Dyski twarde

Organizacja dysku twardego

Ścieżki (tracks) -koncentrycznie położone okręgi na każdym talerzu twardego dysku, które podzielone są z kolei na sektory.

Cylindry (cylindres) -zbiór wszystkich sektorów dysku twardego, osiągalnych bez przemieszczenia głowicy. Termin często, lecz błędnie, stosowany jako zamiennik ścieżki- także w setupie BIOS'u.

Sektory (sectors) -najmniejsze adresowalne jednostki na twardym dysku. Całkowitą liczbę sektorów otrzymujemy, mnożąc liczbę głowic przez liczbę ścieżek razy liczbę sektorów na ścieżce.

Klaster (cluster)-jednostka alokacji, najmniejsza logiczna jednostka zarządzana przez FAT i inne systemy plików. Fizycznie klaster składa się z jednego lub kilku sektorów.

BUDOWA

Zasadniczą częścią twardego dysku jest sztywny krążek (talerz) wykonany najczęściej ze stopu aluminium, obustronnie pokryty warstą magnetycznego nośnika o bardzo wysokiej jakości. Nośnik jest często dodatkowo pokryty cieniutką warstewką ochronną. Krążki te wirują ze stałą prędkością rzędu 5400 - 7200 obrotów na minutę. Informacja zapisana jest na koncentrycznych ścieżkach w postaci ciągów zakodowanych bitów - dane użytkowe wzbogacone są o informacje o charakterze porządkowym i kontrolnym, umożliwiające działanie mechanizmów wyszukiwania oraz detekcję i korekcję błędów.    Nad każdą z powierzchni talerzy unosi się umieszczona na końcu delikatnego ramienia głowica zapisująco-odczytująca. Uderzeniu głowicy o powierzchnię nośnika zapobiega poduszka powietrzna, wytworzona dzięki wirowaniu talerza. Odległość głowicy od nośnika wynosi ok. 2 milionowych części cala! Aby umożliwić dostęp do poszczególnych ścieżek, zawieszone obrotowo ramię wychyla się jak wskazówka miernika, poruszane polem cewki magnetycznej.  Każda ze ścieżek podzielona jest na sektory. Ponieważ wraz ze wzrostem odległości od osi obrotu długość ścieżek jest coraz większa, można na nich upakować coraz więcej informacji w coraz większej liczbie sektorów.

Zastosowanie głowic magnetorezystywnych i nowych nośników to dopiero część sukcesu w walce o większe pojemności. Drugą część zawdzięczamy elektronice, a konkretnie obróbce analogowego sygnału pochodzącego z głowicy odczytującej. Sygnał jest poddawany cyfrowej filtracji za pomocą wyspecjalizowanego procesora sygnałów. Umożliwia to zwiększenie kanału odczytu i zwiększenie upakowania informacji na powierzchni dysku.

WYDAJNOŚĆ

Na wydajność dysku twardego składają się dwa główne parametry: szybkość transmisji danych oraz czas dostępu do danych. Z kolei szybkość odczytu i zapisu uzależniona jest od szybkości obrotowej dysków, gęstości upakowania informacji, liczby talerzy, przepustowości wewnętrznych interfejsów napędu oraz przepustowości interfejsu łączącego dysk z komputerem. Wewnętrzna szybkość transmisji ogranicza szybkość odczytu i zapisu dużych plików. Przy mniejszych ilościach danych swoją rolę zaczyna odgrywać wewnętrzna pamięć napędu (cache). Niweluje ona opóźnienia spowodowane przyczynami mechanicznymi. Opóźnienia te wynikają z dość długiego czasu przesunięcia głowicy ze ścieżki na ścieżkę oraz oczekiwania, aż żądany sektor odnalezionej ścieżki "dojdzie" do głowicy.

INTERFEJS ŁĄCZĄCY DYSK Z KOMPUTEREM

Granicę wydajności stanowi interfejs komunikacyjny czyli łącze przesyłające dane pomiędzy twardym dyskiem a pamięcią operacyjną komputera.

IDE/ATA

Opracowany na początku lat osiemdziesiątych interfejs IDE/ATA miał na celu zapewnienie standardowego sposobu komunikcji komputera z dyskami twardymi. Umożliwiał podłączenie maksymalnie dwóch urządzeń i był związany bezpośrednio z magistralą ISA co ograniczało jego przepustowość do 8,3Mb/s.

