Systemy i sieci komputerowe klasa 1

Dział I – charakterystyka komputera PC – 20 godzin

13, 14. Urządzenia pamięci masowej – dyski twarde i napędy optyczne.
Dyski twarde i napędy optyczne są zaliczane do tak zwanej pamięci masowej.
Omówimy teraz fizyczną budowę dysków twardych, ich zasadę działania, oraz
strukturę zapisu danych.

Główne elementy budowy dysku twardego:

●

Wirujący talerz, lub zespół talerzy wykonane najczęściej ze stopów
aluminium, pokryte z obydwu stron nośnikiem magnetycznym.

●

Głowice elektromagnetyczne umożliwiające odczyt i zapis danych
umieszczone na elastycznych ramionach.

Obecnie dane mogą być zapisywane po obu stronach talerza. Na każdą ze
stron przypada jedna głowica.
Talerze obracają się z dużą prędkością, a ramię kieruje głowicę na
odpowiednie jego miejsce w celu odczytu lub zapisu danych (odbywa się to na
podobnej zasadzie, jak taśmie magnetofonowej).
Ramiona połączone są ze sobą, więc odczyt i zapis może odbywać się na
wszystkich talerzach równocześnie.
Prędkość obrotu talerzy jest tak duża, że między głowicą a powierzchnią
tworzy się tak zwana poduszka powietrzna, która utrzymuje głowicę nad
talerzem w odległości mniejszej niż 1 mikrometr. Jeśli poduszka zostanie
naruszona przez cząsteczkę kurzu lub wstrząs, głowice mogą zetknąć się z
talerzami wirującymi z pełną prędkością i spowodować nieodwracalne
uszkodzenia.

Dyski dzielą się na: ścieżki, cylindry i sektory – patrz rysunek.
Sektory mają wielkość 512 bajtów a na ścieżce jest ich około 60-80.
Zbiorcze zestawienie informacji o liczbie cylindrów, ścieżek i głowic na dysku
twardym nazywana jest geometrią dysku i zapisywana jest zazwyczaj na jego

obudowie.
Proces podziału dysku na sektory, ścieżki i cylindry nazywa się
formatowaniem niskiego poziomu i jest przeprowadzany przez producenta
dysku.

Dyski posiadają też pamięć podręczną (cache) przyśpieszającą operacje
odczytu i zapisu danych. Pamięć cache jest używana do przechowywania
zawartości ostatnio odczytywanych sektorów, po to aby w przypadku gdy
zaistnieje potrzeba ponownego ich odczytania system miał do nich szybszy
dostęp.

Parametry dysków twardych:

●

Pojemność wyrażona w megabajtach

●

Prędkość obrotowa talerzy: im szybciej, tym lepiej. Obecnie standardem
jest 7200 rpm (obrotów na minutę).

●

Pamięć cache: od 4-8 MB

●

Prędkość transmisji mierzona w megabajtach na sekundę.

●

Interfejs: ATA, SATA, SCSI, USB

Dyski ATA i SATA wymagają specjalnego kontrolera, zazwyczaj
zintegrowanego z płytą główną (rzadziej montowanego w postaci oddzielnej
karty rozszerzającej np w slocie PCI). Najczęściej jeden kontroler składa się z
dwóch kanałów: PRIMARY i SECONDARY. Każdy z nich umożliwia podłączenie
do 2 urządzeń, po dwa na jednej taśmie, (przewodzie – SATA). Urządzenia
pracują jako jako master i slave.

Dyski SCSI wymagają specjalnego kontrolera, najczęściej montowanego w
postaci oddzielnej karty rozszerzającej, rzadziej zintegrowanego z płytą
główną. Kontroler SCSI posiada oddzielny BIOS, który jest niezależny od
BIOSU płyty głównej. Oznacza to że to BIOS sterownika SCSI jest
odpowiedzialny za inicjację urządzeń SCSI a urządzenia podpięte do tego
kontrolera nie są ograniczone BIOSEM płyty głównej.
Urządzenia podpina się jednym kablem w tzw “łańcuchu”. Oba końce muszą
być zakończone terminatorem (zakończone rezystorem zapobiegającym
odbijaniu sygnałów).

