Aplikacje Systemów Wbudowanych Dyski Twarde
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
Aplikacje Systemów Wbudowanych Dyski twarde Gdańsk, 2019 Dysk twardy Dysk twardy – jeden z typów urządzeń pamięci masowej, wykorzystujących nośnik magnetyczny do przechowywania danych. Nazwa "dysk twardy" (hard disk drive) powstała w celu odróżnienia tego typu urządzeń od tzw. "dysków miękkich", czyli dyskietek (floppy disk), w których nośnik magnetyczny naniesiono na elastyczne podłoże, a nie jak w dysku twardym na sztywne. Pierwowzorem twardego dysku jest pamięć bębnowa. Pierwsze dyski twarde takie, jak dzisiaj znamy, wyprodukowała w 1980 firma Seagate. Dysk przeznaczony do mikrokomputerów miał pojemność 5 MB, 5 razy więcej niż standardowa dyskietka. 2 Pamięć bębnowa Pamięć bębnowa to historyczny typ pamięci operacyjnej i masowej, wykorzystujący do przechowywania danych cienką warstwę magnetyczną naniesioną na powierzchnię wirującego walca. Stosowana była w polskich komputerach rodzin ZAM, Pamięć konstrukcji IMM Odra, UMC i prototypach BINUZ, EMAL-2, JAGA i (Instytut Maszyn XYZ. Matematycznych) Pierwszą pamięć bębnową skonstruował austriacki inżynier Gustaw Tauschek w 1932 r. Służyła do zapisu szybkich sygnałów analogowych. W 1951 roku pamięć bębnową po raz pierwszy zastosowano w komputerze. Zbudowana w Polsce pamięć bębnowa po raz pierwszy została użyta do praktycznych obliczeń w zbudowanym w latach 1957-58 komputerze EMAL-2. Bęben posiadał pojemność 1024 słów Bęben B-3 z głowicami rozmieszczonych na 32 ścieżkach. 3 Dysk twardy - historia 4 września 1956 firma IBM skonstruowała pierwszy 20-calowy dysk twardy o nazwie RAMAC 350 w komputerze IBM 305 RAMAC. Dysk twardy RAMAC 350 Komputer IBM 305 w arsenale Armii Stanów Zjednoczonych w Red River 4 Dysk twardy - historia W 1983 pojawiły się komputery IBM PC/XT z dyskami 5 i 10 MB. W 1984 firma Seagate wypuściła na rynek pierwszy dysk 5.25 cala ST-506 o pojemności 5 MB. 5 Dysk twardy Pojemność dysków wynosi od 5 MB (w komputerach klasy XT 808x i 286 do 10 TB współcześnie). Pierwszy dysk twardy o pojemności 12/14 TB firmy WD zapowiedziano w marcu 2017. Dla dysków twardych najważniejsze są parametry: pojemność, szybkość transmisji danych, czas dostępu, prędkość obrotowa talerzy (obr/min.) oraz MTBF. Kilka dysków twardych można łączyć w macierz dyskową, dzięki czemu można zwiększyć niezawodność przechowywania danych, dostępną przestrzeń na dane, zmniejszyć czas dostępu. 6 Dysk twardy - historia W 1986 został opracowany kontroler ATA (ang. Advanced Technology Attachments). W 1987 rozpoczęła się era dysków 3.5 cala. W 2003 dysk twardy w typowym stanowisku pracy mógł zgromadzić od 60 do 500 GB danych, obracać się z prędkością 5400 do 10 000 obrotów na minutę (taka prędkość obrotowa jest możliwa dzięki zastosowaniu łożyskowania FDB). 