www.microprocek.prv.pl

Dysk twardy a dysk miękki

Użycie sztywnych talerzy i uszczelnienie jednostki umożliwia większą precyzję zapisu niż na dyskietce. W wyniku czego dysk twardy może zgromadzić o wiele więcej danych niż dyskietka, ma również krótszy czas dostępu do danych i w efekcie szybszy transfer. W 2003 r. dysk twardy w typowym stanowisku pracy mógł zgromadzić od 60 do 500 GB danych, obracać się z prędkością 5400 do 10 000 obrotów na minutę i mieć średnią prędkość przesyłu danych na zewnątrz na poziomie 30 MB/s.

Budowa

 

Dysk stały składa się z zamkniętego w hermetycznej obudowie, wirującego talerza (dysku) lub zespołu talerzy, wykonanych najczęściej ze stopów aluminium, o wypolerowanej powierzchni pokrytej nośnikiem magnetycznym (grubości kilku mikrometrów) oraz z głowic elektromagnetycznych umożliwiających zapis i odczyt danych. Na każdą powierzchnię talerza dysku przypada po jednej głowicy odczytu i zapisu. Głowice są umieszczone na elastycznych ramionach i w stanie spoczynku stykają się z talerzem blisko osi, w czasie pracy unoszą się, a ich odległość nad talerzem jest stabilizowana dzięki sile aerodynamicznej (głowica jest odpychana od talerza podobnie jak skrzydło samolotu unosi samolot) powstałej w wyniku szybkich obrotów talerza. Jest to najpopularniejsze obecnie rozwiązanie (są też inne sposoby prowadzenia głowic nad talerzami).

Ramię głowicy dysku ustawia głowice w odpowiedniej odległości od osi obrotu talerza w celu odczytu lub zapisu danych na odpowiednim cylindrze. Pierwsze konstrukcje były wyposażone w silnik krokowy, stosowane również w stacjach dysków i stacjach dyskietek. Wzrost liczby cylindrów na dysku oraz konieczność zwiększenia szybkości dysków wymusił wprowadzenie innych rozwiązań. Najpopularniejszym obecnie jest tzw. voice coil czyli cewka, wzorowana na układzie magnetodynamicznym stosowanym w głośnikach. Umieszczona w silnym polu magnetycznym cewka porusza się i zajmuje położenie zgodnie z przepływającym przez nią prądem, ustawiając ramię w odpowiedniej pozycji. Dzięki temu czas przejścia między kolejnymi ścieżkami jest nawet krótszy niż 1 milisekunda a przy większych odległościach nie przekracza kilkudziesięciu milisekund. Układ regulujący prądem zmienia natężenie prądu, tak by głowica ustabilizowała jak najszybciej swe położenia w zadanej odległości od środka talerza (nad wyznaczonym cylindrem).

Informacja jest zapisywana na dysk przez przesyłanie strumienia elektromagnetycznego przez antenę albo głowicę zapisującą, która jest bardzo blisko magnetycznie polaryzowalnego materiału, zmieniającego swoją polaryzację (kierunek namagnesowania) wraz ze strumieniem magnetycznym. Informacja może być z powrotem odczytana w odwrotny sposób, gdyż zmienne pole magnetyczne powoduje indukowanie napięcia elektrycznego w cewce głowicy lub zmianę oporu w głowicy magnetyczno oporowej.

Ramiona połączone są zworą i poruszają się razem. Zwora kieruje głowicami promieniowo po talerzach a w miarę rotacji talerzy, daje każdej głowicy dostęp do całości jej talerza.

Zintegrowana elektronika kontroluje ruch zwory, obroty dysku, oraz przygotowuje odczyty i zapisy na rozkaz od kontrolera dysku. Niektóre nowoczesne układy elektroniczne są zdolne do skutecznego szeregowania odczytów i zapisów na przestrzeni dysku oraz do remapowania sektorów dysku, które zawiodły.

Szczelna obudowa chroni części napędu od pyłu, pary wodnej, i innych źródeł zanieczyszczenia. Jakiekolwiek zanieczyszczenie głowic lub talerzy może doprowadzić do uszkodzenia głowicy (head crash), awarii dysku, w której głowica uszkadza talerz, ścierając cienką warstwę magnetyczną. Awarie głowicy mogą również być spowodowane przez błąd elektroniczny, zużycie i zniszczenie, błędy produkcyjne dysku.

