2Hard Disk Dischi Rigidi

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Hard disk dischi rigidi Hard disk dischi rigidi I r i a s s u n t i , l e c i t a z i o n i e i t e s t i c o n t e n u t i i n q u e s t a p a g i n a s o n o u t i l i z z a t i p e r s o l e f i n a l i t à i l l u s t r a t i v e d i d a t t i c h e e s c i e n t i f i c h e e v e n g o n o f o r n i t i g r a t u i t a m e n t e a g l i u t e n t i . L’ Hard disk del P.C. Considerazioni generali Nella scelta del disco vanno considerati tre elementi tecnici fondamentali: La densità di registrazione 1. La velocità di rotazione dei piattelli 2. L’interfaccia 3. Il quantitativo di memoria cache 4. 1. Nel primo caso si tratta della densità di impiccamento dei dati sulla superficie del disco. Attualmente si è giunti a valori oramai oltre i 100 Gbit per poliice quadro (Gb/inch2). Una maggiore densità implica che, a parità di velocità di rotazione, passano più dati sotto alla testina di lettura/scrittura per unità di tempo e quindi aumenta la velocità di lettura/scrittura. 2. Il disco si basa poi sul movimento meccanico di rotazione dei piattelli ed è facile intuire quindi che più è rapido il movimento, maggiori sono le prestazioni. Per quanto alcuni modelli raggiungano velocità di 15000 giri/minuto, il grosso del mercato per desktop si basa su unità a 7200 rpm. In ambiente server e Work station si utilizzano HD da 10000 rpm. 3. Sul fronte dell’interfaccia, praticamente l’EIDE (ATA100) è da ritenersi obsoleta, a favore dell’interfaccia Serial ATA (SATA) che, ormai diffusa a livello desktop, sta poco alla volta erodendo fette di mercato dell’interfaccia SCSI in ambiente Server e Workstation. Lo standard EIDE ATA100, oggi in declino, ha un picco di trasferimento massimo teorico di 100 Mbyte al secondo e l’ultima delle sue evoluzioni, l’ATA-133, raggiunge i 133 MBps. Anche se i benefici reali sono talvolta alquanto modesti (*), tuttavia, sarà il SERIAL-ATA (SATA) la nuova interfaccia disco dei prossimi anni. Quest’ultima si basa sulla serializzazione del canale di comunicazione, alzando considerevolmente la frequenza di clock per raggiungere, nella prima versione, ampiezze di banda di 150 MBps. Il Serial-ATA farà anche finalmente sparire le scomode piattine a 80 fili in favore di cavetti compatti a 7 fili (4 di segnale e 3 di massa) di colore rosso. Una differenza sostanziale rispetto allo standard parallelo è legata alla natura punto-punto dello standard SATA, che elimina la distinzione tra unità master e slave, secondo la quale, nel vecchio sistema, ciascuno dei due canali EIDE era condiviso da una coppia di dispositivi che, di conseguenza, condividevano anche la banda disponibile del canale. In un sistema SATA al contrario ogni unità è connessa al proprio host tramite un canale riservato, del quale può sfruttare l’intera banda passante. (*) La modestia del miglioramento è dovuta al fatto che ad oggi non sono ancora diffusissimi sul mercato chipset che integrino a livello del NB il controller SATA. Pertanto molte schede madri che supportano lo standard oggi, lo fanno utilizzando integrati specifici che utilizzano il bus PCI per veicolare i dati. Ne consegue che il massimo trasferimento di dati non potrà superare le prestazioni del Bus PCI che, com’è noto, dispone di una banda di 133 MB/s. E’ chiaro quindi che solo il supporto da parte del chipset (SB) della scheda madre dello standard SATA garantisce reali miglioramenti nella banda passante del trasferimento dati. 4. La memoria cache è un’area di memoria interna all’apparecchiatura. Essa permette di memorizzare i dati in modo temporaneo così da creare un buffer di attesa per i dati che devono essere scritti nel disco oppure che sono stati letti dal disco e devono essere inviasi sul Bus. Questo buffer è utile in quanto le velocità di trasporto del Bus e di lettura/scrittura del disco sono diverse, quindi in generale maggiore è l’estensione della cache, meno probabile sarà il suo svuotamento o la sua saturazione. Accanto alla tradizionale soluzione ATA, sono diffusi sul mercato anche i dischi rigidi esterni con interfaccia FIREWIRE e USB2, che garantiscono sulla carta ampiezze di banda teorica di circa 400 Mbps, e dalle prove effettuate dalle riviste specializzate, si è verificato come sia possibile ottenere con discreta facilità trasferimenti continuativi a oltre 10 Mbyte al secondo. Anche se il costo è decisamente più elevato rispetto agli HD interni, essi sono un’alternativa interessante come mezzi di archiviazione di massa rimovibili a caldo e facilmente gestibili dal S.O. La Tecnologia utilizzata Come si memorizza l’informazione L’architettura tipica di un HD è riportata nella figura qui a lato. Un disco rigido conserva le proprie informazioni su piattelli sopra i quali è depositato uno speciale materiale magnetico. Questo, sottoposto all’azione di un campo indotto dalla testina di scrittura, varia localmente il proprio orientamento in una particolare direzione, che viene mantenuta fino ad una nuova operazione di scrittura. Poiché di direzioni se ne possono avere due, a esse è possibile associare il bit di informazione 0 o 1. Ogni bit quindi occupa una superficie precisa del disco. Alla testina spetta anche il compito di leggere l’informazione registrata, e per fare ciò individua proprio la direzione del campo. Questo processo è identico a quanto avviene nei nastri audio e nelle videocassette. Incrementare la quantità di dati memorizzabili significa perciò ridurre quest’area al minimo senza compro,mettere la capacità della testina di operare correttamente. Particolare importanza riveste il valore comunemente espresso in Gbit/pollice2 e spesso indicato in inglese come ‘areal density’, poichè rappresenta un primo indice della densità di registrazione raggiunta. Un altro fattore critico è la densità di registrazione delle tracce, quanto cioè è possibile accostare tra loro i percorsi circolari di memorizzazione dei dati. 1 di 28 25/02/2013 08:28
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  • Hard disk dischi rigidi

    Hard disk dischi rigidi

    I riassunti, le citazioni e i testi contenuti in questa pagina sono utilizzati per sole finalit illustrative didattiche e scientifiche e vengono forniti gratuitamente agli utenti.

    L Hard disk del P.C.

    Considerazioni generali

    Nella scelta del disco vanno considerati tre elementi tecnici fondamentali:

    La densit di registrazione1.

    La velocit di rotazione dei piattelli2.

    Linterfaccia 3.

    Il quantitativo di memoria cache4.

    1. Nel primo caso si tratta della densit di impiccamento dei dati sulla superficie del disco. Attualmente si giunti a valori oramai oltre i 100 Gbit per poliice quadro

    (Gb/inch2). Una maggiore densit implica che, a parit di velocit di rotazione, passano pi dati sotto alla testina di lettura/scrittura per unit di tempo e quindi aumenta

    la velocit di lettura/scrittura.

    2. Il disco si basa poi sul movimento meccanico di rotazione dei piattelli ed facile intuire quindi che pi rapido il movimento, maggiori sono le prestazioni. Per quanto

    alcuni modelli raggiungano velocit di 15000 giri/minuto, il grosso del mercato per desktop si basa su unit a 7200 rpm. In ambiente server e Work station si utilizzano

    HD da 10000 rpm.

    3. Sul fronte dellinterfaccia, praticamente lEIDE (ATA100) da ritenersi obsoleta, a favore dellinterfaccia Serial ATA (SATA) che, ormai diffusa a livello desktop, sta

    poco alla volta erodendo fette di mercato dellinterfaccia SCSI in ambiente Server e Workstation.

    Lo standard EIDE ATA100, oggi in declino, ha un picco di trasferimento massimo teorico di 100 Mbyte al secondo e lultima delle sue evoluzioni, lATA-133, raggiunge i

    133 MBps. Anche se i benefici reali sono talvolta alquanto modesti (*), tuttavia, sar il SERIAL-ATA (SATA) la nuova interfaccia disco dei prossimi anni. Questultima

    si basa sulla serializzazione del canale di comunicazione, alzando considerevolmente la frequenza di clock per raggiungere, nella prima versione, ampiezze di banda di

    150 MBps. Il Serial-ATA far anche finalmente sparire le scomode piattine a 80 fili in favore di cavetti compatti a 7 fili (4 di segnale e 3 di massa) di colore rosso.

    Una differenza sostanziale rispetto allo standard parallelo legata alla natura punto-punto dello standard SATA, che elimina la distinzione tra unit master e slave,

    secondo la quale, nel vecchio sistema, ciascuno dei due canali EIDE era condiviso da una coppia di dispositivi che, di conseguenza, condividevano anche la banda

    disponibile del canale. In un sistema SATA al contrario ogni unit connessa al proprio host tramite un canale riservato, del quale pu sfruttare lintera banda passante.

    (*) La modestia del miglioramento dovuta al fatto che ad oggi non sono ancora diffusissimi sul mercato chipset che integrino a livello del NB il controller SATA.

    Pertanto molte schede madri che supportano lo standard oggi, lo fanno utilizzando integrati specifici che utilizzano il bus PCI per veicolare i dati. Ne consegue che il

    massimo trasferimento di dati non potr superare le prestazioni del Bus PCI che, com noto, dispone di una banda di 133 MB/s. E chiaro quindi che solo il supporto da

    parte del chipset (SB) della scheda madre dello standard SATA garantisce reali miglioramenti nella banda passante del trasferimento dati.

    4. La memoria cache unarea di memoria interna allapparecchiatura. Essa permette di memorizzare i dati in modo temporaneo cos da creare un buffer di attesa per i

    dati che devono essere scritti nel disco oppure che sono stati letti dal disco e devono essere inviasi sul Bus. Questo buffer utile in quanto le velocit di trasporto del

    Bus e di lettura/scrittura del disco sono diverse, quindi in generale maggiore lestensione della cache, meno probabile sar il suo svuotamento o la sua saturazione.

    Accanto alla tradizionale soluzione ATA, sono diffusi sul mercato anche i dischi rigidi esterni con interfaccia FIREWIRE e USB2, che garantiscono sulla carta ampiezze

    di banda teorica di circa 400 Mbps, e dalle prove effettuate dalle riviste specializzate, si verificato come sia possibile ottenere con discreta facilit trasferimenti

    continuativi a oltre 10 Mbyte al secondo. Anche se il costo decisamente pi elevato rispetto agli HD interni, essi sono unalternativa interessante come mezzi di

    archiviazione di massa rimovibili a caldo e facilmente gestibili dal S.O.

    La Tecnologia utilizzata

    Come si memorizza linformazione

    Larchitettura tipica di un HD riportata nella figura qui a lato.

    Un disco rigido conserva le proprie informazioni su piattelli sopra i quali depositato uno speciale

    materiale magnetico.

    Questo, sottoposto allazione di un campo indotto dalla testina di scrittura, varia localmente il proprio

    orientamento in una particolare direzione, che viene mantenuta fino ad una nuova operazione di

    scrittura. Poich di direzioni se ne possono avere due, a esse possibile associare il bit di informazione 0

    o 1.

    Ogni bit quindi occupa una superficie precisa del disco. Alla testina spetta anche il compito di leggere

    linformazione registrata, e per fare ci individua proprio la direzione del campo. Questo processo

    identico a quanto avviene nei nastri audio e nelle videocassette. Incrementare la quantit di dati

    memorizzabili significa perci ridurre questarea al minimo senza compro,mettere la capacit della

    testina di operare correttamente. Particolare importanza riveste il valore comunemente espresso in

    Gbit/pollice2 e spesso indicato in inglese come areal density, poich rappresenta un primo indice

    della densit di registrazione raggiunta. Un altro fattore critico la densit di registrazione delle tracce,

    quanto cio possibile accostare tra loro i percorsi circolari di memorizzazione dei dati.

