CHARAKTERISTIKY PEVNÉHO DISKU A ŘADIČE 1 Vlastnosti a parametry disku a řadiče počet hlav disku, válců a sektorů na stopu mechanismus pohybu hlavy - krokovací motorek nebo vychylovací cívka rychlost vystavení diskové mechaniky rysy jako prekompenzace zápisu a redukovaný záznamový proud rozhraní mezi diskem a řadičem způsob záznamu faktor prokládání (dnes se již neuplatňuje) 1.1 Mechanické provedení pevného disku Rovnocennost pojmů: pevné disky - hard disky - disky typu Winchester - winčestry Hlavní mechanické díly: - záznamové vrstvy (disky) - čtecí/zápisové hlavy - vystavovací mechanismus - rameno, pohon Velikost disku: 5,25", 3,5" Geometrie: válce, hlavy, záznamové vrstvy, stopy a sektory, sektor = 512B Pružný disk jeden disk - dvě záznamové vrstvy - dvě hlavy záznamová vrstva = 40/80 soustředných stop stopa = 9/17 sektorů, sektor = 512B Pevné disky, zásadní změna geometrie: více záznamových vrstev, více sektorů (min. 17), více stop, stejná kapacita sektoru - 512B Příklady z historie: 1/ FDD 5,25", 360kB, 2 povrchy (2 hlavy), kapacita stopy - 9 sektorů x 0,5kB = 4,5kB kapacita 1 záznamové vrstvy = 180kB kapacita 1 disku = 360kB 2/ HDD používaný u PC XT 4 povrchy, 305 stop/povrch, 17 sektorů/stopu 0,5kB/sektor 4 x 305 x 17 x 0,5kB = 10 370kB 17 sektorů/stopu - záznam metodou (kódování) MFM 26 a více sektorů/stopu - kódování RLL 1 1.2 Rychlost HDD z hlediska přístupu k informacím vybavovací doba... doba potřebná pro nalezení dat doba vystavení... pohyb vystavovacího mechanismu - závisí silně na vzdálenosti mezi stopami - průměrná doba vystavení - doba potřebná pro překonání jedné třetiny disku Doba vystavení u starších typů disků: typ HDD doba vystavení [ms] vystavovací mechanismus Toshiba 3100, 10MB 175 krokovací motor Seagate ST225, 20 MB 75 krokovací motor Rodime 33 MB 57 krokovací motor Priam 33 MB 22 cívka Maxtor 140 MB 19 cívka Parametry disků jaro 1996: doba vystavení kolem 10-15 ms Současný stav: kapacity 100 GB, doba vystavení < 10 ms. čekací doba (rotační zpoždění)... polovina otáčky disku Rotační zpoždění rychlost otáčení - 3600ot/min => polovina otáčky (rotační zpoždění) = 8,33 ms vybavovací doba = doba vystavení + rotační zpoždění 1.3 Řadiče HDD Řadič HDD - prvek mezi sběrnicí počítače a diskem - PC XT - karta, která se zasouvá do jednoho ze slotů základní desky (rozšiřovací pozice sběrnice), řadič byl součástí této karty (řadič MFM) - PC AT - přesun funkcí řadiče do disku, CPU komunikovala s řadičem (diskem) přes I/O kartu, která pouze přenáší signály sběrnice do řadiče (disk a AT busem). - Součástí I/O karty byl také řadič FDD 5,25", 3,5", řadič sériového a 2 paralelních portů - deska byla označována jako I/O karta. - Dnes jsou všechna tato rozhraní integrována do základní desky. - Řadič komunikuje na jednu stranu se základní deskou, na druhou stranu s HDD. Řadiče HDD jsou identifikovány těmito charakteristikami: - typem XT nebo AT - kódováním řadiče (metodou záznamu dat) - FM, MFM, RLL - rozhraním - ST506, ESDI, IDE (ATA), EIDE (FAST ATA), SCSI - rychlostí rozhraní, - jaké prokládání řadič zvládal (dnes už bez problémů) 2 1.4 Metody záznamu Možnosti zvyšování kapacity diskové paměti: - zvyšováním kvality záznamové vrstvy (fyzikální principy), - hledáním nových metod záznamu s menším počtem změn magnetizace/jednotku délky 1.4.1 Obvody zápisu dat na disk Kódovací obvod (encoder) - slučuje synchronizaci a data do jednoho signálu reprezentujícího zaznamenávaný průběh. data synchronizace K O zaznamenávaný signál Obr. 1 Funkce kódovacího obvodu Obr. 2 Princip záznamu FM Princip záznamu FM - Dvojí synchronizační pulsy - datové a vlastní synchronizace (vůči sobě posunuty o polovinu periody), synchronizační puls vždy, datový pouze při záznamu "1". - Nevýhoda: v každém bitovém intervalu alespoň jedna změna magnetizace => při daných vlastnostech záznamové vrstvy není možno zvyšovat hustotu záznamu. - Metoda záznamu FM je metoda, která se u HD nepoužívala (zde uvedena pouze z ilustrativních důvodů). 