Vnější paměti Cílem této kapitoly je seznámit s principy činnosti a základní stavbou vnějších pamětí, které jsou nezbytné pro práci počítače a dlouhodobé uchování dat. Klíčové pojmy: Paměťové médium, přenosová rychlost, kapacita, domény, elementární magnet, floptical disk, magnetooptické disky
Vnější paměti Slouží k dlouhodobému a trvalému uložení dat, slouží také k přenosu dat. Jsou daleko pomalejší než paměti vnitřní, zato však umožňují dlouhodobé uchování velkých objemů dat a programů, a to trvale i po vypnutí počítače. Z vnější paměti (pevný disk) si počítač načítá operační systém a další potřebné programy a data. Do vnější paměti jsou naopak zase přehrávána data z operační paměti (RAM), která chceme uchovat i po vypnutí. Jako vnější paměť slouží různá paměťová zařízení, která pracují s různými paměťovými médii. Záznamová média se vyvíjejí velice rychle v souvislosti s překotným pokrokem celé oblasti digitálních technologií. Během vývoje je důraz kladen především na kapacitu a rychlost paměťových médií. Existuje mnoho různých forem paměťového záznamu založených na fyzikálních a chemických vlastnostech vhodných materiálů. Životnost a další vývoj určité technologie ukáže jak technická, tak i uživatelská stránka použití. Různé druhy používaných pamětí můžeme dělit podle mnoha různých hledisek fyzikálních vlastností, dosahované přenosové rychlosti, materiálu, kapacity apod. Podívejme se alespoň na nejdůležitější skupiny z hlediska dnešního použití.
Dělení podle materiálu a fyzikálních principů • Magnetické - data (informace) uchovává směr magnetizace materiálu (např. pevný disk HDD, disketa, magnetická páska - audio i videokazeta). Paměti s pohyblivou magnetickou vrstvou (PMV) - Úvod, základní principy Jako u ostatních typů pamětí vyžadujeme, aby záznamové médium bylo schopno nabývat dvou fyzických stavů, které by odpovídaly log.1 a log.0. Dále požadujeme, aby bylo možno tento stav vyvolat – zápis, a aby bylo možno stav určit – čtení. U PMV jsou tyto dva stavy realizovány různými směry magnetizace. Způsob záznamu
Různé směry magnetizace lze vytvořit v magnetické vrstvě, ve které se nachází velké množství částeček oxidu železa, které lze zmagnetizovat. Celý povrch disku je tedy tvořen mikroskopickými magnetickými částečkami – doménami, které mají každá jeden severní a jeden jižní magnetický pól (elementární magnety). Na obrázku je velmi jednoduchá metoda zápisu dat. Záznamových metod je velmi mnoho druhů a jsou značně komplikované. a) Zápis
Do cívky se přivede záznamový proud. Podle Ampérova pravidla pravé ruky se vytvoří magnetický tok určitého směru, který se začne uzavírat magnetickým obvodem. V místě, kde je magnetický obvod přerušen štěrbinou, dojde k rozptylu magnetického toku a jeho zásahu do povrchu magnetické vrstvy. Tím dojde k zmagnetování domény. Změnou směru záznamového proudu se mění směr magnetizace jednotlivých domén. Velikost zmagnetovaných domén závisí na šířce štěrbiny a vzdálenosti hlavy. Čím jsou vzdálenosti menší, tím je menší oblast záznamu a tím větší je hustota záznamu na určitou délku nosiče. b) Čtení Při čtení se využívá zákona o elektromagnetické indukci změnou magnetického toku. Pod čtecí hlavou se pohybuje paměťové médium. Změna směru magnetizace v doménách indukuje v cívce kladný nebo záporný napěťový impuls. Metody záznamu a čtení
Metoda záznamu A je charakterizována tím, že každému bitu odpovídá směr magnetizace. U metody B je každá log. hodnota reprezentována jiným pořadím změn 21/5/2012 Vnější paměti 2
magnetizace. U metody B vzniká impuls vždy. U metody A vzniká čtecí impuls jen tehdy, změní-li se log. hodnota, což je velmi nevýhodné. Kdyby se totiž při čtení z disku objevila delší řada nul, nebyl by zaznamenán žádný impuls a řadič by ztratil synchronizaci. • Optické - využívají optických vlastností materiálu (odraz světla) - např. CD, DVD, Blu-ray disk, HD DVD. • Magnetooptické - pomocí použitého světla (laseru) dochází ke změnám magnetických vlastností materiálu. Záznam se provádí zaměřením laserového paprsku (světla) za současného působení magnetického pole. Výhodou těchto médií je, že nedochází k nechtěné ztrátě dat uložením média poblíž magnetického pole (televize, reproduktor). Obranou je právě nutnost zahřátí místa disku před jeho smazáním. Díky těmto vlastnostem mají magnetooptické disky dlouhou životnost (desítky let). - Floptical disk Floptical disk (Floppy Optical) je pružný disk o formátu 31/2", na který se provádí magnetický záznam. Při tomto záznamu se používá optické navádění čtecích (zapisovacích) hlav na značky vytvořené pevně při výrobě diskety. Floptical disk má vylepšený povrch a dovoluje uložení až 21 MB dat. Výhodou těchto disků je také to, že v mechanice pro floptical disk je možné používat i běžné 31/2" diskety. Na tyto diskety sice není možné uložit výše zmíněných 21 MB (pouze 1.44 MB), ale uživatel tak nemusí mít ke své floptical mechanice ještě standardní mechaniku pro 31/2" diskety.
