Dyski twarde
W napędach dysków elastycznych głowica
odczytu-zapisu jest przykładana bezpośrednio do
wirującego dysku. Z tego też powodu,
stosowane prędkości obrotowe są niewielkie, a
więc i szybkości zapisu/odczytu są ograniczone.
Dyski twarde (nazwane tak z powodu swej
sztywnej konstrukcji) umieszczone są w
odpowiednio skonstruowanym pyłoszczelnym
zespole napędowym, zawierającym ponadto
układy sterowania silnikiem napędu dysków,
silnikiem przesuwu głowic (pozycjonerem),
układy sterowania głowicami zapisu, układy
odczytu oraz inne układy sterujące i kontrolne
zespołu napędowego.

Na ogół nie ma tu możliwości wymiany dysków.

Dysk twardy odróżniają od dysku elastycznego

następujące cechy:
•głowica odczytu-zapisu, nie dotyka dysku w

czasie pracy, jest bowiem utrzymywana w małej

odległości od niego (mniejszej niż 1μm) na

poduszce powietrznej powstającej automatycznie

na skutek ruchu obrotowego,
•prędkość obrotowa dysku twardego jest bardzo

duża, dzięki temu osiąga się duże prędkości

transmisji danych (kilku - kilkudziesięciu MB/s),
•ponieważ dysk twardy jest niewymiennym

nośnikiem danych, można go dokładnie

wycentrować i osiągnąć przy tym dużą liczbę

ścieżek, czyli dużą pojemność (kilkudziesięciu

gigabajtów).

Najważniejsze parametry techniczne dysków

twardych, dostępnych obecnie na rynku:

•pojemność (kilkadziesiąt GB do kilkuset GB),

•liczba głowic odczytu/zapisu (od kilku do

kilkudziesięciu),

•liczba cylindrów (kilka tysięcy) - ścieżki o tych

samych numerach na powierzchniach roboczych

dysków nazywane są cylindrami,

•średni czas dostępu (kilka milisekund) - na średni

czas dostępu (ang. Average Access Time) składają

się dwa elementy: średni czas poszukiwania

potrzebny do umieszczenia głowicy na wybranym

cylindrze (ang. Average Seek Time) oraz

opóźnienie rotacyjne potrzebne do umieszczenia

głowicy nad odpowiednim sektorem (ang.

Rotalional Latency), które przy szybkości dysków

równej 7200 obr/min wynosi ok. 4 milisekundy,

•prędkość obrotowa dysku (5400, 7200, 10000
obrotów na minutę),
•szybkość transmisji danych (kilka - kilkadziesiąt
megabajtów/sekundę),
•wielkość bufora cache (pamięć buforowa
kontrolera dysku: 128 KB - 2 MB),
•zasilanie (+12V,+5V),
•moc pobierana (od kilku do kilkunastu watów).
Najważniejsze parametry dysków,
interesujące użytkownika to:
•pojemność dysku,
•szybkość transmisji (tzw. transfer lub
przepustowość)
•średni czas dostępu.

Napęd dysków twardych (ang. Hard Disk

Drive, HDD) łączony jest z systemem

mikroprocesorowym (z płytą główną) poprzez

sterownik dysku twardego (ang. Hard Disk

Controller, HDC) za pomocą interfejsu HDD.

Firmy produkujące pamięci masowe,

proponują typy interfejsów łączących dyski

twarde ze sterownikami: interfejs E-IDE

(ATA), SCSI oraz S-ATA. Oczywiście każdy

z wymienionych tu interfejsów wymaga

innego sterownika i innego dysku twardego.

Mechanizm dysku twardego składa się z

następujących komponentów: obudowy,

pozycjonera głowicy, ramion głowic, głowic

odczytu/zapisu oraz kilku dysków.

Każdemu dyskowi pamięci przyporządkowane są
dwie głowice (dla jego dolnej i górnej powierzchni).
Głowice utrzymywane są na sprężynujących
ramionach, przy czym wszystkie ramiona głowic są
ze sobą połączone i poruszają się synchronicznie,
napędzane pozycjonerem. W stanie spoczynku
głowice znajdują się na ścieżce parkującej dysku. W
momencie, gdy dysk zaczyna wirować, poduszka
powietrzna wytworzona przy powierzchni, unosi
głowice na wysokość mniejszą niż 1 mikrometr.
Zadaniem pozycjonera jest przemieszczenie głowic
na wybrany cylinder. Pozycjonery zbudowane w
oparciu o silnik liniowy (elektromagnetyczny), same
parkują głowice po wyłączeniu zasilania, gdyż
sprężyna automatycznie odciąga je do położenia
parkowania.

