Sestava PC Miloš Hrdý 19. října 2007
Obsah 1 Základní pojmy
3
2 Konfigurace počítače 2.1 Skříň počítače . . . . . . . . . . 2.2 Základní deska . . . . . . . . . 2.3 Procesor . . . . . . . . . . . . . 2.4 Operační paměť . . . . . . . . . 2.5 Mechaniky pružných disků . . . 2.6 Pevné disky (hard disky, HDD) 2.7 Mechanika CD-ROM . . . . . . 2.8 Videokarta (grafická karta) . . 2.9 Zvuková karta . . . . . . . . . . 2.10 Síťová karta . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
5 5 6 7 7 7 7 8 8 9 9
3 Periférie 3.1 Monitor, Panel 3.2 Tiskárna . . . . 3.3 Klávesnice . . . 3.4 Myš . . . . . . 3.5 Scanner . . . . 3.6 Další zařízení .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
9 9 10 11 12 12 13
4 Podrobnější popis fyzického a logického členění HDD 4.1 Fyzický popis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Diskové plotny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Hlavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 Organizace dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4 Zacházení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 logický popis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Master Boot Record (MBR) . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Účel rozdělení HDD na oddíly . . . . . . . . . . . 4.2.3 Souborový systém . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
13 13 13 14 15 15 16 16 16 17
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
Použité zdroje
19
Seznam tabulek 1
Binární předpony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Seznam obrázků 1 2
Typy skříní . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Model RGB, aditivní mísení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
6 10
3 4 5 6
Model CMY, subtraktivním mísení Klávesnice . . . . . . . . . . . . . . HDD . . . . . . . . . . . . . . . . . MBR . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
11 12 14 17
1
Základní pojmy
Počítač Stroj na zpracování informací. Informace Existují následující definice: 1. Data, která se strojově zpracovávají. 2. Vše co nám nebo něčemu podává (popř. předává) zprávu o věcech nebo událostech, které se staly nebo které nastanou. Data údaje, hodnoty, čísla, znaky, symboly, grafy, . . . Program Algoritmus zapsaný v programovacím jazyce, který řeší nějaký konkrétní úkol. Jedná se o posloupnost instrukcí. Hardware Technické vybavení počítače - souhrnný název pro veškerá fyzická zařízení, kterými je počítač vybaven. Software Programové vybavení počítače - souhrnný název pro veškeré programy, které mohou na počítači pracovat. Software je možné rozdělit do dvou skupin: • systémový software: operační systémy, pomocné programy pro správu systému (utility), překladače programovacích jazyků • aplikační software: programy umožňující řešení specfických problémů uživatele: – – – – – – –
textové editory grafické editory tabulkové procesory databázové systémy CAD programy (Computer Aided Design) DTP programy (Desktop Publishing) počítačové hry
bit 1 bit (binary digit – dvojková číslice) je základní jednotka informace. Poskytuje množství informace potřebné k rozhodnutí mezi dvěma možnostmi. Jednotka bit se označuje b a může nabývat pouze dvou hodnot – 0, 1. Byte Jednotka informace, která se označuje B a platí 1 B = 8 b. Paměť Zařízení, které slouží pro uchování informací (konkrétně binárně kódovaných dat). Množství informací, které je možné do paměti uložit, se nazývá kapacita paměti a udává se v bytech. Protože byte je poměrně malá jednotka, používjí se často předpony.
