Pevné disky

Gymnázium Michala Miloslava Hodžu, Hodžova 13, Liptovský Mikuláš, 031 36

Pevné disky

(Hard disky)

Stredoškolská odborná činnosť

2004

Gymnázium Michala Miloslava Hodžu, Hodžova 13, Liptovský Mikuláš, 031 36

Pevné disky

(Hard disky)

Stredoškolská odborná činnosť

Martin Piovár

3.B

Konzultant: Ing. Martin Bachár 2004/2005

Obsah:

Úvod...................................................................................................................... 4

1 Cieľ práce........................................................................................................... 5

2 Metodika............................................................................................................. 6

3 Teoretický rozbor................................................................................................ 7

3.1 História pevných diskov............................................................................. 7

3.2 Konštrukcia pevných diskov....................................................................... 9

3.3 Fyzická štruktúra diskov........................................................................... 10

3.4 Parametre disku....................................................................................... 13

3.4.1 Prístupová doba (access time)..................................................... 13

3.4.2 Doba vystavenia (seek time)........................................................ 13

3.4.3 Doba čakania (latency period)...................................................... 13

3.4.4 Kapacita Disku.............................................................................. 14

3.4.5 Vyrovnávacia pamäť CACHE....................................................... 14

3.4.6 Spoľahlivosť disku......................................................................... 14

3.5 Rozhrania pevných diskov.................................................................... 17

3.6 Logická štruktúra diskov....................................................................... 21

3.6.1 Súborové systémy........................................................................ 21

3.6.1.1 FAT 12............................................................................... 21

3.6.1.2 FAT 16............................................................................... 22

3.6.1.3 FAT 32............................................................................... 22

3.6.1.4 NTFS.................................................................................. 24

3.6.1.5 Iné systémové súbory........................................................ 25

4 Výsledky práce................................................................................................. 26

5 Záver................................................................................................................ 29

Resumé............................................................................................................... 30

Zoznam použitej literatúry................................................................................... 31

Prílohy................................................................................................................. 32

Úvod

Pevný disk slúži podobne ako disketa k čítaniu a zápisu dát. Je to veľkokapacitná disková pamäť, ktorá sa postupom času stala neoddeliteľnou súčasťou počítača. Na rozdiel od ostatných zálohovacích médií umožňuje veľmi rýchly prístup k požadovaným dátam. Údaje možno na disk ľubovolne ukladať, premiestňovať a mazať.

V súčasnosti sú počítače veľmi rozšírené a ich fungovanie by bez diskov nebolo možné. Preto som sa v tejto práci rozhodol objasniť princíp ich fungovania, ale aj opísať rôzne vlastnosti a funkcie disku.

1 Cieľ práce

Cieľom tejto práce je vysvetliť princíp fungovania diskov a popísať jeho základné vlastnosti a funkcie. Chceli by sme ju spracovať tak, aby pomohla používateľovi orientovať sa v oblasti pevných diskov. Práca sa nesústreďuje na konkrétne modely pevných diskov, ale na všeobecné informácie určujúce vlastnosti, kvalitu a použiteľnosť disku.

2 Metodika

Pri práci sme využili poznatky o pevných diskoch z internetu a z časopisov, ktoré sa zaoberajú informačnými technológiami. Zostavili sme anketu o niektorých informáciách o pevnom disku, ktorá pozostávala z troch otázok. Rozdali sme ju študentom Gymnázia Michala Miloslava Hodžu, prevažne to boli žiaci tretieho ročníka. Výsledky ankety sme spracovali do grafov pomocou programu Microsoft Excel uvedených v kapitole 3 Výsledky práce.

3 Teoretický rozbor

3.1 História pevných diskov

Za posledných pár rokov narástla kapacita pevných diskov neuveriteľne rýchlo. Konkrétne v oblasti pevných diskov pre stolové počítače je to za posledných 10 rokov takmer 200-násobok.

Prvý pevný disk vyrobila firma IBM 13.09.1956. Volal sa 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control ), mal kapacitu 5MB, prenosovú rýchlosť 9 bajtov za sekundu a vo svete počítačov znamenal skutočne obrovský pokrok. Išlo o prvé pamäťové zariadenie s takzvaným náhodným princípom k veľkému množstvu dát (predtým sa na ukladanie dát používali dierkové štítky a magnetické pásky), a to umožnilo používať úplne nové aplikácie, ako rezervácie leteniek, bankové služby a podobne. Tento disk stál 35000 USD ročne (nepredával sa, iba sa prenajímal )[1].

V roku 1973 prišiel ďalší míľnik – uzavretá disková jednotka, do ktorej bola priamo integrovaná aj čítacia hlava. Podľa pôvodného projektu mala mať kapacitu 30 MB len na čítanie a 30 MB aj na čítanie a aj na zápis. Táto číselná kombinácia ( 30-30 ) priviedla vedúceho projektu Kena Haughtena na návod, ako celý program pomenovať. Doma mal totiž opakovačku Winchester 3030. Tak vznikli disky Winchester, ktorých princíp kraľoval vo vývoji pevných diskov po celé nasledujúce obdobie ( dá sa povedať, že celých ďalších 20 rokov sa vývoj zameral len na spresnenie výrobného procesu a na zdokonalenie mechaniky disku)¹.

