Uživatel:Masterad

Z HPM wiki
Přejít na: navigace, hledání

Pevný disk (hard disk)


Obsah

Co je to pevný disk

Pevný disk (anglicky hard disk drive, HDD) je zařízení, které se používá v počítači k trvalému uchování většího množství dat a uchovávání dat, s nimiž mikroprocesor momentálně nepracuje, ale která si v případě potřeby načte. 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). 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 mikrometrů

Vystrizek.png

Trocha historie

Dříve jsme mohli vidět počítače, které zabraly celou místnost. Člověk došel k závěru, že data zpracovaná počítačem by bylo dobré ukládat pro pozdější využití. V té době již mělo lidstvo jisté zkušenosti s magnetickým záznamem, tudíž bylo řešení problémů s pevnými disky na snadě. V počítačích se měnily ohromné cívky, na které se vešly řádově stovky kilobytů dat. 13. září roku 1956 se objevil na světě vůbec první počítač s pevným diskem. Jmenoval se IBM 305 RAMAC , pevný disk uchoval 5 milionů 7 bitových znaků (asi 4,2 MB), jeho velikost byla 24 palců, disk se otáčel rychlostí 78 RPM. To všechno za pouhých $ 35 000. Těchto počítačů bylo vyrobeno asi 1000, jejich produkce byla ukončena roku 1961

Vyvoj.png

Paměti pracující na magnetickém principu

Paměti pracující na magnetickém principu mají několik částí:

Médium, na němž jsou uložena data

Datové médium pevného disku je složeno z tuhých kotoučů (používá se i název plotna (kovové nebo skleněné desky)) umístěných v několika patrech nad sebou.Pro zajímavost, při 7 200 ot/min je obvodová rychlost plotny zhruba 30 km/h (pro 3,5palcový disk). Data se zapisují do magnetické vrstvy nanesené na každý jednotlivý kotouč.Hustota datového záznamu se udává jako počet bitů na měrnou jednotku plochy disku [bitů/mm2].

Magnetické hlavy pro vlastní zápis a čtení dat

S magnetickým povrchem disků pracují magnetické čtecí / zápisové hlavy.

Mechaniku pohybující hlavami

Mechanika pohybující hlavami zajišťuje, aby se hlava dostala na příslušné místo na disku, kde jsou uložena data. Hlava pak jenom počká na požadované otočení a načte data.

Motorek točící disk

Desku rozhraní (řadič, controller) zajišťuje připojení disku k základní desce, kde je také konektor pro připojení datového kabelu disku

Co dělá řadič

Povrch disku představuje poměrně rozsáhlý prostor. Pokud operační systém požaduje od disku data, musí si je na jeho povrchu vyhledat řadič. Ten tedy potřebuje znát přesnou geometrickou polohu zapsaných dat. Proto si povrch disku rozdělí na stopy (soustředné kružnice), do kterých si údaje zapisuje. Každá stopa je navíc příčně rozdělena na sektory. Toto uspořádání nazýváme fyzickou organizací dat.

Řadič si tedy musí rozdělit disk na stopy a sektory a ty si očíslovat. Proces, kterým se disk magneticky dělí se nazývá fyzické formátování. Při něm umístí řadič na začátek každé stopy a každého sektoru magnetickou značku (identifikátor). Každý řadič si tedy musí „nalinkovat“ svůj disk, což není problém, protože řadič je součástí disku (jeho plošný spoj je umístěn na pouzdře disku. Tento druh formátování provádí výhradně výrobce disku).

