Σμιμα Ηλεκτρολόγων Μθχανικϊν και Μθχανικϊν Τπολογιςτϊν - Α.Π.Θ. Σεχνολογία Ήχου & Εικόνασ: Αποκικευςθ, Επεξεργαςία, Μετάδοςθ ΚΛΗΡΟ ΔΙΚΟ.

Transcript

1 Σμιμα Ηλεκτρολόγων Μθχανικϊν και Μθχανικϊν Τπολογιςτϊν - Α.Π.Θ. Σεχνολογία Ήχου & Εικόνασ: Αποκικευςθ, Επεξεργαςία, Μετάδοςθ ΚΛΗΡΟ ΔΙΚΟ Ομάδα 1: Αργυρίου Γεώργιοσ Βουδριάσ Δημήτριοσ Παπαδόπουλοσ Ευςτάθιοσ Τρίτθ, 9 Φεβρουαρίου 2010

2 Περιεχόμενα: 1. Αντί προλόγου - Συνοπτικι περιγραφι λειτουργίασ Σκλθροφ Δίςκου 2. Ιςτορικι αναδρομι a. Ο πρϊτοσ Σκλθρόσ Δίςκοσ b. Σθμαντικοί ςτακμοί ςτθν εξζλιξθ του HDD 3. Αρχιτεκτονικι a. Μαγνθτικζσ πλάκεσ b. Κεφαλι εγγραφισ/ανάγνωςθσ c. Βραχίονασ ςτιριξθσ d. Κινθτιρασ περιςτροφισ e. Πλακζτα 4. Διαμόρφωςθ και κωδικοποίθςθ ςιματοσ a. Μορφι ςιματοσ b. Τεχνικζσ διαμόρφωςθσ c. Διόρκωςθ ςφαλμάτων 5. Λογικι δομι αποκθκευμζνθσ πλθροφορίασ 6. Συςτοιχίεσ Δίςκων a. Οργάνωςθ ςυςτοιχιϊν b. Τρόποι υλοποίθςθσ c. Μζκοδοσ Error Correcting 7. Επικοινωνία με τον υπολογιςτι 8. Απαιτιςεισ και απόδοςθ 2

3 1) υνοπτική περιγραφή λειτουργίασ κληρού Δίςκου αντί προλόγου Ο όροσ Σκλθρόσ Δίςκοσ αποτελεί μετάφραςθ του αγγλικοφ όρου HD = Hard Disk. Ωςτόςο θ ονομαςία αυτι δεν είναι απόλυτα ςωςτι, και ζχει επικρατιςει περιςςότερο για ιςτορικοφσ λόγουσ. Η πλιρθσ αγγλικι ονομαςία τθσ ςυςκευισ είναι HDD = Hard Disk Drive, το οποίο μεταφράηεται ωσ Οδθγόσ Σκλθροφ Δίςκου. Για τυπικοφσ λόγουσ κα πρζπει να ξεκακαριςτεί ο διαχωριςμόσ: Λζγοντασ Σκλθρόσ Δίςκοσ κανονικά εννοοφμε αποκλειςτικά τισ πλάκεσ πάνω ςτισ οποίεσ γίνεται θ μαγνθτικι εγγραφι των δεδομζνων (Hard Disks), ενϊ θ ςυςκευι που αγοράηουμε από τα καταςτιματα και εγκακιςτοφμε ςτουσ υπολογιςτζσ μασ περιλαμβάνει εκτόσ από τον Hard Disk και μια πλιρθ ςυςκευαςία με κυκλϊματα και θλεκτρομθχανικζσ διατάξεισ που φροντίηουν για τθν υλοποίθςθ τθσ εγγραφισ/ανάγνωςθσ Η ςυςκευι αυτι είναι ο Οδθγόσ Σκλθροφ Δίςκου (HDD). Παρ' όλα αυτά ζχει επικρατιςει ο πρϊτοσ όροσ και αυτόσ κα χρθςιμοποιθκεί. Ο Σκλθρόσ Δίςκοσ είναι μια ςυςκευι αποκικευςθσ δεδομζνων με μαγνθτικό τρόπο. Από τθλεπικοινωνιακι ςκοπιά, αντιμετωπίηεται ωσ ζνα τθλεπικοινωνιακό ςφςτθμα που μεταφζρει τθν πλθροφορία ςτο χρόνο, μζςω ενόσ μαγνθτικοφ καναλιοφ. Το κανάλι ζχει τθ μορφι λεπτϊν κυκλικϊν πλακϊν, που παλιότερα καταςκευάηονταν από κράματα αλουμινίου, ενϊ τα τελευταία χρόνια ζχει επικρατιςει θ 3

4 χριςθ μιγμάτων κεραμικϊν και γυαλιοφ. Οι επιφάνειεσ τθσ πλάκασ καλφπτονται από φερρομαγνθτικό υλικό, κυρίωσ κράματα κοβαλτίου, ενϊ παλιότερα χρθςιμοποιοφνταν οξείδια του ςιδιρου. Η πλθροφορία, προτοφ ειςαχκεί ςτον Σκλθρό Δίςκο, είναι ιδθ εκφραςμζνθ ςε δυαδικό ςφςτθμα και κωδικοποιθμζνθ (κϊδικασ ASCII). Κακϊσ ειςζρχεται ςτο ςφςτθμα, ςτθ μορφι θλεκτρικϊν ςθμάτων, οδθγείται ςτθν κεφαλι που τθ μεταςχθματίηει ςε μαγνθτικό πεδίο, το οποίο με τθ ςειρά του μαγνθτίηει το φερρομαγνθτικο υλικό, προςανατολίηοντασ ομάδεσ μαγνθτικϊν κόκκων κατάλλθλα ϊςτε να ξεχωρίηει το 0 από το 1 μζςω των αντίκετων προςανατολιςμϊν. Ζτςι τα δεδομζνα αποκθκεφονται ςειραϊκά ωσ ακολουκίεσ bit με τθ μορφι μικροςκοπικϊν μαγνθτικϊν διπόλων. 1.1: Σο θλ. ρεφμα παράγει μαγνθτικό πεδίο, που μαγνθτίηει το υλικό Ο κλαςςικόσ τρόποσ ανάγνωςθσ γίνεται με τον ίδιο τρόπο: Η περιςτροφι τθσ πλάκασ ςυνεπάγεται τθν περιςτροφι των μαγνθτικϊν διπόλων, δθλαδι ςτθν κεφαλι ανάγνωςθσ επάγεται τάςθ λόγω τθσ μεταβολισ του μαγνθτικοφ πεδίου. Στισ νεότερεσ ςυςκευζσ, όπου το φυςικό μζγεκοσ ζκταςθσ του κάκε bit μειϊκθκε ςθμαντικά, ο τρόποσ αυτόσ εγκαταλείφκθκε για το ςφςτθμα ανάγνωςθσ, και ζγινε εκμετάλλευςθ τθσ ιδιότθτασ MR (magnetoresistance) κάποιων υλικϊν, ςφμφωνα με τθν οποία θ θλεκτρικι αντίςταςθ τθσ κεφαλισ μεταβάλλεται ανάλογα με το ςκζνοσ του μαγνθτικοφ πεδίου που δζχεται από τθν πλάκα. Ωσ υλικό χρθςιμοποιείται κράμα Νικελίου/Σιδιρου ςε αναλογία 81%/19%. 4

5 Ζνασ βραχίονασ είναι υπεφκυνοσ για τθν ακτινικι μετακίνθςθ των κεφαλϊν ςτισ πλάκεσ, προσ το κζντρο ι αντίκετα, ϊςτε να εγγράφει/αναγνωςτεί θ πλθροφορία ςε ςυγκεκριμζνθ κζςθ. Ο βραχίονασ ελζγχεται από ζναν μθχανιςμό ανάδραςθσ (ςερβομθχανιςμό), ο οποίοσ κινείται από ζνα πθνίο φωνισ (voice coil), ενϊ παλιότερα χρθςιμοποιοφνταν βθματικοσ κινθτιρασ (stepper motor). Ο μθχανιςμόσ φροντίηει ϊςτε θ κεφαλι να μθν ζρχεται ςε επαφι με τουσ δίςκουσ, αλλά να υπερίπταται ςε μικροςκοπικι απόςταςθ πάνω από τθν επιφάνεια τουσ. Η βαςικότερθ διαφορά του Σκλθροφ Δίςκου από τουσ «προγόνουσ» του ςτθ μαγνθτικι αποκικευςθ ιταν ότι θ τοποκζτθςθ των δεδομζνων ςτο κανάλι αποκικευςθσ δεν γίνεται με τθ ςειρά ειςαγωγισ τουσ αλλά με τυχαία ςειρά (random). Πθγζσ ενότθτασ: «Disk Drives take eventful spin», by George Rostky 5

6 2) Ιςτορική αναδρομή Ο Σκλθρόσ Δίςκοσ πρωτοεμφανίςτθκε το 1956, ωσ μζςο μαγνθτικισ αποκικευςθσ δεδομζνων για τουσ υπολογιςτζσ τθσ IBM. Τα πρϊτα μοντζλα ιταν ιδιαίτερα ογκϊδθ (καταλάμβαναν χϊρο ανάλογο ενόσ.. πλυντθρίου!) και κατανάλωναν τεράςτιεσ ποςότθτεσ θλεκτρικισ ιςχφοσ - τόςο που κάποια από αυτά ςυνδζονταν κατευκείαν ςτο τριφαςικό ςφςτθμα θλεκτροδότθςθσ. Ωσ εκ τοφτου ιταν αδφνατθ θ χριςθ τουσ για τον οικιακό καταναλωτι, ι ακόμα και για μικρζσ επιχειριςεισ και τθ βιομθχανία. Οι μαγνθτικζσ πλάκεσ δεν ιταν αναπόςπαςτο κομμάτι του ςυνολικοφ μθχανιςμοφ όπωσ ςιμερα, αντίκετα ιταν αφαιροφμενεσ, και υπιρχε θ δυνατότθτα να απενεργοποιθκεί θ ςυςκευι και να αντικαταςτακοφν από άλλεσ, όπωσ ςυμβαίνει ςιμερα με τισ διςκζτεσ ι τα CD/DVD. Μζχρι το 1980 τα μεγζκθ των Σκλθρϊν Δίςκων παρζμεναν μεγάλα, με διάμετρο τθσ τάξθσ του διψιφιου αρικμοφ ιντςϊν. Στισ αρχζσ τισ δεκαετίασ του '80 δυο μεγάλεσ αλλαγζσ ςτθν τεχνολογία καταςκευισ οδιγθςαν ςε μια ζκρθξθ πωλιςεων, που κατζςτθςε τουσ Σκλθροφσ Δίςκουσ απαραίτθτο μζροσ του προςωπικοφ υπολογιςτι - μάλιςτα ζκτοτε ςυγκαταλζγονται ςτο Hardware και όχι ςτα περιφερειακά: Παγιοποιικθκε το μοντζλο του ενιαίου HDD, τθσ ςυςκευισ όπου οι μαγνθτικζσ πλάκεσ αποκικευςθσ ζρχονται ςυνδεδεμζνεσ και ςφραγιςμζνεσ μζςα ςτον οδθγό, ο οποίοσ περιλαμβάνει τον ελεγκτι και τα υπόλοιπα απαραίτθτα για τθ λειτουργία του κυκλϊματα κι ζτςι μπορεί να ςυνδεκεί απευκείασ ςτον κεντρικό δίαυλο του υπολογιςτι, και προτυποποιικθκαν ωσ μζγεκοσ των ςυςκευϊν οι 5,25 (που πολφ ςφντομα ζδωςαν τθ κζςθ τουσ ςτισ 3,5 ). Ο πρϊτοσ Σκλθρόσ Δίςκοσ για ευρεία κατανάλωςθ, ςτισ 5,25 ιταν το μοντζλο ST-506 τθσ Seagate Technology, που τότε ονομάηονταν Shugart Technology, με χωρθτικότθτα 5 MB. Η ςειρά αυτι κωδικοποιοφςε τα μαγνθτικά δεδομζνα με τθ μζκοδο MFM (βλ. αντίςτοιχθ ενότθτα). 2.1: Seagate ST-506, Ο πρϊτοσ HDD με διάμετρο 5,25 6

7 Κατά τθν ίδια δεκαετία ζκαναν τθν εμφάνιςι τουσ και οι πρϊτοι εξωτερικοί HDD (δθλαδι Σκλθροί Δίςκοι που δεν βρίςκονταν τοπολογικά ςτο εςωτερικό των υπολογιςτϊν αλλά ιταν ςυνδεδεμζνοι εξωτερικά με κάποια κατάλλθλθ υποδοχι, γεγονόσ που τουσ προςζδιδε φορθτότθτα) οι οποίοι μάλιςτα ιταν ιδιαίτερα δθμοφιλείσ ςτουσ υπολογιςτζσ τθσ Apple. Μζχρι και τα τζλθ τθσ δεκαετίασ του 90 ςτο πίςω μζροσ των Macintosh υπιρχε κφρα ςφνδεςθσ εξωτερικοφ δίςκου SCSI (βλ. αντίςτοιχθ ενότθτα). Μάλιςτα κάποια μοντζλα τθσ Apple δεν είχαν κακόλου εςωτερικό HDD κι ζτςι ο εξωτερικόσ ιταν απαραίτθτοσ για τθ λειτουργία τουσ. Τθ δεκαετία του '90 πραγματοποιικθκε νζα ζκρθξθ ςτθν αγορά, αυτι τθ φορά όχι των μοντζλων που απευκφνονται ςε προςωπικοφσ υπολογιςτζσ, αλλά μοντζλων για αποκθκευτικά μθχανιματα ευρείασ κλίμακασ (ςυςτοιχίεσ RAID, τοπικά αποκθκευτικά δίκτυα, servers κλπ). Ήταν θ εποχι που θ πρόςβαςθ ςτο internet άρχιηε να γίνεται προςιτι όχι μόνο για μικρζσ επιχειριςεισ αλλά και για οικιακοφσ χριςτεσ, κι αυτό δθμιοφργθςε τθν ανάγκθ για δθμιουργία τεράςτιων κόμβων αποκικευςθσ. Στισ αρχζσ του 21ου αιϊνα θ χριςθ των Σκλθρϊν Δίςκων ξζφυγε από το ςτενό κφκλο των υπολογιςτϊν και ειςχϊρθςε πλιρωσ ςε άλλεσ ςυςκευζσ, όπωσ κάμερεσ, κινθτά τθλζφωνα, παιχνιδομθχανεσ, φορθτζσ ςυςκευζσ αναπαραγωγισ ιχου/βίντεο κλπ. Συνοπτικά θ χρονολόγθςθ τθσ ιςτορίασ των Σκλθρϊν Δίςκων κα μποροφςε να χωριςτεί ςε 3 περιόδουσ: , πρϊιμθ περίοδοσ, δφςχρθςτα ςυςτιματα, ελάχιςτα αποδοτικά, όχι ευρείασ κατανάλωςθσ , περίοδοσ ζνταξθσ ςτουσ προςωπικοφσ υπολογιςτζσ, ςυμβατικά μεγζκθ 3,5 και μειωμζνθ κατανάλωςθ 2000-ςιμερα, επζκταςθ ςε άλλεσ τεχνολογίεσ και ςυςκευζσ, περαιτζρω μείωςθ των φυςικϊν διαςτάςεων Πθγζσ ενότθτασ:

8 2α./ Ο πρώτοσ κληρόσ Δίςκοσ Ο πρϊτοσ Σκλθρόσ Δίςκοσ τθσ ιςτορίασ ιταν το μοντζλο IBM-350, και παρουςιάςτθκε το 1956 ωσ κομμάτι του υπολογιςτι IBM RAMAC 305. Το υπολογιςτικό αυτό ςφςτθμα προςφζρονταν για ενοικίαςθ ςτισ εταιρίεσ, ςτο ποςό των $ / μινα! Μια από τισ πρϊτεσ εταιρίεσ που τον χρθςιμοποίθςαν για τθν οργάνωςθ των οικονομικϊν τουσ ιταν θ καταςκευάςτρια αυτοκινιτων Chrysler. Ο IBM-350 αποτελουνταν απο 50 μαγνθτικεσ πλακεσ, με διαμετρο 24 ιντςων (61 cm), που περιςτρεφονταν ςτισ rpm και μποροφςε να αποκθκεφςει 5 εκατομμφρια χαρακτιρεσ των 7 bit (για τθν ακρίβεια, ιταν των 6 bit + 1 bit ελζγχου ιςοτιμίασ για διόρκωςθ ςφαλμάτων). Ο ρυκμόσ μετάδοςθσ δεδομζνων ανζρχονταν ςε χαρακτιρεσ/δευτερόλεπτο. 2.2: Ζνασ από τουσ IBM-305 που αγόραςε το Ναυτικό των ΗΠΑ. Σα δφο μεγάλα κουτιά μπροςτά είναι δφο κλθροί Δίςκοι ΙΒΜ-350. Με βάςθ διλωςθ του Currie Munce, αντιπροζδρου ζρευνασ τθσ Hitachi Global Storage Technologies, ςε ςυνζντευξι του ςτθν Wall Street Journal, ο RAMAC ηφγιηε πάνω από ζναν τόνο, μποροφςε να μετακινθκεί μόνο με περονοφόρο ανυψωτικό μθχάνθμα, και παραδίδονταν με μεγάλα αεροπλάνα μεταφοράσ φορτίων. Σφμφωνα με τον Munce, θ χωρθτικότθτα του IBM-350 είχε τθ δυνατότθτα να αυξθκεί πζρα από τα 5 MB, αλλά το τμιμα μάρκετινγκ τθσ IBM ιταν εναντίον τθσ περαιτζρω αφξθςθσ, κεωρϊντασ ότι δεν κα μποροφςε να πουλθκεί ζνα προιόν με τόςο μεγάλθ χωρθτικότθτα! 8