3 Obr. 3 Kódovací obvod pro záznam FM - Nejlepší vzorek z hlediska kmitočtu zaznamenávaného signálu: samé "0" - Nejhorší vzorek - samé "1", pak 2x vyšší kmitočet záznamu než při záznamu samých "0". - Tomuto obvodu je předřazen tzv. serializér, který transformuje paralelní data na sériovou formu. - Jde o posuvný registr s možností paralelního vkládání dat a jejich následné serializace. 4

Obr. 5 Multiplexer jako serializér - Adresové bity A0 - A3 adresují jednotlivé bity 8 bitové slabiky, na výstupu multiplexeru jsou serializovaná data. - Na tento obvod pak navazuje kódovací obvod. 1.4.2 Obvody pro čtení dat z disku Dekódovací obvod (datový separátor) - z posloupnosti pulsů získané při čtení z disku (každé změně magnetizace odpovídá jeden puls indukovaný v Č/Z hlavě) odvozuje dva průběhy - hodiny a data. Ne pro všechny metody záznamu platí, že ze snímaného průběhu je možno obojí odvodit. Obr. 4 Serializér čtený signál D O data synchronizace Obr. 6 Funkce dekódovacího obvodu Na tento obvod pak navazuje tzv. deserializér, který sériová data transformuje do paralelní formy. SERializér i DESerializér mohou být sloučeny do jednoho prvku zvaného SERDES. 5 6 Obr. 7 Deserializér Princip záznamu MFM - Dvojí synchronizační pulsy - datové a vlastní synchronizace (vůči sobě posunuty o polovinu periody) - datový puls při záznamu "1", synchronizační puls pouze tehdy, když jsou zaznamenávány dvě "0". Obr. 8 Princip záznamu MFM - celkem 5 změn magnetizace (polovina oproti FM) => za daných vlastností záznamové vrstvy je možno zvýšit hustotu záznamu 2x - nevýhoda: existují bitové intervaly bez změny magnetizace => ze snímaného průběhu není možno v těchto bitových intervalech odvodit synchronizační impuls => pro generování synchronizačního signálu nutno použít specielní techniky. 7 Princip RLL (Run Length Limited) - V těchto kodech se převádějí tzv. binární vzory na RLL obrazy, obrazy jsou sice delší (co do počtu "0" a "1"), obsahují ale menší počet "1". - Každý bitový řetězec můžeme rozložit na posloupnost dvou, tří nebo čtyřbitových vzorů. - Pro každý vzor existuje RLL obraz končící dvěma či třemi "0" a začínající žádnou až čtyřmi "0" => jakákoliv kombinace vzorů se takto zobrazí jako bitová posloupnost obsahující mezi dvěma následujícími "1" od dvou do sedmi "0" - odtud označení této varianty RLL kódu jako RLL 2,7. - Nejkratší vzdálenost dvou po sobě jdoucích reverzací magnetizace je tedy 2, nejdelší 7 => to umožňuje při daných fyzikálních vlastnostech záznamové vrstvy zvýšit hustotu záznamu 2x. 8

