Grup Şcolar ,,Regina Maria” Roman
PROIECT DE CERTIFICARE A COMPETENŢELOR PROFESIONALE
Specializarea: TEHNICIAN IN AUTOMATIZARI
Absolvent
Indrumator
Balinisteanu Cosmin
Prof.Andrioae Viorel
2013-2014 Page 1 of 33
CUPRINS
Argument.......................................................................................................4 1. Istoric.....................................................................................................................5 2. Generalități...........................................................................................................6 2.1 Anatomia unui HDD................................................................................7 3. Tipuri de HDD-uri................................................................................................8 3.1 După mărime............................................................................................8 3.2 Hard-disk-uri externe si interne................................................................9 4. Construcția unui HDD.........................................................................................9 4.1 Platanul....................................................................................................10 4.2 Capetele de citire/scriere.........................................................................10 4.3 Modele de capete de citire/scriere...........................................................11 4.4 Suporturi de înregistrare..........................................................................12 4.5 Porturi și cabluri......................................................................................13 4.6 Dispozitivul de acționare al capului........................................................15 5. Funcționarea HDD-ului......................................................................................18 5.1 Transferul datelor la memorie.................................................................18 5.2 Fragmentarea și defragmentarea..............................................................19 5.3 Interfața de conectare...............................................................................19 5.4 Capacități de stocare și viteze de acces....................................................20 6. Formatarea HDD-ului/ Partiționarea.................................................................20 6.1. Formatarea de nivel jos............................................................................20 6.2. Formatarea de niven înalt.........................................................................21 7. Performanțe...........................................................................................................22 7.1 Viteza de rotație........................................................................................22 7.2 Tipul interfaței...........................................................................................22 7.3 Cache.........................................................................................................23 7.4 Rata de transfer..........................................................................................23 7.5 Capacitate, Durabilitate, Dimensiuni.........................................................23 8. Citirea și scrierea pe Hard-disk............................................................................24 8.1 Citirea datelor pe hard-disk........................................................................24 8.2 Scrierea datelor pe hard-disk......................................................................24 9. Prețul per megabit și capacitatea de stocare........................................................25 10. Caracteristici.........................................................................................................25 11. Discul fizic ( physical drive) și discul logic (logical drive)................................26 12. Filtre de aer........................................................................................................27 Bibliografie...................................................................................................29
Page 2 of 33
Argument
Din totalitatea temelor care mi s-au prezentat, m-am hotărât să aleg ''Stocarea datelor pe Hard-disk'' deoarece este o temă fascinantă dat fiind faptul că hard disk-ul este o componentă de bază a calculatoarelor. Fără hard disk, practic nu ar exista calculatoarele, nu ar avea unde să se stocheze datele necesare. Luând în considerare hard diskurile din trecut, conștientizăm faptul ca de la dimensiuni imense și capacitate mică de stocare, au ajuns sa incapă cu ușurință până și într-un buzunar, fiind capabile sa stocheze cantități foarte mari de date. Necesitatea calculatoarelor este importantă in această epocă, fiecare componentă având rolul ei vital, hard diskul fiind una dintre cele mai complexe componente.
1. Istoric Hard-disk-ul (HDD) servește drept memorie non-volatilă ,mediu de stocare pentru documentele , fișierele sau aplicațiile utilizatorului. Hard-diskurile au fost inventate în anii 1950, fiind initial discuri mari cu un diametru de 20 de inchi. Inițial se numeau discuri fixe sau “Winchester”. În 1954 IBM a inventat primul hard -disk cu o capacitate, extraordinară pentru acea perioadă , de 5MB impărțită pe 24 de platane. Cu 25 de ani mai târziu Page 3 of 33
cunoscutul producator de HDD-uri, Seagate introduce pe piață primul HDD pentru calculatoa re personale ,capabil să înmagazineze până la 40 MB, ajungând la rate de transfer de 625 KB/s folosind modul de codare MFM ( Modified Frequency Modulation). Acest mod de codare era folosit de vechile FDD-uri (floppy disk drive) sau sisteme de înmagazinare de date .Este destul de greu de crezut că în anul 1980, spațiul de 100 MB pe hard -disk era considerat foarte generos în timp ce în zilele noastre ar fi cu totul nefolositor chiar și numai pentru sistemul de operare. Ținând cont de cererile de consum, ȋn secolul al XXI-lea utilizarea HDDurilor s-a extins și ȋn dispozitive cum ar fi camere video, telefoane mobile (de exemplu Nokia N91), playere audio digitale, playere video digitale, videoînregistratoare digitale, Personal Digital Assistants (PDA-uri) și console de jocuri video. Hard disk-urile moderne au un diametru de 3.5", un exemplu tipic este Fireball Quantum, din imaginea de mai jos... Capacul a fost eliminat, astfel încât să poată fi văzut brațul de sus, cu citire de scriere.
Page 4 of 33
2. Generalități Hard-disk-ul este un dispozitiv electronic-mecanic pentru stocarea sau memorarea nevolatilă (permanentă) a datelor. Utilizatorul nu poate , nu are voie să despartă discul de circuitele de comandă corespunzătoare, împreună ele formează așa-numita „unitate fixă”, „unitate de disc fix” sau, prescurtat, HDD (de la hard disk drive). O unitate de hard-disk conține platane rigide, sub formă de disc, confecționate de obicei din aluminiu sau sticlă. Spre deosebire de dischete, platanele nu se pot curba sau îndoi. În majoritatea unităților de hard-disk , discurile nu se pot extrage, din acest motiv fiind numite unitati de disc fix. Există și unități de hard-disk amovibile; uneori acest termen se referă la un dispozitiv în care întregul modul de unitate este amovibil. Stocarea datelor se face pe o suprafață magnetică dispusă pe platane rotunde metalice rigide (dure). În general discurile dure sunt utilizate ca suport de stocare extern principal pentru servere și calculatoare personale, dar și pentru anumite aparate electronice (playere și recordere DVD, playere MP3). Dacă la începuturi capacitatea unui disc dur nu depășea 20 megaocteți (MO) = 20 megabait (MB), astăzi (2009) un disc dur obișnuit de 2 1/2 țoli poate depăși 1 teraoctet (TO) = 1 terabait (TB). De când se folosesc hard-diskurile în sistemele PC, acestea au suferit transformări radicale și anume: Capaciățile de stocare maxime au crescut de la 10Mb în unitățile disponibile din 1982 pana la 1Tb (1024Gb) sau mai mult în unitățile disponibile astăzi. Ratele de transfer de date de pe suport au crescut de la câțiva Kb/s pentru modelul original de IBM XT 1983, la 800Mb/s pentru unele din cele mai rapide HDD-uri externe si chiar SSD-uri (solid state drive). Timpul mediu de căutare a scăzut de la peste 85 ms pentru hard-diskurile XT de 10Mb din 1983 la mai puțin de 4.2ms pentru unitățile de astăzi. Un hard-disk functionează aproape la fel ca o casetă obijnuită. Atât hardurile cât și benzile magnetice folosesc aceleași tehnici de inregistrare magnetică, având un mare avantaj: se pot scrie si rescrie foarte repede și pot ține datele destul de mulți ani.
