Kapitel 2 Laufwerke. Laufwerke / Speichermedien Tabellarische Anordnung folgender Laufwerke und...

Kapitel 2Kapitel 2LaufwerkeLaufwerke

Laufwerke / SpeichermedienTabellarische Anordnung folgender Laufwerke und Beschreibung des Funktionsprinzips: LS 120/240, Zip, JAZ, MO, CD/DVD/UDO/AOD.

wichtige Leistungsmerkmale:Speicherkapazität,Übertragungsgeschwindigkeit (Schreib-/Lesegeschwindigkeit),Zugriffsgeschwindigkeit,Schreib-/LesemöglichkeitPreis/Leistungsverhältnis, 

spezielle Leistungsmerkmale:KompatibilitätLautstärkeentwicklung,Haltbarkeit, Empfindlichkeit,Stromverbrauch,sonstige Besonderheiten....

Diskette / FestplatteDiskette / Festplatte

Festplatte

Disk-Layout

Plattenstapel

Grundbegriffe (1)

• SektorSpur (Track)Kopf (Head)Zylinder (Cylinder)

Diskette

AufzeichnungsverfahrenAufzeichnungsverfahren

FM (Frequency Modulation)

• das FM-Verfahren verwendet zur Speicherung abwechselnd ein Taktbit und ein Datenbit. Es war in den 70er Jahren weit verbreitet und wurde durch das MFM-Verfahren abgelöst.

Das Ziel der verschiedenen Aufzeichnungsverfahren ist die optimale Ausnutzung der vorhandenen Oberfläche des Datenträgers zur Datenspeicherung (hohe Speicherdichte hohe Speicherkapazität)

MFM (Modified FM)

MFM kann Daten mit doppelter so hoher Speicherdichte auf der Oberfläche eines Datenträgers abspeichern als FM.

Heute arbeitet allerdings nur noch das klassische Diskettenlaufwerk mit dieser Aufzeichnungsmethode.

RLL (Run Length Limited)

Das RLL-Verfahren arbeitet noch mal 50% effektiver als das MFM-Verfahren und ist seit Ende der 80er Jahre das aktuelle Aufzeichnungsverfahren heutiger Festplatten.

DatenträgerorganisationDatenträgerorganisation

FormatierungDurch das Formatieren wird der Datenträger für die Datenaufnahme vorbereitet.

• Low-Level-Formatierung

• High-Level-Formatierung:

Diskettenformatierung

Das Diskettendateisystem ist FAT12, bei vollständiger Diskettenformatierung wird sowohl LOW als auch HIGH formatiert, es wird immer ein Bootsektor angelegt ob Boot- oder reine Datendiskette.

Analyse Diskettenkapazität

Rohkapazität: 2 MB

Formatdaten: 0,525 MB

Kapazität: 1.474.560 ByteKapazität: 1.457.664 Byte (tatsächlich)

Dateisystem: 16.896 Byte(2 x FAT (je 8192 Byte) + 512 Byte Bootsektor)

(berechnet)(80T x 18S x 512Byte x 2H)

Dateisystem

Aufgabe des Dateisystems

Grundbegriffe (2)

• Cluster (Zuordnungseinheit, Block)Partition (Logisches Laufwerk)

Partitionierung

Diskettenkapazität

Bei der Diskettenformatierung unter Windows wird das Dateisystem FAT12 verwendet.

Es stellt insgesamt 2^12 4085 Einträge für die Verwaltung der Cluster zur Verfügung.

FAT12 unterstützt Clustergrößen von 512B bis 4KB.

Wie hoch ist der theoretische Adressraum von FAT12?

Bei der Diskette werden nur 2847 Cluster genutzt.

2847 Cluster (Zuordnungseinheiten) x 512 Byte/S = 1.457.664 Byte Speicherkapazität

Gesamtkapazität Diskette: 4085*512Byte = 2.091.520Byte

Kapazitätsformel: T*S*H*Bytes.

FehlerkorrekturFehlerkorrektur

Grundproblematik

Für den effizienten Betrieb einer Festplatte ist ein kontinuierlicher Adressraum von großer Bedeutung. Dem stehen nicht zu vermeidende Produktionsmängel (defekte Sektoren oder Spuren) entgegen. Diese würden Löcher in den kontinuierlichen Adressraum einer Festplatte reißen. Mittels geeigneter Korrekturmechanismen müssen diese korrigiert werden.

