Andrea Asta Filippo Zaniboni Hard Disk Andrea Asta Filippo Zaniboni

Sommario Hard Disk Storia Caratteristiche File system Cluster Meccanica Elettronica Storia Caratteristiche Capacità Tempo di accesso Velocità di trasferimento Velocità di rotazione Buffer Interfaccia File system Cluster Definizione Frammentazione Deframmentazione Interfacce ATA: Advanced Technology Attachment SATA: Serial ATA SCSI: Small Computer System Interface RAID Implementazioni Livelli SAN: Storage Area Network Prezzi Credits

Hard Disk Periferica non volatile dove vengono memorizzati i dati a lungo termine Detta periferica di archiviazione di massa È diviso in 2 parti fondamentali Parte meccanica Parte elettronica Sono prodotti in 2 dimensioni standard 3,5 pollici (pc) 2,5 pollici (notebook)

Meccanica È composto da uno o più dischi composti da due superfici magnetiche dove vengono memorizzati i dati I dati sono scritti per mezzo di una testina di lettura e scrittura che crea dei campi magnetici I dischi girano ad una velocità rotazionale costante attorno ad un asse centrale Ogni disco ha una sola testina che si muove lungo tutto il raggio del disco

Meccanica La testina è distante alcuni nanometri dal disco La parte meccanica è sigillata dentro l’HD per evitare che si deteriori L’HD è sigillato inoltre per evitare che qualcosa finisca tra la testina e il disco

Curiosità Un HD normale, quindi sigillato, non può lavorare oltre i 3000m, perché la pressione è troppo bassa e la testina viene schiacciata contro il disco Per tali usi esistono particolari Hard Disk

Meccanica Gli HD non sono sigillati ermeticamente Ogni HD ha un filtro dell’aria tra il tappo sopra il disco e la scatola del HD Il filtro evita che entri dello sporco lasciando passare però aria ed umidità Molta umidità potrebbe danneggiare irreparabilmente la testina, facendo si che questa si incolli al disco

Meccanica Per proteggere l’HD c’è una parte del disco detta Landing Area dove viene mandata la tesina nel caso succeda qualcosa, come per esempio se viene a meno l’alimentazione La testina viene spinta contro il disco e finché questo gira la testina viene sorretta dal cuscino d’aria Quando il disco non gira la testina “atterra” sul disco Le testine generalmente sono progettate per un numero massimo di circa 50.000 atterraggi

Meccanica

Meccanica

Suddivisione del Disco L’HDD è formato da più dischi Ogni disco è scrivibile su entrambe le facce Ogni disco è diviso in Piste Settori Per accedere ad un dato, necessitiamo quindi di 3 informazioni Disco (faccia) Pista Settore

Tracce e Settori Tracce Settori Sono degli anelli (ideali) presenti su ogni piatto e sono identificati da un numero intero che parte da zero. Settori Sono parti delle tracce (una traccia è divisa in settori) Rappresentano la minima quantità di memorizzazione di dati che supporta il disco La dimensione del settore viene calcolata in base al numero di piatti presenti nel disco fisso e alla capacità di esso.

Tracce e Settori

Elettronica È composto da una scheda stampata avvitata al contenitore della parte meccanica L’accesso ai dati avviene grazie alle leggi del magnetismo La testina di lettura sfrutta le diverse polarità (Nord, Sud) per cambiare un dato o prelevarlo Ha il compito di controllare: I movimenti della testina Il motore Lettura/scrittura dei dati

Storia Primo Hard Disk della storia Inventato nel 1955 Creato dall’IBM per il computer IBM305 Inventato da Reynold Johnson Formato da 50 dischi… …di diametro 24 pollici l’uno! Capacità di 5MB Denominazione originaria: Fixed Disk Utilizzo di una sola testina

Storia Nel 1961 fu annunciato l’IBM1301 Prevedeva una testina per ogni disco Tempi di accesso ridotti notevolmente Nel 1973 l’IBM introduce il modello 3340 Winchester Usava una particolare saldatura Dischi-Testine Formato da due dischi da 30MB l’uno Il nome diventò sinonimo di HDD Gli HDD moderni utilizzano ancora questo modello

Storia Problemi degli Hard Disk fino agli anni Ottanta Dimensioni esagerate Costi elevati Risorse elevate (tensione, corrente) Nella prima versione del PC (IBM5150) l’Hard Disk non era previsto nella distribuzione industriale!

