Bankovní institut vysoká škola Praha Katedra matematiky, statistiky a informačních technologií
Záznam dat pomocí pevných a SSD disků Bakalářská práce
Autor:
Štěpán Jalovec Informační technologie
Vedoucí práce:
Praha
Ing. Bohuslav Růţička, CSc.
Duben 2013
Prohlášení: Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou, práci zpracoval samostatně a v seznamu uvedl veškerou pouţitou literaturu. Svým podpisem stvrzuji, ţe odevzdaná elektronická podoba práce je identická s její tištěnou verzí, a jsem seznámen se skutečností, ţe se práce bude archivovat v knihovně BIVŠ a dále bude zpřístupněna třetím osobám prostřednictvím interní databáze elektronických vysokoškolských prací.
V Praze
Poděkování Rád bych poděkoval svému vedoucímu bakalářské práce, panu inţenýru Bohuslavu Růţičkovi za jeho cenné rady a odborné vedení mé práce a mé rodině za její nevýslovnou podporu.
Anotace V současnosti je na trhu mnoho typů a druhů paměťových zařízení a pro běţného uţivatele je nabídka nepřehledná. Tato práce si klade za cíl seznámit čtenáře s typy paměťových zařízení, jak fungují a jak se od sebe odlišují. Měla by rozšířit znalosti ohledně jejich historického vývoje a od počátků aţ po současnost.
Klíčová slova: Děrné štítky, magnetické pásky, přenosné nosiče, diskové rozhraní, HDD, SSD
Anotation In present days there is a lot of types of storage devices on the market and for an ordinary user the offer is unclear. This thesis aims to make the reader familiar with the types of storage devices, how they work and how they differ from each other. It should extend the knowledge of the historical development and the beginnings to the present.
Key Words: Punch cards, magnetic tapes, portable media, disk interface, HDD, SSD
Obsah Úvod ........................................................................................................................................... 7 Zvolené metody zpracování........................................................................................................ 8 1
2
Vývoj techniky pro záznam dat .......................................................................................... 9 1.1
Děrné štítky ................................................................................................................ 10
1.2
Děrné pásky ............................................................................................................... 11
1.3
Magnetické pásky ...................................................................................................... 12
1.4
První pevné disky....................................................................................................... 14
1.5
Disketa ....................................................................................................................... 16
1.5.1
8 palcová disketa ................................................................................................ 16
1.5.2
5,25 palcová disketa ........................................................................................... 16
1.5.3
3,5 palcové diskety ............................................................................................. 17
1.5.4
ZIP disketa .......................................................................................................... 18
1.5.5
Další vývoj.......................................................................................................... 18
1.6
Kompaktní disk .......................................................................................................... 19
1.7
DVD ........................................................................................................................... 20
1.8
Blu-ray ....................................................................................................................... 21
Pevné disky (HDD) .......................................................................................................... 23 2.1
Pevné disky z různých pohledů.................................................................................. 23
2.1.1
Vývoj rozměrů pevných disků............................................................................ 23
2.1.2
Vývoj kapacit pevných disků během času.......................................................... 24
2.1.3
Změna ceny pevných disků během času ............................................................ 25
2.2
Kilobyty a Kibibyty ................................................................................................... 26
2.3
Pevný disk .................................................................................................................. 26
2.3.1 2.4
Plochy disku ....................................................................................................... 27
Principy zápisu a čtení dat ......................................................................................... 29
2.4.1
Metoda podélného zápisu ................................................................................... 30
2.4.2 2.5
3
Rozhraní pevných disků............................................................................................. 33
2.5.1
SCSI .................................................................................................................... 33
2.5.2
ATA .................................................................................................................... 33
2.5.3
SATA .................................................................................................................. 34
2.5.4
eSATA ................................................................................................................ 36
2.5.5
FireWire .............................................................................................................. 37
2.5.6
USB .................................................................................................................... 37
SSD ................................................................................................................................... 39 3.1
FLASH ....................................................................................................................... 39
3.2
SSD disky .................................................................................................................. 39
3.3
NOR ........................................................................................................................... 40
3.4
NAND ........................................................................................................................ 41
3.5
SLC ............................................................................................................................ 42
3.6
MLC ........................................................................................................................... 43
3.6.1
4
Metoda kolmého zápisu ...................................................................................... 31
Shrnutí rozdílů MLC a SLC ............................................................................... 43
3.7
BCH kód .................................................................................................................... 43
3.8
TRIM ......................................................................................................................... 44
Porovnání HDD a SSD ..................................................................................................... 44 4.1
Zhodnocení ................................................................................................................ 46
Závěr ......................................................................................................................................... 48 Zdroje ....................................................................................................................................... 49 Zadání ....................................................................................................................................... 52
Úvod V dnešní průmyslové době se skladuje stálé větší mnoţství dat a kaţdým rokem se uloţí stále víc. Odhaduje se, ţe v roce 2020 se uloţí tolik dat, které kdyby se nahrály na DVD a ty se pak naskládaly na sebe, vznikl by sloupec 90× vyšší neţ je vzdálenost Země od Měsíce. Paměťová zařízení tak představují nezbytnou součást našeho kaţdodenního ţivota. V této práci bude popsán vznik a vývoj paměťových zařízení. Historický úvod má za úkol připomenout důleţité mezníky ve vývoji dnešních zařízení a třeba i připomenout tuto dobu pro lidi, kteří ji osobně zaţili. Pro ty, kteří jiţ vývoj nepamatují, bude moţná zajímavé seznámení s tím, jak se paměťová zařízení postupně proměňovala. Další části jsou věnovány magnetickým pevným diskům a SSD. Kaţdému zařízení bude věnována vlastní kapitola, ve které budou popsány vlastnosti, výhody ale i nevýhody jednotlivých zařízení. V závěru práce dojde ke srovnání zmíněných zařízení, vysvětlení jejich předností a nedostatků.
7
Zvolené metody zpracování Klíčovým zdrojem byla literatura obsahující informace o pamětích, pevných discích, metodách zápisu a SSD. Metodou zpracování byla analýza textu, rešerše informací a jejich shromáţdění do ucelené podoby.
8
1 Vývoj techniky pro záznam dat V následujících kapitolách bude popsán významný historický vývoj v oblasti ukládání dat. Budou připomenuty významné mezníky, které tvořily základy pro dnes jiţ běţně pouţívané technologie. Těmto mezníkům se věnují samostatné kapitoly: Děrné štítky a děrné pásky Magnetické pásky První pevné disky Diskety CD, DVD a Blu-ray disky Nejen v příští kapitole, ale i v ostatních kapitolách budu pouţívat jednotky byte1 a bit a jejich násobky. Jedná se o jednotky, které se pouţívají při udávání datových kapacit v počítačovém prostředí. Přesnému značení a správnému určování kapacit se věnuje i mezinárodní norma IEC 60027-2 a národní normy2 ČSN IEC 60027-2. V této normě byla zavedena jednotka kibibyte, značená zkratkou KiB, která se rovnala 1024 bytů. Druhá jednotka a její značení bylo kB, kilobyte, které odpovídá 1000 bytů. Je důleţité si uvědomit, ţe některé technologie a postupy, které se dnes běţně pouţívají v moderních elektronických přístrojích, mají původ daleko v minulosti ještě v dobách, kdy si lidé ani nepomysleli, co všechno díky těmto vynálezům bude jednou existovat. Dnešní generace ţije v prostředí vysokorychlostního internetu, chytrých telefonů a televizí, počítačem řízených aut nebo komerčních cest do vesmíru a ani si nedokáţe představit dobu, kdy počítače měly výkon slabší neţ dnešní moderní mobilní telefony3.
1
anglické slovo, čte se "bajt" zdroj: http://people.csail.mit.edu/jaffer/MIXF/ 3 zdroje: http://pctuning.tyden.cz/index.php?option=com_content&view=article&id=26424&catid=1&Itemid=57 http://mobil.idnes.cz/sileny-64jadrovy-procesor-udela-ze-smartphonu-superpocitace-pr9/mob_tech.aspx?c=A111008_164908_mob_tech_vok 2
9
1.1 Děrné štítky Historie děrných štítků sahá dál neţ historie počítačů. Nebo alespoň takových, jaké známe dnes. Děrné štítky se objevily uţ v 18. století, kdy za pomocí těchto děrných štítků automatizovaly tkalcovské stavy. Děrný štítek je prostředek pro záznam dat určených pro pozdější zpracování automatizovanými stroji nebo počítači. Materiálem, ze kterého bývaly nejčastěji vyráběny, byl tenký karton. Tento karton se vyřízl do tvaru obdélníku a potiskl se číslicemi tak, ţe jejich vzhled připomínal matematickou matici. Pro pouţití se pak příslušná místa označená číslicí proděravěla a to ve tvaru obdélníčku. Důvodem tvaru obdélníčku byla úspora místa ve srovnání s kulatými otvory. Tento postup se pouţíval pro kapacitu 80 sloupců na jeden děrný štítek4. V kaţdém sloupci štítku byla odshora popořadě čísla od 0 do 9. Řádek štítku představovala řada 80 stejných čísel. Štítek formátu IBM, jak se jim říkalo, byl navrţen v roce 19285, měl obdélníkové otvory, 80 sloupců a v kaţdém sloupci 12 děr pro jeden znak na sloupec. Štítek měl rozměry 187 mm na 82 mm. Štítek byl tak tenký, ţe na šířku jednoho centimetru se jich naskládaných těsně vedle sebe vešlo 56 kusů. Společnost IBM později změnila tvar děr na kulaté. Obr. č. 1: 80 sloupcový děrný štítek
Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Blue-punch-card-front-horiz.png
4 5
Existovaly ještě štítky s kapacitou 90 sloupců na štítek, tam se děrovaly kruhové otvory. Zdroj: http://www-03.ibm.com/ibm/history/history/year_1928.html
10
Dolních 10 řádků představuje pozice pro číslice od 0 do 9. Horní dvě pozice sloupce se nazývaly „zónové dírky“ nebo „zóna“, z anglického zone punches. Původně se do vrchních dvou řádků zapisovaly pouze číslice a to tak, ţe v kaţdém řádku byla pouze jedna dírka, která znamenala číslici. Posléze se oba vrchní řádky začaly pouţívat pro matematická znaménka, písmena a další znaky. Pouţívaly se i pro lepší zpracování štítků např. označováním hlavního záznamu. Na děrných štítcích byly uchovávány zdrojové verze počítačových programů. Mnoţství těchto štítků v programu bylo značné. Počty kusů se pohybovaly od desítek přes stovky aţ tisíce děrných štítků na program. Velice se tak muselo dbát na správné pořadí štítků. Obvykle jeden štítek reprezentoval jeden řádek kódu programu. Ovšem stávalo se, ţe při špatné manipulaci se děrné štítky rozsypaly. Pro tyto případy proto byly očíslovány. Pořadí štítků bylo dáno programem a jejich pořadí tak muselo být naprosto přesné. V roce 1890 proběhlo v USA sčítání lidu, při kterém se poprvé masivně nasadila tato technologie. Nasazením děrným štítků při sčítání se zkrátila doba zpracování výsledků z 8 let na pouhý 1 rok. Děrné štítky pak existovaly řadu let i po boku děrných pásek. Děrné štítky nebyly hned nahrazeny děrnými páskami, jak se někteří lidé nesprávně domnívají.
1.2 Děrné pásky Stejně jako děrný štítek se jedná dnes uţ o historické paměťové médium. Děrné pásky, podobně jako děrné štítky, byly vyrobeny z papíru. Kromě počítačového prostředí, kde se pouţívaly osmistopé, se pouţívaly ještě pětistopé pro dálnopisy6 nebo terminály7. Tvrdit, ţe děrná páska je pouze několik děrných štítků za sebou není správné. Děrná páska, na rozdíl od děrného štítku, je médium, na které se můţe zapsat libovolně dlouhý záznam. Děrné pásky proti děrným štítkům šetřily prostor a usnadňovaly práci a manipulaci s nimi. Data byla reprezentována kombinací otvorů – dírek na příslušném místě. Pro představu můţeme pouţít Braillovo písmo8 s tím rozdílem, ţe v Braillově písmu shluk
6
Dálnopis je telekomunikační zařízení umoţňující bezobsluţný datový přenos textových zpráv po speciálních nebo i telefonních linkách. Jeho princip umoţňoval přijímat vysílání jedné stanice na neomezeném mnoţství stanic přijímacích. 7 Terminál je v informatice označení pro jednoduché elektronické nebo elektromechanické zařízení slouţící pro komunikaci s počítačem. 8 Braillovo písmo je speciální druh písma, které je určené pro osoby se zrakem ne dostatečným ke čtení běţného písma. Funguje na principu plastických bodů, které jsou vyraţeny do materiálu a vystupují z povrchu.