Sposoby adresowania danych na dysku

Znani producenci

:::

Jak działa dysk twardy

Era komputerów niesie za sobą ciągłe postępy technologiczne. Dziś już nie dziwią nikogo wielotomowe encyklopedie przechowywane na jednym, małym krążku CD. Oprócz krążków, do przechowywania danych stosuje się dyskietki, a przede wszystkim twarde dyski. Dysk twardy (Hard Disk Drive) jest podstawowym rodzajem pamięci masowej służącym do długotrwałego i dynamicznego przechowywania danych. To na nim - oprócz danych - znajduje się system operacyjny, czy też wszystkie zainstalowane programy. Idąc dalej, twardy dysk wykorzystywany jest jako medium pliku wymiany. Kiedy w pamięci operacyjnej zabraknie wolnego miejsca jej zadanie spoczywa na dysku twardym.

Choć jego wydajność jest wiele razy mniejsza, niż przy użyciu pamięci, często ratuje on stabilność całego komputera. Obecnie dyski twarde produkowane są przez wielu producentów na całym świecie. Wprowadzają oni do swoich wyrobów nowe konstrukcje, nowe elementy. Wszystko po to, aby dyski pracowały szybciej i ciszej przy jednocześnie wyższej wydajności. Oprócz tego, nowsze dyski mogą pomieścić większą ilość danych. Jednak, na rzeczywistą wydajność dysku twardego wpływa wiele czynników, zarówno w fizycznej budowie dysku, jak i komputera, w którym on się znajduje. Aby przekonać się o tym, jak ważnym elementem każdego systemu jest dysk twardy, musimy poznać jego budowę. Otóż, nie od razu dysk zbudowano :) Aby dzisiejsze modele mogły charakteryzować się takimi parametrami, jakie posiadają, konieczna była ewolucja tych produktów. Pierwsze egzemplarze charakteryzowały się bardzo dużymi rozmiarami. Jeszcze niecałe dziesięć lat temu produkowane były dyski, w których rozmiary obudowy wielokrotnie przekraczały wielkość urządzeń dziś dostępnych. Co więcej, ich pojemność ewoluowała w granicach 50 - 300 MB. Zapewne wielu użytkowników komputerów pamięta jeszcze tak bliskie czasy, kiedy padały kolejne rekordy pojemności danych. Przełomem był dysk twardy o rozmiarze 1 GB. Potem jak grzyby po deszczu na rynku pojawiały się coraz to bardziej pojemne modele. I tak jest do dziś. Ale dyski twarde nie różnią się jedynie pojemnością. Przede wszystkim charakteryzuje je rodzaj zastosowanego interfejsu, prędkości obrotowej talerzy, czy też wielkość obecnego bufora. Jeżeli chcecie dowiedzieć się czegoś więcej o wnętrzu dysku twardego, zapraszamy do przeczytania dalszej części tego artykułu.

:::

Konstrukcja mechaniczna dysku jest bardzo prosta. Dyski są zamknięte w hermetycznej, zwykle aluminiowej obudowie. Obudowa może być pokryta z zewnątrz miękką warstwą zabezpieczającą, która zapobiega uszkodzeniom urządzenia w trakcie eksploatacji, wytłumiając jego wszelkie wstrząsy. W środku znajduje się jeden lub kilka płaskich talerzy aluminiowych zamocowanych na jednej wspólnej osi w niewielkich odstępach. Talerze te pokryte są cienką warstwą magnetyczną. W warstwie tej - podobnie zresztą jak w magnesach - obecne są domeny ferromagnetyczne.


