Dysk Twardy
Element komputera służący do trwałego przechowywania danych.
Na twardym dysku znajduje się oprogramowanie decydujące o
funkcjonalności komputera: system operacyjny i programy
użytkowe.
Budowa
Dysk twardy składa się z następujących części:
-obudowy, której zadaniem jest ochrona znajdujących się w niej elementów
przed uszkodzeniami mechanicznymi a także przed wszelkimi cząsteczkami
zanieczyszczeń znajdujących się w powietrzu. Jest to konieczne, gdyż nawet
najmniejsza cząstka "kurzu" ma wymiary większe niż odległość pomiędzy
głowicą a powierzchnią nośnika, tak więc mogłaby ona zakłócić odczyt
danych, a nawet uszkodzić powierzchnię dysku.
-elementów elektronicznych, których celem jest kontrola ustalenia głowicy
nad wybranym miejscem dysku, odczyt i zapis danych oraz ich ewentualna
korekcja. Jest to w zasadzie osobny komputer, którego zadaniem jest
"jedynie" obsługa dysku.
-nośnika magnetycznego, umieszczonego na wielu wirujących "talerzach"
wykonanych najczęściej ze stopów aluminium. Zapewnia to ich niewielką
masę, a więc niewielką bezwładność co umożliwia zastosowanie silników napędowych mniejszej mocy, a także
szybsze rozpędzanie się "talerzy" do prędkości roboczej.
-elementów mechanicznych
, których to zadaniem jest szybkie przesuwanie głowicy nad wybrane miejsce dysku realizowane za pomocą
silnika krokowego. Wskazane jest stosowanie materiałów lekkich o dużej wytrzymałości co dzięki małej ich
bezwładności zapewnia szybkie i sprawne wykonywanie postawionych zadań.
Opisane elementy można zobaczyć na zdjęciu obok.
Wydajność
Na komfort pracy z systemem komputerowym duży wpływ ma wydajność dysku twardego. Efektywna
prędkość z jaką dysk dostarcza dane do pamięci komputera, zależy od kilku podstawowych czynników.
Największy wpływ na wydajność mają elementy mechaniczne, od których nawet najwolniejsza elektronika jest
o dwa rzędy wielkości szybsza. Fundamentalne znaczenie ma prędkość ustawiania głowicy nad wybraną
ścieżką, ściśle związana ze średnim czasem dostępu. Równie istotnym parametrem jest prędkość obrotowa
dysku, rzutująca na opóz
nienia w dostępie do wybranego sektora i prędkość przesyłania danych z nośnika do
zintegrowanego z dyskiem kontrolera. Dopiero w następnej kolejności liczy się maksymalna prędkość transferu
danych do kontrolera czy wielkość dyskowego cache'u.
Ogromne znaczenie ma prędkość obrotowa dysku. Zależność jest prosta: im szybciej obracają się magnetyczne
talerze, tym krócej trwa wczytanie sektora przy takiej samej gęstości zapisu. Mniejsze jest także opóz
nienie,
czyli średni czas oczekiwania, aż pod ustawionym nad właściwym cylindrem głowicą "przejedzie" oczekiwany
sektor. W przeciwieństwie do nowoczesnych CD-Rom'ów dyski twarde obracają się ze stałą prędkością,
osiągając od 3600 do 7200 rpm (revolutions per minute). Lepszym pod względem prędkości obrotowej okazał
się model firmy Seagate, Cheetah ST34501- pierwszy dysk na świecie wirujący z prędkością 10000 obr/min.
Pierwsze, zewnętrzne ścieżki są wyraz
nie dłuższe od położonych w osi dysku. W nowoczesnych napędach są
one pogrupowane w kilka do kilkunastu stref, przy czym ścieżki w strefach zewnętrznych zawierają więcej
sektorów. Ponieważ dysk wczytuje całą ścieżkę podczas jednego obrotu, prędkość transferu danych na
początkowych obszarach dysku jest największa. W związku z tym informacje podawane przez prostsze
programy testujące transfer dysku są często zbyt optymistyczne w stosunku do rzeczywistej średniej wydajności
napędu. Media transfer rate- prędkość przesyłania danych z nośnika do elektroniki dysku zależy od opóz
nień
mechanicznych oraz gęstości zapisu. Gęstość tę równolegle do promienia dysku mierzy się liczbą ścieżek na cal
(TPI), zaś prostopadle (wzdłuż ścieżki) obrazuje ją liczba bitów na cal (BPI). Obie wartości można wydatnie
zwiększyć stosując technologię PRML.
