Computer-Systeme. Teil 8: Platten

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1 Computer-Systeme Teil 8: Platten Verbesserte Version Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten

2 Übersicht Prinzip der magnetischen Platten Wechselplatten Festplatten Solid State Disks Magneto-Optische Platten Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 2

3 Das Prinzip der magnetischen Platten Geöffnet ohne Gehäuse Siehe: Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 3

4 Spuren, Sektoren und Oberflächen Spur (Track) Spur Max Spur 0 Oberfläche (Surface) Block, Sektor Die Spuren (track) werden von Außen nach Innen von 0 an durchnummeriert. Die Sektoren (sector) innerhalb einer Spur werden von einer Markierung ab nummeriert. Analog gilt dies für Oberflächen (surface). Ein Sektor wird daher mit drei Zahlen eindeutig identifiziert: Oberflächennummer, Spurnummer, Sektornummer Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 4

5 Formatieren Durch Low-Level-Formatieren wird eine feste Struktur bestehend aus leeren Rahmen innerhalb konzentrischer Kreise auf das Medium gebracht. Jeder dieser Rahmen definiert einen Block. Dort sind in jeder Spur (Track) Kennzeichnungen des Beginns, Synchronisationsbits, Lücken (Gap) sowie Angaben über die Identifizierung der Sektoren enthalten. Bei der High-Level-Formatierung wird ein leeres Dateisystem in die leeren Rahmen/Blöcke der Low-Level-Formatierung geschrieben. Filesystem = Dateisystem = Komplexe Datenstruktur zur Verwaltung und Ablage von Dateien (Files) Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 5

6 Low Level Format (Prinzip) Sektor GAP Preambel Header Nutzdaten CRC GAP Preambel Header Kennung zum Sektorbeginn Informationen über Track, Sektor Checksum Lücke zwischen Sektoren Dateisystem High Level Formatierung Sektor/Block-Struktur Physikalische Codierung Rahmen Low Level Formatierung Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 6

7 Erläuterungen I Es werden Bereiche zur Synchronisation zwischen geschriebenen Bits und der Leseelektronik eingefügt. Synchronisation = Zeitliche Abstimmung (in Gleichtakt kommen) von unabhängigen Funktionseinheiten CRC = Cyclic Redundancy Check (Prüfsumme) Idee der Prüfsummen: Es wird eine mathematische Funktion über alle Bits eines Blocks an Informationen berechnet. Diese Funktion ist so geschickt gewählt, dass sie einen anderen Wert liefert, wenn auch nur wenige Unterschiede an den Informationen vorhanden sind. Beim Schreiben eines Sektors wird der CRC berechnet und geschrieben. Bei jedem Lesen wird er erneut berechnet und mit dem vorher geschriebenen verglichen. Bei Gleichheit: alles ok, sonst Lesefehler. Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 7

8 Logische Sektoren (Blöcke) Blöcke = Per Software werden alle Sektoren über die ganze Platte nummeriert und als Blöcke bezeichnet. Block = logischer Sektor Physikalischer Sektor Logischer Sektor Kopf Spur Sektor Block Kopfbezeichnung entspricht Oberflächenbezeichnung Siehe auch: Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 8

9 Wechselmedien - Beispiel ZIP (veraltet) 1994: Vorstellung der ZIP-"Diskette" von IOMEGA Marketing: "ZIP-Diskette sollte die Diskette ablösen" 3 1/2 "-Wechselmedium mit 100 MByte oder 250 MByte Schnittstellen zu den externen Gerät: SCSI USB Parallel-Schnittstelle Marktführer bei Wechselmedien dieser Größe: 30 Mio. Geräte und 180 Mio. Medien (1999) Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 9

10 ZIP-Medien Dies ist die 100 MByte-Variante - es gibt noch eine mit 250 MByte. Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 10

