Dysk twardy

Łukasz Szczepaniak Kl. III Tei

Co to takiego ?

• Dysk twardy, dysk sztywny (ang. hard disk, hard disk

drive) lub "twardziel" - hermetycznie zamknięty,
składający się z od 2 do 8 wirujących talerzy pokrytych
bardzo cienką warstwą magnetyczną, każdy posiada
osobną głowicę odczytującą-zapisującą, która unosi się
nad nim na cienkiej poduszce powietrznej. Dysk twardy
jest zwykle na stałe włączony do komputera i
przechowuje dane, które powinny byd zawsze dostępne,
takie jak system operacyjny. Nowoczesne dyski twarde
posiadają bardzo dużą przepustowośd danych, niski czas
dostępu do danych, obracają się z prędkością kilku tysięcy
obrotów na minutę, a ich pojemnośd wynosi Kilkaset
gigabajtów.

Budowa dysku

• Dysk twardy znajduje się we wnętrzu obudowy

komputera lub w łatwo dostępnej szufladzie, tzw.
kieszeni i służy do przechowywania programów i danych.
Dysk twardy został tak nazwany, z powodu swej sztywnej
konstrukcji, są one umieszczone w odpowiednio
skonstruowanym pyłoszczelnym zespole napędowym,
zwierającym ponadto układy sterowania silnikiem
napędu dysków, silnikiem przesuwu głowic
(pozycjonerem), układu sterownia zapisu, układu
odczytu oraz inne układy sterujące i kontrolne zespołu
napędowego.

• Większośd dysków twardych składa się następujących

komponentów: obudowy, pozycjonera głowicy, ram
głowic, głowic zapisu i odczytu, wirujących talerzy,
układów sterowania.

• * Talerz (ang. plate) to

magnetyczna powierzchnia
obracająca się ze stałą
prędkością umożliwiająca
odczyt danych przez głowicę
odczytującą-zapisującą.
Talerzem może byd zatem jedna
z 2-8 wirujących z prędkością
kilku tysięcy obrotów na
minutę części dysku twardego,
pokryta materiałem
magnetycznym, który może
zostad zapisany/odczytany
przez, osobną dla każdego
talerza, głowicę odczytującą-
zapisującą.

• * 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

wirowad, poduszka powietrzna wytworzona przy powierzchni,

unosi głowice na wysokości około 1 mikrometra (jedna

dwudziesta włosa ludzkiego). Zadaniem pozycjonera jest

przemieszczenie głowic na wybrany cylinder. Pozycjonery

zbudowane zostały w oparciu o silnik liniowy, same parkują

głowice po wyłączeniu zasilania, gdyż sprężyna samoczynnie

odciąga je do położenia parkowania. Pozycjonery z silnikiem

krokowym wymagają zaparkowania głowic za pomocą

specjalnego programu.

• Praca z twardym dyskiem jest możliwa dopiero wtedy, gdy

zostanie on sformatowany przez producenta lub użytkownika.

• Formatowanie polega na podziale dysku na ścieżki i sektory, jest

to tzw. Formatowanie niskiego poziomu lub formatowanie

fizyczne.

Fizyczna struktura dysku twardego:

• Na fizyczną strukturę twardego dysku składają sie

cylindry, głowice i sektory. Cylindry i głowice
ponumerowane są począwszy od zera zaś numeracja
sektorów zaczyna sie od cyfry 1. Informacje (dane)
zapisywane są na okrągłych nośnikach (talerzach), które
pokryte są magnetyczną warstwą i zamocowane jeden
nad drugim na obracającej się osi. Po obu stronach
talerza na specjalnym ramieniu zwanym grzebieniem
zamocowane są głowice zapisu/odczytu. Powierzchnia
nośnika podzielona jest na idealnie okrągłe pierścienie
tzw. ścieżki, które swoją strukturą przypominają słoje
drzewa.

• Ze względu na to, iż ścieżka jest zbyt duża, aby zarządzad

pojedynczym kawałkiem informacji podzielona jest na

sektory, które wynoszą 512 bajtów. Zatem każda ścieżka

podzielona jest na wiele sektorów. Liczba sektorów jest

różna dla różnych dysków twardych. Na ścieżkach dysków

może byd od 17 do 64 sektorów. Ścieżki i sektory

tworzone są podczas formatowania dysku. Gdy dysk nie

pracuje lub gdy prędkośd obrotowa jest zbyt mała,

głowice znajdują się w pozycji spoczynkowej, wycofane

poza obręb pakietu. Dopiero po osiągnięciu wymaganej

prędkości obrotowej następuje ich gwałtowne

wysunięcie nad powierzchnie dysku i ustawienie nad

cylindrem zerowym. Podczas pracy głowice unoszą się na

tzw. poduszce powietrznej wytworzonej przez obracające

się dyski.

