ver. 13.10.2012
Pevné disky
Pevné disky Pevný disk (hard disk) je zabudován uvnitř skříně počítače a uživatel ho nemůže jednoduše a bez použití nástroje přenést do počítače jiného. Dnes již toto tak úplně neplatí – běžné jsou i externí disky připojené přes USB nebo FireWire. Zatím se budeme zaobírat disky připojenými interně. Pevný disk je magnetická paměť. Záznam informace probíhá zmagnetizováním určitých oblastí na rotujícím kotouči s feromagnetickou záznamovou vrstvou. Změny magnetického pole na kotouči lze snímat a tímto způsobem dochází ke čtení zaznamenaných dat. Tolik fyzikální princip. Konkrétní technické provedení je následující:
Není možné takto odkrytovat funkční disk, protože jakákoliv, byť mikroskopická nečistota by způsobila zničení disku. Na obrázku je vidět raménko s magnetickými hlavami, které provádějí zápis a čtení. Disk na obrázku má 3 kotouče (plotny), využívá se všech 6 povrchů – má tedy i 6 hlav, které jsou na společném raménku a pohybují se souběžně. Plotny se otáčejí vysokými otáčkami, které způsobují proudění vzduchu, které udržuje hlavičky v nepatrné vzdálenosti od povrchu plotny (hlavičky „plují“ na vzduchovém polštáři). Jakýkoliv kontakt hlavičky a povrchu disku hrozí havárií celého disku. Proto také musí být vnitřní prostor disku prostý všech nečistot. Následující obrázky přibližují, jak je pevný disk precizní mechanické zařízení, citlivé na otřesy a nečistoty:
Při zastavení disku přestává existovat tenká vzduchová vrstvička a hrozí pád hlavy na povrch disku. Proto je nutno předem odsunout hlavy do vyhrazené zóny mimo činnou plochu disku. Tento proces se nazývá parkování hlaviček. Historické disky se často parkovaly speciálním příkazem před vypnutím, dnešní disky po vypnutí využívají setrvačnost otáčejících se ploten a parkují automaticky. 1/6
ver. 13.10.2012
Pevné disky
Parametry pevných disků • Mechanické rozměry Průměr plotny se měří v palcích a je určující pro rozměry disku. Pro stolní počítače a servery se používají disky 3,5“, pro notebooky disky 2,5“. • Kapacita Aktuálně stovky GB až jednotky TB. • Přístupová doba Je to zpoždění, které uplyne mezi obdržením povelu k zápisu či čtení a jeho vykonáním. Obecně každá paměť má přístupovou dobu, u pevných disků je dána hlavně faktem, že rychlost pohybu hlav po plotně je konečná, stejně tak rychlost otáčení ploten, tudíž trvá určitou dobu, než se hlava dostane na žádané místo. U běžných disků je přístupová doba asi 10 ms, u výkonných serverových disků asi 4 ms. • Rychlost přenosu dat Rychlost zápisu či čtení v MB/s. Konkrétní hodnoty viz níže u jednotlivých rozhraní. • Vyrovnávací paměť (cache) Velikost jednotky MB, stejný účel jako cache u procesoru. • Otáčky ploten U běžných disků se používají otáčky 5400 ot./min nebo 7200 ot./min, u výkonných serverových disků 10000 ot./min nebo 15000 ot./min. • Rozhraní neboli způsob připojení disku k řadiči. K propojení se používá předepsaný kabel. Řadič (zařízení, které obsluhuje disk) se dnes v drtivé většině případů vyrábí jako integrovaný na základní desce, běžně jsou ale dostupné i řadiče ve formě zásuvných karet. ◦ PATA Rozhraní standardu ATA, označované jako IDE. Vzniklo v roce 1986, později bylo vylepšeno a označeno jako EIDE. IDE umožňovalo připojení dvou pevných disků, EIDE rozšířilo počet na 4 a kromě pevných disků umožnilo připojení např. optických mechanik (CD, DVD). PATA značí, že data se přenáší Paralelně, čili souběžně po více vodičích. Původně se standard označoval ATA, později s rozšířením SATA byl pro odlišení přejmenován na PATA. Kabel je 40-ti žilový (u pozdější verzí ATA 80-ti žilový), má 3 konektory – jeden se připojuje do řadiče, zbylé dva do diskových jednotek. Řadič má dva kanály, lze tedy připojit dva kabely, celkem tedy může obsloužit až 4 disková zařízení. Kanály se označují jako primární a sekundární. Standard se postupně vyvíjel, označoval se číselně od ATA 1 do ATA 7. Poslední verze je ATA 7, taky označována ATA133, kde 133 značí teoretickou přenosovou rychlost v MB/s.
