Chapter – 2
Einführung von Festplatten
Einführung
In der heutigen Computerwelt haben sich Festplatten als wichtigster Bestandteil eines Computers bewährt. Heutzutage ist die Festplatte das Hauptspeichergerät, das am häufigsten zum Speichern aller Arten von Daten verwendet wird, sowie eine der interessantesten Komponenten des Computers.
Für moderne Computerbenutzer wird es sehr schwierig sein, sich vorzustellen, wie ein Computerleben ohne Festplatten aussehen würde, da die meisten von uns heute Milliarden von Bytes an Informationen auf ihren Computern speichern.
In den allerersten Computern gab es überhaupt keinen Speicher. Jedes Mal, wenn Sie ein Programm ausführen wollten, müssten Sie das Programm manuell eingeben. Darüber hinaus machte es das meiste von dem, was wir heute als Computer betrachten, unmöglich, da es keine einfache Möglichkeit gab, einen Computer immer wieder mit denselben Daten arbeiten zu lassen. Es wurde schnell klar, dass eine Art permanenter Speicher notwendig war, wenn Computer zu wirklich nützlichen Werkzeugen werden sollten.
Das erste Speichermedium, das auf Computern verwendet wurde, war eigentlich Papier. Programme und Daten wurden mit Löchern aufgezeichnet, die in Lochstreifen oder Lochkarten gestanzt wurden. Ein spezielles Lesegerät verwendete einen Lichtstrahl, um die Karten oder das Band zu scannen.Wo ein Loch gefunden wurde, war eine „1“ zu lesen, und wo das Papier den Sensor blockierte, eine „0“ oder umgekehrt.
Obwohl es eine große Verbesserung gegenüber nichts war, waren diese Karten immer noch sehr unbequem zu verwenden. Sie mussten im Grunde das gesamte Programm von Grund auf neu auf Papier schreiben und es in Ihrem Kopf zum Laufen bringen, bevor Sie anfingen, es auf Karten zu bringen, denn wenn Sie einen Fehler machten, mussten Sie viele der Karten neu stanzen. Es war sehr schwer, sich vorzustellen, womit Sie gearbeitet haben.
Der nächste große Fortschritt gegenüber Papier war die Entwicklung von Magnetbändern. Diese Magnetbänder zeichneten Informationen auf ähnliche Weise auf, wie Ton auf einem Band aufgezeichnet wird, und waren viel flexibler, langlebiger und schneller als Papierbänder oder Lochkarten.
Natürlich werden Bänder auch heute noch auf modernen Computern verwendet, jedoch als Form von Offline- oder sekundärem Speicher. Vor Festplatten waren sie der primäre Speicher für einige Computer. Ihr Hauptnachteil besteht darin, dass sie linear gelesen werden müssen; Es kann Minuten dauern, um von einem Ende des Bands zum anderen zu wechseln, was den wahlfreien Zugriff unpraktisch macht.
Nun, um auf unser Thema zurückzukommen. IBM stellte die allererste Festplatte vor, die für die kommerzielle Entwicklung geeignet wäre. Es war nicht wie Festplattenlaufwerke, die heutzutage verwendet werden. Sie verwendeten rotierende zylindrische Trommeln, auf denen die magnetischen Datenmuster gespeichert wurden. Die Trommeln waren groß und schwer zu bearbeiten. Die ersten echten Festplatten hatten die Köpfe der Festplatte in Kontakt mit der Oberfläche der Platte. Dies geschah, damit die damalige Elektronik mit geringer Empfindlichkeit die Magnetfelder auf der Oberfläche der Platte besser lesen konnte, aber die Herstellungstechniken waren zu diesem Zeitpunkt nicht annähernd so ausgereift wie heute, und das war es auch nicht möglich, die Oberfläche der Platte so glatt wie nötig zu machen, damit der Kopf mit hoher Geschwindigkeit glatt über die Oberfläche der Platte gleiten kann, während er damit in Kontakt steht. Im Laufe der Zeit nutzten sich die Köpfe ab oder die magnetische Beschichtung auf der Oberfläche der Disk.
Als entscheidende Entdeckung einer neuen Technologie von IBM, bei der ein Kontakt mit der Oberfläche der Platte nicht erforderlich war, wurde sie zur Grundlage der modernen Festplatten. Die allererste Festplatte dieses Typs war die IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control), die am 13. September 1956 eingeführt wurde. Diese Festplatte konnte fünf Millionen Zeichen speichern, was ungefähr fünf Megabytes bei einer Datenübertragungsrate von 8.800 Bytes entsprach pro Sekunde.
Im Jahr 1962 führte IBM das Modell 1301 Advanced Disk File ein. Der entscheidende Fortschritt dieses Plattenlaufwerks war die Schaffung von Köpfen, die auf einem Luftlager über der Oberfläche der Platte schwebten oder flogen, wobei der Abstand zwischen den Köpfen und der Oberfläche der Platten von 800 auf 250 Mikrozoll verringert wurde. p>
Im Jahr 1973 führte IBM das Plattenlaufwerk Modell 3340 ein, das gemeinhin als der Vater der modernen Festplatte gilt, die zwei separate Spindeln hatte, eine permanente und die andere entfernbar, jede mit einer Kapazität von 30 MB. Das 1979 eingeführte Modell 3370 von IBM war die erste Platte mit Dünnfilmköpfen. Im selben Jahr stellte IBM das Modell 3310 vor, das erste Laufwerk mit 8-Zoll-Platten, das gegenüber den 14-Zoll-Platten, die über ein Jahrzehnt lang der Standard waren, stark verkleinert wurde.
Das erste Festplattenlaufwerk im 5,25-Zoll-Formfaktor, das in den ersten PCs verwendet wurde, war das Seagate ST-506. Es verfügte über vier Köpfe und eine Kapazität von 5 MB. IBM umging das ST-506 und entschied sich für das ST-412- -eine 10-MB-Festplatte im gleichen Formfaktor--für den IBM PC/XT, wodurch es das erste Festplattenlaufwerk ist, das in der PC- und PC-kompatiblen Welt weit verbreitet ist.
Im Jahr 1983 stellte Rodime das RO352 vor, das erste Festplattenlaufwerk im 3,5-Zoll-Formfaktor, der zu einem der wichtigsten Industriestandards wurde. 1985 stellte Quantum die Hardcard vor, eine 10,5-MB-Festplatte, die auf einem ISA montiert war Erweiterungskarte für PCs, die ursprünglich ohne Festplatte gebaut wurden.
1986 führte Conner Peripherals den CP340 ein. Es war das erste Laufwerk, das einen Schwingspulenaktuator verwendete. Im Jahr 1988 stellte Conner Peripherals das CP3022 vor, das das erste 3,5-Zoll-Laufwerk war, das die reduzierte 1-Zoll-Höhe verwendete, die jetzt als "Low Profile" und Standard für moderne 3,5-Zoll-Laufwerke bezeichnet wird. Im selben Jahr führte PrairieTek ein Laufwerk mit 2,5-Zoll ein. Platten. 1990 stellte IBM das Modell 681 (Redwing) vor, ein 857-MB-Laufwerk. Es war das erste, das MR-Köpfe und PRML verwendete.
Das Mainframe-Laufwerk „Pacifica“ von IBM, das 1991 eingeführt wurde, ist das erste, das Oxidmedien durch Dünnschichtmedien auf der Plattenoberfläche ersetzt. Im selben Jahr ist die 1820 von Integral Peripherals die erste Festplatte mit 1,8-Zoll-Platten, die später für PC-Card-Laufwerke verwendet wurde. Im Jahr 1992 stellte Hewlett Packard C3013A vor, das erste 1,3-Zoll-Laufwerk.
Es gab eine Reihe von Entwicklungen in der Geschichte der Festplatten, um den heutigen Festplatten das aktuelle Design, die Leistungsfähigkeit und die Kapazitäten zu verleihen. Diese sind in diesem Buch nur schwer im Detail aufzuzählen.
Komponenten der Festplatte
Eine Festplatte enthält folgende Hauptkomponenten:
- Platten und Medien
- Lese-/Schreibköpfe
- Kopfgleiter, Arme und Aktuator
- Festplattenspindelmotor
- Anschlüsse und Jumper
- Logikplatine
- Cache und Cache-Schaltung
Komponenten der Festplatte
Plattenteller und Medien
Jede Festplatte verwendet eine oder mehrere (in der Regel mehr als eine) Runde, flache Scheiben, sogenannte Platten, auf beiden Seiten mit einem speziellen Medienmaterial beschichtet, das Informationen in Form von Magnetmustern speichert. Jede Oberfläche jeder Platte auf der Festplatte kann Milliarden von Datenbits aufnehmen.
Platten bestehen aus zwei Hauptmaterialien, einem Substratmaterial, das den Großteil der Platte bildet und ihr Struktur und Steifigkeit verleiht, und einer magnetischen Medienbeschichtung, die tatsächlich die magnetischen Impulse hält, die die Daten darstellen.
Die Qualität der Platten und insbesondere ihre Medienbeschichtung ist entscheidend. Die Größe der Platten in der Festplatte ist die primäre Determinante ihrer physikalischen Gesamtabmessungen, allgemein auch Formfaktor des Laufwerks genannt; Die meisten Laufwerke werden in einem der verschiedenen Standard-Festplattenformfaktoren hergestellt.
