Technologie, parametry, vlastnosti, principy pevného disku

Konstrukce pevného disku

Obrázek  ukazuje základní části disku.

Obrázek  ukazuje bližší pohled na hlavu pevného disku.

Vysvětlivky

• eight tracks (one on each head) make one cylinder - osm stop, každá na jednu hlavu, tvoří jeden cylindr

• acruator shaft - osa vystavovacího mechanismu

• voice coil - vystavovací cívka

• magnet - magnet

• magnet housing - zapouzdření magnetu

Organizace dat na disku

• data se na disku organizují do sektorů, stop a cylindrů

• stopy - soustředné kružnice, stovky na jednom povrchu, jsou číslovány (0 - vnější stopa) cca 3kB dat/1 stopu

• cylindr - je tvořen stopami se stejným číslem na deskách

• sektor - 512B, až 63 sektorů/1 stopu

Technologie záznamů dat na disk

Záznam na disk

• magnetická vnější sekundární paměť

• pevný disk je deska z hliníkové slitiny nebo plastické hmoty, na povrchu je nanesena tenká magnetický vrstva (oxid železa). Disk se otáčí zpravidla 7200 nebo 10000 ot/min. Nad ním plave ve vzdálenosti cca 0,5um čtecí a zápisová (jedna) hlava

• k zápisu dat dojde tak, že magnetické pole otáčí magnetické domény v magnetické vrstvě jedním, nebo druhým směrem

• při čtení se zaznamenají změny ve směru otáčení a z nich se rekonstruují data (viz další kapitoly)

• kontakt hlavy s povrchem disku je nežádoucí, neboť hlava je tvrdší a může tak poškodit disk (ztráta dat).

• průměr disku původně 5,25“ (≈13cm), nyní 3,5“ ( ≈9cm). Výška disku se postupně snižuje z původních ≈7cm (3“) až k 2,5cm (1“), případně ¾“ (≈2cm).

• zmenšování rozměrů přitom vedlo k nárůstu kapacity, což bylo dáno zejména zvládnutím technologie záznamu s vyšší hustotou.

• uvedená technologie pevných disků dostala název Winchester: firma IBM má laboratoře ve městě Winchester > vyvinutý modul dostal označení IBM „30-30“ (2x30MB), což je shodné s číslováním světoznámého kulového náboje do pušky Winchestrovky

Technologie podélného zápisu

• jednotlivé bity ukládány na plochu disku (možno uchovat 150Gb dat na plochu 1 palce²)

• nedaří si při hustším zápisu držet izolovaná pole od sebe

• viz obrázek podélného zápisu dat

Technologie kolmého zápisu

• označení kolmého zápisu PMR – Perpendicular Magnetic Recording

• oproti podélnému zápisu (LMR – Longitudinal Magnetic Recording) šetří hodně místa

• PMR zapisuje data pomocí magnetizování povrchu plotny pevného disku (orientace mag. pole zastupuje log. „1“ nebo log. „0“)

• kolmá orientace pole zmagnetizovaného materiálu na povrch plotny

• tato technologie značně zvyšuje kapacitu pevných disků (bity se umisťují blíže k sobě)

• maximální kapacita disku se pohybuje okolo 6 TB

Princip a rozdíly názorně zachycuje obrázek vrchní obrázek znázorňuje podélný zápis a spodní obrázek kolmý zápis [51].

Technologie HAMR

• HAMR – Heat-Assisted Magnetic Recording

• tepelně asistovaný magnetický zápis (pomocí laseru)

• maximální kapacita disku se pohybuje okolo 30 – 40 TB

• v zápisové hlavě integrován laser

• před zápisem laser krátce zahřeje záznamovou vrstvu na velmi malé ploše (400°C)

• díky zahřátí má záznamová hlava jednodušší změnu orientace mag. částic

• ochlazením se zapsaná data ustálí

• přenosová rychlost čtení okolo 400 až 500 MB/s 

Na obrázku lze vidět technologii zápisu HAMR [52].

