計算機組織與結構 - 效能設計

第六章外部記憶體

1

磁碟 (Magnetic disk) RAID獨立磁碟陣列 抽取式磁碟

光碟 (Optical disk) CD-ROM CD-R CD-R/W DVD 藍光 DVD(Bl)

磁帶 (Magnetic tape)2

外部記憶體種類

磁片基底鍍上一層導磁材料 ( 比如：氧化鐵 )

基底可能是鋁或鋁合金材質近年來，基底已改用玻璃

改善薄膜表面均勻度，增加可靠度減少表面缺陷，降低讀寫錯誤率降低飛行高度（後敘）降低磁碟動態特性更能抗震，減少損壞 3

磁碟

MR(磁阻 )磁頭

4

經由磁頭（導電線圈）讀取磁碟的資料經由磁頭（導電線圈）把資料寫入磁碟可以是讀取 /寫入合一的磁頭，也可以分開

磁碟讀寫機制 在讀取 / 寫入階段， 磁頭不動， 磁片轉動 寫入

脈波送到磁頭（電流經由線圈，產生磁場） 磁化圖像並記錄在磁面上

讀取 ( 傳統技術 ) 磁場與線圈相對移動，所產生得訊號變化 單一讀取 /寫入磁頭

讀取 ( 現代技術 ) 分開的讀取磁頭、寫入磁頭 讀取磁頭採用屏蔽式MR(磁阻 )感測器 電氣阻抗隨著媒介磁場移動而改變 適用於高頻設計 (更高的儲存密度和更快的操作速度 )

5

磁碟資料格式 同心環的磁軌 (Track)

相鄰的磁軌由縫隙分隔開，當作緩衝 降低縫隙，增加容量 每個磁軌內有相同的位元數量 (不同的密度 )

外圈密度低，內圈密度高 CAV固定角速度，讓磁頭以固定速度讀取位元

磁軌會被分割成多個磁區 (Sector) 最小的區塊單位為磁區 每個磁區有固定的位元組數量 ( 比如： 512B)

6

磁碟資料配置

7

CAV(固定角速度 ) CAV 固定角速度來讀取磁碟位元資訊

定速旋轉馬達必須拉長外圈位元之間的間隔距離

CAV 技術下的磁區配置在同心環的磁軌下，分割成餅派形的磁區。可以各自定址的磁軌和磁區直線運動磁頭，以移到磁軌上方 (定位磁軌 )等待適當的磁區旋轉到磁頭下方 (定位磁區 )

8

多重區域記錄法 CAV 在空間儲存上，顯然沒有最佳化容量使用多重區域配置技術，增加容量

磁軌的每個區域有固定的位元數磁軌外圈有較多的區域數

讀取時序問題讀取內外圈位元資訊會有不同的時脈速度讀取時序不同，因而需要更複雜的電路處理

9

磁片配置方法

10

定位磁碟必須先找出磁軌和磁區的起始點格式化磁碟

加入額外的識別資訊標示磁軌和磁區 (定位磁碟的資訊 )一般使用者無法存取這種識別資訊

11

12

同步位元組

縫隙 1 Id 縫隙 2 資料 0縫隙3

縫隙 1 Id 縫隙 2資料 1縫隙 3

磁軌#同步位元組

磁頭# 磁區# CRC 資料 CRC

磁軌格式範例 (Seagate ST506機型 )

磁碟物理特性1. 磁頭運動

固定式磁頭（少見）、移動式磁頭2. 磁片可攜性

抽取式磁片、非抽取式磁片3. 磁面

單面磁片、雙面磁片（常見）4. 磁片：

單一磁片、多重磁片5. 磁頭機構

接觸 (軟碟 )、固定縫隙、空氣動力縫隙 (溫徹斯特硬碟 )

