Hoofdstuk – 2
Introductie van harde schijven
Introductie
In de huidige computerwereld hebben harde schijven zichzelf bewezen als het belangrijkste onderdeel van een computer. Tegenwoordig is de harde schijf het belangrijkste opslagapparaat dat het meest wordt gebruikt om alle soorten gegevens op te slaan, evenals een van de meest interessante componenten van de computer.
Het zal voor moderne computergebruikers heel moeilijk zijn om zelfs maar te bedenken wat het leven van een computer zou zijn zonder harde schijven, aangezien de meesten van ons tegenwoordig miljarden bytes aan informatie op onze computers opslaan.
In de allereerste computers was er helemaal geen opslag. Elke keer dat u een programma wilde uitvoeren, moest u het programma handmatig invoeren. Sterker nog, het maakte het meeste van wat we tegenwoordig beschouwen als computergebruik onmogelijk, omdat er geen gemakkelijke manier was om een computer keer op keer met dezelfde gegevens te laten werken. Men realiseerde zich al snel dat een soort van permanente opslag nodig was als computers echt nuttige hulpmiddelen zouden worden.
Het eerste opslagmedium dat op computers werd gebruikt, was eigenlijk papier. Programma's en gegevens werden opgenomen met behulp van gaten geponst in papieren tape of ponskaarten. Een speciale lezer gebruikte een lichtstraal om de kaarten of tape te scannen. Waar een gat werd gevonden, stond een "1" en waar het papier de sensor blokkeerde, een "0" of omgekeerd.
Hoewel het een grote verbetering was ten opzichte van niets, waren deze kaarten nog steeds erg onhandig in gebruik. Je moest eigenlijk het hele programma van de grond af op papier schrijven en het in je hoofd krijgen voordat je het op kaarten probeerde te zetten, want als je een fout maakte, moest je veel van de kaarten opnieuw ponsen. Het was erg moeilijk om je voor te stellen waar je mee bezig was.
De volgende grote vooruitgang ten opzichte van papier was de creatie van magneetband. Deze magnetische banden, die informatie opnemen op een manier die vergelijkbaar is met hoe audio wordt opgenomen op een band, waren veel flexibeler, duurzamer en sneller dan papieren band of ponskaarten.
Natuurlijk wordt tape nog steeds gebruikt op moderne computers, maar dan als een vorm van offline of secundaire opslag. Vóór harde schijven waren ze de primaire opslag voor sommige computers. Hun voornaamste nadeel is dat ze lineair moeten worden gelezen; het kan minuten duren om van het ene uiteinde van de band naar het andere te gaan, waardoor willekeurige toegang onpraktisch wordt.
Goed om terug te komen op ons onderwerp. IBM introduceerde de allereerste harde schijf die haalbaar zou zijn voor commerciële ontwikkeling. Het was niet zoals diskdrives die tegenwoordig worden gebruikt. Ze gebruikten roterende cilindrische trommels, waarop de magnetische gegevenspatronen werden opgeslagen. De drums waren groot en moeilijk om mee te werken. Bij de eerste echte harde schijven waren de koppen van de harde schijf in contact met het oppervlak van de schijf. Dit werd gedaan om de laaggevoelige elektronica van die tijd in staat te stellen de magnetische velden op het oppervlak van de schijf beter te lezen, maar de fabricagetechnieken in die tijd waren lang niet zo geavanceerd als nu, en het was ook niet mogelijk om het oppervlak van de schijf zo glad te krijgen als nodig was om de kop soepel over het oppervlak van de schijf te laten glijden met hoge snelheid terwijl het ermee in contact was. Na verloop van tijd zouden de koppen verslijten, of de magnetische coating op het oppervlak van de schijf verslijten.
Als een kritische ontdekking van nieuwe technologie van IBM waarbij contact met het oppervlak van de schijf niet nodig was, werd het de basis van de moderne harde schijven. De allereerste harde schijf van dit type was de IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) die op 13 september 1956 werd geïntroduceerd. Deze harde schijf kon vijf miljoen tekens opslaan van ongeveer vijf megabyte met een gegevensoverdrachtsnelheid van 8.800 bytes per seconde.
In 1962 introduceerde IBM het model 1301 Advanced Disk File. De belangrijkste vooruitgang van deze schijf was het creëren van koppen die boven het oppervlak van de schijf zweefden of vlogen op een luchtlager, waarbij de afstand van de koppen tot het oppervlak van de schijven werd verkleind van 800 tot 250 micro-inch.
In 1973 introduceerde IBM het model 3340 schijfstation, dat algemeen wordt beschouwd als de vader van de moderne harde schijf die twee afzonderlijke assen had, één permanent en één verwijderbaar, elk met een capaciteit van 30 MB. IBM's model 3370, geïntroduceerd in 1979, was de eerste schijf met dunne-filmkoppen. In hetzelfde jaar introduceerde IBM model 3310, de eerste diskdrive met 8" platters, sterk verkleind ten opzichte van de 14" die al meer dan tien jaar de standaard was.
De eerste harde schijf die werd ontworpen in de 5,25-inch vormfactor die in de eerste pc's werd gebruikt, was de Seagate ST-506. Hij had vier koppen en een capaciteit van 5 MB. IBM omzeilde de ST-506 en koos voor de ST-412- - een schijf van 10 MB in dezelfde vormfactor - voor de IBM PC/XT, waardoor het de eerste harde schijf is die veel wordt gebruikt in de pc en pc-compatibele wereld.
In het jaar 1983 introduceerde Rodime de RO352, de eerste schijf die de 3,5"-vormfactor gebruikte, wat een van de belangrijkste industriestandaarden werd. In 1985 introduceerde Quantum de Hardcard, een harde schijf van 10,5 MB die op een ISA is gemonteerd. uitbreidingskaart voor pc's die oorspronkelijk zonder harde schijf werden gebouwd.
In 1986 introduceerde Conner Peripherals de CP340. Het was de eerste diskdrive die een spreekspoelactuator gebruikte. In het jaar 1988 introduceerde Conner Peripherals de CP3022, de eerste 3,5-inch schijf die gebruikmaakte van de gereduceerde 1"-hoogte die nu "low profile" wordt genoemd en de standaard voor moderne 3,5-inch schijven. In hetzelfde jaar introduceerde PrairieTek een schijf met 2,5" schotels. In 1990 introduceerde IBM het model 681 (Redwing), een schijf van 857 MB. Het was de eerste die MR-koppen en PRML gebruikte.
IBM's "Pacifica" mainframe drive, geïntroduceerd in 1991, is de eerste die oxide media vervangt door dunne film media op het platteroppervlak. In hetzelfde jaar is 1820 van Integral Peripherals de eerste harde schijf met 1.8" platters, later gebruikt voor PC-Card diskdrives. In het jaar 1992 introduceerde Hewlett Packard C3013A, de eerste 1.3" drive.
Er zijn een aantal ontwikkelingen geweest in de geschiedenis van harde schijven om de huidige schijven het huidige ontwerp, de vormprestaties en capaciteiten te geven. Deze zijn in dit boek moeilijk in detail te tellen.
Onderdelen van de harde schijf
Een harde schijf heeft de volgende hoofdcomponenten:
- Schijfplateaus en media
- Lees-/schrijfkoppen
- Hoofdschuivers, armen en actuator
- Harde schijf spilmotor
- Verbindingen en jumpers
- Logisch bord
- Cache en cachecircuits
Onderdelen van de harde schijf
Schijfplateaus en media
Elke harde schijf gebruikt een of meer (meestal meer dan één) ronde, platte schijven genaamd platters, aan beide zijden bedekt met een speciaal mediamateriaal ontworpen om informatie op te slaan in de vorm van magnetische patronen. Elk oppervlak van elke plaat op de schijf kan miljarden bits aan gegevens bevatten.
Platters zijn samengesteld uit twee hoofdsubstanties: een substraatmateriaal dat het grootste deel van de schotel vormt en het structuur en stijfheid geeft, en een magnetische mediacoating die de magnetische impulsen die de gegevens vertegenwoordigen, vasthoudt.
De kwaliteit van de platters en in het bijzonder hun mediacoating is van cruciaal belang. De grootte van de platters in de harde schijf is de belangrijkste bepalende factor voor de algehele fysieke afmetingen, ook wel de vormfactor van de schijf genoemd; de meeste schijven worden geproduceerd in een van de verschillende standaard harde schijf-vormfactoren.
