外存

• 辅助存储器作为主存的后援设备又称为外部存储器,简称外存
• 它与主存一起组成了存储器系统的主存～辅存层次。
• 与主存相比,辅存具有容量大,速度慢﹑价格低、可脱机保存信息等特.点,属“非易失性”存储器。
• 而主存具有速度快﹑成本高、容量小等特点,而且大多由半导体芯片构成,所存信息无法永久保存,属“易失性”存储器。
• 计算机系统的辅助存储器有
• 硬磁盘、软磁盘、磁带﹑光盘等。
• 前三种均属磁表面存储器。

磁盘存储器

• hdd(hard disk drive)

  • Hard disk drive - Wikipedia
  • Operating Systems: Mass-Storage Structure (uic.edu)
  • How Hard Disk works, Internal structure and Read/Write data operations – Tech mastery (wordpress.com)

• ssd(solid-state drive)

  • 固态硬盘_百度百科 (baidu.com)
  • Everything You Need to Know About Solid-state drive (SSD) - Guide (minitool.com)
  • Solid-state drive - Wikipedia
  • Coding for SSDs – Part 2: Architecture of an SSD and Benchmarking | Code Capsule

• Exploded line drawing of a modern hard disk, showing the major components. 现代硬盘的分解线图，显示了主要部件 ref link	Architecture of a solid-state drive(SSD)

组成

磁盘驱动器

• 磁盘驱动器/磁盘:由磁头,磁盘读写电路等组成,简称为磁盘
• 核心部件:
  • 磁头组件
  • 盘片组件
• 温彻斯特盘:
  • 可以移动磁头,固定盘片的磁盘存储器

磁盘控制器

• 硬盘存储器和主机的接口
• 主流标准:
  • IDE
  • SCSI
  • SATA

盘片platter

• 一个磁盘（如一个 1T 的机械硬盘）由多个盘片叠加而成
• 盘片的表面涂有磁性物质，这些磁性物质用来记录二进制数据
• 因为正反两面都可涂上磁性物质，故一个盘片可能会有两个盘面(surfaces of platter)

存储区域

• 一块硬盘含有若干记录面
• 每个记录面划分为若干磁道(一系列的同心圆环)
• 每条磁道划分为若干扇区(块)

磁盘结构

磁道track

• 每个盘片被划分为一个个磁道
• 磁盘各磁道的上所记录的信息量是相同的
  • 但是位密度不同
• 一般泛指磁盘位密度时,指的是内圈磁道上的位密度(最大位密度)

道距

• 响铃两条磁道中心线之间的距离称为道距P
• 道密度$D_t=\frac{1}{P}$
  • 密度Density
  • $D_t$:Density Of Track

位密度

• $D_b=\frac{f_t}{\pi d_{min}}$
• $f_t$:每条道(track)上的总位数(bits)
• $d_{min}$:道(track)轨迹 同心圆的最小直径

扇区sector🎈/块Block🎆

• 每个磁道又划分为一个个扇区

  • 扇区中包含
    • 数据
    • 地址
    • 校验
    • …等信息

• 磁盘读写的最小单位是扇区(或者称为块)🎈

  • 磁盘按块存取
  • 不同于主存,可以读取字节

• 其中，最内侧磁道上的扇区面积最小，因此数据密度最大

• 扇区数:表示每条磁道上有多少个扇区

磁头(Head)

• 磁头用于读取/写入盘片上记录的信息
• 磁头数即记录面数,表示磁盘有多少个磁头
• 一个记录面对应一个磁头🎈

圆柱面cylinder

• 在一个盘组中,不同记录面的相同编号(位置)的诸多磁道构成一个圆柱面
  • 所有盘面中相对位置相同的磁道组成柱面
  • 空间几何上可以类比圆柱体的侧面
  • 不同柱面底面半径各不相同
• 每个盘面对应一个磁头 所有的磁头都是连在同一个磁臂上的，因此所有磁头只能“共进退”
• 柱面数:表示硬盘每面上有多少条磁道