11
vystouplých bodů značí jeden znak, zde je znak pouze na jednom jediném řádku. Kaţdý pásek byl navíc opatřen tzv. vodící stopou. Vodící stopa je řada uţších otvorů, které byly vţdy proděravěné po celé délce pásky. S pomocí speciálně ozubeného kola slouţila ke správnému vedení pásky v zařízení. Později byly zavedeny optické čtečky, které pouţívaly otvory ke správnému časování podávání pásky. Kontroly správnosti zápisu na děrných páscích se prováděly sčítáním počtu dírek kolmo na vodící perforaci. Rozlišovaly se podle lichého respektive sudého počtu dírek.
Obr. č. 2: Pětistopá (vlevo) a osmistopá (vpravo) děrná páska
Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/File:PaperTapes-5and8Hole.jpg Existovaly také děrné pásky, které měly 24 stop. Tyto pásky se pouţívaly v elektromechanických kalkulátorech.
1.3 Magnetické pásky Magnetická páska je médium, které je určeno pro magnetický záznam. Magnetická páska je vyrobena z tenké plastové folie, na které je nanesena feromagnetická vrstva. Tato technologie byla vyvinuta v Německu na základě poznatků z magnetického záznamu na drát. Protoţe se na magnetickou pásku zapisuje podélně, musí být velice dlouhá a pro lepší 12
skladnost a manipulaci je navíjena na cívky. Zařízení, pro přehrávání a zaznamenávání audia a videa pomocí magnetického pásku se nazývají magnetofony, respektive videorekordéry. Magnetická páska byla původně vynalezena pro záznam zvuku. Místo drátu se pouţil prášek oxidu ţelezitého9 nalepený na pruh papíru. První hlavy, které četly z magnetického pásku, měly špičatý tvar, takţe nebyly šetrné k páskám. To dalo vzniknout nové hlavě. Ta byla ve tvaru prstenu, který pásku na papírovém podkladu tolik neničil. Papír stále nebyl zcela dostatečně odolným materiálem a tak byl později nahrazen celuloidovým páskem. Při nahrávání nebo přehrávání se páska odvíjí z jedné cívky a navíjí na další, přitom prochází kolem čtecí a zapisovací hlavy (případně kombinované hlavy), kdy dochází k zápisu nebo čtení dat. Magnetická páska byla poprvé pouţita k nahrání počítačových dat v roce 1951. Obr. č. 3: Magnetická páska a kompaktní kazeta
Zdroj: http://www.123rf.com/photo_6846360_audio-cassette-and-bobbin-with-magnetic-tapeare-isolated-over-white.html Původní magnetické pásky nebyly chráněny ţádným obalem a byly volně navinuty na cívkách. Během 50. let minulého století se magnetický pásek stal běţnou součástí ţivota lidí. Vznikl tak poţadavek na výrobce, aby nějakým způsobem usnadnil a urychlil manipulaci
9
Chemický vzorec pro oxid ţelezitý je Fe2O3
13
s těmito páskami. S takovým řešením přišla hned z počátku 60. let společnost Philips. Ta tyto magnetické pásky navinuté na cívkách uzavřela do plastikových obalů, tzv. kazet10. Magnetické pásky byly velmi levné a tak vydrţely poměrně dlouho a nějakou dobu ještě fungovaly po boku klasických disků nebo disket. Jejich velikou výhodou je odolnost proti času. I záznamy staré přes 40 nebo 50 let se dají i dnes přehrát a zpracovat.
1.4 První pevné disky První pevný disk byl vyvinut v 50. letech minulého století. Byli to inţenýři americké společnosti IBM, kteří pevný disk vynalezli. Pro komerční účely se začal tento disk pouţívat v roce 1956. Byl pojmenován IBM 350 a byl součástí počítačového systému jménem IBM 305 RAMAC11. IBM 350 se skládal z 50 plochých disků o průměru přibliţně 60 cm. Disky se otáčely rychlostí 1200 otáček za minutu. Společnost IBM pronajímala počítačový systém IBM 305 RAMAC za cenu přesahující 3000 amerických dolarů. Byla moţnost si tento počítač koupit za cenu 200 000 amerických dolarů. Tento systém slouţil aţ do roku 1969. Celý počítačový systém byl co do velikosti, zvláště pokud ji poměříme s velikostí dnešních standardních pevných disků, poměrně veliký. Rozměry byly 152 cm x 172 cm x 74 cm. Váha celého systému se pohybovala kolem jedné tuny. Obr. č. 4: Počítačový systém RAMAC 305 a jeho přeprava
Zdroj: http://wordpress.mrreid.org/2008/02/04/306/ 10 11
Patentováno bylo pojmenování Compact Cassette, kompaktní kazeta Random Access Method of Accounting and Control
14
Posledním údajem, který zmíním, je kapacita tohoto zařízení. V letech, kdy se tento disk pouţíval, byla kapacita 3,75 megabytů. Pozdější výzkumy pak tvrdily, ţe kapacita mohla být v té době přes 5 megabytů, ale tato kapacita byla pro dobu, ve které se tento počítačový systém pouţíval příliš velká a podle tvrzení IBM by disky s takto velkou kapacitou nebylo snadné prodat nebo pronajmout. Důleţitým krokem vývoje byl výměnný pevný disk. Stalo se tak v roce 1963 a tento pevný disk dosáhl na kapacitu 2,6 MB. Průměr diskové plotny se zmenšil na necelých 36 cm. Během příštích let se odborníci snaţili pomocí různých materiálů a postupů zvyšovat kapacitu pevných disků a zároveň zmenšovat jejich velikost. V roce 1983 nově vzniklá společnost Rodime vyrobila první 3,512 palcový pevný disk, který měl kapacitu 10 MB. Dalšími důleţitými mezníky ve vývoji pevných disků byl rok 199113, kdy společnost Corsair představila pevný disk s kapacitou 1 GB, dále rok 200414, kdy byl představen první micro pevný disk o velikosti 0,8515 palce s kapacitou 2 GB. Tyto micro pevné disky mají pak vlastní vývojovou linku. Pouţívají se zvláště pro malé přenosné zařízen k poslechu hudby, například od společnosti Apple a jejich výrobku iPod. Kdyţ byl první iPod v roce 2001 uveden na trh pouţíval pevný disk velikosti 1,816 palce. V roce 2006 byl výrobek iPod osazen micro pevným diskem s kapacitou 160 GB. Ve stejném roce společnost Seagate představila pevný disk Barracuda 7200.10 v té době s největší kapacitou na světě: 750 GB. Mimo velikosti a kapacity se společnosti zaměřovaly také na rychlost, s jakou je pevný disk schopen pracovat. Tato rychlost se nejčastěji spojuje s rychlostí otáčení diskových ploten. Jak uţ bylo zmíněno, první pevný disk pracoval rychlostí 1200 otáček za minutu. Díky změně materiálu a zvláště pak velikosti, bylo moţné tyto otáčky několikanásobně zvýšit. Důleţitý byl rok 1992, kdy společnost Seagate začala na trh dodávat disky s rychlostí 7200 otáček za minutu. V té době byl standardem disk s rychlostí otáček 5400 otáček za minutu. Oba tyto počty otáček jsou i dnes vyuţívané dnešní pevné disky. Vznikly samozřejmě i disky s větším počtem otáček. V roce 1996 opět společnost Seagate vytvořila pevný disk s rychlostí 10 000 otáček za minutu. Kapacita tohoto disku byla aţ 146 GB, tzn. 28 800 krát více neţ původní
disk
v
počítači
RAMAC.
Tuto
12
3,5 palce odpovídá velikost 88,9 milimetrů Zdroj: http://www.pcworld.com/article/127105/article.html 14 http://www.pcworld.com/article/127105/article.html 15 0,85 palce odpovídá 21,59 milimetrů 16 1,8 palce odpovídá 45,72 milimetrů 13
15
sérii
společnost
Seagate
pojmenovala
Cheetah - gepard17. Dnešní vývoj směřuje k novým materiálům a technologiím zápisu na pevné disky. V této době se objevují se Solid State Drive Disky, kdy uţ se nepouţívá technologie rotujících zmagnetizovatelných diskových ploten, ale nové technologie zápisu, které pracují na principech pamětí typu flash, viz další kapitoly.
1.5 Disketa Disketa je výměnné a přenosné médium pro uchovávání dat. V zásadě jde o disk z pruţného plastu potaţeného magnetickou vrstvou, který je uloţený v ochranném obalu. Diskety jsou velice důleţitou etapou ve vývoji prostředků pro záznam dat. Výhoda disket spočívá v moţnosti znovu přepisovat data. Diskety samy o sobě prošly vývojem.
1.5.1 8 palcová disketa Vznik se datuje k roku 1971. Její velikost byla 8 palců v průměru (asi 203mm). Základem je, stejně jako u ostatních disket, plastových disk s nanesenou magnetickou vrstvou. Disketa má kotouč chráněn ohebným plastovým obalem. Kapacita diskety se postupem času měnila. Z počátku byla kapacita 160 kilobytů, později aţ 1,1 megabytů. Zajímavostí je, ţe mikropočítače, které tuto disketu pouţívaly na své aplikace, tak velkou kapacitu nepotřebovaly. Nepraktický rozměr této diskety dal vzniknout nové, menší disketě s velikostí 5,25 palce (asi 133mm).
1.5.2 5,25 palcová disketa Vznikla přibliţně pět let po vzniku osmi palcové diskety. Výrobní proces nezaznamenal velkých změn, disketa byla vyráběna prakticky shodnou technologií a tak je stále základem plastový disk s nanesenou magnetickou vrstvou, který je uloţen v měkkém plastu. Největším rozdílem byla samozřejmě velikost. Kapacita této diskety začínala stejně jako disketa osmi palcová na 160 kilobytech, postupně byla její kapacita zvýšena na 1,2 megabytů. Tato disketa se vyráběla také jako dvoustranná (oboustranná). Oboustranné
17
gepard se povaţuje za nejrychlejší suchozemské zvíře na planetě
16
diskety se mohly pouţívat v jednostranných disketových mechanikách, ale pro vyuţití obou stran bylo potřeba, aby uţivatel tuto disketu z mechaniky vyndal a ručně otočil. Odtud také pochází slangový výraz pro tyto diskety: „floppy disk“. Společně s oboustrannými disketami byly vyvinuty také disketové mechaniky, které měly dvě hlavy a mohly tak číst z obou stran zároveň. Tyto mechaniky se postupně rozšířily tak, ţe se z nich stal standard u všech soudobých počítačů.
1.5.3 3,5 palcové diskety Postupem času se do výroby disketového média a mechanik zapojovalo stále více firem, proto byl logickým důsledkem vznik vzájemné dohody, kde se tyto společnosti, ale i další společnosti a organizace domluvily na velikostním standardu. Tímto standardem se stala velikost 3,5 palce (88,9 mm). Kapacitně tyto diskety začínaly na 360 kilobytech. Ze začátku existovaly pouze jednostranné verze. Jejich oboustranné verze pak na 720 kilobytech. Potom se nějakou dobu souběţně pouţívaly jednostranné a oboustranné aţ nakonec zůstaly a „zvítězily" oboustranné s kapacitou 1,44 megabytů. Obr. č. 5: Diskety velikosti 3,5 palce (vlevo) a 5,25 palce (vpravo) včetně vnitřních disků s magnetickou vrstvou
Zdroj: http://www.ewart.org.uk/it/hardware/storage/storage.htm
17
Tyto diskety měly také pojistku proti zápisu. Tato pojistka spočívala ve čtvercovém otvoru v rohu diskety krytém posuvnou záslepkou. Podle pozice záslepky pak byla disketa tzv. otevřená nebo zavřená. Pokud byla záslepka zavřená, tzn., ţe otvor byl zakryt, mohlo se na disketu zapisovat. V opačném případě, kdy byl otvor otevřený, byla disketa uzamčena proti zápisu a mohlo se z ní pouze číst.
