Jak dzia a dysk twardy

Jak dzia a dysk twardy
Jak wygl da twardy dysk (ang. HDD Hard Disk Driver) z zewn trz, wie prawie ka dy, nie ka dy jednak wie,
na jakiej zasadzie dzia a ani co znajduje si w rodku, a okre lenia takie jak aktuator nie mówi nic nawet
zaawansowanym u ytkownikom pecetów. W du ym uproszczeniu mo na powiedzie , e HDD to bardziej
zaawansowana stacja dyskietek. Post p poszed w stron przyspieszania pr dko ci pracy oraz zwi kszenia
pojemno ci, niemniej zasada dzia ania pozosta a podobna.
Dyski SCSI
Narrow, szeroko
Pr dko przesy ania danych
Cz stotliwo taktowania magistrali
Maksymalna liczba urz dze na magistral
SCSI-1
SCSI-1, Fast SCSI
SCSI-3, Ultra SCSI
5 MB/s
5MHz
7 + kontroler
10 MB/s
10 MHz
7 + kontroler
20 MB/s
20 MHz
7 + kontroler
Wide, szeroko
Pr dko przesy ania danych
Cz stotliwo taktowania magistrali
Maksymalna liczba urz dze na magistral
magistrali: 8-bit
magistrali: 16-bit
Wide SCSI
UltraWide
SCSI
Ultra-2
Wide SCSI
Ultra-3
Wide SCSI
Ultra320
SCSI
20 MB/s
5 MHz
15 +
kontroler
40 MB/s
10 MHz
15 +
kontroler
80 MB/s
20 MHz
15 +
kontroler
160 MB/s
40 MHz
15 +
kontroler
320 MB/s
80 MHz
15 +
kontroler
Budowa
Ka dy twardy dysk ma obudow . Jest ona hermetyczna, a same dyski sk adane s w pomieszczeniach,
których poziom czysto ci postawiony jest o poprzeczk wy ej ni w szpitalnych salach operacyjnych. Aby
bezpiecznie otworzy i nie uszkodzi popularnego twardziela, musimy dysponowa pomieszczeniem o klasie
czysto ci 1000. oznacza to, e na tysi c cz steczek powietrza przypada tylko jedna cz steczka zanieczyszcze .
Takie pomieszczenia musz mie odpowiednie filtry powietrza, a personel wpuszczany do rodka ubierany jest w
specjaln odzie ochronn . Tylko wtedy mo na zagwarantowa , e delikatny mechanizm dysku nie ulegnie
uszkodzeniu. Do obudowy przytwierdzony jest silnik. To w a nie on odpowiada za nagrzewanie si dysków, a
tak e za ha as generowany przez dysk, równie od
niego zale y pr dko obrotowa talerzy mieszcz cych
dane. Sztuka budowania dobrych nap dów polega na
tym, aby wspomniany silnik by jak najmniejszy, jak
najcichszy i jak najdok adniejszy. Du a cz
elektroniki dysku odpowiada tylko za poprawn prac
tego niezwykle elementu. Pr dko obrotowa jest
bardzo dok adnie kontrolowana. Jest to najwa niejsze
zadanie, od którego zale y sprawny odczyt danych.
Ostatnio dokonano mocno odczuwalnego, dla nas
u ytkowników, post pu w konstrukcji silników.
Klasyczne o yska zast piono w nich specjalnymi
o yskami olejowymi. Spowodowa o to do drastyczny
spadek ha asu generowanego przez dyski, pracuj cy
twardziel sta si praktycznie bezg o ny. Wszystkie
dyski wykorzystuj ce t technologi maj o yska
oznaczone jako FDB. Na osi umieszczone s talerze
dysku twardego. To w a nie na nich zapisane s
wszystkie dane. Same talerze to najcz ciej szklane
b d aluminiowe kr ki pokryte warstw materia u
magnetycznego. Sk ad chemiczny tego materia u to
jeden z najbardziej chronionych sekretów producentów
dysków twardych. Cz sto s yszymy: dysk
dwuipó calowy, trzyipó calowy. To okre lenie odnosi si
do rednicy talerzy zastosowanych w budowie danego
modelu. W zale no ci od konstrukcji, takich talerzy z
danymi mo e by od jednego do dziewi ciu.
