5. PAMIĘCI MASOWE. Mianem pamięci masowych (ang. mass memory lub mass storage) określa się różne techniki i urządzenia pozwalające na trwałe przechowywanie dużej ilości danych. Urządzenia służące do odczytu i zapisu nazywane są napędami, zaś dane przechowywane są na nośnikach. Procesor nie ma bezpośredniego dostępu do tego rodzaju pamięci, dlatego odczyt i zapis trwają dłużej niż w przypadku pamięci operacyjnej. Ze względu na rodzaj nośnika i metody zapisu danych wyróżnia się następujące pamięci masowe: magnetyczne (np. taśmy magnetyczne, dyski twarde, dyskietki), optyczne (np. płyty CD, DVD, BD), półprzewodnikowe (np. pendrive, karta SD). DYSKI TWARDE Dysk twardy (ang. Hard Disk Drive, HDD) jest urządzeniem, w którym do zapisu i przechowywania danych wykorzystuje się nośnik magnetyczny. Nazwa dysku twardego powstała w celu odróżnienia tego typu urządzeń od dyskietek (ang. Floppy Disk, FDD). W dyskietkach nośnik magnetyczny naniesiony jest na miękkie, elastyczne podłoże, natomiast w przypadku dysków twardych mamy podłoże twarde. W komputerach PC stosuje się dyski twarde o rozmiarze (w calach) 3.5 natomiast w laptopach 2.5. Rys. 1. Rozmiary dysków twardych. Z lewej 3.5, z prawej 2.5. Dysk twardy składa się z następujących elementów: talerze (dyski) - początkowo aluminiowe, obecnie coraz częściej ceramiczne. Powierzchnia talerzy pokryta jest nośnikiem ferromagnetycznym. W dysku zamontowanych jest kilka bardzo szybko wirujących talerzy, na których dane zapisywane są obustronnie. Rozmiary talerzy to 2.5 oraz 3.5. głowica zapisująco-odczytująca - głowica składa się z dwóch elementów: cienkowarstwowej głowicy służącej do zapisu (TF) oraz głowicy magnetorezystywnej o gigantycznej czułości (GMR), która wykrywa zmiany rezystancji. Na jeden talerz przypadają dwie głowice zapisująco-odczytujące, po jednej na stronę. Mateusz Pańkowski 1
pozycjoner głowicy - zbudowany z mocnego magnesu i cewki sterującej. Umożliwia sprawne przesuwanie głowicy nad powierzchnią wirującego talerza. ramię głowicy - łączy głowicę z pozycjonerem i umieszcza ją nad powierzchnią talerza. silnik liniowy - umożliwia obrót talerzy podczas pracy dysku układ sterujący pracą dysku - płytka drukowana z umieszczonymi na niej układami elektronicznymi niezbędnymi do prawidłowego funkcjonowania dysku. Układy te to bufor danych, elektronika pozycjonera, detektor błędów czy kontroler interfejsu. Znajduje się po drugiej stronie dysku. filtr - zbiera opiłki metalu i drobiny kurzu, które mogą pojawić się podczas pracy mechanizmów dysku. interfejs - pozwala na szybką wymianę informacji pomiędzy dyskiem a pozostałymi komponentami komputera. obudowa - chroni delikatne mechanizmy przed uszkodzeniem i umożliwia montaż wewnątrz obudowy komputera. Jest hermetycznie zamknięta i ewentualne zanieczyszczenia wewnątrz dysku mogą być spowodowane jej rozszczelnieniem. Rys. 2. Fizyczna budowa dysku twardego. 