Subsistemul disk-urilor

Subsistemul disk-urilor

IBM a inventat disk drive-ul în 1956. Primele disk-uri aveau marimea a 2 frigidere mari si puteau stoca 5MB.

IBM are cea mai mare fabrica de "discuri" de disk drive din lume, localizata în San Jose, California.

1 GB de date este echivalent cu 1500 de romane brosate. O densitate de 1.44 miliarde de biti pe inch patrat este echivalenta cu 87 de manuale scolare. 5 GB sunt echivalenti cu editiile timp de 50 de ani dintr-un jurnal (ziar) obisnuit, un milion de pagini tiparite sau o stiva de hârtie înalta de 62 de etaje.

1.5.1 Introducere

Vom studia în acest capitol memoria externa (memorie de stocare secundara), sinonima uneori cu termenul de disk,. Ne vom referi la dispozitive de stocare magnetica (hard disk-uri, floppy disk si banda magnetica), disk-uri optice (CD-ROM, DVD-ROM).

Un subsistem de disk consta din:

- disk

- disk controller (numit si interfata de disk)

Tipuri de interfata importante sunt IDE, Enhanced IDE, SCSI-2, UltraSCSI, SSA, SATA,

SATA II.

Tipurile mai vechi de interfata disk au fost:

- ST506 - viteza de transfer maxima de 1 MB/s si suporta maxim 2 disk-uri. Adaptorul continea functiile de formatare, alegerea "capului" (head) si detectare de erori. Marimile disk-urilor erau de 20, 30 sau 40 MB.

- ESDI - maxim 3 MB/s si 2 disk-uri. Aceleasi functii.

- IDE (Integrated Drive Electronics) - a fost înlocuit cu EIDE. IDE original suporta doar disk-uri, nu si CD-ROM. De asemenea, limitarile de BIOS permiteau doar un maximum de 528 MB pe DOS sau Windows 3.x (nu si pe OS/2 sau Netware). Viteza maxima de transfer era de 4 MB/s.

1.5.2 Functiile disk-urilor

Un disk e alcatuit, de obicei, din:

A. Ansamblul capului de disk (Head Disk Assembly, HDA). HDA e alcatuit din:

un numar de discuri pe care sunt stocate datele

motor pentru rotirea discurilor

cap pentru citirea si scrierea datelor. Capetele "zboara" peste suprafata discurilor la o înaltime de 5 pâna la 7 micrometri

un mecanism de actionare (actuator) pentru a muta capetele peste discuri

B. Placa de circuite (Printed Circuit Board, PCB). PCB e format din:

- unitate microprocesor (Microprocessor Unit, MPU) pentru a controla operatiile HDA si a comunica cu controller-ul de disk

- circuite servo pentru a pozitiona actuatorul precis

- canal de citire/scriere pentru a transforma semnalele electrice între un format acceptat de sistemul gazda si formatul ce poate fi acceptat de disk

- un cablu conector

Fiecare disc e fragmentat în piste (tracks). Fiecare pista e împartita în sectoare. Un sector reprezinta cea mai mica unitate adresabila a unui DASD si are de obicei 512 B. Figura arata aceasta împartire a discului. Discul din exemplul de mai sus are 5 piste. Fiecare pista are de obicei 8 sectoare.

Un cilindru este format din toate pistele care au aceeasi localizare pe fiecare disc din dispozitiv. Figura din stânga arat 616b11g a un dispozitiv cu 4 discuri. Inelele gri de pe fiecare disc indica o aceeasi pista. Toate aceste inele formeaza împreuna un cilindru.

Controller-ul de disk traduce o adresa logica într-una fizica (cilindru - cylinder, pista - track, sector).

Timp de cautare (seek time) - timpul necesar pentru capul de citire/scriere sa se pozitioneze pe pista corecta a disk-ului. Durata este de ordinul milisecundelor (ms). Un "seek time" mai rapid semnifica performante mai bune. Uneori se foloseste termenul de track-to-track (pista-la-pista) seek time. Aceasta reprezinta timpul necesar dispozitivului sa mute capul de citire/scriere de la o pista la alta.

Evolutia timpilor de cautare pentru anumite dispozitive disk:

Întârziere/latenta (latency) - timpul necesar pentru ca sectorul cautat de pe o pista sa ajunga sub capul de citire/scriere. Ea reprezinta în medie e timpul necesar efectuarii unei jumatati de rotatie. Latenta pentru IBM SCSI HD 1.12GB este de 4.17 ms. Latenta devine din ce în ce mai mult factorul care are cea mai mare influenta asupra performantei. Astazi, timpii de cautare sunt de aproximativ acelasi nivel cu latenta. Latenta apare mai des decât cautarea, având, deci, o influenta superioara în performanta globala.

Viteza de rotatie - Cu cât un disc dintr-un dispozitiv se roteste mai repede cu atât datele pot fi mutate pe si de pe disk. Masuratorile se fac în rotatii pe minut (revolutions (miscari de revolutie) per minute). Marimi obisnuite sunt de 5400, 7200, 10000 sau chiar 15000 rpm. Cresterea rpm reduce latenta si îmbunatateste timpul de cautare. Viteza de rotatie maxima a unui dispozitiv e limitata. De exemplu, un dispozitiv de 3.5" (inches, inch-i, inci) poate functiona la cel mult 10000 rpm, înainte ca fiabilitatea dispozitivului sa devine discutabila. Pentru a obtine mai multe rpm e nevoie de o marime mai mica. Un disk de 2.5" e capabil de o viteza de rotatie mult superioara.

Rata de transfer sustinuta (transfer rate) - transferul teoretic a 512 bytes (un sector). De obicei în jur de 10 MB/s pentru EIDE, dar pâna la 300MB/s pentru SATA II.

