Óravázlat Készítette: Kucsera Mihály, Toldi Miklós 2010. PC HARDVER ISMERETEK Óravázlat Készítette: Kucsera Mihály, Toldi Miklós 2010.

Tematika 7. fejezet: Mágneslemezes tárolók Lemezes tárolók fizikai felépítése SSD –k

Adatrögzítési eljárások A mágneslemezes tárolók kétdimenziós tárolóeszközök, melyeknél az adatbitek mágneses fluxusváltozás formájában kerülnek rögzítésre. Az adatsűrűség növelése érdekében különféle adatrögzítésban használatos kódolások terjedtek el, ezek közül a legfontosabbak: FM =Frekvenciamoduláció MFM= Módosított frekvenciamoduláció RLL (RUN LENGTH LIMITED)= Futási hossz korlátozás

FM

MFM

RLL

Mágneslemezek fizikai szerkezete Sáv (TRACK) Geomet-riai szektor 5,25” / i3,5” / 2,5” / 1,5” átmérőjű kör alakú adathordozó Körkörös adattárolás=sávok A sávok további felosztása=szektorok A szektorok mérete a PC-s rendszerekben állandó =512 byte vagy 4096 byte A sávonkénti szektorok száma lehet állandó (floppy, ST506 winchester), vagy változó (IDE) Az adattárolási struktúra formattálással alakul ki. Klaszter (CLUSTER) Szektor (SECTOR)

Hajlékonylemezek Legolcsóbb háttértároló Felhasználási területei: program/adat mozgatás, terjesztés, archiválás, rendszerindítás (boot) Jellemzői: Horizontális sűrűség= a sávok száma sugárirányban (TPI:TRACK per INCH) Lineáris sűrűség= a sávon belül egységnyi méretre írható bitek száma (BPI= BIT per INCH) Típus (SD, DD, HD) Oldalak száma (SS, DS) Lemezméret (5,25”, 3,5”)

Hajlékonylemezek Lemezméret (‘’) Típus Sáv Szektor/sáv Sűrűség (TPI) Kapacitás 5,25 SS/SD 40 9 48 180 Kbyte DS/SD 8 320 Kbyte DS/DD 360 Kbyte DS/HD 80 15 96 1,2 Mbyte 3,5 135 720 Kbyte 18 1,44 Mbyte 36 2,88 Mbyte

A floppymeghajtó A lemezegység 2 mágneses író/olvasó fejjel van ellátva DMA-s adatátvitel a PC és a meghajtó között A BIOS két eszközt támogat, melynek típusát a SETUP-ban kell megadni. (A, B) Az eszközök csatlakoztatására 34 erű szalagkábel szolgál (+tápcsatlakozó)

Merevlemezek Adatok, programok munkatára Szerkezete: Az AL ötvözetből készült lemezek egymás fölött közös tengelyen forognak, a működés teljes ideje alatt. A fej és lemez között légpárna van a működés során, kikapcsoláskor parkoló funkció. A pormentes környezet érdekében zárt házban helyezkedik el. A merevlemezekkel kapcsolatos új fogalmak: Cilinder= az egymás felett elhelyezkedő (azonos sorszámú) sávok együttesen Parkolás= a winchester kikapcsolásakor a fejeket adattárolás szempontjából érdektelen sávra érkeztetik Átlapolási tényező (INTERLEAVE)= logikai szektor eltolás a fizikai sorrendhez képest. Mérőszáma egy arányszám, pl.: 1:2 Írási prekompenzáció (WRITE PRECOMPENSATION)=a belső sávokban a nagyobb sávsűrűség miatt az íróáramot csökkenteni kell, a szám megadja a csökkentés kezdő sávját. A merevlemez teljes tárolókapacitásának meghatározása: C*H*S*512/4096 byte C=cilinderszám;H=fejszám;S=szektorszám*512/4096byte Példa: ST225 winchester C=615;H=4;S=17 ->615*4*17*512 byte=21411840 byte ->21,4 MByte

