![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() ![]() |
Pevný disk je permanentní magnetické záznamové médium, tzn. takové médium, které uchovává informace i po vypnutí elektrického proudu. Je součástí každého počítače (i když mohou existovat výjimky). HDD i disketová mechanika obsahují tyto základní části: médium s daty, magnetické hlavy pro čtení/zápis, mechaniku pohybující s hlavami, motorek točící diskem, řadič (=elektronický obvod, který řídí práci disku) a rozhraní zajišťující připojení disku k základní desce. Princip záznamu a čtení, historie Pevný disk pracuje na principu obyčejné audio- nebo videokazety (informace je uchována pomocí změny elektromagnetického potenciálu média) s tím rozdílem, že nedochází k přímému dotyku hlavy s médiem. Magnetická hlava se pohybuje v minimální vzdálenosti (mikrometry) nad povrchem disku (plave na vzduchovém polštáři vytvořeném aerodynamickým vztlakem). Pevné disky mají za sebou krátkou, ale bouřlivou historii. Jejich sériová výroba pro komerční použití začala v první polovině 80. let. Maximální velikost tehdejších disků byla 5 MB. Přenos dat se uskutečňoval analogově a disky byly většinou veliké 5,25". Prvním pevným diskům se obvykle říkalo Winchester, dnes se místo tohoto označení používá zkratky HD či HDD (Harddisk). Dnešní disky mají kapacitu až několik stovek GB . Jejich povrch je tvořen magnetickou vrstvou, která je přikryta vrstvou skleněnou. Přenos dat z elektromagnetické hlavy je digitální o rychlosti několika desítek MB/s a rychlost rotace pevného disku se zvýšila z 3600 na 7200 a pak i přes 10000 otáček za minutu (ot./min). Na pevný disk jako záznamové médium se můžeme dívat ze dvou základních pohledů: Fyzická struktura pevného diskuZákladní struktura pevného disku Mechanika HD (Hard Drive - pevný disk) se skládá z tuhých kovových disků (tzv. propojovací desky, plotny), které jsou potaženy povlakem oxidu železa a uloženy na sebe ve vzduchotěsně uzavřeném prostoru. Data se na disku uchovávají podobně jako na kazetě, tzn. magnetizováním nebo odmagnetizováním oblastí na desce. Pro obě strany každé desky má HD elektromagnetickou čtecí a zápisovou hlavu, pod kterou se propojovací deska otáčí rychlostí 3 600, 7 200, 10000 i více ot./min. Hlav je dvakrát více než ploten (pro každou stranu plotny), někdy však nejsou plotny oboustranné a hlav je pak méně. Čtení dat bylo založeno na magnetické indukci, dnes už však funguje dokonalejší systém - data jsou čtena jako sled změn odporů vyvolaných různou orientací magnetického pole (magnetických dipólů). Na každé hlavě se vyskytuje zvlášť část čtecí a část zapisovací. Čtecí hlavičky jsou velmi malé. Všechny hlavy disku jsou napevno připojeny k vystavovacímu raménku, takže nemohou být nastaveny nezávisle na sobě a pohybují se současně. Při vypnutí disku zajistí mechanika magnetických hlav jejich přistání do vyhrazené parkovací oblasti - hlava se nikdy nesmí dotknout disku, a poničit tak data. Mechanika hlav podstatně ovlivňuje rychlost a přesnost hlav; je založena na dvou principech:
Velikost HD je stejně jako u disket 5,25" nebo 3,5". Pevné disky montované do přenosných počítačů mají rozměry ještě menší - často velikost plošší krabičky od zápalek. Fyzicky je disk rozdělen do tzv. sektorů. Tyto sektory jsou spojeny do soustředných stop - kružnic - na povrchu každé plotny s tím, že na jednu plotnu připadá 305 a více stop. Počet sektorů na stopu je u HD 17, 26, 34 nebo 52 a více. Podle kódování dat dělíme HDD na RLL, MFM a PRML disky. Rozdělění na stopy a sektory vzniká při fyzickém formátování disku. Fyzické formátování disku Při fyzickém formátování se disk magneticky dělí na stopy a sektory, které se číslují. Nultá stopa je na okraji disku. Kapacita každého sektoru je stejná - 512 b. Každý sektor má stobitovou ”hlavičku” - zde uloženy informace o tom, co se v daném sektoru nachází. u vícevrstevných disků se můžeme setkat s termínem cylindr neboli válec - stejné stopy na jednotlivých discích teoreticky vytváří po spojení válec. Formátování provádí řadič, jehož plošný spoj je umístěn na pouzdře disku. Tento druh formátování provádí výhradně výrobce disku. Čtení ze sektoru se provádí ve třech krocích:
Teplotní kalibrace disku Během práce se disk ohřívá, proto se kontroluje poloha hlavičky nad stopou a provádí se příslušné kalibrování. Během kalibrace dojde ke krátkodobému přerušení práce disku (to je nežádoucí, pokud jsou data např. přepalována na CD-R, které vyžaduje neustálý tok dat, a může dojít k znehodnocení CD-R). Novější disky však zvládají kalibraci provádět za provozu. Kvalita disku je určena kapacitou, rychlostí (otáčky, kódování dat), přenosovou rychlostí (PIO módy), spolehlivostí (MTBF) a typem řadiče: Rychlost disku Rychlost HD posuzujeme podle přístupové doby (tj. doba trvání vyhledání dat). Přístupová doba se skládá z doby vystavení (=doba vyhledávání, Track-to-Track Seek) a doby čekání (celkem kolem 10 ms, disk je tedy asi o dva řády pomalejší než operační paměť.). Doba vystavení je výrobcem definována jako 1/3 doby potřebné pro pohyb hlavy přes celý disk. Měla by být co nejkratší, hlavy je nejlepší přesouvat jen minimálně, a proto čtení nebo zápis probíhá po cylindrech (0. stopa 1. povrchu, 0. stopa 2. povrchu atd.) Doba čekání udává dobu, než se pod hlavu dotočí příslušný sektor, a závisí tedy víceméně na náhodě. Technicky je uvažována jako jedna polovina otáčky disku. Otáčky disku se v průběhu let měnily z 3600, 4500 na 7200 a dnes přesahují i 10000 ot/min. Rychlost se dále posuzuje podle rychlosti přenosu dat (doba přečtení dat v MB/s). Kapacita disku První počítače IBM-XT vůbec disky neměly, postupně se začaly objevovat disky s kapacitou 10 MB, stovky MB a dnes dosahuje kapacita stovek GB. Kapacita se zvyšuje novými výrobními technologiemi, také se však “snižuje” rozpínavějšími programy a bezpečnostními opatřeními. Hustota záznamu: Cílem je vytvářet stále jemnější a přitom stabilní magnetické struktury s možností vyšší hustoty zápisu dat. (-> miniaturní dipóly uchovávající bitovou hodnotu 0/1). Dříve se na kotouče disku nanášela slabá vrstva oxidů, ta byla však nahrazena vrstvou tenkého filmu. “Výška letu” hlavy nad povrchem disku se tak stále zmenšuje, k uchování dat je potřeba stále menší magnetické pole. Kódování dat: Při čtení dat se “čte” změna napětí, která je vyvolána pouze změnami magnetického toku (změnou hodnoty na 0 nebo 1). Pokud však hlava čte stejné dipóly za sebou, není schopna rozlišit jejich počet. Proto byly vyvinuty metody kódování dat: MFM, RLL, PRML:
Prekompenzace disku (CPZ): Vnější stopy (0. stopa na okraji) jsou podstatně delší než stopy u středu disku, přesto nesou stejné množství dat, i když jsou sektory ve vnější oblasti delší. Ve vnitřní oblasti může díky těsnému nahloučení dipólů (vlastně malých magnetů) snadno dojít například ke slučování bitových informací a právě tomu zabraňuje prekompenzace. Řadič počítá s pohybem dipólů a data ukládá tak, aby byla po vzájemném působení magnetických sil správně uložena. Zone bit recording (ZBR) - plocha disku je rozdělena na zóny, v jedné zóně bývá zpravidla více stop. Každá zóna má jiný počet sektorů - v dlouhých stopách je jich více a v kratších méně. Používání ZBR zvyšuje kapacitu disku, je však náročnější na mechaniku řadiče. Zónový zápis dnes používá velká většina disků. Střední doba mezi chybami (MTBF - Mean Time Between Failures) - doba mezi poruchami disku - je vypočítávána při simulaci stárnutí disku. Výsledkem jsou statisíce až milióny hodin bez poruchy (= přibližně přes sto let) Řadič pevného disku Jedná se o fyzickou část počítače, která funguje jako zprostředkovatel mezi základní deskou a pevným diskem. “Řídící centrum” diskové jednotky. Zodpovídá za správné vystavení hlav. Diskovou plochu si řadič dělí na stopy a sektory, přes sběrnici zajišťuje komunikaci disku s mikroprocesorem. Prvním důležitým kritériem řadiče je metoda přístupu do paměti počítače při zápisu dat z disku. Jedná se o přímý přístup (DMA) do hlavní paměti a o přístup přes přerušení s tím, že obě metody jsou nekompatibilní. V prvním způsobu řadič zapisuje data přímo do paměti, v druhém řadič naplní vyrovnávací paměť cache (L2) o 512 bytech a poté vyšle signál procesoru. Ten přečte data a ukládá je do paměti. Kódování řadiče může ovlivnit jednak velikost prostoru na disku a jednak zrychlit čtení z disku. Bylo by možné zvětšit například hustotu stop na disku či hustotu sektorů na stopu, ale za cenu ztráty spolehlivosti při přenosu dat. Proto je třeba hledat kompromis mezi velikostí a bezpečností. Pro tyto účely bylo vyvinuto několik schémat na kódování dat: (FM), MFM, RLL, PRML. Dalším kritériem je hardwarové rozhraní pevného disku. Dá se přirovnat k "jazyku", kterým se domlouvají řadič a pevný disk. Rozlišujeme opět několik typů:
Metody zefektivnění práce disku
Zásady práce s pevným diskem
Logická struktura pevného disku- logická struktura je vytvořena vysokoúrovňovým formátováním, které umožňuje každý operační systém, je popisována soustavou tabulek. POJMY: Relativní sektory Ve fyzickém popisu HD jsme užívali pojem absolutní sektor, který byl dán číslem válce, hlavy a sektoru (CHS metoda). MS-DOS používá pro každý sektor jen jedno číslo tzv. číslo relativního sektoru (Relativní sektory MS DOS uspořádává tak, že nejprve vezme válec O, hlavu 1 a sektor 1. Tím očísluje relativní sektor O (tento sektor je ovšem MS-DOSu nepřístupný). Pokračuje po sektorech stejné stopy a pak se přesune k další hlavě číslo 2. Opět projde všechny sektory a přejde na další hlavu. Tak přečte všechny stopy válce O a poté posune hlavy na válec 1. Postup se opakuje a přitom MS-DOS postupně čísluje relativní sektory.) Alokační jednotky (popř. alokační bloky, clustery) MS-DOS seskupuje sektory do alokačních jednotek, což je elementární prostor, vyčleněný pro soubor. Soubor, který má menší velikost než jeden alokační blok zabere přesto na disku celý alokační blok (=> soubor zabírá na disku více místa než ve skutečnosti potřebuje). To je možné považovat za velkou slabinu a plýtvání kapacitou disku. V tomto případě pomáhá disk rozdělit do více logických oblastí - alokační jednotky jsou pak menší. Velikost alokačních bloků, tedy počet sektorů na jeden alokační blok je dán typem HDD a operačním systémem. Čím větší je kapacita disku, tím více sektorů je v alokační jednotce, tabulka FAT však může obhospodařovat pouze konečné množství alokačních jednotek. Informace o alokačních jednotkách a sektorech můžeme vyčíst např. z výpisu programu Scandisk. 