3
Binární předpona Předpona jednotky vyjadřující násobek mocniny 2. Používá se zejména v informatice. Pro velikost paměti se často v informatice používají předpony jednotek SI, ale většinou ve změněném významu. Například kilo neznamená 1 000, ale 1 024, což je nejbližší mocnina 2. Tato dvojznačnost vede ke zmatkům, které bývají mimo jiné účelově využívány v marketingu při prodeji výpočetní techniky. Tento posun významu předpon se zažil díky binární technologii adresování operační paměti počítače. Např. 16bitový registr může adresovat 216 tj. 64 · 1024 neboli 64 kilo paměťových buněk, 32bitový registr může adresovat 232 tj. 4096·1048576 neboli 4 giga paměťových buněk. To, co bylo zpočátku myšleno jako zaokrouhlení, se později stalo při počítání kapacity paměti pravidlem. Předpony kilo-/mega-/giga- atd. viz tab. 1 se používají v binárním smyslu prakticky vždy, když je řeč o polovodičových paměťových čipech (RAM, ROM, FLASH atd.). Na trhu dnes sotva najdete čip, jehož kapacita by nebyla z řady 2n bitů. Naopak tam, kde má paměťová kapacita lineární charakter, se binární předpony obvykle nepoužívají. Dekadické předpony používají se např. u přenosových rychlostí (např. 1 kbps je 1000 bitů za sekundu). Ke zmatkům dochází například u kapacity pevných disků, která se běžně uvádí v gigabytech. Mnozí výrobci mají u předpony giga na mysli opravdovou miliardu, i když v informatice se předponou giga myslí 230 , tedy 1 073 741 824. Jiní výrobci zase směšují binární a dekadické předpony, když uvádějí kapacitu disku odvozenou od počtu sektorů, přičemž používají binární kilobyty (1 KB = 2 sektory na disku o velikosti 512 B) a dekadické gigabyty (106 KB). Neznalí zákazníci po zformátování disku zjistí, že má menší kapacitu, než předpokládali. V prvním případě asi o 7% a v druhém asi o 5%. Proto Mezinárodní elektrotechnická komise (International Electrotechnical Commission, IEC) doporučuje pro mocniny čísla 2 blízké hodnotám předpon SI používat nové předpony. Tento mezinárodní standard má číslo IEC 60027-2 a s platností od 1. dubna 2004 byl přejat do systému českých technických norem pod číslem ČSN IEC 60027-2. Multitasking Současný provoz více úloh na jednom počítači, kdy jedna úloha probíhá na popředí a ostatní probíhají na pozadí. Dovoluje lepší využití CPU. V případě, že uživatel pracuje interaktivně s nějakým programem, který většinu času čeká na zadání jeho požadavků, je možné, aby procesor prováděl např. nějaký náročný matematický výpočet. Je-li na počítači s jedním procesorem provozováno více programů, je procesor přidělován postupně vždy na určitou dobu, tzv. časové kvantum (asi 0.1 s), všem provozovaným programům. Podle způsobu práce rozlišujeme dva druhy multitaskingu:
4
10k 103 106 109 1012 1015 1018
2n 210 220 230 240 250 260
Znak Ki Mi Gi Ti Pi Ei
Název kibi mebi gibi tebi pebi exbi
1 1 099 1 125 899 1 152 921 504
Hodnota1 1 024 1 048 576 073 741 824 511 627 776 906 842 624 606 846 976
2n není rovno 10k , je to jen nejblíže odpovídající mocnina.
tab. 1: Binární předpony kooperativní multitasking procesor je operačním systémem přidělen jednomu programu, který jej má v držení tak dlouho, dokud jej sám nevrátí zpět operačnímu systému. Ten jej pak přidělí jinému programu. Nevýhodou je, že program nemusí procesor navrátit v dostatečně krátkém časovém úseku, což způsobí dojem, že ostatní programy nepracují. Ještě horší případ nastane ve chvíli, kdy program procesor nevrátí vůbec (např. zhavaruje). Tato situace vede ve většině případů k havárii celého systému. preemtivní multitasking procesor je přidělen programu pouze na určitou dobu a po jejím uplynutí jej sám operační systém programu odebere a přidělí jinému programu. Z toho vyplývá, že nemohou nastat stavy uvedené u kooperativního multitaskingu. Nevýhodou tohoto řešení je vyšší náročnost na hardwarové vybavení počítače. Vstupní/výstupní zařízení (I/O devices – Input/Output) Zařízení určená pro vstup i výstup dat. Např.: disky (pevné, pružné), páskové mechaniky BIOS (ROM BIOS) (Basic Input Output System) Programové vybavení uložené v paměti ROM (EPROM, EEPROM, Flash) zajišťující nejzákladnější funkce (např. zavedení OS).
