Microsoft PowerPoint - hy6.ppt [호환 모드]

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혜련 위
4 years ago
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1 보조저장장치 자기디스크 (magnetic disk) RAID(Redundant Array of Inexpensive Disks) 광기억장치 (optical memory) 보조저장장치 컴퓨터구조론 6 장 자기디스크 (magnetic disk) 자기디스크 자화될수있는물질로코팅된플라스틱이나금속을이용한원형평판으로만들어진저장장치 하드디스크 (hard disk), 혹은디스크 (disk) 라고도함 주요구성요소들 원형평판 (circular platter) : 실제정보가저장되는장소로서, 다수의트랙 (track) 들로구성 헤드 (head) : 전도성코일을통하여표면을자화 (magnetize) 시킴으로써데이터를저장하고, 표면에저장된자장을감지하여데이터를읽는장치 디스크팔 (disk arm) : 헤드를이동시키는장치 구동장치 (actuator) : 디스크팔을움직이는모터 (motor) 자기디스크 ( 계속 ) 헤드의수에따른디스크의분류 단일-헤드디스크 (single-head disk) 다중-헤드디스크 (multiple-head disk) 3 4

2 자기디스크 ( 계속 ) 헤드의이동성에따른분류 이동 - 헤드디스크 (movable-head disk) 단일-헤드디스크 (single-head disk) : 헤드를이동시키면서디스크표면의데이터를액세스 다중-헤드디스크 (multiple-head disk) : 각헤드에게일정트랙그룹할당 헤드이동거리단축 고정-헤드디스크 (fixed-head disk) 각트랙당헤드를한개씩설치 탐색시간 =0 제작비용이높아짐 매우빠른디스크를필요로하는특수한시스템에서사용 5 6 디스크의구조 디스크표면의세부구조 섹터 (sector): 디스크에한번에쓰거나읽는데이터크기의최소단위 섹터간갭 (inter-sector gap) : 섹터들을구분하기위한간격 (gap) 트랙간갭 (inter-track gap) : 헤드가잘못정렬되거나자장의간섭때문에발생하는오류를방지하기위한트랙들사이의간격 초기의전형적인디스크의경우, 표면당트랙의수 = 개, 트랙당섹터의수 = 32 개 7 8

3 등각속도 (Constant Angular Velocity, CAV) 디스크가일정한속도 ( 등각속도 ) 로회전하는상태에서트랙의위치에상관없이데이터를동일한비율로액세스하는방식 [ 장점 ] 디스크읽기 / 쓰기장치가간단하다. [ 단점 ] 저장공간이낭비된다 ( 바깥쪽트랙이안쪽트랙보다더길지만, 저장하는데이터양은같기때문 ) Zone Bit Recording(ZBR) 또는 Zone Density Recording 안쪽트랙보다바깥트랙에더많은섹터를저장하는방식 9 10 디스크형식화작업 (disk formatting) 트랙형식의예 디스크형식화작업 (disk formatting) 디스크의구성을검사하고, 그에관한정보와트랙의시작점, 섹터의시작과끝을구분하기위한제어정보등을디스크상의특정위치에저장하는과정 트랙형식의예 섹터크기 = 600 바이트 (512바이트데이터 + 제어정보 ) 제어정보 (ID 필드 ) : 섹터를구분하는데필요한식별자 / 주소 SYNCH(Synchronization) 바이트 트랙번호, 헤드번호, 섹터번호 오류검출코드 (CRC) 11 12

4 디스크드라이브 (disk drive) 디스크, 헤드가부착된디스크팔, 구동장치, 디스크를회전시키는축 (spindle), 데이터전송을위한전자회로등을포함한전체패키지 디스크이동성에따른분류 제거불가능디스크 (non-removable disk) : 디스크드라이브내에고정시킨디스크 하드디스크 제거가능디스크 (removable disk) : 디스크드라이브로부터꺼낼수 있으며, 다른디스크드라이브에삽입시켜데이터를읽거나쓸수있는디스크 플로피디스크 디스크면수에따른분류 : 양면디스크 (double-sided disk) 단면디스크 (single-sided disk) 실린더 (cylinder) : 서로다른디스크표면에있지만같은반경 ( 동심원 ) 에위치하고있어서, 디스크팔을움직이지않고도동시에액세스할수있는트랙들의집합 단일- 평판디스크드라이브의내부구조 다중- 평판디스크드라이브의내부구조 디스크액세스시간 디스크액세스 ( 읽기 / 쓰기 ) 동작의순서 1. 헤드를해당트랙으로이동 탐색 2. 원하는섹터가헤드아래로회전되어올때까지대기 회전지연 3. 데이터를전송 디스크액세스시간 (disk access time) = 탐색시간 + 회전지연시간 + 데이터전송시간 탐색시간 (seek time) 회전지연시간 (rotational latency time) 데이터전송시간 (data transfer time) : = 3번에걸리는시간 + 디스크제어기에서소요되는시간 15 16

