Urządzenia techniki komputerowej

Pamięci dyskowe

Cz. 2

W stacjach dysków elastycznych głowica odczytu-zapisu

jest przykładana bezpośrednio do wirującego dysku.

Z tego też powodu, stosowane prędkości obrotowe są

niewielkie, a więc i szybkości zapisu i odczytu są

ograniczone. Dyski twarde zostały tak nazwane,

z powodu swej sztywnej konstrukcji. Są one umieszczone

w odpowiednio skonstruowanym pyłoszczelnym zespole

napędowym, zawierającym ponadto układy sterowania

silnikiem napędu dysków, silnikiem przesuwu głowic

(pozycjonerem), układy sterowania głowicami zapisu,

układy odczytu oraz inne układy sterujące i kontrolne

zespołu napędowego.

W dyskach twardych głowica odczytu-zapisu, nie dotyka dysku

w czasie pracy, jest utrzymywana w małej odległości od niego

(ok. 1µm) na poduszce powietrznej powstającej automatycznie

na skutek ruchu obrotowego. Prędkość obrotowa dysku twardego

jest bardzo duża, dzięki temu osiąga się duże prędkości transmisji

danych. Najważniejsze parametry techniczne dysków twardych:

 pojemność,

 liczba głowic odczytu-zapisu (od 4 do kilkunastu),

 liczba cylindrów (od 615 do kilkunastu tysięcy),

 średni czas dostępu - na średni czas dostępu składają się dwa
elementy: średni czas poszukiwania potrzebny do umieszczenia
głowicy na wybranej ścieżce oraz opóźnienie rotacyjne
potrzebne do umieszczenia głowicy nad odpowiednim sektorem,

 prędkość obrotowa dysku,

 prędkość transmisji danych,

 zasilanie (+12V, +5V)

ścieżki tworzące

cylinder

sektor

dyski wirujące

z szybkością

3600 obr/min

głowica zapisu/odczytu

mechanizm

pozycjonujący

ramię głowicy

silnik liniowy

unoszona na "poduszce"

powietrznej nad

powierzchnią dysku

Napęd dysków twardych łączony jest z systemem mikroprocesorowym

(z płytą główną) poprzez sterownik dysku twardego (ang. Hard Disk

Controller, HDC) za pomocą interfejsu HDD.

Większość dysków twardych składa się z następujących komponentów:

obudowy, pozycjonera głowicy, ramion głowic, głowic odczytu/zapisu

oraz kilku dysków. Każdemu dyskowi pamięci przyporządkowane są

dwie głowice (dla jego dolnej i górnej powierzchni). Głowice

utrzymywane są na sprężynujących ramionach, przy czym wszystkie

ramiona głowic są ze sobą połączone i poruszają się synchronicznie,

napędzane pozycjonerem. W stanie spoczynku głowice znajdują się

na ścieżce na wysokości około 1 mikrometra. Zadaniem pozycjonera

jest przemieszczenie głowic na wybrany cylinder. Pozycjonery

zbudowane w oparciu o silnik liniowy, same parkują głowice po

wyłączeniu zasilania, gdyż sprężyna automatycznie odciąga je do

położenia parkowania. Pozycjonery z silnikiem krokowym wymagają

zaparkowania głowic za pomocą specjalnego programu.

Jednym z najbardziej odpowiedzialnych elementów składowych

dysków twardych jest układ zawieszenia głowicy. Składa się nań

specjalnie ukształtowany ślizgacz przymocowany do płaskiej sprężyny.

Sprężyna nośna musi być lekka, mieć odpowiednią charakterystykę

mechaniczną i dużą sztywność poprzeczną.

System ten ma za zadanie utrzymanie głowicy w stałej odległości

od powierzchni dysku. Rolę elastycznego bufora oddzielającego

te dwa elementy spełnia poduszka powietrzna wytwarzająca się

w trakcie pracy. Powstaje ona na wskutek wirowania talerzy.

 

Można wyróżnić dwa rodzaje ślizgaczy:

 dodatni – siły aerodynamiczne odpychają go od powierzchni. Dla
zapewnienia stabilizacji wysokości lotu głowicy potrzebna jest
silnie działająca sprężyna. Wadą takiego rozwiązania jest to,
iż silna sprężyna może powodować uderzenia głowicy
o powierzchnie dysku oraz następuje opóźnienie momentu startu
głowicy,

 ujemny – siły aerodynamiczne działają w kierunku powierzchni
dysku. Ślizgacz ujemny lepiej stabilizuje wysokość lotu głowicy
oraz zapewnia tzw. wczesny start (głowica odrywa się od
powierzchni dysku praktycznie bezpośrednio po jego starcie).

Aby skutecznie zapisać twardy materiał magnetyczny potrzebne

są stosunkowo duże wielkości pola przy jednoczesnym zachowaniu

małych rozmiarów głowicy .Wymagania dużej gęstości zapisu realizuje

się poprzez dobór odpowiedniego kształtu pola oraz możliwie

minimalnego odstępu głowicy od powierzchni dysku.

