Rady, Tipy a Triky na PC

Témata

Návšťěvnost

TOPlist

Osobní pomoc s PC

ICQ     385568425              -385-568-425

Telefon - 774 942 828 ONLINE

Mechanika disku, fyzické dělení, kolmý zápis

Nyní již víme, že v pevném disku je jakási záznamová vrstva. Ta je stejně jako v disketách kulatá. Celkem logické je, že čím větší bude hustota stop na záznamové vrstvě (tedy čím menší budou stopy samotné) a čím menší budou záznamové a čtecí hlavy, tím víc dat lze na záznamovou vrstvu uložit. Výrobci se tedy snaží dosáhnout vyšší hustoty zápisu na jednu plotnu.

Když je něco kulaté, jsme zvyklí na to, že se to hýbe. Stejně jako se pohybují pásky v kazetách, i plotny se záznamovou vrstvou v pevných discích se musí pohybovat, aby se čtecí hlava mohla dostat do všech částí záznamové vrstvy.

Pohyb ploten zajišťuje motorek , který se také skládá z několika magnetů. Exemplář, který jsem držel v ruce byl složen z osmi cívek. Ty jsou uspořádány šikmo tak, aby stále mohly působit na protější magnety. Do cívek je dle potřeby vháněn proud a dochází k jejich magnetické indukci. Na protikusu je stejný počet permanentních magnetů. Nakloněné cívky se od magnetů odpuzují a dochází k pohybu. Motorek disku však nalezneme ve středu samotného zařízení. Důležité tedy je, aby jeho pouzdro bylo vyrobeno z nemagnetické látky, která zajistí magnetické stínění motoru. Abych toto ověřil, vytvořil jsem si pilinový model siločar motorku, a světe, div se, mimo motorek opravdu neuniká magnetické pole.

 

Celkem logicky tedy můžeme dojít k tomu, že čím rychleji se motorek (potažmo záznamová vrstva) točí, tím rychleji disk zpracovává data. Postupně se tak navyšují otáčky pevných disků , ty serverové dnes pracují s 15 000 otáčkami. Při rychlém otáčení ale dochází ke zvýšení hlučnosti. Při rychlejším otačení také dochází k většímu tření mezi vzduchem a plotnami, proto se disk více zahřívá a je nutné jej lépe chladit.

Důležité také je, aby se systémová vrsva nepoškodila. Proto musí magnetické hlavy udržovat konstantní vzdálenost od povrchu této vrstvy (cca 10 nm). Aby měla hlava správný směr, výšku a nacházela se na správném místě v ten pravý čas, je umístěna na rameni. Elektronika disku pak synchronizuje motorek disku, ramena, a hlavičky tak, abychom dostali informaci, kterou potřebujeme.

Docházíme k tomu, že potřebujem určit polohu dané informace. Je to podobné jako když někomu píšeme dopis - ve městě je ulice, v ulicí obydlí a ono obydlí má číslo popisné. Již víme, že záznamová vrstva (město) se dělí na stopy (ulice). Stopy jsou tudíž rozděleny na nejmenší části záznamové vrstvy - sektory. A aby elektronika disku věděla, který sektor uchovává požadovanou informaci, má každý sektor své označení. Velikost sektoru je v převážné většině případů 512 bytů (tedy dva na devátou, dva protože se používá dvojková soustava). Pokud ukládate soubor velikosti 768 bytů, na disku se pro něj vyhradí dva sektory - jeden je málo a méně jak dva sektory nemohou uložit takové množství dat. Na disku tak dochází k tomu, že části sektorů zůstávají nevyužité. Další problém nastává ve chvíli, kdy data není možné uložit do jednoho clusteru (seskupení sektorů se stejnou informací). První část souboru je pak zapsána na jeden konec záznamové vrstvy a drhá část do nejbližšího volného sektoru. Tomuto se říká fragmentace souborů, její následky pak dlouhé minuty (až hodiny) zmírňují různé defragmentační nástroje, které přesouvají fragmentované kusy souborů do sousedních sektorů.

Dalším pojmem je cylindr , což je označení pro stejné stopy na všech plotnách (tedy např. 13. stopy na obou plotnách dohromady tvoří cylindr).

