diplomski hdd

7/25/2019 Diplomski Hdd

1/54

SVEUILITE U SPLITUODJEL ZA STRUNE STUDIJE

STUDIJ RAUNARSTVA

DARKO GRUBII

DIPLOMSKI RAD

TVRDI DISKOVI I

ATA SUELJA ZA SPAJANJE

Split, lipanj 2007.

Mentor: Valentini Koica, dipl.ing.

Split, lipanj 2007.


2/54

Tvrdi diskovi i suelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBII

1

1. UVOD I KRATKA POVIJEST TVRDOG DISKA

Potreba za masovnom pohranom podataka postoji otkad god su raunala uupotrebi. U samim poecima glavni medij bila je papirnata traka ili buene kartice, na

koje su se buile rupice koje su oznaavale jedinicu informacije. Prva magnetskamemorija bila je predstavljena u obliku polja magnetnih jezgri, gdje je svaka jezgrasadravala bitpodataka najmanju jedinicu pohrane podataka. Meusobna povezanost

jezgri je omoguila nasumian pristup (random access) podacima tokom itanja ipisanja. Ova memorija je bila postojana, pouzdana i brza, ali su se podaci brisali svakimitanjem, to je zahtijevalo trenutano ponavljanje zapisa proitanih podataka. Ovatehnologija je kasnije prerasla u trodimezionalna polja feritnih jezgri torusnog oblika sakapacitetom od par kilobita (kb).

Prva pojava tvrdog diska zabiljeena je 1956., kada je IBM proizveo model 305RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Mogao je pohraniti

5MB podataka na 50 ploa promjera 24 (oko 61cm). Taj disk se nije prodavao, veiznajmljivao za otprilike 35.000 USD godinje, iz ega proizlazi da je najam jednogmegabajta prostora stajao oko 7.000 USD godinje. Takvi su diskovi godinama bilirezervirani iskljuivo za mainframe raunala. Postojale su i velike farme diskovamodela promjera 14 i 8 izoliranih u klimatiziranim prostorima korporacijskih

podatkovnih centara.

Popularizacija magnetnog zapisa kao pohrane podataka ima svoje zaetke ustvaranju prvefloppy(savitljive) diskete 1967., koju je takoer stvorio IBM. Prvi modelu irokoj upotrebi predstavljen je 1971. i to je bila dugo koritena 8 disketa, koja je bila

jedan plastini savitljivi disk, presvuen eljeznim oksidom. 1976. se uvodi tzv.minifloppydisketa promjera 5.25. Taj format se zadrao u iroj upotrebi sve do sredinedevedesetih godina. Najvie je populariziran kada je tvrtka Apple 1978. predstavilaDisk

II, pogon za itanje takvih disketa namijenjen njihovim tada jako popularnim Apple IIraunalima. Dotad su glavni magnetni medij kunih raunala predstavljale spore inepouzdane audio kazete.

1981. IBM predstavlja PC (Personal Computer), svoj prvi model osobnograunala, koji je ubrzo postao svjetskim standardom, a ak i njemu su isprva diskete bilesamo opcionalan dodatak. Idue godine tvrtka Davong Systems predstavlja tvrdi diskkapaciteta 5MB kao dodatak za IBM PC. 1983. IBM predstavlja model XT(eXTended), koji se isporuivao sa ugraenim tvrdim diskom od 10MB. Pridjev tvrdiseodnosi na ploe unutar diska koje su bile napravljene od tvrde aluminijske slitine, za

razliku od mekane plastike unutar disketa, a bio je sagraen oko Winchester tehnologije,razvijene jo 1973.

1987. je predstavljen tvrdi disk promjera 3.5, to predstavlja dimenziju diskova udananjim kunim raunalima. To je ujedno i model koji se ugraivao prva prijenosnaraunala, to je bilo omogueno njegovom veliinom. Daljnji razvoj je ponudio i manjediskove veliine 2.5, koji su danas standard u prijenosnicima.

Brz razvoj rezultirao je ogromnim skokom kapaciteta i brzine diskova, odnekadanjih 5MB podataka i brzine prijenosa od 12.5 kB/s, pa sve do dananjih diskovakoji pohranjuju do 1TB podataka, a ostvaruju brzine prijenosa do 300MB/s.


3/54


2

2. TVRDI DISKOVI

2.1. Konstrukcija i osnovni pojmovi

Iako su im brzina i kapacitet znaajno porasli, tvrdi diskovi su i dalje u osnovijako slini prvim 10MB Winchester diskovima koji su bili ugraivani u PC XT-ovetokom ranih 80-ih. U njima se nalaze okrugle ploe, presvuene specijalnimmaterijalom koji omoguuje spremanje informacija u formi magnetskih staza. Onerotiraju velikom brzinom (danas 5400-12000 okr./sek.), pogonjene posebnim motoromosovine. Glavesu elektromagnetski ureaji za itanje i pisanje po ploi, a montirane suna klizae, koji su na ruici pokretaa. Pokreta je zaduen za postavljanje ruice u

pravu poziciju.Ploica s logikomupravlja aktivnostima ostalih dijelova i zaduena je zakomunikaciju s ostatkom raunala.

Slika 1. Prikaz unutranjosti tvrdog diska

Svaka povrina ploe moe sadravati desetke milijardi zasebnih bitova podataka.Organiziraju se u vee komade radi praktinosti, kao i da bi se omoguio laki i bri

pristup podacima. Svaka ploa ima dvije glave, jednu sa gornje, a jednu sa donje strane,tako da disk sa 3 ploe ustvari ima 6 glava. Zapis na ploi je u obliku koncentrinihtraka, koje se dalje razdjeljuju na sektore od 512 bajtova.


4/54


3

Tvrdi diskovi se proizvode visokom preciznou radi iznimno malih sastavnihdijelova, kao i njegove vanosti unutar raunala. Glavni dijelovi diska su izolirani odvanjskih utjecaja koji bi ih mogli otetiti.

Ploe tvrdih diskova se sastoje od 2 komponente: supstrata, materijala koji imdaje oblik i vrstou (obino aluminijska legura) i magnetskog nanosa, koji u osnovisadrava magnetske impulse koji predstavljaju pohranjene podatke. Poto se sve radnjeodvijaju tono na njima, jako se pazi na finou izrade i istou prostora u kojem se

proizvode, da bi se izbjegle i najmanje nesavrenosti. Veina materijala ploe otpada nasupstrat, na kojeg se postavlja magnetski nanos. Pred taj materijal se postavljajuzahtjevi za lakom obradom, vrstoom, malom specifinom masom, stabilnou,magnetska inercija, niskom cijenom i lakom dobavljivou. Aluminijska legurazadovoljava sve te kriterije, pa je zato materijal od kojeg se vedosta godina izraujusupstrati. Poto glava lebdi neposredno nad povrinom ploe, ona mora biti jako glatka.Kod starijih pogona je taj problem bio manje izraen radi veeg razmaka izmeu glave i

povrine. No, danas se napretkom tehnologije taj razmak smanjuje, a brzina vrtnje ploa

poveava, to pogoduje ote

enju glave. Iz tog razloga se su kao glavni zamjenskimaterijali staklo, stakleni kompoziti i magnezijske legure.

Slika 2. Usporedba povrina aluminijske i staklene ploe

Na slici 2. se nalaze mikroskopske snimke povrina aluminijske (lijevo) i staklene(desno) ploe. Uoljiva je finija povrina staklene ploe i uz staklene kompozitepredstavlja nadolazei standard za sirovinu. U usporedbi sa aluminijskima, stakleneploe imaju nekoliko prednosti:

- bolja kvaliteta staklene povrine su puno glatkije i ravnije, to osiguravanie razmake glave od povrine i vee brzine okretanja diska

- poveana krutost u odnosu na aluminij, staklo je krue pri istoj masi

- tanje ploe omoguava postavljanje vie ploa unutar iste veliine pogona, atakoer manje i tee, to smanjuje optereenje motora


5/54


4

- toplinska stabilnost ugrijano staklo se puno manje rastee od aluminija. Iakoservo mehanizam unutar pogona nadoknauje pomicanje traka uslijedrastezanja, ipak je poeljnije da je efekt to manje izraen

Oit nedostatak stakla prema aluminiju je lomljivost, to je posebno izraeno kodjako tankih ploa i zato se istrauju kompoziti stakla i keramike.

Medij koji se nanosi na povrinu ploe i slui pohrani informacija je jako tanaksloj magnetskog materijala, debljine nekoliko m. Stariji diskovi su koristili medij odoksida. To se zapravo odnosi na eljezni oksid, ije se estice posebnim vezivnimmaterijalom nanose na povrinu.

Slika 3. Usporedba ploa sa medijima od tankog filma (gore) i oksida (dolje)

Oksid je vrlo jeftin, ali ima nekoliko ozbiljnih mana. Jako je mekan, to znai dae se lako otetiti pri sluajnom dodiru sa glavom za itanje/zapisivanje. Takoer,iskoristiv je samo za zapisivanje pri relativno niskoj gustoi, to nije predstavljalo

problem kod ranijih ureaja, ali su zahtjevi za veom gustoom pokazali da su esticeeljeznog oksida prevelike za sve manja i manja magnetna polja koja se nastojalo

pohraniti.

Dananji tvrdi diskovi koriste medij od tankog filma. Iako ni nanos od oksida nijebio posebno debeo, ipak je bio znaajno deblji od tog novog materijala i otuda naziv.Nekoliko se procesa koristi za nanoenje sloja tog medija na supstrat, jedan od njih je igalvanizacija, slina onoj kod pozlaivanja nakita. Drugi je naparavanje, koji se koristiprocesom posuenim iz industrije poluvodia za naparavanje tankog sloja medija napovrinu. Tako obraene ploe imaju prednost to im je povrina puno ujednaenija iglatkija od onih dobijenih galvanizacijom. Radi poveane potrebe za visokom

kvalitetom na novijim pogonima, to je primarna metoda, unato veim trokovimaizvoenja.


6/54


5

Medij od tankog filma je u usporedbi sa onim od oksida puno ravnomjernijerasporeen i glatkiji. Takoer ima i dosta bolje magnetske karakteristike, to muomoguuje pohranu vee koliine podataka na istom prostoru, a usto je i puno tvri itrajniji, to ga ini manje podlonim oteenjima. Nakon nanoenja sloja medija, obinose svaka povrina ploe dodatno prekrije tankim zatitnim slojem od ugljika, da bi se i

on na kraju prekrio supertankim podmazujuim slojem, koji tite disk od oteenjauslijed sluajnog kontakta sa glavom ili stranim esticama koje bi se mogle uvui u

pogon.

Istraivai IBM-a rade na tvari koja bi mogla zamijeniti medij od tankog filma unadolazeim godinama. Umjesto naparivanja metalinog filma na povrinu, kemijskaotopina organskih molekula i estica eljeza i platine se nanosi na povrinu ploa,razmae se i zagrijava. Kad je proces gotov, estice eljeza i platine se postave u

prirodan oblik mree kristalia, od kojih svaki moe sadravati magnetski naboj. IBMnaziva ovu strukturu nanocrystal superlattice (superreetka nanokristala), a ovatehnologija bi mogla poveati povrinsku gustou medija za pohranu podataka za 10 doak 100 puta. Vrijeme ove tehnologije tek dolazi i pokazuje kako magnetska pohranapodataka ima prijei jo velik put dok ne istroi sav prostor za napredak.

Promjer ploa odreuje kategoriju kojoj e disk pripadati, a izraava se u inima.Danas uobiajene veliine su 3.5 i 2.5, dok su nekad bili esti diskovi sa ploama

promjera 5.25. To nisu precizno izraeni promjeri, ve pribline vrijednosti, da senaglasi kako tvrdi disk zauzima jednak prostor u kuitu raunala kao i neki drugi isteoznake. Uglavnom se tei izradi to manjih ploa, iz nekoliko razloga:

- poboljana vrstoa to je ploa vra, otpornija je na vibracije i lakepodnosi velike brzine (>7200 okr./min.) kojima se danas vrte

- jednostavnost izrade glavni zahtjev je uniformnost i glatkoa povrine, to je

puno lake postii sa manjim ploama

- smanjenje mase laganije ploe se lake zavrte i odravaju u brzini, a trae idosta slabije elektromotore

- uteda energije manji diskovi u principu troe manje nego vei

- smanjenje zagrijavanja i buke proizlazi iz gore navedenih injenica

- bolje vrijeme traenja smanjena je udaljenost koju mora prijei pokretaglave od jedne do druge strane da bi obavio nasumino traenje, to ubrzavanasumino itanje i zapisivanje.

