home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Games of Daze / Infomagic - Games of Daze (Summer 1995) (Disc 1 of 2).iso / x2ftp / msdos / docs / hdtech02.txt < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1995-03-26  |  21.7 KB

  1. From: datarec@inforamp.net (Nicholas Majors)
  2. Subject: Chapter 2 - Technicians' Guide to Hard Disks
  3. Date: 25 Mar 1995 18:40:54 GMT
  4.  
  5.  
  6.  
  7. ========================================================================
  8.      Chapter 2 - TECHNICIANS' GUIDE TO PC HARD DISK SUBSYSTEMS
  9. ========================================================================
  10. copyright (c) 1992, 1995
  11.  
  12. Nicholas Majors,
  13.  
  14. DATA RECOVERY LABS
  15. (division of Data Recovery Services Inc)    Voice : 1-416-510-6990
  16. 1315 Lawrence Avenue East - Unit 502        FAX   : 1-416-510-6992
  17. Don Mills, Ontario, Canada M3A 3R3          Email : datarec@the-wire.com
  18. ========================================================================
  19.  
  20. Before we consider how to install, configure and maintain hard drives, 
  21. we need a basic understanding of drive construction and design concepts.  
  22. This chapter examines in some detail the parts and functional components 
  23. of hard drive subsystems.
  24.  
  25. (Note : A number of acronyms are used throughout this chapter and the 
  26. glossary for this booklet is not yet available.  Therefore, I have 
  27. attached a brief set of definitions for some of the terminology.)
  28.  
  29. HARD DRIVES AND CONTROLLERS:
  30.  
  31. A hard drive subsystem is comprised of the following components: 
  32.  
  33. 1. The Hard Disk, with one or more boards (PCB) attached.
  34. 2. A Controller Mechanism, either on the hard disk PCB or on the bus
  35.    adapter within the PC.
  36. 3. Bus Adapter for interfacing the controller to the host PC.
  37. 4. Cables and Connectors to link it all together.
  38.  
  39. ========================================================================
  40. THE HARD DISK:
  41.  
  42. Within a sealed enclosure (Head Disk Assembly or HDA) are one or more 
  43. rigid  platters that are "fixed" or non-removable.  These are coated 
  44. with magnetically sensitized material and data can be written to and 
  45. read from the surface by means of electromagnetic read/write heads.  
  46. When powered up, the platters are constantly rotating (except for 
  47. certain pre-programmed sleep modes) and the heads are moved back and 
  48. forth across the surface to access different locations.  This is a 
  49. sealed unit which should not be opened, except by qualified personnel in 
  50. a controlled, dust free environment.  
  51.  
  52. The circuit board(s) attached to the outside of the HDA provide the 
  53. electronics needed for physical control of the motors within the sealed 
  54. unit.  They interface the source of electrical power and control signals 
  55. to the disk assembly through various connectors and cables.  Most boards 
  56. have some jumpers, dip switches and/or resistors that are used for 
  57. configuration purposes.  
  58.  
  59. Functionally, these PCB's are separate from the Hard Disk Controller, 
  60. but many of the newer drives (IDE and SCSI) embed the controller chip 
  61. directly onto this board (as opposed to having it on the Bus adapter).
  62.  
  63. INSIDE THE HDA - PARTS OF A HARD DISK:
  64.  
  65. 1. Disk Platter(s), separated by spacers and held together by a clamp.
  66. 2. Spindle shaft onto which platters are mounted.
  67. 3. Spindle motor for rotating the platters.
  68. 4. Electromagnetic read/write heads (usually, one per surface).
  69. 5. Access arms or armatures from which the heads are suspended.
  70. 6. Actuator for moving the arms (with heads attached).
  71. 7. Preamplifier circuitry to maximize read/write signals.
  72. 8. Air filter and pressure vent.
  73.  
  74. The Platters:
  75.  
  76. Most platters or disks are made of an aluminum alloy, though ceramic or 
  77. glass platters can also be found.  The diameter is normally 2 1/2", 3 
  78. 1/2" or 5 1/4" with a hole in the center for mounting onto the spindle 
  79. shaft.  Thickness of the media can vary from less than 1/32 of an inch 
  80. to about 1/8 of an inch. 