2
Konfigurace počítače
2.1
Skříň počítače
Skříň počítače obsahuje: • zdroj (150W – 850W) poskytující napětí (+5 V, -5 V, +12 V, -12 V) s napájecími kabely, které slouží k přivedení napájecího napětí pro základní desku, diskové mechaniky (pružné disky, pevné disky, CD-ROM, apod.), aktivní chladič (s ventilátorem) procesoru • různé LED diody: Power signalizuje, že počítač je zapnutý nebo vypnutý 5
HDD signalizuje aktivitu pevných disků popř. jiných zařízení (např. CDROM) připojených k EIDE (SCSI) rozhraní • šachty pro upevnění diskových mechanik
obr. 1: Typy skříní
2.2
Základní deska
Deska plošného spoje tvořící základ celého počítače. Obsahuje: • Procesor (mikroprocesor) • Obvody čipové sady • Paměti • Sloty umístěné na rozšiřující sběrnici pro připojení rozšiřujících karet • Hodiny reálného času • Akumulátor zálohující CMOS paměť • CMOS paměť (sloužící k uchování údajů o nastavení počítače a jeho hardwarové konfiguraci. Tato paměť je energeticky závislá, a proto je nutné ji zálohovat pomocí akumulátoru) • Vstup/výstupní porty (I/O - Ports) např.: paralelní port (LPT), sériové porty (COM), • Rozhraní pevných disků • Někdy má také integrovánu videokartu (videoadaptér či grafickou kartu), síťovou kartu, modem, zvukovou kartu, aj. 6
2.3
Procesor
Tvoří „srdceÿ a „mozekÿ celého počítače. Do značné míry ovlivňuje výkon celého počítače. Základní parametry procesoru: Rychlost (taktovací frekvence), dnes rozsah v jednotkách GHz (giga hertz) Šířka slova Maximální počet bitů, které je možné zpracovat během jediné operace, dnes nejčastěji 32 b nebo 64 b Velikost adresovatelné paměti Každý procesor má k dispozici pouze určitý počet bitů, na kterých může být fyzická adresa vytvořena. Tímto počtem bitů a tím i maximálním číslem, jež pomocí nich můžeme vytvořit, je omezena maximální paměť, kterou může procesor využívat, např 32bitovou adresovou sběrnicí lze adresovat 4 GiB.
2.4
Operační paměť
Paměti osazené většinou na základní desce. Bývají realizovány pomocí polovodičových součástek. Jsou do nich zaváděny právě spouštěné programy (nebo alespoň jejich části) a data, se kterými pracují. Základní parametry: kapacita dnes se pohybuje kolem 512 Mib – 1Gib na paměťový modul přístupová doba doba, kterou je nutné čekat od zadání požadavku, než paměť zpřístupní požadovanou informaci přenosová rychlost množství dat, které lze z paměti přečíst (do ní zapsat) za jednotku času
2.5
Mechaniky pružných disků
Mechaniky pružných disků jsou připojeny k řadiči pružných disků(FDD controller). Dnes už se téměř nepoužívají pro vysokou poruchovost médií. Byly nahrazeny FLASHDisky. Existují rozměry 5 14 palce a 3 12 palce (5 14 ” a 3 12 ”)
2.6
Pevné disky (hard disky, HDD)
Pevné disky jsou média pro uchování dat s vysokou kapacitou záznamu (dnse řádově stovky GB). V současnosti jsou pevné disky standardní součástí každého PC. Jedná se o pevně uzavřenou nepřenosnou jednotku. Uvnitř této jednotky se nachází několik nad sebou umístěných rotujících kotoučů (disků). Tyto disky se otáčejí po celou dobu, kdy je pevný disk připojen ke zdroji elektrického napájení nezávisle na tom, zda se z něj čte (na něj zapisuje). Rychlost otáčení bývá 3 600 až 10 000 otáček za minutu. Díky tomuto otáčení se v okolí disků vytváří tenká vzduchová vrstva, na níž se pohybují čtecí/zapisovací hlavy. Vzdálenost hlav od disku je asi 0,3 až 0,6 µm. Parametry: Velikost Průměr disků použitých ke konstrukci pevného disku 2, 5”; 3 21 ”, 5 14 ” 7
Počet cylindrů Počet stop na každém disku (plotně) Počet hlav Odpovídá počtu povrchů, na které se provádí záznam Počet sektorů Počet sektorů na každé stopě, dnes není konstantní, ale je různý v tzv. zónách (ZBR – Zone Bit Recording)) Přístupová doba Doba, která je nutná k vystavení čtecích/zapisovacích hlav na požadovaný cylindr (řádově ms) Přenosová rychlost Počet bytů, které je možné z disku přenést za 1 sekundu Rozhraní ATA (PATA), SATA, SCSI
2.7
Mechanika CD-ROM
