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存储器

存储器(Memory)是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。其概念很广,有很多层次,在数字系统中,只要能保存二进制数据的都可以是存储器;在集成电路中,一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫存储器,如RAM、FIFO等;在系统中,具有实物形式的存储设备也叫存储器,如内存条、TF卡等。计算机中全部信息,包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器,计算机才有记忆功能,才能保证正常工作。计算机中的存储器按用途存储器可分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存),也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等,能长期保存信息。内存指主板上的存储部件,用来存放当前正在执行的数据和程序,但仅用于暂时存放程序和数据,关闭电源或断电,数据会丢失。

存储器的主要功能是存储程序和各种 数据,并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。存储器是具有“记忆”功能的设备,它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符,例如英文字母、运算符号等,也要转换成二进制代码才能存储和操作。

存储器:存放程序和数据的器件

存储位:存放一个二进制数位的存储单元,是存储器最小的存储单位,或称记忆单元

存储字:一个数(n位二进制位)作为一个整体存入或取出时,称存储字

存储单元:存放一个存储字的若干个记忆单元组成一个存储单元

存储体:大量存储单元的集合组成存储体

存储单元地址:存储单元的编号

字编址:对存储单元按字编址

字节编址:对存储单元按字节编址

寻址:由地址寻找数据,从对应地址的存储单元中访存数据。

以存储体(大量存储单元组成的阵列)为核心,加上必要的地址译码、读写控制电路,即为存储集成电路;再加上必要的I/O接口和一些额外的电路如存取策略管理,则形成存储芯片,比如手机中常用的存储芯片。得益于新的IC制造或芯片封装工艺,现在已经有能力把DRAM和FLASH存储单元集成在单芯片里。存储芯片再与控制芯片(负责复杂的存取控制、存储管理、加密、与其他器件的配合等)及时钟、电源等必要的组件集成在电路板上构成整机,就是一个存储产品,如U盘。从存储单元(晶体管阵列)到存储集成电路再到存储设备,都是为了实现信息的存储,区别是层次的不同。

构成存储器的存储介质,存储元,它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元,然后再由许多存储单元组成一个存储器。一个存储器包含许多存储单元,每个存储单元可存放一个字节(按字节编址)。每个存储单元的位置都有一个编号,即地址,一般用十六进制表示。一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为它的存储容量。假设一个存储器的地址码由20位二进制数(即5位十六进制数)组成,则可表示2的20次方,即1M个存储单元地址。每个存储单元存放一个字节,则该存储器的存储容量为1MB。

这里只介绍动态存储器(DRAM)的工作原理。

动态存储器每片只有一条输入数据线,而地址引脚只有8条。为了形成64K地址,必须在系统地址总线和芯片地址引线之间专门设计一个地址形成电路。使系统地址总线信号能分时地加到8个地址的引脚上,借助芯片内部的行锁存器、列锁存器和译码电路选定芯片内的存储单元,锁存信号也靠着外部地址电路产生。

当要从DRAM芯片中读出数据时,CPU首先将行地址加在A0-A7上,而后送出RAS锁存信号,该信号的下降沿将地址锁存在芯片内部。接着将列地址加到芯片的A0-A7上,再送CAS锁存信号,也是在信号的下降沿将列地址锁存在芯片内部。然后保持WE=1,则在CAS有效期间数据输出并保持。

当需要把数据写入芯片时,行列地址先后将RAS和CAS锁存在芯片内部,然后,WE有效,加上要写入的数据,则将该数据写入选中的存贮单元。

由于电容不可能长期保持电荷不变,必须定时对动态存储电路的各存储单元执行重读操作,以保持电荷稳定,这个过程称为动态存储器刷新。PC/XT机中DRAM的刷新是利用DMA实现的。首先应用可编程定时器8253的计数器1,每隔1⒌12μs产生一次DMA请求,该请求加在DMA控制器的0通道上。当DMA控制器0通道的请求得到响应时,DMA控制器送出到刷新地址信号,对动态存储器执行读操作,每读一次刷新一行。

存储器

功能

寻址方式

掉电后

说明

随机存取存储器(RAM)

读、写

随机寻址

数据丢失

只读存储器(ROM)

随机寻址

数据不丢失

工作前写入数据

闪存(Flash Memory)

读、写

随机寻址

数据不丢失

先进先出存储器(FIFO)