9 Πθγζσ ενότθτασ: Αναφορζσ: CHM HDD Events: IBM 350 RAMAC IBM Details Next Generation of Storage Innovation IBM Builds on 50 Years of Spinning Disk Storage Lee Gomes, "Talking Tech" The Wall Street Journal, August 22, β./ ημαντικοί ςταθμοί ςτην εξέλιξη του HDD 1950: Πρϊτα κετικά αποτελζςματα για τθ δυνατότθτα μαγνθτικισ εγγραφισ από τθν Engineering Research Associates of Minneapolis 1956: Ο πρϊτοσ Σκλθρόσ Δίςκοσ από τθν IBM ζτοιμοσ για χριςθ από τον τελικό καταναλωτι. 1961: Εφεφρεςθ του μθχανιςμοφ ςτιριξθσ των βραχιόνων ςτον αζρα 1980: Η Seagate παρουςιάηει το μοντζλο με διάμετρο 5,25". 1983: Προτυποποιείται από τθν Rodime το μικρότερο μζγεκοσ, με διάμετρο 3,5", που μζχρι και ςιμερα αποτελεί το κυρίαρχο πρότυπο για desktop υπολογιςτζσ. Είχε πρωτοχρθςιμοποιθκεί ςτισ διςκζττεσ (Floppy Drives από τθν Sony το 1981). 1986: Ειςάγεται το "πθνίο φωνισ" (voice coil actuator) για τθν κίνθςθ του βραχίονα. 1997: Η Seagate κυκλοφορεί τουσ πρϊτουσ δίςκουσ με ταχφτθτα περιςτροφισ rpm. Ακολουκοφν τθν ίδια χρονιά μοντζλα ςτισ rpm. Η ταχφτθτα ανταλλαγισ δεδομζνων πλθςιάηει τα 33,3 MB/sec. 2000: Επιτυγχάνεται χωρθτικότθτα 1 GB ςε HDD μεγζκουσ όςο ζνα μικρό κζρμα. Πθγζσ ενότθτασ: Διάφορα άρκρα τθσ wikipedia 9

10 3. Αρχιτεκτονική 3.1: χθματικό μοντζλο του εςωτερικοφ του κλθροφ Δίςκου 3α./ Μαγνητικέσ πλάκεσ Κάκε Σκλθρόσ Δίςκοσ περιζχει μία ι περιςςότερεσ επίπεδεσ πλάκεσ, που χρθςιμοποιοφνται για να κρατοφν τα αποκθκευμζνα δεδομζνα. Αποτελοφνται από δφο κφρια επίπεδα υλικοφ: ζνα ςκλθρό υπόςτρωμα, από κατάλλθλο άκαμπτο και λείο υλικό που προςδίδει ςτισ πλάκεσ ςτακερότθτα, και ζνα μαγνθτικό ςτρϊμα όπου αποκθκεφεται θ πλθροφορία ςε μορφι μαγνθτικϊν διπόλων. Οι HD ονομάηονται «Σκλθροί» Δίςκοι ακριβϊσ λόγω τθσ ακαμψίασ που χαρακτθρίηει τισ πλάκεσ τουσ, εν αντικζςει με τισ διςκζτεσ, που ςτα αγγλικά ονομάηονται «floppy disks» και είναι εφκαμπτεσ. Το γεγονόσ ότι οι πλάκεσ αποτελοφν τουσ φορείσ αποκικευςθσ των δεδομζνων φανερϊνει τθ μεγάλθ τουσ ςθμαςία. Πρόκειται για το πιο ςθμαντικό και το πιο ευαίςκθτο μζροσ του HD, που πρζπει να καταςκευαςτεί με ιδιαίτερθ λεπτότθτα. Η καταςκευι τουσ, και θ μετζπειτα ςυςκευαςία τουσ ςτον οδθγό γίνεται ςε κακαρά δωμάτια, απομονωμζνα από το περιβάλλον και χωρίσ ίχνθ βρωμιάσ ι ςκόνθσ. Μέγεθοσ 10

11 Το μζγεκοσ τθσ πλάκασ είναι το πιο κακοριςτικό ςτοιχείο για το ςυνολικό μζγεκοσ του Δίςκου Ήδθ από τθν αρχι τθσ ευρείασ κυκλοφορίασ των ςκλθρϊν δίςκων είχαν προτυποποιθκεί ςυγκεκριμζνεσ τιμζσ διαμζτρου, με πιο ςυνθκιςμζνεσ αρχικά τισ 5,25, αργότερα τισ 3,5 και ςιμερα πλζον τισ 2,5 για τουσ φορθτοφσ υπολογιςτζσ. Υπάρχουν επίςθσ και HDD με πολφ μικρο μζγεκοσ, όπωσ π.χ. 1,8, 1,3 ι ακόμα και 1 που χρθςιμοποιοφνται ςε κάμερεσ ι ςε δίςκουσ PCMCIA. Όπωσ φαίνεται, αλλά και όπωσ κα ιταν αναμενόμενο από τθν επαφι μασ με τθν εξζλιξθ τθσ τεχνολογίασ, θ τάςθ είναι το μζγεκοσ να μικραίνει όλο και περιςςότερο. Η τάςθ για ελαχιςτοποίθςθ του μεγζκουσ βζβαια δεν προκφπτει μόνο ωσ αποτζλεςμα τθσ ανκρϊπινθσ βοφλθςθσ για μθχανιματα κομψότερα και φορθτοτερα. Είναι κυρίωσ ηιτθμα πρακτικό: Κατ αρχιν ζχει υπολογιςτεί ότι θ μείωςθ τθσ ακτίνασ μιασ πλάκασ ςτο μιςό, οδθγεί ςε τετραπλαςιαςμό τθσ ακαμψίασ τθσ. Επιπλζον, μικρότερθ διάμετροσ ςθμαίνει μικρότερθ μάηα, άρα ευκολότερθ ανάπτυξθ και διατιρθςθ τθσ επικυμθτισ γωνιακισ ταχφτθτασ με μικρότερο κόςτοσ θλεκτρικισ ιςχφοσ, επομζνωσ μικρότερθ κατανάλωςθ. Τζλοσ, θ κατανομι των δεδομζνων ςε πλάκα μικρότερθσ ακτίνασ ζχει ωσ αποτζλεςμα μικρότερουσ χρόνουσ αναηιτθςθσ, κακϊσ θ κεφαλι ανάγνωςθσ/εγγραφισ ζχει να καλφψει μικρότερεσ ακτινικζσ αποςτάςεισ. Κακϊσ μάλιςτα τα δεδομζνα αποκθκεφονται randomly (διαςπαρτα, τυχαια) αντιλαμβανόμαςτε πόςο ςθμαντικι εξοικονόμθςθ χρόνου επιφζρει θ μικρότερθ ακτίνα. Ο Σκλθρόσ Δίςκοσ μπορεί να ζχει μια ι περιςςότερεσ πλάκεσ. Στθν περίπτωςθ τθσ φπαρξθσ περιςςότερων από μια πλακϊν, αυτζσ είναι ςυνδεδεμζνεσ μεταξφ τουσ και περιςτρζφονται ενιαία. Συνικωσ αποκικευςθ δεδομζνων γίνεται και ςτισ δυο πλευρζσ τθσ κάκε πλάκασ, το οποίο ςθμαίνει ότι ο αρικμόσ των κεφαλϊν είναι διπλάςιοσ του αρικμοφ των πλακϊν. Στα παλιότερα μοντζλα ςκλθρϊν δίςκων, μια επιφάνεια μιασ πλάκασ χρθςίμευε αποκλειςτικά για τον κακοριςμό τθσ κζςθσ του μθχανιςμοφ ανάδραςθσ του βραχίονα. Τλικό Ζνα από τα ηθτοφμενα χαρακτθριςτικά τθσ πλάκασ είναι θ ακαμψία. Για το λόγο αυτό, ωσ βαςικό υπόςτρωμα ςε κάκε πλάκα χρθςιμοποιοφνται υλικά ιδιαιτζρωσ ςκλθρά. Το πρϊτο υλικό ιταν το αλουμίνιο, ενϊ ςιμερα πλζον ζχουν επικρατιςει το γυαλί, κακϊσ και ςφνκετα υλικά από γυαλί και κεραμικά, ι και κραμματα μαγνθςίου. 11

12 Η βαςικότερθ ιδιότθτα που πρζπει να ζχει θ πλάκα είναι να είναι λεία. Όπωσ κα δοφμε παρακάτω, θ μαγνθτικι κεφαλι υπερίπταται ελάχιςτα νανομετρα επάνω από τθν πλάκα, πράγμα που τθν κακιςτά ευάλωτθ ςε ςυγκροφςεισ με καταςτροφικζσ ςυνζπειεσ τόςο για τα δεδομζνα όςο και για τον ίδιο το μθχανιςμό. Όπωσ φαίνεται ςτθν παρακάτω εικόνα, θ γυάλινθ επιφάνεια είναι πολφ πιο λεία από τθν μεταλλικι αλουμινζνια: 3.2: φγκριςθ των επιφανιϊν αλουμινζνιασ (αριςτερά) και γυάλινθσ (δεξιά) πλάκασ Ζνα άλλο μεγάλο πλεονζκτθμα του γυαλιοφ ςε ςχζςθ με το αλουμίνιο, είναι θ πολφ μικροτερθ διαςτολι που εμφανίηει κατά τθν κζρμανςι του. Κατά τθ λειτουργία του δίςκου θ κερμοκραςία αυξάνεται (επθρεάηει ιδιαίτερα και θ κερμότθτα που εκπζμπουν οι άλλεσ ςυςκευζσ όπωσ ο επεξεργαςτισ) και εάν ςυλλογιςτοφμε ότι οι ςφγχρονεσ πυκνότθτεσ αποκικευςθσ δεδομζνων αγγίηουν και ξεπερνοφν τισ τροχιζσ ανά ίντςα, θ παραμικρι διαςτολι λόγω κερμότθτασ μπορεί να προκαλζςει προβλιματα ςτον εντοπιςμό των δεδομζνων. Ακριβϊσ επάνω από το υποςτρωματικο υλικό, οι πλάκεσ επιςτρϊνονται με κατάλλθλο μαγνθτικό υλικό, ιδιαίτερα λεπτοφ πάχουσ, όπου κα φιλοξενθκοφν τα δεδομζνα. Παλιότερα χρθςιμοποιοφνταν υλικά από οξείδια του ςιδιρου (δθλαδι.. ςκουριά!), ζχουν όμωσ αντικαταςτακεί ολοκλθρωτικά από λεπτά φιλμ. Τα φιλμ είναι πολφ πιο λεία από τα οξείδια (όπωσ είδαμε το χαρακτθριςτικό αυτό είναι κεμελιϊδουσ ςθμαςίασ) και ζχουν πολφ καλφτερεσ μαγνθτικζσ ιδιότθτεσ, ϊςτε να αποκθκεφουν μεγαλφτερεσ πυκνότθτεσ δεδομζνων. 12

13 Πάνω από το μαγνθτικό φιλμ, τοποκετείται ςυνικωσ ζνα λεπτό ςτρϊμα ανκρακικοφ υλικοφ και αμζςωσ από πάνω ζνα υπερ-λεπτό ςτρϊμα λιπαντικου υλικοφ. Τα δυο τελευταία αυτά υλικά υπάρχουν μόνο για λογοφσ προςταςίασ τθσ μαγνθτικισ επιφάνειασ. Νέεσ τεχνολογίεσ Το 2001 παρουςιάςτθκε μια καινοφργια ριηοςπαςτικι τεχνολογία καταςκευισ μαγνθτικϊν πλακϊν. Αντί για τθν παραδοςιακι αποκικευςθ ςε ζνα ςτρϊμα μαγνθτικοφ υλικοφ, δίνεται πλζον θ δυνατότθτα να προςτεκεί άλλο ζνα ςτρϊμα του ίδιου υλικοφ, και ανάμεςα τουσ ζνα ςτρϊμα ρουκενίου. Όταν θ μαγνθτικι κεφαλι εγγράφει πλθροφορίεσ ςτο άνω μαγνθτικό ςτρϊμα, το ρουκζνιο με τισ χαρακτθριςτικζσ του ιδιότθτεσ αντιςτρζφει τθν πολικότθτα του μαγνθτικοφ πεδίου και επανεγγράφει τθν πλθροφορία ςτο κάτω μαγνθτικό ςτρϊμα με τον αντίκετο προςανατολιςμό. Η τεχνικι αυτι αυξάνει κατά πολφ τθν αξιοπιςτία τθσ εγγραφισ, δίνοντασ τθ δυνατότθτα περαιτζρω ςυμπφκνωςθσ των δεδομζνων, και άρα μεγαλφτερων χωρθτικοτιτων με ιδιαίτερα αξιόπιςτα αποτελζςματα ανάγνωςθσ. Η αποκικευςθ των δεδομζνων επάνω ςτθ μαγνθτικι επιφάνεια γίνεται με οργανωμζνθ και από πριν κακοριςμζνθ δομι, θ οποία κα παρουςιαςτεί ςε επόμενθ ενότθτα. Η διαμικθσ (longitudinal - επιτροχια ) εγγραφι των δεδομζνων υπολογίηεται πωσ ζχει ανϊτατο όριο πυκνότθτασ gigabit ανά τετραγωνικι ίντςα (ωςτόςο το άνω αυτό όριο δεν είναι ςτακερό, ανακεωρείται διαρκϊσ), εξαιτίασ του υπερπαραμαγνθτικοφ φαινόμενου. Το υπερπαραμαγνθτικό φαινόμενο εμφανίηεται όταν το φερρομαγνθτικό υλικό οργανϊνεται ςε μαγνθτικά δίπολα, που επειδι είναι τόςο πολφ μικρά, είναι ευαίςκθτα ςε αλλαγι του προςανατολιςμοφ τουσ εξαιτίασ κερμοκραςιακϊν διακυμάνςεων, δθλαδι τα φερρομαγνθτικα υλικά τείνουν να ςυμπεριφερκοφν ωσ παραμαγνθτικά. Η λφςθ φαίνεται να είναι θ κάκετθ εγγραφι (perpendicular), όπου πλζον ο προςανατολιςμόσ (πόλωςθ) του μαγνθτικοφ δίπολου γίνεται κάκετα ςτθν επιφάνεια του δίςκου, δίνει δε τθ δυνατότθτα εγγραφισ με πυκνότθτεσ που μποροφν να αγγίξουν το 1 terabit / τετραγωνικι ίντςα. 13

14 3.3: Πάνω: Μαγνθτικά δίπολα παράλλθλα ςτθ μαγνθτικι πλάκα Κάτω: Μαγνθτικά δίπολα κάκετα ςτθ μαγνθτικι πλάκα Ωςτόςο και αυτι θ τεχνικι διαφαίνεται βραχφβια, κακϊσ θ τεχνογνωςία υπάρχει ιδθ για τθν καταςκευι ςυςκευϊν που αγγίηουν τα όρια τθσ, οπότε προβλζπεται ότι κα χρειαςτεί θ μελζτθ νζων τεχνικϊν, όπωσ θ HAMR (Heat-assisted magnetic recording) θ οποία είναι μαγνθτικι εγγραφι, αλλά γίνεται με τθν υποςτιριξθ κερμότθτασ λζιηερ ϊςτε να κερμανκεί πρϊτα το μζςο, ι θ τεχνικι patterned media ςτθν οποία προκαταςκευάηεται διαδοχι (array) ομοιόμορφων μαγνθτικϊν κελιϊν, και αποκθκεφεται ζνα bit ςε κακζνα από αυτά (ςτθν κλαςςικι τεχνικι αποκικευςθσ κάκε bit καταλαμβάνει μερικζσ εκατοντάδεσ μαγνθτικοφσ κόκκουσ οι οποίοι δεν είναι ομοιόμορφοι άλλα τυχαια ριγμζνοι). Πθγζσ ενότθτασ:

15 3β./ Κεφαλή εγγραφήσ/ανάγνωςησ Η κεφαλι αποτελεί το interface (ςφςτθμα διαςφνδεςθσ) ανάμεςα ςτισ μαγνθτικζσ πλάκεσ που αποτελοφν το μζςο αποκικευςθσ, ι το κανάλι του τθλεπικοινωνιακοφ ςυςτιματοσ για τθν τθλεπικοινωνιακι προςζγγιςθ, και ςτα υπόλοιπα θλεκτρονικά ςτοιχεία που απαρτίηουν τον HDD. Η δουλειά των κεφαλϊν είναι να μετατρζπουν τα bits των δεδομζνων από θλεκτρικό ςιμα (τάςθ/ρεφμα) ςε μαγνθτικό πεδίο, ϊςτε αυτό να αποκθκευτεί ςτο μαγνθτικό υλικό ςχθματίηοντασ μαγνθτικά δίπολα, άλλα και θ αντίςτροφθ διαδικαςία. 3.4: Κεφαλι εγγραφισ/ανάγνωςθσ παλιότερου μοντζλου Όπωσ είναι γνωςτό από τθν κεωρία του θλεκτρομαγνθτιςμοφ, θ ροι ρεφματοσ ςε ζνα πθνίο δθμιουργεί μαγνθτικό πεδίο, θ κατεφκυνςθ του οποίου εξαρτάται από τθ φορά του ρεφματοσ, και επίςθσ θ εφαρμογι ενόσ μεταβαλλόμενου μαγνθτικοφ πεδίου π.χ. ςε ζνα πθνίο επαγεπαγει τάςθ ςτα άκρα του. V ind = N dφ dt ύγχρονη τεχνολογία ανάγνωςησ Η βαςικι αυτι αρχι χρθςιμοποιοφνταν ςτισ παλιότερεσ τεχνολογίεσ, όπου θ κεφαλι αποτελοφνταν ςτθν ουςία από ζνα μικροςκοπικό πθνίο. Η ςφγχρονθ τεχνολογία 15

