Standieji diskai (HDD)

Vytauto Didžiojo Universitetas

Alanto Skridailos

Informatikos fakultetas, 1 kursas

Fizikos referatas

Tema: Standieji diskai (HDD)

Atliko: Alantas Skridaila

Tikrino:

Kaunas, 2002
Turinys

1. Įvadas.............................. 3
2. Fizikiniai HDD veikimo principai.......................4

HDD pagrindinės dalys.............................4

Diskai............................5

Įrašymo-nuskaitymo galvutės..................5

Nukreipimo mechanizmas...................9

Kiti HDD elemntai.....................10

Informacijos saugojimas HDD...................10

FM kodavimas.......................11

FM moduliacija be grižimo prie nulio..............11

MFM kodavimas......................12

RLL kodavimas........................13

PRML sistema........................15
3. FAT sistemos..........................17
4. Pagrindinės HDD charakteristikos.................17

Formatuoto disko talpa.....................17

Duomenu perdavimo greitis...................17

Interfeisai (EIDE/SCSI).....................18

IDE ir ATA........................18

SCSI...........................18

5. Naudota literatūra.......................19

Įvadas

Išorinė atmintis, tai prietaisai, kurie išsaugo informaciją nepriklausomai nuo to ar kompiuteris yra įjungtas ar išjungtas. Informacijai išsaugoti, šiuose įrenginiuose, yra panaudojami įvairūs fizikiniai principai: magnetinis, optinis, elektroninis ir t.t. priklausomai nuo to kaip juose informacija yrra pasiekiama išorinės atminties įrenginiai yra skirstomi į tiesioginio ir nuoseklaus kreipimosi įrenginius.

Tiesioginio kreipimosi (Direct Access) atveju į informacijos blokus yra kreipiamasi bet kokia tvarka, priklausomai nuo to su kokiu adresu yra reikalingas blokas. Tokio tipo įtaisas tradiciškai yra diskinis kaupiklis, dažnai žodžiu “diskas” turima omenyje “tiesioginio kreipimosi, išorinės atminties saugojimo įrenginys”, nes, pavyzdžiui, elektroninis diskas neturi jokių apvalių detalių ir tuo labiau besisukančių.

Nuoseklaus kreipimosi (Sequential Access) atmintyje kiekvienas informacijos blokas taip pat gali turėti adresą, tačiau kreipiantis į jį įrenginys iš pradžių tuuri surasti tam tikrą žymę reiškiančią juostos (tomo) pradžią, po to blokas po bloko prisikasti iki reikiamojo ir tada atlikti reikiamas operacijas. Kreipiantis į kitą bloką viskas kartojama iš pradžių. Tokio įtaiso pavyzdys informacijos kaupiklis magnetinėje juostoje.

FIZIKINIAI HDD VEIKIMO PRINCIPAI

HDD yra sk

kaitmeniniai įtaisai – juose magnetiniai signalai saugo atitinkama informaciją. Magnetiniai signalai yra įrašomi į metalinius diskus, kurių paviršius yra padengtas magnetine medžiaga.

Disko paviršiuje yra laikoma tik dviejų lygių signalai: viena kryptim ir priešinga kryptimi įmagnetintos paviršiaus vietos. Bet kokiu atveju magnetinė medžiaga įmagnetinta iki soties. Duomenų informacijos blokai yra koduojami ir įrašomi, kaip magnetinio lauko krypčių pasikeitimų seka tam tikrose disko paviršiaus vietose. Skaitymo galvutė reaguoja į magnetinio lauko krypties pasikeitimus, o dekodavimo schemos atstato reikiamą informaciją.

Informacija HDD turi būti saugoma labai tiksliai. Bent viena klaida keliuose milijonuose bitų gali žymiai sugadinti darbą. Kadangi HDD nėra idealūs, todėl juose gali atsirasti klaidų. Tuo tikslu kaupikliuose yra realizuojamos specialios schemos, kurios randa bei ištaiso klaidas.

Be to reikia priminti, kad induktyvinės nuskaitymo galvutės fiksuoja tik maagnetinio lauko pasikeitimą, o magnetorezistyvinės galvutės atkartoja įrašyto signalo formą. Įvertinus standžiojo disko parametrus: galvučių konstrukciją, magnetines medžiagos savybes, galvučių slydimo greitį bei aukštį ir t.t., gaunamas maksimalus įsimagnetinimo pasikeitimo tankis (maksimalus kiekis zonų su priešinga įmagnetinimo kryptimi colyje (FCI)). Norint gauti kuo talpesnius HDD siekiama efektyviausiai išnaudoti takelių ilgį, turimai informacijai užrašyti. Tuo tikslu yra naudojamos įvairios kodavimo rūšys: FM (Frequency Modulation), MFM (Modified Frequency Modulation), RLL (Run Length Limited), PRML (Partial Response Maximum Likelihood) ir kt.

HDD pagrindinės dalys

Pagrindinės HD

DD dalys yra pavaizduotos 1 paveiksle.

1 pav. Hdd pagrindinės dalys

Diskai

Standžiųjų diskų besisukantys diskai gali būti tiek kieti, tiek ir lankstūs. Tačiau medžiagos, iš kurios jie yra padaryti, matmenys turi labai mažai keistis kintant aplinkos temperatūrai, bei senstant. Lanksčių diskų gamybai dažniausiai naudojami: mailaras arba lavsanas, o standžiųjų diskų gamybai dažniausiai naudojamas aliuminis, tačiau gali būti naudojamas ir stiklas, kuris yra kietesnis ir gali būti plokštesnis, šios savybės naudingos esant aukštom apsisukimų per minutę reikšmėm, bet jis yra labai trapus. Diskų paviršius yra padengiamas magnetine medžiaga, kurios pagrindą dažniausiai sudaro geležies oksidas. Saugoma informacija yra tam tikras šio paviršiaus įmagnetinimas atitinkamose disko vietose. Informacijos įrašymo tankis priklauso nuo magnetinės medžiagos kokybės (grūdėtumo ir t.t.). Dažnai, kaip rišamoji medžiaga yra panaudojami dažai, tačiau yra pagaminami dažai turintys magnetinių savybių ir atlieka magnetinės medžiagos funkciją disko paviršiuje. Daug didesnį informacijos įrašymo tankį galima pasiekti naudojant metalines magnetines medžiagas (Plated Media).

