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浅谈硬盘构造及IOPS的计算

2017-01-02 13:13 EMC中文技术社区

在EMC存储设备中最基本的单元是硬盘,对于性能有重要影响的也是硬盘,硬盘本质是一种机械装置,在这里我们简单谈谈硬盘的构造。硬盘是由盘体、磁头、电机、硬盘控制器组成。下面我们分别介绍硬盘的各种单元:




盘体一般由多个盘片组成,这些盘片重叠在一起放在一个密封的盒中。硬盘的盘片是将磁粉附着在圆盘片的表面上.这些磁粉被划分成称为磁道的若干个同心圆,在每个同心圆的磁道上就好像有无数的任意排列的小磁铁,它们分别代表着0和1的状态。当这些小磁铁受到来自磁头的磁力影响时,其排列的方向会随之改变。利用磁头的磁力控制指定的一些小磁铁方向,使每个小磁铁都可以用来储存信息。盘片在电机的带动下高速旋转,日常使用的笔记本硬盘每分钟转速达到5400转,我们的存储设备中使用的高性能硬盘转速每分钟达到7200转、10000转、15000转。转速的不同造成硬盘读写能力的不同,后面我们详细计算他们的IO处理能力。


硬盘的最重要的单元磁头:硬盘的磁头用来读取或者修改盘片上磁性物质的状态,一般来说,每一个磁面都会有一个磁头,从最上面开始,从0开始编号。磁头在停止工作时,与硬盘是接触的,但是在工作时呈飞行状态。磁头采取在盘片的着陆区接触式启停的方式,着陆区不存放任何数据,磁头在此区域启停,不存在损伤任何数据的问题。读取数据时,盘片高速旋转,由于对磁头运动采取了精巧的空气动力学设计,此时磁头处于离盘面数据区0.2---0.5微米高度的”飞行状态“。既不与盘面接触造成磨损,又能读写数据。


电机:硬盘内的电机都为无刷电机,在高速轴承支撑下机械磨损很小,可以长时间连续工作。高速旋转的盘体产生了明显的陀螺效应,所以工作中的硬盘不宜运动,否则将加重轴承的工作负荷。硬盘磁头的寻道饲服电机多采用音圈式旋转或者直线运动步进电机,在饲服跟踪的调节下精确地跟踪盘片的磁道,所以在硬盘工作时不要有冲击碰撞,搬动时要小心轻放。寻道电机控制下的磁头的运动,是左右来回移动的,而且幅度很小,从盘片的最内层(着陆区)启动,慢慢移动到最外层,再慢慢移动回来,一个磁道再到另一个磁道来寻找数据。


硬盘控制器即硬盘控制单元。是把计算机指令转化为硬盘动作的接口设备。它接收并解释计算机来的命令,向硬盘发出各种控制信号。检测硬盘状态,按照规定的硬盘数据格式,把数据写入硬盘和从硬盘读出数据。硬盘控制器类型很多,但它的基本组成和工作原理大体上是相同的,它主要由与计算机系统总线相连的控制逻辑电路,微处理器,完成读出数据分离和写入数据补偿的读写数据解码和编码电路,数据检错和纠错电路,根据计算机发来的命令对数据传递,串并转换以及格式化等进行控制的逻辑电路,存放硬盘基本输入输出程序的只读存储器和用以数据交换的缓冲区等部分组成。


了解了硬盘的构造我们来谈谈对硬盘性能最有影响的指标:IOPS,IOPS (Input/output Per Second)即每秒的读写次数,是衡量磁盘性能的主要指标之一。影响IOPS的因素是IO的服务响应时间,这其中包括一下三项时间。

  1. 盘片旋转延迟时间 (rotational latency)

  2. 磁头寻道时间 (seek time)

  3. 数据传输时间(Data transfer )

 

旋转延迟时间,即盘片转到磁头所在位置的时间,由于磁头需要读写的盘片位置是随机的,最远的需要旋转一圈,最近的可能就在磁头所在位置,所以我们取平均值,即盘片旋转半圈的时间来计算,假设硬盘电机转速10000rpm,那旋转一圈的时间是,1/10000=0.0001分钟,换算为毫秒0.0001X60X1000=6毫秒,半圈需要3毫秒。同样可算出15000rpm硬盘延迟时间2毫秒,7200rpm硬盘延迟时间4.17毫秒。


寻道时间:即磁头在盘片径向移动到正确磁道的时间,硬盘厂家标称平均值范围3-15ms,查询到4GB 15000rpm FC硬盘寻道延迟时间约为3.5毫秒,SATA硬盘约为8-9毫秒。


数据传输时间是指完成传输所请求的数据所需要的时间,它取决于数据传输率,其值等于数据大小除以数据传输率。目前IDE/ATA能达到133MB/s,SATA II可达到300MB/s的接口数据传输率,数据传输时间通常远小于前两部分时间。因此,理论上可以忽略。


在日常存储设备选型中,硬盘的物理容量大小及接口类型对单个硬盘IOPS性能的影响可忽略,我们根据不同的硬盘转速及寻道时间计算IO性能来选择,以下常用的硬盘IOps理论值供参考


15000rpm 硬盘   1000/(2+3.5)≈180

10000rpm 硬盘 1000/(3+3.5) ≈150

7200rpm   硬盘   1000/(4.17+8) ≈  80

 

IOPS的测试工具IOMETER(http://sourceforge.net/projects/iometer/),可以用于综合测试硬盘的IOPS,由于硬盘的负载类型又分为顺序读写和随机读写,所以客户需要根据应用环境的负载特征,选择合理的应用指标进行测试对比分析,据此选择合适的磁盘类型。



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