1.5.4 ZIP disketa Tato disketa byla představena v roce 1994. ZIP diskety měly velikost 3,5 palce, byly tedy prakticky stejně velké jako v té době běţně pouţívané diskety. ZIP diskety měly na svou dobu velikou kapacitu. Na počátku byla kapacita 100 megabytů. Postupem času vznikly diskety o kapacitách 250 a 750 megabytů. Bohuţel tyto diskety, vznikaly v době, kdy se do popředí dostávaly levnější, rychlejší kompaktní disky – CD, zvláště pak jejich přepisovatelné verze18. ZIP diskety měly také velikou nevýhodu v potřebě speciální mechaniky. Dalším problémem byla vzájemná neslučitelnost některých disketových mechanik. Kaţdá disketová mechanika měla určeno, pro jakou kapacitu je správné ji pouţívat. Při pouţití mechaniky pro disketu s jinou kapacitou neţ byla mechanika určena, docházelo k situacím, kdy mechanika pracovala pomalu nebo nemohla na toho médium zapisovat. Problém to byl zvláště v případě mechanik pro diskety o kapacitě 750 megabytů s pouţitím disket s kapacitou menší např. 100 megabytů. Ani v tomto případě mechaniky nemohly zapisovat na tyto diskety.
1.5.5 Další vývoj Kromě těchto nejznámějších velikostí existovaly pak ještě další. S rozvojem přenosných počítačů tak došlo k dalšímu zmenšování velikostí disket. Toto zmenšování se dostalo aţ k velikosti 2 palců. Pozoruhodné je, jak se 3,5 palcová disketa dostala do povědomí lidí i mimo oblast počítačů. Obrázek diskety se stal symbolem pro ukládání dat nejenom v počítačích, ale i v ostatních elektronických zařízeních.
18
Na přepisovatelná média se po smazání obsahu dá znova zapisovat.
18
1.6 Kompaktní disk Spíše neţ celý název kompaktní disk se pouţívá zkratka z anglického názvu compact disc – CD. Kompaktní disk je optický disk, který se pouţíval a pouţívá pro ukládání digitálních dat. Disk byl původně vyvinut pouze pro záznam zvukové stopy. Postupem času došlo k rozšíření datových typů, které se na CD mohly ukládat, například fotografie nebo video. S rozšířením čtecích mechanik do osobních počítačů se kompaktní disk dále vyvíjel uţ jako médium pro ukládání jakéhokoliv datového typu. Při komerční distribuci většího mnoţství CD, ať uţ hudba, filmy nebo data, se obsah na disky nevypaluje, ale lisuje. Tento postup je časově kratší a finančně levnější. Nárůstem oblíbenosti kompaktních disků a snaha obsah na disk zapisovat jinak neţ lisováním dal vzniknout mechanikám, které kromě čtení, uměly na kompaktní disky i zapisovat. Ke čtení a zapisování se pouţívá laser, který podobně jako na gramofonové desce čte ve spirálové stopě. Společně s tímto krokem pak vznikly přepisovatelné kompaktní disky19. Běţné CD nebylo nijak veliké, zejména ve srovnání s gramofonovou deskou, odtud také název kompaktní. V průměru má 12cm a mohlo se na něj uloţit aţ 80 minut zvukového záznamu. Datová kapacita se pohybovala okolo 700 MiB20. Dnes se kromě klasických kompaktních disků pouţívají ještě tzv. mini CD. Tyto kompaktní disky jsou menší, velikost je většinou kolem 7 cm v průměru, a mají i menší i kapacitu. Mohou uchovat aţ 24 minut zvukového záznamu. Nejčastěji se ale dnes pouţívají jako nosiče ovladačů k některým typům hardwaru21. Kompaktní disk je vyráběn z polykarbonátového plastu. Je asi 1,2 mm tlustý a váţí mezi 15 a 20 gramy. Data na disku jsou zapsána ve formě „dírek“, které jsou vylisovány nebo vypáleny ve stopě. Kdyby se tato stopa natáhla, tak by byla dlouhá přes 5 km22.
19
CD-RW: compact disk rewritable. Tyto disky umoţňovaly opakované zapisovaní, mazání a přepisování uloţených dat. 20 MiB je zkratka pro mebibyte. Jedná se o jednotku pouţívanou pro data. Rozdíl oproti megabytu (MB) je v hodnotě. 1MiB = 1 048 576 bytů oproti 1MB = 1 000 000 bytů 21 např. pevné desky počítače, modemy, TV tunnery 22 Délka pro standardně veliký kompaktní disk s průměrem 12cm.
19
1.7 DVD DVD je optický disk, na který se dají ukládat data v různých formátech. Byl vymyšlen a vyvíjen společnostmi jako je například Philips, Sony nebo Toshiba. Za datum vzniku se pokládá rok 1995. DVD oproti kompaktnímu disku (CD) nabízí více úloţného prostoru při zachování stejné velikosti. Obsah se u komerčně pouţívaných DVD podobně jako u CD lisoval. Aţ časem s rozšířením DVD rekordérů se mohlo na DVD vypalovat pomocí laseru a mohly tak vzniknout DVD určené k jednomu zapsání DVD-R a DVD+R a ještě později DVD-RW a DVD+RW23. Zajímavostí je značení těchto disků. První DVD byly značeny DVD-R, kde dnes vyslovované i nevyslovované mínus (vysloví se jednoduše DVD R) bylo ve skutečnosti spojovník. První takovéto disky ještě ani neměly kapacitu 4,7 GB. Jejich kapacita se pohybovala lehce pod 4 GB. Tento formát DVD je podporován společnostmi Pioneer, Apple. Některé zdroje uvádějí ještě společnost Toshiba. Také je podporován organizací DVDforum.org. To však neznamená, ţe DVD-R je standardem v oblasti DVD! DVD+R se objevilo téměř o pět let později neţ DVD-R. Názory na vznik nového formátu se různí. Jedni tvrdí, ţe jde pouze o marketing a označení s plusem mělo znamenat, ţe plus je lepší neţ mínus. Jiní hovoří o patentovém a licenčním problému, kdy se tímto společnosti, které DVD s označením plus pouţívaly, chtěly vyhnout placení poplatků. Zmíněné společnosti, které za vznikem tohoto formátu stály a podporují ho dodnes. Jsou to společnosti Philips, Dell, Sony a HP24. Jak uţ jsem zmínil, tvarově se DVD od CD neliší, oba mají průměr 12cm. Na tloušťku je ovšem DVD o trošku tlustší. Kapacitně je na tom DVD oproti CD mnohem lépe. Nejběţnější DVD má kapacitu 4,7 GB25. Méně časté byly pak tzv. dvouvrstvé DVD. Tyto DVD měly, jak uţ pojmenování napovídá, dvě vrstvy. Tyto vrstvy jsou pod sebou, kdy se nejprve zapisuje na první vrstvu a pak po automatickém přeostření laseru pokračuje zápis na druhé vrstvě. Tyto DVD měly větší kapacitu aţ k 8,5 GB. Stejně časté pak byla oboustranná DVD, kdy na kaţdé straně byla jedna, jednovrstvá stopa. Tento disk byl pak ještě o trochu
23
RW je zkratka z anglického označení Re-Writable do češtiny se překládá jako přepisovatelné,v našem případě přepisovatelný disk 24 Zkratka pro společnost Hewlett Packard, které se běţně pouţívá. I oficiální webové stránky pouţívají zkratku, místo plného znění: www.hp.com 25 GB je zkratkou pro gigabyte, 1GB = 1073741824B.
20
širší neţ klasické DVD a jeho kapacita byla přes 9 GB. Nejvzácnějším DVD bylo dvouvrstvé oboustranné. Toto DVD se běţně nepouţívalo, i kdyţ jeho kapacita dosahovala i 17 GB. V roce 2006 vznikl nový formát HD DVD. Označení je zkratkou pro High Definition/Density DVD. Formát byl vyvinut především společností Toshiba. Mělo jít o nástupce běţně pouţívaného DVD formátu. Ochrana proti kopírování vydrţela těmto diskům přibliţně rok, neţ byla společně s ochranou blu-ray prolomena26. Po dvouleté existenci nakonec HD DVD prohrálo konkurenční boj s blu-ray. Dnes se ještě pouţívá v Číně jako způsob ochrany a distribuce některých, především amerických filmů. Taková HD DVD jdou přehrát pouze v upravených přehrávačích určených pro čínský trh, které jiné neţ tyto upravené HD DVD disky nepřečtou. Další zajímavou skutečností je, co vlastně zkratka DVD znamená. Původně byl tento nosič určen pro video formáty, které díky velké kapacitě na nosiči měly v té době skvělou kvalitu. Proto se DVD povaţovalo za zkratku ze slov digital videodisk27. Postupem času, jak se na DVD začaly ukládat data i v jiných formátech, se začalo mluvit o DVD jako o digital versatile disc28. Dodnes není přesně určeno, co vlastně DVD znamená, ozývají se i lidé, kteří tvrdí, ţe DVD nic neznamená, ţe je to jen jméno, pojmenování samo o sobě.
1.8 Blu-ray Blu-ray disk je optické médium k uchovávání dat, původně navrţené, aby nahradilo formát DVD. Blu-ray disky se někdy označují zkratkou BR. To ale není správně, jelikoţ celý název formátu je Blu-ray disk, tak je správné označení BD. Mechaniky, které pracují s tímto formátem, pouţívají modrý laser, na rozdíl od mechanik pro DVD, které pouţívají červený. Tento modrý laser je schopen mnohem hustšího zápisu na disk. První blu-ray disky měly kapacitu 25 GB. Později, kdyţ vznikly tzv. BDXL formáty, které popíšu níţe, kapacita dosáhla aţ k 150 GB. Stejně jako kompaktní disk a DVD má blu-ray průměr 12 cm a tloušťka je přibliţně 1,2 mm.
26
zdroje: http://aktualne.centrum.cz/clanek.phtml?id=325828 http://technet.idnes.cz/nova-ochrana-filmu-ve-vysokem-rozliseni-je-prolomena-filmovy-prumysl-muze-zuritgg5-/tec_video.aspx?c=A071030_155156_tec_video_kuz 27 Digital videodisk, česky volně přeloţeno, jako digitální video disk nebo také disk pro digitálně zpracované video 28 volně přeloţeno jako univerzální disk
21
V únoru, v roce 2002 byl blu-ray disk oficiálně ohlášen. Společnosti, které tuto technologii vyvinuly, byla Sony ve spolupráci se společností Philips. Přehrávače byly poprvé uvedeny na trh v Japonsku v roce 2003. Formát blu-ray a přehrávače pro blu-ray disky byly pak vyvíjeny aţ do roku 2006, kdy došlo k oficiálnímu celosvětovému ohlášení tohoto média a formátu. Během tohoto období, v roce 2005, společnosti Sony a Philips ohlásili vytvoření Blu-ray Disc Association29. Tato asociace existuje dodnes a má za úkol se starat o formát blu-ray. Během let 2006 aţ 2008 probíhal boj mezi HD30 video formáty, kde proti sobě stály formáty HD DVD a blu-ray disk. V roce 2008 společnost Toshiba, která stála za HD DVD tento boj vzdala a přestala formát HD DVD aktivně podporovat31. Následující rok sama vyvinula a uvedla na trh svůj vlastní blu-ray disk přehrávač.
Obr. č. 6: Diagram porovnání hustoty zápisu na CD, DVD, HD DVD a BD disky
Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Comparison_CD_DVD_HDDVD_BD.svg
Samotný blu-ray disk prošel postupem času vývojem, který dal vzniknout různým variacím tohoto formátu. Mimo jiné i proto, ţe se blu-ray disky začaly pouţívat v počítačovém prostředí jako médium pro uchovávání dat. Existovaly tak třeba Mini blu-ray disky, někdy nazývané také mini BD nebo mini blu-ray. Tyto disky měly v průměru 8cm a 29
častěji se můţeme setkat s označením BDA HD znamená high definition, vysoké rozlišení. Není standardizováno. Dnes se za HD povaţuje rozlišení 1920 bodů pro vodorovnou osu a 1080 bodů pro svislou osu plochy videa. 31 Zdroj: http://www.toshiba.co.jp/about/press/2008_02/pr1903.htm 30
22
kapacitu okolo 7,5 GB. Samozřejmostí byly přepisovatelné BD disky označované BD–RE, blu-ray disc rewritable. Měly velikou rychlost otáčení aţ 10000 otáček za minutu. Bohuţel takto vysoká rychlost ale znamená chvění disku v mechanice a tím vyšší výskyt chyb při zápisu na disk. I kdyţ první blu-ray disk měl kapacitu větší neţ jakékoliv běţné DVD, postupem času tato kapacita přestávala stačit. Musely tedy vzniknout velkokapacitní disky označované BDXL32. Tyto disky existují s kapacitou 100 GB a 128 GB pro nepřepisovatelné verze a 100 GB pro přepisovatelnou verzi. Zajímavostí je vznik jména blu-ray disk. Blu-ray disk je pojmenován z původního blue ray, tzn. modrý paprsek, podle barvy laseru, kde písmeno e bylo ve slově blue vypuštěno, aby mohl být tento název zaregistrován jako ochranná známka.
