A mágneses és optikai adattárolók

1. A mágneses és optikai adattárolók Készítette: Kovács Nándor KONRACB.PTE

2. Az anyag feldolgozásához szükséges meglévő ismeretek átismétlése, megbeszélése ráhangolás Intereaktív módszerrel: Mi az adat: Adatnak nevezünk minden olyan ismeretet, mely előzőleg már rögzítésre került. Mi az információ Az információ olyan jelsorozatok által hordozott hír, mely egy rendszer számára új ismeretet jelent. Milyen formában tároljuk az adatokat? Bináris formában (0 és 1) Mik a fontosabb mértékegységei? (Kérdések gyűjtése: Mire kíváncsiak a diákok) 1 bit egy döntés 1byte=8bit 1 Kbyte=1024byte 1Mbyte=1024Kbyte 1Gbyte=1024Kbyte 1Tbyte=1024Mbyte

3. Bevezető ráhangoló feladat Határozzátok meg az Internet segítségével, mit nevezünk háttértáraknak? (egyéni esetleg páros feladat) Interaktív módszerrel megvitatjuk a talált megoldásokat és közösen kiválasztunk egy általános definíciót: A háttértár olyan számítógépes hardverelem, mely nagy mennyiségű adatot képes tárolni, és azokat a számítógép kikapcsolása után is megőrzi. Általánosan: A háttértár olyan hardverelem, mely nagy mennyiségű adatot képes tárolni, és azokat a működtető eszköz kikapcsolása (áramtalanítása) után is megőrzi.

4. Visszautalás a korábban tanultakra Miért van szükség a háttértárakra? (tanári kérdés, jelentkező tanulók felszólítása) Ha csak kevés jelentkező van rávezető kérdések. (mi a RAM, hogy működik, mekkora a kapacitása?) a számítógép műveleti memóriájában (RAM) csak ideiglenesen lehet adatot tárolni, ennek tartalma a számítógép kikapcsolása, vagy resetelés után törlődik. (kérdések az adattovábbításról, szállításról) Megbeszéljük a számítógépeken kívül milyen eszközök rendelkeznek háttértárral, és milyennel. (cd/dvd lejátszó fényképezőgép, videokamera, telefon, MP3/MP4 lejátszók,navigációs rendszerek, robotok stb.)

5. Kollektív munka Rávezető kérdések segítségével, elérni, hogy a diákok akár egymással is megvitatva létező ismereteiket létrehozzák a háttértárak működési elv alapján történő csoportosítását. Mágneses háttértárak Optikai háttértárak Flash memória

6. Frontális munka/kooperatív munkaJelentésteremtés A tanár által készített prezentáció bemutatása (projektorhasználat), a magyarázatban korábbi informatikai, fizikai, és technikai interdiszciplináris ismeretekre utalás. A bemutató bizonyos részeinél csoportos, internet segítségével megoldható feladatok adása a tanulóknak. (pl. háttértárak kapacitásának, adatátviteli sebességének meghatározása)

7. Mágneses háttértárak • Mágnesszalagos • Hajlékonylemezes • Merevlemezes

8. Mágneses háttértárak működési elve A mágneses háttértárolás esetén egy nem mágnesezhető felületre (alumínium, vagy műanyag) vékony rétegben felhordott ferromágneses anyagot meghatározott módon (a lemezen koncentrikus, a szalagon párhuzamos sávokban) a tárolandó információnak megfelelően változó irányú mágneses térrel átmágnesezik úgy, hogy a kialakult remanens (visszamaradó) mágnesesség elegendő erejű legyen ahhoz, hogy a tárolt információ kiolvasásakor a felület felett elhaladó olvasófejben változó irányú áramot indukáljon.

