Jednym z najpopularniejszych sposobów zapisu i odczytu informacji jest technika wykorzystująca

Transkrypt

1 8.2. Dyski twarde q q RAID poziom 2 dane dzielone są na wiele dysków, a kod korekcji błędów zapisywany jest na dodatkowym urządzeniu. Raczej nie spotkamy na rynku kontrolera RAID 2. q q RAID poziom 3 podobny do RAID 0, jednak w celu zwiększenia niezawodności stosuje się dodatkowy dysk wykorzystywany do kontroli parzystości. q q RAID poziom 4 podobny do RAID 3, jednak dane zapisywane są w większych blokach, co wpływa na poprawę wydajności zapisu dużych plików. q q RAID poziom 5 podobny do RAID 4, jednak wydajność jest większa z uwagi na zapis kodów parzystości na kilku dyskach. q q RAID poziom 6 podobny do RAID 5, jednak zwiększono niezawodność poprzez zapisanie kodów parzystości za pomocą dwóch schematów kodowania Dyski twarde Użytkownicy komputerów osobistych od zawsze potrzebowali szybkiego, niezawodnego, taniego i trwałego sposobu zapisywania dużych ilości danych. Elastyczne dyskietki nie spełniały tych założeń, co wpłynęło na opracowanie koncepcji urządzenia wykorzystującego zapis magnetyczny. Pomysł użycia twardych aluminiowych dysków jako podłoża dla nośnika ferromagnetycznego powstał w laboratoriach firmy IBM w 1956 r. Pierwsze twarde dyski (ang. hard disks) miały talerze o średnicy 27 cali (przeciętna felga aluminiowa, stosowana w dzisiejszych samochodach, ma około 16 cali), zajmowały sporo miejsca, były koszmarnie drogie i umożliwiały zapis kilku megabajtów danych. Twarde dyski przeszły długą drogę rozwoju i obecnie stanęły na skraju możliwości technologicznych. Wielu uważa, że nowe dyski Flash będą ostatecznym gwoździem do trumny tradycyjnego napędu o zapisie magnetycznym. Tymczasem producenci nadal opracowują nowe sposoby zapisu informacji na obracającym się talerzu. Prawdopodobnie minie jeszcze kilka lat, zanim całkowicie pożegnamy się z tradycyjnym dyskiem twardym jako podstawową pamięcią masową Zapis magnetyczny Jednym z najpopularniejszych sposobów zapisu i odczytu informacji jest technika wykorzystująca zjawisko elektromagnetyzmu. DEFINICJA Podłączenie przewodu do baterii wywoła przepływ elektronów między elektrodami. Wokół przewodnika powstanie wówczas pole magnetyczne. Na kierunek pola magnetycznego wpływa kierunek przepływu prądu (polaryzacja). Zjawisko elektromagnetyzmu ma charakter dwukierunkowy. Przepływający przez przewód prąd wytworzy pole magnetyczne, ale również poruszanie przewodu w polu magnetycznym (zgodnie ze zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej) wygeneruje prąd w przewodniku. 165

