Dyski twarde (
hard disk drive), to jeden z typów urządzeń pamięci masowej, wykorzystujących nośnik magnetyczny do przechowywania danych. Nazwa twardy dysk powstała w celu odróżnienia tego typu urządzeń od tzw. miękkich dysków, czyli dyskietek, w których nośnik magnetyczny naniesiono na elastyczne podłoże.
Pierwowzorem twardego dysku była
pamięć bębnowa. Pierwsze dyski twarde takie, jak dzisiaj znamy, wyprodukowała w 1980 r. firma Seagate i miały one pojemność 5 MB.
Małe dyski, o różnych pojemnościach stosuje się współcześnie w kartach dla slotu
Compact Flash, do cyfrowych aparatów fotograficznych i w innych urządzeniach przenośnych.
Dla dysków twardych najważniejsze parametry to:
- pojemność
- szybkość transmisji danych
- czas dostępu do danych
- prędkość obrotowa talerzy
- MTBF - liczba godzin niezawodnej pracy
Kilka dysków twardych można łączyć w macierz dyskową, dzięki czemu można zwiększyć niezawodność przechowywania danych, dostępną przestrzeń na dane, zmniejszyć czas dostępu.
Budowa
dysków twardych:
- dysk składa się z zamkniętego w obudowie, wirującego talerza (dysku) lub zespołu talerzy, wykonanych najczęściej ze stopów aluminium, o wypolerowanej powierzchni pokrytej nośnikiem magnetycznym (grubości kilku mikrometrów)
- dysk składa się z głowic elektromagnetycznych umożliwiających zapis i odczyt danych. Na każdą powierzchnię talerza dysku przypada po jednej głowicy odczytu i zapisu. Głowice są umieszczone na elastycznych ramionach i w stanie spoczynku stykają się z talerzem blisko osi, w czasie pracy unoszą się, a ich odległość nad talerzem jest stabilizowana dzięki sile aerodynamicznej (głowica jest odpychana od talerza podobnie jak skrzydło samolotu unosi samolot) powstałej w wyniku szybkich obrotów talerza. Jest to najpopularniejsze obecnie rozwiązanie (są też inne sposoby prowadzenia głowic nad talerzami)
- Ramię głowicy dysku ustawia głowice w odpowiedniej odległości od osi obrotu talerza w celu odczytu lub zapisu danych na odpowiednim cylindrze. Pierwsze konstrukcje (do ok. 200MB) były wyposażone w silnik krokowy, stosowane również w stacjach dysków i stacjach dyskietek. Wzrost liczby cylindrów na dysku oraz konieczność zwiększenia szybkości dysków wymusił wprowadzenie innych rozwiązań. Najpopularniejszym obecnie jest tzw. voice coil czyli cewka, wzorowana na układzie magnetodynamicznym stosowanym w głośnikach. Umieszczona w silnym polu magnetycznym cewka porusza się i zajmuje położenie zgodnie z przepływającym przez nią prądem, ustawiając ramię w odpowiedniej pozycji. Dzięki temu czas przejścia między kolejnymi ścieżkami jest nawet krótszy niż 1 milisekunda a przy większych odległościach nie przekracza kilkudziesięciu milisekund. Układ regulujący prądem zmienia natężenie prądu, tak by głowica ustabilizowała jak najszybciej swe położenia w zadanej odległości od środka talerza (nad wyznaczonym cylindrem). Ramiona połączone są zworą i poruszają się razem. Zwora kieruje głowicami promieniowo po talerzach a w miarę rotacji talerzy, daje każdej głowicy dostęp do całości jej talerza
- informacja jest zapisywana na dysk przez przesyłanie strumienia elektromagnetycznego przez antenę albo głowicę zapisującą, która jest bardzo blisko magnetycznie polaryzowalnego materiału, zmieniającego swoją polaryzację (kierunek namagnesowania) wraz ze strumieniem magnetycznym. Informacja może być z powrotem odczytana w odwrotny sposób, gdyż zmienne pole magnetyczne powoduje indukowanie napięcia elektrycznego w cewce głowicy lub zmianę oporu w głowicy magnetyczno oporowej
- Zintegrowana elektronika kontroluje ruch zwory, obroty dysku, oraz przygotowuje odczyty i zapisy na rozkaz od kontrolera dysku. Niektóre nowoczesne układy elektroniczne są zdolne do skutecznego szeregowania odczytów i zapisów na przestrzeni dysku oraz do remapowania sektorów dysku, które zawiodły
- Obudowa chroni części napędu od pyłu, pary wodnej, i innych źródeł zanieczyszczenia. Jakiekolwiek zanieczyszczenie głowic lub talerzy może doprowadzić do uszkodzenia głowicy (head crash), awarii dysku, w której głowica uszkadza talerz, ścierając cienką warstwę magnetyczną. Awarie głowicy mogą również być spowodowane przez błąd elektroniczny, zużycie i zniszczenie, błędy produkcyjne dysku
Adresowania sektorów danych na dysku odbywa sie według poniższych sposobów:
- CHS - cylinder, head, sector - do 504 MB
- ECHS - rozszerzone CHS - do 7,87 GB
- LBA - 28 bit - Logical Block Adressing - dla dysków ATA, maksymalna pojemność do 128 GB
- MZR - 48bit - Multiple Zone Recording - do 128 PB.
