Unitati de Discuri Dure

Capitolul III: Uniti de hard-disc 67

Capitolul III UNITI DE DISCURI DURE Alturi de memorii i procesoare, hard discurile au fost obiectul unor dezvoltri la capaciti din ce n ce mai mari (cu o scdere constant a preurilor) n ultimii 15 ani. Primul hard disc pentru XT (cu excepionala capacitate de 10MB!) costa mai mult de 3000$ cnd a fost introdus; acesta avnd un timp de acces mai mare de 100 ms. Un alt nume comun pentru hard disc este cel de disc winchester, din motive istorice: n 1960 IBM introducea pe pia un dispozitiv hard disc de mrimea unui dulap, cu capacitatea total de 60MB: 30MB erau instalai permanent, iar alt disc (de asemenea de 30MB) putea fi scos i nlocuit. Ca o prescurtare, acest drive a fost de altfel numit un "30-30" (30MB instalai i 30MB capacitate de memorare amovibil). Fanii lui John Wayne poate i amintesc c el avea ntotdeauna al sau Winchester 30 pregtit! Astfel saltul mental de a numi drive-ul 30-30 - Winchester nu a fost prea departe. Bineneles, acesta nu are nimic de-a face cu armele, dar termenul a rmas pn azi. Avansul tehnologic din ultimii 15 ani poate fi vzut n faptul c drive-ul Seagate ST506, introdus pe pia n 1980 cu discul su de 5 1/4", avea capacitatea de numai 5 MB. Succesorul su ST412 avea deja capacitatea de 10MB (numele interfetei ST506/412 vine de la aceste uniti). Cu cele 4 capete ale sale i 17 sectoare pe pist ST412 avea numai 150-300 cilindri. Astzi, modelele uzuale au peste 100 sectoare pe pist, i 5000 cilindri la o mrime a discului ntre 2" i 3 1/2". Conceptele avansate de interfaare care in seama de marea dezvoltare a microelectronicii i noi metode de codificare devin de aceea absolut necesare. n urmtoarele seciuni se vor da informaii privind standardul ST506/412 i de asemenea despre concepte mai avansate ca IDE, ESDI i SCSI. III.1 STRUCTURA I FUNCIONAREA HARD-DISCURILOR III.1.1 Ansamblul capete-disc Diferenele ntre discurile flexibile i cele dure, principial, nu sunt prea semnificative, dar cele din urm sunt pe departe mult mai puternice. ntr-un

68 Echipamente periferice

hard disc suportul de memorare al datelor este un disc dur rotitor, spre deosebire de floppy-urile flexibile. Datele sunt organizate n piste i sectoare, ca i n cazul floppy-urilor, n timp ce accesul la date este realizat prin micarea capului de scriere/citire de un dispozitiv de poziionare cu bra oscilant. Dar echipamentul mecanic i controlul dispozitivului hard disc este pe departe mult mai elaborat pentru a realiza o capacitate mare i performane ridicate. Figura 3.1 prezint interiorul unui hard disc. n figur, a fost scoas partea ce acoperea ansamblul capete-disc.

Figura 3.1 Unitate hard-disc Hard discul este alctuit din componente mecanice i electronice care sunt special protejate de mediul extern. Discurile, capetele, dispozitivul de poziionare i dispozitivul de antrenare a discurilor driver-ului fac parte din ansamblul capete-disc. Controlerul electronic este plasat pe o plac exterioar. Viteza de rotaie a axului motor al hard discului este stabilizat de un circuit de control cu reacie negativ (feedback); astfel discurile sunt rotite cu o vitez constant de peste 3600 rotaii/minut (pn la 15000 rot/min n prezent). Circuitul de control reduce variaiile de rotaie cu aproximativ 0,3% iar la driver-ele de nalt calitate chiar la 0,1%. Aceasta nseamn ca platanele hard discului se rotesc de peste 10 ori mai repede dect un floppy. mpreun cu creterea vitezei de rotaie are loc o cretere de peste 100 ori a cantitii datelor ce sunt vehiculate pe secund pe sub capul hard discului comparativ cu un floppy de 1.44 Mb. Astfel, drive-ul i controlerul electronic au nevoie s fie


mult mai puternice dect dispozitivele floppy. n timp ce ntr-un floppy drive poi s introduci un floppy disc cu cel mult 2 fee, cele mai multe hard discuri gzduiesc 2 pn la 8 discuri. Doar hard discurile foarte mici de 2" pentru laptop-uri au un singur disc (de mare capacitate). Cum fiecare disc are dou fee, sunt necesare de la 4 la 16 capete plasate la extremitatea braului port capete ca i n cazul driver-ului floppy. Toate capetele sunt fixate pe aceelai dispozitiv de poziionare i sunt micate n comun de acesta. Astfel, capetele se interpun ntre discuri sub forma unui pieptene sau sub forma unor cleti. Figura 3.2 prezint aceasta grafic. Ca i n cazul floppy drivere-lor, de obicei cel mult un cap este activ pentru a scrie sau citi datele. Doar modelele extrem de puternice pot activa mai multe capete simultan pentru a crete rata de transfer. Dispozitivul de poziionare al capetelor este acionat de un motor pas cu pas sau de un motor liniar. Amndou realizeaz poziionarea capetelor pe pista sau cilindrul corespunzator. Detalii despre discuri, capete i dispozitivul de poziionare a capetelor sunt date mai jos.

Figura 3.2 Capete i discuri. Fiecare suprafa de disc este alocat unui cap care este fixat la captul unui bra de acces. Toate braele i capetele sunt micate n comun de un singur dispozitiv de poziionare.


Discul Astzi, hard discurile uzuale au o dimensiune a discului de 3 1/2". Pentru laptop-uri sunt de asemena disponibile drivere de 2" i exist chiar discuri miniaturale cu numai 1" diametru (cu o capacitate incredibil de stocare). Exist hard discuri cu platane cu un diametru de 8" sau 14", dar ele sunt utilizate n special n main-frame-uri. Astzi, aliajele de aluminiu sunt n principal utilizate ca material pentru discuri; pentru c ele sunt uoare dar mecanic stabile. Masa mic a discurilor din aluminiu comparativ cu discurile realizate din fier, deci ineria mic, dau importan faptului c viteza de rotaie operaional este atins mult mai repede la pornire. Aceasta este foarte important pentru hard discurile care sunt oprite des pentru a economisi energia, n laptop-uri i note-book-uri i care trebuie accelerate iari dac un acces este cerut. Un nveli magnetizabil (mediul de stocare al datelor) este depozitat pe discul de aluminiu. Comparativ cu floppy-urile, marea densitate a biilor necesit substane magnetice speciale; uzual cobalt sau anumite substane fero-ceramice. Pentru realizarea nveliului discurilor de aluminiu exist 2 metode: n metoda cu nveli de ferit un solvent cu ferit este aruncat aproape de centrul discului i discul este rotit cu o vitez mare. Datorit forei centrifuge, solventul i deci ferita se mic spre circumferin. Dup ce solventul s-a vaporizat, un strat regulat de ferit, de grosime 1-2m rmne pe dispozitivul de memorare de aluminiu. Apoi, stratul de ferit este ntrit, sau un strat protector subire, dar solid este depozitat pe el. n final, discul este lustruit pentru ca orice mic neregularitate care poate deranja trecera capului s fie teras. Datorit feritei discul capt o culoare roiatica sau cafenie. Aceast culoare este un indiciu clar c discul a fost nvelit cu ferit. Metoda este folosit la discurile de densitate mic i medie a datelor. Pentru discurile cu capacitate mai mare de 200MB per fa, stratul magnetic este depozitat prin galvanizare sau prin stropire. Obiectul care va fi galvanizat este scufundat ntr-o sare coninnd ioni ai materialului cu care obiectul va fi acoperit. Dac obiectului care va fi galvanizat i se aplic un potenial negativ, ionii de metal migreaz spre el, se descarc i se depun uniform pe obiect. n acest mod se acoper discul de alumimiu al hard-discurilor cu cobalt. Rezultatul este un strat tare i neted de cobalt cu o grosime doar de 0.1-0.2 m. Acesta corespunde unui strat de doar cteva sute de atomi. Grosimea poate fi uor controlat prin curentul de galvanizare i durata procesului de galvanizare. La metoda prin stropire, metalul cu care discul va fi acoperit este pulverizat cu o radiaie de ioni n vid. Atomii se mic spre obiectul care va fi acoperit (aici discul de Al) i se depun pe el ntr-un strat regulat i tare de 0.05-0.2 m. n acest caz grosimea poate fi uor controlat de fora de iradiere a


ionilor i de timpul de stropire. Apoi, un strat subire de grafit este depus pentru a proteja mediul magnetic mpotriva defectelor mecanice. Un hard-disc acoperit prin metoda galvanizarii sau stropirii strlucete ca o oglind i este mult mai rezistent la o zgriere a capului (datorat de exemplu unei trepidaii puternice i atingerea de ctre capete a discului n timp ce acesta se rotete) dect discurile acoperite cu ferit. Uzual, biii datelor sunt nregistrai ntr-un mod liniar astfel c forma magnetizarii n interiorul discului este plan. Dac v imaginai magnetizarea pentru un bit de date ca o bar magnetic atunci acesta nseamn c fiecare bar magnetic este aliniat pe direcia pistei sau n direcie opus ei, depinznd de valoarea bitului. n afar de aceste metode, exist de asemenea hard-discuri cu nregistrare vertical. Aici barele magnetice nu mai sunt coliniare cu pista, ci sunt perpendiculare sau verticale pe discul de Al. Astfel, nregistrarea este plasat n adancime n mediul de memorare al datelor i poate fi realizat o densitate mult mai mare a bitilor. Numrul schimbrilor de flux care poate fi suportat este decisiv pentru capacitatea unui disc. De amintit c doar schimbarea magnetizarii (un flux alternant) poate genera un semnal n capetele de citire/scriere. Numrul schimbrilor de flux este indicat de parametrul FCI (Flux Change per Inch). De notat c densitatea biilor (BPI) nu depinde numai de numrul schimbrilor de flux ci i de metoda de codificare folosit. La hard-discurile RLL numrul schimbarilor de flux este cu 50% mai mic dect numarul BPI-urilor. Metoda de codificare RLL este att de puternic nct un bit poate fi codificat cu mai puin de o singur schimbare de flux. n contrast, vechea metoda FM cere dou schimbri de flux pentru fiecare bit, i anume: una pentru ceas i una pentru dat. Fr creterea calitii mecanice a discului (care este exprimat de FCI) doar folosirea unei alte metode de nregistrare poate crete cantitatea de date stocabil de 3 ori. Discul rmne la fel; doar componentele electronice folosite devin mai complexe din cauza metodei de codificare mult mai extinse.