Įrašymo – nuskaitymo galvutės

Tradiciškai informacijos įrašymui bei nuskaitymui naudojamos magnetinės galvutės, kurių sudedamosios dalys yra ritė užvyniota ant magnetinės šerdies su tarpeliu (2 paveikslas).

2 pav. Magnetinė galvutė

Įrašinėjant galvutė įmagnetina magnetinės medžiagos sluoksnį esantį po šerdies tarpu. Magnetinio lauko kryptį nustato apvijomis tekančios srovės kryptis. Kai magnetinė nuskaitymo galvutė slenka įmagnetintu takeliu, tose vietose, kur keičiasi magnetinio lauko kryptis, indukuojasi įt

tampos impulsai, kurių kryptis priklauso nuo lauko pasikeitimo krypties. Taigi nuskaitant signalą gaunami atitinkami impulsai. Į tai atsižvelgiama parenkant kodavimo būdą. Optimali galvučių konstrukcija informacijos įrašymui bei nuskaitymui yra skirtinga, todėl praktikoje gaminamos galvutės kurios yra kompromisinis variantas. Pirmosios tokios galvutės turėjo rites suvyniotas iš plonos vielutės, tačiau jas apkeitė galvutės gaminamos pagal TF (Thin Film) technologiją. Bet šiuo metu naudojamos kitokios galvutės.

Šiuolaikiniuose HDD naudojamos magnetorezistyvinės (MR – magnetoresistive), patobulintos magnetorezistyvinės (MRx – extended magnetoresistive) galvutės, o ateityje numatoma panaudoti GMR (Giant magnetoresistive head) galvutes. MR ir GMR galvučių schemos pavaizduotos 3 paveiksle.

3 pav. GMR ir MR galvučių struktūra

Paveiksle pavaizduotos IBM firmos gaminamų galvučių schemos. Kaip matome iš paveikslo, viename korpuse realizuotos dvi galvutės: induktyvinė įrašymo galvutė padaryta pagal TF technologiją ir skaitymo galvutės MR arba GMR. Skaitymo galvutės sensoriai yra tarp dviejų ekranų, kurie gerokai nuslopina nereikalingą magnetinį lauką kuris sklinda nuo disko, todėl MR ar GMR sensoriai “mato” tik bito, kurį reikia nuskaityti, magnetinį lauką. Atskirai realizuotų galvučių parametrai būtų gal kiek ir geresni, tačiau sujungta galvutė turi keletą privalumų: tokios galvutės yra pigesnės, nes reikia atlikti mažiau operacijų gaminant galvutes, jos geriau tinka HDD, nes atstumas tarp įrašymo ir skaitymo elementų yra minimalus.

Šių galvučių veikimo principas pagrįstas medžiagos varžos magnetiniame lauke anizotropijos ef

fektu (AMR – anisotropic magnetoresistance). Jose per MR ar GMR sensorius yra praleidžiama etaloninė srovė, įtampos kritimas juose proporcingas magnetinio lauko stiprumui po sensoriumi esančioje disko vietoje. Todėl tokios galvutės atkartoja signalo formą, o ne fiksuoja magnetinio lauko krypties pasikeitimus.

MR ar GMR sensoriai yra labai ploni, jeigu sudėsime vieną ant kito 250000 sensorių, tai jų aukštis nesieks colio (apie 2.5 cm.). Pagrindinis skirtumas tarp šių sensorių tas, jog skiriasi jų jautrumas, matuojamas varžos kitimo diapazonu. Be to MR varžos kitimas pagrįstas natūralia puslaidininkio savybe, o GMR veikimas pagrįstas elektronų savybėmis. Kaip matyti iš 4 paveikslo GMR beveik du kartus jautresni už MR sensorius.

Jautraus sluoksnio storis, µm.
4 pav. MR ir GMR sensorių jautrumas

Tipinė magnetorezistyvinė medžiaga yra Ni – Fe lydinys, kai jame magnetinio lauko kryptis lygiagreti srovės tekėjimo krypčiai, elektronams yra trukdoma laisvai judėti (dažniau susiduria su atomais), todėl varža padidėja.

5 pav. MR galvutės veikimo principas

Kai nėra skersinio magnetinio lauko magnetinio lauko kryptis lygiagreti tekančiai srovei, todėl varža yra didesnė. Skersinis magnetinis laukas keičia magnetinio lauko kryptį jautriame sluoksnyje, tokiu būdu mažindamas varžą. Vienok teigiama ir neigiama magnetinio lauko kryptis sukurs tokią pačią sluoksnio varžą (6 paveikslas). Todėl praktikoje yra panaudojama charakteristikos dalis.

6 pav. GMR galvutės varžos priklausomybė nuo magnetinio lauko

GMR galvutėse yra panaudojamas elektronų sukimasis apie savo ašį. Elektronai, kurių sukimosi kryptis lygiagreti magnetinio lauko krypčiai juda laisviau, todėl medžiagos varža yra mažesnė. Jeigu spino kryptis priešinga magnetinio lauko krypčiai, elektronai yra stabdomi, todėl varža padidėja. Kaip GMR sensoriaus varža priklauso nuo magnetinio lauko pavaizduota 7 paveiksle.

7 pav. GMR galvutės varžos priklausomybė nuo magnetinio lauko

Kaip matome iš 7 paveikslo GMR sensoriams galima panaudoti priešingų krypčių magnetinius laukus, kurių stiprumą parenka taip, kad būtų panaudojama tiesinė charakteristikų dalis.

