home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Libris Britannia 4 / science library(b).zip / science library(b) / INFO / DISK_ART.ZIP / DISKS2 < prev    next >
Text File  |  1989-06-09  |  17KB  |  297 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.         ╔══════════════════════════════════════════════════════════════╗
  6.         ║                                                              ║
  7.         ║                       A Hard Disk Drive                      ║
  8.         ║                              for                             ║
  9.         ║                     Steve's Dream Machine                    ║
  10.         ║                                                              ║
  11.         ║                              by                              ║
  12.         ║                         Steve Gibson                         ║
  13.         ║                  GIBSON RESEARCH CORPORATION                 ║
  14.         ║                                                              ║
  15.         ║     Portions of this text originally appeared in Steve's     ║
  16.         ║               InfoWorld Magazine TechTalk Column.            ║
  17.         ║                                                              ║
  18.         ╚══════════════════════════════════════════════════════════════╝
  19.  
  20.  
  21.  
  22.         I love hard disk storage, it's elegant, amazing, tricky,
  23.         logical, and completely understandable. So let's begin by
  24.         discussing one of my favorite aspects of modern personal
  25.         computer architecture, and some critical components of Steve's
  26.         Dream Machine... the Hard Disk Storage Sub-System.
  27.  
  28.         We all want several things from our hard disk systems: High
  29.         Speed, High Capacity, Low Cost, and High Reliability. I've found
  30.         a unique combination of hard disk and controller, for any
  31.         machine with a 16-bit I/O bus, which delivers all four in
  32.         spades.
  33.  
  34.         The performance of a hard disk system is determined by two
  35.         simple and separate things: The average time required to begin a
  36.         data transfer and the speed of that transfer once it begins.
  37.  
  38.         In my opinion the world is completely seek-performance crazy.
  39.         When someone asks "How FAST is that drive?" they're speaking
  40.         only of the average seek performance. Sure it's a factor, but
  41.         it's FAR from being the most important issue. What matters much
  42.         more is the CONTROLLER's data encoding format, minimum
  43.         achievable sector interleave, head switching behavior, and
  44.         believe it or not, the number of heads on the drive!
  45.  
  46.         DOS numbers a disk's sectors sequentially from the outside
  47.         inward. When it wants to read or write a sector, it first
  48.         determines where the sector is located on the drive then sends
  49.         the heads to that location. This means that the issue is not
  50.         how long it takes a drive to move its heads to cylinder 100, but
  51.         rather how long it takes to move them to SECTOR NUMBER X.  For
  52.         different drives these can be very different questions.
  53.  
  54.         For example, let's take the ubiquitous Seagate ST225 20 megabyte
  55.         hard disk drive as our baseline. It can't handle RLL encoding,
  56.         so it's limited to 17 sectors per track. It also has four heads
  57.         for four tracks per cylinder. Therefore this drives has a
  58.         CYLINDER DENSITY of 17 times 4, or 68 sectors per cylinder.
  59.  
  60.         Now let's compare this with the Steve's Dream Machine drive, the
  61.         MiniScribe 3650. This lovely half-height drive handles RLL
  62.         encoding without a hiccup for 26 sectors per track, and its 6
  63.         heads combine to deliver a cylinder density of 156 sectors per
  64.         cylinder.
  65.  
  66.         In other words, the 3650 packs 2.29 times more sectors into each
  67.         cylinder than the ST225. DOS's sector numbering scheme means
  68.         that the 3650 needs to move its heads 2.29 times less far, or
  69.         about 44% the distance of the ST225!
  70.  
  71.         So while the Miniscribe drive might appear to be slow, with its
  72.         head positioner rated at 61 milliseconds average access time, if
  73.         we compare apples to apples, using the ST225's 65 millisecond
  74.         speed as a reference, the 3650 is equivalent to a ST225 drive
  75.         with a 26 millisecond actuator!
  76.  
