Лабораторна робота №11
Тема: “ Жорсткі диски ”
1. Структура жорстких дисків
Накопичувач на жорстких магнітних дисках (жорсткий диск, вінчестер, HDD) – пристрій зовнішньої пам'яті, який призначений для довготривалого збереження інформації.
Основними елементами накопичувача являються декілька круглих алюмінієвих або склоподібних пластин. На відміну від гнучких дисків (дискет), їх не можна зігнути; тому і була дана назва – жорсткий диск.
1.1. Фізична будова жорстких дисків
Основним компонентом жорсткого диска є одна або декілька круглих пластинок виготовлених з алюмінію або скла і покриті магнітним шаром, що наноситься з обох сторін пластини. Саме на цих пластинах і зберігається вся інформація. Диски закріплені на загальній осі і обертаються з великою швидкістю (для сучасних – 5400 або 7200 об/хв). Крім того, в корпусі жорсткого диску є блок магнітних головок, які здійснюють читання і запис з поверхонь дисків. Всі головки сполучені разом і не можуть рухатися окремо, тому запис і читання проводяться відразу з усіх поверхонь дисків одночасно.
Диски і головки знаходяться на металічному шасі, що забезпечує жорсткість всієї конструкції, та закриті кришкою, що оберігає поверхню дисків і головку від потрапляння пилу. Дуже важливий надійний захист блоку дисків і головок, адже під час роботи диска, при обертанні пластин, створюється потужний потік повітря і магнітні головки під час читання-запису "парять" над поверхнями дисків не торкаючись їх, а зазор між дисками і головками складає декілька мікрометрів. Блок головок-дисків не містить ніякої електроніки, а підключається до спеціальної плати, на якій знаходиться керуюча електроніка, тобто контролер.
1.2. Параметри жорстких дисків
Основні параметри, що визначають швидкодію і можливості, жорстких дисків:
• Об’єм даних, який можна записати.
• Інтерфейс підключення, а отже і ШПД.
• Час, за який можна отримати доступ до необхідної ділянки диска.
• Швидкість послідовного читання-запису даних.
• Швидкість обертання дисків. Зрозуміло, чим швидше обертаються диски, тим швидше можна отримати доступ до диска, тим швидше диски проходять під магнітними головками, а отже, тим швидше можна зчитувати/записувати дані.
• Щільність запису даних на диск. Чим щільніше записані дані, тим більше даних в одиницю часу проходить під магнітними головками, отже, тим швидше можна зчитати записані дані.
1.3. Логічна будова жорстких дисків
Кожний диск поділяється на треки (Track), концентричні кільця. Крім того, диск розділяється на сектори, області перетину секторів і доріжок називають блоками (block), в блоці зберігається 512 байт корисної інформації.
Зауваження: кожен блок на диску займає 571 байт, з яких під дані відводиться лише 512 байт.
Кількість блоків на одній пластині рівна добутку кількості секторів на кількість доріжок. Кількість сторін, що використовуються, рівна кількості магнітних головок (head) на диску. Загальна формула для розрахунку кількості блоків на диску має вигляд: кількість доріжок * кількість секторів * кількість головок. А об’єм диску рівний кількості блоків помноженому на об'єм одного блоку, тобто на 512 байт. Єдине зауваження: оскільки магнітні головки жорстко скріплені одна з одною, то запис проводиться на всі доріжки всіх сторін одночасно. Отже, замість поняття "доріжка" слідує ввести поняття, що описує всі рівновіддалені від центру доріжки на всіх сторонах всіх пластин: сукупність таких доріжок за такими міркуваннями називається циліндром (cylinder).
Разом об’єм жорсткого диска = cylinder * sector * head * 512 byte.
Звернення до кожного блоку на диску (адресація блоку) здійснюється за допомогою вказування номеру циліндра, сектора і головки для кожного блоку. Тобто на диску вводиться циліндрична система координат і кожний блок на диску має в цій системі координат свою власну унікальну адресу, за якою контролер жорсткого диску знаходить необхідний блок. Така адресація називається CSH (Cyl, Sect, Hd) або Normal. Однак, є ряд причин, що не дозволяють використовувати вказаний вище спосіб адресації.
