存储入门文章（1）--disk drive modeling

存储入门文章（一）

名称：--An introduction to disk drive modeling

出处：1994 IEEE.

作者：Chris Ruemmler and John Wilkes

单位：Hewlett-Packard Laboratories, Palo Alto, CA

1.Characteristics of modern disk drives（现代磁盘驱动器描述）  

以nonremovable magnetic disk drives with embedded SCSI (Small Computer Systems Interconnect) controllers（内置SCSI的非易失型磁盘驱动器）为例。

控制器功能：

（1）管理从机械设备中存储和取回数据。

（2）执行从逻辑地址到物理磁盘扇区的映射。

2. The recording components(记录结构)

直径越小，可以存储更少的数据，但可以销耗最少的能量，可以转的更快。

存储密度取决于两个因素：

（1）最高的线性记录密度

可以记录和读取的最大的磁通量变化率（the maximum rate of flux changes)

（2）将磁道之间的距离变短(磁道密度）

一个磁盘可以有多个盘片（platter)，它们都在同一个轴心（spindle)，多个盘片保持同步的转动。

增大旋转速度可以加快传输速度，减少rotation延迟。

每一个盘片表面有一个磁头，来recording或通过感知磁通变化来读数据。第一个磁盘有一个数据通道，可以在磁头之间切换。它用来编码和解码数据流。多个通道可以支持在同一时间，有多个操作，但是开销很大如：（1）多个通道之间的交互（2）保持多个盘面上的磁头同时在盘面上对齐。

3. The positioning components

每一个磁头连接到一个磁臂，所有的磁臂连接到同一个轴。所以，任何一个磁头的转动，将导致所有其它磁头的转动。

随着磁道密度的增加，与柱面有关的垂直对齐的概念将越来越不相关，因为track对齐容忍度非常好。因此，我们可以独立的考虑每个盘片上的track。

定位系统的作用是确保相关的磁头快带定位到相应的磁道，即使有外界的干扰。

seeking(寻道时间或称为磁头移动时间），包括

（1）speedup

磁臂加速直到到达seek距离的一半或是到达最大的速率

（2）coast

对于长距离的seek,磁臂以最大速率运行

（3）slowdown

减速，至到接近要求达到的扇区

（4）settle

非常短距离的seek时间是由settle时间决定的。

短距离的seek时间，正比于seek 距离的平方根+settle时间。

长距离的seek时间，正比于距离+一个常数

随着磁道密度的增大，用于settle阶段的时间的比重将增加。

控制器调整磁头，访问要求的扇区

如果每一个磁盘请求是独立的，那第平均seek distance是seek全程的1/3。

track following

在seek结束后，调整磁头位置，并保持磁头在相应的磁道位置。它利用在制造磁盘时记录在磁盘上的定位信息来判断磁头是否对齐。这些信息可以集成到每一个目标磁面或是放到一个单独的磁面。

track-following system也被用来执行磁头切换。当控制器将channel从一个磁面切换到另一个磁面时，新的磁头需要重新定位来消除在不同磁面对齐时小的差异。

现在，很多磁盘驱动器用一个抢先，优化的方法来处理在一个读操作之前的head settling。意思是，在head接近于相应的track之前，就尝试一个read操作。如果数据不可读，即settle操作还没有完成，则没等待。如果已经准备好，则读取数据。这样就节约了时间。

Data layout

Zoning

相邻的柱面被组织为zones。每一个zones中的track的扇区数是相等的。越外层的zones，每个track的扇区数越多。

Track skew

下一个track的0扇区的起使位置，与上一个track的位置有一定偏移。这样来优化跨磁道的连续访问。这个偏移是由最坏情况下的head-或track-切换时间决定的。

Sparing

磁面不可避免的有很多缺陷，一个列表将被建立并存放在磁盘上，方面控制器使用。

对缺陷的解决方法是依次下移一个扇区或一个track。

4. The disk controller

（1）管理对机械装置的访问

（2）运行track-following system 在磁盘驱动器和它的使用者之间传输数据

（3）管理内置缓存

bus interface

磁盘驱动的主机channel的主要因素有:(1)拓扑结构（2）传输率（3）开销

SCSI当前被定义为bus

caching of requests

read ahead

读缓存，read ahead（预读）就是其中的一种。如果没有预读，对于一个顺序访问，可能要等待一个完整的一周。可以选择多个策略，比如是否aggressive read-ahead , crossing track and cylinder boundaries, 到达track结尾是否停止。

单个read-ahead缓存仅仅有效的支持单个顺序读流，如果两个或更多的读流是交叉进行的，将没有什么好处。所以可以将cache分段。

write caching

command queuing

5. Modeling disk drives