Transcript HDD

Dyski twarde
W stacjach 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 zostały tak nazwane, z powodu
swej sztywnej konstrukcji. Są one umieszczone
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.
HDD / FDD - różnice
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 na poduszce
powietrznej powstającej automatycznie na
skutek ruchu obrotowego,
prędkość obrotowa dysku twardego jest bardzo duża,
dzięki temu osiąga się duże prędkości transmisji danych
(kilkudziesięciu MB/s),
ponieważ dysk twardy jest niewymiennym nośnikiem
danych, można go dokładnie wycentrować i osiągnąć przy
tym duża liczbę ścieżek, czyli dużą pojemność (rzędu
kilkudziesięciu/kilkuset GB).
Parametry techniczne
 pojemność (od kilkuset MB do kilkuset GB),
 liczba głowic odczytu/zapisu (od kilkunastu do
kilkudziesięciu),
 liczba cylindrów (kilka tysięcy) - ścieżki o tych samych
numerach na powierzchniach roboczych dysków nazywane są
cylindrami,
 średni czas dostępu (kilka milisekund) - (ang. Average
Access Time)
 prędkość obrotowa dysku ([5400], 7200, 10000, [15000]
obrotów na minutę),
 szybkość transmisji danych (kilkadziesiąt - kilkaset MB/s),
 zasilanie (+12 V, +5 V),
 moc pobierana (od kilku do kilkunastu watów).
Interfejs
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
E-IDE, SCSI, SerialATA (w starszych komputerach mogły
jeszcze występować interfejsy: IDE, ST-506/412 lub ESDI,
dawno już nie produkowane).
Oczywiście każdy z wymienionych tu interfejsów wymaga
innego sterownika i innego dysku twardego.
Budowa
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,
napędzane pozycjonerem i poruszają się synchronicznie.
Budowa
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 same parkują głowice po wyłączeniu zasilania,
gdyż sprężyna automatycznie odciąga je do położenia
parkowania.
Formatowanie
Dysk gotowy jest do pracy dopiero wtedy, gdy zostanie
sformatowany przez producenta lub użytkownika.
Formatowanie polega na podziale (logicznym) dysku na
ścieżki i sektory. Jest to tzw. formatowanie niskiego poziomu
lub formatowanie fizyczne.
Sektory
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).
Stąd też na tych dyskach liczba sektorów na ścieżkę nie jest
wartością stałą. Na systematyczny wzrost pojemności,
produkowanych współcześnie dysków, ma wpływ coraz
większa gęstość upakowania informacji na jednostkę
powierzchni, dzięki coraz doskonalszym nośnikom
magnetycznym, głowicom zapisu/odczytu oraz ciągle
ulepszanym metodom kodowania zapisywanych danych.
Szybkość transmisji
Szybkość transmisji jest funkcją prędkości obrotowej
dysków, która osiąga we współczesnych konstrukcjach 7200
obrotów na minutę (chociaż są już dyski wirujące z
szybkością 10000 rpm).
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
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.
Szybkość transmisji
Maks. szybkość transmisji danych zostaje rozstrzygnięta
pomiędzy głowicą a powierzchnią dysku. Dane odczytane z
dysku przesyłane są do bufora (pamięci cache), z którego
powinny być przynajmniej z taką samą prędkością przesłane
do pamięci operacyjnej – inaczej bufor 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.
Inne parametry
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.
Zarządzanie energią
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.
S.M.A.R.T.
Większość współczesnych dysków dysponuje już nową
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.
NCQ
Macierzyste kolejkowanie poleceń (ang. Native Command
Queuing - NCQ). Mechanizm kolejkowania poleceń ma za
zadanie zwiększyć wydajność i efektywność dysku twardego
poprzez takie ustawianie zadań odczytu i zapisu na nośnik,
aby głowice dysku twardego musiały wykonać jak najmniej
skoków. W ten sposób można uzyskać nawet 10% wzrost
wydajności i to raczej ze wskazaniem na serwery niż
komputery biurkowe.