Перша причина полягає в тому, що ідеальне розбиття диска на сектори призводить до того, що блоки на внутрішніх циліндрах матимуть меншу площу, ніж блоки, розташовані на зовнішніх циліндрах. А оскільки об'єм інформації в кожному блоці однаковий, то можна помітити, що корисна площа диска використовується неефективно. Для того, щоб уникнути такого марнотратного витрачання дискового простору, застосовують зонний розподіл на сектори. Тобто на внутрішніх циліндрах сектори ширші, а на зовнішніх - більш вузькі, так, щоб зробити більш ефективним використання площі поверхні диска. Проте про такий диск вже не можна сказати, що він має деяку кількість секторів – кількість секторів залежить від циліндра.
Отже, розглянута нами вище схема адресації вже не може відповідати реальній геометрії жорсткого диску. Для того, щоб як і раніше користуватися введеною системою координат, потрібен певний механізм трансляції, який зміг би перетворити реальну геометрію жорсткого диску в деяку ідеальну, в якій він має фіксовану кількість секторів. У такому разі трансляція повинна підтримуватися самим диском.
Звернення до диску в рамках описаної системи координат виконує BIOS та контролер жорсткого диску. Через деякі причини при написанні перших BIOS для PC була зарезервована недостатня кількість біт для зберігання інформації про циліндри, сектори і головки. Перші BIOS підтримували звертання лише до 1024 циліндрів, 64 секторів і 16 головок. Найпростіший розрахунок показує, що у такому разі BIOS може звертатися тільки до 512 Мбайт жорсткого диску. На даний час недостатньо підтримки дисків об’ємом тільки 512 Мбайт. Для того, щоб розв'язати цю проблему слід додати ще деяку кількість біт для зберігання інформації про циліндри і сектори. Проте це не так просто: необхідні області пам'яті зарезервовані під інші потреби. Вирішення проблеми вдалося знайти: виявилось можливим додати деяку кількість біт під зберігання інформації про головки: BIOS отримав можливість звертатися до 256 головок. Але такої кількості головок у реального диска бути не може. Проте, якщо геометрія жорсткого диска не відповідає реальній, то яка вже різниця, як проводити трансляцію – лише б вона дозволяла звернутися до більшої кількості блоків на диску. Для того, щоб використовувати більшу кількість головок, був розроблений метод трансляції, який назвається LBA – логічна блокова адресація. При такій адресації реальна геометрія диска з великою кількістю циліндрів і секторів, замінюється віртуальною при якій вважається, що у диска менше циліндрів, але більше головок. Природно, така адресація не відповідає реальній геометрії, втім в цьому і немає гострої необхідності, головне, що тепер можна в рамках розглянутої системи координат звернутися до більшої кількості блоків.
Для того, щоб трансляція LBA працювала, потрібно щоб диск і BIOS контролера її підтримували. Оскільки кількість підтримуваних головок збільшилася в 16 разів, то і максимальний об'єм диска становить приблизно 8,3 Гбайти. З однієї сторони це великий крок вперед щодо CHS, з іншої сторони і такого об'єму сьогодні мало. Але подальше збільшення кількості циліндрів, головок і секторів неможливе: подальше звернення до жорсткого диска в режимі LBA вже не підтримує сам BIOS. Однак звернення до циліндрів понад 1024 забезпечується засобами (драйверами) самих операційних систем.
2. IDE/ATA інтерфейс
Основний інтерфейс, що використовується для підключення жорсткого диску до сучасних ПК, називається IDE (Integrated Drive Electronics). Фактично цей інтерфейс представляє собою зв’язок між системною платою і електронікою або контролером, який вбудований в накопичувач.
Інтерфейс IDE, що широко використовується в запам’ятовуючих пристроях сучасних комп’ютерів, спочатку розроблявся як інтерфейс жорсткого диску. Однак сьогодні він використовується для підтримки не лише жорстких дисків, але й інших пристроїв, наприклад: CD-ROM, DVD-ROM, Zip-дисководів. Об’єднуючи контролер (в тому числі шифратор/дешифратор, що входить в його склад) з жорстким диском, вдається суттєво підвищити надійність відтворення даних в порівнянні з системами, в яких використовуються автономні контролери. Відбувається це тому, що кодування даних і їх перетворення з цифрової форми в аналогову (і навпаки) здійснюється безпосередньо в жорсткому диску при меншому рівні зовнішніх перешкод. В результаті аналогові сигнали, що дуже нестійкі з точки зору часових характеристик, не передаються по кабелям, де вони могли б „набрати” перешкод; крім того, при передачі сигналів по кабелям можуть виникнути непередбачені затримки розповсюдження сигналів. В загальному, об’єднання контролера і жорсткого диску в єдиний блок дозволило підвищити тактову частоту шифратора/дешифратора, щільність розміщення даних на носії та загальну швидкодію системи.