2 Pevné disky (HDD) Pevné disky prošly mnohaletým vývojem. Následující část se věnuje právě vývoji z více pohledů. Po ní následují části s popisem jednotlivých technologií a jejich rozhraní.
2.1 Pevné disky z různých pohledů
2.1.1 Vývoj rozměrů pevných disků Od prvního pevného disku trvalo 51 let, neţ kapacita disků dosáhla na hodnotu 1 terabyte33. Stalo se tak 1. ledna 200734. V roce 200935 vznikl 2 TB pevný disk. Tudíţ zatímco dosáhnout na 1 TB trvalo přes 50 let, za další 2 roky se kapacita dosáhla na 2 TB. Jak uţ bylo zmíněno v předchozí kapitole, první pevný disk, který vznikl, byl RAMAC 350 od společnosti IBM. Velikost se přibliţovala skříni, diskové plotny měly průměr 60 cm a jeho kapacita byla přibliţně 5 MB.
32
BDXL je zkratkou pro blu–ray disc extra large, blu–ray disk s extra velkou kapacitou 1 terabyte, zkratka 1TB odpovídá 1 000 000 000 000 B 34 zdroj: http://www.wikirecords.com/records/first-terabyte-hard-drive 35 zdroj: http://www.slashgear.com/hitachi-deskstar-7k2000-worlds-first-2tb-7200rpm-3-5-inch-hdd-0651382/ 33
23
Ačkoliv se pevné disky stále zlepšovaly, myšlenka, ţe větší znamená lepší, vydrţela aţ do 80. let. Pevné disky byly běţně pouţívané pouze se sálovými počítači, takţe s rozměry nebyl v zásadě problém. Celé místnosti byly vyčleněny pro počítače. Opět to byla společnost IBM, která v roce 198036 představila revoluční pevný disk s kapacitou přesahující 1 GB. Nesl označení IBM 3380 a dokázal pojmout aţ 2,5 GB dat. Změnila se i velikost a váha. Uţ nešlo o pevný disk velikosti skříně, ale o velikosti menší lednice a váha se sníţila na „pouhých“ 250 kg.
Obr. č. 7: Srovnání velikostí pevných disků během 30 let
Zdroj: http://www.tomshardware.com/news/seagate-hdd-harddrive,8279.html
2.1.2 Vývoj kapacit pevných disků během času Na začátku 80. let začal vznikat tzv. mikropočítače. Tyto počítače se sice nazývaly mikro, ale velikostí se podobaly dnešním stolním osobním počítačům a pro jejich provoz bylo třeba vyvinout rozměrově přijatelné pevné disky a tak byly zkonstruovány pevné disky o velikosti 5,25 palce37. Tyto „domácí“ pevné disky měly kapacitu přibliţně 5 MB. V roce 1990 měl běţně pouţívaný pevný disk kapacitu asi 40 MB, ale dal se koupit i s kapacitou 100 MB, ale byl velice drahý. 36 37
Zdroj: http://www.pcworld.com/article/127105/article.html 5,25 palce odpovídá přibliţně 13 cm.
24
2.1.3 Změna ceny pevných disků během času První pevný disk IBM Model 350 se dodával pouze s počítačovým systémem RAMAC 305 a jeho pronájem stál přes 3000 amerických dolarů měsíčně. Hodnota 3000 amerických dolarů před 50 lety byla mnohem větší, neţ je dnes. Nejlepší pevné disky na trhu byly celou dobu drahou záleţitostí. Kdyţ se v roce 1981 začal prodávat zmíněný 2,5 GB pevný disk, cena začala na částce 81 000 amerických dolarů. A to bylo potřeba ještě koupit počítač, který by s tímto diskem pracoval. První 5,25 palců velký disk s kapacitou 5 MB, který se v 80. letech pouţíval v domácnostech, stál okolo 3 000 amerických dolarů. Podobná cena pak zůstala i pro 10 MB, který ten první brzy nahradil. Toto také vysvětluje, proč byly první domácí počítače prodávány bez pevných disků a spoléhaly se pouze na diskety. Jak úloţný prostor na pevných discích rostl, stával se levnější a levnější. Průměrná cena za 1 GB v posledních 30 letech klesla z 100 000 amerických dolarů na pár centů. A to neberu v potaz inflaci. Pro představu: 5 MB pevných disk od společnosti Apple stál v roce 1981 okolo 3 500 amerických dolarů. To je po přepočítání přes 700 000 amerických dolarů za 1 GB. Obr. č. 8: Srovnání kapacit pouţívaných disků s maximální dosaţenou kapacitou v letech 1980 a 2010
Zdroj:http://royal.pingdom.com/2010/02/18/amazing-facts-and-figures-about-the-evolutionof-hard-disk-drives/ s vlastní úpravou 25
Za posledních 30 let zvýšily pevné disky svou kapacitu více neţ 12 000 krát. Jen těţko můţeme odhadovat, co bude za dalších 30 let.
2.2 Kilobyty a Kibibyty Byly zmíněny jednotky, které nejsou úplně obecně známé. V počítačovém prostředí se kromě obecně známého značení KB, MB, GB a TB pouţívají i označení KiB, MiB, GiB a TiB, tedy kibibyty, mebibyty, gibibyty a tebibyty. Kilo je ve všech soustavách značení pro tisíce násobek jednotky. Tento násobek platí, ale pouze pro desítkovou soustavu, kilo tedy znamená 103. Ve dvojkové soustavě, která se pouţívá v oblasti počítačů, je ale přepočet roven 1024, tedy 210. Tato skutečnost se můţe na první pohled zdát malicherná a pro běţného uţivatele nepodstatná. Avšak není tomu tak. Zvláště pak, pokud si jdeme koupit zařízení, které má vlastní paměť. Nejvíce je to vidět u pevných disků. Pokud si koupíme pevný disk s od výrobce uváděnou kapacitou 500 GB, tedy 500 000 000 000 B, koupíme ve skutečnosti disk s kapacitou přibliţně 465 GiB (přesně je to 465 661 287 307 B). Toto číslo bylo získáno tak, ţe se původní kapacita v GB třikrát po sobě vydělila číslem 1024. Za kaţdý řád: KiB, MiB a GiB tedy jednou. V běţné praxi se jednotky mebi aj. nepouţívají. Místo toho se pro jejich hodnoty pouţívá označení kilo, mega atd.
2.3 Pevný disk Pevný disk nebo také HDD, z anglického Hard Disk Drive, je fyzické zařízení pro ukládání dat. Data, která se zapíší na pevný disk, nepotřebují další energii, aby se uchovala oproti například paměti RAM. Pevný disk je sloţen z několika ploten ve tvaru disku, na které se data zapisují. Dříve se data zapisovala přímo na vrstvu oxidu ţelezitého, v současnosti se zapisují na magnetickou vrstvu ze slitiny kobaltu. Tato slitina je nanesena na kaţdé plotně z obou stran. Na pevné disky se totiţ zapisuje na obě strany pomocí speciálních hlav, které umí jak čtení, tak zápis. Hlavičky se pohybují těsně nad povrchem z kaţdé strany plotny a nesmí dojít ke kontaktu mezi hlavou a vrstvou ze slitiny.
26
Samotná plotna se vyrábí z různých materiálů. Nejčastěji ale z keramiky, skla nebo slitiny nemagnetických materiálů. V minulosti se pouţíval např. hliník. Čím je materiál kvalitnější, tím více dat lze na jednotlivé plotny zapsat a tak nabízet následně větší kapacitu celého pevného disku. Plotny jsou v pevném disku poháněny elektromotory. Ty roztáčí plotny na poţadované otáčky udávané v jednotkách RPM, z anglického Revolutions Per Minute38. V dnešní době se lze setkat s pevnými disky s rychlostmi 4200 RPM, 5400 RPM a 7200 RPM. Na trhu jsou ale i disky rychlejší s rychlostmi 10 000 RPM a 15 000 RPM. Pro pevné disky velikosti 3,5 palce, tzn. pro disky, které se pouţívají ve stolních počítačích, je nejběţnější rychlostí 7200 RPM. Rychlosti 4200 RPM a 5400 RPM mají pevné disky, které jsou součástí přenosných počítačů laptopů, i kdyţ se dají koupit laptopy s disky s rychlostí 7200 RPM. Co se týče rychlosti 10 000 RPM, ta se dá najít např. u pevných disků společnosti Western Digital, která vytvořila sérii pojmenovanou Raptor. Rychlost 15 000 RPM má na svých discích Cheetah společnost Seagate nebo společnost Hitachi. Nejrychlejší disky s 10 000 RPM a 15 000 RPM se pouţívají především u serverů a pracovních stanic. Ne vţdy je ale potřeba vysokých hodnot RPM. Toho vyuţívají tzv. green disky. Green znamená anglicky zelený, ale v tomto případě je to spíš myšleno jako úsporný nebo šetrný ve vztahu k přírodě. Funkčně jsou green disky stejné jako běţné pevné disky. Rozdíl je ale v hodnotě RPM. Green disky totiţ při běţném provozu pracují rychlostí 5400 RPM a pouze v případě zvýšení poţadavků na disk se hodnota RPM zvýší obvykle na 7200 RPM.
2.3.1 Plochy disku Plocha na povrchu plotny disku je přesně organizována a má svůj pevný řád v rozdělení disku na stopy, sektory a cylindry. Stopy jsou soustředné kruţnice na plotně disku, které jsou očíslovány od kraje směrem do středu. Vnější stopa je označena číslem 0. Pomocí stop hlava najíţdí a vyhledává určité místo na disku k zápisu nebo ke čtení. 38
Někdy se nepřesně pro jednotku RPM pouţívá překlad Rounds Per Minute, který je bliţší v češtině
pouţívanému překladu otáček za minutu.
27
Kaţdá stopa je dále rozdělena na sektory. Sektor se povaţuje za nejmenší adresovatelnou jednotku na pevném disku. Tato jednotka má vlastní kapacitu, která ještě do roku 2006 byla 512 B. Po roce 2006 byla hranice pro maximální kapacitu zvednuta na 4096 B. To zaručovalo rychlejší přístup k datům a umoţnilo ukládat větší objemy dat. Také to umoţnilo lépe obnovovat poškozená data. K rozdělení stop na disku se pouţívá tzv. cylindr. Funguje to tak, ţe při zapisování dat se zapisuje na všechny plotny najednou. Data jsou tedy rozdělena po plotnách podle cylindru. To znamená, ţe disk při zapisování neplní plotny postupně za sebou, ale po cylindrech Všechny stopy, které mají stejné označení, jsou tak v jednom cylindru, viz. obr č. 9.
Obr. č. 9: Model cylindru na pevném disku o dvou plotnách
Zdroj:http://www.datadoctor.biz/pt/data_recovery_programming_book_chapter2-page19.html s vlastní úpravou Kromě tohoto rozdělení si operační systém dále rozděluje pevný disk na tzv. clustery39. Cluster, obsahuje různý počet sektorů, podle pouţité technologie. Tyto technologie jsou například NTFS40 nebo FAT. Tyto technologie nejsou v této práci popsány. Kromě samotného počtu sektorů v clusteru se můţe lišit i samotná velikost clusteru v KiB.
