最新外存设备与磁盘阵列技术精品课件.ppt

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1、（4） 数据传输率：指磁表面存储器在单位时间内可以向主机传送数据的数量，通常用二进制数的位数或字节数表示。它与设备本身的读写速度和接口逻辑线路有关。5） 误码率：外存设备是高精密度的机械电子装置，集机械、电子、电磁、光电等多项技术于一身，不仅价格较高，其运行的可靠性也远比CPU、主存等电子逻辑部件要低。误码率就是用于衡量磁表面设备运行可靠性的重要指标，它等于在一次读操作过程中，出错信息数量在读出的全部信息中所占的比例。（6） 价格：在现代的计算机系统中，外存设备本身的价格算得上是很贵的部分，但由于它的存储容量特别大，为存储单位信息（例如1KB）所占的平均价格又是最低的部件。2。磁表面存储器的工

2、作原理磁表面存储器的工作原理(1) 磁记录原理 磁表面记录设备，是在磁头和磁性材料的记录介质之间有相对运动时，通过一个电磁转换过程完成读写操作的。磁头是实现电磁转换过程的关键装置，通常由软磁材料（外界磁场的作用消失后，该磁性材料的磁性容易消失）做成。它是一个留有前后间隙的磁性环状物体，上面绕有线圈。后间隙越小越好，前间隙（称为工作间隙）要宽窄适当。当向线圈提供一定方向和大小的电流时，将使磁头体被磁化，建立起有一定方向和强度的磁场，即在磁环内有磁力线产生，由于磁头的前间隙处磁阻较大，将产生漏磁，这漏磁就是向磁记录介质中写入信息的信息源。 磁记录介质，是在某种刚性（如硬盘）或柔性（如软盘、磁带）载

3、体上涂有薄层磁性材料的物体，用于记录以磁状态表示的信息。磁记录介质用硬磁材料（外界磁场的作用消失后，该磁性材料的磁性尽量多的保留）做成。图图4.29 硬磁盘驱动器的一般组成硬磁盘驱动器的一般组成 (1)主轴及其驱动系统硬磁盘的盘片(组)被固定(或插入后卡在)磁盘机的主轴上，由主轴带动磁盘匀速旋转， 而磁盘机的主轴，则是由一个主电机通过传动皮带带动旋转的。主电机的转速必须被监测和进行自动调节。为保证有正常的读写信号，保证浮动磁盘头与磁盘表面有合理的距离，要求磁盘以一个额定的转速匀速旋转。因此，必须在刚加电启动时，检测磁盘是否已达到额定转速，通常在未达到这一转速之前，可以不允许磁头进入磁盘外沿之内

4、；在磁盘正常旋转的过程中，还可以用一个闭环的自调节系统使其转速尽可能的均匀。1硬磁盘驱动器的组成与功能(1)主轴及其驱动系统 (2)磁头及其定位系统(3) 数据读写等控制逻辑部分(2)磁头及其定位系统大部分的磁盘系统中，只为每个磁盘面设立一个磁头，为在磁盘径向方向的某个位置(某一磁道)完成读写，必须驱动磁头移到并定位在那里，实现这一功能的部件被称为磁头定位驱动机构，它由磁头小车和驱动部件组成，磁头被安装在小车上，小车的运动带动磁头沿磁盘的径向方向前进或后退。这样的磁盘系统被称为活动头磁盘，它的寻找磁道的时间比较长；也有一些磁盘，出于提高读写速度的需要，为每个磁道分别安装一（多）个磁头，使用的磁

