Twardy dysk

1. Twardy dysk Wykonał : Emil Kępczyński

2. Co to jest dysk twardy • Dysk twardy – jeden z typów urządzeń pamięci masowej wykorzystujących nośnik magnetyczny do przechowywania danych. Nazwa "dysk twardy" (hard disk drive) powstała w celu odróżnienia tego typu urządzeń od tzw. "dysków miękkich", czyli dyskietek (floppy disk), w których nośnik magnetyczny naniesiono na elastyczne podłoże, a nie jak w dysku twardym na sztywne. Dysk twardy jest trwałą pamięcią komputera. Oznacza to, że wszystkie dane i programy zostają na nim zachowane również po wyłączenia komputera. Pojemność dysków twardych podaje się w gigabajtach.

3. Dysk twardy znajduje się we wnętrzu obudowy komputera lub w łatwo dostępnej szufladzie, tzw. kieszeni i służy do przechowywania programów i danych. Dysk twardy został tak nazwany, z powodu swej sztywnej konstrukcji, są one umieszczone w odpowiednio skonstruowanym pyłoszczelnym zespole napędowym, zwierającym ponadto układy sterowania silnikiem napędu dysków, silnikiem przesuwu głowic (pozycjonerem), układu sterownia zapisu, układu odczytu oraz inne układy sterujące i kontrolne zespołu napędowego. Gdzie jest umieszczony dysk

4. Budowa dysku twardego

5. Budowa Dysku Twardego • ). Dysk stały 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) oraz 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 maszynę) powstałej w wyniku szybkich obrotów talerza. Jest to najpopularniejsze obecnie rozwiązanie (są też inne sposoby prowadzenia głowic nad talerzami

6. Ramię głowicy • 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).

7. Najważniejsze parametry: - pojemność od 10MB do kilku GB, - liczba głowic zapisu i odczytu (od 4 do kilkunastu), - liczba cylindrów (od 615 do kilku tysięcy), - średni czas dostępu, - prędkość obrotowa dysku (kilka tysięcy obrotów na minutę), - prędkość transmisji danych, - zasilanie,

8. Pojemność Dysku Twardego • Pojemność dysków wynosi od 5 MB (przez 10MB, 20MB i 40MB - dyski MFM w komputerach klasy XT 808x i 286, współcześnie zaś dyski kilkusetmegabajtowe w komputerach osobistych należą do rzadkości), najczęściej posiadają rozmiar nawet kilkuset (powyżej 4000 GB) GB, (w laptopach 20-260 GB). Małe dyski, o pojemnościach od kilkuset MB do kilku GB stosuje się współcześnie w kartach dla slotu Compact Flash (Microdrive) do cyfrowych aparatów fotograficznych, a także w innych urządzeniach przenośnych. Praktycznie używane jednostki na oznaczenie wielokrotności bajtu to: 1 KB = 1024 B (KB - kilobajt) 1 MB = 1024 KB (MB - megabajt) 1 GB = 1024 MB (GB - gigabajt) 1 TB = 1024 GB (TB - terabajt) 1 PB = 1024 TB (PB - petabajt) 1 EB = 1024 PB (EB - eksabajt) 1 ZB = 1024 EB (ZB - zettabajt) 1 JB = 1024 ZB (JB - jottabajt) 1 BB = 1024 JB (BB - brontobajt

9. Dysk Twardy a Dysk Miękki Użycie sztywnych talerzy i uszczelnienie jednostki umożliwia większą precyzję zapisu niż na dyskietce, w wyniku czego dysk twardy może zgromadzić o wiele więcej danych niż dyskietka. Ma również krótszy czas dostępu do danych i w efekcie szybszy transfer. W 2003 r. dysk twardy w typowym stanowisku pracy mógł zgromadzić od 60 do 500 GB danych, obracać się z prędkością 5400 do 10 000 obrotów na minutę i mieć średnią prędkość przesyłu danych na zewnątrz na poziomie 30 MB/s, a w roku 2006 dzięki technologii pionowych bitów możliwe jestprzetrzymywanie na dysku ponad 1 TB danych

10. Co to jest macież dyskowa? Kilka dysków twardych można łączyć w macierz dyskową, dzięki czemu można zwiększyć niezawodność przechowywania danych, dostępną przestrzeń na dane, zmniejszyć czas dostępu