Zapisywanie i odczytywanie

informacji na dysku:

• Standardowe głowice zapisująco-odczytujące (zwane też

głowicami cienkowarstwowymi) posiadają miniaturową
cewkę, która umożliwia zapis danych na płycie
magnetycznej lub ich odczyt. Gdy na twardym dysku
zapisywane są dane, specjalny układ elektroniczny wysyła
impulsy elektryczne do cewki. W ten sposób powstaje
pole magnetyczne, które porządkuje poszczególne cząstki
na powierzchni dysku. W przypadku odczytu danych
następuje procedura odwrotna. Namagnesowana
powierzchnia dysku indukuje prąd w cewce, który jest
następnie przetwarzany przez układ elektroniczny
napędu.

• Coraz większe zapotrzebowanie na pojemniejsze dyski twarde a

w konsekwencji ich rozwój spowodowało zwiększenie gęstości
zapisu, który nie pozwala jednak na współpracę z tradycyjnymi
głowicami z powodu zbyt gęstego ułożenia sektorów.

• Nowoczesne dyski twarde wyposażone są więc w dodatkową

głowicę (MR), umożliwiającą odczytywanie danych z
powierzchni nośnika. Głowica zawiera pewną domieszkę
specjalnego stopu żelaza i niklu, który pod wpływem pola
magnetycznego zmienia swój opór elektryczny. Do zapisu
danych jest natomiast w dalszym ciągu wykorzystywana głowica
cienkowarstwowa. Zasadniczą zaletą takiego rozwiązania jest
fakt, że głowica MR potrafi prawidłowo rozpoznawad dane także
wtedy, gdy dysk obraca się z dużą prędkością, a sektory ułożone
są bardzo gęsto.

• Bardzo ważnym elementem w pracy dysku jest mechanizm

pozycjonowania głowicy tzn. aby głowica zapisu/odczytu
znajdowała się zawsze dokładnie nad środkiem ścieżki.
Wystarczy mianowicie niewielkie przesunięcie, a zamiast
porządanych informacji, otrzymamy zwykłe "śmieci". Nie jest to
wcale łatwe zadanie, gdyż pod wpływem ciepła materiał, z
którego wykonane są talerze dysku, może ulegad
zniekształceniom. Mechanizmem stosowanym w nowoczesnych
dyskach jest technika Embedded Servo. W odróżnieniu od
tradycyjnej techniki Servo, przy której głowica musiała
regularnie korzystad ze ścieżki sterującej, aby zoptymalizpwad
swoją pozycję, mechanizm Embedded Servo wykorzystuje
informacje zapisane na każdej ścieżce

• Głowice zapisująco-odczytujące mogą więc korzystad z nich

przez cały czas, co umożliwia dokładniejsze pozycjonowanie i
szybszą pracę napędu. Technika ta działa na podobnej zasadzie,
jak automatyczny pilot, który nieprzerwanie dba o
utrzymywanie właściwego toru lotu. W poprzedniej technice
tzw. okresowej kalibracji głowicy dysku następowały dodatkowe
przerwy w transmisji danych.

Silnik krokowy:

W stałym polu magnetycznym wytwarzanym przez nieruchomy
magnes cylindryczny znajduje się rdzeo metalowy z nawiniętym
uzwojeniem. W zależności od kierunku prądu płynącego przez
uzwojenie powstająca siła elektrodynamiczna powoduje wciąganie
rdzenia w głąb magnesu, bądż jego wypychanie. Tak odbywa się
sterowanie ruchem głowic dysku

Master Boot Record i inne:

• Aby komputer mógł wczytywad i uruchamiad system

operacyjny, najważniejsze informacje o strukturze danych
muszą się znajdowad w ściśle zdefiniowanym miejscu na
powierzchni nośnika. W pierwszym sektorze dysku
(cylinder 0, głowica 0, sektor 1) zlokalizowany jest Master
Boot Record. BIOS komputera znajdzie tu program, który
odpowiedzialny jest za wczytanie sektora startowego
(bootsektora) z aktywnej partycji dysku. Informacja, która
partycja jest aktywna, umieszczona jest w tablicy partycji.
Tablica ta znajduje się podobnie jak MBR w pierwszym
sektorze dysku, który kooczy się właśnie na niej.
Pozostały fragment ścieżki 0 w cylindrze 0 jest pusty.
Można w nim umieścid dyskowego menedżera. Tu
zagnieżdżają się również wirusy bootsektora.