Merevlemez vezérlő szabványok ST506 ESDI SCSI IDE (ATA) SATA

ST506 vezérlő SEAGATE fejlesztés, mely a korábbi hajlékonylemezes szabványokból fejlődött ki A meghajtók 34 erű vezérlő és eszközönként 20 erű adatkábellel csatlakoznak a vezérlőhöz Analóg jelátvitel a fej és a vezérlő között 5 Mbit/s (MFM), 7,5 Mbit/s (RLL) maximális átviteli sebesség Max 2 eszközt támogat, melyek fizikai paramétereit a SETUP-ban kell beállítani A vezérlő elemi parancskészletű (fej léptetés egy sávval, szektor olvasás …) Az XT/286AT-kben használták Logikai geometria=fizikai geometria!!!

ESDI vezérlő ST506 továbbfejlesztése Azonos kábelkészletet használ, de nem jelkompatibilis NRZ kódolású digitális jelek a vezérlő és a meghajtó között RLL 2.7 kódolást használ Külön parancsvezetékkel rendelkezik, melyen magas szintű parancsok adhatók ki .(pl.: SEEK, RACALIBRATE, REQUEST CONFIGURATION) SETUP beállítása: „1’ típus –a beállításokat az ESDI BIOS végzi Alacsonyszintű formázásnál nem szükséges a hibás sávokat megadni

SCSI vezérlő SHUGART ASSOCIATES fejlesztés („SASI” csatoló) Sínorientált eszköz interface különféle perifériák (HDD, CD-ROM, nyomtató, scanner, szalagos egység stb.) fogadására. Az eszközöket egyetlen vezérlő (hosztadapter) kezeli Intelligens interfész , az egységek saját processzorral rendelkeznek, magasszintű parancsokat használ (lemez formázás, blokk írás/olvasás) Max 8 (16) eszköz lehet a sínen (a vezérlővel együtt), az eszköz azonosítása SCSI ID-vel történik (nem lehet azonos), a kábelt két végén le kell zárni. Párhuzamos adatátvitel, lehet paritásos v. nélküli SETUP beállítása: nincs eszköz, konfigurálás a vezérlő programjával

SCSI kábelek, csatlakozók Belső egységeknél 50, ill. 68 eres szalagkábel Külső egységeknél 50, ill. 68 eres árnyékolt kábel

SCSI kábelek, csatlakozók SCSI csatlakozók Belső egység csatlakozók Külső egység csatlakozók

SCSI szabványok áttekintése Név Csatlakozó (külső;belső) Sávszé-lesség Átv. seb Max hossz Eszközök sz. SCSI-1 IDC50; Centronics C50 8 bit 5 MB/s 6 m 8 Fast SCSI 10 MB/s 1.5-3 m Fast-Wide SCSI 2 x 50-pin (SCSI-2); 1 x 68-pin (SCSI-3) 16 bit 20 MB/s 16 Ultra SCSI IDC50 Ultra Wide SCSI 68-pin 40 MB/s Ultra2 SCSI 50-pin NA Ultra2 Wide SCSI 68-pin; 80-pin (SCA/SCA-2) 80 MB/s Ultra3 SCSI 160 MB/s Ultra-320 SCSI 320 MB/s Ultra-640 SCSI 68-pin; 80-pin 640 MB/s

SCSI eszköz telepítésének lépései SCSI cím és paritásellenőrzés beállítása Eszközök felfűzése a kábelre (lezárás !) SETUP-ban a merevlemez helyén NOT INSTALLED Alacsonyszintű formázás a vezérlő BIOS programjával Partícionálás Formázás Operációs rendszer telepítés

