Pevný disk

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání
Vnitřek disku: v popředí je výkyvné rameno se čtecí a zápisovou hlavu, v pozadí kotouč horní plotny s hřídelí hnacího motoru uprostřed
Disková paměť IBM 350 z roku 1957 (3,7 MB)
"Anatomie" pevného disku. Nahoře zleva hlavy, víko a kovové tělo. Vlevo dole je řídící elektronika a pohyblivé raménko se čtecími/záznamovými hlavami, vpravo dole sestava vřetene, motoru a ploten.

Pevný disk (zkratka HDD, anglicky Hard Disk Drive) je elektromechanické zařízení pro záznam a čtení adresovatelných dat, paměť o velké kapacitě a s pomalejším přístupem než operační paměť. Používá se v počítačích jako sekundární a záložní paměť a ve spotřební elektronice (např. videorekordéry) k dočasnému nebo trvalému uchovávání většího množství dat pomocí magnetické indukce. Skládá se z pohonu a vřetene, na něž je navlečeno 1 až 10 kruhových desek s magnetickým povrchem, který zapisují a snímají pohyblivé hlavy, zpravidla po jedné na každý povrch.

Předchůdcem pevných disků byla magnetická páskamagnetický buben. První komerční pevné disky se objevily v roce 1956, nejprve pro sálové počítače. Díky stále důmyslnějším technologiím se parametry pevných disků za 50 let zlepšily o 3 až 8 řádů, tento trend se však od roku 2010 patrně zpomaluje, protože disky se blíží hranici fyzikálních možností. Jejich největším konkurentem jsou polovodičové paměti SSD, které neobsahují žádné pohyblivé součásti. Jsou menší, úspornější, podstatně rychlejší a patrně i spolehlivější, a přitom také nonvolatilní (ani při vypnutí napájení se záznam neztratí) jako paměti magnetické.

Označení „pevný disk“ se v běžné řeči často užívá v širokém slova smyslu, takže může zahrnovat i SSD úložiště a další druhy nemagnetických pamětí, pokud plní stejnou funkci a pro software se jeví jako vnější paměťové zařízení, které se dá adresovat.

Charakteristika[editovat | editovat zdroj]

Typické parametry (2018)[editovat | editovat zdroj]

  • Kapacita – 0,5 až 15 TB (= 1012, bilion byte)
  • Přístupová doba – několik ms (od 4 ms, obvykle 8 ms, lacinější přes 10 ms)
  • Rychlost otáčení – lacinější 5400, obvykle 7200, rychlejší 10 až 15 tisíc otáček za minutu
  • Přenosová rychlost – desítky MB/s (náhodný přístup), přes 200 MB/s (sekvenční čtení)
  • RAM cache – 512 KB až 32 MB RAM
  • Cena – od asi 500 Kč 

Vlastnosti[editovat | editovat zdroj]

Hlavními důvody velkého rozšíření pevných disků byla velká kapacita, poměrně rychlý přístup, spolehlivost a skutečnost, že záznam nevyžaduje trvalé napájení a přitom - na rozdíl od magnetické pásky - umožňuje přímý přístup k jednotlivým blokům záznamu. Navíc má výhodný poměr kapacity a ceny disku i dostatečnou rychlost čtení a zápisu dat. Hlavní nevýhodou je mechanické řešení, které je technologicky náročné, má větší spotřebu elektrické energie, vyšší hmotnost a je náchylné na poškození při nešetrném zacházení (prach, vlhkost, otřesy nebo náraz při zápisu/čtení dat).

Data jsou na disku uložena jako zmagnetizovaná místa na magneticky tvrdším materiálu záznamové vrstvy.[1] Záznam provádějí záznamové a čtecí hlavy, obvody z magneticky měkkého materiálu s cívkou a mezerou, podobně jako u páskového magnetofonu. Tatáž hlava slouží i ke čtení, kdy se pohybem zmagnetizovaných bodů na záznamové vrstvě indukuje v cívce elektrický proud. Hustota záznamu může být tím větší, čím užší je mezera a čím blíž je povrch hlavy k záznamové vrstvě.