Głowice ferrytowe

Są to głowice starszej generacji. Zbudowane były w postaci prostego

elektromagnesu, w którym zarówno rdzeniem jak i nośnikiem

uzwojenia jest sam materiał ferrytowy. Wadami tych głowic są:

 ferryt jest materiałem o stosunkowo dużym ciężarze własnym,
co powodowało, że głowice miały dużą bezwładność co
wymagało pozycjonerów o dużych mocach i wydłużało czas
dostępu,

 uzwojenia wykonywane były w sposób klasyczny poprzez
nawijanie cienkiego drutu, co uniemożliwiało dalszą modernizację.

Głowice cienkowarstwowe

Technologia wytwarzania tych głowic zapożyczona została

od technologii stosowanej w cyklu wytwarzania układów scalonych.

W technice tej wszystko powstaje jako wynik kolejnego nanoszenia

i usuwania różnorodnych warstw materiałów: w zależności od potrzeb

mogą to być półprzewodniki, domieszki, metale lub izolatory.

Kolejne procesy odbywają się za pośrednictwem tzw. masek,

które ograniczają obszar nanoszenia lub usuwania materiału warstwy.

W przypadku głowic cienkowarstwowych uzwojenia wykonuje się

poprzez precyzyjne trawienie napylonej warstwy metalicznej.

Uzwojenia są zwykle jedno lub dwuwarstwowe o liczbie zwojów 20-30

odpowiada to indukcji rzędu 600 nH. Szczelinę głowicy

stanowi warstwa tlenku krzemu. Również bieguny magnetyczne

kształtowane są w procesach napylania i usuwania odpowiednich warstw.

Ten sposób wykonania oznacza redukcję wymiarów i wagi głowicy,

o conajmniej rząd wielkości.

Pozycjonery dysków twardych

Ścisłe upakowanie danych na powierzchni dysku wymusza ogromną

precyzję wykonania mechanizmu pozycjonowania głowic. Jeżeli dysk

jest wielopłytowy, dochodzą do głosu zniekształcenia termiczne

materiału nośnego wywołując mimośrodowość całego mechanizmu

wirującego.

Powszechnie stosowane systemy napędowe pozycjonerów można

zaliczyć do jednej z trzech grup:

silnik krokowy,
silnik liniowy z mechanizmem przesuwnym,
silnik liniowy z mechanizmem obrotowym.

Silnik krokowy

Wirnik silnika krokowego może przyjmować tylko ściśle określone

położenia, oddalone od siebie w równej odległości kątowej. Jeżeli

silnik taki potrzebuje np. 100 impulsów do pełnego obrotu osi, możliwe

są następujące położenia 0º, 3.6º, 7.2º, ...356.4º. Żadne z położeń

pośrednich (np. 5º) nie jest możliwe do uzyskania. Silnik taki może

pracować w obydwu kierunkach.

Oś silnika sprzężona jest z mechanizmem napędowym poprzez

przekładnię cierną. Przekładnia zębata jest wykluczona ze względu

na luz. Stopień przełożenia całego mechanizmu jest tak dobrany,

że pojedynczy skok silnika krokowego przesuwa głowicę na następną

ścieżkę.

Silnik liniowy

Współczesne dyski twarde o dużej gęstości zapisu wymagają

mechanizmów znacznie bardziej precyzyjnych od silników krokowych,

dlatego też ich miejsce zajęły różne wersje silników liniowych.

Budowa tego typu pozycjonera przypomina układ magnetoelektryczny

miernika wskazówkowego. W polu silnego magnesu stałego znajduje

się uzwojenie. Ramka z uzwojeniem umieszczona jest na

ułożyskowanym (specjalne łożyska ceramiczne) wózku. Do ramki

przytwierdzony jest uchwyt trzymający ramiona głowic.

Cały zespół ma możliwość poruszania się w takim zakresie,

by znajdujące się na końcu ramion głowice obejmowały swym

zasięgiem całą aktywną powierzchnię dysku.

Odmiana obrotowa pozycjonera z silnikiem liniowym jest spotykana

znacznie częściej w konstrukcjach dysków ze względu na jej zalety.

Dzięki mechanizmowi dźwigni ramiona z głowicami osiągają duże

przyspieszenia przy minimalnych nakładach energetycznych

po stronie uzwojenia daje to widoczne skrócenie czasu pozycjonowania

głowic. Niewątpliwą wadą tego typu pozycjonera jest zmienny

w stosunku do osi ścieżki kąt położenia głowic.

Mechanizm parkowania głowic

Głowice dysku, który nie wiruje z dostateczną prędkością spoczywają

na jego powierzchni. Za każdym razem, gdy uruchamiany jest napęd

dysków głowice szlifują powierzchnie tak długo, aż wirnik osiągnie

pewną minimalną prędkość, przy której głowice oderwą się od

powierzchni. Proces odwrotny ma miejsce przy wyłączeniu dysku.