Page 5 of 33
2.1.
Anatomia unui HDD
1. Disc sau discuri neflexibile din metal (platane) acoperite cu un strat de material magnetizabil. Aceste discuri sunt învârtite de un motor ce poate dezvolta o viteză de rotaţie de ordinul miilor de rotaţii pe minut (RPM). În prezent hard disk-urile obişnuite sunt cotate la viteze ce încep de la 5400 de rotaţii pe minut. 2. Braţ deplasabil care conţine capul de citire/scriere. În cazul în care un hard disk conţine mai multe platane suprapuse, atunci fiecare dintre acestea sunt deservite de un cap de citire/scriere propriu. 3. Un al doilea motor care poate deplasa capul de citire scriere în orice punct al suprafeţei de stocare. 4. Parte electronică ce controlează activităţile de citire/scriere şi de transferare a datelor dinspre şi către calculator. În componenţa acestei părţi intră şi o cantitate redusă de memorie ultrarapidă de tip cache. 5. Carcasă din metal în care sunt încapsulate componentele mecanice şi o parte din cele electronice. Această carcasă are rolul de a se comporta şi ca un radiator prelunând caldura degajată de discurile ce se rotesc la viteze foarte mari. Pentru comparaţie, banda unei casete audio se deplasează pe sub capul de citire cu o viteză de aproximativ 5-10 cm pe secundă (~0,3 km/h), în timp viteza de rotaţie a discurilor unui hard disk depăşete şi 136 km/h
Page 6 of 33
3. Tipuri de HDD-uri 3.1.
După mărime
În funcție de diametrul platanelor de stocare cele mai comune tipuri de hardisk-ri sunt cele de 3.5 inch respectiv 2.5 inch. Hard disk-urile de 3.5 inch sunt cele mai răspândite în rândul PC-urilor obișnuite și se gasesc montate interiorul unității centrale. Un calculator obișnuit nu este limitat doar la un hard disk, acesta poate avea la dispozitie de regulă cel putin patru hard disk-uri interne, numărul acestora putând fi crescut prin adăugara unor plăci de extensie. Hard disk-urile de 2.5 inch deserversc în general calculatoarele portabile dar și-au găsit utilitatea și în interiorul altor echipamente electronice cum ar fi DVDRecordere, console, camere video, MP3 playere, etc. Acest tip de hard disk-uri necesită o alimentare de doar 5V ceea ce reduce considerabil consumul de energie față de modelele de 3.5 inch care necesită 12V pentru a funcționa. Dacă la capitolul consum de energie aceste modele ies câștigătoare, la capitolul performanță modele de 3.5 inch dau dovadă de o rată de transfer a datelor superioară. Pentru echipamentele portabile, fiecare milimetru contează de aceea există și hard disk-uri de 1.8 inch, cea mai comună utilizare a acestor hard disk-uri o reprezintă foarte popularele playere iPod cu hard disk produse de catre compania americană Apple.
Page 7 of 33
3.2.
Hard-disk-uri externe și interne
Hard disk-ul intern este gândit să funcționeze în interiorul unității centrale. Putem scoate un hard disk intern din unitatea centrală și il putem conecta la o altă unitate compatibilă dar nu este tocmai o soluție practică având în vedere că hard disk-urile sunt dispozitive sensibile la șocuri. Pentru a transfera cantități mari de date și pentru portabilitate există hard disk-urile externe. Acestea încapsulează într-o cutie, de regulă metalică, un hard disk obișnuit de 3.5 sau 2.5 inch. Hard disk-urile externe ce incorporeză un drive de 3.5 inch necesită și o sursă de alimetare separată pe când cele echipate cu unități de 2.5 inch se pot mulțumi și cu cei 5V și 0.5A furnizați de portul USB. Conectarea unui hard disk extern se realizează preponderent prin interfața USB, dar există și soluții care folosesc interfața FireWire, eSATA (de la external SATA) sau chiar interfața ethernet pentru conectarea într-o rețea de calculatoare.
Page 8 of 33
4. Construcția unui HDD Denumirea „hard-disk”(disc rigid) arată de fapt proprietatea fizică a discurilor din interiorul carcasei. Aceste discuri se numesc platane și sunt compuse dintr-un substrat și un mediu magnetic . Substratul sau materialul de bază din care este făcut platanul trebuie, prin natura lui să fie un material non-magnetic capabil să fie prelucrat în forme foarte subțiri (grosimea acestor platane este de ordinul milimetrilor sau chiar mai mici). Astfel, materialele alese pentru realizarea platanelor sunt aluminiul sau o mixtură între sticla și un material ceramic .Pentru a permite stocarea datelor, ambele părți ale platanului sunt acoperite cu un strat foarte subțire de material cu proprietăți magnetice foarte bune (o peliculă de oxid magnetic) sau, mai recent, cu un strat metalizat foarte subțire.
4.1.