  77.         In order to correctly compare hard drive access times, I
  78.         designed an index which takes all of these factors into account
  79.         and which can be used to correctly rate any drive. I call it the
  80.         Real Sector Access Factor, or RSA Factor.
  81.  
  82.         To determine it for any drive simply multiply the sectors per
  83.         track (17 for MFM encoding, 26 for RLL) by the drive's head
  84.         count, then divide by the drive's average seek time. This yields
  85.         an index which is completely compensated to account for cylinder
  86.         density and allows drives to be correctly compared.
  87.  
  88.         The RSA Factor for the ST225 is 1.04, versus 2.55 for the
  89.         Miniscribe 3650. The Seagate ST238 with its RLL encoding comes
  90.         in with a 1.60 and the ST251 with its 40 millisecond average
  91.         access ranks an RSA Factor of only 1.70. As these numbers
  92.         demonstrate, it's important to compare apples to apples when
  93.         evaluating drive specifications. The "sluggish" 3650 even beats
  94.         out the "swifter" ST251 when compared correctly.
  95.  
  96.         In the case of average sector access times, the actual distance
  97.         the heads must move is really determined by the number of
  98.         sectors the drive and controller are able to stuff onto each
  99.         cylinder, not by shaving milliseconds from average access times.
  100.  
  101.         The Miniscribe 3650 is not quite officially RLL certified,
  102.         though I hear rumors that it's about to be, simply because it
  103.         works so well. I've tested many of them myself, and the bright
  104.         boys at Northgate Computer Systems (who turned me on to this
  105.         drive in
  106.         the first place) are shipping thousands with RLL controllers in
  107.         their 286 AT compatibles. They've had no problems. I'm quite
  108.         comfortable with the 3650 and RLL encoding.
  109.  
  110.         Finally, the 3650 is rated as having 809 cylinders, though it
  111.         actually has 852. I've been low-level formatting mine out to 842
  112.         cylinders. Then, under DOS 3.3 with RLL encoding, you get two
  113.         MAXIMUM SIZE 33.4 megabyte DOS partitions! They couldn't be any
  114.         bigger! Sixty-seven fast megabytes in an inexpensive half-height
  115.         drive is hard to beat!
  116.  
  117.         Okay, so we've defined the real performance of a hard disk sub-
  118.         system to be: The average time required to begin a data
  119.         transfer, and the time required to preform the transfer once it
  120.         has started. We then examined the first of these terms and saw
  121.         that the data encoding technology (MFM or RLL) and the drive's
  122.         head count both dramatically affect the system's actual head
  123.         seek performance since they determine the average distance the
  124.         head must move to get to the proper DOS sector. Now we'll examine
  125.         the second determiner of hard disk system performance, the actual
  126.         data throughput.
  127.  
  128.         Many tricky and interacting issues determine a hard disk
  129.         system's delivered data throughput, but none of them are very
  130.         tough to understand.
  131.  
  132.         The raw data that rotates underneath our hard disk's heads
  133.         moves at quite a clip. Data bits that are encoded with Modified
  134.         Frequency Modulation (MFM) technology flow to and from the
  135.         drive's head at 5 million bits per second, and Run Length
  136.         Limited (RLL) encoding moves its data at 7.5 million bits per
  137.         second. After subtracting the inter-sector gap intervals and
  138.         sector addressing overhead, this translates to 522,240 bytes of
  139.         real data per second for MFM and 798,720 bytes per second for
  140.         RLL.
  141.  
  142.         Unfortunately the hard disk controllers and motherboards used in
  143.         PC, XT, and most current generation AT computers are completely
  144.         unable to keep up with data flowing at this rate. So the
  145.         practice known as SECTOR INTERLEAVING was invented to slow
  146.         things down to a rate which our computers can handle. Sector
  147.         interleaving spaces successively numbered sectors out around the
  148.         disk so that our slower hard disk controllers and computers can
  149.         digest the prior sector before the next one begins. Failing to
  150.         space the sectors far enough apart incurs the substantial delay
  151.         of waiting for the disk to spin all the way around again.
  152.  