Labai svarbu yra kad galvutė būtų tam tikrame aukštyje nuo disko paviršiaus. Galvutės padėtis bei atstumas nuo disko Western Digital standžiuosiuose diskuose pavaizduota 8 paveiksle.

8 pav. WD HDD galvučių padėtis, bei skriejimo aukštis.

Galvutės palaiko tokį aukštį veikiamos aerodinaminės jėgos. Jeigu galvutė nukrenta ant disko darbinio paviršiaus, nustojus suktis diskams, gali būti pažeisti tiek galvutė, tiek ir disko paviršius. Kad to neatsitiktų, yra tam tikra galvučių sustojimo (Park) zona, kuriose leidžiama galvutėms prisiglausti prie diskų. Šiuolaikiniuose standžiuosiuose diskuose galvutės nukreipiamos į sustojimo zoną automatiškai kai: sumažėja maitinimo įtampa arba sumažėjus diskų sukimosi greičiui iki tam tikros leistinos reikšmės. Taip pat galvutės liks stovėjimo zonoje tol, kol nepasieks reikiamo sukimosi greičio. Galvučių skriejimas negali labai kisti, nes tokiu atveju, kai galvutė yra per aukštai, informacija gali būti nenuskaitoma arba nuskaitoma su klaidom. Western Digital naujuose HDD įrengia skrydžio aukščio stebėjimo sistemą, kuri esant netinkamam aukščiui nutraukia įrašymo procesą. Skrydžio aukštį nustato jėga, kurią nustato diskų sukimosi greitis (senuose HDD 3600 aps./min., naujesniuose 5400 aps./min., naujausiuose 7200 arba 10000 aps./min.), galvutės sparno forma, oro tankis, kuri atsveria prispaudžiančių spyruoklių tamprumo jėgą. Todėl aukštai kalnuose ar giliai po vandeniu (pvz. povandeniniame laive) reikalingi specialūs standieji diskai, pritaikyti atitinkamam oro tankiui. Kadangi yra panaudojamos abi disko pusės, o diskų HDD būna nuo 1 iki 8, tai galvutės yra apjungiamos nukreipimo mechanizme, kuris nukreipia galvutes į reikiamą vietą.

Nukreipimo mechanizmas

Nukreipimo sistemą sudaro kreipiančiųjų sistema pritvirtinta ant ašies, kurių viename gale yra pritvirtintos galvutės, o kitame nukreipiantis varikliukas. Senuose HDD buvo panaudotas žingsninis variklis. Jo ašies pasisukimo kampas priklauso nuo impulsų serijos paduodamos į variklio apvijas. Šis kampas turi būti kartotinis minimaliam žingsniui, kurį nulemia variklio konstrukcija. Tokiose sistemose judesiui perduoti buvo panaudojami sliekinės mechaninės pavaros arba metalinė juostelė užvyniota ant ašies. Taigi varikliui pasisukus kampu atitinkančiu vieną žingsnį, galvutės pastumiamos per vieną cilindrą. Naudojant sliekinę pavarą gaunamos didesnės nukreipimo paklaidos negu naudojant juostinį mechanizmą, nes jos pasisukimo kampas yra nevaržomas tokių faktorių, kaip sliekinio krumpliaračio žingsnis, be to juostinis mechanizmas yra greitesnis, bet greičiau susidėvi. Tokia nukreipimo sistema vadinama sistema be grįžtamojo ryšio, ji negali koreguoti nukreipimo klaidos, kuri gali atsirasti pasikeitus diskų matmenims kintant temperatūrai. Nors, atliekant bet kokias duomenų apsikeitimo operacijas yra patikrinamas cilindro markeris, jeigu jis nesutampa su reikiamuoju atliekamas pakartotinis nukreipimas: grįžtama prie nulinio cilindro ir paduodamas reikiamas impulsų skaičius varikliui. Taip pat sunkiau realizuoti automatinį galvučių sustabdymą, nes reikia suformuoti atitinkamų impulsų seką, taigi jeigu netikėtai dingsta maitinimas automatiniam galvučių sustabdymui turi būti sukaupta pakankamai energijos. Dažnai dingus maitinimui pats variklis (sukantis diskus) perjungiamas į generatoriaus režimą.

Šiuolaikiniuose HDD naudojami nukreipimo mechanizmai su judria rite (Voice Coil Actuator), kuri veikia panašiai kaip garsiakalbyje. Kreipiančiųjų gale yra pritvirtinta ritė, kuri yra pastoviame magnetiniame lauke. Pratekant ritės apvijomis srovei susikuria jėga, proporcinga srovei, kuri priverčia judėti ritę t.y. ir galvutes. Valdydami srovės kryptį ir dydį galima greitai ir į bet kurią reikiamą vietą nukreipti galvutes, o ne tik tam tikru žingsniu. Naudojant tokią nukreipimo sistemą būtinas grįžtamasis ryšys, informacija nusakanti esamą galvučių padėtį pagal kurią kontroleris valdo nukreipimo sistemą. Ta informacija tai – “servo” žymės. Pagal tai, kur yra šios žymės, HDD yra skirstomi į HDD su išskirtu “servo” paviršiumi (Dedicated Servo) ir į HDD su įtvirtintomis “servo” žymėmis. Pirmuoju atveju vieno disko visas paviršius skiriamas tik “servo” informacijai, galvutė skaitanti šią informaciją – “servo” galvutė. Nukreipimo klaidos tokiu atveju gali atsirasti pasikeitus galvučių tarpusavio padėčiai. “Servo” informacija pateikiama nepertraukiamai, todėl pagerina paieškos bei sekimo procesus. Jeigu HDD nurodytas nelyginis darbinių galvučių skaičius, galima nusakyti koks tai disko tipas.