Platanul
Este de fapt suportul magnetic pe care se stochează datele .Dimensiunile (diametrul) acestuia pot fi de 3.5” sau 5.25”, cele mai intâlnite fiind de 3.5”. Materialul de bază din care sunt făcute aceste platane, este sticla deoarece este foarte maleabilă ușor de finisat la dimensiuni mici si rezistentă (în ciuda dimensiunilor extrem de mici) la forțele fizice care acționează asupra sa în momentul funcționării. Interiorul hard-disk-ului trebuie ferit de acțiunea prafului, Page 9 of 33
presiunea constantă a aerului din interior fiind păstrată cu ajutorul unor filtre.Platanele sunt complet izolate fiind menținute intr-un vacuum parțial. De regulă există două sau trei platane așezate unul peste altul și fixate de un ax ce rotește tot ansamblul de platane la mii de rotații pe minut(4000-10000 Rpm).Între platane există spațiu, ele nefiind lipite, tocmai pentru a permite capului de citire/scriere (montat pe brațul ce îl antrenează) să se deplaseze pe toată lățimea platanului. Din această cauză, o singură particulă de praf ar fi de ajuns pentru a se realiza contactul între capul de citire/scriere și suprafața magnetică a platanului ducând la zgârierea irecuperabilă a acestuia,compromițând astfel datele aflate în acea zonă. 4.2.
Capetele de citire/scriere. O unitate de hard-disk are de obicei câte un cap de citire/scriere pentru
fiecare față de platan (adică fiecare platan are două seturi de capete de citire/scriere, unul pentru fața superioară și unul pentru fața inferioară a platanului). Aceste capete sunt conectate, sau solidare, pe același mecanism de deplasare. Astfel, capetele se deplasează împreună pe deasupra platanelor. Din punct de vedere mecanic, capetele de citire/scriere sunt simple. Fiecare cap se află pe un braț al dispozitivului de acționare, braț acționat de un resort pentru a presa capul în contact cu un platan. Puțini realizează că fiecare platan este "strâns' între capetele de deasupra și de sub el. Dacă am putea să deschidem o unitate în condiții de siguranță și să ridicăm capul de deasupra cu degetele, când iam da drumul, ei ar scăpa inapoi pe platan. Când unitatea nu funcționează, capetele sunt împinse în contact , direct cu platanele de către tensiunea din resorturi, dar când unitatea funcționează la turație normală, apare o presiune a aerului sub capete, care le ridică de pe suprafața platanelor. La o unitate functionând la turație normală, distanța dintre cap și platane poate să fie între 3 și 20 μ inci sau mai mult. Page 10 of 33
4.3.
Modele de capete de citire/scriere
De-a lungul anilor, în unitățile de hard-disc au fost utilizate patru modele de capete: Cu ferită Peliculare (Thin Film-TF) Cu întrefier metalizat (MIG- Metal-In-Gap) Magneto-rezistive (MR) Cu ferită: capetele cu ferită au un miez de oxid de fier înfășurat în bobine electromagnetice. Unitatea produce un câmp electromagnetic alimentând bobinele sau trecând un câmp magnetic pe lângă ele, aceasta conferă câpului capacitatea integrala de scriere și citire. Capetele cu ferită nu pot scrie pe suportul cu coercitivitate magnetică ridicată și au un răspuns de frecvență slab la nivelul de zgomot mai mare. Principalul avantaj al capetelor cu ferită este faptul că sunt tipul cel mai ieftin disponibil. Cu întrefier metalizat. Capetele cu întrefier metalizat (M1G-Metal-In-Gap) sunt versiuni cu îmbunătățiri speciale ale capetelor cu ferită compozită. În capetele MIG, pe întrefierul de înregistrare al capului se aplică o substanță metalică. Există două variante de capete MIG: cu o față și cu două fețe. Capetele MIG cu o singură față sunt realizate cu un strat de aliaj magnetic aplicat pe marginea din urmă a întrefierului. Capetele MIG cu două fețe au acest strat aplicat pe ambele laturi ale întrefierului. Acest aliaj metalic este aplicat printr-un proces de depunere în vid numit pulverizare. Page 11 of 33
Peliculare. Capetele peliculare (TF-thin film) sunt fabricate în maniera asemanatoare cipurilor semiconductoare, adică printr-un proces fotolitografic. Acest proces creează multe mii de capete pe o singură foiță circulară, rezultând un produs foarte mic și de bună calitate. Capetele TF au un întrefier extrem de îngust și precis dimensionat, care este creat prin
pulverizarea unui material solid pe bază de aluminiu. Pentru că materialul
închide complet întrefierul, zona este protejată foarte bine, reducând la minimum șansele de defectare prin contact cu discul în rotație. Miezul este o combinație de fier și aliaj de nichel care are o putere magnetică de două până la patru ori mai mare decât miezul unui cap cu ferită. Magneto-rezistive. Capetele magneto-rezistive (MR) reprezintă cea mai nouă tehnologie. Capetele MR se bazează pe faptul că rezistența unui conductor scade puțin în prezența unui câmp magnetic extern. În loc de a detecta tranzițiile de flux emitând o tensiune, ca un cap obișnuit, capul MR detectează schimbarea de flux și schimbă rezistența. Acest model dă un semnal de ieșire la citire de trei sau patru ori mai puternic decat un cap TF. Practic, capetele MR sunt capete cititoare de putere, comportându-se mai degrabă ca senzori decât ca generatoare.
4.4.
Suporturi de inregistrare Indiferent de substratul folosit, platanele sunt acoperite cu un strat subțire de
substanță sensibilă magnetic, numită suport, pe care se stocheaza informație magnetică. Pe platanele hard-discurilor, două tipuri de suport magnetic sunt mai raspândite: Suporturi cu oxizi Suporturi peliculare Page 12 of 33
Suporturile cu oxizi constau din diverse compoziții, continând ca ingredient activ, oxid de fier. Stratul magnetic este creat pe disc prin acoperirea platanului de aluminiu cu un lichid gros conținând particule de oxid de fier. Acest lichid este împrăștiat pe disc prin rotirea platanelor la turații mari; forța centrifugă face ca materialul sa curgă dinspre centru spre margine, creând un strat uniform de material pe disc. Această suprafață este apoi uscată și lustruită. În final, este adăugat și lustruit un strat de material pentru protejarea și ungerea suprafeței. Stratul de oxid este de obicei gros de aproximativ 30 de milionimi de inci. Dacă am putea privi în interiorul unei unități cu platane acoperite cu oxid, am vedea că platanele sunt brune sau de culoarea chihlimbarului. Suportul pelicular este mai subțire, mai dur și mai lipsit de defecte decât suportul cu oxizi. Mediul pelicular a fost creat ca suport de inaltă performanță, care a permis noii generații de unități să aibă înălțimi de plutire a capului mai mici, care, la randul lor, au făcut posibile creșteri ale densităților acestor unități. La început, suportul pelicular era utilizat numai în unități de mare capacitate sau de calitate superioară, dar în prezent, aproape toate unitățile folosesc suportul pelicular. Suportul pelicular își merită numele. Stratul acoperitor este mult mai subțire decât se poate obține prin metoda acoperirii cu oxizi. Suportul pelicular mai este cunoscut drept suport placat, sau pulverizat, datorită diverselor proceduri utilizate pentru depunerea filmului pe platane.
