Firma IBM opracowała nową technologię formatowania dysków twardych, która zwiększa niezawodność i efektywność pracy napędu oraz pozwala zapisać na dysku o ok. 15 proc. więcej danych.

W napędach formatowanych przy użyciu technologii No-ID nagłówki sektorów nie są zapisywane na powierzchni dysku, a w pamięci RAM. Dzięki temu na dysku można zapisać więcej danych, nie zwiększając przy tym gęstości upakowania bitów na ścieżce. Formatowanie No-ID w połączeniu z głowicami magnetooporowymi pozwala też na znaczne zwiększenie liczby ścieżek. Kolejne korzyści to: mniejszy czas wyszukiwania sektora, szybszy transfer danych czy wreszcie usprawnienie pracy systemów: zarządzania poborem mocy przez napęd i eliminowania uszkodzonych sektorów na dysku. IBM zastosował już tę technologię przy produkcji napędów linii DVAx. Są to 2,5" dyski, a flagowy produkt ten linii jest wyposażony w trzy talerze i ma pojemnność 810 MB.

Współczynnik sprawności formatowania

Termin "współczynnik sprawności formatowania" określa jaka część ścieżki jest przeznaczana do zapisywania właściwych danych (pozostała część ścieżki jest zajmowana przez dane kontrolne). Im mniej jest na ścieżce danych kontrolnych, tym lepszy jest współczynnik sprawności formatowania. W dyskach, w których pliki są zapisywane w blokach o tej samej długości, niemałą część powierzchni każdej ścieżki zajmują właśnie dane kontrolne. Są to np. bity synchronizacji czy kody korekcji błędów ECC (error correctiom code) i sektory serwo, które pozwalają gęściej upakować bity na powierzchni dysku.

Pole ID

Jest jednak jeden element danych kontrolnych, który nie pełni tak pożytecznej roli jak kody ECC czy sektory serwo, a jest zapisywany na każdym sektorze w momencie formatowania dysku. Jest to nagłówek, czyli pole ID. Opracowana przez IBM technologia formatowania dysku No-ID polega na tym, że pole to nie jest zapisywane na dysku a do pamięci RAM. Rozwiązanie to znacznie zwiększa zarówno współczynnik sprawności formatowania, jak i niezawodność pracy dysku.

Zadania pola ID

Na rys. 1 widać typową ścieżkę dysku twardego (bloki o stałej długości) w skład której wchodzi też sektor serwo. Każda ścieżka składa się z sektorów z danymi i sektorów serwo. Sektory serwo zawierają informacje, które pozwalają ustawić głowicę dokładnie nad określonym numerem ścieżki. Pliki użytkownika są zapisywane w polach z danymi (dane n, dane 0, dane 1 itd.). Każdemu sektorowi towarzyszy nagłówek (ID), który zawiera informacje identyfikujące dany sektor oraz szereg dodatkowych danych, np. flagi opisujące aktualny stan sektora.

Większość produkowanych obecnie napędów używa systemu adresowania, w którym komputer wysyła do dysku żądanie czytania/pisania danych, podając jednocześnie parametr LBN (Logical Block Number - logiczny numer bloku). System taki stosowany jest np. przez łącze standardu SCSI. Komputer wysyła do stacji dysków logiczny numer bloku, a stacja poddaje ten numer konwersji na konkretną strefę, cylinder, głowicę i sektor, czyli parametr ZCHS (ZCHS - zone, cylinder, head, sector). Po wyszukaniu przez mechanizm serwo ścieżki na dysku, głowica odczytuje kolejne pola ID, oczekując na pojawienie się właściwego sektora. Po zidentyfikowaniu sektora układy zapisu/odczytu przystępują do transferu danych na/lub z pola danych na tym sektorze.

Pole ID zmniejsza pojemność dysku

Pole ID umożliwia formatowanie dysków na różne sposoby i pozwala kontrolować stan powierzchni dysku, zaznaczając złe sektory. Nie ma jednak nic za darmo. Pole ID zajmuje bowiem do 10% pojemności całego dysku. A ponieważ każde czytanie/pisanie sektora musi być poprzedzone odczytaniem pola ID, kolejne 5% powierzchni ścieżki trzeba zarezerwować na operację w-r (write-to-read-recovery). Jest to czas potrzebny głowicy na przygotowanie się do odczytania nagłówka, a pole w-r poprzedza obszar zajmowamy przez ID.

