Vše o PC

Pevný disk (HDD)

je to pevný disk ( HDD ) ?


Pevný disk (anglicky hard disk drive, HDD) je zařízení, které se pou?ívá v počítači k trvalému uchování vět?ího mno?ství dat.

Hlavním důvodem velkého roz?íření pevných disků je velmi výhodný poměr kapacity a ceny disku, doprovázený relativně vysokou rychlostí blokového čtení. Data se při odpojení disku od napájení neztrácí a počet přepsání ulo?ených dat jinými je prakticky neomezena.

Dnes se pevné disky kromě počítačů bě?ně pou?ívají i ve spotřební elektronice ? MP3 přehrávače, videorekordéry apod.

Organizace dat na pevném disku


Data jsou na povrchu pevném disku organizována do soustředných kru?nic zvaných stopy, ka?dá stopa obsahuje pevný anebo proměnný počet sektorů z důvodu efektivněj?ího vyu?ití povrchu - povrch je vět?inou rozdělen do několika zón, ka?dá zóna má různý počet sektorů na stopu. Sektor je nejmen?í adresovatelnou jednotkou disku, má pevnou délku (donedávna 512 byte na sektor, nyní by se ji? po domluvě výrobců měly vyrábět disky s 4 KB na sektor). Pokud disk obsahuje více povrchů, v?echny stopy, které jsou přístupné bez pohybu čtecí hlavičky se nazývají cylinder (válec). Uspořádání stop, povrchů a sektorů se nazývá geometrie disku.

Adresa fyzického sektoru na disku se skládá s čísla stopy (cylindru), čísla povrchu a čísla sektoru.

Pro přístup k datům disku se pou?ívá star?í metoda adresace disku CHS, která disk adresuje podle jeho geometrie (odtud název CHS - cylinder, head, sector). Hlavní nevýhodou je u osobních počítačů IBM PC omezená kapacita takto adresovaného disku (8GB) a nutnost znát geometrii disku. U disků vy??ích kapacit na rozhraní ATA, ji? neodpovídá zdánlivá geometrie disku skutečné fyzické implementaci (viz CHS).

Nověj?í metoda pro adresaci disku je (u rozhraní ATA) LBA, sektory se číslují lineárně. Není třeba znát geometrii disku, max. kapacita disku je a? 144 PB (144 miliónů GB). Rozhraní SCSI pou?ívá lineární číslování sektorů disku ji? od své první verze. Ostatní nověj?í rozhraní ji? převá?ně metodu jako je LBA pou?ívají.

Jak si nezničit HDD?


Proto?e pevné disky obsahují pohyblivé mechanické součásti, jsou náchylněj?í k poruchám ne? jiné součásti počítače. Zvlá?tě s bě?ícími disky je třeba zacházet velmi opatrně. Při mechanickém rázu (impulsu síly) se mů?e čtecí hlava dotknout povrchu disku, její? záznamová vrstva je velice citlivá na mechanické po?kození a proto se po?kozená oblast stane nečitelnou a data či celý disk jsou zničena.

Částečnou ochranou proti nárazu hlaviček do povrchu disku je tzv. parkování čtecích hlav. Při vypnutí disku se automaticky ulo?í hlavy mimo datovou oblast.

Pro zvý?ení bezpečnosti ulo?ených dat se zejména v serverech pou?ívá technologie RAID (dříve Redundant Array of Inexpensive Disks, dnes spí?e Redundant Array of Independent Disks - pole nezávislých disků s redundancí). RAID umo?ňuje spojit několik fyzických disků v jeden logický disk, kde je jeden nebo více disků redundantních a data jsou stále dostupná i v případě, ?e jeden z disků v poli sel?e.

Rozhraní pevných disků

Pro připojení pevných disků k počítači jsou pou?ívána různá rozhraní. V osobních počítačích je dnes nejroz?ířeněj?í ATA (Advanced Technology Attachment, co? je v podstatě synonymum názvu IDE Integrated Drive Electronics), které se někdy pro odli?ení od SATA nazývá PATA - ?paralelní ATA?. ATA rozhraní je relativně jednoduché a tedy i levné. ATA rozhraní má max. teoretickou přenosovou rychlost okolo 1Gb/s = 133MB/s, co? je při jednom připojeném disku dostačující, proto?e pevný disk obvykle doká?e vysílat data pouze rychlostí 640Mb/s = 80MB/s. Na jeden ATA kabel se ov?em dají připojit disky dva a pak se ji? přenosová rychlost ATA stává úzkým hrdlem.

