Pevný disk

Z Multimediaexpo.cz

Verze z 23. 9. 2013, 19:31

Pevný disk (anglicky hard disk drive, 'HDD') je zařízení, které se používá v počítači k trvalému uchování většího množství dat.

Hlavním důvodem velkého rozšíření pevných disků je velmi výhodný poměr kapacity a ceny disku, doprovázený relativně vysokou rychlostí blokového čtení. Data se při odpojení disku od napájení neztrácí a počet přepsání uložených dat jinými je prakticky neomezena.

Dnes se pevné disky kromě počítačů běžně používají i ve spotřební elektronice – MP3 přehrávače, videorekordéry apod.

Technický popis

Diskové plotny

Krokový motor

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 [bitů/inch²], [bitů/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 disku“, 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 zhruba 30 km/h. Disky v noteboocích mají většinou 4 200 otáček/min (občas jen 3 600 ot/min ale někdy mají i 5400 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".

Hlavy

Demontovaný starý disk. Všimněte si vychylovací mechaniky.

Čtení a zápis dat na magnetickou vrstvu zajišťuje čtecí a zápisová hlava (vpravo). 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 „plave“ na tenké vrstvě vzduchu nad povrchem, ve vzdálenosti řádově mikrometrů (10^-6m).

Zařízení, které vystavuje čtecí hlavy na správnou pozici nad povrchem se nazývá vystavovací mechanismus. Ve starších discích (viz fotografie) se pro vystavování hlav používá přesný krokový motor. Ten se „odvaluje“ za pomocí ocelového pásku po „patce“, 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
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, viz kapitola organizace dat).

Vystavovací mechanismus moderního disku

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 (8GB) a nutnost znát geometrii disku. U disků vyšších kapacit na rozhraní ATA, již neodpovídá zdánlivá geometrie disku skutečné fyzické implementaci (viz CHS).

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.

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.

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.

Rozhraní pevných disků

Pro připojení pevných disků k počítači jsou používána různá rozhraní. V osobních počítačích je dnes nejrozšířenější ATA (Advanced Technology Attachment, což je v podstatě synonymum názvu IDE Integrated Drive Electronics), které se někdy pro odlišení od SATA nazývá PATA - „paralelní ATA“. ATA rozhraní je relativně jednoduché a tedy i levné. ATA rozhraní má max. teoretickou přenosovou rychlost okolo 1Gb/s = 133MB/s, což je při jednom připojeném disku dostačující, protože pevný disk obvykle dokáže vysílat data pouze rychlostí 640Mb/s = 80MB/s. Na jeden ATA kabel se ovšem dají připojit disky dva a pak se již přenosová rychlost ATA stává úzkým hrdlem.

Nově se prosazuje sériová verze Serial ATA (SATA). Výhodou SATA je o něco vyšší rychlost; vyšší inteligence řadiče, umožňující optimalizaci datových přenosů (NCQ); možnost připojování disků za chodu systému a menší rozměry kabelů, které nebrání toku vzduchu ve skříni a tedy zlepšují chlazení počítačů. Z hlediska operačního systému je řízení disků pomocí tohoto rozhraní shodné s paralelní ATA.

Pro dosažení vyššího výkonu (především počtu operací za sekundu) používá rozhraní SCSI (čti [skazi], zkratka Small Computer System Interface) nebo novější rozhraní Fibre Channel. Na jedno rozhraní (resp. kabel) je možné připojit více periférií. SCSI navíc podporuje periférie různých typů. Max. délka propojujícího kabelu je u SCSI obecně větší něž u standardu ATA/IDE. SCSI rozhraní je mnohem sofistikovanější než ATA/IDE, což samozřejmě znamená vyšší cenu jak radičů v počítači tak i samotných pevných disků a proto je používáno zejména u serverů a pracovních stanic.

Pro externí disky (umístěné mimo skříň počítače) se používají rozhraní USB (Universal Serial Bus) či FireWire (IEEE 1394).

Jiné

Existují také flash disky s rozhraním ATA - ADM (ATA Disk Module). Tyto disky nemají žádné pohyblivé části a nejsou tedy skutečnými pevnými disky. Připojují se pomocí standardního 40-pinového ATA konektoru, mají miniaturní rozměry, extrémně nízkou spotřebu a nevyžadují žádné přídavné ovladače ani speciální kabely.

Externí odkazy

Rozbor HDD