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  • Lo standard oggi utilizzato per il mercato desktop-workstation quello con dischi da 3,5 pollici, in numero da 1

    a 4. Per il mercato notebook lo standard prevede 1 o 2 piattelli da 2,5 pollici.

    Un disco da 3,5 pollici pu contenere oggi circa 80-100 GB di dati, mentre un disco da 2,5 pollici arriva a 40-50

    GB.

    Caratteristiche tecniche di un HD

    Esempio di dati di targa principali di due modelli recenti di HD

    CaratteristicheMAXTOR DiamondMax 10 SEAGATE 7200.8

    InterfacciaATA 133/SATA 150 ATA 100/ SATA 150

    Capacit [Gbyte]80/120/160/200/250/300 250/300/400

    Numero piatti1/2/2/3/3/4 2/2/3

    Capacit per piatto [Gbyte]80 n.d. (108 Gbit/inch2)

    Buffer[Mbyte]8/16 8/16

    Numero testine2/3/4/5/6/8 4/5/6

    Velocit piatti [rpm]7200 7200

    Tempo nominale medio di ricerca [ms]9 8

    Latenza nominale media [ms]4.17 n.d.

    Transfer rate medio a/da buffer [MB/s]N.D. 80

    MTBF [103 ore]N.D. n.d.

    Cicli start/stop [103]50 n.d.

    Temperatura operativa [C]0-60 0 60

    Rumorosit [dB]31-36 n.d.

    Shock in funzione [impulso half-sin 2ms]60 G 63 G

    Shock non in funzione [idem]300 G 350 G

    Peso [g]580 n.d.

    Garanzia [anni]2 2

    Accesso ai dati

    E il S.O. che decide lorganizzazione dei dati sul disco. Prima di poter utilizzare lHD

    necessario formattarlo, in modo da permettere allunit di memorizzare e trovare i

    dati in modo ordinato. Vi la necessit di creare in una apposita zona del disco uno

    schedario che permetta di recuperare i files per mezzo di indicazioni riguardanti la

    loro ubicazione sulla superficie del disco stesso.

    Formattare il disco significa suddividere la superficie disponibile in settori e tracce

    concentriche; ciascuno di essi sar contrassegnato da codici magnetici inseriti nel

    disco stesso. Questa suddivisione permetter una registrazione dei dati fatta con

    criteri logici, cosicch le testine di lettura/scrittura, in rotazione sopra ai dischi,

    possano rapidamente raggiungere i dati.

    Il numero di settori e tracce determinano la capacit del disco. Il cluster lunit

    minima utilizzata dal S.O. per la memorizzazione di un dato: anche se il dato

    costituito da 1 solo byte, verr utilizzato un intero cluster. Nel settore zero del disco il

    il S.O. memorizza un file speciale detto FAT (File allocation table) per il vecchio DOS

    e VFAT (virtual fat) per i sistemi Windows. Questo file una grande tabella che mette in corrispondenza un nome di file o directory con una sequenza di cluster, non

    necessariamente contigui. Se la contiguit molto bassa si dice che il disco frammentato; ci rende la ricerca lenta, quindi occorrer deframmentarlo attraverso

    software opportuni. Questa operazione deve essere svolta periodicamente e pu protrarsi anche per diverse ore.

    Per quanto riguarda laccesso ai dati, esso avviene mediamente in una quindicina di ms. Questo tempo medio viene di solito suddiviso in due tempi: il tempo necessario

    alla testina per posizionarsi sulla traccia (tempo di seek) e il tempo impiegato dalla testina per trovare il settore richiesto (tempo di latenza). Il primo tempo pu variare

    parecchio e dipende dalla posizione iniziale della testina, mentre il secondo molto meno e corrisponde al pi a mezzo giro di disco:

    7200 rpm = 120 rps quindi mezzo giro percorso in 1/240 secondi = 4,17 ms (confrontare il dato trovato sui data sheet sopra)

    Il limite dellattuale tecnologia

    Per avere unidea dei progressi raggiunti, si pensi che si passati da 0,9 a 100 Gbit/inch2 nel periodo dal 1990 ad oggi. Il limite fisico dellattuale tecnologia si suppone

    sia rappresentato da un valore di circa 150 Gbit/inch2. Bit cos piccoli infatti subiscono un effetto noto come super paramagnetismo. La direzione di campo pu

    subire mutamenti casuali legati alla temperatura o alla presenza di elementi perturbativi circostanti.

    Per quanto riguarda i piattelli, il materiale pi comune lalluminio, anche se il vetro ha fatto la sua comparsa gi da qualche tempo. Materiale magnetico viene

    depositato sulle superfici del disco con processi di diffusione analoghi a quanto avviene nella fabbricazione dei circuiti integrati a semiconduttore. Attualmente vengono

    memorizzati fino a 80 Mbyte di dati per ciascun piattello di un HD. Comunemente un HD dispone di un disk pack formato da 1 a 3 piattelli.

    NOTA:

    Contrariamente alle convenzioni normalmente utilizzate in informatica, la capacit di un HD viene definita dai produttori in modo che 1 Mbyte risulti uguale a 1.000.000

    di Byte (106) e non a 1.048.576 Byte (220). Quindi un HD venduto come 20 GB conterr soltanto 18,6 GB di dati.

    Le testine

    Le testine di Lettura/Scrittura sono in grado di individuare il microscopico campo magnetico generato localmente sulla superficie del disco dalle areole che rappresentano

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  • i bit. Si sfruttano i fenomeni fisici associati alle correnti elettriche e alla loro interazione con i campi magnetici per variare opportunamente la disposizione dei dipoli che

    rappresentano i bit di informazione. La tecnologia attualmente per la maggiore prende il nome di Gmr (Giant Magnetoresistive), e si basa sulleffetto resistivo

    prodotto dal campo magnetico su determinati materiali. In pratica, in un metallo percorso da una corrente costante, lapplicazione del campo magnetico causa una

    variazione della sua resistenza, ed quindi possibile registrare una variazione della tensione. Si segue quindi la semplice Legge di Ohm V=R*I. Generalmente le testine

    Gmr utilizzano una particolare combinazione di strati di nickel, ferro, cobalto e rame particolarmente sottili (o.d.g. decine di Angstrom - 1 A= 10-10 m). Studi svolti

    presso la Washington University hanno sviluppato una nuova tecnologia, denominata EMR (Extraordinary Magnetoresistence, cio Effetto Magneto Resistivo

    Straordinario) che potrebbe in futuro essere impiegata per creare HD con capacit almeno 40 volte superiori alle attuali.

    Leffetto magnetoresistivo utile solo nelle fasi di lettura, per questo motivo, accanto alla testina Gmr ne presente unaltra di tipo induttivo che svolge le

    funzioni di scrittura.

    Scrittura Longitudinale e Perpendicolare

    In questi ultimi mesi ha

    preso piede lidea di

    passare dalla

    registrazione dei

    microcampi magnetici di

    tipo longitudinale a

    quella perpendicolare

    (vedi figure). Questa

    seconda ipotesi stata

    finora accantonata

    perch non avrebbe

    offerto alcun vantaggio

    significativo rispetto alla scrittura longitudinale. Daltra parte un cambiamento tecnologico di tale portata comporta il rifacimento e laggiornamento di tutte le linee di

    produzione a livello industriale, quindi , di fronte a tale scelta, i costruttori hanno sempre optato per investire sulla tecnologia consolidata, proprio perch

    economicamente pi vantaggiosa. Ora che la scrittura longitudinale inizia a far sentire i propri limiti (super paramagnetismo) quella perpendicolare potrebbe fornire un

    margine di vantaggio sufficiente ad innescare la transazione da una tecnologia allaltra.

    Gi si parlato dei problemi fisici legati allaumento delle densit di registrazione dellattuale tecnologia. Attualmente la scrittura prevede che il campo magnetico di

    ciascun bit sia orientato parallelamente alla superficie del piattello , mentre con la scrittura perpendicolare la direzione del campo sarebbe appunto perpendicolare al

    supporto magnetico. Per questo tipo di scrittura sono necessarie testine con diversa geometria e nuovi supporti magnetici composti da uno strato principale e da un sub

    strato in grado di fissare linformazione. I vantaggi sarebbero nella minore sensibilit agli effetti super paramagnetici, con la conseguente possibilit di aumentare le

    densit di registrazione.

    Il motore

    I piattelli sono mantenuti in rotazione costante da sofisticati motori elettrici, i supporti dei quali costituiscono un altro dei punti critici di un disco fisso. Oscillazioni anche

    minime dellasse di rotazione, infatti, determinano un disallineamento tra la traccia sul piattello e la testina, compromettendo le operazioni di lettura e scrittura. Il

    metodo che oggi garantisce prestazioni migliori (minime vibrazioni, bassa usura e poca rumorosit) detto FDB (Fluid Dynamic Bearing) ed caratterizzato da bronzine

    in bagno dolio. Attualmente per i sistemi desktop la norma costituita da una velocit di rotazione di 7200 giri/min, anche se sono ancora presenti in commercio unit a

    5400 rpm. E interessante notare come le testine che viaggiano sul disco rigido sono mantenute vicinissime alla superficie del piattello, senza tuttavia che avvenga alcun

    contatto, grazie al cuscino daria generato proprio dalla rotazione del disco. Quando questo si ferma, un meccanismo automatico porta le testine in una posizione

    protetta di parcheggio.

    La funzionalit S.M.A.R.T.

    Le funzionalit SMART per la comunicazione al sistema di situazioni anomale rappresenta un significativo strumento per evitare il crash improvviso, anche se nei desktop

    spesso non sfruttata. La sua attivazione, qualora sia supportata dall HD, viene eseguita attraverso un apposito software ed attivata tramite BIOS.

    La funzionalit SMART permette di tenere sotto controllo, in modo statistico (cio su intervalli di tempo lunghi), molti parametri operativi dellHD, in modo da prevedere

    con sufficiente anticipo eventuali crash. I principali parametri controllati sono:

    il numero di ricalibrazioni termiche effettuate dallHD in un determinato intervallo di tempo

    la temperatura del motore e dei cuscinetti

    la temperatura dei piattelli.

    La tecnologia RAID

    Su talune schede madri di fascia alta sono presenti controller per dischi fissi di tipo RAID.

    RAID lacronimo di Redundant Array of Inexpensive Disks (Universit di Berkeley, 1987) e indica configurazioni realizzate mediante combinazioni di dischi per

    ottenere maggiori prestazioni o la sicurezza dei dati a differenti livelli.

    Questa tecnologia in grado di gestire pi dischi in funzionamento contemporaneo secondo diverse modalit. Le fondamentali sono dette RAID 0 (Striping) e RAID

    1 (Mirroring).

    Con RAID 0 il compito del controller quello di suddividere i dati in pacchetti (striping = fare a strisce) e di scriverli con una sequenza ciclica sui vari dischi. Grazie ad

    una tecnica di mappatura il controller poi in grado di accedere in parallelo a questi dati nelle successive fasi di lettura. Il RAID 0 quindi rivolto esclusivamente

    allaumento del transfer rate, senza alcuna funzione di protezione dei dati.

    Il RAID 1 (Mirroring) , al contrario, rivolto alla sicurezza delle informazioni memorizzate. I dati non vengono pi distribuiti sui vari dischi, bens replicati sulle diverse

    unit, fattore che da un lato priva lutente della met dello spazio di archiviazione, ma dallaltra consente un back-up continuo e automatico dei dati, senza alcun uso di

    software specifici e con grandi risparmi di tempo.

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  • Il RAID 5 fornisce prestazioni tipiche dello striping affiancate da stringhe per il controllo e la ricostruzione delle informazioni nel caso di crash di uno dei dischi. E

    utilizzato spesso in ambiente server. La configurazione RAID 5 permette di avere una capacit globale pari a n-1 unit che compongono larray (ad es. per 3 dischi da 80

    GB si ha una capacit di 160 GB) e permette di unire le elevate prestazioni tipiche del Raid 0 ad un buon livello di sicurezza come avviene per Raid 1.