Standžiuosiuose diskuose su įtvirtintomis “servo” žymėmis, informacija yra įrašoma tarp duomenų, darbiniuose diskų paviršiuose. Ji gali būti kiekvieno takelio “pradžioje”, bet tada ši informacija nuskaitoma po kiekvieno disko apsisukimo, o tai nėra patogu, nes tiksliai nustatyti galvutės vietą reikia kelių disko apsisukimų. Kitas būdas: įrašyti “servo” žymes prieš kiekvieną sektorių. Tai leidžia rasti reikiamą takelį nelaukiant pilno disko apsisukimo, o tai yra žymiai greičiau. Dar vienas šio būdo privalumas: nustatymo tikslumas tikrinamas pagal tas žymes, kurios yra takelyje kuriame vyksta darbas (duomenų nuskaitymas, įrašymas). Todėl galvučių tarpusavio padėties pasikeitimai neturi įtakos. Panaudojamos ir mišrios nukreipimo sistemos, kuriose be išskirto paviršiaus yra ir įtvirtintos “servo” žymės.

Automatinis galvučių sustabdymas realizuojamas paprastai: į sustojimo zoną, staiga dingus maitinimui, gražina spyruoklė, kitas būdas panaudoti energiją susikaupusią kondensatoriuje.

Kiti HDD elementai

Visos elektromechaninės HDD dalys – diskai su varikliu, galvutės su nukreipimo sistema sutrumpintai vadinami HDA (Head Disc Assembly) yra apsauginiame korpuse. Viduje oras turi būti labai švarus mažiausia dulkelė gali sugadinti tiek galvutę, tiek ir disko paviršių. Pats korpusas nehermetiškas, yra kiaurymė, saugoma oro filtro, kuri reikalinga, kad oro slėgis HDD išorėje ir viduje būtų vienodas. Yra dar vienas filtras, kuris “gaudo” daleles atitrūkstančias nuo pačių diskų paviršiaus,kurios atsiranda galvutėms “kylant” ar “tupiant”. Yra ir specialių HDD su hermetiškais korpusais, kurie pritaikyti eksploatuoti ypatingomis klimato sąlygomis.

HDD turi ir elektronikos bloką, kuris valdo nukreipimo sistemą, disko sukimosi greitį, apdoroja signalus. Šiuolaikiniuose HDD elektronikos blokas yra montuojamas kartu su HDD.

Informacijos saugojimas HDD

Informacija yra saugoma magnetinėje medžiagoje, kuria yra padengti diskai. 2.9 paveiksle kaip yra organizuojamas informacijos laikymas standžiuosiuose diskuose. Kiekvieno disko paviršiuje yra tam tikras kiekis takelių, kurių kiekvienas padalintas į sektorius, takeliai, kurių diametras yra vienodas sudaro cilindrus (9 paveikslas).

Pats disko paviršius dar yra suskirstytas į zonas, kurioje sektorių skaičius yra vienodas. Krašte esančioje zonoje sektorių skaičius yra didžiausias, centrinėje – mažiausias. Todėl duomenų perdavimo greitis kraštiniuose takeliuose yra didesnis negu centriniuose takeliuose.

Tam, kad įrašytume duomenis į diską, reikia suformuoti nuoseklų kodą, kuriame be naudingos informacijos turi būti ir sinchronizuojantys signalai. Reikia pastebėti, kad induktyvinės galvutės jaučia tik magnetinio lauko krypties pasikeitimą. Taip pat reikia įvertinti, kad egzistuoja minimali magnetinės medžiagos dalis, kurioje gali būti vienos krypties magnetinis laukas (magnetinis trigeris). Jį nulemia magnetinės medžiagos savybės, galvučių konstrukcija, diskų sukimosi greitis, galvučių “skrydžio” aukštis ir t.t. Magnetinio trigerio dydis nulemia informacijos įrašymo tankį.

Duomenims įrašyti gali būti panaudojami įvairūs kodavimo būdai: FM (Frequency Modulation), MFM (Modified Frequency Modulation), RLL (Run Length Limited) ir kt. Jie bus aptarti žemiau.

Taigi, įrašant ar nuskaitant informaciją yra operuojama sektoriais. Kiekvienas sektorius turi savo struktūrą (formatą). Sektoriaus pradžioje yra informacinė sritis po jos eina informacijos saugojimo ir kontrolinė sritis. Informacinėje srityje yra saugomas cilindro, galvutės ir sektoriaus numeris. Taip pat čia saugoma informacija apie sektoriaus tinkamumą naudoti duomenų saugojimui. Ši informacija įrašoma vykdant žemo lygio formatavimą diską, o vėliau ji tik nuskaitoma. Informacinę ir informacijos saugojimo sritis skiria zona, reikalinga tam, kad įrašant, galvutę aptarnaujanti schema, suspėtų persijungti į įrašymo režimą. Sektoriaus gale kontrolinio kodo duomenų sritis – CRC (Cyclic Redundancy Check – ciklinis perteklinis patikrinimas) arba ECC (Error Checking and Correcting – klaidų radimas ir ištaisymas). CRC kodas gali tik surasti klaidas, o ECC gali ir ištaisyti jas, jeigu yra nedaug klaidų. Tarp sektorių gali būti “servo” informacija.

FM kodavimas

10 paveiksle informacijos kodavimo būdai yra pavaizduoti taip, kad būtų galima vizualiai palyginti vieną kodavimo būdą su kitais. Čia pavaizduota kaip yra užkoduojamas baitas 11001010 taikant įvairius kodavimo būdus: FM (a), FM be grįžimo prie nulio (b), MFM (c), 2,7 RLL (e).

10 a paveiksle pavaizduotame kodavimo metode yra operuojama atstumu tarp vienos įmagnetinimo vietos takelyje iki kitos. Bet galima atkreipti dėmesį ir į laiką per kurį skaitymo – įrašymo galvutė praplaukia per informacijos bitus 1 ir 0.

