初試計算機組成原理lecture

1、劉衛(wèi)東計算機科學與技術系第三單元層次存儲器系統(tǒng)第五講磁表面存儲設備內容提要磁表面存儲原理簡介磁記錄方式磁盤訪問過程RAID技術2計算機科學與技術系計算機組成原理虛擬存儲器系統(tǒng)對存儲介質的要求：大容量、極低成本、可靠性非電易失性3計算機科學與技術系計算機組成原理磁芯存儲器圓柱型陶瓷上涂磁粉手工穿線，水手結 消磁后重寫存儲原理簡單工藝復雜可靠性低大存儲容量成本低廉斷電后保存數據4計算機科學與技術系計算機組成原理磁表面存儲設備磁顆粒的不同偏轉方向來區(qū)分不同的狀態(tài)主存中存放CPU要立即訪問的程序和數據輔助存儲器中存放CPU不立即使用的信息，在需要時再調入主存中一般為磁盤、光盤等容量大、成本低、斷電后還

2、可以保存信息，能脫機保存信息，彌補了主存的不足串行訪問、數據交換頻率低、數據交換量大5計算機科學與技術系計算機組成原理隨機訪問和串行訪問隨機訪問隨機訪問任何單元，訪問時間與信息存放位置無關每一位都有各自的讀寫設備串行訪問順序地一位一位地進行，訪問時間與存儲位的物理位置有關共用一個讀寫設備 順序訪問和直接訪問6計算機科學與技術系計算機組成原理主要指標存儲密度單位長度（磁帶）或單位面積（磁盤）磁層表面所存儲的二進制信息量存儲容量磁表面存儲器所能存儲的二進制信息的總量，以字節(jié)為單位尋址時間 數據傳輸率誤碼率價格7計算機科學與技術系計算機組成原理磁表面存儲設備如何保存?磁顆粒的不同磁化偏轉方向如何表示

3、?磁記錄方式如何組織?扇區(qū)、磁道、柱面、硬盤如何管理?操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)8計算機科學與技術系計算機組成原理前間隙后間隙鐵氧體線圈電流9計算機科學與技術系計算機組成原理磁記錄介質磁頭結構和電磁轉換示意圖磁頭，軟磁材料導磁率高，飽和磁感應強度大矯頑力小，剩余磁感應強度小磁記錄材料，硬磁材料記錄密度高，記錄信息時間長輸出信號幅度大，噪聲低表面組織緊密、光滑、無麻點薄厚均勻，溫度、濕度影響小磁記錄原理磁記錄方式磁記錄方式指一種編碼方法，即如何將一串二進制信息，通過讀寫電路變換成磁層介質中的磁化翻轉序列。評價標準編碼效率表示一個二進制位數據需要使用多少個磁顆粒？自同步能力讀寫時準確定位二進制數據位的能力

4、讀寫可靠性10計算機科學與技術系計算機組成原理歸零制（RZ）線圈中正脈沖為“1”，負脈沖表示“0”，兩位信息位之間線圈中電流為零。不歸零制（NRZ）線圈中一直有正或負脈沖（包括兩位信息位之間）。見1翻轉的不歸零制（NRZ1）只有見到“1”才改變電流的方向11計算機科學與技術系計算機組成原理磁記錄方式調相制（PM）用脈沖的邊沿來表示“0”和“1”調頻制（FM）“1” ：位周期中心和位與位之間都翻轉“0” ：位周期中心不翻轉，位與位之間翻轉改進的調頻制（MFM）只有連續(xù)兩個或以上的“0”時，才在位周期的起始位置翻轉12計算機科學與技術系計算機組成原理磁記錄方式位信息10111 NRZ0001位周期

5、NRZ1PMFM MFM RZ磁記錄方式波形圖13計算機科學與技術系計算機組成原理目的長期存儲、斷電后存儲容量大、價格低廉，但速度慢可用在層次存儲器的最底層特點使用旋轉托盤上的表面磁顆粒來存儲數據可移動的讀/寫頭來訪問磁盤硬盤、軟盤比較硬質托盤（金屬鋁），面積可以比較大；由于可被精確控制，密度可以更高旋轉速度快，傳輸率高可以多個盤片組合磁盤14計算機科學與技術系計算機組成原理磁盤組主軸通風機速度傳感器小車傳動皮帶主電機濾塵器密封罩硬磁盤驅動器結構示意圖硬磁盤設備磁頭取數臂定位驅動器15計算機科學與技術系計算機組成原理磁盤訪問過程：尋道：將讀寫磁頭 移動到正確的磁道上（平均需要8 to 20 m