Manchmal werden Festplatten durch eine Größenangabe bezeichnet. Wenn jemand eine 3,5-Zoll-Festplatte hat, bezieht sich dies normalerweise auf den Formfaktor der Festplatte, und normalerweise wird der Formfaktor basierend auf der Plattengröße benannt. Die früheren Festplatten hatten eine Nenngröße von 5,25 Zoll, aber heutzutage ist die üblichste Plattengröße für Festplatten 3,5 Zoll.
Laptop-Laufwerke sind aufgrund der erwarteten geringen Größe und des geringeren Gewichts normalerweise kleiner. Die Platten auf diesen Laufwerken haben normalerweise einen Durchmesser von 2,5 Zoll oder weniger; 2,5 Zoll ist der Standardformfaktor, aber Laufwerke mit 1,8 Zoll und sogar 1,0 Zoll Platten werden in mobilen Geräten immer häufiger verwendet.
Obwohl Laufwerke die Platten so weit wie möglich auf die Breite des physischen Laufwerkspakets ausdehnen, um die Menge an Speicherplatz zu maximieren, die sie in das Laufwerk packen können, geht der Trend insgesamt zu kleineren Platten. Es gibt die Hauptgründe, warum Unternehmen selbst bei Desktop-Geräten auf kleinere Platten umsteigen:
Die starren und steifen Platten sind widerstandsfähiger gegen Stöße und Vibrationen und eignen sich besser für die Verbindung mit Hochgeschwindigkeitsspindeln und anderer Hochleistungshardware. Die Verringerung des Durchmessers des Festplattentellers um den Faktor zwei vervierfacht seine Steifigkeit in etwa.
Die reduzierte Größe der Platten verringert den Abstand, um den der Kopfaktuator die Köpfe von Seite zu Seite bewegen muss, um Zufallssuchen durchzuführen. Dies verbessert die Suchzeit und beschleunigt zufällige Lese- und Schreibvorgänge.
Die neuesten Festplattenspindeln werden aus Leistungsgründen immer schneller. Kleinere Platten lassen sich leichter drehen und erfordern weniger leistungsstarke Motoren sowie ein schnelleres Hochdrehen aus einer gestoppten Position.
Die kleinste heute verfügbare Plattengröße für Festplatten hat einen Durchmesser von 1 Zoll. Das erstaunliche Micro-Laufwerk von IBM hat eine einzige Platte und ist so konzipiert, dass es in Digitalkameras, persönliche Organizer und andere kleine Geräte passt. Die geringe Größe der Platten ermöglicht die Mikrolaufwerk, um den Akku zu entlasten, herunterzufahren und in weniger als einer Sekunde wieder hochzufahren.
Aus technischer Sicht bedeuten mehr Platten auch mehr Masse und damit eine langsamere Reaktion auf Befehle zum Starten oder Stoppen des Laufwerks. Es kann mit einem stärkeren Spindelmotor kompensiert werden, aber das führt zu anderen Kompromissen.
Tatsächlich geht der Trend in letzter Zeit zu Laufwerken mit weniger Kopfarmen und Platten, nicht mehr. Die Flächendichte nimmt weiter zu, was die Erstellung großer Laufwerke ohne Verwendung vieler Platten ermöglicht. Dies ermöglicht es Herstellern, die Plattenanzahl zu reduzieren, um die Suchzeit zu verbessern, ohne Laufwerke zu entwickeln, die für den Markt zu klein sind.
Der Formfaktor der Festplatte hat auch einen großen Einfluss auf die Anzahl der Platten in einem Laufwerk. Es gibt mehrere Faktoren, die mit der Anzahl der auf der Festplatte verwendeten Platten zusammenhängen. Laufwerke mit vielen Platten sind aufgrund der erhöhten Masse der Spindeleinheit, der Notwendigkeit, alle Laufwerke perfekt auszurichten, und der größeren Schwierigkeit, Geräusche und Vibrationen unter Kontrolle zu halten, schwieriger zu konstruieren.
Selbst damals, obwohl Festplatteningenieure viele Platten in ein bestimmtes Modell einbauen wollten, ist der standardmäßige "Slimline"-Festplattenformfaktor auf 1 Zoll Höhe begrenzt, was die Anzahl der Platten begrenzt, die in einem Modell untergebracht werden können Einheit. Natürlich arbeiten Ingenieure ständig daran, den erforderlichen Abstand zwischen den Platten zu verringern, damit sie die Anzahl der Platten in Laufwerken einer bestimmten Höhe erhöhen können.
Die magnetischen Muster, aus denen Ihre Daten bestehen, werden in einer sehr dünnen Medienschicht auf den Oberflächen der Platten der Festplatte aufgezeichnet; Der Großteil des Plattenmaterials wird als Substrat bezeichnet und trägt lediglich die Medienschicht. Um geeignet zu sein, muss ein Substratmaterial starr, einfach zu bearbeiten, leicht, stabil, magnetisch inert, kostengünstig und leicht verfügbar sein. Das am häufigsten verwendete Material zur Herstellung von Platten war traditionell eine Aluminiumlegierung, die all diese Kriterien erfüllt.
Aufgrund der Art und Weise, wie sich die Platten drehen, während die Lese-/Schreibköpfe direkt darüber schweben, müssen die Platten extrem glatt und flach sein, daher wurden Alternativen zu Aluminium wie Glas, Glasverbundwerkstoffe und Magnesiumlegierungen vorgeschlagen. Es sieht jetzt immer wahrscheinlicher aus, dass Glas und aus Glas hergestellte Verbundwerkstoffe der nächste Standard für Plattensubstrate sein werden. Im Vergleich zu Aluminiumplatten haben Glasplatten mehrere Vorteile:
- Bessere Qualität:
- Verbesserte Steifigkeit:
- Dünnere Platten:
- Thermische Stabilität:
Ein Nachteil von Glas im Vergleich zu Aluminium ist die Zerbrechlichkeit, insbesondere wenn es sehr dünn ist.
Das Substratmaterial, aus dem die Platten bestehen, bildet die Basis, auf der die eigentlichen Aufzeichnungsmedien aufgebracht werden. Die Medienschicht ist eine sehr dünne Beschichtung aus magnetischem Material, in der die eigentlichen Daten gespeichert sind. Es ist normalerweise nur wenige Millionstel Zoll dick.
Ältere Festplatten verwendeten Oxidmedien. Oxidmedien sind kostengünstig in der Anwendung, haben aber auch einige wichtige Nachteile. Das erste ist, dass es ein weiches Material ist und durch Kontakt mit einem Lese-/Schreibkopf leicht beschädigt werden kann. Der zweite ist, dass es nur für Speicher mit relativ geringer Dichte nützlich ist. Bei älteren Festplatten mit relativ geringer Datendichte funktionierte es gut, aber als die Hersteller immer mehr Daten in denselben Raum packen wollten, war Oxid dieser Aufgabe nicht gewachsen: Die Oxidpartikel wurden zu groß für die kleinen Magnetfelder neuerer Designs .
Die heutigen Festplatten verwenden Dünnschichtmedien. Dünnschichtmedien bestehen aus einer sehr dünnen Schicht aus magnetischem Material, das auf die Oberfläche der Platten aufgebracht wird. Spezielle Herstellungstechniken werden verwendet, um das Medienmaterial auf den Platten abzulegen.
Im Vergleich zu Oxidmedien sind Dünnfilmmedien viel gleichmäßiger und glatter. Es hat auch sehr überlegene magnetische Eigenschaften, die es ihm ermöglichen, viel mehr Daten auf der gleichen Fläche zu speichern. Nach dem Aufbringen der magnetischen Medien wird die Oberfläche jeder Platte normalerweise mit einer dünnen Schutzschicht aus Kohlenstoff bedeckt. Darüber kommt eine hauchdünne Gleitschicht. Diese Materialien werden verwendet, um die Festplatte vor Schäden durch versehentlichen Kontakt mit den Köpfen oder anderen Fremdkörpern zu schützen, die in das Laufwerk gelangen könnten.
Lese-/Schreibköpfe
Die Köpfe sind die Lese-/Schreibschnittstelle zu den magnetischen physischen Medien, auf denen die Daten auf einer Festplatte gespeichert sind. Die Köpfe wandeln Bits in magnetische Impulse um und speichern sie auf den Platten und kehren den Prozess dann um, wenn die Daten zurückgelesen werden müssen. Köpfe sind einer der teureren Teile der Festplatte, damit die Flächendichte und die Drehgeschwindigkeit der Festplatte erhöht werden können.
Obwohl GMR-Köpfe bei heutigen Festplatten am beliebtesten sind, wurden mehrere Technologien für Lese-/Schreibköpfe mehrfach vorgeschlagen:
- Ferritköpfe
- Metal-In-Gap (MIG)-Köpfe
- Dünnschichtköpfe (TF)
- Anisotrope magnetoresistive (AMR/MR) Köpfe
- Riesenmagnetoresistive (GMR) Köpfe
- Kolossale magnetoresistive (CMR) Köpfe
Lese-/Schreibköpfe sind eine äußerst kritische Komponente bei der Bestimmung der Gesamtleistung der Festplatte, da sie eine so wichtige Rolle beim Speichern und Abrufen von Daten spielen. Neue Kopftechnologien sind oft der Auslöser für die Erhöhung der Geschwindigkeit und Größe moderner Festplatten, daher sind Lese-/Schreibköpfe der anspruchsvollste Teil der Festplatte, die selbst ein technologisches Wunderwerk ist.