1 - talerze, 2 - głowica zapisująco-odczytująca, 3 - pozycjoner, 4 - ramię głowicy, 5 - silnik napędzający talerze, 6 - płytka z układami sterującymi, 7 - interfejs, 8 - obudowa Dane na dysku zapisywane są i odczytywane dzięki głowicom. Na każdą powierzchnię talerza przypada po jednej głowicy zapisującej i odczytującej. W czasie gdy dysk nie pracuje, głowica umieszczona na elastycznym ramieniu styka się z talerzem blisko osi. Gdy dysk pracuje, talerze wirują ze znaczną prędkością obrotową (np. 7200 RPM) natomiast głowica unosi się nad nimi dzięki wytworzonej na powierzchni tzw. poduszce powietrznej. W celu zapisania lub odczytania danych, pozycjoner ustawia głowice w odpowiedniej odległości od osi obrotu talerza, na odpowiedniej ścieżce. Ścieżki o tych samych numerach, znajdujące się kolejnych powierzchniach dysku tworzą cylinder. Na jednej powierzchni ścieżki podzielone są na sektory w kształcie wycinków koła. Mateusz Pańkowski 2
Rys. 2. Logiczna struktura dysku. 1 - ścieżka, 2 - sektor, 3 - ścieżki tworzące cylinder, 4 - talerze Jak każde urządzenie komputerowe dysk twardy charakteryzuje się parametrami. W przypadku komputerów domowych wybieramy dyski o najlepszym stosunku ceny do pojemności i wydajności. Natomiast w przypadku serwerów najważniejsza jest wysoka wydajność, niezawodność i duża pojemność. Cena w tym przypadku jest kryterium drugorzędnym. Najważniejsze cechy (parametry) dysków twardych to: pojemność - obecne dyski twarde mają pojemności rzędu gigabajtów lub terabajtów (np. 320 GB, 2 TB). Do zastosowań domowych częściej lepszym rozwiązaniem jest zakup dwóch dysków 500 GB zamiast jednego o pojemności 1 TB. wydajność - ogólny parametr, na który składają się: szybkość transferu danych - określa prędkość z jaką dane są przesyłane z talerza do elektroniki dysku. Podawana prędkość z reguły jest niższa niż podawana przez producenta. Wpływ na to ma strefowa budowa talerza i różnice w odczycie danych pomiędzy ścieżkami wewnętrznymi (wolniej) niż tymi na obrzeżach. Dobre dyski twarde osiągają ten parametr w granicach 90 MB/s (megabajtów na sekundę). średni czas dostępu - podawany w milisekundach (np. 4ms), parametr ten uzyskiwany jest poprzez zsumowanie średniego czasu wyszukiwania (czas wyszukiwania między losowo wybranymi dwoma cylindrami na powierzchni talerza) i opóźnienia (czasu potrzebnego na ustawienie głowicy nad odpowiednim cylindrem i dotarcie do odpowiedniego sektora). prędkość obrotowa - prędkość z jaką obracają się talerze dysku podczas pracy. Parametr ten podawany jest w obrotach na minutę (obr./min. lub rpm). Obecnie można spotkać dyski twarde o prędkości obrotowej 5400, 7200, 10000, 15000 rpm. Im większa prędkość obrotowa tym większa wydajność dysku. W dyskach komputerów domowych i laptopach najczęściej spotyka się dyski do prędkości 7200 rpm. Dyski o prędkości 10000 i 15000 rpm stosuje się w serwerach ze względu na wyższy poziom hałasu i wibracje generowane podczas pracy. wielkość bufora - buforem jest szybka pamięć typu DRAM (cache) przechowująca najczęściej odczytywane dane z dysku i dzięki temu wpływa na zwiększenie prędkości zewnętrznego transferu danych. Obecne dyski twarde mają wielkość bufora od 1 MB do 32 MB. Mateusz Pańkowski 3