Napędy optyczne:
Napędy optyczne służą do odczytu i zapisu danych na nośnikach optycznych,
czyli płytach CD, DVD. Współpracują one z komputerem przy pomocy tych
samych interfejsów co dyski twarde.

Płyta kompaktowa została wynaleziona przez firmę Philips (prezentacja
nastąpiła w 1983 roku) pierwotnie miała służyć do zapisu muzyki, jako
następca płyty winylowej.

Płyty CD (Compact Disc) dzielą się na:

1. Tłoczona fabrycznie płyta CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory)
2. CD-R (Compact Disc Recordable) – płyta do jednokrotnego zapisu w tzw.

nagrywarkach CD.

3. CD-RW (Compact Disc ReWritable) – płyta wielokrotnego zapisu w

nagrywarkach CD.

Krążek tłoczonej płyty CD-ROM zbudowany jest warstwowo:

1. Przezroczysty poliwęglanowy krążek tworzący “kręgosłup” płyty.
2. Napylona na dysk warstwa metalu (aluminium, złoto, srebro, lub miedź –

dla płyty tłoczonej), na której zapisywane są informacje – jest to tzw
warstwa refleksyjna.

3. Warstwa lakieru zapobiegająca utlenianiu metalu
4. Warstwa nadruku producenta krążka

Podczas tworzenia takiej płyty CD-ROM specjalna tłocznia wciska
mikroskopijnej wielkości wypustki na płycie. Proces ten jest bardzo złożony,
opisano go np. tutaj:
http://wwwnt.if.pwr.wroc.pl/kwazar/wproInforma/cd/rozdz_02.htm

Na płycie CD możemy wyróżnić dwie strefy (w kolejności od wewnątrz):

●

obszar mocowania w czytniku

●

obszar danych składający się z: LeadIn, danych właściwych i LeadOut.

Dane na płycie zapisywane są spiralnie wzdłuż tzw ścieżki (po rozwinięciu
6km) od wewnętrznej części do części zewnętrznej. Są one reprezentowane
przez ciągi wgłębień (pity) i wypukłości (landy) wytworzonymi w warstwie 2.

Poniżej zestawienie rozmiaru pitu z grubością ludzkiego włosa:

Po włożeniu płyty do czytnika, obraca się ona z bardzo dużą prędkością, a
promień lasera porusza się wzdłuż ścieżki, od strony przezroczystego krążka.
Warstwa 2 płyty odgrywa rolę lusterka które jest w stanie odbić promień
lasera.
Jeżeli promień padnie na land, zostanie on odbity i wraca w kierunku głowicy
odczytującej, gdzie specjalna fotodioda rejestruje ten fakt.
W momencie napotkania przez promień lasera na pit (wgłębienie), wiązka
zostaje załamana i nie wróci do fotodiody. Zmiana pitu na land lub odwrotnie
oznacza jedynkę, jeżeli zmiana taka nie nastąpiła (dwa sąsiadujące pity, lub
dwa sąsiadujące landy) – zero.
(

http://www.cdrinfo.pl/software/slownik/slownik_w.php?ID=2176233119

)

Płyty CD-R

Budowa płyty jest nieco inna niż płyty tłoczonej – dodano dodatkową warstwę:

1. Krążek poliwęglanowy
2. Barwnik (przezroczysta warstwa światłoczuła): cyjanowy (kolor

zielonkawy), ftalocyjanowy (złoty), lub azowy (niebieski).

3. Warstwa refleksyjna: złoto lub srebro
4. Lakier
5. Nadruk producenta

Proces nagrywania (wypalania) płyty polega na punktowym podgrzewaniu
barwnika światłoczułego mocnym promieniem lasera, dzięki czemu tworzą się
na tej warstwie mętne miejsca.
Podczas odczytu takiej płyty gdy promień lasera napotkał mętnawe miejsce
następowała absorbcja jego światła zamiast załamania. Efekt był taki sam jak
w przypadku załamania promienia: fotodioda nie rejestrowała faktu odbicia
lasera.
W przypadku gdy mętnego miejsca nie ma, promień lasera przechodził przez
warstwę 2 i odbijał się od warstwy refleksyjnej co rejestrowała fotodioda.