Médium CD-ROM vznikalo původně jako audio nosič a jeho autory byly firmy Philips a Sony. Jedná se o médium, které je určeno pouze ke čtení informací. Dovoluje uložení až 700 MB programů a dat. Na rozdíl od dříve uvedených diskových zařízení (pružné disky, pevné disky, ZIP disky, Magnetooptické disky apod.) nejsou data ukládána do soustředných kružnic, ale do jedné dlouhé spirály podobně jako na gramofonové desce. Spirála začíná u středu média a rozvíjí se postupně až k jeho okraji. Záznam (spirála dat) je pouze na spodní straně disku, tj. záznam na CD-ROM disku je jednostranný. Délka celé spirály je zhruba 6 km a hustota dat v ní uložených je konstantní. Podle rychlosti, kterou je CD-ROM mechanika schopna číst tato data, se rozlišují na: • single speed – rychlost čtení dat je 150 kB/s, dostačuje pouze pro audio CD • ostatní – násobky single speed, dnes se pohybují kolem 52×
2.8
Videokarta (grafická karta)
Videokarta má vliv na to, jaký software může uživatel na počítači provozovat a jak rychle se data na obrazovku přenášejí. Většina videokaret dovoluje práci ve dvou základních režimech: textový režim režim, který umožňuje zobrazovat pouze předem definované znaky, jako jsou písmena (A, a, B, b, C, c, . . .), číslice (1, 2, 3, . . .), speciální znaky (&,ˆ, %, ldots) a pseudografické znaky (symboly pro vykreslování tabulek). Tyto znaky jsou přesně definované pomocí matic bodů a je možné je zobrazovat pouze jako celek. grafický režim režim, ve kterém jsou informace zobrazovány po jednotlivých obrazových, bodech tzv. pixelech (Picture Element). Tento režim již nepoužívá předem definované znaky, ale může z jednotlivých pixelů vykreslit prakticky „libovolnouÿ (závisí na možnostech konkrétní karty) informaci. 8
Základní parametry každé videokarty jsou: Rozlišení v textovém režimu Počet znaků, které je možné v textovém režimu zobrazit na jednom řádku, a počet řádků, které je možné umístit na obrazovku, nejčastěji 80 × 25 Rozlišení v grafickém režimu Počet pixelů, které je možné v horizontálním a ve vertikálním směru zobrazit, dnes se maximum pohybuje kolem 1 600× 1 200 Počet barev (barevná hloubka) Počet barev, které je možné zároveň zobrazit. Udává se většinou pouze pro grafický režim Rychlost Obnovovací frekvence – kolikrát za vteřinu je obraz překreslen, dnes se pohybuje kolem 120 Hz
2.9
Zvuková karta
Zvuková karta (sound card) je zařízení, které slouží k počítačovému zpracování zvuku. V závislosti na své kvalitě (a tím i ceně) zajišťuje kvalitní zvukový výstup z počítače vhodný i pro profesionální účely. Jelikož se jedná o analogově digitální zařízení dochází zde k převodu A/D (z analogového na digitální) nebo D/A (z digitálního na analogový) jde především o parametry těchto převodníků tj. frekvence (Hz) a přesnost (bitů). Dnes standardně 44 100 Hz, 16 b stereo.
2.10
Síťová karta
Síťová karta je zařízení, které umožňuje připojení počítače do počítačové sítě. Mezi základní parametry každé síťové karty patří: Typ sítě Typ sítě, pro který je daná karta určena (Ethernet, Fast Ethernet, Arcnet, Token ring) Rychlost Množství dat, které je karta do sítě schopna vyslat (ze sítě přijmout) za jednotku času 100 kb/s – 1 Gb/s Typ média Typ síťového média (kabelu), které je možné k síťové kartě připojit. Tenký koaxiální kabel, silný koaxiální kabel, kroucená dvojlinka
3 3.1
Periférie Monitor, Panel
Monitory jsou základní výstupní zařízení počítače. Slouží k zobrazování textových i grafických informací. Monitory pracují na principu katodové trubice (CRT - Cathode Ray Tube). Hlavní částí každého monitoru je obrazovka, na
9
jejímž stínítku se zobrazují jednotlivé pixely. Monitor je připojen přímo k videokartě zasílající patřičné informace, které budou na monitoru (jeho obrazovce) zobrazeny. Dnes se již požívají převážně LCD nebo TFT obrazovky u nichž lze sledovat parametry jako rozlišení (např 1 600 × 1 200), rychlost odezvy (řádově ms), kontrast (700:1), jas 300 cd/m2 (svítivost – jednotka kandela (cd)) Používá model RGB (Red – červená, Green – zelená, Blue – modrá), tj. aditivní mísení
obr. 2: Model RGB, aditivní mísení
3.2
Tiskárna
