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 opóźnienia 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 opóźnienie, 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 wyraźnie 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 opóźnień 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. Źle dobrany, lub zbyt mały lub za duży rozmiar
programowego bufora dyskowego również może wyraźnie 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 później 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 wyraźnie 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 gnieździe 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