Jedes zu speichernde Datenbit wird mit einem speziellen Codierungsverfahren auf der Festplatte aufgezeichnet, das Nullen und Einsen in Muster von Magnetflussumkehrungen übersetzt. Jede Festplattenplatte hat zwei Oberflächen, die verwendet werden, um die Daten im Allgemeinen zu speichern, und es gibt normalerweise einen Kopf für jede Oberfläche, die auf dem Laufwerk verwendet wird. Da die meisten Festplatten ein bis vier Platten haben, haben die meisten Festplatten zwischen zwei und acht Köpfe. Einige größere Laufwerke können 20 Köpfe oder mehr haben. Es kann immer nur ein Kopf von der Festplatte lesen oder darauf schreiben. Spezielle Schaltungen werden verwendet, um zu steuern, welcher Kopf zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv ist.
Der Kopf schwebt über der Oberfläche der Platte und erledigt seine gesamte Arbeit, ohne die Platten jemals physisch zu berühren. Der Abstand zwischen den Köpfen und den Platten wird als Schwebehöhe oder Flughöhe oder Kopflücke bezeichnet. Die Lese-/Schreibkopfbaugruppen sind unter Verwendung des Federstahls der Kopfarme federbelastet, was bewirkt, dass die Schieber gegen die Platten drücken, wenn die Platte stationär ist.
Dies geschieht, um sicherzustellen, dass die Köpfe nicht von den Platten wegdriften, daher ist die Aufrechterhaltung einer genauen Schwebehöhe für einen korrekten Betrieb unerlässlich. Wenn sich die Platte auf Betriebsgeschwindigkeit dreht, bewirkt die hohe Geschwindigkeit, dass Luft unter die Schieber strömt und sie von der Oberfläche der Platte abhebt. Der Abstand von den Platten zu den Köpfen ist ein spezifischer Designparameter, der von den Herstellern streng kontrolliert wird.
Eine moderne Festplatte hat eine Schwebehöhe von 0,5 Mikrozoll und sogar menschliches Haar hat eine Dicke von über 2.000 Mikrozoll, deshalb ist es so wichtig, Schmutz von der Festplatte fernzuhalten. Es ist eigentlich schon erstaunlich, wie nah die Köpfe an der Oberfläche der Scheiben vorbeifliegen, ohne sich zu berühren. Staubpartikel, Fingerabdrücke und sogar Rauchpartikel sind ein großes Problem für den Kopf einer Festplatte.
Lese-Schreib-Struktur der Festplatte
Wenn die Flächendichte eines Laufwerks erhöht wird, um Kapazität und Leistung zu verbessern, werden die Magnetfelder kleiner und schwächer. Um dies zu kompensieren, müssen entweder die Köpfe empfindlicher gemacht oder die Schwebehöhe verringert werden.
Jedes Mal, wenn die Schwebehöhe verringert wird, müssen die mechanischen Aspekte der Platte angepasst werden, um sicherzustellen, dass die Platten flacher sind, die Ausrichtung der Plattenbaugruppe und der Lese-/Schreibköpfe perfekt ist und kein Staub oder Staub vorhanden ist Schmutz auf der Plattenoberfläche. Vibrationen und Erschütterungen werden ebenfalls zu einem größeren Problem und müssen kompensiert werden.
Dies ist einer der Gründe, warum sich Hersteller kleineren Platten sowie der Verwendung von Glasplattensubstraten zuwenden. Neuere Köpfe wie GMR werden bevorzugt, da sie bei sonst gleichen Bedingungen eine höhere Flughöhe ermöglichen als ältere, weniger empfindliche Köpfe.
Head-Crash
Da die Lese-/Schreibköpfe einer Festplatte auf einer mikroskopisch kleinen Luftschicht über den Plattentellern selbst schweben, ist es möglich, dass die Köpfe unter Umständen mit den Medien auf der Festplatte in Kontakt kommen. Normalerweise berühren die Köpfe die Oberfläche nur, wenn der Antrieb entweder startet oder stoppt.
Eine moderne Festplatte dreht sich 100 Mal pro Sekunde um. Wenn die Köpfe die Oberfläche der Platte berühren, während sie mit Betriebsgeschwindigkeit läuft, kann das Ergebnis ein Datenverlust, eine Beschädigung der Köpfe, eine Beschädigung der Oberfläche der Platte oder alle drei sein. Dies wird normalerweise als Head Crash bezeichnet, zwei der beängstigendsten Worte für jeden Computerbenutzer. Die häufigsten Ursachen für Kopfabstürze sind Verschmutzungen, die sich in dem dünnen Spalt zwischen Kopf und Festplatte festsetzen, und Erschütterungen, die während des Betriebs auf die Festplatte einwirken.
Kopf parken
Wenn sich die Platten nicht drehen, ruhen die Köpfe auf der Oberfläche der Platte. Wenn sich die Platten drehen, reiben die Köpfe an der Oberfläche der Platten, bis eine ausreichende Geschwindigkeit erreicht ist, um abzuheben und auf ihrem Luftkissen zu schweben. Wenn das Laufwerk heruntergefahren wird, wird der Vorgang in umgekehrter Reihenfolge wiederholt. In beiden Fällen berühren die Köpfe während der Bewegung für eine gewisse Zeit die Oberfläche der Platte.
Obwohl die Platten und Köpfe mit dem Wissen entworfen wurden, dass dieser Kontakt auftreten wird, ist es dennoch sinnvoll, dies über einem Bereich der Festplatte zu vermeiden, in dem sich Daten befinden.
Aus diesem Grund räumen die meisten Disketten eine spezielle Spur ein, auf der die Köpfe für Starts und Landungen platziert werden. Dieser Bereich wird Landezone genannt, und dort werden keine Daten platziert. Der Vorgang des Bewegens der Köpfe zu diesem bestimmten Bereich wird als Kopfparken bezeichnet.
Fast alle neuen Betriebssysteme haben eine eingebaute Funktion, um den Kopf automatisch zu parken, wenn es nötig ist. Die meisten frühen Festplatten, die Schrittmotoren verwendeten, parkten die Köpfe des Laufwerks nicht automatisch, daher wurden als Sicherheitsvorkehrung viele kleine Dienstprogramme geschrieben, die der Benutzer ausführen würde, bevor er den damaligen PC herunterfuhr. Das Dienstprogramm würde die Festplatte anweisen, die Köpfe in die Landezone zu bewegen, und dann könnte der PC sicher heruntergefahren werden.
Ein Parameter im BIOS-Setup für die Festplatte teilt dem System mit, welche Spur die Landezone für das bestimmte Festplattenmodell war. Normalerweise war es die Spur mit der nächsten fortlaufenden Nummer über der Spur mit der größten Nummer, die tatsächlich für Daten verwendet wurde. Moderne schwingspulengesteuerte Festplattenlaufwerke sind alle automatisch parkend. Es ist jetzt nicht mehr notwendig, die Köpfe moderner Festplatten manuell zu parken.
Kopfgleiter, Arme und Aktuator
Wenn auf die Festplattenplatten für Lese- und Schreiboperationen unter Verwendung der Lese-/Schreibköpfe zugegriffen wird, die auf der Ober- und Unterseite jeder Platte montiert sind, schweben die Lese-/Schreibköpfe offensichtlich nicht einfach im Raum. Sie müssen relativ zu den zu lesenden Oberflächen in einer exakten Position gehalten werden und außerdem müssen sie von Spur zu Spur bewegt werden, um den Zugriff auf die gesamte Oberfläche der Platte zu ermöglichen.
Die Köpfe sind auf einer Struktur montiert, die diesen Prozess erleichtert, der oft als Kopfbaugruppe oder Aktuatorbaugruppe oder Kopf-Aktuatorbaugruppe bezeichnet wird. Es besteht aus mehreren verschiedenen Teilen. Die Köpfe selbst sind auf Kopfgleitern montiert. Die Gleiter sind an den Enden der Kopfarme über der Oberfläche der Platte aufgehängt. Die Kopfarme sind alle mechanisch zu einer einzigen Struktur verschmolzen, die durch den Aktuator um die Oberfläche der Platte bewegt wird.
Kopfgleiter
Jeder Festplattenkopf ist an einem speziellen Gerät montiert, das Headslider oder kurz Slider genannt wird. Die Funktion des Schiebers besteht darin, den Kopf physikalisch zu stützen und ihn in der richtigen Position relativ zum Plattenteller zu halten, während der Kopf über seiner Oberfläche schwebt. Festplatten-Lese-/Schreibköpfe sind zu klein, um verwendet zu werden, ohne sie an eine größere Einheit anzuschließen.