- Nevýhoda: složitý mechanismus pro oddělení synchronizační a datové informace => složitější konstrukce řadiče RLL (datový separátor - deserializér). Obr. 9 Předpis pro kódování RLL - Příklad: 11000011 se překóduje podle tohoto předpisu na 1000000100001000 - Základní myšlenka zvyšování hustoty záznamu (kapacity) - hledání takových způsobů záznamů, které dokáží zaznamenat data s menším průměrným počtem změn magnetizace. - Nevýhoda - složitější řadič. 1.4.3 Umístění kódovacího a dekódovacího obvodu Řadič MFM - oba obvody byly součástí řadiče, což nebylo technicky dobré řešení, protože čtený i zaznamenávaný signál mají vysoký kmitočet, takže byla snaha umístit oba obvody co nejblíže č/z hlav Disky IDE i SCSI - oba obvody jsou součástí disku (tzn. blíže č/z hlav) - platí doposud. 1.5 Vývoj typů rozhraní disků 1.5.1 Rozhraní ST506/412 - Filozofie řízení obdobná jako u diskety - disk je bez vlastní inteligence a k práci vyžaduje podporu řadiče. 9 obr. 10 Rozhraní ST506/412 - Kabely datový kabel - 20 signálů řídící kabel - 34 signálů přenos dat - sériově mezi HDD a ŘJ, kódovací i dekódovací obvod jsou jsou součástí řadiče Rozdíl mezi variantami 506 a 412 Disky 412 mají jinou možnost řízení přesunu vystavovacího mechanismu - možnost odeslat do disku požadovaný počet kroků vystavovacího mechanismu formou posloupnosti pulsů, vystavení pak probíhá autonomně, konec hlášen signálem SEEK COMPLETE. Popis signálů rozhraní: 10 -SC (vstup) - SEEK COMPLETE, hlášení z mechaniky, že skončilo vystavení a hlavy jsou ustáleny. -TK000 (vstup) - TRACK 000, indikace polohy vystavovacího mechanismu na vnější stopě. -WF (vstup) - WRITE FAULT, hlášení z mechaniky, že diskovou operaci není možno pro chybu dokončit -INDEX (vstup) - počátek stopy -READY (vstup) DRIVE READY, motor diskové jednotky dosáhl jmenovitých otáček -DSELECTED (vstup) - indikace vybrané mechaniky -RWC (výstup) - REDUCED WRITE CURRENT, zápis sníženým proudem -HS(0-2) (výstup) - adresa hlavy (povrchu) -STEP (výstup) - proveď krok vystavovacího mechanismu -DIRIN (výstup) - DIRECTION IN, signál určuje směr kroku vystavovacího mechanismu -DS(0-1) (výstup) - DRIVE SELECT, výběr mechaniky MFMRD READ DATA (vstup) - data čtená z disku MFMRD WRITE DATA (výstup) - data zapisovaná na disk -WG (výstup) (Write Gate) zápis dat na disk Shrnutí: Výstupní signály - adresová informace (kromě adresy stopy), - řízení pohybu vystavovacího mechanismu, - zapisovaná data (data + synchronizace) Vstupní signály - informace o stavu disku Důležité: dekódovací obvod je součástí řadiče => signál o vysokém kmitočtu (neoddělená data a hodiny) se přenáší do řadiče a tam se teprve provádí separace, nevýhodné z hlediska možného vzniku poruch a zvyšování kmitočtu záznamu. Malá schopnost řadiče provádět autonomní činnosti => nízká úroveň řízení řadičem, projevuje se např. na způsobu řízení vystavení. Posloupnost činností na rozhraní ST506: Obr. 11 2. krok (obr. 12): Řadič vysílá příkaz k vyhledání válce 100 tím, že generuje patřičný počet pulsů. Obr. 12 3. krok (obr. 13): Vyhledání je skončeno, SEEK COMPLETE. Řadič adresuje hlavu a dává příkaz ke čtení. Obr. 13 4. krok (obr. 14): Do řadiče se přenáší čtený signál a v řadiči se odděluje synchronizační signál od datových pulsů. Přečtená data se zkontrolují na správnost. Pokud data nejsou v pořádku, generuje řadič nový požadavek na čtení. 1. krok (obr. 11): CPU vysílá příkaz ke čtení informace ze sektoru 1, hlavy 2 válce 100. Řadič rozdělí vykonání příkazu na tyto činnosti: Obr. 14 11 12

