Pevný disk

Pevný disk

Pevný disk (z angl. hard disk, HD alebo harddisk drive, HDD, predtým tiež Winchester) je zariadenie, ktoré sa používa na uchovávanie dát v počítačoch, ale v súčasnosti už aj v mnohých iných prístrojoch.

Dáta sa na pevný disk zapisujú pomocou magnetického záznamu, čo má veľkú výhodu najmä v tom, že sú uložené natrvalo, teda až pokiaľ nie sú zmazané používateľom alebo prístrojom. Vďaka tejto vlastnosti býva pevný disk často označovaný aj ako energeticky nezávislé pamäťové médium. Uložené údaje totiž uchováva aj po ukončení dodávky elektrickej energie.

Používa sa predovšekým v počítačoch a iných digitálnych zariadeniach, napríklad v digitálnych fotoaparátoch alebo DVD rekordéroch alebo v prehrávačoch hudby.

Delenie pevných diskov

Porovnanie jednotlivých formátov pevných diskov - z ľavej strany: 5,25", 3,5", 2,5", PCMCIA-HDD

Podľa formátu

• 5,25" - veľký formát, používaný najmä v minulosti
• 3,5" - malý formát, používaný bežne v domácich PC
• 2,5" - formát používaný v notebookoch a prenosných zariadeniach
• 1,8" - mikro-formát používaný v malých prenosných zariadeniach
• 1" - mikro-formát používaný v malých prenosných zariadeniach /napr. pamäťové karty/

Podľa otáčok

Otáčky [ot/min]	Čas jednej otáčky [ms]
3600 ot/min	16,66 ms
3800 ot/min	15,79 ms
4000 ot/min	15,00 ms
4200 ot/min	14,26 ms
4500 ot/min	13,33 ms
4900 ot/min	12,25 ms
5400 ot/min	11,11 ms
7200 ot/min	8,33 ms
10000 ot/min	6,00 ms
15000 ot/min	4,00 ms

Podľa rozhrania

• IDE/EIDE/ATA/ATAPI (Integrated Drive Electronics)
• SATA, SATA2 (Serial Advanced Technology Attachment )
• SCSI (Small Computer System Interface)
• FC-AL (Fibre Channel-Arbitrated Loop)
• SAS (Serial-attached SCSI)

Fyzická stavba pevného disku

Každý pevný disk sa skladá z týchto súčiastok:

• jedna alebo viaceré hliníkové alebo sklenené platne pokryté tenkou vrstvou magnetického materiálu, ktoré sa točia okolo spoločnej osi a slúžia na ukladanie údajov (sklenené platne sa používali najmä do roku 2002)
• elektrický motorček zabezpečujúci otáčanie platní stanovenou rýchlosťou (väčšinou 5 400, 7 200 alebo 15 000 otáčok za minútu)
• pohyblivé čítacie a zapisovacie hlavy (angl. Heads) pevného disku
• elektrický motorček zabezpečujúci pohyb čítacích a zapisovacích hláv disku
• integrované elektrické obvody slúžiace na ovládanie hláv a motorčekov disku (táto časť sa tiež niekedy nazýva aj elektronika disku)
• rozhranie na prepojenie disku s počítačom
• prachotesný obal pevného disku