Záznamové desky (plotny) přitom nelze vyrobit tak, aby ve směru osy vůbec "neházely", čili aby jejich povrchy byly dokonale rovinné a kolmé na osu otáčení. Proto se konstruktéři dlouho drželi magnetických bubnů, jejichž povrch může mít menší házivost. Hlavy tak mohou být blíž k povrchu, což umožňuje vyšší hustotu záznamu. Mají ovšem jen jeden povrch, a tudíž i malou kapacitu. Konstrukci disků umožnil teprve vynález plovoucích hlav, které pružina přitlačuje k povrchu poměrně značnou silou a potřebný odstup udržuje proud vzduchu mezi rotujícím povrchem a hlavou. Přitom se používají různé technologie záznamu a různá kódování uložených dat.

Zaznamenaná data se v magnetické vrstvě uchovají i při odpojení disku od zdroje elektrického proudu.

Historie pevných (mechanických) disků[editovat | editovat zdroj]

Zlepšení parametrů disků
Parametr V roce 1956 V roce 2017 Poměr
Kapacita
(formátovaná)
3.75 MB 14 TB[2] 3,73×106[3]
Objem 1,9 m3 34 cm3 56 000
Hmotnost 910 kg 62 g 15 000
Přístup asi 600 ms 2.5 až 10 ms asi 200
Cena USD 9 200 za MB (1961) USD 0,032 za GB (2015) [4] 3×108
Hustota dat 31,25 bit/mm2 [5] 20,3 GB/mm2 (2015) 6,5×108
Poruchovost ~2000 hodin MTBF ~2 500 000 hod MTBF[6] 1250

Tabulka vpravo ukazuje, jak se parametry disků zlepšily za necelých 60 let. Prvním diskovým systémem byl IBM 350 RAMAC z roku 1956, který měl na 50 plotnách o průměru 61 cm kapacitu 3,75 MB dat. Roku 1962 se objevil disk IBM 1311 s výměnnými svazky o kapacitě 2 MB a roku 1973 model IBM 3340, přezdívaný Winchester, s kapacitou až 70 MB. Nejstarší disky měly velice složitý vystavovací mechanismus, u IBM 350 se dvojice hlav navíc ještě přesouvala svisle a obsluhovala všech 50 ploten. U disků s výměnným svazkem se hlavičky pohybovaly v přímce po poloměru ploten do středu, což bylo technologicky i energeticky náročné.

S prvními přenosnými počítači bylo nutné zmenšit rozměry disků a s nástupem počítačů napájených z baterií také jejich energetickou náročnost. K tomu výrazně přispěl zjednodušený vystavovací mechanismus: plotny nejsou výměnné a místo lineárního pohybu ke středu byly hlavy umístěny na výkyvném raménku, které se otáčí kolem osy. Na jednodušší připojení se zaměřila firma Seagate a vyvinula diskové rozhraní ST-506/412, které se stalo standardem pro výrobce disků ve své době. První 2,5" disk vyvinula společnost PrairieTek v roce 1988 a měl kapacitu 20 MB. Tato velikost disků se stala standardem v oblasti stolních počítačů. IBM se vrátila do hry v oblasti disků pro osobní počítače v roce 1999 s modelem Microdrive o kapacitě 170 MB. Záhy však tento segment opustila a prodala jej japonské společnosti Hitachi. Postupně tak vstoupily na trh kromě Seagate také firmy Western Digital, Toshiba a další s disky s paralelním rozhraním PATA a později sériovým SATA.

