Lucrarea 7

Unităţi de discuri magnetice. Interfaţa ATA 1. Scopul lucrării Lucrarea are ca scop cunoaşterea principiului înregistrării informaţiilor pe suporturi magnetice, a principalelor metode de codificare a informaţiilor pe suport, a construcţiei şi funcţionării unităţilor de discuri fixe. De asemenea, se urmăreşte cunoaşterea celei mai utilizate interfeţe pentru discurile magnetice, interfaţa ATA (IDE). Pentru aceasta, lucrarea prezintă semnalele interfeţei ATA, categoriile de unităţi ATA, configurarea unităţilor ATA şi comanda Identify Device, care permite citirea parametrilor unei unităţi de discuri. Diferite variante ale interfeţei ATA, detalii ale acestei interfeţe şi comenzile ATA vor fi prezentate în Lucrarea de laborator Nr. 8.

2. Metode de codificare a informaţiilor Informaţiile digitale sunt codificate cu ajutorul unui circuit numit codificator/decodificator (endec – encoder/decoder), cu rolul de a optimiza plasarea impulsurilor utilizate pentru înregistrarea magnetică. La citire, acelaşi circuit inversează procesul şi decodifică trenul de impulsuri, refăcând trenul de impulsuri iniţiale. La interpretarea formelor de undă de la scriere sau de la citire, este foarte importantă existenţa unei sincronizări corecte între dispozitivele care emit şi cele care recepţionează datele. Această sincronizare se poate realiza prin adăugarea unei linii separate, pe care se transmite semnalul de sincronizare (un semnal de ceas) între cele două dispozitive. Semnalele de date şi cele de ceas se pot combina între ele şi se pot transmite apoi pe o singură linie. Cele mai multe metode de codificare a informaţiilor utilizează o astfel de combinaţie de date şi semnale de ceas. Impulsurile de ceas sunt folosite pentru a delimita începutul şi sfârşitul celulelor de bit. Fiecare celulă de bit este delimitată de câte două celule de ceas pe durata cărora se plasează tranziţiile de ceas. Prin combinarea informaţiilor de ceas cu datele, ceasurile vor rămâne sincronizate, chiar dacă se transmite un şir lung de zerouri. Celulele de tranziţii utilizate pentru sincronizare ocupă însă spaţiu pe disc. Deoarece pentru un suport de înregistrare dat numărul tranziţiilor de flux care poate fi înscris este limitat de calitatea stratului magnetic şi de tehnologia de fabricaţie a capetelor de citire/scriere, s-a încercat utilizarea diferitelor metode de codificare a informaţiilor, astfel încât numărul de tranziţii de flux să fie minim. Dintre metodele de codificare, cele mai cunoscute sunt următoarele: • FM (Frequency Modulation); • MFM (Modified Frequency Modulation); • RLL (Run Length Limited). Aceste metode sunt descrise în continuare.

2.1. Metoda FM Această metodă de modulaţie în frecvenţă, numită şi înregistrarea în simplă densitate (Single

Density), este una din cele mai simple metode de codificare a informaţiilor, fiind utilizată la primele unităţi de discuri flexibile utilizate la calculatoarele personale. Metoda nu mai este folosită astăzi. În fiecare celulă de bit se înregistrează o tranziţie de flux pentru un bit egal cu 1, sau nu se înregistrează nici o tranziţie, pentru un bit egal cu 0. Pentru a păstra sincronizarea între controler şi unitatea de disc, mai ales în cazul citirii unei serii lungi de zerouri, când nu apare nici o tranziţie pe o perioadă mai lungă, se înscrie împreună cu datele un semnal de ceas. Pentru fiecare bit sunt necesare două celule de tranziţii. Un bit de 1 este înregistrat ca o tranziţie de flux de ceas, urmată de o tranziţie de flux de date, care apar din punctul de vedere al unităţii ca două tranziţii de flux consecutive. Pentru un bit de 0, numai celula de ceas conţine o tranziţie de flux. Pentru ambele cazuri, tranziţia de flux iniţială reprezintă semnalul de ceas, iar a doua celulă de bit conţine o tranziţie numai dacă bitul înregistrat este un bit de 1. Tabelul 7.1 prezintă codificarea prin această metodă, unde:

T - indică existenţa unei tranziţii de flux; N - indică lipsa unei tranziţii de flux.

Tabelul 7.1. Codificarea FM.

Folosind această metodă, un octet de zerouri se codifică prin TNTNTNTNTNTNTNTN, iar un octet care conţine doar biţi de 1 se codifică prin TTTTTTTTTTTTTTTT. Deci, în cazul şirului de biţi de 1 frecvenţa tranziţiilor de flux este dublă comparativ cu frecvenţa tranziţiilor în cazul şirului biţilor de 0, de unde numele de modulaţie în frecvenţă. Deşi metoda FM este simplă, are dezavantajul că fiecare bit de informaţie necesită două tranziţii de flux, ceea ce duce la înjumătăţirea capacităţii potenţiale a discului. 2.2. Metoda MFM Această metodă de modulaţie în frecvenţă modificată este numită şi înregistrarea în dublă densitate

(Double Density), deoarece eficienţa ei este dublă faţă de cea a metodei FM. Utilizarea celulelor de tranziţii de ceas este minimizată, câştigându-se spaţiu pentru date. Tranziţiile de ceas sunt înregistrate numai dacă un bit de 0 este precedat de un alt bit de 0 (Tabelul 7.2). Din cauza minimizării numărului de tranziţii de ceas, frecvenţa reală a ceasului poate fi dublată faţă de metoda FM, deci într-un număr de tranziţii de flux egal cu cel utilizat de metoda FM se pot înregistra un număr dublu de biţi. Dublarea frecvenţei ceasului conduce şi la dublarea vitezei cu care sunt scrise şi citite informaţiile, chiar dacă din punct de vedere al unităţii tranziţiile de flux au aceeaşi frecvenţă ca în cazul metodei FM. Sincronizarea tranziţiilor de flux trebuie să fie însă mult mai precisă decât în cazul metodei FM, ceea ce a necesitat îmbunătăţirea circuitelor unităţii şi ale controlerului.

Tabelul 7.2. Codificarea MFM.

Metoda MFM a fost utilizată în trecut pentru discurile fixe, astăzi fiind metoda standard utilizată pentru discurile flexibile.

2.2.3. Metoda RLL Această metodă este cea mai răspândită în prezent, şi permite ca pe disc să fie înregistrate cu 50% mai multe informaţii decât prin metoda MFM şi de trei ori mai multe informaţii decât prin metoda FM. A fost utilizată pentru prima dată de firma IBM pentru discurile instalate în sistemele de tip mainframe. La sfârşitul anilor 1980, metoda a început să fie utilizată şi de producătorii discurilor pentru calculatoarele personale. Astăzi practic toate unităţile de discuri existente utilizează una din formele metodei RLL. Prin metoda RLL nu se codifică un singur bit, ci un grup de biţi în acelaşi timp. Această metodă reprezintă de fapt o familie de tehnici de codificare, deoarece există doi parametri care definesc modul de codificare, şi prin urmare există mai multe variante posibile. Numele metodei, Run Length Limited, provine de la aceşti parametri, care sunt numărul minim (run length) şi numărul maxim (run limit) de celule de tranziţii permise între două tranziţii de flux reale. Limita minimă, care indică gradul de apropiere între două tranziţii de flux consecutive, este necesară din cauza densităţii de înregistrare limitate a suportului magnetic. Limita maximă este necesară pentru păstrarea sincronizării între unitate şi controler. Varianta metodei RLL este exprimată sub forma RLL X,Y, unde X indică