    Le figure seguenti illustrano le modalit viste.

    Il futuro

    Data ormai per scontata laffermazione definitiva dello standard SATA, specie per il mercato desktop e workstation (ma sembra anche in ambiente server),

    prevista a breve luscita del SATA di seconda generazione che aumenter il transfer-rate a 300 MB/s.

    Non tuttavia ipotizzabile per ora una scomparsa completa e repentina dellinterfaccia SCSI nel segmento server, dove non sono solo le velocit di trasmissione a

    contare, ma soprattutto la robustezza del trattamento dei dati e la flessibilit nella manipolazione. Inoltre SCSI recentemente passato alla versione Scsi-Ultra320 che

    presenta un throughput pi che doppio rispetto a SATA.

    Secondariamente lo standard SCSI destinato anchesso ad una futura serializzazione, sono infatti allorizzonte le specifiche Sas (Serial Attached Scsi), che

    porteranno alla trasmissione seriale dei dati. Queste novit dovrebbero essere disponibili nel corso del 2005 e prevedono un transfer rate di 3 Gbps, fino a 128 dispositivi

    su un solo canale e cavi di lunghezza superiore a 15m, con la possibilit di collegare allo stesso canale anche dispositivi SATA.

    Ci apre alla possibilit futura di libera coabitazione dei due standard sulla medesima macchina.

    Infine sullo scenario tecnologico sta facendo la propria comparsa Fibre Channel, il sistema di trasporto su fibra ottica che dovrebbe rivoluzionare la topologia delle

    SAN (Starage Area Network), consentendo di veicolare dati Scsi a distanze dellordine dei 10 Km con throughput di 2 Gbps e permettendo di collegare fra loro fino a 128

    dispositivi in un singolo loop e di inserire nella rete switch dedicati in modo da ampliare la rete a piacimento.

    Fonte: http://xoomer.virgilio.it/mlsoft/Files/TPC05-Hard%20disk.doc

    Autore del testo non indicato nel documento di origine del testo

    I DISCHI RIGIDI.

    Alla scoperta degli hard disk.

    Un articolo specifico sulla costruzione dei dischi fissi non poteva mancare. Un appuntamento interessante per chi vuole approfondire conoscere approffonditamente uno

    dei componenti del computer. Il disco fisso un elemento indispensabile del PC ove "vivono" insieme il sistema operativo, i software, e i nostri dati. Le tecnologie di

    realizzazione, visti i diversi tipi di hard disk, sono abbastanza simili tra i produttori, e quindi basta conoscerne alcune per imparare quelle di tutti.

    Capire il funzionamento dei componenti di un disco fisso aiuta a comprendere i "misteri" e i meccanismi dei sistemi hardware (i computer), e quest'intervento una

    piccola guida nelle "interiora" di un disco rigido.

    I COMPONENTI DI UN HARD DISK:

    Scomponendo l'hard disk in pi parti gli elementi principali sono:

    1)I piatti del disco (supporti di memorizzazione)

    2)L' asse di rotazione e motore del disco detto "spindle"(meccanismo centrale del disco) a corrente continua.

    3)Lo strato magnetico di memorizzazione.

    4)Le testine di lettura, e scrittura (meccanismo di memorizzazione dati)

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  • 5)Gli attuatori delle testine

    6)La scheda logica o circuito stampato.

    I piatti del disco.

    Iniziamo dai dischi o Piatti del disco rigido, in cui vengono "salvati" i dati ed in cui installato il sistema operativo.

    "A proposito di sistema operativo, ricordo che nei primi anni dei calcolatori il programmatore doveva utilizzare una serie di schede per poterlo "caricare", e utilizzare nella

    compilazione di un programma, dando origine ad una procedura alla lunga molto dispendiosa. Negli anni '60, fortunatamente, sono apparsi i primi calcolatori con un

    sistema operativo sempre presente in grado di snellire i tempi dei programmatori".

    Continuando il nostro discorso...

    I piatti del disco sono realizzati in leghe di alluminio-magnesio o in leghe di vetro. Le seconde hanno soppiantato le prime poich i dischi prodotti in alluminio erano

    spesso soggetti ad espansione termica, e diventavano poco stabili. La realizzazione dei piatti in lega di vetro (vetro pirex) ha ridotto lo spessore e il peso, dando la

    possibilit ai produttori di aumentare il numero di piatti presenti in un disco rigido, e quindi la quantit di informazioni memorizzabili. Grazie alla levigatura finissima del

    vetro pirex la percertuale delle particelle estranee sul substrato magnetico diminuita, e di conseguenza la capacit (densit) di memorizzazione dei dati aumentata.

    Esistono diversi formati dei dischi rigidi, i pi importanti sono indicati dalla tabella seguente:

    FormatoDimensione del disco (diametro in mm)

    5,25 pollici 130 mm

    2,5 pollici 63,5 mm

    3,5 pollici 95 mm

    1,8 pollici 45,7 mm

    Tabella A.

    (Formato dei dischi rigidi).

    Ogni piatto del disco installato sull'asse di rotazione (v. figura 1), e sopra e sotto di esso sono presenti due testine, una di lettura, e una di scrittura.

    FIGURA 1.

    (i piatti sono sovrapposti sul motore di rotazione. Due testine di lettura e di scrittura sono presenti sotto e sopra la superficie dei dischi).

    L'asse di rotazione, e il motore "spindle".

    Il motore "spindle" responsabile della rotazione dei piatti del disco rigido, e quest'ultimi sono direttamente connessi ad esso senza l'ausilio di alcun componente. I

    requisiti minimi del "White Horse", altro nome del motore "spindle" possono essere cos riassunti: una bassa rumorosit, e una longevit elevata dei meccanismi di

    rotazione. Con queste caratteristiche, l'hard disk diventa una memoria di massa sicura, e poco inquinante.

    Come potete vedere nella figura 2, i piatti del disco posseggono ciascuno un foro uguale al diametro dell'asse del motore; I dischi o piatti sono mantenuti ad una

    distanza costante da degli anelli di metallo, ed un "tappo" superiore li blocca definitivamente al sistema con alcune viti di tipo Torx.

    FIGURA 2.

    Passando oltre, la ricerca si dedicata allo studio dei cuscinetti di rotazione, ossia il cuore interno del motore stesso. In principio, nei vecchi dischi rigidi (ma anche in

    alcuni recenti) si utilizzavano dei cuscinetti di rotazione BALL BEARING, ma la rumorosit prodotta dal contatto delle sfere interne, l'elevata temperatura, e l'usura

    meccanica hanno decretato per sempre la loro fine (almeno in parte). Attualmente, all'interno dei cuscinetti trovano posto dei liquidi oelici (FLUID DYNAMIC SPINDLE)

    con i quali si ottengono delle elevate prestazioni, e soprattutto diminuiscono i problemi di rumorosit, di temperatura, e d'usura (aumenta anche la resistenza agli urti).

    Il motore "spindle" di un hard disk dovrebbe essere:

    1) Di qualit, e garantire una certa sicurezza.

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  • 2) Stabile durante la rotazione dei piatti (le vibrazioni dovrebbe essere minime)

    3) Silenzioso (si dovrebbero adottare delle strategie per ridurre l'emissione di decibel prodotti.

    4) Non dovrebbe surriscaldarsi (la temperatura non dovrebbe superare i valori limite imposti dagli stessi costruttori).

    Nei motori FDB (come gi detto), le sfere metalliche sono state sostituite con un olio particolare che riduce significativamente la rumorosit prodotta: l'attrito tra sfera, e

    sfera non esiste pi. A tal proposito, dai test condotti da Seagate per i propri prodotti, si verifica un abbassamento di rumorosit degli hard disk Cheetah X15, che

    utilizzano un motore FDB (Fluid Dynamic Bearing), rispetto ai precedenti dischi rigidi con motori BB (Ball Bearing), ottenendo allo stesso tempo un incremento di

    prestazioni. L'immagine seguente mostra l'evoluzione dell'abbattimento del livello acustico prodotto dai dischi rigidi Seagate fino all'ultimo modello il Cheetah X15 con

    motore FDB.

    FIGURA 3.

    (Grafico dell'impatto acustico dei dischi Seagate).

    I piatti sono sovrapposti sull'asse di rotazione, e girano a velocit incredibili grazie ad un motore generalmente connesso alla parte inferiore dell'albero. I dischi possono

    ruotare sino a 15.000 giri al minuto senza alcun problema, e senza alcun rumore (dovrebbero!). Dei sigilli impediscono all'olio dell'asse motore di fuoriuscire, e un

    conduttore a terra presente tra il motore, e il case del disco scarica l'elettricit statica prodotta durante la rotazione (v. figura 4). I giri al minuto, o rotazioni al minuto

    (RPM), rappresentano l'efficienza complessiva del disco fisso poich incidono sul tempo di latenza di rotazione e sul transfer rate

    FIGURA 4.

    (Motore dei dischi collegato direttamente all'asse di rotazione).

    A questo punto sono d'obbligo alcune domande.

    I piatti del disco variano la loro posizione lungo l'albero di rotazione (asse)?

    Impossibile, essi devono rimanere immobili altrimenti si danneggerebbero le testine e si perderebbero i dati. Per poter "bloccare" i dischi in altezza, sono stati sviluppati

    ed inseriti dei distanziatori che permettono ai dischi di restare fermi senza possibilit di movimento lungo l'asse (v. figura 5).

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  • FIGURA 5.

    (I distanziatori permettono di mantenere immobili i piatti del disco).

    Spostando il PC posso provocare un crash del sistema?

    Ovviamente, muovere un PC in funzione una cosa da non fare mai, i dischi rigidi potrebbero collassare a causa delle vibrazioni dell'albero motore e le testine

    potrebbero danneggiare la superficie di un disco (ricordate che le "puntine" di scrittura e di lettura sono sollevate di pochi micron rispetto alla superficie del piatto, e

    quindi un piccolo movimento pu avere conseguenze disastrose).

    Strato magnetico di memorizzazione.

    Generalmente i supporti di memorizzazione dei dati sono realizzati in ossido di ferro, o costituiti di uno strato a film sottile. Il primo tipo di supporto, molto morbido,

    viene utilizzato nei dischi di fascia economica poich poco resistente ai "crashes" delle testine di lettura/scrittura sulla superficie del disco. Il secondo tipo, i supporti a

    film sottile sono costituiti normalmente da 4 strati (v.figura 6) o layer: il primo, una lega di alluminio o vetro, costituisce il piatto del disco; Il secondo strato, non

    magnetico, di cromo o una lega di NiAl influenza la granulometria del materiale ferromagnetico; Il terzo strato ferromagnetico composto da una lega di cobalto, ed

    utilizzato per la memorizzazione dei dati, e infine l'ultimo strato protettivo ha la funzione di evitare l'ossidazione, e il contatto con le testine di lettura, e scrittura.

    FIGURA 6.

    (La struttura multi-strato di un piatto del disco).

    Ovviamente i produttori dei dischi fissi utilizzano pi strati diversi, ciascuno con la propria funzione.

    Inoltre, dovete sapere, che la deposizione dello strato del materiale ferromagnetico sullo strato non magnetico realizzato in cromo o lega di NiAl, avviene per

    SPUTTERING: un plasma ottenuto per riscaldamento di un gas inerte (Argon) estrae da una lega di cobalto gli atomi che formeranno il film policristallino, ossia lo strato

    ferromagnetico. Lo spessore, la dimensione, e l'orientazione della grana del film dipendono dai parametri del processo di Sputtering, e dalle caratteristiche del secondo

    strato magnetico di deposizione.

    Ed proprio la grana, o pi precisamente la dimensione dei grani cristallini del materiale ferromagnetico che permette di incrementare la densit di memorizzazione.