11 JAZZ Medien (1 GByte) - Geschichte Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 11

12 SyQuest (88MByte) - Geschichte Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 12

13 Festplatten Heutige Technik: Winchester-Platte Name eines IBM-Projekts 1973, Platte ist der Name des berühmten Winchester-Gewehrs Fast luftdicht verpacktes Gehäuse (Schlitz zum Luftdruckausgleich mit Staubfilter) Größen 1 1/8 ", 2 1/2 ", 3 1/2 ", 5 1/4 " Basiert auf dem vorgestellten Prinzip: Mehrere Scheiben (1 bis 11...) Platten aus Aluminium mit magnetischer Beschichtung Schnelle Rotation (3.000 bis U/Min.) Kürzere Zugriffszeit 6-12ms Kein Wechselmedium (daher "fest") [das war früher nicht so] Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 13

14 Alte Platten vor der "Winch" Aus Aus Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 14

15 Festplatte Aktuator Geöffnet ohne Gehäuse Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 15

16 Platte - Erläuterungen Aktuator = Kammartiger Arm mit Schreib-/Lese-Köpfen an den Enden, der im schrägen Winkel zum Mittelpunkt der Platte mit einem Linearmotor auf die richtige Spur bewegt wird. Schreib-/Leseköpfe schweben auf Luftkissen sehr dicht über der Oberfläche (ca. 0,0003mm) Im ausgeschalteten Zustand setzen die Köpfe auf einem dafür reservierten Bereich auf oder werden ganz aus dem Plattenbereich herausgezogen. Setzt im Betrieb ein Kopf auf, wird dies Headcrash genannt. Headcrash hat i. d. R. Datenverluste bzw. Beschädigungen des Kopfes zur Folge. Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 16

17 Blöcke, Sektoren etc. Spur (Track) Oberfläche (Surface) Zylinder Nummerierung von Außen nach Innen Sektor (Sector) Die Scheiben heißen auch Platter. Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 17

18 2-stufige Positionierung auf eine Spur Spurbreite ist bei Platten kleiner als 0,01 mm; dies lässt sich nicht mehr mit mechanischen Mitteln genau ansteuern. Positionierung auf eine Spur Grobpositionierung über Motorsteuerung Feinpositionierung, bei der auf die Spur anhand von Spurinformationen auf einer besonderen Plattenseite über einen besonderen Schreib-/Lesekopf genau positioniert wird Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 18

19 Zugriffszeit Positionierungszeit = Seek time = Zeitraum, der für das Bewegen des Aktuators von einer zufälligen Spur auf eine neue benötigt wird. Typisch: 2-3ms Latenzzeit = Zeitraum des Wartens bis der gesuchte Sektor am Aktuator "angekommen" ist z. B U/Min. -> 16ms für eine Umdrehung IDE-Platten: U/Min. SCSI-Platten: U/Min. Zugriffszeit = Positionierungszeit + Latenzzeit Typisch: 6-12 ms Die jeweils mittlere Zeit ist der statistische Durchschnitt. Die Performance wird durch Benchmarks bestimmt: dies sind spezielle Programme, die bestimmte als typisch angesehene Benutzungsprofile simulieren. Aber unklar, was eine typische Benutzung ist Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 19

20 Ein typische SATA-Laptop-Platte Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 20

21 Laptop-Platte vs. Memory-Stick (USB 2.0) Access time: 15,9 ms Transfer Rate: 81,9 MB/s Access time: 1,0 ms Transfer Rate: 28 MB/s Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 21

22 Zonenaufzeichnung (Zone-Recording) Da der Umfang eines Kreissegments am Rande länger als an der Innenseite ist, können am Rande mehr Sektoren liegen als im inneren Bereich. Die Platte wird daher in Zonen mit jeweils eigener Sektorenzahl pro Spur eingeteilt. Dies führt bis zu 30% mehr Kapazität. Der Controller auf der Platte macht die Umrechnung von Sektoren nach logischen Sektoren (Blöcken), so dass die Software sich nicht darum zu kümmern braucht. Literatur: Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 22