Dla zabezpieczenia obszaru będącego nośnikiem informacji przed

takimi mechanicznymi uszkodzeniami ze strony głowic wspomniany

pas startowy umieszcza się w bezpiecznym miejscu. Jest nim na ogół

najbardziej wewnętrzny z cylindrów dysku. Cylinder ten zostaje

pozbawiony prawa do składowania danych i stanowi tzw. strefę

parkowania.

Istnieje kilka sposobów sprowadzania głowicy do strefy parkowania:

 dyski (szczególnie MFM) posiadały specjalny program, który
wysyłał rozkaz do kontrolera przesunięcia głowic do strefy
parkowania,

 dyski zostały wyposażone w sprężynę, która powodowała
odsuwanie głowicy do strefy parkowania,

 układ z elektromagnesem. Jest to bardzo pewna i niezawodna
konstrukcja. System składa się z zamka i mechanizmu
sprężynowego odblokowywanego przy pomocy elektromagnesu.
Elektromagnes otwiera zamek i wypuszcza głowicę dopiero
po uzyskaniu przez dysk odpowiedniej prędkości wirowania.
Przy zaniku napięcia opada kotwica elektromagnesu co wyzwala
sprężynę wciągającą pozycjoner do zamka.

Organizacja danych w dyskach twardych

Słowniczek:

Partycja (partition) – jest to obowiązkowy poziom organizacji
przestrzeni dyskowej. Partycje dzielą dysk twardy na rozłączne obszary,
którym system operacyjny przypisuje litery napędów. Rozróżniamy
przy tym partycje pierwotne (primary) i rozszerzone (extended).
Informacje o wielkości i rodzaju partycji przechowuje tablica partycji
w pierwszym sektorze dysku.
Klaster (cluster) – jednostka alokacji, najmniejsza logiczna jednostka
zarządzana przez FAT i inne systemy plików. Fizycznie klaster
składa się z jednego lub więcej sektorów.
FAT (File Allocation Table) – tablica alokacji plików, która powstaje
przy formatowaniu partycji. FAT przechowuje informacje
o odwzorowaniu plików na numery klastrów.
Ścieżki (tracks) – koncentrycznie położone okręgi na każdym
talerzu twardego dysku, które podzielone są z kolei na sektory.

Cylindry (cylindres) – zbiór wszystkich sektorów dysku twardego,
osiągalnych bez przemieszczenia głowicy. Termin często lecz błędnie,
stosowany jako zamiennik ścieżki - także w programie Setup BIOS'u.
Sektory(sectors) – najmniejsze adresowalne jednostki na twardym
dysku. Całkowitą liczbę sektorów otrzymujemy, mnożąc liczbę
głowic przez liczbę ścieżek razy liczbę sektorów na ścieżce.

Fizyczna organizacja danych zapisanych na ścieżce dysku twardego

jest analogiczna jak dla dyskietki. Główna różnica polega na tym,

że w obudowie dysku znajduje się nie jeden, lecz kilka talerzy

powleczonych warstwą nośnika magnetycznego i obsługiwanych

przez odpowiednie zespoły głowic, poruszane jednym mechanizmem.

Z tego też względu w przypadku dysków twardych nie mówi się
o pojedynczych ścieżkach, lecz tzw. cylindrach, w skład których

wchodzą ścieżki o tym samym numerze położone na kolejnych

talerzach pakietu. Ponieważ prędkość obrotowa dysku twardego

jest znacznie większa niż dyskietki (od kilku do kilkunastu tysięcy

obrotów na minutę), ilość informacji odczytywanych przez głowice

może przekroczyć przepustowość kontrolera (miało to miejsce

głównie dla starszych kontrolerów MFM). Z tego względu odczyt

danych z dysku realizowany jest z tzw. przeplotem, który polega

na niesekwencyjnym odczycie kolejnych sektorów.

Ważnym parametrem charakteryzującym zespół dysk-kontroler jest

tzw. współczynnik przeplotu określający, co który sektor jest

odczytywany podczas obrotu dysku. Przykładowo, dla współczynnika

przeplotu równego 1:3 odczytywane są sektory 1, 4, 7,..., 2, 5, 8,... itd.

Technika ta daje kontrolerowi czas na przetworzenie odczytanego

sektora, ale jednocześnie znacznie spowalnia proces odczytywania

informacji. Z tego też względu dla starszych kontrolerów MFM

bardzo istotne było dobranie właściwego współczynnika przeplotu,

objawiające się na zewnątrz osiągnięciem maksymalnej

przepustowości zespołu dysk-kontroler. Obecnie stosowane kontrolery

są na tyle szybkie, że pozwalają na pracę z przeplotem 1:1, tj. odczytują

sektory po kolei.