  153.         The original IBM XT's hard disk was interleaved at 6-to-1 (6:1)
  154.         which meant that 1/6th of the track's sectors were read during
  155.         each revolution of the disk and that six revolutions were
  156.         required to read a single 17-sector track. This also meant that
  157.         the original XT's effective data transfer rate was 522,240
  158.         divided by 6, or 87,040 bytes per second. Not very exciting.
  159.  
  160.         Even today things are frequently not much better. I have upset
  161.         Western Digital in the past by reporting that most of the
  162.         machines I had tested were not fast enough for the default 3:1
  163.         sector interleave they were using on their MFM controller with
  164.         the result that only one sector was being transferred for each
  165.         revolution of the disk. This of course resulted in horrible
  166.         30,720 byte per second throughput. The fact is that most of
  167.         today's XT and AT machines are using MFM encoding with an
  168.         interleave of 3:1 or 4:1 and delivering unexciting throughputs
  169.         of 174,080 or 130,560 bytes per second respectively.
  170.  
  171.         When I wrote a series of columns on hard disk performance, I
  172.         reported that RLL encoding was "not here yet" but that I was sure
  173.         it would be a good thing and that we were only premature, rather
  174.         than wrong, about its ultimate viability.  Well, I'm delighted to
  175.         report that RLL encoding is FINALLY
  176.         REALLY HERE! The controllers have their acts together and
  177.         reliable and robust RLL drives are readily available. If
  178.         horrible experiences set you forever against RLL, I strongly
  179.         advise you to re-address the issue. As long as you
  180.         choose your drive and controller carefully, you won't have any
  181.         trouble.
  182.  
  183.         Aside from cramming more data into a drive, RLL also increases
  184.         the real seek performance of any drive. Remember our discussion
  185.         of Real Sector Access (RSA) Factor. Raising the drive's cylinder
  186.         density by 150% drops its average seek times to just 66% of what
  187.         they would be with MFM encoding. And since the drive's data is
  188.         encoded at 150% density, the raw data rate from the drive is 150%
  189.         higher.
  190.  
  191.         However, a higher data rate from the drive doesn't help us much
  192.         if we must immediately water it down with a large sector
  193.         interleave. Western Digital's latest 1002A-27X 8-bit RLL
  194.         controller defaults to an unexciting interleave of 4:1,
  195.         delivering 199,680 bytes per second throughput which beats an
  196.         MFM controller with 3:1... but not by much.
  197.  
  198.         The great news is that we're just beginning to see some really
  199.         hot (and inexpensive) hard disk controllers which are fully able
  200.         to keep up with a 1-to-1 interleaved disk for the delivery of
  201.         screaming 798,720 byte per second data transfer rates! That's
  202.         just shy of 0.8 megabytes per second!
  203.  
  204.  
  205.         I've explained my choice of hard disk drive for Steve's Dream
  206.         Machine. The Miniscribe 3650 is very inexpensive (several booths
  207.         at a recent Southern California swap meet were selling them for
  208.         between $290 and $300), it's half height (so you can have a pair
  209.         of them!), utterly capable of handling RLL encoding, and places
  210.         six heads under the control of a 61 millisecond (average seek)
  211.         stepping motor positioner.
  212.  
  213.         Twenty-six sectors per track and six tracks per cylinder give the
  214.         3650 a cylinder sector density which is 2.29 times higher than a
  215.         typical four head MFM drive, so it actually performs like a
  216.         drive with a 26 millisecond average seek time because the heads
  217.         only need to move 44% as far to get to the same sector.
  218.  
  219.         Even though Miniscribe says the drive has only 809 cylinders it
  220.         actually has 852 physically and I've been formatting all of mine
  221.         out to 842. Northgate Computer accepted my suggestion and has
  222.         been doing the same to hundreds of theirs also without hitch, so
  223.         I'm quite comfortable suggesting this to everyone.
  224.  