读、写

顺序寻址

数据丢失

先进后出存储器(FILO)

读、写

顺序寻址

数据丢失

按存储介质

半导体存储器:用半导体器件组成的存储器。

磁表面存储器:用磁性材料做成的存储器。

按存储方式

随机存储器:任何存储单元的内容都能被随机存取,且存取时间和存储单元的物理位置无关。

顺序存储器:只能按某种顺序来存取,存取时间和存储单元的物理位置有关。

按读写功能

只读存储器(ROM):存储的内容是固定不变的,只能读出而不能写入的半导体存储器。

随机读写存储器(RAM):既能读出又能写入的半导体存储器。

按信息保存性

非永久记忆的存储器:断电后信息即消失的存储器。

永久记忆性存储器:断电后仍能保存信息的存储器。

按用途

根据存储器在计算机系统中所起的作用,可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。

为了解决对存储器要求容量大,速度快,成本低三者之间的矛盾,通常采用多级存储器体系结构,即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。

用途特点

高速缓冲存储器Cache 高速存取指令和数据存取速度快,但存储容量小

主存储器内存存放计算机运行期间的大量程序和数据存取速度较快,存储容量不大

外存储器外存存放系统程序和大型数据文件及数据库存储容量大,位成本低

按照与CPU的接近程度,存储器分为内存储器与外存储器,简称内存与外存。内存储器又常称为主存储器(简称主存),属于主机的组成部分;外存储器又常称为辅助存储器(简称辅存),属于外部设备。CPU不能像访问内存那样,直接访问外存,外存要与CPU或I/O设备进行数据传输,必须通过内存进行。在80386以上的高档微机中,还配置了高速缓冲存储器(cache),这时内存包括主存与高速缓存两部分。对于低档微机,主存即为内存。

把存储器分为几个层次主要基于下述原因:

1、合理解决速度与成本的矛盾,以得到较高的性能价格比。半导体存储器速度快,但价格高,容量不宜做得很大,因此仅用作与CPU频繁交流信息的内存储器。磁盘存储器价格较便宜,可以把容量做得很大,但存取速度较慢,因此用作存取次数较少,且需存放大量程序、原始数据(许多程序和数据是暂时不参加运算的)和运行结果的外存储器。计算机在执行某项任务时,仅将与此有关的程序和原始数据从磁盘上调入容量较小的内存,通过CPU与内存进行高速的数据处理,然后将最终结果通过内存再写入磁盘。这样的配置价格适中,综合存取速度则较快。

为解决高速的CPU与速度相对较慢的主存的矛盾,还可使用高速缓存。它采用速度很快、价格更高的半导体静态存储器,甚至与微处理器做在一起,存放当前使用最频繁的指令和数据。当CPU从内存中读取指令与数据时,将同时访问高速缓存与主存。如果所需内容在高速缓存中,就能立即获取;如没有,再从主存中读取。高速缓存中的内容是根据实际情况及时更换的。这样,通过增加少量成本即可获得很高的速度。

2、使用磁盘作为外存,不仅价格便宜,可以把存储容量做得很大,而且在断电时它所存放的信息也不丢失,可以长久保存,且复制、携带都很方便。

服务器在存储器环境按这样的方法分配存储器:在某个环境分配的存储器可以被环境析构器释放而不会影响其他环境中分配的存储器.所有存储器分配(通过 palloc 等)都被当作在当前环境的区域中分配存储器.如果你试图释放(或再分配)不在当前环境的存储器,你将得到不可预料的结果.

创建存储器环境和切换存储器环境是 SPI 管理器中存储器管理器的任务.

SPI过程处理两种存储器环境:上层执行器存储器环境和过程存储器环境(如果已联接).

在一个过程与SPI管理器联接之前,当前存储器环境是上层执行器环境,所以所有由过程自身通过 palloc/repalloc 或通过SPI 应用函数在联接到SPI 管理器之前分配的存储器都在这个环境里.

在进行SPI_connect 调用之后,当前环境是过程自身所有的.通过 palloc/repalloc 或通过SPI 应用函数分配的存储器(除了SPI_copytuple,SPI_modifytuple,SPI_palloc 和SPI_repalloc 以外)都在这个环境中分配.

当进程与 SPI 管理器断开(通过调用SPI_finish)后,当前环境恢复为上层执行器环境并且所有在过程存储器环境分配的存储器都被释放,并且不可继续使用!

