一, 绪论
1. 存储的本质
信息跨越空间的传递 -- 通讯
信息跨越时间的传递 -- 存储
通讯: 利用具有跨越空间特性的物理现象 --- 声音, 光, 电
存储: 利用具有时间稳态的物理现象 --- 物理稳态, 磁稳态, 半导体稳态
什么是存储?
存储:
. 它是数据临时或长期驻留的物理媒介;
. 它是保证数据完整安全存放的方式或行为.
计算机存储系统:
指计算机中由存放程序和数据的各种存储设备 (介质), 控制部件与接口及管理信息调度的设备(硬件) 和算法 (软件) 所组成的系统.
存储的主要指标:
容量: 可以存下多少东西
速度: 读写带宽, 读写次数 / 秒(IOPS)
持久性: 数据能够保存多久 大小: 体积是多少
方便性: 是否方便移动和携带
功耗: 消耗能耗高低
性价比: 单位价格下主要指标如何, 例如速度 , 容量等指标;
1.1 存储介质的发展历程
(1)存储的历史
象形文字, 石刻楔形文字, 竹简, 纸质印刷
现在进入 "磁器时代", 大部分数据都是用硬盘保存, 磁盘称为当今世界数据存储的主流技术
存储器设备: 计算机系统中的记忆设备, 用来存放程 序和数据
(2)存储器的发展
存储器类别: 打孔纸卡, 穿孔纸带, 威廉管, 磁鼓, 汞延迟线, 超声波存储器, 铁电存储磁芯, 相变存储, 可擦除可编程只读存储器, Flash, 磁阻式随机存取内存
磁芯存储器: 核心使用微小的磁环 (环), 核心通过线程来写入和读取信息. 每个核心代表一点信息. 磁芯可以以两种不同的方式(顺时针或逆时针) 磁化, 存储在磁芯中的位为零或一, 取决于磁芯的磁化方向. 布线被布置成允许单个芯被设置为 1 或 0, 并且通过向所选择的导线发送适当的电流脉冲来改变其磁化. 读取内核的过程会导致内核重置为零, 从而将其擦除. 这称为破坏性读数. 在不进行读写操作时, 即使关闭电源, 内核也会保持最后的值. 这使它们成为非易失性的.
1955-1975: 磁芯存储器统治了计算机随机存储器(RAM)
1964 年: 静态随机存取存储器(SRAM)
1969 年: 英特尔公司开发了第一个 256 位静态 RAM
1966 年: IBM 公司发明了动态随机存取记忆体(DRAM)
各代 DDR 的主要改进:
1.SDRAM:(同步动态随机存储器)
Synchronous Dynamic Random Access Memory, 一个时钟 周期内只传输一次数据, 它是在时钟的上升期进行数据传输;
Memory 工作需要同步时钟, 内部的命令的发送与数据的传 输都以它为基准;
动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失;
2.DDR:Double Data Rate SDRAM
一个时钟周期内传输两次数据, 它能够在时钟的上升期和 下降期各传输一次数据, 称为双倍速率 SDRAM ;
更先进的同步电路, 使指定地址, 数据的输送和输出主要 步骤既独立执行, 又保持与 CPU 完全同步;
3.DDR2:
在同等核心频率下, DDR2 的实际工作频率是 DDR 的两倍. 这得益于 DDR2 内存拥有两倍于标准 DDR 内存的 4BIT 预读取能力 ;
在采用更低发热量, 更低功耗的情况下, DDR2 可以获得更快的频率 提升, 突破标准 DDR 的 400MHZ 限制 ;
DDR2 内存通常采用 FBGA 芯片封装形式, 功耗和发热量更小.
4.DDR3:
突发长度 (Burst Length,BL).DDR3 增加了一个 4bit Burst Chop(突发突变) 模式;
新增重置 (Reset) 功能, 当 Reset 命令有效时, DDR3 内存将停止所 有操作, 并切换至少量活动状态, 以节约电力 ;
寻址时序 (Timing),DDR2 的 CL(CAS Latency) 范围一般在 2~5 之间, 而 DDR3 则在 5~11 之间.