In den ersten System-Zylindern (Nr.-2, -1; nur Controllerzugriff!) werden "Defekte" verwaltet und der kontinuierliche Adressraum sichergestellt.

Sektor-Slipping

Bad-Sektor-Mapping

Zone-RecordingZone-Recording

Zone-Recording (1)

Zone-Recording (2)

Zone-Recording (Tabelle)Zone

Spuren in Zone

Sektoren pro Spur

Datenübertragungs-

rate (Mbit/s)0 454 232 92,91 454 229 91,72 454 225 90,43 454 225 89,24 454 214 85,85 454 205 82,16 454 195 77,97 454 185 74,48 454 180 71,49 454 170 68,210 454 162 65,211 454 153 61,712 454 142 57,413 454 135 53,714 454 122 49,5

TranslationTranslationFestplatten-Adressierung

Adressierungs-Mechanismus

Die allgemeine Vorgehensweise bei der Adressierung von HD-Speicher hat sich seit dem Bestehen von Festplatten nur geringfügig geändert.Das Betriebssystem schickt eine Sektor-Adresse an das BIOS, das BIOS wiederum übermittelt diese Adresse an die Festplatte, die daraufhin den Sektor lokalisiert und die Daten zurückliefert.Moderne Betriebsysteme (Windows, Linux) sprechen die Festplatte direkt über eigene Treiber an. Der Umweg über das BIOS entfällt.

Adressierungs-Standards

Mit der Kapazitäts- und Geschwindigkeitsentwicklung der Festplatten haben sich auch die verwendeten Adressierungs-Standards (= ATA- bzw. IDE-Standard) gewandelt.

Ausgangspunkt solcher Verfahren war und sind die jeweiligen Spezifikationen aller beteiligten Systeme:

• Festplatte mit ihrem ATA- bzw. (E-)IDE-Standard• Das BIOS, mit seiner INT13h-Routine, und• das Betriebssystem, das über den INT13 oder mittels eigenem Treiber

auf die Festplatte zugreift.

Im Folgenden wird die Entwicklung der verschiedenen Adressierungs-Modi (ATA/IDE–Standards)

• CHS-Modus• Normal- oder E-CHS-Modus• LBA-Modus

detailliert dargestellt.

CHS-(/Normal-) ModusCylinder Head Sektor

Das CHS-Verfahren (ATA/IDE) ist das älteste Verfahren und wurde bis Mitte der 90er Jahre verwendet. Es setzt auf den physischen Geometriedaten des Laufwerks auf und adressiert mit eine CHS-Angabe den Sektor direkt. Das BS/BIOS übergibt mit einer CHS-Angabe den gewünschten Sektor. Dabei ist zu berücksichtigen, daß BIOS und ATA/IDE mit unterschiedlichen Spezifikationen arbeiten und nur die Schnittmenge (fett hervorgehoben) der Spezifikationen zur Adressierung verfügbar ist. Damit ist der Adressraum auf 1.024C * 16H * 63S *512B =

504MB (=Bootgrenze!) beschränkt gewesen!

CHS-Modus bis

ca. 90er Jahre aktuell

Altes BIOS bzw. Int13

mit 24 Bit Adressraum

Erster IDE/ATA-Standard mit 28 Bit

Zylinder 10 Bit 1.024 16 Bit 65.536

Köpfe (Heads) 8 Bit 256 4 Bit 16

Sektoren pro Spur 6 Bit 63 (64-1) 8 Bit 255 (256-1)

max. Adressraum 7,875 GB 127,5 GB

Bootgrenze

E-CHS / Large-Modus

Da das erste CHS-Verfahren mit 504 MB Adressraum schnell an seine Grenzen kam wurde 1993 mit Einführung des EIDE-Standards auch ein Large bzw. E(xtended)-CHS-Modus eingeführt. Diese Modi erlauben Werte von bis zu 255 Köpfen! Bei diesen Modi wurde durch Mapping nunmehr mit logischen CHS-Angaben ein Sektor angesprochen. D.h. die Festplatte meldete dem BIOS über eine CHS-Angabe nicht ihre tatsächliche Geometrie sondern nur ihre Kapazität! Die CHS-Angaben von BS/BIOS hat die Lw-Elektronik dann auf den physikalisch korrekten Sektor umgerechnet! Diese Umstellung auf "virtuelle" Geometriedaten war auch wegen des aufkommenden Zone Bit Recording unumgänglich!