Jediným skutočne principiálnym vylepšením bolo zavedenie hláv MR GMR v polovici 90. rokov. Dnešné pevné disky so od svojich predchodcov z roku 1980 príliš nelíšia. Našťastie pre užívateľa sa však výrazne líšia parametrami a cenou. Samozrejme, disky existujú v rôznych vyhotoveniach, ktoré sa vyvíjajú paralelne.

Súčasný pevný disk pre stolové počítače je tzv. 3.5“ formátu (približne 9cm dlhý) a na trhu sa objavil po prvýkrát v roku 1983. Bol však asi dvakrát väčší ako tie dnešné. Pevné disky, ktoré sa osadzujú do notebookov, sú formátu 2.5“ (6,5 centimetra). Vznik 2.5“disku sa datuje o päť rokov neskôr – do roku 1988. V tomto istom roku sa na trh dostali aj disky 3,5“ s nízkym profilom (low profile), ktoré sa používajú doteraz. Existovali aj disky oveľa väčšie a s väčšou kapacitou, ale tie neboli primárne určené pre stolové počítače ani cenou, ani rozmermi. S diskom s priemerom menším ako 2,5“ sa stretneme len zriedka. Napríklad IBM Microdrive, ktorý firma IBM predstavila ako najmenší disk na svete v roku 1998 a dodnes sa používa. Jeho rozmery sú zhodné s pamäťovými kartami CompactFlash a využívajú sa hlavne v profesionálnych digitálnych fotoaparátoch a v iných mobilných zariadeniach[2] (viď. Obr. 3, Príloha 1).

3.2 Konštrukcia disku

Pevné disky využívajú magnetickú formu zápisu. Základ tvorí niekoľko kotúčov (platní), ktoré sú umiestnené nad sebou a pripevnené k centrálnej osi, ktorá nimi otáča (viď. Obr. 1, Príloha 1). Povrch kotúčov sa nazýva dátový povrch. Dáta sa zapisujú do magnetickej vrstvy nanesenej na každý kotúč. S magnetickým povrchom diskov pracujú magnetické čítaco - zapisovacie hlavy (viď. Obr. 8, Príloha 1). Hlavy zohrávajú najdôležitejšiu úlohu pri pevných diskoch a od ich realizácie závisí rýchlosť disku, ale aj hustota zapísaných údajov. Hlavy sa pri pevných diskoch nepohybujú po povrchu disku, ale vznášajú sa nad ním. Vznášanie hláv zaisťuje aerodynamický vztlak vznikajúci nad roztočeným diskom. Pretože sa hlavy vznášajú nad diskom, nedochádza ku treniu medzi hlavou a diskom. To zabezpečuje vysokú trvanlivosť a spoľahlivosť pevných diskov. Vzdialenosť vznášajúcich sa hláv nad diskom je niekoľko mikrometrov (viď. Obr. 2, Príloha 1). Drobné zrnko prachu by tak mohlo spôsobiť ryhu na disku a znehodnotenie údajov. Z toho dôvodu sú pevné disky uzavreté do puzdra nazývaného HDA (Hard Disk Assembly) a vyrobeného obyčajne z hliníka, tak, aby sa do neho nedostali nečistoty[3]. Pri vypnutí disku zaistí mechanika magnetických hláv ich uloženie do vyhradenej parkovacej oblasti. Tak je zaistené to, že sa hlava nikdy nedotkne dátovej oblasti a nezničí údaje.

3.3 Fyzická štruktúra diskov:

Povrch disku predstavuje pomerne rozsiahly priestor. Keď operačný systém požaduje od disku údaje, na povrchu disku ich musí vyhľadať radič pevného disku. Ten teda potrebuje poznať presnú geometrickú polohu zapísaných údajov. Preto si povrch disku rozdelí na stopy (sústredné kružnice), do ktorých si údaje zapisuje. Každá stopa je naviac priečne rozdelená na sektory (na stope je ich niekoľko sto) (viď. Obr. 5, Príloha1). Stopa na okraji platne je dlhšia ako stopa na vnútornej časti. Jednotlivé sektory na disku tak mali spočiatku veľmi rôznu dĺžku – dnes sa miesto na disku využíva dokonalejšie a na stopách pri vonkajšom okraji je uložených viac sektorov ako pri strede , a tak stopa pri vonkajšom okraji obsahuje viac bitov, ako stopa pri vnútornom okraji. Rast počtu bitov s polomerom však nie je lineárny, ale stupňovitý. Tento spôsob ukladania dát sa nazýva Multiple Zone Recording (záznam s premenlivým počtom sektorov)[4]. Toto usporiadanie nazývame fyzickou organizáciou dát.