Taigi į tokį signalą galima laikyti signalu su kintančiu dažniu, išsaugant nulį atliekamas vienas ciklas bito gardelėje, išsaugant vienetą atliekami du ciklai. Tai panašu į moduliuojantį virpesį kuriame yra panaudojami tik du dažniai. Toks kodavimo būdas vadinamas dažnine moduliacija arba FM moduliacija. Šią moduliacija buvo galima praktiškai panaudoti, tačiau greitai buvo sugalvoti efektyvesni kodavimo būdai.

FM moduliacija be grižimo prie nulio

Taikant aukščiau aprašytą metodą kiekvieną elementą saugančioje takelio atkarpoje įmagnetinimo kryptis keičiasi bent du kartus: kada laukas iš neigiamo patampa teigiamu ir atvirkščiai. Taigi praplaukus galvutei virš tokių laukų, jos apvijose susikuria atitinkamai teigiamas ir neigiamas impulsai. Taikant aprašytąjį kodavimo būdą informacijos skaitymui yra panaudojami tik teigiamieji įtampos impulsai. Neigiami įtampos impulsai yra ignoruojami. Tai rimtas trūkumas, nes kaip norime dažnai keisti magnetinio lauko krypties takelyje mes negalime (egzistuoja minimalus ilgio vienos krypties magnetinio lauko atkarpa (magnetinis trigeris) sąlygojama fizikinių reiškinių ir gamybos technologijos).

10 pav. Kodavimo būdai: a) FM moduliacija b) FM moduliacija be grįžimo į 0 c) MFM e) 2.7 RLL

Laikykime kad 10 paveiksle pavaizduotose diagramose ir panaudojami minimalūs magnetiniai trigeriai, tada iš 10 a paveikslo matyti, kad vienam informacijos bitui, kartu su sinchronizacijos impulsu, išsaugoti panaudojami keturi magnetiniai trigeriai.

Nesunkiai galima du kartus sutrumpinti vienam bitui saugoti naudojamą takelio ilgį. Tai realizuojama panaudojant kiekvieną magnetinio lauko krypties pasikeitimą kaip informaciją nešantį (panaudoti tiek teigiamą tiek neigiamą įtampos impulsą). Taip pat pakeičiamas ir informacijos įrašymas. Taip užkoduoto baito pavyzdys 10 b paveiksle.

Matome, kad impulsų signale sumažėja du kartus, todėl perpus sumažėja reikalingas takelio ilgis tai pačiai informacijai išsaugoti. Tai padidina HDD talpą, duomenų perdavimo greitį ir t.t. Toks kodavimo būdas sutrumpintai vadinamas NRZ.

MFM kodavimas

Anksčiau buvo naudojamas NRZ kodavimas, tačiau neužilgo buvo rastas kitas būdas, kuriuo galima duomenų įrašymą į standųjį diską sutankinti du kartus, šis būdas vadinamas modifikuota dažnine moduliacija (10 c pav.).

Reikia atkreipti dėmesį į tai, kad sinchronizuojantys lygių pasikeitimai reikalingi tik tada, kai nėra arti vienas kito informacinių lygių pasikeitimų. Todėl didelę sinchronizuojančių signalų dalį galima atmesti ir tuo pačiu gerai žinoti kurie signalai yra informaciniai, o kurie sinchronizuojantys.

10 c paveiksle pavaizduotas takelio įmagnetinimas duomenų baitui 11001010, 10 d paveiksle pavaizduoti galvutėje susikuriantys įtampos impulsai.

FM NRZ kodavimo metu sinchronizuojantis impulsas yra kiekvieno domenų bito pradžioje ir per vidurį, kai yra saugomas vienetas. MFM kodavimo metu pašalinamas maksimalus skaičius sinchronizuojančių lygio pasikeitimų su sąlyga kad duomenys bus atkoduojami teisingai.

Taigi, MFM kodavimo taisyklė yra paprasta. Pašalinami visi sinchronizavimo impulsai gauti koduojant FM būdu, išskyrus tuos atvejus, kai esančioji ir prieš tai buvusioji duomenų gardelė saugo nulį. Visos gardelės saugančios dvejetainius vienetus ir gardelės einančios po jų yra pakankamai arti nuo lygio pasikeitimo, todėl sinchronizacijai papildomų lygių keitimų nereikia.

Bitų atskyrimo taisyklė skaitant duomenis taip pat paprasta. Būtina atskirti signalą tik gardelės saugančios bitą pradžioje (tai sinchronizacijos impulsas tarp dviejų nulinių bitų) nuo signalo gardelės viduryje reiškiančio vienetą.
Taikant MFM kodavimą du kartus patrumpėja takelis reikalingas išsaugoti tokio pačio kiekio informacijai, negu FM NRZ kodavimo atveju. Tačiau MFM atveju yra naudojami trys dažniai (1f, 1.5f, 2f), todėl taikant tokį kodavimo būdą keliami didesni stabilumo reikalavimai HDD varikliams ir elektrinėms schemoms.

RLL kodavimas

MFM kodavimo būdas yra gana paprastas ir efektyvus, tačiau yra dar efektyvesnių būdų. Šiuo būdu koduojant duomenis vienam bitui išsaugoti panaudojamas vienas magnetinis trigeris, tačiau galima pasiekti dar geresnių rezultatų ir toliau mažinant sinchronizacijos signalų skaičių. Sinchronizavimo impulsų sumažinimas priklauso nuo disko sukimosi greičio bei nuo impulsų, atsirandančių galvutėje, nustatymo tikslumo.

Standžiųjų diskų gamintojai patikrino daug būdų sinchronizacijos impulsų vienam bitui sumažinti ir tokiu būdu padidinti maksimalų duomenų tankį disko paviršiuje. Personalinių kompiuterių standiesiems diskams labiausiai paplito taip vadinamas kodavimas su riboto ilgio atkarpa arba RLL kodavimas. Šiame metode iš viso nėra sinchronizavimo impulsų. Tai tapo įmanoma užrašant į diską duomenų rinkinius, kurie skiriasi nuo reikalingų išsaugoti duomenų rinkinio. Užrašant informaciją į HDD, teisingai parinkus rinkinius kontroleris, kai duomenys yra nuskaitomi, apdoroja juos ir išskaičiuoja tikruosius duomenis.