Capetele Ca i n cazul floppy-discurilor, capetele de citire/scriere nscriu date pe disc sub forma unei magnetizri scurte sau detecteaz aceste magnetizri ca bii de date. Dar creterea semnificativ a densitii de pe hard-disc necesit noi tehnologii comparativ cu floppy-urile. Cum am vzut deja n figura 3.3 pentru fiecare fa a discului este disponibil un cap dedicat, dar toate capetele sunt micate n comun de un singur dispozitiv de poziionare.Cu ct capul este mai


mic se obine o magnetizare mai fin. Un cap mic nseamn de asemenea mas mic i deci inerie mic. Astfel, capetele pot fi poziionate mai rapid. Pentru a genera i detecta zone de magnetizare mic pe suportul de memorare a datelor este necesar ca, capetele s fie la o distan ct mai mic posibil de suprafaa discului. Figura 3.3 ne prezint motivele.

Figura 3.3 Distana cap-suprafa disc i dimensiunea regiunii de magnetizare. Cmpul magnetic nu este emanat din fant ntr-o anumit direcie ci mai mult sub form de semicerc. Astfel distana dintre cap i disc determin regiunea elementar de magnetizare Cmpul magnetic generat de capul de citire/scriere nu trebuie s fie focalizat aa cum este prezentat n figura 3.3 (partea stng). n schimb, el trebuie s se ntind n exterior aproape emisferic cu o concentraie vertical uoara ctre disc (figura 3.3 -dreapta). Se poate vedea c dimensiunea orizontal a cmpului magnetic pe suprafaa discului este aproape aceeai ca distana dintre cap i disc dar, dimensiunea cmpului magnetic determin direct cea mai mic regiune a mediului care poate fi magnetizat ntr-o direcie. Aceasta nseamn c densitatea de nregistrare poate fi crescut doar prin reducerea distanei cap - disc. De aceea se ncearc s se fac capetele ct mai mici posibil i, de asemenea, poziia lor s fie ct mai aproape de disc. Desigur, mediul magnetic trebuie de asemenea s fie de o granulaie suficient de fin.


Exist mai multe tehnologii pentru fabricarea capetelor: capete cu ferit, capete peliculare i capete magneto-rezistive. Capetele cu ferit au un pre de cost mic i aparin vechii generaii de capete. Ele genereaz cmpul magnetic printr-o bobin cu miez de ferit ca cea descris la floppy. Capetele lucreaz ca un simplu electromagnet convenional. Bobinarea nu poate fi miniaturizat pentru orice supori astfel c mrimea capetelor cu ferit este limitat la mrimi mici. Astfel consumul de energie al dispozitivului de poziionare se mrete. Capetele peliculare sunt virtual un produs al microelectronicii i al metodelor sale de fabricaie. Cipurile semiconductoare sunt realizate prin depunerea i gravarea unor straturi diferite de siliciu. Acest tehnic se aplic i capetelor de citire/scriere ale hard-discurilor. Capetele nu se mai formeaz prin bobinarea firelor n jurul miezului de ferit ci prin intermediul unor straturi subiri. Rezultatul este un cap microscopic ca mrime i foarte uor care totui este capabil s genereze un cmp magnetic destul de puternic. Din cauza distanei mici dintre cap i disc, cmpul generat de cap nu trebuie s fie la fel de puternic ca n cazul capetelor cu ferit. Astfel, pe suportul de date capetele cu pelicul subire genereaz un cmp suficient de puternic pentru a magnetiza zonele de cobalt. Capetele magneto-rezistive reprezint cea mai nou tehnologie, oferind cea mai nalt performan la ora actual. Capetele magneto-rezistive se bazeaz pe faptul c rezistena unui conductor scade puin n prezena unui cmp magnetic extern. n loc de a detecta tranziiile de flux emind o tensiune, ca un cap obinuit, capul magneto-rezistiv detecteaz schimbarea de flux i i schimb rezistena. Pentru c principiul magneto-rezistiv se aplic numai la citirea datelor i nu este folosit la scriere, capetele magneto-rezistive sunt de fapt dou capete ntr-unul: un cap pelicular inductiv standard pentru scrierea datelor i un cap magneto-rezistiv pentru citire. Fiecare cap poate fi optimizat pentru rolul su: capul de citire va avea un ntrefier ngust pentru rezoluii mari, iar capul de scriere va avea un ntrefier mai lat pentru o penetrare mai adnc a fluxului magnetic. ntrefierul de scriere va nregistra o pist mai lat dect citete ntrefierul de citire. Astfel, capul de citire nu risc s culeag informaie magnetic parazit de pe pistele adiacente. Cnd drive-ul este oprit capetele sunt n contact cu discul. Majoritatea drive-lor de azi "parcheaz" capetele pe o pist rezervat acestui scop, pist care nu este folosit pentru nregistrarea datelor. Aceast lucru previne zgrierea de ctre capete, a zonei ocupate de datele stocate, pe durata accelerrii, la conectarea tensiunii. Cnd motorul ncepe s roteasc discul, acesta scoate n afar aerul nconjurtor asemeni unui ventilator i se produce un curent de aer. Acest curent de aer este suficient de puternic pentru a genera o pern de aer


deasupra discului; astfel capetele se ridic de pe suprafaa discului i se plimb la o distan microscopic de suprafaa discului pe aceast pern de aer fr s ating discul. Distanele tipice sunt 1m pentru capetele de ferit i 0.2-0.5m n cazul capetelor cu pelicul subire. Figura 3.4 ne prezint o comparaie ntre mrimi cum ar fi capul cu pelicul subire, distana lui fa de disc, prul uman i diferite particule de praf.

Figura 3.4 Compararea diferitelor mrimi tipice ale capului, distanei dintre cap i disc, i diferite impuriti Distana disc-cap este n principal dependent de forma capului. Datorit proprietilor sale aerodinamice acesta plutete deasupra suprafeei hard-discului. Astfel, un hard-disc poate opera n vid cu dificultate deoarece perna de aer elastic dintre cap i disc lipsete. Grosimea pernei este dependent de presiunea aerului: presiune mic nseamn pern subire. Astfel, pe vrfurile munilor capetele plutesc mai jos dect la nivelul marii.

Dizpozitive de poziionare Aa cum am menionat deja, capetele de citire/scriere sunt micate n comun. Un dispozitiv de poziionare nseamn toate componentele mecanice necesare pentru micarea capetelor. Au fost folosite dispozitive cu motor pas cu pas, iar n prezent sunt folosite dispozitive cu bobin i magnet permanent.

Particula de fum (aprox. 0,003mm)

Fir de par (aprox. 0,01mm)

Amprenta digitala

(aprox 0,003mm)

impuritati din aer

(aprox. 0,0003mm)

Cap pelicule

subtiri


Figura 3.1 prezint un dispozitiv cu motor pas cu pas. n figur se poate vedea doar axul motorului pas cu pas. Ca i n cazul floppy drivere-lor, motorul din driverele hard-disc este rotit pas cu pas ntr-o direcie sau alta prin intermediul impulsurilor. Aceti pai sunt fici ceea ce nseamn o modificare fix a poziiei axului motorului. Unghiurile de rotaie intermediar sunt imposibile; dac, de exemplu motorul pas cu pas poate executa o rotaie complet cu 180 pai, aceasta nseamn c fiecare pas ntoarce axul motor cu 2 grade. Astfel, pot fi realizate doar rotiri de 0,2,4,...358 grade; o poziie intermediar, de exemplu de 3 grade nu este posibil. Rotaia axului motorului este transferat dispozitivului de poziionare prin frecare. n figura 3.1 dispozitivul se poate roti n jurul axului su. Rotaia motorului pas cu pas este transferat unui element al dispozitivului care se rotete n jurul axului su. Astfel, capetele fixate la captul braului port capete sunt micate radial i are loc poziionarea capetelor. Prin rotaia motorului pas cu pas i capetele sunt de asemenea micate pas cu pas. Uzual, unui pas motor i corespunde o micare a capetelor cu o pist spre interior sau exterior. De exemplu, dac motorul trebuie s mute capetele de pe pista 0 pe pista 219, controlerul motorului va genera simplu 219 impulsuri. La fiecare impuls motorul este rotit un pas i astfel capul se mica cu o pist. Dup 219 impulsuri capul ajunge pe pista 219. Este evident c acest mecanism nu poate lucra foarte exact i sigur. La floppy, cu o lime a pistei mai mic de 0.1mm, rareori apar probleme: o astfel de precizie poate fi controlat foarte uor. Dar chiar i la un simplu hard-disc cu motor pas cu pas (de exemplu pe Seagate ST225, utilizat acum 10-15 ani, cu 615 piste, limea pistei ajunge pn la 1/10 din limea pistei floppy-urilor). O astfel de precizie de poziionare poate fi obinut cu motorul pas cu pas. Pentru discurile mici de 3 1/2" cu mai mult de 1000 de piste, motorul pas cu pas nu este potrivit deoarece precizia de poziionare este mic. Cuplarea ntre axul motorului pas cu pas i braul port capete este fcut prin frecare. Dei axul este acoperit uzual cu un strat de cauciuc sau plastic pentru a menine alunecarea ct mai mic, este posibil ca dispozitivul de poziionare s alunece temporar pe axul motorului, n special pe durata unei accelerari ndelungate a braului. Dar acum, stricta coresponden ntre unghiul de rotaie i poziia braului nu mai este valabil i se produc erori de poziionare deoarece capetele se mic pe piste greite sau cel puin pe marginile pistelor. Aceast problem poate fi rezolvat destul de uor prin repoziionarea braului pe o poziie corespunzatoare pistei 0. Pentru a realiza acest lucru se utilizeaz comanda "recalibrare driver", poziia rezultat este asignat pistei 0, controlerul dispozitivului de poziionare tergnd numrtorul de piste i numrtorul de impulsuri.