磁记录原理

• 磁头和磁性记录介质相对运动时,通过电磁转换完成读写操作
• 编码方法
  • 按照某种方案,把一连串的二进制信息变换称存储介质磁层中一个磁化翻转状态序列
  • 使得读写电路容易/可靠地实现转换
• 磁记录方式:
  • 通常采用调频FM和改进型调频制MFM的方式记录

磁盘性能指标

记录密度

• 记录密度是指盘片单位面积上记录的二进制信息量，
• 通常以道
  • 密度
  • 位密度
  • 面密度
  • …表示
• 道密度是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，
• 位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，
• 面密度是位密度和道密度的乘积

磁盘的容量

• 磁盘容量有非格式化容量和格式化容量之分

非格式化容量

• 是指磁记录表面可利用的磁化单元总数，
• 它由道密度和位密度计算而来;
• 称为硬盘容量

格式化容量

• 是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量

• 格式化后的容量比非格式化容量要小 🎈

• 称为格式化后的实际容量(有效容量)(用户可以使用的容量)

数据传输率

• 磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，称为数据传输率

• 设

  • 磁盘转数为r转/秒

  • 每条磁道容量N字节

    • 设扇区容量为$V_{sec}$
    • 每个磁道有$N_{sec}$
    • $N=V_{sec}{N}_{sec}$

  • 则数据传输率(DataRate:$D_r$)为

    • $$D_r=rN=r{V}_{sec}{N}_{sec}$$

磁盘转速

• 表示单位时间内磁盘完成几个周(round)的旋转
• 通常用
  • $r转/秒或者m转/分钟表示$
    • $m转/分钟=\frac{1}{60}m转/秒$

旋转周期T

• 有时也用旋转周期时间$T_r,简化记为T$来描述磁盘转速:

  • 完成一转(round)需要的时间(平均时间)

  • $1r/1T,即1r:1T$

  • 如果知道转速为:

    • $$\begin{gathered} m(r/min),可以写成: \\ m\frac{r}{min}=\frac{1r}{\frac{1}{m}min} \\ mr:1min \\ 1r:\frac{1}{m}min=\frac{60}{m}s \end{gathered}$$

      • 根据周期的定义,$T=\frac{1}{m}min=\frac{60}{m}s$

例

• 某磁盘转速为7200 r/min

• 每个磁道上有160扇区(sectors)

• 每扇区512字节

• 理想情况下的传输速率DataRate?

  • $$D_r=\frac{7200\times 160\times 512B}{60s}=(9600K)B/s$$

平均存取时间

• 平均存取时间由

  • 寻道时间($T_{track}$)（磁头移动到目的磁道的时间)、
  • 磁道内扇区定位时间($T_{sec}$):旋转延迟时间（磁头定位到要读写扇区的时间）
    • sec:sector Delay
    • 即:平均查找扇区的时间
    • 磁盘旋转一周的时间的一半
      • 下的推导就是一个大概
      • 设磁道上有n个扇区
      • 移动到相邻扇区时间为$t_0$
      • 磁盘旋转一周的时间T=$n{t}_0$
      • 平均访问时间$T_a=\frac{1}{n}\sum _{i=0}^{n-1}i\cdot t_0=\frac{1}{n}\frac{n(n-1)}{2}{t}_0=\frac{1}{2}(n-1)t_0\approx \frac{1}{2}n{t}_0=\frac{1}{2}T$
      • 把定位时间记为$T_{sec}=\frac{1}{2}{T}_r$
  • 磁盘控制器延迟($T_{ctrl}$)
    • ctrl:Controller Delay
    • 有些地方会忽略处理这部分耗时
  • 传输时间$T_{trans}$（传输数据所花费的时间）
    • data transfer time

• 综上:

  • $$T_{avg}=T_{track}+T_{sec}+T_{trans}+T_{ctrl}$$

• 由于寻道和找扇区的距离远近不一，故寻道时间和旋转延迟时间(扇区定位)通常取平均值

平均寻道时间

• 题目经常直接给出平均寻道时间

• 寻址时间分为

  • 磁头寻找目标磁道的时间(寻道时间$t_s$)
    • search track
  • 找到磁道后,磁头等到(欲读写的)磁道区段旋转到磁头下方所需要(等待时间$t_w$)
    • wait sectors

• 从最外圈磁道找到最内圈磁道以及 寻找相邻磁道磁道所需要时间是不等的

• 磁头等待不同区段所花费时间也是不等的

• 取平均值作为平均寻址时间$T_a$

  • $T_a=t_{sa}+t_{wa}$
    • 下标解释:
      • a:average(平均)
      • sa表示平均寻道(search track)时间
      • wa:平均等待时间
    • $T_{sa}=\frac{1}{2}(t_{smax}+t_{smin})$
    • $T_{wa}=\frac{1}{2}(t_{wmax}+t_{wmin})$

纯读/写时间

• 磁头从需要读取的若干个扇区中的第一个扇区开始旋转到结束扇区的这段时间
• 想时间不考虑延迟和寻道的时间(只计算直接读取所需要扇区的时间)
  • 即,机械运动操作的时间都以0处理

例

• 磁盘转速为V=7200 r/min

  • $T=\frac{60}{7200}s=(1/120)s$
  • 则:扇区定位平均时间$T_{sec}=\frac{1}{2}T=\frac{1}{240}s\approx 0.00417s=4.17ms$

• 磁盘平均寻道$T_{track}$时间为8ms

• 每一个磁道有n=1000扇区,那么读取一个扇区的纯读取时间为

  • $$\begin{gathered} \frac{1}{n}T=\frac{1}{1000}\frac{1}{120}=0.083\times 10^{-4}s \\ =0.083\times 10^{-1}\times 10^{-3}s=0.0083ms \\ \approx 0.01ms \end{gathered}$$

  • 因此:读取一个扇区的读取时间大约为0.01ms

• 访问一个扇区的平均存取时间为?

  • S=寻道时间+扇区定位时间+纯读写时间=8ms+4.17ms+0.01=12.18ms

例

• 设某磁盘
  • 磁盘的平均寻道时间为6ms
  • 磁盘传输速率为$D_r$=20MB/s
  • 磁盘控制器延迟为0.2ms
  • 扇区大小$V_{sec}=4KB$
• 又设该磁盘转速为$10^4$r/min
  • 工作周期为:$T=\frac{1}{10^4}min=60\times 10^{-4}s=6\times 10^{-3}s=6ms$
  • 平均磁道内扇区定位时间为$T_{sec}=\frac{1}{2}T=3ms$
• 读取一个扇区的理想时间(纯读取时间):
  • $T_{read}=\frac{V_{sec}}{D_r}=\frac{4KB}{20MB/s}=\frac{1}{5K}s=0.2ms$
  • 理想时间不考虑延迟和寻道的时间(只计算直接读取所需要扇区的时间)
    • 即,机械运动操作的时间都别设想为0
• 读取总时间(包括延迟)
  • 寻道时间+扇区定位时间+控制器延迟时间+理想读取时间
  • t=6+3+0.2+0.2=9.4ms

磁盘地址

• 驱动器号
• 柱面号(磁道号)
• 盘面号
• 扇区号
• Note:
  • 如果不特别指明多个驱动器,一般一个磁盘内就考虑后面三个级别

例

• 假系统中有4个磁盘驱动器(需要2bit区分)

  • 每个驱动器带1个磁盘
    • 每个磁盘
      • 256个磁道$2^8=256$(需要8bit区分磁道)
      • 16个盘面(需要${\log }_{2}16=4$bit区分盘面)(比如:磁盘带有8个双面盘片)
        • 每个盘面划分为16个扇区(需要4bit区分扇区)