Schieber erhalten eine spezielle Form, damit sie präzise über die Platte gleiten. So wie die Schreib-/Leseköpfe von Festplatten kleiner geworden sind, so sind auch die Schieber, die sie tragen, geschrumpft. Der Hauptvorteil der Verwendung kleiner Schieber besteht darin, dass das Gewicht reduziert wird, das um die Oberfläche der Platten gezogen werden muss, wodurch sowohl die Positioniergeschwindigkeit als auch die Genauigkeit verbessert werden. Kleinere Gleiter haben auch weniger Oberfläche, um möglicherweise mit der Oberfläche der Platte in Kontakt zu kommen. Jeder Schieber ist auf einem Kopfarm montiert, damit er über die Oberfläche des Plattentellers bewegt werden kann, mit dem er verbunden ist.
Kopf Arme
Die Kopfarme sind dünne Metallstücke, normalerweise dreieckig, auf denen die Kopfgleiter montiert sind, die die Lese-/Schreibköpfe tragen. Es gibt einen Arm pro Lese-/Schreibkopf, und alle sind aufgereiht und am Kopfbetätiger montiert, um eine einzelne Einheit zu bilden.
Das bedeutet, dass sich bei einer Bewegung des Aktuators alle Köpfe gleichzeitig synchron bewegen. Die Arme selbst bestehen aus einem leichten, dünnen Material, damit sie schnell von den inneren zu den äußeren Teilen des Laufwerks bewegt werden können. Neuere Designs haben feste Arme durch strukturelle Formen ersetzt, um das Gewicht zu reduzieren und die Leistung zu verbessern.
Neuere Laufwerke erreichen schnellere Suchzeiten teilweise durch die Verwendung schnellerer und intelligenterer Aktuatoren und leichterer, steiferer Kopfarme, wodurch die Zeit zum Wechseln zwischen Spuren reduziert werden kann. Ein neuer Trend in der Festplattenindustrie war die Reduzierung der Plattenanzahl in verschiedenen Laufwerksfamilien. Sogar einige Flaggschiff-Laufwerke in verschiedenen Familien haben jetzt nur noch drei oder sogar zwei Platten, während vier oder fünf vor etwa einem Jahr üblich waren.
Ein Grund für diesen Trend ist, dass eine große Anzahl von Kopfarmen es schwierig macht, das Laufwerk mit ausreichend hoher Präzision herzustellen, um eine sehr schnelle Positionierung bei zufälligen Suchvorgängen zu ermöglichen. Dies ist auf das erhöhte Gewicht in der Aktuatorbaugruppe durch die zusätzlichen Arme und auch auf Probleme beim Ausrichten aller Köpfe zurückzuführen.
Kopfbetätiger
Der Aktuator ist ein sehr wichtiger Teil der Festplatte, da der Wechsel von Spur zu Spur die einzige Operation auf der Festplatte ist, die eine aktive Bewegung erfordert. Das Wechseln der Köpfe ist eine elektronische Funktion, und beim Wechseln der Sektoren muss man darauf warten, dass sich die richtige Sektornummer dreht und unter den Kopf kommt. Das Wechseln der Spuren bedeutet, dass die Köpfe verschoben werden müssen, und daher ist es von größter Bedeutung, sicherzustellen, dass diese Bewegung schnell und genau ausgeführt werden kann.
Der Aktuator ist das Gerät, das verwendet wird, um die Kopfarme auf verschiedenen Spuren auf der Oberfläche des Plattentellers an verschiedenen Zylindern zu positionieren, da alle Kopfarme als eine synchrone Einheit bewegt werden, sodass sich jeder Arm auf die gleiche Spurnummer seines jeweiligen bewegt Oberfläche. Kopfaktuatoren gibt es in zwei allgemeinen Varianten:
- Schrittmotoren
- Schwingspulen
Der Hauptunterschied zwischen den beiden Konstruktionen besteht darin, dass der Schrittmotor ein absolutes Positionierungssystem ist, während die Schwingspule ein relatives Positionierungssystem ist.
Alle modernen Festplatten verwenden Schwingspulenaktoren. Der Schwingspulenaktuator ist nicht nur wesentlich anpassungsfähiger und unempfindlicher gegenüber thermischen Problemen. Es ist viel schneller und zuverlässiger als ein Schrittmotor. Die Positionierung des Aktuators ist dynamisch und basiert auf einer Rückmeldung aus der Untersuchung der tatsächlichen Position der Gleise. Dieses Rückkopplungssystem mit geschlossenem Regelkreis wird manchmal auch als Servomotor oder Servopositionierungssystem bezeichnet und wird üblicherweise in Tausenden von verschiedenen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine präzise Positionierung wichtig ist.
Spindelmotor
Der Spindelmotor oder die Spindelwelle ist dafür verantwortlich, die Festplattenplatten zu drehen, damit die Festplatte betrieben werden kann. Ein Spindelmotor muss eine stabile, zuverlässige und konsistente Drehkraft für Tausende von Stunden oft ununterbrochener Verwendung bieten, damit die Festplatte ordnungsgemäß funktioniert, da viele Laufwerksausfälle tatsächlich Ausfälle des Spindelmotors und nicht der Datenspeichersysteme sind.
Der Spindelmotor einer Festplatte muss die folgenden Eigenschaften haben, um lange zu leben und Ihre Daten lange sicher aufzubewahren:
- Es muss von hoher Qualität sein, damit es Tausende von Stunden laufen und Tausende von Start- und Stoppzyklen ohne Fehler überstehen kann.
- Aufgrund der engen Toleranzen der Platten und Köpfe im Inneren des Laufwerks muss es reibungslos und mit minimalen Vibrationen laufen.
- Es darf keine übermäßige Hitze oder Lärm erzeugen.
- Es sollte nicht zu viel Strom ziehen.
- Die Geschwindigkeit muss so gesteuert werden, dass sie mit der richtigen Geschwindigkeit dreht.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, verwenden alle PC-Festplatten servogesteuerte DC-Spindelmotoren. Festplatten-Spindelmotoren sind für den direkten Anschluss konfiguriert. Es gibt keine Riemen oder Zahnräder, die verwendet werden, um sie mit der Plattentellerspindel der Festplatte zu verbinden. Die Spindel, auf der die Platten montiert sind, ist direkt an der Welle des Motors befestigt.
Die Platten werden mit einem Loch in der exakten Größe der Spindel bearbeitet und mit Trennringen dazwischen auf die Spindel gesetzt, um den richtigen Abstand einzuhalten und Platz für die Kopfarme zu schaffen. Wie viel Arbeit der Spindelmotor verrichten muss, hängt von folgenden Faktoren ab:
Die Größe und Anzahl der Platten: Größere Platten und mehr Platten in einem Laufwerk bedeuten mehr Masse für den Motor zum Drehen, daher sind leistungsstärkere Motoren erforderlich. Dasselbe gilt für schnellere Laufwerke.
o Energieverwaltung:Heutzutage wünschen sich Benutzer zunehmend Festplatten, die schnell von einer gestoppten Position auf Betriebsgeschwindigkeit hochfahren, was auch schnellere oder leistungsstärkere Motoren erfordert.
Da bei neueren Festplatten die Spindelgeschwindigkeit ein wichtiges Thema sein soll, ist sie auch bei den Festplatten zu einem wichtigen Punkt geworden, um die Menge an Lärm, Wärme und Vibrationen zu kontrollieren, die von den Festplatten aufgrund der hohen Spindelgeschwindigkeit erzeugt werden.
Einige neuere Laufwerke, insbesondere Modelle mit 7200 und 10.000 U/min, können im Betrieb viel Lärm machen. Wenn möglich, ist es eine gute Idee, eine Festplatte vor dem Kauf in Betrieb zu nehmen, ihren Geräuschpegel zu beurteilen und zu sehen, ob sie Sie stört; das ist individuell sehr unterschiedlich. Auch in der gleichen Familie variiert die Geräuschentwicklung je nach Antrieb teilweise. Die vom Spindelmotor erzeugte Wärme kann schließlich zu Schäden an der Festplatte führen, weshalb neuere Laufwerke und neuere Festplatten ihrer Kühlung mehr Aufmerksamkeit schenken.
Steckverbinder und Jumper
Es gibt mehrere verschiedene Anschlüsse und Jumper in einer Festplatte, die verwendet werden, um die Festplatte zu konfigurieren und sie mit dem Rest des Systems zu verbinden. Die Anzahl und Art der Anschlüsse an der Festplatte hängt von der Datenschnittstelle ab, über die sie mit dem System verbunden ist, dem Hersteller des Laufwerks und eventuell vorhandenen Besonderheiten des Laufwerks.
Anweisungen zum Setzen gemeinsamer Jumper sind normalerweise direkt auf dem Laufwerk aufgedruckt. Festplattenlaufwerke verwenden einen standardmäßigen 4-Pin-Stecker, der einen der vom Netzteil kommenden Stromanschlüsse aufnimmt. Dieser 4-adrige Kunststoffstecker liefert +5 und +12 Spannung an die Festplatte.
Es gibt zwei Arten von Schnittstellen, von denen normalerweise moderne Festplatten eine davon verwenden:
- IDE/ATA: Hat einen rechteckigen 40-Pin-Anschluss.