Термін IDE можна застосовувати до будь-якого пристрою з вбудованим контролером. Офіційна назва інтерфейсу IDE для підключення жорстких дисків, яка призначена в якості стандарту – це ATA (AT Attachment).
Зауваження. ATA – це різновид інтерфейсу IDE, але часто ці терміни використовуються один замість іншого, що технічно неправильно. IDE – це назва, яку можна надати будь-якому інтерфейсу накопичувача, в якому частина контролера вбудована в дисковод.
В стандарті ATA передбачено спосіб організації спільної роботи двох послідовно підключених жорстких дисків. Якщо до інтерфейсу під’єднати два пристрої, вбудований контролер повинен бути включений у одного з них (а в другого – виключений). В термінології ATA пристрій з включеним контролером називається первинним (ведучим, Master), а пристрій з відключеним – вторинним (підлеглим, Slave). Статус жорсткого диску (первинний чи вторинний) визначається шляхом встановлення перемички або перемикача в положення з позначенням Master для первинного та Slave для вторинного, або подачею по одній із ліній інтерфейсу сигналу CSEL (Cable SELect – вибір кабеля).
2.1 Різновиди стандарту ATA
Стандарт ATA був прийнятий в березні 1989 року комітетом по стандартам при ANSI. Пізніше були розглянуті і затверджені наступні стандарти ATA:
• ATA-1 (1988-1994);
• ATA-2 (1996, також називається Fast-ATA, Fast-ATA-2 або EIDE);
• ATA-3 (1997);
• ATA/ATAPI-4 (1998, також називається Ultra-ATA/33);
• ATA/ATAPI-5 (1999, також називається Ultra-ATA/66);
• ATA/ATAPI-6 (2000, також називається Ultra-ATA/100, Ultra-DMA/100);
• ATA/ATAPI-7 (2002, також називається Ultra-ATA/133, Ultra-DMA/100).
Всі версії стандарту ATA обернено сумісні, тобто пристрої ATA-1 або ATA-2 будуть працювати з інтерфейсом ATA-4 або ATA-6. Кожен наступний стандарт ATA базується на попередньому.
ATA-1. Стандарт ATA-1 визначає оригінальний інтерфейс AT Attachment.
В специфікації ATA-1 вперше були визначені і документовані наступні властивості:
• 40/44 – контактний роз’єм і кабель;
• параметри вибору конфігурації диску – первинний/вторинний;
• параметри сигналів для основних режимів PIO та DMA;
• трансляція параметрів накопичувача CHS та LBA.
ATA-2. Стандарт ATA-2 представляє собою розширення початкового стандарту ATA (IDE). Найбільш вагомими доповненнями є:
• можливість роботи в режимах швидкого програмного вводу-виводу і прямого доступу до пам’яті;
• підтримка розширеної системи керування живленням;
• підтримка пристроїв PCMCIA (PC card);
• підтримка пристроїв об’ємом до 137,4 Гбайт;
• стандарт CHS/LBA, визначений для дисків об’ємом до 8.4 Гбайт.
Стандарт ATA-2 інколи називають fast-ATA або fats-ATA-2 (фірми Seagate/Quantum), EIDE (Enhanced IDE, фірми Western Digital), це різні назви одних і тих же принципів і методів.
ATA-3. Цей стандарт забезпечує:
• підвищення надійності, особливо в більш швидкому режимі передачі (режим 4);
• більш вдосконалене управління електроживленням;
• технологію самоконтролю S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology).
S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis And Reporting Technology - "Самоконтроль, аналіз і звітність") - технологія, розроблена компаніями IBM і Compaq, що стала відкритим промисловим стандартом і підтримана пізніше компаніями Seagate, Quantum, Western Digital і ін. Вперше технологія була розроблена в 1992 р. IBM і торкнулася вона насамперед SCSI-пристроїв. Лише в 1995 р. технологія була реалізована для IDE/ATA-інтерфейсу. Стандарт початково був спрямований, насамперед, на вдосконалення доступу до дискової інформації і на підвищення надійності збереження даних.