7 Dysk twardy – historia W 2006 dzięki technologii zapisu prostopadłego możliwe jest przetrzymywanie na dysku ponad 1 TB danych. Standardem staje się złącze SATA i SAS oraz technologia optymalizacji odczytu NCQ. Stacje dyskietek zaczęły przegrywać z pamięciami USB do których złącza montuje się z przodu obudowy. Zapis prostopadły jest to sposób zapisu danych na dyskach twardych, w którym domeny magnetyczne nie są ułożone równolegle (ang. longitudinal recording), lecz prostopadle do powierzchni talerza. Taki zapis pozwala na zapisanie większej ilości danych na jednostce powierzchni dysku. Firmie Hitachi udało się osiągnąć zagęszczenie równe 230 Gb na cal kwadr. Granicą możliwości jest 1 Tb na cal kw. — ograniczenie wynikające z występowania zjawiska superparamagnetyzmu. Powoduje ono, że bity mogą zmieniać swoją wartość pod wpływem zmian temperatury, co skutkuje uszkodzeniem danych. 8 Dysk twardy – historia SATA (ang. Serial Advanced Technology Attachment, Serial ATA) - szeregowa magistrala jest bezpośrednim następcą równoległej magistrali ATA. Przepustowość SATA 1.x do 1.5Gb/s, SATA 2.x do 3.0Gb/s, SATA 3.x do 6.0Gb/s. Nowy standard wprowadza trzy nowe specyfikacje usprawniające działanie kontrolerów dysków twardych: Kolejkowanie zadań NCQ (ang. Native Command Queuing). W ten sposób można uzyskać do 10% wzrostu wydajności. Port Multiplier. Do jednego portu hosta można podłączyć do szesnastu urządzeń SATA, tak aby w pełni wykorzystać oferowaną przepustowość. Port Selector. Umożliwia podłączenie dwóch różnych portów do tego samego urządzenia w celu utworzenia nadmiarowej ścieżki do tego urządzenia. 9 Dysk twardy – historia W 2008 pojawiły się dyski SSD. Na początku technologia ta była bagatelizowana przez dużych graczy (np. Western Digital). Jednak stosunkowo duże zainteresowanie rynku mimo bardzo wysokiej ceny, duża wydajność dzięki minimalnemu czasowi dostępu do danych oraz malejąca cena za MB szybko zmieniła ich nastawienie. SSD (ang. Solid State Drive, rzadko Solid State Disk) – urządzenie służące do przechowywania danych zbudowane w oparciu o masową pamięć półprzewodnikową. Porównanie 2,5" dysków HDD (z lewej) i SSD (pośrodku) 10 Dysk twardy – historia Sześć dysków twardych o wymiarach 8″, 5.25″, 3.5″, 2.5″, 1.8″, i 1″ 11 Dysk twardy - budowa Dysk twardy składa się z zamkniętego w obudowie, wirującego talerza (dysku) lub zespołu talerzy, wykonanych najczęściej ze stopów aluminium, o wypolerowanej powierzchni pokrytej nośnikiem magnetycznym (grubości kilku mikrometrów) oraz z głowic elektromagnetycznych umożliwiających zapis i odczyt danych. Głowice nie stykają się z wirującą warstwą nośnika, lecz unoszą się na poduszce powietrznej. Do zapisu danych służy głowica elektromagnetyczna cienkowarstwowa, zaś do odczytu – głowica magnetorezystywna, wykorzystująca efekt zmiany oporności elektrycznej materiału (ze stopu żelaza i niklu) przy zmianie pola magnetycznego. Na każdą powierzchnię talerza dysku przypada po jednej głowicy odczytu i zapisu. 12 Dysk twardy - budowa 13 Dysk twardy - budowa Ruch głowicy Uszkodzenia głowicy Głowica z bliska 14 Dysk twardy – szeregowanie zadań FIFO – first in, first out, żądania są przetwarzane sekwencyjnie wg kolejki. Pierwszy w kolejce jest obsługiwany pierwszy. Sprawiedliwa strategia nieprowadząca do zagłodzenia. Ruchy głowicy losowe przy wielu procesach – mała wydajność. Priorytet – małe zadania dostają większy priorytet i są wykonywane szybciej, dobry czas reakcji. Optymalizuje wykonanie zadań a nie wykorzystanie dysku. LIFO – last in, first out, Ostatni na wejściu pierwszy na wyjściu. Ryzyko zagłodzenia przy dużym obciążeniu, poprawia przepustowość i zmniejsza kolejki. SSTF – shortest service time first, najpierw obsługiwane jest żądanie przy którym są najmniejsze ruchy głowicy, dobra wydajność, ryzyko zagłodzenia. 