- SCSI: Ein 50-poliger, 68-poliger oder 80-poliger D-förmiger Anschluss. Alle diese drei Pin-Nummern stellen einen anderen Typ von SCSI-Festplatte dar, wie zum Beispiel:
- Ein 50-Pin-Anschluss bedeutet, dass das Gerät Narrow SCSI ist.
- 68 Pins bedeutet Wide SCSI.
- 80 Pins bedeuten Wide SCSI mit Single Connector Attachment (SCA).
Steckverbinder und Jumper
Die Anschlüsse an Festplattenlaufwerken haben im Allgemeinen die Form eines 2xN rechteckigen Stiftrasters (wobei N je nach Schnittstelle 20, 25, 34 oder 40 ist). Die meisten aktuellen SCSI-Schnittstellenanschlüsse sind kodiert, um ein falsches Einstecken zu verhindern, da sie D-förmig sind, dies ist bei anderen Schnittstellen nicht immer der Fall.
Aus diesem Grund ist es wichtig sicherzustellen, dass das Kabel richtig ausgerichtet ist, bevor Sie es einstecken. Das Kabel hat einen roten Streifen, um Ader 1 anzuzeigen, und die Festplatte verwendet Markierungen in der einen oder anderen Form, um dies anzuzeigen passende Pin 1.
IDE/ATA-Festplatten sind ziemlich Standard in Bezug auf Jumper. Normalerweise gibt es nur wenige Jumper-Einstellungen, die sich von Laufwerk zu Laufwerk nicht stark unterscheiden. Hier sind die Jumper-Einstellungen, die Sie normalerweise auf einer Festplatte finden:
Laufwerksauswahl: Es können zwei Laufwerke, Master und Slave, auf demselben IDE-Kanal vorhanden sein. Ein Jumper wird normalerweise verwendet, um jedem Laufwerk mitzuteilen, ob es als Master oder Slave auf dem IDE-Kanal fungieren soll.
Für ein einzelnes Laufwerk auf einem Kanal weisen die meisten Hersteller an, dass das Laufwerk als Master gejumpt wird, während einige Hersteller, insbesondere Western Digital, eine separate Einstellung für ein einzelnes Laufwerk haben, im Gegensatz zu einem Master auf einem Kanal mit einem Slave. Die Begriffe Master und Slave sind irreführend, da die Antriebe eigentlich in keinem betrieblichen Zusammenhang stehen.
Sklave vorhanden: Einige Laufwerke haben einen zusätzlichen Jumper, der verwendet wird, um einem als Master konfigurierten Laufwerk mitzuteilen, dass es auch ein Slave-Laufwerk auf dem ATA-Kanal gibt. Dies ist nur für einige ältere Laufwerke erforderlich, die keine standardmäßige Master/Slave-IDE-Kanalsignalisierung unterstützen.
Kabelauswahl: Einige Konfigurationen verwenden ein spezielles Kabel, um zu bestimmen, welches Laufwerk Master und welches Slave ist, und wenn dieses System verwendet wird, ist normalerweise ein Kabelauswahl-Jumper aktiviert.
Pullover mit Größenbeschränkung: Einige größere Festplatten funktionieren nicht richtig in älteren Computern, die nicht über ein BIOS-Programm oder Unterstützung für große Festplatten verfügen und sie erkennen. Um dies zu umgehen, haben einige Laufwerke spezielle Jumper, die, wenn sie gesetzt sind, dazu führen, dass sie aus Kompatibilitätsgründen im BIOS kleiner erscheinen, als sie es wirklich sind.
Zum Beispiel, Einige 2,5-GB-Festplatten haben einen Jumper, der bewirkt, dass sie für ein System, das nichts über 2,1 GB unterstützt, als 2,1-GB-Festplatte angezeigt werden. Diese werden manchmal auch als Kapazitätsbegrenzungs-Jumper bezeichnet und sind von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich.
Beispiel für die Jumper-Einstellung eines Festplattenmodells von Seagate Technology
SCSI-Festplatten haben ausgefeiltere Controller als IDE/ATA-Festplatten, daher haben SCSI-Festplatten normalerweise viel mehr Jumper, die gesetzt werden können, um ihren Betrieb zu steuern. Sie neigen auch dazu, von Hersteller zu Hersteller und von Modell zu Modell in der Anzahl und Art der Jumper, die sie haben, viel mehr zu variieren.
In der Regel sind die folgenden die gebräuchlichsten und wichtigsten Jumper für SCSI-Laufwerke:
SCSI-Geräte-ID: Jedes Gerät an einem SCSI-Bus muss für Adressierungszwecke eindeutig identifiziert werden. Narrow SCSI-Laufwerke haben einen Satz von drei Jumpern, die verwendet werden können, um der Festplatte eine ID-Nummer von 0 bis 7 zuzuweisen. Wide SCSI-Laufwerke haben vier Jumper, um ID-Nummern von 0 bis 15 zu aktivieren. Einige Systeme verwenden dafür keine Jumper SCSI-Geräte-IDs konfigurieren.
Jumper für SCSI-Laufwerke
Kündigung aktivieren: Die Geräte an den Enden des SCSI-Busses müssen den Bus terminieren, damit er ordnungsgemäß funktioniert. Wenn sich die Festplatte am Ende des Busses befindet, bewirkt das Setzen dieses Jumpers, dass der Bus für einen ordnungsgemäßen Betrieb abgeschlossen wird. Nicht alle Laufwerke unterstützen Terminierung.
Autostart deaktivieren: Falls vorhanden, weist dieser Jumper das Laufwerk an, nicht automatisch hochzufahren, wenn es mit Strom versorgt wird, sondern stattdessen auf einen Startbefehl über den SCSI-Bus zu warten. Dies geschieht normalerweise, um eine übermäßige Startbelastung der Stromversorgung zu verhindern. Einige Hersteller kehren den Sinn dieses Jumpers um; Sie deaktivieren standardmäßig den Start und bieten einen Jumper zum Aktivieren des Autostarts.
Autostart verzögern: Dieser Jumper weist das Laufwerk an, automatisch zu starten, aber nach dem Einschalten eine vordefinierte Anzahl von Sekunden zu warten. Es wird auch verwendet, um die Motoranlauflast bei Systemen mit vielen Laufwerken auszugleichen.
Stagger-Spin: Wenn bei einem System mit vielen Festplatten diese Option für jede Einheit eingestellt ist, verschieben die Laufwerke ihre Startzeit, indem sie eine benutzerdefinierte Konstante mit ihrer SCSI-Geräte-ID multiplizieren. Dadurch wird sichergestellt, dass nicht zwei Laufwerke auf demselben SCSI-Kanal gleichzeitig gestartet werden.
Schmal oder breit: Einige Laufwerke haben einen Jumper, um zu steuern, ob sie im Narrow- oder Wide-Modus funktionieren.
Stärke SE: Damit können Ultra2-, Wide Ultra2-, Ultra160-, Ultra160+- oder andere LVD-SCSI-Laufwerke gezwungen werden, Single-Ended (SE)-Betrieb anstelle von LVD (Low Voltage Differential) zu verwenden.
Parität deaktivieren: Deaktiviert die Paritätsprüfung auf dem SCSI-Bus, um die Kompatibilität mit Hostadaptern zu gewährleisten, die diese Funktionen nicht unterstützen.
Das ist noch nicht alles. Viele SCSI-Laufwerke verfügen über einige zusätzliche Sonderfunktionen, die durch weitere Jumper aktiviert werden. Einige Laufwerke haben einige ihrer Jumper durch Softwarebefehle ersetzt, die über die SCSI-Schnittstelle gesendet werden.
Logikplatine
Die neueren Festplattenlaufwerke wurden mit vielen Funktionen und höherer Geschwindigkeit eingeführt, und die Entwicklung ist noch im Gange. Um all diese Funktionen zu steuern und die Hochleistungsmerkmale der Festplatte in fortschrittlicher Weise bereitzustellen, wie sie erwartet werden, sind alle modernen Festplatten mit einer intelligenten Platine ausgestattet, die in die Festplatteneinheit integriert ist. Diese Platine wird Hard Disk Logic Board genannt. Ein Logic Board verwendet die folgenden wichtigen Komponenten, um einer Festplatte eine Vielzahl von Funktionen und Merkmalen bereitzustellen:
- Steuerschaltung
- Erfassungs-, Verstärkungs- und Umwandlungsschaltkreise
- Schnittstellenhardware
- Firmware
- Mehrere Befehlssteuerung und Neuordnung
Beide der beiden heute gebräuchlichsten Schnittstellen für PC-Festplatten IDE (Integrated Drive Electronics) und SCSI (Small Computer Systems Interface) verwenden integrierte Controller. Der korrektere Name für die IDE-Schnittstelle ist AT Attachment oder ATA (Advanced Technology Attachment). Die modernen Festplatten haben eine sehr ausgeklügelte Logikplatine, die mehr Speicher und schnellere interne Prozessoren enthält als ein ganzer PC sogar Mitte der 1980er Jahre.
Das Logic Board erfüllt damals mehrere wichtige Funktionen. Daher müssen die Logikschaltungen leistungsfähiger sein, um Änderungen wie Geometrieübersetzung, erweiterte Zuverlässigkeitsfunktionen, kompliziertere Kopftechnologien, schnellere Schnittstellen und Datenstreaming mit höherer Bandbreite von der Festplatte selbst zu bewältigen.