Przyk adem jednotalerzowej konstrukcji s pierwsze,
najmniej pojemne modele z danej serii. W chwili
obecnej szczytem techniki s talerze o pojemno ci 40 GB na stron , czyli 80 GB cznie. Wcze niej mo na by o
spotka talerze o pojemno ci 60 GB, 40 GB, 30 GB, 20 GB, 15 GB i 10 GB. To w a nie dlatego nie mo na kupi
nowych dysków o dowolnej pojemno ci, lecz pojemno ci ta narasta skokowo. Jest to podyktowane wzgl dami
czysto technicznymi. Mo na spotka modele o pojemno ci 40 GB, one wykorzystuj tylko jedn stron talerza.
Nap dy 80 GB u ywaj ca ego talerza, 120 GB jeden ca y oraz po ow nast pnego i tak dalej. Dlaczego
producenci wykorzystuj jedne strony talerzy? Otó w procesie produkcyjnym cz sto zdarza si , e z jakich
wzgl dów jedna strona talerza nie spe nia wymogów technicznych, mo e by na przyk ad w jaki sposób
uszkodzona. Odrzucenie takiego produktu wi za oby si z du strat , a tak mo na go jako zagospodarowa .
Czasami zdarza si , e jest to celowy zabieg marketingowy, gdy jest du y popyt na taki model. Wtedy w procesie
produkcji wy cza si jedn stron talerza.
Zapis i odczyt
Za operacje zapisu i odczytu odpowiada specjalna g owica, a w a ciwie zestaw g owic, które s
umieszczone na specjalnym ramieniu. Kiedy by y to bardzo toporne konstrukcje, poruszane zwyk ymi silnikami
krokowymi, g owice przemieszcza y si wtedy po stalowych prowadnicach. W chwili obecnej s to bardzo
zaawansowane technicznie mechanizmy. Jako nap d ramienia g owicy wyst puje blok silnych, sta ych magnesów,
pomi dzy którymi w szczelinie magnetycznej porusza si cewka. Je li przez ow cewk przepu cimy pr , to ona
równie wytworzy pole magnetyczne, które b dzie z kolei oddzia ywa z polem magnesów sta ych. Tak
wytworzona si a elektromagnetyczna porusza ca ym aktuatorem. Zapewnia to bardzo du pr dko i dok adno
skoków ramienia. Pole magnetyczne w szczelinie jest tak du e, e je li wpadnie tam jakie metalowe cia o obce, to
aby je wydoby , trzeba rozebra ca y ustrój magnetyczny. G owice to kolejny strze ony przez producentów sekret
konstrukcji. Znane s w a ciwie tylko ich niewiele mówi ce nazwy i wyja nienia podane przez producentów. Warto
jednak powiedzie , i s one bardzo ma e przewa nie maj wymiary mniejsze ni 1x1 mm. Same g owice nie
dotykaj talerzy. Le na bardzo cienkiej, rz du 1000 cz ci milimetra, poduszce powietrznej wytwarzanej przez
obracaj ce si talerze. Przy obecnych pr dko ciach obrotowych taka g owica dotykaj ca powierzchni talerza
najpierw wytar aby w nim rowek, a nast pnie sama uleg aby zniszczeniu.
