1、信息存儲與管理國家天文臺（科技處）信息與計算中心直連存儲和SCSI介紹主講人：儲王偉第五講主要內容存儲設備的發展歷史直連存儲DAS磁盤驅動器接口協議SCSI體系結構與編址存儲設備的發展史 時代的發展，科技的進步造就了當今的社會，而存儲器時代的發展，科技的進步造就了當今的社會，而存儲器的百年發展也同樣的驚人的，從最初的打孔機到現在的藍光的百年發展也同樣的驚人的，從最初的打孔機到現在的藍光DVD和固態硬盤，存儲器每一步的發展都留下了堅實和固態硬盤，存儲器每一步的發展都留下了堅實 的腳的腳印。下面就讓我們尋著這條腳印再來回顧下它的發展史。相印。下面就讓我們尋著這條腳印再來回顧下它的發展史。相對最早期

2、的打孔紙卡以及穿孔紙帶都以離我們太久遠，不妨對最早期的打孔紙卡以及穿孔紙帶都以離我們太久遠，不妨讓我們讓我們 從磁帶開始回憶吧。從磁帶開始回憶吧。大型磁帶記錄盤式磁帶 在1950年代，IBM最早把盤式磁帶用在數據存儲上。因為一卷磁帶可以代替1萬張打孔紙卡，于是它馬上獲得了成功，成為直到80年代之前最為普及的計算 機存儲設備。在80年代末的時候，大家都聚在一起看老電影，當時看待巨大的圓盤來回轉，這就是盤式磁帶，現在磁帶的最大容量已經達到1TB。最珍貴的回憶盒式錄音磁帶 盒式錄音磁帶應該是80年代人，小時候珍貴的記憶之一。它顯然也是磁帶的一種，可是它實在是太普及了，所以要專門說一下。這是飛利浦公司

3、在1963年發明的，可是直到1970年代才開始流行開來。 一些計算機，ZX Spectrum,Commodore 64和Amstrad CPC使用它來存儲數據。一盤90分鐘的錄音磁帶，在每一面（記得錄音磁帶是可以翻面的嗎）可以存儲700KB到1M的數據?，F在的一張DVD9光盤，可 以保存4500張這樣磁帶的數據，如果現在要把這些數據全部讀出來，那要整整播放281天。超長的存儲設備磁鼓 一支磁鼓有12英寸長，一分鐘可以轉1萬2千5百轉。它在IBM 650系列計算機中被當成主存儲器，每支可以保存1萬個字符（不到10K）。軟盤的鼻祖8英寸軟盤 軟盤是個人計算機（PC）中作為一種可移貯存硬件，它是用于

4、那些需要被物理移動的小文件的理想選擇。軟盤有八寸、五又四分一寸、三寸半之分。當中又分為硬 磁區Hard-sectored 及軟磁區Soft-Sectored。軟式磁盤驅動器則稱FDD，軟盤片是覆蓋磁性涂料的塑料片。 在60年代末70年代初期，IBM推出的全球第一臺PC，是計算機業里程碑似的革命性的飛躍。但是IBM的System370計算機面臨這樣一個問題，就 是這種計算機的操作指令存儲在半導體內存中，一旦計算機關機，指令便會被抹去。于是在1967年，IBM的SanJose實驗室的存儲小組受命開發一種廉 價的設備，為大型機處理器和控制單元保存和傳送微代碼。這種設備成本必須在5美元以下，以便易于更

5、換，而且必須攜帶方便，于是軟盤的研制之路開始了。 4年后又推出一種直徑8英寸的表面涂有金屬氧化物的塑料質磁盤，發明者是艾倫舒加特（Alan Shugart，后離開IBM創辦了希捷seagate公司），這就是我們常說的軟盤標準“軟盤”的父輩，最大容量1.2MB。5.25英寸軟盤和餐巾8英寸/5.25英寸/3.5英寸對比 8英寸的軟盤雖然從技術原理上已經很接近現代軟盤，但缺陷就是體積過大，攜帶很不方便，于是5.25英寸的軟盤誕生了。這里5.25英寸軟盤的發明還有一個小故事，美國王安電腦公司當時打算發布用于字處理的計算機，感到8英寸的軟盤太大，于是開始與ShugartAssociates公司合作生產

