存储基础讨论哪些问题？

SNIA（存储网络行业协会）存储模型

数据存储介质

凡是仅有两种稳定的物理状态，能方便地检测出属于哪种稳定状态，两种稳定状态又容易相互转换的物质或元件，都可以用来存储二进制代码“0”和“1”，这样的物质或元器件被称为存储介质或记录介质。
根据存储信息的机理不同，可分为：
电存储技术；磁存储技术；光存储技术。

电存储技术：（半导体存储器SCM)

是一种用集成电路技术构成的存储器。
从工作方式不同分为：读写存储器(RAM)与只读存储器(ROM)。
主要用于快速主存或Cache。

磁存储技术

磁表面存储器MSM(Magnetic Surface Memory)
根据记录介质的形状可分为：磁卡存储器、磁带存储器以及磁盘存储器等。
原理：MSM主要是通过磁记录介质做高速旋转或平移，借助于软磁材料制作的磁头实现读写。属于机械运动方式，存取速度远低于SCM，但存储容量大，价格低，主要用于辅存。
硬盘、软盘、磁带

存储介质之硬盘

特点

存储量大
速度最快
在线数据
随机读写

硬盘结构

1或多个盘片Platter
主轴spindle
磁盘臂arm
磁头head
电机mortor

硬盘主要物理结构

硬盘结构示意图

盘片 Platter
磁盘驱动器的主要组件之一是盘片，其盘片构成材料是铝合金或者是玻璃，表面覆盖着磁记录层。
硬磁盘盘片直径小型化的同时，面密度也在不断提高。目前硬盘的面密度已经超过每平方英寸100GB。
磁头 Head
硬磁盘驱动器的磁头是浮动磁头，工作过程中磁头与盘面不接触，两者之间有一个很小的间隙。当磁盘高速旋转时，由于空气的粘滞性，附着在盘面上的空气在磁头和盘面之间形成了一层空气垫，托住磁头。
主轴Spindle和主轴电机 Motor
硬盘驱动器由主轴带动盘片旋转，其转速很高，目前一般为5400r/min、7200r/min。高速硬盘一般是15000r/min，用于服务器和高速磁盘阵列。主轴电机一般为无刷直流电机，采用流体动压轴承以达到极小的径向偏摆，从而保证极小的磁道偏摆，利于磁头对磁道的跟踪。

盘片数据结构

磁道Track
扇区Sector
磁盘I/O的最基本单位

柱面

所有盘面中处于同一
纵向位置上的所有
磁道组成一个柱面
数据在同一个柱面上的好处是
减少磁头的运动
加快数据传输速率

磁头Head
磁头是硬盘中最昂贵、最重要的部件。MR磁头（Magnetoresistive heads），即磁阻磁头，采用的是分离式的磁头结构：写入磁头仍采用传统的磁感应磁头（MR磁头不能进行写操作），读取磁头则采用新型的MR磁头，即所谓的感应写、磁阻读。这样，在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化，以得到最好的读/写性能。
磁道Track
当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区，磁盘上的信息是沿着磁道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着，因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响，硬盘上的磁道密度很大，通常一面有成千上万个磁道。
扇区Sector
每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节的信息，磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。
柱面Cylinder
硬盘由重叠多盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称为磁盘的柱面。柱面数磁道数是相等的。由于每个盘面都有自己的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。所谓硬盘的CHS,即Cylinder（柱面）、Head（磁头）、Sector（扇区），只要知道了硬盘的CHS，即可确定硬盘的容量，硬盘的容量=柱面数×磁头数×扇区数×512Byte。

硬盘容量计算

磁道容量＝磁道的扇区数×每个扇区的字节数
柱面容量＝柱面的磁道数×每个磁道的容量
硬盘容量＝柱面数×每个柱面的容量
硬盘容量＝柱面数Cylinders ×磁头数Heads ×扇区数Sector × 扇区字节数
磁盘驱动器在存取工作过程中，首先要把磁头移动到目标磁道，这个过程称为寻道。到达目标磁道后，还要通过伺服跟踪系统使磁头动态保持在目标磁道的中心，这个过程叫磁道跟踪。
在寻道过程中，首先执行寻道命令，把磁头当前所处磁道距目标磁道的距离计算出来，装入差值计数器中，然后根据差值的正、负和大小来驱动磁头运动。为了提高寻道速度，一般把控制分成两个阶段来进行。第一阶段是“粗控”阶段，作用是速度控制。当目标磁道和当前磁道之差大于零时，采用速度控制，目的在于尽快找到目标磁道。当找到了目标磁道后，才进入“精控”阶段。“精控”阶段的作用是位置控制，保证磁头牢牢盯住目标磁道，所以又称跟踪控制方式。
当访问某一个扇区时，磁头须从当前所处的磁道运动到指定的目标磁道，再等待被访问的扇区旋转到磁头下。所有盘面上的磁头装在同一个小车上作同步运动，即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。
访问时，先要选择柱面，其次要选择磁头（也就是选择盘面）和扇区。所以，寻址用的地址信息应该有柱面号、磁头号和扇区号。