  225.         I run under DOS version 3.3 because it's able to split the drive
  226.         into two MAXIMUM SIZE 33.4 megabyte partitions WITHOUT the need
  227.         for any messy third-party partitioning software. This yields a
  228.         "C" and "D" partition of 33.4 megabytes respectively or 67
  229.         megabytes overall!
  230.  
  231.         So what about a hard disk controller? Well in this day and age
  232.         there's no excuse for NOT going with RLL and a 1:1 sector
  233.         interleave. So let me make this point quite clear. First, even
  234.         though disks seem to be spinning quite fast, they're really
  235.         quite slow. 3600 RPM is only 60 revolutions per second, which is
  236.         16.67 milliseconds per revolution.
  237.  
  238.         Now imagine that we wish to read or write a moderate size file
  239.         of 26K bytes. Since sectors are 512 bytes, 26K bytes requires 52
  240.         sectors. On an MFM format drive with 17 sectors per track this
  241.         fills 3 tracks. A typical interleave of 4:1 requires 12 disk
  242.         revolutions, for a total transfer time of 0.2 seconds. However
  243.         an RLL controller with 26 sectors per track and 1:1 interleaving
  244.         moves the same 52 sectors in just two revolutions or 0.033
  245.         seconds. Two revs versus twelve... or SIX TIMES FASTER!
  246.  
  247.         I'm delighted to tell you that choosing a hard disk controller
  248.         was quite simple, because nothing even comes remotely close to
  249.         Adaptec's model 2372 masterpiece. In the first place, it REALLY
  250.         handles a SUSTAINED 1:1 interleave. Other 1:1 controllers may
  251.         grab an entire track in one revolution, but they're then unable
  252.         to continue with the next track immediately afterward.
  253.         Consequently the system's performance drops by half to that of a
  254.         2:1 interleaved drive. The Adaptec sustains 798K bytes per
  255.         second across multiple tracks.
  256.  
  257.         Secondly, you don't need a 16 megahertz 386 system. Any AT
  258.         compatible can achieve screaming 800,000 bytes per second
  259.         transfers with this controller. It comes in two flavors, the
  260.         2372 handles two hard drives as well as two high or low density
  261.         floppy drives and the 2370 just handles two hard drives.
  262.  
  263.         The built-in low-level formatting software has to be seen to be
  264.         believed. It's the cleanest and most comprehensive of any I've
  265.         ever seen. If you want to run with multiple partitions, or a
  266.         partition larger than 33 megabytes it will actually create the
  267.         required CONFIG.SYS driver by "downloading" it from its own ROM
  268.         onto the root directory of the hard disk! Unbelievable.
  269.  
  270.         Finally, and most incredibly, it is so compatible with the
  271.         standard AT hard disk MFM-style chip sets that it DOESN'T
  272.         REQUIRE ANY ROM BIOS WHATSOEVER up there in the high memory
  273.         "twilight zone!" After booting and initializing itself, the ROM
  274.         is never again used. This means that the "twilight zone" region
  275.         is not reduced in size and fragmented. Then utilizing Steve's
  276.         Dream Machine's memory manager, 386-to-the-Max, 225K of
  277.         completely free contiguous "twilight zone" memory is available
  278.         for loading TSRs and other resident software!
  279.  
  280.         Finally, by using a non-RLL capable Seagate ST225 drive and some
  281.         ruthless worst-case data pattern testing software I've
  282.         developed, I was able to quantitatively compare the robustness
  283.         of the RLL data separators used in all of the contending
  284.         controllers. The Adaptec 2372 is absolutely up at the top of the
  285.         heap of RLL reliability because it makes the Seagate ST225,
  286.         which is totally worthless for RLL in any case, look BETTER than
  287.         any of the other RLL controllers do. So I'm more confident of
  288.         the Adaptec with a real RLL drive than I would be with any of the
  289.         others.
  290.  
  291.                                    - The End -
  292.  
  293.  
  294.                      Copyright (c) 1989 by Steven M. Gibson
  295.                              Laguna Hills, CA 92653
  296.                             **ALL RIGHTS RESERVED **
  297.