UIT存儲(chǔ)基礎(chǔ)技術(shù)中心郭鐳第三章

存儲(chǔ)介質(zhì)硬盤技術(shù)磁帶技術(shù)硬盤讀寫數(shù)據(jù)原理磁存儲(chǔ)技術(shù)的工作原理是通過改變磁粒子的極性來在磁性介質(zhì)上記錄數(shù)據(jù)。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，磁頭將存儲(chǔ)介質(zhì)上的磁粒子極性轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)據(jù)形式。磁存儲(chǔ)設(shè)備是利用一層亞微米量級(jí)的表面磁介質(zhì)作為記錄信息的媒體，以磁介質(zhì)的兩種不同剩磁狀態(tài)或不同剩磁方向變化的規(guī)律來表示二進(jìn)制數(shù)字信息，磁表面存儲(chǔ)器的信息記錄和輸出過程都是電、磁信息轉(zhuǎn)換的過程，是通過磁頭和運(yùn)動(dòng)著的磁介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。硬盤主要物理結(jié)構(gòu)盤片馬達(dá)(motor)底座（Base）磁頭PCB及RV傳感器硬盤接口盤片Platter磁盤驅(qū)動(dòng)器的主要組件之一是盤片，其盤片構(gòu)成材料是鋁合金或者是玻璃，表面覆蓋著磁記錄層。硬磁盤盤片直徑小型化的同時(shí)，面密度也在不斷提高。目前硬盤的面密度已經(jīng)超過每平方英寸100GB。磁頭Head硬磁盤驅(qū)動(dòng)器的磁頭是浮動(dòng)磁頭，工作過程中磁頭與盤面不接觸，兩者之間有一個(gè)很小的間隙。當(dāng)磁盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于空氣的粘滯性，附著在盤面上的空氣在磁頭和盤面之間形成了一層空氣墊，托住磁頭。主軸Spindle和主軸電機(jī)Motor硬盤驅(qū)動(dòng)器由主軸帶動(dòng)盤片旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速很高，目前一般為5400r/min、7200r/min。高速硬盤一般是15000r/min，用于服務(wù)器和高速磁盤陣列。主軸電機(jī)一般為無刷直流電機(jī)，采用流體動(dòng)壓軸承以達(dá)到極小的徑向偏擺，從而保證極小的磁道偏擺，利于磁頭對(duì)磁道的跟蹤。硬盤主要物理結(jié)構(gòu)

Aharddriveplatterbeingaccessedbyanactuatorarm.磁盤驅(qū)動(dòng)器在存取工作過程中，首先要把磁頭移動(dòng)到目標(biāo)磁道，這個(gè)過程稱為尋道。到達(dá)目標(biāo)磁道后，還要通過伺服跟蹤系統(tǒng)使磁頭動(dòng)態(tài)保持在目標(biāo)磁道的中心，這個(gè)過程叫磁道跟蹤。在尋道過程中，首先執(zhí)行尋道命令，把磁頭當(dāng)前所處磁道距目標(biāo)磁道的距離計(jì)算出來，裝入差值計(jì)數(shù)器中，然后根據(jù)差值的正、負(fù)和大小來驅(qū)動(dòng)磁頭運(yùn)動(dòng)。為了提高尋道速度，一般把控制分成兩個(gè)階段來進(jìn)行。第一階段是“粗控”階段，作用是速度控制。當(dāng)目標(biāo)磁道和當(dāng)前磁道之差大于零時(shí)，采用速度控制，目的在于盡快找到目標(biāo)磁道。當(dāng)找到了目標(biāo)磁道后，才進(jìn)入“精控”階段?！熬亍彪A段的作用是位置控制，保證磁頭牢牢盯住目標(biāo)磁道，所以又稱跟蹤控制方式。當(dāng)訪問某一個(gè)扇區(qū)時(shí)，磁頭須從當(dāng)前所處的磁道運(yùn)動(dòng)到指定的目標(biāo)磁道，再等待被訪問的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下。所有盤面上的磁頭裝在同一個(gè)小車上作同步運(yùn)動(dòng)，即每一瞬間各盤面上的磁頭均處于各自同一序號(hào)的磁道上，這些序號(hào)相同的磁道組成了一個(gè)柱面，與磁道編號(hào)一樣，零磁道所在的柱面為零柱面，1號(hào)磁道所在的柱面為1號(hào)柱面，依次類推。訪問時(shí)，先要選擇柱面，其次要選擇磁頭（也就是選擇盤面）和扇區(qū)。所以，尋址用的地址信息應(yīng)該有柱面號(hào)、磁頭號(hào)和扇區(qū)號(hào)。硬盤的讀寫工作DataRate:Innervs.OuterTracksTokeepthingssimple,originallysamenumberofsectorspertrackSinceoutertracklonger,lowerbitsperinchCompetitiondecidedtokeepbitsperinch(BPI)highforalltracks

