Transcript A mágneses és optikai adattárolók módszertan

A mágneses és optikai
adattárolók
Készítette: Kovács Nándor
KONRACB.PTE
Az anyag feldolgozásához szükséges
meglévő ismeretek átismétlése,
megbeszélése ráhangolás
Intereaktív módszerrel:
Mi az adat:
Adatnak nevezünk minden olyan ismeretet, mely előzőleg már
rögzítésre került.
Mi az információ
Az információ olyan jelsorozatok által hordozott hír, mely egy
rendszer számára új ismeretet jelent.
Milyen formában tároljuk az adatokat?
Bináris formában (0 és 1)
1 bit egy döntés
Mik a fontosabb mértékegységei?
1byte=8bit
1 Kbyte=1024byte
1Mbyte=1024Kbyte
1Gbyte=1024Kbyte
(Kérdések gyűjtése:
Mire kíváncsiak a diákok)
1Tbyte=1024Mbyte
Bevezető ráhangoló feladat
Határozzátok meg az Internet segítségével, mit
nevezünk háttértáraknak?
(egyéni esetleg páros feladat)
Interaktív módszerrel megvitatjuk a talált megoldásokat és közösen kiválasztunk
egy általános definíciót:
A háttértár olyan számítógépes hardverelem, mely nagy mennyiségű
adatot képes tárolni, és azokat a számítógép kikapcsolása után is
megőrzi.
Általánosan:
A háttértár olyan hardverelem, mely nagy mennyiségű adatot képes
tárolni, és azokat a működtető eszköz kikapcsolása (áramtalanítása)
után is megőrzi.
Visszautalás a korábban tanultakra
Miért van szükség a háttértárakra?
(tanári kérdés, jelentkező tanulók felszólítása)
Ha csak kevés jelentkező van rávezető kérdések. (mi a RAM, hogy
működik, mekkora a kapacitása?)
a számítógép műveleti memóriájában (RAM) csak ideiglenesen lehet
adatot tárolni, ennek tartalma a számítógép kikapcsolása, vagy
resetelés után törlődik.
(kérdések az adattovábbításról, szállításról)
Megbeszéljük a számítógépeken kívül milyen eszközök rendelkeznek
háttértárral, és milyennel.
(cd/dvd lejátszó fényképezőgép, videokamera, telefon, MP3/MP4
lejátszók,navigációs rendszerek, robotok stb.)
Kollektív munka
Rávezető kérdések segítségével, elérni, hogy a
diákok akár egymással is megvitatva létező
ismereteiket létrehozzák a háttértárak működési
elv alapján történő csoportosítását.
Mágneses háttértárak
Optikai háttértárak
Flash memória
Frontális munka/kooperatív munka
Jelentésteremtés
A tanár által készített prezentáció bemutatása
(projektorhasználat), a magyarázatban korábbi
informatikai, fizikai, és technikai interdiszciplináris
ismeretekre utalás.
A bemutató bizonyos részeinél csoportos, internet
segítségével megoldható feladatok adása a tanulóknak.
(pl. háttértárak kapacitásának, adatátviteli sebességének
meghatározása)
Mágneses háttértárak

Mágnesszalagos

Hajlékonylemezes

Merevlemezes
Mágneses háttértárak működési elve
A mágneses háttértárolás esetén egy nem mágnesezhető felületre
(alumínium, vagy műanyag) vékony rétegben felhordott ferromágneses
anyagot meghatározott módon (a lemezen koncentrikus, a szalagon
párhuzamos sávokban) a tárolandó információnak megfelelően változó
irányú mágneses térrel átmágnesezik úgy, hogy a kialakult remanens
(visszamaradó) mágnesesség elegendő erejű legyen ahhoz, hogy a tárolt
információ kiolvasásakor a felület felett elhaladó olvasófejben változó irányú
áramot indukáljon.
Mágnesszalagos háttértárak
•
•
•
A mágnesszalagos háttértárolók soros elérésűek.
A műanyag alapú szalagra felhordott mágneses rétegben
egyszerre több sávban (7 vagy 9 csatornán) párhuzamosan
történik a rögzítés.
Rögzítés előtt a szalag mágnesezettséget nem mutat. Az adat 8
bites formában (1 byte) adott, ehhez igény szerint paritás bit
kapcsolható. Az egyes bitek a szalagon egymás melletti
párhuzamos csatornákon rögzíthetők. Egyik lehetséges
kódolási eljárásnál a logikai 1 értéknek a szalag mágnesezése
felel meg, a logikai 0-nál nincs mágnesezés
Mágneslemezes háttértárak
A mágneslemezes tárakban a jelrögzítés koncentrikus körök (sáv vagy
track) mentén történik. A sávok sűrűn egymás mellett helyezkednek el. A
sávokon kívül egy-egy lemezoldal, mint egy torta szeletei, szektorokra is
oszlik. A sávok és szektorok metszéspontjainál kialakuló ívekben, a blokkok
jelentik a legkisebb átvihető adatmennyiséget. A sávsűrűséget tpi-ben
fejezik ki, jelentése track per inch radiális irányban.
Mágneslemezes háttértárak

