計算機組織與結構 - 效能設計

1. 計算機組織與結構-效能設計 第六章 外部記憶體

2. 外部記憶體種類 • 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)

3. 磁碟 • 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

4. MR(磁阻)磁頭 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

5. 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)

6. 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)

7. 磁碟資料配置

8. 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)

9. 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

10. 磁片配置方法

11. 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

12. 縫隙1 縫隙1 Id 縫隙2 資料0 縫隙3 資料1 縫隙2 縫隙3 Id 磁軌# 同步位元組 磁頭# 磁區# CRC 同步位元組 CRC 資料 磁軌格式範例(Seagate ST506機型)

13. 磁碟物理特性 • 磁頭運動 • 固定式磁頭（少見）、移動式磁頭 • 磁片可攜性 • 抽取式磁片、非抽取式磁片 • 磁面 • 單面磁片、雙面磁片（常見） • 磁片： • 單一磁片、多重磁片 • 磁頭機構 • 接觸(軟碟)、固定縫隙、空氣動力縫隙(溫徹斯特硬碟)

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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)

18. 多重磁片

19. 磁柱(Cylinder)

20. 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

21. 典型硬碟機參數

22. 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

23. 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

24. 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

25. 磁碟I/O傳輸順序

26. 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

27. 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

28. RAID 0 圖

29. RAID 0的資料對映關係

30. 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

31. RAID 1 圖

32. 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

33. RAID 2 圖

34. 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

35. RAID 3 圖

36. 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

37. RAID 4 圖

38. 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

39. RAID 5 圖

40. 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

41. RAID 6 圖

42. 光學記憶體 • 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

43. CD-ROM動作原理

44. 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

45. CD-ROM螺旋磁軌

46. 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

47. 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

48. 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

49. 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

50. 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