Rata de transfer este elementul cheie al sistemelor actuale. În comparatie cu viteza bus-ului sistem sau a altor bus-uri, aceasta rata e cea mai mica.

Un dispozitiv de stocare (DASD - Direct Access Storage Device) este capabil de a stoca date si de a le returna neschimbate mai târziu. Timpul de acces la date este efectiv independent de localizarea datelor.

1.5.3 Termeni relativi la disk-uri

Track skewing (decalarea pistei) - aceasta se aplica dispozitivelor cu mai multe discuri. Când datele sunt mai mari decât o pista (la citire sau scriere) e necesara schimbarea capului pentru continuarea citirii sau a scrierii. Cu toate ca aceasta schimbare poate fi facuta foarte rapid timpul cerut poate fi suficient de lung pentru a pierde primul sector al pistei de pe discul urmator. Daca primul sector e ratat capul va avea de asteptat o rotatie aproape completa înainte de a continua. Pentru a evita aceasta situatie poate fi implementata o tehnica numita track skewing. Dispozitivele de azi sunt suficient de rapide pentru a utiliza o decalare a pistei de doar 1 sau 2. În figura, o decalare a pistei de 1 (de jos în sus).

Cylinder skewing (decalarea cilindrului, în imagine o decalare de 2 din interior spre exterior) - când datele depasesc capacitatea unui cilindru (la scriere sau citire) capul(urile) necesita mutarea spre un cilindru adiacent pentru continuarea scrierii sau citirii. Cu toate ca poate fi suficient de rapida mutarea poate provoca ratarea primului sector al pistei de pe cilindrul urmator. La fel ca la decalarea pistei în acest caz ar fi nevoie pentru a astepta o rotatie aproape completa înainte de a putea continua. Pentru a evita aceasta situatie se implementeaza decalarea cilindrilor.

Densitate areala (areal density) - cât de dens e înglobata informatia într-un anumit mediu. Cresterea capacitatii pe disc rezulta din componente miniaturizate, scaderea consumului, scaderea încalzirii si scaderea generarii de sunet. Cresterea densitatii areale va creste si performantele deoarece capul poate citi mai multi biti repede deoarece trec mai multi biti pe sub cap în acelasi interval de timp; un disk cu o viteza de rotatie (rpm) mai mica ar putea depasi unul cu un rpm mai mare.

Zone-bit recording (figura) - permite dispozitivului sa utilizeze mai bine spatiul de pe disc adaugând sectoare pe pistele exterioare pentru a stoca mai multe date.

Servo - servo informatia reprezinta sabloane magnetice de pe disc pe care disk-ul le utilizeaza pentru a pozitiona capetele de citire/scriere la pozitia corecta de pe disc pentru operatia de citire/scriere.

Encoded servo - disk-urile cu aceasta proprietate pozitioneaza servo informatii în interiorul sectoarelor de date. Aceasta elimina restrictiile de stocare a servo informatiei între sectoarele de date (uneori numit servo inserat). Tehnicile servo dedicate mai vechi rezervau o parte întreaga a unui disc doar pentru servo informatii. Encoded servo este uneori numit de asemenea servo inserat.

Cluster-e - spatiul de pe hard disk e alocat în cluster-e (pentru MS-DOS tabela de alocatie a fisierelor, FAT, aloca cluster-ele, Windows 95, 98, Millenium utiliza sistemul VFAT, iar Windows NT, 2000, XP utilizeaza sistemul NTFS, recunoscând, însa, si FAT). Sistemul FAT are versiunile FAT16 (nu se mai foloseste) si FAT32. NTFS are versiunile 1.0, 1.1 sau 1.2 (numita si 4.0) (în NT 3.51 sau NT 4), 3.0 (numita si 5.0; în Windows 2000) si 3.1 (în Windows XP sau 2003 Server; numita si 5.1).

FAT - (File Allocation Table) este un sistem de fisiere dezvoltat pentru MS-DOS si este sistemul de fisiere al primelor Windows-uri, ultima varianta de Windows care foloseste FAT fiind Windows Me. Este considerat relativ simplu, fiind un format popular pentru floppy disk-uri, fiind suportat de toate sistemele de operare pentru computere personale. Este de asemenea folosit la carduri de memorie si alte dispozitive similare. De-a lungul timpului au existat trei tipuri de FAT: 12, 16 si 32. Sisteme de operare actuale folosesc FAT32. Limitarile FAT32 sunt: fisiere de maxim 4GB, maxim 268.435.437 fisiere, marimea maxima a unei partitii - 2TB. Permite alocarea de cluster-e de minim 512 B.

NTFS - (New Technology File System) este sistemul de fisiere standard al Windows NT si descendentilor Windows 2000, Windows XP si Windows Server 2003. Versiunile 95, 98, 98SE si ME ale Windows nu pot citi fisiere de pe discurile NTFS, existând însa unele utilitare care pot face aceasta.

Limitarile NTFS sunt: fisiere de maxim 16 EiB (1 exbibyte = 1,152,921,504,606,846,976 bytes), numar nelimitat de fisiere, marimea maxima a numelui fisierelor - 255 caractere, marimea maxima a unei partitii - 16 EiB.

1.5.4 Enhanced IDE (EIDE)

IDE îmbunatatit. EIDE e un nume de marketing de la Western Digital care utilizeaza doua standarde reale: ATA-2 si ATAPI. De asemenea, termenul de Fast-ATA e similar. IDE (Integrated Drive Electronics) si ATA (Advanced Technology Attachment) reprezinta acelasi lucru. Odata cu aparitia SATA (Serial ATA)

prin 2003, ATA a fost numit retroactiv PATA (Parallel ATA). IDE este o implementare a disk-urilor desemnata sa integreze controller-ul în dispozitivul propriu-zis, reducând astfel costurile de interfata si facând implementarile software mai usoare.