11. Zapis i odczytywanie informacji na dysku Standardowe głowice zapisująco-odczytujące (zwane też głowicami cienkowarstwowymi) posiadają miniaturową cewkę, która umożliwia zapis danych na płycie magnetycznej lub ich odczyt. Gdy na twardym dysku zapisywane są dane, specjalny układ elektroniczny wysyła impulsy elektryczne do cewki. W ten sposób powstaje pole magnetyczne, które porządkuje poszczególne cząstki na powierzchni dysku. W przypadku odczytu danych następuje procedura odwrotna. Namagnesowana powierzchnia dysku indukuje prąd w cewce, który jest następnie przetwarzany przez układ elektroniczny napędu. Coraz większe zapotrzebowanie na pojemniejsze dyski twarde a w konsekwencji ich rozwój spowodowało zwiększenie gęstości zapisu, który nie pozwala jednak na współpracę z tradycyjnymi głowicami z powodu zbyt gęstego ułożenia sektorów. Nowoczesne dyski twarde wyposażone są więc w dodatkową głowicę magnetorezystywną (MR), umożliwiającą odczytywanie danych z powierzchni nośnika. Głowica zawiera pewną domieszkę specjalnego stopu żelaza i niklu, który pod wpływem pola magnetycznego zmienia swój opór elektryczny. Do zapisu danych jest natomiast w dalszym ciągu wykorzystywana głowica cienkowarstwowa. Zasadniczą zaletą takiego rozwiązania jest fakt, że głowica MR potrafi prawidłowo rozpoznawać dane także wtedy, gdy dysk obraca się z dużą prędkością, a sektory ułożone są bardzo gęsto.

12. Co się dzieje z informacją? • 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 cewcegłowicy lub zmianę oporu w głowicy magnetyczno oporowej.

13. Obudowa Dysku Twardego • 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

14. Jeden z pierwszych modeli twardych dysków IBM:

15. Fizyczna struktura dysku twardego Na fizyczną strukturę twardego dysku składają się cylindry, głowice i sektory. Cylindry i głowice ponumerowane są począwszy od zera zaś numeracja sektorów zaczyna się od cyfry 1. Informacje (dane) zapisywane są na okrągłych nośnikach (talerzach), które pokryte są magnetyczną warstwą i zamocowane jeden nad drugim na obracającej się osi. Po obu stronach talerza na specjalnym ramieniu zwanym grzebieniem zamocowane są głowice zapisu/odczytu. Powierzchnia nośnika podzielona jest na idealnie okrągłe pierścienie tzw. ścieżki, które swoją strukturą przypominają słoje drzewa. Z względu na to, iż ścieżka jest zbyt duża, aby zarządzać pojedynczym kawałkiem informacji podzielona jest na sektory, które wynoszą 512 bajtów. Zatem każda ścieżka podzielona jest na wiele sektorów. Liczba sektorów jest różna dla różnych dysków twardych. Na ścieżkach dysków może być od 17 do 64 sektorów. Ścieżki i sektory tworzone są podczas formatowania dysku. Gdy dysk nie pracuje lub gdy prędkość obrotowa jest zbyt mała, głowice znajdują się w pozycji spoczynkowej, wycofane poza obręb pakietu. Dopiero po osiągnięciu wymaganej prędkości obrotowej następuje ich gwałtowne wysunięcie nad powierzchnie dysku i ustawienie nad cylindrem zerowym. Podczas pracy głowice unoszą się na tzw. poduszce powietrznej wytworzonej przez obracające się dyski.

16. Mechanizm pozycjonowania głowicy Bardzo ważnym elementem w pracy dysku jest mechanizm pozycjonowania głowicy tzn. aby głowica zapisu/odczytu znajdowała się zawsze dokładnie nad środkiem ścieżki. Wystarczy mianowicie niewielkie przesunięcie, a zamiast porządnych informacji, otrzymamy zwykłe "śmieci". Nie jest to wcale łatwe zadanie, gdyż pod wpływem ciepła materiał, z którego wykonane są talerze dysku, może ulegać zniekształceniom. Mechanizmem stosowanym w nowoczesnych dyskach jest technika Embedded Servo. W odróżnieniu od tradycyjnej techniki Servo, przy której głowica musiała regularnie korzystać ze ścieżki sterującej, aby zoptymalizować swoją pozycję, mechanizm Embedded Servo wykorzystuje informacje zapisane na każdej ścieżce. Głowice zapisująco-odczytujące mogą więc korzystać z nich przez cały czas, co umożliwia dokładniejsze pozycjonowanie i szybszą pracę napędu. Technika ta działa na podobnej zasadzie, jak automatyczny pilot, który nieprzerwanie dba o utrzymywanie właściwego toru lotu. W poprzedniej technice tzw. okresowej kalibracji głowicy dysku następowały dodatkowe przerwy w transmisji danych.