O problem mult mai neplcut privind dispozitivele cu motor pas cu pas o reprezint deformarea datorit cldurii. Presupunem urmtoarea situaie: imediat dup conectarea tensiunii v formatai hard-discul. Toate componentele dispozitivului sunt reci n acel moment. Dupa ce PC-ul dumneavoastr a fost operativ cteva ore, apar brusc poziionri i citiri eronate. Motivul este simplu: deformarea datorat cldurii, a componentelor mecanice. De exemplu, dispozitivul se dilat cu creterea temperaturii i deci i braul dintre axul dispozitivului i cap devine mai lung. Aceasta nseamn c micarea capetelor de pe pist pe pist devine uor mai mare dect distana pistei generat n avans prin formatare cu un drive rece. Dei deformrile capului sunt foarte mici i productorii ncearc s compenseze aceste deformri prin anumite combinaii de materiale, ele sunt suficiente s fac inaccesibili cel puin cilindrii cu un numr ridicat. Pe de alt parte, dac dumnevoastr formatai hard-discul ntr-o stare cald, PC-ul poate raporta erori de poziionare n timpul pornirii cnd toate componentele mecanice sunt nc reci. Cauza principal pentru asemenea erori este c nu exist implementat feedback-ul ntre poziia capului i controlul motorului. Controlul motorului trimite aparent ctre motor numrul cerut de impulsuri de pasi iar motorul pas cu pas poziioneaz capul la ntmplare. Dac capul este localizat ntre 2 piste, atunci un acces este imposibil, dei numai o micare suplimentar de o jumtate de pist ar fi necesar. Alt dezavantaj al hard-discurilor cu motor pas cu pas este c productorii nu implementeaz un dispozitiv de parcare automat a capului deoarece acestea sunt modele cu un cost mic. Dispozitivul de parcare automat mut braul port capete ntr-o poziie de transport prin intermediul unui resort. Pentru a deplasa capul, n funcionarea normal motorul pas cu pas depete fora resortului. Unele dispozitive utilizeaz motorul ca un generator care genereaz un curent suficient de puternic pentru a deplasa braul n poziia de parcare atunci cnd driver-ul este oprit. Fr un dispozitiv de parcare capetele ating pistele care de obicei conin date. La pornire, capetele, care "se odihnesc", zgrie suprafaa discului pn n momentul cnd perna de aer este suficient de puternic pentru a ridica capetele. Se pot recunoate hard-discurile care i parcheaz capetele automat la cderea tensiunii printr-o scurt pocnitur care indic poziionarea capetelor n poziia lor de parcare. Hard-discurile de nalt calitate utilizeaz un motor liniar n locul motorului pas cu pas. Adiional, este implementat un circuit de control care compar poziia curent a capului cu cea dorit. Astfel, capetele de citire/scriere sunt ntotdeauna poziionate deasupra pistei corecte. Pot fi distinse 2 tipuri de dispozitive de poziionare cu motor liniar (figura 3.5): liniar i rotativ.


Principiul operaional: o bobin nconjoar un magnet permanent sau se mic ntre 2 magnei permaneni. Dac un curent strbate bobina se produce un cmp magnetic dependent de direcia curentului, paralel cu cmpul magnetului permanent sau antiparalel cu el. n primul caz bobina este mpins; n ultimul caz ea este atras. Aceasta conduce la o micare liniar a bobinei i implicit a braului care este conectat la bobin. Prin intermediul controlului electronic rapid al curentului bobinei, bobina i braul pot fi mutate i poziionate de-a lungul magnetului permanent. Cu dispozitivul liniar, bobina se mic pe 2 ine ntr-o direcie liniar. Capul plasat la extremitatea braului este direct micat n acelai fel ca bobina i radial deplasat relativ la disc. Chiar i un curent relativ slab prin bobin generaz fore magnetice remarcabile i acceleraii ale braului. Totui, din ce n ce mai mult, dispozitivul rotativ cu bobin este utilizat ca standard. n acest caz braulul port capete este meninut n rotaie n jurul axului su similar ca la dispozitivul cu motor pas cu pas. La unul din capete sunt montate capetele de citire/scriere; la cellalt este bobina care realizeaz o micare sub forma de arc de cerc mprejurul unui magnet permanent i el sub form de arc.

Figura 3.5 Dispozitive de poziionare cu motor liniar


Din cauza lungimii mari a braului dintre axul su i cap comparat cu distana ax-bobin, o micare mic a bobinei este convertit ntr-o micare ampl a capului. Este avantajos ca bobina i partea corespunztoare a braului s fie mai degrab grele i deci inerte, n special comparativ cu capetele uoare cu pelicul subire. n acest mod, o micare modest a prilor masive cu un consum mic de putere poate fi convertit ntr-o micare rapid de poziionare a capetelor. Astfel, braul rotativ permite timpi mici de poziionare cu un consum mic de putere de ctre bobin. Din nefericire, motorul liniar descris are un dezavantaj semnificativ comparativ cu motorul pas cu pas: poziionarea nu este absolut. Un impuls scurt de curent n bobin mut actuatorul, dar nu poate fi prevzut cu precizie ct anume. Pe lng aceasta cmpul magnetic generat de bobin altereaz uor proprietile magnetice ale magnetului permanent. Astfel s-a ales o alt strategie i s-a implementat o bucl activ pentru feedback ce conduce ntotdeauna la o poziionare absolut a capului de citire/scriere. Aceasta este realizat de aa-numitele servo-piste i de un servo cap (numite i piste index, respectiv cap index). Poate vei fi surprins de faptul c unele hard-discuri au un numr impar de capete. De ce nu s-a adugat pur i simplu alt cap pentru a folosi ultima fa de disc cnd toate celelalte componente sunt deja prezente? Rspunsul este simplu: de fapt, capul este prezent dar este dedicat pentru detecia servo-pistelor i este deci parte a buclei feedback pentru poziionarea capului. Din punctul de vedere al productorilor, faa discului, aparent neutilizat, este marcat foarte precis cu numrul servo-pistelor. Cnd drive-ul ncearc un acces la o anumit pist, servo-capul este poziionat deasupra servo-pistei dorite. Astfel, toate celelalte capete de citire/scriere care intenioneaz citirea/nregistrarea datelor sunt de asemenea localizate pe acest pist. Ca utilizator nu poi altera servo-pistele. De asemenea, toate programele de formatare la nivel jos se orienteaz dup aceste servo-piste i genereaz pistele de date pe toate discurile cu aceeai poziie radial cu a servo-pistelor. Dac drive-ul ateapt poziionarea capului deasupra unei anumite piste atunci controlul drive-ului acioneaz bobina motorului liniar i servo-capul detecteaz permanent numrul pistei care este actual prezent sub servo-cap. Cnd servo-capul a atins pista dorit, drive-ul oprete curentul prin bobin i efectueaz o poziionare fin. Pentru acest scop servo-capul este mutat napoi i nainte n pai mici cu ajutorul unor impulsuri mici de curent pn cnd semnalul de la servo-pist este maxim. Deci, capul este exact n mijlocul pistei urmrite. Este evident c poziionarea cu un servo cap i servo piste este mult mai precis i nu depinde de temperatur. Totui, feedback-ul semnalului servo ctre controlul drive-ului necesit mult echipament electronic. Pe deasupra,


generarea precis a servo pistelor este complicat. Astfel, hard-discurile de capacitate mare cu motor liniar i servo piste sunt mult mai costisitoare decat cele cu motor pas cu pas. Pentru o capacitate mai mare de 20MB per fa disc, o astfel de tehnologie nu poate fi evitat prea mult. Trebuie de asemenea menionat c exist drivere cu capaciti mari, pentru supercalculatoare care realizeaz detecia optic a servo-pistelor. Principiul este similar cu acela al CD-ului sau CD ROM-ului, unde o raz laser cu un diametru de doar 1m scaneaz suprafaa discului i furnizeaz informaii despre servo piste ctre controlul drive-ului. Capetele magnetice de citire/scriere pot fi astfel poziionate cu o mai mare precizie dect este posibil cu servo piste magnetice i servo cap magnetic. Totui, s nu se confunde aceast metod cu metoda driver-elor optice; nregistrarea i citirea datelor se face ntr-o manier pur magnetic i nu optic. III.1.2 Filtrarea aerului i ventilaia Toate hard-discurile au dou filtre de aer. Aceste filtre nu servesc pentru a filtra aerul din exterior care ptrunde n ansamblul disc-capete, ci pentru o filtrare intern a aerului deja existent. O schimbare a aerului cu mediul are loc treptat dac presiunea aerului se modific. Figura 3.6 prezint o schem pentru circulaia aerului n dispozitivul hard-disc. Pentru a se evita umflarea ansamblului disc-capete datorit unei presiuni mici a mediului ambiant sau presarea acestuia de ctre o presiune mare a aerului, fiecare ansamblu are o deschizatur pentru ventilaia care conduce ctre un filtru barometric sau de ventilare. Depinznd de presiunea mediului, aerul poate ptrunde nspre filtru sau de la filtru spre exterior. Filtrul de recirculare al hard-discului servete pentru a filtra aerul deja existent n ansamblul capete disc. Datorit atingerii uoare de ctre capete a discului sau datorit uzurii generale a elementelor de rotaie, se formeaz particule microscopice de murdrie ce sunt suficient de mari pentru a aciona ca o pudr abraziv dac ele ajung ntre cap i disc. Filtrul de aer este localizat n interiorul zonei de circulaie a aerului i reine aceste particule mici.