Interfata lucra la început doar cu hard-disk-uri, dar ulterior a aparut un standard extins care lucra cu o varietate de alte dispozitive - în general cele ce utilizeaza memorie detasabila (removable). În principal, aceste dispozitive includ drive-uri CD-ROM and DVD-ROM, tape drive (dispozitive de stocare pe banda), si drive-uri floppy de capacitate mare ca Zip drive si SuperDisk drive. Extensia poarta numele de Advanced Technology Attachment Packet Interface (ATAPI), standardul complet fiind cunoscut ca ATA/ATAPI.

Trecerea de la programmed input/output (PIO, introducere/recuperare programata) la direct memory access (DMA, acces direct la memorie) a reprezentat o alta tranzitie importanta în istoria IDE. Deoarece fiecare informatie trebuie citita de CPU, PIO tinde sa fie lenta si sa utilizeze o mare parte din resursele CPU. Aceasta e o problema la CPU-urile rapide unde accesarea unei adrese din afara memoriei principale cache-abile este un proces destul de costisitor. Aceasta înseamna ca sistemele bazate pe ATA realizeaza activitatile de disk mult mai lent decât computerele utilizând SCSI sau alte interfete. Totusi, DMA (si mai târziu Ultra DMA sau DMA) au redus mult timpul de procesare pe care CPU trebuia sa-l foloseasca pentru a citi sau scrie pe disk-uri permitând controller-ului sa scrie date în memorie direct omitând procesorul.

Când a devenit ca îmbunatatirea tehnologiei disk-urilor si cresterea cererilor software-ului ar forta capacitatea interfetei ATA, industria drive-urilor a creat o extensie compatibila cu ATA, numita ATA-2. Acest standard nu doar adauga moduri PIO si DMA mai rapide, dar îmbunatateste si capacitatea drive-ului de a spune mai precis care-i sunt proprietatile; aceasta a fost esential pentru Plug'n'Play si compatibilitate cu urmatoarele revizuiri ale standardului.

Metoda traditionala de transfer a IDE este PIO pentru ca la data introducerii IDE, PIO era mai rapid decât DMA, care era dependent de viteza bus-ului ISA. Introducerea de bus-uri mai rapide a facut ca DMA sa fie mai rapid si astfel disk-uri EIDE DMA.

Lungimea maxima a cablului EIDE este de 40 cm (18"). Aceasta restrictie determina ca dispozitivele IDE sa fie doar interne. Dispozitivele externe nu pot fi IDE.

Pe fiecare conector IDE, un dispozitiv IDE e master (primar) si celalalt e slave (secundar). Desemnarea master/slave e determinata de setarea unui switch sau jumper de pe fiecare IDE. Existând doua interfete IDE pe placa de baza (de obicei) se pot conecta în total 4 disk-uri. Nu exista impact asupra performantei datorita desemnarii master sau slave a dispozitivelor de acelasi tip de pe acelasi conector. Un disk boot-abil poate fi master sau slave.

1.5.5 Small Computer Systems Interface (SCSI)

Este un controller de disk cu bus propriu (bus SCSI) si set de comenzi. Se pronunta "scazi" ("scuzzy" în engleza).

Este de obicei un adaptor, dar poate fi si pe placa de baza.

Suporta multe tipuri de dispozitive: disk, CD-ROM, DVD-ROM, banda, scanner-e. De fapt SCSI promoveaza independenta dispozitivelor, ceea ce înseamna ca, teoretic, orice dispozitiv poate fi facut SCSI (s-au fabricat si imprimante SCSI).

De la standardizarea din 1986, SCSI a fost popular în liniile de calculatoare Apple Macintosh si Sun Microsystems. N-a fost popular, însa, în lumea IBM PC datorita costului redus si al performantei adecvate a standardului ATA. Introducerea USB, FireWire si ATAPI au facut din SCSI o propunere neatractiva pentru PC datorita costului ridicat si complexitatii crescânde a SCSI.

În acest moment SCSI e popular pentru statiile de lucru de mare performanta, servere si perifericele high-end (foarte rapide); si blocurile RAID de pe server-e utilizeaza aproape mereu hard-disk-uri SCSI. PC-urile si notebook-urile utilizeaza de obicei interfetele ATA/IDE sau mai noua SATA pentru hard disk-uri, si conexiuni USB sau Firewire pentru dispozitive externe.

Permit o viteza de transfer între 5 si 375 MB/s.

Suporta pâna la 15 dispozitive pe controller.

Differential SCSI versus single-ended SCSI (cu un singur capat) - cel mai întâlnit este single-ended SCSI care are un singur fir pentru fiecare semnal ce va fi transmis. Differential SCSI utilizeaza doua fire pentru fiecare semnal, permitând o mai mare imunitate fata de "zgomotul" electric si suporta lungimi de cablu mai mari. Un bus SCSI suporta dispozitive SCSI single-ended cât si diferentiale; controller-ul SCSI, de asemenea. Nu se pot combina ambele tipuri de dispozitive în acelasi lant.

Set de comenzi comune standardul SCSI defineste un set de comenzi ce trebuie interpretate de toate dispozitivele ce se ataseaza unui bus SCSI. Dispozitivele îsi pot implementa propriile comenzi, ce pot fi trimise de un driver de dispozitiv si interpretate de dispozitiv. Avantajul arhitecturii cu set de comenzi comune este ca adaptorul SCSI nu trebuie sa se schimbe când noi dispozitive cu noi capabilitati sunt introduse.