Nároky na kapacitu disků prudce vzrostly, když se na ně vedle textů začaly ukládat obrázky a akustické záznamy, kdežto filmy a hry si vynutily i daleko vyšší přenosové rychlosti. Rychlost otáčení se zvyšovala od 5400 přes 7200 a 10 000 až k 15 000 otáček za minutu, kdy už odstředivé síly působí velké potíže. Tyto rychlé disky byly původně určeny pro podnikové servery, ale díky jejich skvělým vlastnostem a cenové dostupnosti si je pořizovali i milovníci počítačových her.

Technický popis[editovat | editovat zdroj]

Diskové plotny[editovat | editovat zdroj]

Krokový motor pohánějící plotny disku

Data jsou na pevném disku uložena v podobě magnetického záznamu. Disk tvoří kovové nebo keramické desky – tzv. plotny, pokryté tenkou magneticky tvrdší 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). Plotna bývá v dnešních discích obvykle jedna (ale také 2, 4 nebo až 12). Disk se otáčí na vřetenu poháněném elektromotorem. Standardní disky mají až 4 plotny o průměru 3,5″, 2,5″ nebo 1,6″ a 1 až 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.

Hlavy[editovat | editovat zdroj]

Demontovaný starý disk. Všimněte si vystavovací mechaniky.

Čtení a zápis dat na magnetickou vrstvu zajišťuje čtecí a zápisová hlava. Dříve se používaly magnetodynamické hlavy, nyní se používá krystal měnící vodivost podle intenzity mag. pole. Hlava „plave“ na vzduchovém polštáři těsně nad povrchem, ve vzdálenosti řádově několika nanometrů (10−9m). Proti mechanickému poškození při doteku hlavy (head crash) bývá povrch magnetické záznamové vrstvy chráněn velmi tenkou vrstvou teflonu, případně napařenou vrstvou uhlíku.

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, který ocelovým páskem otáčí „patkou“, spojenou s raménkem a hlavami. V novějších discích se používá rychlejší lineární motor, plochá cívka na raménku hlav, jež je polohuje v závislosti na protékajícím elektrickém proudu v silném magnetickém poli permanentního magnetu. Princip pohybu je u tohoto uspořádání stejný jako u membrány reproduktoru. Po přerušení napájení hlavy samočinně "zaparkují" do klidové polohy mimo záznamovou oblast. 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 způsobeného 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 stopu je možné číst a zapisovat data bez pohybu hlav i ze stop o stejném poloměru na všech ostatních površích, která tvoří tzv. válec (cylinder). Pro vyšší výkon disku jsou data takto také organizována, viz kapitola Organizace dat.

Vystavovací mechanismus moderního disku
Hlava disku (2013)

Organizace dat[editovat | editovat zdroj]

Data jsou na povrchu pevného disku organizována do soustředných kružnic zvaných stopy, každá stopa obsahuje pevný počet sektorů kvůli efektivnějšímu využití povrchu. Povrch bývá rozdělen do několika zón, čím blíž ke středu, tím je buď větší hustota záznamu nebo naopak menší počet sektorů na stopu. Sektor (blok) je nejmenší adresovatelnou jednotkou disku s pevnou délkou (původně 512 byte na sektor, v současné době typicky 4 KB na sektor). Pokud disk obsahuje více povrchů, všechny stopy stejného poloměru - a tedy přístupné bez pohybu čtecí hlavičky - se nazývají cylindr (válec). Uspořádání stop, povrchů a sektorů se nazývá geometrie disku.

Adresa fyzického sektoru na disku se skládá z čísla stopy (cylindru) pro vystavení hlav, z čísla povrchu pro přepnutí hlavy a konečně čísla sektoru, které určuje latenci (čekání, než se disk pootočí do žádané polohy).

Pro přístup k datům disku se používala 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 byla u osobních počítačů IBM PC omezená kapacita takto adresovaného disku (8 GB) a software musel rozlišovat různé geometrie disků.

