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1、Computer Structures and Design Lecture 30 Disks 2008-04-28,Seagate ships billionth drive!,The ST506 was their first drive in 1979 (shown here), weighed 5 lbs, cost $1,500 and held 5 MeB. Todays drives hold 1 TB, and are available for less than $200.,Lecturer SOE Dan Garcia,,How much storage do YOU h
2、ave?,Processor (active),Computer,Control (“brain”),Datapath (“brawn”),Memory (passive) (where programs, data live when running),Devices,Input,Output,Keyboard, Mouse,Display, Printer,Disk, Network,Magnetic Disk common I/O device,Magnetic Disk common I/O device,一种计算机存储器 信息存储在旋转盘的磁性材料的表面 和录音机类似，但这里记录的是
3、数字量而非模拟量 非易失性存储（Nonvolatile storage） 掉电时数据依然存在. 两种类型 软盘 slower, less dense, removable. 硬盘 (HDD) faster, more dense, non-removable. 在计算机系统中的作用 (硬盘驱动器): 用于长期, 廉价地存储文件 主存的备份“Backup”. 大容量, 低价格, 在存储结构中处于较底的层次 (虚拟内存),Photo of Disk Head, Arm, Actuator,Actuator,Arm,Head,轴Spindle,Disk Device Terminology,多个盘片
4、, 信息以磁的方式记录在盘的两个表面(usually) Bits记录在 道上, 可进一步分为扇区 (e.g., 512 Bytes) Actuator moves head(end of arm) over track (“seek”), wait for sectorrotate under head, then read or write,Outer Track,Inner Track,Actuator,Head,Arm,Platter,Disk Device Performance (1/2),磁盘反应时间 = Seek Time + Rotation Time + Transfer T
5、ime + Controller Overhead Seek Time? 依赖于arm要移动几条道, actuator的速度 Rotation Time? 依赖于磁盘旋转的速度, 扇区离头的距离 Transfer Time? 依赖于磁盘的数据率 (带宽) (f(bitdensity,rpm), 及所访问的数据大小,Platter,Arm,Actuator,Head,Sector,Inner Track,Outer Track,Controller,Spindle,Disk Device Performance (2/2),头移动到扇区的平均距离? 转一圈的一半时间 7200转/分 120 转/
6、秒 1 转 = 1/120 秒 8.33 毫秒 1/2 转 (revolution) 4.17 ms arm移动的平均道数? 磁盘工业标准测试: 对各种可能的道求出所有寻道距离，加起来/ 所有可能个数 假定平均寻道距离是随机的 磁盘cache的大小会极大影响性能! Cache内建于磁盘系统, OS不知细节,Data Rate: Inner vs. Outer Tracks,为了简化, 最初每道具有相同个数的扇区 由于外道更长, 每寸的位数更少 由于竞争的需要对所有的道都保持较高的每寸位数 (BPI) (“位密度为常数”) 每个磁盘更大容量 边缘处每道有更多的扇区 由于磁盘以常速旋转,外道有更快
7、的数据率 外道带宽是内道的1.7倍!,容量 : + 100% / year (2X / 1.0 yrs) 随着时间的发展, 增长速度如此之快以至于盘片数减少了 (现在有些只用1片!) 传输率 (带宽) : + 40%/yr (2X / 2 yrs) 转速+寻道时间 : 8%/yr (1/2 in 10 yrs) 面密度 沿道记录的位数: Bits/Inch(BPI) 每面的道数: Tracks/Inch(TPI) 我们关心单位面积的位密度 Bits/Inch2 称为面密度=BPI x TPI “120 Gb/In2 is longitudinal limit” “230 Gb/In2 now
8、with perpendicular” GB/$: 100%/year (2X / 1.0 yrs) Fewer chips + areal density,Disk Performance Model /Trends,State of the Art:Two camps (2008),性能 企业应用, 服务器 E.g., Seagate Cheetah 15K.6 3 Gb/s,Serial Attached SCSI, Fibre Channel 450 GB, 3.5-inch disk 4 disks, 8 heads 15,000 RPM 12-17 watts (idle-norm