IDE (AT sínes) csatoló CONNER fejlesztés, lényege, hogy a vezérlőkártya elektronikát a meghajtóra integrálják. Az alaplapon (vagy külön kártyán) csak a sínillesztő található (AT sínes eszköz) ATA (AT ATTACHMENT) az IDE szabványosítása (1988 SFCC) A BIOS felé ST506 felületet emulál- más fizikai és logikai geometria (Alacsonyszintű formázás szükségtelen és tilos !) RLL kódolást használ, változó szektor/sáv érték, 1:1 interleave Meghatározott parancskészlet, mely az SCSI parancskészletre hasonlít (pl.: RECALIBRATE, READ SECTORS,WRITE SECTORS, FORMAT TRACK, IDENTIFY DRIVE). A parancsok paramétereit 4 regiszterbe íródnak be: (SECTOR COUNT, SECTOR NUMBER, CYLINDER, DRIVE/HEAD) Párhuzamos átvitel , 2 MB/s, 40 erű szalagkábelen Két eszközt vezérel (MASTER/SLAVE)- beállítása jumperrel Előnyök Az eszköz és a vezérlő között nics kábel- adatátvitel gyorsítása Fizikai geometriától függetleníti a rendszert Egyszerűbb telepítés

IDE eszköz telepítésének lépései MASTER/SLAVE beállítás Eszközök felfűzése a kábelre SETUP-ban a merevlemez helyén USER TYPE ( vagy AUTO DETECT) Partícionálás Formázás Operációs rendszer telepítés

Átviteli módok PIO mód (PROGRAMMED I/O MODE): Meghatározza azt az I/O módot, amin az ATA merevlemez fut. Alapjában véve a busz működési sebességét határozza meg. Minél nagyobb a PIO mód, annál nagyobb a busz sebessége. Az IDE szabvány a PIO 1,2 módot tartalmazza DMA (DIRECT MEMORY ACCESS) Közvetlen memória hozzáférést engedélyez a meghajtónak, kikerülve ezzel a CPU-t. Ez meggyorsítja az adatátvitelt, és nagymértékben tehermentesíti a CPU-t

Tovább fejlesztett ATA szabványok Az IDE vezérlő hátrányai: Csak merevlemez vezérlésére alkalmas Legfeljebb két eszközt vezérel Merevlemezek kapacitása <=504 MB (*) Összekötő szalagkábel hossza max. 18”.

IDE tárolókapacitás korlát A lemez geometria ábrázolási módjából következik. A szektorok címzése a C/H/S paraméterek megadásával történik. A probléma a BIOS adatábrázolási mód (ST506 kompatibilitás) és az IDE szabvány C/H/S adatábrázolási módjának eltéréséből adódik. Mivel a kiválasztott szektort mindkét rendszerben kell tudni ábrázolni, a kiválasztott paraméter maximuma a lehetséges kisebb érték lehet. IDE LEMEZ Fzikai geometria (csak belsőleg) T1 BIOS Logikai geometria T1 T1 DOS és ALKALMAZÓI PROGRAMOK

IDE tárolókapacitás korlát BIOS ábrázolás IDE ábrázolás Eredő Szektorszám (S) 6 bit (max 63) 8 bit (max 255) 63 Fejszám (H) 8 bit (max 256) 4 bit (max 16) 16 Cilinderszám (C) 10 bit (max 1024) 16 bit (max 65536) 1024 Teljes kapacitás [ byte] (C*H*S) 8 455 716 864 136 902 082 560 528 482 304

Tovább fejlesztett ATA szabványok-ATA-2 2 csatorna, 4 eszköz kezelése , ami nemcsak HDD lehet Megszűnt 504 MB-os korlát- EBIOS logikai címfordítás Gyors PIO módok DMA (UDMA) átvitel P&P kompatibilitás

Lemezparaméterek fordítása CHS (IDE-nél láttuk) Kibővített CHS LBA

Kibővített CHS BIOS-ban: „Large mód” Két paraméterkészlet létezik, melyek között az átfordítás tartja a kapcsolatot. A logikai geometriát a BIOS és a merevlemez között, az átfordított geometriát a BIOS és a külvilág között használjuk Fordítás: a limitet átlépő paramétert elosztjuk egy n számmal, és ugyanazzal megszorozzuk a limiten belüli paramétert: (C/n)*H*(S*n) LEMEZ Fizikai geometria T1 EBIOS Logikai geometria –CHS (T1) Átfordított geometria –CHS(T2) DOS és ALKALMAZÓI PROGRAMOK T2

