Тврди диск

Из Википедије, слободне енциклопедије
Унутрашњост (глава) тврдог диска
Разне генерације тврдих дискова

Тврди или чврсти диск (енгл. hard disk drive (HDD)хард диск драјв, hard diskхард диск или hard driveхард драјв) је врста секундарне меморије. Подаци се снимају магнетним путем, у концентричним круговима (цилиндрима) на површини тврдих округлих плоча (дискова).

Тврди дискови су се појавили на технолошкој сцени 1956. године, као изум предузећа ИБМ, и након свог изласка на тржиште постали су доминантна технологија за секундарно складиштење података у типичним рачунарским системима током 1960-тих. Данас (2017.) тврди дискови се користе у многим рачунарским системима. Недавне иновације су технологије попут тврдих дискова без покретних делова које користе флеш меморију и NAND технологије, полако почињу да постискују магнетске дискове с појединих система као што су преносници. Тврди дискови због непрекидног развоја и усвајања нових технолошких решења још су најпривлачнији као технологија за секундарно складиштење података што се тиче односа следећих својстава: носивости, брзине преноса података, и цене.

Техничка својства[уреди]

Тврди дискови састоје се од једног или више кружних плоча затворених у херметичком кућишту. Ове кружне плоче врте се око једне средишње осе уз помоћу електромотора. Плоче су обично направљене од легуре неког метална (гвожђаа, алуминијума, или неке друге комбинације), док су код неких тврдих дискова плоче израђене од стакла. У процесу израде плоче се обично пресвлаче танким слојем неке феромагнетске материје. Читање и записивање података врши се уз помоћ посебне магнетске главе која лебди непосредно изнад магнетског слоја. Код тврдих дискова с више плоча, магнетске главе су на свакој плочи, и некада с обе стране плоче. Магнетске главе постављају се на посебне носаће који је управљан с посебним механизмом и управљачком јединицом. Податци који се записивају односно читају преко магнетских глава користе разне кодне и модулацијске системе (FM, MFM, MMFM). Предност тврдих дискова је да се податци могу читати:

  • у следу, један за другим, или
  • ван реда с било које тачке коју магнетска глава може досећи.

Ова особност приступа ван реда, довела је до револуције у обради подататака на рачунарским системима, јер више није било потребно читати магнетске траке од почетка до места где се налазе податци, или читати бушене картице које су заузимале много простора и на које није било могуће спремити много података. Ова иновација омогућила је развој нових операционих система, као и развој нових апликацијских програма у којима се подаци могу обрадити у стварном времену.

Носивост[уреди]

Носивост тврдих дискова условљена је различитим факторима, и мењала се током развоја технологије од своје појаве на тржишту 1956. године. На пример приликом развоја првог тврдог диска ИБМ-ови инжињери могли су да развију тврди диск већег капацитета, међутим продајни стручњаци били су уверени да тржиште није способно да прими диск с већим капацитетом. Носивост неког тврдог диска одређена је следећим:

  • квалитетом магнетске материје којим су пресвућене магнетске плоче, и густином магнетске материје
  • величином магнетске главе која одређује ширину траке
  • технологијом записивања (FM, MFM, MMFM)[1]

С побољшавањем технологије током времена носивност тврдих дискова се повећавала у складу са Муровим законом који је приказан на дијаграму. Од појаве тврдог диска 1956 године који је тада имао носивост од 5 MB, носивост дискова брзо је расла, мада је требало да прође 51 година (2007.) да носивост тврдих дискова достигне 1 TB (Тера бајт). За скок од 1 TB до 2 TB је била потребна само једна година.[2]

Кретање раста носивости података од 1956. године до 2009. и поређење према Муровом закону раста. Y-оса је носивост у GB/квадрадном цолу, док је X-оса година. Муров закон је приказан у мангенти

Време приступа подацима[уреди]

Тврди диск је електронско-електрично-механички уређај који има одређена својства која утичу на приступ, односно на складиштење података. Брзина ротације плоча пресвучених магнетским материјама, брзина помицања читачко/писаће магнетске главе с траке на траку, пренос података с магнетске главе с и на магнетску материју, те пренос података према и од рачунара су само део својстава која утичу на време приступа податцима на неком тврдом диску. Три основне карактеристике које утичу на пренос података јесу:

  • латентност
  • време тражења
  • брзина преноса података

Многи дизајнери и произвођаћи имају своја специфична технолошка решења за наведене карактеристике, мада је много пута крање време приступа податцима ограничено стандардима за међуспој тврдих дискова с рачунарским системом, те физичких својстава као брзина ротације тврдог диска.