Elektronika
Pierwsze dyski twarde by y bardzo prostymi urz dzeniami. D ono do minimalizacji kosztów, a wi c
oszcz dzano tak e na elektronice dysku twardego. Istnia tylko elektryczny interfejs mi dzy kontrolerem i
mechanik dysku. Kontroler nakazywa dyskowi, co ten ma robi , krok po kroku. A do czasu narodzin standardu
IDE. Kiedy kontroler dysku twardego wyst powa w postaci osobnej karty rozszerze . Do takiej karty mo na by o
pod czy tylko jeden dysk, i to najcz ciej jeszcze jaki konkretny model. Dyski by y w a ciwie sprzedawane z
kontrolerami, z którymi mia y pracowa . W tej chwili elektronika przeci tnego dysku twardego jest bardzo
zaawansowana nap dy maj w asne procesory czy pami podr czn . Taki post p umo liwi przerzucanie
kolejnych zada na elektronik dysku. To oznacza szybsze interfejsy danych, wi ksz pewno przesy ania
danych i skrócenie czasu reakcji. Inn nazw dla kontrolerów IDE jest po prostu ATA (ang. AT Atachment
rozszerzenie AT, gdzie AT to rodzina komputerów promowana wtedy przez IBM). Dzi ci ko jest wskaza jedyn
s uszn nazw standardu. Namno y o si ich ca kiem sporo: ATA/ATAPI, EIDE, ATA-2, Fast ATA, ATA-3, Ultra
ATA, Ultra DMA, a tak e wiele innych. Elektronika twardego dysku sk ada si z interfejsu danych, mikroprocesora
steruj cego, zwanego czasem procesorem sygna owym (ang. DSP Digital Signal Procesor), oraz pami ci
podr cznej czy te zwyk ej wykonawczej. Uk ady maj za zadanie kontrol silnika nap dzaj cego talerze, ustalanie
pozycji i ruchu aktuatora, obs ug wszelkich operacji odczytu i zapisu z czym si wi e proces dekodowania i
przetwarzania informacji, zarz dzanie pami ci podr czn oraz wszystkimi mechanizmami poprawy wydajno ci.
Do tego zarz dzaj energi dla ca ego dysku, a tak e obs uguj algorytmy odpowiedzialne za poprawno
przesy anych danych. Sporo tego
Trudne terminy
Aktuator
FDB
IDE
ang. Actuator (si ownik)
ang. Dynamic Bering
mechanizm poruszaj cy ramieniem z g owic .
dynamiczne o ysko p ynowe.
ang. Integrated Driver Electronics
system elektroniki steruj cej zintegrowanej z nap dem dysku.
Jak dba o dysk
Pami tajmy, aby montowa je poziomo b d pionowo. Wtedy na o obrotu talerzy dzia aj najmniejsze
si y. Je li ju przykr camy, róbmy to za pomoc mo liwie du ej liczby wkr tów tak, aby dysk nie móg sam si
przemie ci . rubki zapewniaj tak e odpowiedni docisk dysku do obudowy, co z kolei umo liwi w a ciwe
odprowadzenie ciep a z mocno grzej cego si nap du. Upewnijmy si , e wszystkie z cza s pewnie zapi te. W
komputerach stacjonarnych nie w czajmy opcji oszcz dzania energii dla dysków twardych. Dzi ki temu nie b dzie
on ca y czas zmuszany do w czania i wy czania. Obudowa jest solidna wytrzyma spore obci enia, jednak
dysk jest bardzo wra liwy na pojedyncze mocne uderzenie. Uwa ajmy zatem przy ich przenoszeniu. Pami tajmy o
kopiach bezpiecze stwa wa nych danych. Awaria zawsze przychodzi nieoczekiwanie, a z do wiadczenia
wiadomo, e znakomita wi kszo u ytkowników uje w prze wiadczeniu, e im si to nie zdarzy.
Historia standardów
ATA-1 Tryby przesy ania danych: PIO (Programable Input/Output): tryby 0,1 i 2 (3,3; 5,2 i 8,3 MB/s), DMA
(Direct Memory Access): SingleWord: tryby 0, 1, 2 (2,1; 4,2; 8,3 MB/s); MultiWord: tryb 0 (4,2 MB/s). Jeden kana
kontrolera. Maksymalna liczba urz dze na kana :2.
