Datamaskiner og fysikk

Datamaskiner og fysikk Gruppe 4 Mansour Safari Kim Atle Noren Amjad Barzinje Jasmin Fazlinovic Upgrading and Repairing PCs Kap 7: The ATA/IDE Interface Kap 8: The SCSI Interface Kap 9: Magnetic Storage Principles Kap 10: Hard Disk Storage Kap 11: Floppy Disk Storage 1

The ATA/IDE Interface ATA/IDE/EIDE Mange er av den oppfatning at ATA og IDE er en og samme ting men en korrekt måte å si dette på er at ATA/IDE er nåtidens standard når det gjelder kommunikasjon mellom harddisken og resten av maskinen. ATA/IDE står for Advanced Technology Attachment/ Integrert drive elektronikk. I virkeligheten er ATA en mer avansert versjon av IDE og den definerer fysiske, elektroniske, transport og komando protokoller for intern kommunikasjon med lagringsenheter. Dette er kontroll mekanismer som befinner seg I slottene og er koblet mot harddisken med 50 pins kabler. Kretsen som inneholder kontrollenhet er integrert i harddisken. ATA refererer til kontrollenhets grensesnitt mens IDE refererer til selve enheten. Siden nesten alle IDE enheter er basert på ATA blir disse to definisjoner ofte slått sammen slik at vi for ATA/IDE. I dag brukes den definisjon til å standarnisering av kjøring av lagringsenheter som CD ROM og lignende.. Får å få et bedre innblikk behøver vi å definere hver enkel komponent for seg selv. Jeg har tatt dette litt lengre og beskrevet også en del ting som kan forbindes med emne. IDE IDE står for Integrated Drive Electronics eller Imbedded Device Electronics; alt ettersom hvem som lager disken. IDE er en standard som har gått gjennom en rekke forbedringer gjennom årene. Dette grensesnittet brukes ikke nå lenger og finnes kun i eldre PCer. IDE var ofte knyttet til ISA-bussen (Industrial Standard Architecture) bussen, som er en relativ treg buss. IDE har også en kapasitetsstopp på 528 MB, dvs at disker som er større en 528 MB ikke kan benyttes. EIDE EIDE er en videreutvikling av IDE-grensesnittstandarden. Med introduksjonen av EIDE-standarden flyttet man 528 MB-grensen til 8,4 GB som nylig ble flyttet til 137 GB. Dessuten kan man koble sammen fire enheter; ikke nødvendigvis bare harddisker, men også enheter som CD-ROM, DVD-ROM etc. EIDE gir også en betraktelig økning i båndbredden; grensen ble flyttet fra 16,6 MB/s til 33,3 MB/s. EIDE er forøvrig PnP-kompatibel. ATA ATA er egentlig akkurat det samme som IDE. Det er bare et annet navn på det hele. ATA står forøvrig for AT Attachment. Grunnen til at IDE ikke kunne benyttes var fordi IDE er et beskyttet merkenavn av Compaq og Western Digital. På midten av 80-tallet oppstod det store uenigheter mellom ANSI, som er en organisasjon som godkjenner og bestemmer standarder, og Compaq/WD. Det hele ble løst med innføringen av ATA. 2

ATA-2 I 1993 ble det lansert et nytt grensesnitt som var basert på det originale ATAgrensesnittet, og dermed hadde man full bakoverkompatibilitet samt raskere overføringshastighet. Man oppnådde raskere dataoverføring ved å bruke steg 3 i PIO-protokollen. Senere samme år dukket ordet Fast ATA opp. Fast ATA er ingenting annet enn ATA-2 som benytter seg av PIO-Mode 4 for overføring av data. Men den virkelige store nyheten skulle komme i 1994, da Intel lanserte en helt ny og revolusjonerende måte å overføre data på; ved bruk av DMA protokollen. DMA var en ny standard som skulle avløse PIO-modusene. Nå som DMA var støttet i brikkesettene til Intel var alt lagt til rette. Som navnet sier, gir DMA (Direct Memory Access) direkte tilgang til minnet og letter dataoverføringen betraktelig. ATA-3 Den siste og mest oppdaterte versjonen av ATA-standarden finner vi hos ATA-3. Det som er nevnverdig her, er at ATA-3 gir støtte for at en enkel IDE-kanal kan brukes av to harddisker, og dermed kan en sette opp harddiskene etter master/slaveprinsippet. ATA-3 kom også med "block transferring" som muliggjør overføring av flere storer på en gang i stedet for kun å overføre en av gangen. Dessuten kom ATA-3 med S.M.A.R.T, som står for Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology. Dette gir harddisken mulighet til å sjekke ytelsen sin og følge med på utviklingen. På denne måten vil brukeren få beskjed så snart harddisken får problemer, og mulighet for å sette til verks mottiltak. ATA/33 Kjært barn har mange navn og dette er definitivt tilfelle med ATA/33, som også går under navnet UltraATA/33 og UDMA/33, bare for å nevne noen. ATA/33 ble introdusert sammen med Intels 430TX-brikkesett på IDF (Intel Developer Forum) i 1997. ATA/33 dobler den gamle båndbredden på 16,6 MB/s til 33 MB/s. Her er det en slags 2xAGP prinsipp som ligger til grunn, ved at man overfører data to ganger pr syklus. ATA/66 I 1999 kom det alle hadde ventet på, nemlig en ny og forbedret utgave av ATA/33. ATA/66 gir altså en ny fordobling av overføringshastigheten, dvs fra 33 MB/s til 66 MB/s. Men for å utnytte denne båndbredden må man benytte seg av en helt ny kabel. Denne nye kabelen er helt nødvendig for å få ATA/66 til å fungere med 66 MB/s båndbredde; hvis ikke vil den kun fungere som en ATA/33 disk. Det er en rekke årsaker til at man utviklet en ny type parallellkabel for denne standarden, som 3