Soms worden harde schijven aangeduid met een formaatspecificatie. Als iemand een 3,5-inch harde schijf heeft, betekent dit dat dit meestal verwijst naar de vormfactor van de schijf, en normaal gesproken wordt de vormfactor genoemd op basis van de plaatgrootte. De vroegere harde schijven hadden een nominale grootte van 5,25" maar tegenwoordig is de meest gewone schijfgrootte van de harde schijf 3,5".
Laptopschijven zijn meestal kleiner vanwege het verwachte kleine formaat en het geringere gewicht. De platters op deze schijven hebben meestal een diameter van 2,5 inch of minder; 2,5 inch is de standaardvormfactor, maar schijven met platters van 1,8 inch en zelfs 1,0 inch komen steeds vaker voor in mobiele apparatuur.
Hoewel schijven de platters uitstrekken tot zoveel mogelijk van de breedte van het fysieke schijfpakket, om de hoeveelheid opslagruimte die ze in de schijf kunnen stoppen te maximaliseren, is de algemene trend toch naar kleinere platters. Er zijn de belangrijkste redenen waarom bedrijven naar kleinere platters gaan, zelfs voor desktop-units:
De stijve en stijve platen zijn beter bestand tegen schokken en trillingen en zijn beter geschikt om te worden gecombineerd met spindels met hogere snelheid en andere hoogwaardige hardware. Door de diameter van de harde schijf met een factor twee te verkleinen, wordt de stijfheid ongeveer verviervoudigd.
Een kleinere afmeting van de platters verkleint de afstand die de hoofdactuator de koppen van links naar rechts moet bewegen om willekeurige zoekacties uit te voeren. Dit verbetert de zoektijd en maakt willekeurige lees- en schrijfbewerkingen sneller.
De nieuwste spindels voor harde schijven nemen toe vanwege snelheidsprestaties. Kleinere platters zijn gemakkelijker te draaien en vereisen minder krachtige motoren en zijn ook sneller op snelheid te draaien vanuit een gestopte positie.
De kleinste harde schijf die momenteel beschikbaar is, heeft een diameter van 1 inch. IBM's verbazingwekkende Micro-drive heeft een enkele plaat en is ontworpen om in digitale camera's, persoonlijke organizers en andere kleine apparatuur te passen. Door het kleine formaat van de platen kan de Microdrive om de batterij leeg te laten lopen, in minder dan een seconde te laten draaien en weer op te starten.
Vanuit technisch oogpunt betekent meer platters ook meer massa en daarom langzamere reactie op opdrachten om de schijf te starten of te stoppen. Het kan worden gecompenseerd met een sterkere spindelmotor, maar dat leidt tot andere afwegingen.
In feite is de trend de laatste tijd in de richting van schijven met minder hoofdarmen en platters, niet meer. De oppervlaktedichtheid blijft toenemen, waardoor grote schijven kunnen worden gemaakt zonder veel platters te gebruiken. Hierdoor kunnen fabrikanten het aantal platters verminderen om de zoektijd te verbeteren zonder schijven te maken die te klein zijn voor de markt.
De vormfactor van de harde schijf heeft ook een grote invloed op het aantal platters in een schijf. Er zijn verschillende factoren die verband houden met het aantal platters dat in de schijf wordt gebruikt. Aandrijvingen met veel platters zijn moeilijker te engineeren vanwege de grotere massa van de spindeleenheid, de noodzaak om alle aandrijvingen perfect uit te lijnen en de grotere moeilijkheid om geluid en trillingen onder controle te houden.
Zelfs toen, hoewel hardeschijfingenieurs veel platters in een bepaald model wilden plaatsen, is de standaard "slanke" harde schijf-vormfactor beperkt tot 1 inch hoog, wat het aantal platters beperkt dat in een eenheid. Natuurlijk werken technici voortdurend aan het verminderen van de benodigde ruimte tussen de platters, zodat ze het aantal platters in schijven van een bepaalde hoogte kunnen vergroten.
De magnetische patronen waaruit uw gegevens bestaan, worden vastgelegd in een zeer dunne medialaag op de oppervlakken van de platen van de harde schijf; het grootste deel van het materiaal van de schotel wordt het substraat genoemd en doet niets anders dan de medialaag ondersteunen. Om geschikt te zijn, moet een substraatmateriaal stijf, gemakkelijk te bewerken, lichtgewicht, stabiel, magnetisch inert, goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar zijn. Het meest gebruikte materiaal voor het maken van schotels is van oudsher een aluminiumlegering, die aan al deze criteria voldoet.
Vanwege de manier waarop de schotels draaien met de lees-/schrijfkoppen er vlak boven zwevend, moeten de schotels extreem glad en vlak zijn. Daarom zijn er alternatieven voor aluminium voorgesteld, zoals glas, glascomposieten en magnesiumlegeringen. Het lijkt nu steeds waarschijnlijker dat glas en composieten gemaakt met glas de volgende standaard zullen zijn voor het plateausubstraat. Vergeleken met aluminium schotels hebben glazen schotels verschillende voordelen:
- Betere kwaliteit:
- Verbeterde stijfheid:
- Verdunnere schotels:
- Thermische stabiliteit:
Een nadeel van glas in vergelijking met aluminium is de kwetsbaarheid, vooral wanneer het erg dun is gemaakt.
Het substraatmateriaal waarvan de platen zijn gemaakt, vormt de basis waarop het eigenlijke opnamemedium wordt geplaatst. De medialaag is een zeer dunne laag van magnetisch materiaal waar de feitelijke gegevens worden opgeslagen. Het is meestal slechts een paar miljoenste van een inch dik.
Oudere harde schijven gebruikten oxidemedia. Oxidemedia zijn goedkoop in gebruik, maar hebben ook een aantal belangrijke tekortkomingen. De eerste is dat het een zacht materiaal is en gemakkelijk kan worden beschadigd door contact met een lees-/schrijfkop. De tweede is dat het alleen nuttig is voor opslag met een relatief lage dichtheid. Het werkte prima voor oudere harde schijven met een relatief lage gegevensdichtheid, maar omdat fabrikanten steeds meer gegevens in dezelfde ruimte probeerden te stoppen, was oxide niet geschikt: de oxidedeeltjes werden te groot voor de kleine magnetische velden van nieuwere ontwerpen .
De harde schijven van tegenwoordig gebruiken dunne-filmmedia. Dunne filmmedia bestaan uit een zeer dunne laag magnetisch materiaal die op het oppervlak van de platters wordt aangebracht. Er worden speciale fabricagetechnieken gebruikt om het mediamateriaal op de platen te deponeren.
Vergeleken met oxidemedia zijn dunne filmmedia veel uniformer en gladder. Het heeft ook enorm superieure magnetische eigenschappen, waardoor het veel meer gegevens in dezelfde hoeveelheid ruimte kan bevatten. Na het aanbrengen van de magnetische media wordt het oppervlak van elke plaat meestal bedekt met een dunne, beschermende laag van koolstof. Hierop is een superdun smeermiddellaagje aangebracht. Deze materialen worden gebruikt om de schijf te beschermen tegen schade die wordt veroorzaakt door onbedoeld contact met de koppen of ander vreemd materiaal dat in de schijf kan komen.
Hoofden lezen/schrijven
De koppen zijn de lees-/schrijfinterface naar de magnetische fysieke media waarop de gegevens op een harde schijf zijn opgeslagen. De koppen zetten bits om in magnetische pulsen en slaan ze op de platters op, en keren het proces vervolgens om wanneer de gegevens moeten worden teruggelezen. Koppen zijn een van de duurdere onderdelen van de harde schijf om de oppervlaktedichtheid en de draaisnelheid van de schijf te verhogen.
Hoewel GMR-koppen het meest populair zijn in de huidige harde schijf, zijn er verschillende technologieën herhaaldelijk voorgesteld voor lees-/schrijfkoppen:
- Ferrietkoppen
- Metal-In-Gap (MIG) Koppen
- Thin Film (TF) Koppen
- Anisotrope magneto-resistieve (AMR/MR) koppen
- Reusachtige magneto-resistieve (GMR) koppen
- Kolossale magneto-resistieve (CMR) koppen
Lees-/schrijfkoppen zijn een uiterst kritisch onderdeel bij het bepalen van de algehele prestaties van de harde schijf, omdat ze zo'n belangrijke rol spelen bij het opslaan en ophalen van gegevens. Nieuwe head-technologieën zijn vaak het startpunt voor het verhogen van de snelheid en omvang van moderne harde schijven, daarom zijn lees-/schrijfkoppen het meest geavanceerde onderdeel van de harde schijf, wat zelf een technologisch wonder is.
