Festplatten: Übersicht

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1 Festplatten: Übersicht Die ersten Festplatten wurde in den 70 er Jahren hergestellt: Zuerst 14 Zoll bis Mitte 80 er Dann 8 Zoll bis Ende 80 er Dann 5,25 Zoll bis Mitte 90 er (selten auch heute noch) 3,5 Zoll ist aktuell 2,5 Zoll für Laptops 1 Zoll für Multimedia Geräte Die 14 Zoll und 8 Zoll Festplatten hatten SMD (Storage Module Drives) Interfaces, dann kam ST506 und ESDI. Heutzutage EIDE und SCSI Neue Standards (Firewire, Fibrechanel,...) bisher nicht durchgesetzt Seite 1

2 Festplatten: mechanischer Aufbau Eine Festplatte besteht aus: Einer oder mehreren Datenscheiben Pro Seite ein Schreib/Lese Kopf Zwei Motoren: Ein Schrittmotor zur Steuerung der Schreib/Lese Köpfe Ein Motor zur Drehung der Datenscheiben Mehr oder weniger Steuerelektronik Datenscheiben Schreib/Lese Köpfe Schrittmotor Datenscheibenmotor Seite 2

3 Festplatten: Steuerelektronik Die Elektronik der Festplatte besteht aus: Datenseparator Lesen: wandelt die Analogsignale der Köpfe in digitale Daten Schreiben: Erzeugt aus digitalen Daten die Analogsignale für die Köpfe Datenformatierer: trennt Nutzdaten von den zusätzlich gespeicherten Daten (Synchronsiationsdaten, Prüfbits,...) Wandelt die seriellen Daten von den Köpfen in parallele Daten um Hostadapter: Schnittstelle der Festplatte zum Computersystembus Kopf Datensep. Format. Hostadapter Seite 3

4 Festplatten: Steuerelektronik Frage: Wieviel von der Steuerelektronik soll auf die Festplatte, und wieviel soll die kontrollereinsteck Karte enthalten: ST506 Festplatten enthalten nur Datenseparator Steuererung der Köpfe und Datenformatierer im Kontroller ESDI Festplatten enthalten Datenseparator und Kopfsteuerung Erstmalig werden Kommandos (Fahre auf Spur x) eingesetzt SCSI Festplatten enthalten Datenseparator, Formatierer und Steuerelektronik Spezieller SCSI Bus mit verschiedenen Geräten möglich SCSI Kontroller verbindet die Geräte mit dem Prozessor EIDE Festplatten enthalten alles (inkl. Kontroller) Direkter Anschluß an den ISA Bus (mit ein paar Dekodier ICs), kein wirklicher Festplattenkontroller mehr notwendig Seite 4

5 Festplatten: Wie wird gespeichert Festplatten sind folgendermaßen aufgeteilt: Sektor Spur Typischerweise 512 Byte an Nutzdaten Mehrere Sektoren, die auf der selben Scheibe ohne Kopfbewegung gelesen werden können Zylinder Alle gleichen Spuren über mehrere Scheiben zusammen ergeben einen Zylinder Ein Sektor kann also durch Zylindernummer, Kopfnummer und Sektornummer adressiert werden. Seite 5

6 Festplatten: Wie wird gespeichert Moderne Festplatten (alle heutigen) verwenden das Zone Bit Recording: Da die äußere Spur wesentlich länger als die innere Spur ist, können bei gleicher Datendichte wesentlich mehr Daten gespeichert werden: Einteilung der Datenoberfläche in mehrere Zonen, so daß die außeren Spuren wesentlich mehr Sektoren enthalten als die inneren Spuren Höhere Datenrate im äußeren Bereich, da der Datenträger mit der gleichen Geschwindigkeit läuft, wie im inneren Bereich, aber mehr Daten gespeichert sind. Die Zylinder sind normalerweise von außen nach innen nummeriert, so daß die Platte zuerst die schnellen Bereiche vollschreibt. Innerste Spur wird als Parkposition verwendet (Autopark) Seite 6

7 Festplatten: Was wird gespeichert? Eine Festplatte speichert nicht nur die Daten, die dem Benutzer zur Verfügung stehen: Für jeden Sektor werden zusätzliche Daten gespeichert: Gap Sync Header Gap Sync Sektordaten und ECC Gap Anhand des Syncs und der Header Informatik kann die genaue Sektornummer festgestellt werden Gap steht für Lücke, es werden 0en gespeichert: Gap 1 ist für die Synchronisation wichtig Gap 2 ist für Schreibzugriffe notwendig, da das Umschalten des Kopfes von Lesen nach Schreiben etwas dauert Gap 3 ist zum Ausgleich von Drehzahlunterschieden wichtig ist Seite 7

