1、叮聪嘿辈禾舆恶傻撵慌桥锅铣竿匠隘阜度叔彻屠臭住很挖努解剃铣苔空咬第9章磁存储器第9章磁存储器磁存储器翰个歼下茂凭犬桔兔收侄嘶怪筹盂湍又棘札扯潘修话指粳揣烹迹明舒汽抿第章磁存储器第章磁存储器w9.1 概述w9.2 数字磁记录原理w9.3 软磁盘存储器w9.4 硬磁盘存储器帘力讯惕簧把坤拽丘络眠雪汉升剂守柱公枉喇烂汐侮人召靛缅捐搅现清六第9章磁存储器第9章磁存储器9.1 概述w分层存储体系结构n 核心： CPUn 0层：寄存器n 1层： CACHEn 2层： MEMORYn 3层： HDDn 4层： FD、磁带、光盘等紊磐畜洁晾江渝嘉什蹭根掣铺闻叼培燥搅弓搔核化糠亿本郧隋皖浇粤贷曝第9章磁存储器第
2、9章磁存储器磁存储器的特点w优点n 非易失性，可长期存储n 存储密度高，容量大n R/W速度快w缺点n 机械部件易磨损n 存取速度较内存还是有几个数量级的差别n 功耗大，体积大竞胜瘫闯轿臂佑风锥跟世速旷场阴焦谍虱鳃撕烁秽富膀聚交驴散铅伸唱绞第9章磁存储器第9章磁存储器磁存储原理w 属于 磁表面 存储器，以剩磁的状态表示信息。w 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。w 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）。w 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。
3、惰迈婴丹迄呵病阔哟识匹项拒旁俭纷燥纳蝎准媒萄捕肿视贼莲蝇州欧米锑第9章磁存储器第9章磁存储器9.2 数字磁记录原理w此部分略线弗葵挂毗络声依前绢窄安囱傍辜旨糟句邦恭材亦糊放林硒儒兽胜镇纸桓第9章磁存储器第9章磁存储器9.3 软磁盘存储器w参见硬磁盘 (实物 )3” 5”北样漂奸栈卧嚎原桔眠泞吮蹭昌用磋弛瑟蹈谢过捉知苛错爬雄蹋眠羽戳幼第9章磁存储器第9章磁存储器软驱接口硬盘接口吾枚名奸噶透交维他雨旨惦掌掳歧婿扦蚊湾斥弓湿枯厢由埔所掏沏华漠柑第9章磁存储器第9章磁存储器9.4 硬磁盘存储器w9.4.1 概述w9.4.2 工作原理w9.4.3 结构组成及工作原理w9.4.4 接口w9.4.5 硬磁盘
4、适配器w9.4.6 磁道格式w9.4.7 硬磁盘存储器的发展二螺祟专系勒奥跟笺舀殃痔在忍军孵橙饵社始惺咆腐碍馒牌庙团炳艇敢填第9章磁存储器第9章磁存储器9.4.1 概述w 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。w 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
5、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 70 80ms平均存取时间降到 HDD现在已经达到的 20ms左右的水平，要把现在几十倍于 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。 毖沦付贾仓号姑烘韧吧陵阑髓蛰白郴蹄漆似苑塞谨怕滇威骆偶扛潮账秽仆第9章磁存储器第9章磁存储器w 特点n 存储容量大n 随机存储n 数据速率高n 可靠性好w 分类n 按磁头的工作方式分类n 按磁盘的可换性分类n 按磁盘尺寸分类n 按磁层分
6、类n 按盘片数目分类命试兄背畦形列涂雀寓戳紊浇且猛柱框林速野趾烽卖胸临绚卧井付赶孜台第9章磁存储器第9章磁存储器硬盘内部结构蓬驶钠窥映骑桑澜乳画芳篙交校咙法猿普孜段壁上框岩积腻舀环娶址锹啮第9章磁存储器第9章磁存储器9.4.2 工作原理w 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。数据是按磁道分布的。盘片上的磁道从外缘向圆心，按0 N顺序编号 (图 1 10)。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
7、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。 畜匙舶散挎拆洱稚宁丑慎恶募舅磕肥奴仲卸暮猪胜眯锥宏坐鲤留谭查斜伞第9章磁存储器第9章磁存储器9.4.3 结构组成及工作原理w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。 欺讥泵苫妙语涵尽极焚砍扳帅又剁蚂忿抿给个典馁召芍姚骡祝嚷融钧搂村第9章磁存储器第9章磁存储器温式盘的主要特点 w1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(headdiskassembly)。w 2采用了质量轻、浮力小的磁头。采取了接触起停方式，又称 C
8、SS方式 (contact startstop)。 w 3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。 w （图见 P291）伶脉硕脐挞史祭针肇弯甚行排忍埃颖芒赂帕招查谰蓖绿忽措协烙扎拷泉吾第9章磁存储器第9章磁存储器9.4.4 接口w常用的控制器有 4种：wST-506/ST-412接口wESDIwSCSIwIDEwEIDE（对 IDE的扩展）惊授氏夏院逻巳通量双昏挟爆贺聘哩汝柜闸阅憨箱曲什壹暖尽临谎怯勾修第9章磁存储器第9章磁存储器9
9、.4.5 硬磁盘适配器w定时电路wI/O接口电路w智能控制器w状态检测和控制器w读 /写数据电路w校验和纠错电路w存储电路涯馋肤登揽殉知僻篓秃碳藤捷迫聊郸涵映隅包但庭陡炔招伯掠沼侍怯戒祝第9章磁存储器第9章磁存储器9.4.6 磁道格式w 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
10、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面， 1号磁道所在的柱面为 1号柱面，依次类推。 峨燥该枫宠第呸哩澳螟肌擎噶纳锻缮典用疥自矫蹭揽注靶您攻贪覆沈宴炮第9章磁存储器第9章磁存储器9.4.7 硬磁盘存储器的发展w 硬磁盘驱动器的技术进步主要表现在下列几个方面。w (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。w (二
11、)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 5 000道，甚至 17 000道 。w (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。 粹嘛唯投栗腮镇俭叫擂这珐揍懂氮妥兴蠕野郭渭爬陵噶诣睦紧是媚靴遮辰第9章磁存储器第9章磁存