Латентност[уреди]

Код тврдих дискова, латентност је време које је потребно да се неки део који носи податке на диску поновно појави испод главе за читање и писање. Латентност неког тврдог диска директно је повезана с брзином електромотора који покреће ротацију почица с магнетским премазом. Ово кашњење функција је брзине окретања плоче, и с бржим обртајем плоча, латентност се смањује. Исто тако латентност на тврдом диску условљена је геометријом трака који се налазе на тврдим дисковима. Због разног броја трака на магнесткој плочи латентност на тракама ближе оси окретања биће мања, док латентност према ободима магнестке плоче биће већа. Зато се у литератури обично користи просечна латентност, јер су магнетске плоче релативно мале у радијусу у односу према брзини окретања. Следећа табела садржи просечно време латентности за поједине популарне брзине окретаја које се користи или су се користиле за тврде дискове:

Брзина обртања
[rpm]
Просечна латентност
[ms]
15,000 2
10,000 3
7,200 4.16
5,400 5.55
4,800 6.25

Време тражења[уреди]

Време тражења је време потребно да се дође до неког жељеног блока на тврдом диску, тј од тренутка када се упит послао према тврдом диску, и време које је потребно тврдом диску да дође до жељене минималне честице података која се може записати или прочитати с тврдог диска. На време тражења утичу следећи фактори

  • брзина ротације диска,
  • време да се магнетска глава помери с траке на траку,
  • време да се магнетска глава помери на тражени блок,
  • начин којим се записивају блокови, и
  • начин на који се шаље след послова читања и записивања података
Физичка организција плоче типичног тврдог диска: A-трака
B-Сектор
C-Сектор између трака
D-кластер

На време тражења у знатној мери утиче и место где се магнетска глава налази када се не читају или пишу податци, или начин на који се шаљу послови да се читају или пишу подаци. На пример, ако тврди диск мирује и не постоје послови преко којих се записују или читају подаци пут магнетске главе сигурно ће бити смањен ако рецимо магнетска глава лебди на средишњој траци уместо да стоји на ободу плоче или близу средишње плоче. Исто тако приликом многоструких читања или писања, извршавање послова (читања и писања) према редоследу на који се ти послови појављивају некада није најбоље решен. Многи дизајнери тврдих дискова као и оперативних система измислили су алгоритме у којима покушавају да сманје нагло помицање магнетских глава од обода до средине у циљу да се смањи време тражења на тврдим дисковима.

Принцип рада[уреди]

Магнетски диск своје деловање темељи на физичким основама магнетског поља и својствима феромагнетских материјала. При упису података на њега користе се својства тзв. тврдих феромагнетских материја да након што су магнетизоване спољашњим пољем, остану магнетизоване и након што се спољашње магнетско поље уклони.

Унутрашњост тврдог диска након уклањања магнетских плоча. Лево горе је погон магнетске главе за читање и писање. У средини десно се могу видети навоји статора електромотора који окреће магнетске плоче.

Тврди диск се састоји од неколико плоча, обично од немагнетских материјала, најчешће алуминијума или стакла. Те плоче су премазане са танким слојем феромагнетског материјала дебљине 10 до 20 nm (као поређење, дебљина обичног копираног папира је између 0,07 mm и 0,18 mm - 70.000-180.000 nm).[3] На тај магнетски материјал се обично још стави премаз угљеника као заштитни слој. За магнетски материјал се данас обично бирају легуре кобалта, док су раније били коришћени оксиди гвожђа, хрома, или слично. Диск се окреће око свог средишта брзином од 3000 обртаја/мин до 10000 обртаја/мин, док се тик иза њега налази глава за читање и писање (енгл. read-and-write head), причвршћена на ручку која може да премести главу ближе или даље у односу на средиште диска. На данашњим, модерним дисковима, удаљеност те главе од површине плоче се мери у нанометрима.