4.5.
Porturi și cabluri
Interconectarea dintre hard disk și controler o facem prin intermediul cablurilor și porturilor și bineințeles cu concursul plăcii de baza. Porturile și Page 13 of 33
implicit interfața de conectare pentru hard disk-urile obișnuite poate fi de două feluri: clasica de tip ATA (de asemenea această interfață mai poartă denumirea de PATA (Parallel-ATA) sau IDE de la Integrated Drive Electronics )
de generație mai nouă de tip SATA (Serial-ATA)
Page 14 of 33
Cablurile
ATA, SATA si SCSI Interfața ATA (AT Attachment) iși are originea în anii ‟80 în epoca de apariție a PC-ul original fabricat de către compania IBM. Această interfață a cunoscut de-a lungul anilor diverse standardizări și îmbunătățiri dar a reușit să păstreze și compatibilitatea cu echipamentele mai vechi. Practic dacă dorim să conectam un hard disk de câteva sute megabaiți tipic pentru începutul anilor ‟90 pe ultima versiune a acestei interfețe nu ar trebui să întâmpinăm incompatibilități. Interfața SATA și-a făcut apariția pe piața calculatoarelor personale începând cu anul 2003. Primele echipamente SATA au beneficiat de o magistrală capabilă să gestioneze maxim 150 de magabaiți pe secundă. Această magistrală a fost îmbunătățită la o viteză de maxim 300 MB/s cunoscută sub denumirea de SATA 2. Chiar dacă pot fi transferați într-o singură secundă peste 300 de megabaiți hard disk-urile obișnuite nu pot susține transferuri de date mai mari de 100 de megabaiți pe secundă. Page 15 of 33
Trebuie știut ca interfața ATA sau SATA nu este dedicată doar hard disk-urilor, această interfață este folosită și de unitățile optice și alte echipamente de stocare. SCSI de la Small Computer System Interface, este o interfață folosită în special în sistemele performante și scumpe precum serverele. Acestă interfață a fost o alternativă profesională la interfața ATA. În momentul de față interfața SATA oferă facilități care o vreme au aparținut în exclusivitate doar interfeței SCSI. (de exemplu posiblitatea de decuplare la cald (hot swap) a unui hard disk)
4.6.
Dispozitivul de acționare a capului. Acest mecanism deplasează capetele pe deasupra discului și le poziționează
cu precizie deasupra cilindrului dorit. Intâlnim 2 categorii de bază :
Dispozitive de acționare cu motor pas cu pas Dispozitive de acționare cu magnet permanent. Page 16 of 33
Dispozitivul de acționare a capului este cea mai importantă caracteristică a unei unități, iar tipul de dispozitiv de acționare a capului al unei unități spune foarte mult despre caracteristicile de performanță și fiabilitate ale unității. Dispozitive de actionare cu motor pas cu pas. Un motor pas cu pas este un motor electric care se mișcă în "pași", adică sare de la o poziție la alta, cu detente mecanice sau poziții de declic. Motoarele pas cu pas nu se pot fixa între pozițiile pașilor, se pot opri numai la pozițiile de tentă predeterminate. Aceste motoare sunt mici , între 1 si 3 inci, și pot fi pătrate, cilindrice sau plate. Motoarele pas cu pas sunt situate în afara ansamblului HDA sigilat, deși axul motorului pătrunde în ansamblul HDA printr-un orificiu etanșeizat. Dispozitivele de actionare cu bobina si magnet permanent. Aceste dispozitive folosesc un semnal de feedback de la unitate pentru a determina cu precizie poziția capetelor și pentru a o ajusta. Un dispozitiv de acționare cu bobină și magnet permanent funcționează numai pe baza de forțe electromagnetice. Construcția mecanismului este similară unui difuzor obișnuit, de unde și termenul de bobină voce. Un dispozitiv de acționare cu bobină și magnet permanent nu are poziții de declic sau de detentă, în schimb un sistem special de ghidare (numit servo) oprește cadrul capului deasupra unui anumit cilindru. Un dispozitiv de acționare cu bobină și magnet permanent , cu servocontrol nu este afectat de schimbările de temperatură , cum este afectat un motor pas cu pas. Cele 2 tipuri principale de mecanisme de poziționare cu bobină și magnet permanent sunt: Dispozitive de acționare cu bobină și magnet permanent liniare Dispozitive de acționare cu bobină și magnet permanent pivotante Cele 2 tipuri diferă doar ca aranjament fizic al magneților și bobinelor. Un dispozitiv de acționare liniar deplasează capetele pe deasupra platanelor, spre interior și spre exterior, în linie dreaptă. Bobina se deplasează spre interior și Page 17 of 33
spre exterior pe un traseu înconjurat de magneți ficși. Un sistem de acționare liniar nu rotește capul în cursul deplasării de la un cilindru la altul , eliminând astfel problema. Deși dispozitivul de acționare liniar pare un model bun, are un viciu fatal: dispozitivele sunt mult prea grele (cu cât mecanismul este mai ușor cu atât poate accelera și decelera mai repede de la un cilindru la altul). Dispozitive de acționare pivotantă. Folosesc de asemenea magneți ficși și o bobină mobilă , dar bobina este atașată la capătul unui braț a dispozitivului de acționare. Când bobina se deplasează față de magnetul fix, ea rotește brațele capetelor spre interior și spre exterior pe deasupra suprafeței discului. Principalul avantaj al acestui mecanism este greutatea redusă care permite capetelor să accelereze și să decelereze foarte rapid, rezultând timp mediu de căutare foarte mic.
