Praktická cvičení- teoretická průprava

Transkript

1 Praktická cvičení- teoretická průprava Struktura počítače odvozená z IBM compatible : Blokové schéma a vrstvový model, OS, účel a základní princip funkce, HW PC- zdroje, Základní deska, členění CPU, Typy pamětí (podpůrné paměti a operační paměť), Velkokapacitní jednotky- FDD a HDD, BIOS- jeho služby, funkce CMOS, OP- módy CPU a práce s ní. Klíčové pojmy: IDE, SCSI, Ultra ATA, SATA, ATAPI, LLF, HLF, ECC, gap, ZBR, ECHS, LBA, INT13. Kapitola č. 5 HW PC- IDE zařízení a FDD Jsou to většinou velkokapacitní média pro dlouhodobější odkládání dat nebo jejich přenos (výměnná média). Základní požadavky na ně kladené jsou: spolehlivost a dlouhodobá životnost, mnohonásobná přepisovatelnost, velká kapacita, přenositelnost, příznivá cena a dostatečná rychlost. Historie Historicky lze datovat vývoj již roku velikost disků byla okolo 24 a kapacita asi 5MB. Čtecí hlavičky se původně dotýkaly povrchu disku, ale protože to ovlivňovalo spolehlivost celého disku, přešlo se revoluční změnou k tzv. plovoucím čtecím hlavám, které se vznáší na vzduchovém polštáři nad povrchem disku. Prvním zlomem k masovému nasazení HDD byla v roce 1980 velikost 5,25 a disky fy Seagate (ST MB, ST MB). Další byla velikost disku 3,5 v roce 1983 fy Rodime RO352 s kapacitou 10MB. Další zlom byly v roce 1988 disky 2,5 a 3,5 s nízkým profilem 1, který se stal základem moderních disků stolních a přenosných PC současnosti. Poslední výrazný zlom byla implementace IDE a rozhraní SCSI u HDD v letech Datum: Kapitola 5/ Obor V3.x strana 1/ ze 5

2 Typy IDE Současná moderní zařízení jsou již vybavena vlastním BIOSem (IDE- Integrated Drive Electronics) a jsou připojena prostřednictvím AT sběrnice (16b) (ATA- AT attachment). Moderní disky umožňují přenos dat v šířce 32b (tzv. Fast) nebo blokový přenos dat prostřednictvím rychlého DMA kanálu (tzv. Ultra) a jsou vybaveny vlastní pamětí disk Cache. V případě potřeby připojení mnoha disků k jednomu PC a vyšší rychlosti se používá rozhraní SCSI pro celkem až 15 HDD. V poslední době se začíná objevovat nový způsob připojení prostřednictvím rozhraní SATA (Serial ATA), která zvyšuje spolehlivost komunikace se základní deskou a snižuje cenu propojovacích kabelů. CD-ROM/RW/RAM pracují s optickými záznamovými médii a jsou připojena prostřednictvím stejného rozhraní, jako HDD, které ovšem musí splňovat doporučení ATAPI, tj. jeho možnost programovatelnosti. Jsou připojeny stejně, jako HDD 40 žilovým kabelem. FDD Krátká historie V počátcích vývoje diskových paměťových médií se oddělila samostatná vývojová větev výměnných disků, tzv. Winchester. Širší komerční nasazení doznala média velikosti 8 a s kapacitou 128/256kB. Větší rozšíření nastalo u médií o velikosti 5,25 a s kapacitou již 600kB až 1,2MB. Současné nejhojněji používané jednotky mají velikost 3,5 a kapacitu 720kB až 1,44MB. Tato paměťová jednotka nemá vlastní IDE a je proto připojena na řadič, který je součástí elektroniky základní desky (Super I/O chip), a to 32 žilovým kabelem. Z tohoto důvodu je možné provádět LLF (Low Level Formating) pouze na těchto médiích. Fyzická struktura HDD Záznamové médium je ve tvaru disku z tvrzeného organického skla, na něž je oboustranně nanesena aktivní magneticky tvrdá vrstva magnetického materiálu. Tato tzv. plotna je z obou stran sevřena čtecími a zapisovacími hlavičkami, které se nedotýkají povrchu, ale vznáší se na tenkém vzduchovém polštáři vybuzeném rotací plotny. Rychlost ploten je 7200 až ot/min. Celkový počet ploten bývá maximálně 3(4) a počet čtecích hlaviček je dvojnásobný. Data jsou uchovávána v soustředných stopách (track) po každé straně plotny, každá stopa je rozdělena na jednotlivé datové úseky- sektory, které mají stejnou délku 512B. Tato tzv. nízkoúrovňová struktura uchování dat je u IDE zařízení již vytvořena výrobcem tzv. procesem LLF (Low Level Formating). Uživatelsky ji lze nahradit tzv. zero fill formátem, který provádí pouze zápis 0 do každého sektoru, čímž je možné uvést disk do stavu téměř jako od výrobce. Datum: Kapitola 5/ Obor V3.x strana 2/ ze 5

