Menu

Pevný disk (HDD)

Základní informace

Pevný disk (HDD = hard disk drive) je pamětí o velké kapacitě a s pomalejším přístupem než operační paměť RAM. Jedná se o paměť nevolatilní, takže slouží k dlouhodobému uložení dat i po vypnutí počítače. Pevný disk pracuje na principu elektromagnetické indukce (může být poškozen magnetickým polem). Jsou na něm většinou (může být i na SSD) uložena všechna data počítače – operační systém, programy, osobní soubory atd. Název pevného disku je odvozen od neohebných ploten, na které se ukládají data, čímž se liší od disket (FFD = floppy disk drive), které mají plotny ohebné.

Historie

Prvním diskovým systémem byl IBM 350 RAMAC („Random Access Method of Accounting and Control“) z roku 1956, který měl na 50 plotnách o průměru 61 cm kapacitu 3,75 MB dat a který byl využíván v účetnictví k záznamu transakcí (do té doby ukládání např. na děrné štítky). Roku 1962 se objevil disk IBM 1311, který disponoval výměnnými svazky o kapacitě 2 MB, a roku 1973 model IBM 3340, (přezdívaný Winchester), s kapacitou až 70 MB. Nejstarší disky měly velice složitý vystavovací mechanismus (způsob pohybu zápisové hlavy po disku), který se v průběhu historie zjednodušuje, aby bylo dosaženo menší energetické náročnosti, vyšší rychlosti a byla celkově zmenšena fyzická velikost pevných disků (takto zabíraly celé skříně).

S příchodem osobních počítačů v 80. letech bylo jasné, že se pevné disky musí změnit. První osobní počítače sice používaly pouze diskety jako hlavní úložiště, avšak postupně byly upřednostňovány pevné disky. Ty měly nejdříve různé rozměry (např. 5,25 nebo 1,3 palců), ale nakonec se ustálily na 3,5 palce (první vytvořen v roce 1983) a 2,5 palce (vyroben poprvé v roce 1988). V roce 1985 dosáhl počet aktivních výrobců pevných disků nejvyššího počtu (75).

V 90. letech prodeje pevných disků neustále rostou, avšak snižuje se počet výrobců. V roce 2001 došlo k prvnímu poklesu tržeb, kvůli čemuž se počet výrobců v roce 2009 snížil na 6 a v roce 2013 na pouhé 3 (Western Digital, Toshiba, Seagate). Nejvíce prodaných kusů pevných disků bylo v roce 2010 (650 milionů), od té doby hodnota neustále klesá, hlavně díky větší rozšířenosti SSD disků.

Po celou tuto dobu se zvyšovala kapacita pevných disků i jejich rychlost. První 3,5 1 TB disk vyrobila firma Hitachi v roce 2007. Rychlost se zvýšila také u konektoru pro připojení pevného disku k počítači, který byl standardizován na SATA od roku 2000. Vývoj pevných disků začíná v současnosti zpomalovat, neboť se už tato technologie blíží svým fyzikálním možnostem.

Fyzická struktura a fungování pevného disku

Data jsou na pevném disku uložena v podobě magnetického záznamu. Disk tvoří kovové nebo keramické desky – tzv. plotny. Plotny pohání elektromotory, jejichž působením se plotny roztočí na požadované otáčky (udávané v RPM = revolutions per minute – otáčky za minutu). Každá použitelná strana plotny musí mít svou čtecí a zapisovací hlavu, jež je umístěna na ramenu a pohybována tzv. vystavovacím mechanismem. Většinou je tedy pohyb zajištěn pomocí lineárního motoru (v minulosti motoru krokovacího) tak, aby hlavičky mohly pokrýt veškerou využitelnou plochu plotny, nad níž se pohybují extrémně nízko (několik nanometrů; čím vyšší kapacita, tím níže musí hlava být) – „plavou“ na vzduchovém polštáři. Nikdy by nemělo dojít k tzv. head crash = porucha, kdy se hlava dotkne plotny a tím zničí data na ní. Pevné disky se vyplňují heliem, neboť má nižší tření než vzduch.

Magnetický povrch plotny není bez organizace; je rozdělen na stopy, sektory a cylindry. Stopy (tracks) jsou soustředné kružnice, které jsou očíslovány (0 = vnější stopa) a po kterých hlavička najíždí a vyhledává konkrétní místo k zápisu či čtení. Každá stopa je pak rozdělena na sektory, což jsou nejmenší adresovatelné jednotky na pevném disku (velikost obvykle 512 B nebo 4096 B). Cylindr označuje všechny stopy ploten, které mají stejné číslo a tvoří tak pomyslný dutý válec. Rozdělení na cylindry je důležité proto, aby se hlavy v pevném disku využívaly rovnoměrně a disk tak měl co nejvyšší výkon. Disk se tedy při zapisování plní ne po plotnách, ale právě po cylindrech, aby se průběžně využívaly všechny hlavy, neboť ty jsou na společném rameni.