Parametry pevných disků

Kapacita:

množství informací, které lze na pevný disk uložit např.: 10 MB - 3000 GB

Přístupová doba:

vyjadřuje rychlost, s níž disk vyhledává data. Je součtem dvou časů: doby vystavení a doby čekání.

např.: 12 ms

Dova vystavení:

Je časem nutným k pohybu hlav nad určitou stopu.Hlavy většinou "přelétávají" pouze několik stop (málokdy celý disk), a tak je doba vystavení definována jako jedna třetina času potřebného pro pohyb přes celý disk. Doba vystavení se minimalizuje. Proto zápis (a následné čtení) probíhají po cylindrech, nikoly po stopách. Jestliže se například daty zaplní 759.stopa prvního povrchu, bude zápis pokračovat v 579.stopě povrchu dva - doba vystavenípak bude nulová

Doba čekání:

I když hlava "doletí" nad správnou stopu (je vystavena), nemůže ještě začít se čtením. Musí totiž počkat, až se pod ní dotočí ten sektor, v němž se má se čtením dat začít. Doba čekání záleží na náhodě, ale jako technická hodnota se uvažuje jedna polovina otáčky disku.

Přenosová rychlost:

počet bytů, které je možné z disku přenést za jednu sekundu

např.: 3 Gb/s

Počet otáček:

počet otáček kotoučů pevného disku za jednu minutu

např.: 3600, 5400, 7200, 10000, 15000 otáček/min

Kapacita cache paměti:

kapacita vyrovnávací cache paměti pevného disk. Do ní se načítají data z disku a odtud se pak přenášejé na sběrnici. Cache tak zrychluje práci, a tak jí najdeme na každém disku.

cache paměť pevného disku je realizována jako paměť typu DRAM

např.: 64MB

Velikost:

průměr disků použitých ke konstrukci pevného disku

např.: 2”; 31/2”, 51/4”

Počet cylindrů:

počet stop (cylindrů) na každém disku (řádově stovky až tisíce)

Počet hlav:

odpovídá počtu povrchů, na které se provádí záznam

např: 2 - 16 hlav

Počet sektorů:

počet sektorů na každé stopě

např. 8 - řádově stovky sektorů na stopu

Mechanismus vystavení hlav:

Magnetické hlavy zapisují a čtou data. Nad každým povrchem "létá" jedna hlava. Velmi důležitý je přesný a rychlý polohovací machanismus hlav. Pohyb hlavy nad příslušnou stopou toziž podstatně ovlivňuje rychlost práce celého disku. mechanismus, pomocí kterého se vystavují čtecí (zapisovací) hlavy na patřičný cylindr může být realizován dvěma způsoby:

1) Starším, méně spolehlivým vystavovacím mechanismem je krokový motorek. Jedno pootočení motorku znamená jeden příčný krok hlavy (posun o jednu stopu). Pokud chce řadič posunout hlavami o 5 stop, pootočí se motorek o úhel odpovídající pěti krokům. Při počtu několika set stop musí být mechanismus velice přesný, aby vždy najely nad správnou stopu. Celý mechanismus může po několika letech provozu trochu změnit svoje parametry a disk přestane být spolehlivý. Dnes se ale tato mechanika nepoužívá.

Krokovy motor.png

2) Druhý, spolehlivější princip, se nazývá vystavovací cívka (VOICE COIL). Průchod proudu cívkou způsobí vychýlení cívky úměrné velikosti procházejícího proudu. Je zde využito zpětné vazby - hlavička čte svou polohu z disku a na základě této informace řídící elektronika přidá nebo ubere proud potřebný k vychýlení. VOICE COIL má ještě jednu výhodu - Je totiž samoparkovací. Po náhlém výpadku napájení se totiž hlavy samovolně vrátí (díky pružince) do parkovací zóny. Krokový motorek k tomuto účelu potřebuje zvláštní elektronické obvody.


Celé zařízení harddisku tvoří přesný a dokonale propracovaný mechanismus, jenž je velmi náchylný na prach — proto je celý harddisk zapouzdřen v uzavřeném obalu. Pouhé zrnko prachu, pro lidské oko neviditelné, by způsobilo nenávratné poškrábání kotouče disku a tím ztrátu dat.!!!


Spina.png

Geometrie disků

Všechny jednotlivé disky, ze kterých se celý pevný disk skládá, jsou podobně jako u pružného disku rozděleny do soustředných kružnic nazývaných stopy (tracks) a každá z těchto stop je rozdělena do sektorů (sectors). Množina všech stop na všech discích se stejným číslem se u pevných disků označuje jako válec (cylinder).

