Dyski twarde
W napędach dysków elastycznych głowica 
odczytu-zapisu jest przykładana bezpośrednio do 
wirującego dysku. Z tego też powodu, 
stosowane prędkości obrotowe są niewielkie, a 
więc i szybkości zapisu/odczytu są ograniczone. 
Dyski twarde (nazwane tak z powodu swej 
sztywnej konstrukcji) umieszczone są w 
odpowiednio skonstruowanym pyłoszczelnym 
zespole napędowym, zawierającym ponadto 
układy sterowania silnikiem napędu dysków, 
silnikiem przesuwu głowic (pozycjonerem), 
układy sterowania głowicami zapisu, układy 
odczytu oraz inne układy sterujące i kontrolne 
zespołu napędowego. 

Na ogół nie ma tu możliwości wymiany dysków. 

Dysk twardy odróżniają od dysku elastycznego 

następujące cechy:
•głowica odczytu-zapisu, nie dotyka dysku w 

czasie pracy, jest bowiem utrzymywana w małej 

odległości od niego (mniejszej niż 1μm) na 

poduszce powietrznej powstającej automatycznie 

na skutek ruchu obrotowego,
•prędkość obrotowa dysku twardego jest bardzo 

duża, dzięki temu osiąga się duże prędkości 

transmisji danych (kilku - kilkudziesięciu MB/s),
•ponieważ  dysk twardy jest niewymiennym 

nośnikiem danych, można go dokładnie 

wycentrować i osiągnąć przy tym dużą liczbę 

ścieżek, czyli dużą pojemność (kilkudziesięciu 

gigabajtów).

Najważniejsze parametry techniczne dysków 

twardych, dostępnych obecnie na rynku:

•pojemność (kilkadziesiąt GB do kilkuset GB),

•liczba głowic odczytu/zapisu (od kilku do 

kilkudziesięciu),

•liczba cylindrów (kilka tysięcy) - ścieżki o tych 

samych numerach na powierzchniach roboczych 

dysków nazywane są cylindrami,

•średni czas dostępu (kilka milisekund) - na średni 

czas dostępu (ang. Average Access Time) składają 

się dwa elementy: średni czas poszukiwania 

potrzebny do umieszczenia głowicy na wybranym 

cylindrze (ang. Average Seek Time) oraz 

opóźnienie rotacyjne potrzebne do umieszczenia 

głowicy nad odpowiednim sektorem (ang. 

Rotalional Latency), które przy szybkości dysków 

równej 7200 obr/min wynosi ok. 4 milisekundy,

•prędkość obrotowa dysku (5400, 7200, 10000 
obrotów na minutę),
•szybkość transmisji danych (kilka - kilkadziesiąt 
megabajtów/sekundę),
•wielkość bufora cache (pamięć buforowa 
kontrolera dysku: 128 KB - 2 MB),
•zasilanie (+12V,+5V),
•moc pobierana (od kilku do kilkunastu watów).
Najważniejsze parametry dysków, 
interesujące użytkownika to:
•pojemność dysku,
•szybkość transmisji (tzw. transfer lub 
przepustowość)
•średni czas dostępu.

Napęd dysków twardych (ang. Hard Disk 

Drive, HDD) łączony jest z systemem 

mikroprocesorowym (z płytą główną) poprzez 

sterownik dysku twardego (ang. Hard Disk 

Controller, HDC) za pomocą interfejsu HDD. 

Firmy produkujące pamięci masowe, 

proponują typy interfejsów łączących dyski 

twarde ze sterownikami: interfejs E-IDE 

(ATA), SCSI oraz S-ATA. Oczywiście każdy 

z wymienionych tu interfejsów wymaga 

innego sterownika i innego dysku twardego. 

Mechanizm dysku twardego składa się z 

następujących komponentów: obudowy, 

pozycjonera głowicy, ramion głowic, głowic 

odczytu/zapisu oraz kilku dysków.

Każdemu dyskowi pamięci przyporządkowane są 
dwie głowice (dla jego dolnej i górnej powierzchni). 
Głowice utrzymywane są na sprężynujących 
ramionach, przy czym wszystkie ramiona głowic są 
ze sobą połączone i poruszają się synchronicznie, 
napędzane pozycjonerem. W stanie spoczynku 
głowice znajdują się na ścieżce parkującej dysku. W 
momencie, gdy dysk zaczyna wirować, poduszka 
powietrzna wytworzona przy powierzchni, unosi 
głowice na wysokość mniejszą niż 1 mikrometr. 
Zadaniem pozycjonera jest przemieszczenie głowic 
na wybrany cylinder. Pozycjonery zbudowane w 
oparciu o silnik liniowy (elektromagnetyczny), same 
parkują głowice po wyłączeniu zasilania, gdyż 
sprężyna automatycznie odciąga je do położenia 
parkowania.