lungimea (run length), iar Y indică limita (run limit). Dintre variantele posibile numai două sunt mai răspândite: RLL 2,7 şi RLL 1,7. Metodele FM şi MFM pot fi considerate ca variante ale metodei RLL. Metoda FM mai poate fi numită RLL 0,1 deoarece foloseşte cel puţin zero şi cel mult o celulă de tranziţii între două tranziţii de flux. Metoda MFM poate fi numită RLL 1,3 pentru că foloseşte cel puţin una şi cel mult trei celule de tranziţii între două tranziţii de flux. Varianta RLL 2,7 a fost la început cea mai răspândită formă a metodei RLL, deoarece densitatea informaţiei înscrise într-o zonă egală cu cea folosită de metoda MFM este mai mare de aproximativ 1,5 ori faţă de metoda MFM. Totuşi, metoda RLL 2,7 nu este suficient de fiabilă pentru unităţile de mare capacitate. Multe din unităţile de mare capacitate utilizate în prezent folosesc varianta RLL 1,7 care oferă o densitate de 1,27 ori mai mare decât metoda MFM într-o zonă de detecţie a tranziţiilor mai mare decât cea de la MFM. Faţă de varianta RLL 2,7 densitatea este mai mică, dar fiabilitatea este mult mai mare, deoarece zona în care poate fi detectată o tranziţie este mai mare. Ca exemplu, se va prezenta codificarea informaţiilor pentru varianta RLL 2,7. Pentru fiecare variantă a metodei RLL se pot construi numeroase tabele de codificare. Pentru varianta RLL 2,7 s-a ales tabela utilizată de IBM, fiind cea mai răspândită. Conform acestei tabele, grupuri specifice de 2, 3 sau 4 biţi sunt codificate în tranziţii de flux având 4, 6, respectiv 8 celule de tranziţii. Tranziţiile utilizate pentru codificarea unei secvenţe de biţi sunt alese astfel încât tranziţiile de flux să nu fie nici prea apropiate, nici prea depărtate unele faţă de altele (Tabelul 7.3).

Tabelul 7.3. Codificarea RLL 2,7.

Pentru toate cele trei metodele de codificare prezentate, distanţa minimă şi cea maximă între două tranziţii de flux consecutive este aceeaşi. Densitatea tranziţiilor de flux este deci neschimbată, deşi cantitatea informaţiilor codificate este diferită.

2.3. Descrierea simplificată a funcţionării unităţilor de discuri O unitate de discuri magnetice conţine mai multe platane (discuri) din aluminiu sau sticlă. Spre deosebire de discurile flexibile, platanele sunt deci rigide. Pe ambele feţe ale acestora este aplicat un strat de material magnetic. Acest material poate fi un oxid de fier combinat cu alte elemente. În cazul celor mai multe unităţi, platanele nu pot fi îndepărtate, de unde şi numele de discuri fixe. Cele mai multe unităţi au două sau trei platane, şi deci un număr de patru sau şase feţe care pot fi utilizate, existând însă şi unităţi cu un număr mai mare de platane. Pe aceste platane, datele sunt înregistrate pe piste concentrice, iar pistele sunt împărţite în sectoare. Un sector conţine de obicei 512 octeţi de date. Pistele având o poziţie identică de pe fiecare faţă a fiecărui disc formează un cilindru. Discurile sunt montate pe acelaşi ax, fiind rotite cu o viteză constantă, măsurată în rotaţii pe minut (RPM). Această tehnică este numită înregistrare cu viteză unghiulară constantă (CAV – Constant

Angular Velocity). În cazul tehnicii de înregistrare CAV, densitatea de înregistrare liniară pe diferitele piste este diferită, deoarece lungimea liniară a pistelor variază în funcţie de distanţa lor faţă de centrul discului. Densitatea de înregistrare este mai ridicată pe pistele interioare şi mai redusă pe pistele exterioare, dar pe fiecare pistă se înregistrează aceeaşi cantitate de informaţii. Această tehnică are dezavantajul că pistele exterioare nu sunt utilizate în mod eficient, dar are avantajul unei construcţii mai simple din cauza vitezei de rotaţie constante.

O tehnică mai eficientă este înregistrarea cu viteză liniară constantă (CLV – Constant Linear

Velocity), la care viteza de rotaţie este variabilă, fiind mai mare pentru pistele interioare şi mai mică pentru pistele exterioare, astfel încât să se asigure aceeaşi densitate de înregistrare liniară pe fiecare pistă. Această tehnică de înregistrare nu este însă adecvată pentru unităţile de discuri magnetice, deoarece zona utilizată pentru citirea sau scrierea datelor se modifică în mod frecvent. Schimbarea frecventă a vitezei ar conduce la întârzieri importante, din cauza inerţiei necesare pentru a se ajunge la viteza necesară. Tehnica de înregistrare CLV a fost utilizată la unităţile de discuri optice din primele generaţii, dar unităţile optice actuale utilizează tehnica de înregistrare CAV sau o combinaţie între tehnicile CAV şi CLV. Unităţile de discuri moderne utilizează un compromis între metodele de înregistrare CAV şi CLV. Metoda utilizată se numeşte înregistrare zonată. Citirea şi înregistrarea datelor se realizează cu ajutorul unor capete de citire şi scriere. Există de obicei câte un cap de citire/scriere pentru fiecare faţă a discurilor, iar acestea se pot deplasa radial deasupra lor. Capetele de citire/scriere sunt montate pe un suport comun, deci nu se pot deplasa independent, ci numai în bloc. Poziţia capetelor este controlată de un mecanism de acţionare. Există circuite care controlează celelalte componente şi realizează comunicaţia cu calculatorul. Partea principală a unităţii de discuri este etanşată faţă de exterior pentru a se preveni pătrunderea prafului şi a altor impurităţi. În timpul funcţionării normale, atunci când platanele se rotesc cu viteza nominală, capetele de citire/scriere nu se află în contact cu suprafaţa discurilor. Capetele sunt menţinute la o distanţă extreme de mică de suprafaţa discurilor cu ajutorul unei perne de aer. Dacă în unitatea de discuri ajung particule de praf sau unitatea este supusă la şocuri mecanice, capetele de citire/scriere pot veni în contact cu discurile, ceea ce poate conduce la deteriorarea capetelor de citire/scriere sau la pierderea unor date. Atunci când rotirea discurilor este oprită, capetele de citire/scriere se sprijină pe suprafaţa discurilor, într-o zonă care nu este utilizată pentru memorarea datelor.

2.4. Elemente constructive ale unităţilor de discuri Prima unitate de discuri magnetice a fost realizată în anul 1956 de un grup de ingineri de la firma IBM. Această unitate, denumită Random Access Method of Accounting and Control (RAMAC), avea o capacitate de 4,4 MB, fiind formată din 50 de discuri cu diametrul de 24 inci (60,9 cm) fiecare. În prezent (anul 2005), unitatea de discuri cu dimensiunile cele mai mici (produsă de firma Toshiba) conţine un singur disc cu diametrul de 0,85” (2,1 cm) şi are o capacitate de 4 GB. Densitatea de înregistrare a crescut deci în mod spectaculos, de peste 4 milioane ori. Componentele principale ale unei unităţi tipice de discuri sunt ilustrate în Figura 7.2. Aceste componente sunt descrise în secţiunile următoare.

Figura 7.2. Elementele constructive ale unei unităţi de discuri magnetice.