System zarządzania uszkodzonymi miejscami na dysku sprowadza się do zarezerwowania określonej liczby zapasowych sektorów, do których przepisywane są dane z uszkodzonych obszarów dysku. Relokacja danych może obejmować zarówno pojedyncze sektory, jak i większe obszary dysku. Rozwiązanie takie nie jest jednak pozbawione wad, bowiem sektor zapasowy może znajdować się w odległej fizycznie części dysku, co zwiększa czas wyszukiwania ścieżki. Można temu zapobiec zwiększając liczbę zapasowych sektorów i umieszczając je w różnych miejscach. Zmniejsza to jednak z kolei współczynnik efektywności formatowania.

Pole ID może być jeszcze większe, jeśli producent napędu stosuje system PRML (partial response, maximum likelihood - częściowa odpowiedź, maksymalne prawdopodobieństwo), który polega na zastosowaniu kanałów detekcji danych cyfrowych. Kanały PRML pozwalają co prawda zwiększyć gęstość upakowania danych na jednej ścieżce, ale wiąże się to z zastąpieniem systemu CRC systemem ECC (systemy korekcji błędów), który zajmuje dużo więcej miejsca. Najlepiej byłoby więc wyeliminować pole ID z informacji zapisywanych na powierzchni dysku. I to jest właśnie pomysł, na którym opiera się technologia formatowania No-ID.

Formatowanie No-ID

W dysku sformatowanym w trybie No-ID zadanie fizycznej lokalizacji sektorów na dysku jest wykonywane przez układ serwomechanizmu. Natomiast logiczna identyfikacja sektorów jest wykonywana przy użyciu tablicy defektów (Defect Map), zapisanej w pamięci RAM. Kontroler dysku systemu No-ID wykonuje zatem dodatkową operację - zamienia logiczne adresy bloków (LBN) na adresy fizyczne (PBN). Na rys. 2 widać kolejne fazy tej operacji, która polega na poddaniu adresu LBN (Logical Block Number) konwersji na adres PBN (Physical Block Number). Parametr LBN zawiera się w przedziale 0 do X, gdzie X to ilość adresowalnych logicznie bloków na dysku. PBM to liczba od 0 do Y, gdzie Y to ilość fizycznych bloków na dysku (ale bez sektorów zapasowych i sektorów uszkodzonych).

Przy podawaniu adresu LBN konwersji na adres LPN kontroler dysku sprawdza informacje zawarte w pamięci RAM (tablica defektów). Po obliczeniu wartości PBN, dysk przelicza ją dokładnie na parametr ZCHS (strefa, cylinder, głowica, sektor). Znając formaty ścieżek w każdej strefie dysku, mechanizm serwo lokalizuje następnie fizyczny sektor na powierzchni talerza. Tablica defektów jest zapisana w pamięci RAM w formie skompresowanej. Można ją więc szybko odczytywać i przeglądać, zajmuje przy tym mało miejsca.

Ponieważ układ formatowania dysku w trybie No-ID zapisuje nagłówek w pamięci RAM, a nie na powierzchni dysku, niezawodność pracy napędu wzrasta. W dyskach standardowych jedyną metodą uchronienia się przed błędami odczytu pola ID jest stosowanie kodów korekcji (CRC lub ECC). Jeśli jednak napęd nie jest w stanie odczytać pola ID, tracone są całe dane z tego sektora.

System formatowania No-ID zwiększa znacznie pojemność napędów wyposażonych w głowice typu MIG (metall-in-gap-ferrite) lub TFI (thin film inductive). Jeszcze lepsze rezultaty uzyskuje się w przypadku zastosowania go w napędach z głowicami typu MR (magnetoresistive - magnetooporowe).

Głowice typu MR

Głowice MR pozwalają zapisywać dużo więcej bitów na jednostkę powierzchni, niż w przypadku głowic typu MIG i TFI. Pojemność dysku zwiększa się zarówno przez gęściejsze upakowanie bitów na jednej ścieżce (parametr bpi - bits per inch - ilość bitów na cal), jak i przez zmniejszenie odległości między ścieżkami (parametr tpi - tracks per inch - ilość ścieżek na cal). Geometrię głowicy magnetooporowej pokazano na rys. 3. Składa się ona z cienkowarstwowego, napylonego na folię indukcyjnego elementu zapisującego i z głowicy odczytującej MR.