9. Mágnesszalagos háttértárak • A mágnesszalagos háttértárolók soros elérésűek. • A műanyag alapú szalagra felhordott mágneses rétegben egyszerre több sávban (7 vagy 9 csatornán) párhuzamosan történik a rögzítés. • Rögzítés előtt a szalag mágnesezettséget nem mutat. Az adat 8 bites formában (1 byte) adott, ehhez igény szerint paritás bit kapcsolható. Az egyes bitek a szalagon egymás melletti párhuzamos csatornákon rögzíthetők. Egyik lehetséges kódolási eljárásnál a logikai 1 értéknek a szalag mágnesezése felel meg, a logikai 0-nál nincs mágnesezés

10. Mágneslemezes háttértárak A mágneslemezes tárakban a jelrögzítés koncentrikus körök (sáv vagy track) mentén történik. A sávok sűrűn egymás mellett helyezkednek el. A sávokon kívül egy-egy lemezoldal, mint egy torta szeletei, szektorokra is oszlik. A sávok és szektorok metszéspontjainál kialakuló ívekben, a blokkok jelentik a legkisebb átvihető adatmennyiséget. A sávsűrűséget tpi-ben fejezik ki, jelentése track per inch radiális irányban.

11. Mágneslemezes háttértárak • A szektorok jelentik a legkisebb címezhető adategységet, ami 512 byte a PC esetében. • A sáv és szektorszám megadásával az adott blokkban rögzített adatok gyorsan előkereshetők. Ezért a lemez direkt elérésű tároló, szemben a szalag soros elrendezésével. • Ha a lemez mindkét oldalát felhasználjuk, vagy lemezköteg azonos koncentrikus köréről van szó, akkor nem sávról, hanem cilinderről beszélünk. Egy koronghoz 2 olvasó-író fej (head) tartozik, a korong mindkét oldalához egy. A könnyebbség kedvéért a merevlemez több szektort együtt szokott kezelni, ezek a szektorcsoportok, a cluster-ek v. állományelhelyezési egységek.

12. Mágneslemez előkészítése Formázás (formattálás): tároláshoz szükséges struktúra létrehozása. Ennek során a lemezen létrejönnek a sávok, track-ek és a szektorok. A formázó program feladata még, hogy a fájlok tárolásához szükséges, az operációs rendszer által használt lemezrészek kialakítása is. A lemez fizikai felépítése, növekvő szektorszám szerint: 1. partíciótábla (Master boot record. Csak merevlemez eseten létezik): partíciók elhelyezkedési adatai 2. betöltő szektor (Boot record) OS. Indítása, 3. fájl allokációs tábla (FAT) állományok darabjainak sorrendjét tartja nyilván 4. fő(gyökér) tartalomjegyzék (Root Directoriy) Minden lemezen elhelyezett fájlhoz és alkönyvtárhoz tartozik egy 32 bájtos bejegyzés, ami többek között a bejegyzés nevét, kiterjesztését, tulajdonságait (attribútumait), a hozzátartozó kezdő cluster sorszámát, és az állomány méretét tartalmazza. 5. adatterület

13. Hajlékonylemezes háttértárak • 1.44 MB-os floppylemez esetén: • 80 sáv, és egy track-en 18 szektor. • Egy szektor mérete 512 byte. • Műanyag tokban hajlékony műanyag lemez található, mely mindkét oldala mágnesezhető réteggel van bevonva. • Használatát az teszi lehetővé, hogy a forgás következtében létrejövő centrifugális erő hatására sík és viszonylag merev lesz. • A lemezt a meghajtóban egy elektromotor forgatja, a felület mindkét oldalán író-olvasó fejek sugár irányban mozogva írnak/olvas-nak. Ezek kis méretű elektromágnesek. • Feloldható írásvédelmi (write protect) lehetőség: az adatok nem kívánt felülírását vagy törlését akadályozza meg.

14. Hajlékonylemezes háttértárak • A hajlékonylemez cserélhető adathordozó • Méretek: 8”, 5.25" és 3.5" átmérőjű lemezek • 8”: 160-500KB • 5.25”: (IBM PC, XT) 360 KB, majd később 1.2 MB kapacitás • 3.5”: 1.44 MB kapacitás • Az adattárolásnál a meghajtónak ismerni kell a sávok kezdőpontját, amit a lemezen és a tokon levő apró ún. indexlyuk tesz lehetővé, melynek helyzetét egy optikai érzékelő olvassa le.