LBA Logikai blokkcímzés (LOGICAL BLOCK ADDRESSING) A C/H/S háromdimenziós geometriából egyetlen 32 biten ábrázolt logikai szektorsorszámot képez. Az LBA korlátja 134 MB, továbbfejlesztése a 48 bites LBA LEMEZ Fizikai geometria T1-LBA EBIOS Logikai geometria (CHS)-LBA Átfordított geometria –CHS(T2) DOS és ALKALMAZÓI PROGRAMOK T2

ATAPI Az ATA/IDE szabvány kiterjesztése, amely lehetővé teszi a merevlemezektől eltérő eszközök (pl. CD-író, DVD-meghajtó, steamer) illesztését is a csatolóra. Parancskészlete az SCSI parancskészletére hasonlít, és bár illeszkedik az ATA csatolófelülethez, az operációs rendszerbeli támogatáshoz eszközmeghajtó szükséges

Az ATA szabványok összefoglalása (IDE) ANSI X3.221-1994 szabvány Ez már történelem, 1999-ben visszavonták ATA-2 (EIDE) ANSI X3.279-1996 szabvány 16 MB/s adatátviteli sebesség PIO 3, 4 módok Multiword DMA (többszavas DMA) 1,2 módok ATA-3 ANSI X3.298-1997 szabvány Smart mód Megnövelt adatbiztonság ATA/ATAPI-4 (Ultra ATA) NCITS 317-1998 szabvány UDMA-33 - 33 MB/s adatátviteli sebesség új ATAPI parancs és reset protokoll elavult ATA parancsok eltávolítása ATA/ATAPI-5 ANSI NCITS 340-2000 szabvány UDMA-66 - 66 MB/s adatátviteli sebesség ATA/ATAPI-6 ANSI NCITS ??? UDMA-100 - 100 MB/s adatátviteli sebesség LBA bitek száma 28-ról 48-ra nő 16-bites szektorszám (8-bites helyett) ATA/ATAPI-7 UDMA-133 - 133 MB/s adatátviteli sebesség SATA T13 verziója (SATA-1)

Serial ATA Az ATA szabvány érdemi továbbfejlesztése, szakít az eddigi busz topológiával-> soros busz (?) topológia Fejlesztésére külön egyesület Serial ATA International Organization (SATA-IO) jött létre Soros átvitelt valósít meg 7 erű adatvezetéken (3 föld+2*2 adat) +tápkábel SATA szabványok SATA I- 1,5 Gb/s SATA II- 3 Gb/s SATA III- 6 Gb/s

SSD - I Az SSD (Solid State Disk, „szilárdtest meghajtó”) olyan háttértároló, amelyben félvezetőkkel, mozgó alkatrészekkel nélkül oldják meg az adatok tárolását. Az SSD fajtái az alkalmazott félvezetők alapján: DRAM Flash memória

SSD - II A flash memória alapú SSD –k a leginkább elterjedtek, így továbbiakban az SSD –k alatt ezt értjük. Az SSD –k előnyei: gyorsaság mozgó alkatrészek hiánya alacsonyabb fogyasztás halk kis méret és súly

SSD - III Az SSD hátrányai: viszonylag kis méret elhasználódás Az SSD részei: a memóriablokkok a vezérlő cache

SSD - III

SSD - IV Az SSD –t alkotó memóriachipek részekre bonthatóak. A legnagyobb rész a plane, ami legtöbbször 512 MB adatot tárol. A plane 1024 db 512 kb méretű blokkból épül fel. A blokk is tovább osztható, mégpedig lapokra (page –kre). Egy lap 4 kb méretű, így tudható, hogy egy blokk 128 lapot tartalmaz. Egy lap pedig cellákból épül fel.

SSD - V

SSD - VI SSD típusai adattárolási mód szerint: SLC (Single-Level Cell): egy cella egy bitet tárol MLC (Multi-Level Cell): egy cella több (2-3) bitet tárolhat. Az MLC SSD lassabb, és gyorsabban megy tönkre, mint az SLC SSD.

SSD - VII Elhasználódás: a flash memóriák cellái bizonyos számú írás után használhatatlanná válnak, vagyis tönkremennek. Ez az érték az MLC típus esetében nagyjából 10.000 írási művelet, míg az SLC típusnál nagyjából 100.000 írási művelet.