Tiskárny jsou výstupní zařízení sloužící pro výstup údajů z počítače. Prostřednictvím tiskárny je možné data uchovaná doposud v elektronické formě vytisknout (nejčastěji na papír, fólii). Používá model CMY (Cyan – indigově modrá, Magenta – fialová, Yellow – žlutá), tj. subtraktivním mísení viz obr. 3. Často pro šetření barev při černobílém tisku model CMYK, kde K je blacK – černá. Parametry: Typ tisku Způsob použitý k tisku jednotlivých znaků (bodů) – Jehličková, tepelná, inkoustová, laserová tiskárna Rychlost tisku Počet stran vytištěných za minutu – řádově desítky stránek/min Kvalita tisku Počet bodů, které je tiskárna schopna vytisknout na jeden palec (dpi - dots per inch) – dnes kolem 2 400 dpi 10
Barevnost Schopnost tisknout pouze černobíle nebo i barevně Cena za vytištěnou stránku Cena, kterou uživatel zaplatí za vytištěnou stránku. Je dána cenou listu požadovaného papíru, cenou a životností tiskové náplně (páska, inkoust, toner)
obr. 3: Model CMY, subtraktivním mísení
3.3
Klávesnice
Klávesnice (keyboard) slouží jako základní vstupní zařízení pro zadávání údajů. Dnes existují dva nejčastěji používané typy klávesnice: PC/XT obvykle nazývaná jako „XT klávesniceÿ, má 83 kláves, viz obr. 4(a) a byla určena k prvním počítačům řady PC a PC/XT. Klávesy této klávesnice lze rozdělit do 3 základních skupin: Abecední pole obsahuje litery abecedy, číslice, speciální znaky (!, @, #,. . .) a některé speciální klávesy (SHIFT, CTRL, ALT, ENTER, . . .) Funkční klávesy klávesy označené F1 – F10, jejichž význam závisí na konkrétním programu, se kterým uživatel pracuje Kurzorové a numerické klávesy obsahují klávesy pro číslice a ovládání kurzoru PC/AT obvykle nazývaná jako „AT klávesniceÿ, obsahuje 101 (US standard) nebo 102 (European standard) kláves, viz obr. 4(b). Tyto klávesy lze rozdělit do 4 bloků: 11
Abecední pole podobně jako u XT klávesnice Funkční klávesy obsahuje klávesy F1 – F12, jejichž význam je opět podobný jako u XT klávesnice. Kurzorové klávesy klávesy pro ovládání kurzoru Kurzorové a numerické klávesy podobně jako u XT klávesnice
(a) XT
(b) AT
obr. 4: Klávesnice
3.4
Myš
Myš (mouse) je zařízení, které umožňuje přenášet pohyb ruky po vodorovné podložce na obrazovku počítače. Slouží většinou jako ukazovátko při práci s mnoha dnešními programy. Dnes rozlišujeme dva základní typy myší: • Microsoft Mouse (má dvě tlačítka) • PC Mouse (má tři tlačítka)
3.5
Scanner
Scanner je zařízení, které slouží ke snímání předlohy do počítače. Pracuje na principu digitalizace (převodu na číselnou hodnotu) odstínu barvy na předloze procházející pod snímacím prvkem. Nejdůležitějšími parametry jsou rozlišení (2 400 × 2 400 dpi) a rychlost. Většina stolních scannerů bývá dodávána s tzv. OCR (optické rozpoznávání znaků (z anglického Optical Character Recognition)) programem, který umožňuje digitalizaci tištěných textů, s nimiž pak lze pracovat jako s normálním počítačovým textem. Samozřejmě převedený text je téměř vždy v závislosti na kvalitě předlohy třeba podrobit důkladné korektuře, protože OCR program nerozezná všechna písmena správně (jde např. o písmeno l a číslici 1 nebo kombinaci písmen rn a písmeno m, aj.), proto program bývá doplněn slovníkem a po převodu navíc dohledá nejpodobnější slovo.
12
3.6
Další zařízení
Faxmodemové karty karty pro příjem a odesílání faxových zpráv pomocí počítače. Tyto karty také dovolují propojení počítačů pomocí telefonní sítě. Karty pro zpracování videa zařízení určená ke zpracování videosekvencí v reálném čase Karty pro příjem rádia a televize karty sloužící k příjmu televizního a rádiového signálu na počítači včetně teletextu. Karty pro připojení měřicích přístrojů většinou poměrně specializované karty určené k připojení různých měřicích přístrojů (osciloskopy, multimetry, . . .), jimiž naměřené hodnoty je možné dále za pomocí počítače zpracovávat Tablety specializovaná zařízení pro profesionální práci s konkrétním typem programu (většinou programy typu CAD/CAM 2 ). Jedná se o vstupní zařízení tvaru tabulky (destičky), po které se rukou pohybuje ukazovacím zařízením, tužkou, zaměřovacím křížem s tlačítky. Tablet slouží k zadávání souřadnic, převodu křivek na číselné údaje nebo k ovládání programů místo myši
4
Podrobnější popis fyzického a logického členění HDD
Pevný disk (anglicky hard disk drive, HDD) je zařízení, které se používá v počítači k trvalému uchování většího množství dat.