Přenosové módy ATA (paralelní ATA)
Přenosový mód Standard Přenosová rychlost
PIO 0 ATA (IDE) 3.3 MB/s
PIO 1 ATA (IDE) 5.2 MB/s
PIO 2 ATA (IDE) 8.3 MB/s
PIO 3 ATA2 (EIDE) 11.1 MB/s
PIO 4 ATA2 (EIDE) 16.7 MB/s
UltraDMA 33 ATAPI-4 (UltraATA-33) 33 MB/s
UltraDMA 66 ATAPI-5 (UltraATA-66) 66 MB/s
UltraDMA 100 ATAPI-6 (UltraATA-100) 100 MB/s
UltraDMA 133 ATAPI-7 (UltraATA-133) 133 MB/s


Nově se prosazuje sériová verze Serial ATA (SATA). Výhodou SATA je o něco vy??í rychlost; vy??í inteligence řadiče, umo?ňující optimalizaci datových přenosů (NCQ); mo?nost připojování disků za chodu systému a men?í rozměry kabelů, které nebrání toku vzduchu ve skříni a tedy zlep?ují chlazení počítačů. Z hlediska operačního systému je řízení disků pomocí tohoto rozhraní shodné s paralelní ATA.

Přenosové módy SATA
Přenosový mód Standard Přenosová rychlost
SATA 1 SATA (SATA/150) 150 MB/s
SATA 2 SATA II (SATA/300) 300 MB/s


Pro dosa?ení vy??ího výkonu (předev?ím počtu operací za sekundu) pou?ívá rozhraní SCSI (čti [skazi], zkratka Small Computer System Interface) nebo nověj?í rozhraní Fibre Channel. Na jedno rozhraní (resp. kabel) je mo?né připojit více periférií. SCSI navíc podporuje periférie různých typů. Max. délka propojujícího kabelu je u SCSI obecně vět?í ně? u standardu ATA/IDE. SCSI rozhraní je mnohem sofistikovaněj?í ne? ATA/IDE, co? samozřejmě znamená vy??í cenu jak řadičů v počítači tak i samotných pevných disků a proto je pou?íváno zejména u serverů a pracovních stanic.

Standardy SCSI
Rozhraní Sběrnice Přenosová rychlost
SCSI 8bit 5 MB/s
Fast SCSI 8bit 10 MB/s
Wide SCSI 16bit 10 MB/s
Ultra SCSI 8bit 20 MB/s
Ultra Wide SCSI 16bit 40 MB/s
Ultra 2 SCSI 8bit 40 MB/s
Ultra 2 Wide SCSI 16bit 80 MB/s
Ultra 3 SCSI 16bit 160 MB/s
Ultra 320 SCSI 16bit 320 MB/s
SAS SCSI 32bit 375 MB/s (v ka?dém směru)

Pro externí disky (umístěné mimo skříň počítače) se pou?ívají rozhraní USB (Universal Serial Bus) či FireWire (IEEE 1394) a od roku 2004 i eSATA.

Hudba budoucnosti

V budoucnostu budeme nejspí? zcela bez pevných disků. Budou se nejspí?e vyu?ívat velké flash paměti a je?tě kapku později vyu?ití memory resistoru (memristor)(co? je vlastně stálá pamě?, s přenosovou rychlostí paměti RAM. Vyvinuta byla poměrně nedávno (kolem 7.5. 2008 jsem se o tom dozvěděl) a na svědomí ji mají vývojáři z Hewlett-Packard.).

Pojmy ve světe pevných disků



Médium, na něm? jsou ulo?ena data

Datové médium pevného disku je slo?eno z tuhých kotoučů (pou?ívá se i název plotna) umístěných v několika patrech nad sebou. Data se zapisují do magnetické vrstvy nanesené na ka?dý jednotlivý kotouč.