6、s ）尋找扇區(qū)：等待磁盤旋轉到需要訪問的扇區(qū)（.5 / RPM）數據傳輸：讀寫數據（1個或多個扇區(qū)）（ 2 to 15 MB/sec）PlatterTrackPlattersSectorsTracks硬磁盤內部結構16計算機科學與技術系計算機組成原理硬盤參數（與容量有關）500 至 2,000 磁道（每面）32 至 128個扇區(qū)（每個磁道）扇區(qū)是磁盤訪問的最小單位早期硬盤上每個磁道上的扇區(qū)數是一樣的增加容量位密度不變：外磁道比內磁道扇區(qū)數多一些PlattersTrackSector17計算機科學與技術系計算機組成原理硬磁盤內部結構柱面：位于同一半徑的磁道集合讀/寫數據的三個步驟：尋道時間： 將

7、磁頭移動到正確的磁道上 旋轉延遲： 等待磁盤上扇區(qū)旋轉到磁頭下傳輸時間：真正的數據讀/寫時間當前平均尋道時間：一般為 8 至12 msTrackSectorHeadCylinder Platter18計算機科學與技術系計算機組成原理硬磁盤參數旋轉延遲：旋轉速度：3600至7200 RPM旋轉時間：16 ms至8 ms每轉平均尋址時間8ms至4ms訪問速度：數據量（通常為1個扇區(qū)）： 1 KB / sector旋轉速度： 3600 RPM至7200 RPM存儲密度：磁道上單位長度存儲的位數磁盤直徑：2.5至 5.25 in一般為： 2 至12 MB每秒TrackSectorHead19計算機科學

8、與技術系計算機組成原理Cylinder Platter硬磁盤參數磁盤訪問時間 = 尋道時間 + 旋轉延遲 + 傳輸時間 + 磁盤控制器延遲舉例：平均尋道時間= 12ms;旋轉速度= 5400rpm 磁盤控制器延遲： 2ms傳輸速度= 5MB扇區(qū)大小= 512bytes讀取一頁（8KB）需要多少時間？旋轉延遲：平均旋轉延遲應為磁盤旋轉半周的時間。旋轉1 周= 1/5400 minutes= 11.1ms = 周： 5.6 ms讀1個扇區(qū)時間 = 12ms + 5.6ms+ .5K/5MB + 2ms= 12 + 5.6 + .1ms + 2ms= 19.7 ms讀1頁的時間= 12 ms + 5

9、.6ms + 8K/5MB/s + 2ms= 12ms + 5.6ms + 1.6ms + 2ms= 21.2 ms硬磁盤訪問時間20計算機科學與技術系計算機組成原理頁容量大，為什么扇區(qū)卻如此小呢？理由 #1： 可靠性?？梢栽谏葏^(qū)物理損壞時不再使用該扇區(qū)。理由 #2： 還是可靠性。檢錯糾錯碼分布在每 個扇區(qū)，扇區(qū)容量小，檢錯速度快，效率高。理由 #3：靈活性。支持不同的操作系統(tǒng)，不同的頁面大小。采用流水方式和大容量傳輸方式克服磁盤控制器延遲 大容量傳輸： 每次讀取多個扇區(qū)，可以節(jié)約時間。也可以分擔部分總線延遲并行 #1：并行讀多個層面并行 #2：并行讀多個磁盤TrackSectorCylind