Od danas dostupnih diskova najmanja ploa je promjera 1 i nalazi se u IBMMicrodriveu, a radi dimenzija, lako se napaja iz baterije.

Diskovi imaju obino od jedne do pet ploa. Neki modeli za posluiteljskaraunala imaju ih i desetak, a neki jako stari modeli i vie. Nanizane su na zajednikojosovini i pokretane istim motorom, a posebni prstenovi ih dre na stalnom razmaku. Tosve zajedno dri na okupu poseban poklopac na vrhu osovine. Svaka ploa ima dvije

povrine na koje se spremaju podaci i svaka povrina ima svoju glavu za itanje izapisivanje. Ipak, ne iskoritavaju se uvijek sve povrine, jer proizvoai tako moguoznaiti diskove s jednakim brojem ploa razliitim kapacitetom, na nain da

jednostavno jednu povrinu ne iskoriste. Velik broj ploa donosi probleme kao, naprimjer, poveanje snage potrebne da bi se osovina zavrtila radi vee mase koju nosi itd.

Danas su kapaciteti smih ploa narasli, pa je taj problem manje izraen.


7/54


6

Ploe su organizirane u specifine strukture da bi se omoguilo smislenospremanje i dobavljanje podataka. Svaka je podijeljena na desetke tisuatraka, koje suu biti gusto nabijeni koncentrini krugovi. Poto traka sadri preveliku koliinu

podataka da bi bila osnovna jedinica koliine podataka na tvrdom disku, dijeli se nasektore, koji predstavljaju jedinicu za najmanju koliinu podataka kojoj se moe

pristupiti i uobiajeno sadre 512 bajta. Prvi diskovi su imali 17 sektora po traci, dokdananji imaju na tisue i koriste se zonskim zapisivanjem, to omoguuje vie sektorana vanjskim trakama ploe.

Povrinska gustoa, ponekad nazivana i gustoom bitova, predstavlja koliinupodataka koju se moe spremiti na datu povrinu ploe i izraava se u broju bitova pojedinici povrine (u ovom sluaju kvadratnih ina) i ima kraticu BPSI (bits per squareinch). Rauna se umnokomgustoe traka (izraava broj traka du ina radijusa ploe, aoznaava se sa TPI tracks per inch) i linearne ilizapisne gustoe (izraava broj bitovakoji se mogu zapisati du ina jedne trake, oznaava se sa BPI bits per inch). Ipak,uobiajena mjera, kojom se lake usporeuju kapaciteti ploa razliitih diskova, je

koliina gigabajta po plo

i. Dakako, usporedba ima smisla samo dok se uspore

ujudiskovi istih nazivnih dimenzija.

Dva naina za poveanje povrinske gustoe u klasinoj tzv. LMR tehnologijizapisa (longitudinal magnetic recording duno magnetsko zapisivanje), poveanjemlinearne gustoe zbijanjem bitova na svakoj traci ili poveanje gustoe traka, tako da ihsvaka ploa sadri vie. Poveanje povrinske gustoe ne vodi samo veem kapacitetu,ve i ubrzanju itanja i zapisivanja, jer se poveavaju brzina pristupa i prijenosa

podataka. Ipak, tu se javljaju problemi poput interferencije meu bitovima, to seobino rjeava smanjivanjem jaine magnetskog polja, to izaziva daljnje probleme,

poput pitanja stabilnosti podataka i osjetljivosti glava za itanje/pisanje, koje moraju bitidovoljno osjetljive i prolaziti dovoljno blizu povrine, da bi pokupile te slabe signale,to opet postavlja zahtjeve na istou i glatkou povrine ploe, da bi se izbjeglounitenje glave.

Glave za itanje/pisanje se mogu predstaviti kao meusklop izmeu podataka namagnetskom mediju i elektronike koja tvori ostatak tvrdog diska, a i PC-a. Oneobavljaju pretvorbu bitova u magnetske impulse pri zapisivanju, a rade obratno priitanju zapisa. Jedan su od najskupljih i najsloenijih dijelova tvrdog diska, poto suizravno odgovorne za ubrzanje rada diska. Sastoje se od malenih elektromagneta kojihvataju ili odailju magnetske impulse. Svaki bit podataka koji treba spremiti sezapisuje koristei posebnu metodu enkodiranja, koja pretvara nule i jedinice binarnogzapisa u promjene magnetskog toka, o emu e vie rijei biti kasnije.

Jedna bitna karakteristika tvrdog diska koja ga razlikuje od ostalih magnetskihmedija (disketa, VHS ili audio kazeta) je to glava za itanje/pisanje nema fizikikontakt sa medijem. Razlog lei u velikoj brzini kojom se ploe diska okreu i u potrebida se glava esto pomie iz trake u traku. Najraniji diskovi su ak bili konstruirani takoda je glava dodirivala medij, ali se ve tada shvatilo da dolazi do prebrzog troenja iglave i medija. Moderne glave, dakle, lebde nad povrinom diska, a razmak izmeuglave i diska se naziva visina lebdenja ili visina preleta (floating/flying height), a

ponekad i rastojanje glave (head gap). Radi jako male visine lebdenja (mjeri se umilijuntim dijelovima ina), tvrdi diskovi se sastavljaju u istim prostorijama, gdje jezrak filtriran i od najsitnijih estica. Ipak, unutar kuita diskova nije vakuum, kako bi

se moglo pomisliti, a da je tako, ne bi bilo zraka na kojem bi glava mogla lebdjeti.


8/54


7

Iz toga proizlazi da, ako zrak ipak ulazi u unutranjost diska, se ipak stavlja nekuvrst filtera na otvore, tako da se ipak ne oneiste osjetljive glave i(li) ploe diska.

Slika 4. Usporedba visine preleta i veliine estica neistoe

Starije vrste glava za itanje/pisanje (feritne, metal-in-gap i thin film) radile sukoristei 2 osnovna principa elektromagnetske sile. Prvi je da proputanje elektrinestruje kroz zavojnicu inducira magnetsko polje (koristi se pri zapisivanju na disk), gdjesmjer magnetskog polja ovisi o smjeru kretanja struje kroz zavojnicu. Drugi se odnosina indukciju struje kad zavojnica prolazi kroz magnetsko polje (koristi se pri itanju sadiska) i tu takoer smjer kretanja struje ovisi o smjeru magnetskog polja. Novijemagneto-otporne (MR - Magnetoresistive) i gigantske magneto-otporne (GMR - GiantMagnetoresistive) glave se ne slue induciranom strujom u zavojnici za itanje

podataka, nego rade na principu magnetskog otpora, gdje pojedini materijali mijenjajusvoj otpor pod razliitim magnetskim poljima. Iako se uobiajeno nazivaju glavama zaitanje/pisanje (a starije su doslovno to i bile), novije MR i GMR imaju u biti dvije

odvojene glave za svaku operaciju, kao posljedicu razliitih tehnologija za itanje izapisivanje. Iako su kompliciranije za proizvodnju, ipak to ima svojih prednosti zbogmogunosti finog podeavanja svake glave za svoju operaciju, dok su starije radilekompromis radi dvojnog karaktera. Ponekad se ovakva konstrukcija nazivakonstrukcijom spojenih glava (merged heads).

Slika 5. Prikaz MR glave tvrdog diska

Ranije se spominjala potreba za zapisivanjem slabijih magnetskih impulsa radismanjenja intereferencije meu zapisanim bitovima, a upravo je to razlog radi kojeg suMR i GMR glave zavladale tritem. Osjetljivije su i dosta manje od prvotnihkombiniranih glava. Uz njih se koriste i posebni sklopovi koji pojaavaju oitane slabesignale i prevode ih u digitalnu domenu, u kojoj u biti postaju podaci koji su zapisani nadisku. Uz to se jo koriste i sklopovi za nalaenje i ispravljanje pogreki, koje mogunastati slabljenjem zapisa, dok neke novije glave koriste i magnetske oklope sa svake

strane glave, da ikakav zaostali magnetizam ne bi uticao na nju.


9/54


8

2.1.1 PMR tehnologija

Magnetne estice, iako vrlo malene, svojim dimenzijama su stvorile problemnastojanjima da se na povrinu ploe tvrdog diska smjesti jo vie podataka. Poto suestice vrlo razliitih oblika i veliina jedan bit informacije se smjeta na njih stotinjak,

kako bi se sigurnost zapisa ostala ouvana. Pokuaj da se smanji broj koritenih esticapo bitu nosi opasnost od spontanog obrtanja magnetskog pola, uslijed utjecaja toplineprisutne u okoliu, pa ak i sobne temperature.

PMR tehnologija (perpendicular magnetic recording, u prijevodu tehnologijaokomitog magnetskog zapisivanja) stvorena je kako bi se rijeio taj problem,zgunjavajui magnetske estice tako to njihovi magnetski tokovi nisu poloeni

paralelno u odnosu na plou veokomito. Ispod sloja magnetinog materijala nalazi sedodatni tzv. mekani pod-sloj, koji je jako provodljiv za magnetski tok. Kada glava zazapisivanje primi strujni impuls, stvara se magnetski tok koji u prostoru izmeu glave imekanog pod-sloja stvara vrlo intenzivno magnetsko polje. Upravo se u tom prostorunalazi sloj za zapisivanje podataka vrlo visoke koercitivnosti. Takvi mediji zahtijevaju

jaka magnetska polja da bi im se moglo utjecati na magnetizaciju, ali zapis koji nose jepuno stabilniji jednom kada se magnetiziraju.

Druga generacija PMR tehnologije je donijela daljnji napredak usavravanjemglave, medija i elektronike diska. Glava za zapisivanje je mijenjana dodavanjem tzv.trailing shielda(prateeg oklopa), smjetenog blizu iza stranjeg ruba glave. Postiese blago pojaanje magnetskog polja, ali je vea dobit u tome to polja odumiru jako

brzo dok se medij kree od pla glave do oklopa. Ova izrazita promjena polja znai dase zapisani bitovi sada mogu otrije istaknuti.

-

Medij te ustrojstvo glave kod PMR-a

Poto je klasini medij za horizontalno zapisivanje dosegao svoje granicetoplinske stabilnosti veliine bita, razvijen je zrnat medij od posebne magnetskelegure kobalta, kroma i platine (CoCrPt), kojem su slojevi razdvojeni oksidom.

Signal PMR zapisa je drastino razliit od klasinog zapisa, prvenstveno radizakretanja u fazi za 90 svake frekvencijske komponente, to odgovara rotaciji smjeramagnetizacije za 90 izmeu horizontalnog i vertikalnog zapisivanja. Uz fazni pomakenergija signala je takoer vea pri niskim frekvencijama u odnosu na LMR zapisivanje.

Slika 6. Prikaz LMR sklopa za itanje/pisanje


10/54


9

Kod uobiajene LMR glave magnetsko polje potrebno za zapisivanje imaizraeniju horizontalnu nego vertikalnu komponentu. Kod PMR-a magnetizacija medija

je orijentirana u smjeru gore-dolje. Radi to uinkovitijeg zapisivanja PMR glavetrebaju zato proizvesti polje koje ima izraeniju okomitu nego vodoravnu komponentu.Oblik glave vie nije etvrtast vevie trapezoidnog oblika, kako bi se izbjeglo brisanje

podataka u susjednim trakama kada glava radi pod otrim kutem.

Slika 7. Prikaz PMR sklopa za itanje/pisanje

Osim unaprijeenja ustrojstva glave za zapisivanje, PMR rjeava jo nekeprobleme poput brisanja polom i brisanja zaostalim poljima. Brisanje polom je naziv zapojavu kada pol za zapisivanje isputa magnetsko polje iako je struja zapisivanjapostavljena na 0 na kraju ciklusa zapisivanja, a za posljedicu se moe dogoditi da senenamjerno obriu podaci. Ova pojava se javlja zbog iznimno malih dimenzija iferomagnetske strukture PMR polova za zapisivanje, zato su potrebni su pomnoodabrani materijali za magnetski medij tankog filma.