17. Silnik krokowy: W stałym polu magnetycznym wytwarzanym przez nieruchomy magnes cylindryczny znajduje się rdzeń metalowy z nawiniętym uzwojeniem. W zależności od kierunku prądu płynącego przez uzwojenie powstająca siła elektrodynamiczna powoduje wciąganie rdzenia w głąb magnesu, bądź jego wypychanie. Tak odbywa się sterowanie ruchem głowic dysku

18. Master Boot Record i inne: • Aby komputer mógł wczytywać i uruchamiać system operacyjny, najważniejsze informacje o strukturze danych muszą się znajdować w ściśle zdefiniowanym miejscu na powierzchni nośnika. W pierwszym sektorze dysku (cylinder 0, głowica 0, sektor 1) zlokalizowany jest Master Boot Record. BIOS komputera znajdzie tu program, który odpowiedzialny jest za wczytanie sektora startowego (bootsektora) z aktywnej partycji dysku. Informacja, która partycja jest aktywna, umieszczona jest w tablicy partycji. Tablica ta znajduje się podobnie jak MBR w pierwszym sektorze dysku, który kończy się właśnie na niej. Pozostały fragment ścieżki 0 w cylindrze 0 jest pusty. Można w nim umieścić dyskowego menedżera. Tu zagnieżdżają się również wirusy bootsektora. • Partycja główna rozpoczyna się w miejscu o "współrzędnych": cylinder 0, głowica 1, sektor 1, a kończy się zawsze w miejscu dowolnego cylindra. Pierwszym sektorem partycji głównej jest sektor startowy. Od drugiego sektora zaczyna się tablica przydzieleń zbiorów FAT (więcej o FAT w odrębnym akapicie), tuż za nią znajduje się jej awaryjna kopia. Ile sektorów zajmuje FAT zależy od rozmiaru partycji. Wielkość tablicy zachowana jest w bootsektorze. Katalog główny znajduje się zwykle za tablicą FAT. Inaczej jest w przypadku partycji systemu FAT32, gdyż posiadają one większy obszar startowy, a katalogiem głównym zarządza się jak oddzielnym plikiem. Dopiero za tymi wszystkimi wymienionymi informacjami znajduje się właściwy obszar danych. • Partycja rozszerzona zaczyna się zawsze na granicy cylindrów - np. z początkiem cylindra X (X>0), przy głowicy 0 i w sektorze 1. W odróżnieniu od partycji głównej, partycja rozszerzona nie posiada sektora startowego, lecz zaczyna się od razu od tablicy partycji, której pierwszy wpis oznacza pierwszy napęd logiczny na tej partycji. Drugi wpis odsyła z kolei do partycji rozszerzonej, która stanowi kolejny napęd logiczny, i tak dalej, aż zostaną poprzydzielanie wszystkie napędy logiczne

19. Dysk Twardy charakteryzuje się • Dysk twardy charakteryzuje się przede wszystkim pojemnością. Obecnie największe dyski EIDE, już dziś przekraczają pojemność 20 GB, a dyski SCSI osiągnęły pułap 50 GB, choć są już prototypy o pojemnościach aż 130GB. EIDE to kontroler transmisji danych miedzy dyskiem twardym a komputerem, jest to ulepszona wersja kontrolera IDE co oznacza Inteligent Drive Electronic, który występował w starszych komputerach. Złącza IDE nie mogły obsługiwać napędów CD-ROM, DVD i nagrywarek CD-RW. EIDE to skrót od angielskiego Enhances IDE czyli rozszerzonego IDE. Natomiast SCSI oznacza standard złącza o dużej prędkości transmisji stosowanych w komputerach. Duża niezawodność i uniwersalność tego typu połączenia sprawiła, że stał się on standardem w zaawansowanych komputerach. Do kontrolera SCSI możemy podłączyć m.in. dyski twarde, napędy CD-ROM , nagrywarki CD-RW i skanery.

20. Kolejna cecha charakteryzująca dysk twardy: • Następną cechą charakteryzującą twardy dysk to parametr ciągłego transferu danych, który potrzebny jest nam do obróbki bardzo dużych plików zawierających grafikę, dźwięk, filmy lub do nagrywania płyt CD-R.Dysk powinien mieć dużą stałą prędkość transferu danych ok. 10000Kb/sek.

21. Katalog Główny: Dzięki informacjom zawartym w sektorze startowym system operacyjny zna rozmiar partycji, ile posiada ścieżek, sektorów na ścieżkę i bajtów na sektor. Poprzez katalog główny (zwany root-em) system operacyjny dowiaduje się gdzie zaczyna się właściwy obszar danych. Root jest jedynym katalogiem tworzonym podczas operacji formatowania. Na płaszczyźnie użytkownika ukazuje się w formie znaku "\". Zajmuje 32 sektory i może pomieścić maksymalnie 512 plików lub podkatalogów. Podkatalogi są nieodzowne, gdyż dzięki nim można umieszczać na dysku nieograniczoną liczbę plików