Pevný disk (HDD – Hard Disk Drive) Pevný disk je velkokapacitní paměť s pohyblivou magnetickou vrstvou, energeticky nezávislá. Používá se jako hlavní paměťové úložiště počítače. Jsou zde uloženy všechny nainstalované programy a jejich data (včetně operačního systému), instalátory programů a tzv. souborový systém disku. 1. Blokové schéma HDD
1. pohon vystavovacího mechanismu 2. vystavovací mechanismus 3. raménko vystavovacího mechanismu 4. univerzální hlava 5. společná hřídel 6. diskový kotouč 7. pohon disků 8. elektronická část
2. Elektromechanické části HDD (fyzická struktura)
Základem HDD je plotna ve tvaru disku o určitém průměru, vyrobená nejčastěji ze skla nebo slitiny hliníku. Na této plotně je nanesena tenká vrstva magnetického substrátu. Nad těmito vrstvami pluje na vzduchovém polštáři v nepatrné výšce čtecí a zápisová hlava. Hlavy jsou umístěny na pohyblivém raménku vystavovacího mechanizmu, mají aerodynamický tvar, který způsobí vztlakem vzduchu, vznikajícího rotací disku, nadzdvihnutí hlavy. Hlava se pohybuje ve vzdálenosti řádu desetin mikrometrů nad povrchem disku. Magnetická vrstva se nanáší z obou stran plotny, tzn., že každé plotně náleží vždy dvě hlavy pro čtení a zápis. Ploten může mít HDD i více (zvýšení celkové kapacity).
Při zápisu dat na disk prochází indukční záznamovou hlavou elektrický proud vytvářející magnetický tok, pomocí něhož dojde ke změně orientace domény v magnetické vrstvě. Pro zvýšení hustoty záznamu se přešlo z podélného záznamu na kolmý:
Tam, kde jsou indukční čáry husté, je koncentrován dostatek energie ke zmagnetizování dané oblasti. U širokého pólu je plošná energie nízká a k magnetizaci této oblasti tudíž nedojde. Magnetizace je jako přepnutí přepínače - při malé "síle" k "přepnutí" stavu nedojde. "Zpětný" tok magnetického pole podporuje navíc magneticky vodivá (tzv. magneticky měkká) stabilizační vrstva.
Pro čtení se používá magnetorezistivní (MR, resp. novější GMR) hlava, která mění svůj elektrický odpor při změně orientace magnetického pole, tedy při přechodu mezi logickými stavy 0 a 1. GMR (Giant MR) čtecí hlavy využívají současné HDD. Vyznačuje se velmi malými rozměry a rychlou reakcí. Umožňují vysokou hustotu záznamu dat na plotnu. Hlavičky jsou uchyceny na raménku vystavovacího mechanismu. Jeho úkolem je přemístit hlavičky nad požadovanou stopu.
Pohyb raménka zajišťuje kmitací cívka, která je součástí raménka. Tato cívka je umístěna v silném magnetickém poli permanentního magnetu. Protéká-li cívkou elektrický proud, vytváří cívka magnetické pole. Vzájemným silovým působením magnetických polí cívky a permanentního magnetu dochází k pohybu raménka, na jehož konci jsou čtecí a zapisovací hlavičky.
Má-li HDD více ploten, nachází se vždy všechny hlavičky nad stejnou stopou. Jelikož existuje pouze jeden společný pohon vystavovacího mechanismu, nezávislý pohyb jednotlivých ramének není možný. Při ukončení práce s diskem a vypnutí počítače se hlavy musí přesunout do takzvané parkovací zóny, kde po zastavení ploten dosednou na jejich povrch. Pro parkovací zónu bývá většinou vyčleněna nejvnitřnější stopa disku.
Plotny jsou pevně uchyceny k hřídeli (angl. spindle), které zajišťuje otáčení ploten vysokou rychlostí. I při vysokých otáčkách (tisíce otáček za minutu) nedochází k vibracím plotny (nehrozí kontakt hlaviček s rotující plotnou, tzv. head crash). Pohon zajišťuje miniaturní stejnosměrný elektromotor. V moderních pevných discích se nacházejí motorky s kapalinovými ložisky (v minulosti kuličková ložiska) z důvodu menšího tření, vyšší životnosti motoru, menší hlučnosti a chvění. HD motor (Hydro Dynamic) FDB motor (Fluid Dynamic Bearing1)
Čím jsou otáčky ploten vyšší, tím je přístupová doba menší. Mezi rychlostí otáčení a provozními podmínkami platí: čím více otáček za minutu, tím horší provozní podmínky. S rostoucím počtem otáček vzniká větší teplo uvnitř pouzdra disku, což zvyšuje nároky na chlazení. Přehřívání HDD vede k častějšímu výskytu chyb a tím i ke snížení životnosti HDD. Navíc se zvyšuje hlučnost disku. Vše je uloženo, pevně uchyceno a hermeticky uzavřeno v obalu (pouzdře) pevného disku, který chrání elektromechanické části před nečistotami, mechanickým poškozením a zároveň působí jako pasivní chladič (kovový obal).
