2.5 Magneetschijven
2.5.2 Harde schijf
Een magneetschijfstation bestaat uit een of meerdere platen (platters in het Engels). Ze zijn gemaakt uit aluminium (of een aluminiumlegering) of uit glas (of een composietmateriaal). De plaat zelf is dus niet magnetiseerbaar; het is echter wel belangrijk dat de plaat uiterst glad gemaakt kan worden. Tegenwoordig schommelt de diameter van de platen tussen 2.5 en 12 cm (3.5” resp. 2.5” zijn veelgebruikte afmetingen in PCs resp. laptops), maar die zal zeker nog dalen1. Elke plaat is aan beide zijden bedekt met een magnetiseerbare laag: vroeger werd hiervoor ijzeroxide gebruikt (vandaar de oranje kleur); sinds de tachtiger jaren gebruikt met een metaallegering, gekend onder de naam “dunne film”.
FIGUUR 2-28. Magnetiseerbaar materiaal:
(links) gedemagnitiseerd (ongeordend)
(midden) onder invloed van een magnetisch veld (rechts) gemagnetiseerd (zonder magn. veld).
2.5 Magneetschijven
De platen zijn verticaal gestapeld en vast gemonteerd op een holle as (spindlein het Engels), zoals in figuur 2-29. Ze draaien aan een constante snelheid rond, vroeger aan 3600 toeren/min, vandaag meestal sneller: van 4200 toeren/min tot zelfs meer dan 10.000 toeren/min (bij de meest performante schijven).
Elke plaatzijde heeft een eigen lees- en schrijfkop. De kop is gemonteerd op een arm. Alle armen zijn met elkaar verbonden, zodat ze allemaal tegelijk naar een andere positie gaan.
Logische opdeling van de schijf
Het oppervlak van elke plaatzijde wordt verdeeld in sporen (tracks in het Engels); dit zijn de concentrische ringen die onder de kop doordraaien voor een welbepaalde stand van die kop. Ze worden van buiten naar binnen genummerd te beginnen bij 0. Het aantal sporen hangt natuur-lijk af van de afmetingen van de schijf en van de radiale dichtheid, die aangeeft hoe dicht de sporen bij elkaar liggen. De breedte van een spoor hangt af van de grootte van de kop en van de nauwkeurigheid waarmee men de koppen kan positioneren. Vandaag hebben schijven zo’n 800 tot 2000 sporen per centimeter. Zie figuur 2-30: de zwarte lijnen werden op de figuur bijgete-kend om te tonen hoe de sporen op de schijf liggen.
Elk spoor is verder onderverdeeld in een aantal sectoren waarvan het aantal kan variëren van 17 tot meer dan 50. Een sector is de kleinste hoeveelheid die in één keer gelezen of geschreven wordt. Op de figuur kan je duidelijk zien dat de buitenste sporen een grotere lengte hebben dan
1. De allereerste harde schijf, de IBM 350 RAMAC, kwam in 1956 op de markt. Ze bestond uit 50 platen met een diameter van 24” (bijna 61 cm). Haar capaciteit was vijf megabyte! Je kon ze huren voor $35.000 per jaar.
In 1998 bracht IBM de kleinste schijf op de markt, de MicroDrive. Ze bestaat slechts uit één plaat, met een diameter van 1” (2.54 cm). De eerste versie had een capaciteit van 340 MB; de meest recente een capaciteit
Plaat
As
Arm
Lees/Schrijfkop FIGUUR 2-29. Magneetschijfstation:
(links) schematisch,
(rechts) een opengewerkt model.
2.5 Magneetschijven
38 de binnenste sporen. Immers de lengte van een spoor is 2 × π ×straal. Aangezien de schijven met een constante hoeksnelheid ronddraaien, zullen de bits op de buitenste sporen verder uit elkaar moeten liggen dan op de binnenste sporen. De lineaire bitdichtheid is dus niet constant, en bijgevolg niet optimaall.
Tegenwoordig lost men dit probleem anders op: de schijf wordt in zones opgedeeld (meestal 10 tot 30 per schijf), zoals in figuur 2-31, waar vijf zones gedefineerd zijn. In een zone hebben alle sporen hetzelfde aantal sectoren, maar naarmate de zone meer naar buiten ligt, neemt het aantal sectoren per spoor toe. Op die manier kan men de capaciteit van de schijf laten toene-men. Het is nu wel moeilijker om te bepalen op welk spoor een bepaalde sector zich bevindt.
Alle sporen op de verschillende schijven die boven elkaar liggen vormen samen een cilinder.
De sporen van een cilinder hebben dus allemaal hetzelfde nummer. Figuur 2-32 toont een cilin-der bestaande uit 6 sporen die in stippellijn worden weergegeven (2 per plaat: boven en oncilin-der-
onder-FIGUUR 2-30. Een plaatzijde is onderverdeeld in sporen. Een spoor is onderverdeeld in sectoren.