Stopy a cylindry.jpeg

Geometrie disku udává hodnoty následujících parametrů:

Hlavy disku (heads):

počet čtecích / zapisovacích hlav pevného disku. 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.


funkce hlav

Poslání magnetických hlav je zapisovat a číst data. Hlavy se u pevnýh disků nepohybujií po povrchu disku, ale vzášejí se nad ním. Vzášení hlav zajišťuje aerodynamický vztlak vznikající nad roztočeným diskem. Protože hlavy plují na diskem, nedochází ke tření mezi hlavou a diskem. Pevné disky tak vynikají vysokou trvanlivostí a spolehlivostí. Při vypnutí disku zajistí mechanika magnetických hlav jejich přistání do vyhrazené parkovací oblasti. Tím je zajištěno to, že se hlava nikdy nedotkne datové oblasti a nezničí data (U hodně starých disků se můžete setkat s nutností zaparkovat hlavy před vypnutím počítače programově). Má-li pevný disk 5 kotoučů, může mít až 10 hlav (každý kotouč má 2 povrchy). Hlav však může být i méně, protože krajní kotouče nemusí mít nutně povrchy z obou stran. Všechny hlavy jsou umístěny na společném rameni. Pokud řadič posune hlavu číslo 3 (patří třetímu povrchu) nad stopu 134, posunou se i hlavy nad ostatními kotouči nad stopu 134 „svého“ povrchu. Díky společnému rameni se tedy hlavy vždy vznášejí nad stejnou stopou všech povrchů. Stejným stopám na různých površích se říká cylindr nebo také někdy válec. Velmi důležitý je přesný a rychlý polohovací mechanismus hlav. Pohyb hlavy nad příslušnou stopou totiž podstatně ovlivňuje rychlost práce celého disku.

Teplotní kalibrace (therminal calibration)

U velkokapacitních disků s velkou hustotou stop je nutné umístit hlavy nad stopy s velkou přesností. Během práce se však disk ohřeje a vystavování hlaviček by vlivem teplotních výkyvů nebylo přesné. Proto disk pravidelně kontroluje polohu hlavičky nad stopou a provádí případné korekce její polohy.

Stopy disku (tracks):

počet stop na každé aktivní ploše disku. Stopy disku bývají číslovány od nuly, přičemž číslo nula má vnější stopa disku.

Stopy.png


Cylindry disku (cylindry):

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. U většiny pevných disků je podobně jako u pružných disků počet sektorů na všech stopách stejný. Tento způsob do jisté míry plýtvá médiem, protože vnější stopy jsou delší a tudíž by se na ně mohlo umístit více sektorů. Jsou však i pevné disky, u nichž se používá tzv. zonální zápis označovaný jako ZBR (Zone Bit Recording). Jedná se o metodu zápisu na pevný disk, která dovoluje umístit na vnější stopy pevného disku větší počet sektorů než na stopy vnitřní. ZBR tedy lépe využívá záznamové médium, ale způsobuje podstatně složitější přístup k datům. Sektory bývají číslovány od jedničky.

Disková pole – RAID

Vzhledem k tomu, že pevný disk je složité zařízení kombinující elektroniku a jemnou mechaniku, je již ze svého principu náchylný k poruše. Toto je nepříjemné zejména u serverů, kde cena uložených dat může představovat mnohamilionové částky. Proto byla zkonstruována disková pole RAID. Metoda RAID (Redundant Array of Inexpensive Disk) vytváří z několika disků jedno diskové pole, které se navenek „tváří“ jako disk jeden. Přicházejí sem požadavky na čtení a zápisy dat a pole si samo organizuje na který disk se data uloží (či odkud se přečtou). Účelem diskových polí není zpravidla zvětšení kapacity, ale zvýšení bezpečnosti dat. Vyšší bezpečnosti diskových polí RAID je dosaženo díky nadbytečnosti (redundanci) dat. Při havárii se pak z nadbytečných dat doplní chybějící údaje na vadném disku. RAID se dělí do několika skupin, které používají různé úrovně redundance. Postupně se vytvořilo několik mechanismů.