Page 18 of 33
Page 19 of 33
5. Funcționarea HDD-ului Fiecare platan are două feţe şi este divizat într-un număr de piste, fiecare pistă fiind divizată in sectoare. Platanele sunt astfel aranjate încât pista 0 de la platanul 1 să fie exact deasupra pistei 0 de la platanul 2. Pentru a accesa o pistă oarecare pe unul din platane, braţul care susţine capetele va muta capetele spre acea pistă. Deoarece această metodă necesită doar un singur mecanism de poziţionare, simplifică design-ul şi coboară preţul. Totuşi, pentru aceasta trebuiesc mutate toate capetele pentru a accesa o singură pistă. Deci, pentru a citi date de pe pista 1 de pe platanul 1, apoi pista 50 pe platanul 3 si apoi iar pe pista 1 de pe primul platan, întregul braţ cu capete trebuie mutat de doua ori. Pentru a muta un braţ ca acesta trebuie un timp semnificativ comparativ cu timpul de transfer. Pentru a minimiza acest lucru, trebuie prevenit ca datele sa fie impraştiate pe mai multe piste. O metodă de a optimiza timpul de acces este ca un grup de date care sunt accesate secvential să fie scrise pe o singură pistă. Dacă datele nu incap pe aceeasi pistă, atunci este optim să fie scrise pe aceeaşi pistă, dar pe un platan diferit. Prin aceasta metodă, braţul nu mai trebuie să execute mişcări. Doar capul de citire şi scriere cel mai apropiat trebuie să fie selectat pentru a efectua operaţia de citire. Selectarea capetelor este mult mai rapidă decât mişcarea fizică a braţului care susţine capetele pentru a schimba pistele. Se mai foloseşte termenul de cilindru pentru a descrie multiplele platane suprapuse. Un cilindru se referă la toate pistele care au acelaşi număr de pistă, dar care sunt localizate pe diferite platane. 5.1.
Transferul datelor la memorie
Modalitatea în care datele sunt transferate în memorie determină viteza efectivă a combinației controlor + disc dur. Sunt folosite patru metode: Programmed I/O - Cu această metodă porturile controlorului au grijă atât de comenzile drive-ului cât și de transferul de date între controlor și memorie. Se folosesc comenzile IN și OUT ale limbajului de asamblare. Aceasta înseamnă că fiecare octet (bait) este transferat prin intermediul procesorului. La această metodă viteza datelor este limitată de cea a magistralei PC-ului (bus) și de performanța procesorului. Memory Mapped I/O - Procesorul poate procesa datele provenite de la un controlor de disc mult mai repede dacă acestea sunt stocate într-o regiune fixă de memorie. Pentru acest scop este folosit în general segmentul localizat deasupra memoriei video RAM. Datele sunt transferate cu ajutorul Page 20 of 33
5.2.
instrucțiunii de transfer (mov, în cazul arhitecturii x86). Este mai rapidă decât metoda precedentă. Direct Memory Access (DMA) - Folosind DMA, un dispozitiv poate transfera datele direct în memorie, fără contribuția procesorului. Pentru a folosi DMA, un program trebuie să îi precizeze controlorului DMA mărimea în octeți (baiți) a pachetului de date ce urmează a fi transferat dintr-o locație într-alta. Totuși, controlorul DMA dintr-un PC este inflexibil și lent. Controloarele DMA operează la viteza (tactul) de 4 MHz, în concluzie sunt extrem de lente. Busmaster DMA - Folosind această metodă, controlorul discului dur deconectează procesorul de la bus și transferă el însuși datele în memorie.
Fragmentarea și Defragmentarea
Defragmentarea discului descrie procesul de unificare a fișierelor fragmentate de pe hard diskul computerului. Fragmentarea se produce în timp pe un hard disk, pe măsură ce salvați, modificați sau ștergeți fișierele. Modificările unui fișier se salvează deseori într-o locație a hard diskului diferită de cea a fișierului original. Modificările suplimentare se salvează în și mai multe locații. În timp, atât fișierul cât și hard diskul devin fragmentate, iar computerul va funcționa mai lent, deoarece trebuie să efectueze căutări multiple în locuri diferite pentru a deschide un fișier. Programul defragmentare disc este un instrument care rearanjează datele de pe hard disk și reunește fișierele fragmentate, astfel încât computerul să funcționeze mai eficient. Programul Defragmentare disc se execută după o programare, astfel încât nu trebuie să vă amintiți să-l executați, deși aveți posibilitatea să-l executați manual sau să îi modificați programarea. 5.3.
Interfața de conectare
Interfața de conectare a unui hard disk din punct de vedere al utilizatorului este reprezentată de cabluri și porturi, adică locurile unde sunt introduse aceste cabluri. Pentru ca un hard disk să poată comunica, cu un alt echipament hardware este necesar ca cele două dispozitive să “vorbească aceeași limbă”. Aceasta presupune o anumită compatibilitate la nivel hardware și software. La nivel hardware în cazul unui PC chip-ul responsabil cu interconectarea hard disk-ului se Page 21 of 33
află montat de regulă pe placa de bază si poartă denumirea de controler. Controlerul poate fi un chip dedicat doar acestei funcții, cum e cel din imaginea de mai jos, dar în general responsabilitatea comunicării cu hard disk-ul revine unui chip care îndeplinește mai multe funcții și este capabil să interconecteze o gamă mai largă de dispozitive. (in general chipul care indeplineste functia de “southbridge”).
5.4.
Capacități de stocare și viteze de acces
Folosirea unor discuri rigide sigilate ȋntr-o singură unitate permite toleranțe mult mai bune decât într-o unitate de dischetă. În consecință discurile dure pot stoca mult mai multe date decât unitățile de dischetă și le pot accesa și transmite mai repede. În aprilie 2009 cea mai mare capacitate a HDD-urilor de consum era de 2 TB. Un exemplu tipic de „HDD desktop" stochează ȋntre 120 GB și 2 TB. Discurile dure pot avea o viteză de rotație cuprinsă ȋntre 5.400 și 10.000 rpm (rotații pe minut) și o rată de transfer de 1 Gbit/s (109 MB/s) sau chiar și mai mare. Cele mai rapide discuri dure, de tip „Enterprise”, au viteze de rotații de 10.000 sau 15.000 rpm, pot atinge viteze de transfer de peste 1,6 Gbit/s și o viteză medie de transfer de până la 125 Mbytes/secundă (MB/s). HDD-urile mobile, pentru laptop, notebook și netbook, care sunt fizic mai mici decât HDD-urile de desktop, tind să fie mai lente și au o capacitate de stocare mai mică. Discurile mobile au de obicei viteze de rotații de 5.400 rpm, dar sunt și modele cu viteze de 7.200 rpm. Page 22 of 33
6.Formatarea HDD-ului/ Partiționarea Sunt necesare două proceduri de formatare înainte de a putea scrie date de utilizator pe un disc: a)
formatare fizică sau de nivel jos
b)
formatare logică sau de nivel înalt.
