存储系统基础知识

翔羽

<h3 style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;">&nbsp;</h3><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;"><br/>主要知识点<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">掌握各类存储器的功能、特性和使用，重点把握虚拟存储器、<span lang="EN-US">Cache</span>（高速缓冲存储器）和多级存储器的有关内容。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;"><span lang="EN-US"><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><br/><span lang="EN-US">1、</span><span lang="EN-US">RAID</span>存储器<span lang="EN-US"><p></p></span></p></span><span lang="EN-US">1、</span><span lang="EN-US">RAID</span>存储器<span lang="EN-US"><p></p></span></span><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">廉价磁盘冗余阵列<span lang="EN-US">RAID</span>，用多个较小的磁盘驱动器替换单一的大容量磁盘驱动器，同时合理地在多个磁盘上分布存放数据以支持同时从多个磁盘进行读写，从而改善了系统的<span lang="EN-US">I/O</span>性能。<span lang="EN-US">RAID</span>机制中共分<span lang="EN-US">6</span>个级别，工业界公认的标准分别为<span lang="EN-US">RAID0</span>～<span lang="EN-US">RAID5</span>，其共同特征是：①<span lang="EN-US">RAID</span>由若干个物理驱动器组成，但对操作系统而言仍是一个逻辑驱动器；②数据分布在阵列中多个驱动器上；③冗余的磁盘容量用以保存奇偶信息，以便在磁盘失效时进行恢复（只有<span lang="EN-US">RAID0</span>不支持该特征）。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">RAID</span><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">应用的主要技术有：①分块技术。对主机请求读定的数据进行分块，使之分布于多台磁盘上。②交叉技术。对存放在多台磁盘上数据的读写，采取交叉方式进行。③重聚技术。对多台磁盘上下班存储空间进行重新编址，使数据按重新编址后的空间进行存放。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">RAID0</span><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">级（无冗余和无校验的数据分块）：具有最高的磁盘空间利用率，易管理，但系统的故障率高，属于非冗余系统。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">RADI1</span><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">级（磁盘镜像阵列）：由磁盘对组成，每一个工作盘都有其对应的镜像盘，上面保存着与工作盘完全相同的数据拷贝，具有最高的安全性，但磁盘空间利用率只有<span lang="EN-US">50%</span>。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">RAID2</span><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">级（采用纠错海明码的磁盘阵列）：采用了海明码纠错技术，用户需增加校验盘来提供单纠错和双验错功能。对数据的访问涉及到阵列中的每一个盘。大量数据传输出时<span lang="EN-US">I/O</span>性能较高，但不利于小批量数据传输，实际应用中很少使用。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">RAID3</span><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">和<span lang="EN-US">RAID4</span>级（采用奇偶校验码的磁盘阵列）：把奇偶校验码存入在一个别独立的校验盘上。如果一个盘失效，其上的数据可以通过对其他盘上的数据进行异或运算得到。读者数据很快，但因为写入数据时要计算校验收位，速度较慢。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">RAID5</span><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">（无独立校验盘时的奇偶校验磁盘阵列）：与<span lang="EN-US">RAID4</span>类似，但没有独立的校验盘，校验信息分布在组内所有盘上，对于大、小批量数据读写性能都很好。<span lang="EN-US">RAID4</span>和<span lang="EN-US">RAID5</span>使用了独立存取技术，阵列中每一个磁盘都相互独立地操作，所以<span lang="EN-US">I/O</span>请求可以并行处理。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;"><span lang="EN-US"><br/>2、Cache</span>存储器<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">通常在<span lang="EN-US">CPU</span>和主存储器之间设置小容量的高速存储器<span lang="EN-US">Cache.Cache</span>容量小但速度愉，主存储器速度较低但容量大。，通过优化调度算法，系统的性能会大大改善，其存储系统容量与主存相当，而访问速度近似<span lang="EN-US">Cache</span>。