U disků vyšších kapacit na rozhraní ATA již adresa sektoru neodpovídá skutečné fyzické geometrii disku (implementaci). Tato novější metoda adresování disku se označuje jako LBA (anglicky Logical Block Addressing) a sektory se číslují průběžně. Není třeba znát geometrii disku, je možné adresovat až 144 PB (144 miliónů GB). Rozhraní SCSI používá lineární číslování sektorů disku již od své první verze, ostatní novější rozhraní také již obdobnou metodu používají.

Pevný disk může být rozdělen na diskové oddíly, takže je logicky rozčleněn na více menších částí, se kterými operační systém pracuje tak, jako by to byly samostatné disky. Alternativou k diskovým oddílům jsou logické svazky, 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 se data zaznamenávají současně na více disků (zrcadlení disků) a mohou tedy být stále dostupná i v případě, že jeden z disků v poli selže. Jiné typy RAIDu zvyšují rychlost a odezvu (např. prokládáním či rozprostřením 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 díky tomu nedochází ke kontaktu s plotnou. Hlavně 2,5" disky mívají pohybové čidlo a pokud zjistí rychlý či prudký pohyb, snaží se 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, pro lepší odlišení retroaktivně přejmenované na PATA). ATA rozhraní je relativně jednoduché a tedy i levné. 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 mezi ně.

Sériové rozhraní SATA (Serial ATA) je nástupcem klasického ATA rozhraní. Jeho výhodou 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, a to i 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.

Externí disk[editovat | editovat zdroj]

Disky sálových počítačů byla samostatná zařízení velikosti pračky nebo ledničky. Zatímco IBM PC byly od verze XT vybaveny vestavěným miniaturním diskem, firma Apple pro svá PC a notebooky připojovala disky zvenčí rozhraním USB. Výhodou byla možnost přenášení a výměny externího disku. I v roce 2018 se externí disky s kapacitou 0,5 až 4 TB, typicky s rychlostí 5 400 ot/min a s rychlou vyrovnávací pamětí (cache) v desítkách MB běžně prodávají a připojují přes rozhraní USB 3.0. Ceny začínají kolem 1000 Kč, kdežto konkurující SSD o stejné kapacitě jsou zhruba dvojnásobně dražší.

Alternativy[editovat | editovat zdroj]

Solid-state drive (zkratka SSD) je typ datového média, který ukládá data na polovodičovou 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. Nevýhodou ovšem je vyšší cena v poměru ke kapacitě.

SSD jsou poměrně drahé a mechanické zase pomalé. Logická je proto myšlenka, zda by nemohl být nějaký disk, který by zkombinoval oba předchozí disky. Většina uživatelů to řeší tím, že si na operační systém pořídí rychlý SSD disk a pro data, ke kterým nepřistupuje tak často, disk mechanický. Vývojáři přišli na trh s diskem, který má rychlou flash paměť, kde je OS a často používaná data, kdežto na mechanické části disku jsou pak multimediální data, která nejsou tak často používaná. Tento disk pak nazvali SSHD, neboli hybridní disk.

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. PELOUŠEK, Jakub. Jak pracují pevné disky. Cnews.cz [online]. 2012-03-26 [cit. 2013-09-16]. Dostupné online. 
  2. Ultrastar Hs14 [online]. [cit. 2017-10-07]. Dostupné online. (anglicky) 
  3. 14,000,000,000,000 děleno 3,750,000.
  4. John C. McCallum. Disk Drive Prices (1955–2015) [online]. May 16, 2015 [cit. 2015-07-25]. Dostupné v archivu pořízeném dne July 14, 2015. (anglicky) 
  5. Magnetic head development [online]. [cit. 2014-08-11]. Dostupné online. (anglicky) 
  6. https://www.hgst.com/products/hard-drives/ultrastar-he12

Literatura[editovat | editovat zdroj]

  • MINASI, Mark. Pevné disky od A do Z. Překlad Jana Valíčková. Praha: Grada, 1992, 471 s. ISBN 80-85623-35-8.

Související články[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]