Тврди диск растављен у саставне делове
Изглед магнетског записа на диску тврдог диска од 200 MB (слика је направљена помоћу уређаја CMOS-MagView[4]

Складиштење и читање података[уреди]

Подаци се на диск уписују уз помоћ мале спирале која је саставни део главе. Спирала у бираним тренуцима пропушта електричну струју изабраног смера (принцип бинарних бројева, 0 или 1). Магнетска глава састоји се од спирале која је намотана на тврдо феритно језгро. Глава је учвршћена на ручицу коју по диску помера покретач. Уз помоћ њега, глава може да се помера над целим полупречником диска. Магнетска површина плоче у диску је подељена на пуно малих магнетских подручја величине микрометра, а свака од тих површина се користи за чување (кодирање) једног бита информације. До 2005. та подела магнетске површине је била само хоризонтална, али од тада до данас та подела је и вертикална, чиме су добијени тврди дискови већег капацитета (до 2 TB). Због природне кристалне структуре магнетских материјала, те регије на диску се састоје од неколико стотина магнетских честица (једна магнетска честица је величине 10 nm). Протицањем струје кроз спиралу ствара се магнетско поље које се због близине главе протеже и кроз магнетски материјал на површини диска. Како се диск брзо окреће испод главе, сав материјал који прође испод главе се магнетизује у смеру одређеном смером протицања електричне струје. Укључивањем струје у краткотрајним бинарним тренуцима, постиже се на површини диска низ различито магнетизованих подручја једно иза другог, чиме је на диск записан низ података, тј. битова. Подаци се на диску налазе као низ магнетских честица на магнетском слоју диска које су смештене у концентричне кругове.

Читање се на почетку радило користећи чињеницу да када низ различито магнетизованих подручја брзо прође испод спирале магнетске главе, у спирали се индукује електрични напон код сваке промене поља. Индуковани напон и тако добијена струја имају своју јачину, која зависи од јачине магнетског поља, његовог смера, брзине промене магнетског поља испред главе и удаљености главе од диска. Због разлике у индукованом напону на спирали у одређеном тренутку добија се напонски сигнал. Из тог напонског сигнала се може закључити какав је распоред магнетизованих подручја прошао испод ње и тиме се низ битова прочитао. Но, данас се користе друге магнетске појаве, рецимо особине да присутност магнетског поља мења електричну отпорност неког материјала. Код таквих дискова, глава је магнетоотпорна. Приликом проласка читајуће главе преко магнетизоване површине диска, читајућа глава мења свој електрични отпор због промене јачине и смера магнеског поља.

Mногоструке магнетске главе за записивање и читање података учвршћена на ручицу

У данашњим тврдим дисковима главе за читање и писање су одвојене, за разлику од старих дискова на којима се све обављало уз помоћ једне главе. Читајућа глава је магнетоотпорна, док је пишућа глава танкослојна и индуктивна.

Добра својства магнетског диска јесу велики капацитет, постојаност података и брзи приступ подацима. Негативна својства јесу: осетљивост на прљавштину и електромагнетска поља, као и ограничење максималне густине података. Магнетски диск је посебно осетљив на електромагнетска поља и при руковању треба имати то на уму.

Историја[уреди]

Прве тврде дискове је направио IBM 1955. године[5] (IBM 350 Disk File за свој рачунар IBM 305), а изумео их је Рејнолд Џонсон. Укупни капацитет им је био 5 милиона 6-битних карактера (3.75 мегабајта). Имали су 50 дискова пречника 61 cm са 100 површина за снимање. Свака површина је имала по 100 трака. Имали су једну једину главу (уместо једну по површини) па је време приступа било веома дуго.

Нешто касније су произведени и уређаји са променљивим пакетима тврдих дискова, али је због недовољне прецизности у позиционирању глава овај систем значајно ограничавао капацитет, те је убрзо и напуштен.

Године 1973. године IBM је произвео први потпуно затворени систем (3340 "Winchester").[6] Ово име („винчестер“) је остало у честој употреби до пред крај 20. века, а још увек се користи у неким језицима (нпр. у руском и украјинском).