ATA-2/ATA-3

Specyfikacja ATA-2 wprowadziła metodę synchronicznego przesyłania danych. ATA-2 zapewniał maksymalną przepustowość 16Mb/s. Wprowdzono rozkazy transmisji blokowych, upowszechnił się także mechanizm DMA, odciążający CPU komputera z zadań związanych z transmisją danych i w konsekwencji decydujący o wydajniejszej pracy. Nowością był również wprowadzony tryb adresowania danych przechowywanych na dysku - LBA - umożliwiający przekroczenie dotychczasowej bariery pojemności 504MB. ATA-3 był uzupełniony technikami zwiększania bezpieczeństwa przesyłanych po kablu i przechowywanych na dysku danych (S.M.A.R.T)

ATA - 4 (Ultra ATA/33)

W 1997 roku wprowadzono kolejną odmianę interfejsu znaną pod nazwą Ultra ATA/33. Maksymalny transfer zwiększył się do 33Mb/s. Ultra ATA/33 balansuje na granicy możliwości przesyłowych standardowego 40-żyłowego kabla. W celu zwiększenia bezpieczeństwa przesyłanych danych wprowadzono metodę wykrywania i korekcji błędów transmisji znaną jako suma kontrolan CRC.

ATA-5 (Ultra ATA/66)

Już dwa lata po wprowadzeniu standardu Ultra ATA/33 okazało się, że prędkość transmisji można jeszcze bardziej zwiększyć. Teoretyczną maksymalną przepustowość 66Mb/s osiągnięto, zwiększając dwukrotnie prędkość przesyłania danych oraz redukując czas realizacji komend sterujących. W porównaniu z dotychczas stosowaną taśmą połączeniową dwukrotnie zwiększyła się liczba żył z 40 do 80, nie zmienił się typ wtyczki. Nowe żyły pełnią rolę uniemienia i wplecione są pomiędzy standardowe żyły sygnałowe.

ATA/ATAPI-6 (Ultra ATA 133)

Maksymalny transfer wzrósł do 133MB/s

Interfejs S-ATA

SATA (ang. Serial Advanced Technology Attachment) - szeregowa magistrala Serial ATA jest następcą równoległej magistrali pamięci ATA. Do transmisji przewidziane są cieńsze i bardziej elastyczne kable z mniejszą ilością styków, co pozwala na stosowanie mniejszych złączy na płycie głównej w porównaniu do równoległej magistrali ATA. Interfejs przeznaczony do komunikacji z przepływnością 150 MB/s, umożliwiający szeregową transmisję danych między kontrolerem a dyskiem komputera z przepływnością ok. 1,5 Gb/s. Dodatkowo budowa kabli upraszcza instalację i prowadzenie ich w obudowie, co poprawia warunki chłodzenia wewnątrz obudowy. Standard S-ATA II pozwala na przesyłanie danych do i z urządzenia z prędkością do 3 Gb/s.

EIDE

Najpopularniejszym interfejsem do przesyłu danych w komputerach PC jest obecnie EIDE. W dzisiejszych komputerach kontroler EIDE jest zintegrowany z płytą główną, w starszych jednostkach korzystanie z dysków wymagało zainstalowania w komputerze dodatkowej karty kontrolera. Jeżeli na płycie głównej komputera znajdują się złącza oznaczone zazwyczaj jako „Primary” i „Secondary", znaczy to, że komputer ma kontroler EIDE zintegrowany z płytą. Oznaczenia te odzwierciedlają dwa odrębne kanały (pierwszy i drugi lub też nadrzędny i podrzędny) interfejsu EIDE.

Pozornie instalacja dysku jest prosta, gdyż w zasadzie polega tylko na połączeniu zamontowanego w obudowie dysku z jednym z dwóch wyżej przedstawionych złącz kontrolera za pomocą specjalnego kabla zwanego popularnie „taśmą”. Teoretycznie, gdy dysponujemy tylko jednym dyskiem, komputer będzie z nim współpracował bez względu na fakt, do jakiego kanału został podłączony. Tym niemniej pamiętać należy o generalnej zasadzie, by najszybszy dysk podłączyć zawsze do pierwszego kanału oraz by (w przypadku, gdy w komputerze zainstalowany jest jeszcze jakiś dysk lub inne urządzenie EIDE) był on urządzeniem nadrzędnym „master”.