  81.  
  82. During manufacture the platters are coated with a magnetizable material. 
  83. Older drives used a ferrite compound applied by squirting a solution 
  84. onto the surface and rotating at high speeds to distribute the material 
  85. by centrifugal force.  This process left a rust colored ferrite layer 
  86. which was then hardened, polished and coated with a lubricant.
  87.  
  88. Newer drives apply the magnetic layer by plating a thin metal film onto 
  89. the surface through galvanization or sputtering.  These surfaces have a 
  90. shiny chrome-like appearance.
  91.  
  92. Spindle and Spindle Motors:
  93.  
  94. Most drives have several platters that are separated by disk spacers and 
  95. clamped to a rotating spindle that turns the platters in unison.  A 
  96. direct drive, brushless spindle motor is built into the spindle or 
  97. mounted directly below it. (Sometimes this motor is visible from outside 
  98. of the sealed enclosure.) The spindle, and consequently the platters, 
  99. are rotated at a constant speed, usually 3,600 RPM, though newer models 
  100. have increased that to 4800, 5400, or 7,200.
  101.  
  102. The spindle motor receives control signals through a closed loop 
  103. feedback system that stabilizes to a constant rotation speed.  Control 
  104. signals come from information written onto the surface(s) during 
  105. manufacture or with older drives, from physical sensors.  
  106.  
  107. Read/Write Heads:
  108.  
  109. Since both sides of each platter are coated to provide separate 
  110. surfaces, there is normally one electromagnetic read/write head for each 
  111. side of each platter.  Therefore, a drive with 4 platters would have 8 
  112. sides and 8 heads.  Some drives use one side as a dedicated surface for 
  113. control signals leaving an odd number (5,7,etc.) of heads for actual 
  114. use.
  115.  
  116. Each head is mounted onto the end of an access arm and these arms (one 
  117. per surface) are moved in unison under the control of a single actuator 
  118. mechanism.  When one head is over track 143, all the heads on all other 
  119. sides should be at the same location over their respective surfaces.
  120.  
  121. Generally speaking, only one of the heads is active at any given time.  
  122. There are some drives that can read or write from two or more heads at a 
  123. time, but while this has been common with main frame drives, it 
  124. represents a major design change for personal computers and the 
  125. technology is not yet widely used. 
  126.  
  127. The spinning disk(s) create an air cushion over which the heads float.  
  128. Depending on design, this air buffer ranges from 2 to 15 microns.  By 
  129. contrast, a smoke particle or finger print is about 30 microns in size! 
  130.  
  131. The heads are not supposed to come into contact with the surface during 
  132. rotation.  Only when powered off should the heads come to rest on the 
  133. surface, but this should be over a specific area of the surface, 
  134. reserved for that purpose.  Most drives built since the late 1980's 
  135. employ an automatic parking feature which moves the heads to this 
  136. designated region and may even lock the heads there until powered up. 
  137.  
  138. Head Actuators:
  139.  
  140. The head actuator is the positioning mechanism used to move the arms and 
  141. consequently the heads, back and forth over the surface.  Once again, 
  142. earlier drives used a different method than is now common. 
  143.  
  144. Originally, head positioning was controlled by a stepper motor that 
  145. rotated in either direction by reacting to stepper pulses and moving the 
  146. head assembly back and forth by means of a "rack and pinion" or by 
  147. spooling and unspooling a band attached to the actuator arms.  Each 
  148. pulse moved the assembly over the surface in predefined steps or 
  149. detents.  Each step represented a track location and data was expected 
  150. to be under the head.  This design, still used for floppy drives, is not 
  151. suitable for current drive densities and is prone to alignment problems 
  152. caused by friction, wear and tear, heat deformation, and lack of 
  153. feedback information needed for correcting positioning error. 
  154.  
  155. The more common voice coil actuator controls the movement of a coil  
  156. toward or away from a permanent magnet based upon the amount of current 
  157. flowing through it.  The armatures are attached to this coil and move in 
  158. and out over the surface with it.  This is a very precise method, but 
  159. also very sensitive.  Any variation in the current can cause the head 
  160. assembly to change position and there are no pre-defined positions. 