21/5/2012
Vnější paměti
3
-
Magnetooptické disky
Magnetooptické disky jsou média, u nichž se záznam provádí zaměřením laserového paprsku za současného působení magnetického pole. Záznam na tento disk probíhá ve dvou fázích:
nejprve se smaže místo, na které se bude záznam provádět (zapsání samých nul) v další otáčce (po smazání) se na příslušná místa zapíší jedničky Fyzikální princip záznamu je následující:
laserový paprsek zahřeje bod na citlivé vrstvě nad Curiovu teplotu (teplota stanovená pro každý materiál, při níž stačí pouze malá intenzita magnetického pole ke změně jeho magnetických vlastností). magnetickým polem příslušné orientace se změní zmagnetování bodu po ochlazení magnetizace zůstane Fyzikální princip čtení:
čtení se provádí laserovým paprskem nižší intenzity sleduje se stáčení paprsku Kerrovým efektem (elektrooptický dvojlom), který je závislý na magnetické orientaci bodu
21/5/2012
Vnější paměti
4
Protože záznam na médium je podmíněn zahřátím příslušného bodu disku, není nebezpečí, že by mohlo dojít k nechtěnému smazání dat vlivem magnetického pole, např. silného permanentního magnetu, reproduktoru apod. Díky těmto vlastnostem je pro magnetooptické disky charakteristická vysoká životnost (desítky let). Vyrábějí se ve formátu 31/2" i 51/4" a poskytují kapacitu od stovek MB až po jednotky GB. Připojení magnetooptických disků se provádí přes rozhraní SCSI.
• Polovodičové - tato technologie využívá vlastností polovodičových tranzistorů. Polovodičovými součástkami je realizována například operační paměť počítače (uchovává aktuálně zpracovávané informace) nebo třeba USB disky, paměťové karty. U polovodičů závisí elektrická vodivost na aktuálních podmínkách provozu (teplo, světlo, atd.), tranzistor je pak polovodičová součástka, která stála u zrodu elektronického věku.
Základní sledované parametry vnějších pamětí:
Kapacita – velká kapacita (MB až TB – záleží na typu paměti) Přístupová doba – vybavovací doba (milisekundy, sekundy) Přenosová rychlost; Schopnost uchování informací – trvale (jsou energeticky nezávislé). Cena za uložení 1 Bytu.