Storia Nel 1980 viene introdotto il modello ST506 Dimensioni ridotte: 5.25 pollici Capacità di 5MB Utilizzo di un motore passo passo Dopo gli anni 80 si ebbe una crescita esponenziale delle prestazioni e delle capacità offerte dagli Hard Disk

TimeLine Anni 50 Anni 80 Anni 90 Dopo il 2000 Primi Hard Disk Primi HDD a 5.25 pollici Creazione di SCSI Anni 90 Hard Disk fino a 10GB Dopo il 2000 Interfaccia Serial ATA Hard Disk fino a 500Gb Miglioramento di SCSI (SAS)

Caratteristiche L’Hard Disk è spesso la causa principale del rallentamento di un computer Le sue prestazioni sono molto inferiori a quelle che compongono il resto dei personal computer Le sue caratteristiche principali sono: Capacità Tempo di accesso Velocità di trasferimento Velocità di rotazione Buffer di memoria Interfaccia

Capacità In genere espressa in GigaByte (GB) I produttori usano i GigaByte metrici, invece della approssimazioni per potenze di due… … ciò significa che un HD di una data capacità è in realtà poco più piccolo Può essere aumentata aumentando la densità dei dati sul disco, il numero di dischi, oppure la grandezza dei dischi stessi La capacità commerciali attualmente variano dagli 80 GB ai 500 GB

Tempo di accesso Si tratta del tempo medio necessario perché un dato posto in una parte a caso del disco possa essere reperito Questo tempo dipende dalla velocità del disco e dalla velocità della testina Spesso non viene menzionata dal produttore È attorno ai 10 ms per gli HD standard, mentre per quelli ad alte prestazioni (15000 giri) è di 3-4 ms

Tempo di accesso E’ dato dalla somma di 3 tempi Tempo di selezione della pista Tempo di selezione del settore Tempo effettivo di trasferimento

Velocità di trasferimento È la quantità di dati che un HD è in grado leggere/scrivere su un disco in un determinato tempo (di solito 1 secondo) Per incrementare questa velocità solitamente si usano dischi più veloci, oppure si aumenta la densità dei dati Questa velocità è teorica, e tale velocità viene raggiunta raramente

Velocità di rotazione E’ la velocità di rotazione dei dischi Maggiore è questo valore, maggiore è la velocità di accesso ai dati Ma è necessario un buon sistema di ventilazione! Si misura in RPM (Giri al Minuto) Velocità più comuni 7200RPM – 15000RPM  PC 5400RPM  Notebook

Buffer di memoria Detto anche cache Si tratta di una piccola memoria in genere di alcuni MB Ha il compito di memorizzare gli ultimi dati letti o scritti dal disco Se un programma richiede ripetutamente le stesse informazioni, queste possono essere reperite nel buffer invece che sul disco Poiché è un componente elettronico la sua velocità di trasferimento è molto maggiore rispetto a quella del disco

Interfaccia È la modalità di collegamento tra l’Hard Disk e la scheda madre Le più comuni sono: ATA SATA SCSI

File System È un metodo di organizzare e memorizzare i dati sul disco, in modo da essere recuperati facilmente e nel più breve tempo possibile Deve organizzare lo spazio all’interno dei settori Offre gli strumenti per creare, muovere ed eliminare sia file che cartelle Sicurezza: basata su liste di controllo di accesso che permettono di definire per ciascun elemento del file system di quali permessi (lettura, scrittura, modifica ecc.) dispone ciascun utente.

