54
SVEUČILIŠTE U SPLITU ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE STUDIJ RAČUNARSTVA DARKO GRUBIŠIĆ DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJE Split, lipanj 2007. Mentor: Valentini Kožica, dipl.ing. Split, lipanj 2007.

TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

  • Upload
    buidien

  • View
    226

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

SVEUČILIŠTE U SPLITU ODJEL ZA STRUČNE STUDIJE

STUDIJ RAČUNARSTVA

DARKO GRUBIŠIĆ

DIPLOMSKI RAD

TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJE

Split, lipanj 2007.

Mentor: Valentini Kožica, dipl.ing.

Split, lipanj 2007.

Page 2: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

1

1. UVOD I KRATKA POVIJEST TVRDOG DISKA

Potreba za masovnom pohranom podataka postoji otkad god su računala u upotrebi. U samim počecima glavni medij bila je papirnata traka ili bušene kartice, na koje su se bušile rupice koje su označavale jedinicu informacije. Prva magnetska memorija bila je predstavljena u obliku polja magnetnih jezgri, gdje je svaka jezgra sadržavala bit podataka – najmanju jedinicu pohrane podataka. Međusobna povezanost jezgri je omogućila nasumičan pristup (random access) podacima tokom čitanja i pisanja. Ova memorija je bila postojana, pouzdana i brza, ali su se podaci brisali svakim čitanjem, što je zahtijevalo trenutačno ponavljanje zapisa pročitanih podataka. Ova tehnologija je kasnije prerasla u trodimezionalna polja feritnih jezgri torusnog oblika sa kapacitetom od par kilobita (kb).

Prva pojava tvrdog diska zabilježena je 1956., kada je IBM proizveo model 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Mogao je pohraniti 5MB podataka na 50 ploča promjera 24” (oko 61cm). Taj disk se nije prodavao, već iznajmljivao za otprilike 35.000 USD godišnje, iz čega proizlazi da je najam jednog megabajta prostora stajao oko 7.000 USD godišnje. Takvi su diskovi godinama bili rezervirani isključivo za mainframe računala. Postojale su i velike “farme diskova” modela promjera 14” i 8” izoliranih u klimatiziranim prostorima korporacijskih podatkovnih centara.

Popularizacija magnetnog zapisa kao pohrane podataka ima svoje začetke u stvaranju prve floppy (savitljive) diskete 1967., koju je također stvorio IBM. Prvi model u širokoj upotrebi predstavljen je 1971. i to je bila dugo korištena 8” disketa, koja je bila jedan plastični savitljivi disk, presvučen željeznim oksidom. 1976. se uvodi tzv. minifloppy disketa promjera 5.25”. Taj format se zadržao u široj upotrebi sve do sredine devedesetih godina. Najviše je populariziran kada je tvrtka Apple 1978. predstavila Disk II, pogon za čitanje takvih disketa namijenjen njihovim tada jako popularnim Apple II računalima. Dotad su glavni magnetni medij kućnih računala predstavljale spore i nepouzdane audio kazete.

1981. IBM predstavlja PC (Personal Computer), svoj prvi model osobnog računala, koji je ubrzo postao svjetskim standardom, a čak i njemu su isprva diskete bile samo opcionalan dodatak. Iduće godine tvrtka Davong Systems predstavlja tvrdi disk kapaciteta 5MB kao dodatak za IBM PC. 1983. IBM predstavlja model XT (eXTended), koji se isporučivao sa ugrađenim tvrdim diskom od 10MB. Pridjev tvrdi se odnosi na ploče unutar diska koje su bile napravljene od tvrde aluminijske slitine, za razliku od mekane plastike unutar disketa, a bio je sagrađen oko Winchester tehnologije, razvijene još 1973.

1987. je predstavljen tvrdi disk promjera 3.5”, što predstavlja dimenziju diskova u današnjim kućnim računalima. To je ujedno i model koji se ugrađivao prva prijenosna računala, što je bilo omogućeno njegovom veličinom. Daljnji razvoj je ponudio i manje diskove veličine 2.5”, koji su danas standard u prijenosnicima.

Brz razvoj rezultirao je ogromnim skokom kapaciteta i brzine diskova, od nekadašnjih 5MB podataka i brzine prijenosa od 12.5 kB/s, pa sve do današnjih diskova koji pohranjuju do 1TB podataka, a ostvaruju brzine prijenosa do 300MB/s.

Page 3: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

2

2. TVRDI DISKOVI

2.1. Konstrukcija i osnovni pojmovi

Iako su im brzina i kapacitet značajno porasli, tvrdi diskovi su i dalje u osnovi jako slični prvim 10MB Winchester diskovima koji su bili ugrađivani u PC XT-ove tokom ranih 80-ih. U njima se nalaze okrugle ploče, presvučene specijalnim materijalom koji omogućuje spremanje informacija u formi magnetskih staza. One rotiraju velikom brzinom (danas 5400-12000 okr./sek.), pogonjene posebnim motorom osovine. Glave su elektromagnetski uređaji za čitanje i pisanje po ploči, a montirane su na klizače, koji su na ručici pokretača. Pokretač je zadužen za postavljanje ručice u pravu poziciju. Pločica s logikom upravlja aktivnostima ostalih dijelova i zadužena je za komunikaciju s ostatkom računala.

Slika 1. Prikaz unutrašnjosti tvrdog diska

Svaka površina ploče može sadržavati desetke milijardi zasebnih bitova podataka.

Organiziraju se u veće “komade” radi praktičnosti, kao i da bi se omogućio lakši i brži pristup podacima. Svaka ploča ima dvije glave, jednu sa gornje, a jednu sa donje strane, tako da disk sa 3 ploče ustvari ima 6 glava. Zapis na ploči je u obliku koncentričnih traka, koje se dalje razdjeljuju na sektore od 512 bajtova.

Page 4: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

3

Tvrdi diskovi se proizvode visokom preciznošću radi iznimno malih sastavnih dijelova, kao i njegove važnosti unutar računala. Glavni dijelovi diska su izolirani od vanjskih utjecaja koji bi ih mogli oštetiti.

Ploče tvrdih diskova se sastoje od 2 komponente: supstrata, materijala koji im daje oblik i čvrstoću (obično aluminijska legura) i magnetskog nanosa, koji u osnovi sadržava magnetske impulse koji predstavljaju pohranjene podatke. Pošto se sve radnje odvijaju točno na njima, jako se pazi na finoću izrade i čistoću prostora u kojem se proizvode, da bi se izbjegle i najmanje nesavršenosti. Većina materijala ploče otpada na supstrat, na kojeg se postavlja magnetski nanos. Pred taj materijal se postavljaju zahtjevi za lakom obradom, čvrstoćom, malom specifičnom masom, stabilnošću, magnetska inercija, niskom cijenom i lakom dobavljivošću. Aluminijska legura zadovoljava sve te kriterije, pa je zato materijal od kojeg se već dosta godina izrađuju supstrati. Pošto glava lebdi neposredno nad površinom ploče, ona mora biti jako glatka. Kod starijih pogona je taj problem bio manje izražen radi većeg razmaka između glave i površine. No, danas se napretkom tehnologije taj razmak smanjuje, a brzina vrtnje ploča povećava, što pogoduje oštećenju glave. Iz tog razloga se su kao glavni zamjenski materijali staklo, stakleni kompoziti i magnezijske legure.

Slika 2. Usporedba površina aluminijske i staklene ploče

Na slici 2. se nalaze mikroskopske snimke površina aluminijske (lijevo) i staklene (desno) ploče. Uočljiva je finija površina staklene ploče i uz staklene kompozite predstavlja nadolazeći standard za sirovinu. U usporedbi sa aluminijskima, staklene ploče imaju nekoliko prednosti:

- bolja kvaliteta – staklene površine su puno glatkije i ravnije, što osigurava niže razmake glave od površine i veće brzine okretanja diska

- povećana krutost – u odnosu na aluminij, staklo je kruće pri istoj masi

- tanje ploče – omogućava postavljanje više ploča unutar iste veličine pogona, a također manje i teže, što smanjuje opterećenje motora

Page 5: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

4

- toplinska stabilnost – ugrijano staklo se puno manje rasteže od aluminija. Iako servo mehanizam unutar pogona nadoknađuje pomicanje traka uslijed rastezanja, ipak je poželjnije da je efekt što manje izražen

Očit nedostatak stakla prema aluminiju je lomljivost, što je posebno izraženo kod jako tankih ploča i zato se istražuju kompoziti stakla i keramike.

Medij koji se nanosi na površinu ploče i služi pohrani informacija je jako tanak sloj magnetskog materijala, debljine nekoliko µm. Stariji diskovi su koristili medij od oksida. To se zapravo odnosi na željezni oksid, čije se čestice posebnim vezivnim materijalom nanose na površinu.

Slika 3. Usporedba ploča sa medijima od tankog filma (gore) i oksida (dolje)

Oksid je vrlo jeftin, ali ima nekoliko ozbiljnih mana. Jako je mekan, što znači da će se lako oštetiti pri slučajnom dodiru sa glavom za čitanje/zapisivanje. Također, iskoristiv je samo za zapisivanje pri relativno niskoj gustoći, što nije predstavljalo problem kod ranijih uređaja, ali su zahtjevi za većom gustoćom pokazali da su čestice željeznog oksida prevelike za sve manja i manja magnetna polja koja se nastojalo pohraniti.

Današnji tvrdi diskovi koriste medij od tankog filma. Iako ni nanos od oksida nije bio posebno debeo, ipak je bio značajno deblji od tog novog materijala i otuda naziv. Nekoliko se procesa koristi za nanošenje sloja tog medija na supstrat, jedan od njih je i galvanizacija, slična onoj kod pozlaćivanja nakita. Drugi je naparavanje, koji se koristi procesom posuđenim iz industrije poluvodiča za naparavanje tankog sloja medija na površinu. Tako obrađene ploče imaju prednost što im je površina puno ujednačenija i glatkija od onih dobijenih galvanizacijom. Radi povećane potrebe za visokom kvalitetom na novijim pogonima, to je primarna metoda, unatoč većim troškovima izvođenja.

Page 6: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

5

Medij od tankog filma je u usporedbi sa onim od oksida puno ravnomjernije raspoređen i glatkiji. Također ima i dosta bolje magnetske karakteristike, što mu omogućuje pohranu veće količine podataka na istom prostoru, a usto je i puno tvrđi i trajniji, što ga čini manje podložnim oštećenjima. Nakon nanošenja sloja medija, obično se svaka površina ploče dodatno prekrije tankim zaštitnim slojem od ugljika, da bi se i on na kraju prekrio supertankim podmazujućim slojem, koji štite disk od oštećenja uslijed slučajnog kontakta sa glavom ili stranim česticama koje bi se mogle uvući u pogon.

Istraživači IBM-a rade na tvari koja bi mogla zamijeniti medij od tankog filma u nadolazećim godinama. Umjesto naparivanja metaličnog filma na površinu, kemijska otopina organskih molekula i čestica željeza i platine se nanosi na površinu ploča, razmaže se i zagrijava. Kad je proces gotov, čestice željeza i platine se postave u prirodan oblik mreže kristalića, od kojih svaki može sadržavati magnetski naboj. IBM naziva ovu strukturu nanocrystal superlattice (superrešetka nanokristala), a ova tehnologija bi mogla povećati površinsku gustoću medija za pohranu podataka za 10 do čak 100 puta. Vrijeme ove tehnologije tek dolazi i pokazuje kako magnetska pohrana podataka ima prijeći još velik put dok ne istroši sav prostor za napredak.

Promjer ploča određuje kategoriju kojoj će disk pripadati, a izražava se u inčima. Danas uobičajene veličine su 3.5” i 2.5”, dok su nekad bili česti diskovi sa pločama promjera 5.25”. To nisu precizno izraženi promjeri, već približne vrijednosti, da se naglasi kako tvrdi disk zauzima jednak prostor u kućištu računala kao i neki drugi iste oznake. Uglavnom se teži izradi što manjih ploča, iz nekoliko razloga:

- poboljšana čvrstoća – što je ploča čvršća, otpornija je na vibracije i lakše podnosi velike brzine (>7200 okr./min.) kojima se danas vrte

- jednostavnost izrade – glavni zahtjev je uniformnost i glatkoća površine, što je puno lakše postići sa manjim pločama

- smanjenje mase – laganije ploče se lakše zavrte i održavaju u brzini, a traže i dosta slabije elektromotore

- ušteda energije – manji diskovi u principu troše manje nego veći

- smanjenje zagrijavanja i buke – proizlazi iz gore navedenih činjenica

- bolje vrijeme traženja – smanjena je udaljenost koju mora prijeći pokretač glave od jedne do druge strane da bi obavio nasumično traženje, što ubrzava nasumično čitanje i zapisivanje.

Od danas dostupnih diskova najmanja ploča je promjera 1” i nalazi se u IBM Microdriveu, a radi dimenzija, lako se napaja iz baterije.

Diskovi imaju obično od jedne do pet ploča. Neki modeli za poslužiteljska računala imaju ih i desetak, a neki jako stari modeli i više. Nanizane su na zajedničkoj osovini i pokretane istim motorom, a posebni prstenovi ih drže na stalnom razmaku. To sve zajedno drži na okupu poseban “poklopac” na vrhu osovine. Svaka ploča ima dvije površine na koje se spremaju podaci i svaka površina ima svoju glavu za čitanje i zapisivanje. Ipak, ne iskorištavaju se uvijek sve površine, jer proizvođači tako mogu označiti diskove s jednakim brojem ploča različitim kapacitetom, na način da jednostavno jednu površinu ne iskoriste. Velik broj ploča donosi probleme kao, na primjer, povećanje snage potrebne da bi se osovina zavrtila radi veće mase koju nosi itd. Danas su kapaciteti sâmih ploča narasli, pa je taj problem manje izražen.

Page 7: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

6

Ploče su organizirane u specifične strukture da bi se omogućilo smisleno spremanje i dobavljanje podataka. Svaka je podijeljena na desetke tisuća traka, koje su u biti gusto nabijeni koncentrični krugovi. Pošto traka sadrži preveliku količinu podataka da bi bila osnovna jedinica količine podataka na tvrdom disku, dijeli se na sektore, koji predstavljaju jedinicu za najmanju količinu podataka kojoj se može pristupiti i uobičajeno sadrže 512 bajta. Prvi diskovi su imali 17 sektora po traci, dok današnji imaju na tisuće i koriste se zonskim zapisivanjem, što omogućuje više sektora na vanjskim trakama ploče.