5. krok (obr. 15): Přečtená data se přenášejí po sběrnici do CPU. Obr. 15 1.5.2 Rozhraní ESDI (Enhanced Small Device Interface) Rozdíl oproti ST506/412 - mechanika disku obsahuje kódovací obvod i datový separátor, tzn. funkce zakódování a separace dat je přesunuta z řadiče na disk => možnost zvyšovat kmitočet záznamu. Nejčastější metoda záznamu - RLL 2,7. Popis signálů rozhraní: -SC (vstup) - SEEK COMPLETE, hlášení z mechaniky, že skončilo vystavení a hlavy jsou ustáleny -TK000 (vstup) - TRACK 000, indikace polohy vystavovacího mechanismu na vnější stopě -WF (vstup) - WRITE FAULT, hlášení z mechaniky, že diskovou operaci není možno pro chybu dokončit -INDEX (vstup) - počátek stopy -READY (vstup) - DRIVE READY, motor diskové jednotky dosáhl jmenovitých otáček -DSELECTED (vstup) - indikace vybrané mechaniky -HS(0-2) (výstup) - adresa hlavy (povrchu) -STEP (výstup) - proveď krok vystavovacího mechanismu -DIRIN (výstup) - DIRECTION IN, signál určuje směr kroku vystavovacího mechanismu -DS(0-1) (výstup) - DRIVE SELECT, výběr mechaniky -WG (výstup) - zápis dat na disk -HS3/-RWCR (výstup) - HEAD SELECT 3, jeden z bitů adresy hlavy. Při méně než 16 površích má signál význam RWC-RWC výstup REDUCED WRITE CURRENT -ADDRESS MARK (vstup) - ADDRESS MARK ENABLE, příznak adresové značky. WC (výstup) - WRITE CLOCK, hodiny zápisu WRITE DATA (výstup) - data zapisovaná na disk -COMCOMPD (vstup) - COMMAND COMPLETE, indikace ukončení provádění příkazu R/RC (vstup) - READ/REFERENCE CLOCK, hodiny pro synchronizaci čtení READ DATA (vstup) - data čtená z disku 13 1.5.3 Rozhraní IDE Základní odlišnost od ST506 - nepoužívá oddělený disk a řadič, řadič je součástí disku => vysoká šumová odolnost čtených resp. zapisovaných dat => nízká pravděpodobnost vzniku náhodné chyby. Řadič IDE (Integrated Drive Electronics) je se sběrnicí počítače propojen pouze jednoduchou průchozí deskou pro signály sběrnice do řadiče IDE, o discích s řadičem IDE se proto mluví také jako o discích s AT BUSem. Popis signálů rozhraní IDE -RESET (vstup) - nulování, odvozeno od signálu RESET na sběrnici DD0 - DD15 (obousměrné signály) - odpovídá signálům SD0-SD15 sběrnice ISA DMARQ (výstup) - odpovídá signálům DRQx sběrnice ISA (žádosti o DMA) -DIOW (vstup) - odpovídá signálu IOW sběrnice ISA -DIOR(vstup) - odpovídá signálu IOR sběrnice ISA IORDY (výstup) - odpovídá signálu IOCHRDY sběrnice ISA -DMACK (vstup) - odpovídá signálu DACKx sběrnice ISA, (potvrzení žádosti o DMA) INTRQ (výstup) - odpovídá signálu IRQ14 sběrnice ISA -IOCS16 (výstup) - odpovídá signálu IOCS16 sběrnice ISA DA0-DA2 (vstup) - odpovídá signálu SA0-SA2 sběrnice ISA SPSYNC (obousměrný mezi diskovými jednotkami; synchronizace rychlosti otáčení více připojených disků -PDIAG (obousměrný) mezi diskovými jednotkami; informace o úspěšně provedeném diagnostickém testu -CSF1X,-CSF3X (vstup) - výběr diskové jednotky -DASP (výstup) - informace pro nadřízenou jednotku, že existuje i podřízená Důležité: signály řadiče IDE jsou odvozeny od signálů AT BUSu!!! 14 - Specializovaná vnější sběrnice pro připojení inteligentních periferních zařízení. - Inteligence, která je specifická pro konkrétní periferní zařízení, je vložena do řadiče tohoto zařízení. - Schopnost autonomní činnosti na vysoké úrovni, snaha o nezávislost počítače na typu periferie => komunikace CPU s řadičem periferní jednotky pomocí standardních příkazů nezávislých na typu periferie. - SCSI je rozhraní systémové úrovně (není to rozhraní konstruované pro konkrétní PZ) => ovladače pro různá zařízení se od sebe příliš neliší => jednodušší psaní ovladačů. - Počítač je se zařízením SCSI spojen přes SCSI adaptér (host adapter). - Odlišnost od klasického pojmu řadič. Ten je v klasické konfiguraci napojen přímo na počítač a je buď součástí systémové desky nebo PZ. - V konfiguraci podle obr. 17 je SCSI adaptér initiator (iniciátor) zasunut do sběrnice počítače jako samostatná deska, přes sběrnici komunikuje s