Pracą mechanizmu sterują układy elektroniki, 
zawierające: blok zapisu, blok odczytu z detekcją 
i korekcją błędów oraz sterowanie pozycjonera. 
Współczesne dyski wyposażane są w bufor 
danych (o pojemności 128 KB - 2 MB), zwany też 
dyskową pamięcią podręczną (Cache), 
umożliwiający zwiększenie szybkości transmisji. 
Aby przyspieszyć transmisję w dyskach z 
pamięcią Cache, stosuje się następującą zasadę: 
z dysku podczas odczytu wczytuje się do pamięci 
Cache, oprócz interesujących nas w danej chwili 
sektorów, również sektory następujące po nich. 
Jeśli dane te zostaną zażądane nieco później, to 
nie muszą być odczytywane z dysku, lecz 
przywołane są z pamięci Cache.

Dysk gotowy jest do pracy dopiero wtedy, 

gdy zostanie sformatowany przez producenta 

lub użytkownika. Formatowanie polega na 

podziale dysku na ścieżki i sektory. Jest to 

tzw. formatowanie niskiego poziomu lub 

formatowanie fizyczne.
We współczesnych dyskach, dla efektywnego 

wykorzystania ich powierzchni, co wiąże się 

ze zwiększeniem pojemności, ścieżki 

zewnętrzne dzielone są na większą liczbę 

sektorów (np. 300 sektorów), gdyż mogą 

pomieścić większą ilość informacji (te ścieżki 

są po prostu dłuższe), a ścieżki leżące bliżej 

środka dysku zawierają mniej sektorów (np. 

200). Technika ta nosi nazwę Zone Bit 

Recording - ZBR. 

Stąd też na tych dyskach liczba sektorów 
na ścieżkę nie jest wartością stałą. Na 
systematyczny wzrost pojemności, 
produkowanych współcześnie dysków, 
mają wpływ coraz większe gęstości 
upakowania informacji na jednostkę 
powierzchni, dzięki coraz doskonalszym 
nośnikom magnetycznym, głowicom 
zapisu/odczytu oraz ciągle ulepszanym 
metodom kodowania zapisywanych 
danych. Współczesne dyski osiągają 
gęstość upakowania wynoszącą 1 gigabit 
na cal kwadratowy.

W nowoczesnych konstrukcjach zastosowano 

zespół głowic zapisu/odczytu, składający się z 

cienkowarstwowej magnetycznej głowicy zapisu, 

wyposażonej w miniaturową cewkę o niewielkiej 

indukcyjności (więc o małej bezwładności) oraz z 

magnetorezystywnej (MR) głowicy odczytu, w 

której wykorzystywane są zmiany rezystancji 

specjalnego materiału magnetycznego pod 

wpływem zmian pola magnetycznego. Głowice 

MR posiadają zdecydowanie większą czułość od 

głowic tradycyjnych z cewkami, mogą więc 

odczytywać słabsze pola magnetyczne 

(pochodzące od mniejszych, bardziej 

upakowanych domen). Dotychczasowe metody 

odczytu informacji z dysku polegały na 

wykrywaniu wierzchołków odczytywanych sił 

elektromotorycznych (tzw. Peak Detectiori). 

Przy wysokiej gęstości zapisu oraz dużej prędkości 

obrotowej dysków mogą powstawać zniekształcenia 

tych wierzchołków. Nowa metoda odczytu - zwana 

metodą PRML pozwala bezbłędnie rozpoznać 

szczyt sygnału sem mimo występujących zakłóceń. 