Un subsistem SCSI consta dintr-un bus SCSI, terminat la fiecare capat si un numar de dispozitive SCSI, toate atasate la bus-ul SCSI prin controller-e dedicate. Subsistemul SCSI utilizeaza un adaptor gazda ca interfata între subsistemul SCSI si sistemul gazda. Adaptorul gazda se introduce într-unul din slot-urile adaptoare ale sistemului sau e implementat direct pe placa de baza a sistemului gazda.

În functie de controller-ul SCSI si cablul utilizat, un total de 8 sau 16 dispozitive pot fi conectate la un singur bus SCSI. Cel putin unul din aceste dispozitive trebuie sa fie un controller SCSI. Asta lasa loc la 7 sau 15 alte dispozitive SCSI. Un ID (identificator) SCSI unic identifica dispozitivele.

Pentru ca dispozitivele SCSI au împart un singur canal de date, doar un dispozitiv poate folosi bus-ul la un moment dat. Când doua dispozitive SCSI încearca sa împarta bus-ul, ID-ul lor SCSI determina cine câstiga conform unei scheme de prioritate. Cea mai mare prioritate e 7, pe care o are controller-ul. Urmeaza Id-urile de la 6 la 0 si apoi de la 15 la 8. Acest tip de prioritate permite compatibilitate spre înapoi (exista si dispozitive 32 bit cu ID-uri scazând în prioritate de la 23 la 16 si apoi de la 31 la 24). Totusi are inconvenientul ca dispozitivele SCSI "înguste" (narrow), lente, pot avea ID-uri de la 6 la 0, primând astfel în fata celor mai rapide.

SCSI poate implementa verificarea paritatii. Bus-ul SCSI contine o linie de paritate pentru fiecare 8 linii de date. Aceasta permite o cale de detectare a erorilor de transmitere a datelor prin bus-ul SCSI. Bus-ul SCSI contine multe linii de împamântare, reducând interferenta si generarea de caldura a cablului.

Disk-urile SCSI permit doua facilitati de detectare si corectare a erorilor:

- datele sunt stocate utilizând bytes ECC, acestia fiind folositi în timpul citirii pentru a verifica integritatea datelor

- adresele fizice sunt verificate utilizându-se CRC (Cyclic Redundancy Code), stocati ca parte a fiecarui sector. În timpul citirii acestia sunt utilizati pentru a verifica daca sunt citite datele corecte.

Exista multe tipuri de conectori SCSI, cu 50, 60 si 68 de pini, fiecare cu diverse forme.

1.5.6 EIDE vs. SCSI

1.5.7 Performantele disk-urilor

Daca vom compara procesorul, cache-ul L2, memoria si disk-ul în unitati echivalente, atunci un ciclu procesor de 0.4 ns (un ciclu la frecventa de 2.5 GHz) transformat într-o secunda, ar fi echivalent cu 240 zile pentru un singur acces (8ms) la disk. Asta se datoreaza diferentei de 1000000 între 1 ns (nanosecunda) si 1 ms (milisecunda). O nanosecunda reprezinta o miliardime dintr-o secunda pe când o milisecunda o miime dintr-o secunda.

1.5.8 Redundant Array of Independent Disks (RAID)

RAID (serie redundanta/suplimentara de disk-uri independente) reprezinta o tehnologie de grupare a câtorva disk-uri într-o serie (array) care este definita ca unul sau mai multe drive-uri logice. Fiecare drive logic apare sistemului de operare ca un singur drive fizic.

Un disk defect (cu exceptia RAID 0) permite utilizatorilor sa acceseze datele din array (serie) si se poate recrea un disk de înlocuire sau o rezerva online în timp ce array-ul e înca în folosinta. Pentru RAID 4 si 5, daca 2 disk-uri "pica" în acelasi timp toate datele sunt pierdute. Totusi, sansa pentru 2 "caderi" simultane este infima.

Controller-ele SCSI sunt cele mai bune (si obisnuite) implementari pentru RAID 0, 1, 4 si 5.

În functie de versiunea aleasa, beneficiul RAID este una sau mai multe din urmatoarele caracteristici: integritatea crescuta a datelor, toleranta erorilor, performante crescute sau capacitate în comparatie cu drive-uri unice. În implementarile sale originale (în care RAID reprezenta o abreviere pentru "Redundant Array of Inexpensive Disks" - serie redundanta de disk-uri ieftine), avantajul principal era capacitatea de a combina dispozitive ieftine cu tehnologie mai veche într-o serie ce ofera o mai mare capacitate, fiabilitate sau viteza sau o combinatie a acestora, decât erau disponibile la un cost rezonabil într-o tehnologie cu dispozitiv unic utilizând tehnologie noua.

RAID e utilizat de obicei pe server-e si e implementat de regula cu disk-uri de aceeasi dimensiune. O data cu ieftinirea hard-disk-urilor si cu disponibilizarea RAID pentru mai multe optiuni înglobate în chipset-uri ale placilor de baza, RAID a fost de asemenea gasit si oferit ca o optiune în computerele foarte performante. Aceasta este adevarat în special în ce priveste computerele dedicate sarcinilor de stocare intensiva ca cele destinate editarii video si audio.

Array-urile hardware bazate folosesc un procesor dedicat pentru a descarca CPU de functiile RAID. Aceasta duce, de obicei, la o mai buna performanta decât a array-urilor software.

Hot Swap Device (dispozitiv de înlocuire imediata) - este un dispozitiv ce poate fi înlocuit în timp ce sistemul ramâne on line fara deranjarea clientilor.

Hot Spare Device (dispozitiv de rezerva imediata) - un dispozitiv instalat în subsistemul de disk definit pentru utilizare automata în cazul unei "caderi" a unui dispozitiv.