11/54


10

2.1.2. NAND Solid State tehnologija

Poto su mogunosti zapisivanja na magnetni medij dosegle svoje granice,industrija je morala pronai zamjenu. Sve bra raunala i sve vei korisniki zahtjevi po

njihove performanse ukazuju upravo na tvrde diskove kao usko grlo svakog sistema.Zato je Samsung kao novu tehnologiju za tvrde diskove odabrao NAND flash, razvijeninae od strane korporativnog partnera Toshibe jo 1989., a prvenstveno radi slinog

principa dijeljenja zapisa kao kod klasinih tvrdih diskova. Kod NAND flashtehnologije zapis se dijeli na tzv. stranice koje su najee veliine 512 ili 2048

bajtova, kojima se jo pridruuje dodatnih 12-16 bajtova za pohranu kodova za provjerugreaka. Stranice se zatim grupiraju u blokove, najee po 32 stranice od 512 bajtovaili 64 stranice po 2048 bajtova. Zapisivanje se vri na razini stranica, ali se brisanje radiiskljuivo na razini cijelih blokova.

Slika 8.NAND disk tvrtke TDK kapaciteta 32GB

NAND je vrsta tzv. flash memorije, koja je dosta u upotrebi kod danas dostarairenih prijenosnih USB kljueva. Padom cijene proizvodnje otvorila se mogunoststvaranja NAND flash tvrdih diskova upotrebljivih kapaciteta, koji se trenutno kreuizmeu 4 i 128GB. Iako zasada znaajno skuplji u odnosu na klasine tvrde diskove(cijena po MB), postoje prednosti diskova zasnovanih na ovoj tehnologiji, koje se

prvenstveno oituju u nedostatku ikakvih pokretnih mehanikih dijelova, ime seodstranjuje velik dio konstrukcijskih problema, kao i onih koji bi se mogli pojavititokom koritenja. Samim time smanjena je buka koju inae proizvode motor i kretanje

glave klasinog tvrdog diska, a nije zanemariv ni pad radne temperature. Sve ovekarakteristike NAND flash diskove ine jako privlanim izborom za prijenosna

raunala, kod kojih su problemi pokretnih dijelova i radne temperature posebnoizraeni, tako da se ve najavljuje prvi model prijenosnika sa tvorniki ugraenim

NAND SSD tvrdim diskom.

Manjak pokretnih dijelova ubrzava i pristup podacima na disku, te su vremenapristupa i traenja znaajno smanjena. To ih ini idealnima za pohranu operativnihsustava i programa kojima se korisnik slui, jer se upravo tu stvara usporenje tokomkoritenja raunala. Zasada su kretanja takva da se NAND SSD diskovi koriste vie zaovakve primjene (dijelom i radi zasada ogranienih kapaciteta i visoke cijene), aklasini tvrdi diskovi za dugotrajnu pohranu vee koliine podataka.


12/54


11

2.2. Geometrija tvrdih diskova i strukture podataka na niskoj razini

2.2.1. O dekodiranju i enkodiranju podataka

Digitalna informacija je niz nula i jedinica, koje se na tvrdim diskovima spremaju

u obliku magnetskih impulsa. Ovo podrazumijeva pretvaranje informacija u magnetskeimpulse pri zapisivanju i obrnut postupak pri itanju, a to obavlja ploica s logikomsmjetena unutar smog diska.

Magnetska informacija na disku je predstavljena u obliku vrlo malih magnetskihpolja, koja se temelje na toku energije od sjevernog (N) prema junom (S) polumagneta, i to na nain da se postave ili u smjeru N-S ili S-N. Iako se ininajjednostavnijim da se jednostavno primjeni analogija 0 i 1 na N-S i S-N, to ipak nijeizvedivo na taj nain, a razlozi su sljedei:

- obrtanje polja glave za itanje/pisanje nisu dizajnirane za detekcijupolariteta magnetskih polja, veza detekciju obrtanja magnetskog polja, to se

odnosi na promjenu iz N-S prema S-N i obratno. Laka su za detekciju, potose pri prelasku glave preko obrtanja polja stvara lagani naponski izboj.Poveanjem gustoe zapisa na disku, svako magnetsko polje ponaosob imasve manju snagu, to oteava detekciju i zato je oslonac na promjenamamagnetskog polja

- sinkronizacija u enkodiranju podataka jako je bitno znati gdje neki bitpoinje, a gdje zavrava. Radi toga nije mogue jednostavno nanizati odreenbroj nula, jer se lako izgubi trenutna lokacija.

- razdvajanje polja polja se ne nalaze fiziki tik jedno do drugog jer bi tostvorilo jedno vee magnetsko polje ukupnim zbrojem svih malih magnetskih

polja

Slika 9. Pojednostavljeni prikaz itanja i zapisivanja

Prvenstveni cilj enkodiranja informacija je da se smanji broj potrebnih obrtajatoka potrebnog za sinkronizaciju u odnosu na broj potrebnih za zapis podataka.

Najranije metode enkodiranja su bile relativno primitivne i troile su previe obrtajatoka na sinkronizaciju, to je tokom vremena ipak znaajno napredovalo, pa je timeomogueno gue zapisivanje podataka i vee iskoritenje prostora.


13/54


12

2.2.2. Metode enkodiranja podataka

FM (Frequency modulation)

Prva uobiajena metoda enkodiranja bila je frekvencijska modulacija, skraeno

FM. Jedinica se zapisuje kao dva uzastopna obrtaja toka, a nula kao obrtaj toka nakonkojeg nema promjene toka. Ovo se moe shvatiti kao i obrtaj toka na poetku svakog

bita za potrebe sinkronizacije i zatim dodatni obrtaj za jedinicu, dok se isputa za nulu.

Bit Uzorak enkodiranja Obrtaja toka po bituUestalost bitova unasuminom nizu

0 RN 1 50%1 RR 2 50%

Prosjek 1.5 100%

Tablica 1. uzorak zapisa za FM (gdje je R obrtaj toka, a N nedirnut tok).

Ime frekvencijska modulacija dolazi iz injenice da je uestalost tj. frekvencijaobrtaja toka kod jedinica dvostruka u odnosu na nule, to je jasno vidljivo iz zapisa

jednog bajta jedinica (RNRNRNRNRNRNRNRN) i nula (RRRRRRRRRRRRRRRR).

Slika 10. Zapis bajta 10001111 FM enkodiranjem

Problem sa ovom metodom je rasipnost, poto svaki bit zahtjeva dvije pozicijeobrtanja toka, uz dodatni obrtaj potreban za sinkronizaciju. U usporedbi sa naprednijimmetodama, potrebno je nekoliko puta vie obrtaja toka za istu koliinu podataka. Ova semetoda koristila na najranijim floppy disketama, direktnim prethodnicima onih u PC-ovima. FM metodu je iz upotrebe izbacila MFM metoda jo prije nego je predstavljenIBM PC, ali predstavlja dobru osnovu za shvaanje MFM metode.


14/54


13

MFM(Modified Frequency Modulation)

U osnovi je to doraena FM metoda, otuda i naziv modificirana frekvencijskamodulacija. Napredak se oituje u smanjenju obrtaja toka potrebnih za sinkronizaciju ito tako da se umjesto na poetku svakog bita, sinkronizacijski obrtaj umetne samoizmeu dvije uzastopne nule. Kod jedinice obrtaj nije potreban poto se ve nalaziunutar smog bita. Kad jedinica prethodi nuli, zna se da je obrtaj vebio, pa jo jedannije potreban.

Uzorak bitaUzorak

enkodiranjaObrtaja toka po bitu

Uestalost bitova unasuminom nizu

0(0 prethodi)

RN 1 25%

0(1 prethodi)

NN 0 25%

1 NR 1 50%Prosjek 0.75 100%

Tablica 2. uzorak zapisa za MFM

Poto je prosjean broj obrtaja toka upola manji od onog kod FM, moe seudvostruiti frekvencija zapisivanja i time omoguiti zapis priblino dvaput vie

podataka na istoj povrinskoj gustoi. To podrazumijeva i veu sloenost krugova zaenkodiranje i dekodiranje, radi vee sloenosti samog algoritma.

Slika 11. Usporedba zapisa FM i MFM algoritmima

MFM enkodiranje se koristilo na floppy disketama i na najranijim tvrdimdiskovima. Poto se ovom metodom udvostruivao kapacitet floppy disketa, dobijale suoznaku double density (DD, dvostruka gustoa). Kod tvrdih diskova se ipak ubrzo

prelo na efikasniju RLL metodu, dok se kod floppy disketa zadrao MFM iz potrebe zakompatibilnou.


15/54


14

RLL (Run Length Limited)

Ova tehnika enkodiranja predstavlja unaprijeenu MFM tehniku, ali na punoprofinjenijoj razini. Umjesto pojedinih bitova, pri enkodiranju razmatra grupe bitova.Definiraju je 2 parametra, run length i run limit. Izraz runse odnosi na niz razmaka bezobrtanja toka. Run length je najmanji razmak izmeu obrtaja toka, dok je run limitnajvei razmak izmeu njih. Vrijeme izmeu 2 obrtaja toka ne smije biti preveliko,inae se gubi sinkronizacija.

Varijanta RLL-a koja se koristi na nekom pogonu se izraava kao RLL (X,Y) iliX,Y RLL, gdje je X run length, a Y run limit. Najei tipovi su 1,7 RLL i 2,7RLL.

Uzorakbita

Uzorak enkodiranja Obrtaja toka po bituUestalost bitova unasuminom nizu

11 RNNN 1/2 25%

10 NRNN 1/2 25%011 NNRNNN 1/3 12.5%010 RNNRNN 2/3 12.5%000 NNNRNN 1/3 12.5%0010 NNRNNRNN 2/4 6.25%0011 NNNNRNNN 1/4 6.25%

Prosjek 0.4635 100%

Tablica 3. uzorak zapisa za RLL

Kontroler u toku podataka trai odgovarajue uzorke, koje zatim enkodiraodreenim slijedom. 10001111 bi se ralanio na 10-0011-11 i enkodirao kaoNRNN- NNNNRNNN- RNNN. Poto svaki uzorak zavrava sa NN, najmanjirazmak izmeu dva obrtaja toka je upravo 2. Maksimalni razmak bi se postigao sa dvauzastopna 0011 uzorka, to bi izgledalo kao NNNNRNNN- NNNNRNNN iodgovara maksimalnom razmaku od 7. Dakle, u pitanju je RLL (2,7).

Slika 12. Usporedba FM, MFM i RLL (2,7) enkodiranja

Najoitija je poveana sloenost: koristi se 7 razliitih uzoraka i odjednom serazmatra i do 4 bita. Prosjean broj obrtaja je priblino 0.50, to je puno efikasnije i od

FM i od MFM enkodiranja.


16/54


15

PRML(Partial Response, Maximum Likelihood)

Standardni krugovi za itanje rade na principu detekcije obrtaja toka i njihoveinterpretacije bazirane na metodi enkodiranja kojom se kontroler slui. Podatkovnisignal se oita s povrine diska pomou glave, pojaa i dovede do kontrolera, gdje se

pretvara u digitalnu informaciju konstantnom analizom, sinkroniziranom na unutarnjiclock, traei male izboje napona koji predstavljaju obrtaje toka. Ova metoda se nazivadetekcija vrkova (peak detection).

Slika 13. Prikaz detekcije vrkova signala

Ova metoda radi izvrsno dokle god su vrkovi dovoljno veliki da se lako izdvoje

iz pozadinskog uma u signalu. Poveanjem gustoe zapisa, obrtaji toka se pakirajublie jedan drugom, to rezultira njihovom meusobnom interferencijom i teomanalizom signala. Poto je onda mogua kriva interpretacija bitova, to se mora izbjei

pod svaku cijenu. Rjeenje je u slabljenju magnetskih polja u zapisu, a tekoe u itanjuoslabljenih obrtaja toka rjeava ova metoda.

Slika 14. Prikaz detekcije PRML metodom


17/54


16

Umjesto da pokua razluiti zasebne vrkove signala, kontroler koji se sluiPRML-om upotrebljava sofisticirano digitalno uzorkovanje signala, procesiranje ialgoritme detekcije da bi manipulirao analognim tokom podataka koji dolazi sa diska(partial response) i da odredi najvjerojatniji niz bitova koje predstavlja (maximumlikelihood).

Iako djeluje udna i nepouzdana, PRML metoda je dovoljno pouzdana da bi, uznasljednika EPRML postala standardom za dekodiranje podataka na modernim tvrdimdiskovima. Omoguuje poveanje povrinske gustoe za 30-40% u usporedbi sastandardnom detekcijom vraka u signalu.