6、小一點的磁盤。一天晚上，在波士頓一家昏暗的酒吧中，他們最后一致同意采用某種尺寸的軟盤，這種尺寸就是餐桌上的一塊雞尾酒餐巾的尺寸，它的大小恰好是5.25英寸。從此這種軟盤成為電腦的最佳移動存儲設備，容量也達到360K。5.25英寸軟盤一直持續到90年代，后來終于被另一種體積更小、容量更大的產品替代了，那就是3.5英寸軟盤，最大容量1.2MB。大行其道的3.5英寸軟盤 5.25英寸的軟盤有很多缺點，比如軟盤采用的外包裝比較脆弱，容易損壞，體積也比較大。新一代軟盤的開發被日本的索尼公司拔得頭籌。1980年，索尼公司率先推出體積更 小、容量更大的3.5英寸軟驅和軟盤，不過剛推出的時候在當時并沒有被一些

7、主要PC廠家所接受，市面上流行的依舊是5.25英寸的軟盤。 直到1987年4月，IBM推出基于386的IBM Personal System/2（PS/2）個人電腦系列，正式配置了3.5英寸的軟驅后，這才引起了很多人的注意。大家都被這種體積更為小巧、容量卻是5.25英寸軟 盤的幾倍的新軟盤所吸引，從那時起，在IBM、康柏為代表的廠商極力推崇下，這種3.5英寸的軟盤開始大行其道，3.5寸軟盤以其便宜的價格、相對巨大的 存儲量（1.44M，百萬級字節存儲量）很快全面占領市場，而3.5英寸軟盤驅動器也開始正式取代5英寸的軟驅成為PC的標準配置，走向了它一生中最輝煌 的時期。這一絕對的壟斷地位持續了十

8、幾年，一直到2002年，最大容量1.44MB。第一張視頻光盤LD光盤圖中大的是LD盤，小的是普通5寸光盤1958年就發明光盤技術了，可是直到1972年，第一張視頻光盤才問世，6年后的1978年它開始在市場上賣。那個時候的光盤是只讀的，雖然不能寫，但是能夠保存達到VHS錄像機水準的視頻，使得它很有吸引力。CD全稱：COMPACT DISC（激光唱片，光盤）CD代表小型鐳射盤，最大容量700MB。1982年8月31日，SONYCBSSONY荷蘭飛利浦與POLYGRAM四家公司共同舉辦了CD這個數字錄音格式的發布會，并決定從秋季起開始在日本發售。 直徑僅僅12cm，利用數字信號錄音，只要一個按鈕就可

9、執行選曲，能夠半永久的使用，CD實現了許多樂迷的夢想。是年10月1日，SONY推出了第一臺 CD機CDP-101。16萬8,000日圓的價格，對一般消費者而言是很難接受的。不過只要想到里面的技術與開發時間，能做成商品的確是一個奇跡。進入 1983年后，其它公司的CD機也相繼上市，銷售形勢一片大好。但是，大家看到了，由于網絡下載、mp3的出現，現在的CD也已經沒落。 磁光盤又叫MO光盤 MO全稱Magneto-Optical Disk，即磁光盤的意思。1991年第一張MO盤就已經開始發行，它具有體積小，不用安裝驅動程序，容量大等優點。但最終受到價格因素制約，沒能在個人 用戶中普及開來?？墒菓{著超

10、高的安全性和穩定性，目前仍有不少科研、政府機構或是蘋果機使用比較多的廣告公司仍在使用。最大容量可達9.1GB，普遍應用于電子郵件存儲，醫療圖像傳送與保存，聲音記錄，金融記錄存儲。采用紅外激光DVD光盤 DVD是使用了不同激光技術的CD，它采用了780納米的紅外激光（標準CD則采用625650納米的紅色激光），這種激光技術使得DVD可以在同樣的面積中保存更多的數據。一張雙層DVD容量可達8.5GB。最先進存儲藍光DVD、HD-DVD 現在最引人矚目的，是藍光DVD和HD-DVD這兩種競爭的光盤技術。藍色激光使得存儲的容量進一步增長，目前看起來，好像藍光DVD更流行一些。不過如 果我們目光放更長遠

11、一些，也許一種被稱為“Holographic Versatile Disc”的光盤，可以提供比藍光DVD大160倍的容量高達3.9TB，相當于保存4600到11900小時的MPEG4格式的電影。藍光光盤不算什么300G全息光盤 InPhase Technologies公司日前宣布已經開始量產并銷售全息存儲驅動器和300GB容量的全息光盤(HVD)，其中驅動器“Tapestry HDS-300R”要價18000美元，300GB容量的全息光盤也高達180美元。目前主要的客戶是政府機構和大型企業。 InPhase在2005年4月就實現了200Gbit/平方英寸的存儲密度，06年初它們則宣布了，存儲密

