Funkčnost, rozhraní a technologie pevných disků

Fyzická struktura

Pevný disk (HDD – Hard Disk Drive) je zařízení pro ukládání dat, která po svém zápisu již nepotřebují další energii, aby se uchovala. Protikladem tedy může být paměť typu RAM a analogickým příkladem naopak paměť typu NAND FLASH. V pevném disku najdeme několik diskových ploten, kotoučků, na které byla data dříve přímo zapisována díky vrstvě železného oxidu nebo v současnosti také pomocí magnetického substrátu slitiny kobaltu (tzv. tenkého filmu, Thin Film). Tento materiál nalezneme na povrchu každé z ploten, přičemž na každou z nich se zapisuje většinou z obou jejích stran a to pomocí speciálních čtecích/zapisovacích hlaviček, jež se pohybují velmi nízko nad samotnou datovou vrstvou.
Plotna bývá nejčastěji vyrobena z různé kombinace skla, keramiky či plastu (dříve se hojně využívalo také hliníku) a je na ni je možné zapsat různé množství dat. Čím více dat přitom každá z ploten pojme (má větší hustotu záznamu), tím větší výkon disk uživateli nabídne.

Plotny pohání elektromotory, jejichž působením se plotny roztočí na požadované otáčky udávané v RPM (Revolutions Per Minute) – otáčkách za minutu. Dnes můžeme na trhu najít pevné disky s typickými otáčkami 4200 RPM, 5400 RPM, 7200 RPM, 10000 RPM a 15000 RPM. Hodnota 7200 RPM je dnes nejběžnější u desktopových disků velikosti 3,5“. 4200 RPM odpovídá spíše low-endovým notebookovým diskům, 5400 RPM standardním notebookovým diskům, 10000 RPM nalezneme například u řady WD Raptor a 15000 RPM například u nových 2,5“ Seagate Savvio 15K. Hodnota 7200 otáček za minutu je momentálně rezervovaná pro drtivou většinu desktopových 3,5" disků.

Dnes není problémem na jednu plotnu zapsat až 334 GB datového záznamu. Na začátku tohoto roku (2008) jste tak mohli být například svědky uvedení zahájení sériových dodávek nových řad pevných disků řady Caviar s takto vysokou hustotou záznamu. U pevných disků pro notebooky zase bývá standardem celkových 160 GB na každé z ploten. Zajímavý je také disk SpinPoint F DT HD103UJ, který na svých třech plotnách unese až 1 TB.
Další zajímavou informací může být také fakt, že existuje také několik technologických novinek, které se snaží minimalizovat poškrábání datových ploten, a tím také odvrátit následné nevratné poškození celého zařízení. Příkladem může být technologie ImpacGuard, se kterou přišla již před nějakou dobou firma Samsung a která chrání disk pomocí několika malých ochranných polštářků. Celou situaci nejlépe objasní následující obrázek, který pochází přímo ze serveru výrobce této technologie.
Každá použitelná strana plotny musí mít svou čtecí a zapisovací hlavu, jež je umístěna na ramenu. To se pohybuje pomocí lineárního motoru tak, aby hlavičky mohly pokrýt veškerou využitelnou plochu plotny, nad níž se pohybují extrémně nízko. V podstatě platí, že čím vyšší kapacita, tím blíže je nutné hlavu k povrchu disku přiblížit. Prudké pohyby ramene společně s prací motorku pohánějícího plotnu a otáčením plotny tvoří nepříjemné vibrace přenášející se na skříň a také veškerý hluk pevného disku. Vedle hluku však mají za následek i tvorbu tepelné energie, avšak na té se velkou měrou podílí i elektronika pevného disku.

Z výše uvedeného logicky vyplývá, že celkový počet hlaviček v každém pevném disku by měl být roven dvojnásobku diskových ploten, což ale nemusí být vždy pravda. U krajních ploten (u okrajů disku) nemusí být vždy přítomny hlavičky po obou jejich stranách, čímž pak výrobce nevyužívá naplno dostupné kapacity disku.
K hlavičkám a otáčkám disku se vztahují také dva pojmy – seek time a rotational delay. Ty by se daly přeložit jako doba vyhledávání dat a rotační zpoždění a platí u nich, že čím jsou nižší, tím více přispějí k celkovému vyššímu výkonu disku. Jako seek time označujeme čas, za který se hlava přesune nad požadované místo čtení nebo zápisu. U dnešních běžných pevných disků tato průměrná doba činí asi 8ms. Rotational delay je také prodleva, ale ta se vztahuje k otočení plotny tak, aby se pod hlavu dostal požadovaný sektor. U 7200RPM disků může být maximální možná rotační prodleva také zhruba 8ms a průměrná je tedy 4ms.