Formatowanie wysokiego poziomu odnośnie do dysku twardego,

w przeciwieństwie do dyskietek, nie nanosi na jego powierzchnię

ścieżek ani sektorów. Program formatujący buduje jedynie logiczną

strukturę partycji. Partycją nazywamy wyodrębniony logicznie

obszar dysku twardego, na który składa się pewna liczba przyległych

do siebie cylindrów. Obszar taki może być administrowany tak,

jak oddzielny, logiczny napęd dyskowy. Każdy taki napęd logiczny

należy poddać operacji formatowania wysokiego poziomu, w trakcie

którego program format zapisuje w obszarze partycji sektor ładujący

(BOOT sector), tablicę alokacji plików (FAT) i katalog główny.

Wszystkie pozycje tablicy FAT inicjalizowane są wartością zero,

co oznacza, że cała partycja jest wolna.

Położenie partycji na dysku fizycznym określone jest jednoznacznie

przez podanie jej cylindra początkowego oraz liczby cylindrów,

na które się rozciąga. Tego rodzaju dane, obejmujące wszystkie

zadeklarowane partycje, przechowywane są w tablicy partycji.

Program formatujący korzysta z tej tablicy, ale nie tworzy jej ani nie

modyfikuje. Musi ona być zapisana na dysku przed przystąpieniem

do formatowania wysokiego poziomu. Tablicę partycji generuje np.

program fdisk.com.

Należy zwrócić uwagę na fakt, że powtórne formatowanie dysku

twardego (celowe lub niezamierzone) nie niszczy zapisanej na nim

informacji, a jedynie jej logiczną strukturę. Nie oznacza to bynajmniej,

że odzyskanie danych jest sprawą banalną, szczególnie gdy były one

rozproszone na całym dysku. Niszczona jest informacja o strukturze

danych zawarta w FAT, dlatego przechowywanie „rezerwowej”

kopii FAT w dodatkowym miejscu dysku pozwala odzyskać dane po

formatowaniu. System przechowuje w partycji dwie kopie tablicy FAT,

co pozwala na wykrywanie ewentualnych błędów alokacji,

nie umożliwia natomiast odzyskania danych po formatowaniu

wysokiego poziomu. Do utworzenia kopii bezpieczeństwa obszaru

zawierające dane systemowe (FAT, sektor ładujący, katalog główny)

należy użyć specjalnego programu, na przykład mirror.com

lub Norton DiskTool.

Operacja nanoszenia na powierzchnię dysku ścieżek, sektorów

i wszystkich innych pól dodatkowych nazywana jest formatowaniem

niskiego poziomu, inicjalizacją lub preformatowaniem.

Zdecydowana większość produkowanych obecnie napędów

poddawana jest tej operacji jeszcze u producenta i nie należy jej powtarzać.

Interfejs IDE

Dyski z interfejsem IDE funkcjonowały od 1987 r. Posiadały one maksymalną

pojemność równą 512 MB (ograniczał tę wartość BIOS starszych komputerów

IBM PC, który mógł obsłużyć jedynie dyski posiadające maksymalnie 1024 cylindry,

16 głowic i 64 sektory, czyli o maksymalnej pojemności 512 MB), dyski o większej

pojemności wymagały sterowników wyposażonych w pamięci EPROM zawierające

specjalne programy obsługi tych dysków.

Dyski twarde IDE zaczęto wyposażać w pamięci Cache, pozwalające zwiększyć

szybkość transmisji danych. Aby przyspieszyć transmisję w dyskach z pamięcią Cache,

stosuje się następującą zasadę: z dysku podczas odczytu wczytuje się do pamięci

Cache, oprócz interesujących nas w danej chwili sektorów, również sektory

następujące po nich. Jeśli dane te zostaną zażądane później, to nie muszą być

odczytywane z dysku, lecz przywołane są z pamięci Cache.

Napędy IDE posiadały krótkie czasy poszukiwania, rzędu kilkunastu milisekund.

Szybkość transmisji mogła osiągnąć nawet poziom 4 MB/s. Interfejs wyposażony

jest w 40-stykowe złącze. Ze złącza usunięto styk 20, by uchronić dysk przed

nieprawidłowym podłączeniem kabla. Długość kabla interfejsu nie powinna

przekroczyć 18 cali.

Interfejs IDE obywa się bez specjalnych sterowników programowych,

a cały kontroler mieści się zaledwie w jednym układzie scalonym.

Twarde dyski są wyposażone we własne kontrolery, które wykonują

większą część pracy, natomiast kontroler zainstalowany w złączu

rozszerzającym zapewnia jedynie połączenie z magistralą danych.