Pentru un hard-disc sunt necesare 3 operații separate de formatare: 1.
Formatarea de nivel jos (Low-Level Formatting-LLF)
2.
Partiționarea
3.
Formatarea de nivel inalt(High-Level Formatting-HLF)
6.1. Formatarea de nivel jos În cursul unei formatări de nivel jos, programul de formatare împarte pistele hard-discului într-un număr precizat de sectoare, creând intervale de siguranță între sectoare și între piste și înscriind informația din preansamblul și postambulul sectorului. Pentru dischete, numărul de sectoare înregistrate pe fiecare pistă depinde de unitate și de interfața controllerului. Toate unitățile IDE și SCSI folosesc o tehnică numită înregistrare pe zone, care înscrie un număr variabil de sectoare pe pistă. Pistele exterioare conțin mai multe sectoare decăt pistele interioare pentru că sunt mai lungi. O modalitate de a spori capacitatea unui harddisc în timpul procesului de formatare este de a crea mai multe sectoare pe pistele exterioare ale discului decât pe cele interioare. Toți cilindrii dintr-o anumită zonă au același număr de sectoare pe pistă. Numărul de zone diferă de la o unitate la alta, dar majoritatea unităților au 10 sau mai multe zone. Partiționarea
Page 23 of 33
Crearea unei partiții pe hard-disc îi permite acestuia să găzduiască sisteme de fișiere distincte, fiecare în partiția sa. Orice hard-disc trebuie să aiba pe el o partiție primară, una logică și o extinse. Există 3 sisteme de fișiere, folosite de obicei de sistemele de operare actuale: *FAT(File Allocation Table-tabelă de alocare a fișierelor). Sistemul de fișiere standard utilizat de DOS,Windows 9x si Windows NT. Sistemul de fișiere FAT standard folosește numere de 12 sau 16 biți pentru identificarea grupelor de alocare, rezultând o dimensiune maximă a volumului de 2 G. Se pot crea numai 2 partiții fizice FAT pe un hard-disc numite partiție primară și extinsă, dar partiția extinsă poate fi divizată în până la 25 de volume logice. *FAT 32 (File Allocation Table, pe 32 biti). Un sistem de fișiere opțional utilizat de Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2), Windows 98 și Windows NT 5.0. FAT 32 folosește numere pe 32 biți pentru identificarea grupelor de alocare, rezultând o dimensiune maximă de 2T sau 2048G pentru un singur volum. *NTFS (Windows NT File System- sistemul de fișiere pentru Windows NT). Sistemul de fișiere nativ pentru Windows NT , care utilizează numere de fișiere de până la 256 de caractere și partiții până la mărimea teoretică de 16 exaocteți. NTFS utilizează de asemenea atribute extinse și elemente de securitate a sistemului de fișiere, inexistente în sistemul de fișiere FAT. 6.2. Formatarea de nivel înalt În cursul formatării de nivel înalt, sistemul de operare (precum Windows 9x, Windows NT sau DOS) scrie structurile necesare pentru a gestiona fișierele și datele pe disc. Partițiile FAT au pe fiecare unitate logică formatată cate un sector de încarcare al volumului(VBS- Volume Boot Sector) două copii ale tabelului de alocare a fișierelor(FAT) și un director radacină. Aceste structuri de date permit sistemului de operare să gestioneze spațiul pe disc, să țină evidența fișierelor și Page 24 of 33
chiar să gestioneze porțiunile defecte. Formatarea de nivel înalt nu este efectiv o formatare fizică a unității, ci mai degrabă crearea unui "tabel de cuprins" pentru disc.
7.
Performanțe
7.1.
Viteza de rotație
Dintre caracteristicile principale pe care le are HDD-ul cea mai importantă este viteza de rotație(RPM). Viteza de rotație este foarte importantă pentru că de ea depinde viteza de acces la datele de pe platane și tot de ea depinde și rata de transfer a informației. Asa dar cu cât viteza de rotație este mai mare cu atât capul de citire/scriere se deplasează mai repede și mult mai multe date ajung să fie citite/scrise. Să nu uităm, să ținem cont de faptul că viteza de rotație a platanelor este constantă. Viteza de rotație, care a fost mentinută o vreme la hard-urile EIDE mai vechi, era până la 5400 RPM iar a hard-urilor SCSI era de 7200 RPM. În timp aceasta viteză a tot crescut, atingând acum limitele de 7200RPM (pentru HDDurile IDE) și până la 12000 RPM(pentru cele SCSI).
7.2.
Tipul interfaței
La alegerea unei unități hard avem în vedere două variante: IDE sau SCSI (după tipul interfaței folosite). IDE (Integrate Drive Electronics) este interfața cea mai utilizată la ora actuală și totodată și cea mai ieftină. Controller-ul pentru astfel de unități este integrat pe placa de bază, ceea ce nu necesită achiziționarea unei plăci suplimentare. Dezavantajul major al acestui tip de interfață constă în faptul că este foarte lentă și încarcă procesorul. O variantă îmbunătățită a IDE este EIDE(Enhanced IDE) care utilizează magistrala pe 32 biti, oferă rate mai bune de transfer și DMA(Direct Memory Page 25 of 33
Access) în unele unități.O magistrală IDE suportă doar două unități un master și un slave. Ratele maxime de transfer pentru unitățile EIDE pot ajunge până la 100 MB/s și chiar mai mult. SCSI(Small Computer System Interface) este în schimb mai rapid, oferind rate de transfer începând cu 10 MB/s-SCSI2 și pănă la 80 MB/s-Wide Ultra-2 SCSI. Avantajul interfețelor SCSi este că permit conectarea de până la 7 și chiar până la 14 dispozitive pe același controller și o lungime maximă a cablului de până la 12 metri.
