華為存儲(chǔ)學(xué)習(xí)筆記-存儲(chǔ)組件（2）

• 機(jī)械硬盤
• • 硬盤結(jié)構(gòu)組件
  • 機(jī)械硬盤工作原理
  • 硬盤上的數(shù)據(jù)組織
  • 硬盤容量
  • 影響硬盤性能的因素
  • 平均訪問時(shí)間
  • 數(shù)據(jù)傳輸速率
  • 硬盤的IOPS和傳輸帶寬
  • 數(shù)據(jù)傳輸方式
  • 硬盤接口技術(shù)

機(jī)械硬盤

硬盤結(jié)構(gòu)組件

• 盤片：盤片被磁性材料覆蓋（兩個(gè)表面都涂覆磁性材料），盤片上的磁性粒子被極化以表示一個(gè)二進(jìn)制信息單元（或比特）。
• 讀/寫磁頭：負(fù)責(zé)向盤片讀取和寫入數(shù)據(jù)。通過磁頭改變盤片表面上極細(xì)微的磁性粒子簇的N、S極性加以儲(chǔ)存。
• 磁頭臂：帶動(dòng)讀/寫磁頭，將磁頭移動(dòng)到指定的位置。
• 主軸：馬達(dá)電機(jī)和軸承在其下方，轉(zhuǎn)動(dòng)盤片，將盤片上的指定位置移動(dòng)到讀/寫磁頭下。
• 控制電路：控制硬盤的速度、磁頭臂的移動(dòng)，向磁頭下發(fā)命令等。

機(jī)械硬盤工作原理

硬盤的每個(gè)盤片都有兩個(gè)讀寫磁頭，分別用于盤片的兩個(gè)表面的數(shù)據(jù)的讀寫。

磁頭是利用氣流飄浮在盤片上，并沒有接觸到盤片，因而可以在各軌間高速來回移動(dòng)。若磁頭距離盤片太高，則讀取的信號(hào)會(huì)太弱，若距離太低則會(huì)磨到盤片表面，因此盤片表面必須相當(dāng)光滑平整，任何異物和塵埃均會(huì)使得磁頭摩擦到磁面而造成數(shù)據(jù)永久性損壞。

工作原理：

• 起初，讀/寫磁頭停靠在盤片在主軸附件的一個(gè)特殊區(qū)域，啟停區(qū)；
• 主軸連接所有盤片，并連接到一個(gè)馬達(dá)上。主軸電機(jī)以恒定的速度旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)盤片旋轉(zhuǎn)；
• 主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，讀/寫磁頭和盤片間有個(gè)很微小的空氣間隙，稱磁頭飛行高度；
• 讀/寫磁頭被安裝在磁頭臂頂端，磁頭臂帶動(dòng)磁頭移動(dòng)到需要被寫入或取出數(shù)據(jù)的盤片位置上方；
• 磁頭在硬盤表面以二進(jìn)制的形式讀寫數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在硬盤的flash芯片中，最后傳到程序中運(yùn)行。

硬盤上的數(shù)據(jù)組織

• 盤面：硬盤的每一個(gè)盤片都有兩個(gè)盤面，每個(gè)盤面都能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，成為有效盤片。每一個(gè)有效盤面都有一個(gè)盤面號(hào)，按從上到小的順序從0開始依次編號(hào)。在硬盤系統(tǒng)中，盤面號(hào)又叫磁頭號(hào)，因?yàn)槊恳粋€(gè)有效盤面都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的讀寫磁頭。
• 磁道（Track）：磁道是在盤片上圍繞在主軸周圍的同心環(huán)，數(shù)據(jù)被記錄在磁道上。磁道從最外圈向內(nèi)圈從0開始順序編號(hào)。硬盤的每一個(gè)盤面有300~1024個(gè)磁道，新式大容量硬盤每面的磁道數(shù)更多，通常用盤片上每英寸的磁道數(shù)（TPI，也稱磁道密度）來衡量盤片上磁道排列的緊密程度。磁道是肉眼看不見的，只是盤面上以特殊形式磁化了的一些磁化區(qū)。
• 柱面（Cylinder）：在同一個(gè)硬盤中所有盤片（包含上下兩個(gè)盤面）具有相同編號(hào)的磁道形成一個(gè)圓柱，稱之為硬盤的柱面。每個(gè)柱面上的磁頭由上而下從0開始編號(hào)，數(shù)據(jù)的讀寫按柱面進(jìn)行，即磁頭讀寫數(shù)據(jù)時(shí)先在同一柱面內(nèi)從0磁頭開始進(jìn)行操作，依次往下在同一柱面的不同盤面（即磁頭）上進(jìn)行操作。只有同一柱面所有的磁頭全部讀寫完成后磁頭才轉(zhuǎn)移到寫一個(gè)柱面，因?yàn)檫x取磁頭只需通過電子切換即可，而選取柱面?zhèn)缺仨毻ㄟ^機(jī)械切換，即尋道。通常硬盤中磁頭的位置由柱面號(hào)來說明，而不是用磁道號(hào)來說明。
• 扇區(qū)（Sector）：每個(gè)磁道被分為更小的單位，稱為扇區(qū)，劃分扇區(qū)的目的是為了使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更加條理化。扇區(qū)是硬盤中可以單獨(dú)尋址的最小存儲(chǔ)單元。不同硬盤磁道的扇區(qū)數(shù)可以不同。通常情況下，一個(gè)扇區(qū)可以保存512字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)，但也有一些硬盤可以被格式化為更大的扇區(qū)大小，如4KB扇區(qū)。