16 εκμεταλλεφεται ζνα άλλο φαινόμενο, αυτό τθσ μαγνθτοαντίςταςθσ (magnetoresistance) ςφμφωνα με το οποίο, θ εμβφκιςθ κάποιων υλικϊν ςε μαγνθτικό πεδίο ζχει ωσ αποτζλεςμα τθν αλλαγι τθσ φυςικισ τουσ θλεκτρικισ αντίςταςθσ, ανάλογα με τθν ζνταςθ του μαγνθτικοφ πεδίου. Όπωσ γίνεται εφκολα αντιλθπτό, το φαινόμενο αυτό μπορεί να χρθςιμοποιθκεί μόνο κατά τθν ανάγνωςθ των δεδομζνων. Ζτςι ενϊ ςτισ παλιότερεσ τεχνολογίεσ κάκε κεφαλι αποτελοφνταν από ζνα μοναδικό ςτοιχείο υπεφκυνο τόςο για τθν εγγραφι όςο και για τθν ανάγνωςθ, οι ςθμερινζσ κεφαλζσ ζχουν δυο ςτοιχεία, ζνα για τθν εγγραφι που γίνεται με τον κλαςςικό τρόπο και ζνα για τθν ανάγνωςθ που γίνεται μζςω του φαινόμενου MR. 3.5: χθματικι αναπαράςταςθ λειτουργιϊν εγγραφισ και ανάγνωςθσ Ο βαςικότεροσ λόγοσ για τον οποίο επικράτθςε θ τεχνολογία MR είναι θ ανάγκθ για μεγάλεσ χωρθτικότθτεσ: Προκειμζνου να αυξθκοφν οι χωρθτικότθτεσ των δίςκων, ζπρεπε θ μαγνθτικι αποκικευςθ να πυκνϊνει όλο και περιςςότερο. Όμωσ, για να αποφευχκεί θ αλλθλεπίδραςθ μεταξφ των μαγνθτικϊν διπόλων και ο αποπροςανατολιςμόσ τουσ, ζπρεπε να εξαςκενεί όλο και περιςςότερο θ ζνταςθ του αποκθκευμζνου μαγνθτικοφ πεδίου, πράγμα που κακιςτοφςε τθν ανάγνωςθ όλο και πιο δφςκολθ. Η λφςθ δόκθκε από τθν ανακάλυψθ του φαινόμενου MR, και ςυγκεκριμζνα τθσ τεχνολογίασ GMR (giant magnetoresistance), θ οποία αποτελεί μια τεχνικι αξιοποίθςθσ του φαινόμενου MR με τζτοιον τρόπο, ϊςτε να πολλαπλαςιάηεται ( γιγαντϊνει ) θ επίδραςθ του μαγνθτικοφ πεδίου όςο αςκενζσ κι αν είναι, με αποτζλεςμα τθν ικανότθτα ανάγνωςθσ δεδομζνων που ζχουν αποκθκευτεί ιςχνά. Οι GMR κεφαλζσ ςυνοδεφονται από κατάλλθλουσ μικροςκοπικοφσ ενιςχυτζσ, οι οποίοι ενιςχφουν τουσ θλεκτρικοφσ παλμοφσ. Μεγάλθ βοικεια ςτθν τεχνολογία GMR παρζχει και θ χριςθ κωδίκων διόρκωςθσ ςφαλμάτων. 16

17 τήριξη Η ςθμαντικότερθ καταςκευαςτικι διαφορά ανάμεςα ςτον ςκλθρό δίςκο και ςτισ διςκζτεσ ι τισ ταινίεσ μαγνθτοφϊνθςθσ είναι ότι οι κεφαλζσ δεν ζρχονται ςε επαφι με τθ μαγνθτικι πλάκα, άλλα αιωροφνται λίγα νανόμετρα πάνω τθσ. Η αιϊρθςθ δεν γίνεται με μθχανικά μζςα άλλα με εντελϊσ φυςικά, και ςυγκεκριμζνα με τον ίδιο τρόπο που πετοφν τα αεροπλάνα: εκμετάλλευςθ τθσ αρχισ Bernoulli τθσ ρευςτοδυναμικισ. Κακϊσ οι πλάκεσ περιςτρζφονται με πολφ μεγάλθ ταχφτθτα, παραςζρνουν τα ςτρϊματα αζρα που βρίςκονται ακριβϊσ από πάνω τουσ, κι ζτςι με τθν καταςκευι τθσ κεφαλισ ςτον κατάλλθλο ςχθματιςμό, προκαλείται διαφορά πίεςθσ με αποτζλεςμα αυτι να ίπταται. Το μζροσ όπου βρίςκονται οι δίςκοι είναι αρκετά περιοριςμζνο από το εξωτερικό περιβάλλον, ενϊ ακόμα και για τθν ανταλλαγι του αζρα υπάρχουν κατάλλθλα φίλτρα. Ο λόγοσ φαίνεται καλά ςτθν ακόλουκθ εικόνα: Ακόμα και μικρά, για τθν ανκρϊπινθ κλίμακα, ςϊματα, όπωσ ςκόνθ, τρίχεσ κλπ, για το ςφςτθμα του HD φαντάηουν ογκόλικοι και μποροφν να προκαλζςουν μεγάλα προβλιματα. 3.6: φγκριςθ απόςταςθσ κεφαλισ επιφάνειασ με μζγεκοσ ςκουπιδιϊν 17

18 Αξίηει να ςθμειωκεί ότι οι ευρείασ κατανάλωςθσ ςκλθροί δίςκοι δυςλειτουργοφν ςε μεγάλα υψόμετρα, εξαιτίασ τθσ χαμθλισ ατμοςφαιρικισ πίεςθσ, που ζχει ωσ αποτζλεςμα μικρότερεσ ποςότθτεσ αζρα, άρα και δυςκολία ςτθν αιϊρθςθ των κεφαλϊν. Πθγζσ ενότθτασ:

19 3γ./ Βραχίονασ ςτήριξησ 3.7: Φωτογραφία τυπικοφ βραχίονα με μθχανιςμό κίνθςθσ Προκειμζνου οι κεφαλζσ να μποροφν να εγγράψουν και να διαβάςουν δεδομζνα από οποιοδιποτε μζροσ τθσ μαγνθτικισ πλάκασ, προςδζνονται ςτθν άκρθ κατάλλθλου βραχίονα, ο οποίοσ κινείται με τθ βοικεια ενόσ μθχανιςμοφ μετακίνθςθσ που ανικει ςτθν κατθγορία των ςερβομθχανιςμϊν, ι αλλιϊσ μθχανιςμϊν ανάδραςθσ. Η ςθμαςία του όλου μθχανιςμοφ ςτιριξθσ και κίνθςθσ των κεφαλϊν είναι αρκετά υποτιμθμζνθ, κακϊσ ο τελικόσ χριςτθσ δεν γνωρίηει τίποτα απολφτωσ, τόςο για τθ λειτουργία όςο και για τα χαρακτθριςτικά του, ωςτόςο είναι εξίςου ςθμαντικό μζροσ του HDD με όλα τα υπόλοιπα, διότι όχι μόνο οφείλει να παρζχει τθν απαιτοφμενθ ςτακερότθτα για τθν αποφυγι επαφισ μεταξφ τθσ πλάκασ και τθσ κεφαλισ, άλλα και υψθλι ακρίβεια ςτθν ακτινικι τοποκζτθςθ τθσ κεφαλισ - τθσ τάξθσ των ελάχιςτων μικρομετρων, ι και δεκάδων νανομετρων! Καταςκευαςτικά χαρακτηριςτικά Ο βραχίονασ είναι μεταλλικόσ, ςυνικωσ από ελαφριά μζταλλα, κι ζχει ζνα τριγωνοειδζσ ςχιμα. Στθ βάςθ του ςυνδζεται με το μθχανιςμό κίνθςθσ, ενϊ θ άκρθ του ζχει προςδεδεμζνθ τθν κεφαλι. Κάκε κεφαλι ζχει το δικό τθσ βραχίονα, άρα ο αρικμόσ των βραχιόνων είναι διπλάςιοσ του αρικμοφ των πλακϊν (ζνασ για κάκε επιφάνεια). Οι βραχίονεσ ενόσ HDD, όπωσ ακριβϊσ και οι πλάκεσ, δεν είναι ανεξάρτθτοι ωσ προσ τθν κίνθςι τουσ: Μετακινοφνται όλοι μαηί, άρα οι κεφαλζσ βρίςκονται όλεσ μαηί ταυτόχρονα ςτθν ίδια ακτινικι απόςταςθ απ' τον άξονα περιςτροφισ των πλακϊν. 19

20 Μηχανιςμόσ κίνηςησ Η τοποκζτθςθ του βραχίονα ςτθν κατάλλθλθ κζςθ ϊςτε θ κεφαλι να εγγράψει/αναγνϊςει επί τθσ τροχιάσ που απαιτείται γίνεται με τον εκάςτοτε μθχανιςμό κίνθςθσ. Στα παλιότερα μοντζλα χρθςιμοποιοφνταν βθματικόσ κινθτιρασ (stepper motor) - για να γίνει αντιλθπτι θ λειτουργία του, ασ ςκεφτοφμε τον δείκτθ των δευτερολζπτων ςε ζνα κλαςςικό αναλογικό ρολόι: ο δείκτθσ των δευτερολζπτων δεν μπορεί να ςτακεί ςε οποιαδιποτε κζςθ, παρά ςτισ προκακοριςμζνεσ 60 κζςεισ που διαιροφν τθν πλιρθ περιςτροφι ςε βιματα 6 μοιρϊν. Τα ςθμερινά μοντζλα αντί για βθματικό κινθτιρα χρθςιμοποιοφν το λεγόμενο voice coil ( πθνίο φωνισ - θ ονομαςία αυτι προζρχεται από τα θχεία, όπου ζνα πθνίο διαρρζεται από ρεφμα, που ανάλογα με τθ μεταβολι του προκαλεί τθν κίνθςθ του πυρινα του, κι ζτςι τθν ταλάντωςθ τθσ μεμβράνθσ και τθ δθμιουργία του ιχου. Με ανάλογο τρόπο κινείται και ο βραχίονασ). Η μεγαλφτερθ διαφορά ανάμεςα ςτα δυο αυτά ςυςτιματα, είναι ότι, όπωσ αναφζρκθκε, ο μεν βθματικόσ κινθτιρασ είναι ζνα ςφςτθμα απόλυτθσ μετακίνθςθσ, ςε προκακοριςμζνεσ κζςεισ που δεν αλλάηουν, ενϊ αντίκετα το voice coil χρειάηεται τθν υποςτιριξθ ενόσ μθχανιςμοφ ανάδραςθσ, κακϊσ θ μετακίνθςθ γίνεται ςχετικά: Δθλαδι ο μεν βθματικόσ κινθτιρασ δζχεται εντολζσ "μετακινιςου ςτθ κζςθ Α", ενϊ το πθνίο φωνισ δζχεται εντολζσ "μετακινιςου κατά Χ πιο πζρα από εκεί που βρίςκεςαι". 3.8: χθματικι αναπαράςταςθ πθνίου φωνισ, ςε διαφορετικζσ υλοποιιςεισ 20

21 Ο μθχανιςμόσ ανάδραςθσ μοντελοποιείται πολφ εφκολα με το κλαςςικό ςφςτθμα ανάδραςθσ κλειςτοφ βρόχου. Όπωσ, για παράδειγμα, ςε ζνα ςφςτθμα κζρμανςθσ, ζνασ κερμοςτάτθσ χρθςιμεφει για να κακοδθγιςει το λζβθτα ςτθ λειτουργία του, ζτςι κι εδϊ, οι ίδιεσ οι κεφαλζσ, μαηί με ζνα μικρο κϊδικα με πλθροφορίεσ που εγγράφεται μαηί με τα δεδομζνα ςτο δίςκο, κατευκφνουν το βραχίονα ςτθ κζςθ που χρειάηεται. 3.9: Block διάγραμμα μθχανιςμοφ ανάδραςθσ τοποκζτθςθσ κεφαλϊν Σρόποι υλοποίηςησ βρόχου ανάδραςησ Υπάρχουν 3 τρόποι με τουσ οποίουσ ςχθματίηεται ο κλειςτόσ βρόχοσ: Wedge servo : Εάν φανταςτοφμε τθ μαγνθτικι πλάκα ςαν μια πίτα, τότε ζνα μικρο κομμάτι τθσ χρθςιμεφει για τθν εγγραφι πλθροφοριϊν κατεφκυνςθσ. Κακϊσ οι πλάκεσ περιςτρζφονται ταχφτατα, κάκε φορά που περνάει κάτω από τθν κεφαλι θ ςυγκεκριμζνθ περιοχι, διαβάηονται οι πλθροφορίεσ κατεφκυνςθσ, κι ζτςι ο μθχανιςμόσ κίνθςθσ γνωρίηει ποφ βρίςκεται ο βραχίονασ και μπορεί να τον μετακινιςει όςο χρειάηεται ι να τον ακινθτοποιιςει. Αν και θ περιςτροφι γίνεται πολφ γριγορα, εντοφτοισ ο μθχανιςμόσ αυτόσ είναι ιδιαίτερα αργόσ, διότι το ςφςτθμα χρειάηεται να περιμζνει κατά μζςον όρο μίςθ περιςτροφι μζχρι να φτάςει ςτθν κεφαλι θ πλθροφορία κζςθσ. Η τεχνολογία αυτι ζχει εγκαταλειφκεί. Dedicated servo : Στθν τεχνικι αυτι, μια ολόκλθρθ επιφάνεια μιασ πλάκασ αφιερϊνεται ςτον μθχανιςμό ανάδραςθσ, δεν εγγράφονται κακόλου δεδομζνα 21

22 επάνω τθσ, και χρθςιμεφει μόνο για τθν αποςτολι πλθροφοριϊν κζςθσ. Το μεγάλο τθσ πλεονζκτθμα είναι ότι το ςφςτθμα κίνθςθσ γνωρίηει ανά πάςα ςτιγμι τθ κζςθ του βραχίονα, και δεν χρειάηεται να περιμζνει, όμωσ το μεγάλο τθσ μειονζκτθμα είναι ότι ςπαταλιζται μια ολόκλθρθ επιφάνεια όπου κα μποροφςαν να αποκθκευτοφν δεδομζνα. Άλλο ζνα μειονζκτθμα είναι ότι εάν οι πλάκεσ των δεδομζνων ζχουν διαφορετικι κερμοκραςία από τθν πλάκα του μθχανιςμοφ ανάδραςθσ, δθμιουργείται πρόβλθμα λόγω διαφορετικοφ ποςοςτοφ διαςτολισ, το οποίο λφνεται μόνο με διαρκείσ επαναβακμονομιςεισ (recalibration). Embedded servo : Η πλζον ςφγχρονθ τεχνολογία ανάδραςθσ, θ οποία κατανζμει τισ πλθροφορίεσ κζςθσ ςε ολόκλθρθ τθν επιφάνεια, κάκε πλάκασ, ανάμεςα ςτα δεδομζνα. Ασ ςθμειωκεί ότι θ εγγραφι αυτι γίνεται από το εργοςτάςιο, και ςυνικωσ ο τελικόσ χριςτθσ δεν μπορεί να παρζμβει. 3.10: «ερβοτροχιζσ», περιοχζσ εγγραφισ πλθροφοριϊν κζςθσ Offline τοποθέτηςη βραχίονα Όταν ο δίςκοσ δεν δουλεφει, δθλαδι οι πλάκεσ δεν περιςτρζφονται, τα ρευςτοδυναμικά φαινόμενα παφουν να εκδθλϊνονται, κι επομζνωσ, όπωσ είναι λογικό, οι κεφαλζσ εφάπτονται ςτο δίςκο. Η επαφι αυτι δεν ςυμβαίνει μόνο ςτα διαςτιματα που οι πλάκεσ είναι ακινθτοποιθμζνεσ, άλλα και κατά τθ διάρκεια του μεταβατικοφ φαινόμενου, όταν θ ταχφτθτα περιςτροφισ είναι μικρι και θ ροι του αζρα δεν επαρκεί για να ςτθρίξει τισ κεφαλζσ. Αυτό είναι βζβαια γνωςτό ςτουσ καταςκευαςτζσ, και προκείμενου να αποφευχκεί θ καταςτροφι δεδομζνων κατά τθν τριβι, αφινεται μια μικρι περιοχι όπου 22

23 δεν αποκθκεφονται δεδομζνα και χρθςιμεφει ωσ ηϊνθ προςγείωςθσ (landing zone) όπωσ αποκαλείται, όπου πράγματι τοποκετείται ο βραχίονασ κατά τθν απογείωςθ/προςγείωςθ των κεφαλϊν. Τα παλιότερα μοντζλα χρειάηονταν ςυγγραφι κατάλλθλου λογιςμικοφ, το οποίο ενςωματϊνονταν ςτθν εντολι απενεργοποίθςθσ του λειτουργικοφ, για να δίνει εντολι ςτουσ βραχίονεσ να μετακινοφνται ςτθ ηϊνθ προςγείωςθσ. Μια άλλθ διαδεδομζνθ τεχνικι είναι θ τοποκζτθςθ ενόσ ιδιαίτερα αςκενοφσ ελατθρίου, το οποίο ζλκει διαρκϊσ τουσ βραχίονεσ προσ τθ ηϊνθ προςγείωςθσ, άλλα θ ζλξθ του υπερνικαται από τθ δφναμθ του μθχανιςμοφ κίνθςθσ. 3δ./ Κινητήρασ περιςτροφήσ 3.11: Συπικόσ κινθτιρασ περιςτροφισ Ο κινθτιρασ περιςτροφισ δεν αποτελεί κάτι το ιδιαίτερο, παρά εφαρμογι τθσ πολφ γνϊςτθσ και τετριμμζνθσ τεχνολογίασ θλεκτρικϊν κινθτιρων. Χρειάηεται απλά να παρζχει ςτακερι γωνιακι ταχφτθτα ςτισ πλάκεσ ϊςτε να δουλεφει ο δίςκοσ αποτελεςματικά. Δεν εμφανίςτθκαν ιδιαίτερα μεγάλεσ αλλαγζσ ςτθν τεχνολογία του ςτα 50 χρόνια που υπάρχει ο HDD, παρά μόνο μικροδιαφορζσ ςτο ςχεδιαςμό, ϊςτε να επιτευχκεί: ςυνεχισ λειτουργία χιλιάδων ωρϊν κακϊσ και χιλιάδεσ εκκινιςεισ και τερματιςμοί χωρίσ αποτυχία όςο το δυνατόν πιο ομαλι λειτουργία χωρίσ κακόλου κυματιςμοφσ και δονιςεισ παράγωγθ όςο το δυνατόν λιγότερθσ κερμότθτασ και κορφβου κατανάλωςθ όςο το δυνατόν λιγότερθσ ενζργειασ 23