7.3.
Cache
Memoria tampon (cache) deținută de fiecare unitate permite o viteză de acces, mai mare la date. Datele care au mai fost accesate sunt depuse în memoria tampon, iar in momentul în care se încearcă un nou acces, ele sunt obținute direct din cache, cu cât mai mare este memoria cache, cu atât mai bună este performanța. Pentru o unitate cu capacitate sub 1 GB, un tampon de 128 KB ar trebui să fie destul, în timp ce pentru hard-disk-uri mai mari dimensiunea memoriei tampon ar trebui să fie 512 și chiar 1.024 KB. 7.4.
Rata de transfer
Rata de trasfer a hdd-ului reprezintă viteza la care datele sunt transferate către sau dinspre suportul media(ne referim aici la platan). În general aceasta este calculată în MegaBytes pe secundă (MBps). Hard-disk-urile moderne au rate de trasfer ce cresc odată cu depărtarea de axul platanului. Caracteristicile legate de densitatea pe platanul hard-disk-ului sunt: numărul de piste pe inch (Track Per Inch-TPI) și biți pe inch (Bits Per Inch-BPI). Pista reprezintă un inel cu centrul pe axul platanului. Page 26 of 33
7.5.
Capacitate, durabilitate, dimensiuni
Capacitatea măsurată în gigaocteți sau gigabaiți (1 octet = 1 bait), și în ultima vreme chiar teraocteți/terabaiți. În general producătorii folosesc ca unitate de măsură multiplii din SI ai octetului (puteri de 10), pe când multe sisteme de operare (Windows, unele distribuții de Linux, MacOS) folosesc măsurătoarea în multipli binari. Dacă primul disc dur avea numai circa 5 MO, astăzi capacitățile discurilor dure pot depăși și 3 TO (factorul de creștere: 600.000). Dimensiunea fizică măsurată de obicei în țoli, notați cu semnul " (inch). Un țol măsoară 2,54 cm. Astăzi discurile dure au în diametru fie 3,5 " (pentru PCuri), fie 2,5 " (pentru notebook-uri - mai mici, utilizând mai puțin curent electric, dar mai scumpe și mai încete). Există și discuri de 1,8 ", pentru playere MP3 (precum Apple iPod), care, pe lângă mărimea redusă, sunt mai rezistente la șocuri. Durabilitatea exprimată în timp mediu între defecte - mean time between failures (MTBF). Discurile SATA I au viteze de 10.000 rpm și un MTBF de 1 milion de ore sub un ciclu de utilizare de opt ore pe zi. Alte discuri permit până la 1,4 milioane de ore sub un ciclu de 24 de ore din 24.
8. Citirea și scrierea pe Hard-disk 8.1.
Citirea datelor de pe hard-disk
Cluster-ul reprezintă un grup de sectoare pe un disc. În timp ce un sector este cea mai mică unitate care poate fi accesată de pe hard disk, un cluster este o unitate puțin mai mare, care este folosit pentru a organiza și a identifica fișierele de pe disc. Utilizatorul cere informație de pe hard disk. Sistemul de operare accesează MFT (master file table), un index cu fișierele și locațiile lor, prin controlerul hard disk-ului, pentru a găsi clusterul unde este stocat. Page 27 of 33
Sistemul de operare spune hard disk-ului, prin controlerul hard drive-ului, că are nevoie e un fișier dintr-un cluster. Placa logică a HDD-lui va acționa motorul și va roti platanele. Brațul se plimbă pe suprafata platanului, citește datele, și apoi amplifică câmpurile magnetice slabe care se potrivesc cerințelor. Placa logică a hard disk-ului folosește capul de citire al brațului pentru a citi informația din sectoarele cluster-ului respectiv. Informația este trimisă în cache-ul hard disk-ului, ca mai apoi să fie trimisă către memoria RAM și mai departe către dispozitivele de ieșire. 8.2.
Scrierea datelor pe Hard-disk
Procesul de scriere este inversul citirii, cu o mică exceptie. În loc să acceseze MFT pentru a găsi locația unui fișier, accesează “file table” pentru a găsi clustere libere pentru scriere. Deși precizia și viteza hard disk-urilor pare uimitoare, ele sunt totuși cele mai încete componente dintr-un calculator, deoarece contin elemente mecanice. 9. Prețul per megabait și capacitatea de stocare Primele hard disk-uri ofereau un preţ per megabait astronomic acesta coborând pîna la nivelul de a vorbi de un preţ de 1$ per megabiat la începutul anilor ‟90. Astăzi putem vorbi de prețuri și de 0,00015$ per megabait în cazul unui hard disk obișnuit de 500GB (500.000 de megabaiti). De la începutul anilor ‟90 şi până astăzi dimensiunile unui hard disc obişnuit au rămas aceleaşi, nu acelaşi lucru se poate spune şi despre capacitatea de stocare. Capacitatea de stocare a crescut de la an la an, ajungând astăzi de zeci de mii de ori mai mare faţă de cea a primelor hard disk-uri ce echipau calculatoarele la începutul anilor „90. Perioada Capacitateade stocare tipică* 1990 100 - 200 MB 1995 500 - 1000 MB 2000 10.000 – 20.000 MB 2005 80.000 – 160.000 MB 2009 250.000 MB – 500.000 MB Page 28 of 33
10. Caracteristici Caracteristicile hard disk-urilor sunt: dimensiunile. Majoritatea hard disk-urilor se montează în carcasa calculatorului într-un locaş de aproximativ 10x15x3 cm. capacitatea de stocare. Capacitatea de stocare a crescut într-un timp foarte scurt de la câţiva MB la 135GB în prezent. viteza de rotaţie. Pe piaţă există discuri care lucrează la turaţii de 4500, respectiv 7200 de rotaţii pe minut. viteza de transfer a datelor (o valoare orientativă: 6,5MBps), timpul de acces (orientativ: 12,5 milisecunde), memoria tampon (cache), cu rolul de a eficientiza transferul de date, cu valori care pot merge până la 512kB. Eficienţa comunicării între hard disk şi placa de bază este un factor important în funcţionarea calculatorului şi se defineşte prin mai mulţi parametri care descriu viteza cu care funcţionează diferitele subansamble care participă la acest transfer. Interfaţa de transfer utilizată este E-IDE. Rata maximă de transfer este de 133MBps. Pentru a putea atinge viteza de 133MBps este necesar ca atât discul hard cât şi controlerul să fie capabile să comunice cu această viteză. Dispozitivul cu rata maximă de transfer cea mai mică limitează viteza de comunicare.