10、er PlatterHead21計算機科學與技術系計算機組成原理對磁盤訪問的思考結論應該記住以下兩點：額外開銷在總開銷中比例較大=一次傳輸大量數據比較有效將頁面存放在相鄰扇區(qū)中可以避免額外的尋道開銷22計算機科學與技術系計算機組成原理對磁盤的訪問總是由缺頁引起的：CPU給出地址，需要訪問某存儲單元；進行TLB查找和cache查找；TLB查找后聲明沒有找到；停止并行查找，并通知操作系統(tǒng)處理；操作系統(tǒng)檢查頁表，發(fā)現該頁不在內存中，需要從硬盤調入。應該如何進行呢？操作系統(tǒng)從主存中選擇一頁準備換出，為調入的頁安排存放空間； 若被換出的頁是“臟”頁，需要將其寫回磁盤存儲；操作系統(tǒng)申請I/O總線；獲得批準

11、后，發(fā)送寫命令給I/O 設備（磁盤）。 緊跟著傳送需要寫回的頁的全部數據。I/O控制器發(fā)現發(fā)給自己的寫命令 ，加入到握手協議，并接受數據。根據數據要寫入的地址，讀/寫頭移動到正確的柱面，同時，將數據接收到緩沖區(qū)。尋道結束后，等待相應的扇區(qū)旋轉到磁頭下面，將數據寫入扇區(qū)中。在寫入數據間隙，計算校驗碼并寫入扇區(qū)中。23計算機科學與技術系計算機組成原理磁盤訪問過程下一步，操作系統(tǒng)繼續(xù)申請總線（如果還保持總線控制權，則不必申請）。得到授權后，向磁盤發(fā)出讀命令。然后，磁盤識別地址，并轉換為相應的地址段。尋道，將讀/寫頭移動到指定位置。從指定扇區(qū)中讀取數據，并進行校驗。磁盤申請I/O總線。得到授權后，將數

12、據通過總線送到內存。磁盤訪問過程24計算機科學與技術系計算機組成原理兩個經?；煊玫脑~匯：可靠性（reliability）：設備出現故障的幾率來衡量?？捎眯裕╝vailability）：系統(tǒng)能正常運行的幾率來衡量?？捎眯钥梢栽黾佑布哂鄟硖岣撸豪纾涸诖鎯ζ髦性黾有ｒ灤a。可靠性只能通過下面途徑提高：改善使用環(huán)境提高各部件的可靠性減少組成部件可用性的提高可能帶來可靠性的降低可靠性和可用性25計算機科學與技術系計算機組成原理RAID的提出CPU性能在過去的十年中有了極大地提高，幾乎是每18個月翻一番。但磁盤的性能卻沒能跟上。在70年代，小型機磁盤的平均查找時間為 50 到100 毫秒， 現在是10

13、毫秒。在許多行業(yè)（如汽車或航空業(yè)），如果性能的提高能達到這個速度，即20年內提高5到10倍，那就會是頭條新聞，但對計算機行業(yè)，這卻成了一個障礙。因為CPU性能和磁盤性能間的差距這些年來越來越大。26計算機科學與技術系計算機組成原理RAID的提出在提高CPU性能方面，并行處理技術已得到廣泛使用。這些年來，許多人意識到，并行I/O也是一個提高磁盤性能的好辦法。1988年，Patterson et al.在他的一篇文章中建議用6個特定的磁盤組織來提高磁盤的性能或可靠性，或兩方面都同時提高。這個建議很快就被采用，并導致了一種新的I/O設備的誕生，這就是RAID盤。Patterson et al.把RA

14、ID定義為廉價磁盤的冗余陣列（Redundant Array of Inexpensive Disks），但工業(yè)界把“I”由“廉價的（Inexpensive）”替換成 “獨立的（Independent）”。27計算機科學與技術系計算機組成原理RAIDRAID目標1/N的訪問時間更高的性價比采用冗余技術提高存儲信息的可用性RAID定義廉價磁盤的冗余陣列（Redundant Arrays of Inexpensive Disks）用 N 個低價磁盤構成一個統(tǒng)一管理的陣列，以取代特貴單一磁盤RAID0：Data Striping28計算機科學與技術系計算機組成原理RAID1： Drive Mirro

