0x18 大容量存儲器結構

一、磁盤結構和管理

磁盤結構

盤片是存儲數據的介質，正反兩面可以存儲數據；
磁頭可以讀寫數據，沿磁盤半徑移動，有多少盤面就有多少磁頭；
主軸由馬達驅動，使盤片以固定速度旋轉。
磁盤和計算機之間有接口，用於數據傳輸，例如EIDE,ATA,SATA, USB,Fibre Channel, SCSI,SAS,Firewire；
磁盤控制器控制磁盤的讀寫等操作，並且利用磁盤緩衝區來暫存數據。

盤片結構：

1. 磁道
   磁頭在盤片表面劃出的圓形；
   盤面劃分爲數目相等的磁道；
   從盤面外緣“0”開始編號
2. 扇區
   磁道被等分爲若干個弧段，稱爲扇區；
   扇區大小：512字節
3. 柱面
   具有相同編號的磁道形成一個圓柱，稱爲柱面；每個圓柱上的磁頭，自上向下從“0”開始編號。
   一般有幾個磁道就有幾個柱面。

磁盤容量 = 盤面數（磁片數*2）*柱面數（磁道數）*扇區數*扇區字節數

例題：
一個磁盤有4個磁片組成，每個磁片劃分爲64個磁道，每個磁道劃分爲128個扇區，每個扇區512字節。則這個磁盤的容量是（）。

A.4MB
B.16MB
C.32MB
D.64MB

正確答案：C

地址映射結構

塊號：LBA
磁盤地址（CHS）：（C，H，S）
C=LBA÷(HPC× SPT)
H=(LBA÷SPT) mod HPC
S=(LBA mod SPT)+1

• Cylinder（柱面/道C）
• Head（磁頭/面H）
• Sector（扇區S）

SPT：每個磁道最大扇區數
HPC：最大磁頭（盤面）數

磁盤訪問時間

磁盤訪問時間：把一批數據從磁盤讀到內存或者從內存寫到磁盤的時間。一般而言，磁盤訪問時間由定位時間、傳輸時間和系統開銷三部分組成。

磁盤旋轉速度：60-250轉/秒

• 轉數RPM：每分鐘旋轉次數，如：7200RPM即每分鐘7200轉，即120轉/秒

定位時間/隨機訪問時間：從控制器發出命令到需要讀取數據移動到磁頭下面的時間。尋道時間+旋轉延遲時間=定位時間

• 尋道時間：移動磁臂到所需磁道時間
• 平均尋道時間：大約1/3磁道移動（多數爲1-4ms）
• 旋轉延遲時間：等待扇區移動到磁頭下時間
• 平均旋轉延遲時間：旋轉1/2圈的時間，即1/（2*RPM/60）秒

傳輸時間：傳輸的數據量（總字節數）除以傳輸率

• 傳輸率：傳輸總字節數除以傳輸時間，例如：6Gb/s表示1秒可以傳輸6G的數據
  傳輸1KB的傳輸時間：
  1K*8/6G = 7.5（微秒）

磁盤訪問時間越大，磁盤訪問性能就越低。

例子：
4KB塊，7200 RPM磁盤，5ms平均尋道時間，
1Gb/sec傳輸率，0.1ms控制開銷
讀取4KB數據塊的磁盤訪問時間爲：
5ms + 1/2*1/（7200/60）sec + 4KB/1Gb/sec + 0.1ms
=5.1ms +4.17ms+0.03ms
=9.30ms

磁盤管理

1、低級格式化（物理格式化）
將磁盤分成扇區，以便磁盤控制器讀寫

2、分區
將磁盤分成分區
主分區和擴展分區
3、高級格式化
邏輯格式化，創建文件系統
4、引導塊
自舉程序保存在ROM中，自舉程序裝載引導塊程序。

扇區格式

分區

如下圖所示，分區3是啓動分區，操作系統就安裝在這個分區，如果這是啓動磁盤，它還有MBR（主引導記錄）

引導區記錄

高級格式化

壞塊檢查

二、磁盤調度和RAID

磁盤調度

目的：減少磁盤訪問時間，提高文件系統的效率。

磁盤訪問時間包括：
尋道時間：磁頭移動到訪問扇區所在磁道的時間。
旋轉延遲時間：將訪間扇區轉到磁頭下的時間。
傳輸時間：將數據從磁盤送到內存的時間。

其中，旋轉延遲時間和傳輸時間是由磁盤的參數
決定，無法優化。所以，優化磁盤訪問時間的
關鍵是優化尋道時間，即尋道時間最小化。多數情況下，優化尋道時間就是優化尋道距離，也就是磁頭在讀寫數據時，移動的距離越短，尋道時間就越短。

請求系列：
假定有1個請求序列(0-199道)：
98, 183, 37, 122，14, 124, 65, 67
磁頭當前位置在53
目標：磁頭移動距離最小，尋道時間最短

磁盤調度算法

1. 先來先服務算法FCFS

• 按照請求提交時間訪問
  先提交先訪問
  後提交後訪問
• 優點
  簡單、公平；易實現。
• 缺點
  尋道時間長
  

2.最短尋道時間優先算法SSTF

每次移動到離現在位置最近的磁道，是一種追求局部最優的方法。

• 最短尋道時間
• 最短作業優先（SJF）

優點：尋道距離短；
缺點：存在飢餓；磁頭頻繁變換移動方向；增加尋道時間

3.掃描算法SCAN

磁頭從磁盤一端向另一段移動，沿途響應服務請求

• 到達另一端時，磁頭改變移動方向，繼續處理
• 磁頭在磁盤上來回掃描
• 又稱爲電梯算法

優點：同一方向掃描，尋道時間短；
缺點：有的請求等待時間長。

4.循環掃描算法C-SCAN

單向處理請求

• 磁頭從磁盤外道(0道)移到內道過程中處理請求
• 內道移動到外道的過程中不處理請求

優點：更均勻的等待時間

從磁道199移動到0的時間很短

5.循環Look算法C-LOOK

C-SCAN變形
磁頭只移動到一個方向上最遠請求爲止，而不是繼續到磁盤盡頭

如何選擇磁盤調度算法？

磁盤調度的性能主要依賴於請求的數量和類型

• 磁盤服務請求很大程度上受文件分配方法影響
• SSTF較爲普遍且很有吸引力
• SCAN和C-SCAN適合磁盤大負荷系統
• SSTF或LOOK是比較合理的缺省算法

RAID技術

目的：增強數據的可靠性和訪問的並行性。

RAID原來是廉價磁盤冗餘陳列的縮寫，現在較多爲獨立磁盤冗餘陳列的縮寫。

RAID 由很多價格較便宜的磁盤，組合成一個大容量的磁盤組，利用個別磁盤提供數據所產生加成效果提升整個磁盤系統效能和可靠性。
RAID被分成了多個不同級別

• RAIDO-RAID7
• RAID01，RAID10，RAID5E，RAID5EE，RAID50

RAID卡（現代CPU集成RAID）

RAID性能

可靠性

• 磁盤可靠性
• 引入冗餘
• 例如：鏡像

性能（數據分散，並行讀寫）

• 位級分散：數據每個字節的各個位分散在多個磁盤上
• 塊級分散：數據以塊爲單位分散在多個磁盤上

RAID級別

RAID(0+1) 和 (1+0)