Figura 3.6 Circulaia aerului ntr-un hard-disc. Rotaia discului absoarbe aerul n hard-disc; din cauza acestei circulaii este generat un curent de aer Schimbarea de aer cu mediul este de obicei nesemnificativ i uzura intern este de obicei mic. Astfel, filtrele de aer ale hard-discurilor sunt proiectate ca filtre permanente care nu au nevoie s fie nlocuite. La vechile discuri mari pentru mainframe-uri era complet diferit: apreau aa numitele pachete-disc ce se puteau nlocui. Aici, aerul era intenionat presat pe ntreaga suprafa a discului pentru a scoate afar toate mizeriile care au intrat n disc pe durata schimbrii discului. Acest aer trebuia desigur filtrat, i datorit circulaiei intense a aerului, filtrele trebuiau nlocuite regulat. III.2 CODIFICAREA RLL Utlilizarea metodei MFM n locul metodei FM conduce deja la o cretere semnificativ a densitii datelor - BPI (bits per inch) fr a fi nevoie de creterea densitii schimbrilor de flux (FCI). Astfel, nu este surprinztor c proiectanii de hard disc-uri cerceteaz i alte ci de realizare a unei capaciti de memorare din ce n ce mai mare. O cale de a atinge acest scop este metoda RLL. RLL este prescurtarea de la Run Length Limited. Aceasta nseamn c

Filtru de recirculare

Sensul de circulaie al aerului


numrul biilor "0" ntre doi bii "1" este limitat. n cazul metodei MFM nu se ntmpl acest lucru. Putei umple un sector de 512 octei cu 4096 bii de "0" fr nici o problem. Cu metoda MFM este nregistrat numai ceasul fr nici un bit de date. Aceasta este principala diferen ntre MFM i RLL: metoda MFM nregistreaz un bit de ceas dac apar 2 bii de "0" consecutivi. n cazul metodei RLL se trece mai departe fr a nregistra nici un bit de ceas. Logica RLL determin numai din intervalul de timp dintre 2 bii "1" ct de muli bii "0" se interpun. Din cauza problemelor de sincronizare, variaiilor de rotaie, etc., care duc la apariia unor variaii ale perioadei dintre biii de "0", aceast metod nu funcioneaz pentru orice numr de bii de "0". Astfel, numrul lor este limitat (de aici numele de RLL). Cea mai utilizat metod RLL are, prin definiie, cel puin 2 i cel mult 7 bii de "0" ntre doi bii de "1". De altfel, metoda este numit RLL 2,7. Dar, acum apare o problem: un ntreg pe 16 bii de valoare 0 const n 16 zerouri. Aceasta este prea mult pentru RLL. Biii de date trebuie recodificai astfel nct cel puin 2 i cel mult 7 bii de "0" s apar succesiv. Tabelul 3.1 prezint modul de codificare pentru metoda RLL 2.7. biii de date codul RLL 2,7 000 000100 10 0100 010 100100 0010 00100100 11 1000 011 001000 0011 00001000 Tabelul 3.1 Codificare RLL 2,7 Se poate observa c grupurile de bii de date de diferite lungimi sunt codificate n coduri RLL, de asemenea de lungimi diferite. n codurile RLL maxim 4 bii de "0" sunt n fa i maxim 3 bii de "0" dup un "1". Astfel pot fi ntlnii maxim 7 bii de "0". Mai mult, dup fiecare "1" apar cel puin 2 de "0". Astfel, ntre 2 bii "1" sunt ntotdeauna cel puin 2 bii de "0" i cerinele pentru RLL 2,7 sunt satisfcute n totalitate. Din tabelul 3.1 se poate observa, de asemenea, dezavantajul metodei RLL: codurile RLL sunt mai lungi dect grupul de bii de date cu un factor egal cu 2. Vom discuta n continuare, n legatur cu figura 3.7, de ce metoda RLL


permite o densitate a datelor - BPI superioar, cu aceai densitate a schimbrilor de flux FCI.

Figura 3.7 Metoda de codificare RLL 2,7 n figura 3.7, acelai octet de date 01101001 ca cel din figura 2.7 este codificat n formatul RLL. Am presupus primul bit al octetului de date urmtor ca fiind "0". Din tabelul 3.1 se poate deduce c, codul RLL pentru 9 bii de date 01101001|0 este urmtorul: 001000100100100100. n partea de jos a figurii 3.7 sunt prezentai biii de date i deasupra densitatea fluxului i schimbarile de flux pentru cazul n care codul RLL este nregistrat prin metoda MFM. Densitatea fluxului MFM cuprinde de asemenea, pe lng biii "1" RLL, bii de ceas dac apar doi de "0" consecutiv. Pe de alt parte, metoda RLL nregistreaz numai bii "1" RLL. Conform codului RLL 001000100100100100 are numai 4 bii de "1". La citirea datelor biii de "0" consecutivi dintre 2 de "1" sunt generai de ctre logica RLL numai din timpul scurs ntre 2 bii "1" RLL i adaugai la biii de "1". Pentru a nregistra cei 9 bii cu metoda MFM sunt necesare 12 schimbri de flux; pe de alt parte, cu metoda RLL sunt necesare numai 5 schimbri de flux. O analiz matematic precis a metodei RLL, arat statistic c n medie metoda MFM necesit de 3 ori mai multe schimbri de flux pentru nregistrarea datelor, n comparaie cu metoda RLL. Cu aceeai densitate a schimbrilor de flux, de trei ori mai multe date pot fi nregistrate cu metoda RLL, n comparaie cu MFM. Dar, cum deja am menionat, codurile RLL sunt din nefericire de dou ori mai lungi dect grupurile de bii de date astfel c densitatea de mpachetare de trei ori mai mare este njumatit din nou de lungimea dubl a codurilor RLL. Ca i cstig net rmne un factor de 1.5, sau, definit altfel: cu metoda


RLL pot fi nregistrate pe disc cu 50% mai multe date dect este posibil cu metoda MFM. n medie, sunt necesare dou schimbri de flux pentru a nregistra 3 bii. Aa cum a fost i n cazul nlocuirii metodei FM cu MFM aceast densitate crescut a datelor nu este atins prin densitatea schimbrilor de flux i astfel calitatea capetelor de citire/scriere ale hard disc-ului nu trebuie mbuntit. mbuntirile sunt incluse exclusiv n metoda de codificare, adic n logica RLL a controler-ului. Dar logica RLL devine semnificativ mai complicat dect cea pentru codificarea i decodificarea prin intermediul metodei MFM. Dificultile apar din aceea c, cuvintele de cod sunt cuprinse ntre 4 i 8 bii RLL. La metoda MFM lungimea cuvntului de cod este uniform egal cu un bit. O eroare chiar i numai pentru un bit RLL, va conduce la o eroare n lan pentru mai mult de 5 bii de date. Astfel, controlerele RLL trebuie s aib o logica ECC mult mai puternic care s fie capabil s corecteze asemenea erori. Controlerele RLL n general utilizeaz 6 octei n loc de 4 pentru codul ECC. Un controler RLL nu i incheie rolul odat cu decodificarea schimbrilor de flux ale datelor RLL, ci, n plus, trebuie s converteasc datele RLL n biii de date efectivi. Aceasta contrasteaz cu un controler MFM unde fluxul de bii de dup poarta de date pot fi direct utilizai ca un flux de date serial. Acelai lucru se ntmpl i cu datele scrise, cnd fluxul de date ce trebuie scris trebuie mai nti convertit n date RLL, i apoi datele RLL pot fi codificate prin schimbri de flux conform biilor "1" RLL. Pe lng metoda RLL 2,7 descris exist i alte metode RLL numite Advanced RLL (ARLL). De exemplu metodele RLL 1,7 i RLL 3,9. n ambele cazuri "balastul" de codificare pentru grupul de bii de date n coduri RLL este mai mare, i n plus numrul mai mare de bii de "0" dintre doi bii de "1" RLL implic creterea condiiilor de stabilitate ale schemelor RLL. Cu ARLL densitatea datelor crete cu mai mult de 90% n comparaie cu MFM, astfel c o singur schimbare de flux codific aproape doi bii de date. III.3 CONTROLERE I INTERFEE Pentru selectarea i poziionarea capetelor discului este nevoie de un controler care s efectueze comenzile primite de la CPU, precum i s codifice i decodifice datele. n figura 3.8 este prezentat schema bloc a unui ansamblu controler-disc. Interfaa cu magistrala stabilete conectarea controler-ului la calculator. Datele ce trebuiesc citite sau scrise pe disc precum i comenzile pentru


controler sunt transferate prin intermediul interfeei. Controler-ul const dintr-un microprocesor pentru interfaa cu discul i logica intern. Pentru acest scop, un program main este memorat n ROM-ul pe care l utilizeaz microprocesorul. Datele care trebuie scrise sau citite de la un sector sunt memorate n buffer-ul de sector, care totdeauna poate memora un sector ntreg. Interfaa cu discul poate fi foarte diferit depinznd dac este un controler ST412/506, ESDI, sau un controler integrat n hard disc. Interfaa de disc furnizeaz discului conectat toate semnalele de control i semnalele de date. Discutm funcionarea principial a unui controler de hard disc pentru o operaie de citire. Pentru a citi un sector, CPU transmite un bloc de comand care are civa octeti cu comenzi i parametri ctre un registru din interfa. Microprocesorul controler-ului detecteaz blocul de comand i interpreteaz codul. Controler-ul ndeplinete comanda (n acest caz citirea unui sector) sub controlul programului din ROM-ul cu microcod. Pentru aceasta, controler-ul poziioneaz capul de scriere/citire pe pista dorit prin intermediul unor impulsuri precise de pai. Capul drive-ului citete continuu semnalele ce trec prin faa sa i transfer semnalele corespunztoare prin interfaa discului ctre separatorul de date. Depinznd de metoda de nregistrare, separatorul de date convertete datele codificate MFM sau RLL ntr-un format intermediar numit NRZ (non-return to zero). Microprocesorul determin, prin intermediul controler-ului programabil, dac un marker de adres, un gap, sau un alt cmp trece prin faa capului. Dac microprocesorul a detectat un marker de adres, atunci el determin dac numrul pistei i al sectorului coincid cu valoarea dorit (de la care se va face citirea). Dac numrul pistei nu este cel dorit, atunci se ordoneaz drive-ului o nou poziionare; dac numai numrul de sector nu coincide, microprocesorul ateapt urmtorul marker de adres. Dac numrul de sector devine egal cu cel dorit, controler-ul deschide poarta de citire i accept datele citite de pe disc (i convertete datele la formatul NRZ prin separatorul de date). Datele complet decodificate sunt transferate n buffer-ul de sector.

n acelai timp, circuitul ECC verific dac datele din sector sunt conforme cu octeii ECC. Dac acest lucru nu se ntmpl, atunci datele sunt corectate cu ajutorul octeilor ECC. Spre deosebire de controler-ele de floppy, care din cauza octeilor CRC sunt capabile s verifice numai dac datele sunt corecte, controler-ele de hard disc pot nu numai s detecteze erorile, dar i s le corecteze cu ajutorul ECC (error correcting code).