Technologia PRML
Większość napędów jeszcze do niedawna podczas odczytu danych używała techniki zwanej peak detection
(wykrywanie wartości ekstremalnych). W miarę wzrostu gęstości zapisu rozróżnienie sąsiednich wartości
szczytowych sygnału od siebie nawzajem i od tak zwanego tła stawało się coraz trudniejsze. Problem ten
rozwiązywano wstawiając pomiędzy sąsiadujące szczyty ("jedynki") rozdzielające chwile ciszy ("zera"). Takie
postępowanie sprowadzało się do kodowania zerojedynkowych ciągów za pomocą ciągów bardziej
przejrzystych, czyli łatwiej identyfikowalnych, lecz z konieczności dłuższych. To oczywiście obniżało
efektywną gęstość zapisu, a w konsekwencji także wydajność napędu.
Z pomocą przyszła opracowana na potrzeby długodystansowej komunikacji w przestrzeni kosmicznej
technologia PRML (Partical Response Maximum Likelihood). Pochodzący z głowicy odczytującej analogowy
sygnał jest próbkowany i zamieniany na postać cyfrową. Uzyskaną w ten sposób próbkę analizuje się
algorytmem Viterbi. Sprawdza on wszystkie kombinacje danych, które mogły wygenerować zbliżony ciąg i
wybiera tę najbardziej prawdopodobną. Najlepsze efekty daje połączenie technologii PRML z
magnetorezystywną głowicą odczytującą ze względu na dobrą jakość generowanego przez nią sygnału
analogowego. Głowica magnetorezystywna (MRH) wykorzystuje inne zjawisko fizyczne niż standardowe
głowice, zbliżone konstrukcją do stosowanych w zwykłych magnetofonach. Element czytający MRH jest
wykonany z substancji zmieniającej oporność w polu magnetycznym, więc namagnesowanie bezpośrednio
rzutuje na natężenie płynącego przez głowicę MR prądu. Istotną zaletą technologii MR jest większa czułość,
pozwalająca na radykalne zwiększenie gęstości zapisu, a co za tym idzie - wzrost pojemności napędu przy
zachowaniu jego rozmiarów. Dyski twarde korzystające z kombinacji technologii PRML z głowicami MR
charakteryzują się największą dziś gęstością zapisu.
System
Wydajność dysku w dużej mierze zależy także od rozwiązań zastosowanych w samym komputerze i
kontrolującym go systemie operacyjnym. Znaczenie ma prędkość procesora, wielkość pamięci operacyjnej i
cache'u, prędkość transferu danych o pamięci czy narzut czasowy wprowadzany przez BIOS. Zastosowany
system plików do "czystego" czasu transferu zbiorów dokłada swoje narzuty związane z administracją zajętym i
wolnym miejscem na dysku. y
le dobrany, lub zbyt mały lub za duży rozmiar programowego bufora dyskowego
również może wyraz
nie wydłużyć czas reakcji dysku.
Interfejs
Od dawna trwają spory na temat "wyższości" jednego z dwóch najpopularniejszych interfejsów IDE (ATA) i
SCSI. Nie ulegają jednak wątpliwości podstawowe wady i zalety każdego z nich. Interfejs IDE zdobył ogromną
popularność ze względu na niską cenę zintegrowanego z napędem kontrolera, praktycznie dominujący rynek
komputerów domowych. Jego pozycję umocniło się pojawienie się rozszerzonej wersji interfejsu - EIDE.
Zwiększono w niej liczbę obsługiwanych urządzeń z 2 do 4, zniesiono barierę pojemności 540 MB,
wprowadzono też protokół ATAPI umożliwiający obsługę innych napędów, np. CD-ROM. Maksymalna
przepustowość złącza wzrosła z 3,33 MB/s do 16,6 MB/s, znacznie przekraczając możliwości dzisiejszych
napędów. Limit ten uległ kolejnemu przesunięciu w momencie pojawienia się specyfikacji Ultra DMA/33,
zwiększającej przepustowość do 33,3 MB/s.