硬盤容量

硬盤可以分為單碟盤和多碟盤，前者在盤體內(nèi)只有一張盤片，后者則有多張。但是硬盤每個(gè)時(shí)刻只允許一個(gè)磁頭來讀寫數(shù)據(jù)，因此盤片和磁頭再多，也不能提高硬盤的吞吐量和IO性能，只能提高容量。

硬盤容量 = 柱面數(shù)磁頭數(shù)扇區(qū)數(shù)*扇區(qū)大小，單位為MB或GB，影響硬盤容量的因素有單碟容量和碟片數(shù)量。

由于CPU和硬盤之間存在巨大的速度差異，為解決硬盤在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)CPU的等待問題，在硬盤上設(shè)置適當(dāng)?shù)母咚倬彺?#xff0c;以解決二者之間速度不匹配的問題，硬盤緩存與CPU上的高速緩存作用一樣，是為了提高硬盤的讀寫速度。

影響硬盤性能的因素

• 轉(zhuǎn)速：指硬盤盤片轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)/分鐘，單位rpm。讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，磁頭不會(huì)動(dòng)，靠盤片的轉(zhuǎn)動(dòng)來感應(yīng)讀取數(shù)據(jù)，因此盤片轉(zhuǎn)得越快，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間就越短。在連續(xù)IO情況下，磁頭臂尋道次數(shù)少，因此要提高吞吐量或IOPS值，轉(zhuǎn)速就是首要影響因素。
• 尋道速度：隨機(jī)IO情況下，磁頭臂需要頻繁更換磁道，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間相比較于換道消耗的時(shí)間來說是很少的，因此若磁頭臂能夠以很高的速度更換磁道，那么就會(huì)提升隨機(jī)IOPS值。
• 單碟容量：單碟容量越高，證明相同空間內(nèi)的數(shù)據(jù)量越大，即數(shù)據(jù)密度越大。在相同轉(zhuǎn)速和尋道速度條件下，具有高數(shù)據(jù)密度的硬盤會(huì)顯示出更高的性能。
• 接口速度：目前的接口速度在理論上都已滿足硬盤所能達(dá)到的最高外部傳輸帶寬。在隨機(jī)IO環(huán)境下，接口速度顯得更加不重要，因此瓶頸幾乎都在尋道速度上。

平均訪問時(shí)間

• 平均尋道時(shí)間：指硬盤的磁頭從初始位置移動(dòng)到盤面指定磁道所需的時(shí)間，是影響硬盤內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率的重要參數(shù)。這個(gè)時(shí)間越小越好。
• 平均等待時(shí)間：指磁頭已處于要訪問的磁道，等待所要訪問的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)至磁頭下方的時(shí)間。平均等待時(shí)間通常為盤片旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間的一半，因此硬盤轉(zhuǎn)速越快，等待時(shí)間就越短。

數(shù)據(jù)傳輸速率

數(shù)據(jù)傳輸速率：硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率是指硬盤讀寫數(shù)據(jù)的速度。數(shù)據(jù)傳輸率包括外部數(shù)據(jù)傳輸率和內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率兩個(gè)指標(biāo)，單位MB/s。