fortsatt har 40 pinner i endene. Vi skal ikke inn på alle årsakene, men hovedårsaken er at man skal lede hvert eneste signal i hver eneste lederkabel bedre. Fordi dataintensiteten øker når overføringsmengden blir svært konsentrert, kan man oppleve en slags smitteeffekt. Dvs at man kan oppleve at signalene fra nabokabelen hopper over til neste kabel og dermed forstyrrer sendingen. ATA/66-kabelen er en skjermet kabel, akkurat som en STP (Shielded Twisted Pair)- kabel. På grunn av innpakninga er den derfor stivere og vanskeligere å forme i kabinettet. Ved å beholde 40 kontaktpinner på endene av kabelen, beholder man også bakoverkompatibiliteten, slik at man kan ved å bruke en ATA/66 harddisk og kabel mot et eldre hovedkort. ATA/100 ATA/100 ble lansert kort tid etter ATA/66; nærmere sagt våren 2000. ATA/100 tillater en teoretisk overføringshastighet på 100 MB/s mellom harddisk og kontroller. En kontroller er en enhet som styrer overføringen til forskjellige enheter som er koblet til seg. Det kan være enheter som CD-ROM spillere, DVD-ROM spillere eller harddisker. Med introduksjonen av ATA/100 dukket det opp en ny trend blant hovedkort produsenter, anført av ABIT, hvor man leverer hovedkort med støtte for ATA/100 og RAID (Redundant Array Of Independent Disks) i en og samme kontroller. ATA/133 ATA/133 er det siste som ar kommet og den ble lagget grunnet såkalt bottleneck mellom harddisk/cd/dvd rom enhet og resten av maskinen. Ultra Ata 133 grensesnitt kan teoretisk sett overføre data på 133 MB/s og det anbefales at de tilhørende elementer har denne hastigheten. Dette er fordi at ytelsen blir best når alle enheter kan jobbe optimalt. Dersom man har en harddisk som overfører data i 133 MB/s og et hovedkort som klarer å motta 100 MB/s kan det oppstå problemmer i form av tapt data og ikke minst treghet under behandling. Som sagt er en kontroller er en enhet som styrer overføringen til forskjellige enheter som er koblet til seg. overføringshastigheten. For eksempel har en Ultra Wide SCSI-disk en overføringshastighet på 2 x 20 = 40 MB/s. En Fast Narrow SCSI-disk har en overføringshastighet på 1 x 10 = 10 MB/s. 4