8 Festplatten: Was wird gespeichert? Die Einteilung läuft wie folgt ab: Beim Formatieren werden alle Daten (inkl. Synchronisation, Gaps,... ) neu geschrieben Im Normalbetrieb werden nur die Sektordaten geändert Da die zusätzlichen Daten ca. 40 bis 100 Bytes/Sektor verbrauchen steht eigentlich mehr Kapazität zur Verfügung: Normale Sektordatengröße ist 512 Byte Mit Statusinformationen bis zu ca. 610 Byte Bis zu 20 % gehen für die Statusinformationen verloren! Moderne Festplatten reservieren zusätzlich Speicher um kaputte Sektoren der Festplatte auszulagern Seite 8

9 Festplatten: Parameter Wesentlich für die Geschwindigkeit sind: Geschwindigkeit der Kopf Positionierung Falls die Daten nicht nebeneinander gespeichert sind, muß der Kopf teilweise oft bewegt werden Drehzahl der Datenscheiben Je schneller die Scheiben sich drehen, desto mehr Daten kommen am Schreib/Lese Kopf vorbei. Kann auch durch Erhöhung der Datendichte erreicht werden Nach einer Kopfbewegung muß im Schnitt eine halbe Umdrehung abgewartet werden, bis der gewünschte Sektor am Kopf vorbei kommt Datendichte Wieviele Daten können pro cm² gespeichert werden Seite 9

10 Festplatten: Parameter Einige Daten aktueller (2002) Festplatten: IBM 36 GByte Ultrastar 36Z15 (850 Euro, Ultra160 SCSI): UPM (4 ms pro Umdrehung, 4,2 ms average Seek) 6 Datenscheiben, 12 Köpfe Ca. 15 Millionen Bit pro mm² Eine Spur ist ca. 1 µm breit 9 ms für komplette Kopfbewegung von innen nach außen 4 MByte interner Cache IBM 120 GByte Deskstar 120GXP (450 Euro, ATA 100) 7200 UPM (ca. 8 ms pro Umdrehung, 8,5 ms average Seek) 3 Datenscheiben, 6 Köpfe Ca. 45 Millionen Bit pro mm² 2 MByte interne Cache Seite 10

11 Festplatten: SCSI Historisch SCSI (Small Computer Systems Interface) wurde 1979 (als SASI) von der Firma Shugart entwickelt 1981 von ANSI übernommen, 1986 wurde SCSI-1 abgesegnet Schon seit 1983 zunehmend Geräte mit SCSI auf dem Markt! SCSI unterstützt: Plattenlaufwerke Bandgeräte Drucker Scanner Optische Speicher Kommunikationsgeräte Seite 11

12 Festplatten: SCSI Übersicht SCSI unterstützt 8 Geräte (bei 8 Bit), die alle gleichbereichtigt sind: Normalerweise ein PC (aber auch mehrere möglich) 7 weitere Geräte (meist Festplatten) Bei 16 Bit werden auch 16 Geräte unterstützt (vgl. Bus Arbitrierung) Inzwischen viele Standards: Fast SCSI: 10 MHz, 8 Bit (mit Wide 16/32 Bit) Ultra SCSI: 20 MHz, 8 Bit (mit Wide 16/32 Bit)... Seite 12

13 Festplatten: SCSI Pins 50-poliger Stecker mit 26 Pins Masse zur Abschirmung (fast jede zweite Leitung im Flachbandkabel ist Masse) Pegel 0 Volt oder 5 Volt 8 Datenleitungen + 1 Paritätsbit +5 Volt für Terminierung Steuerleitungen: ATN, BSY,ACK,RST,MSG,Sel,C/D,REQ,I/O Bei Wide SCSI Kabel mit 68 Pins und weiteren Signalen: 8 Datenleitungen + 3 Paritätsleitungen Steuerleitung ACKB/REQB Seite 13

14 Festplatten: SCSI Terminierung An beiden Enden muß der SCSI Bus terminiert werden (d.h. mit +5V Abschlußwiederständen versehen werden) Gerät 1 Gerät 2 Gerät 3... Terminierung Wird an keinem Ende terminiert, so sind die Pegel an einigen Signalen nicht korrekt (Wired Or Prinzip)! Wird nur an einem Ende terminiert, so können am anderen Ende Signalechos entstehen, und die Datenübertragung stören Wir an zu vielen Geräten terminiert, so können die Leitungstreiber nicht mehr die erforderlichen Pegel erreichen Seite 14