9、al) 3.4 ms avg. seek 164 MB/s transfer rate 1.6 Million Hrs MTBF 5 year warrantee $1000 = $3.30 / GB,source: ,容量 主流, 家庭使用 E.g., Seagate Barracuda 7200.11 SATA 3Gb/s NCQ, SATA 1.5Gb/s NCQ 1 TB, 3.5-inch disk 4 disks, 8 heads 7,200 RPM 8-12 watts (idle-normal) ? ms avg. seek (上次8.5) 115 MB/s transfer
10、rate 0.75 Million Hrs MTBF 5 year warrantee $200 = $0.20 / GB,These use Perpendicular Magnetic Recording (PMR)!,1 inch disk drive!,Hitachi 2007 release 由iPods& 数码相机驱动 8GB, 5-10MB/s (higher?) 42.8 x 36.4 x 5 mm 垂直磁记录 (PMR) FUNDAMENTAL new technique Evolution from Longitudinal Starting to hit physical
11、 limit due to superparamagnetism（超顺磁性） They say 10x improvement, does Flash memory come in?,Microdrives and Flash memory (e.g., CompactFlash) are going head-to-head 都不易失 (no power, data ok) Flash优点: 更耐用 & 低功耗 (无移动部件, 微硬盘需要上下旋转) Flash限制: 写的次数有限 (围绕电荷存储装置的绝缘氧化层的磨损) How does Flash memory work? NMOS晶体管
12、，在门和源/出口间有附加的导体来 and “捕获traps”电子. 有/无电子对应于1或0.,en.wikipedia.org/wiki/Flash_memory,What does Apple put in its iPods?,Samsung flash 4, 8GB,shuffle, nano, classic, touch,Toshiba 1.8-inch HDD 80, 160GB,Toshiba flash 1, 2GB,en.wikipedia.org/wiki/I flash 8, 16, 32GB,Use Arrays of Small Disks,Katz and Patt
13、erson asked in 1987: 可否使用更小的磁盘来缩小磁盘和CPU性能间的鸿沟?,14”,10”,5.25”,3.5”,3.5”,磁盘阵列: 1磁盘设计,传统: 4磁盘设计,Low End,High End,Replace Small # of Large Disks with Large # of Small!,容量 体积 功耗 数据率 I/O Rate MTTF Cost,IBM 3390K 20 GBytes 97 cu. ft. 3 KW 15 MB/s 600 I/Os/s 250 KHrs $250K,IBM 3.5“ 0061 320 MBytes 0.1 cu. f
14、t. 11 W 1.5 MB/s 55 I/Os/s 50 KHrs $2K,x70 23 GBytes 11 cu. ft. 1 KW 120 MB/s 3900 I/Os/s ? Hrs $150K,磁盘阵列具有更高的性能, 每单位体积更高的容量, 单位功耗更高的容量, 可靠性?,9X,3X,8X,6X,(1988 Disks),Array Reliability,可靠性 是否有一个组件失效 测量方法： 平均故障时间 (MTTF) N个磁盘的可靠性= 单个磁盘的可靠性 N (假定故障是独立的) 50,000 Hours 70 disks = 700 hour 磁盘系统平均故障时间: 从6年
15、降为1个月! Disk arrays too unreliable to be useful!,Redundant Arrays of (Inexpensive) Disks,文件 “条状”分布于多个磁盘 冗余产生高数据可用性 可用性: 即使一些组件出现故障，仍能为用户提供服务 磁盘仍会出故障 内容通过存储在阵列中的冗余数据重建 由于存储冗余信息，容量减少 由于更新冗余信息，带宽减少,Berkeley History, RAID-I,RAID-I (1989) 由以下部件组成：带有128 MB内存的Sun 4/280工作站, 四个双路（dual-string） SCSI控制器, 28 5寸SCSI 磁盘及专用的磁盘条带化软件 Today RAID is tens billion dollar industry, 80% nonPC disks sold in RAIDs,“RAID 0”: No redundancy = “AID”,
