計算機組成與結(jié)構(gòu)：第六章 外部存儲器

WilliamStallings

計算機組成與體系結(jié)構(gòu)第8版第6章外部存儲器

外部存儲類型磁盤磁盤陣列（RAID）移動磁盤光盤CD-ROMCD-Recordable(CD-R)CD-R/WDVD磁帶磁盤磁盤襯底上涂有一層磁性材料(一種鐵氧化物)襯底以前是鋁制的現(xiàn)在采用玻璃改善磁層表面的均勻性增強磁盤的可靠性顯著地減少整個表面的缺陷有助于讀——寫錯誤的減少支持更低的磁頭飛行高度(后面會繼續(xù)討論)更好的剛度，從而降低了磁盤動力需求更好的耐沖擊和耐磨損能力磁盤的讀寫機制通過由導(dǎo)電線圈構(gòu)成的磁頭進行信息的記錄與讀取可采用讀/寫磁頭或單獨的讀磁頭和寫磁頭讀/寫期間，磁頭是靜止的，盤片進行旋轉(zhuǎn)寫電流通過導(dǎo)電線圈產(chǎn)生磁場脈沖電流送入寫磁頭形成的磁化模式被記錄在下面的磁盤表面上讀(傳統(tǒng))磁盤相對線圈運動時在線圈中產(chǎn)生電流同一磁頭既可用于讀也可用于寫讀(當代)使用一個單獨的讀磁頭，通常緊靠寫磁頭安裝由一個部分被屏蔽的磁阻（magnetoresistive，MR）傳感器組成MR材料的電阻大小取決于在它下面運動的介質(zhì)的磁化方向MR設(shè)計允許更高頻率的操作等同于更高的存儲密度和更快的操作速度感應(yīng)寫磁阻（MR）讀數(shù)據(jù)組織與格式化同心環(huán)或軌道軌道間的空隙減小空隙可提高密度每個軌道的信息位數(shù)相同(密度不一樣)恒定角速度（Constantangularvelocity）軌道劃分為扇區(qū)扇區(qū)是最小的塊單位一個數(shù)據(jù)塊往往占用一個或多個扇區(qū)磁盤數(shù)據(jù)視圖磁盤線速度靠近旋轉(zhuǎn)盤中心的位經(jīng)過一固定點（如讀-寫磁頭）的傳輸要比盤外沿的位慢增大記錄在盤片區(qū)域上的信息位之間的間隔磁盤以恒定角速度（constantangularvelocity，CAV）轉(zhuǎn)動盤面被劃分成一序列同心圓磁道和多個餅形扇區(qū)能以磁道號和扇區(qū)號來直接尋址各個數(shù)據(jù)塊將磁頭徑向移動到指定磁道，然后等待指定扇區(qū)轉(zhuǎn)到磁頭下外圍的長磁道上存儲的數(shù)據(jù)量與內(nèi)圈的短磁道上所存儲得數(shù)據(jù)量只有一樣多。數(shù)據(jù)密度降低用多重區(qū)域記錄技術(shù)（multiplezonerecording）提高存儲容量在一個區(qū)域中，各磁道的位數(shù)是恒定的需要稍微復(fù)雜一些的電路磁盤布局方法圖尋找扇區(qū)磁道必須有一些起始點和辨識每個扇區(qū)的起點及終點的方法磁盤格式化會附有一些僅被磁盤驅(qū)動器使用而不被用戶存取的額外數(shù)據(jù)標識磁道與扇區(qū)溫徹斯特磁盤磁道格式

SeagateST506特性固定(很少見)

或可移動磁頭可替換或固定磁盤單面或雙面(常用)