Die interne Logikplatine einer Festplatte enthält einen Mikroprozessor und einen internen Speicher sowie andere Strukturen und Schaltkreise, die steuern, was im Inneren des Laufwerks passiert. Einige der wichtigsten Funktionen der Steuerschaltung des Laufwerks sind wie folgt:
- Steuerung des Spindelmotors, einschließlich Sicherstellung, dass die Spindel mit der richtigen Drehzahl läuft.
- Steuerung der Bewegung des Aktuators zu verschiedenen Spuren.
- Verwaltung aller Lese- und Schreibvorgänge.
- Implementieren von Energieverwaltungsfunktionen.
- Handhabung der Geometrieübersetzung.
- Verwalten des internen Caches und Optimierungsfunktionen wie Pre-Fetch.
- Koordinieren und Integrieren der anderen in diesem Abschnitt erwähnten Funktionen, wie z. B. Informationsfluss über die Festplattenschnittstelle, Optimieren mehrerer Anfragen, Konvertieren von Daten in und aus der Form, die die Lese-/Schreibköpfe benötigen, usw.
- Implementierung aller erweiterten Leistungs- und Zuverlässigkeitsfunktionen.
Die modernen Festplatten haben interne Mikroprozessoren und die meisten von ihnen haben auch interne Software, die sie ausführt. Diese Routinen führen die Steuerlogik aus und sorgen dafür, dass das Laufwerk funktioniert. Tatsächlich handelt es sich nicht wirklich um Software im herkömmlichen Sinne, da diese Anweisungen in einen Nur-Lese-Speicher eingebettet sind. Dieser Code ist analog zum System-BIOS, hardwarebasierten Steuerroutinen auf niedriger Ebene, die in das ROM eingebettet sind. Sie wird normalerweise als Firmware bezeichnet.
Das ist der Grund, warum Firmware manchmal als das mittlere Glied von Hardware und Software bezeichnet wird. Bei vielen Laufwerken kann die Firmware softwaregesteuert aktualisiert werden.
Cache und Cache-Schaltung
Die Funktion des integrierten Caches (oft auch Puffer genannt) einer Festplatte besteht darin, als Puffer zwischen einem relativ schnellen und einem relativ langsamen Gerät zu fungieren. Bei Festplatten wird der Cache verwendet, um die Ergebnisse der letzten Lesevorgänge von der Festplatte zu speichern und auch Informationen vorab abzurufen, die wahrscheinlich in naher Zukunft angefordert werden, z. B. den Sektor oder die Sektoren unmittelbar nach dem gerade angeforderten .
Daher unterscheidet sich der Zweck dieses Caches nicht von anderen Caches, die auf dem PC verwendet werden, obwohl er normalerweise nicht als Teil der regulären PC-Cache-Hierarchie angesehen wird. Man sollte immer im Hinterkopf behalten, dass, wenn jemand allgemein von Disk-Cache spricht, normalerweise nicht dieser kleine Speicherbereich innerhalb der Festplatte gemeint ist, sondern eher ein Cache des Systemspeichers, der reserviert ist, um Zugriffe auf das Plattensystem zu puffern.
Die Verwendung von Cache verbessert die Leistung jeder Festplatte, indem die Anzahl der physischen Zugriffe auf die Festplatte bei wiederholten Lesevorgängen reduziert wird und Daten von der Festplatte ununterbrochen gestreamt werden können, wenn der Bus ausgelastet ist. Die meisten modernen Festplatten haben zwischen 512 KB und 2 MB internen Cache-Speicher, sogar einige Hochleistungs-SCSI-Laufwerke haben sogar 16 MB.
Der Cache einer Festplatte ist aufgrund des schieren Unterschieds in den Geschwindigkeiten der Festplatte und der Festplattenschnittstelle wichtig. Das Auffinden eines Datenstücks auf der Festplatte beinhaltet eine zufällige Positionierung und zieht eine Strafe von Millisekunden nach sich, wenn der Festplattenaktuator bewegt wird und sich die Platte auf der Spindel dreht. Deshalb haben Festplatten interne Puffer.
Das Grundprinzip hinter dem Betrieb eines einfachen Caches ist unkompliziert. Das Lesen von Daten von der Festplatte erfolgt im Allgemeinen in Blöcken unterschiedlicher Größe, nicht nur in einem 512-Byte-Sektor auf einmal. Der Cache ist in Segmente oder Teile aufgeteilt, die jeweils einen Datenblock enthalten können.
Wenn Daten von der Festplatte angefordert werden, wird zuerst die Cache-Schaltung abgefragt, um zu sehen, ob die Daten in einem der Segmente des Caches vorhanden sind. Ist sie vorhanden, wird sie dem Logicboard zugeführt, ohne dass ein Zugriff auf die Festplattenplatten notwendig ist. Sind die Daten nicht im Cache, werden sie von der Festplatte gelesen, dem Controller zugeführt und bei erneuter Nachfrage in den Cache gestellt.
Da der Cache größenmäßig begrenzt ist, können nur so viele Datenteile gespeichert werden, bevor die Segmente recycelt werden müssen. Typischerweise wird das älteste Datenelement durch das neueste ersetzt. Dies wird als zirkuläres First-In-First-Out (FIFO) oder Wrap-Around-Caching bezeichnet.
Um die Leistung zu verbessern, haben die meisten Festplattenhersteller heute Verbesserungen an ihren Cache-Verwaltungsschaltkreisen vorgenommen, insbesondere bei High-End-SCSI-Laufwerken:
Adaptive Segmentierung: Herkömmliche Caches werden in mehrere gleich große Segmente zerhackt. Da Datenblöcke unterschiedlicher Größe angefordert werden können, kann dies dazu führen, dass ein Teil des Speicherplatzes des Caches in einigen Segmenten übrig bleibt und somit verschwendet wird. Viele neuere Laufwerke passen die Größe der Segmente dynamisch an, je nachdem, wie viel Speicherplatz für jeden Zugriff erforderlich ist, um eine bessere Auslastung zu gewährleisten. Es kann auch die Anzahl der Segmente ändern. Dies ist komplexer zu handhaben als Segmente mit fester Größe und kann selbst zu Verschwendung führen, wenn der Platz nicht richtig verwaltet wird.
Vorabruf: Die Cache-Logik eines Laufwerks versucht, basierend auf der Analyse von Zugriffs- und Nutzungsmustern des Laufwerks, Daten in einen Teil des Cache zu laden, die noch nicht angefordert wurden, von denen sie jedoch erwartet, dass sie bald angefordert werden. Normalerweise bedeutet dies, dass zusätzliche Daten über die gerade von der Platte gelesenen hinaus geladen werden, da diese statistisch wahrscheinlicher als nächstes angefordert werden. Bei richtiger Ausführung verbessert dies die Leistung bis zu einem gewissen Grad.
Nutzerkontrolle: High-End-Laufwerke haben eine Reihe von Befehlen implementiert, die dem Benutzer eine detaillierte Kontrolle über den Betrieb des Laufwerk-Cache ermöglichen. Dazu gehört, dass der Benutzer das Caching aktivieren oder deaktivieren, die Größe von Segmenten festlegen, die adaptive Segmentierung und den Vorabruf ein- oder ausschalten kann usw.
Obwohl der interne Puffer offensichtlich die Leistung verbessert, hat er auch Einschränkungen. Es hilft sehr wenig, wenn Sie viele wahlfreie Zugriffe auf Daten in verschiedenen Teilen der Festplatte durchführen, denn wenn die Festplatte ein Datenelement in letzter Zeit nicht geladen hat, befindet es sich nicht im Cache.
Der Puffer ist auch wenig hilfreich, wenn Sie eine große Datenmenge von der Festplatte lesen, da er normalerweise sehr klein ist, wenn Sie eine 50-MB-Datei kopieren. Auf einer typischen Festplatte mit einem 512-Byte-Puffer könnte sich beispielsweise ein sehr kleiner Teil der Datei im Puffer befinden und der Rest muss von der Festplatte selbst gelesen werden.
Aufgrund dieser Einschränkungen hat der Cache keinen so großen Einfluss auf die Gesamtleistung des Systems, wie Sie vielleicht denken. Wie sehr es hilft, hängt zum Teil von seiner Größe ab, mindestens aber auch von der Intelligenz seiner Schaltung; genauso wie die Logik der Festplatte insgesamt. Und genau wie die Logik insgesamt ist es in vielen Fällen schwierig, genau zu bestimmen, wie die Cache-Logik auf einem bestimmten Laufwerk aussieht. Die Größe des Caches der Festplatte ist jedoch wichtig für die Gesamtwirkung bei der Verbesserung der Systemleistung.
Das Caching von Lesevorgängen von der Festplatte und das Caching von Schreibvorgängen auf der Festplatte sind in gewisser Weise ähnlich, in anderen jedoch sehr unterschiedlich. Sie haben dasselbe Ziel, nämlich den schnellen Computer von der langsamen Mechanik der Festplatte zu entkoppeln. Der Hauptunterschied besteht darin, dass ein Schreibvorgang eine Änderung an der Festplatte beinhaltet, während ein Lesevorgang dies nicht tut.