Figura 3.8 Controler i drive Principiul de generare a codurilor ECC este similar cu cel al generrii sumei de control CRC, dar sunt utilizai generatori polinomiali mai compleci. Corespunztor, octetii datelor originale sunt refcui din datele eronate i octeii ECC. Un controler de hard disc cu o interfa ST412 utilizeaz n mod uzual un ECC pe 4 octei cu generatorul polinomial :

ECC=x32+x28+x26+x19+x17+x10+x6+x2+1 Hard disc-urile cu codificare RLL funcioneaz de asemenea cu coduri ECC lungi, de pn la 6 sau chiar 8 octei. Dar chiar i un ECC pe 4 octei poate corecta un ir de erori de pn la 11 bii. Dac datele citite n buffer-ul de sector sunt stocate ntr-o form corect sau corectate, atunci ele pot fi transferate n memoria principal. Controlerele XT utilizeaz 3 canale DMA pentru acest scop. Astfel, similar drive-lor floppy, are loc un transfer de date prin intermediul DMA. Pe de alt parte, controlerele AT folosesc transfer de date prin ntreruperi cu comenzi IN i OUT. Pentru acest scop, controler-ul genereaz o ntrerupere hardware prin IRQ14 dup ce sectorul a fost citit n buffer-ul de sector. Apoi rutina de tratare a ntreruperii transfer toi cei 512 octei de date citii din buffer-ul de sector n memoria principal prin instruciuni I/O. Cnd se scrie un sector, procesul are loc n sens invers. Mai nti, cei 512 octei de date ce trebuiesc scrii sunt transferai din memoria principal n buffer-ul de sector. Apoi controler-ul realizeaz poziionarea capului i cutarea

da

te N

RZ

Bit

date

Microprocesor

Mic

roc

od

RO

M

Inte

rfata

bu

s

Bu

ffer

secto

r

Chip

controler

Lo

gic

a E

CC

Sep

ara

tor

date

Inte

rfata

ST

412/5

06

HD

D1

HD

D2

date MFM sau RLL


pistei corecte i a sectorului dorit n acelai mod ca i n cazul citirii datelor. Dac microprocesorul a detectat marker-ul de adres al sectorului corect prin semnalele de la capul de scriere/citire, se deschide poarta de scriere i sunt transferate continuu datele prin controler. Controlerul genereaz acum marker-ele de adres ale datelor i gap-urile, calculeaz octeii ECC, convertete datele din sector n format NRZ, i transfer fluxul de date NRZ separatorului de date. n separatorul de date are loc codificarea MFM sau RLL a datelor, i apoi separatorul de date le transfer ctre drive, iar acesta va activa capul de scriere/citire prin intermediul interfeei drive-ului. Capul nscrie datele primite de la separatorul de date, fr alte modificri suplimentare, pe disc. Dac toi marker-ii de adres, datele de sector, i gap-uri au fost scrise, atunci procesul de scriere este complet, i microprocesorul poate primi i efectua urmtoarea comand. III.4 UNITI CU INTERFA IDE Ulterior interfeei ST 412/506 a fost lansat o alt interfa pentru hard-discuri aa numita interfa IDE sau AT BUS (IDE = Intelligent Drive Electronics). Scderea preurilor echipamentelor electronice, n paralel cu creterea remarcabil a performanelor, au dat natere unei soluii simple: hard-discurile moderne includ controlerul care nu mai este plasat pe o plac separat de interfa. Drumul semnalelor de la disc la controler e foarte scurt i performanele pot fi astfel optimizate. Interfeele IDE i SCSI folosesc aceast metod care permite integrarea unitii i a controlerului ntr-o singur echipament. Interfaa IDE se plaseaz ca performane ntre ST412/506 i SCSI. La sfritul anului 1984 COMPAQ a iniiat dezvoltarea interfeei IDE. Aveau nevoie de un controler ST506 care s fie montat direct pe unitate i care s fie conectat cu restul sistemului prin circuite simple. Astfel, n colaborare cu fabricani de hard-discuri, cum ar fi WESTERN DIGITAL sau SEAGATE, s-a nscut interfaa AT BUS. Datorit fabricanilor numeroi au aprut incompatibiliti, eliminate prin apariia standardului ATA n martie 1989. A fost definit de asemenea setul de comenzi pentru uniti IDE. Pe lng cele 8 comenzi deja existente au fost adugate alte 19 noi, care se refer n principiu la controlul optimizat al unitii. De exemplu, comanda "sleep" dezactiveaz controlerul i oprete drive-ul dac pentru un anumit timp nu s-a efectuat nici un acces.


III.4.1. Interfaa fizic CPU - drive IDE este o dezvoltare a controlerului AT cu o interfa ST506, astfel, IDE este o interfa logic ntre sistem i hard disc, acceptnd comenzi de nivel nalt (cum ar fi: citire sector, formatare pist). ST412/506 pe de alt parte sunt interfee fizice i se refer la semnalele de comand a motoarelor i capetelor. Deoarece la IDE controlerul i discul formeaz o unitate inseparabil, este responsabilitatea productorului s proiecteze un controler optim pentru hard-discul su. Conexiunea fizica ntre magistrala PC-ului i unitile IDE este realizat printr-un adaptor gazd. Placa de baz reprezint gazda; adaptorul gazd conine doar cteva buffere i circuite de decodificare necesare pentru conectarea la magistral. Plcile de baz mai noi integreaz aceste adaptoare, spre deosebire de cele vechi unde adaptorul trebuia montat ntr-un slot de extensie de bus. Din punctul de vedere al programatorului sistemul se comport identic n cele dou situaii. Spre deosebire de hard-discurile ESDI sau SCSI nu sunt necesare extensii BIOS. Pentru conectarea unitilor se folosete un cablu plat de 40 fire. Interfaa IDE poate servi maxim dou drive-uri. Unitatea master are asignat adresa 0, iar unitatea slave adresa 1. Cablul este descris n tabelul 3.2. Majoritatea liniilor din cablul IDE pot fi conectate direct la magistrala sistemului. ntre adaptorul gazd i unitile IDE circul doar 5 semnale n logic negativ: -CS1Fx, -CS3Fx, -SPSYNC, -DASP, -PDIAG, care controleaz unitatea IDE i nu sunt conectate la magistral. -CS1Fx i -CS3Fx sunt semnale de "chip select" generate de adaptorul gazd pentru a selecta un grup de registre cu adresa de baz 1F0h sau 3F0h. Semnificaia acestor regitrii este descris n seciunile urmtoare. Semnal IDE Pin Semnificaie semnal Semnal bus ISA Direcie semnal RESET 1 reseteaz drive RESET DRV gazd->drive GND 2 mas ---- ---- DD7 3 mag. de date SD7 bidirecional DD8 4 mag. de date SD8 bidirecional DD6 5 mag. de date SD6 bidirecional DD9 6 mag. de date SD9 bidirecional DD5 7 mag. de date SD5 bidirecional DD10 8 mag. de date SD10 bidirecional DD4 9 mag. de date SD4 bidirecional DD11 10 mag. de date SD11 bidirecional DD3 11 mag. de date SD3 bidirecional DD12 12 mag. de date SD12 bidirecional DD2 13 mag. de date SD2 bidirecional


DD13 14 mag. de date SD13 bidirecional DD1 15 mag. de date SD1 bidirecional DD14 16 mag. de date SD14 bidirecional DD0 17 mag. de date SD0 bidirecional DD15 18 mag. de date SD15 bidirectional GND 19 mas ---- --- rezervat 20 utilizat pt. evitarea introducerii incorecte a cablului n conector DMARQ*) 21 cerere DMA DRQx drive->gazd GND 22 mas ---- ---- DIOW 23 scriere date prin canal I/O IOW gazd->drive GND 24 mas ---- ---- DIOR 25 citire date prin canal I/O IOR gazda->drive GND 26 mas ---- ---- IORDY*) 27 acces complet I/O IOCHRDY drive->gazda SPSYNC 28 sincronizare motoare ---- drive->drive DMACK*) 29 acceptare DMA DACKx gazd->drive GND 30 mas ---- ---- INTRQ 31 cerere ntrerupere IRQx drive->gazd IOCS16 32 transfer I/O pe 16 bii I/OCS16 drive->gazd DA1 33 mag. de adrese SA1 gazd->drive PDIAG 34 diagnosticare corect de la slave drive->drive DA0 35 mag. de adrese SA0 gazd->drive DA2 36 mag. de adrese SA2 gazd->drive CS1Fx 37 selecie chip pt.adr.de baz 1F0h gazd->drive CS3Fx 38 selecie chip pt.adr.de baz 3F0h gazd->drive DASP 39 dispozitiv activ/ slave prezent ---- drive->gazd GND 40 mas ---- ---- *) opional

Tabelul 3.2 Definirea cablului IDE Semnalul SPSYNC este folosit pentru sincronizarea motoarelor unitilor master i slave. Aceasta este avantajos pentru realizarea de arii de drive-uri sau drive-uri oglind (majoritatea unitilor IDE nu utilizeaz acest semnal). Semnalele -DASP i -PDIAG sunt folosite n faza de iniializare pentru a identifica master-ul i slave-ul. Aceste semnale nu sunt prezente la unele modele mai vechi, naintea apariiei standardului ATA. Un semnal opional, dar important este -IORDY. Acest semnal informeaz unitatea central c drive-ul are nevoie de cicluri I/O suplimentare. n acest caz unitatea central insereaz stri de wait. n majoritatea unitilor IDE acest semnal este inactivat.


Pentru creterea performanelor, IDE introduce nc dou semnale: DMARQ i -DMACK. Folosind chipuri DMA, rata de transfer ntre buffer i memoria principal crete de cel puin 2 ori, lucru necesar o dat cu apariia sistemelor multitasking. Unele sisteme AT permit alegerea modului de transfer al datelor ntre DMA sau I/O programat (n general n sistemele AT transferul informaiei cu hard discul se face prin instruciuni I/O). Integrarea controlerelor n hard-discuri a facut posibil optimizarea logicii de control. Astfel, multe uniti IDE conin rutine pentru tratarea sectoarelor defecte. Dac n timpul unei formatri de nivel sczut un sector este gsit defect, acesta nu mai poate fi folosit. Controlerul ncearc mai multe formatri n astfel de cazuri. Deoarece aceast funcie este inclus n controler, ea este transparent sistemului de operare. Unele uniti IDE pstreaz unele piste de rezerv pentru a realoca eventualele sectoare defecte. Astfel, dac se ncearc accesarea unui sector defect controlerul i consult tabela de realocri i acceseaz sectorul de rezerv n mod corect. Unitile IDE inteligente rezolv acest lucru transparent. Utilizarea hard discurilor n laptop-uri a dus la necesitatea optimizarii hard-discurilor din punct de vedere al consumului de energie. Hard discurile inteligente, care au controlerul integrat, pot translata n mod transparent adresele logice de sector n adrese fizice corespunztoare geometriei drive-ului. Densitatea mare de nregistrare permite hard discuri cu peste 100 de sectoare pe pist pentru pistele exterioare. Hard discurile IDE folosesc un factor de ntreesere de 1:1. Pentru a reduce timpul de acces la disc majoritatea unitilor IDE sunt echipate cu o memorie cache ce poate memora cel puin dou piste. Pentru hard discuri de capacitate mare este folosit codificarea RLL. Hard discurile IDE performante permit rate de transfer ntre disc i memorie ce se apropie de limitele de vrf ale SCSI. Aceste caracteristici recomand hard discurile IDE ca soluie ideal pentru PC-uri de capacitate medie. Pentru cele de mare performan se recomand cele de tip SCSI, care sunt mai flexibile. O restricie important la IDE este lungimea cablului, care este de maxim 18" (46 cm). Unii productori ns permit cabluri de 24" (61 cm). Aceste lungimi sunt suficiente pentru PC-uri, ns insuficiente pentru sisteme mai mari ce ocup mai multe cabinete. Un alt dezavantaj este acela c modelele IDE mai vechi sunt relativ lente, i este posibil s apar probleme de timing dac se utilizeaz pe sisteme cu procesoare rapide.