3 LLF Po bezprostřední výrobě je plotna zcela bez struktury, která by umožňovala ukládání dat. Je potřeba provést tzv. nízkoúrovňové formátování (LLF), které vytváří na plotnách potřebnou strukturu stop a sektorů, do nichž budou data následně ukládána. Tento proces obnáší do jednotlivých soustředných stop záznam následného datového řetězce: ID informace synchro DATA (512B) ECC Výplň (gap) ID informace- obsahují číslo sektoru a stavové informace o sektoru (označení vadného sektoru nebo mapování) Synchro- využívá řadič k řízení čtecího procesu Data- aktuální data sektoru ECC- opravný kód k zajištění integrity dat Výplň- několik oddělovačů pro nastavení čtení dalšího sektoru Zvyšování kapacity Z důvodu zvýšení kapacity se používá: technika tzv. zónového záznamu ZBR, tj. zápisu rozdílného počtu sektorů/stopu v určitých částech disku (zónách). Původní standardní počet sektorů na každé stopě býval 17, ale protože vnější stopy jsou delší, než vnitřní, měly i rozdílnou hustotu záznamu. ZBR využívá techniky rozdělení stop do skupin (zón), kde každá má různý počet sektorů. To vedlo k efektivnějšímu využití prostoru a současně i k proměnné rychlosti toku dat při čtení nebo záznamu. No- ID Format, kdy se vypouští ID informace. Ty jsou nahrazeny obsahem v paměti, která obsahuje celou mapu disku, tj. včetně označení vadných a relokovaných. Číslo 1. sektoru se odvozuje od synchro značky servomotoru. Tím lze dosáhnout zvýšení kapacity asi o 10%. Partitioning (dělení) Logické dělení disku na části, která se chovají jako rozdílné diskové svazky (volume). To již souvisí s konkrétními OS a bude popsáno dále. HLF Poslední krok, tzv. vyšší úroveň formátování, kdy se připravuje a definuje logická struktura disku pro práci FS konkrétního OS. Většinou se vytváří MBR (boot sektor pro zavádění OS), FAT tabulka (alokační mapa obsazených sektorů daty) a DIR (adresářový prostor svazku). Fyzická a logická geometrie HDD Souvisí s konkrétním umístěním dat (sektoru) na disku. U starších disků fyzický počet snímacích hlav, stop (cylindrů) a sektorů odpovídá i parametrům systémového BIOSu. Každý disk je jednoznačně charakterizován třemi veličinami: Datum: Kapitola 5/ Obor V3.x strana 3/ ze 5

