Kapitel 2 Laufwerke.

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1 Kapitel 2 Laufwerke

2 Laufwerke / Speichermedien
Tabellarische Anordnung folgender Laufwerke und Beschreibung des Funktionsprinzips: LS 120/240, Zip, JAZ, MO, CD/DVD/UDO/AOD. wichtige Leistungsmerkmale: w Speicherkapazität, w Übertragungsgeschwindigkeit (Schreib-/Lesegeschwindigkeit), w Zugriffsgeschwindigkeit, w Schreib-/Lesemöglichkeit w Preis/Leistungsverhältnis, spezielle Leistungsmerkmale: w Kompatibilität w Lautstärkeentwicklung, w Haltbarkeit, Empfindlichkeit, w Stromverbrauch, w sonstige Besonderheiten....

3 Diskette / Festplatte

4 Festplatte

5 Disk-Layout

6 Plattenstapel

7 Grundbegriffe (1) Sektor Spur (Track) Kopf (Head) Zylinder (Cylinder)

8 Diskette

9 Aufzeichnungsverfahren

10 FM (Frequency Modulation)
Das Ziel der verschiedenen Aufzeichnungsverfahren ist die optimale Ausnutzung der vorhandenen Oberfläche des Datenträgers zur Datenspeicherung (hohe Speicherdichte  hohe Speicherkapazität) das FM-Verfahren verwendet zur Speicherung abwechselnd ein Taktbit und ein Datenbit. Es war in den 70er Jahren weit verbreitet und wurde durch das MFM-Verfahren abgelöst.

11 MFM (Modified FM) MFM kann Daten mit doppelter so hoher Speicherdichte auf der Oberfläche eines Datenträgers abspeichern als FM. Heute arbeitet allerdings nur noch das klassische Diskettenlaufwerk mit dieser Aufzeichnungsmethode.

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

13 Datenträgerorganisation

14 Formatierung Durch das Formatieren wird der Datenträger für die Datenaufnahme vorbereitet. Low-Level-Formatierung High-Level-Formatierung:

15 Diskettenformatierung
Das Diskettendateisystem ist FAT12, bei vollständiger Diskettenformatierung wird sowohl LOW als auch HIGH formatiert, es wird immer ein Bootsektor angelegt ob Boot- oder reine Datendiskette. Analyse Diskettenkapazität Rohkapazität: 2 MB Formatdaten: 0,525 MB Kapazität: Byte Kapazität: Byte (tatsächlich) Dateisystem: Byte (2 x FAT (je 8192 Byte) Byte Bootsektor) (berechnet) (80T x 18S x 512Byte x 2H)

16 Dateisystem Aufgabe des Dateisystems

17 Grundbegriffe (2) Cluster (Zuordnungseinheit, Block) Partition (Logisches Laufwerk)

18 Partitionierung

19 Diskettenkapazität Kapazitätsformel: T*S*H*Bytes.
Bei der Diskettenformatierung unter Windows wird das Dateisystem FAT12 verwendet. Es stellt insgesamt 2^12  4085 Einträge für die Verwaltung der Cluster zur Verfügung. FAT12 unterstützt Clustergrößen von 512B bis 4KB. Wie hoch ist der theoretische Adressraum von FAT12? Bei der Diskette werden nur 2847 Cluster genutzt. 2847 Cluster (Zuordnungseinheiten) x 512 Byte/S = Byte Speicherkapazität  Gesamtkapazität Diskette: 4085*512Byte = Byte Kapazitätsformel: T*S*H*Bytes.

20 Fehlerkorrektur

21 Grundproblematik Für den effizienten Betrieb einer Festplatte ist ein kontinuierlicher Adressraum von großer Bedeutung. Dem stehen nicht zu vermeidende Produktionsmängel (defekte Sektoren oder Spuren) entgegen. Diese würden Löcher in den kontinuierlichen Adressraum einer Festplatte reißen. Mittels geeigneter Korrekturmechanismen müssen diese korrigiert werden. In den ersten System-Zylindern (Nr.-2, -1; nur Controllerzugriff!) werden "Defekte" verwaltet und der kontinuierliche Adressraum sichergestellt.