Úložné platne, popis a výroba

Úložné platne a zapisovacia/čítacia hlavica po odstránení vonkajšieho krytu

Za najdôležitejšiu súčasť pevného disku môžeme považovať práve otočne uložené, dnes už takmer výlučne hliníkové platne. Platní môže byť v pevnom disku niekoľko, najčastejšie však výrobcovia používajú jednu až štyri úložné platne. V prípade diskov s extrémne veľkou kapacitou môže byť platní až 12. V zásade však platí, že čím má disk viac úložných platní, tým je hlučnejší a má väčšiu spotrebu elektrickej energie. Práve preto sa výrobcovia snažia vyrobiť čo najväčší pevný disk (kapacitne), avšak s čo najmenším počtom platní. Z dôvodu zjednodušenia výrobného postupu sa tiež môže stať, že výrobca „umelo“ zníži kapacitu pevného disku tak, že niektoré platne pevného disku sa nepoužívajú, aj napriek tomu, že sú v disku osadené. Hliníkové úložné platne sa odlievajú vo veľmi presných formách a navyše musia mať čo najnižšiu elektrickú vodivosť, aby sa zabránilo tvorbe tzv. vírivých prúdov, ktoré by mohli pevný disk poškodiť. Keďže hliník, z ktorého sú platne vyrobené, nie je feromagnetický, musí sa na vyrobené platne pevného disku naniesť tenká (cca 1 mikrometrová) vrstva oxidu železnatého a kobaltu. Na tieto dve vrstvy sa neskôr nanáša ešte jemná grafitová vrstva, ktorá znižuje šancu na mechanické poškodenie pevného disku. Do roku 2000 sa na výrobu úložných platní pevných diskov vo veľkej miere používalo aj sklo. V súčasnosti sa však už opäť používa skôr hliník, s výnimkou pevných diskov, určených na použitie v serveroch.

Čítacie a zapisovacie hlavy

Detail zapisovacej/čítacej hlavice pevného disku

Ďalšou veľmi dôležitou súčasťou pevného disku sú čítacie a zapisovacie hlavy. Počas práce pevného disku sa tieto hlavy premiestňujú nad jednotlivými platňami a načítavajú z nich údaje, prípadne ich na platne zapisujú. Vzdialenosť hláv a platní je veľmi malá (môžeme ju merať iba v nanometroch) a je daná hrúbkou vzduchového vankúša, ktorý sa tvorí nad rýchle rotujúcimi platňami disku. Je samozrejmé, že spomínaný „vzduchový vankúš“ je tvorený iba nepatrným množstvom vzduchu, ktorý však musí byť dokonale čistý a nesmie obsahovať žiadne znečisťujúce častice. Tu sa práve skrýva odpoveď na otázku, prečo sa pevné disky vyrábajú v dokonale čistých miestnostiach; v inom prostredí by totiž nebolo možné dosiahnuť taký vysoký stupeň čistoty ovzdušia. Ak by sme napríklad pevný disk otvorili u nás doma, je veľmi pravdepodobné, že by sa tým nenávratne poškodil. Toto poškodenie je zapríčinené najmä znečisteným vzduchom obsahujúcim prachové častice, ktorý by sa do pevného disku dostal. Čítacie a zapisovacie hlavy je potrebné chrániť pred náhodným dotykom s úložnými platňami disku. Preto musí existovať v každom pevnom disku aj tzv. „parkovacia zóna“, kam sa čítacie a zapisovacie hlavy presunú ešte pred vypnutím pevného disku (t.j. hlavy sa „zaparkujú“). Po presunutí čítacích a zapisovacích hláv do „parkovacej zóny“ sú tieto hlavy zafixované malým magnetom, aby sa nemohli voľne pohybovať v čase, keď je pevný disk mimo prevádzky. V prenosných počítačoch, tzv. notebookoch, je táto technológia ešte vylepšená senzorom zrýchlenia, ktorý neustále sleduje otrasy počítača a ak hrozí napr. pád prístroja, okamžite vyšle príkaz na zaparkovanie čítacích a zapisovacích hláv pevného disku. Pri bežných stolných počítačoch sa však tento senzor nepoužíva (nepredpokladajú sa totiž také prudké otrasy ako u prenosných počítačov) a príkaz na zaparkovanie hláv pred vypnutím počítača vydáva operačný systém.

