本章主要内容
外部存储设备概述
磁盘设备组成与运行原理
磁盘阵列技术与容错支持
光盘设备组成与运行原理
磁盘设备组成与运行原理
磁盘设备的组成
■磁盘驱动器：通常是一个完整独立的设备，包括作为磁记录介质使用的磁盘和驱动磁盘匀速旋转的动力与驱动部件，完成读写功能的磁头和驱动磁头沿磁盘径向方向运动和准确定位的部件，以及其它一些控制逻电路等部件。
■磁记录介质：单独的、可以和磁盘驱动器分开保存的硬磁盘片、磁盘组、软磁盘片等。
■磁盘接口电路：是插在主机总线插槽中的一块电路卡，用于把磁盘驱动器与计算机主机连接为一体系统，接收主机发给磁盘的操作命令，实现数据缓冲与格式变换，处理主机与磁盘之间的其它交互作用与时间上的同步等。
硬磁盘驱动器结构示意图
磁盘结构与参数
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磁盘结构与参数
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寻道时间： ■一般为 8 至12 ms 旋转延迟：■旋转速度：3600至7200 RPM ■旋转时间：16 ms至8 ms每转 ■平均寻址时间8 ms至4 ms 访问速度：■数据量（通常为1个扇区）： 1 KB/扇区 ■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 |
磁盘访问时间举例
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 = 5MBps
■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 => 1/2周： 5.6 ms
■读1个扇区时间 = 12ms + 5.6ms + 0.5KB/5MBps + 2ms
= 12ms + 5.6ms + 0.1ms + 2ms
= 19.7 ms
■读1页的时间= 12 ms + 5.6ms + 8KB/5MBps + 2ms
= 12ms + 5.6ms + 1.6ms + 2ms
= 21.2 ms
对例子的思考
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。
■并行方式
◆并行 #1：并行读多个层面
◆并行 #2：并行读多个磁盘
两点结论
■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
磁盘控制器接口
主机与磁盘驱动器之间的接口
■与主机接口：控制磁盘与主机总线交换数据——系统级接口
■与设备接口：根据主机的命令控制设备的操作——设备级接口
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磁盘阵列技术与容错支持
光盘设备组成与运行原理
光盘设备组成与运行原理
光盘设备特点
■存储密度高，容量大，非接触式读写
■可靠性好，价格便宜，广泛使用
光盘类型
■只读型光盘CD-ROM(CD-Read Only Memory)
◆标准容量650M
■写一次型光盘 WORM(write once, read many)
◆CD-R(CD-Recordable)
■可擦写型光盘CD-RW
◆CD-RW(CD-ReWritable)
CD-ROM存储原理
CD是通过在涂有玻璃表层的主盘上，用高能红外激光束烧出0.8毫米直径的小孔制成的。用这种主盘做成模子，上面带有烧好的激光孔，然后往模子上注入熔化的多种碳酸盐脂，使激光孔的形状和玻璃主盘的形状一样，就基本上完成了CD的主体。接着，在碳酸盐脂上沉淀上一薄层的反射铝，再覆盖上一层起保护作用的表层，最后再打上标签，整个CD就完成了。
碳酸盐脂底基的凹陷部分叫作凹区，凹区两边未经过烧制的部分叫作凸区。
CD-R存储原理
CD-R在大小上和CD-ROM一样，最初时也是120mm的空白盘，只是CD-R有一条0.6mm宽的凹槽，用来引导激光进行刻盘。凹槽有0.3mm的正弦偏移，频率为22.05kHz，用来准确控制CD-R的转速，并在必要时加以调整。只是CD-R表面是金色，而不象CD-ROM那样表面是银色。用真正的金子代替铝来做反射层。而CD-R的凹区和凸区是用不同的反射光来模拟，这点是通过在碳酸盐脂和金质反射层之间加上一层染料来实现的。
CD-R被刻之前，染料层是透明的，激光束可以穿过它后从金质层反射回来。刻盘时，照射CD-R的激光能量被调高到8~16mW，光束照射到染料的一个点上时产生的热量使之发生化学反应，改变了染料的分子结构，产生一个黑点。读出时激光束的能量为0.5mW，光接收器就可以分辨出染料被照射过的黑点和未被照射过的透明区，并用这个区别来对应普通光盘的凹区和凸区。
写一次型光盘光学系统示意图
CD-RW存储原理
用银、铟、锑和碲组成的合金做记录层。这种合金有两个稳定态：晶态和非晶态，两个状态有不同的反射特性。
CD-RW的驱动器使用三种不同能量的激光。在高能激光照射下，合金熔化并从高反射性的晶态转化为低反射性的非晶态，表示凹区。在能量中等的激光束照射下，合金熔化并重新转化为本来的晶态，又成为凸区。低能激光可以感知材料的状态（用来读盘），但不会导致状态转换。
光盘设备组成与运行原理
DVD－CD的挑战
■DVD：数字多用途盘（Digital Versatile Disk）
■DVD的容量比普通光盘提高了7倍，达到4.7GB
■单速DVD驱动器的工作速度为1.4MB/秒（而CD为150KB/秒）
DVD的4种标准
■单面单层（4.7GB）
■单面双层（8.5GB）
■双面单层（9.4GB）
■双面双层（17GB）
DVD存储原理
■DVD的基本设计和CD相同，也是120mm直径的注入碳酸盐的盘模，由激光二极管照射的凸区和凹区组成，通过光接收器读入信息。
■使用红色激光（DVD激光的波长为0.65微米，而CD的为0.78微米）；凹区更小（DVD为0.4微米，而CD为0.8微米）；螺旋线更紧凑（DVD道间距为0.74微米，而CD的道间距为1.6微米）。
其他的新标准
■HVD vs EVD
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磁盘设备组成与运行原理
磁盘阵列技术与容错支持
光盘设备组成与运行原理
磁盘阵列技术与容错支持
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。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。
廉价磁盘的冗余阵列（RAID）
■最初的称谓：Redundant Arrays of Inexpensive Disks
■工业界修改：Redundant Arrays of Independent Disks
RAID原理和特点
■多个统一管理的磁盘组成磁盘阵列，数据分块交叉存储在多个磁盘上，提高读写并行性，性能好
■阵列中的一部分磁盘存放冗余信息，一旦某一磁盘失效，利用冗余信息重建数据，可靠性高
■单个小盘径磁盘成本低、功耗小、性能好，磁盘阵列需要RAID卡的支持，但总体成本也不高
阵列控制卡（RAID卡）
■把多个物理磁盘连接为一个逻辑磁盘，具有几兆到几十兆字节的阵列加速器（DRAM），起到缓冲作用。可以根据用户不同的需求，灵活配置为不同的使用和容错方式。
■分析和处理主机CPU发送的读写命令，支持并发命令请求和命令排队，可以使多个命令得以并发处理，处理命令时候可以进行优化，提高性能。支持设备的快速接入和断开，提高总线的使用率和性能。
联机热备份与热插拔技术
磁盘阵列技术与容错支持
磁盘阵列对容错的支持
■6级容错：RAID0 ~ RAID5，其中RAID2与RAID3要求各个驱动器严格同步，不实用。
■RAID0：数据散放，并发读写，没有容错，可靠性差
■RAID1：磁盘镜像，冗余备份，可靠性高，成本较高
■RAID4：数据保护，对数据散放改进，增加专用的奇偶校验盘，出故障恢复数据费时，不支持多个数据磁盘并行写操作
■RAID5：分布式数据保护，对RAID4的改进，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，一些情况下支持并行写操作
讲选： 39/40