Dyski twarde i interfejsy dyskowe

WIADOMOŚCI OGÓLNE

Dysk twardy jest jednym z podstawowych urządzeń spotykanych w komputerach osobistych. Umożliwia on przechowywanie dużych ilości danych oraz szybki do nich dostęp.
Jest on niezbędnym elementem wyposażenia każdego PC, przy czym jest to element wpływający nie tylko na całkowitą wydajność komputera, ale i na komfort jego używania. Zwłaszcza w kontekście coraz to bardziej „obszernych” pakietów oprogramowania.
Dysk stały naszego PC to wirujący talerz lub zespół talerzy o powierzchni pokrytej nośnikiem magnetycznym, a odpowiednio ustawiane na tych powierzchniach głowice zapisują i odczytują dane. Głowice umieszczone są na przypominającym ramię gramofonu ramieniu pozycjonującym i dociskane do powierzchni dysku sprężynami, ale podczas obrotów dysku nie stykają się z nią – powstająca w wyniku szybkich obrotów talerzy „poduszka powietrzna” utrzymuje głowice nad powierzchnią. Rozwiązanie takie nazywane jest „pływającymi głowicami” i jak na razie jest bezkonkurencyjne i stosowane powszechnie, chociaż są już w toku prace nad innymi sposobami prowadzenia głowic. Bez dysku twardego mającego wystarczające rozmiary (GB) nie moglibyśmy w dzisiejszych czasach normalnie funkcjonować.
Nowe programy wymagają coraz szybszych procesorów i modułów pamięci (RAM. Cache). Twardym dyskom poświęca się jakby nieco mniej uwagi, choć mają one nieraz zasadniczy wpływ na ogólną wydajność systemu. Często w praktyce okazuje się, że w seryjnie zmontowanym PC właśnie twardy dysk jest „wąskim gardłem”, hamując nieraz znacznie cały system.


Rozwój dysków twardych.
Rozwój technologiczny dysków twardych na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat, pod względem dynamiki można porównać chyba tylko z rozwojem układów scalonych.
Za pierwszy dysk twardy uznaje się wytworzone przez koncern IBM urządzeni IBM 305 RAMAC (Randmo Access Method of Accounting and Control). Dysk ten „ujrzał” światło dzienne 13 września 1956 roku i mógł pomieścić zawrotną w tamtych czasach ilość danych: ok. 5MB na 50 talerzach o 20-calowej średnicy każdy!
Na początku 1980 roku wprowadzono, wraz z rozpowszechnieniem komputerów osobistych, dostępne dla wszystkich dyski o średnicy 5,25 cala. Ich pojemność wynosiła od 5 do 10 MB.
Pierwszym dyskiem zastosowanym w komputerze PC, a dokładniej w firmowanych przez IBM komputerach IBM PC/XT, był opracowany przez firmę Seagate 5,25-calowy model ST-412. przy znacznie mniejszych od swojego „przodka” rozmiarach miał aż 10 MB pojemności.
Dziś napędy HDD wyposażone są w talerze o średnicy 3,5 cala. Ich pojemność liczona jest w gigabajtach. Twarde dyski z biegiem lat staja się coraz mniejsze, jeśli chodzi o rozmiary i coraz większe, jeśli chodzi o pojemność.


BUDOWA I DZIAŁANIE

Większość dysków twardych składa się z następujących komponentów; obudowy, pozycjonera głowicy ramion głowic, głowic odczytu/zapisu oraz kilku dysków.





Każdemu dyskowi pamięci przyporządkowany są dwie głowice (dla jego dolnej i górnej powierzchni). Głowice utrzymywane są na sprężynujących ramionach, przy czym wszystkie ramiona 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 wysokość mniejszą niż 1 mikrometr. Zadaniem pozycjonera jest przemieszczanie głowic na wybrany cylinder. Pozycjonery zbudowane w oparciu o silnik liniowy (elektromagnetyczny), same parkują głowice po wyłączeniu zasilania, gdyż sprężyna automatycznie odciąga je do położenia parkowania.
Istotnym elementem jest hermetyczna obudowa, 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.
Elementy elektroniczne - ich 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.
Nośnik magnetyczny jest warstwą ferromagnetyku (dwu-lub trójtlenek żelaza) - umieszczony na 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.

