Pevný disk

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Vnitřek disku: blíže lze vidět čtecí a zápisovou hlavu s ramenem, ve vzdálenější části je patrný kotouč horní plotny s hřídelí hnacího motoru ve středu

Pevný disk (zkratka HDD, anglicky Hard Disk Drive) je zařízení, které se používá v počítačích a ve spotřební elektronice (např. videorekordéry) k dočasnému nebo trvalému uchovávání většího množství dat pomocí magnetické indukce. První komerční pevné disky se objevily v roce 1956, nejprve pro sálové počítače. Předchůdcem pevných disků je magnetická páskamagnetický buben. Jejich současnými největšími konkurenty jsou SSDUSB flash disk, které využívají nevolatilní (stálé) flash paměti.

Označení „pevný disk“ se v češtině uchytilo jako obecný pojem a obsahuje i SSD úložiště a další typy nemagnetických pamětí.

Charakteristika[editovat | editovat zdroj]

Hlavním důvodem velkého rozšíření pevných disků je velmi výhodný poměr kapacity a ceny disku doprovázený dostatečnou rychlostí čtení a zápisu dat. Hlavní nevýhodou je mechanické řešení, které má vysokou spotřebu elektrické energie, je náchylné na poškození při nešetrném zacházení (otřesy nebo náraz při zápisu/čtení dat; v offline stavu je odolný do 350 G) a vyšší hmotnost.

Data jsou na disku uložena pomocí zmagnetizování míst na magneticky měkkém materiálu[1], které se provádí pomocí cívky a elektrického proudu, přičemž se používají různé technologie záznamu a kódování uložených dat. Čtení je realizováno také pomocí hlavy, ve které se při pohybu nad různě orientovanými zmagnetizovanými místy indukuje elektrický proud. Zaznamenaná data jsou v magnetické vrstvě uchována i při odpojení disku od zdroje elektrického proudu.

Technický popis[editovat | editovat zdroj]

Diskové plotny[editovat | editovat zdroj]

Krokový motor pohánějící plotny disku

Data jsou na pevném disku uložena pomocí magnetického záznamu. Disk obsahuje kovové nebo keramické desky – tzv. plotny, pokryté tenkou magneticky měkkou vrstvou (viz hysterezní křivka). Hustota datového záznamu se udává jako počet bitů na měrnou jednotku plochy disku (bitů/palec², bitů/mm²). Plotny jsou neohebné (odtud pevný disk), na rozdíl od ohebných ploten v disketách (anglicky floppy disk). Ploten bývá v dnešních discích obvykle několik ( nejčastěji 1 až 5, ale i 12). Disk se otáčí na tzv. vřetenu poháněném elektromotorem. Standardní 3,5″ disky mají až 4 plotny a 8 hlav pro čtení a zapisování dat (po jedné hlavě z obou stran plotny). Disky s nejmenší kapacitou mají obvykle pouze jednu plotnu, která je navíc použita jen z jedné strany.

Plotny se rychle otáčejí (udává se počet otáček za minutu). V běžných discích plotny rotují rychlostí 7 200 ot/min, vyšší třída disků do pracovních stanic se točí rychlostí 10 000 ot./min a u některých serverových disků i 15 000 ot./min. Opačnou stranou jsou takzvané „zelené disky“ otáčející se rychlostí jen 5 400 ot./min. Jejich využití se nalézá tam, kde je přednější nižší spotřeba, nižší teplota a nižší hluk na úkor nižšího výkonu (např. HTPC). Disky v noteboocích mají nejčastěji 5 400 ot./min, existují ovšem i notebookové modely otáčející se rychlostí 7 200 ot./min, jakožto modely používající pouze 4 200 ot./min, to jsou nejčastěji buď velmi staré disky nebo moderní se specializovaným použitím např. ve videokamerách s fyzickými rozměry menšími než klasické notebookové disky.

Při 7 200 ot./min je obvodová rychlost plotny přes 100 km/h (pro 3,5 palcový disk). Otáčky disku společně s hustotou záznamu a rychlostí vystavovacího mechanismu určují celkový výkon disku. Čím rychleji se plotny otáčí tím víc na ně působí odstředivá síla a proto se někteří výrobci u disků s 10–15000 ot./min uchylují k 2,5" verzím, kde je síla menší, a tak jsou materiály méně namáhány. Průměry ploten u 3,5" HDD jsou standardně 9,5cm; ale mohou být u serverových disků 6,5cm i 7cm a 8,4cm. Plotny se liší i svojí sílou (výškou), od cca 0,4mm po 2,0mm.