Magnetické hlavy

S magnetickém povrchem disků pracují magnetické čtecí/zápisové hlavy. Ve skutečnosti se hlavy při čtení dat plotny vůbec nedotknou, ale vzná?ejí se několik mikrometrů vysoko nad plotnami, a proto i drobné zrnko prachu by mohlo způsobit rýhu v disku a tím pádem znehodnocení dat. Vzná?ení hlav zaji??uje aerodynamický vztlak vznikající nad roztočeným diskem.


Mechaniku pohybující hlavami

Mechaniku pohybující hlavami zaji??uje, aby se hlava dostala na příslu?né místo na disku, kde jsou ulo?ena data. Hlava pak jenom počká na po?adované otočení a načte data. Z kraje směrem doprostřed disku doká?e mechanika pohnout a? 50x za sekundu.

Motorek točící diskem

Zaji??uje otáčení plotny rychlostí a? 10 000x za minutu, průměrný disk 7200x za minutu a star?í disky 5400x za minutu.

Řadič

Řadič najdeme při?roubovaný na spodní straně disku. Vysílá informace mechanice pohybující hlavami, kde jsou dané data. Podle toho se mechanika pohybuje.

Deska rozhraní

Deska rozhraní zaji??uje připojení disku k základní desce (ta není umístěna v pouzdře disku, ale zpravidla ji najdeme integrovanou na základní desce.

Fyzická organizace dat

Povrch disku je poměrně rozsáhlý prostor. Pokud tedy operační systém po?aduje od disku data, musí je na povrchu vyhledat řadič. Ten potřebuje znát přesnou geometrickou polohu zapsaných dat. Proto si povrch disku rozdělí na stopy (soustředné kru?nice), do kterých si údaje zapisuje. Ka?dá stopa je navíc příčně rozdělena na sektory.


Hlavy a cylindry

Úkol magnetických hlav je zřejmý - zapisují a čtou data. Nad ka?dým povrchem "létá" jedna hlava. Má-li pevný disk 5 kotoučů, mů?e mít a? 10 hlav (ka?dý kotouč má dva povrchy), ale mů?e jich mít i méně, proto?e krajní kotouče nemusí mít nutně povrchy z obou stran.

V?echny hlavy jsou umístěny na společném rameni. Pokud řadič posune hlavu číslo 3 patřící (třetímu povrchu) nad stopou 134, posunou se i hlavy nad ostatními kotouči nad stopu 134 "svého" povrchu. Stejným stopám na různých povr?ích se říká cylindr, občas i válec.

Práce mechaniky hlav je zalo?ena na dvou principech:

Star?ím, méně spolehlivým vystavovacím mechanismem je krokový motorek. Jedno pootočení motorku znamená jeden příčný krok hlavy (posun o jednu stopu). Pokud chce řadič posunout hlavami o 5 stop, pootočí se motorek o úhel odpovídající pěti krokům. Při počtu několika set stop musí být mechanismus velice přesný, aby v?dy najely nad správnou stopu. Celý mechanismus mů?e po několika letech provozu trochu změnit svoje parametry a disk přestane být spolehlivý. Dnes se ale tato mechanika nepou?ívá.

Druhý, spolehlivěj?í princip, který se vyskytuje téměř u v?ech dnes nabízených pevných disků, se nazývá vystavovací cívka (VOICE COIL). Průchod proudu cívkou způsobí vychýlení cívky úměrné velikosti procházejícího proudu. Je zde vyu?ito zpětné vazby - hlavička čte svou polohu z disku a na základě této informace řídící elektronika přidá nebo ubere proud potřebný k vychýlení. VOICE COIL má je?tě jednu výhodu - Je toti? samoparkovací. Po náhlém výpadku napájení se toti? hlavy samovolně (díky pru?ince) do parkovací zóny. Krokový motorek k tomuto účelu potřebuje zvlá?tní elektronické obvody. Zdokonalováním prochází také hlava, která se rozdělila na čtecí a záznamovou. Zatímco záznamová hlava pracuje stále na induktivním principu, byla pro čtecí hlavu vyvinuta nová technologie MR - Magneto Resistive (firma IBM). MR hlava čte data jako sled změn odporů vyvolávaných rozdílnou orientací magnetického pole. Nový způsob čtení dat je o poznání rychlej?í, ne? původní induktivní metoda. Jeho dal?í výhodou, je nepatrná velikost čtecí hlavičky, která dovoluje velkou přesnost vystavením. Tím se zabrání tomu, aby data ulo?ená v sousední stopě ru?ivě ovlivňovala daný signál.