Technika zapisu stosowana w dyskach sztywnych nie odbiega od tej, z jaką mamy do czynienia w magnetofonie czy na dyskietkach. Wytwarzane przez elektromagnetyczną głowicę pole magnetyczne powoduje uporządkowanie domen magnetycznych w nośniku ferromagnetycznym o szerokiej pętli histerezy, a ruch tak zapisanego nośnika w pobliżu głowicy odczytującej powoduje w niej indukcję sygnału elektrycznego, odpowiadającego zapisanym danym. Współczesna technologia do odczytu danych używa, zamiast głowic indukcyjnych, półprzewodnikowych elementów magnetorezystywnych, umożliwiających zwiększenie zarówno odczytywalnej gęstości zapisu, jak i zwiększenie szybkości odczytu.


PARAMETRY DYSKÓW TWARDYCH


Najważniejsze parametry techniczne dysków twardych, używanych w dzisiejszych pecetach to;
- pojemność (od kilkudziesięciu GB do nawet 250-300 GB),
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 zapisanych danych.
- średni czas dostępu (kilka milisekund) –– parametr ten określa, w jakim czasie (średnio) od otrzymania przez dysk żądania odczytu/zapisu konkretnego obszaru nastąpi rozpoczęcie operacji. Na średni czas dostępu (ang. Average Access Time) składają się dwa elementy: średni czas poszukiwania potrzebny do umieszczenia głowicy w wybranym cylindrze (ang. Average Seek Time) oraz opóźnienie rotacyjne potrzebne do umieszczenia głowicy nad odpowiednim sektorem ang. (Rotational Latency), które przy szybkości dysków równej 3600 obr/min wynosi ok. 8 milisekund,
- prędkość obrotowa dysku (3600, 5400, 7200, a nawet 15000 obrotów na minutę), - parametr określający, z jaką szybkością obracają się talerze danego dysku. Im szybkość obrotowa jest wyższa, tym więcej danych może być odczytywanych przez głowice.
- szybkość transmisji danych (kilka tysięcy kilobajtów/sekundę),
- maksymalna wewnętrzna szybkość transmisji - ilość danych, jaka może zostać na twardym dysku zapisana lub odczytana z dysku w ciągu sekundy.
- maksymalna zewnętrzna szybkość transmisji - nie określa faktycznej szybkości dysku, lecz przepustowość interfejsu.
- średnia szybkość transmisji ( ok. 27-44 MB/s)
- cache – pamięć podręczna dysku twardego. Do tej pamięci buforowane są dane odczytywane i zapisywane na dysku. Im tej pamięci jest więcej, tym sprawniejszy jest proces przesyłu danych. W dyskach najczęściej montowane są 2 MB pamięci cache, ale na rynku pojawiły się już dyski z pojemnością 8 MB cache i więcej.
- liczba talerzy – określa liczbę talerzy danego dysku.
- liczba głowic – określa, ile głowic zajmuje się odczytem/zapisem danych na talerzach. Liczba ta wskazuje także na to, czy wszystkie talerze są wykorzystywane obustronnie.
- liczba cylindrów (od 615 do kilkunastu tysięcy) - ścieżki o tych samych numerach na powierzchniach roboczych dysków nazywane są cylindrami,
- zasilanie (+12 V, +5 V),
- moc pobierana (od kilku do kilkunastu watów).
Pobór mocy jest istotnym parametrem - jeżeli w naszym komputerze mamy stosunkowo słaby zasilacz, to może się okazać, że zakup dysku wymagającego stosunkowo dużo mocy może spowodować w komputerze, i tak już solidnie obsadzonym różnego typu sprzętem, przeciążenie zasilacza.