Zoskupenie jedného či viacerých sektorov pevného disku, tvoriace základnú jednotku pre ukladanie údajov sa nazýva cluster. Veľkosť clustera je určená operačným systémom počas formátovania disku. Použitie väčších clusterov zvyčajne vedie k zvýšeniu výkonu; nevýhodou býva väčšia strata diskového priestoru. Označuje sa tiež ako alokačná jednotka. Takže radič musí rozdeliť disk na stopy a sektory a tie si očíslovať. Proces, ktorým sa disk magneticky delí, sa nazýva fyzické formátovanie. Pri ňom umiestni radič na začiatok každej stopy a každého sektoru magnetickú značku (identifikátor). Každý radič si teda musí „nalinkovať“ svoj disk, čo dnes nie je problém, pretože radič je súčasťou pevného disku (jeho plošný spoj je umiestnený na púzdre disku).

Po fyzickom formátovaní je potrebné pevný disk rozdeliť na oddiely (partition), pretože pevný disk je navrhnutý tak, aby naň bolo možné inštalovať viacero operačných systémov. Druhým dôvodom pre rozdelenie disku môže byť snaha o vytvorenie viacerých zväzkov či logických diskov, využívaných jediným operačným systémom. Zväzok alebo logický disk je potom ktoroukoľvek časťou disku, ktorej operačný systém pridelí zvláštne písmeno disku. Na pevnom disku musí byť vytvorený aspoň jeden oddiel, maximálne štyri. Pre počet diskových oddielov platí, že by mal byť čo najmenší.

Poslanie magnetických hláv je jasné – zápis a čítanie údajov. Nad každým povrchom „lieta“ jedna hlava. Ak má pevný disk 5 platní, môže mať až 10 hláv (každá platňa má 2 povrchy). Hláv však môže byť aj menej, pretože krajné platne nemusia mať povrchy z oboch strán. Všetky hlavy sú umiestnené na spoločnom ramene (viď. Obr. 8, Príloha 1). Keď radič posunie hlavu číslo 5 (patriacu piatemu povrchu) nad stopu 134, posunú sa aj hlavy nad ostatnými platňami nad stopu 134 „svojho“ povrchu. (viď. Obr. 4, Príloha 1) Vďaka spoločnému ramenu sa tak hlavy vznášajú vždy nad rovnakou stopou všetkých povrchov. Rovnakým stopám na rôznych povrchoch sa hovorí cylinder[5] (viď. Obr. 6, Príloha 1).

Veľmi dôležitý je presný a rýchly polohovací mechanizmus hláv. Pohyb hlavy nad príslušnú stopu totiž podstatne ovplyvňuje rýchlosť práce celého pevného disku.

Práca mechaniky hláv je založená na dvoch princípoch:

Starším a menej spoľahlivejším vystavovacím mechanizmom je krokový motorček. Jedno pootočenie motorčeka znamená jeden priečny krok hlavy (posun o jednu stopu). Pokiaľ chce radič posunúť hlavy o 5 stôp, pootočí sa motorček o uhol zodpovedajúci piatim krokom. Celý mechanizmus však po niekoľkých rokoch používania stratí svoje počiatočné parametre a prestane byť teda spoľahlivý. S týmto princípom sa stretneme však už iba pri tzv. „múzejných typoch“ pevných diskov.

Druhý, spoľahlivejší princíp, ktorý sa vyskytuje vo všetkých dnes vyrábaných pevných diskoch, sa nazýva vystavovacia cievka (voice coil). Priechod prúdu cievkou spôsobí vychýlenie cievky úmerné veľkosti prúdu. Využíva sa tu spätná väzba – hlavička číta svoju polohu z disku (každá stopa a sektor majú svoje číslo) a na základe tejto informácie riadiaca elektronika pridá alebo uberie prúd potrebný k vychýleniu. Voice coil má ešte jednu výhodu – je totiž samoparkovacia. Po náhlom výpadku napájania sa hlavy vracajú samovoľne (vďaka pružine) do parkovacej zóny. Zdokonaľovaním prešla aj samotná hlava, ktorá sa rozdelila na čítaciu a záznamovú. Zatiaľ čo záznamová pracuje stále na induktívnom princípe, pre čítaciu hlavu bola vyvinutá nová technológia MR – Magneto Resistive. MR hlava číta údaje ako sled zmien odporov vyvolaných rozdielnou orientáciou magnetického poľa. Nový spôsob čítania je rýchlejší ako pôvodná induktívna metóda. Jeho ďalšou výhodou je nepatrná veľkosť čítacej hlavičky, ktorá dovoľuje veľkú presnosť vystavenia (tzn. umiestnenia hlavičky nad správnu stopu). Tým zabránime tomu, aby údaje uložené v susednej stope rušivo ovplyvňovali daný signál[6].

3.4 Parametre disku

3.4.1 Prístupová doba (access time)

Vyjadruje, ako rýchlo disk vyhľadáva dáta. Je to čas potrebný na presunutie hlavy disku od jeho stredu k jeho okraju. Jej hodnota sa pohybuje okolo 8-10 ms.