2 Rozdział 8 t Pamięci masowe Podstawowe prawa fizyki dotyczące elektromagnetyzmu wykorzystano podczas projektowania głowicy zapisująco-odczytującej twardego dysku. Początkowo głowica była kawałkiem metalu w kształcie litery U z nawiniętym przewodem (cewką). Po podłączeniu prądu głowica staje się małym elektromagnesem sterowanym zmianami polaryzacji. Ustawienie głowicy blisko materiału ferromagnetycznego naniesionego na taśmę lub talerz pozwala na namagnesowanie jego niewielkich obszarów (w zależności od rozmiarów głowicy). Pola magnetyczne cząstek materiału ferromagnetycznego mają losowe kierunki i znoszą się nawzajem. Głowica, po przejechaniu nad nośnikiem, dokonuje polaryzacji cząstek, ukierunkowując je zgodnie z przepływem prądu (rysunek 8.11). Taki namagnesowany obszar nazywamy domeną magnetyczną. Dwie domeny ustawione polem magnetycznym przeciwsobnie lub ksobnie będziemy nazywać komórką bitu. Rysunek Proces zapisu przez głowicę na podłożu ferromagnetycznym Proces odczytu danych wykorzystuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej. W czasie odczytu danych głowica nie jest już elektromagnesem, a staje się detektorem zmian polaryzacji pola magnetycznego. W momencie, gdy głowica przesunie się nad dwiema domenami o różnej polaryzacji, w jej cewce wygenerowany zostanie słaby impuls elektryczny o polaryzacji zgodnej z kierunkiem pola magnetycznego. Wygenerowany prąd nie jest dokładnym odbiciem sygnału zapisującego i musi zastać elektronicznie wzmocniony i odfiltrowany. W zapisie magnetycznym zero bitowe najczęściej reprezentowane jest przez brak zmian polaryzacji kolejnych następujących po sobie domen magnetycznych. Domeny ustawione polaryzacją przeciwsobnie lub ksobnie wygenerują impuls, który zostanie zinterpretowany jako jedynka bitowa. W celu zwiększenia niezawodności zapisu i odczytu wprowadza się dodatkowe synchronizowanie. Synchronizacja pozwala na dokładne identyfikowanie poszczególnych bitów w zapisie, na przykład kilku zer w jednym ciągu. Dodatkowo dane nie są zapisywane w czystej postaci cyfrowej, przed zapisem podlegają procesowi kodowania, przy odczycie dekodowania. Dzięki kodowaniu można zapisywać większe ilości informacji oraz zniwelować zbyt duże obszary samych 0, które mogą powodować błędy odczytu. Kilkanaście lat temu popularnym sposobem kodowania danych była metoda RLL (ang. Run Lenght Limited). W 1991 r. doczekała się modyfikacji i dzisiaj dane kodowane są za pomocą schematu EPMRL (ang. Extended Partial Response Maksimum Likelihood). Wyrafinowany algorytm EPMRL umożliwia zapis mocno zagęszczonych danych. 166

3 8.2. Dyski twarde W najnowszych dyskach magnetycznych zastosowano technikę zapisu prostopadłego (rysunek 8.12). Domeny nie są tworzone wzdłuż powierzchni nośnika, ale pionowo, co wpływa na zwiększenie gęstości zapisu danych. Rysunek Porównanie zapisu wzdłużnego i prostopadłego Budowa dysku twardego Dysk twardy składa się z kilku podstawowych elementów (rysunek 8.13): qq T alerze. Początkowo były aluminiowe, obecnie stosuje się talerze ceramiczne. Na ich powierzchnię nanoszony jest nośnik ferromagnetyczny, najczęściej AFC (ang. AntiFerromagnetically Coupled sprzężony ferromagnetycznie). W dyskach montowanych jest kilka talerzy, na których dane zapisywane są z obydwu stron. Najpopularniejsze rozmiary talerzy to 5,25 cala, 3,5 cala, 2,5 cala. qq G łowica zapisująco-odczytująca. Pierwsze głowice wykorzystywały cewkę do zapisu i odczytu danych. Obecnie głowica zapisująco-odczytująca składa się z dwóch elementów: cienkowarstwowej głowicy zapisującej (TF, Thin Film) oraz Nośnik AFC przypomina kanapkę składającą się z cienkiej warstwy ferromagnetyka, warstwy izolatora (rutenu) oraz kolejnej warstwy ferromagnetyka. Taka budowa pozwala na nanoszenie cieńszych warstw przy jednoczesnym zwiększeniu gęstości zapisu. 167 urzadzenia_techniki_komputerowej.indb :02:53

4 Rozdział 8 t Pamięci masowe Głowica magnetorezystywna (GMR) nie wykorzystuje do odczytu zjawiska indukcji magnetycznej, ale rejestruje zmianę rezystancji przewodnika w polu magnetycznym. Dzięki temu nie trzeba wzmacniać i filtrować sygnału. q q odczytującej głowicy magnetorezystywnej o gigantycznej czułości (GMR Giant Magneto Resistive), wykrywającej zmiany rezystancji. Na jeden talerz przypadają dwie głowice zapisująco-odczytujące, po jednej na stronę. Pozycjoner głowicy. Sprawne przesuwanie głowicy nad powierzchnią obracającego się talerza umożliwia pozycjoner, który składa się z mocnego magnesu stałego i cewki sterującej. q q Ramię łączy głowicę z pozycjonerem i umieszcza ją nad powierzchnią talerza. q q Silnik umożliwia obrót talerzy podczas pracy dysku. q q Filtr zbiera opiłki metalu i kurz mogące pojawić się podczas pracy mechanizmów dysku. Jest tak zlokalizowany, aby naturalny obieg powietrza wymuszony przez obracające się talerze powodował osadzanie zanieczyszczeń na jego powierzchni. Wszystkie produkowane współcześnie dyski twarde są hermetycznie zamknięte. Jedyna możliwość pojawienia się zanieczyszczeń to rozszczelnienie obudowy lub pojawienie się opiłków pochodzących z aluminiowych części mechanicznych. q q Płytka drukowana z układami logicznymi umożliwia montaż układów elektronicznych niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania dysku, takich jak bufor danych, elektronika pozycjonera, detektor błędów czy kontroler interfejsu. q q Obudowa chroni delikatne mechanizmy przed uszkodzeniami i umożliwia montaż wewnątrz obudowy komputera. Rysunek Elementy twardego dysku 168

