Reklama

Jak pracují pevné disky

Pevné disky (harddisky) jsou místem, které v počítači střeží to nejcennější – vaše data . Podívali jsme se podrobněji na to, jak vlastně disky fungují

První pevný disk byl představen v roce 1953 společností IBM. Tento disk již fungoval na stejných principech jako dnešní pevné disky - data tedy byla uložena ve stopách na magnetickém povrchu diskové plotny, jež se otáčela a nad jejímž povrchem se pohybovala čtecí a zapisovací hlava. Celý disk tvořilo padesát 24" (60cm) diskových ploten nad sebou o celkové kapacitě 5 MB. Vážil jednu tunu a roční pronájem činil 35 000 USD.

Před rokem 1980, kdy Seagate přišel s prvním 5,25" modelem o kapacitě 5 MB, byla většina pevných disků 8" a skládala se ze čtrnácti ploten. Tyto disky byly objemné a vyžadovaly spoustu fyzického prostoru. S postupem času se však kapacita pevných disků zvětšovala exponenciálně a již v devadesátých letech, kdy se počítače teprve začaly používat k ukládání obrázků, videí a hudby, se v počítačích objevily disky o kapacitě 20 GB.

Kdo by byl v té době očekával, jaké tempo tento segment nastaví - dnes jsou běžné disky s kapacitou 1 TB (1024 GB) a prodávají se i 3TB modely. Plotny moderních disků mají průměr 3,5" (8,9 cm), ale například v noteboocích jsou menší disky s 2,5" plotnami. Hustota zápisu pevných disků dosahuje až 1 TB na plotnu a stále se zvyšuje.

Reklama

Na disk zblízka

Moderní disky pracují na podobném principu jako první modely. Uvnitř každého disku se nachází kovové nebo skleněné plotny pokryté tenkou magneticky měkkou vrstvou. Nad každou plotnou se vznáší magnetická čtecí hlava, která zajišťuje samotné čtení a zápis z pevného disku.

Data jsou na disku uložena zmagnetováním míst, jež se provádí pomocí cívky čtecí hlavy a elektrického proudu. Pro záznam a kódování dat se přitom využívá hned několika technologií.

Pomocí cívky je realizováno i čtení. V ní se při pohybu nad různě orientovanými zmagnetizovanými místy indukuje elektrický proud a ten je řídící jednotkou disku převáděn zpět na 0 a 1. Zaznamenaná data jsou v magnetické vrstvě uchována i při odpojení disku od zdroje elektrického proudu. Proto se na pevné disky počítače ukládá operační systém, software i data. Počet čtení a zápisů na disk je při běžném používání téměř neomezený.

Organizace diskové plotny

Magnetický povrch plotny disku se dělí na stopy, sektory a cylindry. Toto fyzické uspořádání pevného disku se označuje termínem geometrie disku.

Stopy jsou soustředné kružnice, které jsou očíslovány od nulté stopy na vnějším okraji. Každá stopa je rozdělena na sektory, které mají zároveň velikost nejmenší adresovatelné jednotky disku. Dnes je velikost sektorů nejčastěji 4096 B, tedy 4 KB. Větší sektory oproti starším 512 B usnadnily práci korekční jednotky známé jako ECC, která díky tomu dokázala efektivněji obnovovat poškozená data. Také většina moderních souborových systémů pracuje se 4KB sektory.

Kvůli rozdílné délce stop u obvodu plotny a blíže jejímu středu nemohou být všechny stopy rozděleny na stejný počet sektorů, a proto se využívá tzv. Zone Bit Recording. Je to metoda rozdělující stopy disku na sektory dle jejich délky, ale přístup k datům činí složitějším. Na druhou stranu maximálně využívá vysoké obvodové rychlosti okrajových stop.

Cylindr je označení pro všechny stopy ploten, které jsou nad sebou a tvoří tak pomyslný dutý válec. Díky nim se hlavy pevného disku využívají rovnoměrně a disk tak má vyšší výkon. Proto se disk při zapisování neplní po plotnách nýbrž po cylindrech, aby se průběžně využívaly všechny hlavy, jež jsou umístěny na jednom společném rameně.

Skutečné uspořádání dat

Operační systémy pracují s jednotkou označovanou jako cluster. Jednotlivé clustery v sobě shlukují určité množství sektorů, jejichž počet se může lišit v závislosti na použitém souborovém systému (NTFS, FAT32).
Velikost clusterů je volitelná, takže pokud často pracujete s malými soubory, jsou vhodnější clustery s menší velikostí, naopak k ukládání velkých souborů jsou vhodnější velké clustery.