5 회전지연시간 회전지연시간 : 디스크의회전속도에따라결정 [ 예제 ] 회전축의속도 = 7200rpm(rotations per minute) 인경우, 7200회전 / 분 = 120 회전 / 초 한바퀴회전시간 :T= 1/120 sec (8.33ms) 회전지연시간 : 헤드가해당트랙에도착한순간의헤드위치에따라 0 ~ 8.33ms 평균회전시간 = T/2 (1/2 바퀴회전에걸리는시간 ) = 4.17ms 최근의디스크회전축속도 : 5400 rpm, 7200rpm 10000rpm, 15000rpm, 20000rpm( 개발중 ) (0.5*10 3 ) / (100*10 6 ) = 5*10-6 sec ( 무시 ) 최신디스크들의특성및성능파라미터 6.2 RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) RAID 출현의배경 한개의대형디스크를사용하는것보다, 크기가작은여러개의디스크들을서로연결하여하나의큰용량을가진디스크유니트로구성하는것이더저렴한가격으로더큰용량을가진디스크서브시스템구성가능. 디스크배열의장점 데이터분산저장에의한동시액세스 (concurrent access) 가능 병렬데이터채널에의한데이터전송시간단축 디스크배열의문제점 하나의디스크만고장이나도파일전체를사용할수없음 결함허용도 (fault tolerance) 저하 19 20

6 디스크인터리빙 (disk interleaving) 디스크인터리빙 데이터블록들을여러개의디스크들로이루어진디스크배열 (disk array) 에분산저장하는기술 파일이여러개의블록으로구성될때에라운드- 로빈 (round-robin) robin) 방식을사용하여균등분산저장함 각블록들을병렬로읽고쓸수있는장점이있음 디스크배열의단점 디스크배열의주요단점 : MTTF(Mean Time To Failure) 의저하 [ 예 ] MTTF = 시간인디스크 100 개를이용한디스크배열의 MTTF 는? MTTF = / 100 = 300 시간 디스크와디스크배열의특성비교 RAID 제안 2) 이표는 RAID 를처음제안한 U.C. Berkeley 대학의연구팀이제시한것으로서, 그당시의디스크들에대한규격및가격등을기준으로작성되었음 디스크배열의결함허용도 (fault-tolerance) 를높이기위하여 RAID 가제안됨 핵심기술 : 검사디스크 (check disk) 들을추가하여오류검출및복구기능추가 결함발생시복구과정 배열내의한디스크에결함발생 해당디스크사용중단 검사디스크에저장된정보를이용하여원래의정보재구성 여분의디스크에복구 RAID의종류 RAID 종류는데이터의분산과검사디스크구성방법의조합에따라서여러레벨로구분됨 23 24

RAID-1 RAID-2 디스크반사 (disk mirroring) 방식이용 : 데이터디스크에저장된모든데이터들은짝 (pair) 을이루고있는반사 (mirror) 디스크의같은위치에복사 비트-단위인터리빙방식사용 : 데이터를각디스크에비트단위로분산저장 해밍코드 (Hamming code) 를이용한오류검출및정정방식사용 해밍코드는 ECC(Error Correcting

7 RAID-1 RAID-2 디스크반사 (disk mirroring) 방식이용 : 데이터디스크에저장된모든데이터들은짝 (pair) 을이루고있는반사 (mirror) 디스크의같은위치에복사 비트-단위인터리빙방식사용 : 데이터를각디스크에비트단위로분산저장 해밍코드 (Hamming code) 를이용한오류검출및정정방식사용 해밍코드는 ECC(Error Correcting Code) 임 [ 장점 ] 거의완전한결함허용도제공 [ 단점 ] 가격이높다 주요용도 : 높은신뢰도를요구하는결함허용시스템에주로사용. 시스템소프트웨어혹은중요한데이터파일저장에사용. [ 단점 ] 필요한검사디스크들의수가많아서가격이비싸다 주요용도 : 오류가많이발생하는환경에서사용 RAID-2 ( 계속 ) RAID-3 검사디스크들의수 : G : 데이터디스크의수 C : 필요한검사디스크들의수 패리티방식을이용한오류검출및정정방식사용. 패리티비트를패리티디스크에저장 p = b1 b2 b3 b4 2 C - 1 G+C b2 가저장된디스크에결함이발생한경우의데이터복구 [ 예 ] G = 8 인경우 : 검사디스크 C = 4, 오버헤드 = 50 % G = 16 인경우 : 검사디스크 C = 5, 오버헤드 = 31 % b2 = p b1 b3 b4 [ 장점 ] 병렬데이터읽기 / 쓰기가능 디스크액세스속도향상 [ 단점 ] 쓰기동작때마다패리티비트갱신필요 시간지연발생 27 28