File System Esistono una vasta quantità di file system. I sistemi operativi moderni sono spesso in grado di accedere a diversi file system I più conosciuti, nonché quelli implementati in Windows e MSDOS, sono: FAT FAT32 NTFS

Cluster L’unità minima di allocazione di un file è chiamata cluster Un cluster è un numero intero di settori del disco Un file occupa minimo un cluster, ma può occuparne di più La dimensione dei cluster è gestita dal Sistema Operativo E’ un numero intero che indica il numero di settori utilizzati Dipende dal file system Può essere cambiata

Frammentazione Non sempre è possibile registrare i cluster uno di seguito all'altro Se lo spazio libero contiguo presente su disco non è sufficiente a contenere tutti i cluster di un file, questi vengono registrati sparsi per il disco rigido negli spazi liberi disponibili… …è il fenomeno della frammentazione La frammentazione dei cluster rallenta le fasi di lettura e registrazione del file.

Deframmentazione Il software di deframmentazione cerca di riunire tutti i cluster di tutti i file frammentati In questo modo, cerca di velocizzare l’accesso ai dati Alcune utility di deframmentazione hanno la capacità di assegnare particolari zone del disco rigido, dalle quali il caricamento è più veloce, ai file più utilizzati e/o a quelli del sistema operativo.

Interfacce Dispositivo fisico che permette la comunicazione tra Hd e Motherboard (BUS) Esistono 3 standard di interfacce: ATA: Advanced Technology Attachment SATA: Serial ATA SCSI: Small Computer System Interface Ogni interfaccia è incompatibile con le altre poiché dotata di una interfaccia (connettore) differente dalle altre e poiché lavorano in maniera differente

ATA Chiamata anche IDE, EIDE, ATAPI, UDMA, PATA Tale interfaccia era la più diffusa sino al 2004 Ha un connettore formato da 40 PIN Utilizzata per periferiche di archiviazione di massa e per CD/DVD drive Se due unità vengono collegate allo stesso canale è necessario configurare una delle due come master e l’altra come slave L’unità master viene elencata come prima dal S.O. Esiste anche una altro modo per collegare due periferiche assieme, il cable select, tramite il quale viene deciso dal collegamento col cavo quale periferica è master e quale è slave

ATA ~ Cavi Sono dotati di 2 o 3 connettori Hanno una lunghezza media compresa tra i 40cm e i 90cm Permettono il trasferimento di dati di 16 o 32 bit per volta Ne esistono di due tipi, uno formato da 40 “fili”, uno formato da 80 Il cavo con 80 conduttori prevede un filo di massa per ciascun conduttore, riducendo gli effetti di induzione elettromagnetica tra conduttori adiacenti

ATA ~ Cavi

ATA ~ Standard Esistono vari standard IDE Lo standard più usato al giorno d’oggi è l’IDE6, poiché è l’ultimo ad essere stato progettato e anche il più veloce Standard Velocità IDE0 16,6 MB/s IDE1 25,0 MB/s IDE2 33,3 MB/s IDE3 44,4 MB/s IDE4 66,7 MB/s IDE5 100,0 MB/s IDE6 133,0 MB/s

SATA SATA => Serial ATA Standard di connessione per periferiche di memorizzazione Interfaccia per dispositivi interni Destinata a sostituire ATA Connessione di tipo seriale Nell’ATA era di tipo parallelo!

SATA vs ATA ATA SATA

Difetti di ATA Transfert Rate limitato a 133MB/s E’ prevista la connessione fino a due dispositivi contemporaneamente, ma… Solo un dispositivo per volta può comunicare! Le due periferiche, quindi, non possono comunicare tra loro I cavi piatti utilizzati rallentano il raffreddamento del sistema

SATA ~ Pregi S A T Velocità Gestione Cavi Hot Swap

SATA ~ Caratteristiche Il cavo di collegamento è composto solo da 4 fili contro i 40 dello standard ATA Utilizzo di cavi sottili Raffreddamento del sistema più facile Possibilità di collegare e scollegare dispositivi mentre il sistema è in funzione (hot swap) Velocità di trasferimento fino a 150MB/s Nelle future versioni previste velocità di 300MB/s e fino a 600MB/s

