Funkčnost, rozhraní a technologie pevných disků

K tomu, aby se disk bez problému domluvil s celou základní deskou, je vybaven řadičem, který celou komunikaci a všechny operace se zařízením řídí. Základní deska je pak vybavena tzv. Host Adaptérem, jenž se stará pouze o zprostředkování komunikačního kanálu mezi oběma zařízeními. Celé technologii se v počítačové branži říká ATA (Advanced Technology Attachment).

Ač je řadič u všech moderních disků umístěn až na pevném disku (ne na základní desce), stále jeho parametry nastavujeme v BIOSu počítače. Nutno ovšem říci, že tato zažitá skutečnost nebyla vždy pravdivá. V dávným dobách totiž také ještě existovaly disky MFM (například rozhraní ST506), které na svém těle žádným řadičem nedisponovaly. Ten pak musel být umístěn na základní desce, potažmo v přídavné ISA kartě, ke které bylo nutné disk připojit rovnou dvěma kabely. První z nich byl datový (20 pin) a druhý, 34vodičový, sloužil pro přenos řídících signálů.

Adresování diskových bloků

Aby mohl pevný disk optimálně pracovat, musí nějak zjistit polohu všech na něm uložených dat - jeho řadič i základní deska podporovat stejnou metodu adresace a jelikož základní jednotkou, kterou pro ukládání dat používáme, je sektor, mluvíme též o adresování sektorů.


CHS (Cylinder/Head/Sector)

Tato metoda spadla již velmi dávno do propadliště dějin a dnes již není vůbec využívána. Přesná lokace dat byla zaznamenána pomocí číselné adresy jednotlivých cylindrů, hlav i samotných sektorů. S pomocí tohoto adresování byl BIOS počítače schopen adresovat "obrovských" 512 MB, protože narážel na limity rozhraní Int13h, které nedokázalo kvůli první verzi IDE rozhraní rozlišit více jak 10 bitů pro adresu cylindru, 4 bity pro adresu hlavy a 6 bitů připadalo na adresu sektoru.


XCHS (eXtended CHS)

Tato nová verze adresování již dokáže využívat kapacit rozhraní Int13h naplno - 10 bitů pro adresu cylindru, 8 bitů pro adresu hlavy a 6 bitů adresy sektoru. Díky tomu činí maximální adresovatelný prostor celkových 7,88 GB.


LBA (Logical Block Addressing)

Tento model adresování vychází z disků SCSI a používá naprosto jiných metod oproti předchozím technologiím, protože za pomoci LBA jsou všechny sektory pevného disku jednoduše očíslovány a z tohoto pořadového čísla je teprve vytvořena 28bitová adresa, s jejíž pomocí je na sektor dále přistupováno.

S pomocí LBA již dokáže pevný disk využít už celkem pěkných 128 GiB prostoru. Zpětná kompatibilita s XCHS je ale stále zajištěna.


LBA - ATA/ATAPI-6

Když už přestala stačit kapacita 128 GiB, která mohla být využita s pomocí LBA, byl vyvinut na základě původního LBA nový standard ATA/ATAPI-6, jenž rozšiřuje adresování až na neuvěřitelných 48 bitů. Po malém přepočítání nám tak vychází, že za pomoci posledně zmíněného standardu je možné připojit disk až s maximální kapacitou 144 PB čili 128 PiB.

Každému sektoru je navíc také předřazena jeho vlastní hlavička (záhlaví), kterou každá z alokačních jednotek naprosto přesně popisuje a to z toho důvodu, že by jinak bylo téměř nemožné přesně zaměřit jeden jediný sektor v takové záplavě jiných. Hlavička je po příchozím požadavku na čtení dat pouze nasměrována na přibližné umístění hledaných dat a dále se snaží pouze najít odpovídající záhlaví.

IDE aneb Paralelní ATA

IDE (Integrated Drive Electronics) představuje rozhraní, které se již od uvedení prvních specifikací na konci osmdesátých let firmou Western Digital používá dodnes, i když teď spíše pouze pro připojení optických mechanik, nicméně i z této oblasti je pomalu vytlačováno novějším a perspektivnějším rozhraním Serial ATA. Rozhraní IDE se pro jeho princip přenosu dat říká také Paralelní ATA (PATA) - přenos informací po datovém vodiči totiž probíhá po několika vodičích současně, tedy paralelně.