EPRML (Extended PRML)

U osnovi predstavlja proirenje PRML metode, a razlikuje se u koritenju boljihalgoritama i kvalitetnijih krugova za procesiranje signala, to im omoguuje efikasniju i

precizniju interpretaciju informacija sa diska. Najvei dobitak s ovom metodom je vea

povrinska gustoa, koja se kree izmeu 20% i 70% u odnosu na standardni PRML.Ovo je danas usvojen standard koji zamjenjuje PRML na novim diskovima.


18/54


17

2.2.3. BIOS

BIOS (Basic Input/Output System) predstavlja najniu razinu komunikacijesklopovlja i programa koji se na njemu izvravaju. Obavlja nekoliko osnovnih zadaavezanih za kontrolu pristupa tvrdim diskovima:

-

prekidne rutine BIOS-a da bi se osigurao normalan rad razliitog sklopovljai programa, BIOS omoguuje standardni nain programskog pristupasklopovlju. To se nazivaservisimaBIOS-a i koristi se u brojnim aplikacijskimi programima operativnog sustava. Njima je postignuto jedinstveno suelje

prema tvrdom disku, tako da programi ne trebaju znati kako komunicirati sasvakim tipom diska ponaosob.

- nalaenje tvrdog diska i podeavanje moderni BIOS-i mogu od samogadiska dobiti informacije o njegovim parametrima i automatski ga sami podesiti

- podrka za naine prijenosa u sprezi sa ipsetom na matinoj ploi isistemskom ulazno/izlaznom sabirnicom, BIOS kontrolira koji se naini

prijenosa mogu koristiti sa tvrdim diskom.

- Suelje Int13h

Kada operativni sustav eli pristupiti tvrdom disku, koristi se servisima BIOS-a, aprimarno suelje prema BIOS-u bio je prekidni zahtjev poznat kao Int13h, gdje Intoznaava interrupt (prekidni zahtjev), dok se 13h odnosi na broj 19 u heksadecimalnomobliku. Suelje Int13h podrava razliite komande BIOS-a, koje se zatim prenosetvrdom disku, a odnose se na itanje, zapisivanje i ostale operacije. Godinama je

predstavljalo standard jer ga je koristio DOS, a naputeno je tek posljednjih godina izamijenjeno modernijim nainima adresiranja tvrdog diska. Koristi se parametrimazapisanima u BIOS-u za adresiranje i za specifikacije tvrdog diska rezervira 24 bita:

- 10 bita za broj cilindra ukupno 1024

- 8 bita za broj glave ukupno 256

- 6 bita za broj sektora ukupno 63 (prema konvenciji, sektori se obiljeavajupoevi od 1)

Ovo suelje podrava priblino 16,5 milijuna sektora od 512 bajta, to daje8,46GB kao maksimalnu veliinu diska. U vrijeme dizajniranja prosjena je veliinadiska iznosila 10MB, ali se vremenom specifikacija pokazala ograniavajuom.

-

Int13h proirenja

Predstavljaju novo suelje, koje koristi 64 bita za adresiranje, to omoguujemaksimalnu veliinu od 9,4 trilijuna GB. Kljuan podatak tvrdog diska postaje brojsektor, a metoda se naziva logical block addressing (logiko blok adresiranje) ili LBA.Radi kompatibilnosti, svi diskovi kapaciteta preko 8,4 GB su prijavljeni u BIOS-umaksimalnim vrijednostima.

- Direktan pristup disku (zaobilaenje BIOS-a)

Koritenje BIOS-a kao posrednika izmeu programske podrke i sklopovlja jeipak neuinkovito, pa moderne verzije Windowsa imaju vlastite 32-bitne rutine pristupatvrdom disku, koje su bre i uinkovitije od koritenja BIOS-a.


19/54


18

2.2.4. Trake, cilindri i sektori

Sve informacije pohranjene na tvrdom disku su pohranjene unutar traka, koje sukoncentrino posloene na povrini ploe. Pobrojene su poevi od nule s vanjske

strane, pa prema unutranjosti. Moderni diskovi imaju desetke tisua traka na svakojploi. Pojedina traka moe sadravati tisue bajtova i nije pogodna za najmanju jedinicupohrane, jer bi male datoteke troile previe prostora. Zato se trake dijele na manjejedinice, sektore. Svaki sektor sadri 512 bajtova podataka, uz dodatnih par desetakabajtova za internu kontrolu smog pogona i kontrolu pogreke. Sektor sadri:

- identifikacijske informacije sadri redni broj sektora, poloaj (koristi se prinalaenju) i statusne informacije o sektoru (npr. da li je neispravan)

- polja za sinkronizaciju koriste se interno u pogonu za navoenje tokomitanja

- podatke ono to se eljelo pohraniti

- ECC kod za ispravljanje pogreki, koji osigurava cjelovitost podataka

- praznina slui fizikom razdvajanju dvaju sektora

Koliina koju zauzimaju dodatne informacije ne smije biti velika, jer oduzimadragocjeni prostor za korisnike podatke. IBM je sredinom 1990-ih predstavio No-ID

Format standard kojim je potpuno izbacio identifikacijske informacije iz zaglavljasektora i premjestio ih u svojevrsnu mapu koja se nalazi u memoriji i iz koje sereferenciraju sektori. Dobitci u kapacitetu po ploi su iznosili i do 10%.

Tvrdi disk se obino sastoji od vie ploa, a svaka od njih ima po dvije glave zaitanje i zapisivanje podataka. Poto se sve glave zajedno pomiu, njihov poloaj se nedefinira brojem trake, ve brojem cilindra. Smo ime potie od geometrijskog tijelakojeg vizualno stvaraju trake koje su po okomici na istom poloaju.

Tradicionalno se sektori adresiraju sistemom CHS (Cylinders, Heads, Sectors).

Slika 15. Vizualni prikaz traka, cilindara i sektora


20/54


19

Rani tvrdi diskovi su bili prilino primitivni i teko su se nosili sa kompliciranimradnjama pri pomicanju glava izmeu traka i kao posljedicu toga, svaka traka je imala

jednak broj sektora. Iz toga proizlazi da je povrinska gustoa vanjskih traka punomanja od one unutarnjih traka, to znai da su vanjske trake bile neiskoritene, jer suteoretski mogle pohraniti vie sektora nego im je bilo dodijeljeno.

Slika 16. Grafiki prikaz zonskog zapisivanja

Da bi se eliminirao ovaj neiskoriten prostor, moderni tvrdi diskovi koristetehniku pod nazivom zonsko zapisivanje bitova ili ZBR (Zoned Bit Recording),

ponekad nazivanu i viestruko zonsko zapisivanje ili samo zonsko zapisivanje. Na ovajnain, trake su grupirane u zone bazirane na njihovoj udaljenosti od sredine diska isvakoj zoni je dodijeljen odreen broj sektora.po traci. Kretanjem iz sredine diska

prema rubu, prolazi se kroz razliite zone, a svaka sadri vie sektora po traci odprethodne, pa se na taj nain rubnoj traci dodjeljuje najvei broj sektora i bolje seiskoritava. Nuspojava je da se podaci bre itaju na vanjskim trakama (koje sadre vie

podataka) nego na unutarnjim, jer se uslijed konstantne kutne brzine u istoj koliinivremena sa njih stigne proitati vie podataka.

Zona Traka u zoni Sektora po traci Brzina prijenosa (Mbits/s)0 624 792 372.01 1,424 780 366.42 1,680 760 357.03 1,616 740 347.6

4 2,752 720 338.25 2,880 680 319.46 1,904 660 310.07 2,384 630 295.98 3,328 600 281.89 4,432 540 253.610 4,528 480 225.511 2,192 440 206.712 1,600 420 197.313 1,168 400 187.914 18,15 370 173.8

Tablica 4. Podaci o zonama za tvrdi disk IBM DeskStar 40GV


21/54


20

Standardne postavke u BIOS-u za IDE/ATA (Integrated Drive Electronics / ATAttachment pogoni s integriranom logikom) tvrde diskove dozvoljavaju odreivanjesamo jedne vrijednosti za stavku sektora po traci. Poto svi moderni diskovi koristeZBR i imaju vie takvih vrijednosti, koriste se logikom geometrijom za postavke uBIOS-u. IDE diskovi do 8,4 GB obino prijave BIOS-u 63 sektora po traci i zatim

interno prevode na stvarnu geometriju. To su sve razlozi radi kojih se diskovi tvornikiformatiraju na niskoj razini (low-level formatting), jer kontroler mora znati sve detaljeoko razliitih zona zapisivanja, sektora po traci za svaku od zona i openitog ustroja.

Uobiajena operacija tokom rada tvrdih diskova je itanje ili zapisivanjeodreenog broja sektora odjednom. Ako pretpostavimo da su sektori obrojeni

pravilnim redoslijedom i elimo proitati 10 sektora, to bi podrazumijevalo itanjeprvog, zatim drugog i tako redom do desetog. No, kod starijih diskova se javljaoproblem kod prelaska sa jednog sektora na drugi, jer se ploe konstantno vrte, a tadanjikontroleri su bili prespori da bi na vrijeme uspjeli pozicionirati glavu na slijedei sektornakon oitavanja. Alternativa ekanju da se ploa okrene za puni krug je koritenje

interleavinga i parametra zvanog faktor interleavinga. Pritom se sektorima logikipreurede redni brojevi na nain da ne odgovaraju njihovom stvarnom redoslijedu. Cilj je

bio postii da razmak izmeu uzastopnih sektora bude dovoljan da se glava stignenamjestiti. Faktor interleavinga se izraava kao omjer N:1, gdje N predstavljameusobnu udaljenost uzastopnih logikih sektora. Pri faktoru 2:1 poredak za 15sektora bi bio 1, 9, 2, 10, 3, 11, 4 , 12, 5, 13, 6, 14, 7, 15, 8, tako da dok ispod glave

prolazi sektor 9 ona ima vremena namjestiti se za itanje/pisanje sektora 2. To je jedanod parametara koji se postavljao tvornikim low-level formatiranjem, a odreivao se

preciznim podeavanjem. Dananji tvrdi diskovi imaju faktor 1:1, jer je procesorskasnaga znaajno porasla i omoguila puno bri rad kontrolera.

Kod prebacivanja glave sa jednog na drugi cilindar javlja se slian problem, kojije rijeenpomakom cilindra. U situaciji kad se proitaju svi sektori jedne trake i eli senastaviti itanje u sljedeoj, potrebno je odreeno vrijeme za prebacivanje glave izmeucilindara. Iz tog razloga, prvi sektor sljedee trake je pomaknut za veliinu izraenu

pomakom cilindra.

U manjoj mjeri se javlja problem pri promjeni glava na istome cilindru. Iako nemafizikog pomaka, kanjenje ipak postoji, pa se zato svaka sljedea ploa u montaizarotira za odreen broj sektora, kako bi se nadoknadio gubitak vremena. To se naziva

pomak glavei vrijednost je uvijek manja odpomaka cilindra.

Slika 17. Pojednostavljeni prikaz pomaka cilindra i glave


22/54


21

2.2.5. Formatiranje i kapacitet

Formatiranje diska se moe predstaviti u tri koraka:

1. Formatiranje niskog nivoa (low level format) u ovom procesu se upisuju

pozicije traka i sektora, kao i kontrolne strukture koje odreuju gdje se nalaze.esto se naziva i istinskim procesom formatiranja. Prvi put se primjenjuje utvornici na nove i iste ploe diska, a ako se primjeni na disk sa zapisanim

podacima, njihov povrat je praktiki nemogu. Na dananjim diskovima nijemogue samostalno obaviti ovaj proces, jer je presloen. Starijim diskovima jeto povremeno bilo potrebno radi pomaka uzrokovanih tada koritenim stepermotorima pokretaa glave.

2.

Particioniranje ovim procesom se disk dijeli u logike dijelove koji supredstavljeni kao zasebni pogoni u operacijskom sustavu.