Površinska gustoća, ponekad nazivana i gustoćom bitova, predstavlja količinu podataka koju se može spremiti na datu površinu ploče i izražava se u broju bitova po jedinici površine (u ovom slučaju kvadratnih inča) i ima kraticu BPSI (bits per square inch). Računa se umnoškom gustoće traka (izražava broj traka duž inča radijusa ploče, a označava se sa TPI – tracks per inch) i linearne ili zapisne gustoće (izražava broj bitova koji se mogu zapisati duž inča jedne trake, označava se sa BPI – bits per inch). Ipak, uobičajena mjera, kojom se lakše uspoređuju kapaciteti ploča različitih diskova, je količina gigabajta po ploči. Dakako, usporedba ima smisla samo dok se uspoređuju diskovi istih nazivnih dimenzija.

Dva načina za povećanje površinske gustoće u klasičnoj tzv. LMR tehnologiji zapisa (longitudinal magnetic recording – dužno magnetsko zapisivanje), povećanjem linearne gustoće zbijanjem bitova na svakoj traci ili povećanje gustoće traka, tako da ih svaka ploča sadrži više. Povećanje površinske gustoće ne vodi samo većem kapacitetu, već i ubrzanju čitanja i zapisivanja, jer se povećavaju brzina pristupa i prijenosa podataka. Ipak, tu se javljaju problemi poput interferencije među bitovima, što se obično rješava smanjivanjem jačine magnetskog polja, što izaziva daljnje probleme, poput pitanja stabilnosti podataka i osjetljivosti glava za čitanje/pisanje, koje moraju biti dovoljno osjetljive i prolaziti dovoljno blizu površine, da bi pokupile te slabe signale, što opet postavlja zahtjeve na čistoću i glatkoću površine ploče, da bi se izbjeglo uništenje glave.

Glave za čitanje/pisanje se mogu predstaviti kao međusklop između podataka na magnetskom mediju i elektronike koja tvori ostatak tvrdog diska, a i PC-a. One obavljaju pretvorbu bitova u magnetske impulse pri zapisivanju, a rade obratno pri čitanju zapisa. Jedan su od najskupljih i najsloženijih dijelova tvrdog diska, pošto su izravno odgovorne za ubrzanje rada diska. Sastoje se od malenih elektromagneta koji hvataju ili odašilju magnetske impulse. Svaki bit podataka koji treba spremiti se zapisuje koristeći posebnu metodu enkodiranja, koja pretvara nule i jedinice binarnog zapisa u promjene magnetskog toka, o čemu će više riječi biti kasnije.

Jedna bitna karakteristika tvrdog diska koja ga razlikuje od ostalih magnetskih medija (disketa, VHS ili audio kazeta) je što glava za čitanje/pisanje nema fizički kontakt sa medijem. Razlog leži u velikoj brzini kojom se ploče diska okreću i u potrebi da se glava često pomiče iz trake u traku. Najraniji diskovi su čak bili konstruirani tako da je glava dodirivala medij, ali se već tada shvatilo da dolazi do prebrzog trošenja i glave i medija. Moderne glave, dakle, lebde nad površinom diska, a razmak između glave i diska se naziva visina lebdenja ili visina preleta (floating/flying height), a ponekad i rastojanje glave (head gap). Radi jako male visine lebdenja (mjeri se u milijuntim dijelovima inča), tvrdi diskovi se sastavljaju u čistim prostorijama, gdje je zrak filtriran i od najsitnijih čestica. Ipak, unutar kućišta diskova nije vakuum, kako bi se moglo pomisliti, a da je tako, ne bi bilo zraka na kojem bi glava mogla lebdjeti.

Page 8: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

7

Iz toga proizlazi da, ako zrak ipak ulazi u unutrašnjost diska, se ipak stavlja neku vrst filtera na otvore, tako da se ipak ne onečiste osjetljive glave i(li) ploče diska.

Slika 4. Usporedba visine preleta i veličine čestica nečistoće

Starije vrste glava za čitanje/pisanje (feritne, metal-in-gap i thin film) radile su koristeći 2 osnovna principa elektromagnetske sile. Prvi je da propuštanje električne struje kroz zavojnicu inducira magnetsko polje (koristi se pri zapisivanju na disk), gdje smjer magnetskog polja ovisi o smjeru kretanja struje kroz zavojnicu. Drugi se odnosi na indukciju struje kad zavojnica prolazi kroz magnetsko polje (koristi se pri čitanju sa diska) i tu također smjer kretanja struje ovisi o smjeru magnetskog polja. Novije magneto-otporne (MR - Magnetoresistive) i gigantske magneto-otporne (GMR - Giant Magnetoresistive) glave se ne služe induciranom strujom u zavojnici za čitanje podataka, nego rade na principu magnetskog otpora, gdje pojedini materijali mijenjaju svoj otpor pod različitim magnetskim poljima. Iako se uobičajeno nazivaju glavama za čitanje/pisanje (a starije su doslovno to i bile), novije MR i GMR imaju u biti dvije odvojene glave za svaku operaciju, kao posljedicu različitih tehnologija za čitanje i zapisivanje. Iako su kompliciranije za proizvodnju, ipak to ima svojih prednosti zbog mogućnosti finog podešavanja svake glave za svoju operaciju, dok su starije radile kompromis radi dvojnog karaktera. Ponekad se ovakva konstrukcija naziva konstrukcijom spojenih glava (merged heads).

Slika 5. Prikaz MR glave tvrdog diska

Ranije se spominjala potreba za zapisivanjem slabijih magnetskih impulsa radi smanjenja intereferencije među zapisanim bitovima, a upravo je to razlog radi kojeg su MR i GMR glave zavladale tržištem. Osjetljivije su i dosta manje od prvotnih kombiniranih glava. Uz njih se koriste i posebni sklopovi koji pojačavaju očitane slabe signale i prevode ih u digitalnu domenu, u kojoj u biti postaju podaci koji su zapisani na disku. Uz to se još koriste i sklopovi za nalaženje i ispravljanje pogreški, koje mogu nastati slabljenjem zapisa, dok neke novije glave koriste i magnetske “oklope” sa svake strane glave, da ikakav zaostali magnetizam ne bi uticao na nju.

Page 9: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

8

2.1.1 PMR tehnologija Magnetne čestice, iako vrlo malene, svojim dimenzijama su stvorile problem

nastojanjima da se na površinu ploče tvrdog diska smjesti još više podataka. Pošto su čestice vrlo različitih oblika i veličina jedan bit informacije se smješta na njih stotinjak, kako bi se sigurnost zapisa ostala očuvana. Pokušaj da se smanji broj korištenih čestica po bitu nosi opasnost od spontanog obrtanja magnetskog pola, uslijed utjecaja topline prisutne u okolišu, pa čak i sobne temperature.

PMR tehnologija (perpendicular magnetic recording, u prijevodu “tehnologija okomitog magnetskog zapisivanja”) stvorena je kako bi se riješio taj problem, zgušnjavajući magnetske čestice tako što njihovi magnetski tokovi nisu položeni paralelno u odnosu na ploču već okomito. Ispod sloja magnetičnog materijala nalazi se dodatni tzv. “mekani pod-sloj”, koji je jako provodljiv za magnetski tok. Kada glava za zapisivanje primi strujni impuls, stvara se magnetski tok koji u prostoru između glave i mekanog pod-sloja stvara vrlo intenzivno magnetsko polje. Upravo se u tom prostoru nalazi sloj za zapisivanje podataka vrlo visoke koercitivnosti. Takvi mediji zahtijevaju jaka magnetska polja da bi im se moglo utjecati na magnetizaciju, ali zapis koji nose je puno stabilniji jednom kada se magnetiziraju.

Druga generacija PMR tehnologije je donijela daljnji napredak usavršavanjem glave, medija i elektronike diska. Glava za zapisivanje je mijenjana dodavanjem tzv. „trailing shielda“ (pratećeg oklopa), smještenog blizu iza stražnjeg ruba glave. Postiže se blago pojačanje magnetskog polja, ali je veća dobit u tome što polja odumiru jako brzo dok se medij kreće od pôla glave do oklopa. Ova izrazita promjena polja znači da se zapisani bitovi sada mogu oštrije istaknuti.

- Medij te ustrojstvo glave kod PMR-a

Pošto je klasični medij za horizontalno zapisivanje dosegao svoje granice toplinske stabilnosti veličine bita, razvijen je „zrnat“ medij od posebne magnetske legure kobalta, kroma i platine (CoCrPt), kojem su slojevi razdvojeni oksidom.

Signal PMR zapisa je drastično različit od klasičnog zapisa, prvenstveno radi zakretanja u fazi za 90° svake frekvencijske komponente, što odgovara rotaciji smjera magnetizacije za 90° između horizontalnog i vertikalnog zapisivanja. Uz fazni pomak energija signala je također veća pri niskim frekvencijama u odnosu na LMR zapisivanje.

Slika 6. Prikaz LMR sklopa za čitanje/pisanje

Page 10: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

9

Kod uobičajene LMR glave magnetsko polje potrebno za zapisivanje ima izraženiju horizontalnu nego vertikalnu komponentu. Kod PMR-a magnetizacija medija je orijentirana u smjeru gore-dolje. Radi što učinkovitijeg zapisivanja PMR glave trebaju zato proizvesti polje koje ima izraženiju okomitu nego vodoravnu komponentu. Oblik glave više nije četvrtast već više trapezoidnog oblika, kako bi se izbjeglo brisanje podataka u susjednim trakama kada glava radi pod oštrim kutem.

Slika 7. Prikaz PMR sklopa za čitanje/pisanje

Osim unaprijeđenja ustrojstva glave za zapisivanje, PMR rješava još neke

probleme poput brisanja polom i brisanja zaostalim poljima. Brisanje polom je naziv za pojavu kada pol za zapisivanje ispušta magnetsko polje iako je struja zapisivanja postavljena na 0 na kraju ciklusa zapisivanja, a za posljedicu se može dogoditi da se nenamjerno obrišu podaci. Ova pojava se javlja zbog iznimno malih dimenzija i feromagnetske strukture PMR polova za zapisivanje, zato su potrebni su pomno odabrani materijali za magnetski medij tankog filma.

Page 11: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

10

2.1.2. NAND Solid State tehnologija

Pošto su mogućnosti zapisivanja na magnetni medij dosegle svoje granice, industrija je morala pronaći zamjenu. Sve brža računala i sve veći korisnički zahtjevi po njihove performanse ukazuju upravo na tvrde diskove kao usko grlo svakog sistema. Zato je Samsung kao novu tehnologiju za tvrde diskove odabrao NAND flash, razvijen inače od strane korporativnog partnera Toshibe još 1989., a prvenstveno radi sličnog principa dijeljenja zapisa kao kod klasičnih tvrdih diskova. Kod NAND flash tehnologije zapis se dijeli na tzv. „stranice“ koje su najčešće veličine 512 ili 2048 bajtova, kojima se još pridružuje dodatnih 12-16 bajtova za pohranu kodova za provjeru grešaka. Stranice se zatim grupiraju u „blokove“, najčešće po 32 stranice od 512 bajtova ili 64 stranice po 2048 bajtova. Zapisivanje se vrši na razini stranica, ali se brisanje radi isključivo na razini cijelih blokova.

Slika 8. NAND disk tvrtke TDK kapaciteta 32GB

NAND je vrsta tzv. „flash“ memorije, koja je dosta u upotrebi kod danas dosta raširenih prijenosnih USB ključeva. Padom cijene proizvodnje otvorila se mogućnost stvaranja NAND flash tvrdih diskova upotrebljivih kapaciteta, koji se trenutno kreću između 4 i 128GB. Iako zasada značajno skuplji u odnosu na klasične tvrde diskove (cijena po MB), postoje prednosti diskova zasnovanih na ovoj tehnologiji, koje se prvenstveno očituju u nedostatku ikakvih pokretnih mehaničkih dijelova, čime se odstranjuje velik dio konstrukcijskih problema, kao i onih koji bi se mogli pojaviti tokom korištenja. Samim time smanjena je buka koju inače proizvode motor i kretanje glave klasičnog tvrdog diska, a nije zanemariv ni pad radne temperature. Sve ove karakteristike NAND flash diskove čine jako privlačnim izborom za prijenosna računala, kod kojih su problemi pokretnih dijelova i radne temperature posebno izraženi, tako da se već najavljuje prvi model prijenosnika sa tvornički ugrađenim NAND SSD tvrdim diskom.

Manjak pokretnih dijelova ubrzava i pristup podacima na disku, te su vremena pristupa i traženja značajno smanjena. To ih čini idealnima za pohranu operativnih sustava i programa kojima se korisnik služi, jer se upravo tu stvara usporenje tokom korištenja računala. Zasada su kretanja takva da se NAND SSD diskovi koriste više za ovakve primjene (dijelom i radi zasada ograničenih kapaciteta i visoke cijene), a klasični tvrdi diskovi za dugotrajnu pohranu veće količine podataka.

Page 12: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

11

2.2. Geometrija tvrdih diskova i strukture podataka na niskoj razini 2.2.1. O dekodiranju i enkodiranju podataka

Digitalna informacija je niz nula i jedinica, koje se na tvrdim diskovima spremaju

u obliku magnetskih impulsa. Ovo podrazumijeva pretvaranje informacija u magnetske impulse pri zapisivanju i obrnut postupak pri čitanju, a to obavlja pločica s logikom smještena unutar sâmog diska.

Magnetska informacija na disku je predstavljena u obliku vrlo malih magnetskih polja, koja se temelje na toku energije od sjevernog (N) prema južnom (S) polu magneta, i to na način da se postave ili u smjeru N-S ili S-N. Iako se čini najjednostavnijim da se jednostavno primjeni analogija 0 i 1 na N-S i S-N, to ipak nije izvedivo na taj način, a razlozi su sljedeći:

- obrtanje polja – glave za čitanje/pisanje nisu dizajnirane za detekciju polariteta magnetskih polja, već za detekciju obrtanja magnetskog polja, što se odnosi na promjenu iz N-S prema S-N i obratno. Lakša su za detekciju, pošto se pri prelasku glave preko obrtanja polja stvara lagani naponski izboj. Povećanjem gustoće zapisa na disku, svako magnetsko polje ponaosob ima sve manju snagu, što otežava detekciju i zato je oslonac na promjenama magnetskog polja

- sinkronizacija – u enkodiranju podataka jako je bitno znati gdje neki bit počinje, a gdje završava. Radi toga nije moguće jednostavno nanizati određen broj nula, jer se lako izgubi trenutna lokacija.

- razdvajanje polja – polja se ne nalaze fizički tik jedno do drugog jer bi to stvorilo jedno veće magnetsko polje ukupnim zbrojem svih malih magnetskih polja

Slika 9. Pojednostavljeni prikaz čitanja i zapisivanja

Prvenstveni cilj enkodiranja informacija je da se smanji broj potrebnih obrtaja toka potrebnog za sinkronizaciju u odnosu na broj potrebnih za zapis podataka. Najranije metode enkodiranja su bile relativno primitivne i trošile su previše obrtaja toka na sinkronizaciju, što je tokom vremena ipak značajno napredovalo, pa je time omogućeno gušće zapisivanje podataka i veće iskorištenje prostora.