15. Merevlemezes háttértárak • A mágneses réteg üvegből vagy alumíniumból készült lemezeken helyezkedik el, ez biztosítja a hordozó anyag stabilitását és szilárdságát. • A lemezeket egymás fölé helyezik egy közös tengelyre, melyet a motor hajt meg. • A lemezek közé nyúlnak be az olvasófej karjai, általában minden lemezhez két darab, az egyik alul, a másik felül olvassa az adatokat. • A fejek tizedmikronnyi távolságra helyezkednek el a mágneses rétegtől, ezért ezt a réteget felhordás után tökéletesen simára polírozzák, hogy az egyenetlenségek ne sértésék meg a fejeket. • A fejek szintén központi tengelyen vannak összekapcsolva, ezt a tengelyt egy lineáris motor mozgatja, mely félelmetes pontosságra és sebességre képes, másodpercenként akár 50-szer tud pontosan pozícionálni akár úgy, hogy minden lekérdezendő adathoz a teljes lemezsugár távolságot meg kell tenni. Hozzáférési idő = Pozicionálási idő átlaga + Forgási idő + Adatátviteli idő + Vezérlési idő.

16. Merevlemezes háttértárak Ezek alkotják a merevlemez mechanikát, melyet egy zárt házba tesznek. A ház teljesen nem zárt, van rajta egy nyomáskiegyenlítő szelep, ezen keresztül gondosan szűrt levegő tud beáramlani, ha csökkenne a nyomás, és itt tud ugyanígy távozni, ha megnőne (nyomáskülönbség a hőmérséklet-változás miatt következik be). A szelep porvédő, ezért az apró portól is megvédi a belső mechanikát, de a levegő szabadon járhat rajta keresztül. A merevlemez házára szerelik kívülről az elektronikát, mely a motorokat és a fejeket vezérli, adatokat olvas és ír, valamint itt helyezkedik el a cache memória, ahol az átmeneti adatok tartózkodnak.

17. HDD írási és olvasási sebesség Befolyásolja: • a lemez forgási sebessége: 5400, 7200, 10 000 vagy 15 000 fordulat/perc (rpm). • az átviteli sebesség: növelésének érdekében beépítenek egy gyorsítótárat (cache) • Írásnál: merevlemez elektronikája a gyorsítótárba gyűjtögeti a kiírandó adatokat, majd ha elegendő összegyűlt, egyszerre kiírja a lemezre. • Olvasásnál: a lemezről többet beolvas, mint amennyire szükség van az adott pillanatban, arra a statisztikai tényre építve, hogy „úgy is kérni fogjuk az utána lévő adatokat” (előreolvasás). • A gyorsítótárnak köszönhetően a HDD elérési ideje lényegesen lecsökken. • Cache méretek: lehetőségeinek kihasználása érdekében a nagyobb adatsűrűségű tárolókhoz nagyobb méretű szokott lenni. Régebben 2, 4, 8 MB-os, • Manapság a nagyobb kapacitás új HDD-k mellé 16, 32 vagy 64 MB-os gyorsítótárat szoktak rakni.

18. Optikai tárolók • A digitális adatok optikai tárolására a kompakt lemezeket (CD = Compact Disk) használják. • Az adatrögzítés egy három rétegű adathordozón történik:

19. Optikai tárolók • A CD: polikarbonát lemezen alumínium v arany fényvisszaverő réteg helyezkedik el, ezen sorjáznak a bitek,a visszatükröző réteg bemélyedései (pitek), ill. változatlan felülete (landok). • Valójában a pit és a land is logikai "0"-t jelent, a logikai "1" a kettő közötti átmenetnek felel meg. Az olvasás egy lézersugár visszaverődésének érzékelésével történik, a visszaverődő szórt fényt mérik: a sötétebb pontokról kevesebb fény verődik vissza. Pit vagy lyuk (0,833-3,054 µm) Spirál hossz: 5734 m Land vagy sík

20. Optikai tárolók A meghajtó lézerfejét fókuszálni kell a lemezre, és a fejnek nagy pontossággal (1 mikrométeren belül) kell követnie a lemezre írt spirális sávot. Feladata: az olvasott adatok felismerése, a sorosan érkező csatornabitek összeállítása és visszakódolása bájtokra, az előforduló olvasási hibák észlelése és javítása, az olvasott bájtok átadása az interfész felületen a CD-vezérlőnek

21. Compact Disk • Az adathordozó egy 8 v.12 cm átmérőjű és 1,2 mm vastag korong, amelyre az adatok spirál formában kerülnek felírásra. A spirálon az adattárolás szektorokban történik. Egy szektor mérete kb. 2 KB • Általános felépítése: • Szinkronizációs mező • Fejléc a szektorazonosítókkal • Adatrész • EDC (=Error Detecting Code): hibaellenőrzés • ECC (=Error Correcting Code):hibajavító • A lemez elején található egy tartalomjegyzék (TOC = Table of Contents), amely a lemezen található adatokról és ezek helyéről ad információt.

