6.3 磁盘

6.3.2 磁盘的组织结构

磁盘氛围步进电机、传动手臂、读写磁头、磁盘盘片和主轴。

  • 步进电机控制读写磁头定位到每个磁道
  • 主轴将磁盘盘片固定
  • 在电动马达的驱动下，磁盘盘片高速转动。

6.3.3 磁盘的工作原理

磁盘的组织：

  • 磁道：每个同心圆是一个磁道
  • 扇区：每个磁道分为等长圆弧
  • 柱面：多个盘面上等半径的磁道的组合。

扇区之间留有空隙的原因：

  • 区分不同信息区
  • 为各种操作提供缓冲时间
  • 增强鲁棒性

读写磁头：实现 电脉冲信号 和 介质磁化 状态的转换。

磁盘盘片：含有一层磁性材料区，其磁化方向代表着二进制信息。

磁盘基本操作：

  • 数据写入：通过读写磁头将电脉冲信号改变盘片上的磁性粒子簇的极性
  • 数据读取：通过读写磁头，盘片上的磁性粒子簇和读写磁头的磁感应物质相互作用，产生感应电压，转换为二进制信号。

6.3.4 磁盘的指标性能

记录密度：

  • 道密度：单位半径有多少个磁道，tpm / tpi
  • 位密度：单位长度磁道能记录的二进制位数，bpm / bpi，通常指内圈磁道的位密度。越往外位密度越低，外圈出错概率低，常用于记录系统重要信息。
  • 面密度：单位面积记录的二进制位数，$bpm^2 / bpi^2$，$面密度 = 道密度 \times 位密度$

增大记录密度的方法：

  • 提高道密度：增加磁道数目
  • 增加位密度：增加总扇区数，现代磁盘中内道和外道的位密度相同，外区扇区数比内区扇区数多，可以提高平均位密度。

磁盘容量：能记录的二进制信息总量。

  • 格式化容量：格式化后能记录的信息量
  • 非格式化容量：完全从记录密度考虑的信息量
  • 格式化容量的比例大概为 $0.7 \sim 0.9$.

存取时间：$t_a = t_S + t_W + t_{WR}$

  • 寻道时间 $t_S$：磁头要从当前磁道转移到目的磁道
  • 旋转等待时间 $t_W$：磁头要等待盘面旋转使得目标扇区移动到磁头处 最大旋转延迟 $t_{max\ rotation} = 1 / v_{磁盘转速}$ 平均旋转延迟 $t_{avg rotation} = \frac{1}{2} t_{max\ rotation}$
  • 数据传输时时间 $t_{WR}$：完成读写操作。
  • 存取时间主要来自寻道时间和旋转延迟。

误码率：读数据出错位数占总位数的比例

  • 软错误：读写的随机错误，偶然性错误，概率 $< 10^{-9}$
  • 硬错误：磁盘上的永久错误，概率 $< 10^{-12}$

6.4 闪存存储器 (Flash Memory)

闪存的特点和优势：

  • 电可擦写、可编程、只读、非易失性存储器 $E^2PROM$，速度比 DRAM 慢
  • 尺寸小、功耗低、抗震好，访问延迟是磁盘的 $1 \perthousand \sim 1 %$
  • 成本低 $< ￥1 / GB$

闪存分类：

类型NOR FlashNAND Flash
访问随机访问，按字节访问块级IO访问
读写随机读较快擦除和写更快
应用存储程序代码存储数据较快

单元电路结构：由一个带浮栅的晶体管构成，有电荷则导电表示 $0$，无电荷则不导电表示 $1$.

工作原理：

  • 读：加正电压，检测到电流表示 $0$，检测不到电流表示 $1$
  • 写：编程则写入 $0$.
  • 擦除：整块写入 $1$.
  • 反复擦写后，电子会泄露，从而无法区分二进制状态

特殊问题：

  • page 是最小写入单位，block 是最小擦除单位
  • 数据更新不能在原位置进行，只能将新数据写入空闲页
  • 需要进行进一步的存储管理：地址映射、垃圾回收、损耗均衡。