INTERFEJSY DYSKOWE

Istnieją trzy sposoby łączenia dysków twardych;
1. Interfejs szeregowy – podłączenie urządzeń w sposób szeregowy tzw. kolejkowanie (mało praktyczne).
2. Interfejs równoległy IDE/ATA – możliwość podłączenia maksymalnie czterech urządzeń dyskowych.
ATA - interfejs, który zdobył ogromną popularność ze względu na niską cenę zintegrowanego z napędem kontrolera, praktycznie zdominował 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. Limit ten uległ kolejnemu przesunięciu w momencie pojawienia się specyfikacji Ultra DMA/33, zwiększającej przepustowość do 33,3 MB/s.
3. Interfejs SCSI – rozwinięcie interfejsu równoległego, gdzie dodano dodatkową kartę rozszerzeń.
Interfejs SCSI pozwalający na obsługę początkowo 7, a później 15 urządzeń, znalazł zastosowanie głównie w serwerach. Do jego zalet należy możliwość obsługi różnych urządzeń (nagrywarek, skanerów, napędów MOD, CD-ROM i innych). 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/ Ultra SCSI-2 Jego zastosowanie podnosi maksymalną prędkość transferu danych do 40 MB/s i więcej.

Karty sterowników SCSI posiadają własny BIOS; oznacza to, ze sterowniki nie korzystają z procedur obsługi dysku, zawartych w BIOS-ie płyty głównej, dzięki temu parametry dysków SCSI nie są ograniczone przez ten BIOS. Stosując SCSI, można tworzyć układy zbliżone do sieci lokalnej, pozwalające na wspólne korzystanie z droższych urządzeń peryferyjnych.

Można się spierać na temat "wyższośc" 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, zaś różnice w szybkości i przepustowości obu rodzajów dysków są w obecnie produkowanych modelach praktycznie niewielkie, a przewaga SCSI polega raczej na zaletach samego interfejsu, który pozwala na jednoczesne podłączenie kilkunastu różnych urządzeń. Związane z tym możliwości konfiguracyjne są zdecydowanie większe niż w przypadku EIDE.


SYSTEM PLIKÓW NA DYSKU

Od tego, jaki założymy system plików na dysku, zależy wykorzystanie przestrzeni dyskowej, poziom zabezpieczenia i kompresji plików.
Jednostką objętości zapisu na dysku jest sektor, mieszczący 512 bajtów danych, a wraz z nimi również dane nadmiarowe zapewniające skuteczną korekcję błędów odczytu. Ale nasze dane rzadko mieszczą się w tak skromnej objętości. Jak zachować ich ciągłość przy podziale na poszczególne sektory? Skąd system operacyjny ma wiedzieć, które sektory wchodzą w skład danego pliku? Każdy z systemów operacyjnych ma własny, specyficzny system opisu danych na dysku, zwany systemem plików. Niektóre, bardziej zaawansowane systemy operacyjne są w stanie posługiwać się równolegle kilkoma systemami plików dyskowych. Najprostszym systemem plików jest, używany przez DOS i Windows, system oparty na tablicy alokacji plików FAT (File Allocation Table).
FAT16 - może rozpoznać 216 adresów jednostek alokacji. System ten istnieje w celu zapewnienia kompatybilności ze starszymi systemami. Był wprowadzony w czasach, gdy dyski były nieporównywalnie mniejsze, w związku z tym jest zupełnie nieodpowiedni do nowoczesnych systemów i dużych przestrzeni dyskowych, oferując zbyt dużą jednostkę alokacji plików – 32 kb (strata pojemności twardego dysku, szczególnie przy zapisie dużej ilości niewielkich rozmiarów plików).
FAT32 - może rozpoznać 232 adresów jednostek alokacji, dzięki czemu obsługuje o wiele większe dyski twarde. Dla partycji o rozmiarach poniżej 8 GB jednostka alokacji ma wielkość tylko 4 kB, dzięki czemu nie ma dużych strat pojemności. FAT32 wymaga partycji o minimalnych rozmiarach 512 MB.
NTFS – system plików wspierany przez Windows NT i stworzony specjalnie dla tego systemu operacyjnego, miał rozwiązać wiele niedogodności, jakie niesie z sobą FAT16. NTFS jest przede wszystkim szybszy i bardziej wydajny na dyskach twardych powyżej 5GB, oferując klastry wielkości 4 kB, oprócz tego dysponuje rozbudowanymi atrybutami dla plików i folderów, dzięki czemu można określać prawa dostępu do nich, (nazwa pochodzi od ang. NT File System – system plików dla Windows NT).