S.M.A.R.T. дозволяє контролювати безліч параметрів накопичувача, здійснюючи ранню діагностику і профілактику збоїв, формувати прогноз і попереджати про можливі проблеми накопичувача і т.п. До контрольованих параметрів можна віднести, наприклад, висоту польоту головок над поверхнею диска, швидкість передачі даних, кількість перенесених (переміщених в інші області) секторів і невдалих спроб читання і запису і т.п.
ATAPI (ATA Packet Interface). Даний інтерфейс був розроблений для того, щоб накопичувачі на магнітних стрічках, CD-ROM та інші пристрої можна було б підключати до звичайного IDE-роз’єму.
Зауваження. В базовій системі вводу-виводу деяких систем безпосередньо не передбачена підтримка ATAPI. Системи без підтримки ATAPI в базовій системі вводу-виводу не можуть завантажуватися з компакт-диску. В ОС Windows, Linux вбудована підтримка інтерфейсу ATAPI, а більш нові версії BIOS дозволяють завантаження систем з ATAPI-накопичувача CD-ROM.
ATA/ATAPI-4. у відповідності із стандартом ATA-4 інтерфейс ATAPI розглядається як повноцінний, а не допоміжний інтерфейс ATA, причому повністю сумісний з ним. ATA-4 також підтримує новий режим Ultra-DMA (що називається також Ultra-ATA) для ще більш швидкої передачі даних. Режим з самим високим експлуатаційним показником, що називається DMA/33, має пропускну здатність 33 Мбайт/с, що в двоє вище, ніж в найбільш швидкого режиму програмного вводу-виводу і режиму прямого доступу до пам’яті.
Основні нововведення стандарту ATA-4:
• режим передачі даних Ultra-DMA (UDMA) з швидкістю до 33 Мбайт/с;
• інтегрована підтримка ATAPI;
• підтримка розширеного керування живленням;
• новий 80-жильний кабель.
• ATA/ATAPI-5. Ця версія стандарту ATA має наступні переваги:
• режим передачі даних Ultra-DMA, що забезпечує швидкість до 66 Мбайт/с (UDMA/66 або Ultra-ATA/66);
• 80-жильний кабель для роботи UDMA/66;
• автоматичне визначення типу кабелю;
• швидкість передачі даних збільшується лише при наявності 80-жильного кабелю.
• ATA/ATAPI-6 або Ultra-DMA 100, що забезпечує швидкість до 100 Мб/с.
• ATA/ATAPI-7 або Ultra-DMA 133, що забезпечує швидкість до 133 Мб/с.
2.2. Режими передачі даних через інтерфейс IDE/ATA
IDE/ATA підтримує два режими передачі даних, що називаються PIO (Programmed Input/Output – програмований ввід-вивід) та DMA (Direct Memory Access – прямий доступ до пам’яті). Кожен з цих режимів ділиться на декілька підрежимів з різними швидкостями передачі даних.
Режим PIO – це режим передачі даних, що вимагає участі процесора в якості посередника між накопичувачем та пам’яттю. Використання процесора приводить до того, що продуктивність цього режиму в багатозадачних системах знижується. Навантаження процесора при дискових операціях в цьому режимі складає 80-90%.
Існує кілька режимів PIO (PIO modes), що приведені в наступній таблиці. PIO mode Максимальна ШПД (Мбайт/с)
0 3,3
1 5,2
2 8,3
3 11,1
4 16,6 (13,3)
5 22,2 Режим DMA – це двохсторонній режим передачі даних між накопичувачем та пам’ятю без участі процесора. Режим DMA значно підвищує ефективність роботи в багатозадачних системах за рахунок розвантаження процесора, однак вимагає спеціального драйвера для ОС.
Сучасні жорсткі диски використовують цю можливість у поєднанні з можливістю перехоплювати керування шиною і самостійно керувати передачею інформації (bus mastering). Існує кілька режимів DMA (DMA modes), що приведені в таблиці. DMA mode Максимальна ШПД (Мбайт/с)
Ultra 0 16,6
Ultra 1 25
Ultra 2 33,3
Ultra 3 44,4
Ultra 4 66,7
Ultra 5 100
Ultra 6 133,3
2.3. Підключення жорсткого диску Для підключення жорстких дисків використовується спеціальний 40 або
80-провідниковий стрічковий кабель, який має три 40-контактних роз’єми: один підключається до материнської плати, два інших служать для підключення дисків (як ми вже говорили, до одного порту, тобто на один кабель можна підключити два пристрої). Відповідно на будь-якому IDE пристрої існує відповідний роз’єм, до якого підключається кабель. Відсутність одного контакту в роз’ємні жорсткого диску, а на кабелі закритий відповідний отвір, є ключем, що забезпечує коректне підключення кабелю. Крім того, як можна бачити на малюнку, що демонструє підключення кабелю, існує ще один ключ: виступ на кабелі і виріз у роз’ємі пристрою, що теж не дозволяють невірно підключити кабель. Наполегливі спроби включати комп'ютер з невірно підключеним жорстким диском можуть привести до виходу з ладу як диска так і контролера.