24 Ζχει επικρατιςει θ εφαρμογι μθχανιςμοφ ανάδραςθσ για τθ ρφκμιςθ τθσ περιςτροφισ του DC κινθτιρα. Πρζπει επίςθσ να ςθμειωκεί ότι ο κινθτιρασ περιςτροφισ είναι το μζροσ του HDD που απορροφά τισ μεγαλφτερεσ ποςότθτεσ ενζργειασ Το διάςτθμα τθσ εκκίνθςθσ είναι το πιο ενεργοβόρο. 3.12: Κατανάλωςθ ρεφματοσ από τον κινθτιρα κατά τθν εκκίνθςθ 24

25 3ε./ Πλακέτα (logic board) Στουσ πρϊτουσ Σκλθροφσ Δίςκουσ ο πλιρθσ ζλεγχοσ των ςυςτθμάτων κίνθςθσ, εγγραφισ/ανάγνωςθσ κλπ βρίςκονταν ςτον ελεγκτι (controller) ο οποίοσ ιταν ανεξάρτθτοσ, και ςυνικωσ ενςωματωμζνοσ ςτθ μθτρικι πλακζτα (motherboard) του υπολογιςτι. Αντίκετα ςιμερα ο δίςκοσ είναι αρκετά πιο αυτονομθμζνοσ, και όλεσ ςχεδόν τισ λειτουργίεσ του τισ ρυκμίηει ο ίδιοσ με βάςθ τθν πλακζτα (logic board) που ζχει ενςωματωμζνθ. Η αυτονόμθςθ του δίςκου μζςω τθσ ανάπτυξθσ των τεχνολογιϊν που εφαρμόςτθκαν ςτθν πλακζτα ζδωςε ϊκθςθ ςε μεγαλφτερεσ ταχφτθτεσ μεταφοράσ δεδομζνων, καλφτερθ διαχείριςθ των εργαςιϊν ανάγνωςθσ και αποκικευςθσ, δυνατότθτεσ υπζρβαςθσ των περιοριςμϊν που ζβαηε θ παλιά τεχνολογία ςτα γεωμετρικά χαρακτθριςτικά. 3.13: Συπικι πλακζτα Επιμέρουσ κυκλώματα Η πλακζτα του δίςκου περιζχει ζναν μικροεπεξεργαςτι που μπορεί να εκτελεί λειτουργίεσ υπό τθν κακοδιγθςθ τθσ CPU, εςωτερικι μνιμθ cache (κρυφι) για τθν αποκικευςθ των δεδομζνων που χρθςιμοποιοφνται πιο ςυχνά, κακϊσ και διαφορά άλλα κυκλϊματα ζλεγχου των λειτουργιϊν. Μερικά παραδείγματα τζτοιων λειτουργιϊν είναι: ο καλφτεροσ ζλεγχοσ του κινθτιρα περιςτροφισ, με εφαρμογι κανόνων ελαχιςτοποίθςθσ κατανάλωςθσ ενζργειασ, ζλεγχοσ τθσ κίνθςθσ του βραχίονα, διαχείριςθ λειτουργιϊν ανάγνωςθσ και εγγραφισ. Μπορεί επίςθσ να περιζχει αιςκθτιρεσ κερμοκραςίασ και 25

26 κίνθςθσ που βοθκοφν τον τελικό χριςτθ ςε πλθρζςτερθ εποπτεία τθσ κατάςταςθσ του ςυνολικοφ ςυςτιματοσ. Οι πλακζτεσ των HD διαφζρουν ςθμαντικά ςτα διαφορά μοντζλα των καταςκευαςτϊν, κι ζτςι μια λεπτομερισ αναφορά ςε κάκε κφκλωμα είναι αδφνατθ Ωςτόςο τα κυκλϊματα μποροφν να χωριςτοφν ςε γενικζσ ομάδεσ ανάλογα με τθ λειτουργία που επιτελοφν: Κυκλϊματα λειτουργιϊν εγγραφισ και ανάγνωςθσ (μικροεπεξεργαςτισ) Κυκλϊματα κίνθςθσ (ςερβομθχανιςμοσ, κινθτιρασ περιςτροφισ) Κυκλϊματα ζλεγχου (ςυγχρονιςμόσ του ΗΔ με το ςφςτθμα ςτο οποίο λειτουργεί) Μνιμεσ (RAM - cache, ROM - firmware) 26

27 4. Διαμόρφωςη και κωδικοποίηςη ςήματοσ 4α./ Μορφή ςήματοσ Όπωσ ζχει ιδθ αναφερκεί, θ πλθροφορία που ειςζρχεται είναι ιδθ ψθφιακι, δθλαδι εκφραςμζνθ ςε δυαδικό ςφςτθμα (αλφάβθτο: 0 και 1), ειςζρχεται ςτθ μορφι θλεκτρικοφ ρεφματοσ/τάςθσ, μεταςχθματίηεται ςε μαγνθτικό πεδίο, και πιο ςυγκεκριμζνα ςε μικρζσ μαγνθτικζσ περιοχζσ προςανατολιςμζνεσ ςε επιτρόχια κατεφκυνςθ είτε κετικά (S- N) είτε αρναρνθτικα (N-S), και για τθν ζξοδό τθσ εντοπίηεται και αναγιγνϊςκεται το μαγνθτικό πεδίο που δθμιουργοφν τα μικρά μαγνθτικά δίπολα, επαναμεταςχθματίηεται ςε θλεκτρικό ςιμα (παλμοί ρεφματοσ/τάςθσ) και εξζρχεται. 4.1: Ρεφμα εγγραφισ, μαγνθτικά δίπολα, τάςθ ανάγνωςθσ Η ζκφραςθ τθσ πλθροφορίασ ςε δυαδικό αλφάβθτο, και θ δυνατότθτα επιτρόχιου προςανατολιςμοφ των μαγνθτικϊν διπόλων ςε δυο κατευκφνςεισ αντίκετθσ φοράσ (S-N & N-S), δθμιουργεί τθν εντφπωςθ ότι ο απλοφςτεροσ και πιο αποτελεςματικόσ τρόποσ είναι να αντιςτοιχθκεί κάκε ςφμβολο του αλφάβθτου ςε ζναν προςανατολιςμό και τα δεδομζνα να εγγραφοφν απευκείασ ζνα προσ ζνα. Ωςτόςο θ προςζγγιςθ αυτι είναι λανκαςμζνθ, τόςο κεωρθτικά όςο και πρακτικά. Στισ κεφαλζσ του ςκλθροφ δίςκου, όπωσ μαρτυράται άλλωςτε και από τισ γνωςτζσ εξιςϊςεισ του κλαςςικοφ θλεκτρομαγνθτιςμοφ, δεν επάγεται τάςθ εξ' αιτίασ τθσ μαγνθτικισ ροισ, άλλα εξ' αιτίασ τθσ μεταβολήσ τθσ μαγνθτικισ ροισ, που ςτθν προκειμζνθ περίπτωςθ είναι αντιςτροφι. Εάν κεωριςουμε το αποκθκευμζνο μαγνθτικό ςιμα ωσ ιδανικι εναλλαγι κετικϊν κι αρνθτικϊν μαγνθτικϊν παλμϊν, θ κεφαλι εντοπίηει και διαβάηει όχι τον ίδιο τον παλμό και τον προςανατολιςμό (τιμι) του, άλλα τθ μεταβολι του, δθλαδι τισ αντιςτροφζσ. Ζτςι, 27

28 κάκε αλλαγι από 0 ςε 1 (ι αντίςτροφθ) κα διαβάηεται μζςω μιασ ϊςθσ (δ Dirac) ςτθν τάςθ που κα επάγεται ςτο ςφςτθμα ανάγνωςθσ. Με βάςθ αυτό, τα δεδομζνα δεν πρζπει να αποκθκεφονται ςτθ μαγνθτικι ροι, άλλα ςτισ αλλαγζσ (αντιςτροφζσ) τθσ μαγνθτικισ ροισ. Ζνα άλλο πρόβλθμα εμφανίηεται όταν χρειαςτεί να αποκθκευτεί μεγάλοσ αρικμόσ διαδοχικϊν bits με τθν ίδια τιμι (π.χ. μερικζσ δεκάδεσ μθδενικά ςτθ ςειρά). Σε μια αντιςτοίχιςθ ζνα προσ ζνα των bits ςτουσ δυνατοφσ προςανατολιςμοφσ, θ κεφαλι ςχεδόν αμζςωσ κα χακεί κακϊσ δεν κα μπορεί να αντιλθφκεί εφκολα ςε ποιο bit βρίςκεται, χρειάηεται ζνα είδοσ ςθματοδότθςθσ. Επιπλζον, όπωσ γνωρίηουμε από τθ κεωρία του ςτατικοφ μαγνθτιςμοφ, τοποκετϊντασ διαδοχικά μια ςειρά από μαγνθτικά δίπολα με τον ίδιο προςανατολιςμό (π.χ. SN-SN-SN-SN-...) ζχει ωσ αποτζλεςμα τθν πρόςκεςθ τουσ και δθμιουργία ενόσ μόνο μεγαλφτερου και ιςχυρότερου δίπολου. Τα προβλιματα αυτά αποδεικνφουν ότι μια ζνα προσ ζνα αντιςτοίχιςθ των δυαδικϊν ψθφίων ςτουσ δυο διακριτοφσ προςανατολιςμοφσ των μαγνθτικϊν διπόλων δεν είναι δυνατι. Για τθν περίπτωςθ του θλεκτρικοφ ςιματοσ το πρόβλθμα αυτό δεν υπάρχει, κακϊσ θ ςφγχρονθ τεχνολογία των clocks (κυκλϊματα ςυγχρονιςμοφ) λφνει το πρόβλθμα. Κάτι τζτοιο όμωσ δεν μπορεί να εφαρμοςτεί ςτθ μαγνθτικι εγγραφι, γιατί κα είχε ωσ αποτζλεςμα ςπάταλθ πολφτιμου χϊρου για τθ ςθματοδότθςθ. Αναπτφχκθκαν λοιπόν τεχνικζσ κωδικοποίθςθσ ϊςτε να αντιμετωπιςτοφν τα προβλιματα. 4β./ Σεχνικέσ διαμόρφωςησ Διαμόρφωςη ςτη ςυχνότητα (FM - Frequency Modulation) Πρόκειται για ζναν αρκετά απλοϊκό τρόπο, που όμωσ λφνει ςε μεγάλο βακμό τα προθγοφμενα προβλιματα: Το 1 κωδικοποιείται ςε δυο διαδοχικζσ αντιςτροφζσ (π.χ. SN, NS, SN) ενϊ το 0 ςε μια αντιςτροφι που ακολουκείται από όχι αντιςτροφι (π.χ. SN, NS, NS) Η πρϊτθ αντίςτροφθ χρθςιμοποιείται ωσ ςθματοδότθςθ τθσ ζναρξθσ ενόσ bit, ενϊ θ δεφτερθ περιζχει το μινυμα του bit. Ασ ςθμειωκεί ότι θ κωδικοποίθςθ αυτι κυμίηει τον κϊδικα Gray. Ονομάηεται FM διότι αυτό που κάνει ςτθν ουςία είναι να αποκθκεφει το κάκε ςφμβολο του δυαδικοφ αλφάβθτου ςε διαφορετικό αρικμό εναλλαγϊν: δυο εναλλαγζσ για το 1, μια εναλλαγι για το 0. Δθλαδι, κακϊσ θ πλθροφορία αποκθκεφεται ςτισ εναλλαγζσ τθσ μαγνθτικισ ροισ, το 1 αποκθκεφεται ςε διπλάςια ςυχνότθτα εναλλαγισ απ' ότι το 0. Ζτςι εφκολα υπολογίηεται ότι για ζνα τυχαίο ςιμα, κατά μζςον όρο εμφανίηονται 1,5 εναλλαγι ροισ ανά bit. (Στθ χειρότερθ περίπτωςθ όπου εγγράφονται μόνο 1 ο ρυκμόσ κα 28

29 είναι 2 εναλλαγζσ ανά bit, ενϊ ςτθν καλφτερθ όπου εγγράφονται μόνο 0 ο ρυκμόσ κα είναι 1 εναλλαγι ανά bit). 4.2: τατιςτικά ςτοιχεία διαμόρφωςθσ FM Το μεγάλο μειονζκτθμα τθσ διαμόρφωςθσ FM, που τθν κατζςτθςε πρακτικά άχρθςτθ και οδιγθςε ςτθν εγκατάλειψθ τθσ από τα πρϊτα κιόλασ πειραματικά μοντζλα δίςκων είναι θ ςπάταλθ τθσ: Για κάκε bit πλθροφορίασ απαιτείται θ δζςμευςθ 2 μαγνθτικϊν διπόλων. Σροποποιημένη διαμόρφωςη ςτη ςυχνότητα (MFM - Modified Frequency Modulation) Πρόκειται για μια βελτίωςθ τθσ FM μεκόδου που γίνεται ωσ εξισ: Αντί να χρθςιμοποιείται μια εναλλαγι ροισ για ςθματοδότθςθ ςε κάκε bit πλθροφορίασ, χρθςιμοποιείται μόνο πριν από διαδοχικά 0. Όταν εμφανίηεται 1, υπάρχει ιδθ αντιςτροφι. Όταν το 0 ακολουκεί ζνα 1, επίςθσ ζχει ιδθ υπάρξει εναλλαγι. Μόνο ςτισ ακολουκίεσ δυο ι περιςςότερων διαδοχικϊν 0 χρειάηεται να ειςαχκεί ςθματοδότθςθ (ρολόι). Με τθ μζκοδο αυτι, ο μζςοσ αρικμόσ εναλλαγϊν ανά bit πλθροφορίασ πζφτει ςτο 0,75. Η διαμόρφωςθ MFM χρθςιμοποιικθκε ςυςτθματικά ςτισ πρϊτεσ γενιζσ HD, εγκαταλείφκθκε όμωσ για χάρθ άλλων τεχνικϊν πολφ πιο αποδοτικϊν. Παγιϊκθκε και χρθςιμοποιείται ακόμα και ςιμερα για τθν εγγραφι ςε Floppy Disks (διςκζτεσ) για λογοφσ ςυμβατότθτασ προσ τα πίςω. 29

30 4.3: τατιςτικά ςτοιχεία διαμόρφωςθσ MFM Κώδικεσ περιοριςμένου μήκουσ ςειράσ (RLL - Run Length Limited) RLL είναι μια κατθγορία τεχνικϊν κωδικοποίθςθσ, αρκετά πιο ςφνκετθ από τισ προθγοφμενεσ. Η τεχνικι ορίηεται με βάςθ δυο παραμζτρουσ Χ και Υ, όπου Χ είναι το run length, που αντιπροςωπεφει το ελάχιςτο μικοσ ανάμεςα ςε δυο μαγνθτικζσ αντιςτροφζσ, και Υ το run limit που αντιπροςωπεφει το μεγιςτο μικοσ ανάμεςα τουσ. Όπωσ ζχει ιδθ αναφερκεί, το μζγιςτο μικοσ μεταξφ δυο αντιςτροφϊν δεν μπορεί να είναι ιδιαίτερα μεγάλο, γιατί θ κεφαλι ανάγνωςθσ αποςυγχρονίηεται. Ζνα παράδειγμα κωδικοποίθςθσ RLL(2,7) -δθλαδι ελάχιςτθ απόςταςθ 2 και μζγιςτθ 7- φαίνεται ςτθν παρακάτω εικόνα: 30

31 4.4: τατιςτικά ςτοιχεία RLL(2,7) Παράδειγμα: Η πλθροφορία που εκφράηεται ωσ με τθν τεχνικι RLL(2,7) κα χωριςτεί ωσ και κα κωδικοποιθκεί ωσ NRNN-NNNNRNNN-RNNN. Το μεγάλο πλεονζκτθμα των τεχνικϊν RLL γίνεται ιδθ εμφανζσ από τον πίνακα που παρατζκθκε: Ο μζςοσ ρυκμόσ αντιςτροφϊν μαγνθτικισ ροισ ανά bit πλθροφορίασ ζχει μειωκεί περίπου ςτο 0,46. Δθλαδι θ αποκικευςθ μιασ ακολουκίασ δυαδικϊν ψθφίων με τθν RLL(2,7) απαιτεί λιγότερο από το 1/3 του χϊρου ςε ςχζςθ με τθν FM. Άλλεσ τεχνικέσ Τα τελευταία χρόνια οι τεχνικζσ RLL ςυνδυάηονται με καινοφργιεσ τεχνικζσ ςτθν ίδια τθ διαδικαςία ανάγνωςθσ, θ οποία πλζον δεν γίνεται με τον παραδοςιακό τρόπο τθσ ανίχνευςθσ καρφιϊν τάςθσ (ςειράσ ϊςεων) άλλα με δειγματολθπτικζσ μεκόδουσ που 31

32 αναπτφςςονται ςτα πλαίςια τισ κεωρίασ ψθφιακϊν ςθμάτων. Η πρϊτθ τεχνικι ιταν θ PRML (Partial Response, Maximum Likelihood) που ςφντομα αντικαταςτάκθκε από τθ δεφτερθ γενιά, τισ τεχνικζσ EPRML (Extended PRML). Αναφορζσ:

33 4γ./ Διόρθωςη ςφαλμάτων Παρά τθν αξιοκαφμαςτθ ακρίβεια με τθν οποία τα δεδομζνα μεταφζρονται, ςε ζνα ςφςτθμα με τάξεισ μεγζκουσ τόςο οριακζσ, θ εμφάνιςθ ςφαλμάτων κατά τθν ανάγνωςθ δεν είναι ςπάνιο φαινόμενο - τουναντίον, είναι μάλλον ο κάνονασ! Με τθ χριςθ κατάλλθλων τεχνικϊν, οι καταςκευαςτζσ κατάφεραν κυριολεκτικά να εξαφανίςουν, όχι τα ίδια τα ςφάλματα, άλλα τα αποτελζςματα τουσ ςτθ δουλειά του χριςτθ. Οι μζκοδοι αυτζσ είναι γνωςτζσ ωσ κϊδικεσ διόρκωςθσ ςφαλμάτων (error correcting codes - ECC) και θ γενικι φιλοςοφία τουσ είναι θ εξισ απλι: από μια ομάδα δεδομζνων, μζςω μιασ κατάλλθλθσ ςυνάρτθςθσ, προκφπτουν νζα δεδομζνα τα οποία δεν ζχουν κάποια άμεςθ χρθςιμότθτα ςτο χριςτθ, άλλα χρθςιμεφουν για τον ζλεγχο τθσ ακρίβειασ του αναγνωςμζνου μθνφματοσ, κακϊσ και για τθ διόρκωςθ του ςε περίπτωςθ ςφαλερισ ανάγνωςθσ. Ο κϊδικασ που ζχει επικρατιςει, λόγω τθσ ευκολίασ αποκωδικοποίθςθσ του άλλα και λόγω τθσ μικρισ ζκταςθσ που καταλαμβάνει, είναι ο Reed-Solomon. Η πλακζτα του δίςκου, που όπωσ αναφζρκθκε είναι υπεφκυνθ για τθν οργάνωςθ τθσ λειτουργίασ του, κατά τθν είςοδο των δεδομζνων ξεκινάει τθ διαδικαςία κωδικοποίθςθσ on-the-fly, και τα επιπλζον bits του ECC εγγράφονται ταυτοχρονα με τα δεδομζνα. Το ίδιο ςυμβαίνει και κατά τθν ανάγνωςθ: θ κεφαλι διαβάηει τόςο τα δεδομζνα που βρίςκονται ςτον τομζα όςο και τα bits του ECC, θ πλακζτα πραγματοποιεί τον ζλεγχο on-the-fly, διορκϊνει κατευκείαν τυχόν λάκθ που εντοπίηει, και ςτζλνει τα δεδομζνα ςτθν ζξοδο. Ωςτόςο εάν τα ςφάλματα είναι πολλά, περιςςότερα απ' όςα μπορεί να διορκϊςει ο κϊδικασ, αποςτζλεται ειδοποίθςθ ςφάλματοσ. Ο τελικόσ χριςτθσ δεν αντιλαμβάνεται τθ διαδικαςία ζλεγχου-διόρκωςθσ, οφτε και ζχει τρόπο να τθν εποπτεφςει. Ζνασ άλλοσ λόγοσ που βοικθςε ςτθν επικράτθςθ του κϊδικα Reed-Solomon είναι θ δυνατότθτα που δίνει για επιλογι του αρικμοφ των bits ζλεγχου/διόρκωςθσ, ο οποίοσ αποτελεί αφξουςα ςυνάρτθςθ του αρικμοφ των ςφαλμάτων που μποροφν να αναγνωςτοφν και να διορκωκοφν. Η απόφαςθ λαμβάνεται από τον καταςκευαςτι, ιςορροπϊντασ ανάμεςα ςε αρκετά trade-offs: Μεγαλφτεροσ αρικμόσ bits για τον ECC ςυνεπάγεται, προφανϊσ, περιςςότερα ςφάλματα που μποροφν να διορκωκοφν, άλλα ζχει ωσ αποτζλεςμα μικρότερο αρικμό τομζων ςε κάκε τροχιά, κακϊσ μεγαλφτερθ γραμμικι απόςταςθ τθσ τροχιάσ καλφπτεται από bits που δεν χρθςιμοποιοφνται για δεδομζνα. 33

34 Απ' τθν άλλθ όμωσ, μεγαλφτερθ ικανότθτα εντοπιςμοφ και διόρκωςθσ ςφαλμάτων ςυνεπάγεται και δυνατότθτα περαιτζρω ςυμπφκνωςθσ των bits, άρα τελικά αφξθςθ τθσ χωρθτικότθτασ. Περιςςότερα bits ECC, δθλαδι μεγαλφτερθ δυνατότθτα ζλεγχου και διόρκωςθσ ςφαλμάτων, ςυνεπάγεται και ηιτθςθ για μεγαλφτερθ επεξεργαςτικι ιςχφ ςτθν πλακζτα του Δίςκου. Όπωσ γίνεται αντιλθπτό, οι παράγοντεσ που κακορίηουν τθν τελικι απόφαςθ για τθν πολυπλοκότθτα του ECC που κα επιλεχκεί είναι αρκετοί, γι' αυτό και παρατθροφνται αλλαγζσ ακόμα και ανάμεςα ςε διαδοχικά μοντζλα HDD του ίδιου καταςκευαςτι. Οι ςφγχρονοι HDD ζχουν ςχεδιαςτεί και καταςκευαςτεί με τζτοιον τρόπο ϊςτε θ πικανότθτα εμφάνιςθσ ςφαλμάτων που κα εμφανιςτοφν ςτον τελικό χριςτθ (δθλαδι δεν κα διορκωκοφν από τον ECC) να είναι ιδιαίτερα μικρι, τθσ τάξθσ του 1 ςτα 10 Ν bits, με το Ν να παίρνει τιμζσ ανάμεςα ςτο 12 και ςτο 15. Αναφορζσ: 34

35 5. Λογική δομή αποθηκευμένησ πληροφορίασ Τα File systems (ςυςτιματα αρχείων) είναι οι απαραίτθτεσ λογικζσ δομζσ για τθν αποκικευςθ και επεξεργαςία των δεδομζνων-πλθροφοριϊν του ςκλθροφ δίςκου. Τυπικά ςτθ δομι τουσ ςυμπεριλαμβάνονται το λειτουργικό ςφςτθμα boot record, φάκελοι και αρχεία. Ενα File system εκτελεί τρεισ κφριεσ λειτουργίεσ : 1) Παρακουλουκεί τον δεςμευμζνο και ελεφκερο χϊρο του δίςκου, 2) διατθρεί τα ονόματα των φακζλων και των αρχείων, 3) παρακουλουκεί και καταγράφει ςε ποιο μζροσ του δίςκου αποκθκεφεται κάκε αρχείο. Διαφορετικά file systems χρθςιμοποιοφνται για τα διάφορα λειτουργικά ςυςτιματα. Μερικά απο τα πιο ςυνθκιςμζνα είναι τα ακόλουκα: FAT (File Allocation Table) FAT32 (File Allocation Table 32) NTFS (New Technology File System) HPFS (High Performance File System) NetWare File System Linux Ext2, Ext3, Ext4 and Linux Swap 5α./ FAT To ςφςτθμα αρχείων FAT χαρακτθρίηεται από τθν χριςθ του File allocation table (FAT) και των clusters. To FAT είναι θ καρδιά του file system. Για λόγουσ αςφάλειασ, το FAT διακζτει δφο πανομοιότυπα μζρθ για τθν προςταςία των δεδομζνων του από ατυχείσ διαγραφζσ θ διακοπζσ. Τα clusters είναι θ μικρότερθ μονάδα του FAT system για τθν αποκικευςθ δεδομζνων, όπου κάκε cluster αποτελείται από ςυγκεκριμζνο αρικμό τομζων του δίςκου. Το FAT system καταγράφει ποια clusters χρθςιμοποιοφνται, ποια δεν χρθςιμοποιοφνται και ποια αρχεία βρίςκονται ςε κάκε cluster. To FAT system υποςτθρίηει μεγζκθ δίςκου ι partition δίςκου μεγαλφτερα από 2 GB, αλλά ζχει όριο τα clusters. Επομζνωσ, ανεξάρτθτα από το μζγεκοσ του δίςκου ι του partition, ο αρικμόσ των τομζων ςε ζνα cluster πρζπει να είναι αρκετά μεγάλοσ ϊςτε όλοσ ο 35

36 διακζςιμοσ χϊροσ του δίςκου να περιζχεται ςτα clusters. Οςο μεγαλφτεροσ ζιναι ο διακζςιμοσ χϊροσ, τόςο μεγαλφτερο πρζπει να ζιναι το μζγεκοσ του cluster. Το FAT system επίςθσ χρθςιμοποιεί ενα γονικό φάκελο (root directory). Αυτόσ ο φάκελοσ ζχει ζνα μζγιςτο επιτρεπτό αρικμό ειςόδων και πρζπει να εντοπίηεται ςε ςυγκεκριμζνθ κζςθ ςτον δίςκο. Τα λειτουργικά ςυςτιματα που χρθςιμοποιοφν FAT παριςτάνουν τον root directory με το ανάποδο slash χαρακτιρα (\) και αρχικά εμφανίηουν τον φάκελο κατά τθν εκκίνθςθ του λειτουργικοφ. Ο γονικόσ φάκελοσ αποκθκεφει πλθροφορίεσ για κάκε υποφάκελο και αρχείο με ξεχωριςτζσ καταχωριςεισ ςε κάκε φάκελο. Για παράδειγμα, μια καταχϊρθςθ ςε φάκελο κρατάει πλθροφορίεσ όπωσ το όνομα αρχείου, το μζγεκοσ του, θμερομθνιακό και χρονικό stamp που υποδεικνφει πότε το αρχείο τροποποιικθκε πρόςφατα, τον αρχικό αρικμό του cluster (ποιο cluster δεςμεφει το πρϊτο τμιμα του αρχείου ), και τισ ιδιότθτεσ του αρχείου (π.χ. κρυφό αρχείο αρχείο ςυςτιματοσ). 5β./ FAT32 To file system FAT32 αποτελεί τθν αναβάκμιςθ του FAT system και είναι βαςιςμζνο ςε 32-bit καταχωριςεισ, ςυγκριτικά με το FAT system των 16-bit. Ωσ αποτζλεςμα, το FAT32 υποςτθρίηει μεγαλφτερα μεγζκθ δίςκων ι partition δίςκων (μζχρι και 2 terabytes). Επίςθσ χρθςιμοποιεί μικρότερα clusters απο το FAT system, ζχει διπλι εγγραφι εκκίνθςθσ (boot) και περιλαμβάνει ζνα γονικό φάκελο (root), o οποίοσ μπορεί να βρίςκεται ςε οποιοδιποτε μζροσ του δίςκου και να διακζτει οποιοδιποτε μζγεκοσ. 5γ./ NTFS Το NTFS (New Technology File System) είναι ζνα αναβακμιςμζνο ςφςτθμα, το οποίο αρχικά ιταν προςπελάςιμο μόνο από τα λειτουργικά Windows NT/2000 και νεότερεσ εκδόςεισ. Η κεντρικι δομι του NTFS είναι το MFT (Master File Table). To NTFS κρατάει πολλαπλά αντίγραφα του ηωτικοφ τμιματοσ master file table για τθν προςταςία του από τυχαίεσ διακοπζσ ι καταςτροφι δεδομζνων. 36

37 ϋοπωσ ςυμβαίνει με τα FAT και FAT32 systems, το NTFS χρθςιμοποιεί clusters για τθν αποκικευςθ των δεδομζνων. Ωςτόςο, το μζγεκοσ των clusters δεν εξαρτάται από το μζγεκοσ του δίςκου. Ενα cluster μπορεί να κακοριςτεί ςτα 512 bytes, αςχζτωσ αν ζνα partition είναι 500 MB ι 5 GB. Χρθςιμοποιϊντασ μικροφ μεγζκουσ clusters μειϊνεται το αχρθςιμοποίθτο ποςοςτό του δίςκου, όπωσ και το λεγόμενο file fragmentation, δθλαδι ο κατακερματιςμόσ των αρχείων ςε μι ςυνεχι clusters, που ζχει ωσ αποτζλεςμα πιο αργι προςπζλαςθ αρχείων. Εξ αιτίασ τθσ χριςθσ μικρότερων clusters, το NTFS προςφζρει καλφτερθ απόδοςθ ςε μεγαλφτερουσ δίςκουσ. Πρόςκετα, το NTFS υποςτθρίηει το hot fixing, διαδικαςία κατά τθν οποία οι κατεςτραμζνοι τομείσ εντοπίηονται αυτόματα και απομονϊνονται για να μιν χρθςιμοποιθκοφν. 5δ./ HPFS To HPFS (High Performance File System) είναι το ςφςτθμα αρχείου για τα OS/2 τθσ IBM, αλλά υποςτθρίηεται και από παλιότερεσ εκδόςεισ των Windows. Σε αντίκεςθ με τα FAT file systems, κατθγοριοποιεί το αρχείο το ςφςτθμα αρχείων του βαςιςμζνο ςτα ονόματα αρχείων. Το HPFS επίςθσ, χρθςιμοποιεί μια αποτελεςματικότερθ δομι για τθν οργάνωςθ του ςυςτιματοσ αρχείου. Ωσ αποτζλεςμα, θ προςπζλαςθ αρχείων είναι γρθγορότερθ και θ χωρθτικότθτα του δίςκου χρθςιμοποιείται αποδοτικότερα ςε ςφγκριςθ με το FAT file system. Το HPFS αποκθκεφει τθν πλθροφορία ςε τομείσ αντί για clusters. Για τον ζλεγχο των τομζων, δθλαδι για τον αν χρθςιμοποιοφνται ι όχι, το HPFS οργανϊνει τον δίςκο ι το partition δίςκου ςε περιοχζσ των 8 MB με ακολουκίεσ δυαδικϊν ψθφίων μεγζκουσ 2 ΚΒ ανάμεςα ςτισ περιοχζσ που περιζχουν πλθροφορίεσ για τον κατανεμθμζνο χϊρο. Η κατανομι ςε περιοχζσ βελτιϊνει τθν λειτουργία του διότι οι κεφαλζσ ανάγνωςθσ/εγγραφισ δεν αναγκάηονται να επιςτρζφουν ςτον τομζα 0 κάκε φορά που το λειτουργικό ςφςτθμα χρειάηεται να ανακτιςει πλθροφορίεσ για το διακζςιμο χϊρο ι τθ κζςθ ενόσ απαραίτθτου αρχείου. 37

38 5ε./ Linux Ext2, Ext3, Ext4 and Linux Swap Στα λειτουργικά ςυςτιματα Linux αναπτφχκθκαν τα ςυςτιματα αρχείων Ext2, Ext3, οπου αναβακμίςτθκαν ςτο Ext4 και το Linux Swap. To Linux system Ext4 υποςτθρίηει πλζον διαμερίςματα δίςκων εϊσ και 1 Exbibyte (2 60 bytes) και αρχεία μεγζκουσ εϊσ και 16 tebibytes (2 40 bytes). Το Linux Swap λειτουργεί παράλλθλα με το Ext4 ςτα λειτουργικά Linux και εκτελεί δφο λειτουργίεσ. Η πρϊτθ είναι οτι προςφζρει τθν απαραίτθτθ μνιμθ ςε διεργαςίεσ ι προγράμματα όταν δεν αρκεί θ μνιμθ του ςυςτιματοσ. Η δεφτερθ είναι θ εξισ: για κάποιεσ εφαρμογζσ απαιτείται ζνασ ςυγκεκριμζνοσ αρικμόσ ςελίδων κατά τθν εκκίνθςθ τουσ που δεν χρθςιμοποιοφνται ξανά, οπότε και θ χριςθ του Linux swap για τθ ςυγκεκριμζνθ διαδικαςία απελευκερϊνει τθ μνιμθ RAM για άλλεσ εφαρμογζσ. Πθγζσ ενότθτασ Understanding hard disks by PowerQuest Corporation

39 6. υςτοιχίεσ Δίςκων Η απόλυτθ επικράτθςθ του Σκλθροφ Δίςκου ωσ, πρακτικά, μοναδικοφ ςυςιματοσ «live» αποκικευςθσ τθσ πλθροφορίασ, δθμιοφργθςε τθν ανάγκθ για εξεφρεςθ ζμμεςων λφςεων ϊςτε να ξεπεραςτοφν οι εγγενείσ αδυναμίεσ του, ωσ ςφςτθμα, αλλά και να ενιςχυκοφν τα πολλά προτεριματά του. Όςο αξιόπιςτθ κι αν είναι πλζον ςιμερα θ τεχνολογία των HD, όλοι οι χριςτεσ υπολογιςτϊν είναι εξοικειωμζνοι με περιπτϊςεισ απϊλειασ δεδομζνων λόγω αςτοχίασ του Δίςκου τουσ. Εκτόσ όμωσ από τουσ οικειακοφσ χριςτεσ, πολλζσ μεγάλεσ εταιρίεσ βαςίηονται αποκλειςτικά πάνω ςτα υπολογιςτικά τουσ ςυςτιματα για τθν οικονομικι τουσ δραςτθριότθτα, το οποίο ςθμαίνει πωσ θ παραμικρι απϊλεια δεδομζνων, αλλά και αδυναμία λειτουργίασ των υπολογιςτϊν τουσ κα οδθγοφςε ςε ςοβαρά προβλιματα. Είναι λοιπόν κατανοθτό ότι το μοντζλο «ζνασ Δίςκοσ για κάκε υπολογιςτι» δεν επαρκεί πάντα για να καλφψει τισ ανάγκεσ. Άλλο ζνα ηιτθμα που εγείρεται ζχει να κάνει με τισ περιοριςμζνεσ ταχφτθτεσ που μποροφν να υποςτθρίξουν τα υφιςτάμενα μοντζλα, οι οποίεσ δεν είναι αρκετζσ για κάποιεσ τεχνολογίεσ. Ζνασ πολφ απλόσ, και ιδιαίτερα αποτελεςματικόσ τρόποσ για να λυκοφν όλα αυτά τα προβλιματα προτάκθκε το 1987 από το Πανεπιςτιμιο του Berkeley, με τθν ονομαςία RAID. Τα αρχικά RAID ςθμαίνουν Redundant Arrays of Inexpensive Disks, και μεταφράηονται ωσ «Πλεονάηουςεσ Συςτοιχίεσ Φκθνϊν Δίςκων». Όπωσ προδίδει το όνομά τθσ, θ τεχνικι αυτι αναφζρεται ςτον κατάλλθλο ςυνδυαςμό περιςςότερων του ενόσ Σκλθρϊν Δίςκων, με ςκοπό να λειτουργιςουν ωσ ςυςτοιχία. Αρχικά, το RAID αποτελοφςε προνόμιο μόνο των πολφ μεγάλων επιχειριςεων, λόγω του υψθλοφ κόςτουσ που υλικοφ με το οποίο υλοποιοφνταν. Ωςτόςο, όπωσ και με κάκε επίτευγμα τθσ τεχνολογίασ, ςιμερα, μόλισ 20 χρόνια μετά τθν επινόθςι του, θ κατάςταςθ ζχει αλλάξει, και πλζον ακόμα και ο απλόσ οικιακόσ χριςτθσ μπορεί να ζχει μια ςυςτοιχία RAID ςτο ςπίτι του. Πολλοί καταςκευαςτζσ περιλαμβάνουν ελεγκτζσ RAID ςε «χαμθλϊν προδιαγραφϊν» μοντζλα μθτρικϊν πλακετϊν. Η βαςικι φιλοςοφία που κρφβεται πίςω από το RAID είναι θ χριςθ πολλαπλϊν Σκλθρϊν Δίςκων με τζτοιο τρόπο, ϊςτε να ςυμπεριφζρονται ωσ ζνα μοναδικό, ενιαίο, μεγάλθσ χωρθτικότθτασ και υψθλϊν επιδόςεων ςφςτθμα. Υπάρχουν πολλοί τρόποι υλοποίθςθσ του μοντζλου, ανάλογα με τισ ανάγκεσ τθσ κάκε εφαρμογισ, αλλά ςε κάκε περίπτωςθ θ χριςθ πολλϊν Δίςκων επιτρζπει τθν δθμιουργία ενόσ αποκθκευτικοφ 39