Page 13: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

12

2.2.2. Metode enkodiranja podataka

FM (Frequency modulation)

Prva uobičajena metoda enkodiranja bila je frekvencijska modulacija, skraćeno FM. Jedinica se zapisuje kao dva uzastopna obrtaja toka, a nula kao obrtaj toka nakon kojeg nema promjene toka. Ovo se može shvatiti kao i obrtaj toka na početku svakog bita za potrebe sinkronizacije i zatim dodatni obrtaj za jedinicu, dok se ispušta za nulu.

Bit Uzorak enkodiranja Obrtaja toka po bitu Učestalost bitova u nasumičnom nizu

0 RN 1 50% 1 RR 2 50%

Prosjek 1.5 100%

Tablica 1. uzorak zapisa za FM (gdje je R obrtaj toka, a N nedirnut tok).

Ime ‘frekvencijska modulacija’ dolazi iz činjenice da je učestalost tj. frekvencija obrtaja toka kod jedinica dvostruka u odnosu na nule, što je jasno vidljivo iz zapisa jednog bajta jedinica (RNRNRNRNRNRNRNRN) i nula (RRRRRRRRRRRRRRRR).

Slika 10. Zapis bajta 10001111 FM enkodiranjem

Problem sa ovom metodom je rasipnost, pošto svaki bit zahtjeva dvije pozicije obrtanja toka, uz dodatni obrtaj potreban za sinkronizaciju. U usporedbi sa naprednijim metodama, potrebno je nekoliko puta više obrtaja toka za istu količinu podataka. Ova se metoda koristila na najranijim floppy disketama, direktnim prethodnicima onih u PC-ovima. FM metodu je iz upotrebe izbacila MFM metoda još prije nego je predstavljen IBM PC, ali predstavlja dobru osnovu za shvaćanje MFM metode.

Page 14: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

13

MFM (Modified Frequency Modulation)

U osnovi je to dorađena FM metoda, otuda i naziv ‘modificirana’ frekvencijska modulacija. Napredak se očituje u smanjenju obrtaja toka potrebnih za sinkronizaciju i to tako da se umjesto na početku svakog bita, sinkronizacijski obrtaj umetne samo između dvije uzastopne nule. Kod jedinice obrtaj nije potreban pošto se već nalazi unutar sâmog bita. Kad jedinica prethodi nuli, zna se da je obrtaj već bio, pa još jedan nije potreban.

Uzorak bita Uzorak enkodiranja Obrtaja toka po bitu Učestalost bitova u

nasumičnom nizu 0

(0 prethodi) RN 1 25%

0 (1 prethodi) NN 0 25%

1 NR 1 50% Prosjek 0.75 100%

Tablica 2. uzorak zapisa za MFM

Pošto je prosječan broj obrtaja toka upola manji od onog kod FM, može se udvostručiti frekvencija zapisivanja i time omogućiti zapis približno dvaput više podataka na istoj površinskoj gustoći. To podrazumijeva i veću složenost krugova za enkodiranje i dekodiranje, radi veće složenosti samog algoritma.

Slika 11. Usporedba zapisa FM i MFM algoritmima

MFM enkodiranje se koristilo na floppy disketama i na najranijim tvrdim diskovima. Pošto se ovom metodom udvostručivao kapacitet floppy disketa, dobijale su oznaku double density (DD, dvostruka gustoća). Kod tvrdih diskova se ipak ubrzo prešlo na efikasniju RLL metodu, dok se kod floppy disketa zadržao MFM iz potrebe za kompatibilnošću.

Page 15: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

14

RLL (Run Length Limited)

Ova tehnika enkodiranja predstavlja unaprijeđenu MFM tehniku, ali na puno profinjenijoj razini. Umjesto pojedinih bitova, pri enkodiranju razmatra grupe bitova. Definiraju je 2 parametra, run length i run limit. Izraz run se odnosi na niz razmaka bez obrtanja toka. “Run length” je najmanji razmak između obrtaja toka, dok je “run limit” najveći razmak između njih. Vrijeme između 2 obrtaja toka ne smije biti preveliko, inače se gubi sinkronizacija.

Varijanta RLL-a koja se koristi na nekom pogonu se izražava kao ‘RLL (X,Y)’ ili ‘X,Y RLL’, gdje je X “run length”, a Y “run limit”. Najčešći tipovi su 1,7 RLL i 2,7 RLL.

Uzorak bita Uzorak enkodiranja Obrtaja toka po bitu Učestalost bitova u

nasumičnom nizu 11 RNNN 1/2 25% 10 NRNN 1/2 25% 011 NNRNNN 1/3 12.5% 010 RNNRNN 2/3 12.5% 000 NNNRNN 1/3 12.5%

0010 NNRNNRNN 2/4 6.25% 0011 NNNNRNNN 1/4 6.25%

Prosjek 0.4635 100%

Tablica 3. uzorak zapisa za RLL

Kontroler u toku podataka traži odgovarajuće uzorke, koje zatim enkodira određenim slijedom. “10001111” bi se raščlanio na “10-0011-11” i enkodirao kao “NRNN- NNNNRNNN- RNNN”. Pošto svaki uzorak završava sa “NN”, najmanji razmak između dva obrtaja toka je upravo 2. Maksimalni razmak bi se postigao sa dva uzastopna “0011” uzorka, što bi izgledalo kao “NNNNRNNN- NNNNRNNN” i odgovara maksimalnom razmaku od 7. Dakle, u pitanju je RLL (2,7).

Slika 12. Usporedba FM, MFM i RLL (2,7) enkodiranja

Najočitija je povećana složenost: koristi se 7 različitih uzoraka i odjednom se razmatra i do 4 bita. Prosječan broj obrtaja je približno 0.50, što je puno efikasnije i od FM i od MFM enkodiranja.

Page 16: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

15

PRML (Partial Response, Maximum Likelihood)

Standardni krugovi za čitanje rade na principu detekcije obrtaja toka i njihove interpretacije bazirane na metodi enkodiranja kojom se kontroler služi. Podatkovni signal se očita s površine diska pomoću glave, pojača i dovede do kontrolera, gdje se pretvara u digitalnu informaciju konstantnom analizom, sinkroniziranom na unutarnji clock, tražeći male izboje napona koji predstavljaju obrtaje toka. Ova metoda se naziva detekcija vrškova (peak detection).

Slika 13. Prikaz detekcije vrškova signala

Ova metoda radi izvrsno dokle god su vrškovi dovoljno veliki da se lako izdvoje iz pozadinskog šuma u signalu. Povećanjem gustoće zapisa, obrtaji toka se pakiraju bliže jedan drugom, što rezultira njihovom međusobnom interferencijom i težom analizom signala. Pošto je onda moguća kriva interpretacija bitova, to se mora izbjeći pod svaku cijenu. Rješenje je u slabljenju magnetskih polja u zapisu, a teškoće u čitanju oslabljenih obrtaja toka rješava ova metoda.

Slika 14. Prikaz detekcije PRML metodom

Page 17: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

16

Umjesto da pokuša razlučiti zasebne vrškove signala, kontroler koji se služi PRML-om upotrebljava sofisticirano digitalno uzorkovanje signala, procesiranje i algoritme detekcije da bi manipulirao analognim tokom podataka koji dolazi sa diska (“partial response”) i da odredi najvjerojatniji niz bitova koje predstavlja (“maximum likelihood”).

Iako djeluje čudna i nepouzdana, PRML metoda je dovoljno pouzdana da bi, uz nasljednika EPRML postala standardom za dekodiranje podataka na modernim tvrdim diskovima. Omogućuje povećanje površinske gustoće za 30-40% u usporedbi sa standardnom detekcijom vršaka u signalu.

EPRML (Extended PRML)

U osnovi predstavlja proširenje PRML metode, a razlikuje se u korištenju boljih algoritama i kvalitetnijih krugova za procesiranje signala, što im omogućuje efikasniju i precizniju interpretaciju informacija sa diska. Najveći dobitak s ovom metodom je veća površinska gustoća, koja se kreće između 20% i 70% u odnosu na standardni PRML. Ovo je danas usvojen standard koji zamjenjuje PRML na novim diskovima.

Page 18: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

17

2.2.3. BIOS BIOS (Basic Input/Output System) predstavlja najnižu razinu komunikacije

sklopovlja i programa koji se na njemu izvršavaju. Obavlja nekoliko osnovnih zadaća vezanih za kontrolu pristupa tvrdim diskovima:

- prekidne rutine BIOS-a – da bi se osigurao normalan rad različitog sklopovlja i programa, BIOS omogućuje standardni način programskog pristupa sklopovlju. To se naziva servisima BIOS-a i koristi se u brojnim aplikacijskim i programima operativnog sustava. Njima je postignuto jedinstveno sučelje prema tvrdom disku, tako da programi ne trebaju znati kako komunicirati sa svakim tipom diska ponaosob.

- nalaženje tvrdog diska i podešavanje – moderni BIOS-i mogu od samoga diska dobiti informacije o njegovim parametrima i automatski ga sami podesiti

- podrška za načine prijenosa – u sprezi sa čipsetom na matičnoj ploči i sistemskom ulazno/izlaznom sabirnicom, BIOS kontrolira koji se načini prijenosa mogu koristiti sa tvrdim diskom.

- Sučelje Int13h

Kada operativni sustav želi pristupiti tvrdom disku, koristi se servisima BIOS-a, a primarno sučelje prema BIOS-u bio je prekidni zahtjev poznat kao Int13h, gdje Int označava interrupt (prekidni zahtjev), dok se 13h odnosi na broj 19 u heksadecimalnom obliku. Sučelje Int13h podržava različite komande BIOS-a, koje se zatim prenose tvrdom disku, a odnose se na čitanje, zapisivanje i ostale operacije. Godinama je predstavljalo standard jer ga je koristio DOS, a napušteno je tek posljednjih godina i zamijenjeno modernijim načinima adresiranja tvrdog diska. Koristi se parametrima zapisanima u BIOS-u za adresiranje i za specifikacije tvrdog diska rezervira 24 bita:

- 10 bita za broj cilindra – ukupno 1024

- 8 bita za broj glave – ukupno 256

- 6 bita za broj sektora – ukupno 63 (prema konvenciji, sektori se obilježavaju počevši od 1)

Ovo sučelje podržava približno 16,5 milijuna sektora od 512 bajta, što daje 8,46GB kao maksimalnu veličinu diska. U vrijeme dizajniranja prosječna je veličina diska iznosila 10MB, ali se vremenom specifikacija pokazala ograničavajućom.

- Int13h proširenja

Predstavljaju novo sučelje, koje koristi 64 bita za adresiranje, što omogućuje maksimalnu veličinu od 9,4 trilijuna GB. Ključan podatak tvrdog diska postaje broj sektor, a metoda se naziva logical block addressing (logičko blok adresiranje) ili LBA. Radi kompatibilnosti, svi diskovi kapaciteta preko 8,4 GB su prijavljeni u BIOS-u maksimalnim vrijednostima.

- Direktan pristup disku (zaobilaženje BIOS-a)

Korištenje BIOS-a kao posrednika između programske podrške i sklopovlja je ipak neučinkovito, pa moderne verzije Windowsa imaju vlastite 32-bitne rutine pristupa tvrdom disku, koje su brže i učinkovitije od korištenja BIOS-a.

Page 19: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

18

2.2.4. Trake, cilindri i sektori

Sve informacije pohranjene na tvrdom disku su pohranjene unutar traka, koje su koncentrično posložene na površini ploče. Pobrojčene su počevši od nule s vanjske strane, pa prema unutrašnjosti. Moderni diskovi imaju desetke tisuća traka na svakoj ploči. Pojedina traka može sadržavati tisuće bajtova i nije pogodna za najmanju jedinicu pohrane, jer bi male datoteke trošile previše prostora. Zato se trake dijele na manje jedinice, sektore. Svaki sektor sadrži 512 bajtova podataka, uz dodatnih par desetaka bajtova za internu kontrolu sâmog pogona i kontrolu pogreške. Sektor sadrži:

- identifikacijske informacije – sadrži redni broj sektora, položaj (koristi se pri nalaženju) i statusne informacije o sektoru (npr. da li je neispravan)

- polja za sinkronizaciju – koriste se interno u pogonu za navođenje tokom čitanja

- podatke – ono što se željelo pohraniti

- ECC – kod za ispravljanje pogreški, koji osigurava cjelovitost podataka

- praznina – služi fizičkom razdvajanju dvaju sektora

Količina koju zauzimaju dodatne informacije ne smije biti velika, jer oduzima dragocjeni prostor za korisničke podatke. IBM je sredinom 1990-ih predstavio No-ID Format standard kojim je potpuno izbacio identifikacijske informacije iz zaglavlja sektora i premjestio ih u svojevrsnu mapu koja se nalazi u memoriji i iz koje se referenciraju sektori. Dobitci u kapacitetu po ploči su iznosili i do 10%.

Tvrdi disk se obično sastoji od više ploča, a svaka od njih ima po dvije glave za čitanje i zapisivanje podataka. Pošto se sve glave zajedno pomiču, njihov položaj se ne definira brojem trake, već brojem cilindra. Sâmo ime potiče od geometrijskog tijela kojeg vizualno stvaraju trake koje su po okomici na istom položaju.

Tradicionalno se sektori adresiraju sistemom CHS (Cylinders, Heads, Sectors).

Slika 15. Vizualni prikaz traka, cilindara i sektora

Page 20: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

19

Rani tvrdi diskovi su bili prilično primitivni i teško su se nosili sa kompliciranim radnjama pri pomicanju glava između traka i kao posljedicu toga, svaka traka je imala jednak broj sektora. Iz toga proizlazi da je površinska gustoća vanjskih traka puno manja od one unutarnjih traka, što znači da su vanjske trake bile neiskorištene, jer su teoretski mogle pohraniti više sektora nego im je bilo dodijeljeno.

Slika 16. Grafički prikaz zonskog zapisivanja

Da bi se eliminirao ovaj neiskorišten prostor, moderni tvrdi diskovi koriste tehniku pod nazivom zonsko zapisivanje bitova ili ZBR (Zoned Bit Recording), ponekad nazivanu i višestruko zonsko zapisivanje ili samo zonsko zapisivanje. Na ovaj način, trake su grupirane u zone bazirane na njihovoj udaljenosti od sredine diska i svakoj zoni je dodijeljen određen broj sektora.po traci. Kretanjem iz sredine diska prema rubu, prolazi se kroz različite zone, a svaka sadrži više sektora po traci od prethodne, pa se na taj način rubnoj traci dodjeljuje najveći broj sektora i bolje se iskorištava. Nuspojava je da se podaci brže čitaju na vanjskim trakama (koje sadrže više podataka) nego na unutarnjim, jer se uslijed konstantne kutne brzine u istoj količini vremena sa njih stigne pročitati više podataka.

