Pevný disk
Pevný disk (zkratka HDD, anglicky hard disk drive) je zařízení, které se používá v počítačích a ve
spotřební elektronice (MP3 přehrávače, videorekordéry, …) k trvalému uchovávání
většího množství dat pomocí magnetické indukce. Předchůdcem pevných disků je
magnetická páska a disketa. Jejich současnými největšími konkurenty jsou SSD
disky a USB flash disk, které využívají nevolatilní (stálé) flash paměti.
Srovnání HDD (vlevo)
a SSD (uprostřed disk a vpravo kryt)
OBSAH
2.1 Diskové plotny
2.2 Hlavy
2.2.1 Operace nutné pro čtení nebo zápisu dat
7.1 Charakteristika
7.2 Výhody
7.3 Nevýhody
Hlavním důvodem velkého rozšíření pevných disků je velmi
výhodný poměr kapacity a ceny disku doprovázený relativně vysokou rychlostí
čtení a zápisu dat. Hlavní nevýhodou je mechanické řešení, které má poměrně
vysokou spotřebu elektrické energie, je náchylné na poškození při nešetrném
zacházení (pád, náraz apod.) a relativně vysoká hmotnost.
Data jsou na disku uložena pomocí zmagnetování míst na
magneticky měkkém materiálu, které se provádí pomocí cívky a elektrického
proudu, přičemž se používají různé technologie záznamu a kódování uložených
dat. Čtení je realizováno také pomocí cívky, 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. Proto se na pevné disky používané v počítačích ukládá
operační systém, aplikační software i data. Počet čtení i přepsání uložené
informace je při běžném používání téměř neomezený.
Na pevném disku jsou vytvářeny diskové oddíly, které umožňují
disk rozdělit na několik menších logických částí. Alternativou k diskovým
oddílům je používání LVM nebo RAID.
2.1 Diskové plotny
Data jsou na pevném
disku uložena pomocí magnetického záznamu. Disk obsahuje kovové nebo skleněné
desky - tzv. plotny pokryté tenkou magneticky měkkou vrstvou. Hustota datového
záznamu se udává jako počet bitů na měrnou jednotku plochy disku [bitů/inch2],
[bitů/mm2]. Plotny jsou neohebné (odtud pevný disk), na rozdíl od ohebných
ploten v disketách (anglicky floppy disk). Ploten bývá v dnešních discích často
několik (1 – 3, výjimečně až 5). Disk se otáčí na tzv. vřetenu poháněném
elektromotorem. Standardní 3,5" palcové disky mají až 4 plotny a 8 hlav
(po jedné hlavě z obou stran plotny). HDD s nejmenší kapacitou mají obvykle
pouze 1 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"
WD green power 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 zhruba
30 km/h (pro 3,5palcový disk). Otáčky disku společně s hustotou záznamu a
rychlostí vystavovacího mechanismu určují celkový výkon disku.
Podle rychlosti otáčení plotny se určuje i maximální hustota
plotny, aby nedocházelo k přepisování vedlejších bitů. Čím rychleji se plotny
otáčí tím víc na ně působí odstředivá síla a proto se někteří výrobci u disků
10-15000 ot./min. uchylují k 2,5" verzím, kde je síla menší a tak jsou materiály
méně namáhány.
V současné době mají standardně disky ve stolních PC plotny o
průměru 3,5 palce (tj. 8,9 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".
2.2 Hlavy
Čtení a zápis dat na magnetickou vrstvu zajišťuje čtecí a
zápisová hlava. 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 se pro
vystavování hlav používá 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. Z pevných
disků se tedy dají demontovat velmi silné a křehké magnety.
2.2.1 Operace nutné pro čtení nebo zápisu dat:
- vystavit čtecí hlavu na správnou pozici
- vyčkat na utlumení rozkmitu způsobeném setrvačností hlav (vystavení trvá řádově milisekundy [ms])
- vyčkat na pootočení disku na místo od kterého se 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 ze všech povrchů bez pohybu hlav (a proto jsou také takto data
organizována, pro vyšší výkon disku).
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 je obvykle 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 (Logical
Volume Management).
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).