如果你想返回一些东西给上层执行器,那么你必须为此在上层环境分配一片存储器!

SPI 不能自动释放在上层执行器环境里分配的存储器!

SPI 在查询完成后自动释放查询执行期间的存储器分配!

存储器可以是一张卡,也可以是软盘,可以是活动的,也可以是固定的,用于保存图像。

cf闪存卡

一种袖珍闪存卡,(compact flash card)。像pc卡那样插入数码相机,它可用适配器,(又称转接卡),使之适应标准的pc卡阅读器或其他的pc卡设备。cf存储卡的部分结构采用强化玻璃及金属外壳,cf存储卡采用standard ata/ide接口界面,配备有专门的pcm-cia适配器(转接卡),笔记本电脑的用户可直接在pcmcia插槽上使用,使数据很容易在数码相机与电脑之间传递。

sm闪存卡

即smart media,智能媒体卡,一种存储媒介。sm卡采用了ssfdg/flash内存卡,具有超小超薄超轻等特性,体积37(长)×45(宽)×0.76(厚)毫米,重量是1.8g,功耗低,容易升级,sm转换卡也有pcmcia界面,方便用户进行数据传送。

memory stick duo

memory stick duo即微型记忆棒,微型记忆棒的体积和重量都为普通记忆棒的三分之一左右,目前最大存储容量可以达到4g。

sd闪存卡

即SecureDigital, 32×24×2.11存储的速度快,非常小巧,外观和MMC一样,市面上较多数数码相机使用这种格式的存储卡,市场占有率第一。

xd闪存卡

即Fuji film(富士胶卷)和OLYMPUS(奥林巴斯)联合推出的xD-Picture卡,体形很小,传输速度很快,不过价格很昂贵。

mmc闪存卡

即MultiMedia Card ,外型和SD完全一样,很多时候也通用。

微硬盘

是一种比较高端的存贮产品,“Hitachi(日立)”和国产品牌“南方汇通”都推出了自己的微硬盘产品。微型硬盘外型和CF卡完全一样,使用同一型号接口。

优卡

优卡是lexar公司生产的一种数码相机存储介质,外形和一般的cf卡相同,可以用在使用cf卡的数码相机、pda、mp3等数码设备上,同时可以直接通过usb接口与计算机系统联机,用作移动存储器。

数字胶卷

数字胶卷是lexar公司生产的的一种数码相机的存储介质,同日立的sm卡、松下的sd卡、索尼的memorystick属同类的数字存储媒体。

pc卡转换器

一种接插件,可以把cf卡或sm卡插入其中,然后,整体作为一个pc卡插入计算机的pcmica插口,这是常用于便携机的一种通用扩展接口,可以接入pcmica内存卡、pcmica硬盘、pcmica调制解调器等。

存储器的类型将决定整个嵌入式系统的操作和性能,因此存储器的选择是一个非常重要的决策。无论系统是采用电池供电还是由市电供电,应用需求将决定存储器的类型(易失性或非易失性)以及使用目的(存储代码、数据或者两者兼有)。另外,在选择过程中,存储器的尺寸和成本也是需要考虑的重要因素。对于较小的系统,微控制器自带的存储器就有可能满足系统要求,而较大的系统可能要求增加外部存储器。为嵌入式系统选择存储器类型时,需要考虑一些设计参数,包括微控制器的选择、电压范围、电池寿命、读写速度、存储器尺寸、存储器的特性、擦除/写入的耐久性以及系统总成本。

1.内部存储器与外部存储器

一般情况下,当确定了存储程序代码和数据所需要的存储空间之后,设计工程师将决定是采用内部存储器还是外部存储器。通常情况下,内部存储器的性价比最高但灵活性最低,因此设计工程师必须确定对存储的需求将来是否会增长,以及是否有某种途径可以升级到代码空间更大的微控制器。基于成本考虑,人们通常选择能满足应用要求的存储器容量最小的微控制器,因此在预测代码规模的时候要必须特别小心,因为代码规模增大可能要求更换微控制器。

市场上存在各种规模的外部存储器器件,我们很容易通过增加存储器来适应代码规模的增加。有时这意味着以封装尺寸相同但容量更大的存储器替代现有的存储器,或者在总线上增加存储器。即使微控制器带有内部存储器,也可以通过增加外部串行EEPROM或闪存来满足系统对非易失性存储器的需求。