Hot Spare Drive (drive de rezerva imediata) - este un drive hard-disk pe un server definit pentru folosire automata în cazul unei caderi de drive. Drive-ul de rezerva trebuie sa fie cel putin egal în capacitate cu drive-urile din array pe care trebuie sa le înlocuiasca. Se pot defini oricâte hot spare drive.

Când drive-ul "pica" sistemul poate trece automat catre hot spare drive si datele de pe drive-ul nefunctional sunt reconstruite pe drive-ul hot spare.

Un drive hot spare poate fi utilizat de catre mai multe controller-e SCSI.

Cantitatea de date dintr-un fisier ce este stocata pe un drive din array înainte ca datele ce urmeaza sa fie stocate pe urmatoarele drive-uri din array se numeste adâncimea de intercalare/alternare (interleave depth). Aceasta poate fi setata pentru o performanta optima a sistemului de la 8 KB la 64 KB (de obicei). Colectia, în ordine logica, a acestor unitati, de la primul drive din array pâna la ultimul, se numeste stripe (dunga).

Pe un controller RAID, adâncimea cozii (queue depth) reprezinta numarul de comenzi memorate pe controller (de obicei, în jur de 60). Pentru a obtine performante mai bune, comenzile din coada sunt reordonate si omogenizate în functie de disk-uri. Adica, controller-ul organizeaza comenzile în functie de ce drive va raspunde si apoi ordoneaza si combina doua sau mai multe comenzi, când e posibil, înainte de a le trimite drive-urilor.

Daca RAID e implementat într-un sistem, e cel mai bine ca doar hard disk-uri sa fie pe canalul RAID. Dispozitive mai lente, ca CD-ROM sau banda, ar trebui plasate pe un canal non-RAID.

1.5.9 Interfata seriala sau paralela

Serial - transfer al unui bit la un moment dat

Paralel - transfer de mai multi biti simultan

De ce serial?

- mai putine fire, reducându-se dimensiunea cablurilor

- mai putine interferente electrice si paraziti

- notebook-uri si PDA-uri cer conectori mici

- paralelul are limitari pe care serialul le depaseste

PC-urile au utilizat, în mod traditional, interfete paralele pentru a transfera datele între periferice. Acestea includ interfete disk (SCSI si IDE), si dispozitive care se ataseaza la un port paralel (imprimante, etc.). O interfata paralela semnifica transferul de mai multi biti (de obicei 8, 16 sau 32) simultan prin mai multe fire. În timp ce aceasta permite rate de transfer mai bune daca se foloseste aceeasi arhitectura, ea are si minusuri. De exemplu, interfetele paralele necesita mai multe fire si, în consecinta, cabluri mai mari si mai scumpe si conectori mai costisitori. Un conector mai mare are mai multi pini care se pot îndoi sau rupe. Cu cât mai multe fire sunt într-un cablu, cu atât mai multa interferenta electrica si parazitare exista. Având mai multe semnale simultan e mai greu de a le mentine sincronizate. E, de asemenea, mai greu sa se împinga semnalele paralele pe distante mari. Interfetele paralele au, de obicei, un numar limitat de periferice pe adaptor, cer adresare fixa si terminatori, necesita protocol de arbitrare si au numeroase variatii în latime de banda.

Interfetele seriale mai nou aparute nu au limitarile interfetelor paralele. În timp ce un singur bit e trimis prin fir la un moment dat, progrese în ratele de transfer al datelor prin arhitecturi mai avansate conduc la performante superioare interfetelor paralele traditionale. În comparatie cu interfetele paralele, serialul permite performante semnificativ superioare la un cost comparabil, toleranta a erorilor si fiabilitate superioare, cablaje si conectori mai mici, consum de energie inferior si Plug and Play în medii multiple.

1.5.10 USB (Universal Serial Bus)

Este un standard de conectare a dispozitivelor I/O multiple la viteze mari si cu cabluri mici.

Dispozitive: tastaturi, mouse-uri, imprimante, scanner-e, modem-uri, microfoane, boxe, audio digital, telefon, memory stick, etc.

Pâna la 12 Mb/s (1.5 MB/s) si 127 de dispozitive.

Conector plat, cu 4 pini.

Poate conecta dispozitive hot pluggable (conectabile imediat în timp ce calculatorul e alimentat. Nu are setari IRQ, canale DMA si setari I/O.

USB permite conectarea unui nou dispozitiv la PC doar introducându-l în spatele computerului sau conectându-l la un alt dispozitiv de pe bus. Noul dispozitiv e imediat disponibil pentru operare (eliminarea instalarii de driver-e) si PC-ul nu necesita a fi reboot-at.

Cablurile utilizeaza 4 fire. Distanta între doua dispozitive poate fi de pâna la 5 metri.

USB are o topologie de "stele în lant" ce se bazeaza pe hub-uri ce permit conexiunea cu dispozitive multiple. PC poate functiona ca un hub pentru modemuri sau imprimante, în timp ce monitorul poate actiona ca un hub pentru boxe si microfoane, iar tastatura ar putea fi un hub pentru mouse si joystick. Fiecare link (legatura, segment) USB este o conexiune point-to-point (punct la punct), astfel încât un hub e necesar acolo unde se cer mai multe conexiuni. Hub-urile actioneaza ca repetitoare, care recupereaza semnalul din orice directie, retransmitându-l si asigura terminatie pentru fiecare linie. Nu au nevoie de inteligenta pentru ca nu proceseaza datele care trec pe acolo. Hub-urile includ registri de control sau de stare care permit gazdei sa valideze sau sa invalideze un port si sa determine ce dispozitiv e conectat la un anumit port. USB suporta 8 hub-uri fiecare putând suporta pâna la 16 noduri. Pentru fiecare conector USB de pe un PC, daca se conecteaza mai mult de un dispozitiv USB, atunci primul dispozitiv atasat trebuie sa fie un hub.