SATA ~ Cavi Cavi flessibili Estremità di 8 millimetri Pregi rispetto ai cavi ATA Sono più pratici Sono meno ingombranti… Quindi favoriscono il passaggio dell’aria… …garantendo quindi una corretta ventilazione del sistema I connettori non possono essere inseriti al contrario… …Grazie ad una asimmetria fisica

SATA ~ Cavi Connettore di alimentazione simile al cavo di trasmissione dei dati. Più largo, costituito da 15 conduttori, che trasportano le tre diverse tensioni di alimentazione necessarie: 3,3V, 5V e 12V. Durante la transizione tra l'interfaccia IDE ed il Serial ATA sono previsti diversi convertitori per rendere compatibili i due standard. Alimentazione, i connettori standard di alimentazione sono sostituiti dai cavi di alimentazione Serial ATA, che hanno un connettore femmina standard e due connettori maschi SATA. Dati, è necessario un ponte che converta la trasmissione di dati parallela in seriale e viceversa

SCSI Small Computer System Interface Interfaccia standard per la comunicazione tra dispositivi interni tramite un bus Si pronuncia “scasi” Introdotta nel 1986 Utilizzata soprattutto per le periferiche di memorizzazione di massa Ideato per favorire Intercambiabilità dei dispositivi Compatbilità dei dispositivi

SCSI Small Computer System Interface Interfaccia standard per la comunicazione tra dispositivi interni tramite un bus Si pronuncia “scasi” Introdotta nel 1986 Utilizzata soprattutto per le periferiche di memorizzazione di massa Ideato per favorire Intercambiabilità dei dispositivi Compatbilità dei dispositivi

SCSI ~ Diffusione Pregi di SCSI Difetti di SCSI Diffusione Velocità Difetti di SCSI Costi più elevati Diffusione Un tempo era legata a tutte le periferiche Oggi si usa solo nelle workstation e periferiche di fascia alta Altre interfacce più economiche ATA/IDE (hard disk) USB (periferiche)

SCSI ~ Esempio di terminale

1981 Fusione Progetti SCSI ~ Cenni storici SASI BYSE SCSI 1979 Shugart Technology NCR Corporation SASI BYSE SCSI

SCSI ~ Standardizzazione Lo SCSI viene creato già con lo scopo di diventare uno standard La standardizzazione arriva nel 1986 Standard ANSI: Specifica SCSI Da allora lo SCSI viene adottato come standard industriale Furono create e diffuse diverse versioni di SCSI

SCSI ~ Versioni SCSI – 1 Versione originale (1986) Bus a 8 bit Velocità fino a 5MB/s Lunghezza massima dei cavi: 6 metri Utilizza livelli logici 0-5V

SCSI ~ Versioni SCSI – 2 Lanciata nel 1989 Velocità fino a 10MB/s Seguono varianti Fast-SCSI e Wide-SCSI Velocità fino a 10MB/s Alcune varianti arrivano a 20MB/s Lunghezza massima dei cavi: 3 metri

SCSI ~ Versioni SCSI – 3 Lanciato nel 1992 Con il nome di Ultra-SCSI Velocità fino a 20MB/s per sistemi a 8 bit Velocità fino a 40MB/s per sistemi a 16 bit Seri problemi di funzionamento Causati anche solo da piccoli difetti fisici nei cablaggi

SCSI ~ Versioni Ultra – 2 Ultra – 3 Lanciata nel 1997 Cavi lunghi fino a 12 metri Corretti i problemi causati dai disturbi Velocità fino a 80MB/s Ultra – 3 Lanciata nel 1999 Correzione automatica degli errori di trasmissione Velocità fino a 160MB/s

SCSI ~ Versioni Versioni moderne iSCSI Prodotte dal 2003 Aumentano solo le velocità di trasferimento Ultra – 320 => 320MB/s Ultra – 640 => 640MB/s iSCSI Versione pensata per Ethernet Incorpora SCSI-3 e TCP/IP