Elk stukje gegevens dat moet worden opgeslagen, wordt op de harde schijf vastgelegd met behulp van een speciale coderingsmethode die nullen en enen omzet in patronen van magnetische fluxomkeringen. Elke harde schijf heeft twee oppervlakken die worden gebruikt om de gegevens in het algemeen op te slaan en er is normaal gesproken één kop voor elk oppervlak dat op de schijf wordt gebruikt. Aangezien de meeste harde schijven één tot vier platters hebben, hebben de meeste harde schijven tussen de twee en acht koppen. Sommige grotere schijven kunnen 20 koppen of meer hebben. Slechts één kop kan tegelijkertijd lezen van of schrijven naar de harde schijf. Speciale schakelingen worden gebruikt om te bepalen welke kop op een bepaald moment actief is.
De kop zweeft over het oppervlak van de schijf en doet al hun werk zonder de schotels ooit fysiek aan te raken. De hoeveelheid ruimte tussen de koppen en de schotels wordt de zweefhoogte of vlieghoogte of hoofdopening genoemd. De lees-/schrijfkopassemblages zijn veerbelast met behulp van het verenstaal van de koparmen, waardoor de schuiven tegen de platen drukken wanneer de schijf stilstaat.
Dit wordt gedaan om ervoor te zorgen dat de koppen niet wegdrijven van de schotels en daarom is het handhaven van een exacte zweefhoogte essentieel voor een juiste werking. Wanneer de schijf op bedrijfssnelheid draait, zorgt de hoge snelheid ervoor dat lucht onder de schuiven stroomt en deze van het oppervlak van de schijf optilt. De afstand van de platters tot de koppen is een specifieke ontwerpparameter die streng wordt gecontroleerd door de fabrikanten.
Een moderne harde schijf heeft een zwevende hoogte van 0,5 micro-inch en zelfs mensenhaar heeft een dikte van meer dan 2000 micro-inch. Daarom is het zo belangrijk om vuil buiten de harde schijf te houden. Het is eigenlijk best verbazingwekkend hoe dicht bij het oppervlak van de schijven de koppen vliegen zonder elkaar aan te raken. Stofdeeltje, vingerafdruk zelfs een rookdeeltje is een groot probleem voor de kop van een harde schijf.
Harde schijf lees schrijf structuur
Wanneer de oppervlaktedichtheid van een schijf wordt verhoogd om de capaciteit en prestaties te verbeteren, worden de magnetische velden kleiner en zwakker. Om dit te compenseren, moeten de koppen gevoeliger worden gemaakt of moet de zweefhoogte worden verlaagd.
Elke keer dat de zwevende hoogte wordt verlaagd, moeten de mechanische aspecten van de schijf worden afgesteld om ervoor te zorgen dat de platters platter zijn, de uitlijning van de plaatconstructie en de lees-/schrijfkoppen perfect is, en er geen stof of vuil op het oppervlak van de schotels. Trillingen en schokken worden ook een grotere zorg en moeten worden gecompenseerd.
Dit is een van de redenen waarom fabrikanten overstappen op kleinere platters en het gebruik van glazen platen. Nieuwere koppen zoals GMR hebben de voorkeur omdat ze een hogere vlieghoogte mogelijk maken dan oudere, minder gevoelige koppen, terwijl al het andere gelijk is.
Hoofdcrash
Omdat de lees-/schrijfkoppen van een harde schijf op een microscopisch klein luchtlaagje boven de schijfplaten zelf drijven, is het mogelijk dat de koppen onder bepaalde omstandigheden contact kunnen maken met de media op de harde schijf. Normaal gesproken maken de koppen alleen contact met het oppervlak wanneer de aandrijving opstart of stopt.
Een moderne harde schijf draait 100 keer per seconde om. Als de koppen contact maken met het oppervlak van de schijf terwijl deze op operationele snelheid is, kan dit leiden tot verlies van gegevens, schade aan de koppen, schade aan het oppervlak van de schijf, of alle drie. Dit wordt meestal een hoofdcrash genoemd, twee van de meest angstaanjagende woorden voor elke computergebruiker. De meest voorkomende oorzaken van hoofdcrashes zijn vervuiling die vast komt te zitten in de dunne opening tussen de kop en de schijf, en schokken die op de harde schijf worden uitgeoefend terwijl deze in bedrijf is.
Hoofd parkeren
Als de platters niet draaien, rusten de koppen op het oppervlak van de schijf. Wanneer de schotels draaien, wrijven de koppen langs het oppervlak van de schotels totdat er voldoende snelheid is bereikt om op te stijgen en op hun luchtkussen te drijven. Wanneer de aandrijving wordt teruggedraaid, wordt het proces in omgekeerde volgorde herhaald. In beide gevallen maken de koppen gedurende een bepaalde tijd contact met het oppervlak van de schijf terwijl ze in beweging zijn.
Hoewel de platters en koppen zijn ontworpen met de wetenschap in het achterhoofd dat dit contact zal plaatsvinden, is het toch logisch om te voorkomen dat dit gebeurt op een schijfgebied waar gegevens zijn.
Om deze reden leggen de meeste schijven een speciaal spoor opzij dat is aangewezen om de koppen te plaatsen voor het opstijgen en landen. Dit gebied wordt de landingszone genoemd en daar worden geen gegevens geplaatst. Het proces van het verplaatsen van de hoofden naar dit aangewezen gebied wordt hoofdparkeren genoemd.
Bijna alle nieuwe besturingssystemen hebben een ingebouwde mogelijkheid om de kop automatisch te parkeren wanneer dat nodig is. De meeste vroege harde schijven die stappenmotoren gebruikten, parkeerden de koppen van de schijf niet automatisch, daarom werden als veiligheidsmaatregel veel kleine hulpprogramma's geschreven die de gebruiker zou uitvoeren voordat de pc van die dagen werd afgesloten. Het hulpprogramma zou de schijf instrueren om de koppen naar de landingszone te verplaatsen en dan zou de pc veilig kunnen worden uitgeschakeld.
Een parameter in de BIOS-setup voor de harde schijf vertelt het systeem welk spoor de landingszone was voor het specifieke model harde schijf. Gewoonlijk was het de eerstvolgende track met volgnummer boven de track met het hoogste nummer die daadwerkelijk voor gegevens werd gebruikt. Moderne harde schijven met een spreekspoel zijn allemaal automatisch inparkeren. Het is nu niet nodig om de koppen van moderne harde schijven handmatig te parkeren.
Hoofdschuivers, armen en actuator
Als de platters van de harde schijf worden gebruikt voor lees- en schrijfbewerkingen met behulp van de lees-/schrijfkoppen die aan de boven- en onderkant van elke plaat zijn gemonteerd, is het duidelijk dat de lees-/schrijfkoppen niet alleen in de ruimte zweven. Ze moeten in een exacte positie worden gehouden ten opzichte van de oppervlakken die ze lezen en ze moeten ook van baan naar baan worden verplaatst om toegang te krijgen tot het hele oppervlak van de schijf.
De koppen zijn gemonteerd op een structuur die dit proces vergemakkelijkt, die vaak de kopmontage of actuatorassemblage of de head-actuatorassemblage wordt genoemd. Het bestaat uit verschillende onderdelen. De koppen zelf zijn op kopschuivers gemonteerd. De schuiven zijn opgehangen over het oppervlak van de schijf aan de uiteinden van de hoofdarmen. De koparmen zijn allemaal mechanisch versmolten tot een enkele structuur die door de actuator over het oppervlak van de schijf wordt bewogen.
Hoofdschuifregelaars
Elke harde schijfkop is gemonteerd op een speciaal apparaat dat een head-slider of kortweg slider wordt genoemd. De functie van de schuif is om het hoofd fysiek te ondersteunen en in de juiste positie ten opzichte van het plateau te houden terwijl het hoofd over het oppervlak zweeft. De lees-/schrijfkoppen van de harde schijf zijn te klein om te gebruiken zonder ze aan een grotere eenheid te bevestigen.