III.4.2 ATA RAID Performanele CPU au crescut exponenial n ultimii 10 ani, dublndu-

se la aproximativ fiecare 18 luni. Nu acelai lucru s-a ntmplat cu performanele unitiilor de discuri.

Prelucrarea paralel a datelor este utilizat din ce n ce mai mult pentru a crete performanele CPU. A aprut ideea c i un sistem de I/O paralel ar putea duce la creterea performanelor calculatoarelor. n 1988, Patterson, a propus 6 modele de organizare a unitilor de discuri ce pot fi utilizate pentru a mbuntii performanele i fiabilitatea acestora. Aceste idei au fost rapid adoptate de industrie i au condus la o nou clas de dispozitive I/O numite RAID - Redundant Array of Independent (inexpensive) Disks.

Ideea de baz a conceptului RAID const n gruparea unor uniti de discuri de capacitate mic i ieftine, care printr-o interconectare special hardware i software, s fie vzute n sistem ca o singur unitate de capacitate mare. Folosirea mai multor uniti mici n locul uneia mari permite creterea performanelor sistemului i o fiabilitate crescut.

n afara faptului c apar ca un singur disc pentru software, toate RAID au propietatea c datele sunt distribuite pe unitile de discuri, pentru a permite operaii paralele.

Modelele de organizare definite de Patterson sunt astzi cunoscute sub

numele de RAID de nivel 0, pn la RAID de nivel 5. Termenul de nivel este oarecum impropriu deoarece nu este efectuat o ierarhie, ci sunt doar 6 moduri de organizare posibile.

Nivelul 0 mprire (Striping). Datele fiierelor sunt nscrise simultan n mai multe uniti de discuri. Acest nivel ofer vitez mrit n opereiile de citire/scriere, dar are o fiabilitate sczut.

Nivelul 1 Oglindire (Mirroring). Datele nscrise ntr-o unitate sunt copiate i n alt unitate, asigurnd o foarte bun toleran la defeciuni, dar nu este obinut o cretere a performanei fa de situaia folosirii unei singure uniti.

Nivelul 2 ECC la nivel de bit (Bit-level ECC). Datele sunt mprite pe bii ntre mai multe uniti, iar pe celelalte uniti sunt nscrise coduri corectoare de erori - ECC. Asigur rate bune de transfer, cu o toleran bun la erori, dar sunt necesare multe uniti pentru implementarea acestui model.

Nivelul 3 mprire cu paritate (Striped with parity). Acest model rezult dintr-o combinaie a Nivelului 0 cu uniti adiionale folosite pentru informaii de paritate. Este o adaptare a Nivelului 0 n care se pierde ceva din capacitate, pentru aceleai numr de uniti combinate n reea. Asigur un grad nalt de integritate a datelor i toleran bun la erori, pentru c datele pot fi


reconstituite dac se defecteaz o unitate. Necesit cel puin trei uniti pentru a fi implementat, dou pentru date i una pentru paritate.

Nivelul 4 Blocuri de date cu paritate (Blocked data with parity). Este similar Nivelului 3, cu diferena c datele sunt nscrise n blocuri mai mari pe uniti independente, oferind performane mai bune la citire n cazul fiierelor mari.

Nivelul 5 Blocuri de date cu paritate distribuit (Blocked data with distributed parity). Este asemantor Nivelului 4, dar realizeaz o cretere a performanei prin distribuirea benzilor de paritate ntre o serie de uniti hard.

Pn de curnd, practic toate controlerele RAID foloseau uniti SCSI.

Acum exist controlere ATA RAID disponibile, ceea ce permite implementarea RAID cu costuri sczute. ATA RAID este destinat mai degrab utilizatorilor individuali care vor un sistem mai performant, sau doresc dublarea unitii (rezervare n oglind) pentru redundan. Cnd se dorete performan ATA RAID lucreaz pe nivel 0, iar cnd se urmrete fiabilitatea lucreaz, de obicei, pe nivel 1. Dac se urmrete mbuntirea att a performanei ct i a fiabilitii trebuie apelat nivelurile RAID 3 sau 5. Practic toate controlerele profesionale RAID destinate serverelor de reea sunt proiectate s lucreze pe nivelul RAID 5. Aceste sunt mai scumpe i trebuiesc conectate cel puin trei uniti.

Pentru un cost mai sczut, multe controlere ATA RAID permit

implementarea combinat a nivelelor RAID 0 cu RAID 1. Aceast combinaie necesit, de regul, folosirea a patru uniti, dou pentru mprirea datelor pe nivelul RAID 0 i nc dou pentru scrierea redundant din nivelul RAID 1. Aceast implementare asigur aproape o dublare a performanei sistemului (fa de varianta cu o singur unitate) i o rezervare a datelor n cazul unei defeciuni.


Figura 3.9 Modelele de organizare definite de Patterson III.5 UNITI CU INTERFA SCSI O opiune foarte flexibil i puternic pentru conectarea hard discurilor la un PC este SCSI (small computer systems interface - interfa pentru sisteme de calcul mici). Temenul deja indic faptul c SCSI este destinat pentru PC-uri i alte sisteme mici (de exemplu staii de lucru sau Mac). SCSI a fost derivat din interfaa SASI a lui Shugart Associates (Shugart Associates systems

RAID level 1

RAID level 0

RAID level 2

RAID level 4

RAID level 5


interface). SCSI a aprut cu un standard ceva mai vechi SCSI-I, care nu este ndeajuns de strict n anumite aspecte, rezultnd probleme de incompabilitate la implementarea SCSI-I. Standardul SCSI-II determin proprietile mult mai precis, i n plus definete mai multe comenzi i moduri de operare. SCSI urmeaz o filozofie diferit de interfeele de hard discuri deja discutate. SCSI definete o magistral ntre maxim 8 uniti, precum i protocolul pentru schimbul de date ntre ele. Ca uniti SCSI pot fi hard discuri, benzi magnetice, discuri optice sau orice alt dispozitiv care ndeplinete specificaia SCSI. Astfel, SCSI sunt inteligente, dup cum sunt i hard discurile IDE, iar controler-ul unitii este ntotdeauna integrat n drive. Pentru conectarea la un PC este necesar un adaptor gazd SCSI, care stabilete conectarea la magistrala sistem a PC-ului similar cu interfaa IDE. Adaptorul gazd nsui este de asemenea o unitate SCSI, deci rmn doar apte uniti "libere". Spre deosebire de un adaptor IDE, adaptorul gazd SCSI este astfel destul de complex, deoarece trebuie s recunoasc toate funciile magistralei SCSI i s fie capabil s le ndeplineasc. Dar avantajul este c SCSI nu este limitat la magistrala AT. Exist de asemenea adaptoare gazd pentru EISA, VL-bus, PCI sau Mac. Astfel magistrala SCSI servete doar pentru un schimb de date ntre uniti SCSI conectate la magistral. Maxim dou uniti pot fi active i s schimbe date la un moment dat. Schimbul de date poate fi ndeplinit ntre adaptorul gazd i un drive, sau (ca trstur special a SCSI) de asemenea ntre dou alte dispozitive SCSI (de exemplu, o band magnetic i un hard disc). Este remarcabil c schimbul de date este ndeplinit fr cea mai mic intervenie a CPU; dispozitivele SCSI sunt suficient de inteligente ca s fac asta singure. Figura 3.10 prezint schema magistralei SCSI n cazul integrrii SCSI ntr-un PC.


Magistrala SCSI

Unitate SCSI

Adaptor

gazda

SCSI

Unitate SCSI

Unitate SCSI

Bus

System

Figura 3.10 Magistrala SCSI i integrarea n PC. Magistrala SCSI este conectat la magistrala sistem a PC printr-un adaptor gazda SCSI. Pot fi servite pn la apte uniti SCSI Fiecare unitate SCSI are asignat o adres SCSI, care se poate seta cu un jumper de pe drive. Adresele n domeniul 0-7 sunt valide; n conformitate cu standardul SCSI, adresa 7 este rezervat pentru o band (cartu) magnetic. Adresa este format din octei unde cel mai puin semnificativ bit 0 corespunde cu adresa sau SCSI-ID 0, iar cel mai semmnificativ bit 7 cu adresa sau SCSI-ID 7. Adresele SCSI sunt transferate via seciunea de date a magistralei SCSI. A nu se confunda adresa SCSI sau SCSI-ID cu numrul unitii logice (LUN-logical unit number). Fiecare int poate gzdui pn la opt uniti logice, care se pot identifica ntr-o comanda SCSI cu LUN. Un exemplu de aceasta ar fi controler-ul SCSI care servete cteva drive-uri. Controler-ul stabilete conectarea la magistrala SCSI, i mai departe ndeplinete toate funciile de control. Astfel controler-ul este inta. n plus, inta este asignat la cteva drive-uri (uniti logice), care sunt evideniate de LUN. Astzi, controler-ele externe SCSI sunt rare; cele mai multe hard discuri i de asemenea alte drive-uri integreaz controler-ul SCSI direct. Dac se ncearc s se acceseze aceste hard discuri ntotdeauna trebuie setat LUN la valoarea 0, deoarece drive-ul este primul i unica unitate logic a intei. Trebuie avut grija s nu se produc un conflict de adres ntre dou drive-uri. Controler-ul unui drive determin adresa sa SCSI la punerea sub tensiune, i atunci rspunde la comenzi care intereseaz aceast adres SCSI. Deoarece adaptorul gazd este o unitate SCSI, de asemenea, cu o adres SCSI corespunztoare, cteva adaptoare gazd pot accesa aceeai magistrala SCSI. n acest caz, este posibil pentru cteva PC-uri s mpart o magistral SCSI comun, i astfel aceleai drive-uri. Ele pot schimba date via adaptoarele gazd fr utilizarea reelei uzuale. Din pcate magistrala SCSI este limitat la o