22 Sektor-Slipping

23 Bad-Sektor-Mapping

24 Zone-Recording

25 Zone-Recording (1)

26 Zone-Recording (2)

27 Zone-Recording (Tabelle)
Spuren in Zone Sektoren pro Spur Datenübertragungs- rate (Mbit/s) 454 232 92,9 1 229 91,7 2 225 90,4 3 89,2 4 214 85,8 5 205 82,1 6 195 77,9 7 185 74,4 8 180 71,4 9 170 68,2 10 162 65,2 11 153 61,7 12 142 57,4 13 135 53,7 14 122 49,5

28 Translation Festplatten-Adressierung

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

30 Adressierungs-Standards
Mit der Kapazitäts- und Geschwindigkeitsentwicklung der Festplatten haben sich auch die verwendeten Adressierungs-Standards (= ATA- bzw. IDE-Standard) gewandelt. Ausgangspunkt solcher Verfahren war und sind die jeweiligen Spezifikationen aller beteiligten Systeme: Festplatte mit ihrem ATA- bzw. (E-)IDE-Standard Das BIOS, mit seiner INT13h-Routine, und das Betriebssystem, das über den INT13 oder mittels eigenem Treiber auf die Festplatte zugreift. Im Folgenden wird die Entwicklung der verschiedenen Adressierungs-Modi (ATA/IDE–Standards) CHS-Modus Normal- oder E-CHS-Modus LBA-Modus detailliert dargestellt.

31 CHS-(/Normal-) Modus Cylinder Head Sektor
Das CHS-Verfahren (ATA/IDE) ist das älteste Verfahren und wurde bis Mitte der 90er Jahre verwendet. Es setzt auf den physischen Geometriedaten des Laufwerks auf und adressiert mit eine CHS-Angabe den Sektor direkt. Das BS/BIOS übergibt mit einer CHS-Angabe den gewünschten Sektor. Dabei ist zu berücksichtigen, daß BIOS und ATA/IDE mit unterschiedlichen Spezifikationen arbeiten und nur die Schnittmenge (fett hervorgehoben) der Spezifikationen zur Adressierung verfügbar ist. Damit ist der Adressraum auf 1.024C * 16H * 63S *512B = 504MB (=Bootgrenze!) beschränkt gewesen! CHS-Modus bis ca. 90er Jahre aktuell Altes BIOS bzw. Int13 mit 24 Bit Adressraum Erster IDE/ATA-Standard mit 28 Bit Zylinder 10 Bit  1.024 16 Bit  Köpfe (Heads) 8 Bit  256 4 Bit  16 Sektoren pro Spur 6 Bit  63 (64-1) 8 Bit  255 (256-1) max. Adressraum 7,875 GB 127,5 GB

32 Bootgrenze

33 E-CHS / Large-Modus Bootgrenze = 1.024C * 255H * 63S *512B = 7,84GB
Da das erste CHS-Verfahren mit 504 MB Adressraum schnell an seine Grenzen kam wurde 1993 mit Einführung des EIDE-Standards auch ein Large bzw. E(xtended)-CHS-Modus eingeführt. Diese Modi erlauben Werte von bis zu 255 Köpfen! Bei diesen Modi wurde durch Mapping nunmehr mit logischen CHS-Angaben ein Sektor angesprochen. D.h. die Festplatte meldete dem BIOS über eine CHS-Angabe nicht ihre tatsächliche Geometrie sondern nur ihre Kapazität! Die CHS-Angaben von BS/BIOS hat die Lw-Elektronik dann auf den physikalisch korrekten Sektor umgerechnet! Diese Umstellung auf "virtuelle" Geometriedaten war auch wegen des aufkommenden Zone Bit Recording unumgänglich! Bootgrenze = 1.024C * 255H * 63S *512B = 7,84GB Large bzw. E-CHS-Modus 1993 bis 1996 aktuell Altes BIOS bzw. Int13 mit 24 Bit Adressraum EIDE/ATA-Standard mit 32 Bit (?) Zylinder 10 Bit  1.024 16 Bit  Köpfe (Heads) 8 Bit  256 8 Bit  255 Sektoren pro Spur 6 Bit  63 (64-1) 8 Bit  255 (256-1) max. Adressraum 7,875 GB 127,5 GB

34 Mapping

35 LBA-Modus Linear Block Adressing
!996 wurde mit dem LBA-Modus ein komplett anderes Adressierungsverfahren eingeführt. Im gleichen Zuge wurde auch der INT13 "erweitert". LBA reiht alle Sektoren in einen linearen Adressraum, angefangen bei 0 bis n, ein. Zur Adressierung übergibt das BS/BIOS nur die entsprechende LBA-Nummer, die Laufwerkselektronik ermittelt daraufhin den zutreffenden Sektor. LBA benötigt neben einem angepassten BS/BIOS auch ein "modernes" Dateisystem wie z.B. FAT32, NTFS, ... . Mit dem LBA-Modus ergeben sich folgende neue Bootgrenzen: ATA arbeitet bis Ultra-ATA/100 mit 28 Bit  228 * 512B = 127,5 GB ab Ultra-ATA/133, S-ATA mit 48 Bit  248 * 512B = 128 PB die INT13 Extension-BIOS-Routine kann allerdings sogar mit 64 Bit arbeiten!  264 * 512B = 16 EB