5.DDR4:
相比 DDR3 大的区别有三点: 16bit 预取机制(DDR3 为 8bit), 同样内核频率下理论速度是 DDR3 的两倍; 更可靠的传输规范, 数据可 靠性进一步提升; 工作电压降为 1.2V, 更节能.
相变存储
在 1969 年 Charles Sie 的论文中提出这项存储技术 ;
三星公司成为第一个成为开发出 PCRAM 的公司, 美光公司则已经生产出容量为 1Gb 的芯片;
相变内存具有高速存取和非易失的特性
磁阻式随机存取内存 MRAM
1989 年: 磁阻式随机存取内存 MRAM (MagnetoresistiveRandom Access Memory)
MRAM 接近静态随机存储器 (SRAM) 的高速读 取写入能力, 以及动态随机存储器 (DRAM) 的 高集成度
IBM 在上世纪八九十年代最早开始研发, 但其商业 化的步伐依然没有取得进展, 目前仍处于研发阶段
(3)辅存储器的变迁
磁带, 磁盘, 软盘, 光盘, 固态盘
闪存的主要优点: 非易失, 体积小, 重量轻, 低能耗, 无噪声, 抗震动
我们平时用的固态硬盘 (SSD) 就是 flash 组成的磁盘阵列.
(2018 年 3 月, 100TB 固态硬盘上 市: Nimbus Data 公司的 ExaDriveDC100 系列固态硬盘)
注: 内存条一般是用 DRAM 技术做成的, 而 Cache 一般是用 SRAM 做成的
1.2 硬件存储接口技术的发展
总线技术:
System Bus : 连接 CPU 和 Memory ;
Local (I/O) Bus : 从外部设备搬运数据 ;
Bus 指标:
- BUS width measured in bits ;
- Bus speed measured inMHz ;
- Throughput measured in MB/S;
连接协议
1. 存储总线接口: IDE/ATA
. IDE:Integrated Device Electronics
. ATA 指令集(Advanced Technology Attachment:1986 年)
. CalledPATA: 并行的 ATA80 芯数据线
. 上世纪 90 年代最流行的现代硬盘接口之一
. 最大: 133 Mbps, 低价格上的好性能
.Desktop 和 laptop 系统
.Inexpensive 存储链接 interconnect
2.SCSI:Small Computer System Interface
SCSI: 服务器最流行的硬盘接口, 1986 标准化
. 高速数据传输, 带宽大, 热插拔: 320MB/S; 连接设备 8-16 个
. 支持多个数据的同时访问
较 IDE/ATA 价格昂贵
并行模式 SCSI
主用在 "高端计算" 环境中
3. 存储总线接口: SATA/ATA
SATA 协议: Serial 串行 ATA(IDE: 并行 ATA)
.ATA 指令集, 串行线路传输数据, 2000 年
. 传输率高, 可靠性强, 针脚少(6-8)
. 目前最高速率 600MB/S
. 桌面系统和服务器, 稍贵的存储链接: 相对 IDE
SAS(Serial Attached SCSI): 串行模式 SCSI 接口
.3.0 Gbps-6Gbps
. 高端服务器
4.Internal DAS Connectivity Examples
主机外连存储设备的构件 Components
FibreChannel: 光纤通道 FC
外部存储接口 SCSI 与 FC 比较
FibreChannel: 可支持 SCSI 指令集
高带宽: 2-8Gbps
传输距离远: 长达 150m ~ 50km
确定性低延迟: 微秒级端到端 延迟;
低误码率: 小于 10-12 ;
抗干扰能力强: 对电磁干扰有 天然的免疫力
- Dual-ported drives
- SCSI :
- 320MB/S
有限的距离
有限的设备数目: 大 8-16
- Usually limited to single initiator
- Single-ported drives
- Fibre Channel Connectivity
Bus 技术 - PCI
PCI:Peripheral Component Interconnect(外设 部件互连)
计算机内的局部并行总线标准
广泛用于当前高档微机和便携式微机. 主要用于连接显示 卡, 网卡, 声卡. 主板带有多数量的插槽类型
高速链接微处理器和外部设备
即插即用功能
32/64 bit;133 MB/sec
Bus 技术 - PCIe
PCI Express: Evolved from PCI and PCI-X™ architectures
高速串行替换协议 for PCI and PCI-X;
高 8GB/s 总 线带宽
PCI Express 链路是两个设备之间(PCI Express 端口) 的点对点通信通道
Implements packet based protocol for information transfer
在物理层面上, 一条链路由一条或多条通道组成, 包含 1 个到 32 个通道, 更精确地包括 1,2,4,8,12,16 或 32 个通道
• 例如, 低速外设 (例如 802.11 Wi-Fi 卡) 使用单通道(*1) 链路, 而图形适配器通常使用更宽更快的 16 通道链路.