2.7 RLL kodavimą matematikai bei inžinieriai dar vadina grupiniu kodavimu (Group-oded Recording – GCR). Šis kodavimas realizuojamas grupe duomenų bitų pakeičiant didele grupe užrašomų duomenų.

Taigi 2.7 RLL priskiriamas prie GCR tipo kodavimo būdų, kurio užrašomų į disko paviršių kodų ilgis priklauso nuo koduojamos informacijos bitų.

RLL kodavime yra naudojami du apribojimai bet kuriems magnetinio lauko pasikeitimo rinkiniams, kurie yra užrašomi į standžiojo disko paviršių. Pirma: magnetinio lauko kryptis negali keistis dažniau negu tai leidžia minimalus magnetinis trigeris. Antra: tarpai tarp magnetinio lauko krypties pasikeitimų negali būti tokie ilgi, kad disko kontroleris supainiotų poziciją diske.

Taigi magnetinio lauko krypties pasikeitimą riboja minimalus bei maksimalus persijungimo dažniai. Kitaip sakant yra minimalus ir maksimalus takelio ilgis kuriame gali keistis magnetinio lauko kryptis. Pagal tai ir kilo šio kodavimo būdo pavadinimas.

Taip kaip ir FM ir MFM, RLL kodavime magnetinio lauko kryptis (frontas) gali būti tik bito gardelės pradžioje arba viduryje. Vietoj to kad gaunami duomenys butų keičiami atitinkama frontų seka, kontroleris analizuoja juos nedidelėmis grupelėmis ir kiekvienai grupelei išsaugomas atitinkama tam tikra frontų seka. Toliau raide T (Transition) žymėsime frontą, o raide O (Open) – tuščią atkarpą. T ir O takelyje užima lygiai pusę bito gardelės.

Jeigu koduojama 2.7 RLL būdu žiūrima, kad, nepriklausomai nuo patenkančių duomenų, visada būtų minimum du ir niekada daugiau septynių O tarp bet kurių dviejų T. jeigu šie reikalavimai yra patenkinami minimalus atstumas tarp frontų lygus 1.5 bito gardelės, o maksimalus 4 bitų gardelės.

11 paveiksle pavaizduota kaip yra formuojama T ir O seka, priklausomai nuo įeinančios informacijos. Atkreipkime dėmesį, kad į dešinėje pavaizduotas sekas: kai kurios jų prasideda T, o kitose prieš T yra kelios O. Dalis sekų, viduje turi daugiau negu vieną T, bet visada tarp jų yra minimum du O. Pagaliau sekų gale visada yra minimum du O. Taigi, nepriklausomai nuo sekų apjungimo būdų visada tarp dviejų T bus minimum dvi O.

Taip pat galime pastebėti, kad nei vienos sekos pradžioje nėra daugiau keturių O ir yra ne daugiau trijų O gale. Taigi tarp dviejų T niekada nebus daugiau septynių O.

Kiekviena T ir O seka turi lygiai du kartus daugiau ženklų negu koduojami duomenys (vienetai ir nuliai). Kadangi nuo O iki T yra minimum trys ženklai, minimaliame magnetiniame trigeryje galime patalpinti tris ženklus. Kadangi du ženklai atitinka vieną bitą, tai bitų gardelė šiuo atveju sumažėja iki 2/3 magnetinio trigerio ilgio. Tai įgalina į standžiojo disko takelyje patalpinti 150% daugiau bitų negu koduojant MFM būdu ir tris kartus daugiau negu taikant FM NRZ metodą.

Taigi tikri duomenys yra pakeičiami atitinkamais kodais. Šie yra parinkti taip, kad santykis tarp maksimalaus ir minimalaus tarpo tarp frontų būtų 8 su 3. Tokio metodo taikymas leidžia tame pačiame plote saugoti 50% daugiau duomenų. Dauguma HDD diskai sukasi vienodu greičiu, todėl informacija užrašoma arba nuskaitoma 3/2 karto greičiau. 11 paveiksle pavaizduotas 11001010 užkoduotas baitas 2.7 RLL būdu. Tačiau praktikoje šis kodavimo būdas nėra labai patikimas, todėl yra taikomi tam tikri apribojimai.

11 pav. 2.7 RLL kodavimo algoritmas

Kadangi RLL kodavimo metu frontai yra ne arčiau negu MFM kodavime, kai kas galvoja, kad galima MFM kaupiklį galima naudoti kai RLL kaupiklį, pakeitus MFM kaupiklio kontrolerį į RLL kontrolerį. Bet tokiu atveju labai sudėtingėjo elektrinė schema ir tokie kaupikliai dažnai gesdavo. Taigi teko kelti dar griežtesnius reikalavimus diskiniams kaupikliams.

PRML sistema

Technologija Partial Response – Maximum Likelihood (PRML), išvertus “dalinis atsakymas – maksimali tikimybė”, sukurta informacijos pasikeitimui ypatingomis sąlygomis, tokiomis, kaip pavyzdžiui tolimų kosminių ekspedicijų atveju.

Šią technologiją sėkmingai panaudojo nusileidimo modulis “Vikingas”, kuris rinko ir siuntė naudingą mokslinę informaciją iš Marso į Žemę. Informacijos pasikeitimui naudojami radijo signalai, kurie buvo siunčiami milijonus mylių nuo Žemės. PRML kodavimo dėka mokslininkai gavo švarius duomenis, be jokių foninės interferencijos trukdžių.

Šiuo metu PRML suteikia puikias galimybes standžių diskų gamintojams plėsti saugomos informacijos tankį (įskaitant duomenų laikmenų talpumą), didinti jos perdavimo greitį, pagerinti perdavimą, o taip pat sumažinti disko triukšmų įtaką.