39 40
j. č. cluster, anglické slovo, vyslovuje se [klastr] s měkkým r New Technology File Systém, označení pro souborový systém původně pro operační systém Windows NT
28
2.4 Principy zápisu a čtení dat Data se na pevný disk zapisují pomocí magnetického pole, které vytváří zapisovací hlava. Hlavy tvoří cívky, které jsou navinuté na jádrech, která jsou uprostřed přerušena v podobě úzké štěrbiny. Pokud se na disk zapisuje, probíhá cívkou proud a vytváří se magnetické pole a magnetický tok, který probíhá právě přes zmíněnou štěrbinu. Díky tomuto principu v místě štěrbiny magnetický tok proniká do záznamové vrstvy na ploše plotny pevného disku. Při čtení dat je tento proces obrácen. Jak se pohybují hlavy nad povrchem plotny pevného disku, tak reagují na magnetické pole, které se pod hlavou vyskytuje. Toto magnetické pole je čteno skrz úzkou štěrbinu na čtecí hlavě. Zachycený magnetický tok se dále v cívce zpracuje na elektrický impuls, který dále zpracovává řídící elektronika, která je součástí pevného disku.
obr. č. 10: Detail zapisovací a čtecí hlavy
Zdroj: http://www.svethardware.cz/art_doc-D35E78C6C3B894FFC125727F005BE243.html
Způsob, jakým se data zakódují a uloţí na příslušné místo na disku, určuje přímo výrobce pevného disku a běţní uţivatelé nemají ţádné moţnosti a ani důvod, jak to změnit. Zajímavostí je způsob řešení „parkování“ hlaviček v době, kdy není pevný disk napájen. Starší disky měly tzv. parkovací nebo dokovací sektory, které určoval uţivatel a kam při vypnutí napájení hlavy zajely. Současné pevné disky uţivateli tuto funkci neumoţňují a
29
parkování hlav je zautomatizované. To, která část ploten se bude vyuţívat k této funkci, určuje výrobce. Můţe to být střed, okraj nebo i oblast úplně mimo plotny. Vzhledem k tomu, ţe součástí pevného disku jsou pohyblivé mechanické součásti, je nutné s diskem zacházet jemně. Největší rizika jsou, pokud je s diskem manipulováno i třeba během provozu. Toto platí především u laptopů, které lidé přenáší nebo posouvají po stole během práce. V takovém případě, kdy se neopatrně zachází s pevným diskem, můţe dojít ke kontaktu mezi hlavou a povrchem pevného disku. Pokud se tak stane, je velké riziko poničení záznamové vrstvy, kdy můţe dojít k nečitelnosti dat nebo dojde k poničení hlavy. Proto i k usnadnění manipulace je pouţíváno zmíněné parkování hlav. U laptopů je toto parkovací místo vţdy mimo povrch pevného disku, aby se při neopatrné manipulaci nemohl poškodit povrch ploten. Pevný disk v laptopu je opatřen pohybovým čidlem a pokud toto čidlo zaznamená výrazné změny směru nebo rychlosti, vydá signál o okamţitém zaparkování hlav mimo oblast záznamové části pevného disku. V současnosti se pouţívají dvě metody zápisu. Těmito metody jsou podélný zápis, který je mnohem starší a začal se pouţívat jako první, a metoda kolmého zápisu někdy se o ní mluví jako o metodě příčného zápisu.
2.4.1 Metoda podélného zápisu Téměř padesát let se pouţívá v počítačovém průmyslu metoda podélného zápisu. Podstatou této metody je zmagnetizování kaţdé částice v záznamové vrstvě na pevném disku tak, ţe magnetický směr částice je vodorovně ve vztahu k plotně. Při pouţití technologie podélného zápisu mají sousedící částice určený náboj a jednotlivé stopy jsou od sebe odděleny přechodovou, neutrální vrstvou. Zápis se provádí zapisovací hlavou, jak je popsáno výše. Zatímco se hustota na plochu disku v minulosti kaţdým rokem zvyšovala prakticky dvojnásobně, v současnosti se hustota zřejmě dostala na své reálné maximum, které je mezi 100 aţ 200 Gbitů na čtvereční palec . Limit je dán vlivem super-paramagnetického efektu41.
41
Jedná se o formu magnetismu, která se vyskytuje u nanočástic, kdy se vlivem teploty náhodně změní směr nabití částice.
30
2.4.2 Metoda kolmého zápisu Stejně jako u metody podélného zápisu se i zde pouţívá k zapisování na disk hlava a magnetický tok. I v této metodě se zapisuje do záznamové vrstvy na pevném disku, ale změnou je, jakým směrem. Poprvé se tato myšlenka objevila uţ na konci 70. let a ještě na konci 90. let se pracovalo s metodou kolmého zápisu v laboratorních podmínkách. Aţ v roce 200542 vytvořila společnost Toshiba první komerční pevný disk, který disponoval technologií kolmého zápisu. Měl kapacitu 40GB a velikost 1,8 palce43. Největším problémem při navrhování média pro magnetický záznam je předejít výskytu super para-magnetického efektu (viz pozn. pod čarou). Aby se tomuto efektu předešlo je zapotřebí elektrická energie, jejíţ mnoţství je přímo úměrné velikosti zmagnetizované plochy. Pokud bude tato energie menší, neţ je potřebné mnoţství, můţe dojít ke spontánnímu demagnetizování a otáčení magnetického směru částic na disku. Kdyţ se tak stane, dojde ke ztrátě dat, která byla na pevný disk zapsána. Populárním vysvětlením výhody kolmého záznamu je, ţe dosahuje vyššího úloţného prostoru díky kolmému směru pólů zmagnetizovaných částic. V tomto modelu je pro zarovnání částic kolmo na plochu disku potřeba méně místa neţ při podélném zápisu, takţe mohou být blíţe u sebe a tím se můţe navýšit mnoţství dat v záznamové vrstvě. Ve skutečnosti je to sloţitější. Pro záznamovou vrstvu se pouţívá materiál magneticky silný a navíc pod záznamovou vrstvou je ještě jedna vrstva, relativně tlustá, z magneticky měkkého materiálu. Pro další uţití v práci bude pouţit název mezivrstva. Skrz mezivrstvu vede zapisovací hlava zhuštěný magnetický tok při zápisu s tím, ţe mezivrstva z magneticky měkkého materiálu rozptýlí magnetický tok, tím výrazně sníţí jeho hustotu a tím zajistí, aby nedošlo k poškození jiţ zapsaných dat. Klasická hlava pro podélný zápis je symetrická a její tvar nijak neupravuje šířku magnetického toku. Magnetický tok má v případě podélného zápisu tvar kruţnice nebo prstenu. Zapisovací hlava pro kolmý zápis je výrazně asymetrická. Je to dáno způsobem, jakým je prováděn zápis na pevný disk. Během kolmého zápisu vystupuje ze zapisovací hlavy 42
Zdroj: http://phys.org/news5851.html http://www.tomshardware.com/news/toshiba-ships-harddrive-perpendicular-recording-tech,1293.html 43 1,8 palce odpovídá přibliţně necelých 46 mm.
31
zhuštěný magnetický tok, který po projití záznamovou vrstvou přechází do mezivrstvy, kde se rozptýlí na větší plochu a ve stavu, kdy má menší magnetickou hustotu, se vrací zpátky do zapisovací hlavy. Obr. č. 11: Rozdíly mezi podélným a kolmým zápisem na pevný disk, šipky ukazují směr nabití bitů v záznamové vrstvě
Zdroj:
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Perpendicular_Recording_Diagram.svg
s
vlastní
úpravou
Zhuštěný magnetický tok je tu kvůli koercivitě44 materiálu, ze kterého je záznamová vrstva a mezivrstva tvořena. Koercivita je schopnost magnetu odolávat demagnetizačním vlivům. V našem případě jsou to nanočástice v záznamové vrstvě, které musí odolávat vysokým teplotám. Pokud by neodolaly, nastal by super-paradigmatický efekt a tím pádem by došlo ke ztrátě uloţených dat. Záznamová vrstva by byla ovšem neporušená a mohlo by se na ní dále zapisovat.
44
blíţe viz http://www.magneticportal.cz/index.php?view=items&cid=1%3Amagnetickepojmy&id=16%3Akoercivita&option=com_quickfaq
32
2.5 Rozhraní pevných disků Pevné disky se k řadiči připojují pomocí kabelů. Dříve nejrozšířenějším typem rozhraní bývalo ATA. Další typy připojení jsou SATA, coţ je sériové připojení typu ATA, eSATA, FIREWARE a SCSI. Kaţdému typu připojení bude věnována samostatná kapitola.
2.5.1 SCSI Název je zkratkou z anglického slovního sousloví Small Computer System Interface. Jedná se o standardní rozhraní, které spojuje vnitřní nebo vnější zařízení a umoţňuje výměnu dat mezi nimi. SCSI, vyslovuje se „skazi“, se pouţívá především u pracovních stanic nebo ještě spíš u serverů. U běţných počítačů se rozhraní SCSI prakticky nevyskytuje, pro připojení vnitřních zařízení se pouţívá SATA a pro vnější FireWire nebo dnes velice oblíbené USB. Rozhraní SCSI se vyvíjelo skoro přes 30 let. Postupem času během vývoje vznikla skoro desítka verzí, které měly kombinace vlastností, např. délka kabelu, přenosová rychlost nebo počet připojitelných zařízení. Poslední dvě nejnovější verze jsou SCSI Ultra 320 a SCSI Ultra 640. Tyto rozhraní disponují sběrnicemi s moţností připojit aţ 16 zařízení a dosah kabelu je 12, respektive 10 metrů.
2.5.2 ATA První typ připojení pevného disku k počítači se dnes nazývá ATA. Tento typ připojení byl vyvinut společností Western Digital, která jej nazvala IDE – Integrated Drive Electronics. Zprvu totiţ pevné disky připojení typu IDE měly řadiče pro správné pouţití přímo v sobě. Později se řadiče instalovaly na základní desku počítače a ne na pevný disk, tak se od názvu IDE upustilo a pouţívalo se ATA. Zkratka ATA znamená Advanced Technology Attachment45. Na základní desce byl obvykle jeden výstup řadiče pro připojení typu ATA, kterým se mohlo připojit k počítači 2 vnitřní zařízení. Ze začátku se zpravidla připojoval jeden pevný disk a jedna disketová mechanika. S dalším rozšiřováním počítačů do podniků a také vynálezem CD se počet ATA
45
volně přeloţeno jako pokročilé technologické připojení
33
vstupů na základní desce rozšířil na dva. Pokud bylo potřeba dalších řadičů, byla moţnost pomocí interní karty. Celé rozhraní funguje na principu paralelního zapojení. Jeden prvek je tedy nadřízen jinému. Proto, kdyţ bylo představeno rozhraní SATA, změnilo se původní pojmenování z ATA na PATA, Parallel ATA.
2.5.3 SATA Jak bylo uvedeno v předcházející kapitole, rozhraní ATA přestávalo postupem času stačit a bylo potřeba najít řešení k narůstajícímu problému s mnoţstvím vnitřních zařízení v počítači, které bylo potřeba k němu připojit. Zkratka SATA je z označení Serial ATA. Pomocí SATA rozhraní se připojují velkokapacitní paměťová zařízení jako jsou pevné disky nebo optické mechaniky. V současnosti se pro počítače pro běţné uţivatele ani jiné rozhraní nepouţívá. Další výhody, které má rozhraní SATA oproti rozhraní ATA: vyšší přenosová rychlost dat připojování a odpojování vnitřních zařízení za chodu počítače, tzv. Hot Plug (viz níţe) Funkce Hot Plug, někdy se nazývá téţ Hot Swap, rychlá výměna, je technologií, která umoţňuje připojování a odpojování zařízení, i pevných disků, během chodu počítače. V případě novějších Windows, tzn. řada Windows Vista, řada Windows 7 je moţné připojovat a odpojovat pevné disky při spuštěném operačním systému. Pevný disk, který se takto připojí nebo odpojí se pak chová stejně jako flashdisk. Kromě starších, prvotních zařízení SATA fungují s funkcí Hot Plug veškerá zařízení SATA.
2.5.3.1 SATA I První z verzí SATA vznikla v roce 200346. Oficiální označení zní SATA revision 1.0 nebo také SATA revision 1.0 – 1,5 Gbit/s47. Jak z druhého názvu vyplývá, SATA I pracovala s přenosovou rychlostí 1,5 Gbit/s, to odpovídá přibliţně 150 MB/s. Tato verze
46
Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/Serial_ATA#SATA_revision_1.0_-_1.5_Gbit.2Fs_-_150_MB.2Fs Rychlost toku dat se udává v jednotkách stejných pro kapacitu pamětí s tím, ţe údaj je doplněn o časový interval, během kterého se udávaná kapacita přenáší. 47
34
nepodporovala48 funkci NCQ, z anglického Native Command Queuing, česky přirozené řazení příkazů. NCQ je princip, který umoţňuje zařízení, aby si samo určilo optimální pořadí, ve kterém bude přistupovat k poţadovaným informacím, v našem případě na pevném disku. To znamená určení pohybu čtecí hlavy, nejčastěji mimo vedoucí stopy a tak sníţit počet otáček k dosaţení místa, na kterém je poţadovaná informace. Krátí se tak časový interval nutný k operaci.