36 INT13-Extension

37 ATA-Standard (Advanced Technology Attachments)

38 ATA-Standard ATA (ca.'85) legt das Signalverhalten und das Protokoll für das IDE-Bussystem fest. Dabei geht es nur um die Übertragung zwischen Laufwerk und Host-Adapter. Für den Transfer vom Adapter zum Speicher ist ATA nicht zuständig! Für den Datentransfer zwischen Lw und Adapter existieren 4 Protokolltypen: PIO  veraltet, Single-Word-DMA  ausgestorben, Multiword-DMA kurz "DMA" genannt  veraltet, und Ultra-DMA  aktuell

39 PIO-Modus

40 DMA-Modus

41 Ultra DMA-Modus

42 ATA-Modi

43 Translations-Modi C H S Modus Bemerkung CHS LBA (alt) LBA 24 LBA 28
Bits max. Kapazität Bootgrenze binär / dezimal Bemerkung CHS 1024 16 63 20 504 /528MB ursprüngliche BIOS/ IDE-Schnittstelle LBA (alt) 4096 22 1,97 /2,1GB 1995/96 8192 23 3,94 /4,2GB 1996 LBA 24 255 24 7,8/8,4GB 1997/98 LBA 28 65536 28 127,5/ 136,9GB 1999 (IDE Standard) LBA 48 2^32 48 124 /144PB 2002

44 ATA-1 Standard Protokolle Bandbreite Busbreite Geräte Jahr Standard ATA ATA-1 PIO-Mode 0 3,3 MByte/s 8 2 ab '94 (IDE) PIO-Mode 1 5,2 MByte/s PIO-Mode 2 8,3 MByte/s Single-Word-DMA 0 2,1 MByte/s Single-Word-DMA 1 4,2 MByte/s Single-Word-DMA 2 Multi-Word-DMA 0 max. 4MB/s, 2 Laufwerke, asynchrone Signalverarbeitung, d.h. abwechselnd werden Steuer- und Datensignale über dieselbe Leitung gesendet

45 ATA-2 Standard Protokolle Bandbreite MByte/s Busbreite Geräte Jahr Fast ATA ATA-2 PIO-Mode 3 11,1 16 2x2 ab '95 (E-IDE) Multi-Word-DMA 1 13,3 PIO-Mode 4 16,6 Multi-Word-DMA 2 max. 16,6MB/s; EIDE 1995; 4 Laufwerke, synchroner Signaltransfer

46 ATA-3 Standard Protokolle Bandbreite MByte/s Busbreite Geräte Jahr Ultra ATA/33 ATA-3 Ultra-DMA 0 16,6 16 2x2 1996 / 1997 Ultra-DMA 1 25 Ultra-DMA 2 33,3 max. 33MB/s; S.M.A.R.T.-Technologie (=Self Monitoring Analysis and Reporting Technology) Selbstprüfungsmechanismus. Die gesammelten Status-Informationen über den Betriebszustand der Platte werden in einer Tabelle protokolliert (Angaben zu Motor, Köpfe, Elektronik, Platten...), liegen die Daten irgendwo außerhalb einer gewissen Toleranz wird eine Warnmeldung an das BS ausgegeben um einen drohenden Voll-/Teilausfall des Gerätes und somit Datenverlust zu verhindern.

47 Exkurs SMART SMART (im BIOS oder mit Tool enablen) führt zu Performance-Verlust und ist deswegen meistens ausgeschaltet. Überprüft die HD während des Betriebes auf Störungen: durch Festplattenermüdung magnetische Abschwächung z.B. Erdmagnetfeld oder Luft-Erosion durch Schreib-/Lesekopf Drehzahl-Schwankungen Anzahl Leseversuche für einen Sektor ...

48 ATA-4 Standard Protokolle Bandbreite MByte/s Bus-breite Geräte Jahr Ultra ATA/66 ATA-4 Ultra-DMA 3 66,6 16 2x2 ab '99 max. 66MB/s CD-ROM wird beim Hochfahren automatisch (ohne Treiber) erkannt  dadurch kann von diesem Laufwerk auch gebootet werden

49 ATA-5 Standard Protokolle Bandbreite MByte/s Busbreite Geräte Jahr Ultra ATA/100 ATA-5 Ultra-DMA 4 100 16 2x2 ab '00 max. 100MB/s; spezielles 80adriges Kabel; 28 Bit-Adressierung