5、头数目变多，但取消了磁头寻找磁道的时间，这样的磁盘系统被称为固定头磁盘。高性能的定位驱动系统比较复杂。软磁盘和道密度不高(例如每英寸300道)的硬磁盘中，一般选用步进电机，它是用脉冲信号驱动电机旋转，每个脉冲信号是磁头移动一个磁道，特点是结构简单但速度与定位精度都低。高性能的定位驱动系统，多采用音圈电机驱动和伺服盘定位，音圈电机是线性电机，由提供给它的直流电流的大小控制电机的活动部分(磁头小车就固定在它的前端)作不同速度的直线运动。它的高性能(高的运动速度和定位精度)来自于带有速度和位置反馈的闭环调节的自动控制系统。如图4.30所示。图图4.30 音圈电机控制系统音圈电机控制系统 浮动磁头的概

6、念:磁头与记录信息的磁表面之间的距离，与磁盘记录密度和读写的可靠性有密切联系。距离一变大，磁头漏磁对磁表面上的磁性材料的作用强度会变小，显然会影响读写的可靠性；距离太小，又很容易发生直接接触(撞在一起)的危险，在二者以非常高的速度相对运动中，很容易划伤盘面或磨坏磁头；最好的解决方案，当然是磁头本身具有自动调节它与磁盘表面距离的能力，也就是磁头在磁表面上方能上上下下的自行浮动的能力，这就是浮动磁头的概念。它的实现是建立气垫原理之上的，即当磁头与磁盘面之间进行高速运动时，会有空气在二者之间形成一个薄层的气膜，把磁头向上抬起，当磁头与磁表面距离变小时，抬的力会变大，把磁头稍稍往上推一点，当这一距离变

7、大时，抬的力会变小，使磁头稍稍往下落一点。(3) 数据读写等控制逻辑部分数据读写等控制逻辑部分要读写磁盘上的信息，首先必须给出信息在磁盘设备上的准确位置，这个位置要读写磁盘上的信息，首先必须给出信息在磁盘设备上的准确位置，这个位置信息通常由哪个磁盘面信息通常由哪个磁盘面(即哪一个磁头即哪一个磁头)，哪一个磁道的哪一个存储区域，哪一个磁道的哪一个存储区域(通常为通常为磁道的扇区磁道的扇区)等几部分组成。等几部分组成。对于写操作，当把要用的写入地址送入磁盘的地址寄存器之后，再把要写入的对于写操作，当把要用的写入地址送入磁盘的地址寄存器之后，再把要写入的数据经磁盘接口送到磁盘的读写控制逻辑电路，经过

8、编码处理数据经磁盘接口送到磁盘的读写控制逻辑电路，经过编码处理(在编码方式一节在编码方式一节略有说明略有说明)，送写入驱动器再送入选定的磁头的写入线圈，把信息串行地写入选，送写入驱动器再送入选定的磁头的写入线圈，把信息串行地写入选定的磁道中；写入操作伴有比较完善的出错检查，并同时把这些检查结果的信定的磁道中；写入操作伴有比较完善的出错检查，并同时把这些检查结果的信息息(如如CRC码码)也写在特定的存储区，用于读操作时复核读出结果的正确性。也写在特定的存储区，用于读操作时复核读出结果的正确性。对于读操作，首先使磁头移动到由磁盘地址寄存器指定的存储区域，选中的磁对于读操作，首先使磁头移动到由磁盘地

9、址寄存器指定的存储区域，选中的磁头执行读操作，读出信号送读出放大器，经译码电路分离出数据脉冲，拼装成头执行读操作，读出信号送读出放大器，经译码电路分离出数据脉冲，拼装成字节或字的格式送入磁盘接口。读的过程也伴有出错检查字节或字的格式送入磁盘接口。读的过程也伴有出错检查(甚至自动纠错甚至自动纠错)操作。操作。读写电路框图读写电路框图2磁记录介质磁记录介质-磁盘片上的信息组织磁盘片上的信息组织磁盘片是磁存储器的信息记录载体。不论是与磁盘驱动器做成为一体的、还是可以分开保存的磁盘片，其信息组织形式是相同的。磁盘片可以是单片结构的，可以只使用它的一个记录面，或同时使用它的两个记录面。软磁盘片就有单面与