Sliders hebben een speciale vorm gekregen zodat ze precies over het plateau kunnen rijden. Omdat de lees-/schrijfkoppen van de harde schijf kleiner zijn geworden, nemen ook de schuifregelaars die ze dragen toe. Het belangrijkste voordeel van het gebruik van kleine schuifregelaars is dat het het gewicht vermindert dat rond het oppervlak van de platters moet worden getrokken, waardoor zowel de positioneringssnelheid als de nauwkeurigheid worden verbeterd. Kleinere schuifregelaars hebben ook minder oppervlakte om mogelijk contact te maken met het oppervlak van de schijf. Elke schuif is op een hoofdarm gemonteerd zodat deze over het oppervlak van de schotel waaraan deze is gekoppeld, kan worden verplaatst.
Hoofd Armen
De koparmen zijn dunne stukjes metaal, meestal driehoekig van vorm, waarop de kopschuivers zijn gemonteerd die de lees-/schrijfkoppen dragen. Er is één arm per lees-/schrijfkop en ze zijn allemaal uitgelijnd en gemonteerd op de kopactuator om een enkele eenheid te vormen.
Dit betekent dat wanneer de actuator beweegt, alle koppen synchroon meebewegen. De armen zelf zijn gemaakt van een lichtgewicht, dun materiaal, zodat ze snel van de binnenste naar de buitenste delen van de aandrijving kunnen worden verplaatst. Nieuwere ontwerpen hebben massieve armen vervangen door structurele vormen om het gewicht te verminderen en de prestaties te verbeteren.
Nieuwere aandrijvingen behalen snellere zoektijden, deels door gebruik te maken van snellere en slimmere actuatoren en lichtere, stijvere hoofdarmen, waardoor de tijd om tussen tracks te wisselen wordt verkort. Een recente trend in de harde-schijfindustrie is de vermindering van het aantal platters in verschillende drive-families. Zelfs sommige vlaggenschipschijven in verschillende families hebben nu slechts drie of zelfs twee platters, waar vier of vijf een jaar of zo geleden gebruikelijk waren.
Een reden voor deze trend is dat het hebben van een groot aantal hoofdarmen het moeilijk maakt om de aandrijving met voldoende hoge precisie uit te voeren om een zeer snelle positionering bij willekeurig zoeken mogelijk te maken. Dit komt door het toegenomen gewicht in de actuatorconstructie door de extra armen, en ook door problemen bij het uitlijnen van alle koppen.
Hoofdaandrijving
De actuator is een zeer belangrijk onderdeel van de harde schijf, omdat het wisselen van track naar track de enige handeling op de harde schijf is die actieve beweging vereist. Van hoofd wisselen is een elektronische functie, en van sector wisselen houdt in dat je moet wachten tot het juiste sectornummer ronddraait en onder het hoofd komt. Het wisselen van baan betekent dat de koppen moeten worden verschoven, en daarom is het van het grootste belang dat deze beweging snel en nauwkeurig kan worden gedaan.
De actuator is het apparaat dat wordt gebruikt om de hoofdarmen op verschillende sporen op het oppervlak van de schotel te plaatsen naar verschillende cilinders, aangezien alle hoofdarmen als een synchrone eenheid worden bewogen, zodat elke arm naar hetzelfde spoornummer van zijn respectieve oppervlak. Hoofdactuators zijn er in twee algemene varianten:
- Stappenmotoren
- Spraakspoelen
Het belangrijkste verschil tussen de twee ontwerpen is dat de stappenmotor een absoluut positioneringssysteem is, terwijl de spreekspoel een relatief positioneringssysteem is.
Alle moderne harde schijven gebruiken spreekspoelactuatoren. De spreekspoelactuator is niet alleen veel flexibeler en ongevoeliger voor thermische problemen. Het is veel sneller en betrouwbaarder dan een stappenmotor. De positionering van de actuator is dynamisch en is gebaseerd op feedback van het onderzoeken van de werkelijke positie van de sporen. Dit feedbacksysteem met gesloten lus wordt ook wel een servomotor of servopositioneringssysteem genoemd en wordt vaak gebruikt in duizenden verschillende toepassingen waar nauwkeurige positionering belangrijk is.
Spindelmotor
De spindelmotor of de spindelas is verantwoordelijk voor het draaien van de platters van de harde schijf, zodat de harde schijf kan werken. Een spindelmotor moet een stabiel, betrouwbaar en consistent draaivermogen bieden voor duizenden uren van vaak continu gebruik, zodat de harde schijf goed kan functioneren, omdat veel schijfstoringen in feite storingen zijn met de spindelmotor, niet de gegevensopslagsystemen.
De spindelmotor van een harde schijf moet de volgende kwaliteit hebben om lang mee te gaan en om uw gegevens lang veilig te houden:
- Het moet van hoge kwaliteit zijn, zodat het duizenden uren kan draaien en duizenden start- en stopcycli kan verdragen, zonder te falen.
- Het moet soepel en met een minimum aan trillingen lopen, vanwege de nauwe toleranties van de platters en koppen in de drive.
- Het mag geen overmatige hoeveelheden warmte of lawaai genereren.
- Het mag niet te veel stroom verbruiken.
- De snelheid moet worden beheerd, zodat hij met de juiste snelheid draait.
Om aan deze eisen te voldoen, gebruiken alle pc-harde schijven servogestuurde DC-spilmotoren. Spindelmotoren met harde schijven zijn geconfigureerd voor directe aansluiting. Er zijn geen riemen of tandwielen die worden gebruikt om ze aan te sluiten op de spil van de harde schijf. De spindel waarop de platters zijn gemonteerd, is rechtstreeks op de as van de motor bevestigd.
De schotels zijn machinaal bewerkt met een gat met de exacte maat van de spil en worden op de spil geplaatst met scheidingsringen ertussen om de juiste afstand te behouden en ruimte te bieden voor de hoofdarmen. De hoeveelheid werk die de spindelmotor moet doen, is afhankelijk van de volgende factoren:
De grootte en het aantal platters: grotere platters en meer platters in een aandrijving betekenen meer massa voor de motor om te draaien, dus krachtigere motoren zijn vereist. Hetzelfde geldt voor schijven met een hogere snelheid.
o Energiebeheer: Tegenwoordig willen gebruikers steeds vaker harde schijven die vanuit stilstand snel op snelheid draaien, waarvoor ook snellere of krachtigere motoren nodig zijn.
Zoals bij nieuwere harde schijven wordt verondersteld dat de spilsnelheid een belangrijk punt is, is het ook een belangrijk punt in de harde schijven geworden om de hoeveelheid geluid, warmte en trillingen te regelen die door de harde schijven worden gegenereerd als gevolg van de hoge spilsnelheid.
Sommige nieuwere schijven, met name 7200- en 10.000 RPM-modellen, kunnen veel lawaai maken wanneer ze in werking zijn. Indien mogelijk is het een goed idee om een werkende harde schijf te bekijken voordat u deze koopt, om het geluidsniveau te beoordelen en te kijken of u er last van heeft; dit verschilt sterk van persoon tot persoon. Het geproduceerde geluid varieert ook tot op zekere hoogte, afhankelijk van de individuele aandrijving, zelfs in dezelfde familie. Warmte die wordt gecreëerd door de spindelmotor kan uiteindelijk schade aan de harde schijf veroorzaken, daarom besteden nieuwere schijven en nieuwere harde schijven meer aandacht aan hun koeling.
Connectoren en jumpers
Er zijn verschillende connectoren en jumpers in een harde schijf die worden gebruikt om de harde schijf te configureren en aan te sluiten op de rest van het systeem. Het aantal en type connectoren op de harde schijf zijn afhankelijk van de data-interface die wordt gebruikt om verbinding te maken met het systeem, de fabrikant van de schijf en eventuele speciale functies die de schijf kan hebben.
Instructies voor het instellen van gemeenschappelijke jumpers staan meestal direct op de drive afgedrukt. Harde schijven gebruiken een standaard, 4-pins mannelijke connectorplug die een van de voedingsconnectoren van de voeding neemt. Deze 4-draads plastic connector biedt +5 en +12 spanning naar de harde schijf.