  161. Inherently this is an analog system, with the exact amount of movement 
  162. controlled by the exact amount of current applied. 
  163.  
  164. The actual position of the coil is determined by servo (or indexing) 
  165. information, which is written to the drive by the manufacturer.  
  166. Location is adjusted to different tracks by reading and reacting to 
  167. these control signals.
  168.  
  169. Internal Electronics:
  170.  
  171. There is surprisingly little circuitry found within the sealed HDA.  
  172. There are electrical and control wires for the spindle and head actuator 
  173. motors and the head assembly has flex cables with a preamplifier chip 
  174. often built onto it.  This chip takes pulses from the heads (as close to 
  175. the source as possible) and cleans up and amplifies these signals before 
  176. transmission to components outside of the housing.
  177.  
  178. Air Filtering and Ventilation:
  179.  
  180. Minor wear of internal components and occasional contact of the heads 
  181. with the surface can cause microscopic particles to be loosened within 
  182. the HDA.  A permanent air filter is mounted within the air stream to 
  183. remove these particles before they can cause damage to delicate 
  184. mechanisms.  
  185.  
  186. Most drives also have a small vent to allow for minor air exchange from 
  187. outside of the housing.  This allows for equalization of air pressure so 
  188. drives can be used in different environments without risk of imploding 
  189. or exploding.  
  190.  
  191. ========================================================================
  192. CONTROLLERS AND BUS ADAPTERS:
  193.  
  194. The hard disk controller provides the logical link between a hard disk 
  195. unit and the program code within the host computer.  It reacts to 
  196. requests from the computer by sending seek, read, write, and control 
  197. signals to the drive and must interpret and control the flow of data. 
  198.  
  199. Data moving to and from the drive includes sector ID's, positioning 
  200. information and timing or clock signals.  The controller must encode, 
  201. decode and separate this control information from actual data written to 
  202. or read from the drive.  
  203.  
  204. Also, data is sent to and from the drive serially, in bit format, but 
  205. the CPU wants to recieve at least a byte (8 bits) at a time.  The 
  206. controller must take bits (8 - 16 - or 32 at a time) and assemble them 
  207. into bytes, words, and doublewords that can be transferred to/from the 
  208. computer.       
  209.  
  210. "OUR INDUSTRY MUST LOVE STANDARDS - WE HAVE THOUSANDS OF THEM!"
  211.  
  212. And so it is with hard disk controllers.
  213.  
  214. Controllers can be categorized in several different ways, by :
  215.  
  216. Basic computer design (PC/XT vs AT-286-386-486,etc)
  217.   - as mentioned in the first chapter, standard AT controllers use
  218.     different I/O addresses, IRQ and employ PIO as opposed to DMA.
  219.  
  220. Bus Architecture (8-16 bit ISA, 32 bit MCA/EISA/VLB/PCI, etc.)
  221.   - The adapter must be designed to interface with and use features of
  222.     available expansion spots in the host computer.
  223.  
  224. Controller Card vs Adapter
  225.   - The expansion board that plugs into the PC is commonly referred to
  226.     as a controller card, but for many drives (primarily IDE and SCSI)
  227.     the controller mechanism is built directly onto the drive PCB and
  228.     the expansion board in the PC (or built into motherboard) is
  229.     actually a Host/Bus adapter.
  230.  
  231. TROUBLESHOOTING TIP - If the BIOS reports "HDD CONTROLLER FAILURE" don't 
  232. assume the problem is with your AT/IO board.  It might well be the drive 
  233. PCB that has failed.
  234.  
  235. Controller/Drive Interface
  236.   - Both drive and controller must communicate in the same 'language'
  237.     and several different standards for electrical properties and
  238.     logical meaning of signals have been established.  These
  239.     include ST506/412, ESDI, SCSI, IDE(ATA/XTA) and EIDE(ATA2).
  240.  