5 Działanie dysku twardego 8.2. Dyski twarde Dane zapisywane są na powierzchni nośnika w postaci cylindrycznych ścieżek. Ścieżki znajdują się po obydwu stronach talerza i nazywane są cylindrami. Elektronika dysku nie byłaby w stanie wydajnie zarządzać wszystkimi danymi ze ścieżki, podzielono ją więc na sektory. Pojedynczy sektor zajmuje najczęściej 512 bajtów. Na okrągłym talerzu wewnętrzne ścieżki są znacznie krótsze od zewnętrznych. Aby zaoszczędzić miejsce, podzielono dysk na strefy (rysunek 8.14). Rysunek Ścieżki, sektory, cylindry i strefy na talerzu dysku twardego Głowica umieszczona na ramieniu porusza się za pomocą pozycjonera, zapisując lub odczytując dane. Gdy talerze obracają się z prędkością roboczą, głowica nie dotyka powierzchni nośnika. Duża prędkość obrotowa powoduje, że na powierzchni talerza tworzy się delikatna poduszka powietrzna unosząca głowice w powietrzu. Dzięki temu zjawisku głowica nie ma fizycznego kontaktu z nośnikiem, co znacznie przedłuża jego żywotność. Dyski twarde najbardziej narażone są na uszkodzenia podczas ruchu talerzy. Poduszka powietrzna jest niewielka, dlatego jakiekolwiek uderzenie w obudowę dysku może spowodować wytrącenie głowicy z prawidłowej trajektorii. Taka sytuacja w najlepszym przypadku może zakończyć się utratą danych, a w najgorszym uszkodzeniem nośnika. Dysk jest mniej narażony na uszkodzenie podczas spoczynku, ponieważ specjalny mechanizm dokuje i blokuje ramię głowicy Specyfikacja dysku twardego Komputer domowy potrzebuje dysku o najlepszym stosunku ceny do pojemności i wydajności. Z kolei napęd dla komputera typu serwer musi charakteryzować się przede wszystkim dużą wydajnością, niezawodnością, pojemnością, a cena jest kry- 169

6 Rozdział 8 t Pamięci masowe terium drugorzędnym. Napędy z największymi prędkościami obrotowymi i najlepszą wydajnością idealnie nadają się dla serwerów, ale głośna praca i wysoka cena wykluczają ich stosowanie w komputerach domowych. Skupimy się na kilku ważniejszych cechach charakteryzujących dyski, które pozwolą wybrać odpowiedni napęd: q q Pojemność obecnie dyski z przeznaczeniem do domowych komputerów i małych serwerów mogą mieć pojemność od 80 GB do 2 TB. Dla komputerów domowych lepszym rozwiązaniem wydaje się zakup na przykład dwóch napędów 500 GB niż jednego o pojemności 1 TB. Dwa mniejsze napędy mogą okazać się tańsze przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności. q q Wydajność jest ogólnym parametrem, na który składają się: a) Prędkość przesyłu jest to miara określająca prędkość, z jaką dane są przesyłane z talerza do elektroniki dysku. Strefowa budowa okrągłego talerza i stała prędkość obrotowa powodują, że dane ze ścieżki wewnętrznej są wolniej odczytywane niż ze ścieżek znajdujących się na obrzeżu. Najlepszą metodą jest podanie średniej z pomiarów wewnętrznych i zewnętrznych ścieżek. Dobry dysk uzyskuje wewnętrzną średnią prędkość przesyłu rzędu 90 MB/s. Sami możemy ocenić, jak to się ma do możliwości na przykład interfejsu SATA II pozwalającego na transfer z prędkością 300 MB/s. b) Średni czas dostępu w celu uzyskania średniego czasu dostępu sumujemy średni czas wyszukiwania i opóźnienie. Średni czas wyszukiwania to czas przeskoku między losowo wybranymi dwoma cylindrami na powierzchni talerza. Opóźnienie to czas potrzebny na ustawienie głowicy nad odpowiednim cylindrem i dotarcie do odpowiedniego sektora. Obydwie wartości liczone są w milisekundach. c) Prędkość obrotowa wszystkie dyski twarde mają stałą prędkość obrotową. Obecnie spotkać można dyski o prędkości obrotowej 3600, 4200, 5400, 7200, , obr./min. Zwiększanie prędkości obrotowej jest najszybszą metodą poprawy wydajności napędu, ponieważ im szybciej obracają się talerze pod głowicą, tym szybciej mogą być odczytywane dane z powierzchni. Dyski twarde do zastosowań domowych i biurowych najczęściej mają prędkość 7200 obr./min, a napędy komputerów przenośnych 5400 obr./min. Prędkości rzędu i obr./min zarezerwowane są dla serwerów. Wywołują one hałas i wibracje i sporo kosztują. d) Wielkość bufora bufor jest to szybka pamięć DRAM (cache), która przechowuje najczęściej odczytywane dane z dysku i dzięki temu wpływa na zwiększenie prędkości zewnętrznego przesyłu danych. Wielkość bufora we współczesnych dyskach twardych wynosi od 1 do 32 MB. q q Interfejs jest łącznikiem między płytą a dyskiem twardym. Podczas zakupu dysku musimy wiedzieć, jaki interfejs ma posiadana płyta główna. Nabycie dysku obsługiwanego przez inny interfejs uniemożliwi fizyczne podłączenie napędu. 170