USB poate manipula date isocrone (sincrone) sau asincrone. Suportul sincron permite ca mai multe dispozitive sa opereze concurent cu performante garantate si latenta a datelor (pentru audio sincronizat cu video). Operarea asincrona e posibila pentru dispozitive ce nu necesita latime de banda garantata.

Exista 3 tipuri de tranzactii între gazda si periferic. În primul rând, gazda trimite un pachet initial ce contine tipul si directia tranzactiei la intervale regulate. Apoi, functie de tipul tranzactiei specificate de controller-ul gazda, fie gazda fie perifericul trimite un pachet de date. În final, receptorul pachetului de date trimite un pachet de terminare pentru a anunta un transfer cu succes.

1.5.11 1394 FireWire

FireWire (cunoscute si ca i.Link sau IEEE 1394) este o interfata standard pentru PC si pentru un bus serial digital video oferind comunicare de mare viteza si servicii sincrone în activitati de transfer în timp real. FireWire poate fi considerata o tehnologie succesoare interfetei paralele SCSI. Pâna la 63 de dispozitive pot fi legate la un port FireWire (USB suporta pâna la 127 de dispozitive). Hub-urile FireWire sunt mai costisitoare decât echivalentele lor USB.

Aproape toate camerele digitale moderne au inclusa aceasta conexiune începând cu 1995. Toate calculatoarele Macintosh produse curent au un asemenea port ca si PC-urile Sony sau multe PC-uri desemnate utilizarii audio/video casnice.

1.5.12 SSA (Serial Storage Architecture)

Este un protocol serial de transport folosit pentru a atasa disk-uri serverelor. SSA ofera protectie a datelor pentru aplicatii critice asigurând ca distrugerea unui cablu nu va opri accesul la date. Toate componentele într-un subsistem SSA sunt conectate prin cabluri bidirectionale. Datele trimise de adaptor pot circula în ambele directii în jurul unui nod catre destinatie. SSA detecteaza întreruperile într-unul din noduri si reconfigureaza automat sistemul pentru a pastra conexiunea activa pâna ce legatura este restabilita.

1.5.13 CD-ROM

CD-ROM-ul (o abreviere pentru "Compact Disc Read-Only Memory") este un mediu de stocare optic non-volatil utilizând acelasi format fizic ca si compact discurile audio, si care poate fi citit de catre drive-ul CD-ROM al calculatorului. CD-ROM este disc din plastic, plat, metalizat cu informatie digitala codificata pe el în spirala, începând din centru catre marginea exterioara.

CD-R - compact disk-uri audio. CD player-ele le pot citi pe acestea si nu si CD-ROM-urile, pe când driver-ele CD-ROM le pot citi pe ambele.

CD-ROM-urile sunt totdeauna presate (produse în masa), pe când CD-R sunt înregistrate câte unul.

CD-ROM-urile standard au capacitatea de 650-700 MB. CD-ROM e popular pentru distributia de software, în special aplicatii multimedia, si baze de date mari. Un CD cântareste sub 30g. Pentru a întelege capacitatea de stocare a CD-ROM sa spunem ca un roman mediu contine aproximativ 60000 de cuvinte. Presupunem ca lungimea unui cuvânt e de 10 litere - si ca fiecare litera ocupa un byte. Astfel, un roman ar ocupa 600000 de bytes. Un CD ar putea contine, deci, 1000 de romane. Daca fiecare roman ar ocupa 1.5 cm de spatiu dintr-un raft, un CD poate contine echivalentul a 15 metri. Totusi datele de tip text pot fi comprimate cu un factor mai mare de 1 la 10 utilizând algoritmi de comprimare (zipping). Astfel ca un CD poate înlocui vreo 150 m de raft de biblioteca.

1.5.14 CD-ROM drive si CD-writer (CD-RW)

CD-ROM-urile sunt citite cu drive-uri CD-ROM si scrise cu CD writer-e (numite si "burners"). Drive-urile CD-ROM se pot conecta la calculator printr-o interfata IDE (ATA), sau SCSI. Drive-urile CD-ROM pot citi, de asemenea, si audio CD-uri ca si CD-uri Video.

Drive-urile CD-ROM sunt desemnate cu un factor de viteza relativ la CD-urile cu muzica: 1x ce permite un transfer de 150KB/s. La 8x se ajunge la 1.2MB/s. Peste 12x apar probleme cu vibratiile si caldura. Drive-uri CAV (Constant Angular Velocity - viteza angulara constanta) pot da viteze de pâna la 20x, totusi performantele sunt inferioare datorita specificatiilor tehnice (constrângeri mecanice). S-a considerat ca 20x va fi limita maxima de viteza pâna când în 1998, Samsung a introdus un CD-ROM 32x ce utilizeaza un sistem cu bila pentru echilibrarea rotirii discului cu scopul de a reduce vibratiile si zgomotul. Viteza de transfer maxima curenta este de 52x sau 7.62MB/s cu toate ca asta se întâmpla la citirea datelor de pe partile exterioare ale discurilor. Cresteri  de viteza ulterioare bazate pe rotirea mai rapida a discului sunt limitate în special de rezistenta plasticului policarbonat utilizat în producerea CD-urilor. Totusi, îmbunatatiri de viteza pot fi obtinute prin utilizarea de capete de citire multiple cum s-a demonstrat de catre Kenwood TrueX 72x ce foloseste 7 brate laser si o viteza de rotatie de aproximativ 10x.

Drive-urile de înregistrare a CD-urilor (CD-Recordable)sunt vândute de obicei cu 3 tipuri diferite de viteze, una pentru operatii de scriere o data (write once), una pentru operatiile de rescriere, si una pentru operatii de citire. Vitezele sunt listate de obicei în aceasta ordine: de exemplu 12x/10x/32x. Viteza 1x nu trebuie confundata cu cea de la DVD-uri (1.32 MB/s).