Nawet jeżeli wymaga to przetasowania dysków (czyli przesunięcia starszego napędu z pozycji „master” na pierwszym kanale na pozycję „slave”), to dzięki temu znacznie lepiej wykorzystamy potencjał technologiczny tkwiący w nowym dysku. Kontroler EIDE łączy się z urządzeniami w kolejności kanałów, uwzględniając priorytety urządzeń, zatem wstawienie najszybszego dysku na uprzywilejowanej pozycji jest rozwiązaniem optymalnym. Wynika to z faktu, że najczęściej na pierwszym dysku zainstalowany jest system operacyjny, a tym samym jest on najczęściej wykorzystywany.

Kontroler EIDE jest w stanie obsłużyć maksymalnie do czterech urządzeń (dysków, napędów CD-ROM czy DVD-ROM). Na każdy kanał przypadają po dwa urządzenia.

Na każdym kanale dane urządzenie musi mieć ustawiony priorytet dostępu do magistrali. Innymi słowy, z dwóch urządzeń podłączonych do jednego kanału EIDE, jedno musi być urządzeniem nadrzędnym, zaś drugie podrzędnym. Każdy dysk twardy EIDE ma zworki pozwalające ustawić go na pożądany priorytet.

Oznaczenie dysku jako „master” (władca) określa go jako urządzenie nadrzędne na danym kanale, odpowiednikiem urządzenia podrzędnego jest określenie „slave” (niewolnik). Jeżeli dysk twardy jest jedynym tego typu urządzeniem w systemie, nie ma potrzeby ustawiania dla niego priorytetu, a tym samym nie trzeba manipulować zworkami na dysku.

SCSI

Standard SCSI jak i wykorzystujące go urządzenia używane są głównie w komputerach Macintosch oraz szybkich serwerach sieciowych i urządzeniach archiwizujących. Rzadziej w domowych pecetach gdyż urządzenia komunikujące się za pomocą tego standardu są zwykle dwukrotnie droższe od takich samych ale wykorzystujących inne standardy jak EIDE czy USB.

Ogólnie SCSI składa się z 4 części: kontrolera SCSI montowanego zazwyczaj jako karta rozszerzająca (ISA lub PCI), lub gotowego elementu wbudowanego bezpośrednio do płyty głównej, kabla połączeniowego SCSI, samego urządzenia (np. dysku twardego) i tzw. terminatorów w postaci zworek lub dodatkowych złącz, które umieszczane są na dwóch końcach łańcucha połączonych urządzeń SCSI. Dzięki nim kontroler otrzymuje informację gdzie są ostatnie urządzenia łańcucha przez co może sprawnie obsługiwać przepływ danych między poszczególnymi urządzeniami a komputerem.

TALERZE DYSKÓW

Typowy dysk twardy składa się z kilku talerzy o wymiarach 5 1/4 cala lub 3 1/2 cala jego wymiar nie jest jednak równie ważnym czynnikiem jak w przypadku stacji dysków elastycznych. Talerze dysków twardych są niewymienne. Każdy talerz zbudowany jest z metalu o grubości zwykle 1/8cala, pokrytego substancją magnetyczną zazwyczaj jest to tlenek żelaza.

GŁOWICE ZAPISUJĄCO-ODCZYTUJĄCE

Dysk posiada dwie głowice dla każdego z talerzy. Wszystkie głowice połączone są jednym mechanizmem i poruszają się jednocześnie. Każda z głowic zamocowana jest na końcu ramienia, które, gdy dysk nie pracuje, dociska głowice do powierzchni talerzy. Kiedy talerze obracają się z pełną szybkością, ciśnienie powietrza unosi głowicę na wymaganą wysokość. Przerwa pomiędzy głowicą a wirującym dyskiem wynosi od. 10 do 20 milionowych części cala. Każda drobina kurzu, która dostała się do wnętrza kasety dysku, może spowodować błędy zapisu/odczytu lub, co gorsza, oscylacje ramion i uderzenia głowic o wirujący dysk. Prowadzi to do porysowania powierzchni dysku i uszkodzenia głowicy.