3. Formatiranje visokog nivoa nakon upisivanja traka i sektora, ovimprocesom upisujemo strukturu file systema koji e upravljati koritenjemdiska. To se svodi na upisivanje master boot recorda (MBR) i alokacijsketablice.U MBR-u se nalaze informacije nune za podizanje sistema sa tvrdogdiska i zapisan je uvijek na prvom sektoru, a formatiranje se obavlja iskljuivonakon particioniranja, makar se koristila samo jedna particija. Ovaj proces jekarakteristian za svaki operativni sistem, jer se kod mnogih razlikujudatoteni sustavi

Unato preciznosti i mjerama opreza tokom proizvodnog procesa, praktiki jenemogue izbjei nesavrenosti magnetskog medija i to se manifestira neitljivimsektorima. Moderni diskovi koriste ECC da bi identificirali pojavu greke, ali ne mogu

pomoi kod nekih fizikih oteenja i sprijeiti koritenje tih dijelova diska. To suobino pojedinani sektori koji ne rade, pa se obiljeavaju kao loi sektori (bad sectors).Da bi se izbjeglo njihovo koritenje i greke koji iz toga proizlaze, vodi se evidencija otome koji su sektori neprikladni za upotrebu. Ako pogon to ne radi sam, za to se brineoperativni sistem. Svaki disk se temeljito ispituje u potrazi za bilo kojim podrujima sa

pogrekama. Svi sektori koji se ine nepouzdani se biljee u posebnu tablicu, a tajproces se naziva defect mapping (mapiranje oteenja). Neki pogoni ne obiljeavajusamo pojedine sektore, vei cijele trake (bad tracks) kao mjeru predostronosti.

Poto bi za proizvodnju savrenih diskova bila potrebna ogromna sredstva,proizvoai radije rezerviraju odreen broj sektora (spare sectoring) kao rezervu pri

pojavi loih sektora. Kad se otkrije lo sektor, oznai se, a svi zapisi se preusmjeravajuna jedan od rezervnih sektora i cijeli je proces krajnjem korisniku neprimjetan i ini sekako moderni diskovi u veini sluajeva nemaju niti jedan lo sektor. Ako se oni ipak

pojave, to je znak veeg problema sa samim tvrdim diskom.

Sve ovo upuuje na razliku u kapacitetu neformatiranog i formatiranog diska. Priformatiranju odreen dio diska zauzmu alokacijska tablica, ECC i ostali radni podaci.Za izraavanje kapaciteta tvrdih diskova se koriste binarne i decimalne jedinice. Radimatematike sluajnosti, 210 (1024) je priblino jednako 103 (1000), pa se koristi istanotacija (kilo-, Mega-, Tera-). Razlika ipak postaje drastina pri izraavanju kapacitetamodernih diskova (koji se mjere u desecima i stotinama GB) pa se ini da dio kapacitetanedostaje, jer operativni sistemi rade na binarnoj bazi, a proizvoai oglaavajukapacitet na decimalnoj.


23/54


22

2.2.6. Specifikacija geometrije IDE/ATA diskova

- Fizika geometrija

Odnosi se na stvaran fiziki broj glava, cilindara i sektora koje disk ima. Na

starijim diskovima je ovo bila jedina geometrija koja se koristila, a u BIOS-u jebila predstavljena CHS zapisom. Bili su jednostavni, imali su par stotina cilindara,nekoliko glava i uvijek isti broj sektora u traci.

- Logika geometrija

Dananji diskovi uslijed koritenja ZBR tehnologije nemaju isti broj sektora usvakoj traci, a uz to koriste i mapiranje oteenja. Njihova geometrija se zato nemoe opisati jednostavnim CHS zapisom, pa se njihove dimenzije izraavajulogikom geometriji, dok je fizika geometrija skrivena unutar kontrolera. Postojei ogranienja u BIOS-u, poput maksimalnih 63 sektora po traci, dok dananjidiskovi imaju i vie od 100 sektora po traci, pa se namee problem ak i bezkoritenja ZBR-a. Logika geometrija u odreenom smislu BIOS-u lanodeklarira karakteristike tvrdog diska, no to ne predstavlja problem u radu.

Specifikacija Fizika geometrija Logika geometrijaGlava za itanje/pisanje 6 16

Cilindara(traka po povrini)

6,810 7,480

Sektora po traci 122 to 232 63Ukupno sektora 7,539,840 7,539,840

Tablica 5. Usporedba fizike i logike geometrije za 3.8GB Quantum Fireball

Iz Tablice 5. je vidljivo kako obje geometrije daju jednak broj sektora kaorezultat, a to je upravo i smisao logike geometrije. Nastojalo se postii da se izBIOS-a omogui itanje cijeloga diska koritenjem parametara unutar njihovihgranica.Problem kompleksne interne geometrije se takoer rijeio potpunom

promjenom naina adresiranja, uvoenjem metode zvane logical block addressing(LBA logiko blok adresiranje), u kojoj se sektorima dodijeljuju redni brojevi

poevi od 0.

Dananji diskovi poprilino premauju barijeru od 8.4GB. Odreena je najveimlogikim parametrima kojima se pristupa standardnim IDE/ATA diskovimakoritenjem uobiajenihInt 13hrutina, a iznose C:1024, H:256 i S:63. Poto ATAstandard ograniava broj glava na 16, prijenos u logiku geometriju poveava brojcilindara, pa parametri prikazani logikom geometrijom iznose C:16383, H:16 iS:63. Iz tog razloga se svim modernim pogonima pristupa koritenjem logikim

blok adresiranjem.

- Pretvorba geometrije u BIOS-u

Pretvorba izmeu logike i fizike geometrije je najnia razina pretvorbe koja seodvija na modernim pogonima i u veini sluajeva potrebne su vie razine

pretvorbe da bi se zaobilo ogranienja starijih konstrukcija. Iz tog razloga,postoji dodatna razina pretvorbe unutar samog BIOS-a ili nekog drugogprograma.


24/54


23

2.2.7. Upravljanje pogrekama i njihovo neutraliziranje

- ECC Error Correcting Code (kd za ispravljanje pogreki)

Osnova svih pretragi za pogrekama i njihovog ispravljanja je u ukljuivanju

suvinih informacija i specijalnog programa i sklopovlja koji e se njima sluiti. Svakisektor tvrdog diska sadri 512 bajta ili 4096 bitova korisnikih podataka. Uz ove bitove,dodaje se odreen broj bitova za provoenje ECC-a. Ovi bitovi ne sadre podatke, veinformacije o njima koje se mogu iskoristiti za rjeavanje bilo kakvih problema koji bimogli nastati pri pristupu stvarnim podacima.

Nekoliko je vrsta ECC-a izumljeno tokom godina, a tip koji se najvie koristi naPC-ovima je algoritam Reed-Solomon.Reed-Solomon kodovi su u irokoj upotrebi uraznim raunalnim i komunikacijskim medijima, ukljuujui magnetsku i optiku

pohranu podataka, modeme velike brzine i kanale za prijenos podataka, a odabrani sujer ih je jednostavnije dekodirati od veine drugih slinih kodova, mogu otkriti i

ispraviti velik broj nedostajuih bitova podataka i zahtijevaju najmanje ECC bitovanaspram broja bitova podataka.

Pri zapisivanju sektora stvaraju se odgovarajui ECC kodovi i spremaju u bitoverezervirane za njih. Kad se sektor ita, oitani korisniki podaci u sprezi sa ECC

bitovima mogu kontroleru rei da li je dolo do greke prilikom itanja. Greke koje semogu popraviti koritenjem ECC poprave se prije proslijeivanja ostatku raunala.Sistem moe primjetiti da su podaci previe oteeni da bi se mogli popraviti i u tomsluaju izbacuje obavijest o greci. Sofisticiran firmware prisutan na svim modernimdiskovima koristi ECC kao dio svojih opih protokola za rukovanje grekama i sve seodvija u letu, bez ikakve korisnike intervencije niti pada sposobnosti sistema.

Firmware predstavlja unutarnji program zaduen za upravljanje diskom, zapisan uEEPROM memoriju, koju je mogue prepisivati, to omoguuje nadogradnje programa,a samim time i mogunosti tvrdog diska.

Uinkovitost Reed-Solomon ECC implementacije ovisi o broju dodatnih bitovarezerviranih za ECC. to ih je vie, vie greaka se tolerira. Dodjela vie bitova posektoru omoguava robusnije otkrivanje i ispravku greaka, ali isto tako znai da semanje sektora moe smjestiti na traku, poto je vie linearne duljine trake zauzetoneinformacijskim bitovima. S druge strane, robusnijom zatitom od greaka dobija se

poveanje povrinske gustoe i neke druge prednosti, koje bi mogle opravdati upotrebuvie ECC bitova. No, sa vie ECC bitova i kontroler mora biti vee procesorske moi,

pa inenjeri pri projektiranju moraju nai razuman odnos izmeu svih ovih faktora.


25/54


24

- Ozbiljnost pogreaka pri itanju i logika rukovanja grekama

Ovo je openit primjer postupaka pri rukovanju grekama:

1. Otkrivanje greaka ECC-om sektor se oita i provodi se proces provjere greaka.Ako ih nema, sektor se proslijedi suelju i oitavanje je uspjeno zavreno.

2.

Popravak greaka ECC-om kontroler pokuava popraviti greku uz pomoECCbitova oitanih iz sektora. Podaci se mogu jako brzo popraviti koritenjem ovihbitova, obino u letu bez ikakva zastoja. U tom sluaju, podaci se poprave ioitanje se smatra uspjenim. Veina proizvoaa smatra ovo dovoljno uobiajenimda to uope ne podrazumijeva kao greku oitavanja. Greka popravljena na ovomnivou se smatra automatski ispravljenom.

3. Automatsko ponavljanje oitanja obino je slijedei korak ekanje da se diskokrene jo jedanput i ponovi se itanje. Ponekad je prva greka izazvana zaostalimmagnetskim poljem, fizikim okom ili nekim drugim neponavljajuim problemomi u tom sluaju drugi pokuaj uspijeva. Ako ne uspije, itanje se moe ponoviti jo

nekoliko puta. Veina kontrolera je programirana da ponavlja itanje sektoraodreen broj puta prije odustajanja. Ovakve greke se smatraju spaenim ilipopravljenim poslije pokuaja.

4.

Napredno ispravljanje pogreaka mnogi e pogoni, pri uzastopnim pokuajimaoitavanja, upotrijebiti naprednije algoritme ispravljanja pogreki koji su sporiji isloeniji od uobiajenih, ali imaju veu uspjenost. Ove greke se smatrajuspaenim nakon viestrukih oitavanja ili spaenim naprednim ispravljanjem.

5. Promaaj ako je sektor i dalje neitljiv, pogon signalizira sistemu greku u itanju.Ovo su stvarne, nepopravljive greke u itanju.

ak i prije potencijalnih problema sa itanjem podataka, pogoni mogu imatiproblema sa nalaenjem trake u kojoj su podaci. Takav se problem naziva problemtraenja (seek error). Pri takvoj pogreci se odvija slina procedura kao i kod greakaitanja. Uobiajeno se napravi nekoliko pokuaja, a ako je traenje i dalje neuspjeno,signalizira se nepopravljiva greka traenja. Ovo se smatra kvarom pogona, poto su

podaci vjerojatno i dalje prisutni, ali ne i dostupni.

Za svaki model tvrdog diska se provodi analiza da bi se utvrdila vjerojatnostdogaanja raznih pogreki, a bazira se na testovima na samom pogonu, statistikojanalizi i povijesti greaka prijanjih modela. Za svaki pogon se dodijeljuju ocjene u vidumogue uestalosti greke.

Ozbiljnost grekeUestalost greaka u najgorem sluaju(broj bitova izmeu pojave greaka)

Automatski ispravljenih nije specificiranoSpaenih greaka 1 milijarda (1 Gb)

Spaenih nakon viestrukih oitavanja(potpuno ispravljanje greaka)

1 bilijun (1,000 Gb)

Nepopravljive greke itanja 100 bilijuna (100,000 Gb)

Tablica 6. Uestalost greaka za Quantum Fireball TM


26/54


25

Za pogone se takoer obino zadaje uestalost pogrenog ispravljanja. To sedogaa ako ECC algoritam nae i ispravi greku, ali pritom i sam poini greku. Ovo jevrlo loa situacija jer se poruka o greki ne bi poslala sistemu, ali je i vrlo rijetka.Uobiajena uestalost ovakve greke je manje od 1 bita na 1021. Znai da se dogaasvakih bilijun oitanih gigabita ili milijun oitavanja 40GB pogona.

