Aufbau eines Disk-Laufwerks

Transkript

1 Aufbau eines Disk-Laufwerks Der Plattenstapel und die Antriebsspindel. Der Kamm mit den Schreib/Leseköpfen, oben der Lagerzapfen für die Drehachse erkennbar. Der Aktuator für die Positionierung des Kammes durch Drehung.

2 Sektoreinteilung (ursprüngliches Konzept) Die Plattenfläche wird in gleich breite, konzentrische Ringe (Spur, track) eingeteilt. Man nummeriert die Spuren von außen nach innen (Spurnummer). Eine bestimmte radiale Linie markiert den Anfang jeder Spur. Von dort ausgehend wird die Plattenfläche in gleich große radiale Segmente eingeteilt. Die dadurch entstehenden Spurabschnitte heißen Sektoren. Man nummeriert die radialen Segmente durch und gibt den Sektoren jedes radialen Segmentes die zugeordnete Nummer (Sektornummer).

3 Bitzonen in den Sektoren (hier grob schematisch) Da Information bitweise gespeichert wird, wird jede Spur, vom Spuranfang ausgehend, in Microabschnitte zur Speicherung je eines Bits eingeteilt, wobei pro Sektor gleich viele Bits vorgesehen sind. Das bedeutet, dass die Microabschnitte um so kürzer werden, je weiter die Spur nach innen liegt. Je kürzer die Microabschnitte sind, um so exakter muss die Magnetisierung sein. Die Magnetisierung der inneren Spur stellt die höchste Anforderung an das Speichermaterial.

4 Sektoreinteilung Wenn das Speichermaterial homogen ausgelegt ist und überall die Qualität hat, die für die innerste Spur gilt, dann könnte man eigentlich auch die anderen Spuren mit der gleichen Bitdichte magnetisieren. Offensichtlich behindert die Bedingung, dass auf jeder Spur gleich viele Sektoren mit gleicher Bitzahl sind, die bessere Nutzung des Speichermediums.

5 Schreibstrom/Lesespannung Der Schreibstrom durch den Schreib/Lese-Kopf bewirkt die Magnetisierung der darunter vorbeilaufenden Spur. Geschrieben wird im Raster des Taktsignals. Die senkrechten Linien definieren nicht nur die Zeitpunkte, wann durch eine Änderung der Stromrichtung ein Magnetisierungswechsel stattfinden kann, sondern sie definieren auch die Zeitpunkte, bei denen beim Lesen der gespeicherte Wert bestimmt wird (Abtastmomente). Je exakter die Maxima der gelesenen Spannung in den Abtastmomenten liegen, umso weniger Fehler gibt es beim Lesen.

6 Vorkompensation = Precompensation Verhindern eines Fehlers beim Lesen durch eine vorweggenommene geeignete Kompensation der Fehlerursache schon beim Schreiben

7 Aufbau eines Sektors Ein Sektor enthält in herkömmlichen Formaten ein Identifikations- und ein Datenfeld. Neuere Formate kommen ohne ein Identifikationsfeld aus (No-ID- Formate) und erzielen damit eine verbesserte Nutzung des Speichermediums. Das GAP-Feld, das zwei benachbarte Sektoren trennt, dient als Pufferzone. Die Identifikationsfelder sind nach dem (low level) Formatieren unveränderlich, die Datenfelder beim Gebrauch veränderlich: das macht auf dem Speichermedium Pufferraum und in der Elektronik Zeit zur Anpassung (writeto-read-recovery) notwendig.

8 Aufbau eines Sektors Um die Positionierung des Kammes zu unterstützen, wird das Sektor- Format durch eine besondere Servo- Information ergänzt. Man legt in gleichem Winkel-abstand radiale Servo-Spuren an. Im Bild wird die Servo-Information vor jedem Sektor angelegt. Man kann sie auch nach einem geeigneten Vielfachen von Sektoren anlegen. Die Äquidistanz ist wichtig dafür, dass die Elektronik die Informationsbits von den Servobits unterscheiden kann.