2/6
ver. 13.10.2012
Pevné disky
Jelikož jsou dvě jednotky na jednom kabelu, je nutno pro vyloučení konfliktů stanovit prioritu – první zařízení se označuje Master, druhé Slave. Nastavení master/slave se provádí na disku pomocí propojek (jumperů). Nastavení jumperů předepisuje výrobce disku a bývá přímo na těle disku natištěno. Na uvedeném obrázku vidíme na pevném disku zleva doprava: 40-pinový IDE konektor, jumper, nastavující master/slave, 4pinový napájecí konektor MOLEX. ◦ SATA Zkratka od SerialATA, čili připojení standardu ATA se sériovým přenosem dat. Vodičů v kabelu je podstatně méně a data se přenášejí sériově (postupně za sebou). Díky vysoké taktovací frekvenci (až 6 Ghz) dosahuje vyšších rychlostí než PATA. Vznik se datuje do roku 2000. Během posledních let dospělo rozhraní do verze 3 a postupně vytlačilo rozhraní PATA. ▪ SATA 1 – rychlost 150 MB/s, což je podobné jako PATA133. Mechanické pevné disky dosahují rychlosti asi 130 MB/s, což dostatečně pokryje jak PATA133, tak SATA 1. ▪ SATA 2 – rychlost 300 MB/s. Sice zbytečně moc pro klasické mechanické disky, ale nové SSD (solid state disc) – polovodičové flash pevné disky – tuto rychlost využijí. ▪ SATA 3 – rychlost 600 MB/s. Tuto rychlost využijí nejrychlejší moderní SSD pevné disky. Na každém SATA kabelu je jen jedno zařízení, odpadá tedy nastavování master/slave. Kabel má méně vodičů a je tedy užší, stejně tak konektory. SATA také přineslo nové vymoženosti, třeba možnost připojení a odpojení za chodu (hot plug), NCQ (native command queing) – pevný disk si sám upravuje posloupnost operací tak, aby hlavičky disku musely vykonat co nejméně pohybů. Tyto vymoženosti jsou ale dostupné pouze, je-li řadič SATA přepnut do režimu AHCI („pravé“ SATA). V mnoha případech je řadič přepnut do režimu, kdy „předstírá“ - emuluje - chová se jako klasický PATA řadič. O tuto emulaci se stará BIOS, kde je tato volba nastavitelná většinou pod názvem „native IDE“. Toto je nutné hlavně u starších operačních systémů, jako je Windows XP. Novější verze Windows podporují AHCI, stejně tak Linux od verze jádra 2.6.19. Na následujících obrázcích jsou vyobrazeny vzhled konektorů a kabelů, připojení disku a srovnání SATA a PATA kabelu. SATA dnes vytlačilo PATA, PATA konektory najdeme na základních deskách hlavně kvůli podpoře starších disků, všechny novější disky se vyrábějí jako SATA a to nejen pevné disky, ale i optické mechaniky (CD, DVD, BluRay). Proto bylo tomuto rozhraní věnováno více prostoru.
3/6
ver. 13.10.2012
Pevné disky
◦ SCSI (Small Computer System Interface) – paralelní rozhraní s dlouhou historií, první verze vznikla v roce 1986. Kabely SCSI jsou ploché, podobné PATA kabelům, mají však 50 nebo 68 žil, dle typu. Kabel umožňuje připojení až 8 zařízení, z nichž jedno je samotný SCSI řadič, poslední zařízení na kabelu se musí zakončit odporem, aby nedocházelo k odrazům signálu zpět do vedení. Tento zakončovací odpor se nazývá terminátor. Dříve se SCSI používalo u výkonných pracovních stanic, protože zaručovalo vysokou a stabilní rychlost přenosu dat, což byly vlastnosti, které levné IDE rozhraní nedokázalo zaručit. SCSI umožňovalo i připojení externích zařízení. Umožňovalo připojení nejen pevných disků, ale i optických mechanik, skenerů, aj. Dnes v pracovních stanicích kraluje SATA, které je levnější a dostatečně výkonné. SCSI se tak dnes používá v náročných podmínkách na serverech a velmi výkonných stanicích. V „běžném“ počítači se s ním prakticky nesetkáme. Mechanické pevné disky mají své limity v přenosové rychlosti, takže jim v podstatě stačí rozhraní PATA 133 nebo SATA1. Poslední dobou se prosazují SSD (solid state disc). Tyto disky neobsahují žádné pohyblivé části, místo magnetického záznamu využívají polovodičové paměťové čipy Flash EEPROM. Běžně dosahují rychlosti čtení 500 MB/s, takže dokážou využít potenciálu rozhraní SATA3. SSD disky jsou řešeny tak, aby jimi bylo možno snadno nahradit v počítači stávající mechanické disky – mívají stejné rozměry a rozteče montážních otvorů a standardní SATA konektory jako klasické disky.
Vlastnosti SSD: Výhody: • menší spotřeba • menší hmotnost a rozměry • absence pohyblivých dílů → otřesuvzdorné • vysoká přenosová rychlost • zanedbatelná přístupová doba Nevýhody: • vyšší cena za 1 GB kapacity • životnost omezena počtem zápisů
4/6
ver. 13.10.2012
Pevné disky
Geometrie dat na mechanickém pevném disku Pevný disk většinou obsahuje více ploten, každá má dva povrchy a ke každému povrchu přísluší jedna hlava. Hlavy se pomocí raménka pohybují souběžně, tudíž se nacházejí všechny současně ve stejné vzdálenosti od středu disku. Povrchy disků jsou rozděleny do soustředných kružnic, zvaných stopy (tracks). Každá stopa je rozdělena na úseky zvané sektory (sectors). Skupina stop nacházejících se nad sebou tvoří válec (cylindr).
