Magnetické paměti a mechaniky

Magnetické paměti a mechaniky Cílem této kapitoly je seznámit s principy činnosti a základní stavbou magnetických vnějších pamětí, které jsou nezbytné pro práci počítače a dlouhodobé uchování dat. Klíčové pojmy: Médium, stopa, sektor, cylindr, cluster, fyzická organizace dat, přístupová doba, doba vystavení, doba čekání, metadata, protokolování, kvóty, oprávnění, fragmentace, defragmentace

Magnetické paměti a mechaniky 1. Hard disk (HDD) – pevný disk Pevný disk je velkokapacitní paměť s pohyblivou magnetickou vrstvou, energeticky nezávislá. Používá se k ukládání nejdůležitějších programů a dat. Je zde nainstalován také operační systém. Struktura – části disku můžeme rozdělit na:

Elektromechanické části HDD (fyzická struktura) Základem pevného disku je přibližně 1mm silná lehká plotna ve tvaru disku, vyrobená většinou ze slitin hliníku. Na této plotně se nachází magnetická vrstva a na ní je ještě nanesena tenká vrstva maziva, chránící magnetickou vrstvu před poškozením. Nad těmito vrstvami pluje na vzduchovém polštáři v nepatrné výšce čtecí a zápisová hlava. Při zápisu dat na pevný disk prochází čtecí a zápisovou hlavou proud, který zmagnetizuje magnetickou vrstvu. Při čtení pak tato magnetická vrstva indukuje v hlavě proud, který je snímán, zesilován a zpracováván dalšími obvody (ne u MR hlav). Magnetická vrstva se nanáší z obou stran plotny, tzn. každé plotně přísluší dvě hlavy. Do disku se většinou dává více ploten, které jsou spojeny středem disku (vřetenem) do svazku. Tím dochází ke zvýšení kapacity pevného disku. Otáčení svazku ploten umožňuje motor v jádru vřetene nebo na povrchu jednotky.

22/5/2012

Magnetické paměti a mechaniky

2

a) Disková hlava – umístěna na pohyblivém raménku vystavovacího mechanizmu, má zvláštní plošku aerodynamického tvaru, která způsobí vztlakem vzduchu, vznikajícím rotací disku, nadzdvihnutí „plovoucí“ hlavy. Hlava se pohybuje ve vzdálenosti řádu desetin mikronu nad povrchem disku.

22/5/2012


3

U starších disků a disket se pro čtení i zápis používají hlavy založené na principu magnetické indukce. Dnes se u disků používají magnetorezistivní – MR hlavy. Indukční hlavu používá pouze pro zápis, pro čtení se používá prvek založený na změně elektrického odporu při vystavení magnetickému poli.

Na obrázku je znázorněn princip magnetického záznamového procesu a sloučená MR hlava pohybující se nad rotujícím diskem. Indukční prvek zapíše bity informace jako zmagnetizované oblasti ve stopách, které jsou později čteny MR-senzorem. Přítomnost magnetického přechodu se dá přímo detekovat jako změna odporu. Zdokonalená verze MR hlaviček zvaná GMR (Giant MR) umožňuje číst ještě hustěji zaznamenaná data.

Ke zvýšení hustoty záznamu se přešlo z podélného záznamu na kolmý.

22/5/2012


4

Kolmý zápis nahrazuje padesát let používaný podélný, u něhož byl klíčovým prvkem prstencový elektromagnet, mezi jehož póly bylo vyvoláváno pole, které procházelo (na obrázku znázorněno siločarami) také magnetizovatelnou látkou, kterou orientovalo vhodným směrem. U kolmého záznamu jsou základními prvky asymetrický elektromagnet a stabilizační vrstva. Ta je umístěna pod záznamovou a stará se o to, aby magnetické pole procházelo magnetizovatelnou látkou nikoli podélně, ale pokud možno kolmo. Asymetrická hlavička, kde jeden pól je výrazně tenčí, se stará o to, aby bylo pole směřováno více do hloubky než do šířky. Tím jsou prvky záznamové plotny orientovány nikoli podélně, ale svisle. Díky kolmému záznamu je možné dosáhnout asi pětinásobné kapacity. - Hustota záznamu Každý bit je představován miniaturním dipólem zapsaným do magnetického povrchu disku. Úkolem je tedy miniaturizovat dipóly, vytvářet stále jemnější magnetické struktury s možností vyšší hustoty zápisu dat. Dříve používaná technologie, kdy se na povrch kotoučů nanášela vrstva oxidů, byla nahrazena vrstvou tenkého filmu. Dokonalejší povrch filmu umožňuje menší „výšku letu" hlavy nad diskem, což znamená potřebu menšího magnetického pole, ta dovoluje použití menších dipólů a větší hustotu stop. - Kódování dat Při čtení dipóly (představující jednotlivé bity) rotují pod magnetickou hlavou a vyvolávají v ní elektrické napětí. Podle induktivního zákona může být napětí vyvoláno pouze změnami magnetického toku (v našem případě rozdílnými sousedními magnetickými dipóly ve stopě disku). Pokud ovšem po sobě následuje několik stejných bitů, například 10000111, stojí řadič (který napětí z hlavy „odebírá") před problémem, jak od sebe stejné bity oddělit (musí vědět, kolik 0 jde za sebou). To by se dalo vyřešit tak, že by se každý bit oddělil speciálním impulsem. Je jasné, že by tak výrazně vzrostl počet impulsů (tj. dipólů) potřebných k zápisu jednoho Bytu a následně by poklesla kapacita disku. Proto byly vyvinuty algoritmy úspornějšího zápisu na disk: 1) MFM (Modified Frequency Modulation), která vymezuje datovému signálu přesnou délku. Podle času trvání stejného magnetického toku řadič rozpozná počet shodných bitů. Dnes je tato metoda používána pouze u disket. 2) RLL (Run Lenght Limited) je často používanou metodou. Řadič si přepočítá ukládanou posloupnost na novou kombinaci 0 a 1. Ukládané číslo je přeměněno tak, že se v něm nevyskytnou „nečitelné" sledy 0 a 1. V porovnání s MFM potřebuje RLL pro uložení stejné informace jen asi jednu třetinu kapacity disku. 3) PRML (Partial Response Maximum Likehood) přináší další zvýšení hustoty ukládaných dat. Čtené impulsy se zpracovávají digitálním signálovým procesorem DSP. Ten přesně ví, jak má vypadat sled signálů vyvolaný hustě ležícími dipóly, 22/5/2012


5

dokonce dokáže dopočítat i chybějící údaj. Výsledné resumé je jasné - PRML rozezná více dipólů na malé ploše, což vede ke zvýšení kapacity disku.

b) Pohon disku, hřídel – na společné hřídeli je umístěno několik diskových kotoučů. Na pohonu disku, otáčkách hřídele, je závislá průměrná čekací doba. Čím jsou otáčky větší, tím je čekací doba menší. Vyšší rychlost otáčení disku ještě nemusí znamenat přínos. Mezi rychlostí otáčení a provozními podmínkami platí: Čím více otáček, tím horší provozní podmínky. S rostoucím počtem otáček roste tvorba tepla uvnitř pouzdra disku, což zvyšuje nároky na ventilaci. Pokud tedy nemá takový disk dokonalou ventilaci, vede to k častějšímu výskytu chyb a tím i ke snížení životnosti. Průměrná rychlost otáčení je dnes 4200, 5400, 7200, 10000 a 15000 ot/min. Důležité tedy je, aby jeho pouzdro motorku pohánějícího plotny bylo vyrobeno z nemagnetické látky, která zajistí magnetické stínění motoru. c) Diskové kotouče (plotny) – jsou nejdůležitější částí disku, protože právě na nich jsou uložena data. První pevné disky měly plotny o velikosti 5.25", dnes jsou plotny velké 22/5/2012