Metoda ta wykorzystuje dwa mechanizmy: Partial 

Response i Maximum Likelihood.
Technika Partial Response polega na próbkowaniu 

analogowego sygnału odczytywanego przez 

głowicę MR za pomocą przetwornika A/C. Na 

podstawie uzyskanych próbek specjalny układ 

wyposażony w procesor DSP, korzystając z metody 

największego prawdopodobieństwa (Maximum 

Likelihood) określa miejsce położenia wierzchołka 

sem. Dzięki tej nowej technologii możliwe jest 

zmniejszenie wymiarów domen magnetycznych a 

więc wzrost gęstości zapisu

Następny niezwykle ważny parametr - szybkość 

transmisji - jest funkcją prędkości obrotowej 

dysków, która osiąga we współczesnych 

konstrukcjach 7200 obrotów na minutę (chociaż 

są już dyski wirujące z szybkością 10000 

obr/min). Obliczmy chwilową szybkość transmisji 

dla hipotetycznego dysku wirującego z 

szybkością 5400 obr/min. (90 obr/s) i 

posiadającego 300 sektorów 512 bajtowych na 

zewnętrznej ścieżce: 90 (obr/sek) x 300 

(sektorów) x 512 (bajtów) = 13,824 MB/s (ok. 110 

Megabitów/s). Dane odczytywane z dysku z tą 

szybkością, ładowane są do bufora, a następnie 

przesyłane za pomocą szyn interfejsu do pamięci 

operacyjnej komputera. Przepustowość interfejsu 

nie może być więc mniejsza, niż szybkość 

odczytu danych z dysku.

Od prędkości obrotowej dysków zależy 

również opóźnienie (ang. latency) w 

dostępie do wybranego sektora. Im 

większa prędkość wirowania dysku tym 

krótsze opóźnienie rotacyjne. Ważnym 

parametrem jest czas przejścia głowicy 

ze ścieżki na ścieżkę, zwłaszcza przy 

transmisji dużych plików. Dlatego też 

konstruktorzy dysków nieznacznie 

opóźnili początki kolejnych ścieżek, tak 

by po przeczytaniu całej ścieżki głowica 

zdążyła przesunąć się na ścieżkę 

następną i trafić na jej początek (technika 

ta nosi nazwę Cylinder Skewing).

Współczesne dyski mają wbudowany system 
zarządzania poborem mocy (ang. Power 
Management), który powoduje wyłączenie 
silnika dysku i zaparkowanie głowic, po pewnym 
(określonym przez producenta) czasie od 
momentu ostatniej operacji we/wy wykonanej 
na dysku. Fakt przejścia dysku najpierw w stan 
jałowy (ang. Idle), a następnie uśpienia (ang. 
Sleep lub Standby) powoduje znaczące 
zmniejszenie poboru mocy. Producenci dysków 
różnie te stany definiują; faktem jest jednak, iż 
system Power Management powoduje nawet 
czterokrotne zmniejszenie poboru mocy przez 
nie używany dysk.

Większość współczesnych dysków 
dysponuje już funkcją, tzw. S.M.A.R.T. 
(ang. Self-Monitoring Analysis and 
Reporting Technology) polegającą na tym, 
że elektronika dysku monitoruje i 
analizuje oraz raportuje stan urządzenia 
(np. wysokość lotu głowicy, czas 
uzyskania nominalnej prędkości 
obrotowej, itd.). Jeśli postępuje 
degradacja tych wielkości, układy kontroli 
wysyłają wtedy ostrzeżenie do 
użytkownika, że dysk może ulec 
uszkodzeniu.

Dyski z interfejsem E-IDE
Interfejs IDE wprowadzono w połowie lat 

osiemdziesiątych, po raz pierwszy w 

komputerach IBM PC AT (ang, Advanced 

Technology). Standard ten (któremu 

nadano również nazwę ATA - AT 

Attachment) wyposażono w 16-bitową 

szynę danych, z myślą o współpracy z 

magistralą ISA. Dyski z interfejsem IDE 

posiadają zintegrowaną z mechanizmem 

elektronikę: układy zapisu i odczytu 

danych oraz układy sterowania (stąd 

nazwa interfejsu IDE - IntegratedDrive 

Electronics).

Dyski IDE/ATA pierwotnie mogły osiągnąć 

maksymalną pojemność równą 504 MB. 

Ograniczał tę wartość BIOS starszych 

komputerów IBM PC. Ze względu na niską 

przepustowość magistrali ISA, szybkość 

transmisji danych nie mogła być większa 

niż 8,33 MB/s. Interfejs pozwalał dołączyć 

do systemu dwa dyski twarde.
Współczesne dyski (tak jak wszelkie 

urządzenia peryferyjne) mogą 

współpracować z pamięcią operacyjną 

komputera (czyli wykonywać operacje 

wejścia/wyjścia) na dwa sposoby:

- pod nadzorem procesora (sygnały sterujące 

i adresy, niezbędne do przesłania informacji 

do/z pamięci operacyjnej generowane są 

przez procesor - ten sposób operacji zwany 

jest trybem PIO - ang. Programmed 

Input/Outpuf); w trakcie tej czynności 

procesor nie może wykonywać żadnych 

innych operacji - fakt ten spowalnia pracę 

komputera.
- bezpośredni dostęp do pamięci (ang. Direct 

Memory Access - DMA) podczas którego 

wymiana informacji pomiędzy pamięcią 

operacyjną a urządzeniem peryferyjnym 

zachodzi bez udziału procesora (który w tym 

czasie może wykonywać inne operacje); 