Ohne Schreib-Caching ist jeder Schreibvorgang auf der Festplatte mit einem Leistungseinbruch verbunden, während das System darauf wartet, dass die Festplatte auf den richtigen Speicherort auf der Festplatte zugreift und die Daten schreibt. Dies dauert auf den meisten Laufwerken mindestens 10 Millisekunden, was in der Computerwelt eine lange Zeit ist und die Leistung wirklich verlangsamt, während das System auf die Festplatte wartet. Dieser Betriebsmodus wird Write-Through-Caching genannt.
Wenn das Schreib-Caching aktiviert ist und das System einen Schreibvorgang an die Festplatte sendet, zeichnet die Logikschaltung den Schreibvorgang in seinem viel schnelleren Cache auf und sendet dann sofort eine Bestätigung zum Abschluss des Vorgangs an das Betriebssystem zurück. Der Rest des Systems kann dann seinen Weg fortsetzen, ohne herumzusitzen und darauf zu warten, dass sich der Aktuator positioniert und sich die Scheibe dreht, und so weiter. Dies wird als Write-Back-Caching bezeichnet, da die Daten im Cache gespeichert und erst später auf die Platten zurückgeschrieben werden. Write-back-Funktionalität verbessert natürlich die Leistung.
Da der Cache-Speicher flüchtig ist, geht sein Inhalt verloren, wenn der Strom ausfällt. Wenn im Cache ausstehende Schreibvorgänge vorhanden waren, die noch nicht auf die Festplatte geschrieben wurden, sind sie für immer verschwunden, und der Rest des Systems hat keine Möglichkeit, dies zu erfahren, da dies von der Festplatte als Abschluss mitgeteilt wird. Daher gehen nicht nur einige Daten verloren, sondern das System weiß nicht einmal, welche Daten oder sogar, dass es passiert ist. Das Endergebnis können Dateikonsistenzprobleme, Betriebssystembeschädigungen usw. sein. Aufgrund dieses Risikos wird in einigen Situationen das Schreibcache überhaupt nicht verwendet.
Dies gilt insbesondere für Anwendungen, bei denen eine hohe Datenintegrität entscheidend ist. Aufgrund der Leistungssteigerung, die Write Caching bietet, wird es jedoch trotz des Risikos zunehmend eingesetzt und das Risiko wird durch den Einsatz zusätzlicher Technologie gemindert.
Die gebräuchlichste Technik besteht einfach darin sicherzustellen, dass der Strom nicht ausfällt. Für zusätzliche Sicherheit verfügen bessere Laufwerke, die Schreib-Caching verwenden, über eine Write-Flush-Funktion, die das Laufwerk anweist, alle ausstehenden Schreibvorgänge in seinem Cache sofort auf die Festplatte zu schreiben. Dies ist ein Befehl, der normalerweise gesendet wird, bevor die USV-Batterien leer sind, wenn eine Stromunterbrechung vom System erkannt wurde, oder kurz bevor das System aus einem anderen Grund heruntergefahren werden sollte.
Low-Level-Festplattengeometrie
Wenn wir von Low-Level-Festplattengeometrie sprechen, haben wir uns nicht sehr darum gekümmert, die physischen Schaltkreise der Festplatte zu kennen. Hier werden wir die Begriffe besprechen, mit denen wir uns jetzt befassen werden, um die oben beschriebene Festplatten-Fehlerbehebung und Datenwiederherstellungsprogrammierung zu verstehen.
Die Low-Level-Festplattengeometrie befasst sich normalerweise mit den folgenden Begriffen:
- Spur
- Zylinder
- Sektor
- Kopf oder Seite
Low-Level-Festplattengeometrie
Die Platten einer Festplatte haben zwei Seiten zum Aufzeichnen der Daten. Auf jeder Oberfläche des Plattentellers befinden sich unsichtbare konzentrische Kreise, die beim Formatieren der Festplatte als magnetische Information auf die Oberfläche geschrieben werden. Diese Kreise werden Bahnen genannt. Alle auf einer Festplatte gespeicherten Informationen werden in Spuren aufgezeichnet. Die Spuren sind nummeriert, beginnend bei 0, beginnend an der Außenseite des Plattentellers und aufsteigend, wenn Sie hineingehen.
Über die maximale Anzahl von Spuren und Zylindern werden wir in den nächsten Kapiteln ausführlich diskutieren. Im Moment können wir jedoch das Wissen über die physikalische Low-Level-Geometrie der maximalen Anzahl von Zylindern, Spuren, Köpfen (Seiten) und Sektoren erlangen.
| Name |
Start From |
End Limit |
Total Number |
| Cylinders |
0 |
1023 |
1024 |
| Heads |
0 |
255 |
256 |
| Sectors |
1 |
63 |
63 |
In der Oberfläche der Platte einer Festplatte wird auf die Daten zugegriffen, indem die Köpfe vom inneren zum äußeren Teil der Platte bewegt werden. Diese Organisation der Daten ermöglicht einen einfachen Zugriff auf jeden Teil der Festplatte, weshalb Festplatten als Speichergeräte mit wahlfreiem Zugriff bezeichnet werden.
Low-Level-Spur der Festplattengeometrie
Jeder Track kann Tausende von Datenbytes enthalten und im Allgemeinen beträgt dieser Speicherplatz mehr als 5000 Bytes. Wenn wir also einen Track zur kleinsten Speichereinheit auf der Festplatte machen, verschwenden wir Speicherplatz, da dadurch die kleinen Dateien mit einer Größe von weniger als 5000 Bytes Speicherplatz verschwenden, und im Allgemeinen ist dies durchaus möglich eine Reihe von Dateien auf der Festplatte haben, die viel kleiner als diese Größe sind.
Wenn Sie auf diese Weise einen Track zur kleinsten Speichereinheit machen, verschwenden die kleinen Dateien viel Platz. Daher ist jede Spur in kleinere Einheiten unterteilt, die als Sektoren bezeichnet werden. Die Größe jedes Sektors beträgt 512 Bytes d.h. ein Sektor kann 512 Bytes an Informationen enthalten.
Somit ist die Grundeinheit der Datenspeicherung auf einer Festplatte der Sektor. Der Name Sektor bezieht sich auf einen tortenförmigen Winkelabschnitt eines Kreises, der an zwei Seiten durch Radien und an der dritten durch den Umfang des Kreises begrenzt ist. Sie können eine logische Figur sehen, die Sektoren auf einer als nächstes angegebenen Spur darstellt.
Auf einer Festplatte, die konzentrische kreisförmige Spuren enthält, würde diese Form also einen Sektor jeder Spur der Plattenoberfläche definieren, die sie abgefangen hat. Dies wird in der Festplattenwelt als Sektor bezeichnet und ist ein kleines Segment entlang der Länge einer Spur.
Jeder Sektor einer Festplatte kann laut Standard 512 Byte Nutzdaten speichern. Tatsächlich enthält der Sektor jedoch viel mehr als 512 Bytes an Informationen. Zusätzliche Bytes werden für Steuerstrukturen und andere Informationen benötigt, die zum Verwalten des Laufwerks, zum Auffinden von Daten und zum Ausführen anderer unterstützender Funktionen erforderlich sind.
Wie genau ein Sektor aufgebaut ist, hängt vom Laufwerksmodell und -hersteller ab. Der Inhalt eines Sektors enthält jedoch normalerweise die folgenden allgemeinen Elemente:
ID-Informationen: Herkömmlicherweise wird in jedem Sektor Platz gelassen, um die Nummer und den Ort des Sektors zu identifizieren. Dies wird zum Auffinden des Sektors auf der Festplatte verwendet und enthält auch Statusinformationen über den Sektor in diesem Bereich. Beispielsweise wird üblicherweise ein Bit verwendet, um anzuzeigen, ob der Sektor als defekt markiert und neu zugeordnet wurde.
Synchronisationsfelder: Diese werden intern vom Antriebsregler verwendet, um den Lesevorgang zu steuern.
Daten: Die aktuellen Daten in der Branche.
Fehlerkorrekturcodes (ECC): Fehlerkorrekturcodes werden verwendet, um die Datenintegrität sicherzustellen.
Lücken: Lücken sind im Grunde ein oder mehrere Abstandshalter, die nach Bedarf hinzugefügt werden, um andere Bereiche des Sektors zu trennen, oder um dem Controller Zeit zu geben, das Gelesene zu verarbeiten, bevor weitere Bits gelesen werden.
Zusätzlich zu den Sektoren, die jeweils die beschriebenen Elemente enthalten, wird Raum auf jeder Spur auch für Servoinformationen verwendet. Die Menge an Platz, die jeder Sektor für Overhead-Elemente einnimmt, ist wichtig, denn je mehr Bits für diese Verwaltung verwendet werden, desto weniger können insgesamt für Daten verwendet werden.
Aus diesem Grund bemühen sich die Festplattenhersteller, die Menge an Nicht-Benutzerdaten zu reduzieren, die auf der Festplatte gespeichert werden müssen. Der Prozentsatz der Bits auf jeder Festplatte, die für Daten verwendet werden, im Gegensatz zu anderen Dingen, die zuvor beschrieben wurden, wird als Formateffizienz bezeichnet. Daher ist die höhere Formateffizienz ein erwartetes Merkmal eines Laufwerks.