2.4.1. Platanele Unităţile de discuri conţin un număr de platane sau discuri. Ele sunt formate dintr-un substrat care le asigură rigiditatea, pe care se aplică un strat de material magnetic. Platanele sunt asamblate pe un ax central comun. Diametrul platanelor dintr-o unitate de discuri defineşte dimensiunea fizică a unităţii. Dimensiunea cea mai răspândită pentru unităţile din calculatoarele de birou este de 3,5” Pentru calculatoarele portabile se utilizează unităţi cu un diametru al platanelor de 2,5”, 1,8” sau chiar 1”. Unităţile obişnuite de discuri au două, trei sau patru platane. Anumite unităţi mai vechi şi unele unităţi noi cu performanţe ridicate pot avea un număr mai mare, de 12-14 platane. Costul pe GB scade în cazul unei unităţi cu mai multe platane. Din punct de vedere al proiectării există mai mulţi factori care dictează numărul de platane utilizate într-o unitate de discuri. Utilizarea mai multor platane conduce la creşterea înălţimii unităţii. În plus, pentru un număr mai mare de platane este mai dificilă menţinerea alinierii acestora, fiind necesar şi un motor de putere mai mare. Substratul este materialul din care este format platanul. Cel mai utilizat material pentru realizarea platanelor a fost în mod tradiţional un aliaj de aluminiu. Pe măsura avansului tehnologic, distanţa dintre capetele de citire/scriere şi platane scade, iar viteza de rotire a platanelor creşte, ceea ce impune noi cerinţe pentru materialul utilizat. Din acest motiv producătorii au început să utilizeze alte materiale, ca sticla, compuşii de ceramică şi sticlă, sau aliajele de magneziu. Platanele de sticlă oferă o mai mare rigiditate şi astfel pot fi realizate cu o grosime mai redusă decât cele de aluminiu. De asemenea, platanele de sticlă sunt mai stabile din punct de vedere termic, având coeficienţi de dilataţie şi contracţie mai reduşi. Pentru reducerea fragilităţii, multe unităţi de discuri utilizează platane de sticlă cu implanturi ceramice. 2.4.2. Stratul magnetic Platanele sunt acoperite cu un strat subţire de material magnetic. Există două tipuri de materiale magnetice: materiale pe bază de oxizi şi materiale cu film subţire. Materialele pe bază de oxizi sunt formate din diferiţi compuşi conţinând oxid de fier ca substanţă activă. Stratul de oxid are o grosime de câţiva microni. Aceste materiale nu sunt adecvate pentru discuri cu densităţi de înregistrare ridicate, pentru care stratul magnetic trebuie să fie mai subţire şi trebuie să aibă o suprafaţă mai regulată. Materialele cu film subţire permit capetelor de citire/scriere să aibă înălţimi de plutire mai reduse, ceea ce face posibilă creşterea densităţii de înregistrare. Pentru depunerea materialului pe suprafaţa platanelor se utilizează tehnici speciale, de exemplu, depunerea în vid. Prin utilizarea acestei tehnici, se obţine un strat magnetic cu o grosime de 0,04-0,08 µm. Înălţimea de plutire a capetelor de citire/scriere poate fi de 0,1 µm. Pentru protecţia capetelor şi a suprafeţei discurilor împotriva contactului ocazional dintre acestea, stratul magnetic este acoperit cu alte straturi subţiri care să asigure atât o duritate ridicată, cât şi o lubrifiere. Unul din materialele cele mai utilizate pentru asigurarea durităţii este carbonul amorf. Grosimea filmului de carbon este în jur de 0,03 µm. Stratul de lubrifiere este un film organic de fluorocarbon. Pentru a se compensa evaporarea filmului şi a se asigura păstrarea acestuia pe suprafaţa discurilor, există un rezervor prin care se menţine o presiune de echilibru a vaporilor. Astfel filmul va rămâne intact, evaporarea fiind compensată prin redepunere. 2.4.3. Capetele de citire/scriere În principiu, capetele de citire/scriere sunt electromagneţi care efectuează conversia semnalelor electrice în câmpuri magnetice şi invers. Din cauza densităţii ridicate de înregistrare, este important să nu existe interferenţe între câmpurile magnetice alăturate. De aceea, câmpurile magnetice înregistrate au o intensitate redusă. Pentru creşterea densităţii de înregistrare intensitatea acestor câmpuri trebuie redusă şi mai mult, motiv pentru care capetele de citire/scriere trebuie să fie mai sensibile. Se utilizează circuite speciale de amplificare pentru conversia impulsurilor electrice slabe generate de capetele de citire/scriere în semnalele care reprezintă datele citite de pe disc. Se utilizează de asemenea circuite pentru detecţia şi corecţia erorilor pentru a compensa creşterea probabilităţii de apariţie a erorilor pe măsura creşterii densităţii de înregistrare. O unitate de discuri are de obicei câte un cap de citire/scriere pentru fiecare faţă a platanelor. Fiecare cap este montat pe un braţ, existând un singur mecanism de deplasare pentru toate capetele. Fiecare cap de citire/scriere este menţinut la o distanţă redusă de suprafaţa platanului corespunzător cu ajutorul unui arc. Astfel, poziţia capului este independentă de orientarea platanului.

Deoarece suprafaţa alocată unui bit este foarte redusă, capul trebuie menţinut la o distanţă suficient de redusă de suprafaţă pentru a putea detecta câmpurile magnetice slabe. Dacă în cazul discurilor flexibile viteza de rotaţie este redusă, viteză la care capul poate fi în contact direct cu suprafaţa platanului, discurile fixe se rotesc cu viteze cuprinse între 5.400 şi 15.000 RPM. La o asemenea viteză, capul nu poate fi în contact cu suprafaţa, dar în acelaşi timp nu se poate îndepărta de aceasta la o distanţă mai mare de o fracţiune de micron. O asemenea distanţă este mai mică decât lungimea de undă a luminii vizibile. Atunci când discul se roteşte cu viteza nominală, se creează o pernă de aer între capul de citire/scriere şi disc, ca urmare a efectului planar. Deci, capul “pluteşte” deasupra discului, la o distanţă numită înălţime de plutire, care este determinată de viteza de rotaţie, forma capului şi tensiunea arcului. Chiar dacă suprafaţa nu este perfect plată, capul va urmări neregularităţile. Înălţimea de plutire tipică este cuprinsă între 0,1 şi 0,2 µm, existând tendinţa reducerii acesteia pe măsura creşterii densităţii de înregistrare. Pachetele de discuri trebuie să fie asamblate în condiţii de curăţenie extremă, condiţii care trebuie menţinute şi în timpul funcţionării. Unitatea de discuri nu este perfect etanşă, fiind permisă pătrunderea aerului prin intermediul unor filtre. Totuşi, datorită imperfecţiunilor de filtrare, în interiorul unităţii pot pătrunde particule de fum sau de praf. Una din cauzele cele mai obişnuite de distrugere a discurilor este deteriorarea suprafeţei acestora de către impurităţile colectate de capetele de citire/scriere. O altă cauză poate fi reprezentată de şocurile aplicate unităţii în timpul funcţionării. Dacă deteriorarea se produce în zona directorului, recuperarea datelor poate fi imposibilă. De aceea, arhivarea datelor este importantă pentru a se preveni situaţiile în care discul devine complet inutilizabil. 2.4.4. Mecanisme de poziţionare a capetelor Capetele de citire/scriere sunt montate pe câte un braţ care permite poziţionarea lor pe pista dorită. Braţele sunt piese metalice triunghiulare, toate braţele fiind controlate printr-un singur ax, astfel încât în fiecare moment toate se află în dreptul aceluiaşi cilindru, deasupra platanelor respective. Ca urmare, toate capetele de citire/scriere vor fi deplasate în mod sincronizat, neexistând posibilitatea poziţionării individuale a capetelor. Mecanismul de poziţionare este o parte foarte importantă a unităţii de discuri, deoarece trecerea de la o pistă la alta este singura operaţie care implică o deplasare fizică: selecţia capului se realizează printr-o funcţie electronică, iar poziţionarea pe un anumit sector implică o aşteptare până când sectorul respectiv ajunge în dreptul capului. Este de o importanţă deosebită ca poziţionarea pe o pistă să se realizeze rapid şi cu precizie. Există două variante principale ale mecanismelor de poziţionare: mecanisme cu motor pas cu pas şi mecanisme cu magnet permanent şi bobină. Utilizarea unei anumite variante are efecte semnificative asupra performanţelor unităţii. Spre deosebire de un motor obişnuit, care se roteşte continuu şi se poate opri în orice poziţie, un motor pas cu pas se poate opri numai în anumite poziţii predefinite, corespunzătoare unui anumit număr de paşi. În cazul unităţilor care utilizează un asemenea mecanism de poziţionare, braţele sunt fixate de motor, şi de fiecare dată când motorul se roteşte cu un pas într-un sens sau în celălalt, braţele se deplasează radial deasupra discurilor cu o poziţie spre interior sau spre exterior. Fiecare poziţie defineşte o pistă. Un asemenea sistem de poziţionare poate fi implementat în mod simplu, dar este afectat de mai multe probleme. Cea mai mare problemă o reprezintă sensibilitatea la temperatură. Atunci când platanele unităţii de discuri se încălzesc sau se răcesc, ele se dilată sau se contractă. Aceasta înseamnă că poziţia pistelor se modifică faţă de o poziţie predefinită. Motorul pas cu pas nu permite deplasarea cu incremente mai mici decât pasul corespunzător unei piste întregi pentru a corecta această problemă. De asemenea, nu există un mecanism cu reacţie pentru a se putea determina dacă poziţia capului este cu precizie deasupra pistei dorite. Motoarele pas cu pas nu se utilizează în sistemele de poziţionare ale unităţilor de discuri fixe. Sistemele cu motor pas cu pas se utilizează la unităţile de discuri flexibile, deoarece pentru aceste discuri cerinţele de precizie sunt mult mai reduse. Mecanismele cu magnet permanent şi bobină sunt cele care se utilizează la discurile actuale. Un asemenea mecanism utilizează un semnal de reacţie pentru a determina cu precizie poziţia capetelor şi a corecta această poziţie. Acest sistem permite creşterea semnificativă a performanţelor, preciziei şi fiabilităţii faţă de sistemul cu motor pas cu pas.