23 Bad Sector Mapping Wird vom Controller festgestellt, dass ein Sektor nicht zugreifbar ist (bzw. immer wieder Fehler hat), so wird dieser Sektor durch einen anderen ersetzt. Dazu werden bisher unbenutzte Sektoren aus dafür reservierten Spuren belegt. In einer Tabelle wird vermerkt, welche "guten" Sektoren welche "schlechten" ersetzt haben. Diese Tabelle wird für den Zugriff benutzt. Dieser Mechanismus ist gegenüber der Software transparent und läuft "innerhalb" der Platte ab. Dies ist der Grund, warum Platten schon von der Fabrik her eine Formatierung (low level) bekommen haben und warum diese möglichst nicht überschrieben werden sollte. Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 23

24 Einbau - hier Laptop (Mac) I Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 24

25 Einbau - hier Laptop (Mac) II Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 25

26 Schnittstellen zu Festplatten I Controller Logik zur Ansteuerung des Geräts Gerät Cache Die Bus-Ansteuerung ist manchmal auf der Hauptplatine montiert, so dass das Schnittstellenkabel (Flachbandkabel) direkt in einen Slot auf der Hauptplatine gesteckt wird. Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 26

27 Schnittstellen zu Festplatten II Bis vor kurzem wurde die Bauform mit der ATA- bzw. IDE- Schnittstelle benutzt: ATA = AT-Attachment (AT = Advanced Technology) IDE = Intelligent Drive Electronics EIDE = Enhanced IDE Bei IDE sind Controller und Gerät eine feste Einheit, die mit einem 40-poligen Bus (Flachbandkabel) mit der Busschnittstelle auf einer Karte (selten) oder auf der Hauptplatine verbunden sind. (E)IDE und ATA sind im Prinzip gleich. ATAPI = ATA Packet Interface: Schnittstelle zu sonstigen Geräten, wie z.b. CDROMs. Recht bald veraltet. Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 27

28 EIDE I (bald veraltet) EIDE: Zwei Anschlüsse (primär und sekundär) mit jeweils 2 Geräten (Platte oder ATAPI-Geräte): Master und Slave müssen per Jumper (Leitungsbrücke) gestellt werden. Max. Kabellänge: 18 Zoll 46 cm EIDE erlaubt Adressierung von bis 127 Gbyte 255 Sektoren pro Spur, Zylinder und 512 byte pro Sektor Dies betrifft die Hardware entsprechend der EIDE- Festlegung, nicht die Software, wie z. B. BIOS. Größere Platten werden durch Erweiterungen betrieben. Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 28

29 EIDE II (bald veraltet) ATAPI-Geräte mit erweitertem EIDE-Befehlssatz: CDROM Streamer (Magnetbandgeräte) ZIP-Laufwerke Benutzung der EIDE-Schnittstelle (Modi): (E)IDE Max. Rate (E)IDE Max. Rate PIO-Mode 0 (ATA-1) 3,3 MByte/s DMA-Mode 1 (ATA-3) 25 Mbyte/s PIO-Mode 1 (ATA-1) 5,2 MByte/s Ultra DMA/33 (ATA-3) 33 Mbyte/s PIO-Mode 2 (ATA-1) 8,3 Mbyte/s Ultra DMA/66 66 Mbyte/s PIO-Mode 3 (ATA-2) 11,1 Mbyte/s Ultra DMA/ Mbyte/s DMA-Mode 0 (ATA-3) 16,6 Mbyte/s Ultra DMA/ Mbyte/s Diese Modi samt ihrer Leistung betreffen nur die Kommunikation über die EIDE-Schnittstelle, nicht die Leistung der Endgeräte. Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 29