Řadiče (rozhraní) disků Řadiče (rozhraní) disků jsou logické obvody, která zprostředkovávají komunikaci mezi pevným diskem (popř. mechanikou optických pamětí, floppy mechanikou, atd.) a ostatními částmi počítače. Rozhraní disku určuje způsob komunikace a tím typ disku, který je možné k němu připojit. Řadič přijímá od procesoru data a čísla stop a sektorů, kam má zapisovat (resp. odkud má data číst). Řadič disponuje určitou množinou signálů, pomocí kterých komunikuje s diskovou jednotkou. Signály řadiče disku dělíme na: - Výstupní signály – jedná se o řízení diskové jednotky (např. vystavení čtecí/zapisovací hlavy do určitého místa nad záznamovou plochou, řízení pohonu disku, řízení čtení a zápisu, apod.) 21/5/2012
Vnější paměti
5
- Vstupní signály – většinou se jedná o hlášení stavu jednotky řadiči (např. hlášení o rozpoznání adresy místa na disku, dosažení jmenovitých otáček motoru, chybová hlášení, apod.) či identifikační údaje disku. 1. Paralelní rozhraní •Rozhraní ST506 Rozhraní ST506 bylo vyrobeno firmou Shutgart Technologies s původním označením ST506/412 a jedná se o první ve větší míře používané rozhraní pevných disků pro počítače PC. Existovalo pouze v podobě rozšiřující karty a umožňovalo připojit maximálně dva disky. Rozhraní ST506 nebylo konstruováno pro připojování jiných zařízení než pevné disky (CDROM, páskové mechaniky apod.). Jednalo se o rozhraní, které bylo poměrně náchylné na rušení a vyžadovalo tedy co možná nejkratší a kvalitní kabeláž. ST506 bylo s disky spojeno dvěma kabely: - 20 žilový kabel pro přenos dat (pro každý disk zvláštní kabel) - 34 žilový kabel pro přenos řídících informací (společný pro oba disky)
Další nevýhodou tohoto rozhraní byla jeho poměrně komplikovaná komunikace s diskem. Informace o tom, který z disků je první (a zavádí se z něj operační systém) a který disk je zapojen jako druhý, byla nastavena pomocí propojek na rozhraní ST506. Vylepšená varianta tohoto rozhraní se nazývala ESDI rozhraní (Enhanced Small Device Interface), které vzniklo počátkem 80. let. Nabízelo práci s disky o větší kapacitě, vyšší přenosovou rychlost (až 24 Mb/s, tedy 3 MB/s), teoreticky umožňovalo připojit i jiné zařízení než pevný disk, atd. Rozhraní ESDI zachovávalo stejnou kabeláž jako rozhraní ST506 a umožňovalo také připojit maximálně dvě zařízení.
•IDE (resp. ATA, PATA) Rozhraní IDE (Integrated Drive Electronics), též nazývané ATA (Advanced Technology), je standardní rozhraní zprostředkovávající komunikaci mezi pevným diskem a základní deskou. Toto paralelní rozhraní sběrnicového typu je používáno od 80. let jako hlavní rozhraní pro interní připojení pevných disků, mechanik 21/5/2012
Vnější paměti
6
optických pamětí, apod. Jedním z limitujících faktorů jak u rozhraní ST506, tak u rozhraní ESDI byl propojující kabel. Čím je delší kabel, tím nižší je maximální přenosová rychlost a tím vyšší je hladina šumu. Tato úvaha vedla k závěru, že hlavní řídící jednotka disku byla umístěna přímo na pevný disk (tím se zkrátil kabel na minimum) a vlastní rozhraní už slouží pouze jako prostředník mezi diskem a sběrnicí.
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.
Základní desky dnešních osobních počítačů jsou vybaveny rozhraním nazývaným Ultra ATA které vzniklo z vylepšené IDE verze EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics). Dovolilo již zapojení až čtyř zařízení a umožnilo výrazně rychlejší přenos dat. 21/5/2012
Vnější paměti
7
· UltraATA/33 (33 MB/s) · UltraATA/66 (66 MB/s) · UltraATA/100 (100 MB/s) · UltraATA/133 (133 MB/s, kompatibilní s ATA-66 a ATA-100) Od PIO módu se zde přešlo k režimu DMA (Direct Memory Access – přímý přístup k paměti), díky kterému již disky nemusejí k přenosu dat využívat procesor, takže i méně zatěžují celý systém. U těchto rozhraní se díky výraznému zvýšení přenosových rychlostí objevil problém parazitní kapacitní vazby, kdy se signály jednotlivých datových vodičů navzájem ovlivňují. Řešením bylo, že původně 40tižilový plochý kabel byl doplněn o dalších 40 vodičů, které se starají o odrušení jednotlivých datových vodičů (stínění). Paralelní rozhraní typu IDE/ATA se také nazývají PATA (Parallel ATA) kvůli odlišení od nového sériového rozhraní SATA (Serial ATA). Nevýhodou paralelního rozhraní IDE/ATA zůstává nízká rychlost přenosu dat (max. 133 MB/s), velká šířka kabelu a jeho omezená maximální délka na 45 cm, jakož i velikost konektorů se 40 vývody. Problémem paralelního ATA rozhraní je také nemožnost přistupovat k oběma diskům zároveň, pokud jsou připojené jako Master / Slave. To znamená, že vždy je nutné nejdříve ukončit komunikaci s jedním diskem, pak změnit časování (změnit režim přenosu) a teprve pak je možné připojit se k druhému disku. To trvá dlouho a není to vůbec efektivní.
