Uživatel:Masterad

Z HPM wiki
(Rozdíly mezi verzemi)
Přejít na: navigace, hledání
Řádka 168: Řádka 168:
  
  
'''Paměti pracující na magnetickém principu mají několik částí:'''
 
 
'''1)Médium, na němž jsou uložena data'''
 
 
Datové médium pevného disku je složeno z tuhých kotoučů (používá se i název plotna) umístěných v několika patrech nad sebou. Data se zapisují do magnetické vrstvy nanesené na každý jednotlivý kotouč.
 
 
'''2)Magnetické hlavy pro vlastní zápis a čtení dat'''
 
 
S magnetickým povrchem disků pracují magnetické čtecí/ zápisové hlavy. Hlavy se u pevných disků nepohybuju po povrchu disku, ale vznášejí se nad ním. Vznášení hlav zajišťuje aerodynamický vztlak vznikající nad roztočeným diskem. Protože hlavy plují nad diskem, nedochází ke tření mezi hlavou a diskem. Pevné disky tak vynikají vysokou trvanlivostí a spolehlivostí. Vzdálenost vznášejících se hlav nad diskem je několik micro metrů. Drobné zrnko prachu by pak mohlo způsobit rýhu v disku a znehodnocení dat. Z toho důvodu jsou pevné disky uloženy ve vzduchotěsném pouzdře. Při vypnutí disku zajistí mechanika magnetických hlav jejich přisání do vyhrazené parkovací oblasti. Tak je zajištěno to, že se hlava nikdy nedotkne datové oblasti a nezničí data. (U starších disků se můžeme setkat s nutností zaparkovat hlavy před vypnutím počítače programově).
 
 
'''3)Mechaniku pohybující hlavami'''
 
 
Mechaniku 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.
 
 
'''4)Motorek točící disk'''
 
 
Zajišťuje otáčení plotny rychlostí až 10 000x za minutu, průměrný disk 7200x za minutu a starší disky 5400x za minutu.
 
 
'''5)Desku rozhraní (řadič, controller), zajišťující připojení disku k základní desce (zpravidla ji najdeme integrovánu na základní desce PC), kde je vyveden také konektor pro připojení datového kabelu disku'''
 
  
  

Verze z 18. 12. 2011, 19:29

jako semestrální práci jsem si vybral pevný disk( hard disk)


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 mikron

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) umístěných v několika patrech nad sebou. Data se zapisují do magnetické vrstvy nanesené na každý jednotlivý kotouč.

Magnetické hlavy pro vlastní zápis a čtení dat

S magnetickým povrchem disků pracují magnetické čtecí/ zápisové hlavy.

Mechaniku pohybující hlavami

Mechaniku 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), zajišťující připojení disku k základní desce (zpravidla ji najdeme integrovánu na základní desce PC), kde je vyveden také konektor pro připojení datového kabelu disku

Parametry pevných disků

Kapacita:

množství informací, které lze na pevný disk uložit např.: 10 MB - 300 GB

Přístupová doba:

doba, která je nutná k vystavení čtecích/zapisovacích hlav na požadovaný cylindr např.: 3,6 - 65 ms

Přenosová rychlost:

počet bytů, které je možné z disku přenést za jednu sekundu např.: 700 kB/s - řádově desítky MB/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. cache paměť pevného disku je realizována jako paměť typu DRAM

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 kapacita jednoho sektoru je standardně 512 B 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 princ, 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. Zdokonalováním prochází také hlava, která se rozdělila na čtecí a záznamovou. Zatímco záznamová hlava pracuje stále na induktivním principu, byla pro čtecí hlavu vyvinuta nová technologie MR - Magneto Resistive (firma IBM).


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. Nad každým povrchem létá jedna hlava. 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.


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. Existují 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.















Fyzická struktura disků

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.

Fyzické formátování ( low format)

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).

Hlavy s cylindry

Poslání magnetických hlav je zapisovat a číst data. Nad každým povrchem létá jedna hlava. 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.