8 RAID-4 블록 - 단위인터리빙방식을사용 데이터디스크들의동일한위치에있는블록들에대한패리티블록을패리티디스크에저장 블록이한디스크에저장됨 각액세스요구에서로다른디스크를독립적으로처리 [ 문제점 ] 매쓰기동작을위해패리티디스크를두번씩액세스 병목현상발생 RAID-4 ( 계속 ) 데이터블록의쓰기 ( 갱신 ) 과정 ( 예 ) 두번째디스크에저장된블록 B2 를 B2' 로갱신하는경우 새로운패리티블록 P' = B1 B2' B3 B4 세번의디스크읽기 (B1, B3 및 B4 읽기 ) 와두번의디스크쓰기 ( 새로운 B2' 데이터및패리티 P' 쓰기 ) 동작들이필요 Overhead ( 성능저하 ) 디스크액세스횟수의최소화방법 P' = B1 B2' B3 B4 (B2 B2) = (B1 B2 B3 B4) B2 B2' = P B2 B2' 디스크수에상관없이, 한블록갱신에네번의디스크액세스만필요 원래데이터 (B2) 읽기, 원래패리티 (P) 읽기 새로운데이터 (B2') 쓰기, 새로운패리티 (P') 쓰기 RAID-5 RAID-5 RAID-4의문제점을보완하기위하여패리티블록을라운드-로빈방식으로분산저장 [ 장점 ] 패리티디스크에대한병목현상해소 쓰기동작들의병렬수행가능 데이터디스크들의수가 G 개일때, 최대 (G+1)/2 번의쓰기동작들이병렬수행가능 여러블록을저장하는큰쓰기에적합 [ 문제점 ] 작은쓰기문제 (small write problem) 어느한블록만갱신하는 ' 작은쓰기 (small write)' 의경우에네번의디스크액세스가필요하기때문에성능이저하됨. RAID-1 과 RAID-5 의비교 RAID-1 : 읽기와작은쓰기가많은환경에적합 RAID-5 : 용량과비용을중요시하는응용이나큰쓰기요구가많은환경에적합 가격대성능비측면에서 RAID-5 가더우수 31 32

9 6.3 광저장장치 CD-ROM CD-R, CD-RW DVD BluRay Disk (BD) CD-ROM (Compact Disk ROM) 제조방법 폴리카보네이트 (polycarbonate) 평판상부를알루미늄코팅 정보저장 : 고강도 (high-intensity) intensity) 레이저를이용하여표면상의미세피트 (microscopic pit) 들에정보를기록 정보검색 : 저전력레이저를이용하여미세피트들로부터반사되는빛의강도에의해검색 (0과 1 구분 ) 구조적특징 : 전체평면상에하나의트랙이나선형으로연결되어있고, 이트랙은같은크기의섹터들로분할 (cf) 디스크는분리된다수의동심원트랙들로구성 CD-ROM ( 계속 ) 등선속도를이용하는 CD-ROM 의트랙과섹터 등선속도 (Constant Linear Velocity, CLV) 방식이용 : 액세스할섹터의위치에따라디스크의회전속도가달라지는방식 섹터의위치에상관없이표면을지나가는헤드의속도가항상일정 트랙전체의저장밀도가균일 바깥쪽트랙부분의저장공간의낭비가없음 저장방식 : 트랙을따라순차적으로저장 액세스방식 : 임의액세스방식 데이터가저장된섹터를찾아가는과정 1. 헤드를액세스할섹터근처의영역으로이동 2. 회전속도를조정하여, 섹터의주소검사 3. 미세조정을통하여, 원하는특정섹터를검색 4. 데이터를읽고, 전송 35 36

10 CD-ROM 데이터블록의형식 데이터블록의형식 SYNC 필드 : 블록의시작표시 ID 필드 : 블록주소와모드 (mode) 바이트포함 데이터필드 : 2048 바이트 ECC 필드 : 오류정정코드 (288 바이트 ) CD-ROM 의장단점 자기디스크와비교한상대적장점 대용량 저렴한가격으로대량복제가능 [ 비교 ] 자기디스크의경우에는두개의디스크드라이브들을사용하여한번에한개씩만복사가능 단점 읽기만가능하고, 내용변경불가능 액세스시간이자기디스크보다훨씬길다 ( 대략 0.5 초정도 ) CD-R (CD-Recordable) CD-R 에서의데이터쓰기 / 읽기과정 WORM(Write-Once Read-Many CD) 이라고도부름 사용자가데이터를한번은기록할수있는 CD-ROM CD-R 의디스크표면제조기술 트랙에해당하는부분을따라, 열을가하면태워져없어지는성질을가진물질을이용하여유기광전도성염료층 (organic photoconductive dye layer) 을구성 염료층에서한번태워진부분은복구불가능 한번의기록만가능 데이터쓰기 : 저장될데이터 (1 혹은 0) 에따라레이저로열을발생시켜염료층의해당피트 (pit) 부분들을융해 데이터읽기 : 강도가낮은레이저빛을이용하여반사명암에따라데이터검출 39 40