Sterownik IDE pracuje w trybie PIO (Processor Input Output),

co oznacza, że procesor musi sterować transferem każdego

pojedynczego bloku danych. Znacznie zmniejsza to wydajność całego

systemu, gdyż procesor musi przejąć na siebie całą pracę związaną

z zarządzaniem komunikacją. Wraz z rozpowszechnieniem się

systemów magistrali lokalnych typu VLB czy PCI sytuacja zmieniła

się radykalnie.

Standard Enhanced IDE (E-IDE)

Opracowany w roku 1994 system Enhanced IDE (E-IDE) pokonał

kilka ograniczeń standardu IDE, takich jak:

 zwiększenie szybkości przesyłanych danych,

 pokonanie granicy 512 MB,

 obsługa 4 dysków twardych,

 obsługa innych urządzeń, np. CD-ROM.

Ogromny wpływ na szybkość dysku ma typ magistrali, do której

dołączony jest sterownik. Aby osiągnąć przyzwoity transfer trzeba użyć

magistrali typu PCI (lub starszej VESA Local-Bus), gdyż ISA może

jedynie zapewnić jedynie od 1.5 do 1.8 MB/s. Standard E-IDE (zwany

również ATA) może obsługiwać 4 dyski twarde za pomocą dwóch

adapterów (dwóch kanałów IDE). Adaptery mogą znajdować się na

wspólnej karcie, na kartach oddzielnych lub (i tak najczęściej obecnie

bywa) bezpośrednio na płycie głównej.

Do każdego kanału można dołączyć dwa urządzenia IDE, które

pracują w zwyczajnym systemie jako Master i Slave. Cztery twarde

dyski, pracujące w systemie zachowają następującą kolejność:

dysk Master – pierwotny adapter,

dysk Slave – pierwotny adapter,

dysk Master - wtórny adapter,

dysk Slave - wtórny adapter.

Dyski E-IDE mogą posiadać pojemność przekraczającą 512 MB.

BIOS płyty głównej komputera AT wyposażony w procedury

obsługujące ten sterownik wprowadził metodę adresowania dysku

twardego, zwaną CHS (Cylinder Head Sektor). Metoda ta pozwala

obsługiwać dyski posiadające max 16 głowic, 63 sektory i 1024

cylindry. Dla pokonania granicy 512 MB standard E-IDE

wykorzystuje tzw. metodę LBA (Logical Block Address),

oraz alternatywną do niej metodę XCHS (Extended CHS).

System operacyjny MS-DOS realizuje operacje dyskowe za

pośrednictwem przerwania INT13h. Jest to po prostu kanał

komunikacyjny łączący DOS ze specjalizowanymi procedurami

BIOS-u. To właśnie one są bezpośrednimi wykonawcami operacji

zleconych przez DOS.

Pojemność dysku: tryby LBA i XCHS

Przyjęty system nakłada następujące ograniczenia:

 Cylindrów – 1024 (0...1023),

 Sektorów – 63 (1...63),

 Głowic – 16 (0...15).

Maksymalna liczba sektorów, która da się w ten sposób zaadresować

wynosi więc:

1024 x 63 x 16 = l032192,

co przy wymiarach sektora 512 B daje 512 MB maksymalnej

dostępnej pojemności dyskowej, która da się objąć przy pomocy

klasycznego BIOS-u i jego funkcji.

Standard EIDE przewiduje rozwiązanie tego problemu na dwa sposoby:

• adresowanie liniowe LBA (Logical Block Address),

• rozszerzony model CHS – XCHS (eXtended Cylinder Head Sektor),
które gwarantują dostęp do 7,8 GB pamięci dyskowej (ograniczenie
to nakłada BIOS, który nie jest w stanie obsługiwać dysku o takich
rozmiarach.

Trzecim rozwiązaniem może być podzielenie dysku na partycje,
jeśli ma się odpowiedni program.

Logical Block Address (LBA)

Metoda LBA powoduje przenumerowanie wszystkich sektorów, tzn.

dokonuje tzw. translacji adresów, zamieniając rzeczywisty numer

głowicy, cylindra i sektora na logiczny odpowiednik; odpada więc

skomplikowana adresacja za pomocą cylindrów, głowic i sektorów.

W trybie LBA każdy sektor ma swój kolejny numer obliczany na

podstawie wzoru:

 

LBA = (numer cylindra * liczba głowic na cylinder + numer głowicy)

* liczba sektorów na ścieżkę + numer sektora – l

 

Sektory adresowane są za pomocą 28-bitowej liczby. Poszczególne

pozycje bitowe adresu w trybie LBA tworzone są z następujących

składowych:

 LBA 0-7 Rejestr numeru sektora (IF3h),

 LBA 8-15 Rejestr numeru cylindra, składowa LSB ( 1F5h),

 LBA 16-23 Rejestr numeru cylindra, składowa MSB (1F4h),

 LBA 24-27 Bity 0-3 rejestru napędu/głowicy (1F6h).