Construcţia unui mecanism cu magnet permanent şi bobină (“voice coil”) este similară cu cea a unui difuzor audio obişnuit. Un difuzor audio utilizează un magnet permanent înconjurat de o bobină conectată la membrana difuzorului. Trecerea unui curent electric prin bobină determină deplasarea bobinei relativ la magnetul permanent, ceea ce produce un sunet prin intermediul membranei. În cazul unităţilor de discuri care utilizează acest sistem, bobina este conectată la ansamblul de capete şi este plasată în apropierea unui magnet permanent (Figura 7.4). Trecerea curentului electric prin bobină determină apariţia unui câmp electromagnetic, şi prin urmare bobina va fi atrasă sau respinsă de magnet, deplasând ansamblul de capete. Sistemul este rapid şi eficient, şi de obicei este mult mai silenţios decât sistemele care utilizează un motor pas cu pas.

Figura 7.4. Mecanism de poziţionare cu magnet permanent şi bobină, parţial dezasamblat

Pentru determinarea poziţiei capetelor faţă de cilindrii discurilor şi pentru deplasarea precisă a capetelor în poziţia dorită, sistemele cu magnet permanent şi bobină utilizează un mecanism de poziţionare cu buclă închisă, numit servomecanism. Semnalul de index (sau servo) este transmis la circuitele electronice de poziţionare într-un sistem cu buclă închisă, numită şi buclă cu reacţie inversă, deoarece reacţia de la informaţia servo este utilizată pentru ajustarea poziţiei curente a capetelor şi poziţionarea corectă a acestora. Mecanismele cu magnet permanent şi bobină cu control servo nu sunt afectate de schimbările de temperatură, deoarece ele nu poziţionează capetele pe piste predefinite, ca în cazul motoarelor pas cu pas. Aceste mecanisme caută pista cerută, ghidate de informaţia servo preînregistrată, şi pot poziţiona capetele cu precizie deasupra pistei dorite. 2.4.5. Motorul de antrenare Acest motor antrenează platanele unităţii de discuri, fiind conectat cu axul în jurul căruia se rotesc platanele. Conectarea motorului cu axul este directă, nefiind utilizate curele de transmisie sau roţi dinţate. Motorul nu trebuie să genereze zgomote şi vibraţii, care ar putea afecta operaţiile de citire şi scriere. Viteza de rotaţie a motorului trebuie controlată cu precizie. Pentru urmărirea şi controlul vitezei motorul dispune de un circuit de control cu o buclă de reacţie inversă. Majoritatea unităţilor de discuri au o viteză de rotaţie de 5.400 sau 7.200 RPM, iar cele mai performante pot avea o viteză de 15.000 RPM. Creşterea vitezei de rotaţie creează noi probleme de proiectare, în special păstrarea sub control a vibraţiilor şi a temperaturii. La unele unităţi performante există probleme legate de vibraţii, zgomote şi căldura disipată, care necesită o montare şi răcire specială pentru funcţionarea corectă. O mare parte din puterea consumată de o unitate de discuri este necesară pentru motorul de antrenare. Deşi unităţile mai noi necesită o putere relativ redusă pentru rotirea continuă a platanelor, la pornirea unităţii motorul absoarbe un vârf de putere, care este de peste două ori mai mare decât cea necesară funcţionării continue. Aceasta poate constitui o problemă atunci când există mai multe unităţi de discuri conectate la sistem, unităţi care sunt pornite simultan.

Unele unităţi de discuri sunt proiectate astfel încât atunci când există două unităţi conectate la aceeaşi interfaţă, unitatea slave îşi întârzie pornirea cu câteva secunde pentru a nu suprasolicita sursa de alimentare. În mod similar, multe unităţi SCSI pot fi configurate pentru o pornire întârziată. În scopul reducerii puterii consumate de sistemele de calcul, în special în perioadele de inactivitate, există un set de protocoale pentru gestiunea puterii de alimentare. Aceste protocoale includ posibilitatea ca motorul de antrenare al unităţii de discuri să fie oprit după o anumită perioadă de inactivitate, urmând ca unitatea să fie reactivată atunci când este necesar. Oprirea motorului în scopul reducerii puterii consumate este importantă mai ales la calculatoarele portabile alimentate de la baterie. 2.4.6. Placa logică Unităţile de discuri dispun de o placă logică integrată în unitate. La primele unităţi de discuri, practic toată logica de control era inclusă în cadrul controlerului de disc aflat pe placa de bază. Aceasta făcea dificilă adaptarea controlerului la particularităţile diferitelor unităţi de discuri. Pe măsura apariţiei unor noi unităţi şi a miniaturizării circuitelor electronice, funcţiile de control au fost mutate treptat în cadrul unităţilor. Cea mai utilizată interfaţă pentru unităţile de discuri ale calculatoarelor PC este interfaţa ATA (AT

Attachment), care a fost numită iniţial IDE (Integrated Drive Electronics). La apariţia interfeţei IDE, aceasta se distingea de alte interfeţe prin faptul că circuitele electronice de control ale unităţii de discuri erau incluse în unitatea însăşi, şi nu în cadrul controlerului. Deoarece la toate unităţile actuale circuitele de control sunt incluse în unitate, numele acestei interfeţe şi-a pierdut semnificaţia iniţială. O altă interfaţă care se utilizează la unităţile de discuri este interfaţa SCSI (Small Computer System