在计算机的存储系统体系中，<span lang="EN-US">Cache</span>是访问速度最快的层次。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">使用<span lang="EN-US">Cache</span>改善系统改性能的依据是程序的局部性原理，即程序的地址访问流有很强的时序相关性，未来的访问模式与最近已发生的访问模式相似。依据局部性原理，把主存储器中访问概率高的内容存放在<span lang="EN-US">Cache</span>中，当<span lang="EN-US">CPU</span>需要读取数据时就首先在<span lang="EN-US">Cache</span>中查找是否有所需内容。如果有则直接从<span lang="EN-US">Cache</span>中读取；若没有再从主存中读取该数据，然后同时送往<span lang="EN-US">CPU</span>和<span lang="EN-US">Cache</span>。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">Cache </span><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">存储器的组织结构与主存储器不一样，它以行作为基本单元<span lang="EN-US">/</span>每一行又分为标志和数据域两部分，数据域中存放着若干项数据，而标志项是是这一块数据的地址标识。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">当<span lang="EN-US">CPU</span>发出对存储器的读命令后，其访问地址先送给<span lang="EN-US">Cache</span>控制器，<span lang="EN-US">Cache</span>检查其地址标识符目录以确定是否匹配项。若发现匹配项（命中），则根据其访问地址确定是对该行数据埠中的第几项进行读取，然后该项即进入<span lang="EN-US">Cache</span>的数据寄存器。如果没有命中，则到主存器读取数据。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">当<span lang="EN-US">CPU</span>发出访存请求后，存储器地址先被送到<span lang="EN-US">Cache</span>控制器以确定所需数据是否已在<span lang="EN-US">Cache</span>中，若命中则直接对<span lang="EN-US">Cache</span>进行访问，这个过程称为<span lang="EN-US">Cache</span>的地址映射（<span lang="EN-US">Mapping</span>）。常见映射方法有直接映射、相联映射和组成映射。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">当<span lang="EN-US">Cache</span>存储器产生了一次访问合职之后，相应的数据应同时读入<span lang="EN-US">CPU</span>和<span lang="EN-US">Cache</span>。但是当<span lang="EN-US">Cache</span>。但是当<span lang="EN-US">Cache</span>已存满数据后，新数据和须淘汰<span lang="EN-US">Cache</span>的地址映射（<span lang="EN-US">Mapping</span>）。常见的映射方法有直接映射、相当映射和组相联映射。<span lang="EN-US"> <p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">当<span lang="EN-US">Cache</span>存储器产生了一次访问未命中之后，相应的数据应同时读入<span lang="EN-US">CPU</span>和<span lang="EN-US">Cache</span>。但是当<span lang="EN-US">Cache</span>已存满数据后，新数据必须淘汰<span lang="EN-US">Cache</span>中的某些旧数据。最常用的淘汰算法有随机淘汰法、先进先出法（<span lang="EN-US">FIFO</span>）和近期最少使用淘汰法（<span lang="EN-US">LRU</span>）。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;"><span lang="EN-US"><br/>3、</span></span><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">虚拟存储器<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">计算机里的程序和数据通常都存放在外存储器（辅助存储器）上，直到<span lang="EN-US">CPU</span>需要的才调入到主存储器中。虚拟存储系统的作用是给程序员一个更大的<span lang="EN-US">"</span>虚拟<span lang="EN-US">"</span>的存储空间，其容量可远远超过主存储器的容量，而与辅助存储器容量相当。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p><p style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt;"><span style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-fareast-language: ZH-CN;">在使用虚拟存储器体系的系统中，由程序（<span lang="EN-US">CPU</span>）使用的访存地址称为虚拟地直，程序（<span lang="EN-US">CPU</span>）直接访问的存储空间称为虚拟地址空间，而主存储器的地址则称为物理地。通常虚拟地直空间远远大小主存储器容量。<span lang="EN-US"><p></p></span></span></p>

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