Některé pevné disky podporují technologii AAM (Automatic Acoustic Management), která umožňuje snížit hlučnost pohybu hlaviček při prohledávání disku na úkor přenosové rychlosti a přístupové doby.

Stopy, sektory, cylindry

Magnetický povrch plotny nemůže na disku zůstat bez organizace; musí mít svůj pevný řád daný rozdělením disku na stopy, sektory a cylindry. Stopy (tracks) jsou soustředné kružnice, které jsou očíslovány (0 = vnější stopa) a po kterých hlavička najíždí a vyhledává konkrétní místo k zápisu či čtení.

Každá stopa je rozdělena na sektory, které jsou známy jako tzv. nejmenší adresovatelné jednotky na pevném disku a ještě v roce 2006 činila jejich velikost obvyklých 512 B. Téměř po třiceti letech se ale sdružení IDEMA (International Disk Drive, Equipment, and Materials Association) rozhodlo tuto zavedenou hranici zvýšit až na 4096 B, to pro určitý nárůst rychlosti v přístupu k datům a také kvůli schopnosti ukládat vyšší objemy dat. Dalším důvodem bylo také zefektivnění práce korekční techniky ECC (Error Correction Code), díky čemuž je pak obnova poškozených dat mnohem jednodušší. Většina souborových systémů dnes navíc pracuje též se 4096B sektory, což byl další důvod hovořící pro změnu.

Vzhledem k tomu, že obvod stop je v různých místech disku různě dlouhý, bychom kvůli rozdělení všech stop na stejný počet sektorů zbytečně plýtvali místem na disku. Proto disky využívají tzv. Zone Bit Recording, kterážto metoda rozděluje stopy na sektory podle jejich délky, čímž je přístup k datům složitější, ale umožňuje plně využít vysoké obvodové rychlosti.
Rozdělení na cylindry je důležité proto, aby se hlavy v pevném disku využívaly rovnoměrně a disk tak měl co nejvyšší výkon. Cylindr označuje všechny stopy ploten, které mají stejné číslo a tvoří tak pomyslný dutý válec. Disk při zapisování plní disk ne po plotnách, ale právě po cylindrech, aby se průběžně využívaly všechny hlavy (ty jsou totiž umístěny na společném rameni, s jehož pomocí jsou nakonec také navedeny na správné místo), nebo alespoň skoro všechny.

Clustery, práce s daty

Jak jsou všechny stopy, cylindry a sektory na disku uspořádány také označuje význačný termín "geometrie disku". Operační systém však zavádí ještě další logickou jednotku s označením cluster - s tou už operační systémy opravdu pracují a data na ně zapisují nebo je z nich čtou. Clustery již nejsou tvořeny nízkoúrovňovým formátováním, nýbrž formátováním vysoké úrovně (více informací o těchto dvou pojmech naleznete v 1. díle našeho seriálu o BIOSu) a shlukují v sobě určité množství sektorů, jejichž počet se může lišit v závislosti na použitém souborovém systému (NTFS například umožňuje využít clustery o velikosti 8 B až 64 KiB).
Jakou velikost clusteru použijete záleží pouze na vašich preferencích. Pokud pracujete často s velmi malými soubory, vyplatí se nastavit clustery o nižší velikosti, protože pokud byste uložili například soubor o velikosti 1 KiB do 64KiB clusteru, přišli byste o 63 KiB volného místa. Naopak pokud bude datová jednotka využita především pro ukládání velkých souborů, bude výhodnější používat větší clustery, protože tím zrychlíte nejen vyhledávání, ale také celkovou práci s daty.

V dřívějších dobách se na plotny zapisovalo tak, že každý sektor měl stejnou velikost, přičemž nezáleželo na tom, kde na povrchu plotny se nacházel. Přitom je jasné, že data uprostřed disku musela být na sobě hodně natěsnaná, což mělo za následek možné a také celkem časté vzájemné ovlivňování magnetického záznamu.