The SCSI Interface SCSI ( Small Computer System Interface)(uttales "scuzzy") et av de sledste systemene som er i bruk pr idag. SCSI-systemet brukes på alle mulige datasystemer fra hemme pc-er til større minimaskiner og servere. Og den støttes av PCer, Macintosher og store UNIX-maskiner. Den brukes til å koble forskjellige komponenter/enheter til datamaskinen, f.eks. Harddisker, CD-Rom, Brennere, digitakameraer. Scuzzy brukes mest i servere, og det kan være et godt alternativ for hjemmebrukere. Et annet alternativ til SCSI er EIDE. SCSI er et mer selvstendig system enn EIDE og det gjør at den er raskere og belaster prosessoren mindre. Det er best å bruke SCSI på datamaskiner som er avhegig av rask dataoverføreing, datamaskiner som har raske CD/DVD brennere og harddisker. Man har stor fordel ved å bruke SCSI i systemer der det er mange raske enheter som veksler data seg i mellom. Et annet fordel med SCSI er at nyere enheter kan brukes med eldre, det gjør at oppgradering av systemet er billig og det øker overlevelses sjansen. SCSI har forekommet i mange former. Den første varianten, SCSI 1, var en veldig elementær 8-bits protokol med støtte for5 MHz busshastighet. Etter det kom SCSI 2, som økte bredden på bussen til 16-bits og buushastigheten til 10 MHz. SCSI 2 støttet skannere og CD-ROMer, og den støttet opptil 16 komponenter. Nå ventes det SCSI 3 å bli standarisert, og det er mange standarder som håper på å bli med spesifikasjonene. FireWire er en form for SCSI kalt Serial SCSI, den har bussstørelse på 8 bit, og busshastighet 400 MHz og kan gå helt opp til 1000 MHz. FireWire er allerede i bruk i nesten alle hjemme pcer, stasjonære som bærbare. Den nyeste standarden for SCSI er SCSI Ultra 3, den har en overførings hastighet på 160 MB/sec. 5

Magnetic Storage Principles Alle magnetiske lager i det mekanisme utstyr leser og skriver med å bruke elektromagnetisme. Den enkle loven eller prinsippen fra det fysikk verdenen som sier at en elektrisk strøm flytter gjennom en Konduktør (wire), en magnetisk felt blir skapt rundt den Konduktøren. Som vi kan se i figuren der elektronene flytter seg fra det negative siden til den positive siden, Til tross at vi normal tror at det er strømmen som flytter seg from den andre retningen. en magnetisk felt blir skapt rundt en Konduktør (wire) når strømmen går gjennom det Elektromagnetism ble oppfant i 1819 av den danske fysikeren Hans Christian Oersted 6

Read/Write heads Lese/skrive hoder Å lage minnet fra magnetene The medium contains the message - the low down basics Det første mediumen er belagt med magnetiske partikkelene ble lagt fra Iron oxide med sporene fra cobalt, chromium and nickel Og dette måtte bli mere organisert! 7

WRITING (Skrive) - En elektromagnetisk, kalles for read/write head (lese/skrive hode), Om den passerer over mediumen. Den magnets jobb er å organisere og rette inn det partikklene til en ordentlig moten. Ta det med ro! Jeg skal få deg I en linje! Med engang omkoder den til disken, disse magnetiske mønstere jobber sammen til å utforme en veldig svak magnetisk force. Den variasjonen av polaritetene av disse partiklene kalles for flux reversals. READING ( lese ) -. Når read/write head (lese/skrive hode) er slått av (kalles for read mode) Det hodet er i stand til å lese (å bruke den prinssppen av induksjon) det spinkelet bytter i magnetiske regulering og tolker dem som binary 1 og 0. Hvordan kan man gjøre disse enere og nullere fra den ordentlig rette magnetiske partikklere? Alt dette gjøres med ENCODING METHODS. 8

ENCODING METHODS OG REGLENE Rule 1: For a one the polarity of the bit-pair column is reversed blue to blue or red to red. Rule 2: When creating a new bit pair, the first column in the next bit should be the opposite of the last column in the last bit. Rule 3: For a zero the polarity of the bit-pair column should not be reversed blue to red 1 1 0 1 These rules are for FM Encoding MFM encoding Pakker og får ekstra biter til disken, den gjør at det blir nesten dobbelt kapasitet. Om man er datamaskin, det kunne føle som dette..(disse endringene er i Voltage) Tracks and sectors ( Sporer og Sektorer). Slik at datamaskin systemet kan finne hva som helst fra diksen, måtte det ha en slags veikart. Digitale veier og skilter måtte være godt synlig og stiv slik at den gjør systemet istand til å vite hvor er kanten av disken. Disse veiviserne kalles for Tracks og Sector ( Sporer og Sektorer). En spor er konsentrisk usynlige ring I disken, hver ring er delt opp til deler som kalles for Sektorer. Nummeret til sporet og nummeret til sektoren per disk er avhengig av type disken og kapasitet av disken. 9

Tracks (sporer) Sporer starter med NULL (yterst delen av disken) og opparbeider. Konsentrisk usynlige ringer Magnetisk flux reversals Sector (sektor) Sektorer starter med en og arbeider dems vei rundt disken. Smallest fysisk enhet en stasjon kan behandle med 512 bytes. uansett Det ekte inneholdet til en sector er... 10