Extended Cylinder Head Sector (XCHS)

Alternatywą dla metody LBA jest metoda Extendend CHS (XCHS),

która zezwala na zwiększenie liczby głowic do 255. Z tego wynika iż

BIOS może obsłużyć dyski posiadające 63 sektory, 255 głowic i 1024

cylindry, czyli o maksymalnej pojemności do 7.8 GB. Oczywiście

w praktyce zakłada się, iż liczba głowic nie może być większa niż 16.

Jeśli więc BIOS natrafi na parametr określający liczbę głowic większą

niż 16, wtedy przelicza wartości CHS w ten sposób, że dyskowi nie

przydziela więcej niż 16 głowic, zwiększa natomiast liczbę sektorów

lub cylindrów.

Liczba

cylindrów

przed

translacją

Liczba głowic

przed

translacją

Translacja

liczby

cylindrów

Translacja

liczby głowic

0 – 1024

≤ 16

bez zmiany

bez zmiany

1025 – 2048

≤ 16

≤ 1024

≤ 32

2049 – 4096

≤ 16

≤ 1024

≤ 64

4097 – 8191

≤ 16

≤ 1024

≤ 128

8192 – 16384

≤ 16

≤ 1024

≤ 256

16385 – 32768

≤ 16

≤ 1024

≤ 512

Prędkość transmisji danych – tryby PIO i DMA

Tryb PIO (Programmed Input/Output) jest standardową metodą

przesyłania danych używającą do tego celu procesora centralnego

i jest stosowana przez wszystkie zawarte w BIOS-ie sterowniki

systemowe. Technika PIO jest zgodna ze wszystkimi systemami

współpracującymi z BIOS-em i nie wymaga stosowania dodatkowych

sterowników.

Przy przesyłaniu danych z kontrolera do pamięci dyski E-IDE

wykorzystują klasyczny tryb przekazu z udziałem portu danych (PIO).

W kontrolerach IDE wykorzystywany był tryb PIO 0, zapewniający

przesłanie w jednym cyklu, trwającym 280 ns, 16 bitów danych,

co odpowiada 3,33 MB/s.

Postęp technologiczny (zwiększenie prędkości obrotowej talerzy

i podniesienie gęstości zapisu, czyli liczby sektorów na ścieżce) sprawił,

że prędkość transferu danych z głowicy do kontrolera przekroczyła

możliwości interfejsu IDE. W pewnym momencie na rynku zaczęły

pojawiać się dyski osiągające transfer przekraczający możliwości

trybu PIO 0. Dla potrzeb obsługi urządzeń tego typu zdefiniowane

zostały kolejne tryby PIO 1-3.

Tryb pracy dysku E-IDE

Szybkość transmisji (MB/s)

PIO 0

3,33 IDE

PIO 1

5,22 IDE

PIO 2

8,33 IDE

PIO 3

11,11 EIDE

PIO 4

16,66 EIDE

PIO 5

20 EIDE

Standard EIDE wykorzystujący tryb PIO 3 zapewnia transfer

z prędkością 11,11 MB/s. Ponieważ parametry transmisji w tym trybie

przekraczają możliwości magistrali ISA, adaptery EIDE musiały

korzystać z magistrali VESA Local Bus, a później PCI.

To samo odnosi się do pracy w trybach PIO 4 i PIO 5.

Tryb DMA (ang. Direct Memory Access) – jest to bardzo szybka

metoda wczytywania z nośnika danych lub karty rozszerzającej

do pamięci operacyjnej komputera, w celu ich przetworzenia.

Umożliwia dostęp do pamięci bez potrzeby odwoływania się do

procesora. Sygnały przesyłane są tzw. kanałami DMA.

Komputery klasy XT do komunikacji z dyskiem wykorzystywały

kanał DMA. Ze względu na kompatybilność moduł DMA modelu

XT znalazł się w modelu AT. Przewaga trybów DMA nad PIO

sprowadza się do wyłączenia transferu spod bezpośredniej

kontroli procesora – może on pracować zamiast nadzorować

transmisję danych.

ATA - (Advenced Technology Attachments) - ustanowiony w 1981 roku pierwszy

Standard interfejsu dysków twardych wykorzystywanych w komputerach PC/AT.

Szerokość szyny danych w tym interfejsie wynosi 16 bitów a maksymalna liczba

obsługiwanych urządzeń to 2. Przez interfejs ATA obsługiwane były wyłącznie dyski

twarde. Standard dziś praktycznie nie wykorzystywany w swojej pierwotnej wersji

(IDE).

ATA-2 - wprowadzone w 1984 roku rozszerzenie standardu ATA. Dodane funkcje

to sprzętowa kontrola przepływu danych, obsługa nowych trybów transmisji PIO

i DMA, nowy tryb adresowania sektorów LBA, "identify drive" – automatyczne

rozpoznawanie zainstalowanego w komputerze dysku (EIDE).

