Rechnerarchitektur. 12. Hintergrundspeicher. Inhalt. Floppy-Disk-Controller. Floppy Disk. Floppy-Disk-Controller. Magnetplattenspeicher

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1 Inhalt Rechnerarchitektur. Hintergrundspeicher Floppy Disk Magnetplattenspeicher Festplattenstrukturen Logische Formatierung Datenaufzeichnung Platten-Cache und Disk- Small Computer System Interface Redundant Array of Inexpensive Disks Optische Plattenspeicher Bandlaufwerke SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur Floppy Disk flexible, kreisförmige Kunststoffscheibe Oberfächenseiten sind mit magnetischem Material beschichtet. Konzentrische Spuren sind in Sektoren (Identifikations- und Datenfeld) gleicher Grösse unterteilt. Schreib-/Leseköpfe; wahlfreier Zugriff (Vergleich der ID-Felder) HD-Disketten: ca. U/min Byte / Sektor; Sektoren / Spur; Spuren / Seite. MB Übertragungsraten > Mbit/s hohe Beschädigungsgefahr, nicht verschleissfreier Zugriff Formatierung: Anlegen der Sektorendatenstruktur ID-AM Spurnr. Data -AM Seite Sektornr. Blockgrösse Daten CRC CRC Address Mark (AM) zur Zeichensynchronisation Anschluss der Floppy-Disk über Parallel/Seriell-Umsetzung Auswertung Adressierungsangaben Erzeugen und Auswerten von Steuer- und Statussignalen Spur- und Sektornummernregister (TNR, SNR) zeigen aktuelle Spur und Sektor an. Index-Loch zur eindeutigen Nummerierung Floppy- Disk- Kommandos Write Track Formatieren einer Spur Read Track and Verify CRc-Überprüfung der gelesenen Daten Seek Track (Zero) Positionieren auf Spur im SNR (äusserste Spur) Step In, Step Out Kopfverschiebung um Spur Single Sector Read / Write Prüfen der Sektor- /Spurnummer Prüfen / Generieren der CRC Read / Write Sector Multiple Sektorenanzahl im Zählregister SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur Magnetplattenspeicher CSTART R/W READY CS RSi D- DMARQ IRQ IACKIN IACKOUT RESET CLK CR TNR SNR SR ZR CR: SR: TNR: SNR: ZR: control register status register track number register sector number register Zählregister STEP STEP DIRECTION HEAD LOAD WRITE GATE WRITE DATA SIDE SELECT DRIVE SELECT - MOTOR ON INDEX PULSE TRACK ZERO READY READ DATA WRITE PROTECT SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur Schreib- / Leseköpfe schweben auf Luftkissen über starren Platten dadurch höhere Umdrehungszahlen: bis U / min Übertragungsraten > MB/s Wechselplatten (z.b. Zip, Jaz) Spur Sektor Spindel Arm Lese-/Schreibkopf Lese-/Schreibkamm Zylinder = Menge von Spuren mit gleicher Armposition SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur

2 SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur Disk-Adressierung Festplattenstrukturen eindimensionale Arrays logischer Blöcke Block als kleinste Transfereinheit z.b., oder Bytes Sequenzielle Abbildung der Blöcke auf Disk-Sektoren Block :. Sektor der. Spur im äussersten Zylinder Block :. Sektor der. Spur im äussersten Zylinder... Block N:. Sektor der. Spur im äussersten Zylinder... Block M: N-. Sektor der K. Spur im innersten Zylinder Abbildung Block- / Disk-Adresse Disk-Adresse = (Zylinder, Spur, Sektor) Disk-Interleaving Beispiel: : dazwischen liegende Sektoren äussere Spuren sind länger mehr Sektoren möglich (bis zu doppelt so viele wie innere Spuren) Einteilung der Zylinder in Zonen mit gleicher Anzahl von Sektoren fehlerhafte Sektoren SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur Partitionierung Gruppierung von Zylindern Logische Formatierung z.b. separate Partitionen für Betriebssystem, Programme, Daten Einrichten d. Dateisystems durch Speichern v. Datenstrukturen auf Disk Boot-Block (alternativ: ROM) enthält Bootstrap-Programm zur Systeminitialisierung und Laden des Betriebssystems feste Lokation auf der Festplatte Laden durch Bootstrap-Ladeprogramm im Boot-ROM erlaubt Modifikation des Bootstrap-Programms Superblock: grundlegende Informationen über Datenträgeraufbau (z.b. Datenträger-, Blockgrösse) oft Replikation des Superblocks aus Sicherheitsgründen Datenstrukturen zur Speicherallokation Freispeicherliste und Liste fehlerhafter Blöcke leeres Verzeichnis Boot- Block Super- Block Verwaltung defekter Blöcke Freispeicherverwaltung Indexblöcke Wurzelverzeichnis Verzeichnisse und Dateien SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur Datenaufzeichnung Takt- und Datenimpuls RLL (,) Frequenzmodulation (FM, Single Density) Modified FM (MFM, Double Density) Run Length Limited (RLL) SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur Platten-Cache und Disk- SCSI(Small Computer System Interface)-Bus Read-Ahead-Cache Laden der gesamten Spur oder des gesamten Zylinders Annahme: Vorgriff auf bei Folgezugriff benötigte Daten Disk- ähnliche Funktion wie : Verbindung zwischen Systembus und Laufwerkselektronik Bitserielle Verbindung zwischen und Laufwerk, z.b. Enhanced Small Device Interface (ESDI), oder in Plattenspeicher integriert Verbindung zu Systembus über parallele Schnittstelle, z.b. Small Computer System Interface (SCSI) Systembus A Systembus B Host- Adapter A Host- Adapter B SCSI-Bus SCSI-/ Festplatten- Pufferspeicher Festplattenlaufwerk A SCSI-/ Festplatten- Pufferspeicher Festplattenlaufwerk B Multi-Master-Betrieb, - MByte/s, < m, < Teilnehmer, Busbreite: / Bit SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur

3 SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur SCSI-Buskommunikation Beispiel: SCSI-Kommando für Datenausgabe Austausch von Kommandos (Länge, oder Bytes) zwischen Initiator und Target zum Lesen und Schreiben Kommandodeskriptorblock inklusive Datenspeicherbereich und Initialisierungsinformationen wird vom Rechner an SCSI-Adapter über den Hauptspeicher übergeben. Gruppencode Operationscode logical unit number Blockadresse Blockanzahl Steuerinformation Kommandodeskriptorblock SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur Firewire IEEE Serielle SCSI-Busse -polig: Twisted Pairs für Daten + Stromversorgungspaar max. Busteilnehmer (daisy chain mit Abstand <, m) max. Buslänge m, CRC-Sicherung der Datenpakete Einsatz für Multimedia-Geräte Fibre-Channel Übertragungsrate bis Gbit/s (BB-Code) bis km Distanz überbrückbar Rechnernetz-ähnliche Strukturen (Ring, Stern, Vermittlungsstrukturen) Anbindung von E/A-Geräten, Hintergrundspeicher, Rechner Serial Storage Architecture (SSA) Anschluss von Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID) max. Disks je Schreib-/Lesekanäle mit Mbyte/s mehrere m überbrückbar SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur Zuverlässigkeit Hohe Fehleranfälligkeit von Disks Redundanzmechanismen Redundant Array of Inexpensive Disks (RAID) RAID-: Disk Striping (Interleaving) Blockaufteilung: Jede Disk enthält einen Unterblock eines Blocks paralleler Transfer von / zu Disks RAID-: Mirroring (Shadowing): Duplikate RAID-: Nibble -Bit-Hamming-Code (erfordert synchronisierte Disks) RAID-: vereinfachte RAID- Version (nur Paritätsbit) RAID-: Paritätsblöcke (Block Interleaved Parity) RAID-: verteilte Speicherung von Daten und Redundanzinformation SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur RAID-, RAID-, RAID- RAID-, RAID-, RAID- Strip Strip = k Sektoren Bit Bit Bit Bit Parität Bit Bit Bit Bit Bit Bit Bit P - P - P - P - P - P - P - P - SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur

4 SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur CD-ROM CD-Recordable CD-ReWritable Digital Versatile Disk Optische Plattenspeicher CD-ROM spiralförmige Spur logische Spuren (Bereiche) längliche Vertiefungen der Spuren: Pits Label Schutzzschicht unveränderte Bereiche: Land Land Pit Lesen durch unterschiedliche Reflexion Substratschicht Kapazität: MB Eight-to-Fourteen-Modulation (EFM) Kodierung der -Bits als Pit-zu-Land- oder Land-zu-Pit-Übergänge Übergänge dürfen nicht zu nahe beieinander (mind. *) und nicht zu weit auseinander liegen (max. *) Kodierung von Bits durch Bit-Symbol und Füllbits ( Symbol) Reflexionsschicht SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur CD-Sektoren CD-Recordable Symbole = Frame ( Bits) Frames = Sektor Sektor Byte-Präambel Daten Fehlerkorrekturbytes (Error Correction Code, ECC) Effizienz: ca. % einfache Geschwindigkeit: Sektoren/s Präambel Daten ECC gleiche Darstellung wie CD-ROM thermisches Einbrennen von dunklen Flecken durch Laserstrahl in ggf. mehreren Sitzungen gleicher Effekt wie Pits und Lands reflektierende Goldschicht transparente Schicht SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur CD-ReWritable Digital Versatile Disc (DVD) Material lässt sich durch Laser beeinflussen bis mal wiederbeschreibbar Verfahren Phase-Change Zustände des Materials: kristallin/amorph Behandlung des Materials mit unterschiedlicher Laser-Stärke Laser wird unterschiedlich reflektiert Farbstoff-Polymer Oberfläche mit farbstoffhaltigem Plastik beschichtet Laser kann Material erhitzen und Beulen verursachen, bei Erwärmung bildet sich Beule wieder zurück. Eigenschaften im Vergleich zur CD kürzere Pit-Bereiche engere Spirale, d.h. höhere Spurendichte geringere Wellenlänge des Lasers Verringerung des Abstands Laser Platte effizientere Fehlerkorrektur geringerer Sektoren-Overhead einseitig oder zweiseitig nutzbar Blöcke mit ca. KB bestehen aus Sektoren á byte ( Zeilen á Bytes) + Fehlerkontrolldaten. Verzahnung (Interleaving) der Sektoren Robustheit Kapazität:.. GB Sektor- Header ()... FEC () FEC: Fehlererkennungscode SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur

5 SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur Magneto-optische Disks auswechselbare, starre Platte magnetisch beschichtet dicke Schutzschicht aus Plastik oder Glas. Kopf ist weiter entfernt als bei der Festplatte, daher stabiler, aber schwächeres Magnetfeld Schreiben Laser macht Disk-Oberfläche für Magnetisierung empfindlicher, so dass schwächeres Magnetfeld zum Schreiben ausreicht. Lesen Polarisation des reflektierten Laserstrahls hängt von Magnetisierung der Oberfläche ab (Kerr-Effekt). Bandlaufwerke preisgünstiger können mehr Daten speichern als Disks (> GByte) Transferraten > MByte/s langsamerer wahlfreier Zugriff -fach geringere Speicherdichte als magnetische Disks automatischer Zugriff durch Band-Roboter Basis für Archive SS Torsten Braun (Universität Bern): Rechnerarchitektur