17/50

Pevné disky

HDD je paměťová jednotka pro trvalé uchovávání dat s možností čtení, zápisu a mazání. Je tvořen několika kovovými (hliníkovými) disky sestavenými nad sebou. Každý disk má oba povrchy opatřeny magnetickou vrstvou (lehce zmagnetizovaným kysličníkem kovu) podobnou jako u magnetofonové pásky a na ní je ještě nanesena tenká vrstva maziva, chránící magnetickou vrstvu před poškozením. Každý povrch má samostatnou hlavu umožňující čtení, mazání a zápis. Hlavy jsou připevněny na rameno vystavovacího mechanismu a neseny tenkým vzduchovým polštářem se pohybují těsně nad povrchem. Z tohoto důvodu jsou všechny hlavy nastavovány nad stejnou stopu. Hlava ukládá data na stopu podobně jako magnetofon.

_

Základní parametry

Velikost
Průměr disků použitých ke konstrukci pevného disku
2"; 3½", 5¼"
Počet cylindrů
Počet stop na každém disku
300 - 3000
Počet hlav
Odpovídá počtu povrchů, na které se provádí záznam
2 - 256
Počet sektorů
Počet sektorů na každé stopě
8 - 64
Mechanismus vystavení hlav
jeho úkolem je vystavit hlavy nad požadovanou stopu. Důležitý je jeho pohon, který je dnes proveden pomocí vystavovací cívky – Voice Coil (v minulosti se používaly krokové motorky). Dvě cívky jsou umístěny v silném magnetickém poli permanentních magnetů. Přivedením elektrického proudu do cívek, vzniká jejich vlastní pole. Vzájemným silovým účinkem obou polí dochází k pohybu cívek i s raménkem, na jehož konci jsou hlavičky. K orientaci využívá zpětnou vazbu. Při ukončení práce s diskem a vypnutí počítače se hlavy musí přesunout do takzvané parkovací zóny (aby nedošlo k poškození povrchu plotny), kde po zastavení ploten dosednou na jejich povrch. Pro parkovací zónu bývá většinou vyčleněna nejvnitřnější stopa disku.
Přístupová doba
Doba, která je nutná k vystavení čtecích / zapisovacích hlav na požadovaný cylindr
jednotky ms
Přenosová rychlost
Počet bytů, které je možné z disku přenést za 1 sekundu
700 - 5000 kB/s -- dnes až 600 MB/s
otáčky motoru disku
kotouče se otáčí konstantní rychlostí udávanou v ot./min. (rpm)
nejstarší HDD 3600rpm, dnes typicky 7200rpm, (5200rpm), speciální disky pro náročné aplikace (např. do střediskových počítačů) až 15000rpm
Typ rozhraní
Určuje, jaký typ desky rozhraní musí být v počítači osazen, aby bylo možné tento pevný disk připojit
ST-506, ESDI, ATA, EIDE, SCSI, SATA
Metoda kódování dat
Způsob, kterým jsou data při zápisu na disk kódována
MFM, RLL
ZBR
Metoda, která dovoluje zapisovat na stopy, které jsou vzdálenější od středu pevného disku (jsou větší), vyšší počet sektorů
ANO / NE

Geometrie a organizace disku

_

A – plotny (kotouče s magnetickou vrstvou)
B – otočné raménko nesoucí všechny hlavy
C – záznamová a čtecí hlava (head)
D,E – cylindr (stopa, prochází všemi plotnami, tj. válec)
F – sektor (úhlová výseč se stopami)

Povrch
je plocha jedné strany kovového disku potaženého magnetickým materiálem.
Stopa
povrch je rozdělen na soustředné kružnice zvané stopy. Stopy disku bývají číslovány od nuly, přičemž stopa číslo nula je na vnějším okraji disku.
cylindr
Stopy stejného čísla na všech površích nad sebou tvoří tzv. cylindr.
sektor
stopa je rozdělena na jednotlivé segmenty (kruhové oblouky), ve kterých je uloženo 512 bitů informací. Dnes je velikost sektoru nejméně 4Kb...