22. Flash driveGyors, törölhető és újraírható félvezető alapú memória, mely az információt kikapcsolt állapotban is megőrzi. • A Floppy-technológia halálával felmerült az igény kis méretű, de jól hordozható média megjelenésére is. Ehhez remek csatlakozási felületet nyújtott a Windows 95 bevezetése óta már létező és egyre gyorsuló USB-szabvány. A legelső 8-128 MB-s darabok még a legelső, igen lassú 1.1-es szabványon jelentek meg, de a technológia váltásával (és főleg szabvány frissítésével) gyorsult a PenDrive és nagyobbodott a méret. • Maga a PenDrive egy pici kis nyomtatott áramkört tartalmaz, mely Flash-memóriaként képes adatokat tárolni. • Előnyök: nagyfokú strapabírás, tápáram nélkül is megőrzi az adatokat, évekig, könnyen hordozható, igen kicsi helyigényű. • Hátrányok: képtelen önálló adatcserére, csatlakozója néha sérül, könnyen elveszik!

23. Kooperatív munka Csoportok kialakítása (létszámtól függően 3-6 csoport) feladat egy-egy háttértár típus jellemzése. (kapacitás, gyorsaság, egyéb lényeges jellemzők) FDD HDD CD DVD Blu-Ray Flash memória

24. Reflektálás A csoportok bemutatják a csoportosan készített prezentációikat Közös értékelés, ha kell javítás. Tanári tevékenység lényege: A tanulók megerősítést kapnak, hogy ismeretszerzés-re bátran használják az Internetet, de lehetőleg a kapott információkat minél több forrásból ellenőrizzék, hiszen nem minden talált információ mögött áll akadémikus tudás.

25. HDD Seagate 500GB Serial-ATA 2.0 NCQ winchester (16MB cache) • Típusa: Seagate Barracuda 7200.10Fordulatszám: 7200 rpmAdatátviteli sebessége: 3 Gb/secBelső átviteli sebesség: 760 MB/secÁtlagos elérési idő: 8 ms Bemutató: Merevlemez sebesség teszt: CrystalDiskMark 2.20f (magyar) HD-Speed

26. Optikai háttértárak • A CDközvetlen elérésű, a többi tárolóval összehasonlítva közepes kapacitású (650-700 MB, azaz kb. 75 perc zene vagy kb. 275 000 oldal szöveg vagy ) és közepes sebességű. Átviteli sebességét az első CD-meghajtókhoz viszonyítva (150 KB/s) adják meg, ma a leggyakoribb az ,,52×" jelzés. Elérési idejük jellemző értéke 100–300 ms közötti. • A DVD viszonylag nagy kapacitású (4,7-17 GB), gyors olvasási sebességű. Az első DVD-olvasók 1350 KB-ot olvastak másodpercenként, ennek megfelelő többszörösei a későbbi kétszeres, négyszeres, ..., 16x-os olvasók. Mivel az olvasási sebességet a fordulatszám növelésével érik el, annak növekedésére egy idő után nem számíthatunk, hiszen a ma jellemző kb. 8000 fordulat/perc felett már nehéz a zajt és a rezgést kordában tartani.

27. Flash memória • A kezdeti időkben két sebességre volt lehetőség: az ideiglenes szabványként 1996 januárjában megjelent USB 1.0 még csak 1,5Mb/s-re adott lehetőséget, de ezt felgyorsította az 1998 szeptemberében megjelent USB 1.1-es 12 Mb/s -os sebessége. • A következő, USB2.0-ás szabványt 2000 áprilisában mutatták be max. 480 Mb/s -el. Ez a verzió annyira sikeressé vált, hogy hamarosan teljesen kiszorította a régi eszközöket pl.: FDD,CD. • Az USB 3.0-ás szabványt fejlesztő csoport 2008. nov. 17-én fejezte be a fejlesztést. A végső sebesség (USB SuperSpeed néven) 4,8 Gb/s lett, de az átlagsebességet „csak” 3,2 Gb/s-re sikerült feltornászni.