Obal disku

Zaujímavou časťou pevného disku je aj jeho obal. Je prachotesne uzavretý, nie je však vzduchotesný. Na obale pevného disku sa nachádza malý otvor s filtrom, ktorým sa dovnútra pevného disku dostáva vzduch, slúžiaci na ochladzovanie jednotlivých súčiastok. V žiadnom prípade nesmie byť otvor s filtrom uzavretý, prípadne upchatý, pretože by došlo k nenávratnému poškodeniu zariadenia.

Rozhranie na prepojenie pevného disku s počítačom

Na prepojenie interného pevného disku s ostatnými počítačovými komponentmi sa momentálne používa najmä paralelné rozhranie s názvom ATA, ktoré sa tiež nazýva aj paralelným portom. Paralelný port môžeme rozdeliť na dva základné typy, a to: IDE, EIDE – používa sa najmä v stolných počítačoch; a paralelný port typu SCSI, ktorý nájdeme napríklad v serveroch alebo v počítačoch zapojených vo veľkých sieťach. So zväčšujúcou sa prenosovou rýchlosťou pevných diskov sa však už objavili aj fyzikálne hranice tohto rozhrania. Cez paralelný port typu SCSI je totiž napr. možné previesť maximálne 320 MB dát za sekundu. Táto zdanlivo závratná rýchlosť však nemusí vždy postačovať a preto sa výrobcovia pevných diskov už niekoľko rokov usilujú priviesť používateľov počítačov k prechodu od paralelných rozhraní pevných diskov k sériovým rozhraniam. Najznámejším sériovým portom na pripojenie pevného disku je port Serial ATA. Na význame nadobúda toto sériové rozhranie najmä od roku 2002. V cenníkoch komponentov ho môžeme nájsť pod označením S-ATA alebo SATA. Hlavnou výhodou tohto nového rozhrania oproti rozhraniam paralelným je možnosť oveľa väčšieho dátového prenosu a jednoduchšia kabeláž pevného disku. Keďže vývoj pokračuje aj v oblasti serverových pevných diskov, aj tu sa už v roku 2005 objavil potenciálny nástupca aktuálneho rozhrania SCSI. Nový port by sa mal volať Serial Attached SCSI (SAS) a jeho použitím je možné dosiahnuť dátový prenos až 600 MB/s. Na pripojenie externých pevných diskov sa najčastejšie používa port FireWire alebo USB.

Logická stavba pevného disku

Základné pojmy

Nosičom informácií na pevnom disku je magnetická vrstva úložnej platne. Táto magnetická vrstva je počas zápisu informácií postupne delená na jednotlivé cylindrické stopy. Jedna úložná platňa obsahuje zvyčajne niekoľko tisícok takýchto cylindrických stôp, ktoré bývajú vytvárané na oboch stranách úložnej platne. Všetky stopy vytvorené na jednotlivých úložných platniach disku sa súhrnne nazývajú ako cylinder. Každá stopa je rozdelená na mnoho malých logických jednotiek, ktoré sa nazývajú bloky. Jeden takýto blok je schopný poňať 512 bajtov informácií. Pre lepšiu kontrolu uložených dát je do každého bloku s uloženými dátami pridaná tzv. kontrolný súčet, pomocou ktorej dokáže elektronika zistiť, či sú dáta, ktoré sa budú načítavať identické s tými, ktoré boli zapísané na úložnú platňu pevného disku. Všetky bloky, ktoré majú na disku rovnaké koordináty umiestnenia, sa niekedy súhrnne nazývajú tiež ako sektor. Bohužiaľ sa význam pojmu sektor často v praxi mylne zamieňa s pojmom blok.

Moderné pevné disky ešte delia úložné platne do tzv. zón, pričom každá zóna obsahuje niekoľko cylindrických stôp. Každá zóna by mala mať rovnaký počet sektorov.