На малюнку можна бачити, що обидва роз’єми для підключення дисків еквівалентні. Якщо необхідно встановити на одному кабелі два пристрої, то необхідно деяким чином налаштувати один з дисків ведучим (master, першим), а інший ведомим (slave, другим). Такі настроювання виконуються на самому диску, для цього на кожному жорсткому диску є набір перемичок, за допомогою яких вибирається режим пристрою. Набір таких перемичок можна бачити на малюнку, що ілюструє підключення диска до кабелю – ці перемички знаходяться між інтерфейсним роз’ємом і роз’ємом живлення. Такі перемички мають наступні стани:
Single - пристрій єдиний на кабелі
Master - пристрій ведучий при наявність ведомого (якщо режиму Single не зазначено, то Master використовується і для підключення одиночного диска)
Slave - пристрій ведомий.
Cable Select – визначається кабелем. В режимі CS використовується спеціальний кабель, одна жила якого проколота, причому прокол розташовується між роз’ємами для дисків (прокол розташовувався між роз’ємом до плати і першим роз’ємом до диска).
Отже, для підключення жосткого диску варто настроїти на ньому перемички, встановивши їх у необхідні положення, підключити інтерфейсний кабель і підключити кабель живлення.
Тепер давайте розберемося з питанням про те, на якій швидкості буде працювати жорский диск, тобто чим визначається ефективний протокол роботи диска. В загальному випадку необхідною є підтримка з сторони диска, контролера, кабелю й операційної системи.
З диском і контролером все зрозуміло: ефективний протокол роботи диска на даному контролері не може бути вище, ніж найнижчий з підтримуваних диском і контролером. Наприклад: диск підтримує UDMA66, а контролер тільки UDMA 33 – отже ефективний потік буде меншим – UDMA 33. Це твердження можна сформулювати як загальне правило: ефективний протокол – мінімальний з підтримуваних диском і контролером.
Але з цього правила є виключення. Треба не забувати, що для досягнення швидкостей UDMA 66 і UDMA 100 окрім підтримки диска і контролера, потрібний ще спеціальний 80-провідниковий кабель – без нього максимальна швидкість становитиме 33 Мбайт/с навіть якщо диск і контролер підтримують більш швидкий протокол.
Якщо підключити до одного контролера два диски, що підтримують різні режими передачі даних, то ефективний протокол для всіх пристроїв буде обраний як мінімальний серед протоколів кожного пристрою на кабелі.
В ОС Windows 2000/XP режим Ultra DMA включається автоматично. Щоб налаштувати його самостійно потрібно, клацнувши правою кнопкою миші на знаку «Мой кмпьютер», вибрати пункт «Управление». У вікні, що зявилось, вибрати розділ «Диспетчер устройств», а в ньому «IDE ATA/ATAPI контроллеры». Тоді послідовно переглянути властивості кожного каналу IDE та їхні додаткові параметри.
3. SerialATA – новий стандарт для жорстких дисків
Традиційний ATA інтерфейс добре зарекомендував себе завдяки своїй простоті і низькій вартості реалізації, але для подальшого розвитку виникла велика кількість технологічних труднощів і з’явилась необхідність розробити новий інтерфейс для його заміни. Часто серед обґрунтувань переходу на новий стандарт у статтях називають обмежену швидкість передачі паралельного інтерфейсу в 133 Мбайт/с, але це обмеження конкретної його версії, а не його виду взагалі (а в Serial ATA не набагато більше – 150 Мбайт/с). Подальше збільшення пропускної здатності можливе, але така модернізація є дуже дорогою і при досягнутих швидкостях на послідовній шині є економічно недоцільною. В старому інтерфейсі використовувалися сигнали високого рівня 5V, а при сучасному технологічному процесі одержати їх на виході мікросхем дуже складно. До покращень, що з’являються з впровадженням Serial ATA, належать такі можливості: скорочення кількості провідників, спрощення технології шлейфів і скорочення витрат на виробництво.