9 Beispielhafter Aufbau eines Sektors Sobald der Disk-Controller beim Lesen einer Spur die Bit- Synchronität gefunden hat, sucht er die logische Synchronität. Die nacheinander erfassten Bits werden Takt für Takt durch ein Erkennungsfenster geschoben. Sobald im Fenster ein vereinbartes, eindeutiges Wort erkannt wird, ist die logische Synchronität hergestellt. Von der gefundenen Stelle im Sektorformat ausgehend, kann man das Merkmal der Identität des Sektors, die logical block number oder address, eindeutig bestimmen und auswerten.

10 Sektoreinteilung mit zoned bit recording Die Sektorisierung in modernen Platten nutzt die Magnetisierbarkeit des Speichermediums besser. Die Sektorisierung beginnt mit der innersten Spur. Diese Sektorisierung bleibt auch in den nächsten, nach außen folgenden Spuren gültig. Die Nutzung wird dabei aber umso schlechter, je länger die Spur wird. Wenn die Spur eine Länge erreicht hat, die mit der Bitdichte der innersten Spur mindestens einen ganzen Sektor mehr aufnehmen könnte, kann man die Sektorzahl entsprechend erhöhen. Das setzt sich dann über die folgenden Spuren sinngemäß fort. Es bilden sich Spurzonen mit gleicher Sektorisierung.

11 Einige Besonderheiten beim zoned bit recording In Platten nach dem alten Konzept wurde die Vorkompensation für die inneren Spuren verwendet, für die äußeren nicht; denn in den inneren Spuren war die Bitdichte größer und damit die Gefahr größer, dass die Maxima der gelesenen Spannungen nicht in den Abtastzeitpunkten liegen. Deshalb hat man dem Disk-Controller die Spur angegeben, ab der - nach innen gezählt - die Vorkompensation erfolgen soll. Das ist heute nicht mehr notwendig. Es gibt keinen wesentlichen Unterschied zwischen den Bitdichten der Spuren.

12 Einige Besonderheiten beim zoned bit recording Die Servo-Information bleibt, wie in den Einheiten mit non zoned bit recording gleichmäßig verteilt. Nur in der innersten Zone liegt die Serverinformation unmittelbar vor dem Daten-Sektor. In den weiter außen liegenden Zonen werden die Felder der Sektoren unterbrochen.

13 IDE/ATA-Disks IDE: intelligent drive electronics ATA: AT (Bezeichnung des PC-Typs IBM-AT) attachement oder advanced technology attachement. Disk-Controller integriert mit dem Laufwerk.

14 40 polige IDE/ATA- Schnittstelle Der Disk-Controller erhält über die 16 Bit Datenschnittstelle zunächst die Parameter eines Lese- oder Schreib-Auftrages, danach erfolgt hierüber die eigentliche Datenübertragung vom oder zum Speichermedium. Für die Synchronisation zwischen dem Disk-Controller und der Zentraleinheit bei der Datenübertragung stehen die Handshake- Signale dma-request- und dma- Acknowledge zur Verfügung. Das Ende der Abwicklung eines Übertragungsauftrages wird durch Interrupt Request gemeldet.

15 40 polige IDE/ATA-Schnittstelle Die IDE/ATA-Schnittstelle ist eine Geräte-Schnittstelle und keine universelle Peripheriebus-Schnittstelle, die für eine autonom gesteuerte Abwicklung von blockweisem dma- Verkehr geeignet ist. Controller Der Disk-Controller muss durch einen IDE/ATA-Controller ergänzt werden, der zwischen der IDE/ATA-Schnittstelle und der dma-fähigen Schnittstelle vermittelt, die der Chipsatz unterstützt. Der IDE/ATA-Controller wird im IO- Controller-Chip des Chipsatzes realisiert, der entweder den PCI-Bus oder eine spezielle Schnittstelle zwischen IO- und zentralem Chip des Chipsatzes unterstützt.