Sector
Spoor
FIGUUR 2-31. De schijf wordt opgedeeld in zones; in elke zone is het aantal sectoren per spoor constant.
2.5 Magneetschijven
kant). Indien de sporen met elkaar verbonden worden, ontstaat een meetkundige figuur: een cilinder. Zolang er binnen dezelfde cilinder gelezen of geschreven wordt, moeten de koppen niet verplaatst worden.
Een sector
Zoals hierboven vermeld werd, wordt een spoor opgedeeld in sectoren. Een sector is de klein-ste eenheid die gelezen of geschreven wordt. Tussen twee sectoren bevindt zich een tussen-ruimte die niet gebruikt wordt. Een sector zelf bestaat uit een hoofding (HD), waarin o.m. het sectornummer staat, gevolgd door de data (meestal 512 bytes tot 4 kbytes), gevolgd door een foutencorrigerende code (ECCoferror correcting codein het Engels), die de bestuurder in staat stelt kleine fouten in de gelezen data te verbeteren. Zie figuur 2-33.
Een schijf moet geformatteerd zijn alvorens men er informatie op kan bewaren. Het formatte-ren gebeurt in twee stappen:
FIGUUR 2-32. Een cilinder bestaat uit alle sporen die voor een
welbepaalde stand van de kam onder de koppen liggen.
Cilinder
Data
ECC
HD Tussenruimte
draairichting schijf
Kop
FIGUUR 2-33. Het formaat van een sector.
2.5 Magneetschijven
40
• Het laag-niveauformatteren.. Een schijf wordt onderverdeeld in sporen en sectoren. De hoofding van elke sector wordt geschreven en er wordt gecontroleerd of de sector correct kan beschreven worden (zoniet wordt de sector als ’slecht’ gemarkeerd). Dit laag-niveau-formatteren gebeurt tegenwoordig in de fabriek.
• Het hoog-niveauformatteren. Op de schijf wordt een (lege) tabel (en mogelijk andere gege-vensstructuren) weggeschreven. Het besturingsprogramma (operating system) gebruikt deze tabel om informatie bij te houden over de bestanden die op de schijf worden bewaard.
Het programma ’format’ bij het Windows-besturingssysteem zorgt voor een hoog-niveau-formattering van de schijf.
De lees- en schrijfkoppen
Indien er een positieve of negatieve stroom vloeit door de spoel in het schrijfelement, brengt dit een magnetische flux teweeg in de kern, en een magnetisch veld dat uitwaaiert in de lucht-spleet. Dit magnetisch veld induceert een magnetische flux in het magnetiseerbare materiaal, wat een polarisatie van de cel onder de schrijfkop tot gevolg heeft. Die polarisatie blijft bestaan nadat de cel onder de schrijfkop verdwenen is, of nadat de stroom in de spoel is weggevallen.
Een eenvoudige geleider fungeert als leeskop. Aangezien de schijf ronddraait, bevindt de gelei-der zich in een bewegend magnetisch veld, die veroorzaakt wordt door de cellen in de magne-tiseerbare laag. Hierdoor wordt er een positieve of negatieve spanning geïnduceerd in de geleider. Zie figuur 2-34
Om nog hogere dichtheden te krijgen, hebben schijffabrikanten een nieuwe techniek ontwik-keld waarbij de bits vertikaal in de magnitiseerbare laag worden opgeslagen. Deze techniek noemt men loodrechte opname (perpendicular recordingin het Engels) en wordt vanaf 2006 steeds meer toegepast.
De lees- en schrijfkoppen zijn te klein om rechtstreeks op de arm gemonteerd te kunnen wor-den. Daarom worden ze in een glijder (sliderin het Engels) geplaatst die op zijn beurt op de arm wordt bevestigd, zoals in figuur 2-35.
I
FIGUUR 2-34. De schrijfkop (links) en de leeskop (links).
beweging beweging
2.5 Magneetschijven
De koppen zijn de laatste decennia enorm geëvolueerd: vroeger gebruikte men grote ferriet-koppen, daarna werden dunne-filmkoppen gebruikt, en meer recent magneto-resistieve kop-pen (MR-kopkop-pen) (zie figuur 2-35, links boven en onder). Hierdoor konden de kopkop-pen kleiner gemaakt worden, kon men de koppen nog dichter bij de plaat brengen en daardoor ook de bits dichter bij elkaar plaatsen.
Wanneer de schijf niet in gebruik is, rusten de koppen op de schijven. Hiervoor wordt een aparte zone gebruikt, de landingszone; deze bevindt zich aan de binnenzijde van de schijf (daar is immers de relatieve snelheid van de kop ten opzichte van de plaat het kleinste).