Pracą mechanizmu sterują układy elektroniki,
zawierające: blok zapisu, blok odczytu z detekcją
i korekcją błędów oraz sterowanie pozycjonera.
Współczesne dyski wyposażane są w bufor
danych (o pojemności 128 KB - 2 MB), zwany też
dyskową pamięcią podręczną (Cache),
umożliwiający zwiększenie szybkości transmisji.
Aby przyspieszyć transmisję w dyskach z
pamięcią Cache, stosuje się następującą zasadę:
z dysku podczas odczytu wczytuje się do pamięci
Cache, oprócz interesujących nas w danej chwili
sektorów, również sektory następujące po nich.
Jeśli dane te zostaną zażądane nieco później, to
nie muszą być odczytywane z dysku, lecz
przywołane są z pamięci Cache.

Dysk gotowy jest do pracy dopiero wtedy,

gdy zostanie sformatowany przez producenta

lub użytkownika. Formatowanie polega na

podziale dysku na ścieżki i sektory. Jest to

tzw. formatowanie niskiego poziomu lub

formatowanie fizyczne.
We współczesnych dyskach, dla efektywnego

wykorzystania ich powierzchni, co wiąże się

ze zwiększeniem pojemności, ścieżki

zewnętrzne dzielone są na większą liczbę

sektorów (np. 300 sektorów), gdyż mogą

pomieścić większą ilość informacji (te ścieżki

są po prostu dłuższe), a ścieżki leżące bliżej

środka dysku zawierają mniej sektorów (np.

200). Technika ta nosi nazwę Zone Bit

Recording - ZBR.

Stąd też na tych dyskach liczba sektorów
na ścieżkę nie jest wartością stałą. Na
systematyczny wzrost pojemności,
produkowanych współcześnie dysków,
mają wpływ coraz większe gęstości
upakowania informacji na jednostkę
powierzchni, dzięki coraz doskonalszym
nośnikom magnetycznym, głowicom
zapisu/odczytu oraz ciągle ulepszanym
metodom kodowania zapisywanych
danych. Współczesne dyski osiągają
gęstość upakowania wynoszącą 1 gigabit
na cal kwadratowy.

W nowoczesnych konstrukcjach zastosowano

zespół głowic zapisu/odczytu, składający się z

cienkowarstwowej magnetycznej głowicy zapisu,

wyposażonej w miniaturową cewkę o niewielkiej

indukcyjności (więc o małej bezwładności) oraz z

magnetorezystywnej (MR) głowicy odczytu, w

której wykorzystywane są zmiany rezystancji

specjalnego materiału magnetycznego pod

wpływem zmian pola magnetycznego. Głowice

MR posiadają zdecydowanie większą czułość od

głowic tradycyjnych z cewkami, mogą więc

odczytywać słabsze pola magnetyczne

(pochodzące od mniejszych, bardziej

upakowanych domen). Dotychczasowe metody

odczytu informacji z dysku polegały na

wykrywaniu wierzchołków odczytywanych sił

elektromotorycznych (tzw. Peak Detectiori).

Przy wysokiej gęstości zapisu oraz dużej prędkości

obrotowej dysków mogą powstawać zniekształcenia

tych wierzchołków. Nowa metoda odczytu - zwana

metodą PRML pozwala bezbłędnie rozpoznać

szczyt sygnału sem mimo występujących zakłóceń.