- Poruke o grekama i mapiranje oteenja

Mnogi su pogoni dovoljno inteligentni da shvate kako sve nije u redu saodreenim sektorom, ako ga se moe oitati samo nakon ponavljanja. Radi toga e

pogoni obino neto i poduzeti ako moraju vie puta ponavljati oitavanje, a proceduraovisi o dizajnu.

Moderni pogoni podravaju S.M.A.R.T., osobinu koja se brine o pouzdanostipokuavanjem predvianja kvara pogona na osnovi raznih navoda. Pogreke itanja,pretjerani brojevi pokuaja ili problemi pri traenju su vrlo esto ukljueni meuparametre koji navjeuju mogu kvar. Ako se prijeu sigurnosne granice koje suodredili dizajneri pogona, moe se pojaviti upozorenje S.M.A.R.T.-a, koje korisnikugovori da je pogon vjerovatno pokvaren.


27/54


26

2.3. Sposobnosti tvrdog diska, kvaliteta i pouzdanost

Iako su ispoetka smatrani samo prostorom za pohranu podataka, zadnjih godinase uvidjela njihova vanost za ukupne sposobnosti PC sistema. Unatonapretku u brzinii dalje su usko grlo svakog sistema, poprilino zaostajui za sposobnostima grafikihkartica, CPU-a ili matinih ploa.

Pod sposobnostima se misli na sposobnost prijenosa podataka iz ili na disk kojegmjerimo. Dva su zasebna dijela prijenosa, kod zapisivanja podaci se moraju dobaviti izsistema i zatim zapisati u tone sektore na disku. Kod oitavanja proces je obrnut,

podaci se oitavaju sa diska i zatim alju sistemu.

Rezultati sposobnosti diska koje su posljedica njegove strukture i dizajna sesmatraju unutarnjim sposobnostima, a one koje su posljedica ostatka sistema vanjskim

sposobnostima. U svakom sistemu usko grlo se nalazi ili u disku ili unutar ostatka

sistema (suelje, sistemska sabirnica, CPU, pogonski programi, datote

ni sustav), anajee nije oboje.

2.3.1 RAID

Jedan od pokuaja unaprijeenja mogunosti tvrdog diska je RAID (viestrukapolja jeftinih diskova RedundantArrays of Inexpensive Drives). Osnovni princip sesvodi na upotrebu viestrukih tvrdih diskova koji se unutar polja ponaaju kao jedanvei i bri disk. Postoji vie naina za provoenje ovog principa ovisno o potrebama, ali

u svakom sluaju upotreba viestrukih pogona rezultira napretkom u kapacitetu, brzini,sigurnosti podataka. Nekad je RAID bio rezerviran iskljuivo za primjene u vrhunskom

poslovanju, uslijed visokih cijena potrebnog sklopovlja. Posljednjih se godina situacijapromijenila i nedavnim pojavljivanjem jeftinih RAID kontrolera, omoguilo sepovezivanje pristupanih IDE/ATA diskova u polja.

Prednosti RAID-a se oituju u vioj sigurnosti podataka (kroz primjenuredundancije, veina RAID razina osim razine 0 omoguuju zatitu podatakaspremljenih u polju, to znai da podaci u polju mogu pretrpjeti kvar jednog ili ponekadi vie diskova bez ikakvih gubitaka), toleranciji na pogreke, kapacitetu poveanom

povezivanjem (spajanje vie pogona u polje rezultira zbrajanjem njihovih pojedinanihkapaciteta, umanjenih za manji dio koji oduzima redundancija) i unaprijeenim

mogunostima (RAID sistemi omoguuju nadilaenje mehanikih ogranienjaiskoritavanjem prednosti viestrukih tvrdih diskova).


28/54


27

3. SUELJA ZA SPAJANJE TVRDIH DISKOVA

Suelje koje disk koristi za spajanje na ostatak sistema je vano kao ikarakteristike samoga diska. Kao komunikacijski kanal kojim protiu podaci, moe

predstavljati vaan faktor koji ograniava sposobnosti sistema. Sva suelja nepodravaju iste ureaje, pa se izbor radi ovisno o namjeni. Cijena je takoernezanemariv faktor, pa je IDE/ATA suelje puno popularnije za kuna raunala odskupljeg, ali i prilagoenijeg zahtjevnim situacijama, SCSI-a.

Rani diskovi nisu imali nikakvu logiku integriranu iznutra, veih je kontroliralavanjska jedinica, to je bio sluaj sa ST-506/ST-412 sueljem, prvim dizajniranim zaPC u tvrtki Seagate 1980. godine, a za spajanje su se koristila 2 plosnata kabela, 20-

pinski za prijenos podataka i 34-pinski za prijenos kontrolnih signala. Rani su kontroleribili jako openite namjene i nisu se mogli optimizirati za rad sa pojedinim modelima.Napredak je nastupio definiranjem standarda ESDI (Enhanced Small Device Interface),

kojeg je donijela grupa proizvoaa tvrdih diskova predvoena tvrtkom Maxtor. Diofunkcija kontrolera je prebaen na sm tvrdi disk, iako je glavnina ipak funkcija ostalana kontroleru. Rasprostranjenost s kraja 80-ih godina je izgubio pojavom dvajustandarda: IDE/ATA i SCSI.

U novije vrijeme se, uzrokovan sve veim zahtjevima po mogunosti, pojavionovi standard, nazvan serial ATA (serijski ATA) ili skraeno SATA. Njegovimuvoenjem se sve ee IDE/ATA standard nazivaparallel ATA(paralelni ATA), da bise naglasila razlika meu njima. Donosi brojne prednosti, a razlikuje se samo u slojusklopovlja, tako da mu nije potrebna posebna programska podrka.

3.1 IDE / ATA (parallel ATA)

IDE je najee suelje PC tvrde diskove, to u prijevodu znai pogon sintegriranom elektronikom (Integrated Drive Electronics) i tim se nazivom eljelonaglasiti kako se razlikuje od uobiajenih vanjskih kontrolera u vremenu nastajanja.Iako i dalje u upotrebi, danas je taj naziv pravilnije zamijeniti skraenicom ATA, u

prijevodu AT prikljuak (AT Attachment), gdje se AT odnosi na nekad aktualnuarhitekturu PC-a.

Sve ee se uz ovu tehnologiju vezuje pridjev paralelni, to se odnosi na nainfunkcioniranja, gdje istodobno nekoliko ila prenosi podatke.


29/54


28

3.1.1. IDE/ATA protokoli i naini prijenosa

- Programmed I/O (PIO)

Programirani I/O je najstariji nain prijenosa podataka IDE/ATA sueljem.Sistemski procesor izvrava naredbe koje prenose podatke prema ili sa pogona i, uz

pomono sklopovlje, izravno upravljaju prijenosom podataka izmeu tvrdog diska isistema. Postoji nekoliko brzina programskog I/O prijenosa, koji se zovu PIO naini

prijenosa(PIO modes). Sredinom 1990-ih predstavljao je jedini nain na koji su sistemipristupali IDE/ATA diskovima.

PIO naine definira vrijeme ciklusa, koje je izraeno brojem nanosekunda tokomkojeg se odvije jedan transfer.

PIO nain(Mode)

Vrijeme ciklusa(nanosekunde)

Maksimalni prijenos(MB/s)

Standard unutar kojeg je definiran

Mode 0 600 3.3 ATAMode 1 383 5.2 ATAMode 2 240 8.3 ATAMode 3 180 11.1 ATA-2Mode 4 120 16.7 ATA-2

Tablica 15. Usporedba razliitih naina PIO prijenosa

Ova tehnologija je pogodna za spore ureaje poput tipkovnice ili modema, no zatvrde diskove, kod kojih se trai velika brzina prijenosa, nije dobro rjeenje. Zauzeevremena glavnog procesora je potrebno pri svakom itanju/zapisivanju, a to vrijemezauzea raste sa porastom koliine podataka za prijenos.

PIO naini ne zahtijevaju nikakve posebne pogonske programe, poto je podrkaza njih ugraena u sistemski BIOS. Danas slue samo kao rezervni nain prijenosa usluaju problema sa novijim prijenosima.


30/54


29

- Direct Memory Access (DMA)

Ovaj protokol je ispravio najveu manu PIO-a, a to je zauzee glavnog procesora.Direktan pristup memoriji je upravo princip na kojem se DMA zasniva, a ujedno je i

openit naziv za protokole prijenosa podataka gdje se sistemski procesor ne koristi zaprijenos podataka prema i iz memorije. Uobiajeno je bio u upotrebi u suelju disketnihjedinica i kod zvunih kartica. Definirano je nekoliko naina DMA prijenosa, a dijele seu dvije skupine, od koje je prva single word(jedna rije= dva bajta), to se odnosi nainjenicu da se pri svakom prijenosu prebace 2 bajta.

DMA Nain(Mode)

Vrijeme ciklusa(nanosekundi)


Standard pod kojimje definiran

Single WordMode 0

960 2.1 ATA

Single WordMode 1

480 4.2 ATA

Single WordMode 2

240 8.3 ATA

Tablica 16. Usporedba single word DMA naina

Ubrzo su ovi naini bili zamijenjeni multiword inaicama, kod kojih se u brzomslijedu u jednom ciklusu prenese vie rijei, pritom ostvarujui utedu na overheadukoji bi inae bio potreban pri slanju zasebnih rijei.

DMA Nain(Mode)



Standard podkojim je definiran

MultiwordMode 0

480 4.2 ATA

MultiwordMode 1

150 13.3 ATA-2

MultiwordMode 2

120 16.7 ATA-2

Tablica 17. Usporedba multiword DMA naina

Poto su multiwordprijenosi uinkovitiji, single wordna

ini su ubrzo naputeninakon ireg prihvaanja ATA-2 standarda. Dananji diskovi ne koriste DMA kontrolere,

kako se to radilo u poecima, vesami kontroliraju transfer prema memoriji i iz nje. Tose naziva bus mastering (upravljanje sabirnicom), jer tvrdi disk sam upravlja

prijenosom podataka, oslobaajui glavni procesor i rjeavajui se ovisnosti o vanjskomkontroleru. Ipak, upravljanje sabirnicom se nije nametnulo sve do pojave UDMAstandarda, jer unatooslobaanju procesora, nije nudilo znaajno ubrzanje u odnosu naPIO mode 4, koji je bio daleko jednostavniji za implementaciju.


31/54


30

- Ultra DMA (UDMA)

U stalnim nastojanjima da dizajniraju bra suelja, inenjeri su se nali predzaprekom u vidu plosnatog kabela koji se koristio za povezivanje, a bio je poetno

dizajniran za brzine prijenosa do 5 MB/s. Ubrzavanje suelja skraivanjem ciklusa jeizazivalo probleme poput preklapanja signala, pa se pristupilo unaprijeenjuuinkovitosti samog suelja. Kao rezultat su stvoreni novi tipovi DMA prijenosa, podnazivom Ultra DMA.

Kljuna tehnoloka inovacija koja se predstavila u Ultra DMA standardu jedvostruko prijelazno uzorkovanje. Prije Ultra DMA se jedan transfer odvijao svakimciklusom potaknut porastom sinusoide uzorkovanja, dok se u Ultra DMA podaci

prenose potaknuti i porastom i padom sinusoide uzorkovanja. Ovo je uz neke dodatneprepravke omoguilo dvostruku propusnost podataka.

Da bi se zatitila cjelovitost podataka kod breg prijenosa, Ultra DMA uvodi i

upotrebu CRC (ciklina redundancijska provjera) kodova u suelje. Ureaj koji aljepodatke se slui CRC algoritmima da izrauna redundantne informacije svakog blokapodataka koji se alje preko suelja. Primatelj radi isti CRC izraun i usporeujerezultat sa redundantnim informacijama koje su stigle zajedno sa podacima. Ako seutvrdi neslaganje, znai da su se podaci pri prijenosu otetili. Pri veoj uestalosti CRC

pogreaka, moe se pretpostaviti da je uzrok problema u sklopovlju pa se ureaj moeprebaciti u sporiji Ultra DMA nain, a po potrebi ak i u PIO nain.