Dnešní programy vám umožní měnit velikost clusterů. Tím se dá zabránit fragmentaci (ve chvíli, kdy má cluster velikost větší než sektor, tudíž je pro data vyhrazeno více místa). Jiné programy pak svým uživatelům doporučují zmenšit velikost clusteru za účelem zvýšit kapacitu disku. Dále existuje starý software, který umí měnit velikost sektorů. Dochází k fyzickému formátování disku, kdy jsou zmenšeny sektory a clustery. Podstatné je, že procedury v tomto odstavci jsou mnohdy nejlepším způsobem k rychlému zničení pevného disku (minimálně dat).

Aby byla kapacita pevných disků co nejvyšší, obsahuje jeden pevný disk více záznamových vrstev - dvě na každé plotně (zvrchu a zespoda). Do pevného disku se pak vejde několik ploten najednou. Mě známe maximum počtu záznamových vrstev u "běžného" disku je 16 (tento limit byl stanoven BIOSem). Tento rekord vznikl v době, kdy hustota záznamu na jednu plotnu nebyla tak vysoká, a tak bylo nutné zvyšovat kapacitu pevných disků tímto způsobem. Točící se plotna ale vytváří aerodynamický hluk, což je jedním z důvodů, proč se dnes upouští od vysokého počtu ploten v disku. Čím méně je ploten, tím tedy lépe. Výrobci sází na vyšší hustotu záznamu na jednu plotnu.

Mechanika pevných disků

Nyní se podívejme na to, jakým způsobem probíhá samotný pohyb hlaviček nad povrchem pevného disku. Z obrázků již víme, že všechny hlavičky jsou připevněny na ramenech. Ještě jsme si ale neřekli, že všechny hlavičky mají ramena spojená, a tudíž se ve stejnou chvíli nacházejí nad svojí záznamovou vrstvou ve stejném místě.

Aby se hlavička disku dostala nad správnou stopu, používal se v minulosti k jejímu posunu tzv. krokový motorek. Jeden jeho pohyb vychýlil hlavu o pevně stanovený úhel. Při větší hustotě záznamu (tedy větším počtu stop) pak může lehce dojít k nepřesnostem, které jsou samozřejmě zcela nežádoucí. Proto se od krokového motorku upustilo.

V dnešních pevných discích se využívá tzv. vychylovací cívky. Cívkou projde proud a s pomocí v dnešním článku velmi oblíbené magnetické indukce dojde k vychýlení hlavičky. Výhoda je zjevná - velikost proudu se dá plynule regulovat, a tudíž lze cívku vychýlit o zcela libovolný úhel (samozřejmě jsou tu krajní meze). Hlavičky, které se vznáší nad ostatními plotnami pak mohou sloužit jako pomůcka při určování polohy - ohlásí řadiči nad jakým sektorem a nad jakou stopou se nacházejí a disk pak ví, jaký proud má vyslat do vychylovací cívky druhé hlavičky. Výhodou vychylovací cívky je, že při výpadku proudu pružinka vrátí hlavičku do "parkovací" polohy. U krokového motorku byly potřeba záložní obvody s nabitými kondenzátory, aby mohl motorek dokrokovat zpět.

Tak jednoduché to však není. Při vší té práci dochází k zahřívání pevného disku. Komponenty tak mají nepatrnou vnitřní energii a mění se permeabilita prostředí. Pevný disk tedy na základě teploty musí upravit některá svá nastavení, aby nedocházelo k nepřesnostem (hlavička příliš vysoko nad povrchem nebo na rozhraní stop). Starší disky při této kalibraci (TCAL) přerušovaly svou činnost. Takový jev pak může za neúspěšné vypalovaní CD/DVD disku, nebo prostě jen pomalý přísun dat ke komponentám, která na tyto data musí čekat.

Dále je pro nás zajímavým ukazatelem ppřístupová doba , tedy velikost rychlosti, s jakou disk vyhledá požadovaná data. U pevných disků se tato hodnota pohybuje v rozmezí 3,5 - 20 ms (0,0035 - 0,02 sekundy). Ve srovnání s operační pamětí (3,5 ns, tedy 0,0000000035 sekundy) vidíme, že pevný disk je o mnoho pomalejší. A to jej ještě nesrovnáváme s grafickými GDDR3 pamětmi s acces time slabě nad jednu nanosekundu.