Čip rozhraní IDE, které by se však správně mělo označovat EIDE (Enhanced IDE - IDE byla prapůvodní a dnes již nevyskytující se verze), disponuje celkem dvojicí datových kanálů, přičemž na každém z nich může pracovat vždy rovná dvojice různých zařízení a to, aby se připojené disky či mechaniky nepopraly, můžeme zařídit pomocí malých jumperů. Těmi lze jednoduše určit, v jakém ze tří režimů má dané zařízení pracovat: Master, Slave, Cable Select.
Na každý kanál je možné připojit jedno zařízení v režimu Master (či stand-alone) a jedno v režimu Slave, avšak není pravdou, že Master je nadřazené zařízení tomu, které je připojené jako Slave, protože obě stejně ovládá OS a obě jsou podřízena pouze jemu, respektive vlastnímu řadiči. Existuje zde pouze to omezení, že v jeden čas dokáže systém komunikovat pouze s jedním zařízením, což je vzhledem k připojení celkem pochopitelné. Pokud byste na kanál připojili pouze jedno zařízení nastavené na režim Slave, nefungovalo by. Tedy oficiálně. V případě použití vhodného operačního systému (Windows NT a novější) a za předpokladu, že nepůjde o systémový disk, by ale i takové zařízení fungovat mohlo.

Nejvíce viditelným rozdílem je také to, že operační systém preferuje pevný disk, jenž pracuje v režimu Master a tomu také přiřadí (v případě Windows) jako prvnímu odpovídající písmenné označení. Pokud mluvíme o primárním kanálu, tak disk v režimu Master proto vždy naleznete v systému jako jednotku "C:" a Slave dostane následující volné písmenko (pokud není stanoveno v operačním systému jinak). Z tohoto můžeme také logicky odvodit, že z Master disku se bude systém jako první snažit zavést operační systém. V BIOSu jej poté, při určování priorit bootování, nalezneme pod označením HDD-0.

S pomocí Cable Select (CS) můžeme rozhodováním, které zařízení bude nadřízené, pověřit samotný BIOS, což ale raději moc nedoporučuji. Většinou bývá nejlepší si vše nastavit pevně. Jednak máte nad zapojením plnou kontrolu a pak při použití CS nemusí být vše tak bezproblémové, jak se může na první pohled zdát. Na některých discích je dále možno použít speciálního režimu Single, který se může použít jako alternativa Masteru, ovšem za podmínky, že bude zařízení na kanálu samo.

Přenosová rychlost Paralelního ATA sice pro jedno zařízení stačí, pokud ale připojíte obě dvě, může se stát propustnost velice úzkým hrdlem, které bude celkovou komunikaci v závislosti na aktuálním zatížení systému různou měrou brzdit.
Původní verze rozhraní o přenosové rychlosti 33 MB/s ještě využívala v plochém datovém kabelu pouhých 40 vodičů. S dalšími nastupujícími revizemi (66 a 100 MB/s) bylo ale jasné, že kvůli rostoucím přeslechům (problém s názvem kapacitní vazba - signály jendnotlivých vodičů se navzájem ovlivňovaly) nemůže takový kabel v praxi postačovat, a tak se začaly používat "kšandy" nové, které sice měly opět pouze 40 datových vodičů, ale navíc také dalších 40 vodičů sloužících jako stínění. Při vývoji poslední z revizí Paralel ATA (PATA), která dosahovala maximální přenosové rychlosti 133 MB/s, bylo zjištěno, že technologie dosáhla svého výkonnostního maxima a byla jako neperspektivní odložena. Napájení 3,5“ disků s rozhraním PATA je dnes realizováno výhradně pomocí Peripheral Power konektorů.

SCSI (Small Computer System Integrated)

"Skaziny", jak se tomuto rozhraní v počítačové branži s velkou oblibou říkalo, bývaly nejčastěji nasazeny u výkonných pracovních stanic, vysokorychlostních pevných disků ale i starších periferních zařízení (skenery) či nejčastěji serverů, kde se v určité míře takováto zařízení používají dodnes. Existuje několik norem, které se liší jak počtem připojených zařízení, přenosovou rychlostí tak i maximální délkou kabelu.

Sběrnice poskytuje možnost připojit na jeden kanál až 7 příp. 15 zařízení, jež jsou dále označeny určitým ID, které všechny jednoznačně identifikuje (nejvyšší patří vždy samotnému řadiči). Všechna zařízení mohou poskytovat velmi vysoký výkon, přenosovou rychlost i poměrně nízkou přístupovou dobu přístupu k datům. Velkou nevýhodu ale přesto zůstává vysoká cena jak řadičů, tak i samotných zařízení, a proto se tato technologie v domácích podmínkách nikdy příliš neuchytila. Celá kaskáda musí být také zakončena speciálním zakončovacím prvkem, který známe také z počítačových sítí, tzv. terminátorem.