A szektorok jelentik a legkisebb
címezhető adategységet, ami 512 byte
a PC esetében.

A sáv és szektorszám megadásával az
adott blokkban rögzített adatok
gyorsan előkereshetők. Ezért a lemez
direkt elérésű tároló, szemben a szalag
soros elrendezésével.

Ha a lemez mindkét oldalát
felhasználjuk, vagy lemezköteg
azonos koncentrikus köréről van szó,
akkor nem sávról, hanem cilinderről
beszélünk. Egy koronghoz 2 olvasóíró fej (head) tartozik, a korong
mindkét oldalához egy.
A könnyebbség kedvéért a merevlemez több szektort együtt szokott kezelni, ezek a
szektorcsoportok, a cluster-ek v. állományelhelyezési egységek .
Mágneslemez előkészítése
Formázás (formattálás): tároláshoz szükséges struktúra létrehozása.
Ennek során a lemezen létrejönnek a sávok, track-ek és a
szektorok.
A formázó program feladata még, hogy a fájlok tárolásához szükséges,
az operációs rendszer által használt lemezrészek kialakítása is.
A lemez fizikai felépítése, növekvő szektorszám szerint:
1. partíciótábla (Master boot record. Csak merevlemez eseten létezik):
partíciók elhelyezkedési adatai
2. betöltő szektor (Boot record) OS. Indítása,
3. fájl allokációs tábla (FAT) állományok darabjainak sorrendjét tartja nyilván
4. fő(gyökér) tartalomjegyzék (Root Directoriy) Minden lemezen elhelyezett
fájlhoz és alkönyvtárhoz tartozik egy 32 bájtos bejegyzés, ami többek között a
bejegyzés nevét, kiterjesztését, tulajdonságait (attribútumait), a hozzátartozó
kezdő cluster sorszámát, és az állomány méretét tartalmazza.
5. adatterület
Hajlékonylemezes háttértárak
•
•
•
•
•
•
•
1.44 MB-os floppylemez esetén:
80 sáv, és egy track-en 18 szektor.
Egy szektor mérete 512 byte.
Műanyag tokban hajlékony műanyag lemez
található, mely mindkét oldala mágnesezhető
réteggel van bevonva.
Használatát az teszi lehetővé, hogy a forgás
következtében létrejövő centrifugális erő
hatására sík és viszonylag merev lesz.
A lemezt a meghajtóban egy elektromotor
forgatja, a felület mindkét oldalán író-olvasó
fejek sugár irányban mozogva írnak/olvasnak. Ezek kis méretű elektromágnesek.
Feloldható írásvédelmi (write protect)
lehetőség: az adatok nem kívánt felülírását
vagy törlését akadályozza meg.
Hajlékonylemezes háttértárak
•
•
•
•
•
•
A hajlékonylemez cserélhető adathordozó
Méretek: 8”, 5.25" és 3.5" átmérőjű lemezek
8”: 160-500KB
5.25”: (IBM PC, XT) 360 KB, majd később 1.2 MB kapacitás
3.5”: 1.44 MB kapacitás
Az adattárolásnál a meghajtónak ismerni kell a sávok kezdőpontját,
amit a lemezen és a tokon levő apró ún. indexlyuk tesz lehetővé,
melynek helyzetét egy optikai érzékelő olvassa le.
Merevlemezes háttértárak
•
•
•
•
•
A mágneses réteg üvegből vagy alumíniumból készült lemezeken
helyezkedik el, ez biztosítja a hordozó anyag stabilitását és szilárdságát.
A lemezeket egymás fölé helyezik egy közös tengelyre, melyet a motor hajt
meg.
A lemezek közé nyúlnak be az olvasófej karjai, általában minden lemezhez
két darab, az egyik alul, a másik felül olvassa az adatokat.
A fejek tizedmikronnyi távolságra helyezkednek el a mágneses rétegtől,
ezért ezt a réteget felhordás után tökéletesen simára polírozzák, hogy az
egyenetlenségek ne sértésék meg a fejeket.
A fejek szintén központi tengelyen vannak összekapcsolva, ezt a tengelyt
egy lineáris motor mozgatja, mely félelmetes pontosságra és sebességre
képes, másodpercenként akár 50-szer tud pontosan pozícionálni akár úgy,
hogy minden lekérdezendő adathoz a teljes lemezsugár távolságot meg kell
tenni.
Hozzáférési idő = Pozicionálási idő átlaga +
Forgási idő + Adatátviteli idő + Vezérlési idő.
Merevlemezes háttértárak
Ezek alkotják a merevlemez mechanikát,
melyet egy zárt házba tesznek.
A ház teljesen nem zárt, van rajta egy
nyomáskiegyenlítő szelep, ezen keresztül
gondosan szűrt levegő tud beáramlani,
ha csökkenne a nyomás, és itt tud
ugyanígy távozni, ha megnőne
(nyomáskülönbség a hőmérsékletváltozás miatt következik be). A szelep
porvédő, ezért az apró portól is megvédi
a belső mechanikát, de a levegő
szabadon járhat rajta keresztül.
A merevlemez házára szerelik kívülről az
elektronikát, mely a motorokat és a
fejeket vezérli, adatokat olvas és ír,
valamint itt helyezkedik el a cache
memória, ahol az átmeneti adatok
tartózkodnak.
HDD írási és olvasási sebesség
Befolyásolja:
•
•
a lemez forgási sebessége:
5400, 7200, 10 000 vagy 15 000 fordulat/perc (rpm).
az átviteli sebesség: növelésének érdekében beépítenek egy
gyorsítótárat (cache)
•
•
•
•
•
Írásnál: merevlemez elektronikája a gyorsítótárba gyűjtögeti a kiírandó
adatokat, majd ha elegendő összegyűlt, egyszerre kiírja a lemezre.
Olvasásnál: a lemezről többet beolvas, mint amennyire szükség van az
adott pillanatban, arra a statisztikai tényre építve, hogy „úgy is kérni
fogjuk az utána lévő adatokat” (előreolvasás).
A gyorsítótárnak köszönhetően a HDD elérési ideje lényegesen
lecsökken.
Cache méretek: lehetőségeinek kihasználása érdekében a
nagyobb adatsűrűségű tárolókhoz nagyobb méretű szokott lenni.
Régebben 2, 4, 8 MB-os,
Manapság a nagyobb kapacitás új HDD-k mellé 16, 32 vagy 64
MB-os gyorsítótárat szoktak rakni.
Optikai tárolók