Er zijn twee soorten interfaces waarvan de meeste moderne harde schijven er één gebruiken:
- IDE/ATA: het heeft een 40-pins rechthoekige connector.
- SCSI: een 50-pins, 68-pins of 80-pins D-vormige connector. Al deze drie pincodes vertegenwoordigen een ander type SCSI-schijf, zoals:
- Een 50-pins connector betekent dat het apparaat een smalle SCSI is.
- 68 pinnen betekent brede SCSI.
- 80 pinnen betekenen brede SCSI met behulp van Single Connector Attachment (SCA).
Connectoren en jumpers
De connectoren op harde schijven hebben over het algemeen de vorm van een 2xN rechthoekig raster van pinnen (waarbij N 20, 25, 34 of 40 is, afhankelijk van de interface). De meeste van de huidige SCSI-interfaceconnectoren zijn gecodeerd om onjuiste plaatsing te voorkomen, omdat ze D-vormig zijn, dit is niet altijd het geval voor andere interfaces.
Om deze reden is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de kabel in de juiste richting is georiënteerd voordat u deze aansluit. De kabel heeft een rode streep om draad 1 aan te geven en de harde schijf gebruikt markeringen van een of andere vorm om de bijpassende pin 1.
IDE/ATA harde schijven zijn redelijk standaard qua jumpers. Er zijn meestal maar een paar jumperinstellingen en deze verschillen niet veel van drive tot drive. Dit zijn de instellingen van de jumper die je normaal gesproken op een harde schijf aantreft:
Drive selecteren: Er kunnen twee schijven zijn, master en slave op hetzelfde IDE-kanaal. Een jumper wordt normaal gesproken gebruikt om elke drive te vertellen of deze als master of slave op het IDE-kanaal moet functioneren.
Voor een enkele drive op een kanaal geven de meeste fabrikanten de opdracht om de drive als master te jumperen, terwijl sommige fabrikanten, met name Western Digital, een aparte instelling hebben voor een enkele drive in plaats van een master op een kanaal met een slave. De termen master en slave zijn misleidend omdat de schijven echt geen operationele relatie hebben.
Slave aanwezig: Sommige schijven hebben een extra jumper die wordt gebruikt om een schijf die als master is geconfigureerd te laten weten dat er ook een slave-schijf op het ATA-kanaal is. Dit is alleen vereist voor sommige oudere schijven die geen standaard master/slave IDE-kanaalsignalering ondersteunen.
Kabelselectie: Sommige configuraties gebruiken een speciale kabel om te bepalen welke drive master en welke slave is, en wanneer dit systeem wordt gebruikt een kabelselectiejumper is normaal gesproken ingeschakeld.
Formaatbeperkingsjumper: Sommige grotere harde schijven werken niet goed op oudere computers die geen BIOS-programma of grote harde schijven hebben schijfondersteuning herkent ze. Om dit te omzeilen, hebben sommige schijven speciale jumpers die, wanneer ze zijn ingesteld, ervoor zorgen dat ze kleiner lijken dan ze in werkelijkheid zijn voor het BIOS voor compatibiliteit.
Bijvoorbeeld hebben sommige harde schijven van 2,5 GB een jumper waardoor ze verschijnen als een harde schijf van 2,1 GB op een systeem dat niets meer dan 2,1 GB ondersteunt. Deze worden ook wel capaciteitsbegrenzingsjumpers genoemd en verschillen van fabrikant tot fabrikant.
Voorbeeld van jumperinstelling van een Seagate Technology-harddiskmodel
SCSI-harde schijven hebben geavanceerdere controllers dan die van IDE/ATA-harde schijven, daarom hebben SCSI doorgaans veel meer jumpers die kunnen worden ingesteld om hun werking te regelen. Ze hebben ook de neiging om veel meer te verschillen van fabrikant tot fabrikant en van model tot model in het aantal en type jumpers dat ze hebben.
Meestal zijn de volgende de meest voorkomende en belangrijke jumpers voor SCSI-schijven:
SCSI-apparaat-ID: Elk apparaat op een SCSI-bus moet uniek worden geïdentificeerd voor adresseringsdoeleinden. Narrows SCSI-drives hebben een set van drie jumpers die kunnen worden gebruikt om de schijf een ID-nummer van 0 tot 7 toe te wijzen. Wide SCSI-drives hebben vier jumpers om ID-nummers van 0 tot 15 mogelijk te maken. Sommige systemen gebruiken geen jumpers om SCSI-apparaat-ID's configureren.
SCSI-schijfjumpers
Beëindiging activeren: De apparaten aan de uiteinden van de SCSI-bus moeten de bus afsluiten om correct te kunnen functioneren. Als de harde schijf zich aan het einde van de bus bevindt, zorgt het instellen van deze jumper ervoor dat de bus wordt afgesloten voor een goede werking. Niet alle schijven ondersteunen beëindiging.
Automatisch starten uitschakelen: Indien aanwezig, zal deze jumper de drive vertellen dat deze niet automatisch start wanneer de stroom wordt ingeschakeld, maar in plaats daarvan wacht op een startopdracht via de SCSI-bus. Dit wordt meestal gedaan om overmatige opstartbelasting van de voeding te voorkomen. Sommige fabrikanten keren het gevoel van deze jumper om; ze schakelen standaard het opstarten uit en bieden een Enable Auto Start jumper.
Delay Auto Start: Deze jumper vertelt de drive om automatisch te starten, maar wacht een vooraf bepaald aantal seconden vanaf het moment dat de stroom wordt ingeschakeld. Het wordt ook gebruikt om de opstartbelasting van de motor te compenseren op systemen met veel aandrijvingen.
Stagger Spin: Wanneer een systeem met veel harde schijven deze optie voor elke eenheid heeft ingesteld, spreiden de schijven hun opstarttijd door te vermenigvuldigen een door de gebruiker gedefinieerde constante tijden hun SCSI-apparaat-ID. Dit zorgt ervoor dat er geen twee schijven op hetzelfde SCSI-kanaal tegelijk opstarten.
Smal of Breed: sommige schijven hebben een jumper om te bepalen of ze in de smalle of brede modus werken.
Forceer SE: Hiermee kunnen Ultra2, Wide Ultra2, Ultra160, Ultra160+ of andere LVD SCSI-schijven gedwongen worden single-ended te gebruiken (SE) werking in plaats van LVD (laagspanningsverschil).
Pariteit uitschakelen: Schakelt pariteitscontrole op de SCSI-bus uit, voor compatibiliteit met hostadapters die de functies niet ondersteunen.
Dit is niet alles. Veel SCSI-drives hebben een aantal extra speciale functies die mogelijk worden gemaakt door meer jumpers. Sommige schijven hebben sommige van hun jumpers vervangen door softwarecommando's die via de SCSI-interface zijn verzonden.
Logicabord
De nieuwere harde schijven zijn geïntroduceerd met veel functies en hogere snelheden en de ontwikkeling is nog steeds aan de gang. Om al deze functies te besturen en de hoogwaardige eigenschappen van de schijf te bieden op de geavanceerde manier waarop ze worden verwacht, zijn alle moderne harde schijven gemaakt met een intelligente printplaat die in de harde schijf is geïntegreerd. Deze printplaat heet Hard Disk Logic Board. Een logic board gebruikt de volgende belangrijke componenten om een verscheidenheid aan functies en kenmerken aan een harde schijf te bieden:
- Besturingsschakeling
- Sense-, versterkings- en conversiecircuits
- Interface-hardware
- Firmware
- Meerdere commando's beheren en opnieuw ordenen
Beide van de twee meest voorkomende interfaces die tegenwoordig populair zijn voor pc-harde schijven IDE (Integrated Drive Electronics) en SCSI (Small Computer Systems Interface) gebruiken geïntegreerde controllers. De juistere naam voor de IDE-interface is AT Attachment of ATA (Advanced Technology Attachment). De moderne harde schijven hebben een zeer geavanceerd logic board dat meer geheugen en snellere interne processors bevat dan een hele pc uit zelfs het midden van de jaren tachtig.
Het logic board vervult verschillende belangrijke functies dan voorheen. Daarom moeten de logische circuits krachtiger zijn om veranderingen zoals geometrievertaling, geavanceerde betrouwbaarheidsfuncties, meer gecompliceerde koptechnologieën, snellere interfaces en datastreaming met hogere bandbreedte vanaf de schijf zelf aan te kunnen.