Dříve měl každý sektor na plotně stejnou velikost a nezáleželo na jeho fyzickém umístění na povrchu disku. Data byla na sobě hodně natěsnána a to se negativně projevovalo na magnetické stálosti záznamu - docházelo k vzájemnému ovlivňování sousedních sektorů. Problém byl záhy vyřešen prekompenzací, při níž elektronika pevného disku úmyslně zapisovala určité bity na geometricky špatná místa, aby se následně bity srovnaly do správné podoby. Kdyby se tak nestalo, byly by pevné disky nespolehlivá zařízení.

Bohužel toto řešení bylo nešetrné k maximálnímu využití kapacity plotny, protože sektory na okraji plotny byly takřka prázdné. Komplexně byl problém vyřešen až metodou zónového zápisu (Zone Bit Recording), která již byla zmíněna. Proto je u dnešních disků jiný počet sektorů na stopách u okraje plotny, nežli na stopách blíže středu.

 

Princip zápisu a čtení dat

Zápis a čtení dat mají na starosti hlavičky, což jsou cívky navinuté na jádrech a na ramenech se vznášejí těsně nad povrchem ploten. Pokud cívkou prochází elektrický proud, dojde k vytvoření magnetického toku, který se uzavírá ve štěrbině mezi hlavičkou a plotnou a tím ovlivňuje i záznamovou vrstvu pevného disku. V závislosti na směru toku proudu při této operaci dochází k zmagnetizování daného místa určitým směrem. Mezi dvěma zmagnetizovanými místy vznikají tzv. magnetické reverzace. Jedná se o místa, v nichž se mění směr magnetizace, a právě ona jsou zodpovědná za vlastní funkčnost této metody zápisu.

Čtení dat probíhá opačným způsobem nežli zápis. Během pohybu hlaviček nad povrchem plotny reagují cívky právě na magnetické reverzace a ty následně vyvolávají magnetický tok, který je zpracováván na elektrický impuls a dále řídící elektroniky disku. Dnes se používá technika kolmého zápisu dat, kdy orientace magnetického pole je kolmá vůči povrchu plotny. Avšak tato technologie využívá pro záznam magneticky tvrdší materiály společně s magneticky měkkou spodní vrstvou, která pomáhá hlavičce v zápisu dat. Výhodou je vysoká hustota zápisu.

Není konektor jako konektor

Jelikož pro připojení disku k počítači kdysi hojně využívané rozhraní IDE (paralelní ATA, neboli PATA) s kabelem se 16 vodiči narazilo na technologický strop a již dále nešlo zvyšovat jeho rychlost, nahradilo jej rozhraní Serial ATA (SATA), které využívá menší a komplexnější kabely. Dnes nejčastěji využívané rozhraní SATA se vyskytuje již ve své třetí generaci, která nese označení SATA 6 Gb/s. Jelikož rozhraní SATA užívá 10bitové kódování, můžeme přenosovou rychlost 6 Gb/s vyjádřit jako 600 MB/s.

Starší verze rozhraní SATA byly označovány jako SATA a SATA 3 Gb/s a jejich typické přenosové rychlosti byly 1,5 Gb/s (150 MB/s) u první a 3 Gb/s (300MB/s) u druhé generace. Sběrnice SATA má také svou externí podobu nazývanou eSATA. Tento konektor se však příliš neujal a většina externích disků se připojuje USB konektorem.

Budoucnost je v SSD discích

Současné pevné (HDD) disky disponují hned několika nedostatky. Některé z nich, jako jsou například hlučnost nebo pohyblivé části uvnitř, řeší tzv. SSD disky. Navíc disponují vysokým výkonem. Při zápisu a čtení dat se hodnoty zápisu mnohdy pohybují blízko hranice 300 MB/s a u některých SSD disků ji dokonce překračují.

Tyto disky jsou však zatím výsadou spíše dražších počítačů a notebooků, kde je jejich nízká energetická náročnost velmi žádoucí. S tím souvisí i zásadní nevýhoda SSD - jejich vysoká cena za 1 GB úložného prostoru v porovnání s korunovými, či dokonce haléřovými položkami u plotnových pevných disků.

Co je to fragmentace disku?

Disky zapisují soubory větší než jeden cluster nahodile na volná místa disku, tím vzniká fragmentace disku ("rozházení" dat po disku). Po nějaké době jsou volná místa po disku roztroušena a promixována s již plnými, a tak vznikají při zápisu a čtení dat čím dál větší prodlevy (čtecí hlavička hledá správné místo) a klesá i výkon disku. Tento problém řeší defragmentace disku, která se provádí z prostředí operačního systému a jejímž účelem je poskládat roztroušené fragmenty jednotlivých souborů tak, aby byly co nejblíže sobě. Data na disku se zahustí a tím se zrychlí i operace s daty.

 

 

Témata: 
Reklama
Reklama