Робота над SerialATA була розпочата ще в 2000 році. Версія 0.9 специфікації була представлена на Intel Developer Forum 2000 і остаточно дороблена до 1.0 наприкінці того ж року. Перші продукти почали з'являтися в 2001 році, а масове виробництво у 2002-2003 роках.
У розробці стандарту приймали і беруть участь багато великих компаній. Споконвічно в робочу групу входили APT Technologies, Dell, IBM, Intel, Maxtor, Quantum і Seagate Technologies. На даний час список учасників проекту дуже великий. Цей стандарт поширюється і розвивається в основному компаніями Dell, Intel, Maxtor і Seagate.
Serial ATA – це високошвидкісний послідовний інтерфейс призначений для пристроїв збереження даних. За структурою своєї внутрішньої організації чотирьохрівневої моделі він дуже схожий на інші стандарти, наприклад USB або SCSI-3, які у свою чергу завжди нагадують модель OSI для локальних мереж.
Використання багаторівневої моделі OSI дає можливість для гнучкого подальшого вдосконалення стандарту, доробкою лише необхідних рівнів, без внесення змін у весь стандарт одночасно.
При використанні Serial ATA нічого не змінюється, взаємодія операційної системи через драйвер контролера з метою забезпечення сумісності із попередніми версіями ATA залишається незмінним. У звичайному ATA два пристрої поєднуються кабелем у ланцюжок і підключаються до одного порту контролера. Взаємодія додатка і пристрою відбувається через операційну систему і драйвер контролера.
В Serial ATA нема поняття ведомого і ведучого пристрою (Master/Slave). Усі підключені накопичувачі є незалежними пристроями і їх робота виглядає з погляду старого стандарту як Single (передбачена можливість емуляції роботи пристроїв в режимі Master+Slave: у залежності від біта, що використовується для визначення пристрою призначення на шині, звернення розподіляються між портами SATA, хоча у цьому режимі стають недоступними багато можливостей нової шини).
3.1. Технологія Serial ATA
Фізичний рівень займається передачею бітів по фізичних каналах зв'язку і визначає основні характеристики середовища, що використовується для передачі даних і характеристики електричних сигналів.
Сигнали. При сучасних технологіях використання 5-ти вольтових сигналів стало неможливим, і крім того, з ростом швидкості роботи виникають додаткові складності при перемиканні з одного стану в інший. Рівень сигналів знижений і складає 3 В.
Спосіб передачі даних. Замість стандартної для PATA однополярної передачі, що володіє низкою завадостійкістю, застосована двохполярна (або по іншому називається диференціальна). Перевага її в набагато більшій захищеності від перешкод. При диференціальній передачі по двох проводах передається той самий сигнал, але різної полярності. Шуми (перешкоди) в провідниках симетричні, і склавши обидва отриманих різнополярних сигналів можна одержати шум, а віднявши його з отриманого сигналу - безпосередньо чистий переданий сигнал. Власне використання диференціальної передачі і дало можливість знизити рівні використовуваного сигналу. Для кодування переданої інформації використовується потенційний код без повернення до нуля (Non Return to Zero, NRZ). Він є одним з найпростіших у реалізації.
Фізичне середовище. Для передачі сигналу використовується послідовна шина, що складається з двох пар провідників (однієї для передачі і ще однієї на прийом) і кілька нульових, разом сім. Провідник, яким з'єднуються пристрої, через це є тонким, гнучким і зручним у використанні, а також не перешкоджає повітряному охолодженню компонентів ПК.
З іншого боку, виготовлення проводу функціонуючого на настільки високих швидкостях, як у Serial ATA, і при цьому володіючому високими механічними характеристиками, незважаючи на лише 7 проводів, коштує не дешевше, ніж звичайного 80-ти жильного. Зате довжина кабелів може досягати 1 метр.
SATA може бути не тільки інтерфейсом внутрішніх пристроїв збереження даний, але й зовнішніх. Через те, що проводів мало, роз’єми відповідно є дуже компактними і зручними у використанні. Роз’єм живлення по розмірах є більшим за кабель для передачі даних. Конструктивно вони обидва виконані з «захистом від дурня»: передбачені спеціальні вирізи і вставити по іншому їх просто неможливо. Кількість контактів для живлення більше 4-х – додана можливість використовувати живлення 3.3v.
