Vše, co jste kdy chtěli vědět o pevném disku - 1. část

Víte, z čeho se skládají a jak fungují pevné disky? Chcete vědět, co ovlivňuje výkon disků a proč tomu tak je? Článek je vzhledem ke své velikosti rozdělen na dvě části, přičemž ta druhá spatří světlo světa v pátek.
Vše, co jste kdy chtěli vědět o pevném disku - 1. část
Kapitoly článku

Na úvod trocha historie...

Pevný disk je nedílnou součástí každého dnešního PC a je také jednou z nejzajímavějších součástí. Svoji dlouhou a zajímavou historii započal už v 50. letech, kdy inženýři společnosti IBM zkonstruovali první pevný disk IBM 305 RAMAC s kapacitou celých 5MB ! Pojďme se stručně podívat, jak se pevné disky vyvíjely:

• 1962: IBM uvedlo na trh disk s kapacitou 28 MB a se znatelným zvýšením výkonu.
• 1965: IBM uvedlo model 2310 – první výměnný disk.
• 1973: Další model od IBM, označený 3340, přezdívaný Winchester s kapacitou 60 MB. První disk, který se technicky začínal podobat dnešním diskům.
• 1980: Seagate uvedl model ST-506, který je prvním 5.25" diskem.
• 1983: Rodime uvedl RO352, první 3.5" disk.
• 1988: Conner Peripherals uvedl model CP3022, který se stal prvním 3.5" diskem s úzkým profilem (vypadá už jako dnešní disk).
• 1988: PrairieTek uvedl disk s 2.5" plotnami. Tyto disky se dnes používají v přenosných počítačích. 

Co je uvnitř

Základem pevného disku je přibližně 1mm silná lehká plotna ve tvaru disku, vyrobená většinou ze slitin hliníku. Na této plotně se nachází magnetická vrstva a na ní je ještě nanesena tenká vrstva maziva, chránící magnetickou vrstvu před poškozením. Nad těmito vrstvami pluje na vzduchovém polštáři v nepatrné výšce čtecí a zápisová hlava. Při zápisu dat na pevný disk prochází čtecí a zápisovou hlavou proud, který zmagnetizuje magnetickou vrstvu.

Při čtení pak tato magnetická vrstva indukuje v hlavě proud, který je snímán, zesilován a zpracováván dalšími obvody. Magnetická vrstva se nanáší z obou stran plotny, tzn. každé plotně přísluší dvě hlavy. Do disku se většinou nedává jen jediná plotna ale ploten několik, které jsou spojeny středem disku (vřetenem) do svazku. Tím dochází ke zvýšení kapacity pevného disku. Otáčení svazku ploten umožňuje motor v jádru vřetene nebo na povrchu jednotky. Rychlost otáčení ploten je u nových pevných disků 7200 otáček za minutu.

Klepněte pro větší obrázek

Plotny

Plotny jsou nejdůležitější částí disku, protože právě na nich jsou uložena data. První pevné disky měly plotny o velikosti 5.25", ale dnes jsou plotny velké 3.5". Možná si řeknete, proč tomu tak je. Vždyť přece větší plotna znamená větší kapacitu. To je sice pravda, ale výrobci disků zjistili, že je lepší ztratit trochu na kapacitě a získat mnohem víc na rychlosti (podrobnosti dále). Právě zvýšení rychlosti disku, větší výtěžnost (protože plotny musí být dokonale ploché, je u menších ploten menší pravděpodobnost defektu), rychlejší roztočení z klidového stavu, úspora energie (není potřeba tak silný motor na točení disků) a z toho vyplývající menší zahřívání disku jsou důvody pro menší plotny. Snaha o co nejrychlejší disk přiměla některé výrobce zmenšit plotny až na 2.5" (např. Seagate Cheetah s 15000 ot/min určený do serverů), ale formát disku zůstal 3.5", aby byla zachována možnost připevnění disku do PC bez úprav.
V dnešních pevných discích bývají zpravidla 1-3 plotny, ale některé serverové řady disků mají kvůli rychlosti až 10 ploten.