Bootgrenze = 1.024C * 255H * 63S *512B = 7,84GB

Large bzw. E-CHS-Modus

1993 bis 1996 aktuell

Altes BIOS bzw. Int13

mit 24 Bit Adressraum

EIDE/ATA-Standard

mit 32 Bit (?)

Zylinder 10 Bit 1.024 16 Bit 65.536

Köpfe (Heads) 8 Bit 256 8 Bit 255

Sektoren pro Spur 6 Bit 63 (64-1) 8 Bit 255 (256-1)

max. Adressraum 7,875 GB 127,5 GB

Mapping

LBA-ModusLinear Block Adressing

!996 wurde mit dem LBA-Modus ein komplett anderes Adressierungsverfahren eingeführt. Im gleichen Zuge wurde auch der INT13 "erweitert".

LBA reiht alle Sektoren in einen linearen Adressraum, angefangen bei 0 bis n, ein. Zur Adressierung übergibt das BS/BIOS nur die entsprechende LBA-Nummer, die Laufwerkselektronik ermittelt daraufhin den zutreffenden Sektor. LBA benötigt neben einem angepassten BS/BIOS auch ein "modernes" Dateisystem wie z.B. FAT32, NTFS, ... .

Mit dem LBA-Modus ergeben sich folgende neue Bootgrenzen:– ATA arbeitet bis Ultra-ATA/100 mit 28 Bit

228 * 512B = 127,5 GB

– ab Ultra-ATA/133, S-ATA mit 48 Bit

248 * 512B = 128 PB– die INT13 Extension-BIOS-Routine kann allerdings sogar mit 64 Bit arbeiten!

264 * 512B = 16 EB

INT13-Extension

ATA-StandardATA-Standard(Advanced Technology Attachments)

ATA-StandardATA (ca.'85) legt das Signalverhalten und das Protokoll für das IDE-Bussystem fest. Dabei geht es nur um die Übertragung zwischen Laufwerk und Host-Adapter. Für den Transfer vom Adapter zum Speicher ist ATA nicht zuständig! Für den Datentransfer zwischen Lw und Adapter existieren 4 Protokolltypen:

– PIO veraltet,– Single-Word-DMA ausgestorben,– Multiword-DMA kurz "DMA" genannt veraltet,

und– Ultra-DMA aktuell

PIO-Modus

DMA-Modus

Ultra DMA-Modus

ATA-Modi

Translations-Modi

Modus C H S Bitsmax. Kapazität

Bootgrenzebinär / dezimal

Bemerkung

CHS 1024 16 63 20 504 /528MBursprüngliche BIOS/

IDE-Schnittstelle

LBA (alt) 4096 16 63 22 1,97 /2,1GB 1995/96

LBA (alt) 8192 16 63 23 3,94 /4,2GB 1996

LBA 24 1024 255 63 24 7,8/8,4GB 1997/98

LBA 28 65536 255 63 28127,5/

136,9GB 1999 (IDE Standard)

LBA 48 2^32 255 65536 48 124 /144PB 2002

ATA-1Standard Protokolle Bandbreite Busbreite Geräte Jahr

Standard ATA

ATA-1

PIO-Mode 0 3,3 MByte/s

8

2

ab '94(IDE)

PIO-Mode 1 5,2 MByte/s 2

PIO-Mode 2 8,3 MByte/s 2

Single-Word-DMA 0 2,1 MByte/s 2

Single-Word-DMA 1 4,2 MByte/s 2

Single-Word-DMA 2 8,3 MByte/s 2

Multi-Word-DMA 0 4,2 MByte/s 2

max. 4MB/s, 2 Laufwerke, asynchrone Signalverarbeitung, d.h. abwechselnd werden Steuer- und Datensignale über dieselbe Leitung gesendet

ATA-2

Standard ProtokolleBandbreite

MByte/sBusbreit

eGeräte Jahr

Fast ATAATA-2

PIO-Mode 3 11,1

16

2x2

ab '95(E-IDE)

Multi-Word-DMA 1 13,3 2x2

PIO-Mode 4 16,6

16

2x2

Multi-Word-DMA 2 16,6 2x2

max. 16,6MB/s; EIDE 1995; 4 Laufwerke, synchroner Signaltransfer

ATA-3Standard Protokolle

BandbreiteMByte/s

Busbreite Geräte Jahr

Ultra ATA/33

ATA-3

Ultra-DMA 0 16,6

16

2x2

1996/

1997

Ultra-DMA 1 25 2x2

Ultra-DMA 2 33,3 2x2

max. 33MB/s; S.M.A.R.T.-Technologie (=Self Monitoring Analysis and Reporting Technology) Selbstprüfungsmechanismus. Die gesammelten Status-Informationen über den Betriebszustand der Platte werden in einer Tabelle protokolliert (Angaben zu Motor, Köpfe, Elektronik, Platten...), liegen die Daten irgendwo außerhalb einer gewissen Toleranz wird eine Warnmeldung an das BS ausgegeben um einen drohenden Voll-/Teilausfall des Gerätes und somit Datenverlust zu verhindern.