    Infatti, per aumentare la capacit di memorizzazione degli hard disk bisogna ridurre la dimensione dell'unit elementare, capace di contenere un bit di informazione. Pi

    piccole saranno le dimensioni dei grani cristallini, meno spazio occuper la TRACCIA, e maggiore potr essere la densit di memorizzazione.

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  • FIGURA 7.

    (La traccia come elemento elementare di memorizzazione dei BIT).

    Come si esprime la DENSITA' DI MEMORIZZAZIONE DEI DATI?

    Il parametro densit di memorizzazione si misura in GIGABIT PER POLLICE QUADRO, e si pu dividere in DENSITA' DELLE TRACCE espressa in TPI (numero di tracce

    longitudinali per pollice), e la DENSITA' DI INFORMAZIONE espressa in BPI, ossia numero di bit per pollice.

    Per memorizzare un singolo bit di informazione sono necessari dai 500 ai 1000 grani cristallini che costituiscono il materiale ferromagnetico. Incrementare la capacit di

    memorizzazione significa ridurre la dimensioni dei grani del terzo strato.

    FIGURA 8.

    (Per un singolo BIT ci vogliono dai 500 ai 1000 grani di materiale ferromagnetico).

    Purtroppo, diminuendo le dimensioni dei grani si manifesta sia l'effetto superparamagnetico (SPE), che il fenomeno dell'instabilit termica con conseguente perdit dei

    dati. Le tecniche che permettono un ulteriore miglioramento della densit di memorizzazione sono proposte pi avanti in questo articolo, e nulla hanno a che fare con la

    tecnologia di memorizzazione appena discussa.

    Infine, un esempio della continua ricerca di una maggiore densit di memorizzazione proviene dalla tecnologia adottata per la costruzione degli hard disk per notebook,

    che hanno un valore di GIGABIT PER POLLICE QUADRATO elevato date le "piccole" dimensioni obbligate.

    Le testine di lettura, e scrittura.

    Le testine di lettura e scrittura sono presenti in entrambi le superfici di un piatto, ci significa che un disco rigido con due piatti possiede quattro testine. Lo strato di

    memorizzazione presente sulle due facce di un piatto dando la possibilit alle testine di "incidere" i dati. Uno spazio quasi infinitesimo, quantificabile in pochi micron,

    divide le testine dalla superficie del piatto durante la rotazione dell'albero, mentre a riposo, a rotazione zero, esse poggiano delicatamente sulla superficie del disco.

    Come si ottiene lo spazio quasi infinitesimo esistente tra testina di lettura/scrittura ,e piatto del disco?

    La testina di lettura/scrittura sospesa sopra al piatto del disco con l'aiuto di un cuscino d'aria sviluppato dalla rotazione del disco.

    La distanza tra piatto, e testine molto importante; Pi la testina di lettura / scrittura prossima al disco, e pi piccola l'area di registrazione dei dati (con la possibilit

    di ottenere grandi capienze), pi lontana dal disco, e minore sar la capacit di memorizzazione dati.

    Ovviamente le tecnologie di realizzazione delle testine si sono evolute, anche se il meccanismo di scrittura, e lettura rimasto lo stesso. Ora, la scienza moderna ha

    permesso la costruzione di testine munite di sensore magneto resistivo; In pratica tale dispositivo varia la propria resistenza elettrica in funzione di un campo magnetico

    indotto. In ogni caso, le testine magneto resistive possono soltanto effettuare la lettura dei dati, e quindi sono state accoppiate con le testine magneto induttive capaci

    di scrivere i dati (v. figura 9).

    FIGURA 9.

    (le testine magneto resistive sono state accoppiate con le testine magneto induttive).

    LettereDescrizione

    A La freccia determina il verso della magnetizzazione del supporto di memorizzazione.

    B Sensore magneto resistivo (MR o GMR) a sola lettura.

    CElementi protettivi che isolano il sensore magneto resistivo da campi magnetici

    adiacenti per evitare disturbi in lettura.

    D Elemento di lettura composto dalla testina a sola lettura.

    E Elemento di scrittura composto dalla testina magneto induttiva.

    F Supporto di memorizzazione.

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  • G Traccia.

    Tabella della figura 9.

    Quali sono le tecnologie adottate nel corso degli anni per la realizzazione delle testine di lettura e scrittura?

    L'evoluzione tecnologica delle testine riassunta brevemente dalla tabella seguente.

    Tipo di testineMateriale di sviluppo

    Testine di ferrite

    Consistono in un nucleo di ossido di ferro avvolto da una bobina

    elettromagnetica. Nel corso degli anni il nucleo stato prodotto anche in

    vetro per alleggerire la struttura. Naturalmente, questa tecnologia di

    produzione ormai divenuta obsoleta.

    MIG (Metal-

    in-Gap)Tali testine rappresentano un'evoluzione rispetto a quelle in ferrite.

    TF (Thin Film) Sono costruite come un semiconduttore e pesano poco.

    MR (Magneto-

    Resistive)

    Utilizzano una corrente elettrica interna alla testina. La testina rileva un

    bit, cambia la resistenza e l'intensit di corrente, trasferendo cos i dati.

    Sono le pi utilizzate e sono molto leggere.

    GMR (Giant

    Magneto

    Resistance)

    La tecnologia di progettazione si basa su conoscenze quantistiche

    dell'elettrone.

    Tabella delle testine di lettura e scrittura.

    L'evoluzione delle testine degli hard disk si pu riassumere in cinque momenti importanti:

    1) Le prime testine di lettura, e scrittura funzionavano come un classico elettromagnete, e sfruttavano il fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Quando la testina di

    lettura rilevava un diverso campo magnetico del supporto (del piatto), avveniva un cambio di polarit che determinava successivamente il valore di bit 0 e 1.

    Normalmente, esse erano composte da un ferro (MnFe) a forma di cavallo avvolte da un cavo in rame, praticamente un elettromagnete. Attualmente, nelle operazioni di

    scrittura interviene ancora il meccanismo dell'induzione elettromagnetica.

    2) Il secondo momento di evoluzione costituito dall'introduzione delle testine Metal-In-Gap (MIG), che essezialmente funzionano come le precedenti, ma sono

    composte da una lega di metallo molto pi sensibile ai campi magnetici.

    3) Nella terza evoluzione le testine induttive riducono la loro dimensione, il loro peso, e diventano pi precise; Vengono comunemente chiamate Thin film, e assolvono

    alla funzione di scrittura, e di lettura.

    4) Le testine Magneto-Resistive Anisotropiche (AMR) rappresentano il quarto stadio di evoluzione. Esse non funzionano pi per induzione elettromagnetica, ma utilizzano

    un materiale speciale che modifica la propria resistenza al passaggio della corrente elettrica in presenza di un campo magnetico. L'elemento di lettura composto da un

    sensore magnetoresistivo la cui resistenza al passaggio della corrente elettrica varia al variare del campo magnetico a cui viene sottoposto.

    Pi specificatamente l'effetto magnetoresistivo si basa sulla velocit degli elettroni di conduzione del materiale magnetoresistivo: se gli elettroni si muovono nella stessa

    direzione della polarizzazione magnetica, la loro velocit minima, e quindi la resistenza al passaggio della corrente elettrica sar massima; Nel caso contrario, la

    velocit degli elettroni sar massima, e quindi, minima sar la resistenza al passaggio della corrente elettrica. Il valore massimo o minimo della resistenza verranno

    interpretati come valori di informazione 1 e 0.

    E' da aggiungere, che solo le testine di lettura utilizzano la tecnologia Magneto-Resistive (MR). Ricordiamo, che il fenomeno della magnetoresistenza fu scoperto nel

    lontano 1857 da Lord Kelvin, e che nel 1968 presso il centro di ricerca della AMPEX CORPORATION fu realizzata la prima testina magnetoresistiva.

    5) Nel 1988 fu scoperto l'effetto Giant magnetoresistive, e dal 2000 le testine di lettura del disco rigido usufruiscono di tale tecnologia; La seguente immagine vi pu

    aiutare nel comprendere il funzionamento della tecnologia di lettura GMR (Giant Magneto-Resistive).

    FIGURA 10.

    Cos' il fenomeno GMR? Come funziona?

    Se siete a digiuno di fisica, meglio iniziare a leggere qualcosa, poich il fenomeno GMR si basa sulle propriet quantistiche dell'elettrone. L'elettrone pu essere

    caratterizzato da due valori: il valore di spin up, e quello di spin down. In un strato sottile metallico magnetizzato, gli elettroni con direzione parallela all'orientazione

    magnetica possono muoversi liberamente, mentre quelli con spin opposto collidono pi facilmente. In quest'ultimo caso si verifica un aumento della resistenza al

    passaggio della corrente elettrica, mentre nel caso di orientamento parallello la resistenza al passaggio delle corrente elettrica misurata bassa. L'immagine seguente vi

    aiuter a capire come funziona il fenomeno GMR.

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  • FIGURA 11.

    Una testina di lettura GMR composta principalmente da quattro strati: il primo il Free layer, legge le informazioni sul supporto magnetico, il secondo divide il Free layer

    dal Pinned layer, il terzo, il Pinned Layer, orienta la propria polarit in seguito ad un cambiamento dell'orientamento degli elettroni del primo strato; L'ultimo strato,

    l'Exchange layer mantiene la polarit magnetica del Pinned Layer.Tutto ci funziona cos: quando gli elettroni del Free layer sono allineati con il Pinned layer la

    resistenza della testina bassa.

    Gli attuattori delle testine.

    Gli attuattori o meccanismi di spostamento permettono alle testine di leggere/scrivere sulla superficie del disco (v. figura 12). Possiamo dividere in due gruppi tali

    sistemi: i motori passo a passo e i motori a bobina mobile. I primi sono costituiti da un motore elettrico passo a passo, e ogni traccia del disco corrisponde ad un passo

    dell'attuattore. Purtroppo per il metodo di posizionamento dipende esclusivamente dal motore passo a passo e nel tempo tale sistema potrebbe non funzionare

    correttamente (usura meccanica). Nei secondi, il posizionamento sulle tracce del piatto avviene tramite la repulsione o l'attrazione di una bobina (nella quale situata la

    testina di lettura e scrittura) e di un magnete (fisso e vincolato alla struttura). Il meccanismo di posizionamento delle testine sulle tracce non meccanico, ed

    controllato dai dispositivi di posizionamento delle testine del disco rigido.

    FIGURA 12.

    (Dispositivo guidato di posizionamento delle testine di lettura / scrittura).

    Com' possibile il riconoscimento della superficie del disco da parte del dispositivo guidato di posizionamento delle testine?

    Durante la produzione del piatto (disco) stato inserito uno speciale codice in notazione binaria (codice gray), in grado di identificare con precisione le tracce e i settori.

    I dispositivi di posizionamento leggono il codice gray e si collocano precisamente sulla traccia o sul settore richiesto.

    La scheda logica o circuito stampato.

    La meccanica del disco rigido controllata da una scheda logica: l'albero (asse) del disco, e l'attuattore della testina sono gli elementi pi monitorizzati. Molte volte la

    causa di un malfunzionamento del disco rigido dipende da un problema della scheda logica, e non per una disfunzione meccanica.

    FIGURA 13.

    (Scheda logica di un disco SAMSUNG).

    Naturalmente l'identificazione del guasto non sempre una procedura immediata, e quello che a prima vista pu apparire un problema meccanico, alla fine si rivela un

    malfunzionamento della scheda logica.

    Come si dispongono i dati sulla superficie del disco?

    I dati sono organizzati sulla superficie del disco in maniera concentrica in TRACCE; Quest'ultime sono anelli di dimensione uguali alla larghezza della testina di lettura/

    scrittura. Inoltre, dovete sapere, che i dati vengono trasferiti da e verso il disco in BLOCCHI, i quali hanno una superficie minore rispetto alla superficie coperta dalle

    TRACCE. Ogni TRACCIA pu contenere da 10 a 100 SETTORI o pi (v. figura 14). I settori normalmente contengono 512 Kbyte di dati, preceduti da un "preambolo", e

    seguiti da un codice di correzione degli errori (ECC). Il preambolo permette alla testina di sincronizzarsi prima di leggere o scrivere nel disco, mentre il codice ECC,

    Hamming o Reed Solomon corregge gli errori.

