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1、第四讲存储设备第四讲存储设备本讲稿第一页，共五十六页第四讲第四讲 存储设备存储设备v存储器的分类及工作原理v半导体存储器v磁存储器v光存储器 本讲稿第二页，共五十六页存储器的分类及工作原理存储器的分类及工作原理本讲稿第三页，共五十六页存储器的分类及工作原理存储器的分类及工作原理本讲稿第四页，共五十六页半导体存储器半导体存储器本讲稿第五页，共五十六页半导体存储器半导体存储器vDRAM/SRAM本讲稿第六页，共五十六页半导体存储器半导体存储器vDRAM“硬盘”本讲稿第七页，共五十六页半导体存储器半导体存储器vROM用于存储固定数据，如BIOS等通常由生产厂商在出厂前通过专用设备写入本讲稿第八页，共

2、五十六页半导体存储器半导体存储器v固态盘存储器SSD(Solid State Disk)没有盘片，读写头、旋转机构，实际上是一种非易失性非易失性半导体存储器。起工作原理与内存有相似性。速度快：是普通磁盘的千倍以上成本问题：书上关于其成本高已经解决。三大体系：NOR、EEPROM、NAND-EEPROM本讲稿第九页，共五十六页半导体存储器半导体存储器v固态盘存储器本讲稿第十页，共五十六页半导体存储器半导体存储器v固态盘存储器本讲稿第十一页，共五十六页半导体存储器半导体存储器v磁泡存储器主要用于某些特殊领域如航空航天信息处理系统中的大容量数据存储器，要求体积小、功耗低、高可靠，抗恶劣环境。主要有两

3、种材料：铁氧体单晶片或石榴单晶片；铁、钴等与稀土金属Gd的合金非结晶膜本讲稿第十二页，共五十六页半导体存储器半导体存储器v电荷耦合器件存储器CCD（Charge-Coupled Device）半导体器件利用大规模集成电路的工艺制造集成度高、功耗低、工作速度快数码摄影、摄像本讲稿第十三页，共五十六页半导体存储器半导体存储器v电荷耦合器件存储器本讲稿第十四页，共五十六页半导体存储器半导体存储器v电荷耦合器件存储器本讲稿第十五页，共五十六页半导体存储器半导体存储器v电荷耦合器件存储器本讲稿第十六页，共五十六页磁存储器磁存储器本讲稿第十七页，共五十六页磁存储器磁存储器v磁存储器的特点v优点非易失性，可

4、长期存储存储密度高，容量大R/W速度快v缺点机械部件易磨损存取速度较内存还是有几个数量级的差别功耗大，体积大本讲稿第十八页，共五十六页磁存储磁存储v磁存储原理v属于磁表面存储器，以剩磁的状态表示信息。v磁表面：在带状或圆片状的载体上涂敷一层薄磁性材料而成，其厚度一般在0.20.5微米之间。v利用线圈制造磁场，让磁场在次表面上通过，然后在磁表面上留下磁筹（剩磁）。v读出来的时候就让线圈在磁筹上通过，通过切割磁力线，产生感应电流，从而把数据从磁表面上读出来。本讲稿第十九页，共五十六页硬磁盘存储器硬磁盘存储器v概述v工作原理v结构组成及工作原理v接口v硬磁盘适配器v磁道格式v硬磁盘存储器的发展本讲稿

5、第二十页，共五十六页1 概述概述v硬磁盘存储器是计算机系统的主要外存储器。世界第一台硬盘驱动器(HDD)是1956年问世的IBM350，它由五十片直径为24英寸的盘片组成，面密度为每平方英寸2KB，存储容量仅5MB。转速为1200转min。磁头是静压式，工作时需要向盘组压人压缩空气。平均定位时间长达600毫秒。自那以后，硬盘驱动器经历了近40年的发展，技术取得了惊人的进步。v硬盘从它诞生的第一天开始就作为计算机的外存储设备。目前尽管受到来自光盘和半导体盘的激烈竞争和挑战，但从数据存储速度和产品价格两方面比较，要把光盘从现在的7080ms平均存取时间降到HDD现在已经达到的20ms左右的水平，要