40 υποςυςτιματοσ που ξεπερνάει τισ αποκθκευτικζσ οντότθτεσ από τισ οποίεσ αποτελείται ςε χωρθτικότθτα, αςφάλεια δεδομζνων και απόδοςθ. Για παράδειγμα, μζςω του μοντζλου RAID-5, τρεισ Δίςκοι χωρθτικότθτασ 250GB μποροφν να ςυνδυαςτοφν για να φτιάξουν ζναν Δίςκο των 500GB. Εδϊ, δφο από τουσ Δίςκουσ χρθςιμοποιοφνται για τθν εγγραφι των δεδομζνων, και ο τρίτοσ για δεδομζνα ελζγχου. Περαιτζρω επεξθγιςεισ για τα μοντζλα και τον τρόπο ςχθματιςμοφ τουσ κα δοκοφν παρακάτω. Υπάρχουν 3 βαςικζσ λειτουργίεσ οι οποίεσ χαρακτθρίηουν μια ςυςτοιχία RAID: Mirroring, που ςθμαίνει τθν καταγραφι πανομοιότυπων δεδομζνων ςε περιςςότερουσ από ζναν δίςκο, Striping, δθλαδι «διάςπαςθ» δεδομζνων ϊςτε τα διάφορα κομμάτια τουσ να αποκθκευτοφν ςε διαφορετικό Δίςκο, και Error Correction, τεχνικι εντοπιςμοφ και διόρκωςθσ ςφαλμάτων κατά τθν εγγραφι και ανάγνωςθ των δεδομζνων. Κατά τθ λειτουργία αυτι, με βάςθ κάποιον Κϊδικα Διόρκωςθσ Σφαλμάτων (error correcting code κα γίνει εκτενισ αναφορά ςε επόμενθ ενότθτα) από τα δεδομζνα παράγονται και αποκθκεφονται επιπλζον δεδομζνα, ωσ «δικλείδεσ αςφαλείασ», κι ζτςι τυχόν λάκθ που γίνονται κατά τθν εγγραφι μποροφν να εντοπιςτοφν και να διορκωκοφν. Κάκε μοντζλο RAID χρθςιμοποιεί μία ι περιςςότερεσ από τισ παραπάνω λειτουργίεσ, με κατάλλθλουσ ςυνδυαςμοφσ, ϊςτε να επιτφχει το ηθτοφμενο. Η κατάλλθλθ διάταξθ των Δίςκων, μειϊνει τθν πικανότθτα δθμιουργίασ ςοβαρϊν ςφαλμάτων ι/και διακοπισ τθσ λειτουργίασ του ςυςτιματοσ, και επιτρζπει τθν επαναφορά δεδομζνων ςε περίπτωςθ αςτοχίασ ενόσ εκ των δίςκων, κάτι που ςε περιπτϊςεισ αυτόνομθσ λειτουργίασ τουσ κα ιταν αδφνατον. Το mirroring επιταχφνει κατά πολφ τθν ανάγνωςθ των δεδομζνων, κακϊσ κακζνασ από τουσ Δίςκουσ τθσ ςυςτοιχίασ μπορεί να διαβάηει ταυτόχρονα με τουσ υπόλοιπουσ διαφορετικό τμιμα τθσ πλθροφορίασ, όμωσ μπορεί να μειϊςει τθν ταχφτθτα εγγραφισ εάν πρζπει να επιβεβαιωκεί θ ορκότθτα εγγραφισ από κάκε μονάδα ξεχωριςτά. Το striping βοθκάει επίςθσ ςτθν αφξθςθ τθσ απόδοςθσ, κακϊσ κάκε bit πλθροφορίασ εγγράφεται ςε διαφορετικι μονάδα, κι ζτςι θ ταχφτθτα εγγραφισ πολλαπλαςιάηεται. Τζλοσ, το error checking αντίκετα από τα παραπάνω κακυςτερεί τθν ανάγνωςθ κακϊσ τα δεδομζνα πρζπει να διαβαςτοφν από διαφορετικζσ πθγζσ και να ςυγκρικοφν. Ο ςχεδιαςμόσ του κατάλλθλου RAID αποτελεί ζναν ςυμβιβαςμό ανάμεςα ςτα πλεονεκτιματα και τα μειονεκτιματα τθσ κάκε λειτουργίασ. 40

41 α) Οργάνωςη ςυςτοιχιών Στθν ενότθτα αυτι αναφζρονται τα βαςικότερα μοντζλα (ι αλλιωσ «επίπεδα») RAID μαηί με τισ κυριότερεσ εφαρμογζσ τουσ. Η οργάνωςθ ενόσ ςυνόλου Δίςκων ςε μια ςυςτοιχία ζχει πάντα ωσ κατάλθξθ ζνα αποκθκευτικό ςφςτθμα με μικρότερθ χωρθτικότθτα απ το άκροιςμα των επιμζρουσ χωρθτικοτιτων. Όπωσ κα δοφμε, το κόςτοσ αυτό είναι αναπόφευκτο. Υπάρχουν διάφοροι ςυνδυαςμοί που ζχουν τυποποιθκεί, με κυρίαρχουσ τουσ RAID 0, 1 και 5. o RAID 0: Πρόκειται για ςυνδυαςμό που ςτοχεφει ςε αυξθμζνεσ ταχφτθτεσ ανάγνωςθσ και εγγραφισ δεδομζνων. Το RAID 0 χρθςιμοποιεί μόνο τθ λειτουργία striping, δθλαδι κάκε αυτόνομο τμιμα πλθροφορίασ το διαιρεί ςε τόςα μζρθ, όςα και οι Δίςκοι που ςυμμετζχουν ςτθ ςυςτοιχία, και αποκθκεφει το κακζνα ςε ξεχωριςτι μονάδα. Το ςοβαρότερο μειονζκτθμά του είναι πωσ ςε περίπτωςθ καταςτροφισ ενόσ εκ των Δίςκων, τα δεδομζνα χάνονται ολοκλθρωτικά κακϊσ δεν είναι δυνατι θ ανάκτθςι τουσ από τα εναπομείναντα κομμάτια τουσ. Για το RAID 0 απαιτοφνται τουλάχιςτον 2 Δίςκοι. o RAID 1: Ο ςυνδυαςμόσ αυτόσ αποςκοπεί ςτθ διαφφλαξθ των δεδομζνων ςε περιπτϊςεισ καταςτροφισ ενόσ Δίςκου και χρθςιμοποιεί μόνο τθ λειτουργία mirroring. Συγκεκριμζνα, οι πλθροφορίεσ εγγράφονται πανομοιότυπα ςε τόςα αντίγραφα, όςοι είναι και οι δίςκοι που αποτελοφν τθ ςυςτοιχία. Σε περίπτωςθ μεγάλθσ καταςτροφισ, όπωσ για παράδειγμα μια απότομθ αυξομείωςθ τθσ τάςθσ του θλεκτρικοφ δικτφου, αρκεί να επιβιϊςει μόνον ζνασ από τουσ δίςκουσ ϊςτε να ανακτθκοφν τα δεδομζνα. o RAID 3/4: Στουσ ςυνδυαςμοφσ αυτοφσ, επιτυγχάνεται θ διάςωςθ των δεδομζνων με τθν απϊλεια ενόσ από τουσ τρεισ (κατ ελάχιςτον) Δίςκουσ τθσ ςυςτοιχίασ. Συγκεκριμζνα, τα δεδομζνα αποκθκεφονται κανονικά ςε κακζναν από τουσ Δίςκουσ, εκτόσ από ζναν ο οποίοσ δεν είναι διακζςιμοσ για αποκικευςθ, διότι χρθςιμοποιείται για πλθροφορίεσ ελζγχου. o RAID 5: Ο τρόποσ λειτουργίασ αυτοφ του μοντζλου είναι αρκετά πιο περίπλοκοσ, αλλά τα πλεονεκτιματά του είναι μεγάλα. Χρθςιμοποιεί ςυνδυαςμό ενόσ ςυνόλου striped Δίςκων, με κατανεμθμζνθ λειτουργία ελζγχου ςε όλεσ τισ μονάδεσ. Ο κατανεμθμζνοσ ζλεγχοσ απαιτεί να βρίςκονται ςε λειτουργία όλα, ι όλα εκτόσ από ζνα, τα επιμζρουσ ςτοιχεία. Καταςτροφι δίςκου δεν οδθγεί ςε απϊλεια δεδομζνων, οφτε ςε αςτοχία του ςυςτιματοσ, όμωσ θ απόδοςθ του ςυςτιματοσ 41

42 μειϊνεται ςθμαντικά και απαιτείται αντικατάςταςθ του Δίςκου που καταςτράφθκε. Αμζςωσ μετά τθν αντικατάςταςθ του κατεςτραμμζνου Δίςκου, θ ςυςτοιχία ξαναγράφει όλα τα δεδομζνα που αυτόσ περιείχε, και μετά τθν ολοκλιρωςθ τθσ διαδικαςίασ «αναγζννθςθσ» των δεδομζνων, το ςφςτθμα και ο τελικόσ χριςτθσ δεν καταλαβαίνουν ότι υπιρξε πρόβλθμα. Η μοναδικι περίπτωςθ απϊλειασ δεδομζνων που δεν μποροφν να ανακτθκοφν, εμφανίηεται εάν δεφτεροσ Δίςκοσ καταςτραφεί, πριν προλάβουν να αναγεννθκοφν τα δεδομζνα του άλλου κατεςτραμμζνου ςτον καινοφργιο. o RAID 6: Με παρόμοιο τρόπο, και ςυνδυάηοντασ κατ ελάχιςτον 4 Δίςκουσ, το RAID 6 μπορεί να «αντζξει» ακόμα και τθν καταςτροφι μζχρι και 2 Δίςκων χωρίσ απϊλεια δεδομζνων. o RAID 10: Πρόκειται για μια βελτίωςθ του RAID 1 για τθν ακρίβεια το 10 δεν είναι ο αρικμόσ δζκα αλλά 1+0. Μια ομάδα δίςκων ςε RAID 1 υφίςτανται mirroring, το οποίο μοιράηεται με striping ςε δεφτερθ ομάδα. Απαιτοφνται τουλάχιςτον 4 Δίςκοι. o RAID 01: Ακριβωσ το αντίκετο του μοντζλου 01, όπου πλζον μια ομάδα Δίςκων υφίςτανται striping, και με τθ ςειρά του το ςετ αυτό υφίςταται mirroring ςε δεφτερθ ομάδα. β) Σρόποι υλοποίηςησ Όταν πρωτοεμφανίςτθκε θ τεχνικι RAID, μοναδικόσ τρόποσ υλοποίθςισ τθσ ιταν μζςω hardware, με τουσ κατάλλθλουσ controllers. Οι ςυςκευζσ αυτζσ ιταν ιδιαίτερα ακριβζσ, όπωσ προαναφζρκθκε, και το κόςτοσ τουσ δυςβάςταχτο για τον απλό χριςτθ. Ακόμα και ςιμερα που θ τιμι τουσ ζχει μειωκεί αρκετά, παραμζνει διακριτι ςε ςχζςθ με τα υπόλοιπα μζρθ ενόσ υπολογιςτι. Πολφ γριγορα οι προγραμματιςτζσ κατάφεραν να μιμθκοφν τισ διαδικαςίεσ του RAID, επιτρζποντασ τθ δθμιουργία software-raid. Ζτςι, περιςςότεροι από ζνασ απλοί Δίςκοι ςυνδζονται ςε απλοφσ, ςυμβατικοφσ controllers που περιζχονται ςε κάκε μθτρικι πλακζτα, και το λειτουργικό ςφςτθμα μζςω περίπλοκων αλγορίκμων αναλαμβάνει να οργανϊςει τουσ Δίςκουσ ςε RAID. Το software RAID δεν είναι τόςο αξιόπιςτο όςο το hardware. 42

43 γ) Μέθοδοσ Error Correcting Η λειτουργία του error correcting είναι ιδιαίτερα απλι και βαςίηεται ςε μια λογικι (boolean) πράξθ, γνωςτι ωσ XOR, που ορίηεται ωσ εξισ: 0 XOR 0 = 1 XOR 1 = 0 και 1 XOR 0 = 0 XOR 1 = 1 Για παράδειγμα, ςε μια υλοποίθςθ RAID 4 με τρεισ Δίςκουσ, δφο από αυτοφσ αποκθκεφουν τα δεδομζνα και ο τρίτοσ χρθςιμοποιείται για αςφάλεια. Ασ ποφμε ότι οι δφο πρϊτοι Δίςκοι ζχουν αποκθκευμζνα τα εξισ bytes: Δίςκοσ 1: Δίςκοσ 2: Κάνοντασ τθ λογικι πράξθ XOR για κακε bit ξεχωριςτά, παίρνουμε το αποτζλεςμα: XOR = , το οποίο κα αποκθκευτεί ςτον τρίτο Δίςκο. Εάν κάποιοσ από τουσ τρεισ Δίςκουσ καταςτραφεί, δεν ζχει ςθμαςία ποιοσ κα είναι, τα δεδομζνα μποροφν να ανακτθκοφν, αφοφ ςε κάκε πράξθ A XOR B = C, με δεδομζνθ τιμι ςε δφο από τισ μεταβλθτζσ, μόνο μία δυαδικι τιμι μπορεί να επαλθκεφςει τθν πράξθ! Ομοίωσ, ςε περίπτωςθ ςυςτοιχίασ RAID 3 με εντεκα Δίςκουσ, οι δζκα κα αποκθκεφουν τα δεδομζνα και ο εντζκατοσ κα εγγράφει το αποτζλεςμα του XOR των bit τουσ. Πθγζσ ενότθτασ: «Η αρχιτεκτονικι των υπολογιςτϊν, Μια δομθμζνθ προςζγγιςθ», Andew S. Tanenbaum Western Digital WD Hard Drive Interface Guide 43

44 7) Επικοινωνία με τον υπολογιςτή Οι ςκλθροί δίςκοι επικοινωνοφν με τισ υπόλοιπεσ ςυςκευζσ μζςω ενόσ αρικμοφ διαφλων (bus types). Τα πιο αναγνωριςμζνα πρωτόκολλα επικοινωνίασ για τθ διαςφνδεςθ (interfaces) των δίςκων είναι τα ακόλουκα : parallel ATA (P-ATA, ονομάηεται και IDE ι EIDE) Serial ATA (SATA) SCSI Serial Attached SCSI (SAS) Fibre Channel 7α./ Σα πρώτα Interfaces Το πρϊτο HD interface ςτον κόςμο των υπολογιςτϊν αναπτφχκθκε το 1980 απο τθν Seagate Technologies για τθ λειτουργία του MB ST-506 δίςκου.η εξζλιξθ του, ο ST-412 ιταν ζνασ δίςκοσ με χωρθτικότθτα 10 MB, ο οποίοσ λειτουργοφςε κάτω από τον ζλεγχο ενόσ ελεγκτι δίςκου με μορφι προςαρτϊμενθσ κάρτασ. Οι πρϊτοι ST-506 χρθςιμοποιοφςαν τροποποιθμζνθ διαμόρφωςθ ςτθ ςυχνότθτα (MFM) με ικανότθτα μεταφοράσ δεδομζνων 5 Mbits/sec. Μεταγενζςτεροι controllers χρθςιμοποιϊντασ τθν RLL κωδικοποίθςθ πζτυχαν τθν αφξθςθ τθσ χωρθτικότθτασ και τθσ ικανότθτασ μεταφοράσ ςε 7.5 Mbits/sec. Η πρϊτθ προςπάκεια βελτίωςθσ του ST-506/ST-412 hard disk interface ιταν το ESDI (Enhanced Small Device Interface) ςτα μζςα του 1980.Οριςμζνεσ λειτουργίεσ ελζγχου ενςωματϊκθκαν ςτον δίςκο ενιςχφοντασ με αυτό τον τρόπο τθν αξιοπιςτία του ςυςτιματοσ. To μζγιςτο bandwidth κεωρθτικά προςζγγιηε τα 24 Mbits/sec (αρκετά υψθλό για τθν εποχι του) αν και περιορίηοταν πρακτικά ςτο μιςό του. Αν και πραγματοποιικθκαν επιπρόςκετεσ ενιςχφςεισ, οι περιςςότερεσ εφαρμογζσ ελζγχου και νοθμοςφνθσ παρζμειναν ςτθν κάρτα ελζγχου. Πρόςκετα, ςτουσ παραπάνω δίςκουσ το λειτουργικό ςφςτθμα διάβαηε και ζγραφε ςτο δίςκο τοποκετϊντασ παραμζτρουσ ςε καταχωρθτζσ τθσ Cpu και καλϊντασ ζπειτα το BIOS (Basic Input Output System), το οποίο βριςκόταν ςτθν ενςωματωμζνθ μνιμθ ROM του PC. 44