- Master pro připojení hlavního disku na daném kanálu - Slave pro připojení sekundárního disku na daném kanálu - Cable select (CS) pro automatické nastavení (u 80ti-žilového kabelu).
• Rozhraní SCSI Rozhraní SCSI (Small Computer Systems Interface) je standardní paralelní rozhraní 21/5/2012
Vnější paměti
8
vyvinuté firmou Macintosh - uznávaným standardem se stalo poté, co je začala používat firma IBM. SCSI (čti „skazi“) je vstupně/výstupní podsystém nezávislý na zařízení - k počítači je přes SCSI možné připojovat funkčně zcela rozdílná zařízení (pevné disky, páskové jednotky, CD-ROM, tiskárny, skenery, atd.). Každé SCSI zařízení má integrovaný vlastní řadič a používá samostatný komunikační kanál. Vývojáři se snažili o nezávislost počítače na typu periferie - komunikace CPU s řadičem periferní jednotky pomocí standardních příkazů nezávislých na typu periferie. Hlavní výhoda rozhraní SCSI byla ve své době jeho rychlost a velké množství současně připojených zařízení s vlastními řadiči, které se vzájemně neovlivňují při práci (multitasking) a nezatěžují procesor. Dále možnost připojení nejen interních ale i externích zařízení, podpora hot swap technologie (připojování a odpojování zařízení za provozu). Délka 80-ti žilového spojovacího kabelu může být až 12 m (SCSI-3). První 8-bitová verze SCSI-1 z 80. let nabízela rychlost přenosu dat 4MB/s a dovolila připojit ke své sběrnici až 8 různých zařízení (pevné disky, mechaniky, skenery). Přídavná karta se zasouvala do slotu sběrnice ISA na základní desce. Délka kabelu max. 6 m. Následující verze SCSI-2 již umožňovala připojit až 16 zařízení, podporovala novou sadu příkazů, přenosová rychlost 10 MB/s, sběrnice VL Bus a PCI, šířka přenášených dat může být 8, 16 či 32 bitů (Wide, Wide-16, Wide-32). Z toho vyplývá, že přenosová rychlost může být 10, 20 nebo 40 MB/s. Délka kabelu max. 3 m. Verze SCSI-3 (tzv. Ultra SCSI) byla určena pro sběrnici VL Bus a PCI, se základní přenosovou rychlostí 20 MB/s. Specifikace rozhraní zahrnuje nový vrstvový model rozhraní, který zjednodušuje tvorbu softwaru. Přenosová rychlost se odvíjí od šířky rozhraní, zde 20 MB/s (8 bitů), 40 MB/s (16 bitů) a 80 MB/s (32 bitů). K rozhraní SCSI3 bylo možno připojit až 8 (respektive 7, jedno zařízení musí být řadič rozhraní) zařízení při šířce rozhraní 8 bitů nebo 16 zařízení při vyšší bitové šířce rozhraní. Délka kabelu max. 12 m. V roce 2001 byla uvedena verze Ultra320 SCSI s přenosovou rychlostí 320 MB/s, později pak i Ultra640 SCSI s rychlostí dokonce 640 MB/s. Mezi výhody rozhraní patří vysoká přenosová rychlost, možnost zapojit více zařízení bez omezení rychlosti. K nevýhodám patří vyšší cena (i periferií), množství typů, komplikovanější konfigurace.
21/5/2012
Vnější paměti
9
2. Sériové rozhraní Paralelní rozhraní se dostaly do stavu, kdy další zvyšování rychlosti bylo nemožné, především z důvodu parazitní kapacity a zvýšenému rušení mezi vodiči dalším zvyšováním taktovací frekvence (větší náchylnost na chyby při přenosu dat). Proto se přešlo k architektuře sériových rozhraní. •Serial ATA (SATA) SATA (Serial ATA) je sériové rozhraní pro HDD a mechaniky optických pamětí, na rozdíl od IDE/ATA rozhraní používajících paralelní přenos dat. SATA přenese data seřazená do “paketu” mnohem vyšší rychlostí než u paralelního IDE/ATA (PATA) rozhraní díky vyššímu taktovacímu kmitočtu (1500MHz). SATA první generace, známá též jako SATA I podporuje teoretický datový tok až 1,5 Gb/s. Kromě rychlejší a spolehlivější sběrnice vylepšuje Serial ATA kabeláž a konektory pro spolehlivou a jednoduchou montáž. Menší konektor a tenčí datový kabel nezabírá tolik místa v počítači a nebrání proudění vzduchu. Kabely SATA jsou tenčí a povolují větší délku.
