Computer architecturen: Hard Disk technologie

1
Computer architecturenHard Disk technologie

• Paul Valckenaers
• KHLim

2
Eerste wet van de Hard disk densiteit

• Voor 1990 de capaciteit van de harde schijven
  verdubbelt om de 36 maanden

3
Hard disk densiteit-evolutie sinds 1990

• De densiteit verdubbeld alle 18 maanden
• Bij een gelijk blijvende rotatiesnelheid
  verdubbelt ook de data doorvoer.
• De snelheid van positionering verdubbeld alle 10
  jaar.
• De data acces tijd vergroot daardoor niet
  noemenswaardig

4
Structuur van een harde schijf
Platters
Track
Sector
5
Opdeling van een harde schijf

• Een harde schijf is opgedeeld in cilinders,
  tracks en sectors
• De motor draait op een vast toerental (typisch
  4500-10000 toeren per minuut)
• snellere drive heeft meer koeling nodig en maakt
  dus meer lawaai
• De data access time (ms) bestaat uit
• seek time leeskop tot de juiste cilinder
• rotational latency gemiddeld de helft van een
  omwenteling

6
voorbeeld van een harde schijf

• 36.4 GB, 3.5 inch disk
• 12 platters, 24 surfaces
• 10,000 RPM (toeren per minuut)
• 18.3 tot 28 MB/s internal media transfer rate
• 9772 cylinders (tracks), (71,132,960 sectors
  total)
• Gemiddelde zoektijd read 5.2 ms, write 6.0 ms
• Maximale zoektijd read 12 ms, write 13 ms

bron www.seagate.com
7
Detail van een track

• De technologie van de leeskop bepaalt
  uiteindelijk de resolutie die kan bekomen worden
• Recente ontdekkingen (zoals onder andere GMR)
  hebben hierin een belangrijke vooruitgang
  mogelijk gemaakt.

8
Interleaving en Reserve sectors

• Vroeger was het verwerken van de datastroom de
  bottleneck en werden er maar een beperkt aantal
  sectors per omwenteling gelezen. Moderne harde
  schijven lezen alle sectors van een track in een
  omwenteling (Interleaving 11)
• Vroeger hadden de (IDE) sectors en een vaste
  grootte, die ingesteld moest worden in de BIOS.
  Momenteel gebruikt het systeem een Logic Block
  Address (LBA) en de harde schijf rekent dit om
  naar een fysische sector.
• Alle hedendaagse hard disks hebben reserve
  sectors die gebruikt worden indien het oppervlak
  ergens beschadigd is.

9
Data organisatie op de harde schijf

• Het schrijven begint steeds aan de buitenzijde
  van de drive
• Bij horizontale mapping wordt eerst de eerste
  schijf van buiten naar binnen beschreven en
  vervolgens de andere kant van binnen naar buiten,
  dan volgt de volgende schijf ...
• Bij verticale mapping schrijven we eerst de
  gehele buitenste cilinder alvorens naar binnen te
  gaan
• Horizontale en verticale mapping kunnen ook
  gecombineerd worden

10
Band organisatie HD en seek time

• Bij horizontale mapping verandert de data
  transfer rate en de seek time meermaals in
  belangrijke mate naarmate de drive voller wordt
• Bij verticale mapping neemt de transfer rate
  langzaam af en de seek time langzaam toe naarmate
  de drive voller wordt

Horizontale mapping is dus niet aan te raden
voor constante data transfer rates te
bekomen bijvoorbeeld voor audio of video
toepassingen
11
Belang van een snelle hard disk

• Wanneer toepassingen geheugen tekort hebben
  zullen zij gebruik maken van virtueel geheugen op
  de harde schijf. Dit kan het werken fel
  vertragen. Momenteel is het beter dan extra
  geheugen te kopen.
• Systemen die grote hoeveelheden data moeten
  verwerken (video applicaties) hebben ook een
  snelle hard disk nodig

12
File system en partities

• FAT12/FAT16 (File Allocation Table) (DOS/win95/
• 16 bit FAT heeft 65526 clusters
• Een cluster is maximaal 32K (max disk size 2GB)
• Minimale File size 1 Cluster
• FAT32 (228 Clusters)
• Maximale disk size 2TByte
• Geen beperking voor het aantal folders in de root
  dir
• maar heel wat sofware is hiervoor niet uitgerust
• NTFS (Windows NT)
• HPFS (OS/2)

13
HARD DISK INTERFACES

• SCSI Small Computer System Interface.
• SCSI-2 SCSI w/fast (10mbs) and/or wide SCSI
  options.
• EIDE 16 bit Integrated Drive Electronics.