6、把现在几十倍于HDD价格的半导体盘降到现在HDD的价格水平，不是一件轻而易举的事。同时HDD的性能价格比还在飞速提高。因此，HDD在计算机各类外存储设备的统治地位，至少短时期内不会改变。本讲稿第二十一页，共五十六页v特点存储容量大随机存储数据速率高可靠性好v分类按磁头的工作方式分类按磁盘的可换性分类按磁盘尺寸分类按磁层分类按盘片数目分类本讲稿第二十二页，共五十六页硬盘内部结构硬盘内部结构本讲稿第二十三页，共五十六页2 工作原理工作原理v磁盘存储器的数据读写是靠磁头和盘片来实现的，盘片是在圆形盘基表面上涂有一层磁介质而制成的，工作时盘片在主轴电机驱动下匀速旋转，读写磁头浮动在盘片上。数据是按磁道

7、分布的。盘片上的磁道从外缘向圆心，按0N顺序编号。磁头通过磁头臂安装在滑动小车上，在驱动和定位机构控制下，磁头沿盘片径向作进、退运动，访问相应磁道。一般盘片的两面都有读写磁头。多片盘的情况，各片盘上相同编号的磁道组成一个柱面，柱面的编号与磁道号相同。本讲稿第二十四页，共五十六页3 结构组成及工作原理结构组成及工作原理v磁盘驱动动器主要有盘片(或盘组)、主轴驱动机构、磁头、磁头驱动和定位机构、读写电路接口及控制电路等组成。本讲稿第二十五页，共五十六页温式盘的主要特点温式盘的主要特点 v1）把磁头、小车、导轨、主轴和盘片等封装在一 个 腔 体 内，制 成 一 个 整 体 组 件，称 之 为HDA(

8、headdiskassembly)。v2）采用了质量轻、浮力小的磁头。采取了接触起停方式，又称CSS方式(contact startstop)。v3）由于采用了接触起停的方式，磁头与盘面有磨擦，为了延长使用寿命，除了在主轴电机上装有制动机构，缩短停机摩擦过程外，盘面上还涂有一层润滑剂，使CSS的次数由原来的1 000次提高到10 000次以上。本讲稿第二十六页，共五十六页4 接口接口v常用的控制器有4种：vST-506/ST-412接口vESDIvSCSIvIDEvEIDE（对IDE的扩展）本讲稿第二十七页，共五十六页5 硬磁盘适配器硬磁盘适配器v连接主板和硬盘的接口电路本讲稿第二十八页，共五

9、十六页6 磁道格式磁道格式v记录在盘面上的信息是串行排列在磁道上的，以字节为单位，一群相关的字节组成字节组，一系列字节组称为记录，一批相关的记录组成文件。盘面上的信息是遵循一定的规律安排的，并加上了寻址信息。不同类型的磁盘驱动器，由于基本结构上的区别，其寻址方式、磁道格式等都可能不同。就一般移动式磁头的磁盘驱动器而言，当要访问某一个记录时，磁头须从当前所处的磁道运动到指定的目标磁道，再等待被访问的记录块旋转到磁头下。所有盘面上的磁头是装在同一个小车上作同步运动的，也就是说，每一瞬间各盘面上的磁头均处于各自同一序号的磁道上，这些序号相同的磁道组成了一个柱面，与磁道编号一样，零磁道所在的柱面为零柱