2.5.3.2 SATA II Druhá verze SATA rozhraní vznikla z potřeby vyšší přenosové rychlosti. Stejně jako u SATA I i zde se název rozšiřuje na SATA revision 2.0 nebo SATA 3 Gbit/s. Jak je vidět v názvu, přenosová rychlost se prakticky zdvojnásobila. Datové kabely jsou stejné, u nich se nezměnilo nic. Změnou prošly pevné disky, které dokáţou pracovat s vyšší přenosovou rychlostí a rychleji zapisovat a číst. SATA II je navíc zpětně kompatibilní s SATA I, ale umoţňuje funkci NCQ. SATA II je v současnosti nejrozšířenějším rozhraní pro pevné disky.
2.5.3.3 SATA III Prakticky kaţdá oblast lidské činnosti je zastřešována organizací, která na ni dohlíţí a stará se o ni. U rozhraní SATA tomu není jinak. Serial ATA International Organization, jak se jmenuje organizace pro rozhraní SATA, představila uţ v roce 200849 specifikace pro v té době nevydané rozhraní SATA III. Organizace v prohlášení oznamuje, ţe došlo k navýšení rychlosti na dvojnásobek z 3 Gbit/s na 6 Gbit/s a stejně jako u předchozích verzí je označení sloţeno ze zkratky, čísla verze a přenosové rychlosti, tedy SATA revision 3.0 – 6 Gbit/s. Úplné uvedení rozhraní nastalo aţ v květnu roku 200950. Kromě zvýšení rychlosti přinesla nová verze vylepšení funkce NCQ , vylepšené moţnosti řízení spotřeby a nový konektor pro 1,8 palcové pevné disky. Obecně se dá říci, ţe vylepšení jsou zaměřená na zvyšování kvality pro streamování obrazového materiálu, který vyţaduje nepřetrţitý tok nezanedbatelného mnoţství dat. Dále 48
Zdroj: http://www.dashdist.com/1u2u/company/NCQ.html http://en.wikipedia.org/wiki/Serial_ATA#SATA_revision_1.0_-_1.5_Gbit.2Fs_-_150_MB.2Fs 49 Zdroj: http://www.sata-io.org/documents/SATA_6gbphy_pressrls_finalrv2.pdf 50 Zdroj: http://www.sata-io.org/documents/SATA-Revision-3.0-Press-Release-FINAL-052609.pdf
35
rozhraní podporuje připojení do vzdálenosti aţ jednoho metru. Vyšší rychlosti mohou vykazovat vyšší spotřebu energie pro podporu čipů, která je ale zmírněna lepší technikou řízení spotřeby energie. Pozdější specifikace mohou pouţívat starší kabely a konektory, i kdyţ někteří výrobci očekávají vylepšení hostitelských konektorů k dosaţení vetší rychlosti.
2.5.4 eSATA Je to rozšíření rozhraní SATA určené pro externí, neboli vnější, zařízení. Proto také písmeno e před pojmenováním e = externí. Pouţívá robustní připojovací konektory, u nichţ se počítá s častým připojováním a odpojováním zařízení a zpevněný kabel, který je navíc umístěn do obalu, který má za úkol zabránit jakémukoliv poškození kabelu z důvodu časté manipulace. Pro připojování zařízení, které jsou mimo počítač, (mohou být aţ 2 metry daleko) má kabel sníţené hodnoty vnitřního odporu pro sníţení ztrát při odesílání a přijímání dat. eSATA je také méně náročná na procesor a prakticky ho nezatěţuje, na rozdíl od oblíbené sběrnice USB.
Obr. č. 12: Konektory SATA (vlevo) a konektory eSATA (vpravo)
Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/File:SATA2_und_eSATA-Stecker.jpg
36
2.5.5 FireWire Je další způsob připojení periferií k počítači. Byl vyvinut společností Apple, ale podporují ho všechny současné operační systémy. Není tolik známý a veřejností pouţívaný jako USB a s největší pravděpodobností uţ ani nikdy nebude. Stále je ale pouţíván pro připojování externích zařízení s vysokokapacitní pamětí jako jsou např. digitální fotoaparáty nebo digitální kamery. FireWire má několik verzí. První verze byly FireWire 400 a FireWire 800. Číselné označení značilo také přenosovou rychlost, které tyto sběrnice měly, tedy 400Mbit/s, respektive 800 Mbit/s. Sběrnice Firewire 400 měla 6 pinů umístěných po třech uprostřed konektoru, verze FireWare 800 měla pinů 9. V současné době existuje FireWare 3200.
2.5.6 USB Další pouţívaný způsob připojení pevných disků je pomocí rozhraní USB. Jde o univerzální sériové rozhraní – sběrnice z anglického Universal Serial Bus. Je to nejpouţívanější způsob připojení externích zařízení k počítači. Pomocí USB se připojují například tiskárny, myši, herní zařízení, klávesnice nebo externí paměťová zařízení typu Flash.
2.5.6.1 USB 1.0 V roce 1996 bylo oficiálně představeno první USB pojmenované USB 1. USB bylo vyvinuto ze zájmu výrobců počítačů vytvořit jednotné univerzální rozhraní, které by ulehčilo práci uţivatelům při připojování externích zařízení. Komerčně se pouţívala verze 1.1.
2.5.6.2 USB 2.0 Po roce 1999 bylo USB uţ běţně pouţívané a výrobci se začali zabývat myšlenkou zvýšení rychlosti, aby bylo USB pouţitelné i pro náročnější zařízení jako jsou např. digitální fotoaparáty nebo digitální kamery. V roce 2000 přišla nová verze pojmenovaná USB 2.0. Ta je zpětně kompatibilní s předchozí verzí i přes navýšenou přenosovou rychlost. Právě díky vysoké rychlosti se někdy USB 2.0 označuje jako USB 2.0 High Speed, vysoká rychlost
37
(USB 1 se pak jmenuje USB 1.0 Full speed51). USB 2.0 je v současnosti nejpouţívanější rozhraní pro vnější periferie počítače.
2.5.6.3 USB 3.0 Třetí verze USB se v dnešní době pomalu rozšiřuje mezi veřejnost, i kdyţ je přes 3 roky stará. Dosahuje aţ 10× větší přenosové rychlosti neţ verze 2.0, ale zachovává si zpětnou kompatibilitu. Rychlost, kterou disponuje, dala také za vznik přídomku pro tuto verzi: Superspeed USB – super rychlé USB. Změnou prošel také konektor. Kvůli zvýšení rychlosti bylo potřeba přidat další datové vodiče do kabelu.
2.5.6.4 Budoucnost USB Podobně jako je tomu v ostatních oblastech počítačové techniky se i USB se pouţívá v rozvoji bezdrátové technologie. Principielně jde o zapojení bezdrátového vysílače do USB rozhraní, který komunikuje s příslušnými zařízeními. Rychlost se tak mění v závislosti na vzdálenosti od počítače. Další cesta je zavedení moţnosti pomocí USB napájet elektrická zařízení s dlouhou výdrţí, např. notebooky nebo tablety. Tabulka č. 1 Porovnání přenosové rychlosti vybranými rozhraními. Raw bandwidth Přenosová rychlost Rozhraní (Mbit/s) (MB/s) eSATA 3000 300 SATA revision 1.0 1500 150 SATA revision 2.0 3000 300 SATA revision 3.0 6000 600 IDE/ATA 1064 133,5 FireWare 3200 3144 393 SCSI Ultra 320 2560 320 SCSI Ultra 640 5120 640 USB 1.0 12 1,5 USB 2.0 480 60 USB 3.0 5000 400 a více Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/Serial_ATA, s vlastní úpravou
51
přeloţeno jako plná rychlost nebo úplná rychlost. Jde pouze o marketingový tah výrobců.
38
3 SSD 3.1 FLASH Flash paměť je nevolativní, tzn. semipermanentní, elektricky programovatelná paměť s libovolným přístupem. Paměť je vnitřně organizována po blocích a kaţdý blok lze samostatně programovat. Paměť se pouţívá jako úloţiště pro firmware52 a umoţňuje paměť přeprogramovat bez vyjmutí ze zařízení. Data jsou v případě flash pamětí ukládána do polí, spíše se jim říká buňky. Kaţdá buňka má většinou kapacitu 1 bit a je uvnitř tzv. hradla, které ohraničuje tuto kapacitu a zabraňuje přechodu elektronů mezi jednotlivými buňkami. Čtení buněk probíhá tak, ţe se umístí určité elektrické napětí do buňky. Elektrický proud pak protéká nebo neprotéká buňkou v závislosti na jejím prahovém napětí, které je odvozeno od počtu elektronů v buňce. Pokud pak proud protéká nebo neprotéká je přeloţeno na 1 a 0, coţ představuje uloţená data respektive neuloţená data.
3.2 SSD disky Solid-state drive, jak zní celý anglický název, je typ datového média, ve kterém na rozdíl od klasických pevných disků nejsou ţádné pohyblivé části. Mluvit tedy o SSD jako o discích není zcela přesné, jelikoţ ţádné disky, ani rotující plotny se v SSD nenacházejí. SSD je tak i mnohem tišší a lépe snášejí otřesy či hrubší zacházení. Při práci spotřebuje SSD méně elektrické energie a dosahuje velmi krátkých přístupových dob. SSD je polovodičový disk. Je zaloţen na principu pamětí flash, které jsou osazeny na desce tištěného spoje. Jelikoţ se jedná o malé čipy, není disk prostorově náročný a je moţné určovat jeho velikost. Ta je stejná jako velikosti klasických pevných disků tj. 1,8 palce, 2,5 palce a 3,5 palce. Navíc komunikuje s počítačem přes stejná rozhraní (SATA II a SATA III). Největší nevýhodou SSD je omezený počet přepsání kaţdé buňky. Něco takového u klasického pevného disku neexistuje. Pokud se počet přepsání buňky překročí, přestane daná buňka pracovat. Počet přepsání na buňku se uvádí v přepisovacích cyklech, které se pohybují dle typu mezi 10 000 a 100 000 cykly. 52
Firmware se pouţívá k označení části programu nebo datové struktury, které vnitřně ovládají různá elektronická zařízení. Firmware je třeba v dálkových ovladačích nebo pevných discích.
39
Paměť v SSD se označuje termínem Memory Technology Device, zkráceně MTD. Tento termín nebo označení znamená, ţe SSD pracuje na stejném principu jako paměť flash, ale není pouţívána jen pro dlouhodobé ukládání dat, ale pracuje stejně jako pevné disky. Rozdílem mezi SSD, tedy zařízením typu MTD, a klasickým pevným diskem je, jak bylo zmíněno výše, rozdělení na datové bloky pro SSD a clustery pro pevné disky. Datové bloky jsou podobně jako clustery nejmenší alokovatelnou jednotkou. Všechna data jsou organizována po datových blocích. Díky tomu není nutné před zápisem smazat všechna uloţená data z celé paměti. Kaţdý blok zvládne celkem 3 různé operace. Počet cyklů pro přepsání, jak uţ bylo zmíněno, je předem dán. To není problém pro flash disky, ale je to velký problém pokud by se jednou měly SSD pouţívat jako serverové disky. V prostředí serveru probíhají neustále zápisy, přepisy a mazání dat a tak by se SSD musely často měnit. Je to také komplikace ve vztahu s operačním systémem, který při situaci, kdy je najednou spuštěno více programů pouţijí proceduru tzv. swapování, tzn. zapíše část paměti RAM na disk, od těch programů, které zrovna nejsou aktivní, aby uvolnil místo pro aktivní, právě pouţívané programy. Zmíněné problémy se řeší integrovaných řadičem, který se stará o rovnoměrné vyuţívání buněk. Pokud nějaká buňka vykazuje vyšší počet přepsání, řadič ji na nějaký čas vyřadí z provozu. Tím zvyšuje ţivotnost celého zařízení.