• 每个扇区地址要2+8+4+4=18bit二进制代码

磁盘阵列RAID

• RAID(磁盘阵列(Redundant Array of Independent Disks)）

  • 是指将多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑盘

  • 数据在多个物理盘上分割交叉存储、并行访问

  • 具有更好的

    • 存储性能

    • 可靠性

    • 安全性

• 在 RAID1~RAID5几种方案中，无论何时有磁盘损坏，都可随时拔出受损的磁盘再插入好的磁盘，而数据不会损坏，提升了系统的可靠性

  • RAIDO:无冗余和无校验的磁盘阵列
  • RAID1:镜像磁盘阵列
  • RAID2:采用纠错的海明码的磁盘阵列
  • RAID3:位交叉奇偶校验的磁盘阵列
  • RAID4:块交叉奇偶校验的磁盘阵列
  • RAID5:无独立校验的奇偶校验磁盘阵列

• RAID0

  • 把连续多个数据块交替地存放在不同物理磁盘的扇区中
  • 几个磁盘交叉并行读写，不仅扩大了存储容量，而且提高了磁盘数据存取速度
  • 但RAIDO没有容错能力
    • 最基础的阵列方案
    • 没有引入冗余🎈
    • 其他几个级别都引入冗余或数据校验

• RAID1:

  • 为了提高可靠性，RAID1使两个磁盘同时进行读写，互为备份，若一个磁盘出现故障，可从另一磁盘中读出数据
  • 两个磁盘当一个磁盘使用，意味着容量减少一半

• 提高RAID可靠性的方法

  • 磁盘镜像
  • 数据校验(比如:奇偶校验)

• 总之

  • RAID通过同时使用多个磁盘，提高了传输率;
  • 通过在多个磁盘上并行存取来大幅提高存储系统的数据吞吐量;
  • 通过镜像功能，提高安全可靠性;
  • 通过数据校验，提供容错能力

SSD

• 固态硬盘（SSD)是一种基于闪存技术的存储器
• 它与U盘并没有本质上的差别，只是容量更大，存取性能更好
• 一个 SSD由一个或多个闪存芯片和闪存翻译层组成，闪存芯片替代传统旋转磁盘中的机械驱动器，而闪存翻译层将来自CPU的逻辑块读写请求翻译成对底层物理设备的读写控制信号，因此，这个闪存翻译层相当于扮演了磁盘控制器的角色

存储介质🎈

• 固态硬盘的存储介质分为两种
  • 一种是采用闪存（FLASH芯片）作为存储介质
    • 基于闪存的固态硬盘（IDEFLASH DISK、Serial ATA Flash Disk）：采用FLASH芯片作为存储介质，这也是通常所说的SSD。
      • 它的外观可以被制作成多种模样，
        • 例如：笔记本硬盘、微硬盘、存储卡、U盘等样式。
        • 这种SSD固态硬盘最大的优点就是可以移动，而且数据保护不受电源控制，能适应于各种环境，适合于个人用户使用。
  • 另外一种是采用DRAM作为存储介质。
    • 基于DRAM的固态硬盘：采用DRAM作为存储介质，应用范围较窄。
      • 它仿效传统硬盘的设计，可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理，并提供工业标准的PCI和FC接口用于连接主机或者服务器。
      • 应用方式可分为SSD硬盘和SSD硬盘阵列两种。
      • 它是一种高性能的存储器，理论上可以无限写入，美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。
      • DRAM固态硬盘属于比较非主流的设备
    • 最新还有英特尔的XPoint颗粒技术
      • 原理上接近DRAM，但是属于非易失存储。
      • 读取延时极低 ，并且有接近无限的存储寿命。
      • 缺点是密度相对NAND较低，成本极高

闪存芯片

• 闪存芯片_百度百科 (baidu.com)