Nastalý problém musel být bezodkladně vyřešen, protože v opačném případě by se z pevných disků stalo nespolehlivé zařízení, kterému byste se báli svěřit jakékoliv datové bloky. Řešení naštěstí přišlo záhy a pracovalo na principu, že elektronika pevného disku úmyslně ukládala určité bity na geometricky špatná místa. Celá prekompenzace (Write Precompensation) pak měla za následek, že se bity ve finále srovnaly do správné podoby.

Naproti tomu sektory na okraji plotny byly k tomuto poměru téměř prázdné. Další problém při takovémto zápisu představovala skutečnost, že uživatel nikdy nemohl využít maximální možnou kapacitu pevného disku. Všechny problémy pak komplexně vyřešila až metoda zónového zápisu (Zone Bit Recording), jež přišla jako náhrada zavržené prekompenzace, a která rozdělila sektory do oddílů s proměnnou velikostí, jež kolísala v závislosti na jejich skutečném fyzickém umístění na datové plotně. U dnešních disků tak může být na okraji plotny jiný počet sektorů než na stopách blížících se jejímu středu.

Princip zápisu a čtení dat

Za vše mohou hlavičky, což jsou pouhé cívky navinuté na jádrech, která jsou na nejbližších místech k datové plotně přerušená uzoučkou štěrbinou. Pokud pak cívkou prochází elektrický proud, dojde k vytvoření určitého magnetického toku, který se právě v této štěrbině uzavírá a tím ovlivňuje i záznamovou vrstu pevného disku. V závislosti na tom, jakým směrem při této operaci teče proud, tak můžeme vytvořit magnetická místa, která budou zmagnetizovaná tím či oním směrem. Mezi nimi poté vznikají tzv. magnetické reverzace, což jsou vlastně pouze místa, v kterých se konkrétní směr magnetizace mění a právě ony mohou velkou měrou za principiální funkčnost této metody zápisu.
Čtení dat probíhá zcela opačným způsobem. Během pohybu hlaviček nad povrchem dané plotny reagují cívky na přítomné magnetické reverzace, které následně vyvolávají v jádru starý známý magnetický tok, jenž je dále zpracován jako elektrický impuls přídavnou řídící elektronikou disku. Důležité je také výrobcem zvolené kódování dat, které určuje konkrétní způsob uložení magnetických reverzací. Za všechny zmiňme například frekvenční modulaci (FM, Frequency Modulation) či modifikovanou frekvenční modulaci (MFM, Modified Frequency Modulation).

U starší disků bylo dále třeba vyhradit určité místo (sektor), které bylo při vypnutém napájení používáno k parkování hlaviček (Land Zone). Svou důležitost tato informace ale ztratila v době, kdy přestaly postačovat původní pevné disky s krokovým motorem. U dnešních disků již parkovací oblast takto uživatel nastavit nemůže. Vše záleží pouze na výrobci, zda se rozhodne, jestli bude využívat střed či dokonce oblast někde úplně mimo plotny.

Technologie kolmého zápisu

Technologie kolmého zápisu má v originále možné označení Perpendicular Recording Technology, i když my si vzhledem ke zkratce vybereme spíše Perpendicular Magnetic Recording (PMR). Jedná se o nový způsob zápisu dat na pevné disky z hlediska fyzického provedení, který dnes postupně nahrazuje klasickou podélnou (longitudinal) technologii. O co se vlastně jedná? Jistě víte, že se na pevný disk zapisují data pomocí magnetizování povrchu plotny, kde orientace magnetického pole určuje, zda ono místo odpovídá 0 nebo 1. U klasické technologie se však materiál magnetizuje tak, aby bylo jeho pole orientováno podélně s povrchem plotny. Zato u PMR má zmagnetizovaný materiál orientaci pole kolmou na povrch plotny a od toho se odvíjí i název. Díky tomu se mohou jednotlivé 'bity' umístit blížeji k sobě, čímž se docílí vyšší kapacity.Avšak to není tak jednoduché. U PMR disků se musí využít ještě magneticky tvrdší materiál pro záznam a naopak magneticky měkká spodní vrstva, která napomáhá hlavičce v zápisu - zvyšuje její efektivnost, aby dokázala ovlivnit i magneticky tvrdý materiál na povrchu. Technologii kolmého zápisu dnes zvládá kdejaká firma. Jmenovitě to jsou Seagate, Toshiba, Fujitsu a Hitachi.