30 EIDE III (bald veraltet) Typisches (E)IDE-Kabel Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 30

31 Busse und Gehäuse (bald veraltet) EIDE-Kabel PCI-Bus EISA-Bus Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 31

32 Serial-ATA (SATA) Serial ATA 1.0, 2002 Datenrate bis zu 150 Mbyte/s oder bis zu 1,5 Gbit/s (etwas schneller als Parallel-ATA/133) Zum Vergleich: gute Platten schaffen 50-60MByte/s 2 abgeschirmte und verdrillte Adernkabel Maximale Länge 1m Serial ATA II, 2005 Datenrate bis 300 Mbyte/s oder bis zu 3 Gbit/s Bis 15 Laufwerke pro Controller Serial ATA III, 2008 Datenrate bis 600 Mbyte/s oder bis zu 6 Gbit/s Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 32

33 Solid State Disk (SSD) Weiterentwicklung der Memory-Stick-Technologie zur Platte Bauformen: 2,5"- und 3,5"-Platten, aber auch als PCIe-Karten Lebensdauer einer Zelle Lesen: unbegrenzt Schreiben: x bei MLC bis x bei SLC Durch Verlagern der Adressen der Zellen wird eine gleichmäßige Belastung erzeugt. Trotzdem: Um Faktor weniger Schreibzyklen als bei einer herkömmlichen Platte. Für die Zellen stehen folgende Arten zur Verfügung: Multi-Level-Cell (MLC): mehrere Bits pro Zelle Single-Level-Cell (SLC): 1 Bit pro Zelle Statt Solid State Disk wird auch von Solid State Drive gesprochen, beide Begriffe sind verbreitet. Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 33

34 Links und weitere Informationen zu SSD [SSD1] [SSD2] [SSD3] [SSD4] Siehe: Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 34

35 Performanz und andere Aspekte Steigerung der Anwendungsperformanz bis zu Faktor 3-4 Aber: Möglichst nicht defragmentieren Dies ist nicht nur unnötig, sondern aufgrund der Schreibvorgänge der Lebensdauer der SSD nicht zuträglich. Reduktion des Energieverbrauchs um fast Faktor 10: Längere Akku-Laufzeit Weniger Abwärme Es gibt aber sehr schnelle SSDs, die genauso viel Energie verbrauchen wie die sparsamsten Platten. Nahezu unempfindlich gegenüber Stößen In der Größe beschränkt und teuer im Vergleich zu Platten Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 35

36 Performanz SATA-Platte vs. SSD Access time: 18,8 ms Transfer Rate: 49,6 MB/s Access time: 0,2 ms Transfer Rate: 184,7 MB/s Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 36

37 Magnetisch-Optischer Speicher (MO) Compact Disk Magneto Optical (CD-MO) nach ISO und ECMA 154, MB (1998), 1 GB (1999), heute bis 9 GB Größen 3 1/2 " und 5 1/4 " Positionierungszeit: 16 bis 40ms 1/3 der Geschwindigkeit von Platten, also langsam Lebensdauer ca. 15 Jahre Wohl eines der besten Medien für Langzeitdatenhaltung Wenig verbreitet Kleine Größe der Medien: bis zu 9 GB Siehe: Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 37

38 Lesen und Schreiben CD-MO beruhen auf zwei physikalischen Phänomenen: Curie-Temperatur (zum Brennen) Oberhalb dieser Temperatur verliert ein magnetisches Material seine Magnetisierung bzw. unterhalb behält es sie Kerr-Effekt (zum Lesen) Bestimmte Materialien reflektieren polarisiertes Licht in Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung Lesen: Laser (polarisiertes Licht) wird vom Material direkt oder gedreht reflektiert; daran wird der Zustand des Bits erkannt. Schreiben: Erhitzen auf über 150 C (Curie-Temperatur) mit konstantem Magnetfeld zum Löschen, dann noch einmal Magnetisieren in Richtung: Nordpol "unten" ist Zustand 1, Nordpol "oben" ist Zustand 2 Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 38

39 MO - Medien (Beispiel) Kapazität: 1,3 GByte Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 39

40 Nach dieser Anstrengung etwas Entspannung... Computer-Systeme WS 12/13 - Teil 8/Platten 40

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