Dar nesenai daugumoje duomenų laikmenose buvo naudojama kanalų nuskaitymo technologija, pagrįsta signalų pikų detektavimu. Tai yra, norint gauti duomenis iš diskų buvo fiksuojamos pikinės įtampos reikšmės, kuri atsirasdavo skaitymo galvutėje. Tačiau, bitų įsirašymo į diskus tankis vis didėjo, ir ilgainiui vis sunkiau buvo atskirti gaunamus duomenis nuo fono triukšmo ar atskirti atskirus pikus tenkančius kiekvienam bitui.

Padidėjus įrašų apimčiai atsiranda taip vadinama tarpsimbolinė interferencija (inter-symbol iterference, ISI). Ji atsiranda tada, kai didėjant duomenų nuskaitymo greičiui, gaunama analoginių signalų seka, patenkanti iš skaitymo/rašymo galvutės prie didelio greičio. Susidariusiai problemai spręsti naudojamas duomenų kodavimas kuris koduoja duomenis kaip srautą tokių simbolių, kokie jie įrašomi į standųjį diską, kad būtų galima atskirti vieną piką nuo kito. Tačiau kodavimui reikalingas daugiau nei vienas simbolis vienam informacijos bitui, o tai neigiamai atsiliepia tiek talpai, diskų efektyvumui.

Technologijos PRML esmė tame, kad analoginis signalas gautas iš galvučių, pirmiausia diskretizuojamas, o vėliau jis panaudojamas duomenų detekcijai. Taigi, PRML suteikia galimybę apdoroti labai tankiai suspaustus bitus, priešingai nei detektuojant pikus, pagerindamas triukšmo slopinimą.

PRML skaitymo kanalai, pirminėje skaitymo stadijoje neišskiria signalo pikų, vietoj to ISI valdymui atliekama skaitmeninė filtracija. Tai garantuoja didesnį duomenų suspaudimo laipsnį, leidžia patalpinti daugiau informacijos į diskus bei greičiau ją nuskaityti. PRML naudoja skaitmeninį apdorojimą ir maksimalių galimybių detekciją, kas suteikia galimybę atsekti bitų eiliškumą, kuri labiausiai atitinka įrašytą diske.

12 pav. PRLM sistemos struktūrinė schema.
Technologija PRML galima suskirstyti į dvi dalis.
Dalinis(nepilnas) atsakymas (Partial Response).

Tai gaunamo analoginio signalo pavertimo į skaitmeninį pavidalą stadija arba diskretizacijos procesas. PRLM naudoti pageidautina pastovios ir specifinės formos signalui, kurį generuoja magnetorezistinės galvutės.

Magnetorezistinės galvutės atitinka PRLM, pašalinančios sąnaudas kurios sunaudojamos, trukdžių filtracijai. Šios bangos susidaro indukcinės galvutės išorėje (išoriniuose kraštuose), kai ji praeina disko paviršiumi nuskaitymo metu. Prieš PRLM kanalo naudojimą, būtina pašalinti tokias bangas.

Paprastai tokiai problemai spręsti naudojami elektroniniai ekvalaizeriai, tačiau jie žymiai padidina PRLM kanalo sudėtingumą ir kainą. Signalas, išgaunamas iš magnetorezistorinių galvučių, yra nelygios formos, tačiau jį lengva diskretizuoti.

Taigi, bendras magnetorezistinių galvučių ir PRLM nuskaitymo kanalo naudojimas leidžia pašalinti atsirandančius trukdžius, susijusius su papildomu filtracijos apkrovimu.
Maksimali tikimybė (Maximum Likelihood).

Pats PRLM ne duoda jokios informacijos kaip dvejetainių nulių ir vienetų pavidalu. Tam reikalinga papildoma dekodavimo sistema (Viterbi detection).

Detekcija Viterbi yra algoritmas, kuris tikrina visas įmanomas duomenų kombinacijas ir parenkantis geriausiai sutampantį (mažiausia paklaida) su gautais signalais. Bitų pasikartojimo pavyzdys, mažiausiai besiskirianti nuo įeinančio signalo (minimali klaida), nei kad kitos kombinacijos, bus priimtas kaip teisingas.

Yra nustatyti trys šių signalų palyginimo lygiai PR4, EPR4, EEPR4 13 paveikslas.

13 pav. Signalų lyginimas

PR4 atveju yra reikalaujama, kad du pavyzdžiai būtų lyginami trijuose vietose (0, ±1). EPR4 lyginami trys lygiai t.y. penkios reikšmės (0, ±1, ±2), o EEPR4 reikalauja lyginti keturiuose lygiuose t.y. septynias reikšmes (0, ±1, ±2, ±3). Kuo daugiau reikšmių yra lyginama tuo sudėtingesni detektoriai ir tuo ilgiau yra užtrunkama atpažįstant signalus, tačiau žymiai sumažėja klaidų tikimybė.

Kaip jau minėjome, viena svarbiausių PRLM naudojimo savybių yra greitas duomenų perdavimas. Greitą informacijos perdavimą įtakoja pačioje technologijoje esanti duomenų priėmimo – kodavimo schema su įrašo ilgio apribojimais (RLL). Tai greitas ir efektyvus duomenų kodavimo būdas, kai į diską įrašomos bitų kombinacijos pertvarkomos į kodus, o ne perrašomos tiksliai bitas po bito.

FAT SISTEMOS

Operacinės sistemos DOS; WINOWS 95, 98; ir kt. naudoja failų sistemas FAT (File Alocation Table) saugoti duomenims diskuose. FAT 12/16 apjungia kelis sektorius į klasterį ir naudoja 12 arba 16 bitų adresavimą. FAT 16 adresuoti iki 65526 klasterių. Maksimalus klasterio dydis 32Kb, todėl maksimali disko talpa – 2Gb. Šio atvejo trūkumas: failai gali užimti sveiką skaičių klasterių, todėl jeigu failo dydis 33Kb jis užims 64Kb disko vietos. Todėl HDD galima suskaldyti į kelis loginius diskus, kurių talpa mažesnė, todėl klasteriai gaunami mažesni (1 lentelė).

