Budowa dysku twardego

W stacjach dysków elastycznych głowica odczytu-zapisu jest przekładana bezpośrednio do wirującego dysku. Z tego powodu, stosowane prędkości obrotowe są niewielkie, a więc i szybkości zapisu/odczytu są ograniczone. Dyski twarde zostały tak nazwane z powodu swej sztywnej konstrukcji. Są one umieszczone w odpowiednio skonstruowanym pyłoszczelnym zespole napędowym, zawierającym ponadto układy sterowania silnikiem napędu dysków, silnikiem przesuwu głowic (pozycjonerem), układy sterowania głowicami zapisu, układy odczytu oraz inne układy sterujące i kontrolne zespołu napędowego. Na ogół nie ma tu możliwości wymiany dysków. Dysk twardy odróżniają od dysku elastycznego następujące cechy:
· głowica odczytu-zapisu, nie dotyka dysku w czasie pracy, jest bowiem utrzymywana w małej odległości od niego (mniejszej niż 1 mm) na poduszce powietrznej powstającej automatycznie na skutek ruchu obrotowego
· prędkość obrotowa dysku jest bardzo duża, dzięki temu osiąga się duże prędkości transmisji danych (MB/s)
· ponieważ dysk twardy jest niewymiennym nośnikiem danych, można go dokładnie wycentrować i osiągnąć przy tym dużą liczbę ścieżek, czyli dużą pojemność.
Najważniejsze parametry techniczne dysków twardych, dostępnych obecnie na rynku:
· pojemność (od kilkuset MB do kilkunastu GB),
· liczba głowic odczytu/zapisu (od kilkunastu do kilkudziesięciu),
· liczba cylindrów (od 615 do kilku tysięcy) - ścieżki o tych samych numerach na powierzchniach roboczych dysków nazywane są cylindrami,
· średni czas dostępu (kilka milisekund) - na średni czas dostępu (ang. Average Access Time) składają się dwa elementy: średni czas poszukiwania potrzebny do umieszczenia głowicy w wybranym cylindrze (ang. Average Seek Time) oraz opóźnienie rotacyjne potrzebne do umieszczenia głowicy nad odpowiednim sektorem ang. Rotational Latency), które przy szybkości dysków równej 3600 obr/min wynosi ok. 8 milisekund,
· prędkość obrotowa dysku (4500, 5400, 7200 obrotów na minutę),
· szybkość transmisji danych (kilka tysięcy kilobajtów/sekundę),
· zasilanie (+12 V, +5 V),
· moc pobierana (od kilku do kilkunastu watów).

Napęd dysków twardych (ang. Hard Disk Drive, HDD) łączony jest z systemem mikroprocesorowym (z płytą główną) poprzez sterownik dysku twardego (ang. Hard Disk Controller, HDC) za pomocą interfejsu HDD. Obecnie firmy produkujące pamięci masowe, proponują dwa typy interfejsów łączące dyski twarde z sterownikami interfejs E-IDE oraz SCSI. Oczywiście każdy z wymienionych tu interfejsów wymaga innego sterownika i innego dysku twardego.

Większość dysków twardych składa się z następujących komponentów: obudowy, pozycjonera głowicy ramion głowic, głowic odczytu/zapisu oraz kilku dysków. Każdemu dyskowi pamięci przyporządkowany są dwie głowice (dla jego dolnej i górnej powierzchni). Głowice utrzymywane są na sprężynujących ramionach, przy czym wszystkie ramiona są ze sobą połączone i poruszają się synchronicznie napędzane pozycjonerem. W stanie spoczynku głowice znajdują się na ścieżce parkującej dysku. W momencie gdy dysk zaczyna wirować, poduszka powietrzna wytworzona przy powierzchni, unosi głowice na wysokość mniejszą niż 1 mikrometr. Zadaniem pozycjonera jest przemieszczanie głowic na wybrany cylinder. Pozycjonery zbudowane w oparciu o silnik liniowy (elektromagnetyczny), same parkują głowice po wyłączeniu zasilania, gdyż sprężyna automatycznie odciąga je do położenia parkowania.

Najważniejsze parametry dysku, interesujące użytkownika to:
· pojemność dysku,
· szybkość transmisji (tzw. transfer),
· średni czas dostępu.

Na systematyczny wzrost pojemności, produkowanych współcześnie dysków, mają wpływ coraz większe gęstości upakowania informacji na jednostkę powierzchni, dzięki coraz doskonalszym nośnikom magnetycznym, głowicą zapisu / odczytu oraz ciągle ulepszanym metodą kodowania zapisanych danych. Współczesne dyski osiągają gęstość upakowania wynoszącą 1 gigabit na cal kwadratowy.