Exkurs SMART

SMART (im BIOS oder mit Tool enablen) führt zu Performance-Verlust und ist deswegen meistens ausgeschaltet.Überprüft die HD während des Betriebes auf Störungen:

– durch Festplattenermüdung– magnetische Abschwächung

• z.B. Erdmagnetfeld oder• Luft-Erosion durch Schreib-/Lesekopf

– Drehzahl-Schwankungen– Anzahl Leseversuche für einen Sektor– ...

ATA-4

Standard ProtokolleBandbreite

MByte/sBus-breite

Geräte Jahr

Ultra ATA/66

ATA-4Ultra-DMA 3 66,6 16 2x2 ab '99

max. 66MB/s CD-ROM wird beim Hochfahren automatisch (ohne Treiber) erkannt dadurch kann von diesem Laufwerk auch gebootet werden

ATA-5

Standard ProtokolleBandbreite

MByte/sBusbreite Geräte Jahr

Ultra ATA/100

ATA-5 Ultra-DMA 4 100 16 2x2 ab '00

max. 100MB/s; spezielles 80adriges Kabel; 28 Bit-Adressierung

ATA-6

Standard ProtokolleBandbreite

MByte/sBusbreite Geräte Jahr

Ultra ATA/133

ATA-6 Ultra-DMA 5 133 16 2x2 ab '02

max. 133MB/s; 48 Bit-Adressierung

S-ATA

Standard ProtokolleBandbreite

MByte/sBus-breite

Geräte Jahr

S(erial) ATA UDMA 150 seriell einzeln ab '03

max. 150MB/s; jedes Laufwerk wird einzeln am Controller angeschlossen daraus ergibt sich für jedes Gerät die volle Bandbreite, da voneinander unabhängig (Master/Slave fällt weg); Signalspannung von 5V auf 0,25V gesenkt; 7adriges bis 1m langes Rundkabel einfacher und übersichtlicher; bessere Luftzirkulation;Probleme bei Parallel: Signalverzögerung, Signalrauschen, Terminierung;voraussichtlich Standard für die nächsten 10 Jahre; zukünftige Bandbreiten: S-ATA2=300MB/s, S-ATA3=600MB/s

SCSI vs. E-IDEHardware

– SCSI flüssigkeitsgelagerte Platten für 24Std.-Betrieb– E-IDE kugelgelagerte Platten für 8Std.-Betrieb

Vorteile für SCSI bei mehreren Geräten

ATAPIAdvanced Technology Attachment Packet Interface

ATA"PI" ist ein Unterstandard von ATA. Er erweitert ATA/IDE dahinge-hend, daß neben Festplatten auch andere Laufwerkstypen:

– Zip-,

– LS-,

– CD/DVD-Laufwerke u.a.

angeschlossen werden können.

PartitionierungPartitionierung(logische Laufwerke erstellen)

Partitionierung

Die heutigen Laufwerksgrößen von mehr als 120GB sind kaum noch übersichtlich zu handhaben, daher werden sie in kleinere logische Laufwerke "partitioniert". D.h. ein Laufwerk wird erst in kleinere Partitionen aufgeteilt, die dann anschließend formatiert werden müssen

Vorteile:– Übersichtlichkeit (Handlichkeit),– Sicherheit,– schnellerer Zugriff,– mehrere Betriebssysteme

Partitionsarten

primär:

boot:

erweitert:

logisch:

Hilfsprogramm Fdisk

Fdisk kann nur eine! Primärpartition erstellen und ist auch sonst in den Möglichkeiten her sehr begrenzt!

Fdisk Parameter:

fdisk /status aktuelles Partitionslayout anzeigen

fdisk /mbr Partitionssektor wird wieder hergestellt*

fdisk /ext erweiterte Partition herstellen

fdisk /x nicht die LBA-Partition laden

* der Bootstrploader und die dahinter liegenden Sektoren werden neu geschrieben, die Partitionstabelle bleibt unberührt!