4 CHS C- počet cylindrů (stop) na disku H- počet snímacích hlav disku a S- počet sektorů na stopě. Je to metoda adresování dat na velkokapacitním médiu. Tato metoda vznikla v době, kdy velikost disků byla tak malá, že i jeho adresace odrážela fyzickou geometrii. Avšak s vývojem disků (IDE, ZBR a zvyšováním kapacity) tato metoda již nemohla odrážet strukturu fyzickou, ale prováděla se logická adresace, kdy přepočet z logické na fyzickou geometrii prováděl řadič disku. Adresace Fyzická geometrie Logická geometrie C H 6 16 S 122 až Celkem S 7,539,840 7,539,840 OS BIOS Služba INT13 BIOS HDD IDE/ATA HDD řadič Fyzické plotny Pro práci OS s HDD slouží služba INT13 BIOSu, jejíž rozhraní CHS dovoluje přenos následujících parametrů: C H- 256 S- 63 = 2 (10+8+6) = 8GB Specifikace rozhraní IDE/ATA však dovoluje následující maximální parametry a tedy i adresovatelnou kapacitu HDD: C- 65,536 H- 16 S- 256 = 2 (16+4+8) = 128GB Z toho je evidentní rozdílnost obou rozhraní, která je způsobena historicky, protože ATA vzniklo později v souvislosti s integrací řadičů na disky (IDE). Omezení starších BIOSů CHS matice, kterou používá BIOS, je ukládána do CMOS paměti (3B) jako parametry disku. První omezení způsoboval samotný BIOS, který byl programován původně na přímý přenos parametrů služby INT13 do HDD. Proto logické hodnoty CHS musí splňovat maximální možné hodnoty parametrů CHS obou rozhraní. Z toho plyne, že adresovatelný prostor byl omezen na: C- 1,024 H- 16 S- 63 = 2 (10+4+6) = 0,5GB Pro překonání tohoto omezení se používala u novějších BIOSů metoda translace, která je známa jako ECHS. Datum: Kapitola 5/ Obor V3.x strana 4/ ze 5

5 ECHS Je to metoda nazývaná jako extended CHS translace, která překonává omezení C tak, že dělí počet C/2 a následně násobí počet H*2. Tato metoda je omezena možnostmi služby BIOS (INT13), která klade omezení na: C H- 256 S- 63 = 2 (10+8+6) = 8GB ECHS translační metoda však vkládá omezení na velikost disku 4GB, protože tato translace umožňuje použít pouze H=255 (ne 256). Pro překonání se dále používá metoda LBA assist. LBA assist Logical Block Allocation je translační metoda novějších BIOSů, která umožňuje adresovat disky s kapacitou do 8GB, tj. s omezením daným pouze službou INT13. Pracuje tak, že CHS parametry z HDD (pro účely uložení v CMOS): vynásobí mezi sebou (C*H*S) vydělí 63, výsledkem je W W následně vydělí 1024 a rozhodne o parametru H, který by měl být 2 4, 2 5, 2 6, 2 7, (uspoří se 4b v paměti CMOS) zvolí H blíže k vyšší hodnotě a tou hodnotou vydělí W, výsledek zaokrouhlí dolů. LBA vždy nastaví počet sektorů na 63 INT13 Extensions K překonání bariéry INT13 je navrhován nový typ rozhraní. To namísto původních 24b pro adresovací info používá 64b, což umožňuje používat adresaci 2 40 x většího prostoru HDD. Je zřejmé, že to vyžaduje i spolupráci dalších komponent, jako je BIOS nebo OS. Přímý přístup přes BIOS HDD Řeší omezení daná INT13 BIOS, kdy opouští metodu CHS a řeší ji jinou metodou adresace na bázi LBA. Je to samozřejmě podmíněno podporou ze strany řadiče HDD. LBA Je to metoda, která umožňuje překonat známé bariéry rozhraní ATA a BIOSu (INT13). Je však podmíněna podporou IDE disku i BIOSu, avšak přes novější rozhraní INT13 Extensions. Porovnání metod Rozhraní Standardní CHS Extended ECHS LBA Fyzické plotny/ide PG PG PG IDE/BIOS LG LG LBA BIOS/OS (INT13) LG TG (LBA assist) TG (LBA) PG- fyzická geometrie, LG- logická geometrie, TG- translační geometrie, Datum: Kapitola 5/ Obor V3.x strana 5/ ze 5