3.3 NOR Jeden ze způsobů zapojení u mţikových pamětí je zaloţen na zapojení buněk do architektury typu NOR53. Ta umoţňuje rychlý přístup na kterékoliv místo paměti, za cenu delšího času zapisování a mazání. Kaţdá buňka se skládá z jediného tranzistoru s izolovanou elektrodou, nad níţ je umístěna běţná brána připojená k adresovanému vodiči. Kaţdá buňka je tak připojena k adresovanému vodiči samostatně a má svůj vlastní zdroj energie. Celá sestava je sloţena do podoby mříţky. Právě izolovaná elektroda plní paměťovou funkci, protoţe elektrony, které do této elektrody proniknou, zde vytvoří náboj s ţivotností několik let.
53
Podle logické operace Not Or
40
Jednoúrovňová buňka NOR flash paměti je ve výchozím stavu ekvivalentní hodnotě binární nule. Silným napětím s opačným nábojem, který projde buňkou, lze nastavit hodnotu buňky na binární nulu neboli ji vymazat. Mazání lze provádět na bázi bloků, tzn. ţe při mazání dojde ke smazání obsahu pouze několika buněk v rozmezí několika desítek nebo stovek kilobitů. Nemusí se tedy mazat všechny bity čipu, jak tomu bylo u starších pamětí. Dnes se paměti NOR pouţívají v zařízeních jako úloţiště pro firmware, které se tak často nepřepisují.
3.4 NAND Při pouţití paměťových buněk mţikových pamětí do zapojení typu NAND54 jsou sice buňky uspořádány do mříţky, podobně jako je tomu u zapojení typu NOR, liší se ale ve způsobu zapojení navzájem. Oproti zapojení typu NOR jsou zde buňky zapojeny po několika v sérii za sebou. Sériové zapojení komplikuje čtení a zápis, protoţe není moţný přístup k jednotlivým buňkám samostatně. Umoţňuje však lepší vyuţití celkové plochy a rozloţení jednotlivých buněk. Některé zdroje uvádí aţ 45% nárůst kapacity ve srovnání s typem NOR55. Nejmenší adresovatelná jednotka se nazývá stránka, anglicky page, a pouţívá se pro čtení a zápis. Mazání je prováděno po blocích, coţ jsou sdruţené stránky. Velikost jedné stránky se u typických čipů rovná 2112 bytům. Z této hodnoty je vyčleněno 2048 bytů pro záznam dat a zbytek je určen pro uloţení detekčních a korekčních kódů. Protoţe se nemůţe pracovat s jednotlivými bity, disponuje čip registrem o délce 2112 bytů. Jak uţ bylo zmíněno, tato velikost odpovídá právě jedné stránce. Při zápisu se data nejdříve načtou do pomocného registru,vyplní se všech 2112 bytů a aţ potom se provede zápis celé stránky najednou. Tato operace od načtení dat po zapsání trvá přibliţně 300 ms. U čtení je postup obrácen. Nejdříve se celá stránka načte do pomocného registru a pak se sběrnicí přenesou do mikroprocesoru. Po několika desítkách tisíc přepisů dochází k nefunkčnosti některých paměťových buněk. Pokud nefunguje byť jediná buňka, stává se nefunkční celá stránka případně blok. V takovém případě se musí provést realokace stránky. Ta probíhá tak, ţe se stránka přesune na jiné místo v paměti. Chybná buňka je tak rozpoznána hned při zápisu a nedojde k zápisu do 54 55
Operace Not And Zdroj: http://www.root.cz/clanky/technologie-flash-pameti-a-zpusoby-jejich-vyuziti/
41
ní. Relokace významně prodluţuje ţivotnost pamětí a morální ţivotnost vůbec. Výrobci totiţ mohou vyrábět a prodávat paměťové čipy s vadnými buňkami. To lze samozřejmě za předpokladu, ţe výrobce automaticky při výrobě zvýši celkovou kapacitu tak, aby byla vţdy zaručena deklarovaná kapacita. Celková kapacita buněk je tak ve skutečnosti větší, ale extra kapacita je vyhrazena právě pro alokaci. Uţivatel tak není nijak zatěţován.
Tabulka č. 2 Porovnání zápisů NOR a NAND Technologie Výhody Zápory Uţití
NOR Náhodný přístup Moţnosti zápisu po bitech Pomalý zápis dat Pomalé mazaní dat Náhrada za starší paměti Jednoduché zapojení
NAND Rychlý zápis dat Rychlé čtení dat Pomalý nhodný přístup Komplikovaný zápis po blocích Úschova fotek Záznam zvuku
Zdroj: http://www.root.cz/clanky/technologie-flash-pameti-a-zpusoby-jejich-vyuziti/ s vlastní úpravou
3.5 SLC SLC, z anglického Single Level Cell56, je princip, kterým se ukládají data na paměťové médium.V jedné paměťové buňce u klasické mţikové paměti je uloţen právě jeden bit informace, který nabývá jednu ze dvou hodnot: binární nuly nebo binární jedničky Princip SLC má výhodu v rychlejší zapisovací rychlosti, niţší energické náročnosti a vyšší výdrţi paměťových buněk. Nicméně, cena je v přepočtu na megabyte paměti vyšší z důvodu menšího mnoţství dat zapsaných do jedné buňky. Vzhledem k vysoké přenosové rychlosti a dlouhé ţivotnosti se SLC paměti pouţívají pro vysokovýkonné paměťové karty.
56
Volně přeloţeno jako jedno úrovňová buňka
42
3.6 MLC Paměti typu NOR nebo NAND však pouţívají jiný princip, označovaný MLC57. Ten můţe do jedné paměťové buňky uloţit informaci o velkosti větší neţ jeden bit, většinou se pracuje s dvěma bity nebo čtyřmi bity na jednu buňku. Čtecí zesilovač tedy nerozlišuje pouze dva stavy, ale čtyři. U jedno bitových paměťových buněk je tak obsahem buňky pouze jedna číslice 0 nebo 1. V případě dvou bitových buněk jsou to kombinace nuly a jedničky, tedy: 00, 01, 10, 11. U čtyř bitových buněk je počet kombinací šestnáct. Hlavním přínosem principu MLC jsou jeho niţší náklady na jeden bit paměti v důsledku vyšší hustoty dat. Kvůli vyššímu poměru chybovosti buněk je zvýšená softwarová náročnost. Vyšší poměr chyb vyţaduje algoritmus, který můţe opravit aţ pět chybných bitů najednou a dokáţe zjistit stav více neţ pěti vadných bitů. Nejčastěji pouţívaný algoritmus je tzv. BCH kód, viz. níţe. Nevýhodou je niţší zapisovací rychlost a větší energetická náročnost. Oproti SLC principu mají zařízení s principem MLC menší počet zapisovacích cyklů.
3.6.1 Shrnutí rozdílů MLC a SLC Ze zmíněného vyplývá, ţe paměti opatřené principem MLC jsou výhodnější pro domácí pouţití, kde menší počet zapisovacích cyklů není překáţkou a naopak se vyuţije vyšší kapacita. Pro pouţití v serverech nebo pracovních stanic jsou MLC paměti nevhodné. Tam se naopak hodí spíše SLC paměti, které jsou výrazně rychlejší při zápisu, na druhou stranu ale mají menší kapacitu paměti neţ zmíněné paměti s MLC.
3.7 BCH kód BCH kód vynalezl v roce 1959 francouzský matematik Hocquenghem a nezávisle v roce 1960 pánové Bose a Ray-Chaudhuri58. Zkratka BCH je tvořena prvními písmeny jmen jeho vynálezců. BCH kód umoţňuje kontrolovat počet opravitelných chyb ve výsledném kódu uţ v průběhu samotného návrhu. Výhodou je také jednoduchost dekódování pomocí
57 58
Z angličtiny volně přeloţeno jako víceúrovňová buňka Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/BCH_code
43
algebraických metod. To umoţňuje pro dekodéry pouţít nízkovýkonný hardware. Kromě pevných disků a flash pamětí se BCH kód pouţívá ještě v CD a DVD přehrávačích.
3.8 TRIM Příkaz TRIM umoţňuje operačnímu systému informovat SSD, který datový blok je poškozený, nemůţe být pouţíván a interně se vyřadí. Prodluţuje se tak ţivotnost SSD a oddaluje se pokles výkonu. Operace TRIM vyhledáváním vhodných paměťových buněk sniţuje míru opotřebení SSD.
4 Porovnání HDD a SSD Srovnání HDD a SSD bude provedeno pomocí tabulky a její výsledky budou okomentovány. Tabulka č. 3: Srovnání SSD a HDD
Doba zapnutí
Doba náhodného přístupu Rychlost čtení Přenosová rychlost
Hlučnost
Poměr ceny ke kapacitě Paměťová kapacita Ţivotnost
SSD Téměř okamţitě, nemusí se připravovat ţádné mechanické části. Doba spuštění v rámci milisekund. Běţně pod 100 nanosekund. Obecně velice nízká, data se čtou přímo z jakéhokoliv místa. SSD nemá prakticky výkyvy. Komerční SSD disponují rychlostí mezi 100 MB/s a 600 MB/s. Nepřítomnost pohyblivých částí znamená prakticky bezhlučnost. 1 GB paměti stojí v přepočtu přibliţně 16 Kč. Kapacita je obecně menší, limit je paměť FLASH Nemá pohyblivé části, které se mohou porouchat. Kaţdá buňka můţe být vymazána pouze v omezeném počtu.
Zdroj: vlastní tvorba 44
Pevný disk Roztočení disku v rámci sekund. V rozmezí od 3 do 12 milisekund. Mnohem vyšší neţ SSD. Různá podle typu rozhraní zapojení disku. Pohyblivé části vydávají zvuky. Kaţdý model jinak hlučný. 1 GB stojí v přepočtu 4 Kč. Běţné interní disky mají kapacitu v řádech TB. Pohyblivé části se mohou porouchat. Práce s diskem nesniţuje ţivotnost.
Doba zapnutí Od zapnutí počítače do zobrazení úvodní obrazovky se doba u počítačů s operačním systémem nainstalovaným na SSD pohybuje v řádech sekund. U HDD je tato doba delší v závislosti na více faktorech, jako je přenosová rychlost, doba čtení, ale také mnoţství ovladačů, které je potřeba načíst nebo fyzické rozmístění dat na disku.
Doba náhodného přístupu Rozmezí u HDD je dáno různým vyuţitím disků. Serverové disky jsou výkonnější a dosahují tak velice nízkých hodnot. Naproti tomu pevné disky v přenosných počítačích nejsou většinou tak výkonné, nepotřebují tolik energie a tak nejsou tak rychlé. Je to dáno rychlostí posunu zapisovacích hlav a hodnot RPM.
Rychlost čtení Oproti SSD má HDD nevýhodu ve skutečnosti, ţe data jsou fyzicky různě rozmístěna po disku a tak trvá nějakou dobu čtecí hlavě dostat se na určité místo.
Přenosová rychlost SSD mají prakticky konstantní přenosovou rychlost, která můţe být sníţena pouze ve chvíli, kdy se data musí načítat z různých menších paměťových bloků. Rychlosti SSD se můţe přibliţně vyrovnat pouze rozhraní SATA III, viz. tabulka č. 1. Je potřeba zmínit, ţe bylo pouţíváním zjištěno, ţe zaplněné SSD mají tendence zpomalovat rychlost. Doporučuje se nechávat 10 – 15 % volného místa. Některé zdroje hovoří aţ o 25%. Další proměnnou, která ovlivňuje přenosovou rychlost je počet RPM. V běţném provozu jsou magnetické pevné disky pomalejší kvůli neustálému vyhledávání.
45
Hlučnost Problém hlučnosti u pevných disků není dnes nepřekonatelný. Řešením jsou speciální ztišující komponenty, které se při instalaci pevného disku dovnitř počítače připevní na boční strany disku. Takto odhlučněný pevný disk se vyrovná SSD.
Poměr ceny na 1 GB dat Ceny obou zařízení byly spočítány ke dni 7.4. 2013 v 17:19 hod ze sortimentu obchodu Czechcomputer. Oba disky měly velikost 2,5 palce a pro přesnější srovnání disponoval magnetický pevný disk rozhraním SATA III.
Paměťová kapacita Nejčastější kapacita byla určena modusem počtu kusů SSD a pevných disků z obchodu Czechcomputer ke dni 7.4.2013 v 17:23 hod.
Ţivotnost Základním nedostatkem SSD je skutečnost, ţe práce se zařízením sniţuje jeho ţivotnost. Výrobci počítají s tím, ţe morální ţivotnost SSD je kratší, neţ počty mazacích cyklů. Veliký rozdíl je také v pouţití technologií SLC a MLC. U magnetických pevných disků se prováděním operací ţivotnost nesniţuje.