1.5.15 DVD

DVD este un format de stocare pentru discuri optice care poate fi utilizat pentru stocarea de date incluzând filme cu calitate video si audio înalta. DVD-urile seamana cu CD-urile (dimensiunile lor fizice sunt aceleasi - 12 cm sau 8 cm pentru formatul mini), dar sunt codificate într-un format diferit si la o densitate mult mai mare. DVD-urile contin un sistem de fisiere numit Universal Disk Format (UDF), care este o extensie a standard-ului ISO 9660 pentru CD-ROM-uri.

Un DVD single-layer poate stoca 4.7 Gb, ceea ce înseamna de sapte ori mai mult decât un CD-ROM. DVD foloseste o metoda mult mai buna de codare în stratul fizic. Corectia de erori a CD-urilor, CIRC, este înlocuita cu mult mai puternicul Reed-Solomon product code, RS-PC; Eight-to-Fourteen Modulation (EFM) este înlocuit cu o versiune mult mai eficienta, EFMPlus, care are aceleasi caracteristici ca si clasicul EFM. Nu se mai foloseste subcodul CD-ului. Ca rezultat, formatul DVD este cu 47% mai eficient decât un CD-ROM din punct de vedere al corectiei erorilor.

Un DVD poate contine:

- DVD-Video (contine filme (video si sunet))

- DVD-Audio (contine sunet de calitate înalta)

- DVD-Data (contine date)

Mediul de citire al DVD-ului poate fi:

- DVD-ROM (doar citeste)

- DVD-R/RW (R=Recordable once (scrie o singura data un disc), RW = ReWritable (scrie si rescrie discuri, daca discurile permit aceasta))

- DVD-RAM (random access rewritable)

- DVD+R/RW (R=Recordable once, RW = ReWritable)

- DVD-R DL (double layer)

- DVD+R DL (double layer)

Discul poate avea una sau doua fete, si unul sau doua straturi de date pe fiecare fata,numarul de fete si straturi determinând capacitatea discului.

- DVD-5: o singura fata, un singur strat, 4.7 GB

- DVD-9: o singura fata, doua straturi, 8.5 GB

- DVD-10: doua fete, câte un strat pe fiecare fata, 9.4 GB

- DVD-14: doua fete, doua straturi pe una dintre fete, un singur strat pe cealalta, 13.3 GB

- DVD-18: doua fete, doua straturi pe fiecare fata, 17.1 GB

Capacitatea unui DVD-ROM poate fi determinata vizual, observând numarul fetelor inscriptionate cu date. Fetele cu doua straturi au de cele mai multe ori culoarea aurie, în timp ce fetele cu un singur strat au, de obicei, culoarea argintie, la fel ca a unui CD. O alta metoda de a verifica daca un DVD contine unul sau doua straturi este de a examina inelul central pe partea inferioara a discului. Daca sunt doua coduri de bare, este un disc cu strat dublu. Daca este un singur cod de bare, este un disc cu un singur strat.

"+" (plus) si "-" (minus) sunt doua standarde similare si sunt partial compatibile. Din anul 2004, ambele formate sunt la fel de populare, cu aproximativ o jumatate din industrie fabricând standardul "+", iar cealalta jumatate standardul "-". Toate cititoarele de DVD se presupune ca pot citi ambele  formate, dar în realitate compatibilitatea este de aproximativ 90% pentru ambele formate, DVD-R având cea mai buna compatibilitate în teste. Cele mai multe DVD writer-e noi pot scrie ambele formate.

Spre deosebire de compact disc-uri, unde sunetul (CDDA, Red Book) este memorat într-un cu totul alt mod decât datele (Yellow book et al.), un DVD scris corect va contine întotdeauna date în UDF filesystem.

Rata de transfer a unui DVD este realizata în multipli de 1350 KB/s, ceea ce înseamna ca un drive cu viteza de fabricatie de 16x permite o viteza de transfer a datelor de 16 x 1350 = 21600 KB/s (21.09 MB/s). Asa cum viteza de transfer a CD-urilor se realizeaza în multipli de 150 KB/s, viteza unui DVD este de noua ori viteza unui CD. Un drive DVD cu viteza de 8x ar trebui sa aiba aceeasi rata de transfer cu un CD drive cu o rata de transfer de 72 x.

1.5.16 Tape drive

Tape drive, cunoscut si ca streamer, este o componenta periferica care citeste si scrie date pe o banda magnetica sau banda perforata. Este în mod obisnuit folosita pentru arhivarea datelor memorate pe hard disk-uri. Tape drive-ul foloseste accesarea secventiala, accesarea datelor facându-se foarte lent. În schimb, au capacitate mare de stocare si costul lor e destul de mic. LTO (Linear Tape-Open) drive-urile moderne pot atinge rate de transfer de peste 160 MB/s, dar rata medie de transfer este de 80 MB/s. Tape drive-urile pot fi conectate la un calculator prin SCSI, port paralel, IDE, USB, FireWire sau fibra optica.

1.5.17 SATA

SATA (Serial Advanced Technology Attachement)

În hardware-ul computerelor Serial ATA (SATA sau S-ATA) este o tehnologie de bus desemnata în primul rând pentru transferul datelor catre si de la un hard disk. Este succesorul standardului mostenit, ATA (cunoscut si ca IDE). Aceasta tehologie mai veche a fost redenumita retroactiv Parallel ATA (PATA) pentru a face diferenta cu Serial ATA.