(“constantbitdensity”)MorecapacityperdiskMoresectorspertracktowardsedgeSincediskspinsatconstantspeed,outertrackshavefasterdatarateBandwidthoutertrack1.7xinnertrack!外部邊緣外部中間中心內(nèi)部中間內(nèi)部邊緣磁道平面圖訪問速度慢慢快硬盤的基本參數(shù)容量硬盤的容量MB或GB為單位。容量指標(biāo)還包括硬盤的單碟容量單，是指包括正反兩面在內(nèi)的單個(gè)盤片的總?cè)萘?。單碟容量越大，單位成本越低，平均訪問時(shí)間也越短。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速(Rotationalspeed)是指盤片每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)RPM（RoundPerMinute)。平均訪問時(shí)間平均訪問時(shí)間(AverageAccessTime)是指磁頭從起始位置到達(dá)目標(biāo)磁道位置，并且從目標(biāo)磁道上找到要讀寫的數(shù)據(jù)扇區(qū)所需的時(shí)間。平均訪問時(shí)間體現(xiàn)了硬盤的讀寫速度，它包括平均尋道時(shí)間+平均等待時(shí)間。平均尋道時(shí)間(AverageSeekTime)是指硬盤的磁頭移動(dòng)到盤面指定磁道所需的時(shí)間，一般8ms以內(nèi)。平均等待時(shí)間是指磁頭已處于要訪問的磁道，等待所要訪問的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)至磁頭下方的時(shí)間。平均等待時(shí)間為盤片旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間的一半，一般應(yīng)在4ms以下。傳輸速率傳輸速率(DataTransferRate)硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率是指硬盤讀寫數(shù)據(jù)的速度，單位為兆字節(jié)每秒（MB/s）。硬盤數(shù)據(jù)傳輸率又包括了內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率和外部數(shù)據(jù)傳輸率。內(nèi)部傳輸率(InternalTransferRate)也稱為持續(xù)傳輸率(SustainedTransferRate)，它反映了硬盤緩沖區(qū)未用時(shí)的性能。內(nèi)部傳輸率主要依賴于硬盤的旋轉(zhuǎn)速度。外部傳輸率（ExternalTransferRate）也稱為突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率（BurstDataTransferRate）或接口傳輸率，它標(biāo)稱的是系統(tǒng)總線與硬盤緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸率，外部數(shù)據(jù)傳輸率與硬盤接口類型和硬盤緩存的大小有關(guān)。緩存硬盤緩存的目的是為了解決系統(tǒng)前后級(jí)讀寫速度不匹配的問題，以提高硬盤的讀寫速度。常用指標(biāo)硬盤的主要技術(shù)S.M.A.R.TSelf-Monitoring,AnalysisandReportingTechnology，自監(jiān)測、分析及報(bào)告技術(shù)，監(jiān)測磁頭、磁盤、馬達(dá)、電路等部件，然后根據(jù)得到的關(guān)于各部件運(yùn)行情況與歷史記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較，根據(jù)需要會(huì)自動(dòng)向用戶發(fā)出警告TCQTaggedCommandQueuing，標(biāo)記命令隊(duì)列NCQNativeCommandQueuing，本機(jī)命令隊(duì)列，是SATAⅡ規(guī)范支持的一種新的功能，支持NCQ的硬盤可以對(duì)指令進(jìn)行排隊(duì)（多達(dá)32條指令），重新編排指令執(zhí)行次序，也可以立即執(zhí)行指令，可提高硬盤的性能，減少CPU占用率DutyCycle指硬盤的工作負(fù)荷，定義為特定時(shí)間段內(nèi)硬盤用于尋道、讀/寫操作的時(shí)間占總時(shí)間的百分比。100%即表示硬盤每天24小時(shí)不停在進(jìn)行讀寫操作SCT即S.M.A.R.TCommandTransport，該技術(shù)在硬盤內(nèi)部劃出一部分扇區(qū)做為日志記錄，分析SMART命令包含的狀態(tài)信息，判斷硬盤的工作狀況從而調(diào)節(jié)負(fù)載（比如數(shù)據(jù)流量）來保證硬盤可靠性ATA/IDE接口硬盤Power連接器主/從盤

跳線40-pin連接器ATA(Advanced

Technology

Attachment)高級(jí)技術(shù)附加ATA硬盤是傳統(tǒng)的桌面級(jí)硬盤，主要應(yīng)用于個(gè)人PC機(jī)，也經(jīng)常稱為IDE(Integrated