6

3.5" a 2.5". Menší průměr vede ke snížení kapacity disku, ale vede k úspoře energie, zmenšení hmotnosti, atd. V dnešních pevných discích bývají zpravidla 1-3 plotny, ale některé serverové řady disků mají kvůli kapacitě až 10 ploten. Každá plotna má dva povrchy, na kterých mohou být uložena data a každý povrch má svojí čtecí / zapisovací hlavu. Čím méně ploten disk má, tím lépe. Pokud má disk více ploten, je většinou hlučnější, více vibruje a pomaleji se roztáčí. Proto se výrobci disků snaží, aby měl pevný disk, co největší kapacitu na plotnu a co nejméně ploten. Plotny jsou většinou vyrobeny z hliníkových slitin. Výjimkou je firma Hitachi (dřívější IBM), která již delší dobu vyrábí plotny ze skla. Vzhledem k tomu, že plotny musí být extrémně hladké a ploché, je to určitě výhoda (viz obrázek). Další výhodou skleněných ploten je větší odolnost vůči teplu a větší pevnost, nevýhodou je naopak křehkost, v případě, že je plotna příliš tenká. Na levé straně plotna z hliníku, na pravé straně ze skla:

Magnetická vrstva nanesená na plotnu je buď z oxidu železa (kysličník železitý Fe2O3 u starších disků) nebo z velmi slabě naneseného magnetického substrátu, který je lepší pro dnešní vysokokapacitní disky (může totiž nést mnohem více informací na stejně velkém povrchu). d) Vystavovací mechanizmus – 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. 22/5/2012


7

Elektronické části HDD Řídícím centrem pevného disku je jeho elektronika. První pevné disky neměly v podstatě žádnou elektroniku a všechny příkazy pro disk musel obstarávat řadič (tehdy většinou umístěný jako rozšiřující karta v ISA slotu). S příchodem IDE (Integrated Drive Electronics – volně přeložitelné jako „elektronika integrovaná na disku“) se tento stav změnil. Všechny IDE disky už mají řadič integrován v sobě.

Elektronika sestává z desky s plošnými spoji, kde se nacházejí: řadič (mikroprocesor), paměti RAM (registry, cache), ROM, obvody rozhraní, konektory, konfigurační přepínače. Hlavními funkcemi elektroniky jsou: - kontrola rychlosti otáčení disku - kontrola přesunu hlav nad plotnami - zprostředkování všech operací čtení nebo zápis - „překlad“ geometrie disku - spravování vyrovnávací paměti (cache) a její optimalizace - doplnění pokročilých funkcí pro zvýšení rychlosti a spolehlivosti - zesilování signálů jdoucí z hlav a jejich převedení na „jedničky a nuly“ a naopak - řízení toku informací z/do disku - optimalizace pořadí požadavků na čtení a zápis (pro rychlejší vykonání). a) Řadič (controller– jeho úkolem je na základě vnějších požadavků (instrukcí) řídit čtení/zápis dat na HDD (dělí si plochu disku na číslované stopy a sektory). Svými řídícími impulsy rovněž koordinuje činnost všech částí HDD. Programy (mikrokód) podle kterých pracuje, se nacházejí v paměti ROM. b) ROM – je v ní uložen miniaturní OS pevného disku (firmware), řízení pohonu, kódování a dekódování dat, pokus o odstranění chyb při čtení, nebo zápisu atd.

22/5/2012


8

c) RAM (CACHE) – statická RAM, která obecně slouží k dočasnému uložení dat mezi částmi počítače, které pracují různou rychlostí, jejím úkolem je urychlení přenosu dat. U HDD má kapacitu mezi 8 až 32 MB. Pokud se cache používá při zápisu (tzn. funguje writeback caching), data, která pošle systém pevnému disku, se uloží do cache a elektronika disku vyšle informaci o tom, že data byla úspěšně uložena. Teprve pak se stará o jejich skutečné uložení. Tento postup je v pořádku do té doby, dokud funguje přívod elektrické energie. Při výpadku se totiž ztratí všechna data v cache a co je horší, operační systém o tom neví, neboť dostal zprávu, že byl zápis úspěšně proveden. To může vést třeba k poškození operačního systému a nebo k úplné ztrátě dat ! d) Rozhraní Rozhraní Paralel ATA (PATA) – ATA rozhraní využívá 40ti-pinového konektoru, na nějž se připojují ploché datové kabely. Původní specifikace rozhraní ATA podporovaly přenosové módy PIO 0 až PIO 5 (Procesor Input Output). PIO je režim využívající procesor k řízení přenosů dat a dle své verze dokáže poskytnout propustnost 2 až 22MB/s. Od PIO módu se posléze přešlo k režimu DMA (Direct Memory Access – přímý přístup k paměti), díky kterému již disky nemusejí k přenosu dat využívat procesor, takže i méně zatěžovaly celý systém. Jednalo se o tzv. rozhraní Ultra ATA/33 a Ultra ATA/66, u nichž se díky výraznému zvýšení přenosových rychlostí objevil problém parazitní kapacitní vazby, kdy se signály jednotlivých datových vodičů navzájem ovlivňovaly. Řešením bylo, že původně 40ti-žilový plochý kabel byl doplněn o dalších 40 žil, které se postaraly o odrušení jednotlivých datových žil (stínění). Ultra ATA se dále vyvíjelo, až dosáhlo teoretické přenosové rychlosti 133MB/s u verze Ultra ATA/133 (UDMA 6). Rozhraní Serial ATA (SATA) - Oproti PATA využívá původní verze SATA pouze 1bitovou šířku, ale při taktovací frekvenci 1500MHz = teoretická přenosová rychlost 1,5 Gbit/s. Další verze SATA, označovaná jako SATA II, dosahuje teoretické přenosové rychlosti 3 Gb/s. Rozhraní SATA kromě menších a skladnějších datových i napájecích SATA kabelů přineslo i technologii hot-swap, tedy schopnost připojit a odpojit zařízení za běhu počítače tak, aby je operační systém rozpoznal, což u PATA nebylo možné. Hotswap mimo jiné podporují také rozhraní USB, FireWire, PCI-X a SCSI.

22/5/2012


9

e) Konektory - pevný disk musí být propojen se zbytkem PC a také mu musí být dodávána elektrická energie.

-

napájecí – 4 žilový, nelze jej zapojit opačně, +5V a +12V datové – počet vodičů je závislý na použitém řadiči – rozhraní PATA, SATA, SCSI. Konektory nelze zapojit opačně. f) Konfigurační přepínače Disky s rozhraním PATA:

22/5/2012


10

- Master pro připojení hlavního disku na daném kanálu - Slave pro připojení sekundárního disku na daném kanálu - Cable select (CS) pro automatické nastavení (u 80tižilového kabelu). Disky s rozhraním SATA II:

- Omezení přenosové rychlosti rozhraní SATA II (3 Gb/s) na SATA I (1.5 Gb/s) z důvodu zpětné kompatibility s řadiči disků typu SATA I. Geometrie pevného disku Před zápisem jakýchkoliv dat je nutné pevný disk nejprve naformátovat. Formátování pevného disku zahrnuje tyto tři kroky: 1. Fyzické, neboli nízkoúrovňové formátování (LLF – low level format). 2. Rozdělení disku na oddíly. 3. Logické, neboli vysokoúrovňové formátování (HLF – high level format). - Nízkoúrovňové (fyzické) formátování Toto formátování je prováděno přímo výrobcem disku. Během nízkoúrovňového formátování je plotna pomocí elektromagnetického záznamu rozdělena na stopy a sektory oddělené mezerami. Stopa (track) je oblast pro ukládání dat ve tvaru soustředné kružnice. Počet stop na jedné straně plotny se může pohybovat od několika tisíc po desetitisíce. Každá stopa je rozdělena na menší části, kterým se říká sektory. Sektor

22/5/2012


11

(sector) je část jedné stopy, ohraničená na začátku i konci identifikačními značkami, určujícími mimo jiné jeho číslo, polohu, začátek a konec.