2.引导存储器

在较大的微控制器系统或基于处理器的系统中,设计工程师可以利用引导代码进行初始化。应用本身通常决定了是否需要引导代码,以及是否需要专门的引导存储器。例如,如果没有外部的寻址总线或串行引导接口,通常使用内部存储器,而不需要专门的引导器件。但在一些没有内部程序存储器的系统中,初始化是操作代码的一部分,因此所有代码都将驻留在同一个外部程序存储器中。某些微控制器既有内部存储器也有外部寻址总线,在这种情况下,引导代码将驻留在内部存储器中,而操作代码在外部存储器中。这很可能是最安全的方法,因为改变操作代码时不会出现意外地修改引导代码。在所有情况下,引导存储器都必须是非易失性存储器。

3.配置存储器

对于现场可编程门阵列(FPGA)或片上系统(SoC),人们使用存储器来存储配置信息。这种存储器必须是非易失性EPROM、EEPROM或闪存。大多数情况下,FPGA采用SPI接口,但一些较老的器件仍采用FPGA串行接口。串行EEPROM或闪存器件最为常用,EPROM用得较少。

4.程序存储器

所有带处理器的系统都采用程序存储器,但设计工程师必须决定这个存储器是位于处理器内部还是外部。在做出了这个决策之后,设计工程师才能进一步确定存储器的容量和类型。当然有的时候,微控制器既有内部程序存储器也有外部寻址总线,此时设计工程师可以选择使用它们当中的任何一个,或者两者都使用。这就是为什么为某个应用选择最佳存储器的问题,常常由于微控制器的选择变得复杂起来,以及为什么改变存储器的规模也将导致改变微控制器的选择的原因。

如果微控制器既利用内部存储器也利用外部存储器,则内部存储器通常被用来存储不常改变的代码,而外部存储器用于存储更新比较频繁的代码和数据。设计工程师也需要考虑存储器是否将被在线重新编程或用新的可编程器件替代。对于需要重编程功能的应用,人们通常选用带有内部闪存的微控制器,但带有内部OTP或ROM和外部闪存或EEPROM的微控制器也满足这个要求。为降低成本,外部闪存可用来存储代码和数据,但在存储数据时必须小心避免意外修改代码。

在大多数嵌入式系统中,人们利用闪存存储程序以便在线升级固件。代码稳定的较老的应用系统仍可以使用ROM和OTP存储器,但由于闪存的通用性,越来越多的应用系统正转向闪存。

5.数据存储器

与程序存储器类似,数据存储器可以位于微控制器内部,或者是外部器件,但这两种情况存在一些差别。有时微控制器内部包含SRAM(易失性)和EEPROM(非易失)两种数据存储器,但有时不包含内部EEPROM,在这种情况下,当需要存储大量数据时,设计工程师可以选择外部的串行EEPROM或串行闪存器件。当然,也可以使用并行EEPROM或闪存,但通常它们只被用作程序存储器。

当需要外部高速数据存储器时,通常选择并行SRAM并使用外部串行EEPROM器件来满足对非易失性存储器的要求。一些设计还将闪存器件用作程序存储器,但保留一个扇区作为数据存储区。这种方法可以降低成本、空间并提供非易失性数据存储器。

针对非易失性存储器要求,串行EEPROM器件支持I2C、SPI或微线(Microwire)通讯总线,而串行闪存通常使用SPI总线。由于写入速度很快且带有I2C和SPI串行接口,FRAM在一些系统中得到应用。

6.易失性和非易失性存储器

存储器可分成易失性存储器或者非易失性存储器,前者在断电后将丢失数据,而后者在断电后仍可保持数据。设计工程师有时将易失性存储器与后备电池一起使用,使其表现犹如非易失性器件,但这可能比简单地使用非易失性存储器更加昂贵。然而,对要求存储器容量非常大的系统而言,带有后备电池的DRAM可能是满足设计要求且性价比很高的一种方法。

在有连续能量供给的系统中,易失性或非易失性存储器都可以使用,但必须基于断电的可能性做出最终决策。如果存储器中的信息可以在电力恢复时从另一个信源中恢复出来,则可以使用易失性存储器。