RAID 0 (striping) - je diskové pole jednoznačně zaměřené, které zvýší pouze rychlost sekvenčního čtení a sekvenčního zápisu. Především je třeba říci, že toto pole není redundantní . Jde proto využit pouze v případech, kdy je třeba rychlého zápisu či čtení dat velkých bloků dat (editace filmů, fotografií, audionahrávek atd.). Pro běžnou práci s operačním systémem je jeho použití nevýhodné. Dva nezávislé disky, jeden použitý pro operační systém a druhý pro programy, poskytují mnohem vyšší reálnou rychlost, větší uživatelský komfort a především při ztrátě jednoho disku nepřijdete o data na disku druhém.

Raid0.png


RAID 1 - Data se současně zapisují na více disků (většinou dva). Jeden je úplnou kopií druhého. Data jsou 100% redundantní. Vysoká bezpečnost, při poruše primárního disku, přebírá jeho funkci sekundární disk. Dochází ke zvýšení čtecích operací díky současnému čtení ze dvou disků. Nevýhoda je, že kapacita jednoho disku je zrcadlena na disk další. K uložení dat je tak potřebná dvojnásobná kapacita(2disky).

Raid1.png


RAID 3 - Je použito N+1 stejných disků. Na N disků se zapisují data, na poslední disk paritní informace. V případě výpadku disku jsou chybějící informace dopočítány z ostatních datových disků a disku paritního. Každý zápis na pole znamená práci i pro paritní disk, proto je více namáhán a lze u něj očekávat vyšší poruchovost. Proto byla tato úroveň již téměř opuštěna ve prospěch Raid 5 a vyšších.

RAID 5- Redundantní pole s distribuovanou paritou. Minimální počet disků jsou 3. Režie je 1 disk z n-diskového pole. Máme-li například pole RAID 5 z 5 disků o kapacitě 36 GB, užitečná kapacita je 4x36=144 GB a 1 disk je režie. Data se zapisují postupně na disky 0,1... až na poslední disk se zapíše parita. Při výpadku některého disku pak máme buď všechna data (a nepotřebujeme paritu), nebo máme část dat a paritu a chybějící data ze ztraceného disku umíme dopočítat z dat, která máme a parity

Raid5.png


RAID 6 - Pole typu RAID 5 ještě s jedním paritním diskem navíc. Je odolné proti výpadku dvou disků. Důvodem použití je ta skutečnost, že při obrovských kapacitách dnešních disků trvá rekonstrukce pole při výpadku disku dosti dlouho, a po dobu rekonstrukce již pole není chráněno proti výpadku dalšího disku. Navíc se u RAID 5 může stát, že právě při rekonstrukci, kdy se kvůli rekonstrukci chybějících dat čtou kompletní povrchy všech zbývajících disků pole, se na nekterém z těchto disků narazí na chybu čtení, která se dosud v provozu nemusela projevit, řadič takový disk taktéž odpojí a neštěstí je hotovo - úplná ztráta dat celého pole.


RAID 10 - Kombinace RAID 0 (stripe) a RAID 1 (zrcadlo). Jedná se vlastně o zrcadlený stripe. Minimální počet disků 4, režie 100% diskové kapacity navíc. Poskytuje nejvyšší výkon v bezpečných typech polí, podstatně rychlejší než RAID 5 zejména při zápisu. Další výhodou je odolnost proti ztrátě až 50% disků (naproti tomu RAID 5 odolává ztrátě pouze jednoho disku).


Hot-spare - Pro aplikace, kde je velmi důležitá nepřetržitost provozu, se používá technologie hot-spare. Ze čtyř disků například vytvoříme pole RAID 5 (jeho užitečná kapacita je tedy 3xkapacita disku). Pátý disk je zasunut a zkonfigurován jako hot-spare, což znamená, že v případě výpadku jednoho z disků pole je okamžitě automaticky aktivován a jsou na něj dopočítána chybějící data za vypadlý disk. Tak je minimalizováno rizikové časové okno, kdy pole sice funguje, ale výpadek dalšího disku již znamená ztrátu všech dat pole, protože není třeba čekat na příjezd technika a výměnu disku. Disk Hot-spare je možno sdílet pro více polí - jsou-li v serveru například 2 pole, jedno ze tří disků a jedno z pěti, je disk hot-spare aktivován při výpadku jak disku z prvního tak druhého pole.