4.1 Zhodnocení V současnosti vedle sebe běţně fungují oba typy zařízení. Magnetické pevné disky mají svoje nesporné výhody v niţší ceně, delší ţivotnosti a větší kapacitě. Na druhou stranu nedisponují ve srovnání s SSD tak vysokými rychlostmi čtení a jsou hlučnější. Velice zajímavým se stává „boj“ mezi SSD a disky s rozhraním SATA III. Toto rozhraní se svými hodnotami blíţí k hodnotám, kterými disponují zařízení SSD, a navíc
46
u nich zůstávají všechny výhody magnetických pevných disků. Pro běţného uţivatele je rozdíl mezi SSD a SATA III prakticky neznatelný. Zajímavým trendem v poslední době je pouţití SSD u starších počítačů, jako oţivení jejich výkonu a prodlouţení ţivotnosti. Určit, které zařízení je lepší neţ druhé, je úkol značně obtíţný. Oba typy zařízení mají své výhody i své nedostatky, s kterými je třeba počítat. Pro uţivatele je v současnosti ideálním řešením pouţití obou zařízení. SSD se pouţije pro instalaci operačního systému a nejčastěji pouţívaných programů. Nedochází tak k častému přepisování buněk, počítač je rychlý a pouţívané programy jsou prakticky ihned zapnuté a připraveny k práci. Pro ukládání dat jsou lepší magnetické pevné disky. Nevadí jim časté přepisování, mají delší ţivotnost a pomalejší doby zapisovaní a čtení kompenzují velikou kapacitou.
47
Závěr V dnešní době můţe být těţké vyznat se v mnoţství paměťových zařízení. Cílem této práce bylo seznámit se s pevnými disky a SSD, jejich vznikem a vývojem, technologiemi zápisu a čtení a přiblíţit tak oblast paměťových zařízení běţnému uţivateli. Výsledky práce lze shrnout takto. Pro kaţdodenní pouţívání počítače v domácnosti je klasický pevný disk dostačující. Tam, kde klasický pevný disk svou rychlostí nestačí, např. při hraní počítačových her, lze pouţít SSD. Pro servery je SSD zatím nevhodný, protoţe se předpokládá časté přepisování obsahu a navíc se mnohé serverové pevné disky mohou vlastnostem SSD vyrovnat. V podnicích je vyuţití SSD a klasických disků velkou otázkou. Na běţnou činnost v podniku je klasický pevný disk dostačující. SSD vyuţijí spíše IT specialisté, případně se vyuţívají v přenosných počítačích pracujících ve zhoršených pracovních podmínkách (stavebnictví, armáda). V práci je uveden přehled dnes pouţívaných typů paměťových zařízení, přičemţ největší pozornost je věnována pevným diskům a SSD. Čtenáři poskytne základní orientaci v současné nabídce zařízení pro ukládání dat.
48
Zdroje Webové zdroje [1] [2]
[3]
[4] [5]
[6]
[7] [8]
[9]
[10]
[11] [12] [13] [14] [15]
BLU-RAY DISC ASSOCIATION, History and Association. [online]. [cit. 2013-3-12]. Dostupné z: http://blu-raydisc.com/en/Technical/FAQs/HistoryandAssociation.aspx BLU-RAY DISC ASSOCIATION, History of Blu-Ray Disc. [online]. [cit. 2013-3-12]. Dostupné z: http://blu-raydisc.com/en/AboutBlu-ray/WhatisBlu-rayDisc/HistoryofBlurayDisc.aspx Compact DISK. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida): Wikipedia Foundation, [cit. 2013-2-5]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Compact_disc Comparison with DVD-R/-RW PC Drives. [online]. [cit.2013-2-17]. Dostupné z: http://www.dvdplusrw.org/Article.asp?mid=14&sid=17&aid=12 CORPORATE ADVOCATES. Blu-ray Disc Association Announces Additional Format Enhancements. [online]. [cit. 2013-3-12]. Dostupné z: http://www.businesswire.com/portal/site/home/permalink/?ndmViewId=news_view&ne wsId=20100403005024&newsLang=en DAVIES, Chris. Hitachi Deskstar 7K2000: world’s first 2TB 7,200rpm 3.5-inch HDD. [online]. [cit. 2013-3-26]. Dostupné z: http://www.slashgear.com/hitachi-deskstar7k2000-worlds-first-2tb-7200rpm-3-5-inch-hdd-0651382/ FARRANCE, Rex. TImeline: 50 Years of Hard Drives [online]. [cit. 2013-26-3]. Dostupné z: http://www.pcworld.com/article/127105/article.html FLOPPY DISK. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida): Wikipedia Foundation, [cit. 2013-2-5]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Floppy_disk GRUENER, Wolfgang. Toshiba ships first harddrive with perpendicular recording tech. [online].© 1999-2012 [cit. 2013-4-1]. Dostupné z: http://www.tomshardware.com/news/toshiba-ships-harddrive-perpendicular-recordingtech,1293.html GUINNESS WORLDS RECORDS. First terabyte hard drive. [online]. [cit. 2013-2-5]. Dostupný z: http://www.guinnessworldrecords.com/records-6000/first-terabyte-harddrive/ Hard Disk Longitudinal Recording. [online]. © 2013 [cit. 2013-4-1]. Dostupné z: http://www.pctechguide.com/hard-disks/hard-disk-longitudinal-recording History of Plastics [online]. © 1995-2012. [cit. 2013-17-2]. Dostupné z: http://www.plasticsindustry.org/AboutPlastics/content.cfm?ItemNumber=670 IBM. IBM 3380 direct access storage device [online]. [cit. 2013-4-17]. Dostupné z: http://www-03.ibm.com/ibm/history/exhibits/storage/storage_3380.html JAFFER, Aubrey. Metric Interchange Format [online]. ©2008-2011 [cit.2013-1-27]. Dostupné z: http://people.csail.mit.edu/jaffer/MIXF/ JARKOVSKÝ, Lubor. Nová ochrana filmů ve vysokém rozlišení je prolomena. Filmový průmysl může zuřit. [online]. [cit. 2013-2-17]. Dostupné z: http://technet.idnes.cz/nova-
49
[16] [17]
[18]
[19] [20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26] [27] [28]
[29]
ochrana-filmu-ve-vysokem-rozliseni-je-prolomena-filmovy-prumysl-muze-zurit-gg5/tec_video.aspx?c=A071030_155156_tec_video_kuz JENTAK. Jaký je rozdíl mezi MLC a SLC SSD flash disky. [online]. [cit. 2013-4-9]. Dostupné z: http://jentak.nejen.cz/jaky-je-rozdil-mezi-mlc-a-slc-ssd-flash-disky/ KOČÍ, Mirek. První smartphone se 4 GB RAM nabídne čínské ZTE. [online] [cit. 2013-1-27]. Dostupné z: http://pctuning.tyden.cz/index.php?option=com_content&view=article&id=26424&cati d=1&Itemid=57 MAGNETIC PORTAL. Koercivita. [online]. © 2013 [cit. 2013-4-1]. Dostupné z: http://www.magneticportal.cz/index.php?view=items&cid=1%3Amagnetickepojmy&id=16%3Akoercivita&option=com_quickfaq MAGNETIC TAPE. In: Wikipedia:the free encyklopedia [online]. St. Petersburg (Florida): Wikipedia Foundation [cit. 2013-27-1]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_tape MEARIAN, Lucas. Computer History Museum to highlight storage, from RAMAC to microdrives [online]. [cit 2013-3-26]. Dostupné z: http://www.computerworld.com/s/article/9201519/Computer_History_Museum_to_hig hlight_storage_from_RAMAC_to_microdrives MULTI-LEVEL-CELL. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida): Wikipedia Foundation, [cit. 2013-4-9]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Multi-level_cell NAND FLASH. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida): Wikipedia Foundation, [cit. 2013-4-9]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Flash_memory#NAND_flash PFEIFER, René. Vše, co jste chtěli vědět o SSD. [online]. © 1998-2012 [cit. 2013-4-9]. Dostupné z: http://www.svethardware.cz/art_doc36DC5E11B941657DC12575B40044591F.html. ISSN 1213-0818 PHYS.ORG. Toshiba Ships First 40GB 1.8-inch Perpendicular Magnetic Recording Drive. [online]. © 2003-2012 [cit. 2013-4-1]. Dostupné z: http://phys.org/news5851.html PINGDOM. Amazing facts and figures about the evolution of hard disk drives.[online]. [cit. 2013-2-5]. Dostupné z: http://royal.pingdom.com/2010/02/18/amazing-facts-andfigures-about-the-evolution-of-hard-disk-drives/ Punched tape. [online]. [cit. 2013-27-1]. Dostupné z: http://www.princeton.edu/~achaney/tmve/wiki100k/docs/Punched_tape.html SATA. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida): Wikipedia Foundation, [cit. 2013-4-1]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Sata SATA-IO. NEW SATA SPEC WILL DOUBLE DATA TRANSFER SPEEDS TO 6 Gb/s. In: Intel Developer Forum, [online]. San Francisco - 18. srpna 2008 [cit. 2013-4-9]. Dostupné z: http://www.sata-io.org/documents/SATA_6gbphy_pressrls_finalrv2.pdf SATA-IO. SATA-IO Releases SATA Revision 3.0 Specification. [online]. Portland- 27. května 2009 [cit. 2013-4-9]. Dostupné z: http://www.sata-io.org/documents/SATARevision-3.0-Press-Release-FINAL-052609.pdf
50
[30] SAWERS, Paul. The CD turns 30: The first player and album were released today in 1982. [online]. © 2001-2013 [cit. 2013-2-5]. Dostupné z: http://thenextweb.com/media/2012/10/01/the-first-commerically-available-cd-albumplayer-released-30-years-ago-today/ [31] SINGLE-LEVEL-CELL. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida): Wikipedia Foundation, [cit. 2013-4-9]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Multi-level_cell#Single-level_cell [32] ŠURÁŇ, Michal. Ochrana HD-DVD a blu-Ray prolomena. [online]. [cit. 2013-2-17]. Dostupné z: http://aktualne.centrum.cz/clanek.phtml?id=325828 [33] TAYLOR, Jim. DVD Frequently Asked Questions (and Answers) [online]. © 1996-2011 [cit. 2013-2-17]. Dostupné z: http://www.dvddemystified.com/dvdfaq.html [34] THE DVD FORUM. DVD TECHNOLOGY FAQs.[online]. © 2004. [cit. 2013-2-17]. Dostupné z: http://www.dvdforum.org/tech-faq.htm [35] TIŠŇOVSKÝ, Pavel. Technologie flash pamětí a způsoby jejich využití [online]. © 1998-2013 [cit. 2013-4-9]. Dostupné z: http://www.root.cz/clanky/technologie-flashpameti-a-zpusoby-jejich-vyuziti/. ISSN 1212-8309 [36] TOSHIBA CORPORATION. Toshiba Announces Discontinuation of HD DVD Businesses [online]. © 1995-2008. [cit. 2013-2-17]. Dostupné z: http://www.toshiba.co.jp/about/press/2008_02/pr1903.htm [37] VÍTEK, Jan. Funkčnost, rozhraní a technologie pevných disků.[online]. © 1998-2012 [cit. 2013-3-26]. Dostupné z: http://www.svethardware.cz/art_docD35E78C6C3B894FFC125727F005BE243.html. ISSN 1213-0818 [38] VOKÁČ, Luděk. Šílený 64jádrový procesor udělá ze smartphonů superpočítače. [online]. [cit. 2013-1-27]. Dostupné z: http://mobil.idnes.cz/sileny-64jadrovy-procesorudela-ze-smartphonu-superpocitace-pr9/mob_tech.aspx?c=A111008_164908_mob_tech_vok [39] What is Blu-ray Disc, AVCHD and HD DVD?. [online]. © 1999-2012. [cit. 2013-2-17]. Dostupné z: http://www.videohelp.com/hd [40] What is DVD?. [online]. © 1999-2012. [cit. 2013-2-17]. Dostupné z: http://www.videohelp.com/dvd [41] What is NCQ?. [online]. [cit. 2013-4-9]. Dostupné z: http://www.dashdist.com/1u2u/company/NCQ.html [42] What is VCD?. [online]. © 1999-2012. [cit. 2013-2-17]. Dostupné z: http://www.videohelp.com/vcd
51
Zadání
52