Jde o základní jednotku pro ukládání dat. Standardní sektory mají velikost 512 bajtů. Ve skutečnosti je to více, například 571 bajtů, z toho 512 bajtů připadá na ukládání dat a zbytek slouží k uložení identifikačních údajů sektoru. Stopy a sektory se číslují. Sektory v jedné stopě jsou očíslovány od čísla 1, zatímco stopy, hlavy nebo cylindry se číslují od čísla 0. Nultá stopa je na vnějším okraji plotny.

Cylindr je sada stop se stejným číslem na různých stranách ploten. Takové stopy se nacházejí nad sebou ve stejné vzdálenosti od středu plotny a vytváří pomyslný válec. Pojem cylindr je významný především z hlediska efektivního čtení a zápisu dat.

22/5/2012


12

Hlavičky se totiž nemohou pohybovat nezávisle, ale nacházejí se vždy nad sebou. Z toho také plyne, že nejefektivnější je číst data ze sektorů, které jsou na jedné stopě a jejichž stopy jsou ve stejném cylindru. Jedině tak lze v nejkratší době přečíst maximální množství informací. U všech moderních disků se při nízkoúrovňovém formátování používá metoda zónového zápisu (ZBR – zone bit recording). U zónového zápisu se stopy (cylindry) seskupují do zón s různým počtem sektorů ve stopě. Vnější stopy jsou totiž podstatně delší než stopy u středu disku. V dlouhých stopách na vnějším okraji plotny je sektorů více a v kratších stopách u středu méně. Používání ZBR tedy zvyšuje kapacitu disku.

Cluster - Operační systém si potom z jednotlivých sektorů skládá alokační jednotky nazývané clustery. Cluster je nejmenší použitelné množství dat pohromadě. Použití clusterů umožňuje výrazně snížit režii při adresaci a evidenci uložených dat. Velikost 22/5/2012


13

clusteru je dána především velikostí diskového oddílu a použitým souborovým systémem. Jeden cluster může obsahovat například 4, 8, 16, 32, 64, … sektorů. Jeden cluster nemůže být obsazený daty ze dvou souborů, i když je zaplněn jen z části. Má-li soubor velikost např. 1kB a velikost clusteru je nastavena na 4kB, zabere soubor na pevném disku 4kB (zbývající 3kB nebude možné dále využít!). Většina specializovaných nástrojů umožňuje délku alokačního bloku měnit (v mezích souborového systému).

Geometrie disku tedy udává hodnoty následujících parametrů: - 1/ Počet stop (tracks) - 2/ Počet sektorů (sectors) - 3/ Počet cylindrů - 4/ Počet a velikost clusterů - 5/ Počet čtecích / zapisovacích hlaviček (heads) - tento počet je shodný s počtem aktivních ploch, na které se provádí záznam. Většinou každý jednotlivý disk má dvě aktivní plochy a k nim příslušné čtecí (zapisovací) hlavy. Kapacita disku se vypočítá jako součin CHS – cylindry x hlavičky x sektory. Čím větší bude hustota stop na záznamové vrstvě (tedy čím menší budou stopy samotné) a čím menší budou záznamové a čtecí hlavy, tím víc dat lze na záznamovou vrstvu uložit. Parametry HDD - Formát disku - 1.8‘‘, 2.5‘‘, 3.5‘’, 5.25’’ (starší HDD, dnes se již neprodávají) - Rozhraní - Ultra ATA/33, Ultra ATA/66, Ultra ATA/100, Ultra ATA/133, Serial ATA I/150, Serial ATA II/300, SCSI - Kapacita [GB], [TB] – u velkokapacitních disků se provádí teplotní kalibrace TCAL (při ohřátí disků by nebylo možné přesně vystavit hlavičky) - Otáčky [ot/min], [RPM] (angl. RPM – Rotates Per Minutes) - 4200, 5400, 7200, 10000, 15000 ot/min. Dnes se disky točí vyššími rychlostmi. Otáčky mají přímou spojitost s produkcí nežádoucího tepla. Čím vyšší otáčky pevný disk má, tím 22/5/2012


14

větší je produkce tepla a tím větší je nutnost jej chladit. Disky s otáčkami 10 000 ot/min a vyššími je nutné chladit pomocí přídavného chladiče. - Vyrovnávací paměť (cache) [MB] – 2-16MB (optimálně 8MB) - Přístupová doba (access time) [< 10ms] – rychlost vyhledání dat, je součtem doby vystavení (seek time) tj. času potřebného k pohybu hlav nad určitou stopu (Trackto-Track Seek)-jedna třetina času potřebného pro pohyb přes celý disk (2-4ms) a doby čekání (rotary latency period)tj. času k dotočení sektoru pro čtení-jedna polovina otáčky pevného disku. Udává se hodnota pro čtení / zápis Prokládání (interleave) - Bylo další metodou zkrácení doby čekáni. Při čtení se přečtou data z jednoho sektoru a odešlou se přes řadič a BIOS operačnímu systému, který je dále předá aplikačnímu programu. Ten informace zpracuje a požádá operační systém o nové údaje. Operační systém se obrátí na BIOS a řadič, který zorganizuje načtení dalšího sektoru. Mezitím se však disk pod hlavou pootočí a ta již nestihne začátek následujícího sektoru. Musí tedy počkat (téměř celou otáčku), až se pod ni sektor opět dostane. Toto může disk značně zpomalit. Proto bylo zavedeno prokládání, které ukládá data přes sektory. Obrázek ukazuje prokládání 1:2, při zápisu se data uloží do logických sektorů - následující údaje budou s vynecháním jednoho sektoru. Během zpětného čtení dat tak bude dostatek času ke zpracování přečtených údajů. Hodnota prokládání se postupně snižovala z původních 1:6 až na dnešní 1:1 (fyzický a logický sektor jsou stejné).

-

-

Počet ploten - počet ploten úzce souvisí z celkovou kapacitou disku Odolnost proti otřesům (přetížení) při nárazu disku [G] - Vybavení G-senzorem, který je schopen rozpoznat, kdy pevný disk padá na zem. Integrovaný systém umí v takovém případě zaparkovat hlavičky na bezpečná místa, kde nedojde k jejich poškození. Spolehlivost disku: 1) Střední doba mezi chybami - MTBF (Mean Time Between Failures) Snaží se vystihnout poruchovost disku. Je výsledkem simulovaného „umělého stárnutí“ a statistických pravděpodobnostních výpočtů. Výsledné hodnoty vycházejí ve statisících hodin. Například údaji 1 000 000 hodin odpovídá doba mezi dvěma poruchami 117 let. MTBF je jistě důležitým indikátorem spolehlivosti, ale je nutné si uvědomit jeho statistickou podstatu. Ta nezaručuje, že se disk 117 let nerozbije. Klidně se může rozbít i po měsíci provozu, ale pak se s velkou pravděpodobností

22/5/2012


15

-

porouchá až za 117 let. Přesto je při výběru disku samozřejmě lepší vybrat disk s co největší střední dobou mezi chybami. 2) S. M. A. R. T. Spotřeba energie [W] - udává se při stavu IDLE (disk je nečinný) a při čtení/zápisu. Hmotnost [g]

