Dysk Twardy - HDD - referat

Wiadomości ogólne

Pierwsze pamięci masowe zaczęto stosować od połowy dziewiętnastego wieku - używano wtedy kart perforowanych które wprowadzały dane do mechanicznych maszyn liczących. Pierwsze elektroniczne komputery korzystały z pamięci zbudowanej z lamp elektronowych, potem zaczęły pojawiać się
różnorodne pamięci magnetyczne - bębnowe, bąbelkowe, taśmowe.

Pierwszy model dysku twardego wyprodukowano w 1957 roku. Producentem był IBM, urządzenie nazwano RAMAC 350 - był on złożony z pięćdziesięciu 24-calowych dysków, całkowita pojemność 5 MB, koszt jego rocznej dzierżawy wynosił 35 tys. dolarów; czyli - 7 tys. dolarów za megabajt... W czasach maszyn mainframe „budowano” dyski z zamkniętymi w klimatyzowanych pomieszczeniach zestawami talerzy o średnicach 14 czy 8 cali, wartymi dziesiątki tysięcy dolarów. Gdy ukazał się pierwszy IBM PC w roku 1981 w dziedzinie pamięci masowych niewiele się zmieniało - system operacyjny pierwszych „pecetów” był odczytywany z magnetofonu kasetowego, choć oczywiście istniała także możliwość korzystania ze stacji dyskietek. W roku 1983 pojawił się w sprzedaży PC/XT firmy IBM, komputer ten mógł korzystać już z twardego dysku o pojemności 5 lub 10 MB. Rok później Western Digital skonstruował interfejs ST506, zaś w 1986 razem z firmą Compaq opracowano interfejs IDE (Integrated Drive Electronics). Po paru miesiącach od tej daty w komputerach zaczęto
instalować dyski 3,5" (o wysokości 1", czyli „low profile”).

Od początku rozwoju komputerów PC najwięcej uwagi przykuwał postęp w technologii półprzewodnikowej. Postęp w innych, bezpośrednio z nią związanych dziedzinach technologii był zawsze mniej nagłaśniany - w ciągu tego samego czasu, gdy dokonywano 100-krotnego przyspieszania zegara procesora, pojemność typowego dysku wzrosła 1000-krotnie. Dysk dopóki działa i do czasu gdy mieszczą się na nim nasze dane, rzadko bywa przedmiotem szczególnego zainteresowania. Najczęściej w momencie zakupu porównujemy pojemność naszej kieszeni (zasoby gotówki) z pojemnością dysku, później dysk wykonuje już tylko swoją pracę. Tymczasem wydajność i wygoda użytkowania komputera w dużym stopniu zależy od jakości dysku, a jego niezawodność to w
wielu przypadkach sprawa najważniejsza.

Najczęściej użytkownicy komputera traktują dysk jako pudełko zdolne do zapamiętania pewnej ilości danych - im więcej, tym lepiej. Co niektórzy zwracają uwagę również na jego parametry techniczne - średni czas dostępu do danych oraz szybkość odczytu i zapisu. Parametry eksploatacyjne każdego urządzenia wynikają z jego konstrukcji, dlatego najdociekliwsi użytkownicy chcą wiedzieć, co jest wewnątrz pudełka i jak to działa.

Dysk twardy jest jednym z podstawowych urządzeń spotykanych w komputerach osobistych. Umożliwia on przechowywanie dużych ilości danych oraz szybki dostęp do nich. Pierwowzorami współczesnych dysków twardych były dyski stosowane w dużych komputerach u schyłku lat 60. Pierwsze seryjnie produkowane dyski twarde do komputerów IBM PC wyprodukowała firma Seagate. Miały one pojemność 10MB i były bardzo drogie. Czasy w pełni funkcjonalnych komputerów, którym do poprawnego działania wystarczyła odpowiednio przygotowana dyskietka systemowa, odeszły już w niepamięć. Posiadanie dużego dysku twardego jest w tej chwili niezbędnym warunkiem uruchomienia współczesnego oprogramowania. Dostępne obecnie na rynku dyski twarde dzielą się na dwie grupy: droższe, niemal ekskluzywne modele SCSI oraz tańsze napędy EIDE, przeznaczone dla masowego, z założenia mniej wymagającego odbiorcy. Urządzenia EIDE, w tym wykorzystywane w nich technologie, ewoluowały. W konsekwencji różnice pomiędzy oboma kategoriami produktów zdają się powoli zacierać. Oczywiście, technologia SCSI jest nadal jedynym bezpiecznym rozwiązaniem w profesjonalnych, wymagających zadaniach (serwery, zaawansowane stacje robocze, montaż cyfrowego obrazu i dźwięku), ale i tu zaczynają powoli wkraczać rozwiązania "z dolnych półek".