• Partycja główna rozpoczyna się w miejscu o

"współrzędnych": cylinder 0, głowica 1, sektor 1, a kooczy
się zawsze w miejscu dowolnego cylindra. Pierwszym
sektorem partycji głównej jest sektor startowy. Od
drugiego sektora zaczyna się tablica przydzieleo zbiorów
FAT (więcej o FAT w odrębnym akapicie), tuż za nią
znajduje się jej awaryjna kopia. Ile sektorów zajmuje FAT
zależy od rozmiaru partycji. Wielkośd tablicy zachowana
jest w bootsektorze. Katalog główny znajduje się zwykle
za tablicą FAT. Inaczej jest w przypadku partycji systemu
FAT32, gdyż posiadają one większy obszar startowy, a
katalogiem głównym zarządza się jak oddzielnym plikiem.
Dopiero za tymi wszystkimi wymienionymi informacjami
znajduje się właściwy obszar danych.

• Partycja rozszerzona zaczyna się zawsze na granicy

cylindrów - np. z początkiem cylindra X ,przy głowicy 0 i w
sektorze 1. W odróżnieniu od partycji głównej, partycja
rozszerzona nie posiada sektora startowego, lecz zaczyna
się od razu od tablicy partycji, której pierwszy wpis
oznacza pierwszy napęd logiczny na tej partycji. Drugi
wpis odsyła z kolei do partycji rozszerzonej, która stanowi
kolejny napęd logiczny, i tak dalej, aż zostaną
poprzydzielane wszystkie napędy logiczne.

Katalog Główny:

• Dzięki informacjom zawartym w sektorze startowym

system operacyjny zna rozmiar partycji, ile posiada
ścieżek, sektorów na ścieżkę i bajtów na sektor. Poprzez
katalog główny (zwany root-em) system operacyjny
dowiaduje się gdzie zaczyna się właściwy obszar danych.
Root jest jedynym katalogiem tworzonym podczas
operacji formatowania. Na płaszczyżnie użytkownika
ukazuje się w formie znaku "\". Zajmuje 32 sektory i
może pomieścid maksymalnie 512 plików lub
podkatalogów.

• Podkatalogi są nieodzowne, gdyż dzięki nim można

umieszczad na dysku nieograniczoną liczbę plików.

Tablica FAT:

• Nazwa FAT oznacza tabelę zawierającą spis wszystkich

jednostek alokacyjnych (klasterów) całej partycji. Tablica FAT
usytuowana jest na dysku za sektorem startowym patycji,
bezpośrednio za nią znajduje się jej kopia awaryjna. Podczas
zapisywania danych na dysk twardy, DOS równocześnie
uaktualnia obie kopie FAT. Dzięki nim system operacyjny wie,
które klastery dysku są wolne, które zajęte, a które
uszkodzone. Tablica informuje także o tym, do jakich plików
należą poszczególne klastery. Zależnie od swojego rozmiaru
plik może rozciągad się na większą liczbę jednostek
alokacyjnych. Każdy klaster posiada zapis w FAT
wyszczególniający numer klastera, gdzie kontynuowany jest
dany plik. Poprzez tego rodzaju wpis system operacyjny ustala
wszystkie klastery pliku. Ostatni klaster pliku zawiera znacznik
kooca zbioru: EOF (End Of File).

• A jak to działa naprawdę? Przy wywoływaniu pliku system

"zagląda" wpierw do katalogu znajdując tam numer klastera
początkowego. Następnie system operacyjny szuka tego numeru
w FAT i natrafia na EOF lub na liczbę, która wskazuje numer
kolejnego klastera należącego do żądanego pliku. Dopiero, gdy
DOS zbierze wszystkie klastery żądanego zbioru, zaczyna je
sczytywad z powierzchni nośnika. Przy zapisywaniu zbioru na
dysk, system "konsultuje" się z FAT, aby znaleźd odpowiednie
miejsce na dysku. Gdy zbiór jest zbyt duży i nie może zmieścid
się na ciągłym obszarze, wówczas FAT wyszukuje następny
dostępny obszar. W konsekwencji zbiór jest zapisywany
fragmentami w różnych częściach nośnika i jest to tzw. zbiór
fragmentaryczny. Ogranicza to efektywnośd pracy napędu, gdyż
głowica zapisu/odczytu musi "przeskakiwad" w różne części
talerza.