A digitális adatok optikai tárolására a kompakt
lemezeket (CD = Compact Disk) használják.
Az adatrögzítés egy három rétegű adathordozón
történik:
Optikai tárolók
•
•
A CD: polikarbonát lemezen alumínium v arany fényvisszaverő réteg
helyezkedik el, ezen sorjáznak a bitek,a visszatükröző réteg
bemélyedései (pitek), ill. változatlan felülete (landok).
Valójában a pit és a land is logikai "0"-t jelent, a logikai "1" a kettő
közötti átmenetnek felel meg. Az olvasás egy lézersugár
visszaverődésének érzékelésével történik, a visszaverődő szórt fényt
mérik: a sötétebb pontokról kevesebb fény verődik vissza.
Spirál hossz: 5734 m
Pit vagy lyuk (0,833-3,054 µm)
Land vagy sík
Optikai tárolók
A meghajtó lézerfejét
fókuszálni kell a lemezre, és
a fejnek nagy pontossággal
(1 mikrométeren belül) kell
követnie a lemezre írt spirális
sávot.
Feladata: az olvasott adatok
felismerése, a sorosan
érkező csatornabitek
összeállítása és
visszakódolása bájtokra, az
előforduló olvasási hibák
észlelése és javítása, az
olvasott bájtok átadása az
interfész felületen a CDvezérlőnek
Compact Disk
• Az adathordozó egy 8 v.12 cm átmérőjű és 1,2 mm vastag
korong, amelyre az adatok spirál formában kerülnek felírásra. A
spirálon az adattárolás szektorokban történik. Egy szektor
mérete kb. 2 KB
• Általános felépítése:
• Szinkronizációs mező
• Fejléc a szektorazonosítókkal
• Adatrész
• EDC (=Error Detecting Code): hibaellenőrzés
• ECC (=Error Correcting Code):hibajavító
• A lemez elején található egy tartalomjegyzék (TOC = Table of
Contents), amely a lemezen található adatokról és ezek helyéről
ad információt.
Flash drive
Gyors, törölhető és újraírható félvezető alapú memória, mely
az információt kikapcsolt állapotban is megőrzi.