3.4.2 Doba vystavenia (seek time)

Je to čas nutný k pohybu hláv nad určitú stopu. Hlavy väčšinou „preletúvajú“ iba niekoľko stôp (málokedy celý disk), a tak je doba vystavenia definovaná ako jedna tretina času potrebného pre pohyb cez celý disk. Niektoré firmy označujú dobu vystavenia aj ako Track-to-Track Seek. U moderných diskov sa pohybuje medzi 0,8-2 ms. Výrobcovia pevných diskov sa prirodzene snažia dobu vystavenia minimalizovať. Preto zápis (a následné čítanie) prebieha po cylindroch, nie po stopách. Ak sa napríklad údajmi zaplní 638. stopa prvého povrchu, bude zápis pokračovať v 638. stope povrchu dva – doba vystavenia je potom nulová.

3.4.3 Doba čakania (latency period)

Aj keď sa hlava dostane nad správnu stopu (je vystavená), nemôže ešte začať s čítaním. Musí totiž počkať, až sa pod ňu dotočí ten sektor, v ktorom sa má s čítaním údajov začať. Doba čakania záleží na náhode, ale ako technická hodnota sa uvažuje o jednej polovici otáčky disku. Rovnako aj dobu čakania chcú výrobcovia znižovať. Cesta k tomu je jasná – zvýšiť otáčky disku. Dnes sa disky točia vysokými rýchlosťami, najčastejšie hodnoty sú – 5400 rpm[7], 7200 rpm alebo 10000 rpm. Zvyšovanie otáčok má však za následok aj vyššiu hlučnosť pevného disku a, samozrejme, sa tým zvyšuje jeho cena. Disky s vysokými otáčkami sú vhodné najmä do výkonných počítačov (grafických staníc atď.)[8].

3.4.4 Kapacita Disku

Je určite najdôležitejšou hodnotou disku. Táto oblasť za posledné obdobie tiež prešla veľmi prudkým vývojom. Každým rokom sa kapacita pevných diskov znásobí. Pevné disky majú dnes kapacity najčastejšie v rozmedzí od 40 do 120 GB. Je to zapríčinené neustále rastúcimi požiadavkami programov na kapacitu, ale aj technickým pokrokom v tejto oblasti.

3.4.5 Vyrovnávacia pamäť CACHE

Táto pamäť pomáha znižovať oneskorenie pri presune údajov medzi operačnou pamäťou a procesorom. Počítač používa pamäť RAM, ktorá reaguje na požiadavky v desiatkach nanosekúnd, ale disk reaguje za desiatky milisekúnd - to je rozdiel v rýchlosti o 6 rádov. Disková pamäť CACHE sa snaží využiť rýchlosť pamäte k zvýšeniu efektívnej rýchlosti disku. Pamäť CACHE je umiestnená v pamäťových čipoch. Väčšina dnešných diskových jednotiek má priamo na sebe aspoň 64 KB RAM. Avšak to je iba minimálna hodnota pamäte, v súčasnosti sa už vyrábajú disky s 2MB až 8MB pamäte CACHE. Okrem externej CACHE, ktorá sa montuje na základnú dosku, existuje aj interná CACHE vo vnútri procesora.

3.4.6 Spoľahlivosť disku

Určuje ju: 1.) Stredná doba medzi poruchami (MTBF - Mean Time Between

Failures)

2.) Technológia SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting

technology)

Stredná doba medzi poruchami – ide o teoretické údaje, nie je to výsledok nameraných a štatisticky spracovných údajov (napr. ak sa uvádza hodnota MTBF 500 000, potom môžete očakávať jednu poruchu za hodinu na jednom z 500 000 diskov, bežiacich súčasne (t.j. spolu 500 000 hodín).

SMART je technológia samočinne sa sledujúceho systému a oznamovania správ. Je to metóda vymedzená na uskutočňovanie štatistickej analýzy výkonu mechaniky disku na vlastných operáciách, ktorá používateľovi poskytuje inteligentnú predpoveď, pokiaľ ide o hroziacu poruchu. SMART využíva v rámci diskovej mechaniky záložný výkon procesora a sleduje rad prevádzkových parametrov, ako je chybovosť, počet opráv opakovaním, preadresovanie poškodených sektorov, cyklov spúšťania/zastavenia atď. Tieto informácie sa používajú na štatistický rozbor založený na známych prevádzkových parametroch dobrej mechaniky, aby bola v predstihu podaná výstraha o hroziacej poruche mechaniky. Firma Western Digital, ako odpoveď na požiadavky lepšieho systému opráv chýb, vyvinula technológiu Data Lifeguard. Data Lifeguard vychádza zo schopnosti obnovy disku po vzniknutej chybe a poskytuje aktívnu opravu dát mechaniky. Data Lifeguard uskutočňuje každých 8 hodín prevádzky – pri bežnej diskovej mechanike zhruba raz denne – automatickú prehliadku (scanning) celej dátovej oblasti mechaniky. Chyby, na ktoré Data Lifeguard počas prehliadky narazí, sú opravené alebo preadresované skôr, ako k nim bude systém požadovať prístup. I keď vážne chyby v dátach alebo havarijné poruchy nie je možné opraviť, mnoho malých chýb, ktoré by mohli viesť k tomu, že inak dobrá mechanika by bola hodnotená ako poruchová, sa dá z dátovej oblasti odstrániť. Užitočným prídavným prvkom tohto riešenia je to, že ak je na diskovej mechanike s produktom Data Lifeguard aktivovaný SMART, potom pravidelná prehliadka (scan) poskytne oveľa lepší štatistický rozbor na presnejšiu predpoveď stavu mechaniky. Data Lifeguard umožňuje všetkým používateľom mechaniky získanie vysoko kvalitného prostriedku správy dát bez potreby ďalšieho systémového softvéru. Jeho schopnosť bežať v nevyužitom čase a pozastaviť činnosť v režime normálneho prístupu mechaniky znamená, že nie je pozorované nijaké systémové spomalenie. Poškodené sektory sú účinne opravené skôr, ako k nim bude používateľ vyžadovať prístup, a výkon mechaniky zostáva zachovaný.