W nowoczesnych konstrukcjach zastosowano nowy zespół zapisu/odczytu, składający się z cienkowarstwowej magnetycznej głowicy zapisu, wyposażonej w miniaturową cewkę o niewielkiej indukcyjności (więc o małej bezwładności) oraz z magnetorezystywnej (MR) głowicy odczytu, w której wykorzystywane są zmiany rezystancji specjalnego materiału magnetycznego pod wpływem zmian pola magnetycznego. Głowice MR posiadają zdecydowanie większą czułość od głowic tradycyjnych z cewkami, mogą więc odczytać słabsze pola magnetyczne (pochodzące od mniejszych, bardziej upakowanych domen).

We współczesnych dyskach, dla efektywnego wykorzystania ich powierzchni, co wiąże się ze zwiększeniem pojemności, ścieżki zewnętrzne dzielone są na większą liczbę sektorów, gdyż mogą pomieścić większą ilość informacji (te ścieżki są po prostu dłuższe), a ścieżki leżące bliżej środka dysku zawierają mniej sektorów. Stąd też na tych dyskach liczba sektorów na ścieżkę nie jest wartością stałą.

Następny niezwykle ważny parametr - szybkość transmisji - jest funkcją prędkości obrotowej dysków, która osiąga we współczesnych konstrukcjach aż 7200 obrotów na minutę. Obliczmy chwilową szybkość transmisji dla hipotetycznego dysku wirującego z szybkością 7200 obr/min (120 obr/sek) i posiadającego 100 sektorów 512 bajtowych na zewnętrznej ścieżce: 120 (obr/sek) x 100 (sektorów) x 512 (bajtów) = 6000 KB/s. Przy prędkości obrotowej 4500 obr/min szybkość transmisji wyniosłaby 3750 KB/s. Od prędkości obrotowej dysków zależy również opóźnienie (ang. Latency) w dostępie do wybranego sektora. Im większa prędkość wirowania dysku tym krótsze opóźnienie rotacyjne. Ważnym parametrem jest czas przejścia głowicy ze ścieżki na ścieżkę, zwłaszcza przy transmisji dużych plików. Dlatego też konstruktorzy dysków nieznacznie opóźnili początki kolejnych ścieżek, tak by po przeczytaniu całej ścieżki głowica zdążyła przesunąć się na ścieżkę następną i trafić na jej początek (technika ta nosi nazwę Cylinder Skewing).

Większość współczesnych dysków dysponuje już nową funkcją, tzw. S.M.A.R.T. (ang. Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology) polegającą na tym, że elektronika dysku monitoruje i analizuje oraz raportuje stan urządzenia (np. wysokość lotu głowicy, czas uzyskania nominalnej prędkości obrotowej, itd.). Jeśli następuje degradacja tych wielkości, układy kontroli wysyłają wtedy ostrzeżenie do użytkownika że dysk może ulec uszkodzeniu.

Rejestr SDH - zawiera informacje o rozmiarze sektora, numerze HDD, głowicy. Poza tymi rejestrami kontroler dysku twardego wykorzystuje dwa dodatkowe porty: port wyjściowy 3F6 (376), służący do włączenia/wyłączenia IRQ 14, zerowania sterownika HDC i wyboru RWC/H.Sel 3 oraz port wejściowy 3F7 (377), informujący system o numerze wybranego HDD, numerze wybranej głowicy oraz o włączonej operacji zapisu (bit 7 portu 3F7 wykorzystywany jest przez sterownik FDC). Po włączeniu zasilania, w/w rejestry są inicjalizowane i wykonany zostaje autotest sprawdzający główne układy sterownika HDC.

FAT – file alocation table (książka adresowa) o zajętości pliku na dysku. Większa liczba sektorów w clusterze redukuje rozmiar tablicy alokacji.

NTFS – inna wersja książki adresowej alokacji plików.

FAT 16 – 16 bitów poświęconych na książkę adresową

FAT 32 – 32 bitów poświęconych na książkę adresową

Strona 0 ścieżka 0 sektor 1 – mieści się boot sektor – jest to blok ładujący, umożliwiający załadowania systemu operacyjnego do pamięci w czasie startu komputera.

Strona 0 ścieżka 0 sektor 2-3 – tablica alokacji plików – jest to informacja o wolnych i zajętych przez dane fragmenty dysku.

Strona 0 ścieżka 0 sektor 4-5 – kopia FAT