První disky sálových počítačů měly průměr 14 palců. V současné době mají standardně disky ve stolních PC plotny o průměru 3,5 palce (tj. 8,9 cm nebo u některých disků 9,5 cm), v noteboocích jsou menší varianty 2,5", které mají otáčky podle použití notebooku a používají se hlavně kvůli velikosti a spotřebě (díky menším plotnám je potřeba motor, který spotřebuje méně proudu). Malý disk Microdrive vyvinutý firmou IBM a používaný ve spotřební elektronice využívá 1" plotny. Ve starších typech počítačů PC XT byly disky s plotnami o průměru 5,25".

Hlavy[editovat | editovat zdroj]

Demontovaný starý disk. Všimněte si vychylovací mechaniky.

Čtení a zápis dat na magnetickou vrstvu zajišťuje čtecí a zápisová hlava (vpravo). Dříve se na čtení používaly magnetodynamické hlavy, nyní se používá krystal měnící vodivost podle mag. pole. Na jednu plotnu jsou dvě hlavy, protože jsou data z obou stran, strana plotny, na které je magnetický záznam, se nazývá povrch. Hlava „plave“ na vzduchovém polštáři těsně nad povrchem, ve vzdálenosti řádově mikrometrů (10−6m).

Zařízení, které vystavuje čtecí hlavy na správnou pozici nad povrchem se nazývá vystavovací mechanismus. Ve starších discích (viz fotografie) byl pro vystavování hlav použit přesný krokový motor. Ten se „odvaluje“ za pomocí ocelového pásku po „patce“, která je spojena s hlavami. V novějších discích se používá rychlejšího lineárního motoru (elektromagnetu), hlavy se vystavují v závislosti na el. proudu, který protéká elektromagnetem s nimi spojeným a uloženým v silném magnetickém poli jiného permanentního magnetu. Princip pohybu je u tohoto uspořádání stejný jako u membrány reproduktoru. Navíc dochází k samočinnému zaparkování do klidové polohy po přerušení napájení. Z pevných disků se tedy dají demontovat velmi silné a křehké magnety ze slitin neodymu (Nd2Fe14B), gadolinia aj.

Operace nutné pro čtení nebo zápisu dat:

  1. vystavit čtecí hlavu na správnou pozici,
  2. vyčkat na utlumení rozkmitu způsobeném setrvačností hlav (vystavení trvá řádově milisekundy [ms]),
  3. vyčkat na pootočení disku na místo od kterého začne čtení nebo zápis (tzv. latence).

Průměrný (střední) čas, za který je disk připraven číst nebo zapisovat data, se označuje jako přístupová doba. V současné době je okolo 8,5 ms, u disků s 15 000 ot./min je to pod 4 ms.

Při vystavení hlav na požadovanou pozici je možné číst a zapisovat data na všech površích bez pohybu hlav (pro vyšší výkon disku jsou také data takto organizována, viz kapitola Organizace dat).

Hlava staršího disku
Vystavovací mechanismus moderního disku

Organizace dat[editovat | editovat zdroj]

Data jsou na povrchu pevného disku organizována do soustředných kružnic zvaných stopy, každá stopa obsahuje pevný anebo proměnný počet sektorů z důvodu efektivnějšího využití povrchu - povrch je většinou rozdělen do několika zón, každá zóna má různý počet sektorů na stopu. Sektor je nejmenší adresovatelnou jednotkou disku, má pevnou délku (donedávna 512 byte na sektor, nyní by se již po domluvě výrobců měly vyrábět disky s 4 KB na sektor). Pokud disk obsahuje více povrchů, všechny stopy, které jsou přístupné bez pohybu čtecí hlavičky se nazývají cylinder (válec). Uspořádání stop, povrchů a sektorů se nazývá geometrie disku.

Adresa fyzického sektoru na disku se skládá z čísla stopy (cylindru), čísla povrchu a čísla sektoru.

Pro přístup k datům disku se používá starší metoda adresace disku Cylindr-Hlava-Sektor (zkráceně CHS), která disk adresuje podle jeho geometrie – odtud název CHS - Cylinder (cylindr), Head (hlava), Sector (sektor). Hlavní nevýhodou je u osobních počítačů IBM PC omezená kapacita takto adresovaného disku (8GB) a nutnost znát geometrii disku. U disků vyšších kapacit na rozhraní ATA, již neodpovídá zdánlivá geometrie disku skutečné fyzické implementaci.

Novější metoda pro adresaci disku se u rozhraní ATA označuje jako LBA (anglicky Logical Block Addressing), sektory se číslují lineárně. Není třeba znát geometrii disku, max. kapacita disku je až 144 PB (144 miliónů GB). Rozhraní SCSI používá lineární číslování sektorů disku již od své první verze. Ostatní novější rozhraní již převážně metodu jako je LBA používají.

Pevný disk může být rozdělen na diskové oddíly, takže je logicky rozčleněn na více menších částí, se kterými operační systém pracuje tak, jakoby to byly samostatné disky. Alternativou k diskovým oddílům je LVM.