De interne printplaat van een harde schijf bevat een microprocessor en intern geheugen, en andere structuren en circuits die bepalen wat er in de schijf gebeurt. Enkele van de belangrijkste functies van het regelcircuit van de omvormer zijn als volgt:
- Aansturen van de spindelmotor, inclusief ervoor zorgen dat de spindel op de juiste snelheid draait.
- Besturing van de beweging van de actuator naar verschillende sporen.
- Alle lees- en schrijfbewerkingen beheren.
- Functies voor energiebeheer implementeren.
- Omgaan met geometrievertaling.
- Beheer van de interne cache en optimalisatiefuncties zoals pre-fetch.
- Het coördineren en integreren van de andere functies die in deze sectie worden genoemd, zoals de informatiestroom over de harde schijf-interface, het optimaliseren van meerdere verzoeken, het converteren van gegevens van en naar de vorm die de lees-/schrijfkoppen nodig hebben, enz.
- Implementatie van alle geavanceerde prestatie- en betrouwbaarheidsfuncties.
De moderne harde schijven hebben interne microprocessors en de meeste hebben ook interne software die ze uitvoert. Deze routines voeren de besturingslogica uit en zorgen ervoor dat de omvormer werkt. In feite is dit niet echt software in de conventionele zin, omdat deze instructies zijn ingebed in alleen-lezen geheugen. Deze code is analoog aan het systeem-BIOS, low-level, op hardware gebaseerde controleroutines, ingebed in ROM. Het wordt meestal firmware genoemd.
Dit is de reden waarom Firmware soms de middelste schakel tussen hardware en software wordt genoemd. In veel stations kan de firmware worden bijgewerkt onder softwarebesturing.
Cache en cachecircuit
De functie van geïntegreerde cache (ook vaak buffer genoemd) van een harde schijf is om te fungeren als buffer tussen een relatief snel apparaat en een relatief langzaam apparaat. Voor harde schijven wordt de cache gebruikt om de resultaten van recente leesbewerkingen van de schijf vast te houden, en ook om vooraf informatie op te halen die waarschijnlijk in de nabije toekomst zal worden aangevraagd, bijvoorbeeld de sector of sectoren onmiddellijk na de zojuist aangevraagde .
Het doel van deze cache is dus niet anders dan die van andere caches die op de pc worden gebruikt, hoewel het normaal gesproken niet wordt beschouwd als onderdeel van de normale pc-cachehiërarchie. Houd er altijd rekening mee dat wanneer iemand algemeen spreekt over een schijfcache, ze meestal niet verwijzen naar dit kleine geheugengebied op de harde schijf, maar eerder naar een cache met systeemgeheugen die is gereserveerd om toegang tot het schijfsysteem te bufferen.
Het gebruik van cache verbetert de prestaties van elke harde schijf, door het aantal fysieke toegangen tot de schijf bij herhaald lezen te verminderen en gegevens ononderbroken van de schijf te laten streamen wanneer de bus bezet is. De meeste moderne harde schijven hebben tussen de 512 KB en 2 MB intern cachegeheugen, zelfs sommige high-performance SCSI-schijven hebben zelfs 16 MB.
De cache van een harde schijf is belangrijk vanwege het enorme verschil in de snelheden van de harde schijf en de harde schijf-interface. Het vinden van een stukje data op de harde schijf omvat willekeurige positionering en brengt een boete van milliseconden met zich mee als de actuator van de harde schijf wordt verplaatst en de schijf ronddraait op de spil. Daarom hebben harde schijven interne buffers.
Het basisprincipe achter de werking van een eenvoudige cache is eenvoudig. Het lezen van gegevens van de harde schijf gebeurt over het algemeen in blokken van verschillende groottes, niet slechts één sector van 512 bytes tegelijk. De cache is opgedeeld in segmenten of stukjes die elk één gegevensblok kunnen bevatten.
Als er een verzoek om gegevens van de harde schijf wordt gedaan, wordt eerst het cachecircuit opgevraagd om te zien of de gegevens aanwezig zijn in een van de segmenten van de cache. Als het aanwezig is, wordt het aan de printplaat geleverd zonder dat toegang tot de harde schijfschijven nodig is. Als de gegevens zich niet in de cache bevinden, worden ze van de harde schijf gelezen, aan de controller geleverd en vervolgens in de cache geplaatst voor het geval er opnieuw om wordt gevraagd.
Omdat de cache beperkt is, zijn er maar een beperkt aantal gegevens die kunnen worden bewaard voordat de segmenten moeten worden gerecycled. Meestal wordt het oudste stuk gegevens vervangen door het nieuwste. Dit wordt circulair, first-in, first-out (FIFO) of wrap-around caching genoemd.
In een poging om de prestaties te verbeteren, hebben de meeste fabrikanten van harde schijven tegenwoordig verbeteringen doorgevoerd in hun cachebeheercircuits, met name op high-end SCSI-schijven:
Adaptieve segmentatie: Conventionele caches worden opgedeeld in een aantal even grote segmenten. Aangezien verzoeken kunnen worden gedaan voor datablokken van verschillende groottes, kan dit ertoe leiden dat een deel van de opslag van de cache in sommige segmenten over blijft en dus verspild wordt. Veel nieuwere schijven passen het formaat van de segmenten dynamisch aan op basis van hoeveel ruimte nodig is voor elke toegang, om een groter gebruik te garanderen. Het kan ook het aantal segmenten wijzigen. Dit is ingewikkelder om te verwerken dan segmenten met een vaste grootte, en het kan zelf leiden tot verspilling als de ruimte niet goed wordt beheerd.
Pre-Fetch: de cachelogica van een schijf, gebaseerd op het analyseren van toegangs- en gebruikspatronen van de schijf, probeert te laden in een deel van de cachegegevens dat nog niet is aangevraagd, maar waarvan verwacht wordt dat deze binnenkort zal worden opgevraagd. Gewoonlijk betekent dit dat er extra gegevens worden geladen naast de gegevens die zojuist van de schijf zijn gelezen, omdat het statistisch gezien waarschijnlijker is dat ze daarna worden opgevraagd. Als dit correct wordt gedaan, zal dit de prestaties tot op zekere hoogte verbeteren.
Gebruikerscontrole: High-end schijven hebben een reeks opdrachten geïmplementeerd waarmee de gebruiker gedetailleerde controle heeft over de werking van de schijfcache. Dit omvat het toestaan van de gebruiker om caching in of uit te schakelen, de grootte van segmenten in te stellen, adaptieve segmentatie en pre-fetch in of uit te schakelen, enz.
Hoewel de interne buffer duidelijk de prestaties verbetert, heeft deze ook de beperkingen. Het helpt heel weinig als u veel willekeurige toegang tot gegevens in verschillende delen van de schijf doet, want als de schijf in het verleden niet recentelijk een stuk gegevens heeft geladen, zal het niet in de cache staan.
De buffer is ook van weinig nut als u een grote hoeveelheid gegevens van de schijf leest, omdat deze normaal gesproken erg klein zal zijn als u een bestand van 50 MB kopieert. Op een typische schijf met een buffer van 512 bytes kan bijvoorbeeld een heel klein deel van het bestand zich in de buffer bevinden en de rest moet van de schijf zelf worden gelezen.
Vanwege deze beperkingen heeft de cache niet zoveel invloed op de algehele systeemprestaties als je zou denken. Hoeveel het helpt, hangt tot op zekere hoogte af van de grootte, maar minstens evenveel van de intelligentie van zijn circuits; net als de logica van de harde schijf in het algemeen. En net als de logica in het algemeen, is het in veel gevallen moeilijk om precies te bepalen hoe de cachelogica op een bepaalde schijf eruitziet. De grootte van de cache van de schijf is echter belangrijk voor de algehele impact ervan bij het verbeteren van de prestaties van het systeem.
Leesbewerkingen in de cache van de harde schijf en schrijfacties in de cache naar de harde schijf zijn in sommige opzichten vergelijkbaar, maar zijn in andere heel verschillend. Ze zijn hetzelfde in hun algemene doel, namelijk de snelle computer loskoppelen van de trage mechanica van de harde schijf. Het belangrijkste verschil is dat schrijven een wijziging van de harde schijf met zich meebrengt, terwijl lezen dat niet doet.