1
Fluid bearing = Kapalinové ložisko
3. Elektronické části HDD Elektronika řídí chod elektromechanických částí HDD a umožňují komunikovat s procesorem počítače prostřednictvím řadiče disku. 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). Současné pevné disky jsou IDE (Integrated Drive Electronics – volně přeloženo jako „elektronika integrovaná přímo na pevném disku“). Hlavními funkcemi elektroniky jsou: kontrola rychlosti otáčení disku. kontrola přesunu hlav nad plotnami. zprostředkování operací čtení nebo zápis. „překlad“ geometrie disku. správa vyrovnávací paměti (CACHE) a její optimalizace. zesilování signálů jdoucí z čtecí hlavičky a jejich převod na log. 0 a 1 řízení toku informací z/do disku. optimalizace pořadí požadavků na čtení a zápis (pro rychlejší vykonání). Mezi základní části elektroniky disku patří: a. Řadič – jeho úkolem je na základě vnějších požadavků zapisovat data, která přicházejí nebo naopak data z disku přečíst, řídit pohon disku a vystavovacího mechanismu hlav, kódování a dekódování dat, pokus o odstranění chyb při čtení nebo zápisu atd. b. ROM – je v ní uložen firmware pevného disku, podle kterého pracuje řadič. c. Vyrovnávací paměť (CACHE) – rychlá paměť, která pomáhá urychlovat komunikaci nejčastěji mezi rychlejší operační pamětí a řádově pomalejším pevným diskem. U HDD má kapacitu řádově desítek až stovek MB. Pokud se CACHE používá při zápisu (tzn. funguje write-back caching), data, která pošle operační systém pevnému disku, se uloží do CACHE. Elektronika disku následně odešle informaci o tom, že data byla úspěšně uložena. Teprve pak se stará o jejich skutečné uložení na plotny HDD. Při výpadku napájení však může dojít ke ztrátě dat!
d. Rozhraní – obvody, umožňující připojit HDD k počítači. Zajišťují komunikaci mezi pevným diskem a především procesorem a operační pamětí. Současná rozhraní disků: - ATA (PATA = paralelní, SATA = sériové) - SCSI - SAS Rozhraní disku popisuje výukový materiál „Rozhraní disku“. e.
Konfigurační přepínače Disky s rozhraním PATA: Master pro připojení hlavního disku na daném kanálu Slave pro připojení sekundárního disku na daném kanálu Cable select (CS) pro automatické nastavení (u 80 žilového kabelu). Disky s rozhraním SATA II: Omezení přenosové rychlosti rozhraní SATA II (3 Gb/s) na SATA I (1.5 Gb/s).
4. Geometrie disku Před zápisem jakýchkoliv dat je nutné pevný disk nejprve naformátovat. a. Fyzické, neboli nízkoúrovňové formátování (LLF – low level format): pomocí elektromagnetického záznamu je záznamová vrstva rozdělena na stopy a sektory oddělené mezerami. b. Logické, neboli vysokoúrovňové formátování (HLF – high level format): vytváří se logická struktura (tzv. souborový systém) pevného disku. Stopa (track) je oblast pro ukládání dat ve tvaru soustředné kružnice. Každá stopa je rozdělena na menší části, kterým se říká sektory. Sektor (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 B. Ve skutečnosti je to více, například 571 B, z toho 512 B 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. 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. Hlavičky se totiž nemohou pohybovat nezávisle nad různými povrchy ploten, ale nacházejí se vždy všechny 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.
Alokační jednotka (cluster) je z pohledu operačního systému nejmenší adresovatelné paměťové místo pro uložení jednotlivých souborů nebo jeho fragmentů. Ve skutečnosti jde o sdružení několika sektorů do jednoho celku. Clustery vznikají při vytváření logického diskového oddílu. Každý cluster má své číslo (adresu). Cluster může nabývat velikosti 512 B až 64 kB, typická hodnota je 4 kB. Použitím clusterů jako nejmenší paměťové buňky z pohledu OS se výrazně urychluje adresování a tedy vyhledání místa pro čtení/zápis. Uměle se však snižuje volné využitelné místo na disku. Jeden cluster nemůže být obsazený daty ze dvou souborů, i když je zaplněn jen z části. Má-li soubor velikost např. 1 kB a velikost clusteru je nastavena na 4 kB, zabere soubor na pevném disku 4 kB. Zbývající 3 kB nebude možné dále využít! menší cluster - výhoda pro malé soubory, nevýhoda pro velké soubory (velká fragmentace souborů). vetší cluster - výhoda pro velké soubory, nevýhoda pro malé soubory (neefektivní využití volného paměťového prostoru). 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. Čím větší bude hustota stop na záznamové vrstvě a čím menší budou záznamové a čtecí hlavy, tím víc dat lze na záznamovou vrstvu uložit.
