2. Levyjärjestelmät Petteri Kilpelä | 03.02.2015 1

3. Levyjärjestelmät Kiintolevy SCSI IDE Serial ATA (SATA) RAID 2

4. Kiintolevy 1/6 Kiintolevy, varsin usein puhekielessä myös kovalevy, on tietokoneeseen kiinteästi asennettu levymuisti, jota käytetään tietokoneen massamuistinakovalevylevymuistitietokoneenmassamuistina Siihen tallennetaan ohjelmat ja muut tiedostot. Se tallentaa tiedon yhden tai useamman pyörivän metalli- tai lasikiekon pinnalla olevaan magneettiseen materiaaliinohjelmattiedostot Tiedot säilyvät kiintolevyllä myös ilman tehonsyöttöä. 3

5. Kiintolevy 2/6 Toimintaperiaate Tieto tallennetaan kiintolevyn kiekoille magneettisesti. Kirjoitettu tieto kirjoitetaan bitti kerrallaan jonoihin, ympyränmuotoisille raidoille tai urille, jotka on jaettuna tasakokoisiin tallennusyksiköihin, sektoreihin.bitti Magneettikenttiin tallennettu data saadaan muutettua sähköiseksi, kun lukupään ohi liikkuva magneettinen varaus indusoi lukupäähän heikon sähkövirran. Virran muutokset tulkataan signaaleiksi, jotka muutetaan ohjauselektroniikan avulla käyttökelpoiseen muotoon.indusoi 4

6. Kiintolevy 3/6 Levyn tallennuskapasiteetti ilmoitetaan nykyisin gigatavuina (lyhenne Gt tai GB, 1 000 000 000 tavua) tai joskus megatavuina (lyhenne Mt tai MB, 1 000 000). On syytä huomata, että käyttöjärjestelmät esittävät levyn kapasiteetin edelleen gibitavuina, (lyhenne GiB) kahden potensseina, eli gigatavu on 2 30 eli 1 073 741 824 tavuagigatavuinagibitavuina Levypinnan rakenne: (A) Raita (B) Geometrinen sektori (C) Raidan sektori (D) Sektoreista koostuva klusteri eli rypäs 5

7. Kiintolevy 4/6 Valmistajien ilmoittamia ominaisuuksia ovat lisäksi: pyörimisnopeus (rpm)pyörimisnopeus saantiaika, keskimääräinen lukupään siirtämiseen ja pyydetyn sektorin saataville tulemiseen kuluva aika (ms) tiedonsiirtonopeus, keskimääräinen jatkuva kirjoitus- tai lukunopeus kiintolevyn ja keskusmuistin välillä (Mt/s). puskurimuistin koko (Mt tai MiB). äänenvoimakkuus (dB (A))dB tehonkulutus (W)W keskimääräinen vikaantumisväli (engl. MTBF: Mean Time Between Failure)engl. iskunkestävyys (G)G 6

8. Kiintolevy 5/6 Yleisimmät PC-tietokoneisiin tai työasemiin tarkoitetut levyasemat ovat nykyään kooltaan 3,5 tuumaa Tuumakoko tarkoittaa levyaseman sisällä olevan kiekon halkaisijaa. Tosin samankokoisissa koteloissa voi olla myös pienempiä levyjä jolloin haetaan parempaa suorityskykyä nostamalla pyörintänopeutta. Tällaisia 10 000 tai 15 000 rpm levyjä käytetään yleensä vain järeämmissä levyjärjestelmissä Levyasemien kapasiteetti vaihtelee 40 gigatavun ja kohta myös viiden teratavun välillä, pyörimisnopeus 5 400–15 000 kierrosta minuutissa. Siirtonopeus on tyypillisesti 90-130 megatavua sekunnissa. On olemassa myös 2,5, 1,8 ja jopa 1 tuuman kokoisia kiintolevyjä, jotka ovat tyypillisesti kapasiteetiltaan pienempiä (≤ 1 teratavu). Niiden pyörimisnopeus on myös useimmiten pienempi, 5400–7200 kierrosta minuutissa. 5¼ tuuman levyt, joiden pyörimisnopeus oli tyypillisesti 3 600 rpm, ovat jo poistuneet markkinoilta. 7