Technologie S.M.A.R.T. Pomocí technologie S.M.A.R.T (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) se periodicky měří a sledují vlastnosti a chování pevného disku. Při detekci kritických hodnot dojde k odeslání varování operačnímu systému. Jde tedy o technologii, která za určitých podmínek dokáže předvídat selhání pevného disku. Oblasti poškození disku dělíme do dvou kategorií: - 1. Předvídatelné – zde řadíme především: a) mezní výšku hlaviček nad záznamovou plochou (při kritických hodnotách může dojít ke kolizi hlaviček s plotnou – HEAD CRASH, tedy fyzické nenávratné poškození datové oblasti disku). b) počet vadných sektorů. c) čas potřebný k roztočení ploten (indikace poruchy motoru). d) teplota (zvýšená teplota disku, měřená podle interních teplotních čidel, ukazuje na problémy s motorem, nebo ložisky disku). e) použití ECC - ECC (Error Correction Code - kód pro opravu chyb). Z praxe je známo, že lepší je mít rychlejší disk a akceptovatelné množství chyb, které opraví ECC, než stoprocentně bezchybný disk, který je pomalý. Pokud se ovšem ECC používá příliš často, snižuje se výkon a disk patrně není v pořádku. 2. Nepředvídatelné - disk se poškodí bez předchozího varování. Zařazujeme mezi ně poškození náhlým přepětím, mechanická poškození v důsledku špatného zacházení (např. pád disku) nebo poškození částí disku vlivem nadměrného tepla či vnějšího silného magnetického pole. Technologie NCQ NCQ (Native Command Queing) se projeví, pokud jsou spuštěny aplikace se současným přístupem na pevný disk. Při použití NCQ pevný disk sám optimalizuje (tedy optimálně změní) pořadí, ve kterém jsou vykonány požadavky (instrukce) pro zápis nebo čtení. Tato optimalizace může redukovat nadbytečný pohyb hlaviček disku. Tím se zvýší rychlost přenosu dat mezi řadičem a diskem a také se mírně sníží opotřebení disku. Uplatnění nachází NCQ především u serverů s častým přístupem na disk. V případě přístupu jedné aplikace na disk ovšem přínos ve výkonu znát není. 22/5/2012


16

Technologie AAM AAM (Automatic Acoustic Management) je technologie, pomocí které lze řídit hladinu hluku a výkon pevných disků. AAM ovlivňuje rychlost pohybu hlaviček pevného disku - tím je přímo ovlivněna přístupová doba pevného disku. AAM nemá vliv na přenosovou rychlost pevného disku. AAM ovlivňuje pouze intenzitu zvuku vydávaného při pohybu ("seek") hlaviček pevného disku (zvuk známý jako "chroustání" či "cvakání), neovlivní však hladinu permanentního hluku, který vydávají rotující plotny pevného disku - ta je ovlivněna především použitými ložisky (klasická vs. fluidní) a rychlostí rotace ploten (5400ot/min, 7200 ot/min, atd.). Příklad pevného disku: Typ Seagate Barracuda ST3750640NS Formát 3.5‘’ Kapacita 750 GB Rozhraní Serial ATAII/300 Otáčky 7200 ot/min Cache paměť 16 MB Počet ploten 4 Přístupová doba 8.5 ms (čtení) / 9.5 ms (zápis) Technologie S.M.A.R.T. ano Technologie NCQ ano Podpora AAM ne Odolnost proti otřesům 63 G / 225 G (disk v činnosti / nečinnost) Hlučnost 2.7 dB Spotřeba energie průměrně 13 W Hmotnost 720 g

Logická struktura disku Logická struktura disku se vytváří pomocí vysokoúrovňového formátování. Slouží k organizaci dat uložených na pevném disku. Umožňuje jeden fyzický disk rozdělit na více oddílů, které se v operačním systému tváří jako samostatné disky. Informace o tom, na kolik oddílů je disk rozdělen a jak jsou data organizována (kde jsou na disku umístěna), jsou uloženy v tabulkách (resp. relační databázi), které tvoří logickou strukturu disku (tzv. souborový systém disku). Rozdělení pevného disku na oddíly (partitions) se provádí v případě, kdy chce uživatel nainstalovat na jeden disk několik různých operačních systémů, ale důvodem může být

22/5/2012


17

i prosté oddělení uložených dat. Každý oddíl lze naformátovat jiným souborovým systémem. Rozdělení disku na oddíly provádí uživatel pomocí programů FDISK (DOS, Win9x), DISKPART (WinXP), PARTITION MAGIC a jiných. Jde o rozdělení jednoho disku na několik částí, tzv. logických svazků neboli oddílů. Každému oddílu je přiřazeno jedinečné písmeno v rozmezí C až Z (nepoužívají se písmena s diakritikou) a v operačním systému se pak každý jeví jako samostatný pevný disk. Na pevném disku musí být alespoň jeden oddíl.

- Souborový systém Souborový systém (angl. filesystem) je datová struktura vytvořená vysokoúrovňovým formátováním pevného disku, která slouží k organizaci souborů a tedy i adresářů na 22/5/2012


18

pevném disku tak, aby je bylo možné snadno najít a přistupovat k nim. Souborové systémy používají paměťová média jako pevný disk nebo optické paměti (CD, DVD, Blu-Ray), popřípadě poskytují přístup k datům uloženým na serveru (síťové souborové systémy). Souborový systém umožňuje ukládat data do souborů, které jsou označeny názvem a příponou. Umožňuje vytvářet také adresáře (resp. složky), pomocí kterých lze soubory organizovat do stromové struktury. Informace uložené v systému souborů dělíme na METADATA a DATA. Metadata (tedy informace o datech uložených na disku) popisují strukturu systému souborů a nesou doplňující informace, jako jsou např.: a) velikost souboru b) čas poslední změny souboru c) čas posledního přístupu k souboru d) vlastník souboru e) oprávnění uživatelů f) seznam (adresy) bloků dat, které tvoří vlastní soubor atd. Pod pojmem data pak rozumíme vlastní obsah souboru, který lze přečíst po otevření (resp. načtení) souboru. Software, který realizuje souborový systém, bývá obvykle součástí operačního systému. Většina operačních systémů podporuje několik různých souborových systémů, např.: - Microsoft Windows - podpora pro souborové systémy FAT, NTFS a ISO 9660 pro ukládání souborů na CD a DVD. - Linux - kromě již zmíněných také ext2, ext3, ext4, ReiserFS, JFS, XFS a mnoho dalších - DOS - podpora souborových systémů FAT, po instalaci CD/DVD ovladače také ISO 9660. - Základní části logické struktury disku 1. Master Boot Record (MBR) První důležitou tabulkou souborového systému je MBR. Tvoří základ logické struktury. Záznam je umístěn na začátku disku (nultá stopa, první sektor). Má dvě části - zaváděcí záznam a tabulku oblastí. - Zaváděcí záznam obsahuje krátký program spuštěný při startu počítače BlOSem. Jeho úkolem je načíst tabulku oblastí a najít aktivní oblast, ze které se načte operační systém. -Partition table (tabulka oblastí) – obsahuje informace o dělení disku na oblasti (partitions).

22/5/2012


19

Rozdělení oddílů (partitions) je stejné u operačního systému DOS, Windows i Linux a jsou to: - Primární oddíly (Primary partitions) - Každý disk může mít nejvýše čtyři tyto oddíly, které obsahují systémové soubory. Z nich se načítá operační systém. Ve Windows je možný nejvýše jeden a je povinný. Linux může používat všechny čtyři primární oddíly. - Rozšířený oddíl (Extended partition) - Tento oddíl musíme vytvořit jako druhý, když chceme disk rozdělit a vytvořit v něm více logických disků. - Logické oddíly (Logical partitions) - V nich se pak vytvářejí samostatné logické disky, označené logickou jednotkou (D:, E:, F:, atd.).