PCI vs PCIe 的速度比较
SCSI 协议结构
1.3 存储系统基本结构形式
存储系统:
1)存储资源组合: 提供大容量, 高性能, 低价格, 高可用, 高安全的存储系统为目的
.• 存储资源单元: 寄存器, SRAM,DRAM,Flash, 硬盘, 磁 带, 光盘
2)各种层次和规模的组合: 大 / 快 / 便宜的存储器
经典的组合 ---Cache 和 VM(虚拟内存)
•Cache-:SRAM 与 DRAM 的组合
•VM:DRAM 与 DISK 的组合(看起来又大又快又便宜 的存储器)
存储层次 - 速度和开销:
磁盘阵列
集成大量廉价的小型磁盘存储器构造出磁盘阵列:
"分块","交叉存取" 以及冗余容错等技术
容量大, 可靠性高, 性能高
(个人认为磁盘阵列一般都要附加一个阵列控制器 例如 RAID Controller)
直接附加存储 Direct Access Storage
以服务器为中心: 存储设备通过总线(SCIS 线等) 直接连接到主机上, 受控于主机
. 存储设备内部利用 SCSI 总线通道或 FC 通道, IDE 接口连接多个磁盘, 实现 RAID 技术, 形成一个磁盘阵列, 从而解决了数据容错, 大存储空间的问题
优点: 简单, 便宜, 易于安装部署管理
存储的逻辑卷和文件系统概念
1. 块设备
(1)以 Block 为基本读写单位的设备
• 磁盘:"Block" 指 Sector
• 闪存:"Block" 指 Page 或 Subpage
•RAID:"Block" 指 Stride
(2)键盘, 鼠标不是块设备, 它们以字节流的形式读写
(3)网卡不是块设备, 但通过网卡连接的 iSCSI 存储设备是块设备
2. 物理卷(Physical Volume)
将一个块设备划分成几个部分, 每部分称作一个物理卷(也称 "分区")
物理卷的引入使大容量块设备的管理更容易
每个物理卷被划分成许多大小一致的 Physical Extents(物理块)
3. 卷组(Volume Group)
大量的物理卷组成一个存储池, 叫卷组
• 卷组可包含多个块设备上的物理卷
• 一个块设备上的物理卷可处于多个卷组中
卷组的引入为可伸缩的存储空间管理提供基础
4. 逻辑卷(Logical Volume)
卷组包含多个物理卷, 每个物理卷包含大量 Physical Extents, 逻辑卷管理器从这些 Physical Extents 拿出一部分组成逻辑卷
• 逻辑卷由大量 Logical Extents 组成
• 逻辑卷的每个 Logical Extent 对应物理卷的一个 Physical Extent
• 同一逻辑卷的 Logical Extents 可来自不同的物理卷, 同一物理卷的 Physical Extents 可处于不同的逻辑卷中
每个逻辑卷上安装一个文件系统, 逻辑卷通过增加和减少 Logical Extent 调整大小, 导致文件系统的容量是可伸缩的
来源: https://www.cnblogs.com/v2019/p/12470217.html