选择易失性存储器与电池一起使用的另一个原因是速度。尽管非易失存储器件可以在断电时保持数据,但写入数据(一个字节、页或扇区)的时间较长。

7.串行存储器和并行存储器

在定义了应用系统之后,微控制器的选择是决定选择串行或并行存储器的一个因素。对于较大的应用系统,微控制器通常没有足够大的内部存储器,这时必须使用外部存储器,因为外部寻址总线通常是并行的,外部的程序存储器和数据存储器也将是并行的。

较小的应用系统通常使用带有内部存储器但没有外部地址总线的微控制器。如果需要额外的数据存储器,外部串行存储器件是最佳选择。大多数情况下,这个额外的外部数据存储器是非易失性的。

根据不同的设计,引导存储器可以是串行也可以是并行的。如果微控制器没有内部存储器,并行的非易失性存储器件对大多数应用系统而言是正确的选择。但对一些高速应用,可以使用外部的非易失性串行存储器件来引导微控制器,并允许主代码存储在内部或外部高速SRAM中。

8.EEPROM与闪存

存储器技术的成熟使得RAM和ROM之间的界限变得很模糊,如今有一些类型的存储器(如EEPROM和闪存)组合了两者的特性。这些器件像RAM一样进行读写,并像ROM一样在断电时保持数据,它们都可电擦除且可编程,但各自有它们优缺点。

从软件角度看,独立的EEPROM和闪存器件是类似的,两者主要差别是EEPROM器件可以逐字节地修改,而闪存器件只支持扇区擦除以及对被擦除单元的字、页或扇区进行编程。对闪存的重新编程还需要使用SRAM,因此它要求更长的时间内有更多的器件在工作,从而需要消耗更多的电池能量。设计工程师也必须确认在修改数据时有足够容量的SRAM可用。

存储器密度是决定选择串行EEPROM或者闪存的另一个因素。市场上可用的独立串行EEPROM器件的容量在128KB或以下,独立闪存器件的容量在32KB或以上。

如果把多个器件级联在一起,可以用串行EEPROM实现高于128KB的容量。很高的擦除/写入耐久性要求促使设计工程师选择EEPROM,因为典型的串行EEPROM可擦除/写入100万次。闪存一般可擦除/写入1万次,只有少数几种器件能达到10万次。

今天,大多数闪存器件的电压范围为2.7V到3.6V。如果不要求字节寻址能力或很高的擦除/写入耐久性,在这个电压范围内的应用系统采用闪存,可以使成本相对较低。

9.EEPROM与FRAM

EEPROM和FRAM的设计参数类似,但FRAM的可读写次数非常高且写入速度较快。然而通常情况下,用户仍会选择EEPROM而不是FRAM,其主要原因是成本(FRAM较为昂贵)、质量水平和供货情况。设计工程师常常使用成本较低的串行EEPROM,除非耐久性或速度是强制性的系统要求。

DRAM和SRAM都是易失性存储器,尽管这两种类型的存储器都可以用作程序存储器和数据存储器,但SRAM主要用于数据存储器。DRAM与SRAM之间的主要差别是数据存储的寿命。只要不断电,SRAM就能保持其数据,但DRAM只有极短的数据寿命,通常为4毫秒左右。

与SRAM相比,DRAM似乎是毫无用处的,但位于微控制器内部的DRAM控制器使DRAM的性能表现与SRAM一样。DRAM控制器在数据消失之前周期性地刷新所存储的数据,所以存储器的内容可以根据需要保持长时间。

由于比特成本低,DRAM通常用作程序存储器,所以有庞大存储要求的应用可以从DRAM获益。它的最大缺点是速度慢,但计算机系统使用高速SRAM作为高速缓冲存储器来弥补DRAM的速度缺陷。