U pevných disků se doba přístupu skládá ze dvou dílčích dob, tedy z doby vystavení (seek) a doby čekání (rotary latenci period). První čas charakterizuje dobu, kterou trvá přesun hlavičky z aktuální stopy na tu požadovanou. Druhý čas pak charakterizuje dobu, kterou trvá dotočení příslušného sektoru pod čtecí hlavičku. Je tak důležité dávat váhu náhodným přístupovým dobám (RAT, Random Acces Time) a nikoli minimálním přístupovým dobám - ty vznikají tak, že hlavička přejde pouze o jednu stopu jinam a v tu chvíli se ocitne nad požadovaným sektorem, není třeba nic otáčet (nebo se naopak pouze mění sektor, nikoli stopa).

Jednotlivé pevné disky se liší počtem otáček. Čím rychleji se plotny pevného disku točí, tím větší má pevný disk spotřebu, ale také je jeho práce rychlejší. Zatímco v serverech se používají disky s 15 000 otáčkami, v notebbocích se kvůli úspoře energie používají disky s 5400RPM (někdy samozřejmě i 7200RPM). Ty se dříve běžně používaly v desktopových počítačích, nyní jsou běžné disky se 7200 RPM. Pevné disky Raptor od Western Digital pak rotují rychlostí 10 000 RPM, nejnovější modely 15 000 RPM. Takové disky ale musí být velmi kvalitně vyrobeny, aby produkovaly co nejméně tepla a hluku.

Prvním způsobem jak zrychlit práci disku je tedy zvýšit jeho otáčky. Existují však hranice (kvůli magnetické indukci magnetů v motorku, produkovanému teplu, produkovanému hluku, spotřebě energie), které nám zabraňují zvedat výkon pevného disku tímto směrem. Je tedy třeba hledat nějaké alternativy a obcházet zaběhlé mechanismy.

Dříve musel disk musel čtekat na dotočení správného sektoru i ve chvíli, kdy odeslal požadovaná data přes BIOS operačnímu systému. Ten poslal zpět požadavek, většinou na informace z následujícího sektoru. Mezi tím se ale plotna disku otočila, a tak bylo nutné čekat, až se pod hlavičku následující sektor opět dotočí. Proto bylo při zápisu zavedeno tzv. prokládání (interleaving) . Na nultý fyzický sektor se zapíší data nultého logického sektoru. Než ale přišel další požadavek, nacházela se hlavička nad sektorem tři. Proto se do fyzického sektoru tři zapsala data logického sektoru jedna - nebylo třeba na nic čekat, stačilo číst data.Příklad prokládání 1:3 vidíte v následující tabulce: Vše bylo tedy koncipováno tak, aby byly logické sektory i nadále čteny ve správném pořadí (0-16), ale co nejrychleji, v závislosti na rychlosti BIOSu a operačního systému. Při první otáčce byla sebrána data z červených sektorů, při druhé ze zelených a při třetí z černých. Ze 17 sektorů tedy bylo možné sebrat data během tří otáček, při klasickém uspořádání se za jednu otáčku sebrala data z jednoho sektoru.

Šipka zde charakterizuje dobu potřebnou na vyřízení komunikace mezi diskem, BIOSem a operačním systémem. Maximální poměr prokládání byl 1:6, se zrychlováním ostatních komponent se poměr zmenšoval a dnes se od prokládání opět upouští (poměr 1:1, fyzický sektor = logický sektor).

Disky jsou taktéž vybaveny vyrovnávací pamětí (cache) , aby měl disk data kam odložit pro případ, že si je komponenta, která o ně zažádala nemůže okamžitě převzít. Kdyby pevný disk cache neměl, docházelo by k tomu, že by s daty čekal na jejich vyzvednutí. Pak by však dlouho trvalo, než by se znovu dal do práce a dodal další požadovaná data. Proto je lepší, když data odkládá do cache a pracuje dále. Dnešní disky mají cache s velikostí až 16MB.

Nyní, když známe všechny aspekty určující rychlost pevného disku, můžeme s klidem konstatovat, že pevný disk svou konstrukcí přestává stačit potřebám dnešních počítačů. Také proto se dnes mnohé firmy zaměřují na designování flash disků s vysokou kapacitou (dnes až 64GB) či produktů jako je GigaByte iRAM. Magnetický zápis v počítačích již nemá příliš růžovou budoucnost.