Zona Traka u zoni Sektora po traci Brzina prijenosa (Mbits/s) 0 624 792 372.0 1 1,424 780 366.4 2 1,680 760 357.0 3 1,616 740 347.6 4 2,752 720 338.2 5 2,880 680 319.4 6 1,904 660 310.0 7 2,384 630 295.9 8 3,328 600 281.8 9 4,432 540 253.6

10 4,528 480 225.5 11 2,192 440 206.7 12 1,600 420 197.3 13 1,168 400 187.9 14 18,15 370 173.8

Tablica 4. Podaci o zonama za tvrdi disk IBM DeskStar 40GV

Page 21: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

20

Standardne postavke u BIOS-u za IDE/ATA (Integrated Drive Electronics / AT Attachment – pogoni s integriranom logikom) tvrde diskove dozvoljavaju određivanje samo jedne vrijednosti za stavku “sektora po traci”. Pošto svi moderni diskovi koriste ZBR i imaju više takvih vrijednosti, koriste se “logičkom” geometrijom za postavke u BIOS-u. IDE diskovi do 8,4 GB obično prijave BIOS-u 63 sektora po traci i zatim interno prevode na stvarnu geometriju. To su sve razlozi radi kojih se diskovi tvornički formatiraju na niskoj razini (low-level formatting), jer kontroler mora znati sve detalje oko različitih zona zapisivanja, sektora po traci za svaku od zona i općenitog ustroja.

Uobičajena operacija tokom rada tvrdih diskova je čitanje ili zapisivanje određenog broja sektora odjednom. Ako pretpostavimo da su sektori obrojčeni pravilnim redoslijedom i želimo pročitati 10 sektora, to bi podrazumijevalo čitanje prvog, zatim drugog i tako redom do desetog. No, kod starijih diskova se javljao problem kod prelaska sa jednog sektora na drugi, jer se ploče konstantno vrte, a tadašnji kontroleri su bili prespori da bi na vrijeme uspjeli pozicionirati glavu na slijedeći sektor nakon očitavanja. Alternativa čekanju da se ploča okrene za puni krug je korištenje interleavinga i parametra zvanog faktor interleavinga. Pritom se sektorima logički preurede redni brojevi na način da ne odgovaraju njihovom stvarnom redoslijedu. Cilj je bio postići da razmak između uzastopnih sektora bude dovoljan da se glava stigne namjestiti. Faktor interleavinga se izražava kao omjer N:1, gdje N predstavlja međusobnu udaljenost uzastopnih logičkih sektora. Pri faktoru 2:1 poredak za 15 sektora bi bio 1, 9, 2, 10, 3, 11, 4 , 12, 5, 13, 6, 14, 7, 15, 8, tako da dok ispod glave prolazi sektor 9 ona ima vremena namjestiti se za čitanje/pisanje sektora 2. To je jedan od parametara koji se postavljao tvorničkim low-level formatiranjem, a određivao se preciznim podešavanjem. Današnji tvrdi diskovi imaju faktor 1:1, jer je procesorska snaga značajno porasla i omogućila puno brži rad kontrolera.

Kod prebacivanja glave sa jednog na drugi cilindar javlja se sličan problem, koji je riješen pomakom cilindra. U situaciji kad se pročitaju svi sektori jedne trake i želi se nastaviti čitanje u sljedećoj, potrebno je određeno vrijeme za prebacivanje glave između cilindara. Iz tog razloga, prvi sektor sljedeće trake je pomaknut za veličinu izraženu pomakom cilindra.

U manjoj mjeri se javlja problem pri promjeni glava na istome cilindru. Iako nema fizičkog pomaka, kašnjenje ipak postoji, pa se zato svaka sljedeća ploča u montaži zarotira za određen broj sektora, kako bi se nadoknadio gubitak vremena. To se naziva pomak glave i vrijednost je uvijek manja od pomaka cilindra.

Slika 17. Pojednostavljeni prikaz pomaka cilindra i glave

Page 22: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

21

2.2.5. Formatiranje i kapacitet

Formatiranje diska se može predstaviti u tri koraka:

1. Formatiranje niskog nivoa (low level format) – u ovom procesu se upisuju pozicije traka i sektora, kao i kontrolne strukture koje određuju gdje se nalaze. Često se naziva i istinskim procesom formatiranja. Prvi put se primjenjuje u tvornici na nove i čiste ploče diska, a ako se primjeni na disk sa zapisanim podacima, njihov povrat je praktički nemoguć. Na današnjim diskovima nije moguće samostalno obaviti ovaj proces, jer je presložen. Starijim diskovima je to povremeno bilo potrebno radi pomaka uzrokovanih tada korištenim steper motorima pokretača glave.

2. Particioniranje – ovim procesom se disk dijeli u logičke dijelove koji su predstavljeni kao zasebni pogoni u operacijskom sustavu.

3. Formatiranje visokog nivoa – nakon upisivanja traka i sektora, ovim procesom upisujemo strukturu file systema koji će upravljati korištenjem diska. To se svodi na upisivanje master boot recorda (MBR) i alokacijske tablice. U MBR-u se nalaze informacije nužne za podizanje sistema sa tvrdog diska i zapisan je uvijek na prvom sektoru, a formatiranje se obavlja isključivo nakon particioniranja, makar se koristila samo jedna particija. Ovaj proces je karakterističan za svaki operativni sistem, jer se kod mnogih razlikuju datotečni sustavi

Unatoč preciznosti i mjerama opreza tokom proizvodnog procesa, praktički je nemoguće izbjeći nesavršenosti magnetskog medija i to se manifestira nečitljivim sektorima. Moderni diskovi koriste ECC da bi identificirali pojavu greške, ali ne mogu pomoći kod nekih fizičkih oštećenja i spriječiti korištenje tih dijelova diska. To su obično pojedinačni sektori koji ne rade, pa se obilježavaju kao loši sektori (bad sectors). Da bi se izbjeglo njihovo korištenje i greške koji iz toga proizlaze, vodi se evidencija o tome koji su sektori neprikladni za upotrebu. Ako pogon to ne radi sam, za to se brine operativni sistem. Svaki disk se temeljito ispituje u potrazi za bilo kojim područjima sa pogreškama. Svi sektori koji se čine nepouzdani se bilježe u posebnu tablicu, a taj proces se naziva defect mapping (mapiranje oštećenja). Neki pogoni ne obilježavaju samo pojedine sektore, već i cijele trake (bad tracks) kao mjeru predostrožnosti.

Pošto bi za proizvodnju savršenih diskova bila potrebna ogromna sredstva, proizvođači radije rezerviraju određen broj sektora (spare sectoring) kao rezervu pri pojavi loših sektora. Kad se otkrije loš sektor, označi se, a svi zapisi se preusmjeravaju na jedan od rezervnih sektora i cijeli je proces krajnjem korisniku neprimjetan i čini se kako moderni diskovi u većini slučajeva nemaju niti jedan loš sektor. Ako se oni ipak pojave, to je znak većeg problema sa samim tvrdim diskom.

Sve ovo upućuje na razliku u kapacitetu neformatiranog i formatiranog diska. Pri formatiranju određen dio diska zauzmu alokacijska tablica, ECC i ostali radni podaci. Za izražavanje kapaciteta tvrdih diskova se koriste binarne i decimalne jedinice. Radi matematičke slučajnosti, 210 (1024) je približno jednako 103 (1000), pa se koristi ista notacija (kilo-, Mega-, Tera-). Razlika ipak postaje drastična pri izražavanju kapaciteta modernih diskova (koji se mjere u desecima i stotinama GB) pa se čini da dio kapaciteta nedostaje, jer operativni sistemi rade na binarnoj bazi, a proizvođači oglašavaju kapacitet na decimalnoj.

Page 23: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

22

2.2.6. Specifikacija geometrije IDE/ATA diskova

- Fizička geometrija Odnosi se na stvaran fizički broj glava, cilindara i sektora koje disk ima. Na

starijim diskovima je ovo bila jedina geometrija koja se koristila, a u BIOS-u je bila predstavljena CHS zapisom. Bili su jednostavni, imali su par stotina cilindara, nekoliko glava i uvijek isti broj sektora u traci.

- Logička geometrija Današnji diskovi uslijed korištenja ZBR tehnologije nemaju isti broj sektora u

svakoj traci, a uz to koriste i mapiranje oštećenja. Njihova geometrija se zato ne može opisati jednostavnim CHS zapisom, pa se njihove dimenzije izražavaju logičkom geometriji, dok je fizička geometrija skrivena unutar kontrolera. Postoje i ograničenja u BIOS-u, poput maksimalnih 63 sektora po traci, dok današnji diskovi imaju i više od 100 sektora po traci, pa se nameće problem čak i bez korištenja ZBR-a. Logička geometrija u određenom smislu BIOS-u lažno deklarira karakteristike tvrdog diska, no to ne predstavlja problem u radu.

Specifikacija Fizička geometrija Logička geometrija Glava za čitanje/pisanje 6 16

Cilindara (traka po površini) 6,810 7,480

Sektora po traci 122 to 232 63 Ukupno sektora 7,539,840 7,539,840

Tablica 5. Usporedba fizičke i logičke geometrije za 3.8GB Quantum Fireball

Iz Tablice 5. je vidljivo kako obje geometrije daju jednak broj sektora kao rezultat, a to je upravo i smisao logičke geometrije. Nastojalo se postići da se iz BIOS-a omogući čitanje cijeloga diska korištenjem parametara unutar njihovih granica.Problem kompleksne interne geometrije se također riješio potpunom promjenom načina adresiranja, uvođenjem metode zvane logical block addressing (LBA – logičko blok adresiranje), u kojoj se sektorima dodijeljuju redni brojevi počevši od 0.

Današnji diskovi poprilično premašuju barijeru od 8.4GB. Određena je najvećim logičkim parametrima kojima se pristupa standardnim IDE/ATA diskovima korištenjem uobičajenih Int 13h rutina, a iznose C:1024, H:256 i S:63. Pošto ATA standard ograničava broj glava na 16, prijenos u logičku geometriju povećava broj cilindara, pa parametri prikazani logičkom geometrijom iznose C:16383, H:16 i S:63. Iz tog razloga se svim modernim pogonima pristupa korištenjem logičkim blok adresiranjem.

- Pretvorba geometrije u BIOS-u

Pretvorba između logičke i fizičke geometrije je najniža razina pretvorbe koja se odvija na modernim pogonima i u većini slučajeva potrebne su više razine pretvorbe da bi se zaobišlo ograničenja starijih konstrukcija. Iz tog razloga, postoji dodatna razina pretvorbe unutar samog BIOS-a ili nekog drugog programa.

Page 24: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

23

2.2.7. Upravljanje pogreškama i njihovo neutraliziranje

- ECC – Error Correcting Code (kôd za ispravljanje pogreški) Osnova svih pretragi za pogreškama i njihovog ispravljanja je u uključivanju

suvišnih informacija i specijalnog programa i sklopovlja koji će se njima služiti. Svaki sektor tvrdog diska sadrži 512 bajta ili 4096 bitova korisničkih podataka. Uz ove bitove, dodaje se određen broj bitova za provođenje ECC-a. Ovi bitovi ne sadrže podatke, već informacije o njima koje se mogu iskoristiti za rješavanje bilo kakvih problema koji bi mogli nastati pri pristupu stvarnim podacima.

Nekoliko je vrsta ECC-a izumljeno tokom godina, a tip koji se najviše koristi na PC-ovima je algoritam Reed-Solomon. Reed-Solomon kodovi su u širokoj upotrebi u raznim računalnim i komunikacijskim medijima, uključujući magnetsku i optičku pohranu podataka, modeme velike brzine i kanale za prijenos podataka, a odabrani su jer ih je jednostavnije dekodirati od većine drugih sličnih kodova, mogu otkriti i ispraviti velik broj nedostajućih bitova podataka i zahtijevaju najmanje ECC bitova naspram broja bitova podataka.

Pri zapisivanju sektora stvaraju se odgovarajući ECC kodovi i spremaju u bitove rezervirane za njih. Kad se sektor čita, očitani korisnički podaci u sprezi sa ECC bitovima mogu kontroleru reći da li je došlo do greške prilikom čitanja. Greške koje se mogu popraviti korištenjem ECC poprave se prije proslijeđivanja ostatku računala. Sistem može primjetiti da su podaci previše oštećeni da bi se mogli popraviti i u tom slučaju izbacuje obavijest o grešci. Sofisticiran firmware prisutan na svim modernim diskovima koristi ECC kao dio svojih općih protokola za rukovanje greškama i sve se odvija “u letu”, bez ikakve korisničke intervencije niti pada sposobnosti sistema. Firmware predstavlja unutarnji program zadužen za upravljanje diskom, zapisan u EEPROM memoriju, koju je moguće prepisivati, što omogućuje nadogradnje programa, a samim time i mogućnosti tvrdog diska.

Učinkovitost Reed-Solomon ECC implementacije ovisi o broju dodatnih bitova rezerviranih za ECC. Što ih je više, više grešaka se tolerira. Dodjela više bitova po sektoru omogućava robusnije otkrivanje i ispravku grešaka, ali isto tako znači da se manje sektora može smjestiti na traku, pošto je više linearne duljine trake zauzeto neinformacijskim bitovima. S druge strane, robusnijom zaštitom od grešaka dobija se povećanje površinske gustoće i neke druge prednosti, koje bi mogle opravdati upotrebu više ECC bitova. No, sa više ECC bitova i kontroler mora biti veće procesorske moći, pa inženjeri pri projektiranju moraju naći razuman odnos između svih ovih faktora.

Page 25: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

24

- Ozbiljnost pogrešaka pri čitanju i logika rukovanja greškama Ovo je općenit primjer postupaka pri rukovanju greškama:

1. Otkrivanje grešaka ECC-om – sektor se očita i provodi se proces provjere grešaka. Ako ih nema, sektor se proslijedi sučelju i očitavanje je uspješno završeno.

2. Popravak grešaka ECC-om – kontroler pokušava popraviti grešku uz pomoć ECC bitova očitanih iz sektora. Podaci se mogu jako brzo popraviti korištenjem ovih bitova, obično “u letu” bez ikakva zastoja. U tom slučaju, podaci se poprave i očitanje se smatra uspješnim. Većina proizvođača smatra ovo dovoljno uobičajenim da to uopće ne podrazumijeva kao grešku očitavanja. Greška popravljena na ovom nivou se smatra “automatski ispravljenom”.

3. Automatsko ponavljanje očitanja – obično je slijedeći korak čekanje da se disk okrene još jedanput i ponovi se čitanje. Ponekad je prva greška izazvana zaostalim magnetskim poljem, fizičkim šokom ili nekim drugim neponavljajućim problemom i u tom slučaju drugi pokušaj uspijeva. Ako ne uspije, čitanje se može ponoviti još nekoliko puta. Većina kontrolera je programirana da ponavlja čitanje sektora određen broj puta prije odustajanja. Ovakve greške se smatraju “spašenim” ili “popravljenim poslije pokušaja”.