Историјат од 1980. године до данас[уреди]

Поређење између физичке величине и запремине тврдих дискова у формату 5,25 cola (110 MB) и 2,5 cola (6.495 MB)
  • 1980. - први диск од 1 GB, IBM 3380, величине фрижидера, тежак око 250 килограма, и цене око 40.000 долара.
  • 1986. - стандардизација SCSI интерфејса
  • 1998. - стандардизација UltraDMA/33 и ATAPI приступа
  • 2002. - адресирање преко 137 GB простора на диску
  • 2003. - увођење SATA стандарда
  • 2005. - први 500 GB тврди диск (Hitachi)
  • 2005. - стандардизација Serial ATA 3G
  • 2005. - увођење SAS стандарда (Serial Attached SCSI)
  • 2005. - Toshiba уводи вертикално записивање
  • 2006. - први диск од 750 GB (Seagate)
  • 2007. - први диск од 1.000 GB (1 TB - терабајт) Hitachi[7]
  • 2008. - први диск од 1,5 TB (Seagate)
  • 2009. - први диск од 2 TB (Western Digital)
  • 2010. - први диск од 3 TB (Seagate)

Будућност тврдих дискова[уреди]

Носивист многих данашних тврдих дискова (2015.) приближава се 1 TB по квадратном цолу[8], а развојем разних технологија за магнетске главе, те нових технологија за записивање податка, те испуњавање унутрашњости с инертним гасовима и још неким другим иновацијама омогућене су густине записивања и до 4 TB по квадратном цолу магнетског медија.

Логичка структура[уреди]

Тврди диск је подељен на логичке делове: Master boot record, остатак трага 0 (Remain of track 0), Boot Record (садржи информације и датотеке потребне за подизање оперативног система), FAT1 и FAT2 (садрже таблице датотека и њихову локацију унутар партиције), Boot directory (бележи структуру директоријума на партицији), и највећим делом DATA, у ком су сачувани подаци.

Организација података[уреди]

Врсте тврдих дискова[уреди]

Постоје екстерни (спољни) и интерни (унутрашњи) хард-дискови. Екстерни су великог капацитета (и до неколико терабајта), али зато могу бити велики као кућиште рачунара. Интерни хард-дискови знатно су мањих димензија, али зато располажу и мањим капацитетима. Постоје магнетски интерни хард-дискови (најчешћи 99,99% корисника) и флеш (енгл. Flash) интерни хард-дискови, који се одликују великом брзином уписа/исписа података, али су знатно скупљи. Флеш меморија се првенствено користи за мале капацитете и користи се за меморијске картице.[9]

Повезивање тврдог диска са рачунаром[уреди]

Постоји јако много начина повезивања хард-диска и рачунара (тачније матичне плоче), а најчешћи су: ATA (ATA33, ATA100, ATA133), UDMA, PIO, IDE, S-ATA, S-ATA2, S-ATA3. Тренутно најбржи од поменутих је S-ATA3 који се одликује јако великом брзином преноса података. Стандард повезивања за екстерне хард-дискове је E-SATA.[10]

Стандардне величине тврдих дискова[уреди]

Бивши и садашњи обрасци за тврде дискове
Образац Стање Дужина [mm] Ширина [mm] Висина [mm] Запремина Број плоча (макс) Запремина
По плочи [GB]
3.5-цола Садашњи 146 101.6 19 или 25.4 8 TB[11](2014.) 5 или 7[12]
2.5-цола Садашњи 100 69.85 5,[13] 7, 9.5, 12.5, 15, или 19[14] 2 TB[15] 4 667[16]
1.8-цола Садашњи 78.5 54 5 или 8 320 GB[17](2009.) 2 220 
8-цола Не користи се 362 241.3 117.5
5.25-цола FH Не користи се 203 146 82.6 47 GB[18] (1998.) 14 3.36
5.25-цола HH Не користи се 203 146 41.4 19.3 GB[19] (1998.) 4 4.83
1.3-цола Не користи се 43 40 GB[20] (2007.) 1 40
1-цола (CFII/ZIF/IDE-Flex) Не користи се 42 20 GB (2006.) 1 20
0.85-цола Не користи се 32 24 5 8 GB[21][22] (2004.) 1 8

Међусклопови[уреди]

ST-412/506[уреди]

Име ST506 има историјско значење, наиме фирма Seagate је 1980. године увела тај међусклоп са својим тврдим дисковима од 5 мегабајта, и прецизно је дефинисала сучеље према контролеру. Годину дана касније појавио се нови модел, ST412 и дискови од 10 мегабајта. ИБМ је прихватио идеју, и то сучеље данас знано под именом ST412/506.