Fyzické a virtuálne členenie pevného disku

Pri moderných pevných diskoch je úplne bežné, že skutočné členenie na sektory, hlavičky a cylindre nie je navonok viditeľné a toto členenie „nevidí“ ani operačný systém počítača. Skutočné rozčlenenie tak „vidí“ a riadi iba riadiaca časť elektroniky disku (v angličtine sa táto časť nazýva aj „controller“). Elektronika disku vytvára a sprístupňuje pre operačný systém úplne iné, tzv. virtuálne členenie pevného disku. V tomto členení má každý pevný disk 255 virtuálnych hlavičiek (hoci fyzicky môže mať tých hlavičiek napr. len 5). Dôvodom tohto členenia je obmedzenie poruchovosti disku. Na každom pevnom disku totiž zvyčajne po nejakom čase vzniknú chybné bloky, do ktorých sa nedajú ukladať dáta. Ak by neexistovalo virtuálne členenie disku, operačný systém by vtedy diagnostikoval disk ako chybný a do určitých jeho oblastí by neukladal dáta, prípadne by dáta neukladal vôbec. Keďže však existuje virtuálne členenie disku, elektronika pevného disku môže tieto chybné fyzické oblasti jednoducho preskočiť a uložiť dáta do tzv. rezervnej oblasti disku bez toho, že by sa o tom dozvedel operačný systém, pretože jeho virtuálne členenie pevného disku sa týmto nenaruší. Vo virtuálnom členení pevného disku sa totiž nezaznamená žiadna chyba a pre operačný systém to vyzerá tak, akoby bol disk bezchybný.

Prekladanie (interleave)

Pri čítaní sa dáta zo sektoru musia odoslať cez radič a BIOS operačnému systému. Tento dáta spracuje a požiada o nové údaje. Operačný systém požiada BIOS a radič, ktorý načíta ďalšie údaje. Odoslanie údajov však trvá určitý čas, medzitým, čo radič dáta odosielal sa disk pootočil a radič musí počkať, kým prejde jedna otáčka platní disku, aby sa hlavy disku dostali na poslednú pozíciu. Takéto čakanie disk neúmerne spomaľuje, a preto sa dáta na platni disku neukladajú za sebou, ale sektory sú preskakované. Počas odosielania dát sa pod hlavou nachádzajú údaje, ktoré radič nepotrebuje, a v momente odoslania balíka dát prichádza pod hlavu sektor nasledujúci za už prečítaným. Hodnota prekladania súvisí s parametrami disku, z rýchlosťou čítania, otáčkami a rýchlosťou odosielania dát. Dnes sa častejšie kompenzuje tento čas bufferami, a inteligenciou disku (radič sa snaží predvídať, čo bude v nasledujúcom kroku čítané a preventívne to uloží do rýchlej vyrovnávacej pamäte).

Rezervná oblasť disku

Je to tá oblasť pevného disku, do ktorej je možné ukladať dáta v prípade, že na mieste, kde by mali byť normálne uložené, sa nachádza napr. chybný blok. Táto oblasť má zvyčajne veľkosť 10 – 20 % kapacity pevného disku. Rezervná oblasť je navonok pre užívateľa (operačný systém) neviditeľná. Na odkrytie tejto oblasti je potrebný špeciálny firmware pre kontrolér disku, ktorý však má k dispozícií iba výrobca disku. Ak by sa užívateľovi aj podarilo odkryť rezervnú oblasť pevného disku, rapídne by sa tým skrátila životnosť disku. V prípade poruchy by už totiž nebola k dispozícií žiadna rezervná oblasť na uloženie dát.

Funkcia ovládača pevného disku

Z pohľadu operačného systému sa dá každý pevný disk (vytvorením partícií) rozdeliť na viacero častí tak, že tieto jednotlivé časti potom v systéme vyzerajú akoby to boli ďalšie pripojené pevné disky. To, aby pevný disk rozdelený na viacero partícií, vyzeral v systéme ako viac pevných diskov pripojených súčasne, zabezpečuje ovládač pevného disku, ktorý býva väčšinou priamo integrovaný v operačnom systéme.