16 40 polige IDE/ATA- Schnittstelle Die Parameter werden in spezielle Register eingetragen. Die Auswahl der Register erfolgt mit Hilfe der Auswahlsignale CS0, CS1 (je eine Einzelauswahl) bzw. DA0, DA1, DA2 (duale Adresse). Die Gesamtheit der Parameter beschreibt einen Task (Auftrag), was zur Bezeichnung ATA-Task- File geführt hat.

17 ATA-Task-File allgemeines Format mit maßgeblichen Auftragsparametern bei Zylinder/Kopf/Sektor-Adressierung: heute nicht mehr unterstützt Register Adresse Breite (Bit) Read/Write Datenregister 1F0H 16 R/W Fehlerregister 1F1H R Vorkompensation 1F1H W Sektorenzahl 1F2H R/W Sektornummer 1F3H R/W Zylinder LSB 1F4H R/W Zylinder MSB 1F5H R/W Laufwerk/Kopf 1F6H 4+4 R/W Statusregister 1F7H R Commandregister 1F7H W Statusreg. alternativ 3F6H R Ausgaberegister 3F6H W Laufwerkadr. 3F7H R

18 ATA-Task-File allgemeines Format mit maßgeblichen Auftragsparametern bei Logischer-Block-- Adressierung mit 2 Bit, die die Sektoren der Platte von 0 bis max. Zahl durchzählt; im Controller erfolgt Umrechnung in die Parameter gemäß Laufwerksstruktur : heute üblich Register Datenregister Fehlerregister Vorkompensation Sektorenzahl Statusregister Statusreg. alternativ Ausgaberegister Laufwerkadr. logische adres- Block- Laufwerk/ se Commandregister Adresse 1F0H 1F1H 1F1H 1F2H 1F3H 1F4H 1F5H 1F6H 1F7H 1F7H 3F6H 3F6H 3F7H Breite (Bit) Read/Write R/W R W R/W R/W R/W R/W R/W R W R W R

19 SCSI-Disks SCSI small computer system interface Eine Schnittstelle, die nicht nur für Disks geschaffen wurde, sondern als universelle Schnittstelle für alle Peripheriegeräte mit großem und schnellem Übertragungsbedarf. SCSI-Controller ist im Peripheriegerät integriert.

20 SCSI: Überblick

21 SCSI: Steckertypen Man kann also aus dem Steckertyp erkennen, um welchen SCSI-Typ es sich handelt.

22 SCSI-Schnittstelle: SCSI-I, SCSI-II (narrow) Single-ended-Signale, d.h. jeder Signaltreiber liefert eine Signalspannung gegen Ground ( Bezugspotential).

23 SCSI-Schnittstelle: SCSI-III (wide) Es gibt neben der Version mit single-ended-signalen noch eine Version mit differentiellen Signalen, d.h. die Signaltreiber liefern eine gegen Ground positive Signalspannung (+) und eine dazu invertierte (d.h. an Ground gespiegelte ) Signalspannung (-). Der Vorteil der differentiellen Übertragung: geringere Störanfälligkeit als bei single-ended-übertragung.

24 SCSI-Disks Eine Schnittstelle für mehrere Peripheriegeräte, z.b. Hard-Disk- Laufwerk und CD-Laufwerk. Die Aufgabe der Vermittlung zwischen der Zentraleinheit und dem SCSI-Bus hat der sog. Hostadapter. Da Peripheriegeräte nur das tun, was die Programme von ihnen wollen bzw. erwarten, erhalten sie vom Prozessor Aufträge (Commands). Busteilnehmer, die Commands verschicken können, heißen Initiatoren. Ein Auftragnehmer eines Commands heißt Target.