Každá plotna má dva povrchy, na kterých mohou být uložena data (tak může existovat disk o kapacitě 60GB a velikosti plotny 40GB), a každý povrch má svojí čtecí / zapisovací hlavu. Čím méně ploten disk má, tím lépe. Pokud má disk více ploten, je většinou hlučnější, více vibruje a pomaleji se roztáčí. Proto se výrobci disků snaží, aby měl pevný disk co největší kapacitu na plotnu a co nejméně ploten. Jak už bylo zmíněno, plotny jsou většinou vyrobeny z hliníkových slitin. Výjimkou je firma Hitachi (dřívější IBM), která již delší dobu vyrábí plotny ze skla. Vzhledem k tomu, že plotny musí být extrémně hladké a ploché, je to určitě výhoda (viz obrázek). Další výhodou skleněných ploten je větší odolnost vůči teplu a větší pevnost, nevýhodou je naopak křehkost, v případě, že je plotna příliš tenká.

Klepněte pro větší obrázek
Na pravé straně plotna z hliníku, na levé straně ze skla... Také další firmy experimentují s novými typy ploten.

Magnetická vrstva

Magnetická vrstva nanesená na plotnu je buď z oxidu železa (u starších disků) nebo z velmi slabě naneseného magnetického substrátu (na obrázku je nahoře), který je lepší pro dnešní vysokokapacitní disky (může totiž nést mnohem více informací na stejně velkém povrchu).

Hlavy

Další částí disku jsou hlavy pro čtení a zápis, které jsou vlastně rozhraním mezi magnetickým mediem a elektronikou disku (a tím i zbytkem PC). Také tyto hlavy ovlivňují velmi silně výslednou rychlost disku. Jejich princip je přitom velmi jednoduchý. Jsou to v podstatě měniče energie - mění elektrické signály na magnetické a naopak. Samotná hlava se skládá ze dvou částí, jedna je pro čtení a druhá pro zápis. Tak může být každá část hlavy optimalizována pro svou činnost, a nemusí být univerzální, jak tomu bylo u starších disků. To zvyšuje výkon. V principu se vlastně hlavy podobají hlavám na videorekordéru, až na jednu velkou výjimku – nikdy se nedotýká hlava disku s povrchem disku (s plotnou), pouze při startu nebo vypnutí. Vzdálenost je ale opravdu minimální, u dnešních disků je 5000x menší než je průměr lidského vlasu. Proto se také na plotnu nesmějí dostat žádné nečistoty, protože ty jsou ve srovnání s těmito velikostmi přímo obrovské a okamžitě by způsobily zničení hlavy disku.

Klepněte pro větší obrázek

Z tohoto důvodu je „uvnitř“ filtr, který dovoluje proudění vzduchu do disku (pro vyrovnání tlaku), a zároveň brání vniknutí nečistot. Je důležité, aby si hlavy zachovaly ten správný „odstup“ od plotny – pokud by se dostaly příliš daleko, špatně by zapisovaly a četly, pokud by se dostaly příliš blízko, hrozí srážka s plotnou. Některé dnešní disky proto mají pro kontrolu SMART položku Head Flying Height. Raději nehýbejte s diskem, pokud je zapnutý, jinak by se mohly dotknout hlavy disku s plotnou, což může vést k poškození dat nebo i zničení disku.

Je samozřejmé, že hlavy musí být nějakým způsobem uchyceny ke zbytku pevného disku. To je provedeno pomocí raménka, které má na druhém konci než jsou hlavy tzv. vychylovací cívku. Když protéká touto cívkou určité množství proudu, je vyvoláno magnetické pole, které vychýlí vystavovací raménko do požadované polohy. Disky jsou doplněny zpětnou vazbou, proto u nich nehrozí nebezpečí, že by se hlava nedostala nad požadovanou stopu. Touto zpětnou vazbou jsou naváděcí informace, které jsou většinou na jedné vyhrazené ploše disku. Tyto informace jsou čteny a vyhodnoceny elektronikou disku. Podle nich se pak proud ve vychylovací cívce upraví tak, aby se hlava nacházela vždy na požadovaném místě.