21/5/2012
Vnější paměti
10
Přenos dat rozhraním SATA potřebuje asi 20x méně energie (napájení 500mV) než PATA. Další výhodou je podpora Hot Plug a Hot Swap. Ke každému disku vede jen jeden datový kabel a proto odpadají problémy s konfigurací. Není potřeba nastavovat Master/Slave. Zařízení jsou vždy Master. Odpadají prodlevy při přepínaní mezi zařízeními. SATA II je rozhraní SATA druhé generace. SATA II nabízí teoretickou přenosovou rychlost 3 Gb/s. Pevné disky s rozhraním SATA II mohou pracovat i na rychlosti 1,5 Gb/s, díky čemuž jsou zpětně kompatibilní se SATA I. SATA II podporuje technologi NCQ (Native Command Queing), která se projeví, pokud jsou spuštěny aplikace se současným přístupem na pevný disk (viz kapitola Magnetické paměti). Technologie NCQ dokáže tyto požadavky (čtení/zápis) uspořádat tak, aby se hlavička disku nepohybovala z jednoho místa na druhé, ale četla/zapisovala data rovnoměrně, tudíž rychleji.
SATA III – nabízí teoretickou přenosovou rychlost až 6 Gb/s, kterou využijí především disky SSD (Solid State Drive). Jedná se o polovodičový pevný disk založený na technologii velmi rychlých flash pamětí. •Rozhraní eSATA Specifikace eSATA (External Serial ATA) umožňuje připojení disků a jiných zařízení přes SATA rozhraní externě mimo počítač. Nové rozhraní eSATA nabízí vyšší rychlost přenosů dat mezi počítačem a externím zařízením oproti sběrnicím USB 2.0 a FireWire. Nové konektory eSATA jsou robustnější z důvodu častějšího odpojování a připojování disku. Kabely jsou v zásuvce pevně uchyceny pomocí pružinového 21/5/2012
Vnější paměti
11
mechanismu, což odstraňuje problémy s lámáním a odpojováním za provozu. Kabel eSATA může mít délku až 2 metry.
•Rozhraní SAS Rozhraní SAS (Serial Attached SCSI) je sériové rozhraní nahrazující dřívější paralelně zapojené SCSI [čti „skazi“] rozhraní. Používá jak příkazy rozhraní SCSI, tak SATA. Rozhraní SAS je tedy kombinací vlastností SCSI a SATA rozhraní. SAS rozhraní nabízí komunikaci bod-bod, což znamená, že řadič je s každým zařízením propojen samostatným kabelem. Oproti paralelnímu SCSI rozhraní nabízí vyšší přenosovou rychlost, podporu technologie „hot swap“ (některé implementace paralelního SCSI ji také podporují) a vylepšenou schopnost proti selhání řadiče. SAS podporuje teoretické přenosové rychlosti: 1.5 Gb/s, 3 Gb/s a 6 Gb/s (SAS 2.0). SAS řadiče obvykle podporují i SATA zařízení, SAS je tedy pro SATA zpětně kompatibilní. Opačné připojení však možné není, k řadiči SATA není možno připojit disk SAS. Disk SAS má konektor upravený zámkem tak, že jej není možné připojit ke konektoru SATA (opačnému připojení ovšem zámek nebrání).
21/5/2012
Vnější paměti
12
Na rozdíl od SATA rozhraní umožňuje SAS propojit jediný disk ke dvěma řadičům, což zvyšuje bezpečnost u serverů v případě selhání řadiče. Také je možné použít čtyřnásobný kabel. Sdružený SAS kabel se používá například pro připojení čtyř disků k jedinému řadiči bez toho, aniž by bylo nutné použít čtyři samostatné kabely. Kabel také slouží k připojení řadiče a expandéru (expand = rozšíření). Expandér se připojí jedním nebo několika (kvůli vyšší propustnosti) SAS kabely a na samotném expandéru, inteligentní elektronika obslouží všechna připojená zařízení. Vhodné především pro vytváření tzv. diskových polí, které jsou tvořeny velkým počtem disků.
Příklad 36 portového expandéru (1Mini-SAS konektor = 4 porty):
21/5/2012
Vnější paměti
13
Shrnutí: Vnější paměti slouží k uložení dat a programů na delší dobu (roky), také se označují jako nosiče dat (paměťová média). Pokud má být program proveden či využita uložená data, musí dojít k jejich načtení do operační paměti. Záznam na nosiče dat se provádí ve dvojkové soustavě (0,1).
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.
21/5/2012
Vnější paměti
14