• DOS 2.0 był oparty na 12-bitowej FAT, zatem mógł

zaadresowad 212, czyli 4096 (netto 4085) klasterów. Rozmiar
klastera wynosił 4 KB, dlatego partycja mogła zajmowad
maksymalnie 16 MB. Stosowana do dziś 16-bitowa FAT
pojawiła się po raz pierwszy w DOS-ie wersja 3.3. Pozwalała
na zaadresowanie dokładnie 65525 klasterów. Ze względu na
stały obszar adresowania system operacyjny musi w
przypadku dyków powyżej 32 MB dobierad rozmiar klastera
tworząc poszczególne jednostki alokacyjne z kilku lub więcej
sektorów. Jeden sektor mieści 512 bajtów, z kolei na ścieżce
można skupid maksymalnie 64 sektorów (czyli 32 KB). Daje to
w wyniku partycję o maksymalnym rozmiarze 2 GB.

• Dopiero Windows 95 (OSR2) zaoferował system plików

FAT32. Ten ma do dyspozycj 28 bitów (228) na adresowanie
jednostek alokacyjnych. Dzięki temu partycja o wielkości
klastera 8 KB może pomieścid maksymalnie 2 terabajty
danych (ok. 2000 MB). Należy jednak pamiętad,że wiele
narzędzi dyskowych nie potrafi obchodzid się z partycjami w
systemie plików FAT32. Co istotne, DOS i jego potomkowie,
którzy opierają się na FAT (oprócz FAT32), mogą
podporządkowad każdej jednostce alokacyjnej tylko jeden
plik. Gdy więc dane pliku nie zapełniają całego klastera,
reszta miejsca jest nie wykorzystana. Przykładowo 1-bajtowy
plik na dysku o pojemności 1 GB zajmuje w efekcie aż 32 KB.
Oprócz tych wykorzystywanych w DOS-ie i Windows 3.1x i
95 sytemów plików, każdy system operacyjny posiada swój
odrębny system plików. W Windows NT jest NTFS, w Linuxie
jest Ext2 natomiast w OS/2 - HPFS.

Interfejsy:

• Napęd dysków twardych łączy

się ze systemem
mikroprocesorowym (płytą
główną) poprzez sterownik
dysku twardego za pomocą
interfejsów HDD.

• Do najczęściej spotykanych

interfejsów należą:

ST-506/412 - pierwszy
interfejs opracowany przez
firmę Seagate Technologies
dla swoich dysków o
pojemności 5 MB. Dysk był
połączony z kontrolerem przy
pomocy dwóch wiązek
przewodów, 20- i 34-żyłowych.
Można było podłączyd dwa
napędy. Czas dostępu do
dysku wynosił 25 ms, transfer
500 kB/s a ścieżka podzielona
była na 17 sektorów po 512
bajtów.

• ESDI - opracowany przez firmę Maxtor. Pozwalał na większą

pojemnośd dysków (powyżej 100 MB), czas dostępu - kilkanaście
sekund

• IDE - opracowany w 1987 r. Najbardziej popularny, stosowany

dzisiaj interfejs. Pozwala na podłączenie dwóch komponentów
(HDD lub CD-ROM) lub czterech w nowszej, rozszerzonej wersji
Enhanced IDE. Transfer jaki oferuje ten interfejs jest
zróżnicowany. W zależności od stopnia zaawansowania
technologii dyskowej oraz związanym z nią trybu przesyłania
danych (PIO )który ustawia się w BIOS-e komputera,
przepustowośd kontrolera może wynosid: transfer -
maksymalnie 3 MB/s.

• PIO-0 - 4,1 MB/s,

PIO-2 - 8,3 MB/s,
PIO-3 (Fast ATA) - 13,3 MB/s,
PIO-4 (Fast ATA-2) - 16,6 MB/s,
Ultra ATA - 33,3 MB/s.

• Bardzo ważne jest odpowiednie połączenie dysku z

magistalą. Na przykład gdybyśmy chcieli podłączyd
nowoczesny dysk do starego kontrolera ISA, straty na
wydajności wynisłyby 40 - 50 %.