2. Alokační tabulka Alokační tabulka popisuje každý cluster logického oddílu. Lze si ji představit jako velkou tabulku, v níž je každá buňka přiřazena jednomu clusteru. Hodnota v buňce určuje, zda je cluster využíván nějakým souborem, zda je volný, popř. poškozený, zda

22/5/2012


20

obsahuje konec souboru apod. Pokud je cluster obsazený souborem, je v buňce alokační tabulky uvedeno také číslo dalšího clusteru, ve kterém soubor pokračuje. U nových operačních systémů se souborovým systémem NTFS se alokační tabulka souborů odlišuje od klasických. Obsahuje více podrobnějších údajů o souborech a celá organizace disku i uložení dat se v různých ohledech liší. Podporovány jsou také nové funkce, jako je například protokolování (žurnálování), šifrování dat, přiřazení uživatelských práv, přidělování diskových kvót a další. - Protokolování - Zápis dat a metadat do souborového systému probíhá v několika krocích. Dojde-li během zápisu dat nebo metadat k havárii počítače (např. výpadek elektrického proudu, chyba hardware, software apod.), zůstane souborový systém v nekonzistentním stavu (nedokončený zápis dat). Z tohoto důvodu je při dalším startu operačního systému vhodné, aby byla provedena kontrola a nekonzistentní data byla opravena. K tomu může dojít automaticky (např. v Linuxu, Windows 95 a novějších) nebo je nutné spustit kontrolu ručně (operační systém DOS). Celková kontrola systému souborů a všech vazeb mezi daty a metadaty je časově velmi náročná operace, při které navíc může dojít ke zbytečné ztrátě již částečně zapsaných informací. Proto jsou moderní systémy souborů rozšířeny o techniku protokolování (žurnálování). Protokolování je technologie, která při zápisu dat na disk zapisuje zároveň do speciálního souboru (záznamu, žurnálu) informace o průběhu zápisu souboru a pokud systém havaruje (např. výpadek napájení během zápisu dat), může se zápis dat za pomoci těchto informací dokončit nebo stornovat. Moderní souborové systémy jsou tedy založeny na koncepci transakcí - akce je provedena zcela a správně, nebo vůbec neprovedena. - Diskové kvóty – Kvóty (angl. quota) jsou limity nastavené správcem systému, které se používají především pro omezení: - velikosti využitelného místa na disku uživatelem - počtu souborů Správce (administrátor) systému může nastavit varování, které uživatele informuje v případě, že se blíží ke svému limitu. - Oprávnění – jedná se o pravidla spojená s určitým objektem (složka, soubor, tiskárna), která upravují, jací uživatelé (resp. skupina uživatelů) a jakým způsobem mohou přistupovat k daným objektům. Mezi základní druhy oprávnění řadíme: 1/ úplné řízení: maximální možnosti + změny oprávnění 2/ měnit: mazání a provedení změn ve složkách a souborech 3/ číst a spouštět 4/ zobrazovat obsah složky 5/ čtení: zobrazení složek a souborů, zobrazení obsahu, atributů a oprávnění 6/ zapisovat: vytváření nových složek a souborů, provádění změn v souboru 22/5/2012


21

3. Kořenový adresář Kořenový adresář je jednoduchá databáze, obsahující informace o uložených souborech (i adresářích), jako jsou názvy souborů, jejich atributy, datum vzniku, datum a čas poslední změny souboru, údaje o velikosti souborů a především odkaz na počáteční cluster (začátek dat souboru). Způsoby přidělování diskového prostoru souborům: - Přidělování souvislých oblastí – Nejjednodušší způsob. U této metody zabírá konkrétní soubor množinu sousedních clusterů na disku. Výhodou je menší potřeba posunů diskové hlavy, nevýhodou však délka hledání volného prostoru, problémy s růstem souborů a častá potřeba reorganizace dat. - Přidělování nesouvislých oblastí disku metodou zřetězení – Ukládaný soubor je rozdělen na části (fragmenty), které jsou zapsány na různá místa disku, kdy každá část konkrétního souboru zná adresu další části téhož souboru. Jde o jednoduchý a rychlý princip, jelikož stačí uchovávat pouze počáteční adresu. Při vytváření není nutné udávat rozměr souboru, odpadají problémy spojené s růstem souboru, prostorová neúspornost je zanedbatelná.

-

Přidělování nesouvislých oblastí s využitím mapy souboru – I zde je soubor fragmentován, tedy rozdělen na určitý počet částí. Ke každému souboru existuje mapovací tabulka souboru MTS (hodnota –1 značí neobsazeno), v níž je zaznamenáno obsazení clusterů na disku jednotlivými částmi souboru.

22/5/2012


22

-Fragmentace Z hlediska souborových systémů je fragmentace velmi důležitý pojem. Rozeznáváme dva druhy fragmentace – vnitřní a vnější. - Vnitřní fragmentace vzniká tehdy, zůstávají-li nevyužity větší části alokačních bloků (clusterů). Příklad 1: Má-li soubor velikost např. 1kB a velikost clusteru je nastavena na 4kB, zabere soubor na pevném disku 4kB (zbývající 3kB nebude možné dále využít). Příklad 2: Souborový systém vyhradí při ukládání souboru na disk prostor rovnající se celočíselnému násobku velikosti sektoru. Poslední sektor v clusteru bývá většinou z větší části nevyužit. - Vnější fragmentace vzniká tehdy, je-li jeden soubor rozdělen na více částí (fragmentován) a rozmístěn na více místech pevného disku, které na sebe přímo nenavazují. Tím se zpomaluje rychlost čtení a zápisu. Pro odstranění vnější fragmentace se používá proces defragmentace. Defragmentace je proces, který roztroušené kousky (fragmenty) souborů uspořádá tak, aby obsah jednotlivých souborů byl uložen co nejvíce pohromadě (např. po sobě jdoucích clusterech), čímž se urychlí práce s těmito soubory. Používají se k tomu specializované nástroje, které mohou být buď přímo součástí operačního systému (u Windows jde o aplikace „Defragmentace disku“, která je spustitelná také z příkazového řádku příkazem defrag), popřípadě se jedná o aplikaci (ať už freeware popř. komerční), která se do operačního systému instaluje dodatečně (např. aplikace O&O Defrag nebo Diskeeper). - Příklady současných souborových systémů ● Souborový systém FAT FAT je zkratka anglického názvu File Allocation Table. Jedná se o alokační tabulku obsahující informace o obsazení clusterů jednotlivými soubory a adresáři (adresář má na disku podobu souboru). Každý diskový oddíl má dvě tabulky, které se vzájemně zálohují. FAT je jednoduchý souborový systém, proto je podporován prakticky všemi operačními systémy. Podporují jej MS-DOS, Windows až do verze XP, FreeDOS, OS/2, Linux a další. Kvůli jednoduchosti a rozšíření je velmi často používán na výměnných médiích, jako je disketa, USB flash disk nebo IOMEGA ZIP disk (optické disky jako CD, DVD apod. jej nepoužívají).