Zonder schrijfcaching betekent elke schrijfactie naar de harde schijf een prestatieverlies, terwijl het systeem wacht tot de harde schijf toegang heeft tot de juiste locatie op de harde schijf en de gegevens wegschrijft. Dit duurt op de meeste schijven minstens 10 milliseconden, wat een lange tijd is in de computerwereld en de prestaties aanzienlijk vertraagt terwijl het systeem op de harde schijf wacht. Deze manier van werken wordt write-through caching genoemd.
Als schrijfcaching is ingeschakeld en het systeem een schrijfactie naar de harde schijf verzendt, neemt het logische circuit de schrijfactie op in zijn veel snellere cache en stuurt vervolgens onmiddellijk een bevestiging terug naar het besturingssysteem om het proces te voltooien. De rest van het systeem kan dan zijn weg vervolgen zonder te hoeven wachten tot de actuator is gepositioneerd en de schijf begint te draaien, enzovoort. Dit wordt write-back caching genoemd, omdat de gegevens in de cache worden opgeslagen en pas later naar de platters worden teruggeschreven. De terugschrijffunctie verbetert natuurlijk de prestaties.
Omdat het cachegeheugen vluchtig is, gaat de inhoud ervan verloren als de stroom uitvalt. Als er schrijfbewerkingen in de cache in behandeling zijn die nog niet naar de schijf zijn geschreven, zijn ze voor altijd verdwenen en kan de rest van het systeem dit niet weten, want wanneer het door de harde schijf wordt verteld als de voltooiing. Daardoor gaan niet alleen wat gegevens verloren, maar weet het systeem niet eens welke gegevens, of zelfs maar dat het is gebeurd. Het eindresultaat kan problemen met de consistentie van bestanden, corruptie van het besturingssysteem, enzovoort zijn. Vanwege dit risico wordt schrijfcaching in sommige situaties helemaal niet gebruikt.
Dit geldt met name voor toepassingen waar een hoge gegevensintegriteit van cruciaal belang is. Vanwege de prestatieverbetering die het schrijven van cache-aanbiedingen biedt, wordt het echter steeds vaker gebruikt ondanks het risico, en het risico wordt beperkt door het gebruik van aanvullende technologie.
De meest gebruikelijke techniek is ervoor te zorgen dat de stroom niet uitvalt. Voor extra gemoedsrust hebben betere schijven die gebruik maken van schrijfcaching een schrijfspoelfunctie die de schijf vertelt om alle wachtende schrijfacties in de cache onmiddellijk naar schijf te schrijven. Dit is een opdracht die gewoonlijk wordt verzonden voordat de UPS-batterijen leeg raken als het systeem een stroomonderbreking detecteert of net voordat het systeem om een andere reden moet worden uitgeschakeld.
Lage harde schijf geometrie
Als we het hebben over de geometrie van een harde schijf op een laag niveau, maken we ons niet zo druk om de fysieke circuits van de schijf. Hier gaan we de voorwaarden bespreken waarmee we nu te maken krijgen om de schijfprobleemoplossing en het programmeren van gegevensherstel hierboven te begrijpen.
De geometrie van de harde schijf op laag niveau heeft meestal betrekking op de volgende termen:
- Volgen
- Cilinder
- Sector
- Hoofd of zijkant
Harde schijfgeometrie op laag niveau
De platters van een harde schijf hebben twee kanten voor het opnemen van de gegevens. Elk oppervlak van het plateau heeft onzichtbare concentrische cirkels, die tijdens het formatteren van de harde schijf als magnetische informatie op het oppervlak worden geschreven. Deze cirkels worden sporen genoemd. Alle informatie die op een harde schijf is opgeslagen, wordt in tracks vastgelegd. De nummers zijn genummerd, beginnend bij 0, beginnend aan de buitenkant van het plateau en toenemend naarmate je naar binnen gaat.
Over het maximale aantal rupsbanden en cilinders zullen we in de volgende hoofdstukken uitgebreid ingaan. Voor nu kunnen we echter kennis krijgen van fysieke geometrie op laag niveau van maximale aantallen cilinders, rupsbanden, koppen (zijkanten) en sectoren.
| Name |
Start From |
End Limit |
Total Number |
| Cylinders |
0 |
1023 |
1024 |
| Heads |
0 |
255 |
256 |
| Sectors |
1 |
63 |
63 |
In het oppervlak van de schotel van een harde schijf zijn de gegevens toegankelijk door de koppen van het binnenste naar het buitenste deel van de schijf te verplaatsen. Deze organisatie van gegevens zorgt voor gemakkelijke toegang tot elk deel van de schijf, daarom worden schijven opslagapparaten met willekeurige toegang genoemd.
Low-level harde schijf geometrie track
Elke track kan duizenden bytes aan gegevens bevatten en over het algemeen is deze opslag meer dan 5000 bytes. Daarom, als we van een track de kleinste opslageenheid op de schijf maken, zal dit een verspilling van schijfruimte zijn, omdat door dit te doen de kleine bestanden met een grootte van minder dan 5000 bytes de hoeveelheid ruimte verspillen en over het algemeen is het heel goed mogelijk om met een aantal bestanden op de schijf die veel kleiner zijn dan deze grootte.
Op deze manier zullen de kleine bestanden een grote hoeveelheid ruimte verspillen door van een track de kleinste opslageenheid te maken. Daarom wordt elk spoor opgedeeld in kleinere eenheden die sectoren worden genoemd. De grootte van elke sector is 512 bytes d.w.z. een sector kan 512 bytes aan informatie bevatten.
De basiseenheid voor gegevensopslag op een harde schijf is dus de sector. De naam sector verwijst naar een taartvormig hoekgedeelte van een cirkel, aan twee zijden begrensd door stralen en de derde door de omtrek van de cirkel. U kunt een logische figuur zien die sectoren op een hiernaast weergegeven spoor voorstelt.
Dus op een harde schijf die concentrische cirkelvormige sporen bevat, zou die vorm een sector definiëren van elk spoor van het plateauoppervlak dat het onderschept. Dit is wat een sector wordt genoemd in de wereld van de harde schijf is een klein segment langs de lengte van een track.
Volgens de norm kan elke sector van een harde schijf 512 bytes aan gebruikersgegevens opslaan. In feite bevat de sector echter veel meer dan 512 bytes aan informatie. Er zijn extra bytes nodig voor besturingsstructuren en andere informatie die nodig is om de schijf te beheren, gegevens te lokaliseren en andere ondersteunende functies uit te voeren.
De exacte details van hoe een sector is gestructureerd, zijn afhankelijk van het schijfmodel en de fabrikant. De inhoud van een sector bevat echter meestal de volgende algemene elementen:
ID-informatie: Gewoonlijk wordt er in elke sector ruimte gelaten om het nummer en de locatie van de sector te identificeren. Dit wordt gebruikt om de sector op de schijf te lokaliseren en bevat ook statusinformatie over de sector in dit gebied. Een bit wordt bijvoorbeeld vaak gebruikt om aan te geven of de sector als defect is gemarkeerd en opnieuw is toegewezen.
Synchronisatievelden: Deze worden intern door de drivecontroller gebruikt om het leesproces te begeleiden.
Gegevens: de feitelijke gegevens in de sector.
Foutcorrectiecodes (ECC): Foutcorrectiecodes worden gebruikt om de gegevensintegriteit te waarborgen.
Hiaten: Hiaten zijn in feite een of meer afstandhouders die zo nodig worden toegevoegd om andere delen van de sector van elkaar te scheiden, of om tijd te geven aan de controller om te verwerken wat het heeft gelezen voordat het meer bits leest.
Naast de sectoren, die elk de beschreven items bevatten, wordt op elk spoor ook ruimte gebruikt voor servo-informatie. De hoeveelheid ruimte die elke sector inneemt voor overhead-items is belangrijk, want hoe meer bits er voor dit beheer worden gebruikt, hoe minder er in totaal voor gegevens kunnen worden gebruikt.
Dit is de reden dat de fabrikanten van harde schijven ernaar streven de hoeveelheid niet-gebruikersgegevens die op de schijf moet worden opgeslagen, te verminderen. Het percentage bits op elke schijf dat wordt gebruikt voor gegevens, in tegenstelling tot andere dingen zoals eerder beschreven, staat bekend als formaatefficiëntie. Daarom is de hogere formaatefficiëntie een verwacht kenmerk van een schijf.