10、云储存

和传统存储相比,云存储系统具有如下优势:优异性能支持高并发、带宽饱和利用。云存储系统将控制流和数据流分离,数据访问时多个存储服务器同时对外提供服务,实现高并发访问。自动均衡负载,将不同客户端的访问负载均衡到不同的存储服务器上。系统性能随节点规模的增加呈线性增长。系统的规模越大,云存储系统的优势越明显, 没有性能瓶颈。高度可靠针对小文件采用多个数据块副本的方式实现冗余可靠,数据在不同的存储节点上具有多个块副本,任意节点发生故障,系统将自动复制数据块副本到新的存储节点上,数据不丢失,实现数据完整可靠;针对大文件采用超安存(S3)编解码算法的方式实现高度可靠,任意同时损坏多个存储节点,数据可通过超安存算法解码自动恢复。该特性可适用于对数据安全级别极高的场合,同时相对于副本冗余的可靠性实现方式大大提高了磁盘空间利用率,不到40%的磁盘冗余即可实现任意同时损坏三个存储节点而不丢失数据。元数据管理节点采用双机镜像热备份的高可用方式容错,其中一台服务器故障,可无缝自动切换到另一台服务器,服务不间断。整个系统无单点故障,硬件故障自动屏蔽。在线伸缩可以在不停止服务的情况下,动态加入新的存储节点,无需任何操作,即可实现系统容量从TB级向PB级平滑扩展;也可以摘下任意节点,系统自动缩小规模而不丢失数据,并自动将再下的节点上的数据备份到其他节点上,保证整个系统数据的冗余数。超大规模支持超大规模集群,理论容量为1024×1024×1024PB。简单通用支持POSIX接口规范,支持Windows/Linux/Mac OS X,用户当成海量磁盘使用,无需修改应用。同时系统也对外提供专用的API访问接口。智能管理一键式安装,智能化自适应管理,简单方便的监控界面,无需学习即可使用。云存储系统所有管理工作由云存储系统管理监控中心完成,使用人员无需任何专业知识便可以轻松地管理整个系统。通过专业的分布式集群监控子系统对所有节点实行无间断监控,用户通过界面可以清楚地了解到每一个节点的运行情况。

尽管我们几乎可以使用任何类型的存储器来满足嵌入式系统的要求,但终端应用和总成本要求通常是影响我们做出决策的主要因素。有时,把几个类型的存储器结合起来使用能更好地满足应用系统的要求。例如,一些PDA设计同时使用易失性存储器和非易失性存储器作为程序存储器和数据存储器。把永久的程序保存在非易失性ROM中,而把由用户下载的程序和数据存储在有电池支持的易失性DRAM中。不管选择哪种存储器类型,在确定将被用于最终应用系统的存储器之前,设计工程师必须仔细折中考虑各种设计因素。

存储器测试的目的是确认在存储设备中的每一个存储位置都在工作。换一句话说,如果你把数50存储在一个具体的地址,你希望可以找到存储在那里的那个数,直到另一个数写入。任何存储器测试的基本方法是,往存储器写入一些数据,然后根据内存设备的地址,校验读回的数据。如果所有读回的数据和那些写入的数据是一样的,那么就可以说存储设备通过了测试。只有通过认真选择的一组数据你才可以确信通过的结果是有意义的。

当然,像刚才描述的有储器的测试不可避免地具有破坏性。在内存测试过程中,你必须覆盖它原先的内容。因为重写非易失性存储器内容通常来说是不可行的,这一部分描述的测试通常只适用于RAM 的测试。

一,普通的存储器问题

在学习具体的测试算法之前,你应该了解可能遇到的各种存储器问题。在软件工程师中一个普遍的误解是,大部分的存储器问题发生在芯片的内部。尽管这类问题一度是一个主要的问题,但是它们在日益减少。存储设备的制造商们对于每一个批量的芯片都进行了各种产品后期测试。因此,即使某一个批量有问题,其中某个坏芯片进人到你的系统的可能性是微乎其微的。

你可能遇到的一种类型的存储芯片问题是灾难性的失效。这通常是在加工好之后芯片受到物理或者是电子损伤造成的。灾难性失效是少见的,通常影响芯片中的大部分。因为一大片区域受到影响,所以灾难性的失效当然可以被合适的测试算法检测到。

存储器出问题比较普遍的原因是电路板故障。典型的电路板故障有:

(1)在处理器与存储设备之间的连线问题

(2)无存储器芯片

(3)存储器芯片的不正确插人

二,测试策略

最好有三个独立的测试:数据总线的测试、地址总线的测试以及设备的测试。前面两个测试针对电子连线的问题以及芯片的不正确插入;第三个测试更倾向于检测芯片的有无以及灾难性失效。作为一个意外的结果,设备的测试也可以发现控制总线的问题,尽管它不能提供关于问题来源的有用信息。

执行这三个测试的顺序是重要的。正确的顺序是:首先进行数据总线测试,接着是地址总线测试,最后是设备测试。那是因为地址总线测试假设数据总线在正常工作,除非数据总线和地址总线已知是正常的,否则设备测试便毫无意义。如果任何测试失败,你都应该和一个硬件工程师一起确定问题的来源。通过查看测试失败处的数据值或者地址,应该能够迅速地找出电路板上的问题。

