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高性能磁记录设备的设计与研究

作　者: 陈凯
导　师: 刘泉
学　校: 武汉理工大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 磁盘 RAID FPGA
分类号: TP333
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要


近年来以计算机和网络为基础的信息产业获得了空前的发展，对信息的存储技术提出了更高的要求，其主要表现在：海量数据的存储容量；存储系统的可靠性；对不同数据存储类型的适应性；数据访问的高带宽和高保密；以及提供有效的数据存储解决方案。虽然磁盘的制造工艺和磁头技术的改进，磁盘性能已经有了很大的提高，但是磁盘作为机电部件，本身受到机械执行的惯性的制约，其I／O性能始终成为提升的瓶颈。 为了解决这一问题，出现了采用冗余技术构造的RAID(Redundant Array of Independent Disks独立磁盘冗余阵列)阵列。RAID阵列由于采用了数据分块技术，即在多个磁盘上交叉存储使得多盘可平行操作，I／O响应时间得到了改善，同时利用冗余容错技术，极大的提高了磁盘阵列的可靠性和安全性。本文深入研究了RAID设计中的多种关键技术，对Cache的管理，数据分布，数据存储的均衡， 磁盘性能监控，磁盘性能的优化等方面。讨论了各种关键技术对RAID的不同应用中的重要性，在进行RAID系统设计中，须在不同的应用环境中均衡各种RAID关键技术，从而获得最佳的性能。本文设计了一种独立与PC系统的高性能的磁盘阵列的系统解决方案。 采用SOPC(System-on-a-Programmable Chip)的结构，以FPGA(Field Programmable Gate Array可编程逻辑阵列)为核心，在其中建立NIOS的32位RISC指令集的MCU，FLASH接口，SDRAM接口，中断控制器，DMA控制器等模块。在系统硬件设计中，针对数据在RAID中的存储控制流程，建立了读写分离的数据流水线，减少存储系统的资源开销。应用了uCOS实时操作系统，针对RAID应用的不同使用环境，设计了不同的软件控制模式，很大的提高RAID系统的性能和数据的可靠性。本方案可以应用兼容PC的系统方案，这样的系统可以在民用和商用环境中应用；也可以应用自定义系统，采用自定义文件系统，加密／解密方案和文件分割方式，可大大提高数据的可武汉理工大学硕十学位论文靠性和保密性，这样的系统可以在金融和军用系统环境中应用。 大规模的信息存储技术方兴未艾，随着我国个行业信息话的发展对磁盘阵列的要求会越来越大，特别是高科技产业，金融机构和国家安全部门需要高可靠性和高安全性的磁盘存储系统。因此对研制RAID系统有深远的意义和广阔的前景。

全文目录


第一章 绪论  8-14
  1.1 信息存储的简介  8-9
  1.2 磁盘存储的关键问题  9-10
  1.3 国内外的研究现状  10-12
  1.4 本文研究内容及全文章节安排  12-14
第二章 磁盘  14-21
  2.1 磁盘特性  14-15
    2.1.1 磁盘简介  14-15
  2.2 ATA接口磁盘  15-18
    2.2.1 PATA接口磁盘  15-16
    2.2.2 SATA接口磁盘  16-17
    2.2.3 SATA的通讯层模型  17-18
  2.3 SCSI接口磁盘  18
    2.3.1 SCSI磁盘  18
  2.4 SCSI磁盘与IDE磁盘比较  18-21
第三章 RAID阵列  21-32
  3.1 RAID技术研究的基本内容  21-28
    3.1.1 RAID的定义  21
    3.1.2 RAID中的数据组织层次  21-22
    3.1.3 阵列管理软件  22
    3.1.4 RAID级别  22-28
  3.2 衡量RAID性能的主要指标  28-30
    3.2.1 可靠性  28-30
    3.2.2 吞吐量  30
    3.2.3 响应时间  30
  3.3 磁盘阵列的额外容错功能  30-31
  3.4 硬件磁盘阵列与软件磁盘阵列  31-32
第四章 RAID系统的基本结构和特征  32-42
  4.1 典型的RAID控制器系统结构  32-34
    4.1.1 硬件结构  32-33
    4.1.2 阵列管理软件结构  33-34
  4.2 RAID写请求操作的基本特点  34-38
    4.2.1 正常模式下的读/写操作  34-37
    4.2.2 降低模式下的读写操作  37-38
  4.3 RAID中Cache的应用  38-40
  4.4 影响RAID系统性能的关键因素  40-42
    4.4.1 对硬件结构的要求  40-41
    4.4.2 对阵列控制软件和处理算法的要求  41-42
第五章 高性能磁盘存储系统设计  42-54
  5.1 系统结构设计  42-48
    5.1.1 硬件设计及优化  42-44
    5.1.2 单通道IDE控制器模块  44-46
    5.1.3 系统IDE硬盘阵列的组成  46-48
  5.2 系统所采用的存储优化技术  48-52
    5.2.1 磁盘存储的Cache算法  48-49
    5.2.2 RAID阵列的存储环境的适应处理  49-51
    5.2.3 磁盘性能管理  51
    5.2.4 磁盘的磁头控制优化  51-52
  5.3 小结  52-54
第六章 结束语  54-55
  6.1 全文总结  54-55
参考文献  55-60
作者在研究生其间发表的论文  60-61
致谢  61

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 电子数字计算机（不连续作用电子计算机） > 存贮器
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