15 Festplatten: SCSI Buszyklen Wenn kein Gerät aktiv ist: Bus Free Will ein Gerät Daten austauschen: Bus Arbitration: Anlegen seiner ID auf den Datenbits (also Bit 7 für ID 7) Warten von 2.4 µs, ob andere Geräte auch aktiv werden wollen Ist kein anderes Datenbit gesetzt, so kann losgelegt werden Ist ein anderes Datenbit gesetzt, so bekommt der mit der höchsten ID den Bus Es folgen Selection, Message und Datenaustausch Phase Ein anderes Gerät kann erst dann einen Buszugriff durchführen, wenn der aktuelle fertig ist. Es gibt keine Unterbrechungsmöglichkeit Seite 15

16 Festplatten: SCSI Kommandos Nach der Bus Arbitrierung werden Kommandos geschickt ( Was bist du?, Lese Sektor 2,...): Jedes Kommando hat 6/10/12 Byte: Byte 0 ist immer der Befehlscode Byte 1-3/1-5/1-5 enthalten Blocknummer (21/32/32 Bit) Mit 512 Byte Sektorgröße maximal 2 Terabyte adreßierbar Byte 4/7-8/6-9 enthalten Datenlänge (8/16/32 Bit) Byte 5/9/11 enthalten ein Steuerbyte Pflichtkommandos für alle Geräte wie z.b. Inquiry (Informationen über das Gerät anfordern) Geräteklassen abhängige Kommandos wie z.b. Sektor lesen für Festplatten oder zurückspulen bei Bandlaufwerken Seite 16

17 Festplatten: SCSI Zusammenfassung Maximal soviele Geräte anschließbar wie Datenbits vorhanden sind (normalerweise 8 oder 16) Spezieller Kontroller für PC erforderlich Maximale Datenrate: 160 MByte/s Maximale Festplattengröße (Fast SCSI-2): 2 Terabyte Im PC Bereich wegen höheren Kosten langsam von IDE verdrängt Direkte Transfers von Geräten untereinander möglich Seite 17

18 Festplatten: IDE Einführung 1984 von Compaq und Western Digital entwickelt 1985 erstes Laufwerk von Imprimis (Festplattenhersteller) Inzwischen der Standard für PC Festplatten Oft auch EIDE oder ATAPI genannt Höhere Datenraten durch höhere DMA Geschwindigkeiten (Ultra 66 IDE, Ultra 100 IDE) IDE basiert auf dem ISA Bus Nur wenige, billige Bausteine sind zum Anschluß einer Festplatte an den ISA Bus notwendig Anschluß von maximal 2 Geräten pro Festplattenkontroller Seite 18

19 Festplatten: IDE Pins Fast alle Pins der IDE Schnittstelle sind direkt am ISA Bus vorhanden: Reset: Resetleitung D0-D15: Datenleitungen A0-A2: Adressleitungen CS1FX, CS3FX: Chip Select Leitungen DMACK, DMARQ: DMA Leitungen INTRQ: Interrupt Request I/O Read, I/O Write: Lese-/Schreibzugriff Steuerleitung IORDY: Für Waitstates PDIAG, DASP, SPSYNC: Festplattenspezifisch IOCS16: 16 Bit Datentransfer Seite 19

20 Festplatten: IDE Anschlußmöglichkeiten Einfachste Möglichkeit: Anschluß an ISA Bus Die gleichen Signale verbinden CS1FX und CS3FX aus den oberen Adreßleitungen dekodieren: CS1FX entspricht Adressen 0x1F0-0x1F7(P)/0x170-0x177(S) CS3FX entspricht Adressen 0x3F0-0x3F7(P)/0x370-0x377(S) PDIAG wird nur zwischen Master und Slave verwendet, nicht beschalten SPSYNC nicht beschalten, unwichtig DASP kann als Laufwerksaktivitätanzeiger an eine LED angeschlossen werden Seite 20

21 Festplatten: IDE Anschlußmöglichkeiten Anschluß an einen Mikrokontroller Problem: 16 Bit Datenbus, Lösung: 16 Bit Mikrokontroller DMA/Interrupt evtl. nicht verwenden Einfach in den Adreßraum einblenden (mit den CS1FX/CS3FX Leitungen) Anschluß an Parallelport Eigentlich viel zu langsam Für Testzwecke ganz witzig Ein 8-Bit Latch (74HC574) notwendig, sonst direkt mit den Parallelport Pins verbinden Seite 21

22 Festplatten: IDE Register Insgesamt stehen 2*8 Register (CS1FX und CS3FX je 8) zur Verfügung, 6 davon sind unbenutzt Datenbreite immer 8 Bit (bis auf Datenregister mit 16 Bit) (Erbschaft aus XT Zeiten?) Adr. CS1FX Lesezugriff Schreibzugriff Adr. CS3FX Lesezugriff Schreibzugriff 0 Datenregister Datenregister 0-5 Unbenutzt Fehlerregister Featureregister Sektorzahl Register Sektornummer/LBA Alternativ Status Register Adreß Register Steuer Register unbenutzt Zylinder 0-7/LBA 8-15 Zylinder 8-15/LBA Laufwerk Register (Bit Kodiert) Status Register Kommando Reg. Laufwerk Register: Bit 0-3: Kopfnummer/LBA Bit 4: Drive (0 für Master, 1 für Slave) Bit 6: LBA Modus (wenn =1) Seite 22