• SCSI - Podstawową cechą wyróżniającą opracowaną w 1986

roku specyfikację SCSI jest to, że określa ona bardziej standard
magistrali niż interfejs dysku. Włożenie w gniazdo rozszerzenia
adaptera SCSI jest właściwie dodaniem nowej magistrali.
Ważną zaletą systemu SCSI jest możliwośd podłączenia
znacznie wiekszej liczby urządzeo do jednej karty adaptera, niż
zapewniają opisane powyżej IDE, ESDI. Podczas, gdy ESDI i IDE
pozwalają zasadniczo na podłączenie dwóch napedów HDD,
SCSI obsługuje nawet 224. Łączenie urządzeo SCSI odbywa sie
na zasadzie łaocucha (daisy chain) o max. 7 elementach
(adapter jest 8). Każdy z nich może byd poczatkiem kolejnego
ośmioelementowego łaocucha. Do magistrali rozszerzeo
można podłączyd do 4 adapterów SCSI.

• Charakterystyczny dla systemów SCSI łaocuch tworzony jest

poprzez łączenie urządzeo 50-żyłowym kablem o maksymalnej
długości 6 m. Ostatnie urządzenie musi byd wyposażone w
specjalny zestaw oporników, zwanym terminatorem.
Maksymalne szybkości przesyłania magistrali SCSI zależą od jej
trybu pracy i najwolniejszego urządzenia w łaocuchu. W tzw.
trybie asynchronicznym największa osiągana wartośd to 2 MB/s,
natomiast w trybie synchronicznym przy idealnej współpracy
napędu i adaptera może osiągnąd 5 MB/s. Również czasy
dostępu są porównywalne z napedami ESDI i IDE. To mało
imponujące, w porównaniu z innymi interfejsami, wyniki po
części biorą sie stąd, że dyski SCSI podłączone są do odrebnej
magistrali, która - wraz ze swoimi odmiennymi komendami - jest
dodatkowym ogniwem pośredniczącym w transmisji.

• Serial ATA (SATA) – szeregowa magistrala komputerowa,

opracowana i certyfikowana przez SATA-IO, służąca do
komunikacji pomiędzy adapterami magistrali hosta (HBA), a
urządzeniami pamięci masowej, takimi jak dyski twarde,
napędy optyczne i taśmowe. SATA jest bezpośrednim
następcą równoległej magistrali ATA.

Przewody SATA są węższe i bardziej elastyczne od

przewodów ATA, co ułatwia układanie oraz poprawia
warunki chłodzenia wnętrza komputera. Również złącza
SATA wykonane w technologii LIF są zminiaturyzowane,
umożliwiając zastosowanie SATA w coraz to mniejszych
urządzeniach pamięci masowej a także zmniejszając ilośd
potrzebnego miejsca na gniazda kontrolera płyty głównej

SATA I umożliwia szeregową transmisję danych z

maksymalną przepustowością 1,5 Gbit/s (ok. 180 MB/s)

• SATA II

Dostępne są dyski z kontrolerem wyposażonym w

magistralę SATA II 3 Gbit/s, która umożliwia transfer
danych z prędkością 3 gigabitów/s (rzeczywista 300 MB/s).
Podwojona przepustowośd doskonale sprawdza się w
przypadku serwerów, gdzie stosowane są rozbudowane
macierze dyskowe lub systemy pamięci zewnętrznej. W
przypadku komputerów domowych dopiero dyski SSD
zaczęły wykorzystywad potencjał nowego kontrolera

• SATA 3

Przepustowośd maksymalna tego interfejsu wynosi 6

Gbit/s, czyli jest ponad dwukrotnie większa od SATA II
oraz nieco większa od Ultra 640 SCSI. Zachowano pełną
zgodnośd wsteczną z SATA I i SATA II, dzięki czemu
migracja z poprzednich wersji do SATA 3 jest
bezproblemowa. Pierwszym dyskiem twardym ze złączem
SATA 3 jaki pojawił się w ofercie handlowej we wrześniu
2009 był Seagate Barracuda XT

RAID

• RAID (Nadmiarowa macierz niezależnych dysków) –

polega na współpracy dwóch lub więcej dysków twardych

w taki sposób, aby zapewnid dodatkowe możliwości,

nieosiągalne przy użyciu jednego dysku.

• RAID używa się w następujących celach:
• zwiększenie niezawodności (odpornośd na awarie),
• zwiększenie wydajności transmisji danych,
• powiększenie przestrzeni dostępnej jako jedna całośd.

Źródła

•

http://klub.chip.pl/lipka/budowa/hdd.htm#interfejs

•

http://pl.wikipedia.org/wiki/Dysk_twardy

•

http://www.sciaga.pl/tekst/3272-4-dysk_twardy

Koniec