Gdy dysk nie pracuje lub gdy prędkość obrotowa jest zbyt mała, głowice znajdują się w pozycji spoczynkowej, wycofane poza obręb pakietu. Dopiero po osiągnięciu wymaganej prędkości obrotowej następuje ich gwałtowne wysunięcie nad powierzchnie dysku i ustawienie nad cylindrem zerowym. Podczas pracy głowice unoszą się na tzw. poduszce powietrznej wytworzonej przez

Liczba talerzy - określa liczbę talerzy danego dysku. Uwaga! Liczba talerzy nie oznacza, że dane zapisywane są zawsze po obu stronach talerza dysku. Informację na ten temat otrzymamy porównując liczbę talerzy z liczbą głowic danego dysku. 

Liczba głowic - określa, ile głowic zajmuje się odczytem/zapisem danych na talerzach. Liczba ta wskazuje także na to, czy wszystkie talerze są wykorzystywane obustronnie. Parzysta liczba głowic wskazuje na to, że dane mogą być przechowywane na każdej stronie każdego talerza dysku, natomiast nieparzysta - że jedna strona któregoś z talerzy dysku nie jest w ogóle wykorzystywana.

Średni czas dostępu - parametr ten określa, w jakim czasie (średnio) od otrzymania przez dysk żądania odczytu/zapisu konkretnego obszaru nastąpi rozpoczęcie operacji. Im krótszy jest ten czas, tym dysk może zapewnić większą płynność odtwarzania, co może mieć znaczenie np. podczas nagrywania płyt CD-R/CD-RW, gdzie wymagany jest ciągły dopływ danych. 

 

Transfer wewnętrzny - parametr ten określa w praktyce rzeczywisty transfer danego dysku. Im wartość ta jest wyższa, tym dany dysk jest szybszy. Jednak o tym, czy w danym komputerze będzie osiągał optimum swoich możliwości decyduje konfiguracja komputera (włączenie trybu DMA itp.). 

 

Liczba obrotów na min. - parametr określający, z jaką szybkością obracają się talerze danego dysku. Im szybkość obrotowa jest wyższa, tym więcej danych może być odczytywanych przez głowice. Pamiętajmy jednak, że ten parametr należy oceniać biorąc pod uwagę także gęstość zapisu. W praktyce jednak przy porównywaniu dysków o podobnej pojemności te z większą szybkością obrotową są zazwyczaj szybsze. 

 

Cache - pamięć podręczna dysku twardego. Do tej pamięci buforowane są dane odczytywane i zapisywane na dysku. Im tej pamięci jest więcej, tym sprawniejszy jest proces przesyłu danych.

1. Systemy plików

Jest to sposób, w jaki komputer organizuje pliki i katalogi na nośniku danych o swobodnym dostępie określa też to, jak informacje są zapisywane
i odczytywane. System plików definiuje także wielkość klastrów, możliwe do użycia atrybuty plików oraz schemat poprawnych nazw plików i katalogów. Dysk twardy podzielony jest na niewielkie fragmenty, zwane jednostkami alokacji lub klastrami. Ponieważ jednostka alokacji jest wartością logiczną, a nie fizyczną (nie znajduje się ona fizycznie
na dysku), jej rozmiar można różnie zdefiniować w zakresie od 512 bajtów do 64 kilobajtów Każdy znajdujący się na dysku twardym plik zajmuje jeden bądź więcej klastrów, ale w jednym klastrze może znajdować się tylko jeden plik
(lub jego część). Gdy rozmiar pliku jest mniejszy niż rozmiar klastra, niewykorzystane miejsce marnuje się, zatem dlatego im mniejsze jednostki alokacji, tym bardziej ekonomicznie wykorzystane jest miejsce
na dysku. Maksymalna liczba jednostek alokacji na dysku jest jednak ograniczona przez system plików.
FAT (File Allocation Table - tablica alokacji plików) jest to tablica opisująca, w których klastrach dysku twardego lub dyskietki magnetycznej system operacyjny ma szukać każdego
z zapisanych na nim plików. FAT jest tworzony podczas formatowania nośnika danych. Podczas zapisu pliku informacje o nim są automatycznie zachowywane w tablicy FAT. Potocznie przez FAT rozumie się FAT16 lub FAT32.
FAT16 jest odmianą systemu plików FAT, z którego może korzystać MS-DOS i Windows. Początkowo klastry były rozmiarowo równe fizycznym sektorom dysku twardego (512 bajtów), ale szybko okazało się, że w ten sposób można opisać pojemność tylko 32 MB. Większy dysk twardy trzeba było dzielić na partycje. W związku z tym postanowiono zwiększyć rozmiary jednostek alokacji. Problem zaczął się, gdy dyski przekroczyły rozmiar gigabajta, a jednostki alokacji rozrosły się aż do 32 kilobajtów. Przy tak dużej jednostce alokacji notatka o wielkości dwóch kilobajtów zmarnuje 30 kilobajtów miejsca. Plików tej wielkości na dysku może być tysiące, co prowadzi do dużych strat pojemności. FAT16 miał jeszcze jedno poważne ograniczenie - obsługiwał partycje tylko do wielkości 2,1 gigabajta. Konieczne stało się opracowanie nowego, lepszego systemu plików - i tak powstał FAT32.
FAT32 może rozpoznać 2³² czyli 4 294 967 296 adresów jednostek alokacji, dzięki czemu obsługuje dyski twarde do wielkości dwóch terabajtów (dwóch tysięcy gigabajtów). Dla partycji o rozmiarach poniżej 8 GB jednostka alokacji ma wielkość tylko 4 kB, dzięki czemu nie ma dużych strat pojemności. FAT32 wymaga partycji o minimalnych rozmiarach 512 MB. Jednak FAT32 ma też wady - na razie nie można kompresować dysków z takim systemem plików.


