本次笔记内容：
P45 计算机组成原理（45）
P46 计算机组成原理（46）

我的计组笔记汇总：计算机组原理成笔记

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本节课幻灯片：组成原理35 disk.pptx

此时，绝大多数的组都完成了大实验的检查。

在5年前，这节课叫做“磁表面存储”，但是，现在这节课叫做“非易失性存储”。我的的笔记按照现在的 ppt 来记录。

文章目录

  • 内容提要
  • 非易失性存储
  • 磁芯存储器
  • 磁表面存储设备
    • 随机访问和串行访问
    • 主要技术指标
    • 磁表面存储设备
    • 磁记录原理
      • 磁记录方式
        • 常用磁记录方式（通信中有类似知识）
        • 磁记录方式波形图
    • 磁盘
    • 硬磁盘设备
      • 硬磁盘内部结构
      • 硬磁盘参数
      • 硬磁盘访问时间（例）
      • 对磁盘访问的思考
    • 结论
    • 访问磁盘过程
    • 可靠性和可用性
  • RAID的提出
    • RAID定义
    • RAID0
    • RAID2
    • RAID3
    • RAID4
    • RAID5
    • RAID6
  • 小结

内容提要

  • 硬盘存储
  • RAID技术
  • SSD存储

非易失性存储

易失性存储：

  • 静态存储器：SRAM，Cache
  • 动态存储器：DRAM
  • 特点：快速，掉电后信息丢失，访问粒度小（字节，缓存块）

非易失性存储器：

  • 磁盘，磁带：磁表面存储器
  • 光盘
  • SSD，固态存储器
  • 特点：慢速，掉电后信息不丢失，访问粒度大（以数据块为访问单位）

磁芯存储器

  • 圆柱型陶瓷上涂磁粉
  • 手工穿线，水手结
  • 消磁后重写
  • 存储原理简单
  • 工艺复杂
  • 可靠性低
  • 大存储容量
  • 成本低廉
  • 断电后保存数据

磁表面存储设备

  • 磁颗粒的不同偏转方向来区分不同的状态
  • 主存中存放CPU要立即访问的程序和数据
  • 辅助存储器中存放CPU不立即使用的信息，在需要时再调入主存中
    • 一般为磁盘、光盘等
    • 容量大、成本低、断电后还可以保存信息，能脱机保存信息，弥补了主存的不足
    • 串行访问、数据交换频率低、数据交换量大

随机访问和串行访问

随机访问：

  • 随机访问任何单元，访问时间与信息存放位置无关
  • 每一位都有各自的读写设备

串行访问：

  • 顺序地一位一位地进行，访问时间与存储位的物理位置有关
  • 共用一个读写设备
  • 顺序访问和直接访问

主要技术指标

  • 存储密度

    • 单位长度（磁带）或单位面积（磁盘）磁层表面所存储的二进制信息量
  • 存储容量
    • 磁表面存储器所能存储的二进制信息的总量，以字节为单位
  • 寻址时间
  • 数据传输率
  • 误码率
  • 价格

磁表面存储设备

如何保存?

  • 磁颗粒的不同磁化偏转方向

如何表示?

  • 磁记录方式

如何组织?

  • 扇区、磁道、柱面、硬盘

如何管理?

  • 操作系统的文件系统

磁记录原理

磁记录方式

磁记录方式：指一种编码方法，即如何将一串二进制信息，通过读写电路变换成磁层介质中的磁化翻转序列。

评价标准：

  • 编码效率：表示一个二进制位数据需要使用多少个磁颗粒？
  • 自同步能力：读写时准确定位二进制数据位的能力
  • 读写可靠性

常用磁记录方式（通信中有类似知识）

  • 归零制（RZ）：线圈中正脉冲为“1”，负脉冲表示“0”，两位信息位之间线圈中电流为零。
  • 不归零制（NRZ）：线圈中一直有正或负脉冲（包括两位信息位之间）。
  • 见1翻转的不归零制（NRZ1）：只有见到“1”才改变电流的方向。