Formátovanie, systém súborov

Každá partícia pevného disku musí byť pred použitím naformátovaná, čím sa vytvorí určitý systém súborov. Pri formátovaní sa zvyčajne zlúči niekoľko základných údajových blokov - sektorov do väčších celkov – clusterov – a cluster sa tak vlastne stane najmenšou logickou jednotkou pre dáta, uložené na pevnom disku. Systém súborov zabezpečuje, aby sa dáta dali na pevný disku ukladať vo forme súborov. Pri ukladaní súborov sa hneď vytvára aj tzv. zoznam s obsahom (adresár), podľa ktorého je možné jednotlivé súbory kedykoľvek vyhľadať a hierarchicky ich zoradiť. Operačné systémy MS-DOS a Windows 9x používali systém súborov s názvom FAT (File Allocation Table – v preklade: Tabuľka alokácie/umiestnenia súborov), novšie systémy ako napr. Windows 2000, XP, Vista používajú súborový systém s názvom NTFS. Iné operačné systémy (napr. Unix a od neho odvodené) používajú iné súborové systémy, často optimalizované pre určitú úlohu (napr. databázového servera). Známy operačný systém Linux používa najčastejšie súborový systém ext2 alebo novší ext3.

Technológia S.M.A.R.T

Keďže údaje uložené na pevných diskoch majú zvyčajne svoju cenu, je veľmi dôležité, aby sme vedeli čo najpresnejšie kedy môže dôjsť k poruche pevného disku, prípadne k jeho totálnemu zlyhaniu. Na zistenie pravdepodobnosti takéhoto výpadku je tu technológia S.M.A.R.T, pomocou ktorej môžeme pomerne presne (alebo zväčša len s malou odchýlkou) určiť, kedy je dobré pevný disk vymeniť.

Operačný systém Microsoft Windows ani v najaktuálnejšej verzii natívne nepodporuje načítanie hodnôt zo S.M.A.R.T diagnostiky a nedokáže ich ani vyhodnocovať. Preto sa momentálne na vyhodnocovanie týchto informácií používajú externé programy, ako napr.: HDD Health, HDD Life a iné. Často najspoľahlivejšími programami na vyhodnocovanie týchto hodnôt sú priamo programy od výrobcov pevných diskov. Medzi najznámejšie programy patrí napr. Maxtor Powermax, Seatools a iné...

Technicky patrí SMART k testom integrity.

„Marketingová“ a skutočná kapacita pevného disku

Pozornejší používateľ sa už určite niekedy zamyslel nad tým, prečo je kapacita pevného disku udávaná operačným systémom menšia ako tá, ktorú udáva výrobca pevného disku. Príčin síce môže byť viac, jednu však treba hľadať aj v rozdielnej interpretácií pojmov kilobajt, megabajt a gigabajt.

Keď kapacita prvých pevných diskov začala prekračovať dosahovať väčšie hodnoty, bolo potrebné stanoviť, koľko je vlastne 1 kilobajt. Keďže vtedy ešte nepôsobila organizácia IEC, ktorá toto neskôr stanovila, výrobcovia pevných diskov sa teda dohodli na tom, že kapacitu pevných diskov budú udávať podľa matematických tabuliek. 1 kilobajt mal teda mať vďaka predpone kilo 10³ bajtov, 1 megabajt mal mať 10⁶ bajtov a jeden gigabajt mal mať 10⁹ (1 000 000 000) bajtov.

V roku 1999 však bola organizáciou IEC vypracovaná nová norma, podľa ktorej sa do 1 kB zmestí 1024 (teda 2¹⁰ bajtov). Podľa tejto normy má teda 1 MB 2²⁰ bajtov a 1 GB má 2³⁰ (čiže 1 073 741 824) bajtov.