Oś dysku napędzana jest silniczkiem obecnym we wnętrzu obudowy. Jego możliwości wydatnie wpływają na szybkość pracy dysku. W celu uzyskania większej prędkości obrotowej konieczne są szybkie silniki i o wiele trwalsze elementy mechaniczne, a zwłaszcza talerze i łożyska. Niektórzy producenci, jak na przykład Seagate w swojej ostatniej rodzinie dysków Barracuda III, wykorzystali łożyska z cieczą (olejem). Są one o wiele trwalsze od tradycyjnych rozwiązań i likwidują hałas powstający podczas obracania talerzy. Dziś produkowane są dyski pracujące z prędkościami obrotowymi w zakresie 3 600 - 10 000 obrotów na minutę. Pomiędzy talerzami wsunięte są ruchome i dwustronne ramiona, które na swoich końcach mają zamontowane niewielkie głowice zapisująco-odczytujące. Nie dotykają one powierzchni talerza, a odstęp między nimi a talerzami jest niewiele większy od średnicy ludzkiego włosa. Głowice na końcu posiadają zainstalowany elektromagnes. Podczas pracy nie uderzają o powierzchnię talerzy. Możliwe jest to dzięki poduszce powietrznej, która wytwarza się na skutek ruchu obrotowego talerzy. Ramiona podlegają tzw. aktywatorom, czyli silnikom krokowym. Dzięki nim, wraz z głowicami mogą przesuwać się bardzo blisko powierzchni talerzy. We wnętrzu znajduje się również elektronika, która ma za zadanie kierować pracą dysku, wydawać mu odpowiednie rozkazy i polecenia, a przede wszystkim przetwarzać odczytane dane na postać zrozumiałą dla komputera. Jedynymi gniazdami obecnymi na dysku są: złącze zasilania oraz gniazdo IDE lub SCSII, za pomocą którego podłączymy dysk do komputera.

Elektronika również wpływa na wydajność urządzenia. Ważnym czynnikiem jest pojemność bufora, czyli pamięci podręcznej (cache). Taki bufor jest niezbędny, gdyż dostęp do danych znajdujących się na talerzach nie zawsze jest natychmiastowy. Po wysłaniu odpowiedniego impulsu, napęd musi ustawić w odpowiedniej pozycji głowicę odczytującą oraz zaczekać, aż interesujące nas dane znajdą się w jej zasięgu. Pewnym standardem obowiązującym dzisiaj jest bufor o pojemności 512 KB. Jednak, wielu producentów, jak na przykład Quantum, który zdecydował się zastosować w swoich produktach z serii Atlas 10K II bufor o pojemności aż 4 MB!

:::

:::

Aby przygotować nowy dysk do pracy, należy poddać go procesowi formatowania. W procesie tym tworzone są na dysku ścieżki zapisu. Są to logiczne obszary na magnetycznym talerzu.


Ścieżki podzielone są na sektory, które stanowią najmniejszą fizyczną jednostkę przechowywania danych. Wszystkie sektory znajdujące się na dysku mają ten sam rozmiar. Najczęściej jest to 512 bajtów. Sektory tworzone są jeszcze w fabryce, podczas procesu formatowania niskiego poziomu. W starszych dyskach twardych liczba sektorów na każdej ścieżce była identyczna. W nowych urządzeniach stosuje się gęstszy podział na sektory w miejscach oddalonych od wnętrza dysku. Sektory są częścią większych struktur, tak zwanych klastrów. Klaster, czyli inaczej jednostka alokacji jest wartością logiczną, więc nie znajduje się fizycznie na dysku. Jego rozmiar można różnie zdefiniować, w zakresie od 512 bajtów do 64 kilobajtów. Zależy to w znacznej mierze od posiadanego systemu operacyjnego. Do nietypowych przypadków należy Windows NT, który umożliwia tworzenie klastrów o wielkości 256 KB. Na zapisanym dysku istnieje tak zwana tablica FAT (File Alocation Table). Zawiera ona informacje o położeniu klastrów, do których odwołuje się system operacyjny. Również adresuje je. Każdy znajdujący się na dysku plik zajmuje jeden lub kilka klastrów. Jednak, w jednym klastrze może być przechowywany tylko jeden plik lub jego część. Gdy rozmiar pliku jest mniejszy niż rozmiar klastra, zajmuje on cały klaster, a niewykorzystane miejsce marnuje się.


Tablica FAT16 potrafi zaadresować jedynie 65 536 klastrów, więc ze wzrostem pojemności dysku rośnie wielkość klastra. Barierą FAT16 jest granica wyznaczona przez 2 GB. Dlatego, dobrze jest mieć na dysku mniejsze jednostki alokacji. W pojemnych dyskach twardych stosuje się tablicę FAT32. Systemy stosujące tą tablicę to na przykład Windows 95/98/ME, czy też Windows NT. Istnieje jeszcze jedna wartość strukturalna. Stanowi ją cylinder. Jest to przekrój przez oznaczone tymi samymi numerami ścieżki na obrotowych talerzach dysku twardego. Są one wyznaczane przez pozycje, jakie może przyjąć głowica odczytująca, pracująca tuż nad talerzami. Liczba cylindrów zależna jest od rodzaju dysków twardych. Może wynosić od 615 do kilku tysięcy.

:::