Počet sektorů na stopě je/byl většinou konstantní na celém disku (17, 26, 34 a více). Sektory mají různou délku. Sektory blíže středu jsou menší než sektory na vnějším okraji. Přesto však všechny obsahují stejné množství dat.

Tento nedostatek byl zvolen pro jednodušší elektroniku diskové jednotky. Tento způsob do jisté míry plýtvá médiem, protože vnější stopy jsou delší a tudíž by se na ně mohlo umístit více sektorů. Existují však i pevné disky, u nichž se používá tzv. zonální zápis označovaný jako ZBR (Zone Bit Recording). Jedná se o metodu zápisu na pevný disk, která dovoluje umístit na vnější stopy pevného disku větší počet sektorů než na stopy vnitřní. ZBR tedy lépe využívá záznamové médium, ale způsobuje podstatně složitější přístup k datům. Sektory bývají číslovány od jedničky.

Alt text obrazku

Adresování Cylindr-Hlava-Sektor

Zkratka CHS, anglicky Cylinder-Head-Sector, česky stopa-hlava-sektor je starší způsob adresování sektorů pro přístup k pevným diskům počítačů. U nejstarších disků do kapacity cca 100MB odpovídala geometrie disku (počet válců, hlav a sektorů na stopu) adresaci pomocí CHS. Protože se u disků vyšších kapacit již nepoužívá konstantní počet sektorů na stopu, aby se lépe využila plocha disku, geometrie CHS ztrácí svůj původní význam.

Kapacita disků adresovaných metodou CHS je omezená maximálním rozsahem jednotlivých hodnot. Původně navržená struktura dat pro služby BIOSu IBM PC nepočítala s disky větší kapacity než cca 100 MB, bylo původně navrženo omezení na 1024 válců, 256 hlav (povrchů) a 64 sektorů dané rozsahem parametrů služeb BIOSu. Pro dosažení adresování disků vyšších kapacit (>120 MB) již není rozsah 1024 válců a 64 sektorů na stopu postačující a proto elektronika disků vyšších kapacit přemapovávala počet válců na vyšší počet hlav a dosažitelná kapacita byla cca 8 GB.

Například:
má-li HDD 639 cylindrů, 6 hlav při 17 sektorech na stopě, je jeho celková kapacita rovna $639 \cdot 6 \cdot 17 \cdot 512 = 33 371 136$ bytů, tj. 31.8 MB

Logical Block Addressing -- LBA

Logical Block Addressing (LBA) je metoda, při které se ve vnější paměti jednotlivé logické bloky s daty číslují lineárně (postupně) od 0 (nuly). Jeden logický blok (někdy též sektor) má v pevných discích velikost 512 bajtů, avšak SSD disky jej mají 1024 bajtů a optická média 2048 bajtů (CD-ROM, DVD) a novější pevné disky 4096 bajtů. Metoda adresace logických bloků pomocí LBA je nástupcem metody Cylindr-Hlava-Sektor (CHS), která byla používána dříve.

První logický blok na disku má adresu 0 (nula), další 1 atd. V základní variantě LBA je délka adresy 28 bitů, je tedy možné adresovat až $2^{28}$ sektorů, což při velikosti logického bloku 512 bajtů znamená maximální kapacitu disku 128 GiB. Pro větší pevné disky je používán nový standard ATA (konkrétně ATAPI-6, resp. ATA 100), který zavádí 48bitovou LBA adresu, takže je možné adresovat až 128 PiB (128 miliónů GB pro logické bloky velikosti 512 bajtů).

Technologie zápisu na HDD

Malý elektromagnet vytváří při ukládání dat magnetické pole v okamžiku, kdy řídící elektronika přivede na cívku hlavy napětí. Toto napětí nastaví elementární magnetické dipóly na povrchu desky do určitého směru. Tím se na povrchu vytvoří malá "bublina" magnetického pořádku. Pokud elektronika přivede na cívku opačné napětí, nastaví se elementární magnetické dipóly do opačného směru.