Специфікація SATA жорстко не обмежує розміщення основних роз’ємів і використання додаткових, а тому пропонує кілька варіантів:
Варіант 1. Варіант 2. Фізичний рівень здійснює над кадром, що надійшов, необхідні перетворення - конвертує в послідовність, кодує і видає в лінію і теж саме в зворотному порядку, коли одержує дані з фізичної шини, тобто від іншого пристрою.
Канальний рівень виконує функції арбітражу і отримання результату виконання операцій передачі даних, а також реалізує механізми виявлення і корекції помилок. Те, що жорсткі диски з SATA мають максимальну швидкість обміну по інтерфейсу – 150 Мбайт/с, при тому, що для SATA заявлена швидкість передачі на фізичному рівні в 1.5 Гбіт/с, зумовлена використанням надлишкового 8B/10B кодування, що знижує корисну пропускну здатність інтерфейсу до 1,2 Гбіт/с.
Задачою транспортного рівня є забезпечення передачі даних з необхідним ступенем надійності, якого вимагають протоколи вищого рівня. Він запаковує команди, що надійшли від прикладного рівня ATA, у кадри і передає їх в наступний, або розпаковує дані, що надійшли з нижніх рівнів, і передає на прикладний рівень. Задачею прикладного рівня є організація взаємодії між драйвером контролера і усіма програмами, а також самим контролером через блок регістрів і портів.
До нових функцій стандарту відноситься підтримка «гарячого» підключення і заміни пристроїв. Вона описана в специфікації, але її реалізація залежить від виробника.
Програма розвитку стандарту складена на десять років вперед. В ній передбачена розробка трьох версій. Перша – це та, яка є сьогодні. В другій буде в два рази збільшена пропускна здатність – до 3 Гбіт/с при збереженні повної сумісності з першою. А в третій – до 6 Гбіт/с і очікується в середині 2007 року.
4. Технологія RAID
RAID – надлишковий набір дешевих дисків (Redundant Array of Inexpensive Disks) – це технологія розподілення даних по декільком фізичним дискам, що дозволяє підвищити надійність і захищеність даних. Масив RAID може забезпечити збереження даних навіть, якщо вийде з ладу один з жорстких дисків. Технологія RAID переслідує дві мети: перша – збільшити надійність, друга – збільшити швидкість збереження і доступу до даних.
Існує кілька рівнів від RAID 0 до RAID 7 та їх комбінації. Найбільш популярними видами є RAID 0, 1 і 0+1.
Розрізняють два типи створення RAID-масивів, кожний з яких має свою певну перевагу: захищеність від збоїв дискової підсистеми або підвищення продуктивності дискової підсистеми.
Можливість організації одночасної роботи з декількома вінчестерами можна здійснити двома методами з використанням рівнобіжного або незалежного способів. У першому випадку робоча область жорстких дисків, об'єднаних у масив, поділяється на зони визначеного розміру, в кожну з яких записується інформація, що також розбивається на визначені блоки. При зчитуванні необхідної інформації вона збирається з різних блоків. При незалежному доступі область жорстких дисків також розподіляється на зони визначеного розміру, а інформація обслуговується (записується і зчитується) одним жорстким диском.
При незалежному доступі швидкість запису не стане вище, а залишиться на тому ж рівні, як і при використанні одного жорсткого диску. Однак масив даного типу може обслуговувати одночасно кілька запитів, що не має необхідності в домашніх умовах. При використанні рівнобіжного способу швидкість запису і читання збільшується пропорційно кількості жорстких дисків, що використовуються у RAID-масивах.
RAID 0 використовує два вінчестери одночасно. Відбувається одночасний запис і читання на обидва диски. При використанні RAID 0 відбувається значний приріст продуктивності. RAID 1 реалізується теж на двох дисках, але тут відбувається дублювання даних (дзеркальні диски). RAID 1 забезпечує дуже високу надійність: якщо на одному з дисків відбувається збій, то резервна копія залишається на другому. RAID 0+1 використовує чотири вінчестери, де перші два служать як RAID0 , а третій і четвертий служать дзеркалами. Інші рівні RAID використовують різні методи підвищення надійності або технологію ECC.