12、度達到了515Gbit/平方英寸，容量可達 360GB全息光盤。這一存儲密度已經遠遠超過了包含硬盤在內的現所有存儲媒體（目前實驗室里硬盤單碟最高為345Gbit/平方英寸）。 雙光子3D技術12cm光盤存儲1TB 美國Call/Recall公司稱，它們已經成功開發并測試了TB級光盤。TB級光盤采用雙光子吸收3D技術，利用雙光子吸收現象進行記錄時，由于能夠抑制上下記錄層之間的干涉（串擾），因此在多層記錄 時便于通過縮小層間隔來提高記錄密度。 最普遍用到的存儲產品U盤與移動硬盤 全稱“USB閃存盤”，英文名“USB flash disk”。U盤的稱呼最早來源于朗科公司生產的一種新型存儲設備，名曰“

13、優盤”，使用USB接口進行連接。而之后生產的類似技術的設備由于朗科已進行專利注冊，而不能再稱之為“優盤”，而改稱諧音的“U 盤”。發展至今，他已經成為人手必備之物，與人們生活工作密不可分，最大容量256GB。 顧名思義是以硬盤為存儲介制，計算機之間交換大容量數據，強調便攜性的存儲產品。目前市場上絕大多數的移動硬盤都是以標準硬盤為基礎的，而只有很少部分的 是以微型硬盤(1.8英寸硬盤等)，但價格因素決定著主流移動硬盤還是以標準筆記本硬盤為基礎。因為采用硬盤為存儲介制，因此移動硬盤在數據的讀寫模式與 標準IDE硬盤是相同的。移動硬盤多采用USB、IEEE1394等傳輸速度較快的接口，可以較高的速度

14、與系統進行數據傳輸。目前主流2.5英寸品牌移動 硬盤的讀取速度約為15-25MB/s,寫入速度約為8-15MB/s，最大容量2TB。新一代存儲新秀卡片存儲設備 SD卡 即Secure Digital Card卡，是一種基于半導體快閃記憶器的記憶設備，在數碼相機、多媒體播放器等便攜式數碼產品上被廣泛使用。SD卡看上去只有郵票大小，重量只有2克，但卻擁有高 憶容量、快速數據傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性。 SDHC卡 SDHC是“High Capacity SD Memory Card”的縮寫，也就是“高容量SD存儲卡”。作為SD卡的繼任者，SDHC主要特征在于文件各式從以前的FAT12

15、、FAT16提升到了FAT32， 而且最高支持32GB。 CF卡 CF卡：（Compact Flash）具有PCMCIA-ATA功能，并與之兼容；CF卡重量只有14g，僅紙板火柴般大?。?3mm 36m m3.3mm），是一種固態產品，也就是工作時沒有運動部件。大多數數碼相機選擇CF卡作為其首選存儲介質。 雙光子3D技術12cm光盤存儲1TB MMC卡 MMC卡：（MultiMedia Card）MMC的發展目標主要是針對數碼影像、音樂、手機、PDA、電子書、玩具等產品，其尺寸只有32mm 24mm 1.4mm。 TF卡 TF卡：（microSD）是一種超小型卡（11mm15mm1mm），約為

16、SD卡的1/4，可以算目前最小的儲存卡了。TF卡可經SD卡轉換器后， 當SD卡使用。利用適配器可以在使用SD作為存儲介質的設備上使用。今日存儲霸主 首款硬盤誕生 在20世紀50年代中期，雖然之前人們已經在使用打孔卡和磁帶進行數據的存儲，但是要想在上述存儲介質上查找某個數據卻非常困難，往往需要數小時的時間， 就是因為這些存儲產品采用的是順序存取技術。而那些被昵稱為“牛仔”的IBM實驗室的技術人員一個十分單純的想法就是，找到一種隨機存取的方 法，加快數據的存取速度。4年之后，他們終于宣布開發出了一種將對全 球計算領域產生重大影響的產品，那就是統計控制隨機存取法（Random Access Meth

17、od for Accounting Control，RAMAC）”。這款商用磁盤存儲系統就是RAMAC 305，有兩個冰箱那么寬，內部安裝了50個直徑兩英尺的磁盤，重量約1噸，當時可以存儲“驚人”的500萬個字符(5MB)。60至70年代的主宰比微波爐還大的硬盤 時間轉移到1962年，這時已經是14英寸的硬盤占據市場的統治地位，直到70年代中期，14英寸硬盤幾乎占據了全部硬盤市場，幾乎所有這些設備都出售給大型計算機制造商。那個時候那種大型硬盤也并不是普通用戶能消費的起的，而且容量不過百兆左右。 左面的照片就是最近到本網站的14吋硬盤，我們將它和一個可樂罐做對比，可以明顯看出他的體積有多龐大，其

