Zhiwei Zhang included in Notes

2022-09-20 2022-09-20 143 words One minute

Contents

本讲内容HDD好弟弟：

磁盘的构成和各个部分的功能
磁盘的性能和评估方式
磁盘固件的功能，固件算法

0x00 组成

转轴，盘片，磁头

track 磁道，每个盘片的正面和背面的同心圆

对于盘片每个面是surface，每个track磁道分为多个sector（扇区）

所有盘片上同一个位置的track是一个cylinder（柱面）

寻址

物理编址：CHS，Cylinder-Head-Sector 定位一个块的位置

根据柱面-磁头-扇区来访问

右边图示表示逻辑块地址，每个柱面可以从上到下顺序编址，组成线性结构

0x01 性能评估

电子设备
- 电路驱动
机械设备
- seek time 磁头运动速度
- rotational latency 转轴旋转速度
- data transfer rate 数据传输速率

$磁盘访问时间=磁头运动速度+转轴旋转速度+数据传输速度$

Seek time

inner和outter track中进行移动，到达对应的track所消耗的时间

评价方法：

Full stroke 里圈到外圈
Average 移动到中间所花费的时间
Track-to-track 两个磁道间的移动时间

Rotational Latency

平均旋转速度：转半圈的时间

厂商使用转速来标称

rpm: round per min $$ {\rm Rotational\ Latency}=\frac{1}{2}*\frac{1}{\frac{x\ rpm}{60}} $$

Data Transfer Time

分为内部传输和外部传输

内部传输是磁介质到Buffer

外部传输是从接口到主机，例如SATA接口 $$ {\rm Transfer\ time=\frac{Block\ size}{Transfer\ rate(带宽)}} $$ 还有电子控制部件延迟，一般而言可以忽略，以上都是毫秒量级

大部分时间开销在Seek Time，接近60%

I/O Controller利用率越高，会导致平均的延迟升高

Data Rate: Inner vs. Outer Tracks

磁盘在里圈和外圈的传输速率不同，外圈数据密度小，磁盘转速恒定（角速度相同），外圈的线速度大，外部磁道有更大的数据速率

在操作系统视角来说，内外圈速率相同，实际外圈要快，是里圈的1.7倍

0x02 磁盘固件和调度

ASIC：

信号处理
容错
驱动处理
马达控制
缓存控制

firmware：

请求处理
请求排队和调度
LBN-to-PBN 逻辑地址到物理地址的映射

映射逻辑地址到sector

一般块大小为512bytes或4KB，块的数量为容量/块大小

磁盘上的数据编址如图所示，以sector为基础，在track内连续，减少rotational latency

不同盘面上的编址分为正面和背面，都会进行编址，还有以柱面为基准的编址，减少seek time。

一般情况下：

盘片为1-5个，2-10个盘面
每个面磁道数为10s - 100s，1000s
每个磁道上的扇区有500-4000个，每个磁道大小为250KB-2MB

LBN寻址：

柱面号=LBN/每个柱面的磁道数
盘面号=(LBN对每个柱面的磁道数取模)/每个磁道的扇区数
扇区号=LBN对每个磁道的扇区数取模

讲解了几种调度算法：

FCFS 先来先服务
SSTF 最近先服务，有饥饿问题
SCAN 先往一个方向走，再往另一个方向扫描
C-SCAN 单向走
LOOK 相较于SCAN不走0和边界
C-LOOK 相较于C-SCAN不走边界

评估指标：平均访问延迟，一般SSTF，C-LOOK

缺陷第三讲开头部分

机械式部件限制了性能，继续提升会产生一些物理问题

带宽提升有限

存在能耗问题，需要通电、散热冷却等开销

随机访问的性能差

【存储技术基础】磁盘技术