• 內(nèi)部傳輸率：也稱為持續(xù)傳輸率（Sustained Transfer
  Rate），指磁頭讀寫硬盤時(shí)的最高速率。不包括尋道以及等待扇區(qū)旋轉(zhuǎn)磁頭下所耗費(fèi)的時(shí)間的影響。它是一種理想情況，即假設(shè)磁頭讀寫的時(shí)候不需要換道，也不專門讀取某個(gè)扇區(qū)，只在一個(gè)磁道上連續(xù)的循環(huán)讀寫這個(gè)磁道的所有扇區(qū)，此時(shí)的速率就叫做硬盤的內(nèi)部傳輸速率。
• 外部傳輸率：也稱為突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率（Burst Data Transfer Rate）或接口傳輸率。它指的是系統(tǒng)總線與硬盤緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸率，與硬盤接口類型和硬盤緩存的大小有關(guān)。

硬盤的IOPS和傳輸帶寬

IOPS計(jì)算方法：由尋道時(shí)間、旋轉(zhuǎn)延遲和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間三部分構(gòu)成。

• 尋道時(shí)間：尋道時(shí)間越短，I/O操作越快，目前硬盤的平均尋道時(shí)間一般在3-15ms。
• 旋轉(zhuǎn)延遲：指盤片旋轉(zhuǎn)將請(qǐng)求數(shù)據(jù)所在扇區(qū)移至度寫磁頭下方所需要的時(shí)間。旋轉(zhuǎn)延遲取決于硬盤轉(zhuǎn)速，通常使用硬盤旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間的1/2表示。如7200rpm的硬盤平均旋轉(zhuǎn)延遲大約是60*1000/7200/2=4.17ms，而轉(zhuǎn)速為15000rpm的硬盤其平均旋轉(zhuǎn)延遲約2ms。
• 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間：指完成傳輸所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間，它取決于數(shù)據(jù)傳輸率，其值等于數(shù)據(jù)大小除以數(shù)據(jù)傳輸率，比如IDE/ATA能達(dá)到133MB/s，SATA
  II可達(dá)到300MB/s的接口數(shù)據(jù)傳輸率。
• 隨機(jī)IO情況下，磁頭臂需要頻繁更換磁道，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間相對(duì)于換道消耗的時(shí)間來說是很少的，不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上。因此可忽略數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。

理論上可以計(jì)算出硬盤的最大IOPS，即IOPS=1000ms/（尋道時(shí)間+旋轉(zhuǎn)延遲），忽略數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。如假設(shè)硬盤平均物理尋道時(shí)間為3ms，硬盤轉(zhuǎn)速為7200,10K，15K rpm，則硬盤的IOPS理論最大值分別為：140,167和200。

數(shù)據(jù)傳輸方式

并行傳輸：

• 并行傳輸?shù)膫鬏斝矢?#xff0c;但是傳輸距離不長(zhǎng)，傳輸頻率不高；
• 在長(zhǎng)距離上，使用多條線路要比使用一條單獨(dú)線路昂貴；
• 長(zhǎng)距離傳輸要求較粗的導(dǎo)線，以便降低信號(hào)的衰減，但把它們捆到一條單獨(dú)電纜中相當(dāng)困難；
• 長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，受導(dǎo)線電阻或其他因素影響，每條線上的數(shù)據(jù)到達(dá)對(duì)方的速度不同，從而導(dǎo)致接收方必須等8條線上的所有數(shù)字都到達(dá)后，才能發(fā)起下一輪傳送。
• 傳輸頻率太高時(shí)，電路高速震蕩的時(shí)候，數(shù)據(jù)線之間會(huì)產(chǎn)生很大的干擾，因此并行傳輸?shù)念l率不能太高。

串行傳輸：

• 串行傳輸在效率上顯然比并行傳輸?shù)偷枚?#xff0c;但是可以通過提高傳輸頻率來搞傳輸速度，總體來說串行傳輸反而比并行傳輸?shù)目傮w速率更快。
• 串行傳輸用于遠(yuǎn)距離傳輸，目前如PCI接口都轉(zhuǎn)向串行傳輸方式。PCIE接口就是典型的串行傳輸方式，其單條線路傳輸速率高達(dá)2.5Gb/s。

硬盤接口技術(shù)