ATA-3 - rozwinięcie standardu ATA-2. Nie wprowadzono żadnych szybszych

trybów transmisji, lecz przede wszystkim usprawniono dotychczasowe osiągnięcia

nowinką wprowadzoną w tym standardzie jest technologia S.M.A.R.T. Tryb ten na

rynku zaistniał w 1996 roku.

ATA-4 - kolejna, wprowadzona w 1997 roku specyfikacja interfejsu ATA.

Nowością jest pojawienie się mechanizmu korekcji i detekcji błędów nazwanego

CRC - Cyclical Redundancy Check (tzw. transmisja nadmiarowa). Specyfikacja

ta definiuje nowy tryb komunikacji Ultra DMA Mode 2 (UDMA/33).

ATA-5 - Specyfikacja wprowadzona w roku 1999. Dodano dwa nowe tryby DMA.

Pomiędzy kable sygnałowe wpleciono kable uziemione chroniące przed zakłóceniami.

ATAPI - Standard utworzony specjalnie z myślą o urządzeniach pamięci masowej

innej niż dyski twarde, ale podłączonych do zwykłych portów ATA/IDE. Urządzenia

te to min. CD-ROM, DVD-ROM, ZIP, itd.

FAST ATA - interfejs bardzo podobny do EIDE tylko wprowadzony przez inną firmę.

Wprowadzony w 1994 roku.

FAST ATA-2 - Praktycznie to samo co FAST ATA, dodano obsługę trybu Multiword

DMA Mode 2. Wprowadzony w 1995 roku.

Ultra ATA - inaczej Ultra ATA/33, to samo co ATA-4 (UDMA/33).

Ultra ATA/66 - inaczej Ultra DMA/66, to samo co ATA-5

Ultra ATA/100 - wprowadzony przez firmę Quantum w 2000 r. (UDMA-5,

ATA- 5).

CRC - Cyclical Redundancy Check

CRC jest metodą obliczania krótkich wartości kontrolnych dla długich

ciągów bitów, pozwalających na wykrycie błędów powstałych w nich

podczas transmisji przez sieć lub zapisu na nośniki. Niewielkie CRC

jest dołączane do przesyłanych danych, tak by odbiorca mógł

powtórzyć obliczenia dla otrzymanej przesyłki i porównać wynik

z załączonym.

CRC jest resztą z binarnego dzielenia ciągu danych przez relatywnie

krótki dzielnik, zwany generatorem lub wielomianem CRC.

W praktyce stosuje się najczęściej wielomiany o długości 17

lub 33 bity, dające odpowiednio wyniki 16 (CRC-16)

i 32 bitów (CRC-32).

Metoda ta jest szeroko wykorzystywana do wykrywania błędów

przypadkowych, ale nie nadaje się do ochrony integralności

w zastosowaniach kryptograficznych. CRC jest relatywnie łatwe

do sfałszowania, tj. jest możliwe takie poprawienie ciągu bitów

by dawał on w wyniku poprawne CRC.

S.M.A.R.T. - przewidywanie awarii dysku

S.M.A.R.T. oznacza Self Monitoring And Reporting Technology (technologia

samoczynnego monitorowania i powiadamiania). Jest to uporządkowana metoda

wykonywania przez napęd dyskowy analiz statystycznych własnego funkcjonowania,

dokonywania na tej podstawie inteligentnych przewidywań co do zbliżających się

awarii oraz powiadamiania o tym użytkownika. S.M.A.R.T. wykorzystuje nadmiarową

moc obliczeniową procesora napędu dyskowego i prowadzi analizę rozmaitych

parametrów operacyjnych, takich jak stopa błędów, liczba powtórzeń, częstość

realokacji uszkodzonych sektorów, cykle startu-stopu itd. Informacja ta jest zbierana

i poddawana obróbce statystycznej na podstawie znanych charakterystyk operacyjnych

sprawnego dysku. W ten sposób uzyskuje się możliwość ostrzeżenia z wyprzedzeniem,

że zbliża się awaria dysku.

Chociaż obecnie nie ma sposobu, by technologia S.M.A.R.T. pozwoliła przewidzieć nagłą

awarię dotychczas zupełnie sprawnego dysku, to jednak zapewnia ona skuteczne

ostrzeganie o zbliżającej się awarii w około 30 do 40 procentach przypadków.

Standard SCSI

SCSI (Small Computer System Interface) wykorzystywany do sterowania napędów

dysków twardych, stanowi raczej standard szyny niż standard intefejsu dysków

twardych. Jeśli w komputerze PC zostanie zainstalowany sterownik SCSI (a raczej

adapter SCSI), to otrzymamy nową magistralę do której będzie można podłączyć

kilka urządzeń.

Poprzez SCSI można połączyć ze sobą 8 inteligentnych jednostek w tzw.

konfiguracji łańcuchowej. W konfiguracji łańcuchowej wszystkie linie interfejsu

są wspólne dla wszystkich urządzeń, a kabel łączy urządzenie pierwsze z drugim,

drugie z trzecim, trzecie z czwartym, itd.