14
RLL Recording

• RLL (Run Length Limited) is een codeertechniek
  die garandeert dat een kloksignaal kan opgepikt
  worden uit het signaal van de leskop, zonder dat
  hiervoor veel opslagruimte verloren gaat.
• In transmissie wordt hiervoor bit stuffing
  gebruikt, maar dit maakt de benodigde
  opslagruimte data-afhankelijk.
• Moderne disks gebruiken geavanceerde
  signaalverwerking om de invloed van naburige
  informatie in rekening te brengen.

15
Prestaties Seek time

• This is the amount of time it takes for the
  actuator arm to move the read/write head between
  tracks. The ability to move from the current
  track to the next requested bit of data might
  entail moving just one track or up to as many
  tracks as there are on each platter. Seek time is
  measured in milliseconds and between adjacent
  tracks can be as short as 2 ms, while a
  full-stroke seek - movement between the outer and
  inner track - can be as much as 30 ms.   Average
  seek time - the time it takes to position the
  drive's read/write heads for a random request -
  on most of today's drives ranges from 8 to 14
  ms.

16
Prestaties Head Switch Time

• On multi-platter drives, the actuator arm moves
  all of the read/write heads over the platters
  synchronously. Since only one of the read/write
  heads can be in use at a time. Measured in
  milliseconds, head switch time is the average
  amount of time the drive takes to switch between
  two of the read/write heads when reading or
  writing data.

17
Prestaties Rotational Latency

• Once the head is positioned over the proper
  track, it must wait for the drive to spin the
  platter to the correct sector. This wait state,
  called rotational latency, is measured in
  milliseconds and depends on how fast the platter
  is spinning. The longest of these wait states
  occurs when the head reaches the track just after
  the sector has rotated past the head's location
  because it then must wait a full platter rotation
  before it is correctly positioned over the proper
  sector for data transfer. On average the disk
  needs to make 1/2 rotation before the next sector
  to be accessed is under the head. So, we can see
  that the higher the RPM the smaller the latency
  period.

18
Prestaties Data Access Time

• Access time is time, in milliseconds, it takes
  to position a read/write head over a particular
  track and find the required sector within the
  track for data transfer. Data access time is a
  combination of seek time, head switch time, and
  rotational latency. Albeit still incomplete, data
  access time is a much better indication of a
  given drive's performance than just seek time.

19
Prestaties Data Transfer Rate

• Once the heads are properly positioned, the
  drive is ready to transfer (read or write) data.
  This entails a data transfer between the disk and
  the CPU. The faster the data transfer, the less
  time the user has to wait for a software program
  to perform the function for which it was
  created.Data transfer depends on two
  operations the disk transfer - how fast data is
  passed from the disk to the hard drive's
  controller - and the host transfer, or the speed
  at which the controller passes data to the CPU.
  The data transfer rate is measured both in
  megabytes (amount) and megabytes per second
  (speed). In order to increase the host transfer
  rate and minimize mechanical delays (seek time
  and rotational latency), manufacturers have added
  cache memory buffers to the hard drive's PCB.

20
Prestaties Data Throughput Rate

• Throughput rate amalgamates both data access
  time and data transfer rate, representing the
  total amount of data that the CPU can access in a
  given unit of time. Because of this, it is a
  reasonably comprehensive measurement factoring
  together most of the major drive performance
  measurements. Data throughput scores also
  indicate the speed of the host computer, so, as
  such, should not be looked upon as the only
  indicator of drive performance. Often you will
  see Data Throughput Rates included in
  advertisements for hard drives but it is
  important to remember that any measurement that
  does not include host data transfer time is
  theoretical since data throughput cannot be
  tested without connecting the drive to a host
  computer. Provided other system components can
  process the data as fast as the hard drive can
  read or write it, data throughput can provide a
  good indicator of disk drive performance. Data
  throughput is measured in kilobytes per second.