Partitionsaufbau

• Bootsektor (Bootloader/BS-Starter, Partitionsangaben)

• FAT (File Allocation Table)

• FAT (Sicherungskopie der ersten FAT)

• Wurzel-/Stammverzeichnis

• Datenbereich (Verzeichnisse und Dateien)

Anzeigelogik der LaufwerkeNur die aktive Primärpartition wird angezeigt, alle anderen Primärpartitionen auf dem 1. Laufwerk wird ausgeblendet.

Laufwerksreihenfolge:– zuerst Primärpartitionen in der physischen

Laufwerksreihenfolge– danach in der Reihenfolge der physischen

Laufwerke die vorhandenen logischen Partitionen– danach Wechselmedien z.B. Zip-, LS120/240/750

Laufwerke und andere– danach CD/DVD

zukünftigezukünftigeFestplatten-Festplatten-TechnologienTechnologien

IBMIBMAFC-TechnologieAFC-Technologie

(Antiferro-Magnetically-Coupled)-

AFCDa die Anzahl der Scheiben durch die Gehäusegröße limitiert ist, müssen für noch mehr Kapazität neue Technologien her, die eine höhere Speicherdichte ermöglichen. Eine Lösung von IBM sind antiferro-magnetically-coupled Speichermedien, die statt einer zwei magnetische Schichten aufweisen. Diese AFC Technologie erlaubt höhere Speicherdichten von zur Zeit 100 GBit pro Quadratzoll. Hierdurch werden Scheiben mit einer Kapazität von 125 GB in naher Zukunft möglich. Bei der Maxtor D540X ergeben 4 Scheiben eine Kapazität von 160 GB. Demnach wären 500 GB demnächst möglich.

Traditionelle Speichertechnik

AFC-Speichertechnick

SeagateSeagatePRT-TechnologiePRT-Technologie

(Perpendicular Recording Technology)

PRT-Technologie

Während die Flächendichte-Steigerungsraten bei der herkömmlichen Longitudinal-Aufzeichnung abnehmen, und die maximale Datendichte bei etwa 100 GBit/in² liegt, erlaubt die Vertikalspeicherung langfristig Flächendichten von bis zu 1 TBit/in² (Marktreife etwa ab 2007). Dies entspricht ungefähr der 20-fachen Dichte heutiger Festplatten. Mit der PRT-Technologie (=Perpendicular Recording Technology) sollen in naher Zukunft (Markteinführung für 2004 geplant) 100 GBit/in² (Spurdichte: 149k TPI, Bitdichte: 680k BPI) und eine Bandbreite von bis zu 125 MByte/s möglich werden. Zum Vergleich weisen heutige Platten Speicherdichten von ca. 42 GBit/in² (2/2003) bzw. 54,2 GBit/in² (5/2003). Daraus ergibt sich eine Kapazität von 120 GByte pro Platte oder mit der neuen Technik 300 GByte. Laut Seagate soll eine 3,5" HD 1TB Speicherkapazität erreichen.

PRT-Technologie (Bild1)

PRT-Technologie (Bild2)

weitere weitere TechnologienTechnologien

HAMR-Technologie

Eine weitere Technik ist HAMR-Technologie (=Heat Assisted Magnetic Recording) bei der ein Laser die Daten auf die Festplatte schreibt. Sie soll eine Datendichte von 10 TBit/in² ermöglichen!

SOMA-Technologie

Eine weitere Technologie zur Steigerung der Datendichte ist SOMA (=Self Orientating Magnetic Arrays). Hierbei sollen sich die Partikel auf der Datenoberfläche selbst ausrichten – jedes gespeicherte Bit wird dann einem statt bislang 100 Magnet-Partikeln zugeordnet. Zusammen mit der vertikalen Aufzeichnung und der HAMR-Technologie soll SOMA Datendichten von bis zu 50 TBit/in² ermöglichen.

Überblick zukünftige Festplattenentwicklung

Technologie Datendichte max. MarktreifeEinzelplatten-

kapazität

derzeitige Technik 50 GBit/in² 2003 120 GByte

nahe Zukunft 100 GBit/in² 2004 - 2006 200 - 400 GByte

PRT 1 TBit/in² 2007 ? 3 TByte ?

HAMR 10 TBit/in² ? 30 TByte ?

SOMA+PRT+HAMR 50 TBit/in² ? 150 TByte ?