ATA-2 tryb przesy ania danych takie jak w ATA-1 oraz dodatkowo: PIO tryby 3 i 4 (11 i 16,7 MB/s), DMA:
MultiWord: tryb 1 i 2 (13,3 i 16,7 MB/s). mo liwo stosowania dwóch kana ów kontrolera. Dodano mo liwo
przesy ania danych w blokach (Block Transfers), co poprawi o nieco wydajno . Wprowadzono nowy tryb
adresowania: LBA (ang. Logical Block Addressing) oraz mo liwo wykrywania urz dze przez kontroler,
poprzednio konfiguracje nale a o przeprowadzi r cznie.
ATA-3 jest od wie onym i poprawionym ATA-2, nie wprowadzono w nim adnych zmian co do pr dko ci i
trybów przesy ania danych. Sugerowano wprowadzenie nowego trybu PIO: Mode 5, ale sko czy o si na
nielicznych implementacjach w niektórych BIOS-ach. Poprawiono za to spójno przesy anych danych.
Wprowadzono tryb autoanalizy sprawno ci pod czonych urz dze : SMART (ang. Self-Monitoring Analysis and
Reporting Technology). Oraz mo liwo zabezpieczenia urz dzenia has em.
ATAPI (SFF-8020, ang. ATA Packet Interface) rozszerzenie protoko u ATA o obs ug dodatkowych urz dze
peryferyjnych, takich jak: CD-ROM-y, strreamery, nap dy wymiennych dysków.
ATA/ATAPI-4 (cz sto nazwyany Ultra ATA/33) tryby przesy ania danych takie jak w ATA-3 oraz dodatkowo
DMA: Ultra DMA: tryby 0, 1, 2 (16,7; 25,0; 33,3 MB/s). wprowadzono mo liwo stosowania nowego 80- y owego
kabla sygna owego, który zostanie wykorzystany dopiero w przysz ej specyfikacji przy wy szych trybach transferu
danych. Dodano algorytmy korekcji b dów CRC (ang. Cyclical Redudancy Checking) do wykorzystania przy
wy szych trybach transferu danych. Zdefiniowano nowe zaawansowane komendy, a tak e ogólnie
uporz dkowano protokó .
ATA/ATAPI-5 tryby przesy ania danych takie jak w ATA/ATAPI-4 oraz dodatkowo DMA: Ultra DMA: tryby 3 i 4
(44,4; 66,6 MB/s). Wprowadzono konieczno stosowania nowego kabla sygna owego, aby zapewni bezb dn i
stabiln prac w nowych trybach przesy ania danych. Dodano kilka nowych oraz usuni to kilka starych komend w
protokole.
ATA/ATAPI-6 tryby przesy ania danych takie jak w ATA/ATAPI-5 oraz dodatkowo DMA: Ultra DMA: tryb 5 (100
MB/s). Rozpatrywano wprowadzenie nowego trybu adresowania, aby omin barier 28-bitowego adresowania
sektorów (Limit 137 GB). Jednak sko czy o si tylko na planach. Zmiany wprowadzono dopiero w nast pnej
specyfikacji protoko u. Wprowadzono za to mo liwo redukowania ha asu generowanego przez dysk (ang.
Acoustic Mangement) poprzez zmniejszanie obrotów talerzy.
ATA/ATAPI-7 tryby przesy ania danych takie jak w ATA/ATAPI-6 plus DMA: Ultra DMA: tryb 6 (133,3 MB/s).
wprowadzono nowy, 48-bitowy tryb adresowania sektorów, co pozwoli o omin barier 137GB.
Serial ATA (SATA 1.0) transfer do 150 MB/s. Tylko po czenia typu Point2Point. Jedno urz dzenie na jeden
kana kontrolera. Mo liwo przy czania urz dze w czasie pracy.