数据存储¶
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Info
和计组第六章很像
Classification of Physical Storage Media¶
似曾相识
存储的媒介，可以分为两大类：
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volatile storage(易失存储): 在断电后数据会丢失
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RAM
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Cache
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non-volatile storage(非易失存储): 在断电后数据不会丢失
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Hard disk
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Flash memory
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CD/DVD
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Tape
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etc.
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硬盘结构¶
读写头 (Read-write head)¶
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位置非常接近磁盘表面（几乎接触）
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读取或写入磁编码信息
Magnetic Disks¶
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磁道(Tracks)
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磁盘表面被划分为圆形轨道
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典型硬盘每个盘片有超过50K-100K个磁道
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扇区(Sectors)
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每个磁道被划分为扇区
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扇区是可读写的最小数据单位
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标准大小为512字节
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不同位置扇区数量：
- 内侧磁道：500-1000个
- 外侧磁道：1000-2000个
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读/写过程¶
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定位：磁盘臂摆动将读写头定位到正确的磁道
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传输：盘片持续旋转，当目标扇区经过读写头时进行数据读取/写入
磁头-磁盘组件¶
- 单一主轴上安装多个磁盘盘片（通常1到5个）
- 每个盘片配备一个磁头，所有磁头安装在共同的磁臂上
- 柱面(Cylinder)：由所有盘片上相同位置的磁道组成 (1)
- 例如，柱面i由所有盘片的第i个磁道组成
磁盘控制器(Disk controller)¶
磁盘控制器是计算机系统和磁盘硬件之间的桥梁
主要功能：
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接收并处理读写扇区的高级命令
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控制磁盘臂移动和数据读写的实际操作
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通过校验和机制保证数据完整性：
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为每个扇区计算并附加校验和
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读取时重新计算校验和并与存储值比对
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如数据损坏，两个校验和值几乎必然不匹配
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执行写入验证：写入后自动读回扇区以确保写入成功
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管理坏扇区：自动执行坏扇区的重新映射
Performance Measures¶
访问时间 (Access Time)¶
从发出读写请求到开始数据传输所需的时间。包含以下组成部分：
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寻道时间 (Seek Time)
- 磁盘臂定位到正确磁道所需的时间
- 平均寻道时间为最差情况的1/2
- 典型硬盘约为4-10毫秒
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旋转延迟 (Rotational Latency)
- 等待目标扇区旋转到读写头下方所需的时间
- 平均延迟为最差情况的1/2
- 典型硬盘约为4-11毫秒（转速5400至15000 RPM）
数据传输率 (Data Transfer Rate)¶
- 从磁盘读取或写入数据的速率
- 最大约为25-100 MB/秒（内侧磁道较低）
- 常见接口速率：
- SATA: 150 MB/秒
- SATA-II: 300 MB/秒
- Ultra 320 SCSI: 320 MB/秒
- SAS: 3-6 Gb/秒
- 光纤通道: 256-512 MB/秒
数据访问模式¶
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顺序访问模式 (Sequential Access Pattern)
- 连续请求位于连续的磁盘块
- 只有第一个块需要磁盘寻道
- 效率高，传输速度接近最大值
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随机访问模式 (Random Access Pattern)
- 连续请求的块可能分布在磁盘任何位置
- 每次访问都需要寻道
- 效率低，大量时间浪费在寻道上
磁盘性能指标¶
每秒I/O操作数 (IOPS)¶
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磁盘每秒能支持的随机块读取数量
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传统磁盘通常为50-200 IOPS
平均故障时间 (MTTF)¶
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磁盘预期无故障连续运行的平均时间
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典型值为3-5年
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新磁盘理论MTTF约为500,000至1,200,000小时
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1,200,000小时的MTTF意味着1000个相对较新的磁盘中，平均每1200小时(50天)会有一个发生故障
- \(\frac{1,200,000}{1000} = 1200\)小时/台磁盘
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随着磁盘老化，MTTF会降低
磁盘块(Blocks)¶
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存储分配与检索的逻辑单元
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通常为4-16 KB
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小块：更多磁盘传输
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大块：更多空间因部分填充而浪费
Optimization of Disk Block Access¶
Nonvolatile write buffers （非易失性写缓存）¶
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先将数据写到一个非易失性存储器中（如RAM）
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当硬盘没有处理其他请求时，才将数据写入硬盘
文件组织 (File Organization)¶
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尽可能连续地分配文件的块，减少磁盘碎片
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以盘区(extents)为单位进行分配
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文件可能会发生碎片化
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例如，当磁盘上的空闲块分散时，新创建的文件的块也会分散在整个磁盘上
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顺序访问碎片化的文件会导致磁盘臂移动增加，降低性能
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某些系统提供磁盘碎片整理工具，用于重新组织文件系统以加快文件访问速度