Metoda ta wykorzystuje dwa mechanizmy: Partial

Response i Maximum Likelihood.
Technika Partial Response polega na próbkowaniu

analogowego sygnału odczytywanego przez

głowicę MR za pomocą przetwornika A/C. Na

podstawie uzyskanych próbek specjalny układ

wyposażony w procesor DSP, korzystając z metody

największego prawdopodobieństwa (Maximum

Likelihood) określa miejsce położenia wierzchołka

sem. Dzięki tej nowej technologii możliwe jest

zmniejszenie wymiarów domen magnetycznych a

więc wzrost gęstości zapisu

Następny niezwykle ważny parametr - szybkość

transmisji - jest funkcją prędkości obrotowej

dysków, która osiąga we współczesnych

konstrukcjach 7200 obrotów na minutę (chociaż

są już dyski wirujące z szybkością 10000

obr/min). Obliczmy chwilową szybkość transmisji

dla hipotetycznego dysku wirującego z

szybkością 5400 obr/min. (90 obr/s) i

posiadającego 300 sektorów 512 bajtowych na

zewnętrznej ścieżce: 90 (obr/sek) x 300

(sektorów) x 512 (bajtów) = 13,824 MB/s (ok. 110

Megabitów/s). Dane odczytywane z dysku z tą

szybkością, ładowane są do bufora, a następnie

przesyłane za pomocą szyn interfejsu do pamięci

operacyjnej komputera. Przepustowość interfejsu

nie może być więc mniejsza, niż szybkość

odczytu danych z dysku.

Od prędkości obrotowej dysków zależy

również opóźnienie (ang. latency) w

dostępie do wybranego sektora. Im

większa prędkość wirowania dysku tym

krótsze opóźnienie rotacyjne. Ważnym

parametrem jest czas przejścia głowicy

ze ścieżki na ścieżkę, zwłaszcza przy

transmisji dużych plików. Dlatego też

konstruktorzy dysków nieznacznie

opóźnili początki kolejnych ścieżek, tak

by po przeczytaniu całej ścieżki głowica

zdążyła przesunąć się na ścieżkę

następną i trafić na jej początek (technika

ta nosi nazwę Cylinder Skewing).

Współczesne dyski mają wbudowany system
zarządzania poborem mocy (ang. Power
Management), który powoduje wyłączenie
silnika dysku i zaparkowanie głowic, po pewnym
(określonym przez producenta) czasie od
momentu ostatniej operacji we/wy wykonanej
na dysku. Fakt przejścia dysku najpierw w stan
jałowy (ang. Idle), a następnie uśpienia (ang.
Sleep lub Standby) powoduje znaczące
zmniejszenie poboru mocy. Producenci dysków
różnie te stany definiują; faktem jest jednak, iż
system Power Management powoduje nawet
czterokrotne zmniejszenie poboru mocy przez
nie używany dysk.

Większość współczesnych dysków
dysponuje już funkcją, tzw. S.M.A.R.T.
(ang. Self-Monitoring Analysis and
Reporting Technology) polegającą na tym,
że elektronika dysku monitoruje i
analizuje oraz raportuje stan urządzenia
(np. wysokość lotu głowicy, czas
uzyskania nominalnej prędkości
obrotowej, itd.). Jeśli postępuje
degradacja tych wielkości, układy kontroli
wysyłają wtedy ostrzeżenie do
użytkownika, że dysk może ulec
uszkodzeniu.

Dyski z interfejsem E-IDE
Interfejs IDE wprowadzono w połowie lat

osiemdziesiątych, po raz pierwszy w

komputerach IBM PC AT (ang, Advanced

Technology). Standard ten (któremu

nadano również nazwę ATA - AT

Attachment) wyposażono w 16-bitową

szynę danych, z myślą o współpracy z

magistralą ISA. Dyski z interfejsem IDE

posiadają zintegrowaną z mechanizmem

elektronikę: układy zapisu i odczytu

danych oraz układy sterowania (stąd

nazwa interfejsu IDE - IntegratedDrive

Electronics).

Dyski IDE/ATA pierwotnie mogły osiągnąć

maksymalną pojemność równą 504 MB.

Ograniczał tę wartość BIOS starszych

komputerów IBM PC. Ze względu na niską

przepustowość magistrali ISA, szybkość

transmisji danych nie mogła być większa

niż 8,33 MB/s. Interfejs pozwalał dołączyć

do systemu dwa dyski twarde.
Współczesne dyski (tak jak wszelkie

urządzenia peryferyjne) mogą

współpracować z pamięcią operacyjną

komputera (czyli wykonywać operacje

wejścia/wyjścia) na dwa sposoby:

- pod nadzorem procesora (sygnały sterujące

i adresy, niezbędne do przesłania informacji

do/z pamięci operacyjnej generowane są

przez procesor - ten sposób operacji zwany

jest trybem PIO - ang. Programmed

Input/Outpuf); w trakcie tej czynności

procesor nie może wykonywać żadnych

innych operacji - fakt ten spowalnia pracę

komputera.
- bezpośredni dostęp do pamięci (ang. Direct

Memory Access - DMA) podczas którego

wymiana informacji pomiędzy pamięcią

operacyjną a urządzeniem peryferyjnym

zachodzi bez udziału procesora (który w tym

czasie może wykonywać inne operacje);

