Dysk Twardy HDD

Budowa dysku twardego HDD

1) Dysk twardy

2) Budowa dysku twardego

3) Fizyczna struktura dysku twardego

4) Zapisywanie i odczytywanie informacji na dysku

5) Silnik krokowy

6) Master Boot Record i inne

7) Katalog główny

8) Tablica FAT

9) Interfejsy

Dysk twardy, dysk sztywny (ang. hard disk, hard disk drive) lub żargonowo "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 być zawsze dostępne, takie jak system operacyjny. Nowoczesne dyski twarde posiadają bardzo dużą przepustowość danych, niski czas dostępu do danych, obracają się z prędkością kilku tysięcy obrotów na minutę, a ich pojemność wynosi kilkanaście 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.

Większooć 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 być zatem jedna z 2-8 wirujących z prędkością kilku tysięcy obrotów na minutę części dysku twardego, pokryta materiałem magnetycznym, który może zostać 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 wirować, 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. Z wzgledu na to, iż ścieżka jest zbyt duża, aby zarządzać 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 być od 17 do 64 sektorów. Ścieżki i sektory tworzone są podczas formatowania dysku. Gdy dysk nie pracuje lub gdy prędkość 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 magnetorezystywną (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 rozpoznawać 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 ulegać zniekształceniom. Mechanizmem stosowanym w nowoczesnych dyskach jest technika Embedded Servo. W odróżnieniu od tradycyjnej techniki Servo, przy której głowica musiała regularnie korzystać ze ścieżki sterującej, aby zoptymalizpwać swoją pozycję, mechanizm Embedded Servo wykorzystuje informacje zapisane na każdej ścieżce. Głowice zapisująco-odczytujące mogą więc korzystać 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 rdzeń 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 wczytywać i uruchamiać system operacyjny, najważniejsze informacje o strukturze danych muszą się znajdować w ściśle zdefiniowanym miejscu na powierzchni nośnika. W pierwszym sektorze dysku (cylinder 0, glowica 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 kończy się właśnie na niej. Pozostały fragment ścieżki 0 w cylindrze 0 jest pusty. Można w nim umieścić dyskowego menedżera. Tu zagnieżdżają się również wirusy bootsektora.

Partycja główna rozpoczyna się w miejscu o "współrzędnych": cylinder 0, głowica 1, sektor 1, a kończy się zawsze w miejscu dowolnego cylindra. Pierwszym sektorem partycji głównej jest sektor startowy. Od drugiego sektora zaczyna się tablica przydzieleń zbiorów FAT (więcej o FAT w odrębnym akapicie), tuż za nią znajduje się jej awaryjna kopia. Ile sektorów zajmuje FAT zależy od rozmiaru partycji. Wielkość 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 (X>0), 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 pomieścić maksymalnie 512 plików lub podkatalogów.

Podkatalogi są nieodzowne, gdyż dzięki nim można umieszczać na dysku nieograniczoną liczbę plików.

Tablica FAT:

Nazwa FAT (File Allocation Table) 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 rozciągać 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 końca 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 sczytywać z powierzchni nośnika. Przy zapisywaniu zbioru na dysk, system "konsultuje" się z FAT, aby znaleźć odpowiednie miejsce na dysku. Gdy zbiór jest zbyt duży i nie może zmieścić 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 efektywność pracy napędu, gdyż głowica zapisu/odczytu musi "przeskakiwać" w różne części talerza.

DOS 2.0 był oparty na 12-bitowej FAT, zatem mógł zaadresować 212, czyli 4096 (netto 4085) klasterów. Rozmiar klastera wynosił 4 KB, dlatego partycja mogła zajmować 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 dobierać rozmiar klastera tworząc poszczególne jednostki alokacyjne z kilku lub więcej sektorów. Jeden sektor mieści 512 bajtów, z kolei na ścieżce można skupić 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 pomieścić maksymalnie 2 terabajty danych (ok. 2000 MB). Należy jednak pamiętać,że wiele narzędzi dyskowych nie potrafi obchodzić się z partycjami w systemie plików FAT32. Co istotne, DOS i jego potomkowie, którzy opierają się na FAT (oprócz FAT32), mogą podporządkować 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 podłączyć dwa napędy. Czas dostępu do dysku wynosił 25 ms, transfer 500 kB/s a ścieżka podzielona była na 17 sektorów po 512 bajtów.

ESDI (Enhanced Small Device Interface) - opracowany przez firmę Maxtor. Pozwalał na większą pojemność dysków (powyżej 100 MB), czas dostępu - kilkanaście sekund, transfer - maksymalnie 3 MB/s.

IDE (Integrated Drive Electronics) - 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 - Programmed Input Output), który ustawia się w BIOS-e komputera, przepustowość kontrolera może wynosić:

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 podłączyć nowoczesny dysk do starego kontrolera ISA, straty na wydajności wynisłyby 40 - 50 %.

SCSI (Small Computer System Interface) - 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 (host bus adapter) jest właściwie dodaniem nowej magistrali. Ważną zaletą systemu SCSI jest możliwość podłączenia znacznie wiekszej liczby urządzeń 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 urządzeń SCSI odbywa sie na zasadzie łańcucha (daisy chain) o max. 7 elementach (adapter jest 8). Każdy z nich może być poczatkiem kolejnego ośmioelementowego łańcucha. Do magistrali rozszerzeń można podłączyć do 4 adapterów SCSI.

Charakterystyczny dla systemów SCSI łańcuch tworzony jest poprzez łączenie urządzeń 50-żyłowym kablem o maksymalnej długości 6 m. Ostatnie urządzenie musi być wyposażone w specjalny zestaw oporników, zwanym terminatorem.Maksymalne szybkości przesyłania magistrali SCSI zależą od jej trybu pracy i najwolniejszego urządzenia w łańcuchu. W tzw. trybie asynchronicznym najwieksza osiągana wartość to 2 MB/s, natomiast w trybie synchronicznym przy idealnej współpracy napędu i adaptera może osiągnąć 5 MB/s. Również czasy dostepu 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. Odmiana nazywana Fast SCSI pozwala na szybką synchroniczna transmisje danych, która może osiągnąć większą szybkość. Jest to szczególnie użyteczne w przypadku stosowania magistrali EISA, zapewniającej przesyłanie z szybkością 33 MB/s, lub magistrali lokalnej, o jeszcze wiekszych parametrach. Jeszcze wieksze polepszenie parametrów transmisji oferuje używająca 68-żyłowego połączenia odmiana określana jako Wide SCSI. W trybie synchronicznym umożliwia ona transmisje siegającą 40 MB/s. Do podłączenia adaptera wykorzystywana jest przy tym 16- lub 32-bitowa magistrala danych.

Nowe techniki implementowane dla SCSI to kompresja przesyłanych danych i połączenia światłowodowe. Szczególnie interesująca jest ta druga. Zapewnia on przesyłanie z predkością 8 MB/s na odległość 300 m. W transferze szeregowym można osiągnąć nawet szybkości 30 MB/s. Do zmiany równoległego strumienia danych ma być stosowany specjalizowany układ scalony. Integruje on część nadawczą oraz odbiorczą i jest przyłączany na obu końcach kanału transmisji. Dopuszczalna jest zarówno transmisja synchroniczna, jak i asynchroniczna. Połączenie sześciu takich urządzeń zapewnia przesyłanie danych prawie bez zakłóceń na odległość siegającą 1800 m.

---