UltraDMANain (Mode)



Standard pod kojimje definiran

Mode 0 240 16.7 ATA/ATAPI-4Mode 1 160 25.0 ATA/ATAPI-4Mode 2 120 33.3 ATA/ATAPI-4Mode 3 90 44.4 ATA/ATAPI-5Mode 4 60 66.7 ATA/ATAPI-5Mode 5 40 100.0 ATA/ATAPI-6Mode 6 30 133.3 ATA/ATAPI-7

Tablica 18. Usporedba Ultra DMA naina

ak i uz prednosti double transition clocking metode, mogunosti starog 40-ilnog standardnog IDE kabela su premaene brzinama prijenosa iznad 33 MB/s. Za

puno iskoritenje Ultra DMA Mode 3 i dalje je potreban poseban 80-ilni kabel, kojiima i dalje 40 ila kojima se provodi signal, no ima i dodatnih 40 ila koje slue kaooklop i tako smanjuju utjecaj interferencija signala.

Slika 18. Usporedba 40 i 80-ilnih IDE kabela


32/54


31

- 16-bitni i 32-bitni pristup

32-bitni pristup postoji kao opcija u pojedinim verzijama BIOS-a, iako su sviprijenosi preko IDE/ATA suelja 16-bitni. Poto su moderne sabirnice 32-bitne, slanjem

16-bitne rijei koristi se samo polovica propusnosti, pa ova opcija omoguuje slanjedvije 16-bitne rijei odjednom, ega je posljedica mali porast sposobnosti.

- Block mode

Block mode(blok nain) je unaprijeenje sposobnosti koje omoguuje grupiranjevie naredbi za itanje i pisanje preko IDE/ATA suelja, tako da se obave tokom jednog

prekidnog zahtjeva (interrupt). Prekidni zahtjevi se koriste za oznaavanje trenutka kadsu podaci spremni za prijenos sa tvrdog diska i u tom momentu se nakratko procesor

prekida u izvravanju drugih zadaa. Noviji pogoni uz odgovarajui BIOS omoguujuprijenos 16 ili 32 sektora unutar istog prekidnog zahtjeva. Poto se tako procesor rjeeprekida u radu, sposobnosti rastu, a prenosi se vie podataka za isti broj naredbi.


33/54


32

3.1.2 . Zvanini IDE/ATA standardi i njihove osobine

- ATA (ATA-1)

Odreeno je koritenje jednog IDE kanala u raunalu, kojeg dijele dva ureaja, s

postavkama na master islave.

- PIO naini: 0, 1, 2

- DMA naini: 0, 1, 2, multiword 0

- U ovoj specifikaciji ne podrava se spajanje ijednog ureaja osim tvrdogdiska.

- ATA-2

Uz sve to je podravao standard ATA-1, dodane su sljedee osobine:

-

PIO naini: 3, 4

- DMA naini: multiword 1, multiword 2

- Omogueni su block mode i LBA naini prijenosa, a dodana je i naredbaidentify drive (identificiraj pogon) kojom se omoguuje komunikacija satvrdim diskom i iitavanje njegove geometrije i karakteristika.

- ATA-3

Ovaj standard predstavlja manju reviziju ATA-2 standarda, a donosi sljedea

poboljanja:- poveana pouzdanost ovo se odnosi na bre naine prijenosa, koji bi mogli

imati problema uslijed koritenja kabela slabije propusnosti, koji su tada biliaktualni

- Self-MonitoringAnalysis andReporting Technology (S.M.A.R.T.)

- Sigurnosna osobina ATA-3 definira sigurnosni nain rada, koji omoguujezatitu pogona lozinkom

Iako se ponekad kao dio ovoga standarda spominje i PIO nain 5, on je zapravopredloen od strane nekoliko proizvoaa kontrolera i postoji u nekim verzijama BIOS-

a, ali nikad nije zaivio niti postao dijelom nekog od definiranih standarda.


34/54


33

- SFF-8020 / ATA Packet Interface (ATAPI)

IDE/ATA suelje je izvorno bilo dizajnirano samo za rad sa tvrdim diskovima.CDROM-ovi i ureaji na traku su koristili suelja esto ugraena na zvune kartice,sporo i nespretno suelje floppy diska ili SCSI. Ranih 1990ih su se uvidjele prednosti

jednostavnog, brzog i standardiziranog IDE/ATA suelja i za druge ureaje osim tvrdihdiskova. Namjera nije bila konkurirati SCSI suelju, vepojednostavniti spajanje drugihureaja za pohranu podataka na raunalo.

Pokazalo da radi strukture naredbi ATA suelja to nije jednostavan zadatak. Raditoga je stvoren poseban protokol koji je nazvan AT Attachment Packet Interface(paketno suelje AT prikljuka) ili skraenoATAPI. Ovaj standard se koristi za spajanjeoptikih i ureaja na traku, kao i prijenosnih pogona. Omoguilo se spajanjestandardnim IDE kabelom inae koritenim za tvrde diskove i postavljanje na masterili

slave, kao i kod tvrdih diskova.

ATAPI protokol iznutra uope nije jednak setu naredbi po obinom ATAstandardu koji su koristili tvrdi diskovi. Samo ime paketno suelje dolazi od injeniceda se ATAPI ureajima naredbe alju grupirane u pakete. Openito, ATAPI je dostasloenije suelje od ATA i u nekim stvarima podsjea vie na SCSI.

Za komunikaciju sa ATAPI ureajima se koristi poseban pogonski program, kojise mora uitati u memoriju prije rada. Dananji operativni sustavi iznutra podravajuATAPI i uitavaju vlastite pogonske programe. Sam prijenos podataka koristiuobiajene PIO ili DMA naine i sa stanovita korisnika nema nikakve razlike u radu uodnosu na tvrde diskove, pa se sa ATAPI CDROM-ova moe ak podignuti i sistem.

-ATA/ATAPI-4

Standard koji je ukljuio ATAPI je upravo ATA-4, a osim toga donosi sljedeapoboljanja i novine:

- Ultra DMA naini definirani su brzi UDMA naini 0, 1 i 2

- IDE kabel visokih sposobnosti uveden je novi kabel sa 80 ila, koji smanjujeinterferencije pri visokim brzinama

- CRC osobina koja je zaduena za cjelovitost podataka

- nove naprednije naredbe

- izbacivanje starijih i nepotrebnih naredbi

Prava novina su UDMA naini prijenosa, iako 0 i 1 nisu zaivjeli meuproizvoaima diskova, nain 2 jest, uslijed injenice da je dvostruko bri od dotadanajbreg naina prijenosa.


35/54


34

- ATA/ATAPI-5

- novi UDMA naini definirani su bri UDMA naini 3 i 4, sa brzinamaprijenosa od 44.4 i 66.7 MB/s

- obavezna upotreba 80-ilnog kabela uz ovo je definirana i metoda kojom

sistem moe odrediti njegovu prisutnost i tako omoguiti ili onemoguiti brenaine prijenosa

- razne promjene naredbi

- ATA/ATAPI-6

- UDMA nain 5 definirana je brzina prijenosa od 100 MB/s

- proirenje LBA stalan porast kapaciteta diskova je uvjetovao poveanjeirine LBA naina sa 28 bita (najvei kapacitet 137 GB po disku) na 48 bita.

-

acoustic management (kontrola buke) ovim se omoguuje programskojpodrci da kontrolira brzinu pristupa tvrdog diska, ijim sniavanjem se

osjetno smanjuje razina buke

- rukovanje zvunim i slikovnim tokovima podataka dodane su i naredbe kojeomoguuju bre rukovanje ovakvim sadrajem

- ATA/ATAPI-7

- UDMA nain 6 - definirana je brzina prijenosa od 133 MB/s


36/54


35

3.1.3. IDE/ATA podeavanje i kabliranje

Pod pojmom kontroler se obino misli na kontroler suelja (interfacecontroller), koji posreduje izmeu tvrdog diska i ostatka sistema i upravlja tokom

podataka preko IDE/ATA kanala. Pod kanal se podrazumijeva put kojim se kreupodaci preko suelja. Svaki kanal je sposoban za komunikaciju sa do dva ureaja. Iakoje 2 uobiajen broj kanala u raunalu, teoretski je mogue podesiti i koristiti do 4 ili ivie razliitih kanala IDE/ATA suelja.

KanalZauzeti

IRQKoriteneI/O adrese

Popularnost i podrka

Primarni 141F0-1F7h i3F6-3F7h

U upotrebi u svim Pcovimakoji koriste IDE/ATA

Sekundarni 15 (10)170-177h i376-377h

Prisutan na svim modernim PCovima;obino slui za optike ATAPI pogone

Tercijarni 11 (12)1E8-1EFh i3EE-3EFh

Neuobiajen, moe imati problemasa programskom podrkom

Kvartarni 10 ili 11168-16Fh i36E-36Fh

Vrlo rijetko u upotrebi, moe imatiproblema sa programskom podrkom

Tablica 18. Zauzea resursa IDE/ATA kanala

Da bi ureaji na pojedinom IDE/ATA kanalu znali kojem je upuena nekanaredba, uvedeno je oznaavanje kao ureaj 0 (master) i ureaj 1 (slave). Razlike uradu nema, osim to se sa slave ureaja ne moe podizati sistem. Poloaj ureaja na

kanalu se odreuje kratkospojnicima na samom ureaju ili upotrebom cable select(odabir pomou kabela) tehnike, kod koje se poloaj odreuje prema konektoru

posebnog 40-ilnog ili obinog 80-ilnog kabela na koji je ureaj spojen. Kod posebnog40-ilnog kabela za to je zaduena ila 28, koja nosi CSELsignal. Na masterkonektoru

je ila uzemljena, dok naslavenije. Ureaji to prepoznaju kao 0 i 1 i shodno tome samisebi dodjeljuju poloaj na kanalu. Na 80-ilnom kabelu master konektor se nalazi nakraju, aslavena sredini kabela.

Sposobnost da master islavena istom kanalu rade u razliitim nainima prijenosapodataka se naziva independent device timing.U sluaju da kontroler ne podrava ovuopciju, brzina na kanalu se prilagouje sporijem ureaju i na taj nain se rue

sposobnosti breg ureaja.


37/54


36

3.2. SATA (serial ATA)

Paralelni ATA je postao standardno suelje za spajanje ureaja za pohranupodataka jo od njegove pojave osamdesetih godina. Razlozi lee u niskim trokovima,univerzalnoj podrci za razne operativne sustave i dobar dizajn koji omoguuje

proirivanje specifikacije radi napretka u sposobnostima, a da se ne gubi kompatibilnostprema starijim verzijama. Tako je postignut napredak u brzini prijenosa od poetnih 3MB/s do dananjih 133 MB/s. No, s vremenom se pokazalo da ipak postoje odreeni

problemi u dizajnu:

- visok broj pinova paralelni ATA zahtijeva 26 pinova po kanalu, to na dvakanala iznosi 56, uz dodatne pinove za napajanje i uzemljenje

- visok napon paralelni ATA zahtijeva radni napon od 5V, to nameeprobleme povezivanja sa novim dizajnima i ipovima veeg stupnja

integracije- problemi s kabelima 80-ilni kabel potreban za paralelni ATA je relativno

skup i nezgodan za smjetanje unutar kuita PC-a, jer plosnati iroki kabelsmeta protoku zraka i hlaenju.

- problemi sa sposobnostima podizanje brzine prijenosa zahtijeva dodatnatehnika unaprijeenja

- preklapanje jaina je proporcionalna brzini promjene u struji i jakosti spregeizmeu strujnih petlji. Javlja se kod paralelnih ila kabela

- skok uzemljenja javlja se pri povlaenju vee snage nego to kondenzatori

mogu osigurati, pa se pad napona moe protumaiti kao prijelazni bit

Prednosti serijskog ATA suelja:

- zahtijeva nizak napon potreban napon iznosi 500mV, koji odgovarapovezivanju sa novim dizajnima i ipovima veeg stupnja integracije. Raditoga takoer predstavlja pogodnost za koritenje u prijenosnim raunalima

- mali broj pinova oslobaa se prostor na matinoj ploi i omoguujepouzdanije spajanje

- visoka integracija svojim niskim zahtijevima na radni napon ne predstavlja

zapreku novijim dizajnima i ipovima- programska kompatibilnost promjene koje uvodi serijski ATA odnose se

iskljuivo na fiziki sloj

- vea maksimalna duina kabela kod par. ATA najvea doputena duina jeoko 45cm, dok kod ser. ATA to iznosi 1m

- bolje uzemljenje vodljive ile su uzemljene oklopom koji se nalazi oko njih,ime se maksimalno reducira crosstalk

Za razliku od paralelnog ATA, serijski ATA nema zasebni signal koji bi davaoclock (ritam). Umjesto toga, clock je usaen unutar samog toka podataka. Kad se ne

alju podaci, prenosi se uzorak 101010 tako da se oba ureaja mogu uskladiti.