Sterowanie operacją wejścia/wyjścia
realizowane jest przez specjalny układ
zwany kontrolerem DMA.
Dla dysków z interfejsem IDE opracowano
wiele protokołów wymiany informacji z
pamięcią operacyjną; są to protokoły PIO
oraz protokoły DMA (tzw. jednosłowowy
bezpośredni dostęp do pamięci - ang.
single word DMA i wielosłowowy, szybszy -
ang. multiword DMA). Nazwy tych
protokołów (trybów pracy) oraz
odpowiadające im szybkości transmisji
danych pokazano w poniższej tabeli.

Wraz z opracowaniem nowych protokołów
transmisji i nowych metod adresacji danych,
przechowywanych na dysku, stworzone zostały
nowe standardy (wg zasady, iż każdy nowy
standard jest kompatybilny ze swoimi
poprzednikami): ATA-2, ATA-3, ATAPI, Ultra ATA,
E-IDE.
Interfejs IDE/ATA i późniejsze jego odmiany
wyposażony jest (od początku swojego
istnienia) w 40-stykowe złącze. Ze złącza tego
usunięto styk 20 by uchronić dysk przed
nieprawidłowym podłączenia kabla. Długość
kabla interfejsu nie powinna przekroczyć 18
cali.

Współczesne płyty główne wyposażane są w dwa
kanały E-IDE (w dwa 40-stykowe złącza), do
których można podłączyć po dwa urządzenia,
które pracują w systemie Master i Slave. Rysunek
ilustruje sposób połączenia dwóch dysków
twardych do jednego ze złącz płyty głównej. Blok
zworek, umieszczonych na każdym dysku,
pozwala skonfigurować te urządzenia. Jeśli do
sterownika będzie dołączony jeden dysk twardy,
wtedy należy zewrzeć zworki MASTER. Jeśli
natomiast w kanale będą pracować dwa dyski
twarde, wtedy na pierwszym należy zewrzeć
zworki MASTER oraz SLAVE PRESENT, na drugim
zaś nie zwierać żadnej z tych zworek. Dysk
wyposażony jest ponadto w 4-stykowe złącze
zasilania.

Protokół multi word DMA i PIO 4

Na dobrą sprawę, rzeczywista maksymalna
szybkość transmisji danych zostaje
rozstrzygnięta pomiędzy głowicą a
powierzchnią dysku. Współczesny dysk twardy
mający ok. 500 sektorów, na zewnętrznej
ścieżce (na ścieżce wewnętrznej ma ich ok.
300 - tam transmisja jest wolniejsza), po 512
bajtów każdy i 7200 obrotów/min (120 obr/s),
może przesłać 120 x 256 000 bajtów w ciągu
sekundy, czyli ok. 30 MB/s. Dane odczytane z
dysku przesyłane są do bufora, z którego
powinny być przynajmniej z taką samą
szybkością przesłane do pamięci operacyjnej -
inaczej bufor dysku się zapełni

Oczywiście w trakcie transmisji dane nie

płyną ciągłym strumieniem, gdyż część

czasu (ok. 50%) zajmuje przesyłanie

rozkazów z procesora do sterownika dysku,

dlatego też szybkość transmisji, pomiędzy

elektroniką dysku a pamięcią operacyjną,

winna być zdecydowanie większa niż

szybkość odczytu danych z powierzchni

dysku.
Ważną więc sprawą stało się opracowanie

protokołu transmisji, zapewniającego

szybkość większą niż oferuje tryb Ultra DMA

mode 2. Odpowiedzią producentów na te

potrzeby są właśnie standardy Ultra AT

A/66/100/133, z oferowanymi szybkościami.

Niektóre prezentowane w tabeli parametry
wymagają komentarza:
- wewnętrzna szybkość transmisji (to
szybkość pomiędzy powierzchnią dysku a
głowicą) jest maksymalna dla ścieżek
zewnętrznych i wynosi 570 Mbitów/s (ok. 71
MB/s); natomiast dla ścieżek położonych
bliżej środka dysku, wewnętrzna szybkość
transmisji jest mniejsza,
- zewnętrzna szybkość transmisji - to
szybkość przesłania danych pomiędzy
kontrolerem dysku a pamięcią operacyjną
(wg. standardu ATA 100- 100 MB/s).