分类

• 闪存也有不同类型，其中主要分为NOR型和NAND型两大类。

• NOR型与NAND型闪存的区别很大

NOR型

• 闪存更像内存，有独立的地址线和数据线，但价格比较贵，容量比较小；

NAND型

• 更像硬盘，地址线和数据线是共用的I/O线，类似硬盘的所有信息都通过一条硬盘线传送一般，
• 而且NAND型与NOR型闪存相比，成本要低一些，而容量大得多。
• 内存和NOR型闪存的基本存储单元是bit，用户可以随机访问任何一个bit的信息。
• 而NAND型闪存的基本存储单元是页（Page）
  • （可以看到，NAND型闪存的页就类似硬盘的扇区，硬盘的一个扇区也为512字节）。
  • 每一页的有效容量是512字节的倍数。
  • 所谓的有效容量是指用于数据存储的部分，实际上还要加上16字节的校验信息，因此我们可以在闪存厂商的技术资料当中看到“（512+16）Byte”的表示方式。
  • 2Gb以下容量的NAND型闪存绝大多数是（512+16）字节的页面容量，
  • 2Gb以上容量的NAND型闪存则将页容量扩大到（2048+64）字节。

NAND型主要特点

• NAND（计算机闪存设备）_百度百科 (baidu.com)

• NAND型比NOR型更加常见,下面主要是关于NAND型的描述

• NAND(NAND flash memory)闪存是一种比硬盘驱动器更好的存储设备，在不超过4GB的低容量应用中表现得尤为明显。

• 结合了EPROM和EEPROM结构

• NAND闪存是一种非易失性存储技术，即断电后仍能保存数据。

• 它的发展目标就是降低每比特存储成本、提高存储容量。

EPROM

• EPROM是指其中的内容可以通过特殊手段擦去，然后重新写入。
• 常采用浮空栅雪崩注入式MOS电路，简称为FAMOS。
• 它与MOS电路相似
• …

EEPROM

• 与EPROM相似，它是在EPROM基本单元电路的浮空栅极的上面再生成一个浮空栅，前者称为第一级浮空栅，后者称为第二级浮空栅。

• …

速度

• 这里我们还需要端正一个概念，那就是闪存的速度其实很有限，它本身操作速度、频率就比内存低得多，而且NAND型闪存类似硬盘的操作方式效率也比内存的直接访问方式慢得多。

• 因此，不要以为闪存盘的性能瓶颈是在接口

• 前面提到NAND型闪存的操作方式效率低，这和它的架构设计和接口设计有关，

  • 它操作起来确实挺像硬盘（其实NAND型闪存在设计之初确实考虑了与硬盘的兼容性）
  • 它的性能特点也很像硬盘：小数据块操作速度很慢，而大数据块速度就很快，
  • 这种差异远比其他存储介质大的多。

擦除操作

• NAND型闪存以块为单位进行擦除操作。

• 闪存的写入操作必须在空白区域进行，如果目标区域已经有数据，必须先擦除后写入，因此擦除操作是闪存的基本操作。

• 一般每个块包含32个512字节的页，容量16KB；

• 而大容量闪存采用2KB页时，则每个块包含64个页，容量128KB。

• 每颗NAND型闪存的I/O接口一般是8条，每条数据线每次传输（512+16）bit信息，8条就是（512+16）×8bit，也就是前面说的512字节。

• 但较大容量的NAND型闪存也越来越多地采用16条I/O线的设计，

寻址

• 寻址时，NAND型闪存通过8条I/O接口数据线传输地址信息包，每包传送8位地址信息。
• 由于闪存芯片容量比较大，一组8位地址只够寻址256个页，显然是不够的，因此通常一次地址传送需要分若干组，占用若干个时钟周期。
• NAND的地址信息包括列地址（页面中的起始操作地址）、块地址和相应的页面地址，传送时分别分组，至少需要三次，占用三个周期。
• 随着容量的增大，地址信息会更多，需要占用更多的时钟周期传输，因此NAND型闪存的一个重要特点就是容量越大，寻址时间越长。
• 而且，由于传送地址周期比其他存储介质长，因此NAND型闪存比其他存储介质更不适合大量的小容量读写请求。