10、双面两种磁盘片。硬磁盘片通常可以使用其两个记录面，在活动磁盘系统中用的较多。也可以把多片磁盘片组装在同一个轴上，从而构成为一个多片结构的磁盘组，通常用在固定磁盘系统中，这对于提高磁盘设备的总存储容量很有成效，此时读这样的磁盘上的信息时，必须指出该信息在磁盘的哪个盘片的哪一记录面，具体会表现为选择多个磁头中的哪一个磁头(假定对应每个可用的盘片记录面各有一个磁头)。在同一个磁盘记录面上，信息被写在许多个同心圆上，每个同心圆为一个磁道，不同磁道用磁道号表示。磁道间的距离为道密度，它与磁头选择磁道的定位精度直接有关，对固定尺寸(直径)的盘片，磁道密度与磁盘片的总存储容量成正比。对多片结构的磁盘组，不同

11、记录面上的同一磁道被叫做一个柱面。在同一个磁道上，信息被组织为固定大小的区段，称为扇区，即把一个圆周等分成若干部分，每部分就构成一个扇区，每个扇区的一个磁道，用于存储一定数目的二进制信息(如以字节数表示)。扇区的一个磁道通常是磁盘进行读写的最小信息单位。不同扇区用扇区号表示，为此必须有办法标识一个磁道的起始位置，以便表明第一个扇区的开始。请注意，在一个磁道上，只有一部分区域用于记录有用(外部写入和用于读出)的信息，还有很多区域用于标记磁道的开始、结束、扇区位置(编号)、磁头号等，以及用于保存数据校验与纠错处理的冗余信息(常用的是CRC校验码)，可能还有一些必要的间隙部分。所以一个磁盘上的可用存

12、储容量，不是简单地用磁道数乘上每个磁道理论上可写入的最多信息数目(可磁化的单元数)决定的。对一个磁盘片(组)，在使用之前要进行格式化操作，即在每个磁道上完成区域划分，写入各种标记信息，建立标明磁盘记录面使用情况的信息位图等。磁盘的存储容量，通常是指在磁盘完成格式化操作之后，留给用户实际可用的存储空间，通常用字节数表示。IBM 3740 8寸软盘的数据记录格式。3磁盘接口卡磁盘接口是为了可以把不同型号的主机与不同型号的磁盘设备连接在一起，构成一个能协同运行的整机系统所必需的，该卡无疑需要在两个方向上有正确的接口关系。在一个方向上，它需要与主机正常连通与协调运行，主要是与主机系统的总线打交道，CP

13、U要发送数据与命令，接收数据与取得设备(接口)运行装态等，都要经过总线完成，而接口卡正是插在主机总线插槽上的一块线路板。在另一个方向上，它需要与磁盘设备连通并协调运行。磁盘设备通常有自己的控制器，以确保磁盘设备本身有比较好的独立性和完备性。但不同磁盘的控制器所提供的功能并不一致，有些功能可以在磁盘本身的控制器中提供，也可能把它划分在磁盘的接口卡中实现。显而易见，不同厂家、型号的磁盘设备，会用不同的接口卡与指定的计算机主机接通，随意配接往往是行不通的。 磁盘接口卡与磁盘控制器的功能划分磁盘接口卡与磁盘控制器的功能划分 其中ST506是美国 Seagate Technology 公司1980年为5

14、.25英寸的 ST506小型温盘研制的，以后其他一些公司在微机中也采用了这一标准。它把磁盘读写等逻辑电路主要划分在接口卡上，磁盘驱动器部分主要保留了写入放大器与读出放大器电路。采用MFM编码和步进电机定位机构寻道。ESDI(Enhanced Small Device Interface)，即增强型小型设备接口，是一种更通用的磁盘接口，也能接磁带和光盘设备，具有5Mb/s和10Mb/s两种传送率。它把数据的编码、译码部分拿到了磁盘驱动器中，提高了设备运行的可靠性，数据传送采用不归零制(NRZ)，驱动器也可以采用其它编码标准，支持步进方式(以步进电机为执行机构)和连续方式(即以音圈电机为执行机构)