Připojení pevných disků Rozhraní

IDE (Integrated Drive Electronics)


EIDE (Enhanced IDE) - rozšířená verze IDE pro rychlejší zařízení


ATA (Advanced Technology Attachment) - paralelní typ připojení pomocí 40pinového konektoru a 40 nebo 80 žilového kabelu. Dnes už je téměř nahrazován sériovým SATA a řadiče pomalu mizí ze základních desek


ATA.png ATA5.png




PATA - (Paralel ATA) - stejné jako ATA, označení se začlo používat s příchodem SATA

SATA (Serial ATA) - sériové připojení, výhoda technologie je použití tenčích kabelů a vyšších rychlostí díky sériovému proudění dat, ty jsou přenášeny v 10bitovém kódování a ne 8bitovém, jak je v počítačovém světě zvykem

SATA.png


SATA II - nová revize SATA, přináší teoreticky vyšší rychlosti přenosu (i když rychlost s novou revizí původně nesouvisela), dále přináší technologie Port Multiplier - umožňuje připojit až 5 disků na jeden SATA II kanál, Port Selector - umožňuje připojit dva řadiče k jednomu disku kvůli zamezení výpadku v případě poruchy jednoho z nich a Staggered spin up - způsobuje postupný náběh pevných disků, aby nedošlo k jednorázovému náporu na napájecí zdroj

eSATA (External SATA)- externí varianta SATA. Má lépe zpracovaný konektor kvůli častému připojování a odpojování disku (Hot Plug)


ESATA.png


SCSI (Small Computer System Interface) - vysokorychlostní paralerní rozhraní, používá se u pevných disků, magnetických pásek, nebo např. skenerů. Existuje ve více revizích, jako poslední se používají Ultra320 SCSI nebo Ultra640 SCSI, číslo v názvu udává maximální rychlost v MB/s. Dnes už moc rozšířený není, je potřeba zvláštních řadičů.


SCSI.png


SCSI2.png


FireWire - vysokorychlostní sériová sběrnice vyvinutá společností Apple sloužící k připojení externích disků, rychlost dnes až 800 Mb/s (100 MB/s), pracuje se na 1600 Mb/s


FIREWIRE.png

USB - vysokorychlostní sériová sběrnice sloužící k připojení externích disků, rychlost dnes až 480 Mb/s (60 MB/s) pro verzi USB 2.0, pracuje se na verzi 3.0


USB.png


RJ45 - pro tzv. síťové disky, nebo NAS jednotky. Běžný disk je doplněn Ethernet rozhraním a RJ-45 konektorem pro přístup do sítě. Díky síťovému rozhraní může k disku přistupovat více počítačů současně.


RJ5.png


SAS (Serial Attached SCSI) - pokračovatel SCSI rozhraní, tentokrát v sériovém provedení, používá se u nejvýkonnějších serverových disků s rychlostmi otáčení ploten až 15 000 rpm. Konektor podobný SATA


SAS.png


přehledně o všemožných sběrnicích

Nějaká ta terminologie pro nadšence

AAM (Automatic Acoustic Management) - umožňuje snížit hlučnost pohybu hlaviček při prohledávání disku na úkor přenosové rychlosti a přístupové doby.


PIO (Programmed Input/Output) - přenos dat mezi pevným diskem a operační pamětí řídí procesor počítače, při složitějších úlohách s daty dochází k vysokému zatížení cpu


DMA (Direct Memory Access) - metoda přístupu pevných disků a optických mechanik do operační paměti bez asistence procesoru. Bez DMA je přístup náročný na procesorový čas.