Interfejs SCSI pozwalający na obsługę początkowo 7, a póz
niej 15 urządzeń, znalazł zastosowanie głównie w
serwerach i systemach high-end, wymagających dużych możliwości rozbudowy. Do jego zalet należy
możliwość obsługi różnych urządzeń (nagrywarek, skanerów, napędów MOD, CD-ROM i innych). Urządzenia
pracujące z różną prędkością nie przeszkadzają sobie tak bardzo, jak w przypadku złącza IDE. Wadą interfejsu
SCSI jest natomiast jego wyraz
nie większa komplikacja, a w konsekwencji cena samych napędów i
kontrolerów.
Pierwsza wersja SCSI pozwalała na maksymalny transfer 5 MB/s, wkrótce potem wersja FAST SCSI-2
zwiększyła tę wartość do 10 MB/s. Kolejny etap rozwoju standardu SCSI to rozwiązanie Ultra SCSI. Jego
zastosowanie podnosi maksymalną prędkość transferu danych FAST SCSI-2 z 10 na 20 MB/s. Transfer w 16
bitowej technologii Wide wzrasta również dwukrotnie - z 20 MB/s dla Fast Wide SCSI-2 do 40 MB/s w
przypadku Ultra Wide SCSI-2.
Obecnie spotyka się trzy rodzaje złączy służących do podłączania dysków SCSI. Najlepiej znane jest gniazdo
50-pinowe, przypominające wyglądem złącze IDE, lecz nieco od niego dłuższe i szersze. Złączami tego typu
dysponują dyski z najstarszymi, 8 bitiwymi interfejsami. Napędy wyposażone w 16 bitowe interfejsy Wide
można rozpoznać po charakterystycznym gniez
dzie o trapezoidalnym kształcie, do którego dołącza się 68-
pinową taśmę sygnałową.
Wydajność dzisiejszych napędów nie przekracza możliwości żadnego z interfejsów. Prawdą jest jednak, że
SCSI znacznie lepiej sprawdza się w środowiskach wielozadaniowych. Poza tym najszybsze dyski o prędkości
obrotowej 7200, a ostatnio i 10000 rpm wykonywane są tylko w wersjach z najszybszymi mutacjami interfejsu
SCSI - Ultra Wide. Najszybsze z dysków ATA osiągają "zaledwie" 5400 rpm, co nie daje im równych szans.
Słowniczek do dysku twardego
Pratycja (partition)
obowiązkowy poziom organizacji przestrzeni dyskowej. Partycje dzielą dysk twardy na rozłączne
obszary, którym system operacyjny przypisuje litery napędów. Rozróżniamy przy tym partycje
pierwotne (primary) i rozszerzone (extended). Pliki systemowe, uruchamiające system operacyjny
muszą znajdować się na jednej z partycji pierwotnych- tych ostatnich może być maksymalnie cztery.
Natomiast liczba partycji rozszerzonych jest praktycznie nieograniczona. Aby z którejś z partycji
pierwotnej można było załadować system operacyjny trzeba ją uaktywnić. Można do tego celu użyć
albo DOS-owego programu FDISK albo programu zarządzającego inicjalizacją komputera
(bootmanager). Informacje o wielkości i rodzaju partycji przechowuje tabela partycji w pierwszym
sektorze dysku.
Klaster (cluster)
jednostka alokacji, najmniejsza logiczna jednostka zarządzana przez FAT i inne systemy plików.
Fizycznie klaster składa się z jednego lub kilku sektorów.
FAT (File Allocation Table)
tabel alokacji plików, która powstaje przy formatowaniu partycji dosowym rozkazem "format". FAT
przechowuje informacje o odwzorowaniu plików na numery klastrów.
Ścieżki (tracks)
koncentrycznie położone okręgi na każdym talerzu twardego dysku, które podzielone są z kolei na
sektory.
Cylindry (cylindres)
zbiór wszystkich sektorów dysku twardego, osiągalnych bez przemieszczenia głowicy. Termin często
lecz błędnie, stosowany jako zamiennik ścieżki- także w setupie BIOS'u.