15、两种寻道方式。SCSI(Small Computer System Interface)，即小型计算机系统接口，是当前最流行的小型机和微型机中的总线标准，有SCSI-1，SCSI-2和SCSI-3等几个标准，许多磁盘接口卡可以连接到SCSI总线上，能连接8位、16位或32位的多种设备。光盘设备的组成与运行原理光盘设备(Optical Disk) 是利用激光照射圆形盘体完成信息读写的设备。它的特点是存储密度高，容量大，非接触式读写，工作可靠性好，价格便宜，因此在当前的计算机系统中得到广泛应用。目前被广泛应使用的，主要有3种类型的光盘。第1种是只读光盘，它上面的信息是由计算机厂家提供的，只供用户执

16、行读操作，被称为CD-ROM(Compact Dsik-ROM)。第2种是一次型写光盘WORM(Write Once,Read Many)，它上面的信息可以由用户用写光盘机写入，写入后则不能再修改，是备份数据的有效手段。第3种是可擦写型光盘，多是用激光照射特定的磁性材料介质实现的，它上面的信息可以被多次地写读，这种设备价格比较贵，目前使用的普及程度较差。以写一次型光盘为例，来说明光盘设备的组成与读写原理。写一次型光盘设备由光盘机和盘片组成。光盘机由主轴驱动机构，读写光头和寻道定位机构，激光器、光束分离器和光聚焦镜等组成。光盘是圆形的、用于记录信息的盘片，由基板、铝质反射层和薄金属膜三层结构组成

17、，基板提供合适的机械性能，反射层用于反射接收到的激光信号，而金属膜则是记录信息（区分01信号)的介质，即在比较强的激光照射下，它被融化出小洞，从而会改变照射到它上面的激光的反射强度。 激光器多为气体（或半导体）激光器，它可以产生一定亮度(强度)的激光束，是光源部件。光束分离器把接收到的激光束分成为写光束和读光束两部分。调制器用于控制是否要让写光束通过。写光束要通过跟踪反射镜和聚焦镜实现寻道定位，把写光束聚焦为很细的光束打到指定的光盘位置，从而在那里融出一个小于1l的一个小坑，表示已完成1个1信号的写入操作。读出时，读光束也会照射到指定的光盘位置，但它的能量很弱，不会改变金属膜的反射特性，只会把

18、所照到之处有无小坑通过反射光的强弱表现出来，反射回来的光被送到光敏二极管，从而确定读出来的是1信号还0信号。由于金属膜的反射特性，一旦被破坏了就不能再恢复，所以这种类型的光盘只能被写一次。磁盘阵列技术与容错支持作为计算机系统外存储器的主要支柱设备，磁盘的容量、读写速度、价格和容错支持，一直是人们致力解决的问题。过去很长一段时间，研究工作多集中在提高、改善单个个体磁盘机的性能方面，因为待改善的性能、要做的技术工作都有较大的选择余地，这些工作也确实取得了巨大成绩，极大地推动了磁盘的普及应用。但这是不是解决问题的唯一途径呢？显然不是，另外一个可行途径，是使用统一管理的由多个磁盘组成的磁盘阵列，最早是

19、由美国的一个科研小组提出来并很快成为被工业界广泛接受的一项技术。这一技术的着眼点，还是通过多个磁盘设备的并行操作来提高设备总体的性能和可靠性。显而易见，如果一个磁盘有x MB的容量，单位时间提供y MB的传送能力，则概念上讲，n个这样的磁盘就有n%x MB的容量，n%y MB的传送能力，换句话说，要读出y MB的数据，所用的平均时间只要原来单个磁盘所用时间的1/n；还有一点好处是，通过合理地在多个磁盘之间组织数据，可以得到比较理想的容错能力，这指的是，额外拿出一定的存储容量（冗余），用于保存检错纠错的信息。从总体价格上考虑，使用多个磁盘也并不会给用户带来太大的经济负担。因此，科研组在提出这一技