Drive

Electronic)硬盤ATA接口為并行ATA技術(shù)，正在被串行ATA（SATA）所替代SCSI接口硬盤SCSI(SmallComputerSystemInterface)小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口SCSI硬盤并發(fā)處理性能優(yōu)異，常應(yīng)用于企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)領(lǐng)域SCSI硬盤采用并行接口，接口速率發(fā)展到320MB/s，已經(jīng)達(dá)到極限，正在被SAS（SerialAttachedSCSI）硬盤所替代80-pin公接頭FC接口硬盤采用FC-AL(FiberChannelArbitratedLoop，光纖通道仲裁環(huán))接口模式FC-AL是一種雙端口的串行存儲(chǔ)接口FC-AL支持全雙工工作方式FC-AL提供一種單環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)控制器能訪問126個(gè)硬盤SAS接口硬盤介紹SAS串行連接SCSI(SerialAttachedSCSI) SAS是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、全雙工、雙端口的接口SAS專為滿足高性能企業(yè)需求而設(shè)計(jì)，并且兼容SATA硬盤，為企業(yè)用戶帶來前所未有的靈活性保留了SCSI技術(shù)良好的可測性和可靠性點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接方式提供更高的帶寬:單接口3Gb/6Gb/12Gb相對(duì)于SCSI更優(yōu)異的信號(hào)和數(shù)據(jù)完整性靈活性—兼容SAS和SATA可擴(kuò)展性—尋址范圍寬，通過擴(kuò)展器可以支持更多設(shè)備可靠性和可用性—全雙工接口支持冗余路徑更長的電纜連接，更小尺寸，更容易的連接方式，更多選擇SAS/SATA接口兼容性SASSATASATASASPluggable?KeywayPortBSATA/SAS快速比較CriteriaSATASASDataRates150-300MB/Sec300-600MB/SecMTBF500-600Khrs1.2MhrsCableLength1m10mCost/MB$.01-$.02$.05-$.08(Est)RotationalSpeed5.4or7.2KRPM10-15kRPMBuffer8MB64MB企業(yè)存儲(chǔ)介質(zhì)分級(jí)策略“Onlyasmallpercentageofdatashouldbemaintainedonthehighestcost,highperformancedevices.Therestismigratedtolessexpensivestoragewhereitisimmediatelyavailablewhenneeded.”EMCWhitepaperApril2005HighcapacityLowcost-per-gigabyteHighreliabilityOptimizedfornearlineapplicationsTransactionalReferenceDataStaging&

spoolingArchiveOnLineOffLineNearLinePerformanceAvailabilityAccesstimeCostperTerabyteCapacityRetention企業(yè)級(jí)Nearline與Online硬盤區(qū)別NearlineStorage7,200rpmSATAOnlineStorage15,000rpmSAS/FC成本容量負(fù)載可靠性擴(kuò)展性性能耗電機(jī)械部分更大的磁鐵堅(jiān)固外殼空氣控制設(shè)備更高尋道速度更多磁頭更多盤片更小盤片直徑更高轉(zhuǎn)速電子部分DualprocessorsDualportTwicethefirmwareCommandschedulingSuperiorerrorcorrectionSmartalgorithmsPerform.optimizationDataintegritychecks不同類型硬盤的需求變化硬盤規(guī)格的發(fā)展變化硬盤容量的發(fā)展容量FC&SAS硬盤100GB300GB750GB

1TB400GB500GB750GB1000GBSATA硬盤500GB

1.5B2TB73GB146GB300GB450GB600GB1.5TB2TB256GB250GBSSD固態(tài)硬盤多種多樣的磁帶技術(shù)磁帶介質(zhì)類型DAT(DigitalAudioTape)4mmDLT(DigitalLinearTape)、SDLT1/2英寸

AIT、SAIT3590LTO（LinearTapeOpen）

Ultrium/Accelis

DTF9840Mammoth8mm螺旋掃描技術(shù)磁帶盒采用雙軸結(jié)構(gòu)磁帶部分纏繞到有傾角的旋轉(zhuǎn)磁鼓上數(shù)據(jù)磁軌是根據(jù)8mm磁帶的邊緣按一定角度寫入產(chǎn)品:SonyAIT,S-AIT線性掃描技術(shù)磁帶盒采用單軸結(jié)構(gòu)電機(jī)高速拉動(dòng)磁帶通過磁頭磁軌平行于磁帶邊緣寫入數(shù)據(jù)磁軌會(huì)以往返的形式在磁帶上來回寫入產(chǎn)品LTO,SDLT,9840,3590P-BOTL-EOTLengthoftape磁帶技術(shù)的發(fā)展GenerationNativeCapacityDatarateGen1Gen2Gen3HHGen3Ge