Při čtení probíhá opačný děj. Cívka hlavy se ponoří do magnetického pole a při následujícím vstupu do opačně orientovaného magnetického pole vzniká malé napětí na cívce. Čtecí hlava umí číst jen změnu magnetikého toku.

Zákon elektromagnetické indukce
$$u=\frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t} [\mathrm{V; Wb, s}]$$

Na disk se však neukládají jen data, ale také množství bitů pro detekci a opravy chyb.

Bity 1 se proto ukládají jako změna mag. toku a bity 0 jako nezměněný mag. tok. Pokud následuje za sebou více 0 bitů, spočítá řadič jejich počet z doby mezi dvěma změnami mag. toku. To ovšem nejde, pokud by následovalo příliš mnoho 0 za sebou; elektronika neumí jejich počet určit s dostatečnou přesností a jistotou.

Proto se používá kód RLL (Run Lenght Limited), jehož algoritmus přeměňuje všechna čísla na nové kombinace 0 a 1, které neobsahují dlouhé shluky nul (např. u RLL max. sedmi 0 za sebou). K tomu jsou ovšem potřeba další bity. Zpravidla jich potřebujeme navíc jednou tolik.

Zvýšení kapacity disku se dá dosáhnout zvýšením alespoň jedné hustoty:

Problém je v tom, že při zvýšení hustoty je nutné snížit sílu magnetického pole, protože by jinak docházelo k interferencím s okolními daty a tudíž je zapotřebí citlivějších čtecích hlav.

Podélný zápis (Longitudinal Magnetic Recording – LMR)

Jednotlivé bity, interpretované jako malá opačně orientovaná magnetická pole, jsou uchovávány vodorovně s plotnou disku. Tímto způsobem lze však dosáhnout hustoty zápisu jen kolem 150 gigabitů na čtverečný palec. Při vyšších hustotách dochází vlivem paramagnetismu k samovolné ztrátě uložených dat. Při takto vysokém počtu jednotlivých magnetických polí, bitů, u sebe se již nedaří udržet jednotlivá pole izolovaná. Ty pak vzájemně interagují a dochází ke ztrátě uložené informace. Superparamagnetismus je přirozený fyzikální jev, nejedná se tedy o konstrukční nedokonalost disku či technickou bariéru.

Kolmý zápis (Perpendicular Magnetic Recording – PMR)

V roce 2005 uvedla Toshiba na trh první pevný disk využívající technologii kolmého zápisu. Vektory magnetické indukce jednotlivých bitů zde nejsou orientovány podélně s plotnou, nýbrž kolmo na ni. Tímto je možné zvýšit kapacitu pevných disků až desetinásobně a přiblížit se hranici hustoty 1 terabit na čtverečný palec. V současné době se v laboratořích dosáhlo hustot mezi 800 a 900 gigabity na čtverečný palec^1.

Optimalizace

Zone bit recording -- ZBR

_

Jelikož stopy dále od středu disku jsou logicky delší, než ty blíže ke středu, vede původní model s konstantním počtem sektorů na stopu k~plýtvání místem ve vzdálenějších stopách (fakticky jsou to stopy s nižším číslem, jelikož se číslují z vně disku směrem ke středu). Proto se od konstantního počtu sektorů na stopu ustoupilo a nahradilo se ''Zone Bit Recording'' technologií. Stopy na disku se rozdělí do zón, ve kterých je počet sektorů ve stopě stejný. Vnější zóny tak obsahují více sektorů, než zóny vnitřní a dosáhne se tak přibližně stejné lineární hustoty záznamu na celém disku a lepšího využití plochy disku. Extrémním případem je situace, kdy je každá stopa sama o sobě zónou.

Vedlejším přínosem ZBR je zvýšení rychlosti disku při práci s vnějšími stopami - na jedno otočení ploten se ve vnějších stopách přečte/zapíše více sektorů. Proto dávám SWAP na začátek disku.

