到10米 灵活性：SAS可以使用现有的SCSI命令集，保护企业现有SCSI软件的投资，继承了SCSI的高可用性，并在SCSI命令排
15、队方面进行了优化 SAS完全承袭了SCSI的优势，采用串行技术性能得到进一步提升，同时还考虑了向下兼容SATA的问题，因此用户可以根据不同的需求和承受能力，灵活选择SAS和SATA进行组合来构建存储系统,机械硬盘各类接口间的对比,* SATA 接口硬盘支持NCQ，SATA 不支持,SSD硬盘介绍,SSD（Solid State Disk）硬盘 泛指由控制单元和固态存储单元（DRAM或Flash芯片）组成的存储设备，目前支持SATA、FC、SAS接口。 VS.相比机械硬盘，SSD优点如下： 数据存取速度快：在密集的IO读写和低延迟方面与传统硬盘对比性能优异； 故障率低：内部不存在任何机械部件，内
16、部全部采用闪存芯片 绿色环保：工作时静音，发热量小，散热快 重量更轻：有利于移动设备的携带。,SSD的分类,SLC 单层式储存,MLC 多层式储存,10万次全写操作，每天350GB数据更新可使用5年高可靠性，MTBF为2百万小时高性能，读性能达到250MB/s，写性能130MB/s重量87克左右，最大功耗2W,SSD分SLC和MLC两种，主要差别在于擦写次数和性能。,1万次全写操作，每天20GB数据更新可以使用5年可靠性较低， MTBF为1.2百万小时写性能较低，读性能250MB/s，写性能50MB/s重量2.5寸87克左右，1.8寸40克左右，最大功耗2W容量一般比SLC要大近一倍,SSD应用环境,