SSD - VIII Az SSD használathoz mindenképpen szükséges, hogy az előbb említett elhasználódás minél később jelentkezzen, és ezt úgy lehet elérni, ha a cellák kihasználása minél egyenletesebb. Erre szolgál a wear leveling.

SSD - IX A wear leveling egy olyan algoritmus, amely ügyel arra, hogy az SSD –ben található memóriacellák egyenletesen használódjanak el, vagyis minden cella lehető azonos számban legyen írva. Ehhez a wear leveling része az, hogy az SSD –n tárolható adatokat mozgassa, vagyis az egyik cellából átírja a másikba !

SSD - X A wear leveling formái: dinamikus: csak a dinamikus adatokat mozgatja statikus: a statikus és dinamikus adatokat is mozgatja Napjainkban kapható SSD –k legtöbbször a statikus wear levelinget alkalmazzák.

SSD - XI A wear levelingnek állandóan írnia kell az SSD –t, jó esetben ez10% -os plusz terhet jelent, de rossz esetben akár a 2000% -ot is elérheti. Egy SSD sebességét és élettartamát jelentősen rontja tehát, ha 80% feletti a kihasználtsága !

SSD - XII A túlzott használat ellen csak egy dolgot tehetünk: hagyunk szabad helyet az SSD –n. Ez optimális esetben az SSD méretének 20 - 25% - a. Ez három módon történhet: 1000-1024 kerekítésből adódó helymegtakarítás gyárilag kialakított tartalék terület (spare area) felhasználó által szabadon hagyott hely

SSD - XIII Az SSD működése az adatok törlése esetén sem hasonlít a merevlemezére. A merevlemezen ugyanis az ott tárolt adatok törléskor nem kerülnek rögtön felülírásra, hanem töröltnek lesznek jelölve. Ha a merevlemez számára szükséges a hely, akkor ténylegesen is felülírásra kerül az adott szektor. Az SSD –nél viszont nem mindegy hányszor van írva egy cella. Az SSD –nél egy írási művelet csak egy üres lapra vonatkozhat, ráadásul az írás (vagy felülírás) nem laponként, hanem blokkoknként történhet csak.

SSD - XIV

SSD - XV A megoldás az, hogy a törlést nem logikailag végezzük el, hanem ténylegesen. Erre szolgál a TRIM parancs. Ez utasítja az SSD –t, hogy törölje a törlendő lapokat, így azok szabad helyként jelennek meg.

SSD - XVI

SSD - XVII A TRIM működéséhez négy feltétel szükséges: TRIM képes SSD AHCI módban működő alaplap driver támogatás operációs rendszer támogatás (Windows 7, Linux kernel >= 2.6.33) A jelenlegi driverek egyelőre nem támogatják a RAID tömbe szervezett SSD –k TRIM e-lését.

SSD - XVIII Ha az előbbi feltételek valamelyike nem teljesül, akkor kettő dolgot lehet tenni: olyan SSD –t választani, amely vezérlője belső szemétgyűjtő (Garbage Collector, GC) metódussal rendelkezik, így megoldja a törölt lapok felszabadítását. külső garbage collector programok futtatásával felszabadítani a lapokat

SSD - XVIX Pár gyakorlati megfontolás: az SSD –k esetén különösen fontos, hogy meglegyen a partíciók igazítása az operációs rendszer szolgáltatásai közül ki kell kapcsolni azokat, amelyek feleslegesen használják az SSD –t az egyes vezérlők, bár különböző módon, de legtöbbször szolgáltatnak adatot az SSD elhasználódásáról.

SSD - XX SSD vs RAID(1)0 Az SSD –k nem helyettesíthetőek RAID tömbbel ! Sem sebességben, sem adatbiztonságban nem összevethető a két megoldás !

Felhasznált irodalom: Tomshardwareguide- http://www.tomshardware.hu/ Vége ! Felhasznált irodalom: Tomshardwareguide- http://www.tomshardware.hu/