Pozn: Existuje také technologie SAS (Serial Attached SCSI), která byla navržena pro použití při přesunech dat z pevných disků či páskových zařízení. Jedná se o sériový protokol zajišťující dvoubodové spojení typu point-to-point a v současné době poskytuje přenosovou rychlost 3 Gb/s. V roce 2009 se ale plánuje příchod dalšího vylepšení technologie, jež zvýší přenosovou kapacitu až na 6 Gb/s. Zajímavé také je, že technika SAS je zpětně plně kompatibilní s druhou generací disků SATA, které tak mohou být jednoduše připojeny k SAS páteři. Opačně to však nefunguje a žádné zařízení s rozhraním SAS ke sběrnici SATA bohužel nijak nepřipojíte.

Vyhrává ten nejrychlejší

Aby mohl pevný disk splňovat požadavky počítače, musí být také nějak zajištěna jeho spolupráce s operační pamětí RAM, což může být dvěma způsoby. Prvním je režim PIO (Programmed Input/Output) s jehož pomocí je veškerý datový tok mezi těmito komponentami řízen pomocí procesoru. Tato koncepce má ale obrovskou nevýhodu a s ní spojenou také poměrně mizernou přenosovou rychlost. Jakýkoliv (i malý) požadavek na čtení dat nebo jejich zápis totiž musí obsloužit procesor, který je tak zbytečně vytrháván z jiné práce (třeba i důležitější), což poměrně hodně zdržuje.

Poslední standard tohoto přenosu (PIO 5) nebyl nikdy kvůli nově vznikajícímu režimu s přímým přístupem do paměti nasazen do ostrého provozu a integrován do pevných disků. V BIOSu jej však i přesto nalezneme. V dnešní době tak není zapomenut a využívají jej paměťové karty CompactFlash připojené s pomocí tzv. IDE adaptérů.

Druhým a mnohem perspektivnějším režimem se stal ale až režim DMA (Direct Memory Access, přímý přístup do paměti), který dovoluje diskovému řadiči (za pomoci tzv. busmasteringu), aby byla jeho práce řízena výhradně jím. Procesor tedy pouze zadá příkaz a řadič se již o vše potřebné postará sám.

Pozn: Rozhraním ATA mohou být vybaveny také zařízení ATA DM (ATA Disk Module), což jsou ve své podstatě klasické flash paměti, které ovšem můžeme díky speciální konstrukci a konektoru připojit ke standardnímu čtyřiceti pinovému konektoru rozhraní ATA. Jejich miniaturní spotřeba a minimalistické rozměry je přímo předurčují k použití v routerech či jiných specifických aplikacích. Další výhodou je, že tyto moduly jsou s technologií klasických disků zcela kompatibilní, protože nevyžadují žádných dalších ovladačů nebo speciálních kabelů. I na nich je však tedy třeba určit, zda mají pracovat jako Master či Slave.

Shrnutí

• Paralel ATA (PATA) - klasické paralelní rozhraní využívající 16 datových vodičů a plochého kabelu
• PIO - přenosový mód Processor Input Output - využívá procesor k přenosu dat a pracuje s módy PIO 0 - PIO 5
• Ultra ATA (UDMA) - zajišťuje přímý vstup do paměti a nepotřebuje tedy procesor - módy Ultra ATA/33 až Ultra ATA/133
• Master / Slave - značí rozlišení zařízení připojených na rozhraní PATA pomocí plochého datového kabelu - nastavuje se jumpery
• Host Adaptér - zařízení (součást základní desky) zajišťující komunikaci systému jakko celku s instalovanými pevnými disky
• Terminátor - zakončovací prvek sběrnice SCSI, eliminuje možné odrazy signálu od konce datového vedení a tím i omezuje případné rušení probíhající komunikace
• Serial Attached SCSI (SAS) - sériová revize původně navržené sběrnice SCSI, která v současné době (2008) poskytuje přenosovou kapacitu až 3 Gb/s
• ATA DM (ATA Disk Module) - speciálně navržené moduly pamětí flash, které je možné připojit přímo k datové sběrnici ATA. Vyznačují se velice nízkou spotřebou a minimálními rozměry

V případě zájmu o více informací ohledně nastavení pevných disků v BIOSu nahlédněte do kapitoly Konfigurace pevných disků a optických mechanik z 2. dílu našeho seriálu o BIOSu.