Głowica odczytująca jest zazwyczaj węższa, niż głowica zapisująca. Proszę zwrócić uwagę na to, że osie obu głowic są przesunięte względem siebie. W przypadku stosowania mechanizmu serwo typu rotacyjnego, głowice ustawiają się nieco ukośnie w stosunku do ścieżek (do ok. 10%). I stąd potrzeba przesunięcia osi obu elementów głowicy względem siebie. Truizmem jest stwierdzenie, że głowica pracuje najlepiej wtedy, gdy w chwili odczytywania danych element odczytujący jest ustawiony dokładnie nad środkiem ścieżki, a w momencie zapisywania nad środkiem ścieżki znajduje się element zapisujący. Co się jednak dzieje, gdy w czasie operacji zapisywania danych element zapisujący ustawimy na środku ścieżki. Efektem takiego ustawienia głowicy jest to, że element odczytujący umieszczony jest nieco z boku ścieżki, a nie nad jej geometrycznym środkiem. Jest to kłopotliwe wtedy, gdy mamy do czynienia z tradycyjnym sektorem, który zawiera pole ID. Pole takie musi być bowiem zawsze odczytywane przed każdą operacją tak czytania, jak i pisania w danym sektorze. Przy operacji czytania nie ma problemu - wystarczy ustawić element odczytujący nad środkiem ścieżki. Jeśli jednak zapisujemy dane, to głowica musi być tak ustawiona, aby element odczytujący mógł odczytać poprawnie pole ID, a element zapisujący zapisać dane w sektorze. Na rys. 4 pokazano, jak poradzono sobie z tym problemem w przypadku napędu IBM 0662. Widać tu, że pola ID nie są zapisane równo na środku ścieżki, a nieco z boku (odległość środka pola ID od środka ścieżki równa jest połowie przesunięcia między osiami elementów czytania i pisania).

Rozwiązanie takie ma też jednak wady. Nie pozwala ono bowiem zmniejszyć odległości między ścieżkami (parametr tpi). Prowadziłoby to bowiem do przekłamań przy odczytywaniu pola ID. W typowym napędzie 3,5" ukośne przesunięcie głowicy względem ścieżki (rotacyjny mechanizm serwo) wynosi ok. 10 stopni. W głowicy MR element odczytujący ma szerokość 3,5 mikrometra, a warstwa oddzielająca ten element od elementu zapisującego ma szerokość 4,2 mikrometra. Biorąc pod uwagę te parametry oraz fakt, że głowica ustawia się na ścieżce z dokładnością ok. 0,5 mikrometra, jedna ścieżka nie może zajmować więcej, niż 4.7 mikrometra. Ścieżki mogą być więc upakowane na powierzchni takiego dysku z gęstością nie większą, niż 4300 tpi.

Problemów tych nie ma, gdy dysk formatowany jest przy użyciu technologii No-ID. Ponieważ pole ID nie jest zapisywane na dysk (a do pamięci RAM), głowica nie musi już odczytywać nagłówków sektorów. Znając przesunięcie współosiowe obu elementów głowicy (odczytu i zapisu), mechanizm serwo może w momencie zapisywania danych ustawić element zapisujący dokładnie na środku ścieżki. Widać stąd, że w systemie formatowania No-ID poprzeczne przesunięcie osi obu elementów głowicy nie odgrywa już tak istotnej roli przy operacji zapisywania danych, jak ma to miejsce w przypadku dysków formatowanych metodą tradycyjną. Technologia No-ID pozwala zapisywać ścieżki z gęstością ponad 5000 tpi.

Podsumowanie

Porównanie struktury sektorów formatowanych przy użyciu obu technologii zaprezentowano na rys. 5. Technologia formatowania No-ID ma dwie podstawowe zalety: na dysku można zapisać więcej danych i oferuje on przy tym większą niezawodność pracy, niż dyski tradycyjne, w których niemożność odczytania pola ID oznacza utratę zapisanych w tym sektorze danych. Kolejne korzyści tej technologii to: zmniejszenie mocy pobieranej przez napęd (nie ma już potrzeby tak częstego uruchamiania obwodów odczytujących pole ID) i efektywniejsza praca systemów monitorowania powierzchni dysku i relokacji danych z sektorów uszkodzonych na sektory zapasowe.