3.5 Rozhrania pevných diskov:

Rozhrania diskov sú zariadenia, ktoré sprostredkúvajú komunikáciu medzi pevným diskom a ostatnými časťami počítača. Pomocou týchto rozhraní sa dáta dostávajú z pevného disku a do neho. Možnosti rozhraní sa menili a stále sa menia.

Na začiatku sa používalo rozhranie označované ako ST 506/412 (bolo pomenované podľa typu disku), alebo tiež MFM. Disk v tomto prípade vyžadoval ku svojej práci podporu radiča. Vďaka rozhraniu ST 506/412 bolo možné pripojiť až dva pevné disky s kapacitou do 40 MB. Rozhranie však dosahovalo veľmi malé prenosové rýchlosti a preto sa čoskoro prestalo používať [9].

V roku 1987 bolo nahradené rozhraním ESDI (Enhanced Small Device Interface), ktoré vzniklo spoluprácou firiem Maxtor a IBM. Disky s týmto rozhraním už mohli používať vyrovnávaciu pamäť a maximálna prenosová rýchlosť tohto rozhrania bola 3 MB/s. Okrem diskov bolo možné zapojiť aj ďalšie zariadenie, to sa však nepresadilo.

Okrem rozhrania ESDI vzniklo okolo roku 1984 ďalšie rozhranie nazvané IDE (Intergrated Drive and Electronics), ktoré sa po mnohých modifikáciach používa dodnes. Za vznikom rozhrania IDE (označovanom tiež ako AT-bus alebo ATA) stáli firmy Compaq a Western Digital, ktoré chceli prísť s lacným rozhraním pre osobné počítače. Toto rozhranie vyžaduje zo strany základnej dosky iba jednoduchý adaptér, zaisťujúci adresáciu mechaník a ukladanie dát do vyrovnávacej pamäte. Spojenie medzi adaptérom a periférnym zariadením zabezpečuje štyridsaťžilový plochý kábel. Rozhranie IDE dovoľovalo pripojiť dve diskové jednotky, z ktorých jedna má funkciu master (riadiaca jednotka) a druhá funkciu slave (podriadená). Maximálna prenosová rýchlosť je 3,3 MB/s. Postupným zlepšovaním rozhrania (použitím módu PIO a DMA) sa podarilo zvýšiť prenosovú rýchlosť rozhrania až na 8,3 MB/s. Časom sa však ukázali slabiny tohto rozhrania - teda možnosť pripojiť najviac dva disky s kapacitou do 512 MB.

Preto v roku 1993 vzniklo nové rozhranie nazvané Enhanced IDE (EIDE alebo tiež onačované ako Fast ATA-2), ktoré z IDE vychádza a s ktorým je aj zaručená spätná kompatibilita. Jeho hlavnou výhodou oproti IDE je podpora dvoch kanálov, teda podpora štyroch zariadení, a to nielen pevných diskov (ale naríklad aj mechaniky CD-ROM, ZIP a podobne), ďalej prenosovú rýchlosť až 16 MB/s a disky s väčšou kapacitou ako 512 MB.

Po EIDE prišlo ešte rýchlejšie rozhranie Ultra DMA, alebo tiež Ultra ATA (každý výrobca označuje rozhranie trochu inak). Je to technológia vysokorýchlostného prenosu dát. Za využitie režimu priameho prístupu do pamäti (DMA) je prenosová rýchlosť po 40-žilovom kábli (viď. Obr. 7, Príloha1) pri tomto rozhraní zdvojnásobená na 33,3 MB/s. Pri rozšírení kábla na 80 žíl a zachovaní počtu 40 pinov sa rýchlosť opäť zdvojnásobí. Bezpečnosť prenosu je zverená kontrolnému systému CRC. V praxi je tento protokol predimenzovaný, pretože prenosové rýchlosti diskov sú pomerne nízke.

Rozhranie ATA ľudovo „pomenované“ IDE, je len druhá štandarizovaná verzia rozhrania IDE. Za viac ako 10 rokov vývoja sa priepustnosť ATA zvýšila 16-násobne. Jednotlivé verzie ATA sú od seba odlíšené priamo svojou priepustnosťou (Tabuľka 1). Prechod z ATA/33 na ATA/66 či ATA/100 bol pomerne jednoduchý. Pri vývoji ATA 150 sa došlo k záveru, že pokračovať v implementácii ATA/150 na nezmenenom konštrukčnom modeli by si vyžadovalo rozsiahle zásahy do infraštruktúry. Tak prichádza na rad vývoj nového rozhrania, ktoré sa zakladá na podobných princípoch ako ATA, ale so zmenenou fyzickou realizáciou skrývajúcou sa pod pomenovaním Serial ATA[10].