Pro zvýšení bezpečnosti uložených dat se zejména v serverech používá technologie RAID (dříve Redundant Array of Inexpensive Disks, dnes spíše Redundant Array of Independent Disks - pole nezávislých disků s redundancí). RAID umožňuje spojit několik fyzických disků v jeden logický disk, kde je jeden nebo více disků redundantních a data jsou stále dostupná i v případě, že jeden z disků v poli selže. Existuje více typů RAIDu od zvýšení rychlosti a odezvy (spojení více HDD do jednoho) až k bezpečnosti/záloze dat (zrcadlení disků nebo prokládání či rozprostření uložených dat).

Zacházení[editovat | editovat zdroj]

Protože pevné disky obsahují pohyblivé mechanické součásti, jsou náchylnější k poruchám než jiné součásti počítače. Zvláště s běžícími disky je třeba zacházet velmi opatrně. Při mechanickém rázu (impulsu síly) se může čtecí hlava dotknout povrchu plotny, jejíž záznamová vrstva je velice citlivá na mechanické poškození a proto se poškozená oblast stane nečitelnou a data či celý disk jsou zničena.

Částečnou ochranou proti nárazu hlaviček do povrchu disku je tzv. parkování čtecích hlav. Při vypnutí disku se automaticky uloží hlavy mimo datovou oblast. Dnes se hlavy parkují na plastové ližiny a tak díky tomu nedochází ke kontaktu s plotnou. Hlavně 2,5" disky umějí zjistit, jestli nedošlo k rychlému pohybu (přes pohybové čidlo) a tak se snaží rychle posunout čtecí hlavy do parkovací polohy.

Rozhraní pevných disků[editovat | editovat zdroj]

Pro připojení pevných disků k počítači jsou používána různá rozhraní.

V osobních počítačích bývalo nejrozšířenějším rozhraní ATA (Advanced Technology Attachment, což je v podstatě synonymum názvu IDE Integrated Drive Electronics a pro lepší odlišení se dnes označuje též jako PATA). ATA rozhraní je relativně jednoduché a tedy i levné. ATA rozhraní má maximální teoretickou přenosovou rychlost okolo 1 Gb/s = 133 MB/s (prakticky zhruba poloviční). Při připojení jednoho disku je rychlost dostačující, protože pevný disk dokáže pracovat s datovým tokem až 640 Mb/s = 80 MB/s. Na jeden ATA kabel je ovšem možné připojit dva disky, takže se rychlost ATA rozhraní rozděluje.

Sériové rozhraní SATA (Serial ATA) je nástupcem klasického ATA (retroaktivně přejmenované na PATA) rozhraní. Výhodou SATA je vyšší rychlost; vyšší inteligence řadiče, umožňující optimalizaci datových přenosů NCQ; možnost připojování disků za chodu systému (tzv. Hot Swap) a menší rozměry kabelů, které nebrání toku vzduchu ve skříni a tedy zlepšují chlazení počítačů. Z hlediska operačního systému je řízení disků pomocí tohoto rozhraní shodné s paralelní ATA.

U komerčních počítačů se pro dosažení vyššího výkonu (především počtu operací za sekundu) používá rozhraní SCSI (čti [skazi], zkratka Small Computer System Interface). Na jedno rozhraní (resp. kabel) je možné připojit více periférií. SCSI navíc podporuje periférie různých typů. Maximální délka propojujícího kabelu je u SCSI obecně větší než u standardu ATA/IDE. SCSI rozhraní je mnohem sofistikovanější než ATA/IDE, což samozřejmě znamená vyšší cenu jak řadičů v počítači, tak i samotných pevných disků, a proto je používáno zejména u serverů a pracovních stanic.

Kromě SCSI se používalo též rozhraní Fibre Channel, který používá pro propojení počítačovou síť. Pro externí disky (umístěné mimo skříň počítače) se používají rozhraní USB (Universal Serial Bus) či FireWire (IEEE 1394) a od roku 2004 i eSATA.

Alternativy[editovat | editovat zdroj]

Solid-state drive (zkratka SSD) je typ datového média, který ukládá data na flash paměť. Na rozdíl od klasických pevných disků neobsahuje pohyblivé mechanické části a má mnohem nižší spotřebu elektrické energie (příkon). SSD emuluje rozhraní používané pro pevné disky (typicky SATA nebo ATA), aby je mohl snadno nahradit. SSD mají výrazně nižší latenci a tím snadno dosahují vyšších rychlostí při čtení, než nabízejí pevné disky.

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. PELOUŠEK, Jakub. Jak pracují pevné disky. Cnews.cz [online]. 2012-03-26 [cit. 2013-09-16]. Dostupné online.  

Související články[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]