1 sektor = 512 B (vždy); 1 cluster může obsahovat např. 32 sektorů. Oblast DOSu - MBR tabulka rozděluje disk na 4 oblasti, v každém oddílu pak může být jiný operační systém. (-> oblast dat pro Windows, MS-DOS). Oddíl DOSu bývá rozprostřen přes celý disk, v oblasti DOSu pak může být vytvořeno logických disků více. Oblast se dělí na primární(primary) a rozšířenou (extended). V primární oblasti jsou uloženy systémové soubory - odtud se načítá operační systém do operační paměti (tzv. aktivní oddíl). Rozšířená oblast se může členit na logické disky (C:, D:, E:, …). Správa logických oddílů - pomocí programu FDISK - při logické přestavbě jsou však vymazána všechna data, program je proto nutné spouštět z diskety. Dnes už existují mnohem komfortnější programy než je FDISK standardně dodávaný s operačním systémem (Partition Manager ...) Formátování disku (vysokoúrovňové) - ve Windows pravé tlačítko myši na ikoně disku + Naformátovat. Pokud má být jako primární OS spuštěn MS-DOS, nemůže být disk formátován z Windows. V DOSu se formátování provádí příkazem FORMAT C: -> spuštění programu FORMAT:
Spouštěcí disketa - slouží ke spuštění Windows v případě, že Windows nelze nastartovat z pevného disku. Jsou na ní nahrány i základní servisní programy (Fdisk, Format) - vytvoření v Ovládacích panelech -> Přidat nebo odebrat programy -> Spouštěcí disketa (vyžaduje instalační CD Windows - u W95). Master Boot Record (MBR) MBR obsahuje důležitou součást programového kódu, je uložen v 0. relativním sektoru na 0. stopě disku. Má dvě části:
DOS Boot Record (DBR) - je začátkem primární oblasti DOSu, je vytvořen při logickém formátování disku, má dvě části:
Extended Partitions Table (EPT) “falešné” MBR umístěné v rozšířené oblasti DOSu. Její funkcí je ukázat na další EPT v rozšířené oblasti a propojit tak jednotlivá oddělení disku. Hlavní adresář (Root directory) Vzniká automaticky při formátování. Slouží k zápisu údajů o programech uložených na disku, jsou zde uloženy veškeré informace o souboru, které lze vypsat pomocí kliknutí pravého tlačítka myši na ikoně souboru a volby Vlastnosti. Hlavní adresář v organizaci FAT FAT je starší organizace než VFAT ve Windows, povoluje pouze krátká jména souborů a adresářů. Každému souboru nebo adresáři je v hlavním adresáři vyhrazeno 32 B pro jeho popis. Jeden adresář může obsahovat maximálně 512 souborů => je nutné používat členění na podadresáře.
Hlavní adresář v organizaci VFAT Podobná struktura jako FAT, umožňuje zápis delšího jména - pro zápis je využito více položek adresáře. VFAT vytváří i náhradní jméno souboru/adresáře, které bude použito v DOSu (6 písmen ~ pořadové číslo). Při ukládání dlouhých jmen se do jednoho adresáře nevejde ani výše zmiňovaných 512 souborů. Tabulka FAT (File Allocation Table) - jádro celé logické struktury disku (funguje stejně jako FAT i VFAT). Přiděluje diskový prostor ukládaným souborům - obsahuje informace o uložených souborech a jejich adresářové struktuře; popisuje konkrétní rozložení souboru na médiu (kde a jak se data nacházejí); normálně není uživateli přístupná, upravuje se při ukládání dat. Typy FAT
FAT je dosti často napadána viry, po jejím zničení nejsou data přístupná, proto je na disku uložena vždy dvakrát za sebou. Princip FAT Každému políčku ve FAT tabulce odpovídá jedna alokační jednotka (cluster). Pro číslování clusterů se používá hexadecimální soustava (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F; zápis v šestnáctkové soustavě končí vždy rozlišovacím písmenem H). V tabulce je zaznamenáno vždy jméno souboru (+přípona) a číslo první alokační jednotky, kde je soubor uložen. Další část souboru je uložena v alokační jednotce, jejíž číslo je zaznamenáno ve FAT políčku prvního clusteru. V políčku FAT, které odpovídá poslednímu clusteru souboru, je zapsáno “FFFF” (hodnota EOF). Je-li cluster nepoužitý, obsahuje políčko FAT “0000” (hodnota 0), vadný cluster je označen “FFF7” (hodnota BAD). Na každém disku bývá vždy několik vadných clusterů. Políčka tabulky vytváří jednosměrný propojený seznam, neboť lze sledovat alokační bloky souboru jdoucí po sobě, ale nikoliv bloky předcházející. Nalezení dat na disku:
FAT spolupracuje společně s hlavním adresářem při umísťování souborů. Adresář oznamuje názvy souborů a FAT říká operačnímu systému, kde se nacházejí. FAT se nachází na relativním sektoru 1, tedy hned za zaváděcím záznamem MS DOSu. MS DOS vždy ukládá vedle primární FAT ještě jednu záložní kopii, po které již následuje hlavní adresář (angl. Root Directory). Tabulka FAT je náchylná k chybám (při násilném přerušení práce), pro opravu dat je určen program Scandisk. FAT, VFAT, FAT 16, FAT 32 a další systémy správy souborů FAT - používaná v DOSu, Windows 3.x, dovoluje pouze krátká jména souborů, clustery s pevnou velikostí, u větších disků větší clustery, náchylnost k fragmentaci, FAT a její kopie jsou uloženy těsně za sebou, vyžaduje pravidelnou údržbu dat. VFAT - použití ve Windows 95, maximální délka názvu souboru je 255 znaků, doplnění o správu dat na CD, k použití CD už nepotřebuje ovladač MSCDEX, zdokonalení o vyrovnávací paměť disku, práce odkládacího souboru, Servis Packy k W95 obsahovaly už VFAT 32 (možnost umístění více clusterů, lepší hospodaření s datovým prostorem disku). NTFS (New Technology File System) - použití ve Windows NT, také dlouhé názvy souborů, 32bitový systém, nezpůsobuje fragmentaci (do prázdných oblastí menších než soubor nejsou data ukládána), větší počet atributů pro soubory, práce s rozsáhlým diskovým prostorem, lepší obrana proti chybám - rekonstrukce poškozeného souboru, ochrana dat při výpadku energie. HPFS (High Performance File System) - datová struktura IBM použitá v operačním systému OS/2, má podobné vlastnosti jako NTFS. Údržba pevného disku Pro rychlý a správný provoz počítače je třeba mít mj. i spolehlivý, velký a rychlý pevný disk. Pomocí několika utilit můžeme optimalizovat disk tak, jak potřebujeme.
Instalace pevného disku - připojení ke zdroji, datovým kabelem k základní desce/host adaptéru, u SCSI disků aktivace terminátoru, nastavení MASTER/SLAVE pomocí jumperů, detekce disku v SETUPu, definování logických jednotek pomocí programu FDISK (není třeba), zformátování programem FORMAT, instalace operačního systému a dalších programů. Disková polePožadavky na kapacitu paměťových médií se exponenciálně zvyšují. Důraz je kladen i na bezpečnost uložených dat a na rychlost přenosu dat z média do počítače. K tomuto účelu byly vyvinuty tzv. disková pole RAID - angl. Redundant Array of Inexpensive Disk (redundantní pole levných disků). Složitý název neznamená nic jiného než spojení několika levných pevných disků do jedné jednotky. Část kapacity disků je věnována na zabezpečení dat uložených v jednotce. Pokud tedy chceme mluvit o diskovém poli, pak jeho jednotka musí obsahovat minimálně dva navzájem spřažené pevné disky. Celá jednotka, bez ohledu na to, kolik disků obsahuje, se počítači jeví jako jeden fyzický disk připojený přes standardní rozhraní, např. SCSI. Technologie Raid se používá už ve verzi 5 nebo 7. Výsledná kapacita diskového pole může být i několik TB (terabyte). Přístupová doba a přenosová rychlost dat je jedním z nejdůležitějších požadavků na diskové pole. U systému RAID 7 se přístupová doba zkracuje úměrně s počtem připojených disků. Stejné je to i s přenosovou rychlostí. Přenosová rychlost je součinem počtu disků a jejich přenosových rychlostí. Při osazení pole 40 disky bude přenosová rychlost cca. 7,6 MB/s. Zvýšením počtu disků tedy roste výkon celého systému. RAID 7 podporuje i snadnou opravu, neboť umožňuje jednoduché vyjmutí nebo nahrazení jednotlivých pevných disků určených jako Stand-by. Externí pevný diskExterní disk není nic jiného než obyčejný pevný disk připojitelný k jakémukoliv počítači. Externí disk nebo též transdisk může existovat v mnoha provedeních podle výrobce. Může se též lišit způsobem napájení atd. Zapojuje se přes určené rozhraní - obvykle se jedná o paralelní port (pomalejší přenos dat z počítače, možné použití u každého počítače) nebo rozhraní SCSI (vysokorychlostní přenos dat, nutnost instalovaného SCSI adaptéru). Aby byl disk přístupný pro operační systém, je nutno nainstalovat příslušný ovladač, který se dodává na disketě spolu s externím diskem. Způsoby práce s pevnými disky- možnosti zlepšující práci disku, optimalizace spolupráce HDD a OS: Vyrovnávací paměť pevného disku