按接口將硬盤分為IDE、SCSI、SATA、SAS、FC硬盤等。該方式最常見，但是這種分類方式下硬盤的差別不只是接口，還有機(jī)械底盤。

IDE和SATA硬盤都采用ATA系的機(jī)械底盤，適用于單任務(wù)處理。

SCSI、SAS、FC硬盤都采用SCSI系的機(jī)械底盤，能更好地滿足服務(wù)器多任務(wù)的需要。

兩者對(duì)比：

• ATA系硬盤面對(duì)大數(shù)據(jù)吞吐量的服務(wù)時(shí)，速度不如SCSI系硬盤；
• 面對(duì)多任務(wù)數(shù)據(jù)讀取，硬盤磁頭頻繁來回?cái)[動(dòng)，導(dǎo)致硬盤過熱是ATA系硬盤比較嚴(yán)重的問題。
• SCSI系機(jī)械底盤可靠性比ATA系的機(jī)械底盤高。

IDE硬盤接口：

• ATA接口發(fā)展到今，推出多個(gè)不同版本，分別是：ATA-1（IDE）、ATA-2（EIDE Enhanced IDE/Fast
  ATA、ATA-3（FastATA-2）、ATA-4（ATA33）、ATA-5（ATA66）、ATA-6（ATA100）、ATA-7（ATA133）。
• ATA接口具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：
  ? 優(yōu)點(diǎn)： 價(jià)格低廉、兼容性非常好；
  ? 缺點(diǎn)： 速度慢、只能內(nèi)置使用、對(duì)接口電纜的長(zhǎng)度有很嚴(yán)格的限制

SATA硬盤接口：

• 在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，數(shù)據(jù)線和信號(hào)線獨(dú)立使用，并且傳輸?shù)臅r(shí)鐘頻率保持獨(dú)立，因此與PATA相比，SATA的傳輸速率可以達(dá)到并行的30倍。
• 優(yōu)點(diǎn)：
  ? SATA接通常為7+15針，采用單通道，傳輸速率要比ATA更快。
  ? SATA對(duì)指令及數(shù)據(jù)封包采用CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)技術(shù)，保障數(shù)據(jù)傳輸可靠性。
  ? SATA具有比ATA更好的抗干擾能力。

SCSI硬盤接口：

• SCSI英文全稱：Small Computer System
  Interface，它出現(xiàn)的原因主要是因?yàn)樵瓉淼腎DE接口的硬盤轉(zhuǎn)速太慢，傳輸速率太低，因此高速的SCSI硬盤出現(xiàn)。其實(shí)SCSI并不是專為硬盤設(shè)計(jì)的，實(shí)際上它是一種總線型接口，獨(dú)立于系統(tǒng)總線工作。

• 優(yōu)點(diǎn)：
  ? 適應(yīng)面廣，在一塊SCSI控制卡上就可以同時(shí)掛接15個(gè)設(shè)備 ；
  ? 高性能（具有多任務(wù)、CPU占用率低、轉(zhuǎn)速快及傳輸率高等特點(diǎn)）；
  ? 具有外置和內(nèi)置兩種 ，支持熱插拔。

• 缺點(diǎn)：
  ? 價(jià)格昂貴，安裝設(shè)置復(fù)雜。

SAS硬盤接口：

• SAS和Serial ATA(SATA)硬盤相同，都是采用串行技術(shù)以獲得更高的傳輸速度，并通過縮短連結(jié)線改善內(nèi)部空間等。
• SAS是并行SCSI接口之后開發(fā)出的全新接口，此接口的設(shè)計(jì)是為了改善存儲(chǔ)系統(tǒng)的效能、可用性和擴(kuò)充性，并且SAS可以向下兼容SATA，二者的兼容性主要體現(xiàn)在物理層和協(xié)議層的兼容。
• 優(yōu)點(diǎn)：
  ? SAS在傳輸速率、抗干擾性方面強(qiáng)于SCSI，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的連接距離。
• 缺點(diǎn)：
  ? SAS接口硬盤價(jià)格相對(duì)更高。

FC硬盤接口：

• FC和SCSI接口一樣，最初也不是為硬盤設(shè)計(jì)開發(fā)的接口技術(shù)，而是專門為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，但隨著存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)速度的需求，才逐漸應(yīng)用到硬盤系統(tǒng)中。
• 優(yōu)點(diǎn)：
  ? 具有很好的升級(jí)性 ，可以用非常長(zhǎng)的光纖電纜，可超過10公里；
  ? 具有非常高的帶寬；
  ? 具有很強(qiáng)的通用性 。
• 缺點(diǎn)：
  ? 價(jià)格非常昂貴；
  ? 組建復(fù)雜。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的华为存储学习笔记-3的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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