Interfejsy do komunikacji z dyskami twardymi:
- ATA - (IDE), PATA - jest to równoległa magistrala czyli interfejs systemowy w komputerach klasy PC przeznaczony do komunikacji z dyskami twardymi zaproponowany w 1983 przez firmę Compaq. Od 2003 roku (kiedy wprowadzono SATA) standard ten jest określany jako PATA (od "Parallel ATA")
- ATAPI jest to rozszerzona wersja standardu ATA, który początkowo przeznaczony był do obsługi dysków twardych. Wersja ta stworzona ze względu na zapotrzebowanie na podłączanie do komputera PC innych urządzeń, zazwyczaj obsługujących wymienne media. Głównie dotyczyło to, napędów CD-ROM, napędów taśmowych, czy też dyskietek o dużych rozmiarach - ZIP, SuperDisk. W wyniku wprowadzonych zmian w standardzie ATA, od tamtej pory przyjął on nazwę ATA/ATAPI - jednak większość osób posługuje się jego starą, krótszą nazwą
- SATA - szeregowa magistrala Serial ATA jest następcą równoległej magistrali ATA. Do transmisji przewidziane są cieńsze i bardziej elastyczne kable z mniejszą ilością styków, co pozwala na stosowanie mniejszych złączy na płycie głównej w porównaniu do równoległej magistrali ATA. Interfejs przeznaczony do komunikacji z przepływnością 150 MB/s, umożliwiający szeregową transmisję danych między kontrolerem a dyskiem komputera z przepustowością ok. 1,5 Gb/s.
Dodatkowo budowa kabli upraszcza instalację i prowadzenie ich w obudowie, co poprawia warunki chłodzenia wewnątrz obudowy.
Organizacja Serial ATA Working Group pracująca nad tym standardem zakończyła już prace nad jego drugą wersją (SATA-2), która umożliwia dwukrotnie większy transfer niż jej poprzednik. Planowana jest też trzecia wersja tego interfejsu, która ma umożliwić przesyłanie danych z prędkością 600 MB/s
- SCSI jest to równoległa magistrala przeznaczona do przesyłania danych między urządzeniami. Wszystkie urządzenia podłączone do magistrali są równorzędne, każde z nich może pełnić rolę zarówno inicjatora (rozpoczynać operację) jak i celu (wykonywać operację zleconą przez inicjator). Niektóre urządzenia potrafią pełnić tylko jedną z ról. W znakomitej większości konfiguracji do magistrali poprzez kontroler podłączony jest jeden komputer oraz urządzenia pamięci masowej (dyski twarde oraz napędy taśmowe).
Każde z urządzeń podłączonych do magistrali SCSI posiada unikatowy w obrębie magistrali adres - identyfikator (ang. SCSI ID).
Pierwotnie do adresowania urządzeń wykorzystywane były trzy bity magistrali co pozwalało na połączenie ze sobą maksymalnie 8 urządzeń. W chwili gdy magistrala danych rozrosła się do szerokości 16 bitów została również rozszerzona do 4 bitów część adresująca urządzenia. Identyfikator pełni również rolę priorytetu przy rozstrzyganiu próby jednoczesnego dostępu więcej niż jednego urządzenia do magistrali. Zwyczajowo kontroler posługuje się identyfikatorem 7.
W obrębie jednego identyfikatora istnieją również tzw. LUN (ang. Logical Unit Number) identyfikujące tzw. urządzenie logiczne na jakie może być podzielone urządzenie fizyczne SCSI. Przykładem takiego urządzenia mogą być zmieniarki płyt CD, w których poszczególne elementy składowe (magazynki, czytniki) mogą być identyfikowane przy pomocy LUN.
Magistrala SCSI pozwala na podłączenie dysku do więcej niż jednego komputera (tzw. układ V). Możliwe jest również przesyłanie danych bezpośrednio pomiędzy urządzeniami bez ingerencji komputera (np. wykonanie kopii macierzy dyskowej na taśmie magnetycznej).
Magistralę SCSI można podzielić ze względu na kilka kryteriów:
Sposób transmisji danych:
- asynchroniczny
- synchroniczny
Prędkość transmisji danych:
- 5 MHZ
- 10 MHZ
- 20 MHZ
- 80 MHZ
- 160 MHZ - przy 16 bitach daje to 320 MB/s
Szerokość magistrali:
Parametry elektryczne:
- SE - sterowanie napięciowe (Single Ended)
- HDV - sterowanie różnicowe (Differential lub High Voltage Diferenetial)
- LVD - sterowanie różnicowe niskonapięciowe (Low Voltage Differential)
Wyróżniamy kilka odmian SCSI:
- SCSI-1 - pierwsza wersja standardu. Pozwalała na transfer z prędkością 5 MB/s na odległość 6 m
- SCSI-2 - kolejna wersja standardu. Składa się z dwóch wariantów, zwiększających transfer do 10 lub 20 MB/s (odpowiednio Fast SCSI i Wide SCSI). Maksymalna odległość to około 3 metry
- SCSI-3, Ultra SCSI - prędkość transferu 20-40 MB/s, teoretycznie maksymalna odległość zostaje nadal 3 metry
- Ultra2 SCSI - wprowadzono technologię Low Voltage Differential, pozwalającą na zwiększenia maksymalnej odległości do ~12 m. Prędkość transferu 40-80 MB/s
- Ultra3 SCSI - Ultra160 SCSI - maksymalny transfer 160 MB/s, dodano funkcje wspomagające wykrywanie i usuwanie przekłamań
- Ultra4 SCSI - Ultra320 SCSI - maksymalny transfer 320 MB/s
- Ultra 640 SCSI - maksymalny transfer 640 MB/s
Elektryczna budowa magistrali SCSI wymaga zakończenia jej specjalnym terminatorem.
System SCSI jest obecnie wykorzystywany głównie w wysokiej klasy serwerach i w drogich stacjach roboczych. Tańsze komputery domowe wykorzystują przeważnie standard ATA/IDE.