  241. Data Encoding Method
  242.    - Determines how densely data can be packed onto a track. MFM
  243.      encoding is sufficient for only 17 x 512 byte sectors per track.
  244.      RLL permits up to 27 and variations of ARLL allow 34 or more
  245.      sectors per track.  This recording density is a major determinant
  246.      of storage capacity, and with rotation speed and interleave are
  247.      critical factors for true data transfer capability.
  248.  
  249. Support for Translation
  250.     - Some controllers present different logical parameters to the PC
  251.       than the actual physical geometry of the drive.
  252.  
  253. Need for ROM Extension or Software Device Driver
  254.     - Additional program code is used to provide support for hard drives
  255.       when none exists (as in PC/XTs), to implement translation schemes
  256.       (as in ST506/RLL and ESDI designs), allow for non-standard devices
  257.       or features (SCSI), or for a combination of these (EIDE).
  258.  
  259.  
  260. Below is a quick list of the major combinations that have been used in 
  261. PCs past and present.  While I am sure many others could be added, these 
  262. are the ones I have come across over the years.
  263.  
  264. ------------------------------------------------------------------------
  265. Computer   Bus Connection        Interface    Encoding   Translate  ROM
  266. ------------------------------------------------------------------------
  267.  PC/XT   8 bit ISA Controller    ST506/412      MFM       NO       YES
  268.  PC/XT   8 bit ISA Controller    ST506/412      RLL       OPTION   YES
  269.  AT     16 bit ISA Controller    ST506/412      MFM       NO       NO
  270.  AT     16 bit MCA Controller    ST506/412      MFM       NO       NO
  271.  AT     16 bit ISA Controller    ST506/412      RLL       OPTION   YES
  272.  AT     16 bit MCA Controller    ST506/412      RLL       YES      YES
  273.  AT     16 bit ISA Controller *  ESDI (10 Mbps) RLL       OPTION   YES
  274.  AT     16 bit ISA Controller *  ESDI (24 Mbps) ARLL      OPTION   YES
  275.  AT     16 bit MCA Controller ** ESDI (PS/2)    RLL,ARLL  YES      YES
  276.  PC/XT   8 bit ISA Adapter       SCSI           RLL       YES      YES
  277.  AT     16 bit ISA Adapter       SCSI           RLL,ARLL  YES      YES
  278.  AT     ?? bit MCA Adapter ***   SCSI           RLL,ARLL  YES      YES
  279.  AT     32 bit EISA Adapter      SCSI           RLL,ARLL  YES      YES
  280.  AT     32 bit VLB Adapter       SCSI           RLL,ARLL  YES      YES
  281.  AT     32 bit PCI Adapter       SCSI           RLL,ARLL  YES      YES
  282.  PC/XT   8 bit ISA Adapter       IDE  / XTA     RLL       OPTION   YES
  283.  AT     16 Bit ISA Adapter       IDE  / ATA     RLL,ARLL  OPTION   NO
  284.  AT     32 Bit VLB Adapter       EIDE / ATA2    ARLL      OPTION   YES
  285.  AT     32 Bit PCI Adapter       EIDE / ATA2    ARLL      OPTION   YES
  286.  
  287.          *   ESDI drives have some of the controller logic built onto
  288.              the hard drive PCB and some on the controller card.
  289.          **  PS/2 ESDI uses the same physical interface as other ESDI
  290.              devices, but supports additional features specific to their
  291.              implementation.
  292.          *** 16 bit? 32 bit? Who knows?  I have never been sure.
  293. ------------------------------------------------------------------------
  294.  
  295. Not to mention hundreds of other combinations to support different 
  296. interleaves, track buffers, hardware caching, bus mastering, error 
  297. correction schemes, SCSI I-II-III, optional floppy control, ESDI to SCSI 
  298. converters,  ST506 to SCSI converters (etc., etc., etc.).
  299.  
  300. So, what does all this mean to you?
  301.  
  302. Specifically, don't be surprised if the drive you have in your left 
  303. hand, does not work correctly with the controller / adapter you have in 
  304. your right hand.   Also, if controllers are changed it may affect 
  305. performance as well as the ability to access previously recorded data.
  306.  