Sterowanie operacją wejścia/wyjścia 
realizowane jest przez specjalny układ 
zwany kontrolerem DMA.
Dla dysków z interfejsem IDE opracowano 
wiele protokołów wymiany informacji z 
pamięcią operacyjną; są to protokoły PIO 
oraz protokoły DMA (tzw. jednosłowowy 
bezpośredni dostęp do pamięci - ang. 
single word DMA i wielosłowowy, szybszy - 
ang. multiword DMA). Nazwy tych 
protokołów (trybów pracy) oraz 
odpowiadające im szybkości transmisji 
danych pokazano w poniższej tabeli. 

Wraz z opracowaniem nowych protokołów 
transmisji i nowych metod adresacji danych,
przechowywanych na dysku, stworzone zostały 
nowe standardy (wg zasady, iż każdy nowy
standard jest kompatybilny ze swoimi 
poprzednikami): ATA-2, ATA-3, ATAPI, Ultra ATA, 
E-IDE.
Interfejs IDE/ATA i późniejsze jego odmiany 
wyposażony jest (od początku swojego 
istnienia) w 40-stykowe złącze. Ze złącza tego 
usunięto styk 20 by uchronić dysk przed 
nieprawidłowym podłączenia kabla. Długość 
kabla interfejsu nie powinna przekroczyć 18 
cali. 

Współczesne płyty główne wyposażane są w dwa 
kanały E-IDE (w dwa 40-stykowe złącza), do 
których można podłączyć po dwa urządzenia, 
które pracują w systemie Master i Slave. Rysunek 
ilustruje sposób połączenia dwóch dysków 
twardych do jednego ze złącz płyty głównej. Blok 
zworek, umieszczonych na każdym dysku, 
pozwala skonfigurować te urządzenia. Jeśli do 
sterownika będzie dołączony jeden dysk twardy, 
wtedy należy zewrzeć zworki MASTER. Jeśli 
natomiast w kanale będą pracować dwa dyski 
twarde, wtedy na pierwszym należy zewrzeć 
zworki MASTER oraz SLAVE PRESENT, na drugim 
zaś nie zwierać żadnej z tych zworek. Dysk 
wyposażony jest ponadto w 4-stykowe złącze 
zasilania.

Protokół multi word DMA i PIO 4

Na dobrą sprawę, rzeczywista maksymalna 
szybkość transmisji danych zostaje 
rozstrzygnięta pomiędzy głowicą a 
powierzchnią dysku. Współczesny dysk twardy 
mający ok. 500 sektorów, na zewnętrznej 
ścieżce (na ścieżce wewnętrznej ma ich ok. 
300 - tam transmisja jest wolniejsza), po 512 
bajtów każdy i 7200 obrotów/min (120 obr/s), 
może przesłać 120 x 256 000 bajtów w ciągu 
sekundy, czyli ok. 30 MB/s. Dane odczytane z 
dysku przesyłane są do bufora, z którego 
powinny być przynajmniej z taką samą 
szybkością przesłane do pamięci operacyjnej - 
inaczej bufor dysku się zapełni 

Oczywiście w trakcie transmisji dane nie 

płyną ciągłym strumieniem, gdyż część 

czasu (ok. 50%) zajmuje przesyłanie 

rozkazów z procesora do sterownika dysku, 

dlatego też szybkość transmisji, pomiędzy 

elektroniką dysku a pamięcią operacyjną, 

winna być zdecydowanie większa niż 

szybkość odczytu danych z powierzchni 

dysku.
Ważną więc sprawą stało się opracowanie 

protokołu transmisji, zapewniającego 

szybkość większą niż oferuje tryb Ultra DMA 

mode 2. Odpowiedzią producentów na te 

potrzeby są właśnie standardy Ultra AT 

A/66/100/133, z oferowanymi szybkościami.

Niektóre prezentowane w tabeli parametry 
wymagają komentarza:
- wewnętrzna szybkość transmisji (to 
szybkość pomiędzy powierzchnią dysku a 
głowicą) jest maksymalna dla ścieżek 
zewnętrznych i wynosi 570 Mbitów/s (ok. 71 
MB/s); natomiast dla ścieżek położonych 
bliżej środka dysku, wewnętrzna szybkość 
transmisji jest mniejsza,
- zewnętrzna szybkość transmisji - to 
szybkość przesłania danych pomiędzy 
kontrolerem dysku a pamięcią operacyjną 
(wg. standardu ATA 100- 100 MB/s).