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  • FIGURA 14.

    (Tracce e settori costituiscono gli elementi principali dell'organizzazione della superficie di un disco).

    Come potete vedere, le tracce adiacenti sono separate da un intervallo (o traccia d'intervallo vuoto) per evitare, errori, dovuti ad un mancato allineamento della testina,

    o ad interferenze tra campi magnetici.

    Anche i settori sono divisi da intervalli (intersector gap), perch, cos facendo, non si richiedeno elaboratissimi sistemi di precisione.

    Per individuare le posizioni dei settori sulla superficie del disco ogni traccia, e ogni settore devono essere identificati da un punto di inizio, e uno di fine. I dispositivi di

    posizionamento leggono questi parametri, e riescono con precisione a raggiungere un ben determinato settore.

    Infine, ricordate che la capacit formattata di un disco rigido non tiene conto dei preamboli, dell'ECC e cosi via, e quindi un disco di 40 Gb potrebbe contenere dati per 1

    o 2 Gb in meno. Alcuni produttori, ad esempio IBM, normalmente aumentano di 1 o 2 Gb la capacit formattata del disco rigido, cos da rendere i tutti i 40 Gb

    effettivamente disponibili per i dati.

    L'INTERFACCIA ATA ULTRADMA.

    Per trasmettere i dati dal disco rigido al resto del sistema ci serve un collegamento fisico, e tal compito assolto sufficientemente dall'interfaccia ATA. L'evoluzione

    dell'interfaccia ATA cominciata dal PIO MODE 4 (16 Mb/s), per poi passare all'ATA 33 (UltraDma 2 - 33 Mb/s), all'ATA 66 (UltraDma 4 - 66 Mb/s) per poi terminare con

    l'ATA 100 (UltraDma 5 - 100 Mb/s). Maxtor ha introdotto recentemente l'ATA 133 (UltraDma 6 - 133 Mb/s), di cui potrete leggere un "Maxtor White Paper" al seguente

    indirizzo:

    http://www.maxtor.com/en/documentation/white_papers/fast_drives_white_papers.pdf

    Comunque, nonostante l'evoluzione dell'interfaccia ATA fino a 133 Mb/s, vi un limite fisico imposto dalle specifiche del Bus PCI.

    Dovete sapere che, l'interfaccia ATA invia i dati al controller del disco integrato nel Chipset della scheda madre. Successivamente, quest'ultimo trasmette i dati ricevuti al

    resto del sistema servendosi del Bus PCI ad una velocit massima teorica di 133 Mb/s. Normalmente tale valore scende a 120 Mb/s in condizioni normali, e l'interfaccia

    ATA non riesce a superare tale limitazione fisica.

    Ma perch interviene il Bus PCI nel trasferimento dati dei dischi rigidi?

    In questa parte dell'articolo approffondiremo la conoscenza del Bus PCI, o pi specificatamente Peripheral Component Interconnect Bus. Esso funziona a 66 Mhz, pu

    gestire trasferimenti di 64 bit per una larghezza di banda complessiva di 528 Mb/s, ed un Bus sincrono. Ci significa che tutte le transazioni effettuate sul Bus PCI

    avvengono tra un MASTER chiamato "Initiatore", e uno SLAVE chiamato "target". Possiamo descrivere con un esempio il funzionamento del Bus PCI in relazione ad uno

    MASTER ed uno SLAVE. Nel primo ciclo di clock il "dispositivo" MASTER mette nel Bus PCI l'indirizzo dei dati richiesti; Nel secondo ciclo di clock il MASTER toglie

    l'indirizzo, e libera per lo SLAVE. Nel terzo ciclo di clock il "dispositivo" SLAVE invia al MASTER i dati richiesti mettendoli sul Bus PCI. Se per qualche motivo, lo

    SLAVE tarda ad inviare i dati (quindi un tempo superiore al terzo ciclo di clock), si inseriscono dei fastidiosi tempi di attesa.

    L'INTERFACCIA SERIAL ATA: IL NUOVO STANDARD.

    Ormai, l'interfaccia Ultra-ATA ha raggiunto i suoi limiti, e nel corso di questi due ultimi decenni ha subito numerosi miglioramenti giungendo all'ultima revisione con

    l'ULTRA ATA 133 utilizzata esclusivamente dai dischi MAXTOR.

    Recentemente ha preso piede una nuova tecnologia, che ben presto diventer lo standard di collegamento dei dischi rigidi: lo standard Serial o pi semplicemente SATA.

    L'architettura Serial ATA prevede un affidabilit maggiore rispetto all'ATA garantita da un controllo di ridondanza ciclica (CRC) dei dati e dei comandi. Ricordo, per chi

    non lo sapesse, che nello standard ATA il controllo di ridondanza ciclica avviene soltanto sui dati. Tutti i cavi da 40 e 80 contatti (pin) che siamo abituati a vedere

    saranno sostituiti da dei cavi sottili, che miglioreranno la circolazione del flusso d'aria all'interno del Cabinet, e potranno disporre di un estensione maggiore di quella

    attuale, cos, finalmente potremmo utilizzare anche dei case megalitici!.

    L'attuale velocit max di trasmissione del SATA di circa 150 Mb/s, che con il SATA II aumenter fino a 300 Mb/s e con il SATA III raggiunger i 600 Mb/s.

    L'utilizzo dei dischi SATA richiede un cavo di collegamento seriale, e un adattatore di alimentazione (v.figure 15,16). Alcuni hard disk posseggono sia il connettore molex

    che il connettore seriale di alimentazione.

    FIGURA 15.

    (L'adattatore di alimentazione SATA e il cavo SATA).

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  • FIGURA 16.

    (Gli estremi di un cavo SATA).

    Infine, caratteristica importante da non sottovalutare dei dischi SATA il collegamento a caldo al sistema, questo significa che in ogni momento si potr aggiungere un

    disco fisso al PC (non sempre questa opzione disponibile); Tale soluzione finora stata adottata solo nei sistemi server e con tecnologie costose, e ora, finalmente,

    disponibile per tutti.

    I produttori di motherboard stanno implementando il nuovo standard anche in soluzione RAID (v. figura 17).

    FIGURA 17.

    (Il Chipset Promise PDC20376 si occupa della gestione di due canali Serial ATA ,e gestisce il livello RAID 0 e 1).

    Rapidamente possiamo elencare nella tabella seguente le innovazioni introdotte dal nuovo standard SATA.

    Cavi di collegamentoDi ridotte dimensioni, meno ingombranti dei cavi ATA

    Lunghezza dei cavi Fino a 1 metro di lunghezza

    Connettori di alimentazione

    Nuove caratteristiche di alimentazione. Il +3.3 V stato

    introdotto per supportare le tecnologie future a basso

    consumo

    Velocit max di Transfer rate

    buffered o di picco

    150 Mb/s con il SATA I

    300 Mb/s con il SATA II

    600 Mb/s con il SATA III

    Hot Plug A computer accesso possibile collegare i dischi rigidi SATA

    CRCControllo di ridondanza ciclica sui dati, e sui comandi per un

    maggiore controllo degli errori

    Interferenze minoriPrima della trasmissione dei dati avviene la loro

    pacchettizzazione che diminuisce il rischio delle interferenze

    Basso costo dell'interfacciaL'implementazione della nuova tecnologia SATA, in termini di

    costi, equivalente alla precedente ATA

    Tabella della tecnologia SATA.

    Forse ancora troppo presto per ottenere dei buoni risultati dai dischi Serial ATA, ma sicuramente il nuovo standard sar sicuramente il degno successore del'ATA, a

    meno di nuove soluzioni di memoria di massa secondaria.

    SVILUPPI FUTURI.

    Per aumentare la capacita di memorizzazione dei dischi rigidi sono state sviluppate nuove tecnologie di realizzazione dei piatti, del supporto di memorizzazione, e delle

    testine di lettura, e scrittura. Di seguito parleremo di disk texturing e catene magnetiche di atomi.

    Disk texturing.

    La superficie del disco divisa in due zone: l'area ad alta planarit, e l'area dei rilievi. Le zone in rilievo sono utilizzate per l'atterraggio delle testine in posizione di

    riposo, e vengono prodotte con un laser a bassa potenza. Le altre zone, o superfici ad alta planarit permettono la memorizzazione dei dati.

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  • FIGURA 18.

    (la parte chiara rappresenta la superficie di memorizzazione dati, mentre le parti in rilievo sono utilizzate come zone di atterraggio delle testine nella posizione a riposo).

    Catene magnetiche di atomi.

    Grazie alla collaborazione internazionale tra il Consiglio Nazionale delle Ricerche (C.N.R.), il Politecnico di Losanna, il centro di Ricerca di Juelich e Max Planck di

    Stoccarda, si riusciti a riprodurre una catena magnetica della larghezza di un solo atomo, disposta su una superficie microscopica (Carlo Carbone). Ci significa che in

    futuro si potranno costruire dei supporti di memorizzazione ad alta capacit, moltiplicando cos la 'potenza' dei nostri computer.

    IL DISCO RIGIDO FUNZIONA?

    Ora, cercheremo di definire una strategia di interventi grazie ai quali riuscirete ad identificare un malfunzionamento del disco rigido. Prima di "gettare" l'hard disk nella

    spazzatura, o tirarlo in testa al negoziante (e questa l'opzione da preferire), provate a rispondere alle seguenti domande, e magari il vostro problema si risolve nel

    migliore dei modi.

    I jumper del disco rigido sono configurati correttamente?

    Quando i jumper (ponticelli presenti nella parte anteriore del disco fisso) dell'hard disk non vengono impostati nel modo corretto, pu accadere di tutto: il PC non si

    avvia, il sistema operativo non si installa, al boot del PC le periferiche IDE vengono visualizzate con caratteri strani, e cosi via. Quindi, verificate i jumper (v.figura 19), e

    per la loro impostazione leggete i seguenti consigli.

    FIGURA 19.

    (1-jumper, 2-alimentazione molex a 4 pin, 3-collegamento interfaccia ATA).

    Nell'immagine sopra, i jumper sono posizionati nella zona numero 1, e solitamente sulla superficie superiore del disco, o sulla parte pi vicina ad essi, sono serigrafate le

    varie posizioni per ottenere le diverse modalit di funzionamento MASTER, SLAVE, o CABLE SELECT.

    Ecco i consigli, e seguiteli, perch cos il vostro sistema funzioner pi velocemente, e senza alcun problema!

    Quando colleghiamo un cavo ATA ad una singola unit, data l'alta frequenza prodotta dal trasferimento dati, bisognerebbe connetterla all'estremit del cavo

    (solitamente vige una scritta MASTER), poich funge da terminatore. In poche parole, connettere l'unit singola al connettore centrale del cavo ATA, produce un

    impoverimento del segnale, poich una parte del segnale percorre il cavo fino all'estremit e poi ritorna unendosi al segnale dell'unit intermedia in modo non speculare,

    creando delle interferenze.

    Nel caso in cui, due unit vengono connesse allo stesso cavo ATA, la presenza di una periferica IDE che funziona da terminatore limita le interferenze non speculari.

    Devo aggiungere, che la funzione dell'unit Master (unit superiore), consiste nella decodificazione del segnale per le due unit MASTER & SLAVE.

    Quando siamo in presenza di quattro unit, due per ogni canale, sebbene non esistano particolari indicazioni sulla posizione e sulla scelta del dispositivo, se si

    posseggono un unit CD-ROM/DVD e un unit CD-RW, bene assegnarle a due canali diversi. Il disco Master (o di sistema), bisognerebbe connetterlo al CANALE

    PRIMARIO (IDE 1) e assegnargli la condizione MASTER, poich tale configurazione, identificata come quella con trasferimento dati maggiore. Se siamo in presenza di

    due hard disk, meglio assegnarli a due canali diversi, poich due canali differenti (IDE1 e IDE2) possono processare i dati in modalit MULTITASKING, mentre due

    dispositivi appartenenti allo stesso canale possono eseguire una sola operazione (SINGLETASKING).