Rozhranie Serial ATA používa dva prenosy, a to paralelný a sériový. Paralelný prenos používa viacero dátových vodičov, po ktorých sa dáta presúvajú paralelne. Okrem údajových vodičov treba takisto zaistiť správne časovanie, respektíve riadenie ich toku. To všetko zabezpečuje riadiaca zbernica. So zväčšujúcim sa dátovým tokom rastie aj komplikovanosť riadenia, takže paralelný prenos je pre Serial ATA robustným a nie najlepším riešením. Pri sériovom prenose môže byť prenášaná súčasne len jedna informácia, no odpadá problém s riadením a realizácia je pomerne jednoduchá. Prenos sa začína tzv. štart bitom a synchronizácia je riešená pomocou generátora časovej základne, tzv. hodinového impulzu. Spotreba rozhrania Serial ATA je 20-krát nižšia ako spotreba klasického ATA. Pritom si vystačí so šiestimi alebo ôsmimi vodičmi, ktorých dĺžka je neobmedzená. Vzhľadom na súčastný stav technológií je možné pri sériovom prenose dosiahnuť oveľa vyššie rýchlosti. Ďalšia výhoda sériového prenosu spočíva vo využívaní diferenčného zapojenia vstupných a výstupných obvodov, vďaka ktorému je možné využívať podstatne nižšie úrovne signálu ako pri paralelnom prenose. Nasadenie sériového prenosu si však v prípade prenosu údajov v počítačoch, kde je zvyčajné spracovanie viacerých informácií (bitov) súčasne, vyžaduje doplnenie obvodov na strane zariadení o komponenty realizujúce serializáciu, či spätne paralelizáciu údajov. Realizácia týchto obvodov však nie je náročná, a tak ich doplnenie nepredstavuje ani technický, ani cenový problém. Spoľahlivosť tohto typu prenosu je na vysokej úrovni.

Okrem uvedených rozhraní sa presadilo ešte ďalšie rozhranie, ktoré sa používa dodnes. Ide o rozhranie SCSI (Small Computer System Interface), vznikajúce od roku 1981 a štandardizované v roku 1986. Slúži na pripájanie periférnych zariadení k počítaču. SCSI nachádza uplatnenie hlavne v systémoch, ktoré sú náročné na vysoký výkon (serverové stanice). Výhodou je možnosť pripojenia viacerých zariadení na jeden kanál[11].

3.6 Logická štruktúra

Základom logickej štruktúry je Master Boot Record (MBR). Fyzicky je umiestnený v 0. sektore a 0. stope disku. Má dve časti, zavádzací záznam a tabuľku oblastí.

Zavádzací záznam obsahuje krátky program spustený pri štarte počítača BIOSom. Jeho úlohou je načítať tabuľku oblastí a nájsť aktívnu oblasť (tú, z ktorej sa načíta systém).

Tabuľka oblastí (Partition Table) delí disk na oblasti. V každom oddieli disku môže byť umiestnený iný operačný systém. Ak sa tabuľka oblastí zmaže, stratí sa celá logická štruktúra disku, a tým aj všetky údaje. Preto je tento záznam napádaný častými útokmi vírusov.

Jadro celej logickej štruktúry predstavuje File Allocation Table (FAT). Je to špeciálna oblasť na sformátovanom údajovom médiu, obsahuje informácie o uložených súboroch a jeho adresárovej štruktúre. FAT popisuje okrem iného aj kompletný popis rozloženia súborov na médiu. Alokačná tabuľka nie je voľne prístupná používateľovi a upravuje sa automaticky pri manipuláciách so súbormi a adresármi na disku. Z dôvodov bezpečnosti sú na väčšine médií vytvárané a udržiavané dva rovnaké kópie tej istej tabuľky. Jednotlivé varianty FAT sa líšia najmä počtom číslic, ktoré je možné použiť k vyjadreniu čísla clustera v alokačnej tabuľke.

3.6.1 Súborové systémy

3.6.1.1 FAT 12

FAT 12 je starší typ a používa sa iba pri logických jednotkách s kapacitou do 16MB (diskety).

3.6.1.2 FAT 16

FAT 16 sa používa pri logických jednotkách s kapacitou od 16 MB do 2 GB (OS Windows NT/2000/XP umožňujú použiť tento variant pre logické jednotky až do 4 GB). Vo Windows NT je maximálna veľkosť zväzku[12] FAT 16 4095MB. Zväzok formátovaný na FAT 16 je alokovaný v clustroch (zoskupeniach). Veľkosť clustra je určená veľkosťou zväzku a môže mať veľkosť až 64 kilobajtov (kB). Veľkosť clustra musí byť medzi 512 a 65 536 bajtami (viď. Tab.3, Príloha 2). Pre disky väčšie ako 511 MB sa FAT 16 neodporúča, pretože pokiaľ sú na zväzky umiestnené relatívne malé súbory, využíva FAT 16 priestor na disku neefektívne.

