UIT存储基础培训课件

UIT存储基础技术中心郭镭第三章

存储介质硬盘技术磁带技术硬盘读写数据原理磁存储技术的工作原理是通过改变磁粒子的极性来在磁性介质上记录数据。在读取数据时，磁头将存储介质上的磁粒子极性转换成相应的电脉冲信号，并转换成计算机可以识别的数据形式。磁存储设备是利用一层亚微米量级的表面磁介质作为记录信息的媒体，以磁介质的两种不同剩磁状态或不同剩磁方向变化的规律来表示二进制数字信息，磁表面存储器的信息记录和输出过程都是电、磁信息转换的过程，是通过磁头和运动着的磁介质来实现的。硬盘主要物理结构盘片马达(motor)底座（Base）磁头PCB及RV传感器硬盘接口盘片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。硬盘主要物理结构

Aharddriveplatterbeingaccessedbyanactuatorarm.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。硬盘的读写工作DataRate:Innervs.OuterTracksTokeepthingssimple,originallysamenumberofsectorspertrackSinceoutertracklonger,lowerbitsperinchCompetitiondecidedtokeepbitsperinch(BPI)highforalltracks

(“constantbitdensity”)MorecapacityperdiskMoresectorspertracktowardsedgeSincediskspinsatconstantspeed,outertrackshavefasterdatarateBandwidthoutertrack1.7xinnertrack!外部边缘外部中间中心内部中间内部边缘磁道平面图访问速度慢慢快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(Rotationalspeed)是指盘片每分钟转动的圈数RPM（RoundPerMinute)。平均访问时间平均访问时间(AverageAccessTime)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(AverageSeekTime)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(DataTransferRate)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(InternalTransferRate)也称为持续传输率(SustainedTransferRate)，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（ExternalTransferRate）也称为突发数据传输率（BurstDataTransferRate）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。常用指标硬盘的主要技术S.M.A.R.TSelf-Monitoring,AnalysisandReportingTechnology，自监测、分析及报告技术，监测磁头、磁盘、马达、电路等部件，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TCQTaggedCommandQueuing，标记命令队列NCQNativeCommandQueuing，本机命令队列，是SATAⅡ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DutyCycle指硬盘的工作负荷，定义为特定时间段内硬盘用于寻道、读/写操作的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SCT即S.M.A.R.TCommandTransport，该技术在硬盘内部划出一部分扇区做为日志记录，分析SMART命令包含的状态信息，判断硬盘的工作状况从而调节负载（比如数据流量）来保证硬盘可靠性ATA/IDE接口硬盘Power连接器主/从盘

跳线40-pin连接器ATA(Advanced

Technology

Attachment)高级技术附加ATA硬盘是传统的桌面级硬盘，主要应用于个人PC机，也经常称为IDE(Integrated

Drive

Electronic)硬盘ATA接口为并行ATA技术，正在被串行ATA（SATA）所替代SCSI接口硬盘SCSI(SmallComputerSystemInterface)小型计算机系统接口SCSI硬盘并发处理性能优异，常应用于企业级存储领域SCSI硬盘采用并行接口，接口速率发展到320MB/s，已经达到极限，正在被SAS（SerialAttachedSCSI）硬盘所替代80-pin公接头FC接口硬盘采用FC-AL(FiberChannelArbitratedLoop，光纤通道仲裁环)接口模式FC-AL是一种双端口的串行存储接口FC-AL支持全双工工作方式FC-AL提供一种单环拓扑结构，一个控制器能访问126个硬盘SAS接口硬盘介绍SAS串行连接SCSI(SerialAttachedSCSI) SAS是一种点对点、全双工、双端口的接口SAS专为满足高性能企业需求而设计，并且兼容SATA硬盘，为企业用户带来前所未有的灵活性保留了SCSI技术良好的可测性和可靠性点对点串行连接方式提供更高的带宽:单接口3Gb/6Gb/12Gb相对于SCSI更优异的信号和数据完整性灵活性—兼容SAS和SATA可扩展性—寻址范围宽，通过扩展器可以支持更多设备可靠性和可用性—全双工接口支持冗余路径更长的电缆连接，更小尺寸，更容易的连接方式，更多选择SAS/SATA接口兼容性SASSATASATASASPluggable☻KeywayPortBSATA/SAS快速比较CriteriaSATASASDataRates150-300MB/Sec300-600MB/SecMTBF500-600Khrs1.2MhrsCableLength1m10mCost/MB$.01-$.02$.05-$.08(Est)RotationalSpeed5.4or7.2KRPM10-15kRPMBuffer8MB64MB企业存储介质分级策略“Onlyasmallpercentageofdatashouldbemaintainedonthehighestcost,highperformancedevices.Therestismigratedtolessexpensivestoragewhereitisimmediatelyavailablewhenneeded.”EMCWhitepaperApril2005HighcapacityLowcost-per-gigabyteHighreliabilityOptimizedfornearlineapplicationsTransactionalReferenceDataStaging&

spoolingArchiveOnLineOffLineNearLinePerformanceAvailabilityAccesstimeCostperTerabyteCapacityRetention企业级Nearline与Online硬盘区别NearlineStorage7,200rpmSATAOnlineStorage15,000rpmSAS/FC成本容量负载可靠性扩展性性能耗电机械部分更大的磁铁坚固外壳空气控制设备更高寻道速度更多磁头更多盘片更小盘片直径更高转速电子部分DualprocessorsDualportTwicethefirmwareCommandschedulingSuperiorerrorcorrectionSmartalgorithmsPerform.optimizationDataintegritychecks不同类型硬盘的需求变化硬盘规格的发展变化硬盘容量的发展容量FC&SAS硬盘100GB300GB750GB

1TB400GB500GB750GB1000GBSATA硬盘500GB

1.5B2TB73GB146GB300GB450GB600GB1.5TB2TB256GB250GBSSD固态硬盘多种多样的磁带技术磁带介质类型DAT(DigitalAudioTape)4mmDLT(DigitalLinearTape)、SDLT1/2英寸

AIT、SAIT3590LTO（LinearTapeOpen）

Ultrium/Accelis

DTF9840Mammoth8mm螺旋扫描技术磁带盒采用双轴结构磁带部分缠绕到有倾角的旋转磁鼓上数据磁轨是根据8mm磁带的边缘按一定角度写入产品:SonyAIT,S-AIT线性扫描技术磁带盒采用单轴结构电机高速拉动磁带通过磁头磁轨平行于磁带边缘写入数据磁轨会以往返的形式在磁带上来回写入产品LTO,SDLT,9840,3590P-BOTL-EOTLengthoftape磁带技术的发展GenerationNativeCapacityDatarateGen1Gen2Gen3HHGen3Ge