5. Parametry pevného disku Formát disku
Průměr plotny v anglických palcích2: 1.8‘‘, 2.5‘‘, 3.5‘’, 5.25’’ (starší HDD, nelze již koupit nové)
Rozhraní
Obvody pro komunikaci HDD s počítačem (CPU, DMA): ATA (paralelní, sériové), SCSI, SAS, pomocí adaptéru lze disk připojit k počítači pomocí USB, FireWire, (W)LAN.
Kapacita
Teoretická maximální velikost paměťového prostoru pro uložení dat. V praxi je vždy využitelné volné místo menší! Jednotkou je GB (Giga Byte), TB (Tera Byte).
Otáčky
Maximální otáčky ploten, jednotkou jsou otáčky za minutu (ot/min), neboli RPM (angl. Rotates Per Minutes). Typické hodnoty jsou 4200, 5400, 7200, 10000, 15000 RPM.
CACHE paměť
Vyrovnávací paměť, která „odděluje“ rychlý procesor a operační paměť od pomalého pevného disku. Umožňuje uchovat data určená k zápisu do doby, než je mechanická část pevného disku zpracuje a naopak uchovává přečtená data do doby, než je řadič DMA přesune do operační paměti. Parametrem je kapacita CACHE, řádově desítky až stovky MB (Mega Byte).
Přístupová doba
Průměrný (střední) čas v milisekundách (ms), za který je disk připraven číst nebo zapisovat data od přijetí požadavku řadičem disku.
Počet ploten
U každé plotny se obvykle využívají pro záznam dat oba povrchy.
Odolnost proti otřesům
přetížení při nárazu disku v provozu a klidovém stavu (G) HDD je vybaven G-senzorem, který je schopen rozpoznat, kdy na pevný disk působí přetížení vlivem pádu. Integrovaný systém umí v takovém případě zaparkovat hlavičky na bezpečná místa, kde je menší šance na poškození.
Spotřeba energie
Elektrický příkon HDD v provozu a klidovém stavu. Jednotkou je Watt (W)
Hmotnost
Parametr je významný pouze u přenosných disků a při použití v přenosných počítačích. Jednotkou je gram (g)
2
1 inch (anglický palec) = 2,54 cm
Technologie S.M.A.R.T. Pomocí technologie S.M.A.R.T (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) se periodicky měří a sledují významné parametry a chování pevného disku a při detekci hodnot mimo toleranci stanovenou výrobcem dojde k odeslání varování operačnímu systému. Jde tedy o technologii, která za určitých podmínek dokáže předvídat selhání pevného disku. Elektronika HDD snímá celou řadu parametrů, které mají vliv na zdraví, životnost a výkonnost pevného disku: a. Reallocated sector count – počet využitých „servisních“ neboli náhradních sektorů z vyhrazené záložní oblasti disku, do kterých se přesouvají data z vadných sektorů. b. Spinup time – čas potřebný k roztočení ploten. c.
Temperature – aktuální interní teplota diskové jednotky měřená podle interních teplotních čidel. Vyšší teplota může znamenat poškození uložených dat, snižuje životnost disku.
d. Seek error rate – Chyba vystavovacího mechanismu při nalezení místa (stopy) pro čtení/zápis. e. Start/Stop Count – Počet roztočení/zastavení ploten. f.
a další…
Veškeré významné parametry konkrétního disku lze sledovat pomocí specializovaných programů (např. Active@ Hard Disk Monitor, HD Tune, atd.), které navíc z aktuálních parametrů vyhodnotí celkový „zdravotní stav“ pevného disku. Technologie NCQ NCQ (Native Command Queing) je technologie, která v některých případech umožňuje zvýšit výkon pevných disků s rozhraním SATA II a novější. Při použití NCQ pevný disk sám optimalizuje pořadí, ve kterém jsou vykonány požadavky na 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. Technologie AAM AAM (Automatic Acoustic Management) je technologie, pomocí které lze řídit hladinu hluku pevných disků. AAM ovlivňuje rychlost pohybu hlaviček pevného disku - tím je přímo ovlivněna přístupová doba pevného disku. AAM ovlivňuje pouze intenzitu zvuku vydávaného při pohybu ("seek") hlaviček pevného disku, neovlivní však hladinu permanentního hluku, který vydávají rotující plotny pevného disku - ta je ovlivněna především použitými ložisky (kuličková vs. kapalinová) a rychlostí rotace ploten. Pro využití této technologie existuje několik specializovaných programů (např. HD Tune Pro, Hitachi Feature Tool, atd.) Úroveň hluku lze regulovat v určitém rozmezí, vždy však na úkor přístupové doby (zpomalí se pohyb raménka vystavovacího mechanismu).