磁盤單磁盤或多磁盤磁頭機制接觸（軟盤）固定間隙空氣動壓氣隙（溫氏磁盤）固定/可移動磁頭磁盤固定磁頭每個磁道有一個讀寫磁頭磁頭安裝在固定的脊臂上可移動磁頭磁盤的每一面有一個讀寫磁頭磁頭安裝可伸縮的臂桿上可拆卸/固定磁盤可拆卸磁盤可以從驅(qū)動器中拆卸并用其它的磁盤替代可提供無限擴展的存儲容量更容易在系統(tǒng)間傳送數(shù)據(jù)固定磁盤永久固定在驅(qū)動器內(nèi)多盤片每一面有一個磁頭所有磁頭對齊安裝所有對齊的軌道一起稱為柱面（cylinders）數(shù)據(jù)條帶化（striping）分布存儲在柱面上減少磁頭的移動提高速度（傳輸率）多盤片磁道與柱面軟盤尺寸:8”,5.25”,3.5”容量小最多1.44Mbyte(2.88M很少用)慢使用普遍便宜廢棄?溫徹斯特磁盤(1)由IBM在溫徹斯特（USA）發(fā)明封閉模塊一個或多個盤片當磁盤轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的氣壓形成氣墊，使磁頭輕懸在磁盤表面。使用更窄的磁頭可靠性更高溫徹斯特磁盤(2)通用便宜最快的外部存儲器容量一直在不斷變大250G是很常見的了速度尋道時間（Seektime）將磁頭移動到目的磁道上旋轉(zhuǎn)延時（Latency）磁盤在磁頭下旋轉(zhuǎn)，直到數(shù)據(jù)讀寫完成訪問時間=尋道時間+旋轉(zhuǎn)延時傳輸率（Transfer

rate）磁盤I/O傳輸時序圖磁盤冗余陣列（RAID）獨立磁盤冗余陣列（RedundantArrayofIndependent

Disks）廉價磁盤冗余陣列（RedundantArrayofInexpensive

Disks）常用有6種模式非簡單的層次關(guān)系操作系統(tǒng)將磁盤陣列看作一個單一的邏輯驅(qū)動器數(shù)據(jù)以被稱之為條帶化（striping）的方式分布在一組物理磁盤上冗余磁盤容量用于存儲奇偶校驗信息，保證磁盤萬一損壞時能恢復(fù)數(shù)據(jù)。RAID0沒有冗余數(shù)據(jù)以條帶化的方式分布在所有物理磁盤上。輪循分段提高速度多個數(shù)據(jù)請求不一定在同一個磁盤上并行磁盤訪問一組數(shù)據(jù)可能以條帶化的方式分布在多個物理磁盤上RAID1磁盤鏡像數(shù)據(jù)以條帶化的方式分布在多個物理磁盤上邏輯條帶有兩份拷貝存儲到兩個不同的物理磁盤組中?？蓮娜我豢截愔凶x寫入時，同時寫入2份拷貝中恢復(fù)很容易替換出錯磁盤并重新鏡像無需停機昂貴RAID2采用并行存取技術(shù)條帶很小常常是一個字節(jié)/字通過各個數(shù)據(jù)盤上的相應(yīng)位計算糾錯碼通常采用漢明碼，它能糾正一位錯誤，檢測兩位錯誤需要大量的冗余磁盤昂貴很少實際使用RAID3與RAID2類似不管磁盤陣列大小，只需要一個冗余盤對所有數(shù)據(jù)盤上同一位置的一組獨立位進行簡單計算的奇偶校驗位當某一驅(qū)動器損壞時，訪問奇偶校驗盤，并由其余設(shè)備重構(gòu)數(shù)據(jù)。非常高的數(shù)據(jù)傳輸率RAID4每個磁盤成員的操作是獨立的更適合于需要高速I/O請求的應(yīng)用大數(shù)據(jù)條帶按每個數(shù)據(jù)盤上的相應(yīng)條帶來逐位計算奇偶校驗條帶奇偶校驗位存儲在奇偶校驗盤的對應(yīng)條帶上RAID5類似RAID4所有磁盤上都分布了奇偶校驗條帶常用輪轉(zhuǎn)分配方案避免了RAID4中潛在的奇偶磁盤的I/O瓶頸問題常用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器N.B.DOESNOTMEAN5DISKS!!!!!RAID6兩種不同的奇偶校驗計算將校驗碼以分開的塊存于不同的磁盤中用戶數(shù)據(jù)需要N個磁盤的RAID6陣列，由N+2個磁盤組成提供了極高的數(shù)據(jù)可用性3個磁盤都出了故障，才會引起數(shù)據(jù)丟失每次寫都要影響兩個奇偶塊，存在實質(zhì)性的寫損失RAID0,1,2RAID3&4RAID5&6RAID