38/54


37

Ser. ATA uvodi i toka prema toki (point-to-point) nain spajanja ureaja,kojim se nadilazi dijeljenje sabirnice master/slavenainom spajanja kod par. ATA i zanjega vezane probleme koji bi se mogli pojaviti.

- Razine rada SATA standarda

Na fizikoj razini podatkovna veza se ostvaruje dvjema jednosmjernim paricama.Prijenos podataka se ostvaruje tzv. LVDS metodom (low voltage differentialsignalling). LVDS je sistem elektrine signalizacije koji postie visoke brzine na

jeftinim bakrenim paricama. Predstavljen 1994., postao je osnova za vrlo brze raunalnemree i raunalne sabirnice. Slui se razlikama izmeu dvaju razliitih prenesenihnapona kako bi se oitao poslani signal. Predajnik alje malu struju reda veliine3.5mA, koja zatim na prijemnoj strani prolazi kroz otpornik od 100 do 120 (otporausklaenog s karakteristinom impedancijom vodia) i zatim se drugim vodiem vraau suprotnom smjeru. Iz Ohmovog zakona proizlazi da je razlika napona na otpornikuoko 350mV. Prijemnik oitava usmjerenost napona, te sukladno tome odreuje logikurazinu signala. Ovaj nain prijenosa signala naziva se strujna petlja.

Nizak napon u radu od oko 1.25V omoguava koritenje LVDS-a u irokomspektru sklopova napajanih niskim naponom do 2.5V. Malena razlika napona od oko350mV ima za posljedicu nisku potronju energije, to je uz veliku brzinu prijenosa

podataka velika prednost u odnosu na druge sisteme.

Podaci se prenose 8B/10B enkodiranjem, takoer koritenim kod etherneta, fibrechannela te PCI Express suelja. Radi se o pretvaranju 8-bitnih podataka u 10-bitnesimbole, kako bi se postigao ujednaen broj 0 i 1 u dva preneena simbola i izbjeglonizanje 0 i 1 u pojedinom simbolu. Za posljedicu imamo smanjenje uma, toomoguuje velike brzine slanja podataka.

Donjih 5 bitova se pretvaraju u grupu od 6 bitova, a gornjih 3 u grupu od 4 bita.Definirani su i kontrolni simboli, koji umjesto podataka prenose naredbu ili obavijestsklopovlju. Sve vezano za enkodiranje se obavlja na razini sklopovlja, tako da za

programsku razinu nema nikakvih promjena ni prilagodbi. Korisniki podaci uprijenosu ovakvim enkodiranjem iznose 80% ukupnog toka podataka, preostalih 20%osigurava siguran prijenos podataka, a takoer ini poseban clocksignal nepotrebnim.

Iznad fizike su spojna i prijenosna razina. U njima se podaci pretvaraju udiskretne poredane pakete za prijenos SATA vezom. Na programskoj razini SATAnasljeuje nain rada ATA suelja, a sve ostale dodatne mogunosti (poput RAID-a)nisu vezane za SATA standard, veovise o proizvoau i u radu operativnog sustava su

potrebni posebni pogonski programi za normalan rad.

Definiran je i Serial-ATA II standard, kojim se uvode poboljanja Serial ATA1.0 standarda. Deklarirana je brzina prijenosa od 300 MB/s, a u daljnjimspecifikacijama ije se uvoenje oekuje oko 2007. i 600 MB/s. Takoer se razvija iserijska verzija paralelnog SCSI prikljuka. Serial-Attached SCSI(SAS) se dizajnira zaokruenja koja zahtijevaju visoku sposobnost i pouzdanost, a podravali bi se i SAS iSATA pogoni.


39/54


38

- NCQ (Native Command Queueing)

U slobodnom prijevodu upravljanje redoslijedom komandi, NCQ je tehnologijazamiljena da pobolja mogunosti SATA diskova omoguujui svakom tvrdom diskuda primi vie od jedne naredbe odjednom pa da sam odlui o prioritetu izvravanja.Koristei detaljna saznanja o vlastitim vremenima traenja i poloajima tokom rotacije

pogon moe izraunati najuinkovitiji redoslijed izvravanja naredbi. Ovo moeumanjiti nepotrebno traenje tj. pomicanje glava, to za posljedicu ima poveanjeuinkovitosti kod radnih uvjeta sa veim brojem istodobnih zahtjeva zaitanje/zapisivanje (najee kod programa posluiteljskog tipa), uz smanjeno troenjesamoga pogona i smanjen utroak energije. Dok uvelike pomae kod brojnih istodobnihnaredbi koje pogon prima, kod jednostrukih naredbi brzina malo opada, ali razlikanikada nije velika, za razliku od TCQ tehnologije koja je bila u potpunosti orijentiranana velik broj istodobnih zahtjeva.

NCQ je drugi pokuaj uvoenja TCQ (Tagged Command Queueing redoslijedoznaenih naredbi) kod ATA pogona. TCQ je razvijen za SCSI pogone, gdje je u

irokoj uporabi, a prvi pokuaj dodavanja tih mogunosti ATA diskovima je bionespretno rijeen i nije zaivio. Zato je potpuno novom rjeenju za SATA diskove datonovo ime, NCQ.

Da bi se NCQ koristio mora ga osim samog pogona podravati i SATA kontroler.Kod nekih sustava baziranih na Intelovim rjeenjima najprije treba omoguiti podrkuza AHCI (Advanced Host Controller Interface) u BIOS-u raunala, uz instalacijudodatnih pogonskih programa u operativnom sustavu. AHCI je hardverski mehanizamkoji omoguuje programskoj podrci komunikaciju sa SATA ureajima.


40/54


39

4. DATOTENI SUSTAVI

Svi datoteni sustavi obavljaju iste temeljne funkcije, kojima se eli postiiinteligentna organizacija podataka i uinkovita kontrola pristupa, kao i samih podataka.Iz tog razloga, unato unutarnjim razlikama u arhitekturi i strukturi, neki operativnisustavi podravaju nekoliko razliitih datotenih sustava, a da krajnji korisnik ne

primjeuje razliku.

4.1. Struktura zapisa u datotenom sustavu

4.1.1. Clusteri (alokacijske jedinice)

Najmanja jedinica kojoj na tvrdom disku moe pristupiti bilo koji program jesektor veliine 512 bajta. Unato tome, za zapisivanje datoteka se ipak koriste vee

jedinice koje se zovu cluster i sadravaju odreen broj sektora. Razlog lei uprevelikom broju sektora koje bi trebalo adresirati (na 2GB disku je vie od 4 milijunasektora), a to odnosi previe vremena i resursa. Veliina samog clustera je odreenaveliinom particije diska. Dok veliina clustera za tvrde diskove varira izmeu 4 i 64sektora, na floppy disketama su manji, u nekim sluajevima i do jednog sektora.

Odreivanje veliine sektora ima direktan utjecaj na sposobnosti i iskoritenostdiska. Kod veih clustera se pojavljuje problem slack ili mrtvog prostora. Problem seodnosi na neiskoritene sektore prilikom zapisivanja veeg broja datoteka manjih odveliine clustera ili onih koje iskoritavaju manji dio sektora posljednjeg clustera. Potose mogu adresirati samo cijeli clusteri, taj gubitak rezultira neiskoristivim sektorima, a

izraen je npr. kod web servera.

4.1.2. Ulanavanje i alokacija clustera koritenjem FAT-a

U datotenu alokacijsku tablicu (FileAllocation Table) se zapisuje koji su clusteridodijeljeni kojim datotekama, a takoer i prati koji su clusteri slobodni za koritenje.Svaki zapis o pojedinom clusteru sadri vrijednost koja opisuje kako se koristi, arazliiti kodovi predstavljaju sva mogua stanja clustera.

Svaki cluster koriten pri zapisu neke datoteke ima u svom zapisu u FAT-u brojslijedeeg clustera kojeg datoteka koristi. Posljednji cluster datoteke je oznaen

posebnim kodom. Ovakvo povezivanje se naziva ulanavanje i odnosi se na svedatoteke koje koriste vie od jednog clustera. Uz oznaku posljednjeg clustera datoteke,zapis u FAT-u moe sadravati oznake za slobodan cluster ili lo cluster (u kojem je

pronaen neispravan sektor).

Radi ove osobine nije nuno da se datoteka zapisuje u clustere koji slijede jedaniza drugog. To je ipak poeljno, jer inae dolazi do fragmentacije ili rascjepkanostizapisa na disku, to usporava itanje i zapisivanje datoteka, jer su ovisno o stupnjufragmentacije mogui veliki pomaci glave za itanje/pisanje.


41/54


40

4.2. Osobine FAT datotenih sustava

- FAT16

FAT predstavlja jednu od osnovnih struktura koju ovaj datoteni sustav koristi.Slui se 16-bitnim brojevima za oznaavanje clustera, pa je ogranien na maksimalnuveliinu particije od 2 GB. Za imena datoteka je dozvoljeno do 8 znakova, uz jo 3znaka koji predstavljaju nastavak datoteke (ekstenziju) odijeljen tokom. U imenu ilinastavku se ne smiju nalaziti slijedei rezervirani znakovi: / \ ; : | = ^ * ? .

Podravaju ga svi Microsoftovi operativni sustavi.

- FAT32

Predstavlja evoluciju FAT 16 operativnog sustava, prvenstveno zbog pomicanja

granice kapaciteta. Teoretski podrava particije do 2 TB, to ipak nije stvarnoiskoristivo, jer bi prostor dodijeljen FAT-u narastao i preko 256MB, to bi usporilo radsamog diska. Koriste se manji clusteri nego kod FAT16, to smanjuje veliinu mrtvog

prostora. Korijenski folder na FAT32 particiji je lanac clustera, pa se moe nalaziti bilogdje.

Pojavio se predstavljanjem Windows 95 OSR2, a podravaju ga i svi kasnijiMicrosoftovi operativni sustavi.


42/54


41

4.3. NTFS

NTFS je stvoren da bi ponudio sposobnosti i pouzdanost koju FAT sistemi nisuimali, pogotovo na velikim tvrdim diskovima. Ukljuene su sigurnosne opcije potrebneza posluiteljska raunala, kao i za ona od kojih se trae visoke sposobnosti. Takoer je

podrana kontrola vlasnitva nad i pristupa podacima, ime se osigurava njihovacjelovitost, a za svaku datoteku je mogue definirati dozvole pristupa.

Formatiranje NTFS datotenim sustavom stvara nekoliko sistemskih zapisa imaster file table (MFT - glavna tablica zapisa), koja sadri podatke o svim datotekama imapama. Prvi podatak na NTFS particiji je boot sektor particije, koji poinje od sektora0 i moe biti dug do 16 sektora, a iza njega slijedi MFT.

Slika 19. Dijagram strukture formatirane NTFS particije

Veliina clusterase kod NTFS-a odreuje prema slijedeoj tablici:

Veliina particije Veliina clustera (bajta) Broj sektorado 512 MB 512 1

513 1024 MB (1 GB) 1024 (1 kB) 2

1025 2048 MB (2GB) 2048 (2 kB) 4

2049 MB i vie 4096 (4 kB) 8

Takoer je mogue pri formatiranju runo odrediti veliinu clusterau rasponu od512 bajta do 64 kB.

4.3.1. Boot sektor NTFS particije

Pomak bajta Duljina polja Ime polja0x00 3 bajta naredba Jump

0x03 LONGLONG OEM ID

0x0B 25 bajta BPB0x24 48 bajta Extended BPB

0x54 426 bajta Bootstrap Code

0x01FE WORD Oznaka zavretka sektora

Tablica 20. Boot sektor

Podaci u extended BPB omoguuju Ntldr-u (NT loader program) da nae MFTprilikom pokretanja sistema. Kod NTFS-a se ne nalazi na predodreenom mjestu, kaokod FAT 16 ili FAT 32 sistema i radi ove osobine je mogunjegov premjetaj ako seutvrdi postojanje loeg sektora na njegovom uobiajenom mjestu. Ako se MFT ne moe

pronai uslijed pokvarenih podataka, Windows

diplomski hdd

Documents