SCSI ~ Architettura SCSI-1 SCSI-2 Definisce le operazioni di base Caratteristiche fisiche del bus Sequenza di segnali elettrici per ogni azione SCSI-2 Definizione di un set di istruzioni

SCSI ~ Architettura Il set di comandi SCSI si chiama SAM SAM => SCSI Architecture Model E’ inclusa nei dispositivi che si avvalgono degli standard Fibre Channel SSA InfiniBand iSCSI USB IEEE 1394 Serial Attached SCSI

RAID Sistema che usa un insieme di dischi per condividere o replicare informazioni Le funzione dei RAID sono: Visione unica di tutto lo spazio disponibile Aumento delle prestazioni di lettura/scrittura Aumento della sicurezza dei propri dati Esistono vari tipi o livelli di RAID, ognuno differente dagli altri Brevettato per la prima volta da IBM nel 1978

RAID ~ Implementazioni DATA STRIPING I dati vengono divisi in segmenti di uguale lunghezza e vengono scritti su dischi differenti Queste partizioni vengono divise sui dischi mediante (ES: Round Robin) HARDWARE O SOFTWARE Il RAID può essere implementato sia con HW che con SW SW Il SO gestisce l’insieme di dischi attraverso un normale controller Più lento del metodo HW HW Richiede un controller RAID I sistemi più grandi possono essere collegati tramite Fibra Ottica Prestazioni migliori In genere supporta il scambio a caldo (Hot Swaping) permettendo di sostituire il disco mentre il sistema è in esecuzione

RAID ~ Livelli Standard Sono i livelli di RAID definiti ufficialmente Sono indicati da un numero progressivo Vanno da 0 a 6 (esiste anche un un livello 7 sviluppato proprietariamente da un produttore hardware) Alcuni livelli sono combinabili tra loro per ottenere livelli RAID più complessi

RAID ~ Livello 0 Divide i dati equamente tra 2 o più dischi senza informazioni di parità o ridondanza Usato per: Aumentare le prestazioni Creare un piccolo numero di grandi dischi virtuali da un grande numero di piccoli dischi fisici La sua affidabilità è uguale all’affidabilità media dei dischi usati Il File System è diviso tra tutti i dischi Se un disco si guasta i dati contenuti in quel disco non possono essere più recuperati dal File System Possono essere recuperati con qualche strumento particolare, ma sicuramente i dati saranno incompleti o corrotti

RAID ~ Livello 1 Crea una copia esatta di dati su 2 o più dischi Il sistema può avere capacità massima pari a quella del disco più piccolo L’affidabilità del sistema aumenta con l’aumentare dei dischi Aumenta le prestazioni di lettura poiché i dati possono essere letti da un disco mentre l’altro è occupato

RAID ~ Livello 2 Attualmente non viene più utilizzato Divide i dati sui dischi a livello di BIT I dati vengono protetti con un codice di controllo sulla parità (codice Hamming) Ogni operazione di accesso ai dati richiede l’utilizzo di tutti i dischi

RAID ~ Livello 3 Divide i dati sui dischi a livello di byte Un disco dedicato esclusivamente alla parità Estremamente raro nella pratica 2 grossi svantaggi Per fare un RAID3 ad esempio tra 2 dischi ne servono 3 Ogni operazione di accesso ai dati richiede l’utilizzo di tutti i dischi

RAID ~ Livello 4 Divide i dati sui dischi a livello di blocchi Un disco dedicato esclusivamente alla parità Per fare un RAID4 ad esempio tra 2 dischi ne servono 3 Ogni disco lavora indipendentemente quando viene richiesto un singolo blocco

RAID ~ Livello 5 Divide i dati sui dischi a livello di blocchi La parità viene divisa tra tutti i dischi appartenenti al sistema Questo metodo può essere implementato sia in maniera HW che SW

RAID ~ Livello 6 Divide i dati sui dischi a livello di blocchi La parità viene divisa tra tutti i dischi appartenenti al sistema 2 volte È inefficiente quando il numero di dischi utilizzati è limitato