Interface). Unităţile de discuri care utilizează această interfaţă au de asemenea circuitele de control incluse în unitate. Placa logică a unei unităţi de discuri conţine în principal un microprocesor şi o memorie internă. Acest microprocesor execută următoarele funcţii principale: • Controlul motorului de antrenare, inclusiv asigurarea unei viteze corecte de rotaţie; • Controlul mecanismului de poziţionare; • Sincronizarea operaţiilor de citire şi scriere; • Implementarea facilităţilor de gestiune a puterii de alimentare; • Coordonarea altor funcţii ale unităţii, ca transferul datelor prin interfaţa unităţii, gestiunea memoriei cache interne etc. Deoarece semnalele citite de pe discurile unităţilor actuale sunt foarte slabe, sunt necesare circuite speciale pentru detectarea acestor semnale, amplificarea şi interpretarea lor. Pe măsura creşterii densităţii de înregistrare, intensitatea acestor semnale scade, fiind necesare circuite de complexitate mărită. Metoda de detecţie PRML (Partial Response, Maximum Likelihood) implică utilizarea tehnicilor complexe de prelucrare digitală a semnalelor, pentru a permite detectarea unor semnale de intensitate şi mai redusă. Unităţile moderne conţin un buffer sau o memorie cache internă. Rolul acestei memorii este similar cu cel al altor memorii cache utilizate de sistem: de a constitui un buffer între un dispozitiv relativ rapid (interfaţa cu sistemul) şi unul relativ lent (ansamblul mecanic din interiorul unităţii). Memoria cache este utilizată pentru păstrarea informaţiilor citite recent de pe disc, ca şi pentru citirea în avans a informaţiilor care pot fi solicitate în viitorul apropiat, de exemplu, sectorul sau sectoarele imediat următoare celor solicitate recent. Utilizarea memoriei cache creşte în mod semnificativ performanţele unităţilor de discuri, prin reducerea numărului de accesuri fizice la disc şi prin asigurarea unui flux de date neîntrerupt de la disc. Unităţile de discuri obişnuite conţin o memorie cache cu dimensiunea între 2 MB şi 4 MB, dar unele unităţi SCSI performante pot avea o memorie cache de 16 MB. Pe lângă circuitele de control ale unităţii, aflate pe placa logică a acesteia, există un controller de interfaţă care este integrat pe placa de bază. În timp ce controlerele mai vechi gestionau operaţiile interne ale unităţii de discuri, controlerele actuale asigură doar interfaţa dintre unitate şi restul sistemului. Placa logică a unităţilor de discuri conţin şi circuitele de interfaţă care gestionează fluxul informaţiilor dintre unitate şi controlerul de interfaţă.

Figura 7.5. Placa logică a unei unităţi de discuri Hitachi Deskstar.

2.9. Interfaţa ATA 2.9.1. Prezentare generală ATA (AT Attachment) este interfaţa cea mai utilizată pentru conectarea unităţilor de discuri magnetice la calculatoarele personale. Denumirea “AT Attachment” provine de la faptul că interfaţa a fost proiectată iniţial pentru conectarea unei unităţi de discuri direct la magistrala calculatorului IBM PC/AT (Advanced Technology), magistrală numită ISA (Industry Standard Architecture) sau AT. ATA este o interfaţă paralelă de 16 biţi. O variantă serială a acestei interfeţe, denumită Serial ATA

(SATA) a fost introdusă în anul 2000, această interfaţă fiind utilizată în sistemele de calcul începând din anul 2002. În această lucrare de laborator, ne referim la varianta paralelă a interfeţei ATA, varianta serială SATA fiind introdusă în Lucrarea de laborator Nr. 8. Interfaţa ATA este numită şi IDE, de la numele primelor unităţi de discuri pentru care a fost utilizată interfaţa. Denumirea IDE (Integrated Drive Electronics) se referă la unităţile de discuri care au un controler integrat în unitate. Ansamblul format din unitate şi controler este conectat la unul din conectorii de pe placa de bază a calculatorului. La primele interfeţe de discuri pentru calculatoarele personale, circuitul endec, care decodifică tranziţiile de flux detectate pe disc şi le converteşte în informaţii digitale, era situat în controlerul de disc de pe placa de bază. Din acest motiv, exista posibilitatea ca semnalul analogic conţinând informaţiile citite de pe disc să fie deformat înainte de a ajunge la controler. Această problemă s-a pus mai ales după ce controlerele au început să utilizeze metoda de codificare RLL. Această codificare este mult mai sensibilă la zgomotul din semnalul rezultat în urma citirii, iar straturile de suport magnetic convenţionale nu ofereau un raport semnal/zgomot suficient de mare pentru o utilizare fiabilă a metodei RLL. Pentru a rezolva problemele de fiabilitate în cazul utilizării metodei RLL, soluţia consta în amplasarea circuitului endec direct în unitate, şi nu în controler. Prin aceasta se reduce sensibilitatea la zgomote, deoarece nu există cabluri de legătură între circuitul endec şi unitate, astfel încât posibilitatea erorilor de sincronizare este mult redusă sau eliminată. Toate unităţile de discuri actuale au circuitul endec şi controlerul de disc inclus în unitate. Prin combinarea unităţii de discuri şi a controlerului rezultă mai multe avantaje:

• Se simplifică instalarea unităţii de discuri, deoarece nu mai există cabluri separate de alimentare sau cabluri pentru semnalele dintre controler şi unitate. • Prin plasarea controlerului în unitatea de discuri se reduce numărul de componente şi creşte imunitatea la zgomote, crescând siguranţa în funcţionare. • Este posibilă creşterea frecvenţei ceasului circuitelor de codificare şi creşterea densităţii de înregistrare a unităţii. • Nu mai este necesară respectarea de către proiectanţii de controlere şi unităţi de discuri a unor standarde de interfaţă, deoarece la o anumită unitate nu va mai fi conectat un alt controler. Conectorul ATA de pe placa de bază a calculatoarelor IBM PC/AT la care s-au conectat primele unităţi de discuri cu controlerul inclus în unitate conţinea un subset de 40 de pini din cei 98 de pini utilizaţi la un conector de extensie standard al magistralei ISA de 16 biţi. Acelaşi subset este utilizat şi de conectorul interfeţelor ATA actuale ale unităţilor de discuri obişnuite, cu excepţia unităţilor de 2,5”, care utilizează un conector cu 50 de pini. Chiar dacă interfaţa ATA este integrată în setul de circuite de pe placa de bază şi funcţionează la o frecvenţă mai ridicată a magistralei, semnalele utilizate şi asignarea lor la pinii conectorului sunt aceleaşi ca şi la interfaţa originală provenită din magistrala ISA. Observaţie • Magistrala PCI utilizată la calculatoarele actuale permite o conexiune pe 32 de biţi (sau 64 de biţi) între magistrală şi circuitul de interfaţă ATA de pe placa de bază. Interfaţa ATA paralelă permite însă o conexiune pe doar 16 biţi între circuitul de interfaţă şi unitatea (sau unităţile) de discuri. Primele unităţi de discuri care utilizau interfaţa ATA au fost produse în anul 1986 de firmele Control