interfejs - łączy dysk twardy z płytą główną. Podczas zakupu dysku twardego musimy wiedzieć w jaki interfejs wyposażona jest nasza płyta główna. Interfejsy spotykane w dyskach to: ATA, SATA 1/2/3, SCSI. niezawodność - ogólna miara, przez którą rozumie się liczbę zatrzymań i startów dysku oraz współczynnik nazywany MTBF, czyli średni czas między awariami (ang. middle time between failures). Należy pamiętać, że żaden dysk nie będzie wiecznie pracował, jednak odpowiednie jego użytkowanie pozwoli na zminimalizowanie ryzyka awarii i utraty danych. W obecnych czasach dyski twarde oparte o elementy mechaniczne i elektroniczne są najczęściej stosowane w komputerach jednak na rynku pojawiła się już alternatywa. Są to dyski SDD (ang. Solid State Disk), w których zamiast elementów mechanicznych zastosowano pamięci typu flash, co pozwoliło na skrócenie czasu dostępu do danych. Dyski SDD charakteryzują się cichą pracą i większą odpornością na uszkodzenia mechaniczne. Zaletą jest możliwość pracy w temperaturach od (-40) do (+85) C. Normalne dyski twarde w takich warunkach miały problemy z pracą. Na rynku jest wiele firm specjalizujących się w produkcji dysków twardych. Najważniejsze z nich to: Samsung, Toshiba, Western Digital, Maxtor, IBM, Hitachi, Seagate i Fujitsu. INTERFEJSY DYSKÓW TWARDYCH I NAPĘDÓW OPTYCZNYCH Kontroler dysku to specjalny kontroler zajmujący się komunikacją z urządzeniami pamięci masowych, takimi jak dyski twarde czy napędy optyczne. Urządzenie pamięci masowej musi być podłączone do wydajnego interfejsu, który pozwoli na szybką wymianę informacji między napędem a pozostałymi komponentami. Wyróżnia się następujące interfejsy: ATA - (ang. Advanced Technology Attachment), zwany również interfejsem IDE (ang. Integrated Drive Electronics) jest interfejsem równoległym. Od czasu wprowadzenia do użytku kontrolerów SATA, interfejs ATA/IDE jest także określany mianem PATA (ang. Parallel ATA). Specyfikacja tego równoległego interfejsu wymusza stosowanie określonych złączy i okablowania. Złącze PATA to 40-pinowe gniazdo z wyciętym jednym otworkiem aby uniemożliwić błędny montaż taśmy. Gniazda montowane są na płycie głównej oraz w tylnej ściance dysku twardego lub napędu optycznego. Rys. 3. Widok złącza interfejsu ATA, pinów konfiguracyjnych oraz złącza zasilania molex. Aby uzyskać fizyczne połączenie między napędem a kanałem IDE zamontowanym na płycie głównej potrzebna jest specjalna 40- lub 80-żyłowa taśma sygnałowa. Początkowo standardem była taśma 40-żyłowa o długości max. 47 centymetrów i wyposażoną w trzy złącza. Do dwóch złącza montuje się napędy, trzecie służy do podłączenia do kanału IDE na płycie głównej. Gdy pojawił się standard ATA-4 taśmę 40-żyłową zastąpiono 80-żyłową odporną na zakłócenia i o lepszej jakości. Dodatkowo pokolorowano poszczególne złącza w celu łatwiejszej identyfikacji: niebieski - do podłączania taśmy do płyty głównej czarny - do podłączania dysku (napędu) jako master (dla zworki na cable select). Mateusz Pańkowski 4
szary - do podłączania dysku (napędu) jako slave (dla zworki na cable select) Rys. 4. Taśmy sygnałowe. U góry taśma 80-żyłowa (charakterystyczny zaślepione miejsce), na dole taśma 40-żyłowa. Jeśli użyjemy złej taśmy, to podczas uruchamiania komputera procedura testowa POST (ang. Power On Self Test) wykryje błąd i wyświetli odpowiedni komunikat. Standard ATA nie jest już rozwijany w kierunku zwiększania szybkości transmisji. Kontroler ATA-1 może obsłużyć dwa urządzenia maksymalną przepustowością do 4 MB/s, natomiast kontroler ATA-2 (EIDE) może obsłużyć dwa urządzenia z maksymalną przepustowością do 133 MB/s (ATA/133). SATA -. - -. Mateusz Pańkowski 5