4. Napredno ispravljanje pogrešaka – mnogi će pogoni, pri uzastopnim pokušajima očitavanja, upotrijebiti naprednije algoritme ispravljanja pogreški koji su sporiji i složeniji od uobičajenih, ali imaju veću uspješnost. Ove greške se smatraju “spašenim nakon višestrukih očitavanja” ili “spašenim naprednim ispravljanjem”.

5. Promašaj – ako je sektor i dalje nečitljiv, pogon signalizira sistemu grešku u čitanju. Ovo su “stvarne”, nepopravljive greške u čitanju.

Čak i prije potencijalnih problema sa čitanjem podataka, pogoni mogu imati problema sa nalaženjem trake u kojoj su podaci. Takav se problem naziva problem traženja (seek error). Pri takvoj pogrešci se odvija slična procedura kao i kod grešaka čitanja. Uobičajeno se napravi nekoliko pokušaja, a ako je traženje i dalje neuspješno, signalizira se nepopravljiva greška traženja. Ovo se smatra kvarom pogona, pošto su podaci vjerojatno i dalje prisutni, ali ne i dostupni.

Za svaki model tvrdog diska se provodi analiza da bi se utvrdila vjerojatnost događanja raznih pogreški, a bazira se na testovima na samom pogonu, statističkoj analizi i povijesti grešaka prijašnjih modela. Za svaki pogon se dodijeljuju ocjene u vidu moguće učestalosti greške.

Ozbiljnost greške Učestalost grešaka u najgorem slučaju (broj bitova između pojave grešaka)

Automatski ispravljenih nije specificirano Spašenih grešaka 1 milijarda (1 Gb)

Spašenih nakon višestrukih očitavanja (potpuno ispravljanje grešaka) 1 bilijun (1,000 Gb)

Nepopravljive greške čitanja 100 bilijuna (100,000 Gb)

Tablica 6. Učestalost grešaka za Quantum Fireball TM

Page 26: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

25

Za pogone se također obično zadaje učestalost pogrešnog ispravljanja. To se događa ako ECC algoritam nađe i ispravi grešku, ali pritom i sam počini grešku. Ovo je vrlo loša situacija jer se poruka o greški ne bi poslala sistemu, ali je i vrlo rijetka. Uobičajena učestalost ovakve greške je manje od 1 bita na 1021. Znači da se događa svakih bilijun očitanih gigabita ili milijun očitavanja 40GB pogona.

- Poruke o greškama i mapiranje oštećenja

Mnogi su pogoni dovoljno inteligentni da shvate kako sve nije u redu sa određenim sektorom, ako ga se može očitati samo nakon ponavljanja. Radi toga će pogoni obično nešto i poduzeti ako moraju više puta ponavljati očitavanje, a procedura ovisi o dizajnu.

Moderni pogoni podržavaju S.M.A.R.T., osobinu koja se brine o pouzdanosti pokušavanjem predviđanja kvara pogona na osnovi raznih navoda. Pogreške čitanja, pretjerani brojevi pokušaja ili problemi pri traženju su vrlo često uključeni među parametre koji navješćuju moguć kvar. Ako se prijeđu sigurnosne granice koje su odredili dizajneri pogona, može se pojaviti upozorenje S.M.A.R.T.-a, koje korisniku govori da je pogon vjerovatno pokvaren.

Page 27: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

26

2.3. Sposobnosti tvrdog diska, kvaliteta i pouzdanost

Iako su ispočetka smatrani samo prostorom za pohranu podataka, zadnjih godina se uvidjela njihova važnost za ukupne sposobnosti PC sistema. Unatoč napretku u brzini i dalje su usko grlo svakog sistema, poprilično zaostajući za sposobnostima grafičkih kartica, CPU-a ili matičnih ploča.

Pod sposobnostima se misli na sposobnost prijenosa podataka iz ili na disk kojeg mjerimo. Dva su zasebna dijela prijenosa, kod zapisivanja podaci se moraju dobaviti iz sistema i zatim zapisati u točne sektore na disku. Kod očitavanja proces je obrnut, podaci se očitavaju sa diska i zatim šalju sistemu.

Rezultati sposobnosti diska koje su posljedica njegove strukture i dizajna se smatraju unutarnjim sposobnostima, a one koje su posljedica ostatka sistema vanjskim sposobnostima. U svakom sistemu usko grlo se nalazi ili u disku ili unutar ostatka sistema (sučelje, sistemska sabirnica, CPU, pogonski programi, datotečni sustav), a najčešće nije oboje.

2.3.1 RAID

Jedan od pokušaja unaprijeđenja mogućnosti tvrdog diska je RAID (višestruka polja jeftinih diskova – Redundant Arrays of Inexpensive Drives). Osnovni princip se svodi na upotrebu višestrukih tvrdih diskova koji se unutar polja ponašaju kao jedan veći i brži disk. Postoji više načina za provođenje ovog principa ovisno o potrebama, ali u svakom slučaju upotreba višestrukih pogona rezultira napretkom u kapacitetu, brzini, sigurnosti podataka. Nekad je RAID bio rezerviran isključivo za primjene u vrhunskom poslovanju, uslijed visokih cijena potrebnog sklopovlja. Posljednjih se godina situacija promijenila i nedavnim pojavljivanjem jeftinih RAID kontrolera, omogućilo se povezivanje pristupačnih IDE/ATA diskova u polja.

Prednosti RAID-a se očituju u višoj sigurnosti podataka (kroz primjenu redundancije, većina RAID razina osim razine 0 omogućuju zaštitu podataka spremljenih u polju, što znači da podaci u polju mogu pretrpjeti kvar jednog ili ponekad i više diskova bez ikakvih gubitaka), toleranciji na pogreške, kapacitetu povećanom povezivanjem (spajanje više pogona u polje rezultira zbrajanjem njihovih pojedinačnih kapaciteta, umanjenih za manji dio koji oduzima redundancija) i unaprijeđenim mogućnostima (RAID sistemi omogućuju nadilaženje mehaničkih ograničenja iskorištavanjem prednosti višestrukih tvrdih diskova).

Page 28: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

27

3. SUČELJA ZA SPAJANJE TVRDIH DISKOVA

Sučelje koje disk koristi za spajanje na ostatak sistema je važno kao i karakteristike samoga diska. Kao komunikacijski kanal kojim protiču podaci, može predstavljati važan faktor koji ograničava sposobnosti sistema. Sva sučelja ne podržavaju iste uređaje, pa se izbor radi ovisno o namjeni. Cijena je također nezanemariv faktor, pa je IDE/ATA sučelje puno popularnije za kućna računala od skupljeg, ali i prilagođenijeg zahtjevnim situacijama, SCSI-a.

Rani diskovi nisu imali nikakvu logiku integriranu iznutra, već ih je kontrolirala vanjska jedinica, što je bio slučaj sa ST-506/ST-412 sučeljem, prvim dizajniranim za PC u tvrtki Seagate 1980. godine, a za spajanje su se koristila 2 plosnata kabela, 20-pinski za prijenos podataka i 34-pinski za prijenos kontrolnih signala. Rani su kontroleri bili jako općenite namjene i nisu se mogli optimizirati za rad sa pojedinim modelima. Napredak je nastupio definiranjem standarda ESDI (Enhanced Small Device Interface), kojeg je donijela grupa proizvođača tvrdih diskova predvođena tvrtkom Maxtor. Dio funkcija kontrolera je prebačen na sâm tvrdi disk, iako je glavnina ipak funkcija ostala na kontroleru. Rasprostranjenost s kraja 80-ih godina je izgubio pojavom dvaju standarda: IDE/ATA i SCSI.

U novije vrijeme se, uzrokovan sve većim zahtjevima po mogućnosti, pojavio novi standard, nazvan serial ATA (serijski ATA) ili skraćeno SATA. Njegovim uvođenjem se sve češće IDE/ATA standard naziva parallel ATA (paralelni ATA), da bi se naglasila razlika među njima. Donosi brojne prednosti, a razlikuje se samo u sloju sklopovlja, tako da mu nije potrebna posebna programska podrška.

3.1 IDE / ATA (parallel ATA)

IDE je najčešće sučelje PC tvrde diskove, što u prijevodu znači pogon s integriranom elektronikom (Integrated Drive Electronics) i tim se nazivom željelo naglasiti kako se razlikuje od uobičajenih vanjskih kontrolera u vremenu nastajanja. Iako i dalje u upotrebi, danas je taj naziv pravilnije zamijeniti skraćenicom ATA, u prijevodu AT priključak (AT Attachment), gdje se AT odnosi na nekad aktualnu arhitekturu PC-a.

Sve češće se uz ovu tehnologiju vezuje pridjev “paralelni”, što se odnosi na način funkcioniranja, gdje istodobno nekoliko žila prenosi podatke.

Page 29: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

28

3.1.1. IDE/ATA protokoli i načini prijenosa

- Programmed I/O (PIO)

Programirani I/O je najstariji način prijenosa podataka IDE/ATA sučeljem.

Sistemski procesor izvršava naredbe koje prenose podatke prema ili sa pogona i, uz pomoćno sklopovlje, izravno upravljaju prijenosom podataka između tvrdog diska i sistema. Postoji nekoliko brzina programskog I/O prijenosa, koji se zovu PIO načini prijenosa (PIO modes). Sredinom 1990-ih predstavljao je jedini način na koji su sistemi pristupali IDE/ATA diskovima.

PIO načine definira vrijeme ciklusa, koje je izraženo brojem nanosekunda tokom kojeg se odvije jedan transfer.

PIO način (Mode)

Vrijeme ciklusa (nanosekunde)

Maksimalni prijenos (MB/s) Standard unutar kojeg je definiran

Mode 0 600 3.3 ATA Mode 1 383 5.2 ATA Mode 2 240 8.3 ATA Mode 3 180 11.1 ATA-2 Mode 4 120 16.7 ATA-2

Tablica 15. Usporedba različitih načina PIO prijenosa

Ova tehnologija je pogodna za spore uređaje poput tipkovnice ili modema, no za

tvrde diskove, kod kojih se traži velika brzina prijenosa, nije dobro rješenje. Zauzeće vremena glavnog procesora je potrebno pri svakom čitanju/zapisivanju, a to vrijeme zauzeća raste sa porastom količine podataka za prijenos.

PIO načini ne zahtijevaju nikakve posebne pogonske programe, pošto je podrška za njih ugrađena u sistemski BIOS. Danas služe samo kao rezervni način prijenosa u slučaju problema sa novijim prijenosima.

Page 30: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

29

- Direct Memory Access (DMA)

Ovaj protokol je ispravio najveću manu PIO-a, a to je zauzeće glavnog procesora.

Direktan pristup memoriji je upravo princip na kojem se DMA zasniva, a ujedno je i općenit naziv za protokole prijenosa podataka gdje se sistemski procesor ne koristi za prijenos podataka prema i iz memorije. Uobičajeno je bio u upotrebi u sučelju disketnih jedinica i kod zvučnih kartica. Definirano je nekoliko načina DMA prijenosa, a dijele se u dvije skupine, od koje je prva single word (jedna riječ = dva bajta), što se odnosi na činjenicu da se pri svakom prijenosu prebace 2 bajta.

DMA Način (Mode)

Vrijeme ciklusa (nanosekundi)

Maksimalni prijenos (MB/s)

Standard pod kojim je definiran

Single Word Mode 0 960 2.1 ATA

Single Word Mode 1 480 4.2 ATA

Single Word Mode 2 240 8.3 ATA

Tablica 16. Usporedba single word DMA načina

Ubrzo su ovi načini bili zamijenjeni multiword inačicama, kod kojih se u brzom slijedu u jednom ciklusu prenese više riječi, pritom ostvarujući uštedu na overheadu koji bi inače bio potreban pri slanju zasebnih riječi.

DMA Način (Mode)

Vrijeme ciklusa (nanosekundi)

Maksimalni prijenos (MB/s)

Standard pod kojim je definiran

Multiword Mode 0 480 4.2 ATA

Multiword Mode 1 150 13.3 ATA-2

Multiword Mode 2 120 16.7 ATA-2

Tablica 17. Usporedba multiword DMA načina

Pošto su multiword prijenosi učinkovitiji, single word načini su ubrzo napušteni nakon šireg prihvaćanja ATA-2 standarda. Današnji diskovi ne koriste DMA kontrolere, kako se to radilo u počecima, već sami kontroliraju transfer prema memoriji i iz nje. To se naziva bus mastering (upravljanje sabirnicom), jer tvrdi disk sam upravlja prijenosom podataka, oslobađajući glavni procesor i rješavajući se ovisnosti o vanjskom kontroleru. Ipak, upravljanje sabirnicom se nije nametnulo sve do pojave UDMA standarda, jer unatoč oslobađanju procesora, nije nudilo značajno ubrzanje u odnosu na PIO mode 4, koji je bio daleko jednostavniji za implementaciju.

Page 31: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

30

- Ultra DMA (UDMA)

U stalnim nastojanjima da dizajniraju brža sučelja, inženjeri su se našli pred

zaprekom u vidu plosnatog kabela koji se koristio za povezivanje, a bio je početno dizajniran za brzine prijenosa do 5 MB/s. Ubrzavanje sučelja skraćivanjem ciklusa je izazivalo probleme poput preklapanja signala, pa se pristupilo unaprijeđenju učinkovitosti samog sučelja. Kao rezultat su stvoreni novi tipovi DMA prijenosa, pod nazivom Ultra DMA.

Ključna tehnološka inovacija koja se predstavila u Ultra DMA standardu je dvostruko prijelazno uzorkovanje. Prije Ultra DMA se jedan transfer odvijao svakim ciklusom potaknut porastom sinusoide uzorkovanja, dok se u Ultra DMA podaci prenose potaknuti i porastom i padom sinusoide uzorkovanja. Ovo je uz neke dodatne prepravke omogućilo dvostruku propusnost podataka.

Da bi se zaštitila cjelovitost podataka kod bržeg prijenosa, Ultra DMA uvodi i upotrebu CRC (ciklična redundancijska provjera) kodova u sučelje. Uređaj koji šalje podatke se služi CRC algoritmima da izračuna redundantne informacije svakog bloka podataka koji se šalje preko sučelja. Primatelj radi isti CRC izračun i uspoređuje rezultat sa redundantnim informacijama koje su stigle zajedno sa podacima. Ako se utvrdi neslaganje, znači da su se podaci pri prijenosu oštetili. Pri većoj učestalosti CRC pogrešaka, može se pretpostaviti da je uzrok problema u sklopovlju pa se uređaj može prebaciti u sporiji Ultra DMA način, a po potrebi čak i u PIO način.