7 8.3. Pamięci optyczne q q Cena obecnie za dysk SATA firmy Maxtor o pojemności 80 GB trzeba zapłacić około 150 zł, ale 1 TB firmy IBM Lenovo kosztuje 2400 zł. Oferta dysków twardych jest szeroka, każdy znajdzie napęd na miarę swoich potrzeb i możliwości. q q Niezawodność jest ogólną miarą, przez którą rozumiemy liczbę zatrzymań i startów dysku, współczynnik AFR określający w procentach prawdopodobieństwo uszkodzenia dysku w ciągu roku oraz średni czas pomiędzy awariami (MTBF) mało miarodajny parametr określający, po ilu godzinach dysk ulegnie awarii. Obecnie producenci przewidują niezawodne działanie dysku przez 5 lat i dają na ten okres tzw. ograniczoną gwarancję. Na rynku istnieje kilka firm, które specjalizują się w produkcji dysków: Fujitsu, Hitachi, IBM, Maxtor, Quantum, Seagate, Western Digital Dyski hybrydowe Główną wadą tradycyjnych dysków twardych jest stosunkowo niewielka prędkość przesyłu, na przykład w stosunku do możliwości transferowych współczesnych interfejsów. Jedną z metod zmniejszania tych ograniczeń jest stosowanie buforowania. Bufor to szybka pamięć przechowująca często wykorzystywane dane bez potrzeby pobierania ich z talerzy. Najczęściej bufory budowane są na bazie pamięci DRAM, która ma niewielką pojemność i jest ulotna. Na rynku twardych dysków pojawiły się napędy zwane HHD (ang. Hybrid Hard Disks hybrydowe dyski twarde), w których tradycyjny bufor DRAM zastąpiono pamięcią Flash. Rozwiązanie nie zdobyło wielkiej popularności, ale warto o nim wspomnieć, ponieważ jest próbą łagodnego przejścia od tradycyjnych twardych dysków do dysków Flash Pamięci optyczne Do grupy pamięci optycznych zaliczamy napędy wykorzystujące do zapisu i odczytu wiązkę światła laserowego. Nośnikiem najczęściej jest plastikowy krążek (poliwęglan) pokryty warstwą odbijającą promień lasera. W 1980 r. firmy Philips i Sony wspólnie opracowały standard zapisu cyfrowego dźwięku CD-DA (ang. Compact Disk Digital Audio) na poliwęglanowych płytach. Szybko zauważono, że technologię można również wykorzystać do zapisu komputerowych danych cyfrowych. W 1984 r. zmodyfikowano oryginalną specyfikację standardu CD- DA, rozszerzając ją o techniki wykrywania i korekcji błędów. Powstał standard CD- ROM (ang. CD Read Only Memory CD pamięć tylko do odczytu). W kolejnych latach pojawiały się rozszerzone wersje specyfikacji wprowadzające nowe możliwości napędów CD (rysunek 8.15). 171