Pevné disky

1. Pevné disky Štěpán Šípal

2. Rozvržení hodiny • Fyzická struktura disku • Solid State Disky • Řadiče disků • Logická struktura disku • Disková pole RAID

3. Pevný disk • Pevný disk počítače slouží k dlouhodobému ukládání dat uživatelů pracujících s počítačem. • Pevný disk je jedna z nejpomalejších součástí dnešních počítačů. Z tohoto důvodu jsou v počítači ještě další paměti – operační paměť RAM a různé cache. • Data jsou ukládána v digitální podobě (binární) jako magnetické bipóly na jednotlivé plotny pevného disku.

4. Fyzická struktura disku • Plotny na které se ukládají data (kovové disky na které je obvykle zapisováno z obou stran). • Rameno s hlavičkami pro zápis a čtení dat. • Mechanika pohybující ramenem. • Motorek točící diskem. • Deska rozhraní pro připojení k základní desce a řízení práce disku.

5. Hard disk

6. Plotny • Pevný disk obsahuje obvykle několik ploten umístěných nad sebou na jedné ose. • Na plotny se zapisuje z obou stran, pouze krajní plotny jsou u některých disků zapisovány pouze z vnitřní strany. • Plotny mají průměr 3,5 palce, případně 2,5 palce u notebooků (a menší u mobilních zařízení).

7. Rameno s čtecími hlavičkami • Nad plotnami se pohybuje rameno s čtecími hlavami (nad každou plochou se pohybuje jedna čtecí/zapisovací hlavička). • Všechny hlavičky jsou na jednom rameni, pohybují (vystavují) se tedy společně. • Hlavičky plují velmi nízko nad plotnami na vzduchovém polštáři. • Při vypnutí disku jsou automaticky zaparkovány do bezpečné oblasti, aby v případě otřesů nepoškodily data.

8. Hlavičky a rameno

9. Členění ploten • Každá plotna se člení na jednotlivé stopy, to jsou soustředné kružnice. • Dále jsou stopy rozděleny na části které se nazývají sektory. Sektor je nejmenší adresovatelná jednotka na pevném disku. • Při výrobě disku je na začátek každého sektoru zapsán jeho identifikátor.

10. Členění ploten • Nad každým povrchem se vznáší jedna záznamová hlavička. • Všechny hlavičky jsou na společném rameni, pokud se tedy posune hlavička 1 na stopu 45, posunou se na danou stopu i zbývající hlavičky. • Stopám stejně vzdáleným od středu na všech plochách se říká cylindr.

11. Stopy a cylindry

12. Adresování na disku • Adresování disku je tedy možné na základě třech údajů – číslo stopy, číslo plochy a identifikace sektoru ze kterého chceme číst/zapisovat.

13. Výkon pevných disků • Výkon samotného disku ovliňuje především doba vystavení hlavičky a doba čekání • Vystavení hlavičky – za jak dlouho hlavička dorazí nad danou stopu. • Doba čekání – za jakou dobu se pod hlavičkou objeví hledaný sektor. • Doba čekání se zkracuje díky vyšší rychlosti otáčení pevných disků – dnes běžné disky dosahují 7 200 otáček za minutu, výkonné až 15 000, notebookové pak 4 200 kvůli úspoře energie.

14. Vyrovnávací paměť • Aby nedocházelo k prodlevám při zapisování a čtení dat, je přímo na disku umístěna vyrovnávací cache paměť o velikosti 2-16 MB. • Pokud tedy počítač potřebuje zapsat data, nemusí vždy čekat na dokončení jejich zápisu, data se načtou do cache paměti s zapíšou se postupně dle fyzických možností disku. • Stejnětak při čtení jsou data z cache postupně odesíláná podle propustnosti sběrnice.

15. Kapacita disků • Běžné disky do PC dnes mají kapacitu zhruba do 3 TB (3 000 GB), nicméně stav se poměrně rychle mění. • Vyšší kapacita se navyšuje především vyšším zahuštěním záznamu. • Hlavičky se nad diskem pohybují stále níže, potřebují tedy slabší magnetické pole, což umožňuje vyšší hustotu záznamu.

16. SSD – Solid State Drive • Zajišťuje obdobnou službu jako běžné HDD. • Data neukládá na plotny, ale na flash paměť, neobsahuje tedy jako HDD žádné nespolehlivé pohyblivé části. • Má nižsí spotřebu elektrické energie. • Využívá stejné rozhraní jako HDD, tedy PATA, SATA. • SSD mají obvykle vyšší rychlost čtení dat než HDD.

17. Solid State Drive vs HDD

18. SSD - nevýhody • Flash paměť má omezený počet zapsaní dat do stejné oblasti (udává se cca 100 000). • Operační systémy neumí se SSD správně pracovat (nedokáží využívat jejich výkon, pracují s nimi jako s běžnými disky).

19. Řadiče disků • EIDE – na motherboardu jsou obvykle dva kanály EIDE, na ty se pomocí plochého kabelu dají napojit vždy dvě zařízení • Maximální přenosová rychlost ccs 22 MB/s. • SATA – sériové rozhraní které dnes prakticky nahradilo EIDE • K jednomu zařízení je vždy samostatný kabel. • Přenosová rychlost SATA II je 300 MB/s. • Plug and play disků.

20. Disková pole RAID • Redundant Array of Independent Disks. • Slouží pro zvyšování výkonu a stability systému díky propojení několika shodných disků. • Distribuce dat na více disků (zrychlení zápisu), zrcadlení dat (zabezpečení proti ztrátě), případně kombinace obojího. • Operační systém tyto spolupracující disky vidí jako jeden běžný disk.

21. RAID 0 • Rozdělení dat na dva a více disků (striping). • Na každém disku je pouze část dat. • Zrychluje ukládání a načítání dat, jejich tok se rozdělí mezi více disků. • V případě ztráty dat na jednom disku jsou ztracena všechna data!

22. RAID 1 • Zrcadlení disků. • Používá se pro zvýšení spolehlivosti úložného prostoru. • Dva disky mají naprosto shodný obsah. • Při havárii jednoho disku je možno data obnovit z druhého. • Čtení může být rychlejší (čteme ze dvou disků).

23. RAID 5 • Využívá 3 pevné disky. • Data jsou mezi ně střídavě distribuována. • K datům se vypočítává parita (XOR), ta je uložena rovnoměrně na všech discích – všechny disky jsou opotřebovávány rovnoměrně. • Vyšší rychlost čtení dat (čte se z více disků najednou). • Nižší rychlost zápisu dat (vypočítává se parita).

24. RAID O+1 a 1+0 • Integrace prvků RAID 1 a RAID 0. • Data jsou podle typu buďto nejdříve zrcadlena a poté stripována, nebo naopak. • Potřeba minimálně čtyři disky. • Zrychlení zápisu, čtení a zabezpečení při hávárii disku.