UltraDMA Način (Mode)

Vrijeme ciklusa (nanosekundi)

Maksimalni prijenos (MB/s)

Standard pod kojim je definiran

Mode 0 240 16.7 ATA/ATAPI-4 Mode 1 160 25.0 ATA/ATAPI-4 Mode 2 120 33.3 ATA/ATAPI-4 Mode 3 90 44.4 ATA/ATAPI-5 Mode 4 60 66.7 ATA/ATAPI-5 Mode 5 40 100.0 ATA/ATAPI-6 Mode 6 30 133.3 ATA/ATAPI-7

Tablica 18. Usporedba Ultra DMA načina

Čak i uz prednosti double transition clocking metode, mogućnosti starog 40-žilnog standardnog IDE kabela su premašene brzinama prijenosa iznad 33 MB/s. Za puno iskorištenje Ultra DMA Mode 3 i dalje je potreban poseban 80-žilni kabel, koji ima i dalje 40 žila kojima se provodi signal, no ima i dodatnih 40 žila koje služe kao oklop i tako smanjuju utjecaj interferencija signala.

Slika 18. Usporedba 40 i 80-žilnih IDE kabela

Page 32: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

31

- 16-bitni i 32-bitni pristup

32-bitni pristup postoji kao opcija u pojedinim verzijama BIOS-a, iako su svi

prijenosi preko IDE/ATA sučelja 16-bitni. Pošto su moderne sabirnice 32-bitne, slanjem 16-bitne riječi koristi se samo polovica propusnosti, pa ova opcija omogućuje slanje dvije 16-bitne riječi odjednom, čega je posljedica mali porast sposobnosti.

- Block mode

Block mode (blok način) je unaprijeđenje sposobnosti koje omogućuje grupiranje

više naredbi za čitanje i pisanje preko IDE/ATA sučelja, tako da se obave tokom jednog prekidnog zahtjeva (interrupt). Prekidni zahtjevi se koriste za označavanje trenutka kad su podaci spremni za prijenos sa tvrdog diska i u tom momentu se nakratko procesor prekida u izvršavanju drugih zadaća. Noviji pogoni uz odgovarajući BIOS omogućuju prijenos 16 ili 32 sektora unutar istog prekidnog zahtjeva. Pošto se tako procesor rjeđe prekida u radu, sposobnosti rastu, a prenosi se više podataka za isti broj naredbi.

Page 33: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

32

3.1.2 . Zvanični IDE/ATA standardi i njihove osobine

- ATA (ATA-1) Određeno je korištenje jednog IDE kanala u računalu, kojeg dijele dva uređaja, s

postavkama na master i slave.

- PIO načini: 0, 1, 2

- DMA načini: 0, 1, 2, multiword 0

- U ovoj specifikaciji ne podržava se spajanje ijednog uređaja osim tvrdog diska.

- ATA-2 Uz sve što je podržavao standard ATA-1, dodane su sljedeće osobine:

- PIO načini: 3, 4

- DMA načini: multiword 1, multiword 2

- Omogućeni su block mode i LBA načini prijenosa, a dodana je i naredba “identify drive” (identificiraj pogon) kojom se omogućuje komunikacija sa tvrdim diskom i iščitavanje njegove geometrije i karakteristika.

- ATA-3 Ovaj standard predstavlja manju reviziju ATA-2 standarda, a donosi sljedeća

poboljšanja:

- povećana pouzdanost – ovo se odnosi na brže načine prijenosa, koji bi mogli imati problema uslijed korištenja kabela slabije propusnosti, koji su tada bili aktualni

- Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.)

- Sigurnosna osobina – ATA-3 definira sigurnosni način rada, koji omogućuje zaštitu pogona lozinkom

Iako se ponekad kao dio ovoga standarda spominje i PIO način 5, on je zapravo predložen od strane nekoliko proizvođača kontrolera i postoji u nekim verzijama BIOS-a, ali nikad nije zaživio niti postao dijelom nekog od definiranih standarda.

Page 34: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

33

- SFF-8020 / ATA Packet Interface (ATAPI) IDE/ATA sučelje je izvorno bilo dizajnirano samo za rad sa tvrdim diskovima.

CDROM-ovi i uređaji na traku su koristili sučelja često ugrađena na zvučne kartice, sporo i nespretno sučelje floppy diska ili SCSI. Ranih 1990ih su se uvidjele prednosti jednostavnog, brzog i standardiziranog IDE/ATA sučelja i za druge uređaje osim tvrdih diskova. Namjera nije bila konkurirati SCSI sučelju, već pojednostavniti spajanje drugih uređaja za pohranu podataka na računalo.

Pokazalo da radi strukture naredbi ATA sučelja to nije jednostavan zadatak. Radi toga je stvoren poseban protokol koji je nazvan AT Attachment Packet Interface (paketno sučelje AT priključka) ili skraćeno ATAPI. Ovaj standard se koristi za spajanje optičkih i uređaja na traku, kao i prijenosnih pogona. Omogućilo se spajanje standardnim IDE kabelom inače korištenim za tvrde diskove i postavljanje na master ili slave, kao i kod tvrdih diskova.

ATAPI protokol iznutra uopće nije jednak setu naredbi po običnom ATA standardu koji su koristili tvrdi diskovi. Samo ime “paketno sučelje” dolazi od činjenice da se ATAPI uređajima naredbe šalju grupirane u pakete. Općenito, ATAPI je dosta složenije sučelje od ATA i u nekim stvarima podsjeća više na SCSI.

Za komunikaciju sa ATAPI uređajima se koristi poseban pogonski program, koji se mora učitati u memoriju prije rada. Današnji operativni sustavi iznutra podržavaju ATAPI i učitavaju vlastite pogonske programe. Sam prijenos podataka koristi uobičajene PIO ili DMA načine i sa stanovišta korisnika nema nikakve razlike u radu u odnosu na tvrde diskove, pa se sa ATAPI CDROM-ova može čak podignuti i sistem.

- ATA/ATAPI-4

Standard koji je uključio ATAPI je upravo ATA-4, a osim toga donosi sljedeća poboljšanja i novine:

- Ultra DMA načini – definirani su brzi UDMA načini 0, 1 i 2

- IDE kabel visokih sposobnosti – uveden je novi kabel sa 80 žila, koji smanjuje interferencije pri visokim brzinama

- CRC – osobina koja je zadužena za cjelovitost podataka

- nove naprednije naredbe

- izbacivanje starijih i nepotrebnih naredbi

Prava novina su UDMA načini prijenosa, iako 0 i 1 nisu zaživjeli među proizvođačima diskova, način 2 jest, uslijed činjenice da je dvostruko brži od dotada najbržeg načina prijenosa.

Page 35: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

34

- ATA/ATAPI-5 - novi UDMA načini – definirani su brži UDMA načini 3 i 4, sa brzinama

prijenosa od 44.4 i 66.7 MB/s

- obavezna upotreba 80-žilnog kabela – uz ovo je definirana i metoda kojom sistem može odrediti njegovu prisutnost i tako omogućiti ili onemogućiti brže načine prijenosa

- razne promjene naredbi

- ATA/ATAPI-6 - UDMA način 5 – definirana je brzina prijenosa od 100 MB/s

- proširenje LBA – stalan porast kapaciteta diskova je uvjetovao povećanje širine LBA načina sa 28 bita (najveći kapacitet 137 GB po disku) na 48 bita.

- “acoustic management” (kontrola buke) – ovim se omogućuje programskoj podršci da kontrolira brzinu pristupa tvrdog diska, čijim snižavanjem se osjetno smanjuje razina buke

- rukovanje zvučnim i slikovnim tokovima podataka – dodane su i naredbe koje omogućuju brže rukovanje ovakvim sadržajem

- ATA/ATAPI-7 - UDMA način 6 - definirana je brzina prijenosa od 133 MB/s

Page 36: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

35

3.1.3. IDE/ATA podešavanje i kabliranje

Pod pojmom “kontroler” se obično misli na “kontroler sučelja” (interface

controller), koji posreduje između tvrdog diska i ostatka sistema i upravlja tokom podataka preko IDE/ATA kanala. Pod “kanal” se podrazumijeva put kojim se kreću podaci preko sučelja. Svaki kanal je sposoban za komunikaciju sa do dva uređaja. Iako je 2 uobičajen broj kanala u računalu, teoretski je moguće podesiti i koristiti do 4 ili i više različitih kanala IDE/ATA sučelja.

Kanal Zauzeti IRQ

Korištene I/O adrese Popularnost i podrška

Primarni 14 1F0-1F7h i 3F6-3F7h

U upotrebi u svim Pcovima koji koriste IDE/ATA

Sekundarni 15 (10) 170-177h i 376-377h

Prisutan na svim modernim PCovima; obično služi za optičke ATAPI pogone

Tercijarni 11 (12) 1E8-1EFh i 3EE-3EFh

Neuobičajen, može imati problema sa programskom podrškom

Kvartarni 10 ili 11 168-16Fh i 36E-36Fh

Vrlo rijetko u upotrebi, može imati problema sa programskom podrškom

Tablica 18. Zauzeća resursa IDE/ATA kanala

Da bi uređaji na pojedinom IDE/ATA kanalu znali kojem je upućena neka naredba, uvedeno je označavanje kao uređaj 0 (master) i uređaj 1 (slave). Razlike u radu nema, osim što se sa slave uređaja ne može podizati sistem. Položaj uređaja na kanalu se određuje kratkospojnicima na samom uređaju ili upotrebom cable select (odabir pomoću kabela) tehnike, kod koje se položaj određuje prema konektoru posebnog 40-žilnog ili običnog 80-žilnog kabela na koji je uređaj spojen. Kod posebnog 40-žilnog kabela za to je zadužena žila 28, koja nosi CSEL signal. Na master konektoru je žila uzemljena, dok na slave nije. Uređaji to prepoznaju kao 0 i 1 i shodno tome sami sebi dodjeljuju položaj na kanalu. Na 80-žilnom kabelu master konektor se nalazi na kraju, a slave na sredini kabela.

Sposobnost da master i slave na istom kanalu rade u različitim načinima prijenosa podataka se naziva independent device timing. U slučaju da kontroler ne podržava ovu opciju, brzina na kanalu se prilagođuje sporijem uređaju i na taj način se ruše sposobnosti bržeg uređaja.

Page 37: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

36

3.2. SATA (serial ATA)

Paralelni ATA je postao standardno sučelje za spajanje uređaja za pohranu podataka još od njegove pojave osamdesetih godina. Razlozi leže u niskim troškovima, univerzalnoj podršci za razne operativne sustave i dobar dizajn koji omogućuje proširivanje specifikacije radi napretka u sposobnostima, a da se ne gubi kompatibilnost prema starijim verzijama. Tako je postignut napredak u brzini prijenosa od početnih 3 MB/s do današnjih 133 MB/s. No, s vremenom se pokazalo da ipak postoje određeni problemi u dizajnu:

- visok broj pinova – paralelni ATA zahtijeva 26 pinova po kanalu, što na dva kanala iznosi 56, uz dodatne pinove za napajanje i uzemljenje

- visok napon – paralelni ATA zahtijeva radni napon od 5V, što nameće probleme povezivanja sa novim dizajnima i čipovima većeg stupnja integracije

- problemi s kabelima – 80-žilni kabel potreban za paralelni ATA je relativno skup i nezgodan za smještanje unutar kućišta PC-a, jer plosnati široki kabel smeta protoku zraka i hlađenju.

- problemi sa sposobnostima – podizanje brzine prijenosa zahtijeva dodatna tehnička unaprijeđenja

- preklapanje – jačina je proporcionalna brzini promjene u struji i jakosti sprege između strujnih petlji. Javlja se kod paralelnih žila kabela

- skok uzemljenja – javlja se pri povlačenju veće snage nego što kondenzatori mogu osigurati, pa se pad napona može protumačiti kao prijelazni bit

Prednosti serijskog ATA sučelja:

- zahtijeva nizak napon – potreban napon iznosi 500mV, koji odgovara povezivanju sa novim dizajnima i čipovima većeg stupnja integracije. Radi toga također predstavlja pogodnost za korištenje u prijenosnim računalima

- mali broj pinova – oslobađa se prostor na matičnoj ploči i omogućuje pouzdanije spajanje

- visoka integracija – svojim niskim zahtijevima na radni napon ne predstavlja zapreku novijim dizajnima i čipovima

- programska kompatibilnost – promjene koje uvodi serijski ATA odnose se isključivo na fizički sloj

- veća maksimalna dužina kabela – kod par. ATA najveća dopuštena dužina je oko 45cm, dok kod ser. ATA to iznosi 1m

- bolje uzemljenje – vodljive žile su uzemljene oklopom koji se nalazi oko njih, čime se maksimalno reducira crosstalk

Za razliku od paralelnog ATA, serijski ATA nema zasebni signal koji bi davao clock (ritam). Umjesto toga, clock je usađen unutar samog toka podataka. Kad se ne šalju podaci, prenosi se uzorak “101010…” tako da se oba uređaja mogu uskladiti.

Page 38: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

37

Ser. ATA uvodi i “točka prema točki” (point-to-point) način spajanja uređaja, kojim se nadilazi dijeljenje sabirnice master/slave načinom spajanja kod par. ATA i za njega vezane probleme koji bi se mogli pojaviti.

- Razine rada SATA standarda Na fizičkoj razini podatkovna veza se ostvaruje dvjema jednosmjernim paricama.

Prijenos podataka se ostvaruje tzv. LVDS metodom (low voltage differential signalling). LVDS je sistem električne signalizacije koji postiže visoke brzine na jeftinim bakrenim paricama. Predstavljen 1994., postao je osnova za vrlo brze računalne mreže i računalne sabirnice. Služi se razlikama između dvaju različitih prenesenih napona kako bi se očitao poslani signal. Predajnik šalje malu struju reda veličine 3.5mA, koja zatim na prijemnoj strani prolazi kroz otpornik od 100 do 120Ω (otpora usklađenog s karakterističnom impedancijom vodiča) i zatim se drugim vodičem vraća u suprotnom smjeru. Iz Ohmovog zakona proizlazi da je razlika napona na otporniku oko 350mV. Prijemnik očitava usmjerenost napona, te sukladno tome određuje logičku razinu signala. Ovaj način prijenosa signala naziva se “strujna petlja”.

Nizak napon u radu od oko 1.25V omogućava korištenje LVDS-a u širokom spektru sklopova napajanih niskim naponom do 2.5V. Malena razlika napona od oko 350mV ima za posljedicu nisku potrošnju energije, što je uz veliku brzinu prijenosa podataka velika prednost u odnosu na druge sisteme.