45 7β./ Δίςκοι IDE - EIDE ( interfaces p-ata ) Η τεχνολογία εξελίχκθκε γριγορα, και αντί να τοποκετείται ο ελεγκτισ ςε ξεχωριςτι κάρτα, ενοποιικθκε ςτενά με τον δίςκο, με τουσ πρϊτουσ δίςκουσ IDE (Integrated Drive Electronics), οι οποίοι εμφανίςτθκαν το Ομϊσ οι ςυμβάςεισ κλιςθσ του bios δεν άλλαξαν, για λόγουσ ςυμβατότθτασ προσ τα πίςω. Αυτζσ οι ςυμβάςεισ κλιςθσ απευκφνονταν ςτουσ τομείσ του δίςκου χρθςιμοποιϊντασ τουσ αρικμοφσ κεφαλισ, κυλίνδρου και τομζα, όπου θ αρίκμθςθ των κεφαλϊν και των κυλίνδρων άρχιηε από το 0 και των τομζων από 1. Με 4 bit για τθν κεφαλι, 6 bit για τον τομζα και 10 bit για τον κφλινδρο, ο μεγαλφτεροσ δίςκοσ μποροφςε να ζχει 16 κεφαλζσ, 63 τομείσ, και 1024 κυλίνδρουσ, δθλαδι ςυνολικά τομείσ και ςυνολικι χωρθτικότθτα 528 MB.Πριν περάςει πολφσ καιρόσ εμφανίςτθκαν δίςκοι μεγαλφτεροι απο 528 MB, αλλά με ακατάλλθλθ γεωμετρία(π.χ. 4 κεφαλζσ, 32 τομείσ, 2000 κυλίνδρουσ).το λειτουργικό ςφςτθμα δεν είχε τρόπο να τουσ προςπελάςει, εξαιτίασ των απαρχαιωμζνων ςυμβάςεων κλιςθσ.σχετικά με το interface, με 40 pin IDE/ΑΤΑ ςφνδεςθ μεταφζρονταν 16 bit δεδομζνων ςε κάκε παλμό του ρολογιοφ. Το καλϊδιο αποτελοφνταν αρχικά από 40 αγωγοφσ, αλλά οι ολοζνα και μεγαλφτερεσ απαιτιςεισ ςε ταχφτθτα για τθν μεταφορά δεδομζνων από και προσ τον δίςκο οδιγθςε ςε ανακεϊρθςθ του προτφπου DMA, γνωςτό και ωσ UDMA. Σταδιακά οι γρθγορότερεσ εκδόςεισ αυτοφ του προτφπου πρόςκεςαν τελικά τθν απαίτθςθ για μία εναλλακτικι μορφι του interface με 80 αγωγοφσ, από τουσ οποίουσ οι μιςοί είναι γειϊςεισ, απαραίτθτεσ για τθν αυξθμζνθ ταχφτθτα ςιματοσ (μειϊνει το φαινόμενο του cross talking). To interface για τουσ 80 αγωγοφσ ζχει μόνο 39 pins, με το περιςςεφον pin να δρα ωσ αποτρεπτικό για τθν ειςχϊρθςθ του καλωδίου ςε αςφμβατο socket. Τελικά, οι δίςκοι IDE εξελίχκθκαν ςτουσ δίςκουσ EIDE (Extended IDE), οι οποίοι υποςτιριηαν και ζνα δεφτερο μθχανιςμό διευκυνςιοδότθςθσ, τον LBA, ο οποίοσ αρικμεί τουσ τομείσ από το 0 μζχρι μια μζγιςτι τιμι 2^24-1. Ο μθχανιςμόσ απαιτεί από τον ελεγκτι να μεταφράηει τισ διευκφνςεισ LBA ςε διευκφνςεισ κεφαλισ, τομζα και κυλίνδρου, αλλά δεν ξεπερνά το όριο των 528 ΜΒ.Το κλειδί τθσ αναβάκμιςθσ ιταν θ άμεςθ προςπζλαςθ μνιμθσ DMA (Direct Memory Access) για μεταφορά δεδομζνων μεταξφ δίςκου και υπολογιςτι χωρίσ τθ μεςολάβθςθ τθσ CPU. Με τθ χριςθ του DMA απαλοίφεται θ χριςθ τθσ CPU για αντιγραφι byte προσ byte και τθσ προςφζρεται θ δυνατότθτα να επεξεργάηεται άλλεσ εφαρμογζσ κατα τθ διάρκεια τθσ μεταφορασ δεδομζνων.αλλεσ βελτιϊςεισ είναι θ δυνατότθτα ελζγχου τεςςάρων δίςκων αντι για δφο, μεγαλφτερθ μεταφορά δεδομζνων και θ δυνατότα ελζγχου ςυςκευϊν CD-ROM. 45

46 7γ./ Interface SATA (serial ATA) Το πρωτόκολλο SATA αντικακιςτά ςταδιακά τον κακιερωμζνο δίαυλο IDE. Σε αντίκεςθ με τον δίαυλο IDE (Integrated Drive Electronics) μεταφζρει τα δεδομζνα ςειριακά αντί παράλλθλα. Αυτό δίνει το πλεονζκτθμα των λιγότερων καλωδιϊςεων και, κατά ςυνζπεια, πιο λιτοφ ςχεδιαςμοφ. Σε αντίκεςθ με τισ παραδοςιακζσ καλωδιοταινίεσ των 40 άκρων, κάνει χριςθ μόνο 7 καλωδίων. Αυτό επιτρζπει τον καλφτερο αεριςμό του περιβλιματοσ ("κουτιοφ") ενόσ υπολογιςτι και, παράλλθλα, επιτυγχάνει καλφτερα τθν αποφυγι των θλεκτρομαγνθτικϊν παρεμβολϊν. Τα βφςματα που χρθςιμοποιεί ο δίαυλοσ SATA είναι πιο εφχρθςτα και, παράλλθλα, αποκλείουν τθν λανκαςμζνθ τοποκζτθςι τουσ. Για τθν μεταφορά δεδομζνων απαιτείται λιγότερθ ενζργεια, χαρακτθριςτικό που κάνει τον δίαυλο ιδανικό για τουσ φορθτοφσ υπολογιςτζσ. Οι ςυςκευζσ SATA, εκτόσ από διαφορετικι καλωδιοταινία, χρειάηονται και διαφορετικό βφςμα τροφοδοςίασ, λόγω των διαφορετικϊν απαιτιςεων ςε τάςθ τροφοδοςίασ αλλά και για λόγουσ ευχρθςτίασ. Η ταχφτθτα μεταφοράσ δεδομζνων του διαφλου SATA είναι 150 Mbit/sec και του (βελτιωμζνου) διαφλου SATA 2 είναι 300 Mbit/sec. 7δ./ Διςκοι SCSI Οι δίςκοι SCSI δε διαφζρουν από τουσ δίςκουσ IDE ςτον τρόπο που είναι οργανωμζνοι οι κφλινδροι, οι τροχιζσ και οι τομείσ, ζχουν δε διαφορετικι διαςφνδεςθ και πολφ υψθλότερεσ ταχφτθτεσ μεταφοράσ. Η διαςφνδεςθ προζρχεται απο τον Shugart, τον εφευρζτθ τθσ διςκζτασ το 1979 που πρωτοσ παρουςίαςε τον δίςκο SASI. Μετά από καποιεσ τροποποιιςεισ ο αμερικάνικοσ οργανιςμόσ προτυποποίθςθσ ANSI ζκανε πρότυπο τθ διαςφνδεςθ SASI to 1986, και άλλαξε το όνομα ςε SCSI (Small Computer System Interface). Επειτα εκδόθηκαν νεότερα πρότυπα, όπωσ το SCSI-2 και SCSI-3. Το SCSI είναι κάτι περιςςότερο από απλι διαςφνδεςθ ςκλθρϊν δίςκων. Είναι ζνασ δίαυλοσ (bus) ςτον οποίο μποροφν να προςαρτθκοφν ζνασ ελεγκτισ SCSI και μζχρι επτά ςυςκευζσ. Στισ ςυςκευζσ μπορεί να περιλαμβάνονται ζνασ ι περιςςότεροι δίςκοι SCSI, μονάδεσ CD-ROM, μονάδεσ εγγραφισ CD, ςαρωτζσ κτλ. Η κάκε ςυςκευι SCSI ζχει μια μοναδικι ταυτότθτα (ID), θ οποία είναι ζνασ αρικμοσ από 0 εϊσ 7 (ι 15 για Wide SCSI) και δφο ςυηευκτιρεσ: ζνασ για τθν είςοδο και ζνασ για τθν ζξοδο. Καλϊδια ςυνδζουν τθν ζξοδο τθσ μίασ ςυςκευισ με τθν είςοδο τθσ επόμενθσ ςτθ ςειρά. Η τελευταία ςυςκευι πρζπει να 46

47 τερματίηεται, ωςτε οι ανακλάςεισ ςτα άκρα του διαφλου SCSI να μθν προκαλοφν παρεμβολζσ ςτα άλλα δεδομζνα του διαφλου. Συνικωσ ο ελεγκτισ βρίςκεται ςε μια προςαρτϊμενθ κάρτα και είναι θ αρχι μιασ αλυςςίδασ καλωδίων, αν και αυτι θ διευκζτθςθ δεν είναι κανόνασ του προτφπου. Το πιο ςυνθκιςμζνο καλϊδιο SCSI των 8 bit ζχει 50 αγωγοφσ, από τουσ οποίουσ οι 25 είναι γειϊςεισ που αντιςτοιχοφν ςτουσ άλλουσ 25 αγωγοφσ, ϊςτε να παρζχουν αποτελεςματικι προςταςία για τον κόρυβο που είναι απαραίτθτθ για λειτουργία ςε υψθλι ταχφτθτα.από τουσ 25 αγωγoφσ, οι 8 είναι για τα δεδομζνα ο ζνασ για τθν ιςοτιμία, οι 9 για τον ζλεγχο και οι υπολοιποι για τθν τροφοδοςία ι εφεδρικοί για μελλοντικι χριςθ. Οι ςυςκευζσ των 16 (και των 32 bit) χρειάηονται ζνα δεφτερο καλϊδιο για τα επιπλζον ςιματα.τα καλϊδια μπορεί να ζχουν μικοσ πολλά μζτρα, ϊςτε να επιτρζπουν τθ ςφνδεςθ εξωτερικϊν διςκων, ςαρωτϊν κτλ. Οι ελεγκτζσ και οι περιφεριακζσ ςυςκευζσ μποροφν να λειτουργιςουν είτε ϊσ εγκαινιαςτζσ (initiators) είτε ϊσ προοριςμοί (targets). Συνικωσ, ο ελεγκτισ (εγκαινιαςτισ) υποβάλει εντολζσ ςτουσ δίςκουσ και τα περιφεριακά (προοριςμοί). Οι εντολζσ αυτζσ είναι ενότθτεσ με μζγεκοσ μζχρι 16 byte, οι οποίεσ υποδεικνφουν ςτον προοριςμό τι να κάνει. Οι εντολζσ και οι αποκρίςεισ διεκπεραιϊνονται ςε φάςεισ, με τθ χριςθ διαφόρων ςθμάτων ελζγχου τα οποία οριοκετοφν τισ φάςεισ και διαιτθτεφουν ςτθν προςπζλαςθ του διαφλου οταν πολλζσ ςυςκευζσ προςπακοφν να τον χρθςιμοποιιςουν τθν ίδια ςτιγμι. Η παραπάνω διαδικαςία ειναι πολφ ςθμαντικι για τθν απόδοςθ, όταν πολλζσ διεργαςίεσ είναι ταυτόχρονα ενεργζσ( UNIX, Windows NT).Σε αντίκεςθ, τα πρότυπα IDE/EIDE επιτρζπουν να είναι ενεργι μόνο μια ςυςκευι κάκε φορά. Για τον παραπάνω λόγο είναι προφανζσ γιατί χρθςιμοποιοφνται ςε επαγγελματικοφσ servers. 47

48 7ζ./ ύγκριςη του SCSI και του IDE/ATA Ο παρακάτω πίνακασ δείχνει περιλθπτικά μια ςφγκριςθ των δφο interfaces, του SCSI και του IDE/ATA: Παράγοντεσ Interface IDE/ATA SCSI Κόςτοσ Χαμθλό Μζτριο προσ χαμθλό Απόδοςη Υψθλι για απλζσ ςυςκευζσ ι για απλι επεξεργαςία, μζτρια προσ χαμθλι για πολλαπλζσ ςυςκευζσ και πολυεργαςία Υψθλι για τισ περιςςότερεσ περιπτϊςεισ Διαμόρφωςη και ευκολία χρήςησ Υψθλι για μικρό αρικμό ςυςκευϊν, χαμθλι για μεγάλο αρικμό ςυςκευϊν Μζτρια προσ υψθλι και για μικρό και για μεγάλο αρικμό ςυςκευϊν Επζκταςη και αριθμόσ ςυςκευών Μζτρια προσ χαμθλι Υψθλι Υποςτήριξη ςυςκευών Μζτρια προσ χαμθλι Υψθλι Διαθεςιμότητα και επιλογή ςυςκευών Υψθλι Μζτρια Συμβατότητα λειτουργικοφ και εφαρμογών Υψθλι Μζτρια προσ υψθλι Χρήςη πόρων ςυςτήματοσ Μζτρια ωσ απλι Μζτρια ωσ καλι Υποςτήριξη για πλατφόρμεσ εκτόσ PC Μικρι αλλά αυξανόμενθ Καλι 48

49 7ε./ Διαςυνδέςεισ με μετατροπείσ - Εξωτερικέσ ςυνδέςεισ Εκτόσ από τα interfaces των IDE και SCSI δίςκων αναπτφχκθκαν και διαςυνδζςεισμετατροπείσ για τθ ςφνδεςθ των δίςκων με δίαυλουσ που δεν ζχουν τθ δυνατότθτα άμεςθσ επικοινωνίασ, όπωσ το IEEE 1394 (Firewire), USB, esata (external SATA),Gigabit Ethernet. 49

50 FireWire Το FireWire, επίςθσ γνωςτό ωσ i.link (όνομα τθσ Sony), είναι ςειριακόσ δίαυλοσ για ψθφιακό ιχο/ψθφιακό βίντεο, προςφζροντασ υψθλισ ταχφτθτασ και πραγματικοφ χρόνου υπθρεςίεσ εϊσ και 400 Mb/s για το FireWire 400 και 800 Mb/s για το FireWire 800. Το FireWire ζχει αντικαταςτιςει το παράλλθλο SCSI ςε πολλζσ εφαρμογζσ, λόγο των χαμθλότερων δαπανϊν υλοποίθςθσ και τθσ απλοφςτερθσ καλωδίωςισ του. Το FireWire είναι επίςθσ διακζςιμο ςε αςφρματεσ, οπτικϊν ινϊν και ομοαξονικζσ εκδόςεισ με χριςθ ιςόχρονων πρωτοκόλλων. Σχεδόν όλεσ οι ςφγχρονεσ ψθφιακζσ βιντεοκάμερεσ ζχουν FireWire από το Σε πολλζσ περιπτϊςεισ είναι ενςωματωμζνο ςτθσ μθτρικζσ πλακζτεσ των προςωπικϊν ι φορθτϊν υπολογιςτϊν. Το FireWire είναι θ εμπορικι ονομαςία τθσ Apple για τον ςειριακό δίαυλο υψθλισ ταχφτθτασ IEEE Εφευρζκθκε από τθν Apple και αναπτφχκθκε από τθν ομάδα εργαςίασ IEEE Η ανάπτυξθ από τθν Apple ολοκλθρϊκθκε το Το FireWire χρθςιμοποιείται ςυνικωσ για τθ ςφνδεςθ αποκθκευτικϊν ςυςκευϊν και βιντεοκαμερϊν DV. Χρθςιμοποιείται αντί του κοινοφ USB λόγω τθσ γρθγορότερθσ ταχφτθτάσ του. USB Ο Ενιαίοσ Σειριακόσ Δίαυλοσ είναι τμθματικό πρότυπο δίαυλου για τθ διαςφνδεςθ ςυςκευϊν. Ο USB είχε ωσ ςκοπό να επιτρζψει ςτισ περιφερειακζσ μονάδεσ να ςυνδζονται με τον υπολογιςτι χρθςιμοποιϊντασ μια ενιαία τυποποιθμζνθ υποδοχι διεπαφϊν και να βελτιϊςει τισ ζτοιμεσ προσ χριςθ ικανότθτεσ των ςυςκευϊν για ςφνδεςθ ι αποςφνδεςι τουσ με το ςφςτθμα χωρίσ να χρειάηεται επανεκκίνθςθ. Άλλα χαρακτθριςτικά γνωρίςματα περιλαμβάνουν τθν παροχι θλεκτρικοφ ρεφματοσ ςτισ ςυςκευζσ χαμθλισ κατανάλωςθσ χωρίσ τθν ανάγκθ εξωτερικισ παροχισ θλεκτρικοφ ρεφματοσ και τθν δυνατότθτα πολλϊν ςυςκευϊν USB να χρθςιμοποιθκοφν χωρίσ τθν απαίτθςθ ρυκμίςεων ι μεμονωμζνων προγραμμάτων οδιγθςθσ (drivers) από τουσ καταςκευαςτζσ για να εγκαταςτακοφν. Ο USB λειτουργεί με τισ ακόλουκεσ ταχφτθτεσ: 1.5 Mbit/s (χαμθλι-low ταχφτθτα), 12 Mbit/s (πλιρθσ-full ταχφτθτα) ι 480 Mbit/s (υψθλι-high ταχφτθτα). esata (external SATA) Η διαςφνδεςθ SATA είναι πολφ αποτελεςματικι για τθν εξωτερικι ςφνδεςθ τψν δίςων και το esata interface προςφζρει αςφαλείσ και γριγορεσ ςυνδζςεισ εϊσ και 3 Gb/s. 50