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 lyžiny a tak díky tomu
nedochází ke kontaktu s plotnou. Hlavně 2,5" disky umí zjistit, jestli
nedošlo k rychlému pohybu (přes pohybové čidlo) a tak se snaží rychle posunout
čtecí hlavy do parkovací polohy.
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 označuje též PATA). ATA rozhraní je
relativně jednoduché a tedy i levné. ATA rozhraní má maximální teoretickou
přenosovou rychlost okolo 1 Gb/s = 133 MB/s. 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 stává úzkým místem.
Sériové rozhraní SATA (Serial ATA) je nástupcem klasického PATA rozhraní. Výhodou SATA je
o něco vyšší rychlost; vyšší inteligence řadiče, umožňující optimalizaci
datových přenosů NCQ (Native Command Queuing); možnost připojování disků za
chodu systému 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.
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. Max.
délka propojujícího kabelu je u SCSI obecně větší něž 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 používá 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.
Existují také flash disky s rozhraním ATA - ADM (ATA Disk
Module). Tyto disky nemají žádné pohyblivé části a nejsou tedy skutečnými
pevnými disky. Připojují se pomocí standardního 40pinového ATA konektoru, mají
miniaturní rozměry, extrémně nízkou spotřebu a nevyžadují žádné přídavné
ovladače ani speciální kabely.
Solid-state drive (zkratka SSD) je v informačních
technologiích typ datového média, které ukládá data na flash paměť. Na rozdíl
od klasických pevných disků neobsahuje pohyblivé mechanické části a má mnohem
nižší spotřebu elektrické energie (příkon). SSD disk emuluje rozhraní používané
pro pevné disky (typicky SATA), aby je mohl snadno nahradit.SSD disk, který používá místo paměti flash paměť typu SRAM
nebo DRAM, je někdy nazýván RAM-drive (rozdíl mezi nimi je mj. v tom, že při
resetu nebo vypnutí počítače se data na SSD zachovají, na RAM-drive se naopak
ztratí).
7.1 Charakteristika
SSD disky byly a jsou vyráběny s perspektivou, že postupně
nahradí pevné disky. Proto používají stejné rozhraní SATA, ATA, popřípadě v
rozhraní PCMCIA, ExpressCard, PCI Express a podobně (tj. stejný konektor i typ
komunikace).
7.2 Výhody
Díky tomu, že SSD nemají mechanické pohyblivé části, vykazují
nižší spotřebu, mají nižší čas na alokaci dat (u klasických disků spotřebovaný
na přesunutí čtecích/zápisových hlaviček), dosahují vyšších přenosových
rychlostí, jsou nehlučné atd. Taktéž jsou znatelně lehčí, což je s nižší
spotřebou (typicky 2 Watty při plném provozu a zhruba 1/10 ve standby režimu)
předurčuje k použití do notebooků, netbooků, PDA a podobných zařízeních, kde
spotřeba hraje velkou roli. Kromě toho nejsou tak náchylné na nárazy a otřesy
jako mechanické disky.
Rozdíly v času potřebném pro alokaci dat (mikrosekundy v
porovnání s milisekundami u pevných disků) a rychlostmi (OCZ Z-DRIVE e84 – 800
MB/s; Fusion-io – 1,5 GB/s) jsou proti
pevným diskům výrazné, takže se SSD disky používají i pro zvýšení výkonu
počítačového systému.
7.3 Nevýhody
SSD disky však trpí i mnoha problémy, které jsou dány jejich
konstrukcí. Flash paměti mají omezenou životnost maximálním počtem zápisů do
stejného místa, který je výrazně nižší, než u klasických pevných disků (udáváno
kolem 100 000 zápisů). Operační systémy k nim obvykle přistupují díky
kompatibilitě jako k normálním pevným diskům a tak dochází k degradaci jejich
výkonu (například v Microsoft Windows). Také optimalizace zabudované v
ovladačích operačního systému, které počítají se sekvenčním zápisem na pevné
disky, působí u SSD disků na jejich výkon negativně. Jiné operační systémy
(například Linux) mají pro tento typ pamětí speciální souborové systémy (Log-structured file systems), které mohou tyto
nedostatky odstranit, avšak pak je nutné hardwarové emulační rozhraní vypínat.
Mezi další nevýhody oproti klasickým pevným diskům lze
zařadit znatelně vyšší cenu a celkově nižší kapacity (říjen 2009).