10、面，1号磁道所在的柱面为1号柱面，依次类推。本讲稿第二十九页，共五十六页7 硬磁盘存储器的发展硬磁盘存储器的发展v硬磁盘驱动器的技术进步主要表现在下列几个方面。v(一)降低浮动磁头的高度 60年代后，成功地研制了动压浮动磁头，这种磁头是利用盘片旋转时产生的气流而浮起的，浮动高度从20pm不断地降低到lOOnm。v(二)采用伺服定位，提高磁道密度 最初的硬盘驱动器用油压机构来驱动和机械方法定位磁头，精度差，磁道密度仅为每英寸20道。后来磁头驱动改进为步进电机、直流伺服电机、音圈电机，磁头定位从简单的开环控制到闭环伺服盘控制、数据道的嵌入伺服、光伺服。技术的进步，使磁道密度不断提高，达到了每英寸5

11、 000道，甚至17 000道。本讲稿第三十页，共五十六页7 硬磁盘存储器的发展硬磁盘存储器的发展v(三)采用接触起停方式(CSS方式)和温彻斯特技术1973年开始采用CSS技术，1976年出现了用温彻斯特技术制成的硬盘驱动器，由于它的系列优点，把磁盘技术推进到一个新的阶段。v(四)采用磁阻磁头(MR磁头)，提高面密度 本讲稿第三十一页，共五十六页v为了提高磁记录密度，磁头技术是关键，传统的感应式磁头经历了从铁氧体磁头到MIGv整体型磁头，到薄膜磁头，到MR感应薄膜磁头的发展过程。19901991年，IBM公司首次将MR磁头应用在磁盘驱动器上，MR磁头是利用磁致电阻效应的磁头，记录密度达到每平

12、方英寸2 000MB。目前，容量大于1GB的磁盘驱动器中普遍应用了MR磁头。IBM的扩充式磁组(MRX)磁头等技术使25英寸硬盘达到每盘面18GB的容量。1994年，又开发了利用旋阀效应(SpinValve)的改进型巨磁阻效应磁头(GMR磁头)，进一步提高了面密度，达到前所未有的每片338GB的容量。本讲稿第三十二页，共五十六页(五)采用先进的通道信号处理技术v从通信的观点看，磁记录通道相当于通信系统的信道，由于脉冲拥挤效应而使磁记录通道v中 的 信 号 产 生 干 扰，把 通 信 技 术 中 的PRML(PartialResponseMaximum Likelihood)信号处理v方法应用到

13、数字磁记录产品中来是1984年开始的，理论和实践证明，PRML技术很适合于磁记录通道，与传统的、建立在RLLC码和峰值检测基础上的磁记录通道处理方法相比，记录密度有明显提高。1990年，PRMI。技术用到了硬盘驱动器上，与采用MR磁头同时，PRML信号处理方法，可以确保读出信号幅度，降低噪声，使硬盘驱动器的面密度和存储容量提高了3050，数据传输率提高了3040。PRML通道技术和MR磁头一起代表了当前大容量计算机磁存储读通道领域的主要技术。本讲稿第三十三页，共五十六页(六)媒体和盘基的改进v媒体的改进经历了涂布媒体、电镀媒体、溅射媒体的过程，盘基从铝合金、玻璃、陶瓷、塑料到碳的发展过程。v随

14、着计算机的微小型化，促使磁盘驱动器的微小型化，经历了盘径从14英寸、8英寸、v525英寸、35英寸、25英寸、18英寸、13英寸，驱动器厚度从82mm、41mm、254mm、17mm的演变过程。本讲稿第三十四页，共五十六页(七)驱动器速度的提高v主要包括缩短磁头行程，提高主轴转速，扩充读写控制电路的高速缓冲存储器的容量，改进接口技术，采用冗余磁盘阵列(RAID)等。v平均存取时间从最早的600毫秒提高到目前的79毫秒。v主轴转速从每分钟1 200转提高到7 200转，甚至12 000转以上。v数据传输率从每秒88KB提高到111MB。本讲稿第三十五页，共五十六页磁盘阵列技术磁盘阵列技术v在计算