22/5/2012


23

Každému políčku tabulky FAT odpovídá jeden cluster. Jedním ze souborů v našem Rootu je „dopis.doc“, kromě názvu a dalších údajů je u něj zapsáno i číslo clusteru (105), ve kterém je zaznamenána první část souboru, v příslušném políčku FAT je adresa clusteru, kde tento soubor pokračuje (107) a v něm také končí - v jeho FAT je koncová značka FFFF. Soubor „psani.doc“ byl smazán - první písmeno jeho názvu je přepsáno zvláštním znakem a obdobně jeho odkazy ve FAT jsou vynulovány, místo něj lze zapsat další soubor. FFF7 ve FAT ozn. vadný cluster. - FAT 12 Souborový systém FAT byl vytvořen v srpnu 1980 s první verzí QDOSu, předchůdce MS-DOSu. FAT 12 neuměl podadresáře (existoval pouze kořenový adresář) a pro alokaci (adresaci) místa na disku používal pouze 12 bitů, což omezovalo velikost oddílu na 32 MB. Tento souborový systém se používal u disků, které měly méně než 4096 clusterů (212 bitů), tedy nejstarší pevné disky a diskety. Dnes se nepoužívá a není podporován žádným současným operačním systémem. - FAT 16 Souborový systém FAT 16 používal 16 bitové adresování. Byl tedy schopen adresovat až 65536 clusterů (216 bitů). Libovolně velký disk byl tedy při formátování rozdělen na maximálně 65536 clusterů, velikost jednoho clusteru se pohybovala od 512 B do 32 kB (216 * 32kB = 2 GB). Ve Windows NT 4.0 se používal cluster o velikosti 64 kB, tedy maximální velikost diskového oddílu vzrostla na 4 GB. S rostoucí kapacitou disku roste i podíl nevyužitého místa, protože i ten nejmenší soubor (např. o velikosti 1 kB) zabere celý cluster, což v případě 32 kB clusteru znamená ztrátu 31 kB. Při zápisu souboru na disk je využito první volné místo bez ohledu na to, jestli jeho velikost dostačuje zápisu celého souboru. Často dochází k situaci, kdy jsou jednotlivé části jednoho souboru uloženy na různých místech disku. Během čtení takového souboru vznikají relativně dlouhé časové prodlevy nutné k mechanickému posunutí čtecích hlaviček z místa na místo (nutnost defragmentace, tedy opětovného seskupení jednotlivých částí souboru). 22/5/2012


24

- FAT 32 FAT 32 používá 32 bitovou alokační tabulku, která umožňuje adresovat vyšší počet clusterů a tím posouvá hranici maximální teoretické velikosti oddílu na 2 TB. Prakticky je díky omezení BIOSu velikost oddílu omezena přibližně na 8 GB. Do velikosti oddílu 8 GB je velikost clusteru 4 kB, což značně redukuje podíl nevyužitého místa. Tento souborový systém obsahuje záložní FAT a v případně poškození provede program Scandisk obnovu FAT ze zálohy. Chyby FAT: - 1. Fragmentace souborů Je-li soubor rozdělen do více clusterů, které nenásledují hned za sebou, říkáme, že je soubor fragmentován. Fragmentace je nežádoucí, neboť zpomaluje práci disku, čtecí/zapisovací hlavy musí přeskakovat mezi stopami. Také je větší nebezpečí, že při poškození malé části FAT, bude poškozeno více souborů. K tomuto problému dochází poměrně často, jelikož ukládanému souboru nabídne FAT volné clustery včetně těch, jejichž velikost je menší než je velikost souboru. K odstranění používáme programy pro defragmentaci disku. - 2. Ztracené fragmenty souborů Chyba, ke které dochází při ukládání dat do alokačních jednotek (clusterů). Nejprve se ukládají data a až nakonec se uloží jméno souboru a ostatní důležité údaje do kořenového adresáře a alokační tabulky FAT. Pokud během ukládání dojde k chybě, jsou data uložena do clusterů, ale nikde na ně není odkaz. - 3. Překřížené soubory Chyba vzniká, pokud více záznamů tabulky FAT ukazuje na stejný cluster, tedy pokud jeden cluster patří více souborům. Tuto chybu lze opravit programem CHKDSK (z příkazového řádku). - 4. Neplatná podsložka Složka je v kořenovém adresáři zapsána stejně jako soubor, má číslo ukazující na první cluster a navíc má atribut D (Directory = adresář). Pokud se číslo ztratí nebo neuloží, jsou veškerá data ve složce ztracena. - 5. Poškození FAT K poškození FAT může dojít např. při použití software pro správu diskových oddílů (Partition Magic, Acronis Disk Manager atd.) chybou uživatele, popřípadě selháním daného programu, při „pádu“ či nekorektní instalaci operačního systému, po nekorektním ukončení (odpojení) přenosného HDD z USB portu, virovou nákazou PC, atd.

22/5/2012


25

Častý příznak poškozeného souborového systému. Pokud je HDD zobrazen, nejsou mu v nabídce „Tento počítač“ přiřazeny detailní informace. Souborové systémy FAT neumožňují zabezpečení souborů a složek (přístupová práva pro uživatele a skupiny uživatelů), šifrování, přidělování diskových kvót jednotlivým uživatelům, protokolování, atd. ●Souborový systém NTFS NTFS (New Technology File Systém) je používán u operačních systémů firmy Microsoft řady NT a vyšší (Windows 2000, Windows XP, Vista, Windows 7). a) NTFS podporuje skoro všechny velikosti clusterů, tedy od 512 B až po 64 kB. 4 kB cluster je považován za standard (výhodný pro velkokapacitní disky). b) Používá 16 bitové kódování Unicode, což umožňuje pojmenovat soubor v libovolném jazyce (podpora např. diakritiky u českých Windows v názvu souboru). Název souboru může mít až 255 znaků c) Logické disky i soubory mohou být rozprostřeny přes více fyzických disků a poškozené soubory lze zrekonstruovat. d) Teoreticky je maximální velikost NTFS diskového oddílu 264 bajtů = 16 EB (exabajtů) neboli 18 446 744 073 709 551 616 bajtů. e) Oproti souborovému systému FAT nabízí např. zabezpečení (práva k objektům), protokolování (žurnálování), automatickou kompresi dat, podporu diskových kvót a šifrování. f) NTFS není vhodný pro disky menší než 400 MB. - Struktura souborového systému NTFS Kromě uživatelských dat přidává NTFS na disk i tzv. METADATA. Ta jsou ukládána do 16 speciálních skrytých souborů (metasoubory). Jedním z nich je i Master File Table (MFT). MFT je v podstatě relační databáze, která uchovává informace o souborech na disku (záznamy o délce 1 KB). Každý soubor (včetně souboru MFT a metasouborů) začíná záznamem atributu v MFT.

22/5/2012


26

MFT zabírá oblast začátku disku, přičemž si pro sebe vyhradí větší prostor (12% diskového oddílu), aby se mohla dále rozrůstat a zůstávala celistvá (nefragmentovaná).

Nedostává-li se na disku místa pro soubory, volné místo určené MFT se na nějaký čas zredukuje. Uprostřed disku je záložní kopie nejdůležitějších metasouborů MFT.