Bei dem neuesten Ansatz, um heutzutage eine höhere Formateffizienz zu erzielen, werden die ID-Felder aus dem Sektorformat entfernt und anstatt jeden Sektor innerhalb des Sektorheaders zu kennzeichnen, wird eine Formatkarte im Speicher gespeichert und referenziert, wenn ein Sektor lokalisiert werden muss .
Diese Karte enthält auch Informationen über die Sektoren, die als fehlerhaft markiert und verschoben wurden, wo sich die Sektoren relativ zur Position der Servoinformationen befinden, und so weiter. Dieser Ansatz verbessert nicht nur die Formateffizienz, indem bis zu 10 % mehr Daten auf der Oberfläche jeder Platte gespeichert werden können, sondern verbessert auch die Leistung. Da diese kritischen Positionsinformationen in einem Hochgeschwindigkeitsspeicher vorhanden sind, kann viel schneller darauf zugegriffen werden.
Festplatte hd HDD-Laufwerke physische Schaltungsstruktur
Jede Platte der Festplatte verwendet zwei Köpfe (mit Ausnahme einiger Sonderfälle) zum Aufzeichnen und Lesen von Daten, einen für die Oberseite der Platte und einen für die Unterseite. Die Köpfe, die auf die Platten zugreifen, sind auf einer Anordnung von Kopfarmen miteinander verriegelt, daher bewegen sich alle Köpfe zusammen ein und aus, sodass sich jeder Kopf physisch immer an derselben Spurnummer befindet.
Aus diesem Grund ist es nicht möglich, einen Kopf auf Spur 0 und einen anderen auf Spur 1.000 zu haben. Aufgrund dieser Anordnung wird die Spurposition der Köpfe häufig nicht als Spurnummer, sondern als Zylindernummer bezeichnet.
Ein Zylinder ist im Grunde die Menge aller Spuren, auf denen sich derzeit alle Köpfe befinden. Wenn eine Platte vier Platten hat, hätte sie im Allgemeinen acht Köpfe. Nehmen wir nun an, er hat die Zylindernummer 720.
Festplattenlaufwerkzylinder physische Schaltungsgeometriestruktur
Es würde aus den acht Spuren bestehen, eine pro Plattenoberfläche mit der Spurnummer 720. Der Name kommt von der Tatsache, dass diese Spuren einen Skelettzylinder bilden, weil sie gleich große Kreise sind, die übereinander gestapelt sind andere im Raum, wie in der Abbildung oben gezeigt.
Die Adressierung der Faktoren der Platte erfolgt traditionell über Zylinder, Köpfe und Sektoren (CHS).
Formatierung
Jedes Speichermedium muss formatiert werden, bevor es verwendet werden kann. Die zum Formatieren verwendeten Dienstprogramme verhalten sich auf Festplatten anders als auf Disketten. Das Formatieren einer Festplatte umfasst die folgenden Schritte:
Partitionierung:
Dieser Vorgang unterteilt die Festplatte in logische Teile, die unterschiedliche Festplattenvolumes oder Laufwerksbuchstaben zuweisen.
Festplattenpartitionierung ist eine der effektivsten verfügbaren Methoden zum Organisieren von Festplatten. Partitionen bieten eine allgemeinere Organisationsebene als Verzeichnisse und Dateien. Sie bieten auch mehr Sicherheit, indem sie Daten von Betriebssystemen und Anwendungen trennen.
Partitionen ermöglichen es Ihnen, Datendateien, die regelmäßig gesichert werden müssen, von Programm- und Betriebssystemdateien zu trennen. Die Partitionierung wird für die Festplatte zu einer Notwendigkeit, wenn Sie bereit sind, mehr als ein Betriebssystem auf die Festplatte zu laden, ansonsten ist es in den meisten Fällen möglich, dass Sie Ihre Daten verlieren.
Der erste Sektor jeder Festplatte enthält eine Partitionstabelle. Diese Partitionstabelle hat nur Platz, um vier Partitionen zu beschreiben. Diese werden als primäre Partitionen bezeichnet. Eine dieser primären Partitionen kann auf eine Kette zusätzlicher Partitionen verweisen. Jede Partition in dieser Kette wird als logische Partition bezeichnet. Wir werden die Partitionsgrundlagen mit logischem Ansatz im Detail in den nächsten Kapiteln besprechen.
High-Level-Formatierung:
Es definiert die logischen Strukturen auf der Partition und platziert alle erforderlichen Betriebssystemdateien am Anfang der Festplatte. Dieser Schritt ist auch ein Befehl auf Betriebssystemebene.
Der FORMAT-Befehl von DOS, also FORMAT.COM, verhält sich anders, wenn er auf einer Festplatte verwendet wird, als wenn er auf einer Diskette verwendet wird. Disketten haben eine einfache Standardgeometrie und können nicht partitioniert werden, daher ist der FORMAT-Befehl so programmiert, dass er eine Diskette automatisch sowohl auf niedriger als auch auf hoher Ebene formatiert, falls erforderlich, aber im Fall von Festplatten wird FORMAT nur auf hoher Ebene formatieren Format.
Wenn wir die Low-Level-Formatierung abgeschlossen haben, haben wir eine Diskette mit Spuren und Sektoren, aber nichts darauf geschrieben. High-Level-Formatierung ist der Vorgang des Schreibens der Dateisystemstrukturen auf die Festplatte, die es ermöglichen, die Festplatte zum Speichern von Programmen und Daten zu verwenden.
Wenn Sie DOS verwenden, führt der FORMAT-Befehl (also FORMAT.COM) diese Arbeit aus, indem er Strukturen wie die DOS-Boot-Record-Dateizuordnungstabellen und Stammverzeichnisse auf die Festplatte schreibt. Die High-Level-Formatierung wird durchgeführt, nachdem die Festplatte partitioniert wurde.
Formatierte und unformatierte Speicherkapazität
Der Gesamtspeicher einer Festplatte hängt davon ab, ob Sie die formatierte oder unformatierte Kapazität betrachten. Ein Teil des Speicherplatzes auf einer Festplatte wird von den Formatierungsinformationen belegt, die den Beginn und das Ende von Sektoren, ECC (Error Correction Codes) und andere Overhead-Informationen markieren. Aus diesem Grund kann der Unterschied ziemlich groß sein.
Bei älteren Laufwerken, die normalerweise vom Benutzer auf niedriger Ebene formatiert wurden, wurde ihre Größe häufig in Bezug auf die unformatierte Kapazität aufgeführt.
Zum Beispiel : Nehmen Sie die Seagate ST-412, die erste Festplatte, die in den frühen 1980er Jahren auf dem ursprünglichen IBM PC/XT verwendet wurde. Die "12" in dieser Modellnummer bezieht sich auf die unformatierte Kapazität des Laufwerks von 12,76 MB. Formatiert ist es tatsächlich ein 10,65-MB-Laufwerk.
Die unformatierte Kapazität einer Festplatte ist im Allgemeinen 19 % (19 %) höher als die formatierte Kapazität. Da niemand ein unformatiertes Laufwerk verwenden kann, zählt nur die formatierte Kapazität, und daher werden moderne Laufwerke von den Herstellern immer auf niedriger Ebene formatiert.
Die Kapazität einer Festplatte kann auf die folgenden vier Arten ausgedrückt werden:
- Formatierte Kapazität in Millionen Bytes
- Formatierte Kapazität in Megabyte
- Unformatierte Kapazität in Millionen Bytes
- Unformatierte Kapazität in Megabyte
Nun, wenn ich eine Festplatte mit C–H–S = 1024*63*63 habe (Das bedeutet, dass die Festplatte die Anzahl der Zylinder = 1024, die Anzahl der Köpfe oder Seiten = 63, die Anzahl der Sektoren pro Spur = 63 hat) und jeder Sektor hat 512 Bytes. Die Formel zur Berechnung der Festplattengröße lautet wie folgt:
Total Size of the Disk (Bytes) = (Cylinders) X (Heads) X (Sectors) X
(Bytes per Sector) |
Nach dieser Formel, wenn wir die Größe der gegebenen Festplatte in Bytes berechnen, wird es
sein
= 1024 X 63 X 63 X 512
= 2080899072 Bytes
Wenn ich jetzt die Größe meiner Festplatte in Millionen Bytes berechne, ist sie ungefähr
= 2080.899072
~ 2081 millions of byte
Traditionell wird die Größe in Millionen Byte durch M dargestellt. Daher beträgt die Größe meiner Festplatte in Millionen Byte ungefähr 2081 M.
Aber wenn ich die Kapazität meiner Festplatte in Megabytes angebe, wird es ungefähr 1985 sein und als 1985 Megabyte geschrieben werden.
Auf diese Weise lautet die allgemeine Formel zur Berechnung der Festplattenkapazität in Millionen Bytes wie folgt:
Und die allgemeine Formel zur Berechnung der Kapazität der Festplatte in Megabyte lautet wie folgt:
Seite Geändert am: 08/03/2022
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