RAID ~ Livello 7 Ha le stesse caratteristiche e funzionalità del RAID 5 Non rappresenta uno standard in quanto si tratta di una configurazione RAID “proprietaria” È una configurazione implementata da Storage Computer Corporation. Le configurazioni sono variabili e dipendenti dal tipo di implementazione C’è processore dedicato alla gestione simultanea di un certo numero di processi, per aumentare le prestazioni in fase di scambio dati con i dischi

RAID ~ Livelli Annidiati Sono configurazioni RAID di un certo livello applicate su una configurazione RAID di altro livello Consente di compensare “le mancanze” di un certo livello, con le peculiarità di un altro livello Non esistono tutte le combinazioni di abbinamento, ma solo alcune, perché la combinazione di due livello di RAID simili non comporta alcun vantaggio.

RAID ~ Livello 0+1 Viene usato sia per replicare che per condividere dati tra diversi dischi La configurazione minima per un RAID0+1 è di 4 dischi Sfruttando la velocità fornita del RAID0 si implementa la sicurezza replicando i dati su altri dischi Il guasto di un disco provoca l’inaccessibilità al “ramo” contenente i dischi in RAID0, ma la copia speculare in RAID1 consentirà il recupero dei dati e il funzionamento del sistema RISULTATO: 2 dischi grandi la metà della somma dei dischi

RAID ~ Livello 1+0 Si velocizza l’accesso con un RAID0, l’accesso a dati già protetti con Tollera il guasto anche di due dischi, purché questi, non facciano parte della stessa coppia di RAID1. RISULTATO: 1 disco grande quanto la somma di tutti i dischi

SAN ~ Storage Area Network Rete ad alta velocità di dispositivi di memorizzazione di massa condivisi Protocolli standard: ISCSI: Internet SCSI FC: Fibre Channel Un sistema SAN lavora in modo che i dispositivi di memorizzazione siano disponibili a qualunque computer connesso alla rete VANTAGGIO: La potenza di calcolo dei computer e dei server soprattutto è utilizzata x le applicazioni poiché i dati non risiedono in uno di questi

SAN ~ Storage Area Network Le periferiche di archiviazione sono collegate per mezzo di canali (di solito FC), HUB, ROUTER Normalmente una SAN usa dischi collegati in RAID per migliorare prestazioni e affidabilità

Hard Disk ~ Prezzi 3,5” IDE Capacità Cache Velocità RPM Marca Prezzo 80GB 2MB 133MB/s 7200 Maxtor 50,00€ 8MB 54,00€ 160GB 74,00€ 200GB 88,00€ 250GB 16MB 93,00€ 300GB 116,00€

Hard Disk ~ Prezzi 3,5” SATA Capacità Cache Velocità RPM Marca Prezzo 80GB 8MB 150MB/s 7200 Hitachi 60,00€ 160GB 96,00€ 250GB 113,00€ Western 84,00€ 74GB 10000 195,00€ 150GB 16MB 354,00€

Hard Disk ~ Prezzi 3,5” SATA Capacità Cache Velocità RPM Marca Prezzo 80GB 8MB 150MB/s 7200 Maxtor 55,00€ 160GB 77,00€ 200GB 87,00€ 250GB 16MB 100,00€ 300GB 121,00€ 500GB 313,00€

Hard Disk ~ Prezzi 3,5” SATA Capacità Cache Velocità RPM Marca Prezzo 160GB 8MB 150MB/s 7200 Seagate 94,00€ 200GB 107,00€ 250GB 16MB 115,00€ 500GB 415,00€

Hard Disk ~ Prezzi 3,5” SCSI Capacità Cache Velocità RPM Marca Prezzo 73GB 8MB 320MB/s 10000 Maxtor 283,00€ 146GB 576,00€ 15000 508,00€

Hard Disk ~ Prezzi 2,5” IDE Capacità Cache Velocità RPM Marca Prezzo 40GB 2MB --- 5400 66,00€ 80GB 102,00€ 100GB 129,00€ 120GB 150,00€

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