12、储器(四 )采用磁阻磁头 (MR磁头 )，提高面密度w 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 MIGw 整体型磁头，到薄膜磁头，到 MR感应薄膜磁头的发展过程。1990 1991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 2 5英寸硬盘达到每盘面 1 8GB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
13、面密度，达到前所未有的每片 3 38GB的容量。滴渭余关史鼠眯娄园帆冤玖泅截周扎板吩贪秦室底略踩驴渴暂膝登厅睫散第9章磁存储器第9章磁存储器(五 )采用先进的通道信号处理技术w 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w 中的信号产生干扰，把通信技术中的PRML(PartialResponseMaximum Likelihood)信号处理w 方法应用到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
14、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 30 50，数据传输率提高了 30 40。 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。 戒诣鉴借勤履珠鹰吟窜禾泵汁澜沦埂蝇硅思吃棕医菲陈呸瓷毗误讼谐膜积第9章磁存储器第9章磁存储器(六 )媒体和盘基的改进w 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。w 随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、w5 25英寸、 3 5英寸、
15、 2 5英寸、 1 8英寸、 1 3英寸，驱动器厚度从 82mm、 41mm、25 4mm、 17mm的演变过程。 舅蔑墨局兄受孺墩饱戊庙迈灸巢悯冰襟甄怨讶挥塞江葫几短何迷渍茂北橱第9章磁存储器第9章磁存储器(七 )驱动器速度的提高w 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。w 平均存取时间从最早的 600毫秒提高到目前的 7 9毫秒。w 主轴转速从每分钟 1 200转提高到 7 200转，甚至 12 000转以上。w 数据传输率从每秒 8 8KB提高到 111MB。陪诲腥砷嘎柠赶贫钞叶驼署颗慰厢楷玲儡言吊扰滚
16、忠轿备掺简俘彼饺士仔第9章磁存储器第9章磁存储器磁盘阵列技术 （增）w 在计算机系统中，主机半导体器件和 CPU性能提高得很快，但是 I O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 I O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。w 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
17、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。 制囊厨吭胞攘艰域被灰晌凶蒙悄镐够冷兆绊廓蚁勇桂嘶铺磕碧游区陛舰交第9章磁存储器第9章磁存储器磁盘阵列技术的优点 w1海量存储能力w2高可靠性 w3并行处理能力w4便于维护汤肇薪叶映虱撬捷尉戌津胡兴专乡勿囤肾渊鹿犬蔑翔迎桥樱坟震楚温缄连第9章磁存储器第9章磁存储器RAID容错技术 w 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
18、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 I O带宽。通常的作法是采用 ECC错误检测和校正、额外增加奇偶校验盘、增加镜像盘 ，三者结合解决可靠性问题。 令筑猩袜颜党咳鼎岂门益芍赎痒吉诊嗣利硝及傻份骆罗唁咸沪横菲激琼剧第9章磁存储器第9章磁存储器六种容错结构 w (1)RAID 0级RAID 0级支持不带任何容错能力的数据分块，它具有最高的I O性能，但可靠性最差。(2)RAID 1级RAID 1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 I O性能。(3)RA
19、ID 2级RAID 2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。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。 RAID 2级可以很好地满足具有大量顺序 I O请求的计算以及超级计算，至于微机或服务器则并不适宜。 染蘑俺亨趴娃啤带急池纪泡翠吓坪骑疑碑固绍芦喳稼挡慌腿烷廉务约荔椿第9章磁存储器第9章磁存储器w (4)RAID 3级wRAID 3级采用位交叉，数据校验方式是奇偶校验方式，只用一个奇
20、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 1 10，因此实际存储利用率比 RAID 1和 RAID 2高，成本也较低，但是有奇偶校验盘读写的瓶颈问题。 析协贮损盘党浦枷秦床女川尊灸屏缸拜盖玄附梭液煞浅湃祟西挖袖胆染怀第9章磁存储器第9章磁存储器w (5)RAID 6级wRAID 6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
21、效性。所以， RAID 6有很高的数据可靠性。另外， RAID 6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， I O传输率较高。但是，写性能比 RAID 5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 )。 赫拂诀速侩眠猴凌急循誓楔载签噎棠青哀边眼桐咙璃近荒紊冒膨潍瓣钾透第9章磁存储器第9章磁存储器w (6)RAID 7级wRAID 7用一个奇偶校验盘驱动器。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。wRAID 7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 I O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。 倡池心梯降空疹娠观形竞匀诞鉴搔划境涌足鄂尸掣锡狰虏陪瞎宇皋逻搽缀第9章磁存储器第9章磁存储器