A Floppy-technológia halálával felmerült az igény kis méretű, de
jól hordozható média megjelenésére is. Ehhez remek csatlakozási
felületet nyújtott a Windows 95 bevezetése óta már létező és
egyre gyorsuló USB-szabvány. A legelső 8-128 MB-s darabok
még a legelső, igen lassú 1.1-es szabványon jelentek meg, de a
technológia váltásával (és főleg szabvány frissítésével) gyorsult a
PenDrive és nagyobbodott a méret.
Maga a PenDrive egy pici kis nyomtatott áramkört tartalmaz,
mely Flash-memóriaként képes adatokat tárolni.
Előnyök: nagyfokú strapabírás, tápáram nélkül is megőrzi az
adatokat, évekig, könnyen hordozható, igen kicsi helyigényű.
Hátrányok: képtelen önálló adatcserére, csatlakozója néha sérül,
könnyen elveszik!
Kooperatív munka
Csoportok kialakítása (létszámtól függően 3-6 csoport)
feladat egy-egy háttértár típus jellemzése.
(kapacitás, gyorsaság, egyéb lényeges jellemzők)
FDD
HDD
CD
DVD
Blu-Ray
Flash memória
Reflektálás
A csoportok bemutatják a csoportosan készített
prezentációikat
Közös értékelés, ha kell javítás.
Tanári tevékenység lényege:
A tanulók megerősítést kapnak, hogy ismeretszerzésre bátran használják az Internetet, de lehetőleg a
kapott információkat minél több forrásból
ellenőrizzék, hiszen nem minden talált információ
mögött áll akadémikus tudás.
HDD
Seagate 500GB Serial-ATA 2.0 NCQ winchester (16MB cache)

Típusa: Seagate Barracuda 7200.10
Fordulatszám: 7200 rpm
Adatátviteli sebessége: 3 Gb/sec
Belső átviteli sebesség: 760 MB/sec
Átlagos elérési idő: 8 ms
Bemutató:
Merevlemez sebesség teszt: CrystalDiskMark 2.20f (magyar)
HD-Speed
Optikai háttértárak


A CD közvetlen elérésű, a többi tárolóval összehasonlítva
közepes kapacitású (650-700 MB, azaz kb. 75 perc zene vagy kb.
275 000 oldal szöveg vagy ) és közepes sebességű. Átviteli
sebességét az első CD-meghajtókhoz viszonyítva (150 KB/s)
adják meg, ma a leggyakoribb az ,,52×" jelzés. Elérési idejük
jellemző értéke 100–300 ms közötti.
A DVD viszonylag nagy kapacitású (4,7-17 GB), gyors olvasási
sebességű. Az első DVD-olvasók 1350 KB-ot olvastak
másodpercenként, ennek megfelelő többszörösei a későbbi
kétszeres, négyszeres, ..., 16x-os olvasók. Mivel az olvasási
sebességet a fordulatszám növelésével érik el, annak
növekedésére egy idő után nem számíthatunk, hiszen a ma
jellemző kb. 8000 fordulat/perc felett már nehéz a zajt és a
rezgést kordában tartani.
Flash memória

A kezdeti időkben két sebességre volt lehetőség: az ideiglenes
szabványként 1996 januárjában megjelent USB 1.0 még csak 1,5
Mb/s-re adott lehetőséget, de ezt felgyorsította az 1998
szeptemberében megjelent USB 1.1-es 12 Mb/s -os sebessége.

A következő, USB 2.0-ás szabványt 2000 áprilisában mutatták be
max. 480 Mb/s -el. Ez a verzió annyira sikeressé vált, hogy
hamarosan teljesen kiszorította a régi eszközöket pl.: FDD,CD.
Az USB 3.0-ás szabványt fejlesztő csoport 2008. nov. 17-én
fejezte be a fejlesztést. A végső sebesség (USB SuperSpeed
néven) 4,8 Gb/s lett, de az átlagsebességet „csak” 3,2 Gb/s-re
sikerült feltornászni.