51 Οι SATA και esata ςυνδζςεισ και καλϊδια δεν μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν κατ' εναλλαγιν. Αυτό είναι ςθμαντικό διότι τα esata καλϊδια ζχουν ςχεδιαςτεί για 5000 κφκλουσ ειςαγωγισ/εξαγωγισ ενϊ τα SATA καλϊδια για μόνο 50 κφκλουσ. Επομζνωσ, για τθν επίτευξθ των δυνατοτιτων του esata για τθν εξωτερικι ςφνδεςθ των SATA δίςκων, απαιτείται θ εγκατάςταςθ μιασ esata PCI κάρτασ. Gigabit Ethernet Το Ethernet είναι το ςυνθκζςτερα χρθςιμοποιοφμενο πρωτόκολλο ενςφρματθσ τοπικισ δικτφωςθσ υπολογιςτϊν. Το αρχικό Ethernet επζτρεπε ονομαςτικοφσ ρυκμοφσ μετάδοςθσ δεδομζνων τθσ τάξθσ των 3 Mbps, μζςω ενόσ ομοαξονικοφ καλωδίου ςτο οποίο ςυνδζονταν οι επιμζρουσ υπολογιςτζσ του δικτφου. Τθ διαςφνδεςθ αναλάμβανε μία κάρτα δικτφου Ethernet προςαρτθμζνθ ςε κάκε κόμβο, με κάκε κάρτα να χαρακτθρίηεται από μία μοναδικι, εργοςταςιακι 48-bit διεφκυνςθ MAC. Σιμερα ζχουν εμφανιςτεί νεότερεσ εκδόςεισ του Ethernet με επιτρεπτοφσ ρυκμοφσ μετάδοςθσ δεδομζνων μζχρι 10 Gb/s. Ακολουκεί ςυγκριτικόσ πίνακασ των παραπάνω interfaces : USB 2.0 FireWire 400 FireWire 800 esata Gigabit Ethernet Hot-swappable (attach a device without rebooting the system), switch, or hub port Hot-swappable (attach a device without rebooting the system) Hot-swappable (attach a device without rebooting the system) Hot-swappable (attach a device without rebooting the system) depending on host capabilities Can attach a device to a system s network adapter, router 480 Mb/s maximum burst transfer rate 400 Mb/s maximum sustained transfer rate 800 Mb/s maximum sustained transfer rate; twice as fast as FireWire 400 Up to 3 Gb/s maximum sustained transfer rate. Near-equivalent to internal drive performance Mb/s maximum sustained transfer rate; ten times as fast as Fast Ethernet 51

52 Πθγζσ ενότθτασ: «Η αρχιτεκτονικι των υπολογιςτϊν, Μια δομθμζνθ προςζγγιςθ» Andew S. Tanenbaum Western Digital WD Hard Drive Interface Guide 52

53 8) Απαιτήςεισ και απόδοςη Πρώιμεσ απαιτήςεισ Σφμφωνα με τα λεγόμενα του Currie Munce (αντιπροζδρου τθσ ζρευνασ τθσ Hitachi Global Storage Technologies), ςε ςυνζντευξι του ςτθ Wall Street Journal αναφορικά με τον 1 ο ςκλθρό δίςκο εμπορικισ εκμετάλλευςθσ IBM-350 RAMAC, είπε ότι υπιρχε θ δυνατότθτα αφξθςθσ τθσ χωρθτικότθτάσ του από τα 4,4MB ςτα 5 MB αλλά «το τμιμα marketing είναι εναντίον αυτισ τθσ κίνθςθσ κακϊσ μία τόςθ μεγάλθ χωρθτικότθτα κα ιταν αχρείαςτθ»!!! Για τα ςθμερινά δεδομζνα μια χωρθτικότθτα τθσ τάξεωσ των μερικϊν MB μασ ακοφγεται ελάχιςτθ, αλλά ςφμφωνα με τισ τότε απαιτιςεισ για αποκικευςθ απλϊν δεδομζνων όντωσ μερικά MB ςτα μζςα τθσ δεκαετίασ του 60 ιταν υπεραρκετά. Ωςτόςο, ακόμα και οι χριςτεσ πριν από ςχεδόν μιςό αιϊνα ςίγουρα κα ικελαν ωσ ςκλθρό δίςκο κάτι που κα είχε διαςτάςεισ μικρότερεσ από αυτζσ ενόσ ψυγείου, που κα κόςτιηε λιγότερο από $(ι εναλλακτικά ενοικίαςθ με 3.200$ το μινα), που δε κα χρειαηόταν ςφνδεςθ με τριφαςικι τροφοδότθςθ για να λειτουργιςει και που εντζλει κα ηφγιηε αρκετά λιγότερο από ζνα τόνο κι επομζνωσ δεν κα απαιτοφνταν για τθ μετακίνθςι του ανυψωτικό μθχάνθμα! Η βελτίωςθ των ςκλθρϊν δίςκων και των επιδόςεϊν τουσ ζωσ το 1980 μποροφμε να ποφμε ότι κινικθκε ςε λογικά πλαίςια, ειδικά αν αντιπαραβάλλουμε αυτι τθν περίοδο ( ) με τθν όπου οι επιδόςεισ ςχεδόν ςε όλουσ τουσ τομείσ βελτιϊκθκαν εκκετικά. Ο λόγοσ προφανισ. Το αγοραςτικό κοινό και οι απαιτιςεισ του μζχρι το 1980 παρζμεναν ςε χαμθλά επίπεδα. Η χριςθ των θλεκτρονικϊν υπολογιςτϊν γινόταν κυρίωσ από εταιρίεσ και τα αρχεία προσ αποκικευςθ ςυνζχιηαν να είναι απλά δεδομζνα. Ζτςι ςτα τζλθ τθσ δεκαετίασ του 80 από τισ μαγνθτικζσ πλάκεσ των 24 που ςτρζφονταν με 1200 rpm. ζχοντασ ζτςι μζςο χρόνο εφρεςθσ μιασ εγγραφισ τα 600ms φτάςαμε ςε πλάκεσ κάτω των 10 ςτρεφόμενεσ με 3000 rpm. με μζςο χρόνο εφρεςθσ μιασ εγγραφισ τα 200 ms. Σφντομα όμωσ θ επανάςταςθ ςτθ τεχνολογία των προςωπικϊν υπολογιςτϊν και επομζνωσ ςτθ χριςθ των ςκλθρϊν δίςκων κα ερχόταν. Πρώτη επανάςταςη Ήταν θ αφξθςθ τθσ χριςθσ των Η/Υ που οδιγθςε ςφντομα ςτθν αλλαγι ι ςυνφπαρξθ αυτοφ του όρου με τον όρο PC(personal computer = προςωπικόσ υπολογιςτισ) που απαιτοφςε πλζον και τον ςκλθρό δίςκο να γίνει πιο «προςωπικόσ» το οποίο μεταφράηεται ςτθν ζννοια μικρόσ. Πλζον ο τρόποσ χριςθσ των PC ιταν πολφ διαφορετικόσ 53

54 από αυτό των παλαιότερων μεγάλων υπολογιςτϊν. Χρθςίμευαν για επεξεργαςία κειμζνου, για λογιςτικά φφλλα και πολλζσ ζντονα αλλθλεπιδραςτικζσ εφαρμογζσ. Ζτςι, το 1980 θ Seagate Technology ειςιγαγε τον 1 ο ςκλθρό δίςκο των 5,25 με χωρθτικότθτα 5 MB. Βζβαια, προχπιρχαν ςκλθροί δίςκοι με χωρθτικότθτα μεγαλφτερθ των 5ΜΒ αλλά το μζγεκοσ αυτϊν ποτζ δεν ιταν μικρότερο των 8 ιντςϊν. Ενδεικτικά: Πρϊτοσ HDD o 1956 IBM 350 RAMAC 5 Megabytes, fifty 24" disks Πρϊτθ χριςθ ηωνϊν ςε HDD o 1961 Bryant Computer Megabytes, twenty four 39" disks Πρϊτοσ HDD με πλάκεσ 14 και ςε αποςπϊμενθ ςυςκευαςία o 1963 IBM 1311 "Low Cost File" 2.69 Megabytes, six 14" disks Ειςαγωγι του voice coil actuator (= πθνίο φωνισ) o 1965 IBM 2310 "Ramkit" Megabytes, one 14" disk Πρϊτοσ HDD με κεφαλι φερρίτθ o 1966 IBM Megabytes, eleven 14" disks Πρϊτοσ HDD με ςερβοςφςτθμα o 1971 IBM "Merlin" 100 Megabytes, eleven 14" disks Πρϊτοσ ευλφγιςτοσ HDD μόνο-για-ανάγνωςθ o 1971 IBM 23FD "Minnow" Megabytes, one 8" disk Πρϊτοσ HDD που κζτει ςτθν βιομθχανία τα πρότυπα για τισ 8 o 1973 IBM 33FD "Igar" Megabytes, one 8" disk Πρϊτοσ HDD με μθχανιςμό περιςτροφισ o 1975 IBM 62 GV "Gulliver" 5 or 9 Megabytes, one 14" disk Πρϊτοσ HDD με εγγραφι διπλισ όψθσ o 1976 IBM 43FD "Crystal" Megabytes, one 8" disk Πρϊτοσ HDD 5,25 o 1976 Shugart Associates SA Megabytes, one 5.25" disk Πρϊτοσ HDD με λεπτζσ κεφαλζσ και κωδικοποίθςθ 2,7 o 1979 IBM 3370 "New File Project" Megabytes, seven 14" disks Πρϊτοσ άκαμπτοσ δίςκοσ 8 o 1979 IBM 62PC "Piccolo" 64.5 Megabytes, six 8" disks Πρϊτοσ άκαμπτοσ δίςκοσ 10,5 o 1981 Fujitsu F6421 "Eagle" 446 Megabytes, six 10.5" disks 54

55 Πρϊτοσ άκαμπτοσ δίςκοσ των 5,25 o 1980 Seagate Technology ST506 5 Megabytes, four 5.25" disks Όπωσ βλζπουμε, όταν κάποια εταιρία προςπακοφςε να βελτιϊςει ιδιαίτερα μία απ τισ 3 προδιαγραφζσ (χωρθτικότθτα, μζγεκοσ και ταχφτθτα) αμζςωσ ζχανε ζδαφοσ ςε κάποια απ τισ άλλεσ 2. Συνθκζςτερα, ς αυτά τα πρϊτα χρόνια θ μάχθ γινόταν μεταξφ χωρθτικότθτασ και μεγζκουσ, χωρίσ βζβαια να αμελείται και θ βελτίωςθ ςτθν ταχφτθτα των HDD. Επομζνωσ το ςυχνότερο φαινόμενο ιταν θ μεγάλθ αφξθςθ τθσ χωρθτικότθτασ εισ βάροσ του μεγζκουσ του HDD, αλλά και αντίςτροφα. Χαρακτθριςτικζσ περιπτϊςεισ: Μεγάλη χωρητικότητα, αλλά και εξίςου μεγάλο μζγεθοσ 1980 Ο πρϊτοσ HDD ςτον κόςμο με χωρθτικότθτα 1 GΒ! O IBM 3380 είχε το μζγεκοσ ενόσ ψυγείου, ηφγιηε 550 pounds(=ςχεδόν 250kg) και κόςτιηε 40000$. (πραγματικά αςικωτοσ, αλλά και πανάκριβοσ!) Πολφ μικρό μζγεθοσ αλλά και πολφ μικρή χωρητικότητα: Πρϊτοσ HDD των 5,25! Ειςιχκθ απ τθν εταιρία Shugart Associates το 1976 και είχε χωρθτικότθτα 0,2188MB (5,25 ίντςεσ μόλισ to 1976, αλλά με χωρθτικότθτα μικρότερθ κι από ζνα τζταρτο του MB, μικρι ακόμα και για τισ τότε απαιτιςεισ!) Αυτό ζκανε τζτοιουσ HDD μθ εμπορικοφσ προσ το αγοραςτικό κοινό, κακϊσ εκτόσ από μεγάλο μζγεκοσ είχαν και ιδιαίτερα υψθλι τιμι, αλλά ίςωσ χριςιμουσ για κάποιουσ απαιτθτικοφσ χριςτεσ. Να ςθμειωκεί μάλιςτα ότι πολφ ςθμαντικό για κάκε εταιρία ιταν να μπορεί να κρατάει και τισ τιμζσ χαμθλά(όςο γινόταν για κάκε εποχι), μια παράμετροσ που 55

56 ζγινε ιδιαίτερα ςθμαντικι τα επόμενα χρόνια όταν και οι HDD ζγιναν αναγκαίοι και για το ευρφ κοινό και μετά: Internet και PC Όςο προχωροφςαν τα χρόνια απ το 80 και μετά τόςο οι απαιτιςεισ για υψθλότερθ απόδοςθ των ςκλθρϊν δίςκων αυξανόταν. Αρχικά οι ςκλθροί δίςκοι ζγιναν εςωτερικοί(για αρκετά χρόνια κεωροφνταν ωσ περιφερειακά των PC) με τθν ταυτόχρονθ ςμίκρυνςι τουσ από τισ 5,25 ςτισ 3.5. Στα τζλθ του 90 κεωροφνταν πλζον αναπόςπαςτο κομμάτι των PC, κακϊσ απ τθ μία το μζγεκόσ τουσ(και κατ επζκταςθ και το βάροσ τουσ) ιταν αρκοφντωσ μικρό κι ζτςι μπορφςαν να βρίςκονται μζςα ςτισ κεντρικζσ μονάδεσ, κι απ τθν άλλθ θ τιμι τουσ ιταν προςιτι ςτο ευρφ κοινό. Από εκεί και ζπειτα τα PC άρχιςαν να ζχουν τθ ςθμερινι δομι, κακϊσ τα προθγοφμενα χρόνια ακόμα και το λειτουργικό ςφςτθμα γραφόταν ςε διςκζτεσ. Η ζναρξι τουσ, που πριν γινόταν μόνο με τθν διςκζτα λειτουργικοφ ςυςτιματοσ πλζον ιταν πιο αυτοματοποιθμζνθ. To λειτουργικό για κάκε PC βριςκόταν πια ςτον εςωτερικό ςκλθρό δίςκο! Από εκεί και ζπειτα οι απλοί χριςτεσ PC και HDD ιταν αυτοί που «ρφκμιηαν» τισ απαιτιςεισ. Για τθν ϊρα όμωσ θ εξζλιξθ των HDD και ςτουσ 3 τομείσ(μζγεκοσ,ταχφτθτα και χωρθτικότθτα) ιταν αρκετι για τουσ απλοφσ χριςτεσ που βζβαια αυξάνονταν κακϊσ τϊρα πολλοί απλοί χριςτεσ είχαν το δικό τουσ PC. Tο Internet ιταν αυτό που άρχιςε να παίρνει θγετικό ρόλο ςτισ απαιτιςεισ των HDD ςτισ αρχζσ τθσ δεκαετίασ του 2000, κζτοντασ πρωταρχικό ςτόχο τθν υψθλι χωρθτικότθτά τουσ. Ζτςι φτάςαμε ςτο ςθμείο πολλζσ υπθρεςίεσ internet, όπωσ είναι υπθρεςίεσ και site όπωσ το youtube, να προςφζρουν τα τελευταία χρόνια δωρεάν αποκθκευτικό χϊρο(πράγμα αδιανόθτο ςτισ αρχζσ του 90). Αυτό επιτεφχκθκε κακϊσ θ αφξθςθ τθσ χωρθτικότθτασ των HDD είναι εκκετικι απ το 1980 και μετά και υπολογίηεται ότι κα ςυνεχίςει ζτςι: τον πίνακα παρατίκεται ο ρυκμόσ αφξθςθσ τθσ χωρθτικότθτασ των ςκλθρϊν δίςκων 56

57 Απαιτήςεισ ςε ταχφτητα Δεν υπιρχε κάποια ιδιαίτερθ βελτίωςθ ςτθν ταχφτθτα για κάποια χρόνια. Οι πρϊτοι HDD χρθςιμοποιοφςαν βθματικοφσ κινθτιρεσ για τθν περιςτροφι των κεφαλϊν το οποίο ζκανε το χρόνο εφρεςθσ μιασ εγγραφισ να είναι από 80 ζωσ 120 ms. Όμωσ θ χριςθ του πθνίου φωνισ ςτα τζλθ του 80 βελτίωςε ιδιαίτερα τθν ταχφτθτα κάνοντασ το χρόνο εφρεςθσ να είναι περίπου 20ms. Η χριςθ του internet ζκεςε επιπλζον απαιτιςεισ. Το πρϊτο πράγμα που είχαν ανάγκθ οι servers και γενικά οι χριςτεσ που ικελαν μεγάλο αποκθκευτικό χϊρο ιταν θ χωρθτικότθτα, θ οποία ςφντομα ζφερε και τθν ανάγκθ για υψθλι ταχφτθτα επειδι όςο μεγαλφτεροσ είναι ζνασ HDD τόςο δυςκολότερθ και θ διαδικαςία εντοπιςμοφ ενόσ αρχείου του. Η ανάγκθ για υψθλι ταχφτθτα των HDD ζγινε εντονότερθ κακϊσ οι απαιτιςεισ των server να καλφψουν τισ αιτιςεισ όλο και περιςςότερων χρθςτϊν(κακϊσ θ χριςθ του internet διαδιδόταν με γριγορουσ ρυκμοφσ) ολοζνα και αυξάνονταν. 57