Technologie NCQ

• NCQ – Native Command Queuing (přirozené řazení požadavků)

• funkce: řadič disku (ovladač) si sám zvolí pořadí požadovaných dat pro efektivnější přístup k datům

• cílem je co nejméně otáček plotny disku a co možná nejmenší přesuny čtecí hlavy

[51] BIEZL. Wikipedie [online]. 25.5.2009 [cit. 1.4.2017]. Dostupný na WWW: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8a/Perpendicular_Recording_Diagram.svg/538px-Perpendicular_Recording_Diagram.svg.png

Licence - volné dílo

[52] NAJOBIČNIJIKORISNIK. Wikipedie [online]. 5.5.2016 [cit. 1.4.2017]. Dostupný na WWW: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/28/HAMR.png

Licence - CC0

[53] VITA.JINDRA~COMMONSWIKI. Wikipedie [online]. 4.5.2010 [cit. 1.4.2017]. Dostupný na WWW: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/27/Native_Command_Queuing_CZ.svg/800px-Native_Command_Queuing_CZ.svg.png

Licence - CC BY-SA 2.5

Parametry pevných disků

Kapacita disku

• udává max. množství dat, které lze uložit na disk, nejčastěji v GB nebo v TB

Počet otáček za minutu

• nejčastější pevné disky s otáčkami 5 400 ot./min., 7 200 ot./min., 10 000 ot./min., případně 15 000 ot./min.

• disky s nízkými otáčkami jsou vhodné do notebooků, případně do externích pevných disků, kde je potřeba spolehlivější zápis, časté využití také u kamerových záznamových zařízení

• disky s vyšším počtem otáček 10 000 a 15 000 jsou často využívané v serverech, kde je potřeba vysoká rychlost čtení, která se dosáhne díky vysokým otáčkám, nevýhoda těchto disků je ovšem jejich hlučnost

• střední otáčky 7 200 jsou nejčastěji využívané pevné disky do stolních počítačů, NASů atd.

Přístupová doba

• doba od zadání požadavku řadičem disku pro vyhledání konkrétní informace, až do momentu vystavení informace z pevného disku

• jednoduše řečeno, pokud jste v knihovně a někdo Vám zadá vyhledat literaturu, přístupová doba znamená, za jak dlouho od zadání mu ji předáte do ruky

Vyrovnávací paměť

• velikost paměti pro průběžné ukládání dat na disk, při čtení dat je nejprve prohledávaná cache (vyrovnávací paměť) a až poté se hledá na samostatných plotnách

• tento parametr ovlivňuje výkonnost pevného disku

Rozhraní disku

IDE 

• vzniklo na počátcích 80. let od firmy Western Digital (používáno dnes ve starších počítačích)

• rozhraní používané také pro optické mechaniky

• správné označení je EIDE - dvojice datových kanálů, kde díky nim mohla pracovat 2 zařízení na jednom kabelu bez toho, aniž by kolidovaly - 3 režimy: 

• Master
• Slave
• Cable Select

• maximální přenosová rychlost dosahovala na 40 vodičovém kabelu 100MB/s, na 80 vodičovém kabelu až 133MB/s

Obrázek IDE konektoru a 80 pinového kabelu.

SCSI

• nejčastěji využívané rozhraní u pracovních stanic (využívané pro připojení pevných disků, skenerů, apod.)

• každé zařízení dostalo své SCSI ID po připojení - maximálně bylo možno připojit až 15 zařízení + 1 řídící

• maximální rychlosti posledních zařízení dosahovali až 640MB/s

SATA

• nástupce dnes již dosluhujícího EIDE rozhraní, vytvořeno s důrazem na jednoduchost a daleko rychlejší provoz

• dnes nejvyužívanější možnosti připojení pevných disků

• lze odpojit disk za běhu, v systému se inicializuje opětovným načtením ve správci zařízení nebylo potřeba restartovat počítač

• SATA 1 - dosahuje rychlostí 150MB/s

• SATA 2 - dosahuje rychlostí 300MB/s

• SATA 3 - dosahuje rychlostí 600MB/s

• postupem času znásobení propustnosti pro zvýšení rychlostí

Ukázka SATA konektoru na základní desce.

Technologie SMART

S.M.A.R.T. – Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (technologie sloužící k monitorování, analyzování a hlášení chyb)

Na obrázku lze vidět disk, který je v pořádku. Při SMART testování lze otestovat přístupovou dobu jednotlivých sektorů viz mapa na pravé straně.

• sleduje vlastnosti a chování disku

• pevný disk předává informace o stavu disku přes OS13 do SMART aplikace, ta informuje nebo upozorňuje uživatele

• SMART vyhodnocuje

• o předvídatelná poškození (výška diskových hlaviček nad médiem, počet vadných sektorů na disku, ECC14 – kód pro opravu chyb a jejich počet, čas potřebný k roztočení ploten, teplotu, datovou propustnost disku)

• o nepředvídatelná poškození (poškození disku statickou elektřinou, mechanické poškození disku, poškození nadměrnou teplotou disku)