VCACHE - W95 obsahují program VCACHE (Virtual Cache). Ten řídí velikost vyrovnávací paměti dynamicky. Chování VCACHE lze v systému nastavit:
Odkládání dat Operační sytém si data, s nimiž pracuje, dočasně ukládá na disk. Výhodou této metody je navyšování kapacity operační paměti. Pro odkládání dat se také používá termín swapování nebo virtuální paměť. Data se ukládají do tzv. Odkládacího souboru. Ve Windows 95 a vyšších se velikost odkládacího souboru může dynamicky měnit. Momentální velikost souboru je určována volnou kapacitou disku a vytížením operační paměti. Velikost odkládacího souboru lze také nastavit: Systém -> Vlastnosti -> Výkon -> Virtuální paměť. Velikost paměti můžeme nechat řídit automaticky, nebo ji pevně určit. Odkládání dat zde můžete i vypnout. Potíže s odkládacím souborem - je možné, že odkládací soubor bude příliš velký a kapacita disku nebude dostatečná k ukládání potřebných souborů. V případě hlášení, že je disk plný a nelze na něj ukládat, vysypejte Koš, vymažte nepotřebné soubory nebo soubory dočasné (v adresáři C:\Windows\Temp). Do AUTOEXECu je také možné přidat řádek DEL C:\Windows\Temp\*.* a všechny dočasné soubory budou pravidelně mazány po každém startu počítače. Soubory lze mazat se stisknutou klávesou <SHIFT>, tím se zabrání přesunu mazaných souborů do koše a budou hned nenávratně smazány :-) Koš Do koše se přesouvají všechna data mazaná standardním způsobem bez “SHIFTu”, volbou Obnovit je tato data možná ještě zachránit před úplným smazáním. Definitivně vymazat všechna data v Koši můžeme volbou Vysypat Koš, čímž se uvolní místo na disku, které soubory zabíraly. Vymazávat soubory lze také pěkně po jednom volbou Odstranit. Pod volbou Koš -> Vlastnosti se nachází konfigurace Koše: Komprese (komprimace) dat - data jsou při kompresi šifrována se záměrem zmenšení jejich velikosti -> Komprimovaná data zabírají méně místa na disku. Všechna zkomprimovaná data jsou při kompresi disku ukládána do jednoho souboru. Ve Windows slouží ke kompresi dat program DriveSpace. DriveSpace komprimuje všechna data na disku do souboru Dblspace.xxx (x-číslice), který má atributy R, H a S. Určitá část disku zůstává však vždy nekomprimovaná. Zde jsou uloženy systémové soubory a programy pro práci s komprimovanými daty. Velikost zkomprimované oblasti může být maximálně 512 MB (u W95). Disk lze rozdělovat na více oddělení a každé potom komprimovat zvlášť. Od W95 Plus packu má ale DriveSpace limit více než 2 GB. Všechny další systémové nástroje ve Windows umí s komprimovanými daty pracovat. Při zkomprimování jednotky se vytvoří dvě logické jednotky: jedna nezkomprimovaná a druhá se stlačenými daty (tzv. hostitelská se souborem komprimovaných dat). Obě jednotky disponují určitým volným místem, které je možné navzájem přesouvat. Před samotnou kompresí jste vyzváni k zálohování dat, spouští se vždy také defragmentace disku. K jednoduché kompresi dat je však lepší využít některý z programů WinZip, Arj, RAR ad., který vám nad daty poskytuje plnou kontrolu - funkce programů jsou integrovány pod pravým tlačítkem myši, můžete snadno balit a rozbalovat jakékoliv soubory. |