20、术思路时，用的词为Redundancy Arrays of Inexpensive disks (缩写为RAID)，但到了工业界，却更愿意把这里的Inexpensive换成Industry，在原来技术概念的基础上加上点商业味道。 图图4.37 磁盘阵列磁盘阵列 为统一管理磁盘阵列，使用户所感觉到的不再是多个物理盘，似乎就是一个性能更高的单个磁盘，就要使用一块特定的接口卡（一般称为RAID卡，阵列控制卡），把组成阵列的多个物理（实际）磁盘连接为一个逻辑整体，这被称为一个逻辑磁盘。该卡的一端将被插接到高速的SCSI总线或PCI总线的插槽中，以便与计算机主机接通，另外一端有1到3个接插头，通过电缆与

21、1到3组磁盘设备连接，每组可有串行连接在一起的1到7物理磁盘。该卡是一个有较强智处理能力的接口电路，上面有一个单片计算机，形成奇偶校验信息的机构，分析与处理主机CPU发送来的读写磁盘命令的机构，有起缓冲作用的DRAM存储器（又被成为阵列加速器，几MB到几十MB容量，分成两个体以镜像方式运行，还有专用的后备电池支持）等几个组成部分。系统能通过该卡对连接到卡上的多个磁盘，按用户的使用要求，灵活地配置为不同的使用和容错方式。阵列磁盘运行过程中，有两项重要技术对磁盘系统的运行性能产生较大影响。一个是并发命令请求和命令排队，就是说CPU可以向磁盘设备发送多条命令，阵列卡会对这些命令进行排队管理，并使多个

22、命令得以并发处理；如果在处理命令的时候，还能进行某些性能优化，而不是机械地按命令到来的先后次序处理，还可以进一步提高数据读写的速度，最简单的例子，对两个等待读操作的命令，磁头先到达哪一个命令的数据扇区，就先执行哪一个命令，这在磁盘本身的控制器部分来处理可能更方便。另外一项技术是设备的快速接入和断开，即当一个占据了总线的磁盘开始执行一个读命令，数据又尚未准备好时，它应快速地暂时把自己从总线上断离出来，以便使另外正急于使用总线的磁盘可能抢到总线，从而提高总线的使用效率和系统性能；当这个磁盘准备好数据时，应保证它能把自己尽快地接通到总线上去（得到总线的使用权）。这实质上是把占用总线的时间压缩到尽可能

23、短的一项处理技术。下面介绍一下阵列磁盘对容错的支持情况。合理地把一个文件的内容划分为块并写到组成一个逻辑磁盘的多个物理磁盘中去，再采取适当的数据存储保护措施，不仅可以提高数据读写的速度，而且可以大大增加磁盘系统工作的可靠性，就是说使该磁盘系统具有很好的容错能力。提出这一技术思路的研究人员把这一容错划分成6种模式，又经常被说成6级容错，分别叫作RAID0、RAID1、RAID4、RAID5。其中的RAID2方案与磁盘设备本身的工作特性不完全符合，RAID3要求多个物理磁盘同速并保持相关扇区同步，难以得到好的性能/价格比，采用的较少，其他4种已被工业界广泛接受并在一些产品中得到实际应用。 RAID0模式，是指把一个文件的数据分成容量相等（例如16KB）的块（chunk），把每一段交替地分别写到不同的物理磁盘的几个扇区中去，这种处理叫data striping。它的好处是，不仅可以使几个磁盘合起来有更大的容量，还可以让多个物理磁盘并发读写，提高了数据输入/输出的吞吐率；它并没有采用任何容错措施，故没有容错能力。磁盘可用存储容量全部用于存储实际数据。如图4.38 所示。图图4.38 RAID0，Data striping