18、實真正的它要比一個微波爐都大。可想那個時代的計算機體型會是一個什么樣子，不過到了70年代末期，8英寸硬盤就已經誕生，體積也相應減小了不少?？嗫鄴暝K成正果!8英寸硬盤發展不易 1978-1980年，更小的8英寸驅動器被開發出來，其中包括Shugart Assaciates、Micropolis、priam和昆騰這些老牌硬盤廠商，不過容量僅為10M、20M、30M以及40M，相比14英寸硬盤而言 要小了很多，所以這種型號受到了當時只需要大容量硬盤的大型計算機制造商的冷落，因此這些8英寸型號的市場新入者將他們的創新性硬盤投入新的應用：小型計算機。80年首款5.25英寸硬盤誕生 時間轉到了1980年

19、，硬盤的體積終于又出現了變化，下面這款就是世界第一臺5.25英寸硬盤驅動器ST-506，作為首款真正面向臺式機的硬 盤，5.25吋的出現勢必具有其特殊的意義，對于許多80后的電腦玩家來說，所接觸到的第一塊電腦硬盤大部分是5.25英寸開始的，雖然它的容量僅有 5MB，但它的出現卻帶動了一個時代。誰曾想現在的霸主3.5英寸曾被廠商放棄 時隔四年，到了1984年，一家蘇格蘭企業Rodime首先開發出了3.5吋硬盤，相信當時誰也沒有料到，這個尺寸現在會成就如此偉大的時代，因為就如同 8英寸硬盤出世之初一樣，3.5英寸結構硬盤在一開始推出時根本不被重視，其原因也是因為成本高而容量太小，難以滿足人們的需求

20、，到了88年為止，也僅有到一半的硬盤廠商開始生產3.5英寸硬盤。直連存儲DAS 定義：直連存儲(Direct-Attached Storage,DAS)是一種存儲器直接連接到服務器的架構。 主機內部的磁盤，磁帶庫和直接連接的外部磁盤組，都是DAS的實例。 DAS架構仍是少量服務器訪問和共享本地數據的理想方案，DAS適合小型企業、部門、個人，也可以作為中型企業的文件服務器和郵件服務器，以及大型企業SAN和NAS的輔助。 分類：1，內置DAS：存儲設備通過串行或并行總線 連接到主機。 2，外置DAS：服務器直接連接到外部存儲設備，之間采用SCSI或FC協議進行通信。 DAS的優缺點DAS的優點：

21、相對其他存儲架構，只需較低的前期投資 簡單快捷的部署，基于主機操作系統便可安裝管理 設置操作的軟硬件少，管理任務少DAS的缺點： 不易擴展。有限的端口和帶寬限制了存儲設備數量和I/O處理能力。 無法優化資源使用。未被使用的資源不能方便的重新分配，導致過載或欠載的孤立存儲池。 對服務器的依賴性比較強，對其性能要求也比較高。磁盤驅動器接口上一講中，有介紹硬盤的接口 IDE/ATA SATA SAS SCSI FCIDE/ATA、SATA、SAS、SCSI、FC都是主機與存儲設備通信的預定義協議，它們都集成在硬盤驅動器的控制器上。IDE/ATA 集成電路設備/高級技術(Integrated Devi

22、ce Electronic/Adwanced Technology Attachment,IDE/ATA)磁盤支持IDE協議。 IDE協議定義了連接到主板上控制器的規范。ATA協議規定了存儲設備到主板的連接接口。 IDE/ATA擁有多種標準和命名，如ATA、ATA/ATAPI、EIDE、ATA-2、Fast ATA、ATA-3、UltraATA以及Ulrea DMA等，最新的支持133MB/s的吞吐率。 IDE/ATA磁盤性能良好且價格低廉，成為很受歡迎并被廣泛使用的硬盤。SATA SATA(Serial ATA)是IDE/ATA規范的一個串行版本，目的是取代ATA技術。SATA很大的特點就是