SATA/150. Prima generatie de interfete Serial ATA,   cunoscute si ca SATA/150 ruleaza la 1.5 GHz. Deoarece tz. Because Serial ATA uses 8B/10B encoding with an efficiency of 80% at the physical layer, this results in an actual data transfer rate of 1.2 gigabits per second (Gbit/s), or 150 megabytes per second. This transfer rate is only slightly higher than that provided by the fastest Parallel ATA mode, Ultra ATA at 133 MB/second (UDMA/133). However, further increasing PATA bandwidth is somewhat impractical, but the relative simplicity of a serial link and the use of LVDS have allowed Serial ATA to scale easily.

[edit]

SATA/300

With the release of the NVIDIA nForce4 chipset in 2004, the clock rate was doubled to 3 GHz, for a maximum throughput of 300 MB/s. This increased data rate specification is very widely referred to as "Serial ATA II" ("SATA II"); however, the official website for the SATA standard states that this is a misnomer, as SATA II is the name of the organization formed to author the Serial ATA specifications. Indeed, the increased data rate capability was only one of many that were defined by the SATA II committee. The Serial ATA standard organization has since changed names, and is now "The Serial ATA International Organization", or SATA-IO.

SATA-IO plans to further increase the maximum throughput of Serial ATA to 600 MB/s around 2007.

[edit]

Serial ATA innovations

A 15-pin Serial ATA power connector.

A 7-pin Serial ATA data cable.

Physically, the cables used are the most noticeable change from Parallel ATA. The Serial ATA standard defines a data cable using seven conductors and 8 mm wide wafer connectors on each end. SATA cables can be up to 1 m (40 in.) long. PATA ribbon cables, in comparison, carry either 40- or 80-conductor wires and are limited to 45 cm (18 in.) in length. The reduction in conductors makes SATA connectors and cables much narrower than those of PATA, thus making them more convenient to route within tight spaces and reducing obstructions to airflow. Unlike early PATA connectors, SATA connectors are keyed - it is not possible to install cable connectors upside down.

Serial ATA drops the master/slave shared bus of PATA, giving each device a dedicated cable and dedicated bandwidth. While this requires twice the number of host controllers to support the same number of SATA devices, at the time of SATA's introduction this was no longer a significant drawback. Another controller could be added into a controller ASIC at little cost beyond the addition of the extra seven signal lines and PCB space for the cable header.

The Serial ATA standard also specifies a power connector sharply differing from the four-pin Molex connector used by PATA drives and many other computer components. Like the data cable, it is wafer based, but its wider 15-pin shape should prevent confusion between the two. The seemingly large number of pins are used to supply three different voltages if necessary - 3.3 V, 5 V, and 12 V. The same physical connections are used on 3.5-in. and 2.5-in. (notebook) hard disks.

Features allowed for by SATA but not by PATA include hot-swapping and native command queueing.

To ease their transition to Serial ATA, many manufacturers have produced drives which use controllers largely identical to those on their PATA drives and include a bridge chip on the logic board. Bridged drives have a SATA connector, may include either or both kinds of power connectors, and generally perform identically to native drives. They may, however, lack support for some SATA-specific features. As of 2004, all major hard drive manufacturers produce either bridged or native SATA drives.

SATA drives may be plugged into Serial Attached SCSI (SAS) controllers and communicate on the same physical cable as native SAS disks. SAS disks however may not be plugged into a SATA controller.

[edit]

External SATA

Initially SATA was designed as an internal or inside-the-box interface technology, bringing improved performance and new features to internal PC or consumer storage. Creative designers quickly realized the innovative interface could reliably be expanded outside the PC, bringing the same performance and features to external storage needs instead of relying on USB or FireWire (IEEE 1394) interfaces. Called external SATA or eSATA, customers can now utilize shielded cable lengths up to two meters outside the PC to take advantage of the benefits the SATA interface brings to storage. SATA is now out of the box as an external standard, with specifically defined cables, connectors, and signal requirements released as new standards in mid-2004. eSATA provides more performance than existing solutions and is hot pluggable.

Key benefits of eSATA:

Up to six times faster than existing external storage solutions: USB 2.0 and FireWire

Robust and user friendly external connection

High performance, cost effective expansion storage

Up to 2-m shielded cables and connectors

Applications of eSATA include External Direct Attached Storage for notebooks, desktop, consumer electronics and entry servers.

Many existing external hard drives use USB and/or FireWire. These interfaces are not nearly as fast as SATA when compared using peak values, and can compromise drive performance.

USB and IEEE 1394 external drives are ATA drives with a bridge chip that translates from the ATA protocol to USB or IEEE 1394 protocol used for the connection. These interfaces require encapsulation or conversion of the transmit data and then de-capsulation after the data is received. This protocol overhead reduces the efficiency of these host buses, increases the host CPU utilization or requires a special chip to off-load the host.

The results of eSATA are dramatic and with no protocol overhead issues as with USB or IEEE 1394. The eSATA storage bus delivers as much as 37 times more performance. This ability is perfect for using an array of drives with performance striping behind the eSATA host port.

The typical cable length is two meters (six feet); long enough to reach from a floor-mounted PC to a drive placed on the desktop. The compliance is defined in the SATA II: Electrical Specification, as the Gen1m and Gen2m specifications for 1.5 Gb/s and 3.0 Gb/s respectively.

Currently, most PC motherboards do not have an eSATA connector. eSATA is readily enabled, however, through the addition of an eSATA host bus adapter (HBA) or bracket connector for desktop systems or with a Cardbus or ExpressCard for notebooks. New motherboards introduced in 2005 will start to incorporate e-SATA connectors directly, making the addition of external storage an easy option.

Note: Prior to the final specification for eSATA, there were a number of products designed for external connections of SATA drives. Some of these use the internal SATA connector (easily recognized by the L-shaped contact ledge) or even connectors designed for other interface specifications, such as IEEE 1394. These products are not eSATA compliant.