Budowa i parametry dysku twardego

Dysk twardy to metalowe pudełko o szerokości 3,5 lub 5,25 cala. Od spodu najczęściej widoczna jest płytka z elektroniką, a z boku złącza do podłączenia zasilania i kabla łączącego dysk z kontrolerem,
czyli specjalnym układem sterującym pracą dysku. Mechanizm dysku twardego składa się z
następujących komponentów:
obudowy
pozycjonera głowicy
ramion głowic
głowic odczytu/zapisu
wirujących talerzy (dysków)

Talerz 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.
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
W dyskach twardych stosuje się dwa rodzaje głowic: głowice z kompozytów żelaza oraz głowice cienkofoliowe. Pierwsze z nich składają się z rdzenia ferromagnetycznego i cewki elektromagnetycznej. Są one ciężkie i wymagają większej wysokości zawieszenia nad powierzchnią wirującego dysku. Głowice cienkofoliowe natomiast to układy scalone w kształcie litery U. Są lżejsze od głowic ferromagnetycznych, w związku z czym mogą unosić się nad powierzchnią dysku na znacznie mniejszej wysokości. Dzięki czemu niezawodność operacji zapisywania na dysku i odczytywania z niego jest większa, ponieważ niższe zawieszenie głowic umożliwia transmisję silniejszego sygnału. Urządzenia do pozycjonowania głowic nad powierzchnią dysku twardego są skonstruowane bądź podobnie jak w stacjach dyskietek z silnikiem krokowym, bądź z wykorzystaniem swobodnej cewki. W nowoczesnych dyskach twardych jest stosowany praktycznie tylko ten drugi system, ewentualnie nieco zmodyfikowany. Pozycjoner głowic ze swobodną cewką działa bardzo podobnie jak zwykły głośnik. Cewka jest przymocowana bezpośrednio do stojaków głowic, a jedynym połączeniem między nią a elektromagnesem są siły pola elektromagnetycznego. Ponieważ układ pozycjonowania ze swobodną cewką może przesuwać głowice w sposób całkowicie płynny i musi znać położenie szukanej ścieżki. 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 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. 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 l gigabit na cal kwadratowy. Żeby umożliwić osiągnięcie odpowiedniej gęstości zapisu, warstwa magnetyczna naniesiona na wirujący talerz musi być możliwie najcieńsza i dokładnie wypolerowana. Precyzja konstrukcji dysku jest więc podstawowym warunkiem sprawnej pracy napędu. 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.

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





Dysk twardy odróżnia się od dysku elastycznego następującymi cechami
głowica odczytu zapisu, nie dotyka dysku w czasie pracy, jest bowiem utrzymywana automatycznie w czasie ruchu obrotowego
prędkość dysku twardego jest bardzo duża, dzięki czemu osiąga się duże prędkości transmisji danych(MB/s)
ponieważ dysk twardy jest nie wymiennym nośnikiem danych, można go dokładnie wycentrować i osiągnąć dużą liczbę ścieżek, czyli dużą pojemność (do kilku GB)

Najważniejsze parametry techniczne dysków twardych
pojemność od 10MB do kilku GB
 liczba głowic zapisu i odczytu (od 4 do kilkunastu)
liczba cylindrów (od 615 do kilku tysięcy)
średni czas dostępu
prędkość obrotowa dysku (kilka tysięcy obrotów na minutę)
prędkość transmisji danych
 zasilanie

Sposoby zapisu i odczytu danych na dysku twardym

Wszystkie typy pamięci na warstwach magnetycznych działają na tej samej zasadzie; na poruszającej się warstwie magnetycznej dokonywany jest zapis informacji polegający na odpowiednim
przemagnesowaniu pól nośnika informacji.

Zapis i odczyt dokonywany jest za pomocą głowic. Głowica nazywamy rdzeń z nawiniętą na nią cewka i niewielką szczeliną miedzy biegunami. Zapis informacji sprowadza się do namagnesowania poruszającego się nośnika. Pole magnetyczne wytworzone w szczelinie magnesuje nośnik tak długo, jak długo płynie prąd w cewce głowicy. Namagnesowany odcinek nośnika zachowuje się jak zwykły magnes, wytwarzając własne pole magnetyczne..