磁记录方式波形图


如上，我们不但要考虑信息表示效率（编码效率），还要考虑容错率（同步能力）等等。

  • 归零制：自同步不好，可靠性较差，需要有中间状态。
  • 不归零制：自同步不好，可靠性较差。

磁盘

目的：

  • 长期存储、断电后存储
  • 容量大、价格低廉，但速度慢
  • 可用在层次存储器的最底层

特点：

  • 使用旋转托盘上的表面磁颗粒来存储数据
  • 可移动的读/写头来访问磁盘

硬盘、软盘比较：

  • 硬质托盘（金属铝），面积可以比较大；
  • 由于可被精确控制，密度可以更高
  • 旋转速度快，传输率高
  • 可以多个盘片组合

硬磁盘设备

硬磁盘内部结构


旋转半周的时间，是寻找扇区的时间。

硬盘参数（与容量有关）

  • 500 至 2,000 磁道（每面）
  • 32 至 128个扇区（每个磁道）
    • 扇区是磁盘访问的最小单位

早期硬盘上每个磁道上的扇区数是一样的。

增加容量：

  • 位密度不变：外磁道比内磁道扇区数多一些

硬磁盘参数

  • 柱面： 位于同一半径的磁道集合
  • 读/写数据的三个步骤：
    • 寻道时间： 将磁头移动到正确的磁道上
    • 旋转延迟： 等待磁盘上扇区旋转到磁头下
    • 传输时间：真正的数据读/写时间
  • 当前平均寻道时间：
    • 一般为 8 至12 ms
  • 旋转延迟：
    • 旋转速度：3,600至7200 RPM
    • 旋转时间：16 ms至8 ms每转
    • 平均寻址时间8ms至4ms
  • 访问速度：
    • 数据量（通常为1个扇区）： 1 KB / sector
    • 旋转速度： 3600 RPM至7200 RPM
    • 存储密度：磁道上单位长度存储的位数
    • 磁盘直径： 2.5至 5.25 in
    • 一般为： 2 至12 MB每秒

硬磁盘访问时间（例）

磁盘访问时间 = 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间 + 磁盘控制器延迟

举例：

  • 平均寻道时间 = 12ms
  • 旋转速度 = 5400rpm
  • 磁盘控制器延迟： 2ms
  • 传输速度 = 5MB
  • 扇区大小 = 512 bytes
  • 读取一页（8KB）需要多少时间？

旋转延迟：平均旋转延迟应为磁盘旋转半周的时间。
旋转1 周 = 1/5400 minutes
= 11.1ms => ½ 周： 5.6 ms
读1个扇区时间 = 12ms + 5.6ms + .5K/5MB + 2ms
= 12 + 5.6 + .1ms + 2ms
= 19.7 ms
读1页的时间=
= 12 ms + 5.6ms + 8K/5MBpersec + 2ms
= 12ms + 5.6ms + 1.6ms + 2ms
= 21.2 ms

对磁盘访问的思考

页容量大，为什么扇区却如此小呢？

  • 理由 #1： 可用性。 可以在扇区物理损坏时不再使用该扇区。
  • 理由 #2： 还是可用性。 检错纠错码分布在每个扇区，扇区容量小，检错速度快，效率高。
  • 理由 #3：灵活性。 使用不同的操作系统，不同的页面大小。

采用并行方式和大容量传输方式克服磁盘控制器延迟。大容量传输： 每次读取多个扇区，可以节约时间。也可以分担部分总线延迟…

  • 并行 #1：并行读多个层面
  • 并行 #2：并行读多个磁盘

结论

应该记住以下两点：

  • 额外开销在总开销中比例较大 =>一次传输大量数据比较有效
  • 将页面存放在相邻扇区中可以避免额外的寻道开销

访问磁盘过程

对磁盘的访问总是由缺页引起的：

  • CPU给出地址，需要访问某存储单元；
  • 并行进行TLB查找和cache查找；
  • TLB查找后申明没有找到；
  • 停止并行查找，并通知操作系统处理；

操作系统检查页表，发现该页不在内存中，需要从硬盘调入。应该如何进行呢？

  • 操作系统从主存中选择一页准备换出，为调入的页安排存放空间；
  • 若被换出的页是“脏”页，需要将其写回磁盘存储；
  • 操作系统申请I/O总线；
  • 获得批准后，发送写命令给I/O 设备（磁盘）。紧跟着传送需要写回的页的全部数据。
  • I/O控制器发现发给自己的写命令 ，加入到握手协议，并接受数据。
  • 根据数据要写入的地址，读/写头移动到正确的柱面，同时，将数据接收到缓冲区。
  • 寻道结束后，等待相应的扇区旋转到磁头下面，将数据写入扇区中。
  • 在写入数据间隙，计算校验码并写入扇区中。
  • 下一步，操作系统继续申请总线（如果还保持总线控制权，则不必申请）。
  • 得到授权后，向磁盘发出读命令。
  • 然后，磁盘识别地址，并转换为相应的地址段。
  • 寻道，将读/写头移动到指定位置。
  • 从指定扇区中读去数据，并进行校验。
  • 磁盘申请I/O总线。
  • 得到授权后，将数据通过总线送到内存。

可靠性和可用性

两个经常混淆的词汇：

  • 可靠性：设备出现故障的几率来衡量。
  • 可用性：系统能正常运行的几率来衡量。

可用性可以增加硬件冗余来提高：

  • 例如：在存储器中增加校验码。

可靠性只能通过下面途径提高：

  • 改善使用环境
  • 提高各部件的可靠性
  • 减少组成部件
    • 可用性的提高可能带来可靠性的降低

RAID的提出

CPU性能在过去的十年中有了极大地提高，几乎是每18个月翻一番。但磁盘的性能却没能跟上。在70年代，小型机磁盘的平均查找时间为50到100毫秒，现在是10毫秒。在许多行业（如汽车或航空业），如果性能的提高能达到这个速度，即20年内提高5到10倍，那就会是头条新闻，但对计算机行业，这却成了一个障碍。因为CPU性能和磁盘性能间的差距这些年来越来越大。