1,数据总线测试

我们首先要测试的就是数据总线。我们需要确定任何由处理器放置在数据总线上的值都被另一端的存储设备正确接收。最明显的测试方法就是写人所有可能的数据值并且验证存储设备成功地存储了每一个。然而,那并不是最有效率的测试方法。一个更快的测试方法是一次测试总线上的一位。如果每一个数据上可被设置成为 0 和1,而不受其他数据位的影响,那么数据总线就通过了测试。

2,地址总线测试

在确认数据总线工作正常之后,你应该接着测试地址总线。记住地址总线的问题将导致存储器位置的重叠。有很多可能重叠的地址。然而,不必要测试每一个可能的组合。你应该努力在测试过程中分离每一个地址位。你只需要确认每一个地址线的管脚都可以被设置成0和 1,而不影响其他的管脚。

3,设备测试

一旦你知道地址和数据总线是正确的,那么就有必要测试存储设备本身的完整性。要确认的是设备中的每一位都能够保持住0和 1。这个测试实现起来十分简单,但是它花费的时间比执行前面两项测试花费的总时间还要长。

对于一个完整的设备测试,你必须访问(读和写)每一个存储位置两次。你可以自由地选择任何数据作为第一步测试的数据,只要在进行第二步测试的时候把这个值求反即可。因为存在没有存储器芯片的可能性,所以最好选择一组随着地址变化(但是不等于地址)的数。优化措施

市场上并不缺少提高数据存储效率的新技术,然而这些新技术绝大多数都是关注备份和存档的,而非主存储。但是,当企业开始进行主存储数据缩减时,对他们来说,了解主存储优化所要求的必要条件十分重要。

主存储,常常被称为1级存储,其特征是存储活跃数据——即经常被存取并要求高性能、低时延和高可用性的数据。主存储一般用于支持关键任务应用,如数据库、电子邮件和交易处理。大多数关键应用具有随机的数据取存模式和不同的取存要求,但它们都生成机构用来运营它们的业务的大量的数据。因此,机构制作数据的许多份拷贝,复制数据供分布使用,库存数据,然后为安全保存备份和存档数据。

绝大多数数据是起源于主数据。随着数据存在的时间增加,它们通常被迁移到二级和三级存储保存。因此,如果机构可以减少主数据存储占用空间,将能够在数据生命期中利用这些节省下来的容量和费用。换句话说,更少的主存储占用空间意味着更少的数据复制、库存、存档和备份。

试图减少主存储占用空间存储管理人员可以考虑两种减少数据的方法:实时压缩和数据去重。

直到不久前,由于性能问题,数据压缩一直没有在主存储应用中得到广泛应用。然而,Storwize等厂商提供利用实时、随机存取压缩/解压技术将数据占用空间压缩15:1的解决方案。更高的压缩率和实时性能使压缩解决方案成为主存储数据缩减的可行的选择。

在备份应用中广泛采用的数据去重技术也在被应用到主存储。目前为止,数据去重面临着一大挑战,即数据去重处理是离线处理。这是因为确定数量可能多达数百万的文件中的多余的数据块需要大量的时间和存储处理器做大量的工作,因此非常活跃的数据可能受到影响。当前,推出数据去重技术的主要厂商包括NetApp、Data Domain和OcarinaNetworks。

一、零性能影响

与备份或存档存储不同,活跃数据集的性能比能够用某种形式的数据缩减技术节省的存储容量更为关键。因此,选择的数据缩减技术必须不影响到性能。它必须有效和简单;它必须等价于“拨动一个开关,就消耗更少的存储”。

活跃存储缩减解决方案只在需要去重的数据达到非活跃状态时才为活跃存储去重。换句话说,这意味着实际上只对不再被存取但仍保存在活跃存储池中的文件——近活跃存储级——进行去重。

去重技术通过建议只对轻I/O工作负载去重来避免性能瓶颈。因此,IT基础设施的关键组件的存储没有得到优化。数据库排在关键组件清单之首。由于它们是1级存储和极其活跃的组件并且几乎始终被排除在轻工作负载之外,去重处理从来不分析它们。因此,它们在主存储中占据的空间没有得到优化。