15 Dysk twardy – szeregowanie zadań SCAN – ramię „skanuje” dysk realizując napotkane na swojej drodze żądania, gdy ramię głowicy osiągnie ostatnią ścieżkę ramię zaczyna skanować w druga stronę. C-SCAN – skanowanie tylko w jednym kierunku, po osiągnięciu końca ścieżki, ramię wraca na przeciwny koniec dysku i zaczyna skanowanie w tym samym kierunku. N-step-SCAN – żądania są ustawiane w podkolejkach od długości N. Każda podkolejka jest przetwarzana zgodnie ze strategią SCAN. Dla dużego N zbliża się do SCAN dla N=1 jest to FIFO. FSCAN – dwie podkolejki, w czasie rozpoczęcia skanowania żądania są umieszczone w pierwszej podkolejce, żądania pojawiające się w czasie skanowania są ustawiane do drugiej podkolejki i przetwarzane po skończeniu skanowania zadań z pierwszej podkolejki. 16 Dysk twardy – adresowanie danych CHS (cylinder, head, sector) . Każdy dysk twardy zawiera talerze i głowice do odczytu i zapisu. Głowice znajdują się po obydwu stronach talerza tzn. jeżeli dysk zawiera 2 talerze to posiada 4 głowice. Każdy talerz podzielony jest na ścieżki. Wartość cylindrów określa liczbę ścieżek znajdujących się po każdej ze stron talerza. Pojedynczy cylinder jest więc zbiorem ścieżek będących jedna nad drugą (jest ich tyle samo co głowic). Liczba sektorów określa ile sektorów jest w każdym cylindrze, każdy sektor zawiera 512 bajtów. Starsze dyski twarde dzieliły każdy cylinder na równą liczbę sektorów, a wartości CHS odpowiadały fizycznej budowie dysku. Dysk z wartościami CHS 500x4x32 posiadał 500 ścieżek po każdej stronie talerza, 2 talerze, i 32 sektory na cylinder. 17 Dysk twardy – adresowanie danych ECHS (Extended cylinder, head, sector) Procedura adresacji sektorów na twardych dyskach odpowiedzialna za obsługę dysków o pojemności powyżej 528 MB. Funkcje INT 13 używały 24 bitów do reprezentacji adresów, zatem możliwe było zaadresowanie 224 *512 bajtów = 8,5 GB. LBA (Logical Block Adressing) Pozwalało na zwiększenie zakresu adresowania. To rozwiązanie stosuje adresowanie 28 bitowe, co pozwala na przydzielenie numerów większej liczbie sektorów 228*512 bajtów = 137 GB. 18 Dysk twardy – adresowanie danych MZR (Multiple Zone Recording) Sąsiadujące ścieżki dysku są zebrane w grupach, których ilość zależy od producenta i serii dysku (zwykle od 3 do 20). W ramach grupy wszystkie ścieżki mają dokładnie taką samą ilość sektorów. Im grupa jest położona bliżej zewnętrznej krawędzi nośnika, tym jej ścieżki mają więcej sektorów. Czasem grupy tworzone są według zasady, że ścieżka, która jest w stanie pomieścić o jeden sektor więcej niż poprzednia, rozpoczyna nową grupę. Głowica, przeniesiona nad zewnętrzne obszary nośnika, jest w stanie w tym samym czasie odczytać znacznie więcej sektorów niż przy krawędzi wewnętrznej. W klasycznym modelu ilość ta jest dokładnie taka sama. Przy wykorzystaniu MZR, głowica częściej znajduje się przy zewnętrznych obszarach dysku, bo jest tam wykonywanych więcej odczytów i zapisów, a co za tym idzie, dane z obszarów zewnętrznych (najliczniejsze) są dla głowicy