13

1、固定式 /移動式磁頭固定式磁頭

一個磁軌一個讀寫磁頭多個磁頭固定在一個存取臂

移動式磁頭一個磁面一個讀寫磁頭置放於可以伸縮的存取臂上

14

2、抽取式 /非抽取式磁片抽取式磁片

可以抽換磁片無限延伸儲存容量容易在系統之間進行資料轉移

非抽取式磁片永久地固定在磁碟機內

15

3、磁面單面：一個磁片一個磁面雙面：一個磁片二個磁面常見的雙面磁片

16

4、單一 /多重磁片一個磁面一個磁頭多個磁面多個磁頭排齊、連動多個磁面上的磁軌形成磁柱由磁柱存取資料：

減少磁頭移動頻率增快速度 (轉移速率 )

17

多重磁片

18

磁柱 (Cylinder)

19

5、軟式磁碟機 8”, 5.25”, 3.5”小容量

最大到 1.44MB (2.88MB 未流行 )慢速普遍價廉

20

特 性Seagate

Barracuda ES.2

SeagateBarracuda 7200.10

SeagateBarracuda

7200.9seagate

HitachiMicrodrive

應　用 高容量伺服器

高效能桌上電腦

入門桌上電腦

攜帶式電腦

手持設備

容　量 1 TB 750 GB 160 GB 120 GB 8 GB

最小磁軌搜尋時間 0.8 ms 0.3 ms 1.0 ms ─ 1.0 ms

平均搜尋時間 8.5 ms 3.6 ms 9.5 ms 12.5 ms 12 ms

旋轉速度 7200 rpm 7200 rpm 7200 rpm 5400 rpm 3600 rpm

平均旋轉延遲 4.16 ms 4.16 ms 4.17 ms 5.6 ms 8.33 ms

最大轉移速度( 傳輸率 )

3 GB/s 300 MB/s 300 MB/s 150 MB/s 10 MB/s

位元組 / 磁區 512 512 512 512 512

磁軌 / 磁柱 ( 磁面數目 )

8 8 2 8 221

典型硬碟機參數

溫徹斯特硬碟 (1)

源於 IBM 3340 磁碟機封閉在密閉空間的多個磁片空氣動力箔

旋轉磁碟，氣壓會浮起磁頭 停止旋轉，磁頭輕靠磁面上

磁頭和磁片距離非常近更耐用

22

溫徹斯特硬碟 (2)

相當普遍價格低廉最快速的外部儲存裝置容量一直變大

目前容量單位為 GB

23

磁碟速度搜尋時間 (Seek time)

把磁頭移到正確磁軌所需要的時間旋轉延遲 (Rotational delay)

等待資料旋轉到磁頭正下方存取時間 = 搜尋時間 + 旋轉延遲轉移時間 (Transfer time)

開始資料轉移所需要的時間

24

磁碟 I/O 傳輸順序

25

RAID磁碟陣列 Redundant Array of Independent Disks

不貴磁碟陣列 獨立磁碟陣列

RAID 0 ~ RAID 6 常見的 7 種 RAID 層級 彼此並沒有階層關係

不管 RAID 系統有幾台磁碟，通常 OS 把它當作單一磁碟機看待

資料分散到各個磁碟 利用同位元偵錯，備份儲存

26

RAID 0資料以條帶方式分散儲存於所有磁碟機

資料會被分成多個條帶分散儲存於磁碟 條帶分佈以循環方式進行

沒有備份能力平行資料處理

增加速度多重資料請求於不同磁碟機 平行磁碟資料處理

27

RAID 0 圖

28

RAID 0的資料對映關係

29

RAID 1 每個磁碟對應一個鏡射磁碟 (Mirror disk) 資料以條帶方式，分散存放於磁碟機

一筆資料有兩份拷貝於磁碟、鏡射磁碟 可以由任何一台磁碟機讀取資料

具有備份能力 復原簡易 更換故障磁碟機 ，然後重新鏡射資料即可

平行資料處理 當機機率小 成本較高

30

RAID 1 圖

31

RAID 2 使用同步磁碟機 (Synchronized disk)