lungime de 6m; o valoare care este destul de mare comparnd cu cablurile IDE, cu lungimea maxim de aproximativ 0.5 m. Conexiunea ntre unitile SCSI este stabilit prin cablu plat cu 50 fire. Se pot de asemenea ntlni cabluri rsucite cu 25 perechi; aici o linie de mas este ntotdeauna rsucit n jurul unei linii de semnal. Tabelul 3.3 prezint asignarea liniilor i pinii conectorului. Dup cum se poate vedea din tabel, opt bii de date DB(0)-DB(7) mpreun cu un bit de paritate DB(P) precum i nou semnale de control sunt transferate. SCSI genereaz bitul de paritate automat dac unitatea suport paritate; nu este ntotdeauna cazul. Folosind un jumper, se poate adesea determina dac bitul de paritate trebuie generat i verificat. Toate semnalele sunt active n 0. Dei magistrala de date are doar 8 bii, SCSI este proiectat pentru o rat de transfer a datelor de pn la 6 Mbytes/s n modul asincron i 7 Mbytes/s n modul sincron. n modul asincron, semnale pentru handshake sunt folosite pentru schimbul de date; n modul sincron transferul de date este ndeplinit utiliznd semnalele pentru handshake ca semnale de ceas, care conduc la o rat de transfer mai mare. De notat c nu toate unitile SCSI suport modul sincron. Doar n drivele mai noi aliniate la standardul SCSI-II este implementat modul sincron. Pe deasupra, ratele de transfer indicate se refer doar la magistrala SCSI. La ce vitez datele sunt transferate din sau ntr-o memorie principal a PC-ului via magistrala sistem este alt problem, i nu este determinat de rata de transfer a SCSI. Rata de transfer global depinde esenial de calitatea adaptorului gazda i de firmware din ROM BIOS-ul adaptorului; o valoare realist este 1 Mbyte/s. De asemenea, este decisiv, desigur, la ce vitez data poate fi citit de pe disc sau band. Principiul transferului datei pe o magistral SCSI este prezentat n figura 3.11.

Figura 3.11 Transferul de date pe magistrala SCSI Orice unitate SCSI poate ndeplini funcia unui iniiator i s preia controlul magistralei SCSI prin controlul semnalelor. Cu o adres SCSI iniiatorul activeaz o anumit unitate numit int care ndeplinete anumite funcii. Iniiatorul ocup magistrala SCSI doar pentru comand i transfer de date, altfel magistrala este liber i poate fi folosit de alt unitate SCSI.

Cererefunctie

Controlinitiator

Controltinta

Executiefunctie

Initiator Tinta

SCSI Bus


Aceasta se aplic de asemenea dac unitatea int ndeplinete o comand (de exemplu, citirea unui bloc), i n acest timp nu cere o conectare cu iniiatorul. Urmrind execuia comenzii, unitatea int stabilete conectarea la iniiator nc o dat i transfer data. Controlul magistralei este realizat de urmtoarele semnale de control: - BSY (busy): semnalul indic dac magistrala este ocupat. - SEL (select): semnalul este folosit de iniiator s selecteze dispozitivul int; contrar, inta poate de asemenea s foloseasc semnalul SEL pentru ca s restabileasc conexiunea cu iniiatorul dup o eliberare temporar a magistralei de control. - C/D (control/data): semnalul este exclusiv controlat de int i indic dac informaia de control sau data este prezent pe magistrala SCSI. Un semnal activ (cu nivel 0) indic o informaie de control. - I/O (input/output): semnalul este exclusiv controlat de dispozitivul int i indic direcia de transfer a datei pe magistrala de date relativ la iniiator. Un semnal activ (cu nivel 0) nseamn un transfer de date la iniiator. - MSG (message): semnalul este activat de int n timpul fazei mesaj a magistralei SCSI. - REQ (request): semnalul este activat de unitatea int pentru a indica cererea de handshaking n cursul unui transfer de date REQ/ACK. - ACK (acknowledge): semnalul este activat de iniiator s indice acceptarea handshaking n cursul unui transfer de date REQ/ACK - ATN (attention): un iniiator activeaz semnalul s indice condiia de atenionare - RST (reset): un semnal activ reseteaz toate dispozitivele SCSI conectate. Semnal Pin Semnificaie Semnal Pin Semnificaie GND 1 masa TERMPWR 26 termination -DB(0) 2 bit de date 0 GND 27 masa GND 3 masa GND 28 masa -DB(1) 4 bit de date 1 GND 29 masa GND 5 masa GND 30 masa -DB(2) 6 bit de date 2 GND 31 masa GND 7 masa -ATN 32 attention -DB(3) 8 bit de date 3 GND 33 masa GND 9 masa GND 34 masa -DB(4) 10 bit de date 4 GND 35 masa GND 11 masa -BSY 36 busy -DB(5) 12 bit de date 5 GND 37 masa GND 13 masa -ACK 38 acknowledge -DB(6) 14 bit de date 6 GND 39 masa


GND 15 masa -RST 40 reset -DB(7) 16 bit de date 7 GND 41 masa GND 17 masa -MSG 42 message -DB(P) 18 paritate GND 43 masa GND 19 masa -SEL 44 select GND 20 masa GND 45 masa GND 21 masa -C/D 46 command/data GND 22 masa GND 47 masa GND 23 masa -REQ 48 request GND 24 masa GND 49 masa 1) 25 - -I/O 50 I/O

1) fr conexiune Tabelul 3.3 Cablul interfeei SCSI

III.6 CARACTERISTICI ALE HARD-DISCURILOR III.6.1 Capacitatea de memorare Binenteles, principala caracteristic a unui hard-disc este capacitatea de memorare. Aici, sunt posibile dou combinaii diferite: capacitatea discului neformatat i formatat. Cum deja se cunoate de la discurile flexibile, controler-ul genereaz cteva cmpuri de adres i de gap aparinnd zonei datelor. Astfel capacitatea discului formatat este, n medie, cu aproximativ 20% mai mic. Deci atenie cnd se indic capacitatea brut (disc neformatat) sau net (disc formatat). n calitate de utilizator numai capacitatea discului formatat prezint, bineneles importan. Depinznd de parametrii formatrii i de mrimea sectorului, capacitatea discului formatat poate varia foarte puin. Astzi, n PC-uri sunt folosite numai hard disc-uri cu mrimea sectorului de 512 octei, astfel capacitatea discului formatat d cele mai bune comparaii ntre diferite hard disc-uri. III.6.2 Timpul de acces O alt caracteristic important, este timpul de acces. Dar ce nseamn acesta? Sunt mai muli timpi de acces distinci: pist-pist, de poziionare, aleator. Primul timp indic intervalul de timp necesar pentru a deplasa capul de la pista curent la o pist adiacent. Acest timp include aa-numitul timp de


stabilizare. Cnd braul port capete i capul sunt accelerate i apoi decelerate ntr-un timp scurt, nainte de pista destinaie, au tendina s oscileze. O dat ce aceast oscilare s-a stabilizat (adic capul s-a stabilizat), capul poate accesa corect pista. Valorile tipice pentru timpul de acces pist-pist sunt astzi n jur de 2.5-5 ms. O valoare scazut pentru acest timp este important cnd o mare cantitate de date este memorat n sectoare succesive. Dac capacitatea unui cilindru este depaita, atunci fiierul continu pe cilindrul urmtor. Astfel, capul trebuie mutat o pist. n acest caz, este favorabil un timp de acces pist-pist sczut. Timpul mediu de poziionare indic timpul mediu necesar pentru a deplasa capul de la pista curenta la o pist destinaie selectat aleator. Valoarea acestui timp include timpul de stabilizare al capului, dar nu i aa-numit laten. Cnd se dorete s se acceseze un anumit sector al discului printr-o comand a controler-ului, hard disc-ul trebuie s poziioneze capul mai nti deasupra pistei respective. Dar acum, de obicei, sectorul nu este nc accesibil. Numai n cazuri rare sectorul va apare n faa capului de citire/scriere imediat dupa stabilizarea sa. Oricum, este posibil ca sectorul respectiv s fi fost tocmai depit i controler-ul s atepte o rotaie complet. n medie acest timp de ateptare sau laten este chiar intervalul de timp necesar pentru o jumtate de rotaie a discului. Cum majoritatea hard-discurilor au o vitez de rotaie de 7200 rpm, latena este uzual egal cu 4.15 ms. Latena devine dominant n special la discurile cu timp de poziionare mic. Timpul de poziionare mpreun cu latena conduc la timpul de acces aleator sau timpul mediu de acces. Acesta este timpul necesar pentru un acces aleator la un anumit sector, deci timpul mediu pentru o deplasare complet ntampltoare a capului de la pista curent la pista destinaie, i perioada de ateptare pn ce sectorul respectiv ajunge n faa capului dupa trecerea timpului de laten. Vechiul i frecvent utilizatul drive ST225 necesit 65 ms; valorile tipice sunt astzi sub 7 ms. Un timp mediu de acces sczut este important dac se lucreaz cu multe aplicaii care utilizeaz date distribuite aleator sau conin date indexate (aplicaiile cu baze de date fac parte din acest grup). Pentru a localiza un octet ntr-o baz de date pot fi necesare cteva accese de disc i deci de deplasari ale capului. Atunci, un timp de acces sczut este foarte important. De asemenea, interpretarea timpului mediu de acces trebuie fcut cu atenie. Exist o posibilitate de a reduce n mod remarcabil acest timp: disc-cache-ul. Acestea sunt memorii cache integrate n disc sau controler care pot memora o pist complet sau sectoare individuale nainte ca datele pistei sau sectorului s fie transferate n memoria principal, sau datele furnizate de memoria principal s fie scrise pe disc. Accesul la disc-cache este, bineneles, foarte rapid; timpii de acces sunt n mod semnificativ sub 1ms. Oricum, timpul