Geometrie disku je tedy udávána následujícími hodnotami: • Hlavy disku (heads): počet čtecích (zapisovacích) hlav pevného disku. Tento počet je shodný s počtem aktivních ploch, na které se provádí záznam. Většinou každá plotna má dvě aktivní plochy a k nim příslušné čtecí (zapisovací) hlavy. • Stopy disku (tracks): počet stop na každé aktivní ploše disku. Stopy disku bývají číslovány od nuly, přičemž číslo nula má vnější stopa disku. • Cylindry disku (cylinders): počet cylindrů pevného disku. Tento počet je shodný s počtem stop. Číslování cylindrů je shodné s číslováním stop. • Sektory (sectors): počet sektorů, na které je rozdělena každá stopa. Sektory bývají číslovány od jedničky. Velikost sektoru je 512 B, s rostoucí kapacitou disků se začíná prosazovat velikost sektoru 4 kB. Zápis nebo čtení probíhá ve třech krocích: 1. vystavení hlav na patřičný cylindr 2. pootočení plotny na patřičný sektor 3. samotný zápis nebo čtení dat Toto je fyzická struktura disku – sektory a stopy jsou vytvořeny již při výrobě disku tzv. nízkoúrovňovým formátováním (low-level format). Formátování disku, které nabízí operační systém je vysokoúrovňové formátování, které vytváří logickou strukturu disku. Logická struktura disku zahrnuje např. shlukování více sektorů do tzv. clusterů, tvorba oddílů na disku (každý oddíl se pak uživateli jeví jako samostatný disk), souborový systém – čili organizaci dat na disku z hlediska operačního systému. Toto jsou struktury vytvářené softwarově operačním systémem, z hlediska hierarchie leží „nad“ fyzickou strukturou disku. Více o logické struktuře disku v materiálech věnovaných operačnímu systému.
5/6
ver. 13.10.2012
Pevné disky
Adresování pevného disku • Jednoznačná identifikace sektoru jakožto nejmenší adresovatelné jednotky na disku • Adresa sektoru se skládá z: ◦ čísla cylindru ◦ čísla hlavy ◦ čísla sektoru Přístup k datům na disku a) Přímý přístup na základě fyzické adresy sektoru – systém CHS (cylinder-head-sector). Trojicí adres – číslo cylindru, hlavy a sektoru je jednoznačně určen daný sektor v rámci celého disku. Původní architektura IBM PC uvažovala parametry CHS takového rozsahu, že bylo možno adresovat disky do kapacity cca 100 MB, což bylo poměrně záhy nedostačující. Aby bylo možno adresovat větší disky, byly zavedeny v BIOSu „falešné“ rozsahy CHS s tím, že při diskových operacích docházelo k přemapování na skutečné adresy na disku. Tím se zvětšila maximální adresovatelná velikost disku. Limit BIOSu byl ale i tak 1024 cylindrů, 256 hlav, 64 sektorů, což při 512 B/sektor dává kapacitu 1024x256x64x512 :1024 :1024 :1024 8 GB Což je limit pro velikost disku při přímém adresování. b) LBA (logicall block adress) Sektory jsou lineárně (postupně od nuly, jeden po druhém až do maxima) očíslovány. Základní varianta LBA používala 28-bitové adresování, bylo tedy možno adresovat 228 sektorů, což při 512 B/sektor dává maximální adresovatelnou kapacitu 128 GB. Zavedením standardu ATAPI 6 (PATA 100) pro rozhraní disku se u LBA začalo používat 40-bitové adresování, což představuje limit adresovatelné velikosti disku 128 000 TB (při velikosti sektoru 512 B). Zavedením LBA ovšem operační systém ztrácí přehled o skutečné geometrii disku (oproti metodě CHS), pouze může předpokládat, že adresy blízké numericky znamenají i fyzickou blízkost sektorů na disku a že nižší adresy patří sektorům blíže středu disku. Potom se stávají diskutabilní takové činnosti operačního systému, které mají vést k efektivnější práci pevného disku – například snaha, aby data jednoho souboru byla pokud možno v sousedících sektorech a hlava se nemusela zdržovat přeskoky na nesousední sektory. S tímto souvisí i pojem defragmentace disku, kdy se „rozházené“ skupiny sektorů, patřící k jednomu souboru, „přerovnávají“ tak, aby tvořily jednolitou skupinu. S nástupem technologie NCQ u SATA disků však stejně disk optimalizaci pohybů hlav po plotnách provádí sám nezávisle na operačním systému, takže tento zádrhel ztrácí na významu. Zcela se tento problém ztrácí u trendu poslední doby – SSD disků, které jsou i fyzicky (nejenom logicky) tvořeny bloky paměťových buněk, kde jednoduché očíslovaní „jeden po druhém“ je přirozenou záležitostí. Historicky vzato byl systém lineárního adresování převzat od disků s rozhraním SCSI, kde se používal od samého začátku.
6/6