9. Kiintolevy 6/6 Yleisimmät levyjen liitäntätavat ovat SATA, IDE/ATA sekä SCSI. Nykyaikainen PC:n emolevy on yleensä varustettu neljällä tai useammalla SATA-liittimellä. Vanhempia IDE-liittimiä on tarjolla useimmiten ainakin yksi.SATAIDE/ATASCSIemolevy IDE-liitäntä on hiljalleen väistymässä uudemman SATA-liitännän tieltä. Liitäntä tunnetaan myös nimillä ATA ja P-ATA. IDE-väylässä tiedonsiirto on rinnakkaista. Yhteen IDE-liittimeen voidaan kytkeä kaksi kiintolevyä.IDE SCSI-väylä on palvelimissa ja ammattilaislaitteissa suosittu liitäntätyyppi, joka vaatii yleensä erillisen sovitin- tai ohjainkortin. Oman ohjaimen ansiosta SCSI- kiintolevyt eivät kuormita koneensuoritinta niin kuin erillisohjaimettomat levyt. Yhteen SCSI-liitäntään voidaan standardista riippuen liittää enimmillään 8–16 laitetta.SCSIsuoritinta SATA on uusin liitäntätyyppi, jossa tiedonsiirto on sarjamuotoista ATA:ssa käytetyn rinnakkaisuuden sijaan. Sarjaliitännän nopeus korvaa rinnakkaisten linjojen määrän. SATA-liitännän etuja IDE:en nähden ovat myös kapeammat kaapelit ja pienemmät liittimet, jotka vievät vähemmän tilaa tietokoneen kotelossa ja emolevyllä.SATA 8

10. SCSI 1/3 SCSI eli Small Computer System Interface on standardi tiedon välittämiseksi tietokoneen ja oheislaitteiden välillästandarditietokoneenoheislaitteiden Jotta tietokone voidaan liittää SCSI-väylään pitää koneessa olla SCSI-ohjain. Oheislaitteessa vastaavasti pitää olla oma SCSI- kontrollerinsa, joka hoitaa väylälle liikennöinnin (tyypillisesti tämä kontrolleri on sisäinen osa laitetta lukuun ottamatta aivan varhaisimpia laitteita) SCSIa käytetään useimmiten kiintolevyjen ja nauha- asemien liittämiseen, mutta myös muita laitteita kuten skannereita, CD- ja DVD-asemia. SCSI-standardi on täysin laiteriippumaton, joten periaatteessa mitä tahansa laitteita voidaan liittää SCSI-väylään. Esimerkiksi SCSI-kirjoittimia on olemassa. SCSI-ohjaimia on nykyään hankala saada mistään.kiintolevyjennauha- asemienskannereitaCDDVDkirjoittimia 9

11. SCSI 2/3 SCSI liitäntöjä 10

12. SCSI 2/3 SCSI liitäntöjä 11

13. IDE – levyt 1/3 IDE (lyhenne sanoista Integrated Drive Electronics) on kiintolevyjen ja optisten asemien liittämiseen tarkoitettu liitäntäväylä. Eräs IDE:n ominaispiirre on se että dataa siirretään 16 bittiä rinnakkaisesti, kukin bitti omassa johtimessaan. Sen vuoksi SATA-organisaatio nimittää IDE-väylää PATA:ksi, jossa P tarkoittaa sanaa parallel eli Parallel ATAlyhennekiintolevyjenoptisten asemienSATA Tavallinen IDE-levy on 3.5-tuumainen eli suunnilleen korppuaseman levyinen, ja jännitesyöttöliitin on erillinen ja tukeva nelinapainen, jossa kulkee viiden voltin syöttö levyn logiikkapiireille ja 12 voltin syöttö kiintolevyn taikka CD- tai DVD- aseman tehoa imevien moottoreiden käyttöön. Liitäntäväylään voi liittää kaksi laitetta kerrallaan SATA-liitynnässä johdon päähän tulee vain yksi asema, SCSI-kaapeliin menee jopa kahdeksan laitetta.SCSI IDE:ssa on ollut sen historian saatossa useita rajoituksia. Ensimmäinen versio tuki vain 2 GB:n kiintolevyjä. ATA-1:ssa otettiin käyttöön 28-bittiset lohkonumero, jolla saa osoitettua 128 GB:n levyä. Useissa BIOSeissa ja käyttöjärjestelmissä oli myös ongelmia yli 32 GB:n levyjen käytössä. 12

14. SATA – 1/2 Serial ATA (Serial AT Attachment, myös SATA, S-ATA tai Sarja-ATA) on sarjamuotoinen liitäntä sisäisen tai ulkoisen massamuistilaitteen, joka on yleensä kiintolevy tai optinen asema, kytkemiseksi tietokoneeseen. Serial ATA on jo käytännössä korvannut aiemmin käytetyn IDE-väylän kiintolevyjen liitäntänämassamuistilaitteenkiintolevyoptinen asematietokoneeseenIDE-väylän SATA perustuu sarjamuotoiseen tiedonsiirtoon, mikä tekee kaapeleista huomattavasti PATA-kaapeleita kapeampia ja edullisempia valmistaa. Uusin SATA standardi tarjoaa tällä hetkellä 2000 MB/s:n (megatavua sekunnissa) maksimisiirtonopeuden. SATA sisältää myös tuen Hot Swap ja Native Command Queuing (NCQ) -tekniikoille. SATA-laitteiden virtakaapeli on jouduttu uusimaan Hot Swap-tuen myötä. Yhteen SATA- liitäntään voi liittää ainoastaan yhden laitteen PATA:n kahden sijaan. Useimmissa SATA-laitteissa ei ole ollenkaan jumppereita, vaan kaikki asetukset tehdään BIOS:in avulla. Tämä helpottaa laitteiden liittämistä ja vähentää mahdollisia yhteensopivuusongelmia.PATAHot SwapNative Command QueuingHot SwapBIOS 13