USZKODZENIA I AWARIE DYSKÓW TWARDYCH

Bezpieczeństwo danych na dysku twardym nie jest rzeczą oczywistą, gdyż wszystkie dzieła ludzkiego geniuszu mają ograniczoną niezawodność.
Awarie dysku mają różny charakter. Może to być uszkodzenie układów zapisu i odczytu, w tym złożonej elektroniki dysku, awaria układu napędowego czy układu pozycjonowania głowic, działalność wirusów, a wreszcie, co jest najczęściej spotykane, mechaniczne uszkodzenie nośnika magnetycznego na powierzchni któregoś z talerzy. Średnia wytrzymałość i bezawaryjność dysków twardych, dość mocno eksploatowanych wynosi ok. 5 lat.
Zdecydowana większość uszkodzeń to uszkodzenia mechaniczne (60-68%). Warstwa nośnika magnetycznego na powierzchniach talerzy dysków pokryta jest bardzo cienką warstwą lakieru ochronnego. W normalnych warunkach eksploatacji twardość powierzchni ochronnej najzupełniej wystarcza - start i lądowanie głowic wiążą się co prawda z przesuwaniem ich po powierzchni talerza, ale występujące naciski są za małe, by zarysować powierzchnię ochronną.
W stanie spoczynku głowice leżą na wydzielonych obszarach powierzchni talerzy, zwanych strefą lądowania. Cóż się stanie, jeśli taki "zaparkowany" dysk dozna silnego, krótkotrwałego wstrząsu? Głowica oderwie się od powierzchni, wyginając sprężyste ramię, a następnie, w wyniku jego drgań, kilkakrotnie uderzy w powierzchnię, za każdym razem odbijając się od niej. Twarda powierzchnia ochronna jest, niestety, zbyt krucha, by mogła przy silniejszych wstrząsach wytrzymać - uderzająca głowica odłupuje drobne fragmenty ochronnego lakieru.
Wydawać by się mogło, że nawet ewentualne uszkodzenie powierzchni w strefie lądowania nie powinno spowodować obniżenia sprawności dysku - przecież w tym obszarze nie ma żadnych danych. Rzeczywiście, ale powstałe tam drobne okruchy materiału przemieszczają się, wraz z powietrzem, po całym wnętrzu napędu. Drobne, ale wielokrotnie większe od grubości poduszki powietrznej, unoszącej głowicę. A jeśli któryś z nich dostanie się pomiędzy głowicę a powierzchnię wirującego talerza, następują kolejne drgania głowicy i jej ramienia oraz kolejne uderzenia głowicy - tym razem już w roboczą powierzchnię dysku. Oprócz uszkodzeń powierzchni, na tyle drobnych, że układy korekcji błędów wbudowane w elektronikę dysku, poradzą sobie z powodowanymi przez nie błędami, powstają jeszcze nowe okruchy. Im jest ich więcej, tym częściej zdarza im się wpadnięcie pod głowicę i tym częściej powstają nowe uszkodzenia i nowe drobiny. Proces degradacji wartości użytkowej dysku postępuje lawinowo.
Uszkodzenia, których źródłem są wstrząsy, jakich doznał dysk w czasie między wyprodukowaniem a zamontowaniem w komputerze, stanowią według danych producentów przyczynę około 40% wszystkich awarii dysków twardych i przeszło 90% uszkodzeń powierzchni dysków. Lekarstwem na to stały się pewne zmiany w konstrukcji dysków, zmierzające do ograniczenia tego typu uszkodzeń. Zmiany te w większości przypadków sprowadzają się do odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych. Najważniejsze jest tu wyeliminowanie drgań głowicy i jej wielokrotnego uderzania o powierzchnię po wstrząsie. Tego rodzaju rozwiązaniem jest stosowany np. przez firmę Quantum, SPS (Shock Protection System). Również inni producenci od pewnego czasu zwracają uwagę na bezpieczeństwo dysku, szczególnie w czasie między opuszczeniem taśmy produkcyjnej a zainstalowaniem w komputerze, stosując własne rozwiązania, jak np. SeaShield Seagate.