Výhody: - kompatibilný so systémom MS-DOS, Windows 95, 98, ME, NT, 2000,

XP a s niektorými unixovými operačnými systémami

- existuje veľa nástrojov na odstraňovanie problémov a obnovu dát

- je výkonný v rýchlosti i v ukladaní na zväzkoch s veľkosťou menšou ako 256MB

Nevýhody: - koreňový adresár môže obsahovať maximálne 512 položiek

- spúšťací sektor nie je zálohovaný

- nie je zabudované zabezpečenie systémov súborov a kompresia súborov

3.6.1.3 FAT 32

FAT 32 môže spracovávať zväzky teoreticky až do veľkosti 2 terabajtov. Veľkosť clustra sa môže pohybovať medzi 512 bajtov a 32 kB (viď. Tab.4, Príloha 2). Maximálna veľkosť jedného súboru môže byť 4 GB. OS radu Windows 9x/Me umožňujú prácu s oddielmi s veľkosťou až 128 GB, kým Windows 2000/XP sú schopné naformátovať oddiely s veľkosťou najviac 32 GB (môžu však čítať údaje z väčších oddielov).

Výhody: - nie je obmedzený počet položiek v koreňovom adresári

- efektívnejšie využíva priestor disku ako FAT 16, čo sa prejavuje na úspore 10 – 15 % diskového priestoru

- schopnosť zmeniť umiestnenie koreňového adresára a použiť záložnú kópiu FAT namiesto východiskovej kópie

Nevýhody: - kompatibilita iba s novšími operačnými systémami (Windows

95OSR2, 98, 2000, ME, XP)

- spúšťací sektor nie je zálohovaný

- FAT 32 nemá zabudované zabezpečenie systému súborov a kompresiu

Nežiadúcim javom pri FAT je fragmentácia. Je to proces zapisovania častí súboru do uvoľnených miest na disku po zmazaných súboroch. Pokiaľ je fragmentovaný súbor rozložený medzi viac cylindrov, magnetické hlavy pevného disku musia preskakovať medzi stopami, čo spôsobuje spomalenie disku a jeho opotrebovanie. Ešte väčšie nebezpečenstvo je spôsobené tým, že v niekoľkých susedných políčkach FAT môžu byť umiestnené fragmentované súbory. Ak dôjde k poškodeniu aj malej časti FAT, býva zasiahnuté väčšie množstvo súborov. Ku fragmentácii dochádza tak, že keď je súbor umiestňovaný na disk, FAT ponúkne súboru voľné alokačné jednotky, a to aj tie, ktorých súvislá časť je menšia ako veľkosť ukladaného súboru. Teoreticky by k fragmentácii nedochádzalo, ak by sa žiadne súbory z disku neodstraňovali. Na odstránenie nesúvislých zápisov boli vyvinuté defragmentačné programy, ktoré vedia spojiť nesúvislé bloky súborov[13].

3.6.1.4 NTFS (New Technology File System)

NTFS poskytuje výkon, spoľahlivosť a funkčnosť, ktorú pri FAT nenájdeme. Zhrňuje možnosti zabezpečenia vyžadované pre servery a výkonné osobné počítače v spoločnom prostredí a riadenie prístupu k dátam a práva vlastníkov dôležité pre integritu dát. Vo verzii NTFS obsiahnutej vo Windows 2000/XP je implementované aj šifrovanie súborov a adresárov pre zvýšenie bezpečnosti zväzkov NTFS. Rovnako ako FAT, NTFS používa clustre ako základnú jednotku prideľovania disku. Veľkosť klastra môže byť od 512 bajtov do 4 kB. Keď je zväzok formátovaný na NTFS sú vytvorené súbory hlavnej tabuľky súborov (MFT – master file table) a iné časti metadát. Metadáta sú súbory, ktoré NTFS používa pre implementáciu štruktúry systémov súborov. NTFS vyhradzuje prvých 16 záznamov MFT pre súbory metadát. NTFS vytvára záznam súboru pre každý súbor a záznam adresára pre všetky adresáre vytvorené na zväzku NTFS. MFT obsahuje separátny záznam súboru pre samostatnú MTF. Tieto záznamy súborov a adresárov sú uložené v MFT. Atribúty súboru sú zapísané do vyhradeného priestoru MFT. Okrem atribútov súborov obsahuje záznam každého súboru informácie o pozícii záznamu súboru v MFT [14].

Výhody: - vyššia rýchlosť prístupu. NTFS minimalizuje počet prístupov k disku

potrebných pre nájdenie súboru.