Behuizing
Omdat de koppen vlak boven het schijfoppervlak zweven (op minder dan 0.2 µm), zou zelfs het kleinste vuildeeltje (stof, haar, vingerafdruk, ...) een botsing veroorzaken met de koppen (in het Engels spreekt men over een head crash). Een stofdeeltje, bijvoorbeeld, is gemakkelijk 5 tot 10 keer zo dik als de afstand tussen de kop en de schijf. Daarom zit de schijf volledig in een luchtdicht (niet luchtledig!) omhulsel: de behuizing. Het luchtdicht afsluiten van de buitenwe-reld wordt ook wel de techniek genoemd. Vandaar dat je soms de naam winchester-schijf vindt. In figuur 2-36 zie je enkele voorbeelden.
Arm
Glijder
Zweefhoogte Plaat Lees- en
Schrijfkop
FIGUUR 2-35. Lees/schrijfkoppen:
(links boven) 2 dunne-filmkoppen;
(links onder) ferrietkop en MR-kop;
(rechts) zwevend boven de schijf.
2.5 Magneetschijven
42
Snelheid van een schijfstation
De snelheid van een schijfstation hangt af van diverse factoren:
a. Eerst moeten de koppen boven het juiste spoor gebracht worden. De tijd die hiervoor nodig is wordt de zoektijd (in het Engelsseektime) genoemd. De gemiddelde zoektijd ligt tussen 5 en 15 milliseconden, hoewel een verplaatsing tussen twee opeenvolgende sporen tegen-woordig minder dan 1 milliseconde duurt.
b. Daarna moet er gewacht worden tot de gewenste sector onder de kop komt; gemiddeld zal dus een halve toer moeten gewacht worden. De tijd die hiervoor nodig is, de rotatiewacht-tijd (latency time in het Engels) hangt uiteraard af van de rotatiesnelheid van de schijf.
Wanneer de schijf ronddraait aan een snelheid van 3600 resp. 7200 toeren/min, dan bedraagt de gemiddelde wachttijd 8 resp. 4 milliseconden.
c. Tenslotte wordt de sector ingelezen of geschreven. De hiervoor nodige tijd wordt de trans-porttijd (transfer time in het Engels) genoemd. Deze hangt af van verschillende factoren:
- de lineaire dichtheid van de bits (hoe dicht de bits bij elkaar liggen in een sector); bij de huidige schijven zijn dichtheden van 50.000 tot 100.000 bits per cm mogelijk;
- de rotatiesnelheid van de schijf;
- de grootte van de sector (vaak 512 bytes tot 4 kbytes).
Het product van de eerste twee factoren noemt men de overdrachtsnelheid (ook wel het debiet genoemd). Bij overdrachtsnelheden van 5 tot 20 MB per seconde, duurt het inlezen van 512 bytes tussen de 25 en 100µs.
FIGUUR 2-36. Verschillende formaten: 5.25”, 3.5”, 2.5”, PC-kaart, CF-formaat (MicroDrive).
2.5 Magneetschijven
d. Om energie te besparen zal de schijf soms stilgelegd worden (spin down in het Engels) wanneer hij een tijd niet meer gebruikt is. Voor de schijf opnieuw kan gelezen of beschreven worden, moet hij bijgevolg terug eerst op snelheid gebracht worden (spin upin het Engels).
De hiervoor nodige tijd wordt opstarttijd (spin-up timein het Engels) genoemd. Hij kan enkele seconden bedragen.
Bij rotatiesnelheden van 3600 tot 7200 toeren/min worden de schijven zeer warm en zetten bij-gevolg uit. Sommige schijfstations moeten het positioneringsmechanisme van de koppen af en toe opnieuw afregelen (kalibreren) om deze uitzettingen te compenseren. Dit doen ze door de koppen helemaal naar binnen of naar buiten te brengen. Gedurende deze tijd kunnen ze echter niet gebruikt worden. Dit kan rampzalige gevolgen hebben voor bepaalde toepassingen, die verwachten dat gegevens aan een min of meer constante snelheid kunnen ingelezen worden (bijv. een programma dat een CD brandt).
Schijfbestuurder (controller)
Bij elke schijf hoort een bestuurder (controllerin het Engels). Dit is een chip die het schijfsta-tion bestuurt, d.w.z. de bestuurder ontvangt de opdrachten van de processor en geeft de cor-recte stuursignalen. Hij zorgt ook voor het dicor-recte geheugentransport van en naar het geheugen. De bestuurder beschikt over een intern geheugen (buffer) waarin een of meerdere sectoren of zelfs alle sectoren van een spoor kunnen opgeslagen worden. Meestal kan een bestuurder meer dan een schijfstation aansturen.