25 SCSI-Protokoll Es sind mehrere Initiatoren am Bus zugelassen. Es ist also möglich, dass mehrere gleichzeitig Commands übertragen wollen. Diese Initiatoren müssen sich einer Bus-Arbitrierung unterwerfen. Sobald der Bus nach einer Belegung frei ist, also in einer bus free phase, kann jeder belegungswillige Initiator mit der arbitration phase beginnen.

26 SCSI-Protokoll Jedem Initiator ist eine eindeutige Identifikationsnummer zugeordnet. Höhere Nummer bedeutet höhere Priorität. Drückt man die Priorität als 1aus-Signal aus, erkennt man die Rangfolge am Abstand zum höchstprioren Signal. Sobald der Bus nach einer Belegung frei ist, sendet jeder belegungswillige Initiator sein Identifikationssignal auf seiner Datenleitung. In dieser Phase kann jeder Initiator erkennen, ob ein anderer Initiator auf einer höherwertigen Datenleitung sendet, und er kann sich zurückziehen (im Beispiel 6). Übrig bleibt der höchstwertige (im Beispiel 7).

27 SCSI-Protokoll Die Arbitrierungsphase endet damit, dass ein Initiator den Bus gewonnen hat. Dieser beginnt mit der Selektionsphase. Die Auswahl des Gerätes, das Target sein soll, erfolgt durch Aktivierung einer Datenleitung, indem die Identifikationsnummer des Targets als 1aus-Signal aktiviert wird.

28 SCSI-Protokoll Nachdem das Target seine Auswahl bestätigt hat (Initiator hat Busy deaktiviert, Target hat es wieder aktiviert), gehört der Bus endgültig dem Paar Initiator-Target. Das Target bestimmt den Ablauf der folgenden Phasen. Zuerst stellt es die Command-Phase ein. Der Initiator überträgt das Command zum Target. Ab dann wickelt das Target den Auftrag ab und erzeugt die eigentliche Datenübertragungsphase. Das Target nutzt die Handshake-Signale Request und Acknowledge, um die Aktionen mit dem Initiator zu synchronisieren. Das Target meldet das Ende der Ausführung durch Übertragung eines Datenwortes während der status phase.

29 SCSI-Protokoll Unterbrechung (disconnect) und Wiederaufnahme (reconnect) der Ausführung eines Commands sind möglich. Um Zwischenmeldungen des Initiators zuzulassen, schaltet das Target in die message phase.

30 SCSI-Schnittstelle: Bedeutung der Steuersignale für das Protokoll Meldungen des selektierten Targets T an den Initiator: C/D, C: T erwartet ein Command oder liefert Status; D: T liefert bzw. erwartet ein Datenwort. MSG (message), T erwartet oder liefert eine Meldung. I/O: Übertragungsrichtung Meldungen des Initiators an das selektierte Target T: ATN (attention) Initiator möchte eine Meldung an T senden, das gerade ein Command abwickelt. Zustandssignale: BSY Busy: Der Bus ist belegt. SEL (Select): Phase mit einer Adressierung über die Datenleitungen Strobesignale: REQ (Request) von T an den Initiator: das nächste Datenwort liegt für den Initiator an bzw. T erwartet, dass der Initiator das nächste Datenwort liefert. ACK (Acknowledge): das entsprechende Handshakesignal des Initiators.

31 SCSI-Protokoll: Command-Beispiel Byte Funktion Command-Code Logical Unit Number(3 Bit) / Logical Block Address (5 Bit, most significant bits) Logical Block Address Logical Block Address (least significant bits) andere Command-abhängige Parameter (z.b. Zahl der Blöcke) Control (für die Verkettung von Commands) Es gibt 6- oder 10 oder 12 Byte Commands, je nach Zahl und Art der Parameter für das jeweilige Command. Pro Target ist die Auswahl einer von Teileinheiten möglich. Die Sektoren der Platte werden von 0 bis maximale Zahl durchgezählt: logical block address. Der Controller rechnet daraus die Zylinder-, die Kopf- und die Sektornummer aus.