23、它支持熱插拔。 SATA提供點對點，距離可達1米的連接，數據傳輸率可達150MB/s，增強的甚至可達600MB/s。 SATA總線使用小型的7針連接器和細纜進行連接，一個SATA端口使用4個信號針腳，與并行的ATA相比，大大提高了針腳的利用率。SAS一：串行SCSI(Serial Attached SCSI,SAS)是在SCSI Ultra320發展后的版本，使用SCSI指令進行通信，并與SATA的針腳相兼容。支持3Gb/s的數據傳輸率，支持雙端口，全雙工，設備尋址。通過擴展甚至可以連接多個設備。這對于需要高速度磁盤存儲的高端服務器來說是個很好的選擇。SCSI及其演化 并行SCSI(簡稱簡稱S

24、CSI)，是一種最早期和最流行的主機存儲器接口模式，是一套外圍設備與計算機進行連接和數據傳輸的標準。通信使用的是SCSI指令集 。今天，SCSI已經作為一種廣泛使用的硬盤接口。然而，SCSI還可以用于增加其他設備，例如磁帶驅動器和光媒介驅動器，而且不需修改系統的硬件或軟件。SCSI-1SCSI-1只是為了與其他SCSI版本區別而重新命名，實際上就是最原始的經ANSI批準通過的標準。SCSI-1定義了第一個SCSI總線的基礎規范，包括線纜長度、信號特性、指令和傳輸模式。SCSI-1設備只支持單端的傳輸和被動終端。SCSI-1使用一個窄口的8位總線，提供的數據傳輸率最大為5MB/s。SCSI-2為

25、了解決SCSI-1的非標準實現引起的問題，SCSI-2被定義為SCSI設備的一套標準指令。這套標準稱為“通用指令集（Common Command Set，CCS）”。SCSI-2專注于提高性能和增強可靠性以及在SCSI-1接口上增加額外的特性，除此之外，它還標準化和規范化了SCSI的指令。SCSI-3在1993年，發展下一代SCSI標準版本的工作開始進行，稱為SCSI-3。不同于SCSI-2，SCSI-3標準文檔包含了不同的但又有所關聯的許多標準，而不只是一份大型的標準文檔。IDE/ATA與SCSI的對比特性IDE/ATASCSI速率100 133 150MB/s320 MB/s連接類型內置內

26、置或外置費用低廉中等偏高熱插拔不可以可以性能中等偏低高配置易用性高低到中等最大支持設備數216SCSI各階段對比接口標準總線位寬時鐘速率最大吞吐率最大設備數SCSI-1SCSI-185MHz5MB/s8Fast SCSISCSI-2810MHz10MB/s8Fast Wide SCSISCSI-2;SCSI-3 SPI1610MHz20MB/s16Ultra SCSISCSI-3 SPI820MHz20MB/s8Ultra Wide SCSISCSI-3 SPI1620MHz40MB/s16Ultra2 SCSISCSI-3 SPI-2840MHz40MB/s8Ultra2 Wide SCSI

27、SCSI-3 SPI-21640MHz80MB/s16Ultra3 SCSISCSI-3 SPI-31640MHz DDR160MB/s16Ultra320 SCSISCSI-3 SPI-416 80MHz DDR320MB/s16Ultra640 SCSISCSI-3 SPI-516160MHz DDR640MB/s16SCSI-3協議的架構SCSI-3指令協議：指令協議：這包含了對于所有設備來說最主要的指令，同時也包括特定設備的指令，即對給定類別的設備來說是唯一的。傳輸層協議：傳輸層協議：這是一套設備間通信和共享信息的標準集規則。物理層互連：物理層互連：這是關于接口的一些細節，例如電子信號

28、方法和數據傳輸模式等。SCSI通信的客戶服務器模型 一個SCSI發起方，或者說一個客戶，發送一個請求給SCSI目標方或者說一個服務器。然后這個目標方執行任務請求，并且使用協議服務接口發送輸出信息給發起方。 一個SCSI目標方設備包含一個或多個邏輯單元。邏輯單元處理SCSI 發起方發送過來的指令。一個邏輯單元包含兩個部件：一個設備服務器和一個任務管理器。設備服務器確定客戶請求，任務管理器執行管理功能。SCSI端口 SCSI端口是SCSI的連接SCSI線纜的物理連接器，用于SCSI設備的數據通信。一個SCSI設備可以包含目標端口、發起端口和目標/發起端口或帶多端口的目標端口SCSI通信模型與OSI七層模型很相似。SCSI應用層(SCSI application layer,SAL)包含客戶端和服務端的應用程序，通過SCSI應用程序協議發起和處理SCSI的I/O操作。SCSI傳輸層協議(sCSI transport lay