Teplotní kalibrace (therminal calibration)

U velkokapacitních disků s velkou hustotou stop je nutné umístit hlavy nad stopy s velkou přesností. Během práce se v?ak disk ohřeje a vystavování hlaviček by vlivem teplotních výkyvů nebylo přesné. Proto disk pravidelně kontroluje polohu hlavičky nad stopou a provádí případné korekce její polohy.

Přístupová doba (access time)

Vyjadřuje rychlost, s ní? disk vyhledává data. Je součtem dvou časů: doby vystavení a doby čekání. Její hodnota se pohybuje okolo 10ms.


 


Doba vystavení (seek time)

Je časem nutným k pohybu hlav nad určitou stopou. Hlavy vět?inou "přelétávají" pouze několik stop (málokdy celý disk), a tak je doba vystavení definována jako jedna třetina času potřebného pro pohyb přes celý disk.

Některé firmy označují dobu vystavení také jako Track-to-Track Seek. U moderních disků se pohybuje mezi 2 - 4 ms. Výrobci pevných disků se přirozeně sna?í dobu vystavení minimalizovat. Proto zápis probíhají po cylindrech, nikoli po stopách. Jestli?e se například daty zaplní 759. stopa prvního povrchu, bude zápis pokračovat v 759. stopě povrchu dva - doba vystavení pak bude nulová.

Doba čekání (rotary latency period)

I přesto, ?e hlava se dostane nad správnou stopu, nemů?e je?tě začít se čtením. Musí toti? počkat, a? se pod ni dotočí ten sektor, v něm? má začít číst data. Doba čekání zále?í na náhodě, ale jako technická hodnota se uva?uje jedna polovina otáčky disku.

Rovně? dobu čekání chtějí výrobci sni?ovat. Cesta je k tomu jednoduchá - zvý?it otáčky disku. Dlouho pou?ívané otáčky 3600 ot/min jsou minulostí. Otáčky mají přímou spojitost s produkcí ne?ádoucího tepla. Čím více otáček, tím více tepla produkuje. Od 10 000 ot/min je nutné disk chladit pomocí přídavného chladiče.

otáčky doba jedné otáčky typické pou?ití
3600 ot/min 16,66 ms Compact Flash disky
3800 ot/min 15,79 ms star?í pevné disky 2,5"
4000 ot/min 15,00 ms star?í pevné disky 2,5"
4200 ot/min 14,26 ms pevné disky 2,5"
4500 ot/min 13,33 ms star?í pevné disky 2,5"
4900 ot/min 12,25 ms pevné disky 2,5"
5400 ot/min 11,11 ms levné pevné disky 3,5"
7200 ot/min 8,33 ms rychlé pevné disky 3,5"
10000 ot/min 6,00 ms velmi rychlé pevné disky 3,5"
15000 ot/min 4,00 ms nejrychlej?í pevné disky 3,5"

Prokládání (interleave)

Byla dal?í metodou sni?ování doby čekání. Při četní se přečtou data z jednoho sektoru, musí se odeslat přes řadič a BIOS operačnímu systému, který je dále předá aplikačnímu programu. Ten informace zpracuje a po?ádá operační systém o nové údaje. Operační systém se obrátí na BIOS a řadič, který zorganizuje načtení dal?ího sektoru.

Mezitím se v?ak disk pod hlavou pootočí a ta ji? nestihne začátek následujícího sektoru. Musí tedy počkat (téměř celou otáčku), a? se pod ni sektor zase dostane. Takové čekání mů?e disk značně zpomalit. Proto bylo zavedeno , které ukládá data přes sektory. Tabulka ukazuje prokládání 1:2, při zápisu se data ulo?í do logických sektorů - následující údaje budou zapsány s vynecháním jednoho sektoru. Během zpětného četní dat bude dostatek času na zpracování přečtených údajů. Hodnota prokládání se postupně sni?ovala od původních 1:6 a? a dne?ní 1:1 (tj. fyzický a logický sektor jsou stejné).

Fyzický sektor 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Logický sektor 0 9 1 10 2 11 3 12 4 13 5 14 6 15 7 16 8