3.1. Sistemul harddisk

INTRODUCERE

Oficial aparute în anul 1956, harddisk-urile sunt de fapt una din inventiile ce vin ca rezultat al unui lung lant de inovatii. Fara îndoiala ca una din cele mai mari frâne pentru majoritatea sistemelor de calcul de atazi sunt partile mecanice, iar harddisk-urile sunt în mare parte niste dispozitive mecanice.

Harddisk-ul este singura parte mecanica, esentiala pentru functionare, care, la ora actuala, mai face parte dintr-un calculator modern. Chiar daca nu este o componenta electronica 100%, totusi, nivelul tehnologic la care a ajuns este remarcabil.
Harddisk-ul este principalul dispozitiv de stocare masiva pentru PC-urile actuale. Nici un alt echipament periferic nu poate ajunge la combinatia utila de viteza, capacitate si comoditate de instalare oferita de discuri. Harddisk-ul PC-ului stocheaza fisierele si extinde capacitatea memoriei RAM prin memoria virtuala.. Harddisk-urile ofera sute sau chiar mii de megaocteti. Intro secunda, harddisk-ul poate sa isi aminteasca si sa furnizeze sistemului informatii echivalente cu intregul continut al unui roman.

Probabil cea mai uimitoare proprietate a harddisk-urilor este capacitatea acestora de a tine pasul cu programele contemporane.Primele PC-uri nu aveau harddisk-uri .Primele harddisk-uri erau cat jumatate de cutie de pantofi si puteau stoca 10 megaocteti ,adica mai putin decat avem nevoie pentru un singur program windows .Harddisk-urile actuale ocupa un spatiu de zece ori mai mic si pastreaza de 100 de ori mai multe date .De fapt ,unitatea de masura standard pentru capacitatea harddisk-urilor a crescut de 1000 de ori ,de la megaocteti la gigaocteti.In acelasi timp ,costul harddisk-urilor a scazut - nu numai costul pe megaoctet,ci si pretul de baza al unei unitati de disc standard.

De fapt harddisk-urile actuale au foarte putine in comun cu discurile produse cu 10 ani in urma. Harddisk-urile moderne ocupa mai putin spatiu, raspund mai rapid, au capacitati mult mai mari, rezista de cateva ori mai mult timp si sunt mai putin expuse la defecte decat discurile mai vechi.Un disc modern nici nu se conecteaza la PC la fel ca unul dintre primele discuri. Noile interfete, într-o evolutie constanta, promit cresterea vitezei si simplifica instalarea.

Fig. 3.1.1. Dimensiunea si caracteristicile unui harddisk modern

Tehnologia harddisk-urilor

Harddisk-ul este un dispozitiv combinat, avand o parte electronica si o parte mecanica. Din punct de vedere electric, harddisk-ul are misiunea de a transforma impulsurile evanescente ale datelor digitale in campuri magnetice permanente. Ca si alte dispozitive magnetice de inregistrare harddisk-ul foloseste un electromagnet, numit cap de citire/scriere, ca sa alinieze polaritatile particulelor magnetice de pe discuri.

Toata tehnologia harddisk-urilor se sprijina pe un principiu de baza al fizicii. Curentul electric care trce printr-un conductor creeaza in jurul acestuia un camp magnetic iar intr-un conductor aflat sub influenta unui camp magnetic variabil se induce curent electric. Discurile componente ale unitatii sunt fabricate din aluminiu, peste care este aplicat un strat subtire de material paramagnetic (usor magnetizabil), acesta avand la baza un oxid de fier. Fiecareia dintre cele doua suprafete ale fiecarui disc îi corespunde cate un cap de citire, care, in timpul rotatiei platanelor, pluteste pe o "perna" de aer deasupra lor. Cand un curent, pozitiv sau negativ, strabate bobina aflata in componenta capului de citire, particulele magnetice aflate dedesubt, pe suprafata discului, se aliniaza in sensul curentului electric, astfel creându-se doua stari, corespunzatoare pentru 0 si 1. Când se doreste citirea informatiei stocate pe disc, procesul se inverseaza, în capul de citire inducându-se curent electric la trecerea peste zonele polarizate magnetic de pe suprafata discului.
În cazul în care unitatea are în compunere mai multe platane, acestea sunt asezate unul peste altul, fiecare având unul sau doua capete separate de citire, dar legate de celelalte, facând imposibila miscarea independenta a unui singur cap de pe o suprafata. Ansamblul capetelor se numeste actuator.

Alte circuite electronice ale sistemului de harddisk controleaza partea mecanica a unitatii si contribuie la organizarea corespunzatoare a informatiilor stocate si la localizarea datelor stocate pe disc.