15、机系统中，主机半导体器件和CPU性能提高得很快，但是IO速度和CPU速度的不匹配一直是高性能计算机长期面临的、日益严重的IO瓶颈问题。作为外存主要设备的磁盘驱动器，尽管在容量上和每Mb(兆位)价格上都有了明显的进步，但磁盘驱动器的平均访问时间、数据传输率等性能均受到盘片转动和磁头臂移动等机械动作的限制，单靠磁盘驱动器本身性能的改进，很难追综主机速度的提高。因此，主机与磁盘子系统之间的瓶颈问题必须要从结构上解决。v磁盘阵列技术改变了构成大容量磁盘子系统的传统方法，用多台廉价的小温式磁盘驱动器组成磁盘阵列，将并行处理的控制技术应用到磁盘驱动器一级，改变了以往驱动器级的串行控制方式。一个磁盘阵列相当

16、于一个大容量逻辑磁盘，用户数据按一定的方式分散在阵列中的各个物理磁盘驱动器上。本讲稿第三十六页，共五十六页磁盘阵列技术磁盘阵列技术本讲稿第三十七页，共五十六页磁盘阵列技术的优点磁盘阵列技术的优点 v1海量存储能力v2高可靠性 v3并行处理能力并行处理能力v4便于维护便于维护本讲稿第三十八页，共五十六页RAID容错技术容错技术 v磁盘阵列是用多台廉价小型磁盘驱动器连接起来组成个逻辑空间，阵列中的磁盘驱动器越多，故障的概率也越高，丢失数据的可能性就越大。所以没有磁盘冗余结构的阵列是不可靠的。为了提高磁盘阵列工作的可靠性，不得不牺牲阵列的部分容量和IO带宽。通常的作法是采用ECCECC错误检测和校正

17、、额外增加奇错误检测和校正、额外增加奇偶校验盘、增加镜像盘偶校验盘、增加镜像盘，三者结合解决可靠性问题。本讲稿第三十九页，共五十六页六种容错结构六种容错结构 v(1)RAID0级级RAID0级支持不带任何容错能力的数据分块，它具有最高的IO性能，但可靠性最差。(2)RAID1级级RAID1级使用数据分块，校验是用镜像方式，但采用扇区一级的镜像。它比单纯使用镜像盘的系统性能要好。它的缺点是对镜像的读写降低了由数据分块改善的IO性能。(3)RAID2级级RAID2级的校验方式是海明码方式，即采用海明码错误校验和位交叉技术。把数据按位交叉写到若干个磁盘上，海明码被编到每一个字符的位中，按位进行检查。

18、需要有多个校验盘来检测和校正错误。不像镜像盘结构那样100的冗余度，其系统冗余度为40。也就是说，对于一个有10个盘的小型阵列，至少需要4个校验盘。RAID2级可以很好地满足具有大量顺序IO请求的计算以及超级计算，至于微机或服务器则并不适宜。本讲稿第四十页，共五十六页v(4)RAID3级级vRAID3级采用位交叉，数据校验方式是奇偶校验方式，只用一个奇偶校验盘。同样，数据按位交叉写到几个磁盘上，用一个校验盘来识别一个数据错误，由控制器重构数据。如果校验盘损坏，可以重新计算校验位将其恢复到一个新盘上去。因为只需要一个校验盘，对于有10个盘的阵列，其系统冗余读为110，因此实际存储利用率比RAID

19、1和RAID2高，成本也较低，但是有奇偶校验盘读写的瓶颈问题。本讲稿第四十一页，共五十六页v(5)RAID6级级vRAID6级是一种采用分块交叉技术和两个磁盘驱动器容错的磁盘阵列。由于它用两个磁盘驱动器存放检错、纠错冗余码，即使发生双盘出错的情况，仍能保证数据的完整性和有效性。所以，RAID6有很高的数据可靠性。另外，RAID6中数据和校验信息分块交叉存储在阵列中的各磁盘上，多个磁盘同时读写，IO传输率较高。但是，写性能比RAID5差，因为每次写入数据时，要对三个驱动器访问两次(一个数据盘驱动器和两个校验盘驱动器)。本讲稿第四十二页，共五十六页v(6)RAID7级级vRAID7用一个奇偶校验盘

