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磁碟結構 Disk Structure

磁碟結構 Disk Structure. 指導老師：林學儀 組別：第七組 組員： 26 號胡瑞翔 45 號周承翰 47 號陳煜智. 大綱. 磁碟實體結構與相關名詞介紹： 磁碟基本原理 磁軌（ track ） 磁柱（ cylinder ） 磁區（ sector ） 磁碟排程介紹 磁碟管理功能 磁碟陣列 RAID 何謂 PATA 、 SATA 、 SATAII ？？？. 磁碟基本原理.

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  1. 磁碟結構Disk Structure 指導老師：林學儀 組別：第七組 組員：26號胡瑞翔 45號周承翰 47號陳煜智

  2. 大綱 磁碟實體結構與相關名詞介紹： • 磁碟基本原理 • 磁軌（track） • 磁柱（cylinder） • 磁區（sector） • 磁碟排程介紹 • 磁碟管理功能 • 磁碟陣列 RAID 何謂PATA、SATA、SATAII？？？

  3. 磁碟基本原理 • 硬碟大致分為，碟片Media、讀寫頭Read Write Head、主軸馬達Spindle Motor & 音圈馬達Voice Coil Motor、基座Base、電路板PCBA等幾大項組合而成。

  4. 磁碟基本原理介紹一 • Media的基板是金屬或玻璃材質製成，為達到高密度高穩定的品質，基板要求表面光滑平整，不可有任何暇疵，再將磁粉Coating 濺鍍到基板表面上，最後再塗上保護潤滑層。 • Head 是由上、下多片讀寫頭固定在同一組驅動臂上，來回移動時是整組驅動臂一起移動。

  5. 磁碟基本原理介紹二 • Spindle Motor上裝有１至多片Media，以7,200或10,000 RPM 定速旋轉，為保持其Balance不可抖動，所以其Bearing(分滾珠、液態)品質要求嚴謹，需能忍受24 H x 365 Days持續運轉而不磨損、不產生高溫噪音。

  6. 磁碟結構 • 磁軌（track）：一個磁碟可分割成數個同心圓，每個同心圓即是一個磁軌 • 磁柱（cylinder）：位於不同層但編號相同的磁軌排列很像一個柱狀體，稱為磁柱。 • 磁區（sector）： • 每個磁軌再細分成許多個相等的扇形區，即是磁區 • 是磁碟最小的儲存單位 • 每個磁區的容量是512 Bytes • 註：磁叢（Cluster） • 由數個磁區組合而成，每個磁叢都有編號，作業系統存取資料的最小單位

  7. 磁碟結構

  8. 磁碟排程 • 硬碟排程演算 • FIFS • SSTF • SCAN（掃瞄法） • C-SCAN(循環式掃瞄法) • LOOK(觀察法) • C-LOOK(循環式觀察法)

  9. 磁碟排程說明一 FIFS：first in first served （先來先服務） 作業系統先下達的指令先執行，接著再執行下一個讀寫指令。

  10. 磁碟排程說明二 SSTF：Shortest Seek Time First（最短尋找時間者先做） 鄰近磁軌的讀取工作先做完，再移動到較遠的磁軌進行讀、寫。

  11. 磁碟管理功能(續) 損壞磁區維護 常見解決損壞磁區的方法有兩類第一類稱為磁區轉遞（sector forwarding）另一類則是磁區順延（sector slipping）。 最近的空白磁區在23與24之間 假設20號磁區發現損壞 磁區轉遞的修護方法：直接將資料存入 磁區順延的方法：資料依序往後移動

  12. 磁碟陣列（RAID） • Redundant Arrays of Independent Disks, RAID • 所謂磁碟陣列就是由數顆磁碟機組成一個陣列。藉由記憶體定址與資料匯流排的配置，可以將資料以分段(striping)的方式儲存在不同的磁碟中，存取資料時，陣列中的相關磁碟一起動作，藉此減低存取的時間並增加資料安全。

  13. RAID 的好處 • 1. 在不同應用環境下，可提昇系統 I/O之存取效能。 • 2. 增加資料保存的安全性。 • 3. 可以增加每個系統可連結硬碟機數量與容量 • 4.  經由磁碟陣列卡RAID level的設定控制，可以得到不同運用需求的彈性選擇。

  14. RAID的基本觀念 • 把許多顆硬碟機放在一起，由一個控制器來統一操控，使電腦的主系統把全部硬碟看成是一顆虛擬的硬碟機，其主要功能是增加資料的儲存總容量 (Storage) ,安全性 (Safety) 與硬碟機的執行效率 (Performance)