    Riassumendo, la configurazione migliore per quattro unit IDE, in presenza di due Hard disk e altre due periferiche ide risulta essere la seguente.

    CANALIPOSIZIONE DELLE UNITA' IDE

    CANALE 1: (IDE 1)MASTER = HARD DISK DI SISTEMA

    SLAVE = CD-ROM/DVD

    CANALE 2: (IDE 2)IMASTER = MASTERIZZATORE

    SLAVE = SECONDO HARD DISK di DATI

    TABELLA DELLE POSIZIONI DELLE UNITA' IDE.

    Purtroppo, tale soluzione non "universale" e potrebbero sussistere alcuni problemi di incompatibilit tra le unit.

    Come esempio di corretto collegamento tra le varie periferiche IDE abbiamo pubblicato due immagini (v. figure 20,21) con il collegamento delle periferiche IDE ai canali

    Hard disk dischi rigidi http://www.larapedia.com/informatica_hard_disk/hard_disk_dischi_rigi...

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  • primario, e secondario della motherboard.

    FIGURA 20.

    Come potete vedere nella figura 20, il masterizzatore (il numero 1 rosso) collegato al CANALE SECONDARIO della scheda madre, e configurato per utilizzare la

    modalit MASTER. Gli altri dispositivi, il DVD (indicato con il numero due), e il disco fisso (numero 3 rosso), sono collegati al CANALE PRIMARIO della motherboard, e

    sono configurati rispettivamente in SLAVE il primo, e in MASTER il secondo.

    FIGURA 21.

    Nella posizione 1 trova posto un lettore CD-ROM collegato al CANALE SECONDARIO della scheda madre configurato in modalit MASTER. Al CANALE PRIMARIO, in

    modalit MASTER stato collegato l'hard disk di sistema (posizione 2).

    Inoltre, fate attenzione alle seguenti osservazioni:

    Non installate un Hard disk ATA 33 sullo stesso canale di un Hard disk ATA 66/100, poich ci diminuerebbe le prestazioni generali del sistema.

    Non utilizzate cavi ATA 66-100 su controller ATA 33, potrebbero verificarsi dei problemi (anche se molto remoti).

    Verificate nel Bios l'attivazione della modalit UDMA della vostra motherboard.

    Non possibile collegare allo stesso cavo (canale) dispositivi configurati in MASTER & SLAVE ed in CABLE SELECT.

    Non possibile collegare periferiche ide configurate in CABLE SELECT su controllers ATA 33.

    Dopo aver verificato l'impostazione corretta dei cavi e dei jumper, il momento della seconda domanda:

    Il molex di alimentazione a 4 pins, e il cavo ATA sono collegati al disco fisso?

    Fate attenzione al cavo di alimentazione, e al cavo ATA, essi devono esser connessi al disco rigido, altrimenti quest'ultimo non partir.

    Il motore del disco si avvia?

    Normalmente, quando un disco fisso si avvia produce un debole segnale acustico, e delle piccole vibrazioni avvertibili posizionando la mano sopra la superficie del disco,

    dalla parte opposta alla scheda logica. Se non sentite nulla, e non avvertite nulla, significa che il vostro disco rigido non funziona.

    I parametri del Bios sono impostati correttamente?

    All'avvio del PC premete "CANC" o "DEL", dalla schermata principale del BIOS selezionate la voce "STANDARD CMOS FEATURES" e poi, controllate le opzioni

    "IDE PRIMARY MASTER, IDE PRIMARY SLAVE, IDE SECONDARY MASTER e IDE SECONDARY SLAVE; All'interno dei menu ad esse dedicato, le voci IDE PRIMARY

    e SECONDARY, MASTER o SLAVE devono essere impostate su "AUTO", come pure per l'opzione "Access Mode".

    I programmi di diagnostica del disco hanno rilevato qualche problema?

    Prima di "certificare" il buon funzionamento di un disco rigido eseguite le utility offerte dal costruttore, e potrete cos verificarne l'integrit fisica. Leggete pi avanti le

    informazioni su alcuni TOOLS DI DIAGNOSTICA disponibili attualmente in Rete.

    Sicuramente, dopo aver letto le domande e le risposte della nostra strategia di verifica dei dischi rigidi, riuscirete a dormire sonni pi tranquilli, ma ricordate, un disco

    fisso fatto di componenti elettronici, costruiti in serie, e alcune volte in economia, quindi non affidate mai ad essi il compito di conservare "il backup" dei vostri dati pi

    importanti poich dall'oggi al domani potrete perderli.

    IL PROBLEMA DELLA CONDENSA.

    Il problema della condensa, e della sua formazione, potrebbe influire negativamente sul corretto funzionamento di un hard disk; Infatti, se quest'ultimo viene

    immagazzinato in un ambiente freddo, e poi in pochi secondi viene trasportato in un ambiente caldo e umido, sulle pareti fredde si ha la formazione della condensa,

    mettendo in pericolo le parti meccaniche, e non solo. Questo genere di "pericolo" si verifica frequentemente nei periodi invernali, e con i "portatili", i quali possono

    essere spostati pi facilmente dei computer domestici (desktop). La condensa potrebbe rovinare irreversibilmente il disco rigido, proprio per questo la tabella seguente vi

    pu aiutare nell'evitare spiacevoli conseguenze.

    Temperatura di provenienzaOre di acclimatizzazione

    +4C 13 ore

    -1C 15 ore

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  • -7C 16 ore

    -12C 17 ore

    -18C 18 ore

    -23C 20 ore

    -29C 22 ore

    -34C 27 ore

    TABELLA.

    Come si legge la tabella ?

    Per esempio, se il vostro hard disk proviene da una situazione con una temperatura di +4C, ed trasportato in luogo a temperatura ambiente occorrono 13 ore circa

    per un acclimatizzazione completa, in modo tale potrete evitare l'insorgenza del fenomeno della condensa.

    I "TOOLS" DI DIAGNOSTICA.

    In rete, e non solo, esistono dei programmi di verifica ed integrit dei dischi fissi, con i quali potrete controllare l'attivit del disco rigido, o la presenza di errori sulla

    superficie dei piatti, oppure, diagnosticare altri guasti.

    Iniziamo con POWERMAX sviluppato dalla MAXTOR un programma di verifica dei dischi Maxtor ATA & SATA. L'utility utilizzata soventemente per diagnosticare dei

    problemi fisici (cluster danneggiati) ai piatti del disco rigido. La potete trovare al seguente indirizzo internet:

    http://www.maxtor.com/en/support/downloads/powermax.htm

    DATA ADVISOR rappresenta una seconda utility di diagnostica dei dischi rigidi sviluppata da Ontrack, ed disponibile al seguente indirizzo internet in versione demo:

    http://www.ontrack.com/freesoftware/#dataadvisor

    Per i dischi della Western Digital sono presenti al seguente indirizzo internet alcuni software di diagnostica:

    http://support.wdc.com/download/index.asp#windlg

    Dopo aver acquistato l'ultimo hard disk, dal vostro negoziante di fiducia, sottoponetelo a diverse ore di test, solo cos potrete avere la garanzia di possedere un ottimo

    prodotto.

    E' IL MOMENTO DI VALUTARE LE PRESTAZIONI DEL NOSTRO DISCO RIGIDO.

    Quando si valutano le prestazioni di un sistema hardware, normalmente si fa riferimento alla potenza della CPU, alla velocit della scheda video, e alla dimensione in Mb

    della memoria di sistema, mentre del disco rigido consideriamo soltanto la capacit in Mb. In realt, l'efficienza di un disco fisso importante, poich il traferimento dei

    dati deve essere veloce, in grado di soddisfare qualsiasi esigenza.

    L'indice pi adatto che permette di valutare la velocit del disco fisso il valore RPM, o il numero di rotazioni dei piatti per minuto. Tale parametro incide

    sul TEMPO DI LATENZA ROTAZIONALE, sul TRANSFER RATE DI PICCO, e sul TRANSFER RATE SEQUENZIALE, quest'ultimi anche chiamati TRANSFER RATE

    ESTERNO, e TRANSFER RATE INTERNO. Un valore basso di numero di giri indice di latenze superiori, e di un transfer rate minore.

    Ora, cerchiamo di capire in maniera pi approfondita quanto detto poch'anzi.

    Quando il disco fisso in funzione, il disco ruota con una VELOCITA' COSTANTE. Per leggere, e scrivere su una traccia ben determinata la testina di lettura/scrittura si

    deve spostare, e questo intervallo di tempo detto TEMPO DI RICERCA (SEEK TIME). Poi, una volta che la traccia stata selezionata, il controllore del disco attende un

    settore ben preciso, e quest'intervallo di tempo chiamato RITARDO ROTAZIONALE, o LATENZA DI ROTAZIONE.

    E' chiamato TEMPO DI ACCESSO (ACCESS TIME) la somma del RITARDO ROTAZIONALE, e del TEMPO DI RICERCA (se presente) ed misurato in millisecondi (ms).

    Ovviamente, pi basso tale valore, e pi veloce sar l'unit disco nell'accedere ,copiare e trasferire i dati.

    In aggiunta a questi intervalli di tempo, si accodano altri tempi di attesa I/O del dispositivo. Quando un processo richiede il disco fisso, emette una richiesta I/O, la quale

    viene accodata finch il dispositivo non sia libero. Se lo stesso canale di I/O dell'hard disk condiviso con altri dispositivi (altri drive) si pu aggiungere un altro tempo di

    attesa, e cio bisogna aspettare che il canale I/O sia libero.

    Successivamente, dopo che la testina di lettura e scrittura si posizionata sul settore corretto, avviene la fase di trasferimento dati, e possiamo misurarla con il

    TEMPO DI TRASFERIMENTO DEI DATI. Come appare chiaramente il TEMPO DI TRASFERIMENTO DATI (Transfer-rate) direttamente proporzionale alla velocit di

    rotazione del disco, e alla DENSITA' UNITARIA, e lo possiamo suddividere in due valori: il TRANSFER RATE di PICCO, e il TRANSFER RATE SEQUENZIALE. Il primo

    indice di trasferimento dati tra il buffer del disco, e la memoria ram attraverso l'interfaccia ATA ed anche chiamato BUFFERED SPEED.

    (N.B: Il buffer del disco rigido equivale normalmente ad un area di memoria per l'immagazzinamento dei dati, disponibile grazie ad un chip presente nella scheda logica;

    Esso funziona come una cache: se dei dati richiesti sono presenti, vengono inviati alla memoria ram senza attivare la parte meccanica per la ricerca su disco).

    Se i dati richiesti non sono presenti all'interno del BUFFER del disco, entra in funzione la ricerca "meccanica" dei files sulla superficie del disco, e la velocit con cui essa

    li trasmetter alla memoria ram detta TRANSFER RATE SEQUENZIALE. Dovete sapere che, normalmente la velocit di trasferimento dati di picco (TRANSFER RATE di

    PICCO) circa il 60% superiore alla velocit di TRANSFER RATE SEQUENZIALE.

    Un esempio vi chiarir la differenza tra velocit di TRANSFER RATE di PICCO e velocit di TRANSFER RATE SEQUENZIALE.

    Poniamo il caso di dovere trasferire un file di 60 Mb da un disco ad una unit di backup. Dopo la richiesta al disco di tale operazione, la ricerca verr effettuata all'interno

    del buffer del disco rigido con successo perch qui si trovano 2 Mb (capacit del buffer del disco) del file. Tale parte del file viene inviata alla memoria ram con una

    velocit di TRANSFER RATE di PICCO. I rimanenti 58 Mb, verranno cercati sulla superficie del disco, e in seguito ai tempi di ACCESSO (Access Time), la velocit con cui i

    dati saranno trasferiti alla memoria RAM quella di TRANSFER RATE SEQUENZIALE.