小结

• NOR型闪存比较适合频繁随机读写的场合，通常用于存储程序代码并直接在闪存内运行，手机就是使用NOR型闪存的大户，所以手机的“内存”容量通常不大；
• NAND型闪存主要用来存储资料，我们常用的闪存产品，如闪存盘、数码存储卡都是用NAND型闪存。

SSD结构

• 一个闪存由B块组成，每块由Р页组成

• 	expload View Solid state Drive

• 基于闪存的固态硬盘是固态硬盘的主要类别，其内部构造十分简单

  • 固态硬盘内主体其实就是一块PCB板，而这块PCB板上最基本的配件就是
    • 控制芯片
    • 缓存芯片（部分低端硬盘无缓存芯片）
    • 用于存储数据的闪存芯片

主控芯片

• 主控芯片是固态硬盘的大脑，其作用
• 一是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷，
• 二则是承担了整个数据中转，连接闪存芯片和外部SATA接口。
• 不同的主控之间能力相差非常大，在数据处理能力、算法，对闪存芯片的读取写入控制上会有非常大的不同，直接会导致固态硬盘产品在性能上差距高达数倍。

缓存颗粒(辅助)

• 主控芯片旁边是缓存颗粒，
  • 固态硬盘和传统硬盘一样需要高速的缓存芯片辅助主控芯片进行数据处理。
  • 这里需要注意的是，有一些廉价固态硬盘方案为了节省成本，省去了这块缓存芯片，
    • 这样对于使用时的性能会有一定的影响，尤其是小文件的读写性能和使用寿命上。

闪存芯片(主体)

• 除了主控芯片和缓存芯片外，PCB板上其余大部分位置都是[NAND Flash](https://baike.baidu.com/item/NAND Flash/4883033?fromModule=lemma_inlink)闪存芯片。

• [NAND Flash](https://baike.baidu.com/item/NAND Flash/4883033?fromModule=lemma_inlink)闪存芯片又分为

  • SLC（Single-Level Cell，单层单元）
  • MLC（Multi-Level Cell，双层单元）
  • TLC（Trinary-Level Cell，三层单元）
  • QLC（Quad-Level Cell，四层单元）这四种规格。
  • 另还有一种eMLC（Enterprise Multi-Level Cell，企业多层单元）是[MLC NAND](https://baike.baidu.com/item/MLC NAND/112900?fromModule=lemma_inlink)闪存的一个“增强型”的版本，它在一定程度上弥补了SLC和MLC之间的性能和耐久差距。

特点

• 通常，页的大小是512B_{4KB，每块由32～128页组成，块的大小为16KB}512KB

• 数据是以页(page)为单位读写的 只有在一页所属的块整个被擦除后，才能写这一页

• 不过，一旦一个块被擦除，块中的每个页都可以直接再写一次 某个块进行了约10万次重复写之后，就会磨损坏，不能再使用

• 随机写比随机读慢得多，有两个原因首先，擦除块比较慢，1ms 级，比访问页高一个数量级

• 其次，如果写操作试图修改一个包含已有数据的页P那么这个块中所有含有用数据的页都必须被复制到一个新（擦除过的）块中,才能进行对页P写

• 优点(比起传统磁盘)

  • 它由半导体存储器构成，没有移动的部件，因而随机访问时间比机械磁盘要快很多，
    • 随机写比随机读慢,但是依然比机械操作的传统磁盘快得多
  • 也没有任何机械噪声和震动，
  • 能耗更低，
  • 抗震性好，
  • 安全性高等

• 缺点

  • 因为反复写之后，闪存块会磨损，所以SSD也容易磨损

• 闪存翻译层中有一个平均磨损逻辑

  • 试图通过将擦除平均分布在所有的块上来最大化每个块的寿命