Novej norme organizácie IEC sa okamžite podriadili softvérové firmy ktoré dodnes používajú prepočet

1 GB = 2³⁰ bajtov.

Nepodriadili sa jej však všetci výrobcovia pevných diskov, pretože dodnes niektorí vychádzajú z výpočtu

1 GB = 10⁹ bajtov.

Dochádza tak k situácií, že výrobca pevného disku často udáva väčšiu kapacitu zariadenia ako operačný systém počítača.

Napríklad: Výrobca pevného disku udáva, že jeho výrobok má kapacitu 400 GB. Vychádza pritom zo vzorca $1GB=10^{9}$ bajtov. Pevný disk tak podľa neho obsahuje 400 000 000 000 bajtov. Ak však tento údaj získa operačný systém, ktorý počíta podľa vzorca $1GB=2^{30}$ bajtov, v konečnom výpočte vychádza, že údajný 400 GB je v operačnom systéme rozpoznaný len ako disk s kapacitou 372,53 GB. Táto hodnota sa následne zobrazuje aj na monitore používateľa a operačný systém naozaj aj dovolí uložiť len toto množstvo údajov na pevný disk.

Historický vývoj pevného disku

• 1956: Firma IBM predstavila prvý magnetický pevný disk. Na 50-úložných platniach (každá mala priemer 61 cm) bola dosiahnutá kapacita 5 megabajtov (MB).
• 1973: Firma IBM spustila projekt „Winchester“, ktorého cieľom bolo vyvinúť rotujúce pamäťové zariadenie v pevnom obale. Podľa návrhu sa pri spustení a zastavení zariadenia mali čítacie a zapisovacie hlavy položiť na pamäťový nosič. Ak by sa to podarilo, rapídne by sa tým skrátil čas načítavania a zápisu údajov.
• 1979: Predstavenie prvého 8 palcového disku vytvoreného podľa projektu Winchester. Tento disk však bol príliš veľký, ťažký a drahý (5 MB úložného priestoru by dnes v prepočte stálo viac ako 5.000 Eur); aj napriek tomu však neustále stúpal dopyt po týchto diskoch.
• 1980: Firma Seagate Technology začala predávať prvý 5,25 palcový disk, vyrobený podľa projektu. Disk niesol označenie ST506 (mal kapacitu 6 megabajtov). Keďže tento disk mal úplne nové rozhranie na prepojenie s počítačom, onedlho toto rozhranie prebrali aj ostatné firmy a stalo sa tak štandardom v oblasti PC. V rovnakom čase prišiel na trh prvý počítač štandardu PC od firmy IBM. Dovtedy boli na trhu zastúpené len mikro-počítače Apple. Keďže nový pevný disk bol v porovnaní s jeho predchodcami veľmi kompaktný, dopyt zákazníkov začal razantne stúpať.
• 1986: Vytvorenie a následné zavedenie špecifikácie SCSI, jedného z prvých štandardizovaných protokolov pre rozhranie pevného disku.
• 1997: V praxi bola pri výrobe pevného disku prvýkrát použitá technológia gigantického magnetického odporu (anglický názov je Giant Magnetoresistive Effect (GMR)), čím sa radikálne zvýšila možná kapacita zariadenia. Jedným z prvých pevných diskov, ktoré obsahovali túto technológiu bol IBM Deskstar 16G (november 1997) s kapacitou 16,8 GB.
• 2004: 18. november 400 GB-pevný disk od firmy Hitachi. V tom istom roku bol firmou Seagate uvedený prvý pevný disk podporujúci inštrukčnú sadu Native Command Queuing.
• 2005: 500 GB-pevný disk od firmy Hitachi.
• 2006: 1 TB-pevný disk od firmy Fujitsu-Siemens
• 2010: 3 TB pevný disk od firmy Western Digital, SSD disk od firmy CZC

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Pevný disk

Externé odkazy

• vseohw.net - rozbor pevného disku (po česky)
• techweb.com - encyklopédia o hardvéri (po anglicky)
• pcdoctor-guide.com - rozbor pevného disku (po anglicky)