- zabezpečenie súborov a adresárov pred druhými používateľmi

- teoretická podporovaná veľkosť je 2 terabajty

- spúšťací sektor je zálohovaný do sektora na konci zväzku

- môžu byť nastavené diskové kvóty obmedzujúce množstvo priestoru,

ktorí môžu používatelia na NTFS zabrať

- nespôsobuje fragmentáciu

Nevýhody: - podpora iba tých operačných systémov, ktoré sú postavené na

technológii NT (viď. Tab.2, Príloha 2)

- keď veľmi malé zväzky obsahujú väčšinou malé súbory, pri NTFS

nastane oproti FAT pokles výkonu

3.6.1.5 Iné systémové súbory

Okrem uvedených systémových súborov ešte existuje mnoho iných, uvedieme aspoň tie najznámejšie:

HPFS (High Performance File System) je preferovaný systém súborov pre OS/2 a staršie verzie Windows NT a má veľmi podobné vlastnosti ako NTFS (nie sú však navzájom kompatibilné).

Net Ware File System je určený pre operačný systém Novell NetWare.

Linux ext2 a Linux Swap sú špeciálne súborové systémy pre sieťový operačný systém Linux. Partícia môže mať maximálne 4 terabajty[15].

4 Výsledky práce

Z ankety, ktorú sme uskutočnili na deväťdesiatich študentoch Gymnázia M. M. Hodžu vyplýva, že informovanosť študentov v oblasti pevných diskov nie je postačujúca. Pred uskutočnením ankety sme aj tak predpokladali, že informovanosť v tejto oblasti nebude vyhovujúca.

2. Akú kapacitu má váš disk?

      a.) neviem

      b.) 20 GB

      c.) 40 GB

      d.) 60GB

      e.) 80 GB

      f.) 120 GB

      g.) inú

            Anketa pozostávala z troch otázok:

1. Aký systém súborov používate?

a.) neviem

b.) FAT 16

c.) FAT 32

d.) NTFS

c.) iný

3. Aké rozhranie má váš disk?

a) IDE (ATA)

b) S-ATA

c) neviem

Z výsledkov ankety vyplýva, že väčšina študentov nevedela odpovedať na tretiu otázku (až 61), čo je aj v celku normálne, pretože pre bežného užívateľa počítača táto informácia nepredstavuje veľký význam (viď. Graf 1). Z tých, ktorí vedeli odpovedať, osemnásti uviedli, že používajú rozhranie IDE a jedenásť študentov rozhranie S-ATA, čo ma dosť prekvapilo, pretože toto rozhranie je pomerne nové a u nás sa práve rozširuje.

Graf 1

O trochu lepšie to dopadlo pri otázke o systémových súboroch, ale aj napriek tomu až 55 študentov nevedelo, aký systém súborov používajú (viď. Graf2). Najpoužívanejším bol FAT 32 a hneď za ním nasledoval NTFS. Dá sa usúdiť, že FAT sa používa čoraz menej a vo veľkej miere sa začína používať spomínaný NTFS, najmä kvôli kompatibilite s operačnými systémami založenými na NT technológii, ale aj kvôli ostatným výhodám, ktoré sme spomenuli v časti venovanej systémovému súboru NTFS. Iba dvaja študenti uviedli, že používajú aj iné systémové súbory (išlo o ext2 používanom pri operačnom systéme Linux).

Graf 2

Najviac boli študenti informovaní o kapacite disku, ale aj napriek tom 38 študentov nevedelo odpovedať, aká je kapacita ich disku (viď. Graf 3). To nás dosť prekvapilo, pretože sme predpokladali, že na túto otázku budú vedieť odpovedať viacerí, a to z toho dôvodu, lebo je to jedna zo základných informácií, ktoré by mal užívateľ o svojom disku vedieť. Najčastejšie majú študenti disk s kapacitou 40GB, takto ich odpovedalo 16. Disk s touto veľkosťou je najpoužívanejší, ale v súčasnosti sa ho neoplatí kupovať, pretože cenový rozdiel medzi 40 a 80GB diskom je pomerne malý, napr. 40GB disk kúpime za 2300SK a 80GB s tými istými parametrami len o 300SK drahšie, čiže za 2600SK (r.2004).

Graf 3

5 Záver

Informatika je veda zaoberajúca sa spracovávaním informácií. Práve informácie predstavujú v dnešnom modernom svete významnú hodnotu. Prípadná strata dát má veľmi závažné následky. Preto je nutné údaje ukladať na spoľahlivé médium. Väčšina používateľov pre uchovávanie dát používa pevný disk. Je to zatiaľ najrýchlejší a aj najlacnejší spôsob ich úschovy.

V tejto práci sme sa snažili priblížiť čitateľovi konštrukciu, fungovanie a základné vlastnosti pevného disku. Podarilo sa nám spracovať ucelený popis jednej z najzákladnejších súčastí osobného počítača. Nepodarilo sa nám do tejto práce zahrnúť všetky informácie, ktoré by dopodrobna opísali pevný disk. Preto sme sa vždy snažili odkázať čitateľa na odbornú literatúru.

Táto práca nájde svoje uplatnenie pri výučbe informatiky, poskytuje cenné informácie o fungovaní pevného disku.

Resumé

This work concerns about the HDD (Hard Disk Drive). It explains its main functions, the file systems and interfaces. The primary objective is to tell how it works, how it saves data. I have discussed many of its parameters, e.g. CACHE, Capacity, Seek time. I enclosed some images to better describe this basic PC component.

I tried to give an advice to the reader to choose the right HDD. This work can serve as a helpful book for students to learn informatics.