    E' ANCHE VERO, CHE LA VELOCITA' DI TRANSFER RATE SEQUENZIALE PUO' ESSERE A SUA VOLTA SUDDIVISA IN MASSIMA E SOSTENUTA, CERCHIAMO DI CAPIRE IL

    PERCHE'.

    A causa dei preamboli, del codice di correzione ECC, dei tempi di ricerca, della latenza di rotazione, dei "gap intersector", delle zone vuote esistenti tra tracce adiacenti,

    la massima velocit di trasferimento dati ottenuta in un intervallo di tempo limitato (BURST) diversa dalla massima velocit di trasferimento dati eseguita in tempo

    illimitato (SUSTAINED). Ci significa, che per un settore, il disco pu sostenere la velocit massima di trasferimento dati, mentre se si valuta la velocit di trasferimento

    dati per pi settori quest'ultima diminuisce. Proprio per tale motivo, quando si utilizzano delle applicazioni multimediali dobbiamo ottenere il massimo valore di velocit di

    trasferimento dati per pi tempo (o pi settori).

    Inoltre, quando i piatti del disco ruotano ad elevate velocit (120 giri/s ed oltre), si scaldano, e si dilatano cambiando la loro geometria, e quindi i meccanismi di

    posizionamento delle testine di lettura/scrittura devono ricalibrarsi, aggiungendo altri tempi di attesa, e diminuendo cos la massima velocit di trasferimento dati per pi

    settori (o sostenuta). Per ovviare a questo problema di surriscaldamento alcuni produttori hanno sviluppato i dischi "audio-visual disk drive" che non devono ricalibrare il

    posizionamento sul disco.

    Infine, ma non ultimo il parametro della PERCENTUALE DI UTILIZZO DELLA CPU. Se il valore basso significa che il nostro disco rigido veloce, e non richiede nessun

    intervento da parte della CPU. Devo aggiungere che esso dipende dall'attivazione della modalit DMA.

    Un programma che permette di rilevare tale valore HDTACH 2.61 scaricabile dal seguente indirizzo internet: (v.link).

    Adesso, analizzeremo approffonditamente i tempi di attesa pi importanti: IL TEMPO DI RICERCA, IL RITARDO ROTAZIONALE, e IL TEMPO DI TRASFERIMENTO DATI.

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  • Il TEMPO DI RICERCA composto dai due elementi: il tempo iniziale per l'avviamento del braccio, e il tempo necessario affinch quest'ultimo attraversi le tracce fino alla

    traccia desiderata (tale valore non lineare, ossia il rapporto tra tempo di attraversamento, e il numero di tracce non una costante).

    Possiamo comunque approssimarlo in questo modo:

    TS = K X NT X TA

    ove TS uguale al Tempo di ricerca approssimato, K una costante che dipende dal disco rigido, NT il numero di tracce attraversate, e TA il tempo di avviamento

    del braccio.

    Il RITARDO ROTAZIONALE dato dalla velocit del disco fisso, cio dischi a 7200 rpm, impiegano una rotazione completa in 8,3 ms (in media quindi 4,15 ms), dischi a

    3600 rpm, eseguono una rotazione completa in 16,7 ms (in media 8,3 ms), dischi a 15.000 rpm eseguono una rotazione completa in 4 ms (in media 2 ms).

    IL TEMPO DI TRASFERIMENTO dipende dalla velocit di rotazione del disco. Il tempo cos calcolato:

    TR = Nb / r X NbT

    Ove, TR uguale al tempo di trasferimento, Nb il numero di byte da trasferire, la velocit del disco in giri al secondo e NbT sono i numeri di byte su una traccia.

    IL TEMPO TOTALE MEDIO DI ACCESSO E' DATO DALLA SEGUENTE:

    TMA = TS + 1/2r + Nb/r X NbT

    Ove, TMA il tempo totale medio di accesso, TS il tempo medio di ricerca, 1/2r il tempo medio rotazionale e Nb/r X NbT il tempo medio di trasferimento.

    COS'E' LO SCHEDULING DEL DISCO?

    Ogni volta che un processo deve compiere delle operazioni di INPUT/OUTPUT con l'unit disco deve inviare una richiesta al sistema operativo; Essa contiene il tipo di

    operazione, l'indirizzo nel disco nel quale avverr il trasferimento, l'indirizzo di memoria da dove trasferire i dati, e infine la quantit di byte da trasferire. Se, disco rigido,

    e controllore sono disponibili la richiesta verr soddisfatta immediatamente, altrimenti verr accodata nell'attesa di essere eseguita. Le code di I/O possono aumentare

    considerevolmente nel tempo, sicch spetta al sistema operativo decidere quali richieste eseguire per prime.

    Per gestire le richieste di I/O ed eseguirle il pi velocemente possibile vengono impiegati degli algoritmi per lo scheduling del disco. Ecco un elenco dei pi comuni: i

    FCFS (first come, first served), gli SSTF (shortest seek time first), gli SCAN, i C-SCAN, i LOOK, i C-LOOK, ed infine i LIFO.

    Iniziamo dagli algoritmi FCFS, chiamati First Come, First Served, ossia le richieste di I/O del disco vengono eseguite in ordine di arrivo. Per esempio, se la coda di

    richieste dell'unit disco contiene i cilindri 23, 184, 120, 45, 89, 90, 1, e la testina del disco si trova nel cilindro 46, essa dovr spostarsi al cilindro 23, poi al succesivo

    184, e via via sino all'ultimo. La distanza totale coperta dalla testine del disco risulta di 457 cilindri (v. figura).

    Attenzione: i grafici, dove necessario, mostrano i cilindri 0, e 200 che rappresentano gli estremi opposti, e non appartengono alla coda delle richieste I/O;

    FIGURA 22.

    Il secondo algoritmo lo SSTF (shortest seek time first), o scheduling per brevit esegue tutte le richieste di I/O della coda pi prossime alla posizione corrente della

    testina prima di elaborarne altre; Per tale motivo esso chiamato algoritmo di servizio secondo il pi breve tempo di ricerca.

    Se utilizziamo l'esempio precedente, la testina del disco dal cilindro 46 si sposter al cilindro 45, poi al cilindro 23 e cosi via fino al cilindro 184. La coda verr soddisfatta

    nell'ordine seguente: 46,45,23,1,89,90,120,184, per una distanza coperta totale di 228 cilindri (v. figura).

    FIGURA 23.

    Lo scheduling del disco che utilizza l'algoritmo SCAN sposta la testina del disco da un estremo all'altro nella sola direzione possibile. In pratica le testine dell'unit disco

    lo attraversano nelle due direzioni. Nel nostro esempio pratico, le richieste verrebber cos soddisfatte ammesso che le testine si stiano spostando verso il cilindro 0:

    46,45,23,1,giungendo fino al cilindro 0; Successivamente le testine si sposteranno verso l'estremo opposto servendo le richieste ai cilindri 89,90,120,184. Nel nostro

    esempio la distanza coperta totale di 229 (v. figura). Se la testina del disco si muovesse verso l'ultimo cilindro le richieste verrebbero soddisfatte in quest'ordine:

    46,89,90,120,184, poi, essa proseguirebbe fino al cilindro 200, e a questo punto invertirebbe la direzione del braccio, e verrebbero servite le richieste ai cilindri 45,23,1,

    per un totale di 353 cilindri(v. figura). Questo tipo di algoritmo anche conosciuto come l'algoritmo dell'ascensore. Infine, se durante lo spostamento della testina verso

    una direzione venisse richiesta un operazione su un cilindro posto davanti alla stessa, essa verrebbe soddisfatta quasi immediatamente; Se invece, la richiesta viene

    posta su un cilindro gi superato, bisogner aspettare l'inversione di direzione.

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  • FIGURA 24.

    FIGURA 25.

    Un altro algoritmo molto utilizzato nello scheduling del disco il C-SCAN (circular SCAN) che rappresenta una variante del precedente algoritmo SCAN. Ma vediamo

    come funziona: la testina dell'unit disco si sposta nelle due direzioni, ma solo in una direzione serve le richieste I/O; Nel nostro esempio, la coda di richieste I/O dei

    cilindri 46,23,184,120,45,89,90,1 cos elaborata: 46,89,90,120,184, e poi la testina prosegue fino al 200 cilindro; Successivamente la testina ritorna al cilindro 0, ed

    elabora le richieste al cilindro 1,23,45 per un totale di 399 cilindri.

    FIGURA 26.

    Gli algorimi SCAN e C-SCAN con una piccola variazione possono modificare il loro meccanismo di risposta alle richieste I/O, e diventare rispettivamente le varianti LOOK,

    e C-LOOK. Quest'ultime "guardano" se sono presenti altre richieste dopo l'ultima richiesta I/O soddisfatta nella direzione di marcia corrente, nel qual caso le servono,

    oppure in caso contrario invertono la direzione. Nel nostro caso la variante LOOK di SCAN dovrebbe funzionare come mostrato in figura. Il numero totale di cilindri

    coperti 321.

    FIGURA 27.

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  • Mentre, la variante C-LOOK di C-SCAN dovrebbe funzionare come mostrato in figura. Il numero totale di cilindri percorsi 367.

    FIGURA 28.

    L'algoritmo LIFO (Last In First Out) rappresenta l'ultimo "meccanismo" di risposta alle richieste di I/O di quest'articolo, e consiste nel servirle in ordine inverso di arrivo.

    Nel nostro caso, la coda di richieste I/O dei cilindri 46, 23, 184, 120, 45, 89, 90, 1 verrebbe servita cos: 1,90,89,45, 120,184,23 come mostrato nel grafico seguente. La

    distanza coperta totale di 479 cilindri.

    FIGURA 29.

    ALTRE CONSIDERAZIONI SULLO SCHEDULING DEL DISCO.

    Le prestazioni nell'esecuzione della coda degli accessi al disco dipendono dal tipo, e dal numero delle richieste I/O. Se un programma legge, o scrive un file in pi parti

    sparse nel disco, o in parti contigue, lo spostamento della testina del disco sar diverso nei due casi. Nel primo, il movimento della testina, e quindi il tempo di

    esecuzione della coda sar elevato poich la distanza da percorrere sar maggiore. Nel secondo caso, la lettura o scrittura avverr pi velocemente poich il movimento

    della testina sar il pi piccolo possibile. Gli algoritmi di scheduling del disco da adottare saranno diversi a seconda del tipo di distribuzione dei file sulla superficie del

    disco. Alcuni produttori hanno integrato nei controllori del disco gli algoritmi di scheduling, e quando il sistema operativo invia le richieste di I/O, essi vengono utilizzati a

    seconda della situazione. In pratica, oltre alle prestazioni I/O dell'unit disco, il sistema operativo deve poter soddisfare le richieste pi importanti, e cos alcune richieste

    di I/O (una pagina di memoria virtuale) diventano pi urgenti di altre. In tale contesto, il sistema operativo dovrebbe controllare lo scheduling del disco nel modo pi

    opportuno (infatti esso dovrebbe essere implementato come un modulo a s stante del S.O.), e inviare al controllore dell'hard disk le richieste di I/O nel modo migliore.

    Ci significa, che le le richieste I/O vengono elaborate in base alla loro urgenza, e gli algoritmi di scheduling vengono utilizzati dal sistema operativo, e al controllore del

    disco vengono inviate solo le richieste.

    COSA SUCCEDE QUANDO "FORMATTIAMO" UN DISCO RIGIDO?