NTFS - system plików wspierany tylko przez Windows NT i stworzony specjalnie do tego systemu operacyjnego, miał on rozwiązać wiele niedogodności, jakie niesie z sobą FAT. NTFS jest przede wszystkim szybszy i bardziej wydajny na dyskach twardych powyżej 500 MB, oferując klastry wielkości 4 kB, oprócz tego dysponuje rozbudowanymi atrybutami dla plików
i folderów, dzięki czemu można określać prawa dostępu do nich (nazwa pochodzi od ang. NT File System - system plików dla Windows NT). W wersji NTFS 5.0 obsługiwanej przez Windows 2000/XP/2003 wprowadzono także możliwość szyfrowania plików.

NTFS

Partycja NTFS rozpoczyna się klasycznym sektorem inicjującym. Nie jest to, jakby sugerowała nazwa, pojedynczy sektor, ale może być to nawet 16 pierwszych sektorów (zależnie od potrzeb systemu).

Po sektorze inicjującym występuje tzw. nadrzędna tabela plików (MFT - Master File Table), czyli po prostu indeks plików systemowych (ich nazwy zaczynają się od znaku "$"). W aktualnej wersji systemu NT na pliki systemowe wymienione w MFT składają się:

• kopia MFT;

• plik logów;

• informacje o wolumenie ( etykieta wolumenu i numer wersji NTFS);

• tablica definicji atrybutów (nazwy, numery identyfikacyjne, objaśnienia);

• katalog główny;

• mapa bitowa klastrów (opis zajętości partycji);

• kopia boot sektora partycji;

• tabela uszkodzonych klastrów;

• tabela konwersji małych liter na duże odpowiedniki Unicode.

Poza tym tabela MFT zawiera 6 wolnych pozycji (zapisów), które mogą zostać wykorzystane w przyszłości. Jak można wywnioskować na podstawie budowy MFT system NTFS podobnie jak FAT opiera się na klastrach. Jednak rozmiar klastra ustalamy tutaj dość swobodnie - od 0,5 KB do 64 KB.

Przykładowe oznaczenia producentów:

Zawierają wiele informacji dotyczących twardego dysku.

Oto przykład, w jaki sposób należy je odczytywać:

Seagate - przyklad: ST340810A

• „ST” określa producenta dysku, czyli firmę Seagate.

• Pierwsza cyfra określa wysokość dysku i jego format: „1” określa dysk o wysokości 41mm (3,5 cala), „3” - 25 mm (3,5 cala), „4” - 82 mm (5,25 cala), „5” - 19 mm (3,5 cala) i „9” na określenie dysków 2,5-calowych o różnych grubościach.

• Kolejne cyfry informują o pojemności dysku mierzoną w MB.

• Jedna lub dwie litery na końcu nazwy określają interfejs: „A” oznacza AT-Bus (EIDE), „N” oznacza SCSI, „W” - Wide SCSI.

---