Data Corporation (CDC), Western Digital (WD) şi Compaq, care au stabilit şi asignarea semnalelor la pinii conectorului pentru interfaţa ATA. Pentru eliminarea incompatibilităţilor şi a problemelor legate de interfaţarea unităţilor ATA cu sistemele bazate pe magistrala ISA sau EISA (Extended ISA), în anul 1988 a fost înfiinţată comisia CAM (Common Access Method) a organizaţiei ANSI. Această comisie a elaborat specificaţiile primei versiuni a standardului interfeţei CAM ATA, o versiune de lucru a acestor specificaţii fiind publicată în anul 1989. În prezent, specificaţiile interfeţei paralele ATA sunt elaborate şi actualizate de un grup independent care reprezintă principalii producători de calculatoare şi unităţi de discuri. Acest grup este comitetul tehnic T13, care este o parte a comitetului internaţional de standarde în tehnologia informaţiei INCITS

(InterNational Committee on Information Technology Standards). Standardele elaborate de acest comitet sunt aprobate şi publicate de institutul american de standarde ANSI (American National

Standards Institute). Acelaşi comitet se ocupă şi de actualizarea standardului pentru interfaţa ATAPI (AT Attachment Packet Interface), care permite conectarea unităţilor de discuri optice prin aceeaşi interfaţă fizică ca şi interfaţa ATA, utilizând însă un protocol logic diferit. Începând cu versiunea a 4-a a standardului ATA, specificaţiile interfeţei ATAPI sunt incluse în standardul ATA. Versiunea curentă a standardului ATA este ATA/ATAPI-7, care a fost publicată în anul 2005, fiind în pregătire versiunea viitoare, ATA/ATAPI-8. Toate documentele de lucru ale comitetului T13, inclusive versiunile de lucru ale standardelor ATA (cele dinaintea publicării lor) sunt disponibile pe paginile Web ale acestui comitet (www.t13.org). Pentru elaborarea specificaţiilor standardului SATA, a fost format un grup de lucru separat, denumit Serial ATA Workgroup (www.serialata.org). Standardul ATA permite conectarea în serie a două unităţi de discuri la un conector al interfeţei aflat pe placa de bază, printr-un cablu cu trei conectori: unul pentru conectarea la placa de bază şi celelalte două pentru conectarea la unităţile de discuri. Dintre cele două unităţi, una este unitatea primară (master), iar a doua este unitatea secundară (slave). Fiecare unitate de discuri are propriul controler integrat în unitate, dar cele două unităţi utilizează aceeaşi magistrală. Pentru funcţionarea corectă, trebuie ca, la un moment dat, un singur controler din cele două să răspundă la o comandă. De obicei, aceasta se asigură prin poziţionarea corespunzătoare a unor jumpere sau comutatoare pe cele două unităţi. Calculatoarele IBM PC actuale conţin două interfeţe ATA în cadrul setului de circuite, care permit conectarea unui număr total de maxim 4 unităţi de discuri. Dintre aceste unităţi, o parte pot fi unităţi de discuri optice. Specificaţiile ATA definesc conectorii şi cablurile interfeţei, semnalele interfeţei, rolul acestor semnale, modul de configurare al unităţilor şi comenzile care pot fi transmise acestora.

2.9.2. Conectori şi cabluri Există mai multe tipuri de conectori care se pot utiliza pentru interfaţa ATA. Cel mai utilizat conector este cel cu 40 de pini (Figura 7.17). De obicei, conectorul este prevăzut cu o cheie care elimină posibilitatea inserării greşite a acestuia. Pentru realizarea cheii, se elimină pinul 20 din conectorul tată al unităţii de discuri şi se blochează poziţia 20 din conectorul mamă al cablului. În plus, de multe ori conectorul perifericului este prevăzut cu o crestătură care se potriveşte cu o protuberanţă aflată pe conectorul cablului. Nu toţi conectorii ATA sunt prevăzuţi însă cu o cheie. Inserarea conectorului unui cablu ATA în poziţia inversă nu va conduce la defecte permanente, dar poate avea ca efect blocarea sistemului.

Figura 7.17. Conectorul ATA cu 40 de pini.

Un alt conector este cel cu 44 de pini, utilizat pentru unităţile de discuri de 2,5” ale calculatoarelor portabile. Acest conector conţine în plus pini pentru tensiunea de alimentare a plăcii logice din unitate şi pentru tensiunea de alimentare a motorului de antrenare. Conectorul cel mai utilizat pentru unităţile de discuri ale calculatoarelor portabile este însă cel cu 50 de pini, cu o spaţiere mai redusă între pini faţă de conectorii cu 40 şi 44 de pini. Partea principală a acestui conector conţine aceiaşi 40 de pini ca şi conectorul ATA standard, existând în plus pini pentru alimentare şi pentru poziţionarea jumperelor unităţii. Cablul corespunzător este prevăzut cu un conector cu 44 de contacte. Figura 7.18 ilustrează conectorul ATA cu 50 de pini. Pinii din poziţiile A..D sunt prevăzuţi pentru instalarea jumperelor unităţii, iar pinii din poziţiile E şi F sunt eliminaţi. De obicei, se plasează un jumper între poziţiile A şi B pentru ca selecţia tipului unităţii (master sau slave) să se realizeze prin cablu (selecţia tipului de unitate prin semnalul CSEL al cablului este descrisă în secţiunea 2.9.3).

Figura 7.18. Conectorul ATA cu 50 de pini. Pentru conectarea unităţilor de discuri la controlerul interfeţei ATA de pe placa de bază se utilizează un cablu panglică cu 40 de fire, prevăzut cu trei conectori de acelaşi tip, dar de culori diferite. Conectorul de la un capăt al cablului este de culoare albastră, conectorul de la celălalt capăt este de culoare neagră, iar cel din mijloc este de culoare gri. Cablul este marcat cu un fir de culoare roşie sau albastră pe latura corespunzătoare pinului 1 al conectorilor. Pentru a asigura integritatea semnalelor şi a evita problemele legate de zgomote, lungimea cablului trebuie să fie de cel mult 0,45 m. În caz contrar, poate apare alterarea datelor. Cablul cu 40 de fire poate fi utilizat pentru frecvenţe ale magistralei ATA de până la 33 MHz inclusiv, corespunzătoare modului Ultra DMA/33 (cu rata maximă de transfer de 33,3 MB/s). Pentru modurile de transfer începând cu Ultra DMA/66, este necesar să se utilizeze un cablu cu 80 de fire. Semnalele acestui cablu sunt aceleaşi ca şi cele ale cablului cu 40 de fire, dar între două semnale adiacente există un semnal de masă cu rolul de a ecrana cele două semnale active între ele. Toate firele de masă sunt legate împreună într-un conector al cablului. Conectorii acestui cablu sunt aceiaşi ca şi cei ai cablului cu 40 de fire.

Observaţie • Interfaţa ATA permite detectarea prezenţei unui cablu cu 80 de fire. În cazul în care un asemenea cablu nu este prezent, vor fi utilizate transferuri cu frecvenţa de 33 MHz, indifferent de posibilităţile unităţilor de discuri instalate.

Deoarece toţi cei trei conectori ai unui cablu ATA sunt identici, teoretic unităţile de discuri se pot conecta la oricare dintre aceştia. Se recomandă însă ca pentru conectarea la controlerul de pe placa de bază să se utilizeze conectorul de culoare albastră de la un capăt al cablului (conector care se află la distanţă mai mare faţă de restul conectorilor). Dacă există o singură unitate de discuri, se recomandă conectarea acestuia la un capăt al cablului, la conectorul de culoare neagră (conectorul din mijloc va rămâne liber). În acest fel se asigură terminarea corectă a magistralei. În cazul în care rămâne liber un conector dintr-un capăt, pot apare reflexii ale semnalelor din cauza capătului care nu este prevăzut cu terminatori. Semnalele reflectate se combină cu cele originale şi pot conduce la rezultate imprevizibile. 2.9.3. Semnalele interfeţei ATA Interfaţa ATA se bazează pe arhitectura magistralei ISA, dar nu utilizează toate semnalele acestei magistrale. De exemplu, nu sunt necesare semnalele pentru adresarea memoriei, deoarece registrele interfeţei ATA nu sunt mapate în spaţiul de adrese al memoriei. Aceste registre sunt mapate în spaţiul de I/E, fiind utilizate doar acele semnale care sunt necesare pentru adresarea registrelor ATA. În Tabelul 7.4 se prezintă semnalele interfeţei ATA şi asignarea acestor semnale la pinii conectorului.