Płyty CD-RW

Budowa płyt jest niemal identyczna jak płyty CD-R. Jedyna zmiana jaką
zastosowano to zmiana barwnika światłoczułego w drugiej warstwie.
Zastosowana substancja posiada tą właściwość, że pod wpływem działania
lasera o określonej długości fali staje się przeźroczysta i przepuszcza promień
lasera by ten mógł odbić się od warstwy refleksyjnej (działa jak land).
Pod wpływem działania lasera o innej długości fali warstwa ta staje się mętna i
nie odbija światła (działa jak pit).
Proces tworzenia mętnych miejsc jest więc odwracalny, dzięki temu płytę
można wielokrotnie zapisywać i kasować.

Standard DVD

Budowa i sposób przechowywania danych na płycie DVD praktycznie się nie
zmieniły. Tym razem pity i landy są wielokrotnie mniejsze niż w przypadku
płyty CD, w związku z tym ścieżki są węższe i dłuższe. Pozwoliło to na
zwiększenie pojemności takiej płyty, ponieważ zwiększa się gęstość zapisu
informacji.

porównanie pitów i landów na płycie CD i DVD

Rodzaje płyt DVD:

1. tłoczone, tylko do odczytu: DVD-ROM, DVD-Video, DVD-Audio
2. nagrywalne:

●

jednokrotnego zapisu: DVD-R, DVD+R

●

wielokrotnego zapisu: DVD-RW (ok 1000 razy), DVD+RW (ok 1000
razy), DVD-RAM (ok 100 000 razy)

Wśród tłoczonych płyt możemy wyróżnić ich następujące typy:

●

DVD5 – jednostronne, jednowarstwowe o pojemności 4.7 GB

●

DVD8 – jednostronne, dwuwarstwowe o pojemności 8,5 GB Odczyt
pierwszej z warstw odbywa się od wewnątrz na zewnątrz a drugiej
warstwy odwrotnie. Dzięki temu głowica nie musi zmieniać swojego
położenia po odczytaniu całej pierwszej warstwy (przydatne zwłaszcza
przy filmach). Pity i landy na drugiej warstwie są o 10% dłuższe. Ułatwia
to odczyt danych. Jest to konieczne ze względu na fakt, że promień

lasera musi przejść przez częściowo przezroczystą pierwszą warstwę.

●

DVD10 - dwustronne, jednowarstwowe o pojemności 9.4 GB. Aby
odczytać drugą stronę należy wyjąć nośnik z napędu i go odwrócić.

●

DVD18 – dwustronne, dwuwarstwowe o pojemności 17.1 GB

Płyty DVD jednokrotnego zapisu

Proces “wypalania” płyty DVD nie różni się niczym od tego który został
przedstawiony na przykładnie płyt CD-R.
Na rynku obecnie mamy niezgodne ze sobą dwa standardy: DVD-R (oficjalny
standard mający prawo posługiwania się logi DVD) i DVD+R w odmianach
jedno (4.7 GB) i dwustronnych (8.5 GB z dopiskiem DL).

Płyty DVD wielokrotnego zapisu

Tutaj mamy trzy formaty: DVD-R, DVD+R, oraz najmniej popularny DVD-RAM.
DVD-RAM jest najtrwalszy.

Na rynku istnieją też płyty zapisywalne dwuwarstwowe.

Przyszłość napędów i nośników wiąże się z niebieskim laserem (obecnie
używany jest czerwony) ze względu na fakt iż jego długość fali jest dużo
mniejsza niż czerwonego (405 nanometrów – niebieski, 560 nm – czerwony).
Mniejsza długość fali pozwala na zmniejszenie rozmiarów pitów i landów i
jeszcze większe upakowanie danych.
Niebieskie światło lasera wykorzystywane jest w napędach Blu-Ray (25 GB na
jednej warstwie) oraz HD-DVD (15 GB na jednej warstwie).

Prędkości napędów optycznych
1x CD: 150 KB/s
1x DVD: 1350 KB/s
1x Blu-Ray: 4,29 MB/s

Źródło:

http://www.pckurier.pl/archiwum/art0.asp?ID=2051

http://wwwnt.if.pwr.wroc.pl/kwazar/wproInforma/cd/rozdz_02.htm

http://www.chip.pl/arts/archiwum/n/articlear_62801.html