另一方面,实时压缩系统实时压缩所有流经压缩系统的数据。这导致节省存储容量之外的意外好处:存储性能的提高。当所有数据都被压缩时,每个I/O请求提交的数据量都有效地增加,硬盘空间增加了,每次写和读操作都变得效率更高。

实际结果是占用的硬盘容量减少,总体存储性能显著提高。

主存储去重的第二个好处是所有数据都被减少,这实现了包括数据库在内的所有数据的容量节省。尽管Oracle环境的实时数据压缩可能造成一些性能问题,但迄今为止的测试表明性能提高了。

另一个问题是对存储控制器本身的性能影响。人们要求今天的存储控制器除了做伺服硬盘外,还要做很多事情,包括管理不同的协议,执行复制和管理快照。再向这些功能增加另一个功能可能会超出控制器的承受能力——即使它能够处理额外的工作负载,它仍增加了一个存储管理人员必须意识到可能成为潜在I/O瓶颈的过程。将压缩工作交给外部专用设备去做,从性能问题中消除了一个变数,而且不会给存储控制器造成一点影响。

二、高可用性

许多关注二级存储的数据缩减解决方案不是高可用的。这是由于它们必须立即恢复的备份或存档数据不像一级存储中那样关键。但是,甚至在二级存储中,这种概念也逐渐不再时兴,高可用性被作为一种选择添加到许多二级存储系统中。

可是,高可用性在主存储中并不是可选的选项。从数据缩减格式(被去重或被压缩)中读取数据的能力必须存在。在数据缩减解决方案中(其中去重被集成到存储阵列中),冗余性是几乎总是高可用的存储阵列的必然结果。

在配件市场去重系统中,解决方案的一个组件以数据的原始格式向客户机提供去重的数据。这个组件就叫做读出器(reader)。读出器也必须是高可用的,并且是无缝地高可用的。一些解决方案具有在发生故障时在标准服务器上加载读出器的能力。这类解决方案经常被用在近活跃的或更合适的存档数据上;它们不太适合非常活跃的数据集。

多数联机压缩系统被插入系统中和网络上,放置(逻辑上)在交换机与存储之间。因此,它们由于网络基础设施级上几乎总是设计具有的高可用性而取得冗余性。沿着这些路径插入联机专用设备实现了不需要IT管理人员付出额外努力的无缝的故障切换;它利用了已经在网络上所做的工作。

三、节省空间

部署这些解决方案之一必须带来显著的容量节省。如果减少占用容量的主存储导致低于标准的用户性能,它没有价值。

主数据不具有备份数据通常具有的高冗余存储模式。这直接影响到总体容量节省。这里也有两种实现主数据缩减的方法:数据去重和压缩。

数据去重技术寻找近活跃文件中的冗余数据,而能取得什么水平的数据缩减将取决于环境。在具有高冗余水平的环境中,数据去重可以带来显著的ROI(投资回报),而另一些环境只能取得10%到20%的缩减。

压缩对所有可用数据都有效,并且它在可以为高冗余数据节省更多的存储容量的同时,还为主存储应用常见的更随机的数据模式始终带来更高的节省。

实际上,数据模式冗余度越高,去重带来的空间节省就越大。数据模式越随机,压缩带来的空间节省就越高。

四、独立于应用

真正的好处可能来自所有跨数据类型(不管产生这些数据是什么应用或数据有多活跃)的数据缩减。虽然实际的缩减率根据去重数据的水平或数据的压缩率的不同而不同,但所有数据都必须合格。

当涉及存档或备份时,应用特有的数据缩减具有明确的价值,并且有时间为这类数据集定制缩减过程。但是对于活跃数据集,应用的特殊性将造成性能瓶颈,不会带来显著的容量缩减的好处。

五、独立于存储

在混合的厂商IT基础设施中,跨所有平台使用同样的数据缩减工具的能力不仅将进一步增加数据缩减的ROI好处,而且还简化了部署和管理。每一个存储平台使用一种不同的数据缩减方法将需要进行大量的培训,并造成管理级上的混乱。

六、互补

在完成上述所有优化主存储的工作后,当到了备份主存储时,最好让数据保持优化的格式(被压缩或去重)。如果数据在备份之前必须扩展恢复为原始格式,这将是浪费资源。

为备份扩展数据集将需要:

使用存储处理器或外部读出器资源解压数据;

扩展网络资源以把数据传送给备份目标;

把额外的资源分配给保存备份数据的备份存储设备。


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