Loginio disko talpa, GByte Klasterio dydis, KByte
2 32
<1 16
<0.512 8
<0.256 4
<0.128 2
1 lentelė Klasterio dydžio priklausomybė nuo disko talpos

Windows 98, DOS7.1, LINUX naudoja FAT 32 (32 bitai) sistemą. Adresavimui panaudojami 28 bitai, taigi 228 klasteriams galima suteikti adresus. Tada 8Gb diske klasterio dydis 4Kb, o maksimali disko talpa – 2048Gb.

PAGRINDINĖS HDD CHARAKTERISTIKOS

Standžiuosius diskus galima apibūdinti šiais pagrindiniais parametrais: formatuoto disko talpa (Formatted Capacity), interfeisas (Interface), duomenų perdavimo greitis, vidutinis paieškos greitis (Average Seek Time), diskų sukimosi greitis ir kt.

Formatuoto disko talpa

Ši charakteristika parodo, kiek yra vietos naudingai informacijai saugoti. Neformatuoto disko talpa parodo kiek iš viso yra bitų HDD, čia įeina tarnybinė informacija. Vartotojui naudingiausia žinoti formatuoto disko talpą. Reikia priminti, kad taikoma dvejetainė sistema, todėl 220 atitinka 1048576 baitus, kuriuos dažnai vadina megabaitu.

Duomenų perdavimo greitis

Duomenų perdavimo greitis charakterizuojamas šiais parametrais: vidiniu duomenų perdavimo greičiu (Internal Transfer Rate) ir išoriniu duomenų perdavimo greičiu (Internal Transfer Rate).

Vidinis duomenų perdavimo greitis matuojamas bitų kiekiu per sekundę perduodamų iš magnetinių diskų į kontrolerio buferinę atmintį. Čia matuojama būtent bitų kiekis per sekundę, o ne baitų kurie neša naudingą informaciją, nes be jų perduodama ir tarnybinė informacija. Šiuolaikinių diskų (7200 aps./min., PRML) šis greitis siekia 300 Mbit/s.

Išorinis duomenų perdavimo greitis matuojamas naudingos informacijos kilobaitų perdavimu per sekundę išorinio interfeiso šyna. Jis priklauso elektronikos (kontrolerių) veikimo spartos, interfeiso tipo ir duomenų perdavimo režimo. Interfeise ATA, PIO Mode 0 režime, duomenų perdavimo greitis 3.3 Mb/s, PIO Mode 4 – 16.6 Mb/s, Ultra DMA – 33 Mb/s, SCSI šynoje gali būti 5, 10, 20, 40 Mb/s, optiniame kanale 100 Mb/s. Kartu su išoriniu perdavimo greičiu nurodoma vidinės atminties (kešo) apimtis bei jos organizavimas (daugiasegmentė ir t.t.).

Interfeisai (EIDE/SCSI)

IDE ir ATA

IDE (Integrated Drive Electronics) ir ATA tai yra vienodi interfeisai HDD bei kitiems įtaisams prijungti. IDE tai kompanijos Western digital projektas, kuris remiasi dviem standartais ATA – 2 ir ATAPI. Fast -ATA pasiūlė kompanija Seagate ir remiasi tik standartu ATA – 2. Duomenų perdavimo greičiai HDD IDE interfeise pateikti 2 lentelėje.

IDE (ATA)
Sigle word DMA 0 2.1 Mbyte/s
PIO mode 0 3.3 Mbyte/s
Sigle word DMA 1, multi word DMA 0 4.2 Mbyte/s
PIO mode 1 5.2 Mbyte/s
PIO mode 2, sigle word DMA 2 8.3 Mbyte/s
EIDE (ATA – 2)
PIO mode 3 11.1 Mbyte/s
multi word DMA 1 13.3 Mbyte/s
PIO mode 4, multi word DMA 2 16.6 Mbyte/s
Ultra – ATA (Ultra DMA/33)
multi word DMA 3 33.3 Mbyte/s
Ultra ATA/66
multi word DMA 4 66.6 Mbyte/s
2 lentelė Teorinis domenų perdavimo greitis IDE interfeise

SCSI

Yra kelių tipų SCSI interfeisai: 8 bitų (50 kontaktų kabelis) arba 16 bitų (68 kontaktų kabelis). SCSI charakteristikos pateiktos 3 lentelėje.

SCSI šyna ir dažnis 8 bitų 16 bitų
5 MHz (SCSI 1) 5 Mb/s
10 MHz (Fast SCSI, SCSI 2) 10 Mb/s 20 Mb/s
20 MHz (Fast 20, Ultra SCSI) 20 Mb/s 40 Mb/s
40 MHz (Fast 40, Ultra 2 SCSI) 40 Mb/s 80 Mb/s
80 MHz (Ultra 160 + SCSI) 160 Mb/s
3 lentelė SCSI parametrai

Panaudojant SCSI galima prijungti iki 7 įtaisų (8 bit) ir 15 įtaisų (16 bit).

Visa tai apibūdina iš išvaizdos paprastą įrenginį – Standųjį diską (HDD).
Naudota literatūra:

1. http://www.nestor.minsk.by/kg/kg9709/kg73805.htm
2. http://www.westworldproductions.com/archive/1997/0197ctr/5166.htm
3. http://www.storage.ibm.com/hardsoft/diskdrdl/technolo/gmr/gmr.htm
4. http://www.westerndigital.com/products/drives/drivers-ed/ata66tp.html
5. http://www.westerndigital.com/products/drives/drivers-ed/thermal_tp.html

Leave a Comment