使用非常小的條帶 可能是單一位元組、或字組

以漢明碼儲存多個同位元資訊於磁碟 計算每個磁碟機的對應同位元 即時錯誤校正能力

具有備份能力 成本昂貴 較少使用

平行資料處理32

RAID 2 圖

33

RAID 3 類似 RAID 2 不管磁碟陣列有多大，只有一個同位元磁碟

即，整組資料對應到一個同位元磁碟無即時錯誤校正能力

具有備份能力 根據現有資料和同位元資料，可重建錯誤磁碟

平行資料處理非常高的轉移速度

34

RAID 3 圖

35

RAID 4使用大型的資料條帶，稱為區塊每一個磁碟可以獨立運作

適用於大量 I/O 請求的應用系統具有備份能力

計算每個對應的資料區塊，得出同位元區塊同位元區塊儲存於一台同位元磁碟單一位元磁碟活動頻繁，可能成為瓶頸

平行資料處理36

RAID 4 圖

37

RAID 5類似 RAID 4但把同位元區塊均勻地分散於各個磁碟

採用循環方式分配同位元區塊 避免過度使用同位元磁碟，造成瓶頸

具有備份能力平行資料處理常用於網路伺服器

38

RAID 5 圖

39

RAID 6 計算兩種不同的同位元，存於不同磁碟區塊

N個資料磁碟， 2個同位元磁碟 總共有 N+2個磁碟

具有備份能力高度的資料可用性 三個磁碟發生問題，才可能導致資料的遺失。 付出較大的寫入代價

平行資料處理

40

RAID 6 圖

41

CD-ROM光碟機 早期 CD儲存音效資料 650MB 約可儲存超過 70分鐘的音效 在聚碳酸鹽表面上，覆蓋一層像鋁一樣的高反射材質 資料照到坑洞，散射反射光 反射光強弱決定讀取的位元

42

光學記憶體

CD-ROM動作原理

43

CD-ROM運作方式追求最佳化容量

以固定密度儲存位元使用螺旋磁軌

位元存取使用 CLV固定線性速度內外圈旋轉角速度不同外圈時，磁片旋轉會變慢

44

CD-ROM 螺旋磁軌

45

CD-ROM光碟機速度音效播放採用固定的單一速度。

CLV固定線性速度 1.2 m/s 螺旋磁軌長約 5.27km 約可播放 4391 秒 = 73.2分

速度通常是這種線性速度的 N 倍 比如： 24x 倍速

46

CD-ROM格式

模式 0= 空白資料模式 1=2048B 資料 +288B 錯誤校正碼模式 2=2336B 資料

47

CD-ROM存取特性不容易隨機存取必須移動磁頭到特定位置必須調配出正確的旋轉速度讀取位址，再調整位置

48

CD-ROM 優缺點優點：

容量最佳化容易生產可攜帶性 耐用

缺點存取時間較長 慢速 唯讀

49

CD-R & CD-RW CD-R

只可寫入一次的光碟片WORM需要燒錄光碟機 與 CD-ROM光碟機相容

CD-RW可以重複寫入的光碟片需要燒錄光碟機 大部分與 CD-ROM光碟機相容採用相變法技術，材料在不同的相變狀態下，有不同的反射率

50

DVD 技術 Digital Video Disk( 數位影音光碟 )

使用MPEG 壓縮儲存電影、播放視訊影音可以將整部電影放入單一 DVD光碟讀取電腦光磁片和播放視訊影音

採用多層膜技術高容量 ( 一層有 4.7GB)

51

CD 和 DVD存取差異

52

高解析度光碟 高解析度光碟機使用藍 - 紫色雷射，藉由這種更短波長的雷射，記錄 0 、 1資料，燒錄的坑洞比DVD 還要小，容量比 DVD 大。

高解析度光碟有兩種： HD DVD和藍光 DVD。藍光 DVD定位的資料層更靠近雷射，更緊密的焦距和更少失真建構出更小的坑洞和光軌，已經成為市場主流產品。

藍光一層可儲存 25GB，目前有三種版本： BD-ROM（唯讀）、 BD-R（可燒錄一次）、 BD-RE（可重複燒錄）。

53

54

光學記憶體特性

序列存取裝置非常慢速但很便宜 (位元成本 )通常用來作備份儲存目前主流磁帶技術為 LTO 卡帶系統

55

磁帶

本章結束 李鴻鵬老師整理