4.1 4.1.1
Fyzický popis Diskové plotny
Data jsou na pevném disku uložena pomocí magnetického záznamu. Disk obsahuje kovové nebo skleněné desky – tzv. plotny pokryté tenkou magneticky měkkou vrstvou (viz hysterezní křivka). Hustota datového záznamu se udává jako počet bitů na měrnou jednotku plochy disku [bit/inch2 ], [bit/mm2 ]. Plotny jsou neohebné (odtud pevný disk), narozdíl od ohebných ploten v disketách – floppy disk. Ploten bývá v dnešních discích často několik (1 - 3, výjimečně až 5). Disk se otáčí na tzv. vřetenu poháněném elektromotorem. Plotny se rychle otáčejí (to je obvykle uváděná „rychlost diskuÿ, udává se v otáčkách za minutu). V běžných starších disích plotny rotují rychlostí 5 400 ot/min, rychlejší mají pak rychlostmi 7 200, 10 000 a u některých špičkových disků i 15 000 ot/min. Při 7 200 ot/min je obvodová rychlost plotny 2 CAD – computer-aided design (počítačem podporované projektování nebo počítačem podporovaný návrh je používání pokročilých počítačových programů při projektování místo rýsovacího prkna), CAM – Computer-aided manufacturing (počítačem podporovaná výroba)
13
obr. 5: HDD
zhruba 30 km/h. Disky v noteboocích mají většinou 4 200 otáček/min (občas jen 3 600 ot/min ale někdy mají i 5 400 ot/min ). Otáčky disku společně s hustotou záznamu a rychlostí vystavovacího mechanismu určují celkový výkon disku. V současné době mají skoro všechny disky plotny o průměru 3,5 palce (tj. 8,9 cm), v noteboocích jsou menší varianty 2,5”, které mají nižší otáčky nižší (zřejmě kvůli kroutivému momentu a nižšímu množství energie nutnému k roztočení disku). Malý disk Microdrive vyvinutý firmou IBM a používaní ve spotřební elektronice využívá 1” plotny. Ve starších typech počítačů PC XT byly disky s plotnami o průměru 5,25”. 4.1.2
Hlavy
Čtení a zápis dat na magnetickou vrstvu zajišťuje čtecí a zápisová hlava. Dříve se na čtení používaly magnetodynamické hlavy, nyní se používá krystal měnící vodivost podle mag. pole. Na jednu plotnu jsou dvě hlavy, protože jsou data z obou stran, strana plotny na které je magnetický záznam se nazývá povrch. Hlava „plaveÿ na tenké vrstvě vzduchu nad povrchem, ve vzdálenosti řádově mikrometrů (10−6 m). Zařízení, které vystavuje čtecí hlavy na správnou pozici nad povrchem se nazývá vystavovací mechanismus. Ve starších discích se pro vystavování hlav používá přesný krokový motor. Ten se „odvalujeÿ za pomocí ocelového pásku po „patceÿ, která je spojena s hlavami. V novějších discích se používá rychlejšího lineárního motoru (elektromagnetu), hlavy se vystavují v závislosti na el. proudu, který protéká elektromagnetem s nimi spojeným a uloženým v silném magnetickém poli jiného permanentního magnetu. Z pevných disků se tedy dají demontovat velmi silné a křehké magnety ze slitin gadolinia (aj.). Operace nutné pro čtení nebo zápisu dat 1. vystavit čtecí hlavu na správnou pozici
14
2. vyčkat na utlumení rozkmitu způsobeném setrvačností hlav (vystavení trvá řádově milisekundy [ms]) 3. vyčkat na pootočení disku na místo od kterého se začne čtení nebo zápis (tzv. latence) Průměrný (střední) čas, za který je disk připraven číst nebo zapisovat data se označuje jako přístupová doba. V současné době je okolo 8,5 ms, u disků s 15 000 ot./min je to pod 4 ms. Při vystavení hlav na požadovanou pozici je možné číst a zapisovat data ze všech povrchů bez pohybu hlav (a proto jsou také takto data organizována, pro vyšší výkon disku). 4.1.3
Organizace dat
Data jsou na povrchu pevném disku organizována do soustředných kružnic zvaných stopy, každá stopa obsahuje pevný anebo proměnný počet sektorů z důvodu efektivnějšího využití povrchu – povrch je většinou rozdělen do několika zón, každá zóna má různý počet sektorů na stopu. Sektor je nejmenší adresovatelnou jednotkou disku, má pevnou délku (donedávna 512 byte na sektor, nyní by se již po domluvě výrobců měly vyrábět disky s 4 KB na sektor). Pokud disk obsahuje více povrchů, všechny stopy, které jsou přístupné bez pohybu čtecí hlavičky se nazývají cylinder (válec). Uspořádání stop, povrchů a sektorů se nazývá geometrie disku. Adresa fyzického sektoru na disku se skládá s čísla