Práce mechaniky hlav je založena na dvou principech:

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.

2) Druhý, spolehlivější princ, 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. Zdokonalováním prochází také hlava, která se rozdělila na čtecí a záznamovou. Zatímco záznamová hlava pracuje stále na induktivním principu, byla pro čtecí hlavu vyvinuta nová technologie MR - Magneto Resistive (firma IBM).






Diskové plotny

Data jsou na pevném disku uložena pomocí magnetického záznamu. Disk obsahuje kovové nebo skleněné desky - tzv. plotny pokryté tenkou magneticky měkkou vrstvou .Hustota datového záznamu se udává jako počet bitů na měrnou jednotku plochy disku [bitů/inch2], [bitů/mm2]. Plotny jsou neohebné (odtud pevný disk), na rozdíl 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. Standartní 3,5" palcové disky mají až 4 plotny a 8 hlav (po jedné hlavě z obou stran plotny). HDD s nejmenší velikostí GB mají mnohdy pouze 1 plotnu. Plotny se rychle otáčejí (to je obvykle uváděná „rychlost disku“, udává se v otáčkách za minutu). V běžných discích plotny rotují rychlostí 7 200 ot/min, vyšší třída disků do pracovních stanic se točí rychlostí 10 000rpm a u některých serverových disků i 15 000 ot/min. Opačnou stranou jsou takzvané "zelené disky" WD green power otáčející se rychlostí jen 5 400ot/min. Jejich využití se nalézá tam, kde je přednější nižší spotřeba, nižší teplota a nižší hluk na úkor nižšího výkonu. Disky v noteboocích mají nejčastěji 5 400ot/min, existují ovšem i notebookové modely otáčející se rychlostí 7 200ot/min, jakožto modely používající pouze 4 200ot/min, to jsou nejčastěji buď velmi staré disky nebo moderní disky se specializovaným použitím např. ve videokamerách s fyzickými rozměry menšími než klasické notebookové disky. Při 7 200 ot/min je obvodová rychlost plotny zhruba 30 km/h(pro 3,5palcový disk). Otáčky disku společně s hustotou záznamu a rychlostí vystavovacího mechanismu určují celkový výkon disku. Podle rychlosti otáčení plotny se určuje i maximální hustota plotny, aby nedocházelo k přepisování vedlejších bitů. Čím rychleji se plotny otáčí tím víc na ně působí odstředivá síla a proto se někteří výrobci u disků 10-15000 ot./min. uchylují k 2,5" verzím, kde je síla menší a tak jsou materiály méně namáhány. V současné době mají standardně disky ve stolních PC plotny o průměru 3,5 palce (tj. 8,9 cm), v noteboocích jsou menší varianty 2,5", které mají otáčky podle použití notebooku a používají se hlavně kvůli velikosti a spotřebě (díky menším plotnám je potřeba motor, co spotřebuje míň proudu).


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.


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 jednak 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 1 = mirroring

• RAID 2 = Hammingův systém ECC

• RAID 3 = byte striping s paritním diskem

• RAID 4 = blokový striping s paritním diskem

• RAID 5 = blokový striping s distribuovanou paritou

Nebyl zde vyjmenován RAID 0 (striping), což je diskové pole jednoznačně zaměřené, které zvýší pouze rychlost sekvenčního čtení a sekvenčního zápisu. Především je třeba říci, že toto pole není redundantní . Najde proto využití 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 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


Technologie

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

S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology) - monitorovací systém pevných disků, který sám zjišťuje, vyhodnocuje a posílá zprávy o stavu disku

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.


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 flash paměti. 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 zde velmy výhodný poměr kapacity a ceny disku. A také se data při odpojení od napájení neztrácejí a počet přepsaní uložených dat jinými je prakticky neomezený.


Zdroje:

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

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://lekceict.phorum.cz/zakladni-jednotka-pocitace-a-jeji-obsah.p79.htm

Osobní nástroje
Jmenné prostory
Varianty
Akce
Navigace
Nástroje