Standard SCSI może pracować w dwóch trybach: synchronicznej transmisji danych

i w trybie transmisji asynchronicznej. Tryb asynchroniczny polega na każdorazowym

żądaniu transmisji sygnałem REQ i po przyjęciu bajtu danych potwierdzeniu

wykonanej operacji impulsem ACK. Fakt, iż każdy przesłany bajt danych wymaga

generowania pary impulsów REQ i ACK, powoduje spowolnienie szybkości

transmisji (ok. 3 – 4 MB/s).

W trybie synchronicznym transmisja może odbywać się bez każdorazowego

potwierdzania pojedynczego bajtu danych za pomocą impulsu ACK - powoduje to

przyspieszenie transmisji. Bajty danych przesyłane są w takt impulsów REQ o czasie

powtarzania 200 nanosekund (czyli z częstotliwością 5 MHz), co pozwala na

transmisję z szybkością 5 MB/s.

Tryb FAST, zwany inaczej SCSI-2 jest odmianą trybu synchronicznego

z czasem

powtarzania impulsów REQ równym 100 nanosekund (z częstotliwością

10 MHz).

Szybkość transmisji osiąga tu więc wartość 10 MB/s.

W trybie Ultra SCSI szyna danych taktowana jest zegarem o

częstotliwości 20 MHz,

a w trybie Ultra SCSI-2 z częstotliwością 40 MHz.

Interfejs SCSI posiada 8-bitową szynę danych DB0-7 oraz linię bitu

parzystości DBP,

za pomocą których następuje transmisja informacji pomiędzy

sterownikiem

a dołączonymi urządzeniami. Sygnały na wszystkich liniach interfejsu

generowane są

w logice ujemnej, tzn. aktywnym sygnałem na linii jest „zero” logiczne.

Nowy standard interfejsu zwany Wide SCSI posiada 16-bitową szynę

danych

DB0-15, co pozwala zwiększyć dwukrotnie szybkość transmisji. Kabel

łączący urządzenia pracujące w tym standardzie posiada 68 linii.

Stosując SCSI, można tworzyć układy zbliżone do sieci lokalnej,

pozwalające

na wspólne korzystanie z droższych urządzeń peryferyjnych (np.

drukarki laserowe,

zewnętrzne stacje dysków twardych, skanery, CD-ROM).

Dysk twardy łączony jest kablem interfejsu SCSI ze sterownikiem

umieszczonym

w gnieździe PC Slot. Karty sterowników SCSI posiadają własny BIOS,

oznacza to

iż sterowniki te nie korzystają z procedur obsługi dysku, zawartych w

BIOS-ie płyty

głównej, dzięki temu parametry dysków SCSI nie są ograniczane przez

BIOS płyty

głównej.

Złącze ISA

50-stykowe wewnętrzne

złącze SCSI

34-stykowe złącze

sterownika dysków

elastycznych

zespół zworek wyboru

numeru urządzenia SCSI

i kontroli bitu parzystości

wybór kanału

DMA

wybór poziomu
przerwania IRQ

adres portu

wejścia/wyjścia

adres BIOS-u

zewnętrzne

złącze SCSI

FDC

BIOS

mikro-

procesor

kontroler

SCSI

Karta posiada dwa 50-stykowe złącza interfejsu SCSI: wewnętrzne – do łączenia

z dyskami twardymi zainstalowanymi wewnątrz komputera i zewnętrzne służące do

podłączenia innych urządzeń (lub dodatkowych dysków twardych). Przed

zainstalowaniem karty sterownika w wolnym gnieździe ISA, należy ustawić na niej

pewne parametry konfiguracyjne:

• adres portu w przestrzeni adresowej I/O,

• adres BIOS-u,

• numer urządzenia (dla sterownika zarezerwowany jest numer 7),

• numer kanału DMA,

• numer poziomu przerwania IRQ.

Dysk twardy również wymaga skonfigurowania: przede wszystkim ustawić należy

numer twardego dysku (od 0 do 6, numer 7 zarezerwowany jest dla sterownika), który

jest jednocześnie priorytetem urządzenia pracującego w systemie SCSI, ponadto za

pomocą specjalnej zworki należy ustawić kontrolę parzystości lub zrezygnować z niej.

Zworka "P" pozwala ustawić parzystość; zworki "4 2 1" służą do ustawienia numeru

urządzenia (numer urządzenia ustawiany jest w kodzie dwójkowym). Kabel interfejsu

nie powinien być dłuższy niż 6 m. Większość produkowanych obecnie urządzeń

i sterowników jest kompatybilna ze standardem SCSI-2. Ten nowy ulepszony standard

przy transmisji synchronicznej (z wykorzystaniem dodatkowego mechanizmu zwanego

Fast-SCSI) pozwala napędom na pracę z szybkością 10 MB/s.