Podaci se prenose 8B/10B enkodiranjem, također korištenim kod etherneta, fibre channela te PCI Express sučelja. Radi se o pretvaranju 8-bitnih podataka u 10-bitne simbole, kako bi se postigao ujednačen broj 0 i 1 u dva prenešena simbola i izbjeglo nizanje 0 i 1 u pojedinom simbolu. Za posljedicu imamo smanjenje šuma, što omogućuje velike brzine slanja podataka.

Donjih 5 bitova se pretvaraju u grupu od 6 bitova, a gornjih 3 u grupu od 4 bita. Definirani su i kontrolni simboli, koji umjesto podataka prenose naredbu ili obavijest sklopovlju. Sve vezano za enkodiranje se obavlja na razini sklopovlja, tako da za programsku razinu nema nikakvih promjena ni prilagodbi. Korisnički podaci u prijenosu ovakvim enkodiranjem iznose 80% ukupnog toka podataka, preostalih 20% osigurava siguran prijenos podataka, a također čini poseban clock signal nepotrebnim.

Iznad fizičke su spojna i prijenosna razina. U njima se podaci pretvaraju u diskretne poredane pakete za prijenos SATA vezom. Na programskoj razini SATA nasljeđuje način rada ATA sučelja, a sve ostale dodatne mogućnosti (poput RAID-a) nisu vezane za SATA standard, već ovise o proizvođaču i u radu operativnog sustava su potrebni posebni pogonski programi za normalan rad.

Definiran je i Serial-ATA II standard, kojim se uvode poboljšanja Serial ATA 1.0 standarda. Deklarirana je brzina prijenosa od 300 MB/s, a u daljnjim specifikacijama čije se uvođenje očekuje oko 2007. i 600 MB/s. Također se razvija i serijska verzija paralelnog SCSI priključka. Serial-Attached SCSI (SAS) se dizajnira za okruženja koja zahtijevaju visoku sposobnost i pouzdanost, a podržavali bi se i SAS i SATA pogoni.

Page 39: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

38

- NCQ (Native Command Queueing) U slobodnom prijevodu “upravljanje redoslijedom komandi”, NCQ je tehnologija

zamišljena da poboljša mogućnosti SATA diskova omogućujući svakom tvrdom disku da primi više od jedne naredbe odjednom pa da sam odluči o prioritetu izvršavanja. Koristeći detaljna saznanja o vlastitim vremenima traženja i položajima tokom rotacije pogon može izračunati najučinkovitiji redoslijed izvršavanja naredbi. Ovo može umanjiti nepotrebno “traženje” tj. pomicanje glava, što za posljedicu ima povećanje učinkovitosti kod radnih uvjeta sa većim brojem istodobnih zahtjeva za čitanje/zapisivanje (najčešće kod programa poslužiteljskog tipa), uz smanjeno trošenje samoga pogona i smanjen utrošak energije. Dok uvelike pomaže kod brojnih istodobnih naredbi koje pogon prima, kod jednostrukih naredbi brzina malo opada, ali razlika nikada nije velika, za razliku od TCQ tehnologije koja je bila u potpunosti orijentirana na velik broj istodobnih zahtjeva.

NCQ je drugi pokušaj uvođenja TCQ (Tagged Command Queueing – redoslijed označenih naredbi) kod ATA pogona. TCQ je razvijen za SCSI pogone, gdje je u širokoj uporabi, a prvi pokušaj dodavanja tih mogućnosti ATA diskovima je bio nespretno riješen i nije zaživio. Zato je potpuno novom rješenju za SATA diskove dato novo ime, NCQ.

Da bi se NCQ koristio mora ga osim samog pogona podržavati i SATA kontroler. Kod nekih sustava baziranih na Intelovim rješenjima najprije treba omogućiti podršku za AHCI (Advanced Host Controller Interface) u BIOS-u računala, uz instalaciju dodatnih pogonskih programa u operativnom sustavu. AHCI je hardverski mehanizam koji omogućuje programskoj podršci komunikaciju sa SATA uređajima.

Page 40: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

39

4. DATOTEČNI SUSTAVI

Svi datotečni sustavi obavljaju iste temeljne funkcije, kojima se želi postići inteligentna organizacija podataka i učinkovita kontrola pristupa, kao i samih podataka. Iz tog razloga, unatoč unutarnjim razlikama u arhitekturi i strukturi, neki operativni sustavi podržavaju nekoliko različitih datotečnih sustava, a da krajnji korisnik ne primjećuje razliku.

4.1. Struktura zapisa u datotečnom sustavu

4.1.1. Clusteri (alokacijske jedinice) Najmanja jedinica kojoj na tvrdom disku može pristupiti bilo koji program je

sektor veličine 512 bajta. Unatoč tome, za zapisivanje datoteka se ipak koriste veće jedinice koje se zovu cluster i sadržavaju određen broj sektora. Razlog leži u prevelikom broju sektora koje bi trebalo adresirati (na 2GB disku je više od 4 milijuna sektora), a što odnosi previše vremena i resursa. Veličina samog clustera je određena veličinom particije diska. Dok veličina clustera za tvrde diskove varira između 4 i 64 sektora, na floppy disketama su manji, u nekim slučajevima i do jednog sektora.

Određivanje veličine sektora ima direktan utjecaj na sposobnosti i iskorištenost diska. Kod većih clustera se pojavljuje problem slack ili mrtvog prostora. Problem se odnosi na neiskorištene sektore prilikom zapisivanja većeg broja datoteka manjih od veličine clustera ili onih koje iskorištavaju manji dio sektora posljednjeg clustera. Pošto se mogu adresirati samo cijeli clusteri, taj gubitak rezultira neiskoristivim sektorima, a izražen je npr. kod web servera.

4.1.2. Ulančavanje i alokacija clustera korištenjem FAT-a U datotečnu alokacijsku tablicu (File Allocation Table) se zapisuje koji su clusteri

dodijeljeni kojim datotekama, a također i prati koji su clusteri slobodni za korištenje. Svaki zapis o pojedinom clusteru sadrži vrijednost koja opisuje kako se koristi, a različiti kodovi predstavljaju sva moguća stanja clustera.

Svaki cluster korišten pri zapisu neke datoteke ima u svom zapisu u FAT-u broj slijedećeg clustera kojeg datoteka koristi. Posljednji cluster datoteke je označen posebnim kodom. Ovakvo povezivanje se naziva ulančavanje i odnosi se na sve datoteke koje koriste više od jednog clustera. Uz oznaku posljednjeg clustera datoteke, zapis u FAT-u može sadržavati oznake za slobodan cluster ili loš cluster (u kojem je pronađen neispravan sektor).

Radi ove osobine nije nužno da se datoteka zapisuje u clustere koji slijede jedan iza drugog. To je ipak poželjno, jer inače dolazi do fragmentacije ili rascjepkanosti zapisa na disku, što usporava čitanje i zapisivanje datoteka, jer su ovisno o stupnju fragmentacije mogući veliki pomaci glave za čitanje/pisanje.

Page 41: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

40

4.2. Osobine FAT datotečnih sustava

- FAT16 FAT predstavlja jednu od osnovnih struktura koju ovaj datotečni sustav koristi.

Služi se 16-bitnim brojevima za označavanje clustera, pa je ograničen na maksimalnu veličinu particije od 2 GB. Za imena datoteka je dozvoljeno do 8 znakova, uz još 3 znaka koji predstavljaju nastavak datoteke (ekstenziju) odijeljen točkom. U imenu ili nastavku se ne smiju nalaziti slijedeći rezervirani znakovi: “ / \ ; : | = ^ * ? .

Podržavaju ga svi Microsoftovi operativni sustavi.

- FAT32 Predstavlja evoluciju FAT 16 operativnog sustava, prvenstveno zbog pomicanja

granice kapaciteta. Teoretski podržava particije do 2 TB, što ipak nije stvarno iskoristivo, jer bi prostor dodijeljen FAT-u narastao i preko 256MB, što bi usporilo rad samog diska. Koriste se manji clusteri nego kod FAT16, što smanjuje veličinu mrtvog prostora. Korijenski folder na FAT32 particiji je lanac clustera, pa se može nalaziti bilo gdje.

Pojavio se predstavljanjem Windows 95 OSR2, a podržavaju ga i svi kasniji Microsoftovi operativni sustavi.

Page 42: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

41

4.3. NTFS

NTFS je stvoren da bi ponudio sposobnosti i pouzdanost koju FAT sistemi nisu imali, pogotovo na velikim tvrdim diskovima. Uključene su sigurnosne opcije potrebne za poslužiteljska računala, kao i za ona od kojih se traže visoke sposobnosti. Također je podržana kontrola vlasništva nad i pristupa podacima, čime se osigurava njihova cjelovitost, a za svaku datoteku je moguće definirati dozvole pristupa.

Formatiranje NTFS datotečnim sustavom stvara nekoliko sistemskih zapisa i master file table (MFT - glavna tablica zapisa), koja sadrži podatke o svim datotekama i mapama. Prvi podatak na NTFS particiji je boot sektor particije, koji počinje od sektora 0 i može biti dug do 16 sektora, a iza njega slijedi MFT.

Slika 19. Dijagram strukture formatirane NTFS particije

Veličina clustera se kod NTFS-a određuje prema slijedećoj tablici:

Veličina particije Veličina clustera (bajta) Broj sektora do 512 MB 512 1 513 – 1024 MB (1 GB) 1024 (1 kB) 2 1025 – 2048 MB (2GB) 2048 (2 kB) 4 2049 MB i više 4096 (4 kB) 8

Također je moguće pri formatiranju ručno odrediti veličinu clustera u rasponu od 512 bajta do 64 kB.

4.3.1. Boot sektor NTFS particije

Pomak bajta Duljina polja Ime polja 0x00 3 bajta naredba Jump 0x03 LONGLONG OEM ID 0x0B 25 bajta BPB 0x24 48 bajta Extended BPB 0x54 426 bajta Bootstrap Code 0x01FE WORD Oznaka završetka sektora

Tablica 20. Boot sektor

Podaci u extended BPB omogućuju Ntldr-u (NT loader program) da nađe MFT prilikom pokretanja sistema. Kod NTFS-a se ne nalazi na predodređenom mjestu, kao kod FAT 16 ili FAT 32 sistema i radi ove osobine je moguć njegov premještaj ako se utvrdi postojanje lošeg sektora na njegovom uobičajenom mjestu. Ako se MFT ne može pronaći uslijed pokvarenih podataka, Windows NT/2000 operativni sistemi smatraju da particija nije formatirana.

Page 43: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

42

4.3.2. Glavna tablica zapisa NTFS-a (MFT) Svaka datoteka na NTFS particiji je predstavljena zapisom u MFT-u. Prvih 16

zapisa u tablici su rezervirani za posebne podatke. Prvi zapis opisuje samu MFT, a slijedi zrcalni zapis (mirror record), koji služi kao pričuva u slučaju kvara prvog zapisa. Treći zapis je log file, potreban kod osposobljavanja pokvarenih podataka. Sedamnaesti i ostali zapisi se odnose na pojedine datoteke i mape (predstavljene zapisima u NTFS-u) na particiji. Svakom zapisu se dodjeljuje određen prostor, u koji se spremaju i atributi datoteka. Male datoteke i mape (obično manje od 1500 bajta) mogu čak u cijelosti biti sadržane unutar MFT zapisa. Zapisi o mapama su također pohranjeni unutar MFT-a, a umjesto samih podataka sadrže pokazivačke podatke. Velike mape se organiziraju u binarna stabla, gdje postoje zapisi sa pokazivačima na vanjske clustere sadržaja mape koji nisu mogli biti pohranjeni unutar MFT.

4.3.3. Vrste zapisa kod NTFS-a

- Atributi datoteka (file attributes) NTFS na svaku datoteku ili folder gleda kao na skup atributa, što se odnosi na

elemente poput imena datoteke, njenih sigurnosnih podataka, pa i sadržaja. Kad atributi mogu stati unutar MFT zapisa, nazivaju se rezidentnima. U slučaju da ne mogu, dodjeljuje im se nekoliko slobodnih clustera na particiji i NTFS stvara “listu atributa”, u kojoj su zapisane lokacije atributa. Trenutno definirani atributi su:

- Standardne informacije – vremenski zapis i brojač linkova

- lista atributa – lokacije svih atributa van MFT zapisa

- ime datoteke – koristi se za duga (do 255 znakova) i kratka (8+3 znaka) imena

- sigurnosni opis – opisuje tko je vlasnik datoteke i dozvole pristupa

- podaci – sadrži podatke datoteke, a moguće je definirati dodatne podatkovne atribute po potrebi

- ID objekta – služi za identificiranje datoteke i jedinstven je na particiji

Page 44: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

43

- Sistemski zapisi NTFS-a

Sistemski zapis Ime zapisa MFT

zapis Svrha zapisa

MFT $Mft 0 Sadrži po jedan osnovni zapis za svaku datoteku i folder na NTFS particiji. Ako informacije za pojedinu datoteku ili folder ne mogu stati unutar jednog zapisa, raspodjeljuje se i u druge zapise.

MFT 2 $MftMirr 1 Duplikat prvih četiriju zapisa MFT-a. Ovaj zapis osigurava pristup MFT-u u slučaju kvara jednog sektora.

Dnevnički zapis $LogFile 2

Sadrži popis obavljenih koraka, koristi se pri oporavku NTFS-a.Veličina zavisi o veličini particije i može biti do 4 MB. Koristi se u Windows NT/2000/XP za vraćanje NTFS-a u normalno stanje nakon kvara.

Particija $Volume 3 Sadrži informacije o particiji, poput naziva (label) i verzije. Definicije atributa $AttrDef 4 Tablica imena, brojeva i opisa atributa.

Pokazivač korijenskog

foldera $ 5 Korijenski folder

Bitmapa clustera $Bitmap 6 Prikaz particije koji pokazuje zauzeće clustera.

Boot sektor $Boot 7 Uključuje BPB potreban za “mountanje” particije i dodatni “bootstrap” kôd za podizanje sistema, ako je particija sposobna za to.

Zapis loših clustera $BadClus 8 Sadrži loše clustere particije.

Sigurnosni zapis $Secure 9 Sadrži jedinstvene sigurnosne opise za sve datoteke na particiji.

Tablica velikih slova $Upcase 10 Pretvara mala slova u odgovarajuća velika po Unicodeu.

NTFS extension file $Extend 11 Služi za razne opcionalne ekstenzije poput kvota, “reparse point data”, i

identifikatora objekata. 12–15 Ostavljeno za buduću upotrebu.

- Višestruki tokovi podataka Ime toka predstavlja novi podatkovni atribut datoteke. Handle se može otvoriti za

svaki tok podataka, koji predstavljaju jedinstven set atributa datoteke. Kopiranjem datoteke na FAT particiju, atributi, pa tako i tokovi podataka se gube.