Fig. 3.1.2. Ansamblul platanelor. Sagetile indica rotatia platanelor (cu rosu) respectiv a actuatorului (cu galben)

Toate discurile se rotesc unitar pe un singur ax ,numit dispozitiv de antrenare (spindle).De obicei ,axul este conectat la un motor care roteste intregul ansamblu.

Rotatia

Aproape invariabil, harddisk-urile se rotesc cu o singura viteza, masurata in rotatii pe minut sau RPM. Aceasta viteza nu se modifica in timpul functionarii hard-discului, desi unele discuri se pot opri pentru economisirea energiei. Rotatia constanta este numita tehnic inregistrare la viteza unghiulara constanta (constant angular velocity recording). Aceasta tehnologie stabileste viteza de rotatie a discului la o anumita valoare constanta, astefel incat intr-o perioada data de timp pe o anumita pista capul de citire/scriere parcurge un arc de aceeasi marime (masurata in grade). Lungimea reala a arcului masurata linear (in inch sau centimetri) depinde de pozitia radiala a capului. Desi arcul de cerc folosit pentru inregistrarea unui bit are aceasi lungime unghiulara (in grade), atunci cand capul de citire/scriere se afla mai departe de centrul discului, lungimea lineara este mai mare. In ciuda lungimii mai mari a arcurilor catre marginea exterioara a discului, la fiecare rotatie a discului se inregistreaza acelasi numar de biti, deci aceasi cantitate de informatie. Un cerc complet la marginea exterioara a discului contine acelasi numar de biti ca si un cerc complet de la marginea interioara a discului.

O tehnologie mai eficienta, numita inregistrare cu viteza liniara constanta (constant linear velocity recording), modifica viteza de rotatie a discului in functie de distanta capului de citire/scriere fata de centrul discului, astfel incat intr-o perioada data de timp pe sub cap trece un arc de aceasi lungime. Atunci cand capul de citire/scriere se afla mai aproape de marginea exterioara a discului, unde circumferinta este mai mare, viteza de rotatie mai mica permite inregistraria unui numar mai mare de biti la fiecare rotatie. Folosind aceasta tehnologie, un disc de o dimensiune data poate stoca o cantitate mai mare de informatii.

Figura urmatoare ilustreaza diferenta dintre cele doua metode de inregistrare. Lungimea sectoarelor variaza in cazul vitezei unghiulare constante, dar ramane aceasi in cazul in cazul vitezei liniare constante. Numarul de sectoare este acelasi pentru toate pistele in cazul vitezei unghiulare constante, dar se modifica in cazul vitezei lineare constante.

Fig. 3.1.3. Comparatie intre metodele de inregistrare cu viteza unghiulara constanta si cu viteza liniara constanta.

Harddisk-urile moderne folosesc un compromis intre inregistrarea cu viteza unghiulara constanta si inregistrarea cu viteza constanta. Desi pastreaza o viteza de rotatie constanta, aceste discuri modifica temporizarea bitilor individuali in functie de distanta de centrul discului la care sunt scrisi. Prin scurtarea duratei bitilor (masurata in microsecunde) pe pistele mai lungi ale discului, se poate obtine o marime liniara constanta pentru fiecare bit. Aceasta tehnica de compromis sta la baza tehnologiei de inregistrare pe zone multiple (multiple zone recording).

Capetele de citire/scriere

In afara discurilor, singura componenta aflata in miscare in interiorul celor mai multe unitati de harddisk este sistemul de capete. In majoritatea unitatilor, pentru fiecare fata a discurilor este folosit un cap de citire/scriere care se deplaseza foarte aproape de suprafata lui. Fiecare dintre aceste capete de citire /scriere este flexibil conectat la un brat mai rigid. De obicei, mai multe brate sunt legate laolalta pentru a forma o singura unitate mobila(de obicei pivotanta).

Proiectarea fizica

Capul de citire/scriere este conectat la mecanismul de actionare printr-o articulatie flexibila care permite coborarea sau ridicarea instantanee a capului. Atunci cind harddisk-ul este oprit sau trece in modul asteptare si discurile nu se mai rotesc, capul se asaza usor pe disc, fiind impins de un resort foarte slab. Modelul fizic al capului de citire/scriere il face sa semene cu o aripa de avion. Atunci cand se rotesc, discurile antreneaza si aerul din jur. Deplasarea aerului creeaza un curent care, la fel ca aerul care trece pe langa aripile unui avion, provoaca ridicarea capului de citire/scriere de pe disc. Atat timp cat discurile se rotesc, capetele de citire/scriere zboara la o distanta de citeva milionimi de inci de suprafata discului.