Interleaving

Byl-li kontrolér disku příliš pomalý na to, aby byl schopen číst dva po sobě jdoucí sektory, logicky se přeházely sektory tak, aby mezi logicky po sobě jdoucích sektorech byl jiný. (Místo 1-2-3-4 na disku byly sektory v pořadí 1-3-2-4 apod. pro větší interleaving.)

Dnes se již nepoužívá (XT 1:6, AT 1:3, dnes 1:1).

Doba, kdy se čtecí hlava nacházela nad sektorem 3 se využila ke kontle sektoru 1.

Cylinder, head skew

Po přečtení jedné a přechodu na další stopu se nestihne první sektor další stopy, proto se první sektory na různých stopách o kousek zpožďují. Přesun hlav tak stihne začátek nové stopy.

_

Obdobný problém i řešení je při přepínání jednotlivých hlav v rámci cylindru.

Dnes se tato technika stále používá.

Formát sektorů

Nejmenší logicky adresovatelnou jednotkou je sektor. Není ale možné uchovávat na disku jen data uložená v sektoru. Jsou zapotřebí např. bajty pro ECC (detekci a opravu chyb), dále pak značky začátku a konce sektoru apod.

Fyzický sektor na disku obashuje:

Špatné sektory (nejen) z výroby

Vzhledem k množství sektorů na disku není možné předpokládat, že budou všechny v pořádku. Po vyrobení disku je testován a nalezená vadná místa jsou realokována do oblasti, ve které jsou pro tento účel rezervovány sektory (nebo celé stopy).

Kvalitnější disky umí toto provádět i při běžném provozu, případně lze použít výrobcem dodanou diagnostickou utilitku, která se o to postará.

Spolehlivost, odolnost

Spolehlivost disku je dána podmínkami, ve kterých pracuje. Následuje seznam podmínek, které je nutné dodržet, aby disk pracoval normálně.

Vzduch
Aby se hlavičky mohly vznášet (0,5 $\mu m$) nad povrchem disku, nesmí příliš klesnout atmosférický tlak (vnitřek disku není uzavřen, ale je chráněn filtrem před vnikáním prachu). Proto by disk neměl pracovat ve výškách přes cca 3000 m.n.m.
Teplota
běžně cca 5 - 40° C. Disk nesmí být vystavován radikálniím změnám teploty (už vůbec ne při provozu).
Nárazy
Vyvarovat se jim, jak jen to je možné. Disky bývají relativně odolné, pokud nepracují, ale při práci může náraz způsobit katastrofální poškození hlaviček nebo povrchu disku!

Příklad: můj starý 2,5 GB Seagate ST5250A vydrží při čtení/zápisu přetížení 2G, je-li vypnutý (hlavičky jsou zaparkované a opřené o povrch ploten) je maximem 75G!

S.M.A.R.T.

Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology umožňuje odhalit chybu ještě dříve, než nastane. Většina chyb (havárií) disků nevzniká náhle. Chyby jsou způsobeny většinou postupnou degradací materiálu mechanických částí. Proto byla vyvinuta tato technologie, sledující pomocí senzorů řadu parametrů disku a při jejich dlouhodobé změně varuje uživatele dříve, než tato odchylka způsobí havárii. Ani tato technologie samozřejmě není schopná odhalit náhlé poruchy.

Některé sledované parametry:

Solid-state drive

Solid-state drive (zkratka SSD) je v informačních technologiích typ datového média, které na rozdíl od magnetických pevných disků neobsahuje pohyblivé mechanické části a má mnohem nižší spotřebu elektrické energie. SSD emuluje rozhraní používané pro pevné disky (typicky SATA), aby je mohl snadno nahradit.

https://cs.wikipedia.org/wiki/Solid-state_drive

| navigace |

Licence Creative Commons Valid XHTML 1.0 Strict Valid CSS! Antispam.er.cz Blog: Tlapicka.net