扇区I/O 过程

寻道时间seek time：
磁头移动定位到指定磁道所需要的时间
旋转延迟时间latency：
等待指定扇区从磁头下旋转经过的时间
数据传输时间data transfer time：
数据在磁盘与内存之间的实际传输时间seek time和latency是数据读取的瓶颈

机械式硬盘

机械式硬盘主要指标

容量：指硬盘能存储的数据量大小，以字节为基本单位
单碟容量：硬盘都是由一个或几个盘片组成的，单碟容量就是指包括正反两面在内的单个盘片的总容量
转速：即主轴马达转动速度，单位为RPM（Round Per Minute)，即每分钟盘片转动圈数
缓存：是硬盘控制器上的一块内存芯片，具有极快的存取速度，它是硬盘内部盘片和外部接口之间的缓冲器
平均访问时间：硬盘磁头找到目标数据所需的平均时间
平均寻道时间：磁头寻找目标数据所在磁道所需的平均时间
平均潜伏时间：当磁头移动到数据所在的磁道后，等待指定的数据扇区转动到磁头下方的时间
数据传输率：
内部数据传输率：数据从盘片表面传输到硬盘的缓存的速率
外部数据传输率：数据从硬盘的缓存读出到外部总线的速率

机械式硬盘主要技术

S.M.A.R.T： Self-Monitoring ,Analysis and Reporting Technology，自监测、分析及报告技术，监测硬件各部件，然后根据得到的关于各部件运行情况与历史记录的数据进行分析、比较，根据需要会自动向用户发出警告
NCQ：Native Command Queuing ，本机命令队列，是SATA Ⅱ规范支持的一种新的功能，支持NCQ的硬盘可以对指令进行排队（多达32条指令），重新编排指令执行次序，也可以立即执行指令，可提高硬盘的性能，减少CPU占用率
Duty Cycle：指硬盘的工作负荷，定义为特定时间段内硬盘工作时间占总时间的百分比。100%即表示硬盘每天24小时不停在进行读写操作
在存储系统中，硬盘的耗电量占整个系统用电量的30％。Spin Down技术就是通过降低硬盘的转速甚至是让硬盘停转，达到降低硬盘能耗目的的。Spin Down技术是硬盘本身已经具有的功能，并不是新技术。人们经常用到的笔记本电脑中的硬盘就具有Spin Down功能。”Kee Wing Wong表示，“Spin Down是硬盘厂商提供的一种技术，通过Hard Disk Command使硬盘的转速变慢。

转速和缓存对硬盘性能的影响

硬盘的读写速度同硬盘的转速成正比
更高的转速可缩短硬盘的实际读写时间
硬盘缓存的大小直接影响硬盘的整体性能

硬盘的基本参数

容量
硬盘的容量MB或GB为单位。容量指标还包括硬盘的单碟容量单，是指包括正反两面在内的单个盘片的总容量。单碟容量越大，单位成本越低，平均访问时间也越短。
转速
转速(Rotational speed)是指盘片每分钟转动的圈数RPM（Round Per Minute) 。
平均访问时间
平均访问时间(Average Access Time)是指磁头从起始位置到达目标磁道位置，并且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。平均访问时间体现了硬盘的读写速度，它包括平均寻道时间+平均等待时间。平均寻道时间(Average Seek Time)是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间，一般8ms以内。平均等待时间是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。平均等待时间为盘片旋转一周所需的时间的一半，一般应在4ms以下。
传输速率
传输速率(Data Transfer Rate) 硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。硬盘数据传输率又包括了内部数据传输率和外部数据传输率。
内部传输率(Internal Transfer Rate) 也称为持续传输率(Sustained Transfer Rate)，它反映了硬盘缓冲区未用时的性能。内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。
外部传输率（External Transfer Rate）也称为突发数据传输率（Burst Data Transfer Rate）或接口传输率，它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。
缓存
硬盘缓存的目的是为了解决系统前后级读写速度不匹配的问题，以提高硬盘的读写速度。
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