Při ukončení práce s diskem a vypnutí počítače se hlavy musí přesunout do takzvané přistávací zóny (landing zone), kde po zastavení ploten dosednou na jejich povrch. U prvních disků se parkování hlav provádělo příkazem systému. Nyní už se s disky bez parkovacího systému nesetkáme. U nových pevných disků je systém parkování zdokonalen. U všech druhů disků totiž hrozí nebezpečí, že po mnoha přistáních v parkovací zóně dojde k poškození čtecí a zapisovací hlavy, a tím i ke ztrátě informací. Proto výrobci přidávají do pevných disků speciální držadla, která při přesunu hlav do přistávací zóny hlavy zachytí, takže na povrch disků vůbec nedosednou. Po opětovném přivedení napájecího napětí na disk jsou hlavy z těchto držadel uvolněny až po roztočení disku na plné otáčky. Tím je zabráněno tomu, aby se hlava, např. vlivem chvění, nedotkla povrchu disku při jeho roztáčení a nepoškrábala jej, nebo se sama nezničila. Tímto mechanismem parkování se tedy zvyšuje spolehlivost pevného disku, snižuje nebezpečí ztráty dat, ale zvyšuje se i cena celého řízení.

Témata článku: Pevné disky, Landing Zone, Magnetická vrstva, Pokyn, Zóna, Čtení, Proud, Zjednodušený příklad, Zápis, Silný motor, Firmware, První motor, Sklo, Oxid, Požadovaná rychlost, Disk, Flying, Cheetah, První model, Nedílná součást, Tenká vrstva, Poslední kontrola, Tenký model, Klidový stav, Disko


Určitě si přečtěte

Intel vs. AMD: souboj vícejádrových procesorů začal. AMD zesměšňuje Intel neuvěřitelně nízkou cenou

Intel vs. AMD: souboj vícejádrových procesorů začal. AMD zesměšňuje Intel neuvěřitelně nízkou cenou

** AMD představilo nové levné procesory až s 32jádry ** AMD útočí na serverový i domácí trh Intelu ** Intel nemá konkurenceschopnou nabídku

Karel Javůrek | 84

Alan Turing: Genius, který matematicky stvořil počítač

Alan Turing: Genius, který matematicky stvořil počítač

Řešením matematického problému se dostal k modelu teoretického stroje, který nese jeho jméno a je základem logiky univerzálních počítačů.

Pavel Tronner | 58

USA se vrací do vesmíru! NASA představila devět statečných pro první lety soukromých lodí

USA se vrací do vesmíru! NASA představila devět statečných pro první lety soukromých lodí

** NASA zveřejnila nové termíny prvních demonstračních letů dvou soukromých kosmických lodí ** Známe už také jména prvních astronautů ** Jako první poletí k ISS Crew Dragon od SpaceX

Petr Kubala | 15

Budoucnost elektroniky: čeští vědci stojí za revolučním čipem, který nemá ve světě obdoby

Budoucnost elektroniky: čeští vědci stojí za revolučním čipem, který nemá ve světě obdoby

** Čeští vědci pod vedením Tomáše Jungwirtha vyvíjí nový typ revolučního paměťového čipu ** Zatímco v současnosti elektronika pracuje s elektrony, v budoucnu to budou spiny elektronů ** Čipy budou moci být klidně i 1 000x rychlejší a úspornější

Karel Javůrek | 32

USB-C už mělo být všude, ale není. Tak kde to vázne?

USB-C už mělo být všude, ale není. Tak kde to vázne?

** Konektor USB-C byl představen už před čtyřmi roky ** Praktické univesrzální rozhraní však stále není rozšířeno ** Výrobcům hardwaru se do změny moc nechce

David Polesný, Vladislav Kluska | 87

Apple: naše mapy budou nejlepší na světě. Tajně jsme na nich pracovali několik let

Apple: naše mapy budou nejlepší na světě. Tajně jsme na nich pracovali několik let

** Apple odhalil své plány na zcela nové mapy ** Několik let pracuje na nových mapách, které by měly předběhnout konkurenci ** Objeví se s příchodem iOS 12 pro vybrané státy

Karel Javůrek | 50

Portál občana už funguje. Na státní web vypadá až překvapivě použitelně

Portál občana už funguje. Na státní web vypadá až překvapivě použitelně

** Portál občana už funguje, vyřídíte na něm první požadavky ** Funkce se budou postupně rozšiřovat ** Web je docela moderní a přehledný

David Polesný | 66


Aktuální číslo časopisu Computer

Jak mobily určují svoji polohu?

Velký test notebooků pro studenty

Nejlepší reproduktory na párty

Služby a aplikace pro výuku angličtiny