stopy (cylindru), čísla povrchu a čísla sektoru. Pro přístup k datům disku se používá starší metoda adresace disku CHS, která disk adresuje podle jeho geometrie (odtud název CHS - cylinder, head, sector). Hlavní nevýhodou je u osobních počítačů IBM PC omezená kapacita takto adresovaného disku (8 GiB) a nutnost znát geometrii disku. U disků vyšších kapacit na rozhraní ATA, již neodpovídá zdánlivá geometrie disku skutečné fyzické implementaci. Novější metoda pro adresaci disku je (u rozhraní ATA) LBA, sektory se číslují lineárně. Není třeba znát geometrii disku, max. kapacita disku je až 144 PiB (144 miliónů GiB). Rozhraní SCSI používá lineární číslování sektorů disku již od své první verze. Ostatní novější rozhraní již převážně metodu jako je LBA používají. 4.1.4
Zacházení
Protože pevné disky obsahují pohyblivé mechanické součásti, jsou náchylnější k poruchám než jiné součásti počítače. Zvláště s běžícími disky je třeba zacházet velmi opatrně. Při mechanickém rázu (impulsu síly) se může čtecí hlava dotknout povrchu disku, jejíž záznamová vrstva je velice citlivá na mechanické poškození a proto se poškozená oblast stane nečitelnou a data či celý disk jsou zničena. Částečnou ochranou proti nárazu hlaviček do povrchu disku je tzv. parkování čtecích hlav. Při vypnutí disku se automaticky uloží hlavy mimo datovou oblast. 15
Pro zvýšení bezpečnosti uložených dat se zejména v serverech používá technologie RAID (dříve Redundant Array of Inexpensive Disks, dnes spíše Redundant Array of Independent Disks – pole nezávislých disků s redundancí). RAID umožňuje spojit několik fyzických disků v jeden logický disk, kde je jeden nebo více disků redundantních a data jsou stále dostupná i v případě, že jeden z disků v poli selže.
4.2 4.2.1
logický popis Master Boot Record (MBR)
Je prvních 512 bytů na začátku disku (sektor 0). Je zde umístěn zavaděč systému, volitelně i identifikátor disku, ale hlavně také tabulka rozdělení disků na oddíly (partition table). Počítačové viry někdy Master Boot Record infikují, čímž se při bootování dostanou ke kontrole počítače dříve, než operační systém (zejména u starších virů pro systémy DOS). Hlavní tabulka rozdělení disku (MPT) Anglicky Master Partition Table (viz obr. 6 od adresy 03BEh). Obsahuje seznam logických oddílů na daném fyzickém disku a informace o umístění zaváděcích sektorů (boot sektorů) jednotlivých disků. Tato tabulka může obsahovat maximálně 4 záznamy. Je-li potřeba rozdělit jeden disk na více logických oblastí, potom některý ze 4 záznamů odkazuje na tzv. Extended partition table (rozšířená tabulka rozdělení disku), která opět může obsahovat až 4 záznamy. Obsahuje maximálně 4 primární oddíly, jeden z nich může být označený jako Rozšířený oddíl. V rozšířeném oddíle lze vytvořit „libovolnýÿ počet logických oddílů. Hlavní spouštěcí kód Jedná se o krátký úsek kódu (viz obr. 6 adresa 0000h – 03B7h), který je při startu počítače zaveden BIOSem do paměti počítače a následně je spuštěn. Jeho úkolem je načíst do paměti zaváděcí (boot) sektor z oddílu, který je v tabulce označen jako aktivní (tj. oddíl, ze kterého má být zaveden operační systém) a spustit ho. Od tohoto okamžiku je už start operačního systému stejný, jako při zavedení z diskety. Zaváděcí sektor (boot sector) je již závislý na konkrétním operačním systému, aby ho uměl zavést do paměti a předat mu řízení počítače. 4.2.2
Účel rozdělení HDD na oddíly
Rozdělení disku umožňuje: • Instalaci více operačních systémů (například Microsoft Windows a Linux) na jeden disk. Znamená to, že uživatel může mít více jak jeden operační systém na svém počítači, přičemž pouze jeden může být v daném čase v provozu (respektive v provozu jako hlavní: ostatní je možné provozovat na virtuálním stroji pod tímto hlavním operačním systémem). Někdy je sice možné nainstalovat dva operační systémy na stejný logický oddíl,
16
obr. 6: MBR