Hard Disk Storage Det er veldig viktig å vite hvordan en harddisk fungerer når du skal oppgradere og reparere et system som har en harddisk. Siden harddisken stort sett inneholder kritiske ting som innleveringer og prosjekt. Ta alltid backup... Et leser hode er sjelden nær platene inne i disken. Den eneste tiden da de er nære er når harddisken blir slått av. Da flytter hodene seg inn til den innerste sporet. Når en harddisk blir slått på løfter hode seg opp og platene begynner å spinne veldig fort, så fort at det blir en luftstrøm mellom hodene og platene slik at hodene holder avstand. Å lage partisjoner på en harddisk gjør at den støtter separerte fil systemer. Vært filsystem kan da bruke sin egen metode til å tildele plass til så kalte clusters (gruppe med sektorer). Hver harddisk må ha minst en partisjon og kan ha opp til 4, disse kan du da også ha forskjellige eller like filsystemer på. For å gjøre en harddisk klar til bruk må du gjøre tre ting 1. Lav nivå formatering 2. Partisering 3. Høy nivå formatering Lav nivå formatering: Vis du utfører en lav nivå formatering vil det si at disken blir delt opp i sektorer. 11

Partisering: De tre vanligste fil systemene er: 1. FAT 2. FAT32 3. NTFS FAT (file allocation table) Standard fil system støttet av DOS og Windows 9x/Me. FAT partisjoner støtter filnavn med maks 11 tegn (8 tegn + en 3 tegns utvidelse) under DOS, og 255 tegn under Windows 9x (eller senere). Maksimum vol 2GB FAT32(file allocation table) Et valgfritt system støttet av Windows 95 OSR2 (OEM service release 2), Windows 98, Windows Me og Windows 2000/XP. FAT32 bruker 32-bit tall til å identifisere clusters, som resulterer i et maks volum på 2TB NTFS(Windows NT file system). Det mest naturlige valg for Windows NT/2000/XP som støtter filnavn opp til 256 tegn og partisjoner opp til 16 exabytes som tilsvarer 16 millioner terrabyte. NTFS har også utvidede egenskaper og fil system sikkerhet som ikke eksisterer i FAT filsystemet. Høy nivå formatering: Når du høy nivå formaterer en disk så lager OS strukturen som du må ha for å styre filer og data på disken. F. eks FAT partisjoner har en Volume boot sector(vbs), to kopier av et file allocation table (FAT) oversatt fil delings tabbel. Og en rot mappe for hver enkelte formaterte logisk disk. Dette gjør slik at OS kan styre ledig plass på disken, holde ordning på filene og holde ordenen på defekte områder så det ikke lager problemer. 12

En harddisk er satt sammen av: Disk plater Lese/skrive hoder Hodes søkemekanisme Plate motor Logisk kretskort Kabler Konfig gjenstander som f. eks jumperer Disk plater: En harddisk har som sagt en eller flere plater. Harddisker for PC systemer har vært tilgjengelig i flere størrelser gjennom årene. Disse er størrelsene det har gått i: 5 ¼ (Egentlig 130mm, eller 5.12 ) 3 ½ (Egentlig 95mm, eller 3,74 ) 2 ½ (Egentlig 65mm, eller 2,56 ) 1.8 (Egentlig 48mm, eller 1,89 ) 1 (Egentlig 34mm, eller 1.33 ) Samme hva platene er laget av så vil det alltid være et tynt lag med magnetisk film, som ofte blir kalt et medium, som det blir lagret magnetisk informasjon. 13