23 Festplatten: IDE Register Weitere Bitkodierte Register: Fehlerregister: Bit 7 bis Bit 4: Bad Block Detected/Uncorrectable Data Error/Media Change/ID not Found Bit 3 bis Bit 0: Media Change Request/Abort Command/Track 0 not Found/Adress not found Status Register: Bit 7 bis Bit 4: Busy/Drive Ready/Drive Write Fault/Drive Seek Complete Bit 3 bis Bit 0: Data Request/Corrected Data/Index/Error Wichtig davon: Fehler Register: Abort Command: Kommando abgebrochen, ungültig Status Register: Busy: Das Laufwerk ist beschäftigt Drive Ready: Daten können in die Register geschrieben werden Data Request: Es sollen Daten übertragen werden (Mit DMA oder über das Datenregister) Error: Es ist ein Fehler aufgetreten, im Fehler Register nachlesen welcher Index: Wird einmal pro Umdrehung gesetzt Seite 23

24 Festplatten: Sektor Adressierung Normalerweise hat (zur Zeit) jeder Sektor 512 Byte Es stehen 3.5 Register, also 28 Bit, zur Verfügung Im LBA (Logical Block Adress) Modus werden die Bits als 28 Bit Adresse interpretiert Im CHS (Cylinder/Head/Sektor) Modus werden die Sektoren wie folgt adressiert: Register 3: Sektornummer Register 4/5: Zylindernummer Register 6: Kopfnummer Nachteil des CHS Modus ist, daß für den nächsten Sektor nicht einfach der 28 Bit Zähler erhöht werden kann Seite 24

25 Festplatten: Sektor Adressierung Modus unabhängig: 2^28*512 Byte=128 GByte maximale Größe Wegen beschränkter Sektoranzahl/Zylinderanzahl und Zone Bit Recording (unterschiedliche Sektoranzahl von inneren und äußeren Zylindern) werden die CHS Adressen von der Festplatte gemappt: Eine Festplatte hat insgesamt Sektoren (ca. 1 GByte) Einteilung nach außen in 63 Sektoren/15 Köpfe/2220 Zylinder In Wirklichkeit ganz andere Aufteilung (als Beispiel): Eine Datenscheibe, zwei Köpfe Spuren, mit drei Zonen zu 50/100/150 Sektoren Seite 25

26 Festplatten: Kommunikation Kommandos werden immer über die Register vom Kontroller in die Festplatte geschrieben Daten können über das Datenregister oder per DMA ausgetauscht werden Beispiel: Kommando Recalibrate (Suche Zylinder 0) Schreiben von 0x10 in das Kommando Register Warten bis Kommando ausgeführt (Drive Ready=1 und Drive Busy=0) Beispiel: Kommando Sektor lesen (Suche Zylinder 0) Sektoradresse in die Register 3-6 eintragen, Anzahl Sektoren (=1) nach Register 2 Befehl Sektor lesen (0x20) in das Kommando Register schreiben Warten bis Drive Ready=1 und Data Request=1 Solange Daten holen (sollten 512 Byte/256 Worte sein) bis Data Request=0 Seite 26

27 Festplatten: Einige Kommandos Read Sektor (0x20): Lesen des angegebenen Sektors Write Sektor (0x30): Schreiben des angegebenen Sektors Seek (0x70): Sektoradresse anfahren Recalibrate (0x10): Spur 0 suchen Format Track (0x50h): Spur formatieren Identify Drive (0ECh): Laufwerksdaten ausgeben Wort 1/54: Anzahl Zylinder (real/gemapped) Wort 3/55: Anzahl Köpfe (real/gemapped) Wort 6/56: Sektoren pro Spur (real/gemapped) Wort 23-26: Firmware (ASCII) Wort 27-46: Modellbezeichnung (ASCII) Wort 60/61: Gesamtzahl adressierbarer Sektoren im LBA Modus Seite 27

28 Festplatten: IDE Zusammenfassung Maximal 2 Geräte pro Kontroller (Slave/Master Protokoll Register 6) Früher direkter Anschluß an ISA Bus, heutzutage im Chipsatz integrierter Kontroller Maximale Datenrate: 100 MByte/s Maximale Festplattengröße: 128 Gigabyte Eigentlich nur für Festplatten, inzwischen auch Standard für CD-ROM, Bandlaufwerke und andere Geräte Direkte Transfers von Geräten nicht möglich untereinander möglich Seite 28