mediu de acces mecanic rmne acelai, i este compus din timpul mediu de poziionare (mecanic) i din laten. n particular, accesul secvential la disc este mult mbunatit de disc-cache-uri. Anumii fabricani presupun, mai degrab arbitrar, c 40% din accese sunt secveniale, cu timpul de acces cache, 40% sunt accese aleatoare cu timpul mediu de acces mecanic, i 20% sunt accese de scriere, de asemenea cu timpul mediu de acces mecanic. Valoarea medie este astfel egal cu: 40% * timpul de acces cache + 60% * timpul mediu de acces mecanic Cu un timp mediu de acces mecanic de 20ms rezult un timp mediu de acces de 12ms - o valoare mult mai bun. Se poate constata c un disc cu timpul mecanic de acces mai mic cu 30% conduce de obicei la performane mai bune ale sistemului n comparaie cu sistemele la care micorarea timpului de acces s-a realizat numai cu ajutorul memoriei cache. Memoria cache a discului devine ntr-adevr eficient ncepnd cu capaciti ale sale mai mari de 1Mbyte. O alternativ sunt cache-urile software care emuleaz un disc cache n memoria principal. Pe un PC la o frecven mare aceste cache-uri software sunt chiar rapide, astfel c o mare cantitate de date este deja prezent n memoria principal - memorie rapid, i nu mai este necesar aducerea lor de la controler-ul de cache al hard discului prin intermediul bus-ului sistem care are un ceas cu o frecven mai scazut. Dar un dezavantaj semnificativ este c o blocare a PC-ului datorat unei cderi a sistemului, conduce la pierderea datelor tocmai scrise pe disc, dac acestea au fost temporar memorate n cache i blocarea apare nainte ca acestea s fie scrise pe disc. Numai o strategie write-through poate evita aceast problem, dar aceasta este dezavantajoas dac programele modific frecvent blocurile de date, caz n care cache-ul virtual nu are practic nici n efect. Cache-urile hardware de pe controler nu sunt afectate de aceast prabuire a sistemului. Logica lor este separat de sistemul principal, i funcioneaz chiar i atunci cnd PC-ul este deja blocat. Trebuie ateptat numai cteva secunde dup ultimul acces n scriere nainte de a opri PC-ul i a ntrerupe sursa de tensiune pentru cache nainte ca toate datele din cache s fie scrise. Pe lng aceti timpi de acces, fabricanii indic adesea i timpul de poziionare maxim. Acesta este timpul necesar pentru a deplasa capul de pe pista 0 pe pista cu numrul de cilindru maxim, sau invers. Valoarea este semnificativ pentru accese la date care sunt foarte deprtate una de cealalt. Asemenea date foarte puternic fragmentate pot apare, de exemplu, dac se extinde un fiier mai vechi i toate clusterele apropiate i pn la sfritul discului sunt deja ocupate de ctre alte fiiere i directoare. DOS-ul aloc atunci


un sector pe o pist ntr-o zon foarte interioar a discului pentru datele suplimentare. Astfel capetele trebuie mutate destul de departe. III.6.3 Rata de transfer a datelor Rata de transfer a datelor se refer n general la raportul dintre cantitatea datelor transferate i timpul necesar pentru acest transfer. Prin termenul rat de transfer a datelor vom nelege o valoare cu care un fiier de mrime medie este transferat de pe disc n memoria principal. Trei componente principale contribuie la rata de transfer: transferul disc - controler, procesarea n controler i transferul controler - memoria principal. Prima component este limitat de numrul de octei ce sunt vehiculai prin faa capului de citire/scriere n fiecare secund. Cu 17 sectoare pe pist la 3600 rpm aceasta valoare (mpreun cu cmpurile de adres, gap-urile, etc.) ajunge la aproximativ 600 kbytes/s. Aceasta corespunde la 5 Mbits/s - specificaie pentru interfaa ST412 cu codificare MFM pentru date. Controler-ul separ toi octeii care nu aparin cmpului de date din sector, astfel rmnnd numai n jur de 510 kbytes. Mai nti aceti 510 kbytes/s sunt valizi numai pentru un singur sector; ar trebui s scriem 512 bytes/980s cci un sector cuprinde 512 octei de date, iar sectorul mpreun cu toate cmpurile de adres i gap-urile trec prin faa capului n aproximativ 980s. Acum datele sunt n bufferul de sector i vor fi transferate n memoria principal. Dac controler-ul i sistemul principal sunt suficient de rapide s realizeze aceast sarcin nainte ca urmtorul sector s apar (aceasta nseamn un factor de ntreesere de 1:1) atunci aceast rat de transfer rmne aceai pentru ntreaga pist. Rata de transfer este efectiv egal cu 510 kbytes/s. Dar cu un factor de ntreesere de 2, sunt deja necesare 2 rotaii complete pentru a transfera toate datele de pe o pist n memoria principal. Astfel rata de transfer este redus la 255 kbytes/s. La un XT utilizarea unui factor de ntreesere de 6:1 ducea la o rat de transfer ridicol de numai 85 kbytes/s; aceasta valoare este aproape atins de un floppy-drive de 1.44 Mbyte. Timpul de prelucrare n controler este de obicei foarte scurt deoarece verificrile CRC i ECC i coreciile ECC sunt realizate ntr-un timp foarte scurt. Astfel timpul de prelucrare are o foarte mic influen asupra ratei de transfer. Dar rata de transfer ntre controler i memoria principal via bus-ul sistem va avea o influen destul de mare, deoarece, n intervalul scurt pn ce urmtorul sector apare, toate datele trebuie transferate de la controler n memoria principal. Distana ntre dou cmpuri de date dintr-un sector este de numai 100 s. Astfel, rata de transfer n memoria principal trebuie s fie egal cu 512 bytes/100 s, sau de aproximativ 5 Mbytes/s! De aceea magistrala sistem a PC-ului trebuie s fie n msur s lucreze la cel puin o asemenea rat,


astfel nct s fie posibil o valoare de ntreesere 1. Magistralele ISA i EISA lucreaz numai la o frecven de cel mult 8.33 Mhz, n acord cu specificaiile lor. mpreun cu o lrgime de 16 bii pentru ISA i 32 bii pentru EISA, rata de transfer a datelor pentru magistrala sistem este astfel limitat la maxim 8.33 Mbytes/s i respectiv 16.67 Mbytes/s, deoarece procesorul necesit pentru un ciclu de bus dou cicluri ale ceasului de bus. De aceea, o codificare a datelor RLL cu o interfa ST412 i 26 sectoare pe pist depete capacitatea magistralei ISA. Acum devine clar de ce drive-urile de mare capacitate cu peste 70 sectoare/pist i o ntreesere de 1:1 au un disc cache (sau cel puin un bufer de o pist n loc de un bufer de un sector). Cache-ul opereaz mult mai repede dect transferul via magistrala ISA sau EISA i poate astfel nregistra o pist ntreaga. Transferul n memoria principal via magistrala PC poate fi realizat continuu i capacitatea de transfer de 8.33 MB/s sau 16.67MB/s poate fi folosit pentru un timp mai mare de 100 s ntre 2 sectoare, ca n cazul hard disc-urilor cu metoda de codificare MFM i controler ST412. III.6.4 Fiabilitatea i MTBF Intervalul de timp ntre 2 defeciuni complete ale drive-ului care necesit anumite reparaii este descris prin timpul mediu ntre defeciuni - MTBF. Timpul MTBF trebuie interpretat astfel: dac presupunem o mulime de hard disc-uri identice, atunci, n medie, o defeciune apare la MTBF. Astfel MTBF este o cantitate statistic. Cum se calculeaz MTBF? De exemplu considerm o valoare a MTBF de 150000 de ore care nseamn mai mult de 17 (!) ani de funcionare nentrerupt 24 de ore din 24. Pentru a obine o valoare n care se poate avea ncredere pentru MTBF, ar trebui s operm cu o mulime de hard disc-uri identice un timp mai lung dect MTBF indicat. Cum este posibil s se indice o valoare medie de timp, dac timpul de test este mult sub aceasta? Testarea este bineneles imposibil pentru un MTBF de 17 ani, deoarece hard-disc-ul ar fi demult depit dup timpul de test MTBF. n schimb, fabricanii fac anumite presupuneri i elaboreaz statistic modele de defeciuni care se bazeaz ntr-adevar pe experiena cu alte discuri mai vechi. Dup aceea, este realizat un test care poate dura nu mai mult de 6 luni. Din rata defectrilor din acest interval de timp i din compararea cu rata defectelor ale hard disc-urilor mai vechi pentru care exist o anumit experien se extrapoleaz MTBF pentru hard discul investigat.


Pe lng defeciunile complete caracterizate de MTBF, exist i alte tipuri de defeciuni obinuite, precum erori de citire i erori de poziionare. Erorile de scriere nu sunt detectate de dispozitiv n cele mai multe cazuri. Ele se vor manifesta mai trziu ca erori de citire. n medie, pentru un hard disc bun

numrul erorilor de citire corectabile, este n jur de 1 la 1010 bii citii. Observai c rata erorilor este indicat ca eroare per bit citit, dar ntotdeauna un acces de citire este realizat la un sector, cu 512 octei/sector, 8 bii/octet. Convertind n numr de accese pentru citire, rezult un numr mai mare de

4000. Numrul erorilor recuperabile ajunge astfel la 1 la 2*106 accese pentru citire. Deci se poate citi 1 Gbyte de date fr a ntlni o eroare corectabil, dar un utilizator nu poate recunoate o astfel de eroare deoarece circuitul ECC o corecteaz. Erorile de citire care nu se pot corecta sunt mult mai suprtoare.

Rata tipic pentru un hard disc de nalt calitate este de o eroare la 1014 bii

citii sau o eroare la 2*1010 comenzi de citire. Astfel de tipuri de erori caracterizeaz aa-numitele erori soft. Ele presupun c dispozitivele mecanice nu au erori i de asemenea c pe suprafaa hard disc-ului nu exist erori. Defeciunile de natur mecanic - datorate uzurii sau cauzate de prbuirea capetelor - cunoscute ca erori hard, cresc rata erorilor cu cteva puteri ale lui 10. Cele mai probabile cauze de erori sunt poziionrile incorecte ale capului de citire/scriere. Rata acestor erori de poziionare este n

jur de 1 la 106 poziionri pentru hard disc-urile cu motoare liniare. Motoarele pas cu pas prezint o rat a erorilor de aproape 10 ori mai mare. Toate aceste valori par a fi destul de bune, dar trebuie inut cont i de faptul c, capetele unui hard disc trebuie mutate frecvent i rapid, astfel c un milion de poziionri apar ntr-un timp scurt. Dar ca o compensare, strategia de detectare a erorilor integrat n controler gestioneaz automat astfel de erori de poziionare. De exemplu, n cele mai multe cazuri, este suficient s se mute capul napoi pe pista zero pentru recalibrare i apoi s se repete poziionarea.

Documents

Unitati de Discuri Dure