15、ringN個磁盤的容量RAID4：Data GuardingRAID5：Distributed Data GuardingRAID0RAID0將由RAID模擬的單個虛擬磁盤劃分成帶（strip），每帶k個扇區(qū)。第0帶為第0到第k 1扇區(qū)，第1帶為第k扇區(qū)到第2k 1扇區(qū)，等等。對k=1，每個帶為1個扇區(qū)；對k=2，每帶有2個扇區(qū)；等等。RAID 0以交叉循環(huán)的方式將數據寫到連續(xù)的帶中，下圖描述的就是有 4個磁盤驅動器的RAID盤。這種在多個驅動器上分布數據的方式叫作條帶化。如果軟件發(fā)出從帶的邊界開始讀四個連續(xù)帶的數據塊的命令， RAID控制器將把這個命令分解成四個單獨的 讀命令，四個驅動器每個

16、一個，讓它們并行執(zhí)行。這樣，就實現了對軟件透明的并行I/O操作。29計算機科學與技術系計算機組成原理Strip3Strip7Strip11Strip0Strip4Strip8Strip1Strip5Strip9Strip2Strip630計算機科學與技術系計算機組成原理Strip10適合數據請求量比較大的情況沒有冗余，可靠性差，不算真正的RAIDRAID0RAID1它復制了所有的磁盤，所以有四塊主磁盤和四塊輔助磁盤。每個對磁盤的寫操作都進行兩次，而每次讀操作則可以讀任意一個備份，把負載均衡分布到不同的驅動器上。這樣，寫操作的性能并不比單個磁盤好，但讀磁盤的性能卻比單個磁盤高了兩倍。容錯性能就更

17、好了，如果一個驅動器崩潰的話，只要簡單的用備份驅動器代替就行了?；謴驼麄€磁盤的操作包括兩個步驟：裝上一個個新的驅動器，然后將整個備份驅動器的內容拷貝到新的驅動器上。31計算機科學與技術系計算機組成原理Strip0 Strip4 Strip832計算機科學與技術系計算機組成原理Strip1 Strip5Strip9Strip2 Strip6Strip10Strip3 Strip7 Strip11Strip3 Strip7Strip11Strip2 Strip6 Strip10Strip1 Strip5 Strip9Strip0 Strip4 Strip8冗余備份，可靠性高寫性能不高，但讀性能卻提

18、高了兩倍成本較高RAID1RAID2RAID 2的工作單位為字，可能的話甚至可以是字節(jié)。首先我們可以想象將單個虛擬磁盤上的字節(jié)分解成一對4位的半字節(jié)，對每個半字節(jié)加上3位海明碼形成7位字，即其中1、2、4位做校驗位。然后，用下圖所示的七個驅動器的磁頭和旋轉同步，就可能將整個海明碼字寫在七個驅動器上，每個驅動器一位。33計算機科學與技術系計算機組成原理Bit134計算機科學與技術系計算機組成原理Bit2Bit3Bit4Bit5Bit6Bit7驅動器必須同步旋轉驅動器個數要足夠多需要多個控制器RAID2RAID3RAID 3是RAID 2的一個簡化版本，它只需對每個字計算一個校驗位，寫到一個校驗驅

19、動器上。和RAID 2相同，驅動器之間必須嚴格同步，因為一個字被分布到多個驅動器中。35計算機科學與技術系計算機組成原理Bit136計算機科學與技術系計算機組成原理Bit2Bit3Bit4Parity驅動器之間要嚴格同步對整個磁盤崩潰的錯誤，能夠進行恢復RAID3RAID4RAID 4和RAID 0類似，將對帶的校驗寫在額 外的驅動器上。例如，若帶的長度是k個字節(jié)，將所有的帶異或到一起，產生一個k字節(jié)長的 校驗帶。如果其中一塊磁盤崩潰的話，它的內容可以從校驗磁盤上重新計算出來。37計算機科學與技術系計算機組成原理Strip0 Strip4 Strip838計算機科學與技術系計算機組成原理Strip1 Strip5Strip9Strip2 Strip6Strip10Strip3 Strip7 Strip11P0-3 P4-7 P8-11不對字進行校驗，也不需要驅動器同步可以防止整塊盤崩潰，但對盤上部分字節(jié)數據出錯的糾錯性能相當差校驗盤負載沉重RAID4RAID5RAID 5為減