11 CD-R 표면의구조 (layout) CD-R 표면의구조 PCA(Power Calibration Area) : 디스크전체에대한기록을시작하기전에해당디스크에가장적절한레이저강도를찾아내기위하여시험적으로쓰기를해보는부분 PMA(Programmable Memory Area) : 기록동작이진행되는동안에저장되는데이터들에대한각종정보의집합인 TOC(Table Of Contents) 를임시로저장해두는부분 기록이모두종료된후에는그내용을 Lead In 영역으로이동 영구저장 Program Area : 실제데이터가저장되는영역 Lead Out : 데이터의끝을알리는영역 (Prog. Area 내의데이터끝지점에위치 ) CD-RW (CD-ReWritable) DVD (Digital Video Disc) 여러번쓰기가가능한컴팩트디스크 일반적으로 1000 번정도재기록가능 기본적인구조는 CD-R 과동일 기록층 (recording later): 염료층 (dye layer) 으로제조 상태변화 (phase change) 를통하여정보의반복저장이가능한 물질로구성 silver, indium, antimony, tellurium의혼합물 가열하면액체로변환 결정상태 (crystal phase) : 1 쓰기 : 가열후서서히냉각 원자들이규칙적으로배열 읽기 : 입사되는빛에대하여일정한각도로반사 비정질상태 (amorphous phase) : 0 쓰기 : 가열후급속냉각 원자들이무질서하게배열 읽기 : 입사되는빛에대하여불규칙난반사 디지털다기능디스크 (Digital Versatile Disc) DVD 원판의모습은 CD 와동일 [ 차이점 ] 0.6mm 원판을두개겹쳐져있음 등선속도 (CLV) 방식이용 저장용량증가 속도제어복잡 동영상저장용 43 44

12 DVD 의데이터저장방식 단층 (single layer) 혹은복층 (double layer) 양면 (double side) : 재생중에뒤집어야하는불편있음 블루- 레이디스크 (Blu-ray Disk) 고선명 (High Definition: HD) 영상데이터저장용디스크 용량 : HD급동영상 2시간분량저장가능 (25GByte) [ 비교 ] DVD: 일반동영상 2시간분량저장 (4.7GByte) 단파장 (405nm) 의청자색레이저 (blue-violet laser) 사용 [ 비교 ] CD-ROM: 720nm 적외선, DVD: 650nm 적색레이저사용 짧은파장의레이저사용 피트 (pit) 의크기와트랙의폭축소 저장용량증가 상표등록을위하여명칭을 e e 를제외한 Blu-ray 로함 블루- 레이디스크 ( 계속 ) BD 의종류 BD-ROM : 제조과정에서만기록가능 BD-R : 한번의기록가능 BD-RE : 여러번의재기록가능 (rewritable) 디스크평판의크기 : 120mm 디스크평판의두께 : 1.2mm 대용량저장을위한핵심기술 : 레이저광의파장및보호층 (cover layer) 두께의조정 디스크단면구조 : 기판 (substrate), 기록층 (record layer), 보호층 (cover layer) 으로구성 47 48

13 블루- 레이디스크 ( 계속 ) 저장용량증가 (DVD 의 5 배 ) 방법 단파장 (405nm) 사용 데이터저장에필요한공간감소 보호층두께축소 (0.1mm) 광렌즈의 NA(numerical aperture) 를 로향상 집광을위한레이저빔의지름축소 데이터저장을위한피트의최소길이와트랙의폭을각각 0.15µm 및 0.32µm로대폭축소 블루- 레이디스크 ( 계속 ) BD 표면에서검게보이는부분 : 0 저장을위하여높은강도의레이저로피트를흠집낸상태 [ 비교 ] DVD의피트에비하여훨씬더작음 [ 참조 ] NA가커질수록, 작은지름의빔으로도데이터인식에필요한빛의양을충분히받아들이는것이가능해짐 비교 51

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6장.indd Computer Architecture C H A P TE R 06 CO NT EN TS 보조저장장치 6.1 자기 디스크 6.2 RAID 6.3 플래시 메모리와 SSD 6.4 광 저장장치 Computer Architecture CHAPTER 06 보조저장장치 이 장에서는 외부 기억장치에 해당하는 보조저장장치들에 대하여 설명하고 자 한다. 그들 중에서 시스템의