22/5/2012


27

- Kontrola souborového systému V operačním systému Windows XP a vyšší lze použít z příkazového řádku nástroj CHKDSK, který zjišťuje kontrolu integrity souborového systému zvoleného disku (např. chkdsk c: provede kontrolu diskového oddílu C:). V případě zjištění chyb se nástroj pokusí o jejich opravu. Nástroj CHKDSK se pokusí opravit např. potíže týkající se vadných sektorů, ztracených clusterů, chyb adresáře a souborů s křížovými odkazy. CHKDSK je náhradou staršího programu ScanDisk, který se používal u operačního systému MS-DOS a Windows 9.x. - Obnova smazaných souborů Dojde-li ke smazání dat (souborů) např. pomocí souborového manažeru (Průzkumník, Total Commander, atd.), jsou tyto soubory stále fyzicky uloženy na paměťovém médiu, pouze dojde k odstranění záznamu (ukazatele) na tyto soubory ve FAT nebo MFT. Místo (clustery), které smazané soubory stále zaujímají, se jeví jako volné a může zde být kdykoliv zapsán jiný soubor. Obnovu takto odstraněných dat lze provést pomocí specializovaných programů, např. GetDataBack, Active@ File Recovery, Restoration (volně ke stažení), atd. Princip činnosti: 1. Nejprve se provede analýza (skenování) vybraného diskového oddílu, přičemž se program snaží nalézt veškeré smazané soubory. Proces skenování trvá delší dobu, neboť soubory bývají většinou fragmentovány (části souborů jsou uloženy na různých částech diskového oddílu). 2. Po ukončení analýzy je zobrazen seznam smazaných souborů, uživatel si pak vybere soubory, které požaduje obnovit 3. Program se pokusí o obnovu smazaných souborů, přesněji se pokusí obnovit záznam o zvolených souborech ve FAT nebo MFT. Zásady úspěšné obnovy souborů: Zásadní podmínkou pro zachování dobré šance na zpětnou obnovu odstraněného souboru je zamezení jakéhokoliv zápisu na oddíl disku, který odstraněný soubor obsahuje, neboť místo které obsazuje je označeno jako volné a kdykoliv může dojít k jeho přepsání jiným souborem. Je třeba si uvědomit, že již při spuštění (restartu) operačního systému dochází k zápisu značného množství dat (dočasné soubory, soubor virtuální operační paměti, defragmentace na pozadí, atd.) do oblastí pevného disku, která by mohla obsahovat hledané soubory. RAID (Redundant Array of Independent Disks) Na počátku devadesátých let minulého století se objevil na univerzitě v Berkeley koncept ukládání počítačových dat do diskových polí nazývaný RAID (Redundant Array of Indepen-dent Disks). RAID spočívá v použití více (nejméně dvou) disků, 22/5/2012


28

připojených k řadiči. Pomocí implementované logiky dokáže tento řadič distribuovat data několika diskovým jednotkám. Mezi způsoby uložení dat technologií RAID patři především: 1. rozdělení dat mezi disky (striping) 2. zrcadlení (mirroring) Technologie RAID má v porovnání s jedním diskem poskytovat uživateli vysokou ochranu uložených dat a velkou rychlost přístupu k nim. Obvykle bývají zásuvné jednotky navrženy tak, aby bylo možno vyměnit vadný disk za chodu systému (hot swap). ●RAID 0 – striping

1. zřetězení: Data jsou postupně ukládána na několik disků. Jakmile se zaplní první, ukládá se na druhý, poté na třetí atd. Výhodou je, že získáme velký logický disk, nevýhodou, že data nejsou po pádu jednoho disku obnovitelná. 2. prokládání: Data jsou ukládána na disky prokládaně. To znamená, že soubor je rozdělen na menší části (bloky) a každá část je ukládána střídavě na všechny disky. Diskové pole se tak opět jeví jako jeden velký disk. Není odolný vůči chybám. Porucha jednoho disku znamená ztrátu všech dat v diskovém poli, protože jeden soubor je na více fyzických discích. Výrazně se, ale zvyšuje výkon (rychlost čtení a zápisu), protože čteme zároveň s několika disků najednou. Výhody: • jednoduchý návrh a jednoduché nasazení • vysoká rychlost při zápisu i při čtení dat • vysoká efektivita – 100% využití kapacity všech disků Nevýhody: • řešení není odolné vůči chybám, proto chyba jedné jednotky zničí obsah celého pole. Použití: 22/5/2012


29

• v domácnostech (při nárocích na vysokou propustnost dat). • nikdy by se nemělo nasazovat v případech, že data nemohou být postrádána. • střih videa, práce s obrazem – obecně aplikace vyžadující vysokou propustnost.

●RAID 1 – mirroring (zrcadlení)

Nejjednodušší, ale poměrně efektivní ochrana dat. Provádí se tzv. zrcadlení (mirroring) obsahu disků. Obsah se současné zaznamenává na dva disky. V případě výpadku jednoho disku se pracuje s kopií, která je ihned k dispozici. Podobná technika může být uplatněna při použití dvou samostatných řadičů. Tato technika se nazývá duplexing a je odolná i proti výpadku řadiče. Obě techniky buď nemění nebo snižují rychlost, ale výrazně zvyšují bezpečnost dat proti ztrátě způsobené poruchou hardware. Nevýhodou je potřeba dvojnásobné diskové kapacity. Výhody: • diskové pole může odolat i výpadku několika jednotek ve stejném okamžiku • nejjednodušší návrh • výborná dostupnost dat Nevýhody: • málo efektivní kvůli nutnosti použití dvojnásobné kapacity disků (min. 2 disky stejné kapacity) Použití: • aplikace s maximálními nároky na bezpečnost a trvanlivost dat (typicky vedení účtů a jiných agend)

22/5/2012


30

22/5/2012


31

V praxi existují také kombinace výše zmíněných základních RAID technologií. Jako příklad lze uvést: - RAID 0+1 – mirrored striping array

Kombinace výše uvedených dvou typů, spojující vlastnosti bezpečného uložení dat a možnosti rychlého sekvenčního zápisu. Tento režim vyžaduje použití minimálně 4 disků (obecně 4 + 2n disků, přičemž n=0,1,2,3,…). Jedná se o pole zrcadlených bloků disků, disky uvnitř bloků jsou stripovány. Nevýhody: • při případném poškození jedné jednotky se z pole stává architektura RAID 0 • nákladné řešení s velkou režií • špatná rozšiřitelnost pole • vysoká náchylnost na úplnou synchronizaci disků Použití: • zpracování obrazu • souborové servery -

Matrix RAID

22/5/2012


32

Matrix RAID nabízí to nejlepší z obou technologií RAID. Umožňuje použít dva disky, nastavit dělící poměr – a na části takto vzniklého pole lze mít RAID 0 a na zbylé části RAID 1 (viz obrázek). Praktické využití: Domácí uživatelé mají ve většině případů různě cenná data. Jinak si váží rodina fotografií z digitálního fotoaparátu nebo živnostník účetních dat (jejichž ztráta by byla velmi nepříjemná a bolestivá), jinak si váží uživatel her (ty může snadno znovu nainstalovat, zato výkon je zde požadován maximální). A tak se umístí důležitá data na zrcadlo (RAID 1), méně důležitá na stripe (RAID 0) s velkým výkonem, přičemž uživatel má pocit bezpečí a za tento pocit neplatí celou kapacitou druhého disku navíc.

2. Mechanika pružného disku a pružný disk 3,5“ (disketa, Floppy Disk, FDD (FD Drive)) Disketa byla nejobvyklejším přenosným paměťovým médiem u PC. Paměť má dvě části: • Disketovou mechaniku. • Disketu, která se dá vyjmout z mechaniky a použít v jiném počítači. Mechanika Podobně jako u pevného disku je tvořena raménky s magnetickými hlavami. Ty se však nad disketou nevznášejí, ale pohybují se přímo po jejím magnetickém povrchu. Tím dochází k mechanickému opotřebení povrchu diskety. Ta je tedy vhodná pouze pro nepravidelný provoz - přenos dat mezi počítači, zálohování dat (nahrání souborů z pevného disku na disketu), případně instalaci nových (ne však velkých) programů. Dnes běžná disketová mechanika je určena pro 3,5" diskety, s kapacitou 1,44 MB (většina mechanik umí číst diskety s kapacitou 2,88 MB, ale tento standard se nerozšířil). Deska s elektronickými obvody řadiče je opět umístěna na mechanice. Napojení na základní desku je realizováno prostřednictvím rozhraní integrovaného do základních desek.