Není tisíc jako tisíc

Pozorné čtenáře možná zarazilo, když ve výše uveřejněném textu namísto osvědčené zkratky KB (kilobajt) narazili na její obdobu KiB (kibibyte). Pokud jste o ní dosud neslyšeli, pak vězte, že KiB znamená téměř to samé co KB, pouze s jedním a dosti podstatným rozdílem. Kilo totiž odjakživa znamená tisíce násobek nějaké jiné jednotky, ovšem pouze v desítkové soustavě. Ve dvojkové soustavě je to ale trochu jinak, protože zde je přepočet 1024, což odpovídá desáté mocnině čísla 2. Nejedná se sice o žádnou horentní odlišnost, ale čím více datových jednotek poté máme na mysli, tím více se budeme s výpočty od skutečné hodnoty vzdalovat.

Mezinárodní standardizační komise pro elektrotechnické normy (IEC - International Electrotechnical Commission) se na tyto zmatky už v roce 1998 nemohla dívat, a tak zavedla nové binární jednotky - Ki, Mi, Gi, Ti. S jejich pomocí pak můžeme konečně správně hovořit například o 1 KiB jako o 2¹⁰ či 1024 B. Tuto skutečnost mějte na paměti především při koupi nových zařízení, které disponují vlastní elektronickou pamětí, především pak u pevných disků, protože jejich výrobci s oblibou uvádějí celkovou velikost právě v desítkové soustavě.

Koupíte-li si tak například pevný disk o celkové kapacitě 400 GB (400 000 000 000 B). Získáte celkovou velikost "pouhých" 372,5 GiB a to už je rozdíl. K tomuto zjištění dojdete velice jednoduše, když celkovou kapacitu v bytech vydělíte třikrát konstantou 1024, čímž toto číslo převedete postupně na kibibajty, mebibajty a nakonec též na chtěné gibibajty.

Shrnutí

• Velikost disku – udává se v palcích a značí průměr ploten disku (1”, 2.5”, 3.5”. atp.)
• Kapacita disku – využívá se SI soustava, tedy 1 MB = 1.000.000B; oproti tomu 1 MiB = 2^20 = 1.048.576B – v tomto roce se očekávají disky s kapacitou 1 TB
• RPM – Revolutions Per Minute – počet otáček ploten za minutu (4200 – 15000RPM)
• Plotna – disk se skládá z jedné, nebo více ploten, na něž se mohou data zapisovat z obou stran
• Hlava – čtecí a zapisovací hlavu má každá strana plotny jednu; hlavou pohybuje krokový motor tak, aby pokryla plochu plotny a mohla z ní číst/zapisovat
• Stopa – plocha plotny je logicky rozdělena na stopy – soustředné kružnice na disku
• Sektor – stopy se logicky rozdělují na výseky – sektory
• Cylindr – všechny stopy na plotnách se stejným číslem
• Seek time – čas, za nějž se hlava přesune na požadované místo – měří se většinou průměrný čas
• Rotational delay – prodleva, za kterou se požadovaná část plotny natočí pod hlavu – maximální je rovna výsledku výpočtu 60/počet RPM
• Burst Transfer - rychlost komunikace mezi diskem a řadičem - v ideálním případě by měla být rovna specifikacím rozhraní, avšak málokdy se k nim disky byť jen přiblíží
• Sequential read/write - vlivem snižující se obvodové rychlosti při přibližování hlavy ke středu disku se snižuje i rychlost čtení a zápisu dat - měříme tedy sekvenční čtení / zápis
• ImpacGuard - technologie firmy Samsung, s jejíž pomocí jsou diskové plotny chráněny několika ochrannými polštářky umístěnými na vystavovacím rameni disku
• Prekompenzace - technika řešící problém vysoké hustoty zápisu při středu ploten zápisem bitů na geometricky špatná místa, což mělo za následek srovnání uložených datových bitů do správné podoby
• Zónový zápis - řešení problémů se zápisem na pevný disk a náhrada zavržené prekompenzace. Sektory rozděluje do skupin a jejich celkový počet v každé z nich je závislý na jejich fyzickém umístění na plotně.
• Magnetická reverzace - označení místa, v kterém dochází ke změně směru magnetizace
• Parkovací oblast - označení sektoru, které používaly především staré disky s krokovým motorem k parkování svých hlaviček
• Technologie kolmého zápisu - PMR - technologie využívající jiné orientace magnetizování povrchu ploten, čímž v podstatě dosahuje zvýšené hustoty zápisu

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.