Istnieje wiele metod zapisu informacji cyfrowej na nośniku magnetycznym, na przykład:

Metoda bez powrotu do zera
Polega na tym, że zmiana kierunku prądu w głowicy zapisu następuje w chwili zmiany wartości kolejnych bitów informacji. Zmiana kierunku prądu nie występuje podczas zapisywania ciągu zer lub jedynek. Metoda ta nie posiada możliwości samo synchronizacji, tzn. z informacji odczytanej nie da się wydzielić impulsów określających położenie komórki bitowej

Metoda modulacji częstotliwości (FM)
Polega na tym, że przy modulacji FM prąd w głowicy zapisu zmienia na początku każdej komórki bitowej, oraz w środku komórki, gdy zapisywany bit ma wartość "jedynki"




Metoda zmodyfikowanej modulacji częstości (MFM)
Metoda MFM nazywana jest metodą z podwójną gęstością i dzięki niej jest podwojona jest pojemność dysku twardego, stosuje się tu regułę: bit o wartości "1" ustawia impuls zapisujący pośrodku komórki bitowej, bit o wartości "0", ustawia impuls na początku komórki bitowej lecz tylko wtedy, gdy poprzedni
bit nie jest równy "1".
W metodzie tej dla odtwarzania danych, w trakcie odczytu, stosowany jest układ z pętlą synchronizacji fazy PLL, na podstawie impulsów odczytanych z głowicy odczyt o nazwie READ DATA.

Metoda RRL
Redukuje o 35% ilości przemagnasowań nośnika - można zatem, przy niezmienionej maksymalnej częstotliwości pracy, półtorakrotnie zwiększyć gęstość zapisu danych Odczyt informacji polega na
przemieszczeniu namagnesowanych odcinków nośnika pod szczeliną.
Pole magnetyczne pochodzące od namagnesowanego odcinka nośnika, przenika rdzeń głowicy i indukuje w cewce siłę elektromotoryczną, która jest następnie wzmacniana i formowana w impuls cyfrowy, taktowany jako impuls zerowy lub jako bit danych, w zależności od metody zapisu informacji.

Instalacja dysku w komputerze

Ustaw kolejność dysku w systemie
Przed zainstalowaniem dysku twardego do obudowy, należy sprawdzić najpierw sprawdzić jego ustawienia. Dysk konfigurujemy za pomocą zworek znajdujących się najczęściej obok gniazda danych lub na spodzie dysku. Jeśli jest to nowy dysk to będzie on ustawiony jako Master lub Single. Jeżeli tak nie jest należy skonfigurować ustawienia . sposób konfiguracji zworek powinien znajdować się w instrukcji obsługi lub na nalepce na dysku twardym.
Mocowanie dysku w obudowie
Twardy dysk instalujemy w koszyku obudowy, pod stacją dyskietek, w szynach 3,5 cala. Można go też instalować w powszechnie dostępnych szufladach przenośnych 5,25 cala. Twardy dysk przykręca się czterema wkrętami z grubym i możliwie krótkim gwintem. Trzeba pamiętać żeby zamontować dysk elektroniką do dołu i w pozycji leżącej zapobiega to przypadkowemu dotknięciu głowic powierzchni dysku.
Podłącz dysk do kontrolera
Do podłączenia dysku twardego używa się taśmy 40-przewodowej. Jeden jej koniec należy umieścić w 40-szpilkowym gnieździe na płycie głównej z oznaczeniem IDE 0 lub HDD 1,natomiast w gnieździe 40-szpilkowym dysku twardego.
Należy pamiętać o zasadzie szpilki 1 (przewód oznaczony kolorem czerwonym), a PIN1 w twardym dysku znajduje się od strony zasilania.
Złe podłączenie taśmy nie spowoduje żadnych uszkodzeń., wystarczy wtedy obrócić taśmę.
Podłącz zasilanie
Jeden z cztero kablowych odczepów zasilania z dużą wtyczką podłączyć do odpowiedniego gniazda twardego dysku.
Zrobić to należy silnie lecz ostrożnie. Specjalne wyprofilowane gniazdo i wtyka pozwala prawidłowo podłączyć zasilanie bez pomyłki

---