MTBF
MTBF – ang. Mean Time Between Failures - Średni czas
między awariami. Określany na podstawie badania
statystycznego
Interfejs IDE (ATA)
Interfejs IDE wprowadzono w połowie lat 80., po raz
pierwszy w komputerach IBC PC AT. Standard ten, któremu
nadano również nazwę ATA (Advanced Technology
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: Integrated Drive /
Device / Disc Electronics.
Dyski IDE/ATA pierwotnie mogły osiągnąć maksymalną
pojemność równą 504MB (ograniczenie to powodował BIOS).
Ze względu na niską przepustowość ISA, szybkość transmisji
danych nie mogła być większa niż 8,33MB/s. Interfejs
pozwalał dołączać do systemu dwa dyski twarde.
Interfejs E-IDE oraz ATAPI
Standard E-IDE (Enhanced IDE) pozwala na obsługę dwóch
kanałów IDE. Do każdego kanału może być podłączone jedno
lub dwa urządzenia.
ATAPI (ATA Packed Interface) umożliwia obsługę nie tylko
dysków twardych, ale również innych urządzeń, np. CDROMu.
LBA to tryb adresowania danych przechowywanych na
dysku umożliwiający obsługę dysków o pojemności
przekraczającej 512MB.
PIO i DMA
Tryb DMA
DMA 0 (single word)
Tryb PIO
PIO 0
DMA 0 (multi word)
DMA 1 (single word)
DMA 2 (single word)
DMA 1 (multi word)
DMA 2 (multi word)
Ultra DMA mode 2
Ultra DMA mode 3
Ultra DMA mode 4
Ultra DMA mode 5
Szybkość[MB/s]
2,1
Współczesne
3,33
4,2
PIO 1
PIO 2
PIO 3
PIO 4
5,22
8,33
11,11
13,3
16,6
33,3
44,4
66,6
100
dyski, podobnie
zresztą jak inne peryferia,
mogą
współpracować
z
pamięcią operacyjną na dwa
sposoby:
pod
nadzorem
procesora (PIO) oraz z
bezpośrednim dostępem do
pamięci (DMA).
Dla dysków z interfejsem IDE opracowana wiele protokołów
wymiany informacji z pamięcią operacyjną tzw. protokoły
PIO i protokoły DMA.
UltraATA kontra UltraDMA
Od momentu pojawienia się standardu Ultra DMA mode 2
istnieje tendencja do określania standardów interfejsów jako
UltraATA/33, UltraATA/66, UltraATA/100, UltraATA133,
gdzie liczba oznacza maks. transfer w MB/s.
Zamiast UltraATA można posługiwać się wyrażeniem
UltraDMA.
Kable IDE
Interfejs IDE/ATA i późniejsze odmiany
wyposażony jest/było w 40-stykowe
złącze. Ze złącza tego po pewnym czasie
usunięto styk nr 20, by chronić dysk
przed nieprawidłowym podłączeniem
kabla. Długość kabla interfejsu nie
powinna przekroczyć 18 cali (czyli 45 cm).
Z uwagi na bardzo dużą szybkość transmisji, od czasów Ultra
ATA/66 należy stosować specjalny 80-żyłowy kabel łączący dysk
z systemem, w którym 40 linii sygnałowych oddzielonych jest od
siebie liniami uziemienia. Każda linia sygnałowa ma więc
własny ekran, zapobiegający powstawaniu zakłóceń
elektromagnetycznych. Kabel taki zakończony jest typowym
dla interfejsu IDE, 40-stykowym złączem.
Kable IDE
Przez wiele lat płyty główne
wyposażane były w dwa kanały E-IDE
(w dwa 40-stykowe złącza), do których
można podłączyć po dwa urządzenia,
które pracują w systemie Master i
Slave (tryby konfigurowane
zworkami).
We współczesnych płytach znajdziemy
przeważnie tylko jedno gniazdo IDE.
Dysk wyposażony jest ponadto w 4stykowe złącze zasilania.