bývá to ale těžší a omezuje to výkonnost nebo vlastnosti jednoho z těchto systémů. • Obcházet omezení souborového systému. Mnoho souborových systémů má omezení velikosti logického oddílu, ať už ve smyslu limitu, nebo ve smyslu rostoucí neefektivity metadat (například u NTFS rozsáhlejší MFT tabulka způsobuje, že přístup k souborům na jednom velkém oddílu je pomalejší než na dvou menších). • Použití různých souborových systémů nebo jejich parametrů pro různé účely. Datový logický disk a disk pro operační systém a aplikace potřebují nové vlastnosti a přestože je možné na oba použít stejný disk, bývá výhodnější použít dvě oblasti s různými parametry. • Ochranu izolací souborů. Logická poškození disku zasahují oddíly tak, že poškodí jeden oddíl a ostatní zůstanou nepoškozeny. Například v případě poškození operačního systému může dojít ke ztrátě dat na jeho systémovém oddílu, zatímco datové oddíly zůstanou nepoškozeny. Kromě toho možnost zcela smazat systémový oddíl zjednodušuje reinstalaci operačního systému. • Vyšší úroveň organizace dat zvyšuje efektivitu systému. Například rozdělený disk určený k digitálnímu zpracování videa. 4.2.3
Souborový systém
Souborový systém (anglicky filesystem) je označení pro způsob organizace informací (ve formě souborů) tak, aby bylo možné je snadné najít a přistupovat
17
k nim. Souborové systémy mohou používat paměťová média jako pevný disk nebo CD, mohou poskytovat přístup k datům uloženým na serveru (síťové souborové systémy, např. NFS, SMB nebo 9P) nebo mohou poskytovat přístup k čistě virtuálním datům (např. procfs v Linuxu). Souborový systém umožňuje ukládat data do souborů, které jsou označeny názvy. Obvykle také umožňuje vytvářet adresáře, pomocí kterých lze soubory organizovat do stromové struktury. Organizace dat na disku Pevné disky jsou obvykle logicky rozděleny na oddíly (partition), takže souborový systém se rozkládá jen na konkrétním oddílu a ne na celém disku. To umožňuje mít na pevném disku více nezávislých souborových systémů, které mohou být různého typu. Infomace uložené v systému souborů dělíme na metadata a data. Metadata popisují strukturu systému souborů a nesou další služební a doplňující informace, jako je velikost souboru, čas poslední změny souboru, čas posledního přístupu k souboru, vlastník souboru, přístupová práva k souboru, seznam bloků dat, které tvoří vlastní soubor atd. Pojmem data pak míníme vlastní obsah souboru, který můžeme přečíst, když soubor otevřeme. Software, který realizuje souborový systém, bývá obvykle součástí operačního systému. Většina operačních systémů podporuje několik různých souborových systémů. V Microsoft Windows nalezneme podporu pro souborové systémy FAT a NTFS a ISO 9660 pro ukládání souborů na CD a DVD. V Linuxu nalezneme kromě již zmíněných také ext2, ext3, ReiserFS, JFS, XFS a mnoho dalších. DOS podporuje systémy FAT, po instalaci CD/DVD driveru také ISO 9660. Solaris podporuje především UFS a ZFS, ale i mnoho dalších. Žurnálování v systému souborů Zápis dat a metadat do systému souborů probíhá v několika krocích. Proto nejsou data a metadata v každém okamžiku konzistentní. Dojde-li v takové chvíli k havárii počítače (např. výpadek elektrického proudu, chyba hardware, software a podobně), zůstane systém souborů v nekonzistentním stavu. 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 nebo ve Windows 95 a novějších systémech) nebo je nutné spustit kontrolu ručně (systémy 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 žurnálování, které umožňuje po havárii rychlou opravu eventuálních nekonzistencí. Principem techniky je uchovávání chronologického záznamu prováděných operací, do kterého se zapisují všechny prováděné činnosti. Pokud dojde např. k výpadku napájení, je po restartu nekonzistence opravena návratem do předchozího zaznamenaného stavu za pomoci záznamů z žurnálu. Mezi žurnálovací souborové systémy patří např. NTFS, HFS+, ext3 nebo ReiserFS.
18
Použité zdroje [1] http://cs.wikipedia.org/wiki/Binární_předpona 18. 9. 2007 [2] http://cs.wikipedia.org/wiki/Pevný_disk 18. 9. 2007 [3] http://cs.wikipedia.org/wiki/MBR 18. 9. 2007 [4] http://en.wikipedia.org/wiki/Master_boot_record 18. 9. 2007 [5] http://cs.wikipedia.org/wiki/Diskový_oddíl 18. 9. 2007 [6] http://cs.wikipedia.org/wiki/Souborový_systém 18. 9. 2007 [7] http://www.fi.muni.cz/usr/pelikan/ARCHIT/TEXTY/OBSAH.HTML 18. 9. 2007
19