Pravidla pro práci s mechanikou • Každá jednotka má své logické jméno (nejčastěji A:, B:), pomocí kterého ji adresujete. 22/5/2012


33

• 3,5" jednotka má pouze tlačítko, jehož stiskem se disketa vysunuje z mechaniky. Zasunutí diskety se nezajišťuje. Pokud svítí kontrolka na mechanice, pohybují se magnetické hlavy po povrchu diskety, a tak disketu nevyjímejte. • Jednotku chraňte před prachem a otřesy.

Disketa Je tvořena plochým diskem, jehož oba povrchy jsou pokryty magnetickou vrstvou. Vlastní kotouč disku je uzavřen ve tvrdém čtvercovém obalu. Vzhledem k existenci více formátů existovalo několik druhů disket, jejichž přehled uvádí tabulka. Na obalu diskety bývá vždy uveden její typ formou zkratky, kterou vidíte ve sloupečku označení na disketě. Písmena mají tento význam: • DS: double sided (oboustranný záznam). • DD: double density (dvojnásobná hustota). • HD: high density (vysoká hustota). • QD: quad density (někdy též ED - extra density).

Kapacita je 1,44 MB, její plotny jsou rozděleny do 80 stop a 18 sektorů s 512 B dat (80*18*512*2 = 1,44 MB). FAT je 12ti bitová.

22/5/2012


34

Kabel pro připojení mechanik

Až dvě mechaniky se připojují 34 pinovým konektorem a plochým kabelem k rozhraní na základní desce a používají řadič IDE (předchůdce EIDE). Nevýhody FDD: omezená životnost, nízká kapacita, pomalý přenos dat. Dnes se už diskety nepoužívají.

3. ZIP disky a mechaniky ZIP disky jsou média vyrobená firmou Iomega a jedná se disk o průměru 31/2", na který je možné uložit 100(250)MB dat. Princip práce ZIP disku je podobný jako u disketové mechaniky. Provádí se na magnetickou vrstvu pomocí čtecích (zapisovacích) hlav, které při práci přímo dosedají na povrch média. Mechaniky pro ZIP disky se vyrábějí v interním i externím provedení.  Interní mechaniky se připojují: o EIDE rozhraní o SCSI rozhraní  Externí disky se připojují: o SCSI rozhraní o Paralelní port

22/5/2012


35

4. Bernoulliho disk Je vyroben firmou Iomega a jde o pružný kotouč otáčející se v proudu vzduchu, který přitlačuje (podle Bernoulliho jevu) povrch média k hlavičce. Bernoulliho disky se vyrábějí ve formátu 51/4" a jejich kapacita se pohybuje od 20 MB do 200 MB. Připojení k počítači je provedeno pomocí paralelního portu nebo SCSI rozhraní. Mezi výhody Bernoulliho disků patří poměrně vysoká odolnost média proti přetížení (pád, náraz apod.). Jedná se o přenosné zařízení s přímým přístupem k datům, které poskytuje vyšší přenosovou rychlost a vyšší kapacitu než disketa.

5. Magnetické páskové paměti Záznam dat je prováděn na magnetický pásek umístěný v plastové kazetě, stejně jako u klasické magnetofonové kazety, ale páska má mnohem vyšší kvalitu, proto se jim také někdy říká digitální kazety. Používají se k zálohování dat serverů (oproti datovým médiím jako CD-R nebo DVD-R poskytují pásky zaručenou životnost nejméně 10 let), kapacita pásku je až 1TB, rychlost desítky MB/s, přístupová doba je vysoká – až hodiny.

- Páskové paměti Páskové paměti jsou typickým sekvenčním zařízením, to znamená, že pokud je potřeba zpřístupnit libovolnou informaci na pásce, je nutné, aby nejdříve byly přečteny všechny informace předcházející. Mezi první páskové paměti patří devítistopá páska o šířce 1/2". Hustota záznamu na těchto páskách dosahovala až 6250 bpi (bits per inch = bitů na palec). Tyto páskové paměti se používaly zejména u velkých sálových počítačů a vyžadovaly poměrně náročnou obsluhu, protože páska byla navinuta pouze na cívce (nikoliv umístěna v kazetě) a tudíž se musela pracně zavádět do čtecího zařízení. Páskové paměti jsou vhodné zejména pro zálohování velkého objemu dat a jeho případné obnovy. Jsou naprosto nevhodné pro časté zpřístupňování určitých částí dat. Toto je dáno jejich sekvenčním přístupem k datům, který může způsobit, že přístupová doba k datům uloženým na konci pásky může dosáhnout až několika hodin. 22/5/2012


36

Připojování pásky se provádělo přes rozhraní SCSI, záznam byl prováděn magneticky a životnost pásky byla odhadována na 25 let. - Kazety 3480, 3490E Jedná se o kazety s magnetickou páskou, které byly vyvinuty firmou IBM pro velká výpočetní střediska. Na rozdíl od svého předchůdce se již jedná o pásku umístěnou v kazetě, což usnadňuje manipulaci. Další výhodou těchto pásek je vyšší přenosová rychlost a kratší doba převíjení. Kazety 3480 a 3490E jsou opět vhodné zejména pro zálohování velkých objemů dat, protože podobně jako 1/2" pásky jsou i tyto kazety sekvenční média. Později vznikla k těmto kazetám ještě automatická zařízení na manipulaci s archivem těchto kazet (jukebox). - Streamer Streamer je páskovým médiem s podélným proudovým záznamem, které není již určeno výhradně pro velké sálové počítače, jako tomu bylo u předešlých médií, ale i pro malé osobní počítače. Čtecí (zapisovací) mechaniky pro streamery se vyrábějí jak v interním, tak externím provedení. Páska streameru je uložena v kazetě, se kterou potom mechanika pracuje. Zaznamenávaná data se nezapisují po blocích, ale jsou zapisována jako celistvý proud dat. Vlastní záznam je prováděn podélně (podobně jako u audio kazety). Oproti předešlým páskovým pamětem a kazetám poskytují streamery vyšší přenosovou rychlost (cca 10-15 MB/min) a mají kapacitu 60 MB, 120 MB, 250 MB, 500 MB, 1,2 GB, 2,5 GB a více. Jejich hlavní využití spočívá podobně jako u předchozích médií v zálohování velkých objemů dat. Připojení k počítači se provádí prostřednictvím:  řadiče pružných disků  paralelního portu  SCSI rozhraní

Shrnutí: Magnetické vnější paměti jsou dnes nezbytné pro práci počítače a dlouhodobé uchování dat. 22/5/2012 Magnetické paměti a mechaniky

37

Použité zdroje informací: [1] BLATNÝ, J. a kol. Číslicové počítače. 1.vyd. Praha, SNTL, 1980, 496s. [2] JANSEN, H. a kol. Informační a telekomunikační technika. 1.vyd. Praha, Europa-Sobotales cz.s.r.o, 2004, 400s. ISBN 80-86706-08-7. [3] HÄBERLE, G. a kol. Elektrotechnické tabulky pro školu i praxi. 1.vyd. Praha, Europa-Sobotales cz.s.r.o, 2006, 460s. ISBN 80-86706-16-8. [4] HORÁK, J. Hardware: učebnice pro pokročilé. 4.vyd. Brno, Computer Press, 2007, 360s. ISBN 978-80-251-1741-5. [5] DEMBOWSKI, K. Mistrovství v hardware. 1.vyd. Brno, Computer Press, 2009, 712s. ISBN 978-80-251-2310-2. [6] KUCHAŘ, M. a kol. Bible hardwaru. 1.vyd. Brno, Extra Publishing, 2008, 296s. ISBN 1802-1220.

22/5/2012


38

Magnetické paměti a mechaniky

Recommend Documents