  15. 磁碟陣列（RAID） • 依所使用的技術不同定義出五種具有不同方式與效能的 RAID 代號，簡稱RAID Level。

  16. RAID 0介紹 • RAID 0 是最快的磁碟陣列，它是一種效能導向的磁碟映射方法。陣列中的資料透過線性或不同的磁碟寫入以獲得較快的傳輸。此技術將資料切割，但不會造成資料的重複。它提供最佳的效能，但不具容錯。

  17. RAID 0介紹 (續) 優點：更大的儲存空間 、 讀寫效能更佳 缺點：較不可靠

  18. RAID 1介紹 • RAID 1 使用至少兩個相同的磁碟機並且在兩者中儲存完全相同的資訊區塊。 • 如果其中一個映射磁碟機發生機械上的問題或沒有回應，另一個磁碟機將繼續運作並提供正確的資料。如果一個磁碟機發生實體磁區的問題，映射磁碟機將繼續運作。

  19. RAID 1介紹 (續) 優點：更佳的可靠性 缺點：寫入效能變慢 、成本效益較低

  20. 何謂PATA、SATA、SATAII? • Serial ATA簡稱SATA（或稱序列式ATA）採序列式方式傳輸。 • SATA II原本是制定SATA規格的組織名稱，現在已改名為SATA-IO，不過也可以當作是SATA的第二代規格表，而目前打得火熱的3Gb/s、NCQ都是其中一個功能之一。

  21. SATA介紹 SATA接頭：圖左方為資料連接器，圖右方為電源連接器 主機板上的SATA裝置

  22. SATA介紹 為了大幅提昇資料流量，降低功率損耗，SATA採用低壓差動信號技術及串行架構傳輸，使用8位元/10位元嵌入式時脈，解決了並行ATA時脈偏斜的問題。

  23. SATA-IO規格

  24. SATA介紹 NCQ: • Native Command Queuing 的縮寫，和在SCSI中已 使用多年的TCQ(Tagged Command Queuing)相似。 • NCQ是將這些讀寫指令先保留在晶片中，然後設法以最佳的順序去讀寫，這樣理論上可以最有效率的方式去讀寫硬碟，使用上的速度當然也就會有所提升。

  25. SATA介紹 3Gb/s： • 3Gb/s的算法，3000MHz的頻率 X 每次發送一個數據 X 80%(8b/10b的編碼) /8bits per byte =300Mbytes/s，同理1.5Gb/s也是這樣可以算成150MB/s，也就是一般我們在買硬碟時，有時候會看到SATA 150MB/s 、300MB/s，有時候又會看SATA1.5Gb/s、3Gb/s的緣故。 • 不過300MB/s這只是外部傳輸率的理論值而已，根據測試，內部的傳輸率別說150MB/s了，連100MB/s都無法超過

  26. SATA介紹 傳輸線 使用SATA介面的主機板與硬碟機連接，只有7個腳位，其中4個腳位為資料腳位，3個腳位為接地，而且排線長度可以至1公尺，大大的降低的佔用主機板的空間，而且SATA的規格也支援熱插拔，這個功能在磁碟陣列RAID上，可提供在不關機的狀態下，直接更換故障的磁碟機

  27. SATA介紹 硬體連接方式 SATA標準的週邊設備與主機相連接，必須是點對點的模式，也就是說，一條SATA排線僅有兩個介面接頭，一端接主機板，另外一端接設備，與ATA串接Master與Slave的方式不同。

  28. SATA的特點 • 一、序列傳輸 • 二、高速傳輸 • 三、 點對點連接 • 四、訊號線路縮減 • 五、 排線更細更長 • 六、 支援3.3V低電壓

  29. SATA的特點(續) • 一、序列傳輸：可降低串音干擾，可讓訊號在高速下正確傳遞資料。 • 二、高速傳輸：SATA 1.0以150MB/Sec傳輸速率起跳，未來更可達到600MB/Sec以上的高速。

  30. Data Voltage Pins Rx Tx 3.3V 5V R 12V Gnd Gnd SATA的特點(續) • 三、 點對點連接：每個SATA裝置只安裝一個硬碟，省去調整JUMP的困擾。 • 四、訊號線路縮減：只需一組傳送一組接收，利用7-Pin的接頭，其中4-Pin是訊號線，另3-Pin是接地線。 Key

  31. SATA的特點(續) • 五、 排線更細更長：因訊號線路只剩7-Pin故排線比IDE排線更細，且增長至1公尺之遠，有助於主機散熱。 • 六、 支援3.3V低電壓：改採3.3V低電壓設計，使其具備高速、低壓的省電規格。 IDE排線 SATA排線

  32. SATA 速度及其預計發表時程

  33. 結論 • 磁碟機是目前最常用的大容量輔助記憶體，因此磁碟的管理是作業系統不可疏忽的一環。 • 在磁碟的實體構造部分，其包含了碟片、磁頭與磁頭定位馬達等部分。而關於磁區、磁軌等相關名詞也是需要知道的。

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