Tabelul 7.4. Asignarea semnalelor la pinii conectorului interfeţei ATA.

Observaţii • * Pinul 32 a fost definit în standardul ATA-2 pentru semnalul –IOCS16 (care indica transferuri de 8 sau 16 biţi), dar nu mai este utilizat în prezent. • ** Pinii 41..44 sunt utilizaţi numai la conectorii cu 44 de pini. Semnalul –RESET permite resetarea hardware a unităţii de discuri. Un număr de opt conexiuni ale interfeţei ATA sunt utilizate ca semnale de masă pentru a asigura o anumită separare între semnalele interfeţei. Semnalele DD0..DD15 (Device Data) reprezintă magistrala de date a interfeţei. Interfaţa ATA utilizează două registre de 16 biţi pentru citirea şi scrierea datelor. Comenzile către unităţile de discuri şi informaţiile de stare de la aceste unităţi sunt transferate utilizând un număr de 17 registre de control şi de stare, de câte 8 biţi. Pentru selecţia acestor registre se utilizează un număr de

şapte semnale ale interfeţei. Semnalele –CS0 şi –CS1 (Chip Select) sunt utilizate ca semnale de selecţie ale registrelor. Pentru selecţia registrelor se mai utilizează semnalele de adresă DA2, DA1 şi DA0 (Device Address). Atunci când este activ semnalul –DIOR (Device I/O Read), sunt accesibile registrele care conţin informaţii de stare de la unitatea de discuri. Frontul descrescător al acestui semnal indică prezenţa unor date valide citite de la unitatea de discuri. Atunci când este activ semnalul -DIOW (Device I/O Write), sunt accesibile registrele care acceptă comenzi de la calculator. Frontul descrescător al acestui semnal indică prezenţa unor date valide de la calculator. Pe lângă transferurile programate, interfaţa ATA permite şi transferuri prin acces direct la memorie (DMA). Pentru execuţia acestor transferuri, se utilizează două semnale de control. Atunci când unitatea de discuri este pregătită pentru a transfera date la calculator sau pentru a recepţiona date de la calculator, activează semnalul DMARQ (DMA Request). Direcţia transferului este indicată prin activarea semnalului –DIOR (pentru citire de pe disc) sau –DIOW (pentru scriere pe disc). Ca răspuns la activarea semnalului DMARQ, calculatorul semnalează faptul că este pregătit pentru transferul datelor prin activarea semnalului –DMACK (DMA Acknowledge). În timpul unui transfer DMA, calculatorul poate dezactiva semnalul –DMACK pentru a indica faptul că nu mai poate primi date. Unitatea de discuri poate solicita o întrerupere de la calculator prin activarea semnalului INTRQ

(Interrupt Request). La transferurile programate, unitatea solicită o întrerupere la începutul fiecărui bloc de date (de exemplu, un sector) care trebuie transferat. La transferurile prin DMA, cererea de întrerupere este utilizată doar pentru a indica terminarea transferului. Atunci când unitatea de discuri nu este pregătită să răspundă la o cerere de transfer (de citire sau scriere), poate dezactiva semnalul IORDY (I/O Channel Ready). În mod normal, acest semnal este activat. Prin dezactivarea semnalului, unitatea poate extinde durata oricărui ciclu de transfer. Semnalul DASP (Device Active / Slave Present) de pe pinul 39 are mai multe semnificaţii diferite, fiind multiplexat în timp. Pe durata secvenţei de punere sub tensiune, acest semnal indică prezenţa unei unităţi sau a două unităţi conectate la interfaţă. După punerea sub tensiune, unitatea slave are un timp de 400 ms pentru activarea semnalului DASP, indicând prezenţa sa. La rândul ei, unitatea master

aşteaptă un timp de 450 ms de la punerea sub tensiune pentru a-şi semnala prezenţa. După terminarea secvenţei, fiecare unitate utilizează acest semnal pentru a indica faptul că este activă (de exemplu, pentru a aprinde indicatorul luminos de pe panoul frontal al calculatorului care indică activitatea unităţilor de discuri). Semnalul CSEL/SPSYNC (Cable Select / Spindle Synchronization) de pe pinul 28 este un semnal cu semnificaţie dublă, dar într-un sistem dat unităţile nu pot utiliza decât una din cele două funcţii. Funcţia CSEL este cea mai folosită, fiind prevăzută pentru desemnarea unei unităţi ca master sau ca slave, fără a mai fi necesară configurarea jumperelor în unităţi. Dacă pentru o unitate semnalul CSEL

este conectat la masă, unitatea se consideră master. Dacă semnalul CSEL este neconectat, unitatea se consideră slave. Pentru conectarea la masă a semnalului CSEL în vederea utilizării acestuia în cele două unităţi, se poate utiliza un cablu special în formă de Y. Funcţia SPSYNC este prevăzută pentru a permite rotirea sincronizată a două unităţi conectate la aceeaşi interfaţă (care poate fi o cerinţă la unele tehnologii de conectare a discurilor într-o matrice). În acest caz, unitatea master generează un impuls periodic (de obicei, o dată la fiecare rotaţie a discului), iar unitatea slave utilizează acest impuls pentru a-şi sincroniza rotirea cu unitatea master. Semnalul –PDIAG (Passed Diagnostics) de pe pinul 34 este utilizat de unitatea slave pentru a indica faptul că a terminat de executat procedura de diagnosticare (test). Activarea semnalului nu înseamnă trecerea cu succes a testului, ci indică faptul că rezultatele testului sunt pregătite pentru a fi transferate calculatorului. Comanda de diagnosticare şi rezultatele acestei operaţii sunt transferate prin intermediul registrelor interfeţei. Semnalul de pe pinul 34 mai are o a doua semnificaţie, -CBLID

(Cable Assembly Type Identifier). Acest semnal poate fi testat de calculator după punerea sub tensiune sau după o resetare hardware pentru a detecta prezenţa unui cablu cu 80 de fire, necesar pentru execuţia transferurilor în modurile Ultra DMA care asigură rate de transfer superioare. În modurile Ultra DMA, semnificaţia unor semnale ale interfeţei ATA este modificată. Astfel, semnalul –DIOR mai are două semnificaţii în aceste moduri: –HDMARDY (Host Ultra DMA Ready) şi HSTROBE (Host Ultra DMA Data Strobe). Semnalul –HDMARDY este utilizat pentru controlul fluxului de date la transferurile explozive de citire. Acest semnal este activat de calculator pentru a indica faptul că este pregătit pentru recepţia datelor de la unitatea de discuri. Calculatorul poate suspenda transferul exploziv de citire prin dezactivarea semnalului –HDMARDY. Semnalul

HSTROBE reprezintă semnalul de strob generat de calculator în timpul transferurilor explozive de scriere. La ambele fronturi ale acestui semnal, unitatea de discuri memorează datele de pe magistrala de date. Calculatorul poate suspenda transferul exploziv de scriere dacă nu generează fronturi ale semnalului HSTROBE. Semnificaţia semnalului –DIOW în modurile Ultra DMA este STOP (Stop Ultra DMA Burst). Activarea acestui semnal în timpul unui transfer exploziv indică oprirea transferului. Semnalul IORDY are două semnificaţii suplimentare în modurile Ultra DMA: –DDMARDY (Device

Ultra DMA Ready) şi DSTROBE (Device Ultra DMA Data Strobe). Semnalul –DDMARDY este utilizat pentru controlul fluxului de date la transferurile explozive de scriere. Acest semnal este activat de unitatea de discuri pentru a indica faptul că este pregătit pentru recepţia datelor de la calculator. Unitatea de discuri poate suspenda transferul exploziv de scriere prin dezactivarea semnalului –DDMARDY. Semnalul DSTROBE reprezintă semnalul de strob generat de unitatea de discuri în timpul transferurilor explozive de citire. La ambele fronturi ale acestui semnal, calculatorul memorează datele de pe magistrala de date. Unitatea poate suspenda transferul exploziv de citire dacă nu generează fronturi ale semnalului DSTROBE.