UDMA (Ultra DMA) - DMA režim pro rychlejší pevné disky a další mechaniky


Hot Plug/Hot Swap - technologie umožňující zapojování a vypojování disků za chodu systému. Podporovány jsou USB, FireWire, RJ45 a SATA2


NCQ (Native Command Queuing) - přirozené řazení požadavků. Technologie ponechává rozhodování o pořádí čtení dat na logice disku. Praktický přínos k výkonu aplikací je ale pozorovatelný pouze v případě, že si aplikacce žádá více současně a disk může přeuspořádat frontu požadavků pro maximální efektivitu a tím i zrychlení. NCQ musí podporovat jak samotný disk, tak i řadič. Dneska už jej ale podporují všechny řadiče.


MTBF (Mean Time Between Failures) - Střední doba mezi chybami - snaží se vystihnout poruchovost disku. Je výsledkem simulovaného "umělého stárnutí" a statistických pravděpodobností výpočtů. Výsledné hodnoty vycházejí ve statisících hodin, např. pro disky Barrucaa uvádí jejich výrobce - firma Seagate MTBF - 1 000 000 hodin. Doba mezi dvěma poruchami takové paměti pak bude 117 let. MTBF je jistě důležitým indikátorem apolehlivosti, ale je nutné si uvědomit jeho statistickou podstatu. Ta nezaručuje podstatu. Ta nezaručuje, že se disk 117 let nerozbije. Klidně se může rozbít v prvním měsíci provozu, ale pak se s velkou pravděpodobností porouchá až za 117 let.


S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology) - je technologie umožňující předvídat možné selhání pevného disku. SMART je založena na sledování přesně definovaných vlastností disků. Každá vlastnost má přesně definovaný rozsah hodnot. Pokud se některá z hodnot dostane mimo vymezené hranice, je indikována možnost vzniku chyby. Řadič disku, který vlastnosti disku sleduje, uloží zprávu o pravděpodovném vzniku chyby do paměti EEPROM. Odtud údaje přečte a vyhodnotí speciální software.


Závěrem

Pevné disky mají stále větší vliv na celkový výkon našich počítačů - dá se říci, že se stávají stále větší brzdou systémů. Mnoho výrobců v poslední době přichází s různými alternativami, které nemají se stávajícími pevnými disky. Kvůli vnitřní stavbě a principu fungování mají pevné disky nízkou přenosovou rychlost. Ta se zvyšuje rychlejší rotací ploten, přičemž disk produkuje nežádoucí teplo a hluk. Kromě desktopů zde máme i notebooky, kde tedy nastávají problémy s chlazením a dále také se spotřebou. I proto se v posledních měsících stále častěji setkáváme s alternativními způsoby ukládání dat v počítačích. Samozřejmě stále oblíbenější jsou SSD disky. Tyto paměti mají potenciál být rychlé a vzhledem k tomu, že pracují na zcela rozdílném principu než pevné disky (žádné pohyblivé části), řeší se problémy s teplotou, hlukem a spotřebou.

Dovolte mi, prosím, článek odlehčit a zakončit jej fotografií, která vás může inspirovat k využití vašeho starého pevného disku.


HHD rozbity.jpeg


Doufejme, že takto nevypadá provoz žádného z našich pevných disků:-)Přece jenom,ještě pořád je u pevných disků velmy výhodný poměr kapacity a ceny disku. A také se data při odpojení od napájení neztrácejí a počet přepsaní uložených dat jinými, na rozdíl od SSD disků,je prakticky neomezený.

Zdroje:

HORÁK, Jaroslav. HARDWARE : učebnice pro pokročilé. 3.aktualizované vydání. [s.l.] : [s.n.], 2005. 344 s.

odkaz na knihu , kdyby si chtěl někdo pořídit:-)

http://pit.wz.cz/Konstrukce/raid.php

http://www.raid-labs.cz/zachrana-dat-a-obnova-raid-poli/novinky/urovne-diskovych-poli-raid

http://www.netcorp.cz/storage_systems/raid_description.htm

http://cs.wikipedia.org/wiki/Pevn%C3%BD_disk

Osobní nástroje
Jmenné prostory
Varianty
Akce
Navigace
Nástroje