Због ограничене брзине преноса података (за MFM 5 мегабита/s, за RLL 7,5 мегабита/s), постоји могућности прикључивања само два диска у једном рачунару, те је сучеље ускоро напуштено.

ESDI[уреди]

ESDI је сучеље фирме Maxtor настало 1983. године, које омогућава максималну брзину од 24 мегабита у секунди. Такође, на тај начин је било могуће спојити седам дискова у једном рачунару, али сучеље баш и није заживјело.

ATA[уреди]

  • IDE - скраћеница за intelligent drive electronics, донео је нова повећања брзина преноса, али за само два диска у рачунару.
  • EIDE - enhanced или побољшани IDE, 4 диска + повећане брзине преноса података
  • PATA - паралелни ATA
  • SATA - серијски ATA
Поглед на унутрашњост тврдог диска фирме Seagate ST33232A из 1998. године, који користи паралелни ATA међусклоп PATA

SCSI[уреди]

  • SCSI (small computer systems interface) доноси од почетка 7 дискова у рачунару, касније новим стандардима (SCSI II, Fast SCSI и Wide SCSI) и 15 SCSI јединица у рачунару
  • SCSI II
  • Fast SCSI
  • Wide SCSI

SCSI није сучеље ограничено само на тврде дискове/оптичке погоне као ST412/506, ESDI и IDE/EIDE, већ је на SCSI такође могуће прикључити и спољашње јединице попут пресликача (скенера).

Нобелова награда[уреди]

Алберт Ферт и Петер Гринберг добили су Нобелову награду за физику 2007. године за своје откриће дивовског магнетоотпора (GMR) - засебно су дошли до тог открића 1988. године. Ова се технологија данас користи у свим тврдим дисковима.

Види још[уреди]

Референце[уреди]

  1. Storage Devices & Interfacing
  2. Amazing facts and figures about the evolution of hard disk drives
  3. „Thickness of a Piece of Paper”. Приступљено 15. 10. 2013. 
  4. CMOS-MagView instrument za vizualizaciju magnetskih zapisa
  5. „IBM 350 disk storage unit”. Приступљено 15. 10. 2013. 
  6. „IBM Archives: IBM 3340 direct access storage facility”. 03.ibm.com. Приступљено 20. 7. 2011. 
  7. „Hitachi Introduces 1-Terabyte Hard Drive”. Приступљено 15. 10. 2013. 
  8. Bruno Marchon, Thomas Pitchford, Yiao-Tee Hsia, i Sunita Gangopadhyay2The Head-Disk Interface Roadmap to an Areal Density of Tbit/in2, Advances in Tribology Volume 2013 (2013), Article ID 521086, 8 pages, http://www.hindawi.com/journals/at/2013/521086/ pristupljeno: 2. 6. 2015.
  9. „external hard drive”. Приступљено 15. 10. 2013. 
  10. „How to Add a Hard Drive to Your Computer in 8 Steps”. Приступљено 15. 10. 2013. 
  11. 8TB HDD Now Shipping ...
  12. Ultrastar He6: 6TB 3.5-inch Helium Platform
  13. Western Digital builds 5mm-thick hybrid hard drive, Ultrabook makers sign on early
  14. Quantum Go*Drive specifications
  15. Western Digital WD20NPVX Specifications
  16. Samsung M9T Mobile SATA Drive Datasheet
  17. Toshiba Introduces Industry's Largest-Capacity[1, 320GB 1.8-inch HDD]
  18. Seagate Elite 47, shipped 12/97 per 1998 Disk/Trend Report – Rigid Disk Drives
  19. Quantum Bigfoot TS, shipped 10/98 per 1999 Disk/Trend Report – Rigid Disk Drives
  20. SDK Starts Shipments of 1.3-Inch PMR-Technology-Based HD Media
  21. Proving that 8 GB, 0.85 inch hard disk drive exists
  22. Toshiba Enters Guinness World Records Book with the World's Smallest Hard Disk Drive

Литература[уреди]

Спољашње везе[уреди]