11. Discul fizic ( physical drive) și discul logic (logical drive) Discul fizic poate fi accesat doar la nivel de BIOS pe baza tripletului: - numărul suprafeței de înregistrare; - numărul cilindrului; - numărul sectorului; Zona sistem a discului con'ine tabela de parti'ii ;i unul sau mai multe discuri logice. Discul logic este un ansamblu de informații organizate pentru a fi recunoscute și accesate de sistemul de operare Windows cu ajutorul identificatorului. FIecare HDD este prevăzut cu o zonă sistem care conține: Page 29 of 33
- tabela de partiții; - înregistrarea de încărcare; -tabela de alocare a fișierelor în dublu exemplar; - catalogul principal; Tabela de alocare a fişierelor şi catalogul principal conţin "contabilitatea" sistemului de operare. Zona minimă accesibilă pe disc este sectorul; numărul discurilor este foarte mare, de aceea soluţia memorării adreselor lor reprezintă o soluţie ineficientă. Tabela de alocare a fişierelor (FAT-File Allocation Table) - este lista în care sistemul de operare memorează statutul fiecărui cluster din zona de date a discului logic. Este singura componentă a sistemului de gestiune a sistemului de operare Windows păstrată în două exemplare pentru a creşte siguranţa şi fiabilitatea sistemului. FAT-ul conţine atâtea înregistrări câte clustere are zona de date a discului logic. Memorarea adreselor se numeşte listă înlănţuită iar clusterele ale căror adrese alcătuiesc o astfel de listă formează lanţul de clustere alocat fişierului respectiv. Catalogul principal (the root directory) - este lista în care sistemul de operare memorează, pentru fiecare fişier şi catalog adresa primului cluster din lanţul de clustere asociat, împreună cu alte informaţii utile unei gestiuni complete şi fiabile a zonei de date, a fişierelor şi cataloagelor. El este ultima componentă a zonei sistem a discului logic şi este poziţionat imediat după a doua copie a FATului. Înregistrarea de încărcare (the boot record) reprezintă conţinutul primului sector al oricărui disc logic, aici sunt memorate informaţii importante pentru accesarea corectă al discului fizic pe care este localizat discul logic, precum şi fişierele sistem ale sistemului de operare. Tabela de partiţii (Partition Table) este cea mai importantă entitate de pe HDD şi ea conţine: - numărul discurilor logice localizate pe HDD; - adresele fizice de început şi de sfârşit ale acestora; - adresele logice de început; - numărul de sectoare ale fiecărui HDD; - definirea discului sistem. Page 30 of 33
12.
Filtre de aer
Aproape toate unitățile de hard-disc au două filtre de aer. Un filtru este numit filtru de recirculare, iar celălalt filtru, barometric, sau de ventilare. Aceste filtre sunt sigilate în interiorul unității și sunt proiectate pentru a nu fi înlocuite niciodată pe întreaga durată de serviciu a unității. La un hard-disc dintr-un sistem PC, aerul nu circulă dinspre interiorul spre exteriorul ansamblului HDA sau viceversa. Filtrul de recirculare care este montat permanent în interiorul ansamblului HDA este destinat să filtreze numai micile particule răzuite de pe platane în timpul decolării și aterizării capetelor.
Page 31 of 33
Ansamblul HDA este aerat printr-un filtru barometric, sau de ventilare, element care permite egalizarea presiunii (ventilare) între interiorul și exteriorul unității. Deși aerul pătrunde în interior printr-un ventil, contaminarea nu pune probleme , deoarece filtrul barometric de pe acest ventil este proiectat să oprească orice particulă mai mare de 0,3 microni (aproximativ 12 inci), pentru a satisface specificațiile de mediu steril. Acomodarea la temperatura a hard-discurilor. Pentru că unitățile de harddisc au un orificiu cu filtru pentru trecerea aerului în sau din ansamblul HDA , umezeala poate pătrunde în unitate și poate fi o problemă serioasă dacă sunt condiții să condenseze. Cei mai mulți producători de hard discuri specifică metode anume de aclimatizare a unității la un ambient nou, cu condiții diferite de temperatură și umiditate și în special pentru aducerea unității într-un ambient mai cald , când se poate forma condens. Înainte de a porni o unitate care a fost depozitată într-un mediu mai rece, aceasta trebuie lăsată în mediul normal de lucru pentru o anumită perioadă de timp, pentru a-i permite să se aclimatizeze. Motoare de antrenare. Motorul care rotește platanele este numit motor de antrenare, pentru că este conectat la axul în jurul căruia se rotesc platanele. Motoarele de antrenare din hard-disk-uri sunt totdeauna conectate direct; nu există curele sau roți dințate , intermediare. Motorul trebuie să fie lipsit de zgomot și vibrații, altfel poate transmite ,vibrații în platane, care pot perturba operațiile de citire și scriere. Motorul de antrenare trebuie să aibă, de asemenea, viteza precis controlata. Platanele din unitățile de hard-disk se rotesc cu viteze între 3.600 și 10.000 rot/min sau mai mult, iar motorul are un circuit de control cu o buclă de feedback pentru a urmări și a controla precis această viteză. Deoarece controlul vitezei trebuie să fie Page 32 of 33
automat, unitățile de hard-disc nu au un reglaj al vitezei motorului. Unele programe pretind că măsoară viteza de rotație în unitatea de hard-disk, dar tot ce fac aceste programe este să estimeze viteza de rotație după momentele la care sectoarele trec pe sub capete. Nu există de fapt nici o cale prin care un program să măsoare viteza de rotație în unitatea de hard-disk ; această măsurătoare poate fi efectuată numai cu echipament de testare sofisticat.
Bibliografie
www.wikipedia.org www.descopera.org www.preferatele.org www.referat.ro www.rasfoiesc.com www.incepator.pinzaru.ro
Page 33 of 33