20、驱动器。阵列中的所有磁盘驱动器，包括奇偶校验盘驱动器同每一个主机接口(可能为多主机接口)间有独立的控制和数据通道，因此可以对每一个驱动器完全独立地进行访问。vRAID7的主要优点是速度快，它通过最小化访问次数、优化读写请求，并用空间和时间局部性原则平滑集成单个用户的随机请求等，可获得近似主存的IO性能。数据传输能力随阵列中数据盘数量的增加而直线增加。本讲稿第四十三页，共五十六页v(7)RAID10级级vRAID10级采用分块技术和镜像存储。分块技术，使多个磁盘可并行读写，I()性能很高；镜像存储技术使得它的可靠性在所有磁盘阵列中是最高的。RAID10实际上是RAID1加上RAID0，因此综合了

21、RAID1和RAID0的优点，它的性能是所有RAID结构中最好的。缺点是每次写入数据时，要对两个互为镜像的磁盘进行写入操作，因此写代价比较高。本讲稿第四十四页，共五十六页v(4)EVENODD结构结构vEVENODD结构是用两个冗余盘存放检错、纠错信息，是一种容双磁盘错的阵列结构，所以为最优冗余方案。本讲稿第四十五页，共五十六页光存储器光存储器 CD:Compact Disk优点：存储密度高、数据传输率高、数据保存时间长、信息位价格低1.光盘及光盘驱动器的分类2.光盘存储原理3.光盘及光盘驱动器的主要参数4.光盘驱动器结构5.光盘的预格式化本讲稿第四十六页，共五十六页1.光盘及光盘驱动器的分类

22、光盘及光盘驱动器的分类v光盘的分类技术规格：CD-ROM、CD-DA、CD-I、VCD、PCD、CD-R.按存储内容分类：工具、CAI和GAME、数据库和软件v光盘驱动器的分类只读型（CD-ROM）一次写入型（WORM和CD-R）可擦重写型（REWRITE）直接重写型（OVERWRITE）多功能的光盘驱动器本讲稿第四十七页，共五十六页2.光盘存储原理光盘存储原理写入操作：被记录信息调制的激光束聚焦（或其他手段）到存储介质上，使被照射部分的反射率发生变化，出现两种状态：0、1。读出操作：用低功率的激光束扫描信息轨道，由光电检测器检测其反射率的变化，从而解调出信息。v只读存储光盘（CD-ROM）v

23、一次写入光盘（WORM和CD-R）v可擦重写光盘（REWRITE）v直接重写像变光盘（OVERWRITE）本讲稿第四十八页，共五十六页2.光盘存储原理光盘存储原理本讲稿第四十九页，共五十六页本讲稿第五十页，共五十六页压制光盘模具VD包本讲稿第五十一页，共五十六页3.主要参数主要参数v盘片功能：只读、一次写入、可擦写、直接写v存储密度和容量：线密度、道密度、总容量v数据传输率：bps/Bpsv平均存取时间：平均寻址时间、写入光盘时间和从光盘读出时间v信噪比：信号幅度/噪音幅度S/Nv原始误码率：原始读出数据中错误位/总位数v盘片大小：v盘片转速：等角速CAV和等线速CLVv盘片信道：同心圆/螺旋线本讲稿第五十二页，共五十六页同心圆轨道螺旋线轨道本讲稿第五十三页，共五十六页4 光盘驱动器结构光盘驱动器结构v组成和工作原理组成：光盘托架、升降机构、光盘旋转主轴、主轴电机、光学头、光学头驱动/定位系统、读写电路等工作原理本讲稿第五十四页，共五十六页本讲稿第五十五页，共五十六页5 光盘的预格式化光盘的预格式化v扇区预格式码v轨道饲服方式本讲稿第五十六页，共五十六页