Floppy Disk Storage litt oversikt og historikk Det myke magnatiske diskett som kalles for floppy fordi den henger løst og kan floppes. Ulike det meste Harddisker, er floppydisk som ofte kalles for floppydisker eller disketter er portale, fordi du kan fjerne det fra disk stasjonen. Disk stasjoner for floppydisker kalles for floppydisk stasjoner. Floppy disker har både saktere tilgang og mindre lagerplass enn harddisker. Men dem er mye billigere og på en måte er dem viktige for dem er portale. Floppy disker blir mindre og mindre brukt per i dag, men ennå kan noen ganger brukes som system instalasjon og konfigurasjons utstyr. Særlig når det kommer til reperasjon. I det gamle systemet som ikke støtter El Torito Boot CD- ROM spesifikasjon, er floppy disker den eneste måten til å installere operation system fra scratch (begynne helt forfra) eller til å kjøre oppstart diagnostisk. I det nyere systemer som støter El Torito Boot CD-ROM behøver dem ikke floppy disker fordi den kan starte opp operating system og diagnostisk fra Cden. El Torito er en forklaring som har blitt skrevet av Phoenix Technologies og IBM for starting opp CD-ROM. El Torito lar deg å skape en CD-ROM som et bilde (image) av harddisk stasjonen eller floppy stasjonen. Når du skaper et bilde (image) av harddisken, CD-ROM starter opp som stasjon C. Når du stater opp et floppydisk bilde (image), CD-ROM blir identifisert som stasjon A. Det originale A stasjon A blir stasjon B. Og det Det originale B stasjonen er ikke tilgjenglig. Alan Shugart er den generale krediteren til oppfinnelse av floppydisk stasjon i 1967 da han jobbet for IBM. Sony introdeserte den første 3 ½ mikrofloppy stasjon og disketter i 1981. mens Hewlett-Packard 1984 var den første firma som kom med generelt bruk av floppy disker i PC. Floppydisk stasjoner er ennå basert på den originale Shugarts designen. Og i forhold til de andre komponentene på PC, er floppydisk den eneste komponenten som har hatt lite forandring på så mange år. 14

Floppydisk stasjon En typisk floppydisk stasjon Read/write heads (Lese/skrive hoder) En floppydisk stasjon har normalt 2 read/write hoder. En på hver side av disken. Med bruk av dem to hodene kan man skrive eller lese på disk sidene. Med hjelp av en motor som kalles The head actuator kan disse hodene beveges mekanisk. The head actuator The head actuator i en floppydisk stasjon er den som beveger hodene i disken. Og dette gjøres via en spesial type motor som kalles for stepper motor. Den typpe motoren snurrer ikke rundt fortløpende, den snr i bestemt spesifert avstand og stoppes. The Spindle motor The spindler motor er den motoren som snur disken. The Controller Floppy controller er integrert i Hovedkortet (Motherboard), og normalt i Super O/I chip form som også inkluderer det seriale og parallele interfaces. The Faceplate (Disk plate) The faceplate som også kalles for bezel, er den plastikk delen som består av den fronten til stasjon. Den delen henger løst, kommer i forskjellige farger og konfigurasjoner. 15

The Connectors Nesten alle type floppydisk stasjonene har to connectors, en for strøm for å slå på stasjonen og den andre er for å bære control og data signaler til og fra stasjonen. Disse connectorene er standard laget fra datamaskin industrie. The Floppy disk controller cable Den kablen brukes til å koble floppydisk stasjonen(ene) til den integrerte controller i Hovedkortet(motherboard). For å støtte flere forskellige stasjoner konfigurasjon, trenger vi en kabel med 5 connector på. 2 edge-connectors og 2 pin connectors som kobles til stasjonene og 1 pen connector som kobles til den integrerte controller i Hovedkortet(motherboard). Hvordan kan Operation System bruke disken? For operation system, data som er i disken er organisert som sporer og sektorer (tracks and sectors), samme som det er i harddisken. Sporene er smal og trangt, konsentrisk sirkler på disken; Sektorene har en skiver form av den individuelle sporene. 16

Tabellen viser den standard disk formaten for PC floppy disk stasjoner. Type Floppydisketter 1.44MB 3 ½ : High-density (HD) kom ut først i 1987 fra IBM i PS/2 product line. Det mest andre datamaskin firmane started å tilby den type floppy. For system som inkluderer floppydisk stasjoner er type 1.44MB 3 ½ mest brukte og er ennå popular. 2.88MB 3 ½ : den størrelsen ble brukt hos IBM PS/2 og ThinkPad modelene i tidlig 1990 årene. 720KB 3 ½ : den størrelse ble brukt av IBM og de andre i starting av 1986 til 1.44 MB disketter kom ut. 1.2MB 5 ¼- : den var introdesert fra IBM til IBM AT i 1984. 360KB 5 ¼- : den nye og bedre versjonen av floppydisk stasjonen som origianlly ble brukt av IBM PC, Og i 1980 ble den brukt gjennom hele XT- Class maskinene og noen av AT-Class maskiner 17

Behandling av floppy disketter og stasjonner Det meste data brukere vet om hvordan floppydisken bør behandles, dem er lette til å bli skadet, særlig i disse tilfellene Å røre den surface rekording med fingeren eller noe annet. Å skrive på en disk label med ball-point pen eller en blyan. Å bøye disken Å søle kafe eller en annen drikke over det. Å varme disken eller glemme det i nærheten av et sterkt lys. Fremstille disken til magnatiske felt. 18