50 ATA-6 133 16 2x2 ATA-6 max. 133MB/s; 48 Bit-Adressierung Ultra-DMA 5
Standard Protokolle Bandbreite MByte/s Busbreite Geräte Jahr Ultra ATA/133 ATA-6 Ultra-DMA 5 133 16 2x2 ab '02 max. 133MB/s; 48 Bit-Adressierung

51 S-ATA Standard Protokolle Bandbreite MByte/s Bus-breite Geräte Jahr S(erial) ATA UDMA 150 seriell einzeln ab '03 max. 150MB/s; jedes Laufwerk wird einzeln am Controller angeschlossen  daraus ergibt sich für jedes Gerät die volle Bandbreite, da voneinander unabhängig (Master/Slave fällt weg); Signalspannung von 5V auf 0,25V gesenkt; 7adriges bis 1m langes Rundkabel  einfacher und übersichtlicher; bessere Luftzirkulation; Probleme bei Parallel: Signalverzögerung, Signalrauschen, Terminierung; voraussichtlich Standard für die nächsten 10 Jahre; zukünftige Bandbreiten: S-ATA2=300MB/s, S-ATA3=600MB/s

52 Vorteile für SCSI bei mehreren Geräten
SCSI vs. E-IDE Hardware SCSI flüssigkeitsgelagerte Platten für 24Std.-Betrieb E-IDE kugelgelagerte Platten für 8Std.-Betrieb Vorteile für SCSI bei mehreren Geräten

53 ATAPI Advanced Technology Attachment Packet Interface
ATA"PI" ist ein Unterstandard von ATA. Er erweitert ATA/IDE dahinge-hend, daß neben Festplatten auch andere Laufwerkstypen: Zip-, LS-, CD/DVD-Laufwerke u.a. angeschlossen werden können.

54 (logische Laufwerke erstellen)
Partitionierung (logische Laufwerke erstellen)

55 Partitionierung Vorteile: Übersichtlichkeit (Handlichkeit),
Die heutigen Laufwerksgrößen von mehr als 120GB sind kaum noch übersichtlich zu handhaben, daher werden sie in kleinere logische Laufwerke "partitioniert". D.h. ein Laufwerk wird erst in kleinere Partitionen aufgeteilt, die dann anschließend formatiert werden müssen Vorteile: Übersichtlichkeit (Handlichkeit), Sicherheit, schnellerer Zugriff, mehrere Betriebssysteme

56 Partitionsarten primär: boot: erweitert: logisch:

57 Hilfsprogramm Fdisk Fdisk kann nur eine! Primärpartition erstellen und ist auch sonst in den Möglichkeiten her sehr begrenzt! Fdisk Parameter: fdisk /status aktuelles Partitionslayout anzeigen fdisk /mbr Partitionssektor wird wieder hergestellt* fdisk /ext erweiterte Partition herstellen fdisk /x nicht die LBA-Partition laden * der Bootstrploader und die dahinter liegenden Sektoren werden neu geschrieben, die Partitionstabelle bleibt unberührt!

58 Partitionsaufbau Bootsektor (Bootloader/BS-Starter, Partitionsangaben)
FAT (File Allocation Table) FAT (Sicherungskopie der ersten FAT) Wurzel-/Stammverzeichnis Datenbereich (Verzeichnisse und Dateien)

59 Anzeigelogik der Laufwerke
Nur die aktive Primärpartition wird angezeigt, alle anderen Primärpartitionen auf dem 1. Laufwerk wird ausgeblendet. Laufwerksreihenfolge: zuerst Primärpartitionen in der physischen Laufwerksreihenfolge danach in der Reihenfolge der physischen Laufwerke die vorhandenen logischen Partitionen danach Wechselmedien z.B. Zip-, LS120/240/750 Laufwerke und andere danach CD/DVD

60 Festplatten-Technologien
zukünftige Festplatten-Technologien

61 (Antiferro-Magnetically-Coupled)-
IBM AFC-Technologie (Antiferro-Magnetically-Coupled)-

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

63 Traditionelle Speichertechnik

64 AFC-Speichertechnick

65 (Perpendicular Recording Technology)
Seagate PRT-Technologie (Perpendicular Recording Technology)

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

67 PRT-Technologie (Bild1)

68 PRT-Technologie (Bild2)

69 weitere Technologien

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

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

72 Überblick zukünftige Festplattenentwicklung
Technologie Datendichte max. Marktreife Einzelplatten- kapazität derzeitige Technik 50 GBit/in² 2003 120 GByte nahe Zukunft 100 GBit/in² GByte PRT 1 TBit/in² 2007 ? 3 TByte ? HAMR 10 TBit/in² ? 30 TByte ? SOMA+PRT+HAMR 50 TBit/in² 150 TByte ?