Efectele de altitudine

Inaltimea la care se deplaseaza capetele de citire/scriere ale hard-discurilor este unul dintre factorii care determina capacitatea de stocare a unei unitati. Campurile magnetice sunt divergente, asa ca o data cu distanta dintre cap si disc creste si dimensiunea aparenta a campului generat de o tranzitie de flux de pe disc. Micsorarea distantei dintre cap si disc reduce dimensiunea aparenta a tranzitiilor de flux, permitand stocarea mai stransa a acestora pe suprafata discului si cresterea capacitatii discului. Pentru prima generatie de harddisk-uri capetele se deplasau la o distanta de 10-12 microinci-milionimi de inci-de suprafata discului. Capetele de citire/scriere ale harddisk-ului moderne zboara la o altitudine mai mica, de aproximativ 5 microinci. Reducerea altitudinii a fost posibila dotorita folosirii unor discuri cu rugozitate mai mica si a mediilor magnetice bazate pe pelicula subtire.

Geometria

Pistele

Indiferent de tipul mediului magnetic sau al mecanismului de actionare folosit de un disc, capul de citire/scriere trebuie sa isi opreasca miscarea laterala pe disc de fiecare data cand scrie sau citeste. Cat timp capul stationeaza, discul se roteste. De fiecare data cand discul efectueaza o rotatie completa, capul traseaza un cerc complet pe suprafata acestuia. Acest cerc se numeste pista.
Pe fiecare pista bitii de date sunt stocati secvential, ca si cum aceasta ar fi o bucata de banda lipita cap la cap. La fiecare rotire a discului, aceleasi date trec pe sub capul de citire/scriere, cat timp acesta este mentinut in aceeasi pozitie. Circuitele electronice ale unitatii de disc stabilesc ce portiune a pistei este citita (sau scrisa) pentru un bloc aleatoriu de date. O pista are latimea de numai cativa microni (la tehnologia actuala, sub 5 microni). Acest lucru permite o densitate de peste 2000 de piste pe centimetru. Pe aceste piste sunt inregistrate datele.

Cilindrii

Fiecare cap de citire/scriere traseaza o pista pe discul asociat. Mecanismul de actionare blocheaza toate capetele in aceeasi pozitie fata de centrul discului, de-a lungul unei raze date. Deoarece combinarea tuturor pistelor trasate de capetele de citire/scriere pentru o anumita pozitie a mecanismului de actionare formeaza scheletul unui cilindru, o stiva verticala de piste este deseori numita chiar cilindru (apare notiunea de cylinder (cilindru), datorita faptului ca avem mai multe dicuri paralele. Cilindrul se defineste ca totalitatea pistelor de pe toate fetele care au aceeasi distanta fata de centru. Toti cilindrii formeaza volumul). Numarul de cilindri ai unei unitati de harddisk este egal cu numarul pistelor de pe fiecare disc. Cu cat un disc are mai multi cilindri, cu atat poate stoca mai multe date. Numarul maxim de cilindri aste limitat de factori fizici inerenti in tehnologia folosita de unitatea de disc.

Fig. 3.1.4. Reprezentarea pistelor, platanelor si cilindrilor.

Pistele (cu rosu) sunt concentrice pe suprafata platanelor.Pistele aflate la aceeasi distanta de axul discului, dar pe platane diferite, formeaza un cilindru (figurat printr-o suprafata rosie, semitransparenta.

Sectoarele

Majoritatea sistemelor de discuri impart ficare pista in arce mai scurte, numite sectoare. Sectorul este unitatea de baza pentru cantitatea de informatii stocate pe un disc. Sectoarele au lungimea fixa si sunt compuse dintr-o secventa de date, precedata de un "preambul" care are rolul de aspune capului de citire unde incep datele utile. Dupa secventa de date de pe disc, pentru a asigura integritatea datelor, este inregistratao alta portiune care contine un cod de corectie a erorilor (ECC) numit cod Reed-Solomon. Intre doua sectoare consecutive axista un spatiu (intersector gap) care are rol de delimitare. Unele sisteme de operare folosesc sectorul ca unitate de masura de baza(asa cum se intampla in cazul sistemului de fisiere High Performance File System de sub OS/2). Sistemul de operare DOS foloseste ca unitate de masura pentru fisierele stocate pe disc clusterul,care este format din mai multe sectoare. Sectoarele pot fi logice (sectoare soft), fiind marcate prin combinatii de biti inregistrate impreuna cu datele de pe fiecare pista sau fizice (sectoare hard), fiind stabilite de mecanismul discului. Cele mai multe hard-discuri moderne folosesc o tehnica numita inregistrarea pe zone multiple (multiple zone recording sau MZR), care permite stocarea unui numar diferit de sectoare pe fiecare pista.Aceasta tehnica permite folosirea mai eficienta a capacitatii de stocare oferita de mediul magnetic.