Sektory(sectors)
najmniejsze adresowalne jednostki na twardym dysku. Całkowitą liczbę sektorów otrzymujemy, mnożąc
liczbę głowic przez liczbę ścieżek razy liczbę sektorów na ścieżce.
Geometria napędu
sposób podziału dysku na cylindry, sektory, ścieżki i głowice. Zwykle rzeczywista (fizyczna) geometria
napędu przeliczana jest przez elektronikę napędu w łatwiejszą do zarządzania geometrię logiczną.
IDE (Integrated Device Equipment)
przestarzały już dzisiaj standard interfejsu dla dysków twardych AT-Bus.
EIDE (Enhaced Integrated Device Equipment)
rozszerzenie standardu IDE o szybsze protokoły transmisyjne i obsługę dużych dysków (powyżej 512
MB). Określenia związane z interfejsem EIDE, zintegrowanego z każdą nowoczesną płytą główną, są
nieco pogmatwane. Znani producenci dysków twardych tacy jak Western Digital (EIDE) czy Seagate
lub Quantum (ATA2, ATAPI, Fast ATA) używają różnych nazw dla tych samych protokołów i funkcji.
Te odmienne określenia dla interfejsów różnią się tylko trybem transmisji danych, z których jeden
wyznaczany jest przez PIO-Mode, a drugi przez DMA-Mode. ATA-3 zaś oznacza najszybszy wariant
omawianego interfejsu, obejmujący również funkcję dla SMART służące do wykrywania błędów w
pracy napędu.
PIO-Mode
tryb programowo kontrolowanego wprowadzania i wyprowadzania danych (program I/O) w jakim
napęd pracuje, decyduje o szybkości przesyłania danych między dyskiem a pamięcią. W standardzie
ATA teoretyczna prędkość transmisji waha się pomiędzy 3,3 (Mode 0) a 8,3 (Mode 2) MB/s. ATA-2
osiąga w trybie Mode 3 11,1 MB/s, a w trybie Mode 4 nawet 16,6 MB/s.
DMA-Mode (Direct Memory Access)
bezpośredni dostęp do pamięci, oznacza, że dane między pamięcią operacyjną a dyskiem twardym są
przesyłane bez udziału procesora. Elegancko i szybko działa to zresztą tylko z interfejsem PCI
wbudowanym w nowoczesne płyty główne. Dotychczasowe chipsety osiągają przepustowość danych
sięgającą 16,6 MB/s w przypadku ATA-2, zaś nowsze wspierają już Ultra DMA/33 i dochodzą do 33,3
MB/s.
SMART (Self Monitoring Analysis And Reporting Technology)
nowa technika diagnostyczna, pozwalająca na rozpoznanie błędów w napędach dyskowych
powstających w trakcie ich pracy. Zadaniem jej i współpracujących z nią narzędzi jest ostrzeganie w
porę o grożącej utracie danych.
ATAPI (At Attachment Packet Interface)
protokół pomiędzy interfejsem EIDE i podłączonymi do niego urządzeniami peryferyjnymi.
ULTRA ATA
najnowsza wersja specyfikacji ATA dopuszczająca transfer danych z prędkością 33,3 MB/s; wymaga by
komputer był zgodny ze specyfikacją ULTRA DMA/33.
SCSI (Small Computer System Interface)
standard dla interfejsów urządzeń i magistral systemowych o dużej prędkości transmisji. Systemy
magistrali SCSI mają różne szerokości szyny.
SCSI 2
ostatni oficjalnie ogłoszony przez ANSI standard; opisuje złącza z 8 bitową szyną danych, prędkość
transferu 20 MB/s, definiuje komunikaty SCSI i strukturę komend.
Fast SCSI
zgodny ze SCSI 2 tryb transmisji danych z prędkością 10Msłów/s. Oznacza to że informacje są
wystawiane na szynę z częstotliwością 10 MHz. Jeśli szyna danych ma szerokość 8 bitów transfer
wynosi 10 MB/s, dla szyny 16 bitowej jest to 20 MB/s.
Wide SCSI
implementacja SCSI z szyną danych o szerokości 16 bitów; zastosowanie dwukrotnie większej
szerokość magistrali danych oznacza automatycznie wyższą prędkość przesyłania danych.