- Komprimirani zapisi kod NTFS-a

Windows NT/2000/XP podržavaju komprimiranje pojedinih datoteka, foldera i cijelih NTFS particija. Tako komprimirani zapisi se mogu čitati i zapisivati iz bilo koje Windows aplikacije bez zasebne (de)kompresije. Dekompresija se obavlja automatski pri čitanju datoteke, a pri snimanju se aktivira automatska kompresija. Pri zapisivanju komprimirane datoteke, sistem rezervira prostor na disku za nekomprimiranu datoteku, pa oslobađa višak nakon kompresije. Algoritmi NTFS kompresije podržavaju clustere do 4 kB.

Page 45: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

44

- Enkripcijski datotečni sustav (EFS) EFS je skraćenica od Encrypting File System, pruža osnovnu enkripcijsku

tehnologiju za spremanje datoteka na NTFS5 particijama kojom štiti datoteke od neovlaštenog pristupa osjetljivim podacima. Korisnici rade sa enkriptiranim datotekama i folderima kao i sa svim ostalima, jer je enkripcija za korisnika koji ju je uključio nevidljiva, sistem automatski dekriptira datoteku ili folder pri pristupu, a kriptira pri spremanju. Korisnici koji nemaju ovlasti pristupa enkriptiranim datotekama ili folderima dobijaju poruku “pristup onemogućen” pri pokušaju otvaranja, brisanja, kopiranja ili preimenovanja enkriptirane datoteke ili foldera. Ovo su prednosti EFS-a u odnosu na nesistemske alate:

- nevidljiv je za korisnika i bilo koju aplikaciju. Ne postoji rizik da će korisnik zaboraviti enkriptirati datoteku i ostaviti podatke nezaštićenima. Jednom kad se datoteka ili folder označe za enkripciju, ona će se provoditi u pozadini, bez potrebe za unosom lozinke za dekripciju.

- ključevi koje EFS generira su otporni na “rječnički” pokušaj proboja, pošto ne ovise o frazi koju korisnik zadaje unošenjem šifre

- svi procesi enkripcije/dekripcije se odvijaju u kernel načinu rada, što ne ostavlja mogućnost da ključ ostane u paging datoteci, odakle bi se eventualno kasnije mogao izvaditi

- EFS nudi mehanizam popravka podataka koji je koristan u poslovnom okruženju, jer za organizaciju onda postoji mogućnost povrata podataka čak i ako ju je zaposlenik koji ih je enkriptirao napustio

- Rijetki zapis (sparse file) Rijetki zapis ima atribut radi kojeg ulazno/izlazni sistem alocira samo smislene

podatke, tj. koji nisu nula. Ti podaci se smjeste na disk, dok se dug niz nula ne sprema. Sistem može osloboditi prostor zauzet nulama bilo gdje u datoteci i pri pozivu iz aplikacije stvoriti niz nula prema zabilježenoj duljini, umjesto da sprema i zatim čita prave podatke. Rezultat je učinkovitije spremanje i pristup u datotečnom sustavu. Pri kopiranju takve datoteke na FAT ili stariju NTFS particiju, datoteka će zauzeti stvarni prostor, a ako taj prostor nije na raspolaganju, operacija se prekida.

Slika 20. Usporedba zapisa

Page 46: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

45

4.3.4 Sigurnost i mogućnost spašavanja podataka kod NTFS-a

NTFS garantira sigurnost podataka na particiji korištenjem uobičajenih tehnika spašavanja podataka i zapisivanja obavljenih transakcija, koje zauzima jako malo prostora. U slučaju kvara diska, oporavak od kvara se postiže pokretanjem procedure koja pristupa podacima u dnevničkom zapisu.

- Spašavanje podataka kod NTFS-a NTFS na svaku ulazno/izlaznu operaciju gleda kao na transakciju i svakoj

pristupa kao cjelini. Jednom pokrenuta, transakcija se treba dovršiti ili, u slučaju kvara diska, vratiti u prvobitno stanje prije njenog pokretanja. Da bi se to omogućilo, NTFS prati sve podoperacije neke transakcije i bilježi ih u dnevnički zapis prije samog zapisivanja na disk. Kad je cijela transakcija zabilježena, podoperacije se izvršavaju na međumemoriji particije. Nakon obnavljanja međumemorije, transakcija se izvršava, a u dnevnički zapis se bilježi da je obavljena.

Kad se transakcija započne, NTFS se brine da se cijela pojavi na particiji, čak i u slučaju kvara diska. Tokom postupaka spašavanja podataka, NTFS ponovo obavlja svaku transakciju pronađenu u dnevničkom zapisu. Zatim pronalazi transakcije koje su ostale neobavljene u trenutku kvara i poništava svaku njenu podoperaciju iz dnevničkog zapisa. Nedovršene promjene na particiji su zabranjene.

Radi toga, svi sistemski zapisi su dostupni nakon kvara sistema, dok je moguć gubitak korisničkih podataka radi kvara sistema ili lošeg sektora.

- Premještaj clustera U slučaju greške uzrokovane lošim sektorom, NTFS koristi tehniku premještanja

clustera. Pri otkrivanju lošeg sektora, taj se cluster premješta na zdravo područje, dok se stari obilježava. Ako se greška dogodi pri čitanju NTFS vraća grešku u čitanju i podaci su izgubljeni, dok se to neće dogoditi pri zapisivanju, jer se podaci premjeste u novi cluster. NTFS sprema adresu clustera sa lošim sektorom u zapisnik loših sektora, da se ne bi ponovo koristio.

Page 47: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

46

4.4. Usporedba datotečnih sustava

Kriterij NTFS5 NTFS FAT32 FAT16

Operativni sustav Windows 2000 Windows XP

Windows NT Windows 2000 Windows XP

Windows 98 Windows ME

Windows 2000 Windows XP

DOS Sve inačice

Microsoft Windowsa

Ograničenja

Maks. veličina particije 2TB 2TB 2TB 2GB

Maks. broj datoteka na particiji

Gotovo neograničen

Gotovo neograničen

Gotovo neograničen ~65000

Maks. veličina datoteke Veličina particije Veličina particije 4GB 2GB

Maks. broj clustera Gotovo neograničen

Gotovo neograničen 268435456 65535

Maks. duljina imena datoteke Do 255 Do 255 Do 255 Standardna - 8.3

Proširena - do 255

Osobine datotečnih sustava

Unicode imena datoteka Unicode znakovi Unicode znakovi Sistemski znakovi Sistemski znakovi

Zrcalni sistemski zapis MFT zrcalni zapis MFT zrcalni zapis Druga kopija

FAT-a Druga kopija

FAT-a Mjesto boot sektora

Prvi i zadnji sektori

Prvi i zadnji sektori Prvi sektor Prvi sektor

Atributi datoteka Standardni i vlastiti

Standardni i vlastiti Standardni Standardni

Alternativni tokovi podataka Da Da Ne Ne

Kompresija Da Da Ne Ne Enkripcija Da Ne Ne Ne Dozvole Da Da Ne Ne Kvote na diskovima Da Ne Ne Ne

Sparse file Da Ne Ne Ne Reparse Points Da Ne Ne Ne Volume Mount Points Da Ne Ne Ne

Ukupne sposobnosti

Ugrađeni sigurnosni mehanizam

Da Da Ne Ne

Oporavljivost Da Da Ne Ne

Sposobnosti Niske na manjim

particijama, visoke na velikima

Niske na manjim particijama, visoke

na velikima

Visoke na manjim particijama, niske

na velikima

Visoke na manjim particijama, niske na

velikima Ekonomičnost upotrebe prostora Visoka Visoka Prosječna Najmanja na

velikim particijama Tolerancija na kvarove Visoka Visoka Niska Prosječna

Page 48: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

47

5. PRAKTIČNI RAD

Usporedba osobina različitih generacija ATA diskova

Korišteni su slijedeći diskovi:

Model Kapacitet Način prijenosa

Kapacitet međuspremnika Sučelje Brzina okretanja

ploča (okr/min) Legenda

WD AC21600 1.5 GB UDMA 2 128kB EIDE 5200 WD 200EB 20 GB UDMA 4 2MB EIDE 5400

IBM 22P7157 40 GB UDMA 5 2MB EIDE 7200 WD 800JB 80 GB UDMA 5 8MB EIDE 7200

ST3200822AS 200 GB UDMA 5 8MB SATA 7200 WD1200JS 120 GB UDMA 6 8MB SATA II 7200

WD360ADFD 36.7 GB UDMA 6 16MB SATA 10000

Cilj testova je ustanovljavanje utjecaja pojedinog svojstva na konačne mogućnosti tvrdog diska.

Prosječno vrijeme pristupa (ms)

Čitanje s međuspremnikom (MB/s)

Linearno čitanje (MB/s)

Nasumično čitanje (MB/s)

IBM 22P7157 13.5 90.8 35.8 34.9 ST3200822AS 12.9 96.4 52.2 51.9 WD1200JS 13.3 103.3 52.9 51.5 WD 200EB 21 88.7 22.6 21.4 WD 80GB 18.5 88.1 46.8 46 WD AC21600 17.1 15 5.57 5.05 WD360ADFD 7.9 122.4 74.9 74.3

Page 49: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

48

- Prosječno vrijeme pristupa

Ovaj test čita blokove podataka veličine 0.5kB pomicanjem glave na nasumične lokacije prije operacije čitanja i na taj način mjeri brzinu pristupa podacima.

Ovdje se vidi utjecaj brzine vrtnje ploča tvrdog diska na vrijeme pristupa.

Uvjerljivo najmanje vrijeme je ostvario WD Raptor, disk koji se vrti na 10000okr/min, dok vrijeme pristupa raste smanjenjem brzine.

Page 50: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

49

- Linearno čitanje

Ovaj test iščitava sadržaj diska sektor po sektor.

U ovom testu do izražaja dolazi ne samo brzina vrtnje diska već i kapacitet

međuspremnika. WD Raptor se opet pokazao najbržim (10000rpm / 16MB) što je posljedica najbržeg okretanja ploča i najvećeg međuspremnika, dok su zamjetni padovi brzine prijenosa ponajprije očiti kod WD200EB diska (5400rpm / 2MB), a zatim i kod WD AC21600 diska (5200rpm / 128kB). Između ova dva diska trostruku razliku u brzini prijenosa očito uzrokuje znatno veći kapacitet međuspremnika kod WD200EB diska.

Page 51: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

50

- Čitanje s korištenjem međuspremnika

Ovaj test mjeri brzinu sučelja opetovanim čitanjem samog početka površine ploče diska.

Zamjetnu razliku ostvaruju opet WD Raptor i WD AC21600. Prvi se sa svojih

16MB međuspremnika jasno odvaja od ostatka, dok potonji ostvaruje gotovo deset puta manje brzine čitanja uslijed, za današnje standarde, vrlo malenog kapaciteta međuspremnika.

Page 52: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

51

- Nasumično čitanje

Ovaj test mjeri brzinu nasumičnog čitanja očitavanjem blokova podataka promjenjive veličine sa nasumičnih lokacija na disku.

Diskovi su se poredali sukladno brzini vrtnje i kapacitetu međuspremnika.

KOMENTAR TESTA:

Brzina vrtnje i kapacitet međuspremnika zajedno utječu na brzinu čitanja tvrdog

diska. Danas standardnih 7200okr/min i 8MB memorije međuspremnika značajnije će nadmašiti jedino povećanje brzine okretanja ploča (kao kod WD Raptora), a u puno manjoj mjeri povećanje međuspremnika na 16MB. Ipak je tu prisutan omjer 2:1, koji ne dolazi do izražaja kao skok u kapacitetu međuspremnika prisutan između WD AC21600 i WD200EB diskova, gdje ovaj drugi ima značajno veću brzinu čitanja unatoč sličnoj brzini okretanja ploča diska..

Page 53: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

52

6. ZAKLJUČAK

Tvrdi diskovi su donedavno jako brzo napredovali u dva segmenta, brzini prijenosa i kapacitetu. Od početnog kapaciteta od 5MB, došlo se do danas uobičajenih par stotina GB. Trenutačno najveći tvrdi disk ima kapacitet od 1TB, a trend porasta se nastavlja. Ipak je primjetno da taj porast nije tako izražen kao nekada, kada se kapacitet u relativno malim vremenskim razmacima znao udvostručiti. Propusnost je dosegla brzinu od 300MB/s, no može se primjetiti velik nesrazmjer propusnosti samoga sučelja i brzine prijenosa podataka samih tvrdih diskova, koja općenito ne prelazi 100MB/s u stvarnim uvjetima korištenja. Povećanje brzine vrtnje ploča bi ubrzalo prijenos podataka, ali bi također činilo proizvodnju skupljom, a disk bučnijim i podložnijim kvaru. To nije zanemarivo, radi velikog broja proizvedenih diskova (što otežava kontrolu kvalitete), a danas se uza sve zahtjeve pred disk za kućnog korisnika (koji predstavlja glavninu tržišta ATA diskova) postavlja i onaj za što tišim radom. Model “Raptor” tvrtke Western Digital predstavlja tvrdi disk čije se ploče vrte na 10000 okr/min i trenutačno je najbrži SATA disk. Međutim, cijena po MB mu je drastično viša od standardnih diskova čije se ploče vrte na 7200 okr/min, a i količina buke koju stvara u radu je razmjerno veća. Sve to ukazuje da magnetna tehnologija izrade tvrdih diskova vrlo vjerovatno više nema većeg prostora za napredak, tako da su se već počeli pojavljivati diskovi zasnovani na NAND flash tehnologiji (dosada prisutnijoj kod USB memorijskih ključeva) koji se pomalo počinju ugrađivati u neke modele prijenosnih računala.

Takvi diskovi donose značajno smanjenje radne temperature, buke u radu, kao i rizika od mehaničkih problema u odnosu na klasične tvrde diskove. Međutim, njihova trenutno povisoka cijena i razmjerno malen kapacitet će za posljedicu imati usporedno korištenje NAND flash diskova za pokretanje operativnog sustava i korisničkih programa, dok će se jeftini klasični tvrdi diskovi velikog kapaciteta koristiti za masovnu pohranu podataka. Napretkom i razvojem tehnologije nije neobično očekivati potpuno istiskivanje magnetskih tvrdih diskova sa tržišta NAND flash diskovima, kao novom tehnologijom koja ima puno prostora za napredak.

Page 54: TVRDI DISKOVI I ATA SUČELJA ZA SPAJANJEvalentini-kozica.from.hr/images/documents/diplomant/diplomski_hdd.pdf · DIPLOMSKI RAD TVRDI DISKOVI I ... -poboljšana čvrstoća – što

Tvrdi diskovi i sučelja za spajanje (ATA i SATA) DARKO GRUBIŠIĆ

53

7. KORIŠTENI MATERIJALI

- http://www.ntfs.com

- http://www.pcguide.com/ref/hdd/index.htm

- Hitachi Global Storage Technologies – PMR White Paper

- www.wikipedia.org