Performantele drive-ului

Performantele unui HDD sunt influentate de mai multi factori. Pentru a citi o informatie de pe harddisk, trebuie întâi identificat sectorul sau sectoarele pe care acesta se afla, dupa care capul de citire/scriere trebuie deplasat deasupra pistei pe care respectivul sector se afla. Timpul pierdut cu aceasta operatie se numeste timp de cautare (Seek Time), cu valori medii cuprinse între 5 si 25 ms. Dupa ce capul a fost pozitionat deasupra pistei dorite, se mai introduce înca o întârziere, numita Rotation Latency, pâna când sectorul cautat se va roti pâna sub capul de citire. Cu vitezele actuale de 5400 si 7200 de rotatii pe minut, transferul unui anumit sector se realizeaza într-un timp foarte scurt, adevarata întârziere fiind generata de cei doi factori amintiti: Seek Time si Rotation Latency. Rata sustinuta de transfer a unui disc este diferita de rata interna de transfer a drive-ului si este foarte foarte importanta pentru aplicatii multimedia si Internet, unde un flux continuu este cerut, iar aceasta se calculeaza incluzând întârzierile aparute. Optimizarea discului este una dintre cele mai simple metode de a creste performantele ratei de transfer, pentru ca între doua piste consecutive timpul de acces poate scadea sub 1ms.

La vitezele de peste 90 de rotatii/secunda, pe care discurile le ating, temperatura platanelor creste, cauzând o dilatare a acestora, lucru care poate duce la scrierea si citirea de date eronate, în acest caz fiind nevoie de o recalibrare. Chiar daca procesul de recalibrare se întâmpla destul de rar, de obicei doar de 2-3 ori de la pornirea discului pâna când acesta ajunge la temperatura sa medie de functionare, pentru o aplicatie ce nacesita flux continuu de date, întreruperea cauzata de recalibrare poate fi un lucru fatal. Dar rar se ajunge la întreruperea fluxului, în special datorita faptului ca producatorii au început sa implementeze memorii cache de dimensiuni din ce în ce mai mari în partea electronica a discurilor.

Interfete

Harddisk-urile IDE moderne au evoluat din discurile care dotau primele IBM PC XT. Interfata IDE (Integrated Drive Electronics) a început sa fie folosita pe scara larga în sistemele personale pe la începutul anilor 90. Aceasta oferea o interfata între disc, BIOS si sistemul de operare prin intermediul a trei parametri - CHS -Heads (capete), Sectors (sectoare) si Cylinders (cilindri). Pe atunci, o capacitate de 528 MB parea de neatins, capacitate care era de fapt produsul valorilor maxime pe care cei trei parametri puteau sa le aiba (16 Heads, 63 Sectors si 1024 Cylinders, la o capacitate standard de 512 octeti pe sector).

Odata cu aparitia capacitatilor peste 528 MB problemele, cum era de asteptat, au aparut si ele. Primele drive-uri de peste 528 MB nu puteau fi folosite la întreaga capacitate, pentru ca pur si simplu, nu exista o metoda de a accesa datele care depaseau aceasta limita. Ca un rezultat la aceasta situatie, controlerele de disc au început sa ofere BIOS-ului informatii fizic incorecte, dar acceptate de acesta, despre geometria discului, iar mai apoi BIOS-ul converteste aceste date în informatiile reale pentru a accesa întreaga capacitate. Solutia gasita a fost dezvoltarea standardului, care a evoluat în EIDE (Extended IDE),care avea o noua metoda de a adresa discul, numita LBA (Logical Block Addressing), adica fiecarui sector distribuindu-se câte un numar între 0 si 224, lasând controlerul sa converteasca aceasta adresa în formatul Heads, Sectors si Cylinders. Pe lânga alte îmbunatatiri, aceasta interfata suporta si alte unitati (CD-ROM, DVD etc) si interfata a fost redenumita ATAPI. Ajungându-se la momentul în care aceasta interfata a devenit prea înceata pentru ratele d transfer de care era nevoie, i s-au adus noi modificari. Astfel au aparut UDMA33, UDMA66 si UDMA100 (se foloseste si UltraATA în loc de UDMA sau UltraDMA), cu ratele de transfer de maxim 33, 66 si 100 MB/s.

Fig. 3.1.5. Cabluri ATA/33 si ATA/66.

Tehnologia RAID
Inapoi la Index

TOP ^