Pamięci dyskowe – dysk twardy.
Historia
Dzisiejsze dyski twarde są "dalekimi krewnymi" pamięci bębnowych. Pierwszym seryjnie produkowanym komputerem wyposażonym w tego rodzaju pamięć był Ferranti Mark I z 1951 roku. Dane przechowywane były na pamięci bębnowej o pojemności 650 000 bitów. Komputer zajmował dwie pięciometrowe szafy i jak na tamte czasy pracował z dużą szybkością. Proste operacje arytmetyczne przeprowadzał w milisekundowym czasie. Wykorzystywany był głównie przy projektach naukowo-badawczych oraz przez rząd Stanów Zjednoczonych.
Pierwszy w historii twardy dysk pojawił się w 1957 roku. Wtedy to firma IBM zaprezentowała urządzenie o nazwie RAMAC 350 (Random Access Method of Accounting and Control).Złożony z pięćdziesięciu 24-calowych dysków zespół miał pojemność 5 MB. RAMAC był nie tylko szybszy, ale i pojemniejszy od dotychczasowych rozwiązań opartych na pamięciach bębnowych.
Wzorem dla dzisiejszych dysków twardych były wypuszczone w latach siedemdziesiątych, przez firmę IBM, tzw. Winchestery. Pamięć w tych dyskach była rozłożona 2x30MB. Z tego układu powstała przez analogię do wymiarów gwintu słynnego karabinu, nazwa serii. Talerze tych dysków miały średnicę 14-cali, głowice poruszały się na poduszce powietrznej w odległości zaledwie 17 mikrocali (około 0,4 mm) od powierzchni nośnika, a wszystkie talerze były umieszczone na wspólnej osi (tzw. wrzecionie dysku). Model 3340 był protoplastą - pod względem konstrukcyjnym - dzisiejszych dysków twardych.
O ile rola dysków twardych jest oczywista (przechowywanie danych), o tyle jego budowa i działanie nie. Wobec tego starał się będę po krótce opisać jego budowę.
Dyski twarde działają w zasadzie tak jak dyskietki. Wewnątrz każdego dysku znajduje się kilka ułożonych jeden nad drugim talerzy. Na nich to właśnie komputer zapisuje wszystkie informacje w sposób trwały, co oznacza, że po wyłączeniu komputera i ponownym jego uruchomieniu, dane znajdują się tam, gdzie były zapisane. Talerze dysku twardego umieszczone są w specjalnej obudowie, chroniącej wnętrze przed kurzem i innymi zanieczyszczeniami, a za pomocą specjalnego silnika są obracane od 3000 do 8000 i więcej razy na minutę.
Na powierzchni poszczególnych talerzy znajdują się głowice odczytująco/zapisujące. W czasie spoczynku są one umieszczane na powierzchni dysku w wydzielonym obszarze (tzw. landing zone), gdzie nie są zapisane żadne dane. Operacja ta jest określana jako parkowanie głowic. Dzięki niej możliwe jest uniknięcie ich uszkodzenia podczas transportu napędu. Kiedy jednak uruchomimy komputer, a talerze dysku zaczną się obracać, głowice Gdy ma dojść do zapisania na dysku plików, głowice odczytująco/zapisujące wytwarzają pole elektromagnetyczne, które obejmuje również obszar dysków. Przy użyciu pola modyfikowana jest magnetyczna polaryzacja powierzchni talerzy.
Wykorzystuje się to zjawisko do zapisu informacji na dysku. Wszystkie znaki, jakie wprowadzany z klawiatury, są zamieniane na kod binarny. Każdy znak to szereg pojedynczych wartości zer i jedynek, a każda wartość to jeden bit. Bity te są z kolei zamieniane na impulsy elektryczne i docierają do głowicy odczytująco/zapisującej, a ta z kolei wytwarza pole elektromagnetyczne w danym miejscu na dysku i zmienia jego stan polaryzacji. Odczyt informacji odbywa się odwrotną drogą.
Podczas wyszukiwania danych na dysku dużą rolę odgrywa kontroler napędu. Kontroler jest to jednostka, służąca do sterowania pracą dysku i to właśnie on decyduje, kiedy mają zostać zapisane lub odczytane dane. Wszystkie operacje odczytu lub zapisu wymagają czasu, ponieważ głowica musi najpierw odnaleźć właściwe miejsce na dysku. W dyskach stosuje się wobec tego tzw. pamięć podręczną (cache memory) i to właśnie kontroler zajmuje się m.in. jej wykorzystaniem. Do obowiązków kontrolera należy również przetwarzanie poleceń przesyłanych do dysku oraz sterowanie transferem danych z i do pamięci operacyjnej. Mamy do wyboru dwa kontrolery: EIDE (starszy, wolniejszy ale i tańszy) oraz SCSI (szybszy, mogący obsługiwać dużo dysków, ale za to droższy).
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 PRL
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.