15. SATA – levy 2/2 14

16. RAID 1/8 Redundant Array of Independent Disks (RAID) on tekniikka, jolla tietokoneiden vikasietoisuutta ja/tai nopeutta kasvatetaan käyttämällä useita erillisiä kiintolevyjä, jotka yhdistetään yhdeksi loogiseksi levyksi. RAID-tekniikkaa käytetään etenkin siellä, missä levyjen vasteajat tai virheettömyys ovat tärkeitä, kuten levy- ja tietokantapalvelimissa.tietokoneiden Tekniikan idea on tuoda halvoilla (inexpensive) levyillä kalliita kaupallisia levyjärjestelmiä vastaava vikasietoisuus ja nopeus. Käytössä on esim. N kappaletta C-kokoisia levyjä. 15

17. RAID 2/8 RAID0 eli lomitus (striping) yhdistää levyt yhdeksi loogiseksi tallennustilaksi, jonka kapasiteetti on N×C, ja yhteen levyyn verrattuna luku- ja kirjoitusnopeus N-kertainen. Data kirjoitetaan lomitettuna, eli se jakautuu tasaisesti kaikille levyille. Mikäli levyt ovat erikokoisia, kokonaiskapasiteetti on N × pienimmän levyn koko. Jos RAID0-pakasta yksikin levy hajoaa, menetetään koko pakan kaikki data.lomitus 16

18. RAID 3/8 RAID1 eli peilaus (mirroring) tallentaa saman datan kahdelle (tai useammalle) erilliselle levylle, jolloin data säilyy vaikka toinen levyistä hajoaa. Periaatteessa tekniikka myös kaksinkertaistaa lukunopeuden.peilaus 17

19. RAID 4/8 RAID0+1 yhdistää lomituksen ja peilauksen, jolloin sekä nopeus että vikasietoisuus paranevat. Data on palautettavissa, jos jokaisessa peilissä on ehjä levy. 18

20. RAID 5/8 RAID5 tarjoaa C × (N − 1) -kokoisen kapasiteetin. Yhden levyn kapasiteetti käytetään kaikille levyille hajautetun pariteettidatan tallentamiseen. Pakkaa voidaan käyttää myös ilman pariteettidatalevyä, mutta tällöin menetetään vikasietoisuus: normaalissa RAID5-pakassa dataa ei menetetä, vaikka mikä tahansa yksittäinen levy hajoaa. Jos pakasta hajoaa enemmän kuin yksi levy, menetetään pakan kaikki data. RAID5 kasvattaa luku- ja kirjoitusnopeutta verrattuna yksittäiseen levyyn, mutta vaatii pariteettilaskennan vuoksi myös paljon laskentatehoa. 19

21. RAID 6/8 RAID6 toimii kuten RAID5, mutta sisältää enemmän pariteettidataa. RAID6-pakasta voi hajota kaksi levyä ilman että dataa menetetään. 20

22. RAID 7/8 RAID-tekniikan vaatiman suoritintehon vuoksi se tehdään yleensä tarkoitukseen varatulla ohjainkortilla, jolloin kyseessä on laitetasolla tehty RAID. Toisaalta minkä tahansa RAID-tekniikan voi tehdä myös puhtaasti käyttöjärjestelmän levyajureissa. Halvemmat laitepohjaiset RAID-ratkaisut itse asiassa käyttävät laskentaan kuitenkin koneen omaa prosessoria, joten niitä ei välttämättä voi pitää puhtaina laitepohjaisina RAIDeina. 21

23. RAID 8/8 RAID-tekniikoita on näiden lisäksi muitakin, ja olemassa olevia voidaan yhdistellä. Kehittyneemmissä palvelimissa rikkoutuneen levyn voi vaihtaa konetta sammuttamatta (hot-swap) ja rekonstruktoida RAID-järjestelmän. Yleensä osa levyistä voidaan varata lennossa käyttöön otettavaksi (hot- spare) jolloin levyn rikkoontuessa varalevy aktivoituu automaattisesti.hot-swap 22