2.9.3. Configurarea unităţilor ATA Standardul ATA prevede posibilitatea de funcţionare a sistemului cu două unităţi conectate în lanţ. Într-o asemenea configuraţie duală, prima unitate (unitatea 0) este numită master, iar unitatea a doua (unitatea 1) este numită slave. O unitate poate fi desemnată fie ca master, fie ca slave, prin aşezarea unui jumper, comutarea unui microîntrerupător sau utilizarea semnalului CSEL (Cable Select) de pe magistrală. Dacă este instalată o singură unitate de discuri, controlerul răspunde la toate comenzile sistemului. Dacă sunt instalate două unităţi de discuri, toate comenzile sunt recepţionate de ambele controlere ale unităţilor. Fiecare controler trebuie deci configurat astfel încât să răspundă numai la comenzile care i-au fost adresate. Atunci când se transmite o comandă pentru o unitate anume, controlerul de pe cealaltă unitate trebuie să rămână inactiv. Pentru a deosebi între ele cele două controlere, se poziţionează un bit special dintr-un registru al interfeţei. Cablul utilizat pentru conectarea unităţilor ATA este un cablu cu 40 sau 80 de fire, prevăzut cu trei conectori. De obicei, cablul pleacă de la conectorul interfeţei ATA de pe placa de bază către unitatea 1, iar apoi în continuare către unitatea 0. Ultima unitate de pe cablu nu trebuie să fie însă neapărat unitatea 0, astfel încât oricare dintre unităţi poate fi instalată în oricare dintre conectori. Faptul că unitatea este prima sau a doua din lanţ este impus de aşezarea jumperelor pe fiecare dintre unităţi. În unităţile ATA nu trebuie instalate rezistenţe terminatoare, deoarece fiecare unitate conţine un circuit terminator. Există şi alte moduri de dispunere a cablului în sistemele cu unităţi duale. De exemplu, se poate utiliza o conexiune sub formă de Y, în care conectorul din mijloc este conectat pe placa de bază, iar cele două unităţi sunt conectate la cele două capete ale cablului. Alegerea adresei unităţilor se realizează în acest caz prin semnalul CSEL al interfeţei. Unitatea aflată pe latura cablului pe care linia CSEL există între unitate şi conectorul interfeţei ATA este desemnată în mod automat ca unitate 0 (master). Unitatea de pe latura pe care linia CSEL este întreruptă este desemnată ca unitate 1 (slave). Acest tip de conexiune elimină necesitatea configurării unităţilor cu ajutorul jumperelor. Cele mai multe unităţi ATA pot fi configurate în trei moduri: • Ca unitate unică (master); • Ca unitate master într-o configuraţie de două unităţi; • Ca unitate slave într-o configuraţie de două unităţi. Între unităţile master şi slave nu există diferenţe funcţionale, cu excepţia faptului că după iniţializarea sistemului unitatea slave va aduce semnalul DA/SP la 1 logic, informând în acest fel unitatea master

că în sistem este prezentă o unitate slave. În acest fel, unitatea master va lua în considerare şi semnalul Drive Select, pe care îl ignoră în alte cazuri. De obicei, la punerea sub tensiune a sistemului, unitatea configurată ca unitate slave îşi întârzie cu câteva secunde pornirea motorului, interval în care discurile unităţii master ajung la turaţia nominală. Se elimină astfel consumul suplimentar de putere al sursei de alimentare. Majoritatea unităţilor actuale care respectă specificaţiile ATA au nevoie de un singur jumper (Master/Slave) pentru a fi configurate. Unele unităţi au nevoie de un al doilea jumper (Slave Present).

În Tabelul 7.5 se prezintă configurarea jumperelor pentru majoritatea unităţilor ATA. La multe unităţi ATA, jumperul Master/Slave este opţional şi poate rămâne neinstalat, dar în general se recomandă instalarea acestuia conform tabelului 7.5.

Tabelul 7.5. Configurarea unităţilor ATA.

2.9.4. Comenzi ATA În această secţiune se descrie o singură comandă ATA, numită Identify Device, celelalte comenzi ale interfeţei ATA fiind prezentate în Lucrarea de laborator Nr. 8. Comanda Identify Device permite citirea parametrilor unităţii de discuri. La recepţionarea acestei comenzi, unitatea transmite un bloc de 256 cuvinte cu informaţii care conţin toate detaliile asupra unităţii: producătorul, modelul, seria, parametrii de funcţionare etc. Programul ROM BIOS utilizează aceste informaţii pentru înscrierea parametrilor discului în memoria CMOS la configurarea sistemului, fără a fi necesară introducerea lor de către utilizator. Codul comenzii Identify Device este ECh. Pentru transmiterea acestei comenzi şi preluarea informaţiilor returnate de unitate se procedează astfel: 1. Se aşteaptă ca bitul 7 (BSY) din registrul de stare (adresa 1F7h) să devină 0; 2. Se înscrie în registrul de comandă (adresa 1F7h) codul comenzii (ECh); 3. Se aşteaptă ca bitul 7 (BSY) din registrul de stare să devină 0; 4. Se aşteaptă ca bitul 3 (DRQ) din registrul de stare să devină 1; 5. Se citeşte un cuvânt din registrul de date (adresa 1F0h) şi se memorează; 6. Dacă nu s-au citit toate cele 256 de cuvinte, se continuă cu operaţia de la punctul 3. Observaţii • Adresele registrelor sunt cele ale primei interfeţe ATA (canalul 0). • Registrul de stare are aceeaşi adresă cu registrul de comandă, dar primul este un registru de citire, iar al doilea este un registru de scriere. În Tabelul 7.6 se prezintă principalele cuvinte din cadrul blocului de informaţii transmis de controler.

Tabelul 7.6. Principalele cuvinte returnate de controlerul de disc la comanda Identify Device.

3. Desfăşurarea lucrării 3.1. Ilustraţi modul de codificare pentru înregistrarea pe disc a unui octet oarecare prin metodele FM, MFM şi RLL 2,7. Indicaţi tranziţiile de flux, forma semnalului de scriere şi forma semnalului obţinut la citire.

3.2. Se desface carcasa unui calculator compatibil IBM PC AT si se vor identifica unităţile de discuri magnetice; se analizeaza tipurile de cabluri şi conectori dintre unităţile de discuri şi placa de bază 3.3. Se desface carcasa unei unităţi de discuri magnetice şi se identifică elementele constructive ale acesteia 3.4. Scrieţi un program pentru determinarea tipului unei unităţi de discuri (model, revizie, număr de serie) şi a parametrilor acesteia (număr de cilindri, capete şi sectoare pe pistă), utilizând comanda Identify Device adresată controlerului de disc. Pe baza numărului total de sectoare adresabile, calculaţi capacitatea totală în GB a discului, ţinând cont că un sector conţine 512 octeţi. Afişaţi pe ecran informaţiile despre unitatea de discuri.