在提高CPU性能方面，并行处理技术已得到广泛使用。这些年来，许多人意识到，并行I/O也是一个提高磁盘性能的好办法。1988年，Patterson et al.在他的一篇文章中建议用6个特定的磁盘组织来提高磁盘的性能或可用性，或两方面都同时提高。这个建议很快就被采用，并导致了一种新的I/O设备的诞生，这就是RAID盘。Patterson et al.把RAID定义为廉价磁盘的冗余阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks），但工业界把“I”由“廉价的（Inexpensive）”替换成“独立的（Independent）”。

RAID定义

廉价磁盘的冗余阵列（Redundant Arrays of Inexpensive Disks）。

用N 个低价磁盘构成一个统一管理的阵列，以取代特贵单一磁盘。

  • RAID0：DataStriping
  • RAID1：DriveMirroring
  • RAID4：Data Guarding
  • RAID5：Distributed Data Guarding

RAID目标：

  • N个磁盘的容量
  • 1/N的访问时间
  • 更高的性价比
  • 采用冗余技术提高存储信息的可用性

RAID0

RAID0将由RAID模拟的单个虚拟磁盘划分成带（strip），每带k个扇区。第0带为第0到第k – 1扇区，第1带为第k扇区到第2k – 1扇区，等等。对k=1，每个带为1个扇区；对k=2，每带有2个扇区；等等。RAID 0以交叉循环的方式将数据写到连续的带中，下图描述的就是有4个磁盘驱动器的RAID盘。这种在多个驱动器上分布数据的方式叫作分带。如果软件发出从带的边界开始读四个连续带的数据块的命令，RAID控制器将把这个命令分解成四个单独的读命令，四个驱动器每个一个，让它们并行执行。这样，就实现了对软件透明的并行I/O操作。

  1. 适合数据请求量比较大的情况；
  2. 没有冗余，可靠性差，不算真正的RAID；

它复制了所有的磁盘，所以有四块主磁盘和四块辅助磁盘。每个对磁盘的写操作都进行两次，而每次读操作则可以读任意一个备份，把负载均衡分布到不同的驱动器上。这样，写操作的性能并不比单个磁盘好，但读磁盘的性能却比单个磁盘高了两倍。容错性能就更好了，如果一个驱动器崩溃的话，只要简单的用备份驱动器代替就行了。恢复整个磁盘的操作包括两个步骤：装上一个新的驱动器，然后将整个备份驱动器的内容拷贝到新的驱动器上。

但是这样成本较高。

RAID2

RAID 2的工作单位为字，可能的话甚至可以是字节。首先我们可以想象将单个虚拟磁盘上的字节分解成一对4位的半字节，对每个半字节加上3位海明码形成7位字，即其中1、2、4位做校验位。然后，用下图所示的七个驱动器的磁头和旋转同步，就可能将整个海明码字写在七个驱动器上，每个驱动器一位。

来降低 RAID1 的成本。

  1. 驱动器必须同步旋转
  2. 驱动器个数要足够多
  3. 需要多个控制器

RAID3

RAID 3是RAID 2的一个简化版本，它只需对每个字计算一个校验位，写到一个校验驱动器上。和RAID 2相同，驱动器之间必须严格同步，因为一个字被分布到多个驱动器中。

  1. 驱动器之间要严格同步
  2. 对整个磁盘崩溃的错误，能够进行恢复

RAID4

RAID 4和RAID 0类似，将对带的校验写在额外的驱动器上。例如，若带的长度是k个字节，将所有的带异或到一起，产生一个k字节长的校验带。如果其中一块磁盘崩溃的话，它的内容可以从校验磁盘上重新计算出来。

  1. 不对字进行校验，也不需要驱动器同步
  2. 可以防止整块盘崩溃，但对盘上部分字节数据出错的纠错性能相当差
  3. 校验盘负载沉重

RAID5

RAID 5为减少校验盘的负载，将校验位循环均匀分布到所有的驱动器上。

如果RAID 5的磁盘崩溃的话，修复磁盘内容的将是一个复杂的过程。

RAID6


如果两个磁盘出错呢？

  • Independent Data disks with two independent distributed parity schemes
  • 二维校验

小结

  • 磁表面存储设备

    • 用磁颗粒的不同磁化方向表示0和1
    • 弥补了主存的不足
    • 磁盘存储原理及磁记录方式
  • 磁盘的访问过程
    • 寻道、寻找扇区、访问
  • RAID技术
    • 提高磁盘的可用性和性能

ppt 后有一些关于固态硬盘的内容，可以自行观看学习。

固态硬盘（Solid State Drives），用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。

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