5. SCSI-інтерфейс і його модифікації
Базовий SCSI-інтерфейс малих комп'ютерних систем (іноді називається SCSI-1) є платформонезалежним універсальним інтерфейсом і призначений для підключення зовнішніх пристроїв (до восьми, включаючи контролер). Він містить ефективні засоби керування, але не орієнтований на певний конкретний тип пристроїв. Може підтримувати пристрої збереження даних великого об’єму, включаючи стійкі до збоїв модульні дискові масиви RAID 0...5, а також накопичувачі CD-ROM колективного користування.
Інтерфейс має 8-розрядну шину, максимальна швидкість передачі даних по якій в асинхронному режимі — 1,5 Мб/с, а в синхронному — 5 Мб/с. Може використовуватися контроль парності для виявлення помилок. Електрично реалізований у вигляді 24 ліній (однополярних або диференціальних). Кабель повинен бути узгоджений термінаторами (навантажувальними резисторами) з обох кінців. Найбільшу популярність одержав 50-провіднковий SCSI-кабель з 50-контактними роз'ємами, однак застосовується і 25-провідниковий (25-контактний) з одним загальним проводом для підключення низькошвидкісних пристроїв. SCSI широко використовують в багатьох моделях комп'ютерів, у студійному музичному устаткуванні, системах керування технологічними процесами і т.п.
Інтерфейс SCSI-2 (Fast SCSI або Wide Fast SCSI) — це істотно удосконалений варіант базового SCSI. Зменшено час затримки для режиму передачі (до 3 Мб/с в асинхронному режимі і до 10 Мб/с — у синхронному), додані нові команди і повідомлення, підтримка контролю парності є обов'язковою. Введено можливість розширення шини даних за допомогою додаткового кабелю (Wide SCSI) до 16 розрядної (швидкість передачі даних до 20 Мб/с) і до 32 розрядної (швидкість передачі — до 40 Мб/с). Подальший розвиток інтерфейсу привів до створення SCSI-3 у наступних різновидах:
Ultra SCSI – введені ще більш швидкісні режими передачі (до 20 Мб/с для
8-розрядного каналу);
FireWire – дозволяє використовувати майже будь-який спосіб послідовного з'єднання пристроїв, забезпечує безперервний потік даних, що необхідний для відеотехнологій;
SSA (Serial Storage Architecture) – варіант послідовного інтерфейсу, що використовує розповсюджені 9-контактні з'єднання і 6-провідний кабель та підтримує швидкості 20, 40, 80 Мб/с, а в перспективі – 160 Мб/с);
Fibre Channel – може використовувати як носій оптичне волокно довжиною до
100 м; реалізує власний транспортний протокол і може застосовуватися як дуже швидке мережеве середовище.
Ранні типи SCSI теоретично сумісні між собою (пристрої самостійно встановлюють прийнятний протокол обміну). Однак на практиці це не завжди так, і для досягнення сумісності може знадобитися ручне настроювання за допомогою перемичок або програм. Порівняльна характеристики різновидів інтерфейсу SCSI
Різновид інтерфейсу Пропускна здатність, Мб/с Максимальне число пристроїв Максимальна довжина кабелю, м
SCSI 5 1 1
Wide Fast SCSI 20 7 1
Ultra SCSI 40 7 1,5
FireWire 13 63 4,5
SSA 80 127 10
Fiber Channel 100 127 100
Завдання 1. Вивчити теоретичний матеріал, представлений в лекціях та даному файлі.
2. Оформити звіт про характеристики одного жорсткого диску у вигляді таблиці. (Використати інформацію одного з сайтів компаній-виробників: Samsung, Seagate, Maxtor, Western Digital)
3. Підготувати відповіді на питання:
1) Структура жорстких дисків.
1.1. Фізична будова жорстких дисків.
1.2. Параметри жорстких дисків.
1.3. Логічна будова жорстких дисків.
2) IDE/ATA інтерфейс.
2.1. Різновиди стандарту ATA.
2.2. Режими передачі даних через інтерфейс IDE/ATA.
2.3. Підключення жорсткого диску.
3) Serial ATA – новий стандарт для жорстких дисків.
3.1. Технологія Serial ATA.
4) Технологія RAID.
5) SCSI-інтерфейс і його модифікації. Теми реферативних доповідей (3 бали за доповідь не менше 2 сторінок 12 шрифтом):
1) Організація функціонування, технології та стандарти флеш-пам’яті.
2) Організація програмних RAID-масивів в ОС WINDOWS 2000/XP.
|