In de nieuwste benadering om tegenwoordig een hogere indelingsefficiëntie te krijgen, worden de ID-velden verwijderd uit het sectorformaat en in plaats van elke sector binnen de sectorkop te labelen, wordt een formaatkaart in het geheugen opgeslagen en wordt er verwezen wanneer een sector moet worden gelokaliseerd.
Deze kaart bevat ook informatie over de sectoren die als slecht zijn gemarkeerd en zijn verplaatst waar de sectoren zich bevinden ten opzichte van de locatie van servo-informatie enzovoort. Deze aanpak verbetert niet alleen de efficiëntie van het formaat, waardoor tot 10% meer gegevens op het oppervlak van elke plaat kunnen worden opgeslagen, maar verbetert ook de prestaties. Omdat deze kritieke positioneringsinformatie aanwezig is in het snelle geheugen, kan deze veel sneller worden geopend.
Harde schijf hd hdd schijven fysieke circuitstructuur
Elke plaat van de harde schijf gebruikt twee koppen (behalve in enkele speciale gevallen) om gegevens op te nemen en te lezen, één voor de bovenkant van de plaat en één voor de onderkant. De koppen die toegang hebben tot de schotels zijn aan elkaar vergrendeld op een samenstel van hoofdarmen, daarom bewegen alle koppen samen in en uit, zodat elke kop zich altijd fysiek op hetzelfde tracknummer bevindt.
Dit is de reden dat het niet mogelijk is om één hoofd op spoor 0 en een ander op spoor 1.000 te hebben. Vanwege deze opstelling wordt de spoorlocatie van de koppen vaak niet een spoornummer genoemd, maar eerder een cilindernummer.
Een cilinder is in feite de verzameling van alle sporen waar alle koppen zich momenteel op bevinden. Als een schijf vier platters heeft, zou deze in het algemeen acht koppen hebben. Stel nu dat het cilinders nummer 720 heeft.
Harde schijven cilinder fysieke circuit geometrie structuur
Het zou bestaan uit de acht reeksen sporen, één per plaatoppervlak met sporen nummer 720. De naam komt van het feit dat deze sporen een skeletcilinder vormen omdat het cirkels van gelijke grootte zijn die op elkaar zijn gestapeld in de ruimte , zoals weergegeven in de eerder gegeven afbeelding.
Het adresseren van de factoren van de schijf gebeurt traditioneel door te verwijzen naar cilinders, koppen en sectoren (CHS).
Opmaak
Elk opslagmedium moet worden geformatteerd voordat het kan worden gebruikt. De hulpprogramma's die voor het formatteren worden gebruikt, gedragen zich anders wanneer ze op harde schijven werken dan wanneer ze voor floppydisks worden gebruikt. Het formatteren van een harde schijf omvat de volgende stappen:
Partitioneren:
Dit proces verdeelt de schijf in logische delen die verschillende harde-schijfvolumes of stationsletters toewijzen.
Het partitioneren van harde schijven is een van de meest effectieve methoden die beschikbaar zijn voor het organiseren van harde schijven. Partities bieden een algemener organisatieniveau dan mappen en bestanden. Ze bieden ook meer veiligheid door gegevens te scheiden van besturingssystemen en applicaties.
Met partities kunt u gegevensbestanden scheiden, waarvan regelmatig een back-up moet worden gemaakt van programma- en besturingssysteembestanden. Partitionering wordt een noodzaak voor de harde schijf als u bereid bent meer dan één besturingssysteem op de schijf te laden, anders is het in de meeste gevallen mogelijk dat u uw gegevens verliest.
De eerste sector van een harde schijf bevat een partitietabel. Deze partitietabel heeft slechts ruimte om vier partities te beschrijven. Dit worden primaire partities genoemd. Een van deze primaire partities kan verwijzen naar een reeks extra partities. Elke partitie in deze keten wordt een logische partitie genoemd. In de volgende hoofdstukken zullen we de basisprincipes van partities met een logische benadering in detail bespreken.
Opmaak op hoog niveau:
Het definieert de logische structuren op de partitie en plaatst aan het begin van de schijf alle benodigde besturingssysteembestanden. Deze stap is ook een opdracht op besturingssysteemniveau.
Het FORMAT-commando van DOS dat FORMAT.COM is, gedraagt zich anders wanneer het op een harde schijf wordt gebruikt dan wanneer het op een diskette wordt gebruikt. Diskettes hebben een eenvoudige, standaardgeometrie en kunnen niet worden gepartitioneerd, dus het FORMAT-commando is geprogrammeerd om automatisch zowel low-level als high-level een diskette te formatteren, indien nodig, maar in het geval van harde schijven zal FORMAT alleen een high-level formaat.
Als we het formatteren op laag niveau hebben voltooid, hebben we een schijf met tracks en sectoren, maar er is niets op geschreven. Formatteren op hoog niveau is het proces van het schrijven van de bestandssysteemstructuren op de schijf waardoor de schijf kan worden gebruikt voor het opslaan van programma's en gegevens.
Als je DOS gebruikt, voert het FORMAT-commando (dat is FORMAT.COM) dit werk uit door structuren zoals de DOS-opstartrecordbestandstoewijzingstabellen en rootdirectory's naar de schijf te schrijven. Formatteren op hoog niveau wordt gedaan nadat de harde schijf is gepartitioneerd.
Geformatteerde en niet-geformatteerde opslagcapaciteit
De totale opslag van een harde schijf hangt af van, of je kijkt naar de geformatteerde of niet-geformatteerde capaciteit. Een deel van de ruimte op een harde schijf wordt ingenomen door de formatteringsinformatie die het begin en einde van sectoren markeert, ECC (Error Correction Codes) en andere overheadinformatie. Om deze reden kan het verschil behoorlijk groot zijn.
Bij oudere schijven die doorgaans op laag niveau werden geformatteerd door de gebruiker, werd de grootte vaak vermeld in termen van niet-geformatteerde capaciteit.
Bijvoorbeeld: neem de Seagate ST-412, de eerste schijf die begin jaren tachtig op de originele IBM PC/XT werd gebruikt. De "12" in dit modelnummer verwijst naar de niet-geformatteerde capaciteit van de schijf van 12,76 MB. Geformatteerd, het is eigenlijk een 10,65 MB schijf.
De niet-geformatteerde capaciteit van een harde schijf is over het algemeen 19% (19 procent) hoger dan de geformatteerde capaciteit. Aangezien niemand een schijf kan gebruiken die niet is geformatteerd, is het enige dat telt de geformatteerde capaciteit en daarom worden moderne schijven altijd op laag niveau geformatteerd door de fabrikanten.
De capaciteit van een harde schijf kan op de volgende vier manieren worden uitgedrukt:
- Geformatteerde capaciteit in miljoenen bytes
- Geformatteerde capaciteit in megabytes
- Ongeformatteerde capaciteit in miljoenen bytes
- Ongeformatteerde capaciteit in megabytes
Als ik nu een harde schijf heb met C–H–S = 1024*63*63 (Dit betekent dat de schijf het aantal cilinders heeft = 1024, het aantal koppen of zijkanten = 63 aantal sectoren per track = 63) en elke sector met 512 bytes. De formule die de grootte van de schijf berekent, is als volgt:
Total Size of the Disk (Bytes) = (Cylinders) X (Heads) X (Sectors) X
(Bytes per Sector) |
Met deze formule, wanneer we de grootte van de gegeven harde schijf in bytes berekenen, zal het zijn:
= 1024 X 63 X 63 X 512
= 2080899072 Bytes
Als ik nu de grootte van mijn schijf in miljoenen bytes bereken, zal het ongeveer zijn:
= 2080.899072
~ 2081 millions of byte
Traditioneel wordt de grootte in miljoenen bytes weergegeven door M. Daarom is de grootte van mijn schijf in miljoenen bytes ongeveer 2081 M.
Maar als ik de capaciteit van mijn harde schijf in Megabytes vertel, zal het ongeveer 1985 zijn en zal het worden geschreven als 1985 Meg.
Op deze manier is de algemene formule om de schijfcapaciteit in miljoenen bytes te berekenen als volgt:
En de algemene formule voor het berekenen van de capaciteit van de schijf in Megabyte wordt als volgt gegeven:
Pagina aangepast op: 04/01/2022
Home