    Come abbiamo gi detto, un disco rigido costituito da uno o pi piatti, i quali devono essere "formattati" a basso livello via software prima di poter essere utilizzati. In

    pratica, il nostro hard disk una "tabula rasa" che prima di memorizzare i dati deve essere formattato fisicamente. Questa operazione si chiama

    FORMATTAZIONE A BASSO LIVELLO, e consiste in una divisione del disco in speciali strutture per ogni settore. Dopo tale modifica un settore costituito da un

    preambolo, uno spazio per i dati, e un campo ECC; Il primo contiene dei bit che permettono all'hardware di riconoscere l'inizio del settore; Il secondo, normalmente di

    512 byte la dimensione di spazio dati riservato all'utente, e infine l'ultimo lo spazio riservato al controllo degli errori e al ripristino delle informazioni. La formattazione

    fisica del disco normalmente eseguita dal costruttore.

    Dopo aver effettuato la formattazione fisica, si procede con la divisione dell'hard disk in partizioni (note anche come minidischi o volumi) . Per esempio: una partizione

    potrebbe contenere il sistema operativo, mentre un altra partizione potrebbe gestire solo i file degli utenti. La divisione in partizioni possibile in fase di caricamento del

    sistema operativo (Windows 2000, Windows XP) o tramite dei software di configurazione delle partizioni (FDISK, CFDISK e cosi via). Quindi, il disco rigido pu essere

    diviso in pi partizioni, e allora una domanda sorge spontanea: ma come avviene il caricamento della partizione con il sistema operativo?

    Dovete sapere, che il settore 0 del disco si chiama MBR (record di avvio o Master Boot Record), ed utilizzato per avviare il PC. Alla fine del settore 0 si trova la tabella

    delle partizioni. Quando si accende il PC il BIOS legge il MBR, ed avvia la partizione attiva (resa tale durante la creazione delle partizioni), legge il BLOCCO DI AVVIO, e

    carica il sistema operativo. Tutte le partizioni contengono il BLOCCO DI AVVIO anche se non contengono un sistema operativo, ma soltanto quella attiva la prima ad

    essere avviata (chiamata anche BOOTABLE).

    Le partizioni rappresentano ancora una struttura a BASSO LIVELLO, e in esse sono contenuti i file, e le directory.

    Il passo successivo alla creazione delle partizioni la FORMATTAZIONE LOGICA del disco, e cio la creazione del FILE SYSTEM. Per esempio: il Windows 2000 utilizza il

    file system NTFS, il Windows 98 SE crea il file system FAT32, il LINUX solitamente utilizza il file system EXT3, e un file system di SWAP ,e cosi via. L'implementazione di

    un file system rende disponibile la gestione, e l'organizzazione dei file, e delle directory. I file diventano un unit di memoria logica disponibile su un supporto di

    memorizzazione fisica (l'hard disk), e le directory rappresentano un elemento di informazione sui file registrati, e un "dispositivo" di organizzazione.

    QUALI PROGRAMMI POSSIAMO UTILIZZARE PER VERIFICARE LE PRESTAZIONI DI UN DISCO RIGIDO?

    In commercio esistono numerosi software che analizzano l'efficienza di un disco fisso, nell'articolo ne riportiamo alcuni, forse i pi significativi: PC Mark 2002, TecBench,

    e SiSoft Sandra 2003.

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  • Risulta quasi impossibile usufruire di un solo test per determinare l'efficienza di un disco rigido poich i valori ottenuti potrebbero rivelarsi falsi a causa di alcune lacune

    del software di test. A questo punto, sembra necessario utilizzare i datasheets offerti dai costruttori, e confrontare i valori dei nostri test con i loro. Ovviamente, pi il

    test si avvicina al valore dei datasheets pi l'errore minimo, pi si allontana e pi il dato ottenuto risulta fuorviante (naturalmente tale operazione pu essere ritenuta

    esatta se i valori indicati dai costruttori sono corretti).

    Ma vediamo passo a passo come utilizzare i programmi suddetti per analizzare le prestazioni dei dischi rigidi.

    Iniziamo con PC MARK 2002 software di test sviluppato dalla Futuremark, e reperibile dal seguente indirizzo in versione limitata: http://www.futuremark.com. Una

    sezione del programma si dedica esclusivamente ai test sul disco fisso, e alla verifica delle prestazioni di quest'ultimo in ambiente casa, ed ufficio.

    Una volta effettuato il download, avviate il file .exe, e il software si installer automaticamente nel vostro sistema. Ad operazione conclusa apparir un icona sul vostro

    desktop (v.figura 30).

    FIGURA 30.

    Fate doppio clic sull'icona "PCMark2002" e dopo alcuni attimi potrete interagire con la schermata principale del benchmark (v. figura 31).

    FIGURA 31.

    La prima operazione da fare selezionare i test che a noi interessano, e precisamente quelli dell'hard disk; A tal proposito fate clic sul pulsante "Select" e apparir la

    finestra di dialogo "Select Tests". A questo punto baster selezionare il test standard "HDD Test" e il gioco fatto! Confermate la scelta premendo il tasto "OK" e

    finalmente potrete effettuare il test del vostro disco fisso.

    FIGURA 32.

    Ritornati alla schermata principale di PC MARK 2002 selezionate il pulsante "Benchmark" (v.figura 33), e inizier la fase di analisi delle prestazioni del disco fisso.

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  • FIGURA 33.

    Dopo i test di valutazione del disco fisso apparir una schermata con il punteggio HDD SCORE (v.figura 34), e con l'opzione "detail" potrete leggere pi

    approffonditamente i risultati. La versione registrata del benchmark vi permetter di confrontare il valore del vostro hard disk con un database ricchissimo presente nel

    sito di Futuremark, un altro modo per valutare effettivamente le prestazioni del vostro sistema hardware.

    FIGURA 34.

    Nella finestra di dialogo "Details" (v. figura 35) appaiono cinque risultati molto interessanti: Hard Disk -Cached file write, Hard Disk -Uncached file Write, Hard Disk

    -Cache file read, Hard disk - Uncached file read, e infine Hard Disk - File copy. Per l'articolo e per il discorso che finora abbiamo portato avanti i primi quattro valori

    rappresentano per noi i dati pi interessanti. Come potete notare, vi sono molti modi di dire la stessa cosa, e cos la velocit di TRANSFER RATE di PICCO (Buffered o

    Burst speed) diventa velocit di CACHED misurata in MB/s. Allo stesso modo, la SUSTAINED TRANSFER RATE (transfer rate sequenziale) diventa velocit di UNCACHED

    sempre misurata in MB/s. I valori di CACHE ed UNCACHED si riferiscono sia alla scrittura, che alla lettura dei file.

    FIGURA 35.

    TECBENCH.

    E' il momento del secondo benchmark, TecBench Disk Benchmark compreso nella Suite distribuita da TecChannel, e scaricabile al seguente indirizzo internet:

    http://www.tecchannel.de/download/796/tecChannelBenchmarkSuite.zip.

    Dopo aver effettuato il Download, fate doppio click sull'icona TecChannel Benchmark Suite (v. figura 36), e vi apparir la prima schermata della procedura d'installazione

    (v. figura 37). A questo punto premete il tasto "Next" e nella seconda finestra di dialogo scegliete l'opzione "I Agree" premendo successivamente il tasto "Next".

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  • FIGURA 36.

    FIGURA 37.

    FIGURA 38.

    Ora, dopo aver accettato le condizioni di utilizzo, dovreste selezionare il percorso di installazione del programma. Nel riquadro "Folder" potrete digitare qualsiasi percorso

    disponibile. Per esempio: se volete installare il programma nella cartella C:\TESTDISK, baster scriverla nel riquadro indicato. Attenzione, poich nel vostro disco fisso

    potrebbero essere presenti pi partizioni, e quindi scegliete quella corretta.

    FIGURA 39.

    Premete il tasto "Next", e la prossima schermata vi fornir una serie di unit disco presenti nel vostro sistema. Nel nostro esempio, sono state rilevate: il floppy disk

    (unit A:), le partizioni C: e D: del disco fisso, e infine l'unit fisica dell'hard disk Phys0.

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  • FIGURA 40.

    Dopo aver selezionato l'unit da sottoporre al benchmark premete il pulsante "Start", e inizier la fase di test vera e propria. L'unit rilevata nel nostro esempio

    apparteneva ad un notebook Compaq, e prevedeva due partizioni rispettivamente di capacit 17 Gbyte (C:) la prima, e 3 Gbyte (D:) la seconda. Nel primo riquadro

    nell'asse delle X (ascisse) rappresentata la lunghezza del disco in test in Gbyte. L'asse delle ordinate rappresenta il valore di transfer rate in lettura espresso in Mb/s.

    Un alto valore dell'indice di transfer rate chiaramente auspicabile nei limiti dell'architettura utilizzata.

    I due riquadri in basso analizzano i risultati del test: il primo a sinistra mostra quattro valori, i primi tre di Sustained transfer rate (transfer rate sequenziale), l'ultimo di

    Burst transfer rate (transfer rate di picco o burst speed). Nel secondo riquadro potrete leggere due valori di tempo di accesso al disco: il primo indica il valore minimo,

    mentre il secondo il valore massimo.

    Con il pulsante "Reference" potrete aggiungere al database i risultati del test, e con il quello "Export" potrete salvarli in immagini bitmap.

    FIGURA 41.

    FIGURA 42.

    Premendo il menu "Evaluation" potrete leggere i tempi medi di transfer rate, e di tempo di accesso al disco. Inoltre, con il tasto "Export" potrete salvare in immagini

    bitmap i risultati del test. Se, il vostro database contiene altre misurazioni, con il tasto "Add" potrete aggiungerle al grafico, cos il confronto con altre unit disco

    risulter pi efficace. Ovviamente, con il tasto "Remove" potrete togliere i risultati dei test dal grafico.

    Iniziamo con SisoftSandra 2003, un utility di monitor del sistema, forse una delle pi complete attualmente in circolazione.Dopo aver scaricato l'ultima versione di Sisoft

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  • Sandra dal sito http://www.sisoft.com (vedere link sito internet), avviate il file .exe compresso, e il software si installer automaticamente nel vostro PC.

    FIGURA 43.

    Dal menu Start selezionate l'icona Sisoft Sandra (cercatela all'interno del menu "Programmi", e dalla schermata principale avviate il test File system Benchmark. Pochi

    attimi dopo, vi apparir la finestra di dialogo "File System Benchmark".

    FIGURA 44.

    Selezionate dal riquadro "Selected Drive" l'unit da analizzare, e il test inizier; Non toccate nulla altrimenti comprometterete il risultato. Alla fine otterrete i risultati del

    test, e ora cercheremo di comprenderli uno per uno.

    Leggiamo i risultati di un test di un disco rigido MAXTOR da 80 GB a 7200 RPM ATA 133 (UltraDma 6).

    FIGURA 45.

    I valori importanti del test sono senza alcun dubbio i seguenti:

    1) Buffered Read (Trasmissione dei dati tra il buffer del disco rigido, e la memoria di sistema attraverso l'interfaccia ATA).

    2) Sequential Read (Trasmissione dei dati tra la parte meccanica, e la memoria di sistema senza l'intervento del buffer del disco rigido, valore espresso in Mb/s).

    3) Buffered Write (I dati vengono trasferiti al buffer del disco rigido, e successivamente vengono memorizzati sui piatti del disco. In questo test si misura la velocit di

    memorizzazione sul buffer del disco).

    4) Sequential Write (I dati si trovano nella memoria di sistema, e vengono trasferiti sulla superficie del disco, non essendo presenti nel buffer del disco rigido).

    5) Average Access time (Tempio medio di accesso al disco dato dal tempo medio di ricerca + il tempo medio di latenza rotazionale).

    SCOMPOSIZIONE DI UN HARD DISK SEAGATE BARRACUDA ATA IV.

    In questa parte dell'articolo, sia per studio, che per curiosit, abbiamo deciso di smontare un disco rigido Barracuda ATA IV da 20 Gb prodotto da Seagate. Iniziamo con

    una foto generica del disco rigido oggetto d'esame, non lo trovate interessante?

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  • FIGURA 46.

    Come potete osservare, sulla parte superiore del disco presente un'etichetta con le caratteristiche dell'hard disk (v. figur