řadičem (jehož nedílnou součástí je rovněž SCSI adaptér, protože řadič jako celek musí být schopen komunikovat na sběrnici SCSI). - Řadič je tzv. target (cíl). - Na něj pak navazuje řadič PZ Obr. 16 Struktura rozhraní IDE Připojení dvou diskových jednotek - MASTER, SLAVE. Adaptér IDE - průchozí deska zasunutá do sběrnice PC zajišťující průchod signálů sběrnice do řadiče IDE, je součástí I/O karty. Mezi adaptérem a řadičem (diskem) - kabel o 40 vodičích. Jiná možnost připojení disku s AT BUSem - přes konektor na základní desce. 1.5.4 Rozhraní SCSI (Small Computer Systems Interface) Toto rozhraní zavedla firma Macintosh - uznávaným standardem se stalo poté, co je začala používat firma IBM. Charakteristika: - SCSI je V/V podsystém nezávislý na zařízení => k počítači je možné přes tuto sběrnici připojovat funkčně zcela rozdílná zařízení (pevné disky, páskové jednotky, CD ROM, tiskárny, scannery,...). 15 Obr. 17 SCSI adaptér a řadič SCSI 16

Pevné disky - větší počet otáček/s, více sektorů na stopě => vyšší rychlost přenosu dat. Tak by tomu bylo při faktoru prokládání 1 : 1. Obr. 17 Prokládání 1 : 1 - pevný disk má sektory v číselném pořádku. Požadovaná rychlost přenosu: 0,5 kb/sektor x 17 sektorů/otáčku x 60 otáček/s => rychlost přenosu 510 kb/s - takovou rychlost většina dřívějších konstrukcí řadičů (XT a první typy AT) nezvládne. Obr. 18 Princip využití LUN Příkazy SCSI Příkazy jsou posílány z iniciátoru do cíle. Do cíle se posílá příkaz, z něj se do iniciátoru vrací stav. Struktura příkazu: Task identifier (identifikátor úkolu): Sestává z identifikace iniciátoru, cíle a příp. LUN (logických jednotek). Command Descriptor Block Obsahuje příkaz SCSI. Ukončení příkazu Po skončení příkazu posílá cíl do iniciátoru tzv. Status byte, který informuje o tom, jak byla ukončena periferní operace. 1.6 Rychlost přenosu a faktor prokládání Faktor prokládání určuje rychlost, jakou je možné data přečtená z disku přenést do počítače. Přístup k datům na disketě 9 sektorů, 5 otáček/s: 0,5 kb/sektor x 9 sektorů/otáčku x 5 otáček/s => rychlost přenosu 22,5 kb/s - data je možné bez problémů přenášet do počítače. 17 Činnosti, které je nutno při čtení stopy realizovat: 1. DOS a BIOS generují požadavek na čtení sektoru. 2. Řadič generuje požadavek na vystavení na požadovanou stopu, výběr hlavy a přečtení sektoru. 3. Čtou se data a přenášejí se do řadiče. 4. Řadič kontroluje, zda byla data přečtena bezchybně. Pokud ano, začnou se přenášet do počítače. 5. DOS generuje požadavek na přečtení dalšího sektoru. Disk se mezitím ale otáčel, pokud by předcházející manipulace s daty trvala příliš dlouho, dojde s velkou pravděpodobností k přeběhu. Důsledek: Při faktoru prokládání 1:1 se nemusí dařit přenášet sektory požadovanou rychlostí => za jednu otáčku se přečte pouze jeden sektor, za 1 minutu 60 sektorů - rychlost přenosu pouze 30 kb => snaha rozložit uspořádání sektorů na stopě tak, aby řadič měl možnost "připravit" se na následující sektor. Např. na PC XT bylo prokládání 1:6. 18 Obr. 18 Prokládání 1 : 6 Výsledek: za jednu otáčku se přečtou 3 sektory => změnou faktoru prokládání z 1:1 na hodnotu 1:6 se rychlost přenosu zvýší 3x (během jedné otáčky se přečtou 3 sektory oproti původnímu jednomu). Prokládání 1:3 => v průběhu otáčky se může přečíst 6 sektorů (360 sektorů/s). Obr. 19 Prokládání 1 : 3 PC XT - zvládá prokládání 1:6. PC AT - prokládání 1:3, jsou však schopny zvládnout i 1:2. Současný stav: zásadně prokládání 1 : 1, platí to pro řadiče IDE a SCSI. 19