  307. ========================================================================
  308.                           END OF CHAPTER 2  
  309. ========================================================================
  310.  
  311. How to deal with some of this confusion will be addressed in
  312. CHAPTER 3 - Installing and Configuring Hard Drives.
  313.  
  314. ========================================================================
  315. ADDITIONAL READING MATERIAL:
  316. ========================================================================
  317.  
  318. I have always had difficulty finding appropriate reading material to 
  319. recommend, but there are a few sources that I consider a must for 
  320. technicians and support personnel.
  321.  
  322. First, a number of Internet Newsgroups have exceptional FAQ's 
  323. (Frequently Asked Questions) which are updated and posted on a regular 
  324. basis.  These include:
  325.  
  326. "YET ANOTHER ATA-2/FAST-ATA/EIDE FAQ"
  327. by John Wehman and Peter Herweijer
  328. Newsgroup : comp.sys.ibm.hardware.storage
  329.  
  330. "BIOS TYPES"
  331. by Hale Landis
  332. Newsgroup : comp.sys.ibm.hardware.storage
  333.  
  334. "SCSI FAQ - 2 Parts"
  335. by Gary A. Field
  336. Newsgroup : comp.periphs.scsi
  337.  
  338. While bookstores are full of titles, most of them simply provide a 
  339. rehash of basics.  The following two books are an important part of my 
  340. library because they cover much more than the usual:
  341.  
  342. "THE INDISPENSABLE PC HARDWARE BOOK" by Hans-Peter Messmer (1994)
  343. Addison-Wesley Publishing Company,
  344. ISBN - 0-201-62424-9
  345.  
  346. "THE UNDOCUMENTED PC" by Frank Van Gilluwe (1994)
  347. Addison-Wesley Publishing Company,
  348. ISBN - 0-201-62277-7
  349.  
  350. Other books well worth the read include:
  351.  
  352. "THE HARD DISK SURVIVAL GUIDE" by Mark Minasi (1991)
  353. Sybex Inc.,
  354. ISBN - 0-89588-799-1
  355. A little dated, but full of useful information.  Hopefully there is a 
  356. revised and updated version.
  357.  
  358. "OFFICIAL SPINRITE II AND HARD DISK COMPANION" by J. M. Goodman, (1990)
  359. IDG Books Worldwide, Inc.,
  360. ISBN - 878058-08-8
  361. Current advances are not covered, but great explanation of drive basics.
  362.  
  363. "HARD DRIVE BIBLE" by Martin Bodo (1993)
  364. Corporate Systems Center (CSC)
  365. My copy is the sixth edition from April, 1993.  The first 50 pages of 
  366. the book should be of interest (though not always clearly organized). 
  367. The balance of the book (150 pages) is a listing of drive types and 
  368. jumper settings.  It's quite good, but keeping something like that 
  369. updated is virtually impossible.  
  370.  
  371. WARNING - DO NOT BUY - "The Data Recovery Bible" by Pamela Kane.
  372. Poorly organized material, most of which has nothing to do with data 
  373. recovery.  Waste of a good title if you ask me! 
  374.  
  375. ========================================================================
  376. ACRONYM DEFINITIONS:
  377. ========================================================================
  378.  
  379. IRQ (Interrupt Request) - Lines on the bus used to signal hardware 
  380. interrupts.
  381.  
  382. I/O (Input Output) - Peripherals accessible by the CPU through registers 
  383. at specific I/O addresses (or I/O ports).
  384.  
  385. PIO (Programmed Input Output) - Exchange of data between memory and 
  386. peripherals by means of Input Output commands.
  387.  
  388. DMA (Dynamic Memory Access) - Transferring data directly between memory 
  389. and peripherals without going through the CPU.
  390.  
  391. BUS ARCHITECTURES:
  392.  
  393. ISA (Industry Standard Architecture) - 8 bit and 16 bit expansion slots 
  394. used by PC, XT, and AT designs.  Often called IBM Standard Architecture.
  395.  
  396. EISA (Extended Industry Standard Architecture) - Developed by several 
  397. independent manufacturers (Compaq, AST, Zenith, Tandy, etc.) to 
  398. standardize 32 bit operation and combat IBM's MCA.