Předchozí rozdělení ploten patří do tzv. „geometrie disku“. Operační systém si ale zavádí ještě jednu jednotku – cluster. Clustery v sobě shlukují určité množství sektorů, jejichž počet se může lišit v závislosti na použitém souborovém systému (např. NTFS – 8 B až 64 KiB). Když pak do clusteru uložíme nějaký soubor, tak je pro něj vyhrazena celá kapacita clusteru (např. i 1 KiB soubor může zabírat až 64 KiB na disku). Clustery se používají, neboť zrychlují vyhledávání a usnadňují práci s daty.

Zápis a čtení dat probíhá na disku pomocí hlaviček, což jsou vlastně cívky navinuté na jádrech s malou štěrbinou. Při průchodu elektrického proudu se vytváří magnetický tok, který ovlivňuje záznamovou vrstvu plotny. V závislosti na tom, jakým směrem při této operaci teče proud, se tak vytváří magnetická místa, která budou zmagnetizovaná tím či oním směrem. Velkou roli pak hrají tzv. magnetické reverzace = místa, kde se mění směr magnetizace. Na tyto reverzace pak cívka reaguje při čtení. Po vypnutí disku se hlavička „zaparkuje“ do tzv. parkovací zóny (ochrana jejího nárazu do plotny disku).

Rozlišujeme tři technologie zápisu – podélný (LMR = Longitudinal Magnetic Recording), kolmý (PMR = Perpendicular Magnetic Recording; také zvaný konvenční – CMR) a šindel (SMR = Shingled magnetic recording). U podélného je orientace magnetického pole podélná s povrchem plotny. U PMR je pak na plotnu kolmá, což umožňuje umístění bitů blíže k sobě – větší hustota dat. U SMR jsou datové stopy kladeny na sebe – ještě vyšší hustota dat. Jeho nevýhoda je, že při přepisování musí být odstraněny a pak znovu zapsány všechny na sebe položené záznamy. Jsou tedy výrazně pomalejší při zápisu.

Před čtením nebo zápisem musí hlavička udělat tyto tři kroky:

  1. Přemístit se nad požadovanou stopu.
  2. Počkat na ustálení hlavy.
  3. Počkat, než se žádaný sektor dostane pod čtecí hlavu.

Tyto prodlevy označujeme několika pojmy:

  • seek time (doba vystavení) = čas, za který se hlava přesune nad požadované místo čtení nebo zápisu;
  • rotational delay (doba čekání) = prodleva, než se otočením plotny dostane pod hlavu požadovaný sektor;
  • přístupová doba = celkový čas, za který je disk připraven začít číst nebo zapisovat data, spojuje seek time a rotational delay
V pevném disku se také nachází vyrovnávací paměť (cache), která urychluje přenos dat mezi procesorem a pevným diskem.

Technické parametry pevného disku

  1. Kapacita – udává se v GB nebo TB, hlavní údaj při výběru pevného disku, říká nám, kolik dat se na disk vejde, dnes se pohybuje mezi 240 GB a 18 TB
  2. Formát disku – udáván v palcích, do stolních počítačů většinou 3,5palcový, do notebooků pak 2,5palcový
  3. Rozhraní – typ a rychlost připojení k počítači, dnes se používá převážně SATA 6 Gb/s nebo SAS 12 Gb/s, což jsou sériová zapojení (v minulosti se používalo paralelní PATA), pro externí disky pak eSATA nebo USB
  4. Vyrovnávací paměť – udávána v MB, čím větší, tím lepší, neboť je to prostor, ke kterému může procesor přistupovat výrazně rychleji než k samotným plotnám
  5. Rychlost otáčení ploten – udávána v RPM, často 5400 nebo 7200, ale může být i vyšší, rychlejší otáčení umožňuje rychlejší čtení a zapisování dat, avšak způsobuje větší poruchovost
  6. Technologie zápisu – CMR nebo SMR, vysvětleno v popisu disku, SMR má větší hustotu, ale je pomalejší při zápisu
  7. Přístupová doba – udávána v ms, kratší je lepší
  8. Typ použití – interní/externí