6.6 并行 IO：RAID 盘阵

廉价磁盘冗余阵列（RAID）：将多个廉价磁盘按照某种方式组织成一个磁盘阵列，以提高存储容量，读写速度，可靠性。

6.7 IO 控制方式

无条件传送方式

描述：无需判断 IO 设备状态，直接传送数据。

特点：

  • 只需一条 IO 指令
  • 只有一个数据缓冲寄存器
  • 在动作时间 固定、已知 的条件下使用
  • 对 CPU 干扰大，效率低，很少使用

程序查询方式（I/O Polling）

描述：IO 设备将自己的状态放到状态寄存器中，系统 主动查询 状态寄存器的特定状态来决定下一步的动作。

特点：

  • IO 操作完全处于 CPU 的指令控制下
  • 数据传递在 CPU 的寄存器和外设的数据缓冲寄存器之中进行，IO 不直接访问内存
  • 在 CPU 查询到的状态满足条件的时候，才执行本次传送。
  • 效率低，速度慢，CPU 需要等待外设完成，不适合高速外设数据传送
  • CPU 和外设不能并行工作
  • 工作方式是完全串行或部分串行

接口：

  • 数据缓冲寄存器 (Data Buffer Register, DBR)
  • 程序状态与控制寄存器 (Status and Control Register, SCR)：寄存发送给外设的命令，以及外设的状态信息
  • 设备地址译码器：用于识别外设

程序中断方式（I/O Interrupt）

描述：当 IO 设备需要 CPU 干预时，通过中断请求通知 CPU。然后 CPU 终止当前程序的执行，跳到中断处理程序来执行。最后返回到被终止的程序继续执行。

CPU 响应中断：

  • 保护断点和程序状态
  • 识别异常事件
  • 切换到异常处理程序执行
  • 回到被终止的程序继续执行

中断控制器的功能：为了解决多个外设同时请求中断的问题，需要一个中间层的硬件来记录请求、决定是否响应、决定优先级、告诉 CPU 要跳到哪里。

中断请求的处理：

  • 外设产生中断请求，放在中断请求寄存器（Interrupt Request Register, IRR）
  • CPU 设置屏蔽寄存器（Interrupt Mask Register, IMR）
  • 多个有效中断同时存在时，判优电路选择当前优先级最高的一个
  • 生成中断向量，并通过 INTR 控制信号线发出中断请求
  • CPU 在每条指令的最后一个时刻检查 INTR，若有效则执行响应中断的流程。

中断过程的两个阶段：

  • 中断响应（由硬件完成）：CPU 在每条指令的最后一个时刻检查未屏蔽的中断请求，然后关中断、保存现场、跳转到中断服务程序入口
  • 中断处理（由软件完成）：执行中断服务程序，由操作系统和驱动程序决定

多重中断：当执行中断服务程序过程中，又有新的中断请求产生，并且新中断优先级高于正在执行的中断，则要终止现在的程序转而处理新的中断。这要用 堆栈 来实现。

两种响应优先级：

  • 中断响应优先级：多个中断同时出现时，CPU 选择处理哪个中断
  • 中断处理优先级：CPU 在执行中断服务程序的时候，允许那些更加优先的中断再次打断当前的处理

特点：

  • 可以提高主机的效率，不必一直等待外设完成
  • CPU 和外设可以部分地并行工作
  • 对 IO 请求响应慢，需要等待外设的中断请求，增加了许多中断响应和中断处理
  • 数据传送速度慢，由软件完成，可能造成数据丢失

直接存储器访问方式 (Direct Memory Access, DMA)

描述：

  • 这是磁盘等高速外设特有的 IO 方式
  • 磁盘和主存进行数据交换的时候，需要专门的 DMA 控制器控制总线，完成数据传送
  • 外设准备好数据之后，向 DMA 控制器发送 DMA 请求信号，DMA 向 CPU 发送总线请求，申请总线使用权，然后由 DMA 控制器控制总线进行传输。
  • DMA 控制器的总线使用权优先级比 CPU 高
  • DMA 传送前需要通过"中断"告知 CPU，传送后通过DMA结束中断告知CPU

DMA 的工作方式：

  • CPU 停止法：FMA传输期间，CPU 完全暂停对总线的访问。

特点：

  • 适用于高速设备如磁盘、光盘等
  • 适用于成批数据交换，并且单位数据间的时间间隔较短