  399.  
  400. MCA (Micro Channel Architecture) - Expansion bus introduced by IBM in 
  401. 1987, used by some (but not all) PS/2 models.
  402.  
  403. PCI (Peripheral Component Interconnect) - High speed bus developed by 
  404. Intel to support the demands of Pentium and 486 based computers.
  405.  
  406. VLB (VESA Local Bus) - High speed, 32 bit extension to the ISA bus 
  407. promoted by the VESA (Video Electronics Standards Association).
  408.  
  409. DRIVE INTERFACES:
  410.  
  411. ST506/412 - Standard interface used on XT and AT drives and controllers. 
  412. Originally developed by Seagate Technologies to support their ST506
  413. (5 MB) and ST412 (10 MB) drives.  The entire controller mechanism is 
  414. located on a controller card and communications between the drive and 
  415. controller flow over 2 ribbon cables - one for drive control and one for 
  416. data.
  417.  
  418. ESDI (Enhanced Small Device Interface) - Developed by Maxtor in the 
  419. early 1980's as an upgrade and improvement to the ST506 design.  While 
  420. the drive does not have an embedded controller, one of the most critical  
  421. functions ,encoding-decoding, is performed on the drive.  This allows 
  422. for faster communications and higher drive capacities.  Uses the same 
  423. cabling as ST506 interface, but carries different signals on each line. 
  424.  
  425. SCSI (Small Computer System Interface) - Based on an original design by 
  426. Shugart Associates, SCSI is not specifically a drive interface, but a 
  427. method of allowing different devices to communicate with a PC.  For hard 
  428. drives the entire controller is built onto the drive PCB, allowing for 
  429. very high speed transfers to and from the drive.  Fully interpreted,  
  430. parallel data is then transferred to and from the PC by way of a single 
  431. cable through a bus interface that has configured the device as a hard 
  432. drive.
  433.  
  434. IDE (Integrated Drive Electronics) - A technology pioneered by Compaq 
  435. and Conner that embedded a controller onto the hard disk PCB while 
  436. maintaining compatibility with the register level commands sent by the 
  437. computer's INT 13 routines.  IDE drives are configured and appear to the 
  438. computer like standard ST506 drives.
  439.  
  440. ATA (AT Attachment) - Implementation of the IDE design with a 16 bit AT 
  441. style controller on board the drive.
  442.  
  443. XTA (XT Attachment) - Rarely used implementation of IDE with an 
  444. integrated 8 bit XT controller.
  445.  
  446. ATA-2 - Enhancement to the AT Attachment standard to provide for 
  447. considerable performance improvement and more sophisticated drive 
  448. identification.
  449.  
  450. EIDE (Enhanced IDE) and FAST-ATA - Various implementations of the ATA-2 
  451. standard as marketed by Western Digital (EIDE) and Seagate/Quantum 
  452. (FAST-ATA).
  453.  
  454. DATA ENCODING SCHEMES
  455.  
  456. MFM (Modified Frequency Modulation) - Common technique used to encode 
  457. the magnetic fluxes recorded on a drive into data.  Still used on floppy 
  458. drives and most original XT and AT systems.  Notice that most drive 
  459. types supported by the motherboard BIOS have 17 sectors per track.  This 
  460. is the standard density for MFM encoding. 
  461.  
  462. RLL (Run Length Limited) - Encoding method that allows 50% more 
  463. information to be recorded on a track than MFM.  Accomplished by 
  464. recording larger representations for every byte, but able to pack them 
  465. more tightly onto the surface, because of fewer actual flux changes.  
  466. Often called 2,7 RLL because the recording scheme involves patterns with 
  467. no more than 7 successive zeros and no less than two. 
  468.  
  469. ARLL (Advanced Run Length Limited) - More complex yet powerful 
  470. derivatives of the RLL scheme.  Include 1,7 and 3,9 encoding.  Most 
  471. every new drive made today uses some form of RLL or ARLL encoding.
  472.  
  473. ========================================================================
  474.  
  475.  
  476.  
  477.