0的數(shù)據(jù)映射光存儲CD-ROM源于數(shù)字音頻CD650M字節(jié)可存儲70分鐘的音頻數(shù)據(jù)盤片為聚碳酸酯材料，表面上鍍上一層高反射材料，通常為鋁數(shù)據(jù)以微凹坑的樣式刻錄在盤片表面上用激光束讀取信息固定的存儲密度恒定線速度（Constantlinearvelocity）CD工作原理CD-ROM驅(qū)動器速度音頻CD是單速的恒定線速度1.2ms-1螺旋軌道長約

5.27km時長4391秒=73.2分鐘其它的速度稱為倍速e.g.24速（24x）標稱參數(shù)為驅(qū)動器能達到的最大速度CD-ROM格式模式0

(Mode

0)=表示一個空的數(shù)據(jù)域模式1

(Mode

1)=使用糾錯碼和2048字節(jié)的數(shù)據(jù)

模式2

(Mode

2)=不帶糾錯碼的2336個字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)CD-ROM的隨機訪問困難將激光頭移到一個大致位置設(shè)置適當?shù)乃俣茸x地址微調(diào)到準確的位置(Yawn!)CD-ROM的優(yōu)缺點大容量(?)容易大量復(fù)制可移動不易出錯對于小應(yīng)用來說，有點貴慢只讀其它光存儲可刻錄CD(CD-R)WORM價格合適和CD-ROM驅(qū)動器兼容CD-RW可擦寫越來越便宜與大部分CD-ROM

驅(qū)動器兼容相變在兩種不同相位狀態(tài)下有兩種顯著不同反射率的材料

DVD–

多意的縮寫詞?數(shù)據(jù)視頻盤（DigitalVideoDisk）過去用來指可以播放電影的播放器只能播放視頻光盤多功能數(shù)據(jù)盤（DigitalVersatileDisk）過去用來指一種計算機驅(qū)動器可以讀取計算機數(shù)據(jù)盤以及播放視頻盤狗的真正晚餐（DogsVeritableDinner）官方正式名稱-沒有?。∣fficially-nothing!!!）DVD–

技術(shù)多層很大的容量(4.7G每層)單碟可存一部電影用MPEG壓縮最后標準化了(確實!)電影帶有區(qū)域碼使用者只能播放帶驅(qū)動器所限定區(qū)域碼的電影可修復(fù)DVD–可寫大量的標準問題第一代DVD驅(qū)動器讀不了DVD-W盤第一代DVD驅(qū)動器讀不了CD-RW盤等問題解決后再考慮購買!CDandDVD高清晰光盤為高清電影設(shè)計比DVD容量大很多激光頭波長更短藍紫波段更小的凹坑

HD-DVD15GB單面單層藍光

數(shù)據(jù)層更靠近激光

焦距變短、失真變小，因此凹坑和光道都變小

25GB單層目前有3個可用版本：只讀（BD-ROM），寫入一次（BD-R）和可重復(fù)寫（BD-RE）光存儲特性磁帶串行訪問慢非常便宜用于備份與存檔線性磁帶開放協(xié)議

(LTO)磁帶驅(qū)動器發(fā)展于20世紀90年代晚期開源，可供其它各種專利系統(tǒng)選擇線性磁帶開放協(xié)議

(LTO)磁帶驅(qū)動器LTO-1LTO-2LTO-3LTO-4LTO-5LTO-6發(fā)布日期2000200320052007TBATBA壓縮容量200GB400GB800GB1600GB3.2TB6.4TB壓縮傳輸率(MB/s)408016024