Seminarski Rad - Hard Disk

PRAKTIČNA NASTAVA

Vladan Ristić 73/15P

SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

mentor:

student:

Branislav Bogdanović

Vladan Ristić 73/15P

novembar 2016.

HARD DISK

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

SADRŽAJ 1.

UVOD ......................................... .................... ........................................... ........................................... ......................................... .................... 3

2.

ISTORIJAT HARD DISKOVA .......................................... ..................... ........................................... ............................... ......... 4

3.

HARD DISK ......................................... .................... ........................................... ............................................ .................................. ............ 9

3.1

OSNOVNI DELOVI HDD ............................................ ...................... ........................................... ................................ ........... 10

4.

PRINCIP RADA............................................... RADA.......................... ........................................... ........................................... ..................... 13

4.1

PRIMERI OČITAVANJA PODATAKA S A HDD .......................................... ..................... ......................... .... 15

5.

KARAKTERISTIKE HARD DISKA......................................... ................... ............................................ ......................... ... 16

6.

POVEZIVANJE HARD DISKA ......................................... .................... ........................................... ............................. ....... 19

7.

NAJČEŠĆI KVAROVI .................................................................................. 24

8.

SSD (Solid State Drive) ......................................... ................... ............................................ .................................... .............. 26

9.

ZAKLJUČAK .............................................................................................. 30

10.

LITERATURA .......................................... ..................... ........................................... ........................................... ............................ ....... 31

VISOKA POSLOVNA ŠKOLA STRUKOVNIH STUDIJA BLACE

2

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

Čovek je još od davnina imao potrebu da negde skladiši inofmacije koje je dobijao i prikupljao. U početku čovek se služio kamenim i glinenim pločicama, kasnije pergamentom pergamentom i na kraju papirom. S a tehnološkom revolucijom, količina informacija koje je trebalo uskladištiti je naglo porasla. Taj skok se još više postao evidentan pojavom računara.

1. Memorija prvih računara bila je brza i efikasna, ali su se podaci smešteni u njoj prekidanjem napajanja u potpunosti gubili, bez mogućnosti mogućnosti povraćaja. Dakle, podaci su se mogli nalaziti u operativnoj memoriji samo dok je računar uključen. Sekundarne (spoljne) memorije, čuvaju programe i podatke koji će biti obrađivani i upotrebljavani po potrebi, čak i nakon isključenja računara. Za duže čuvanje programa i podataka koristi se sekundarna memorija iz koje se po potrebi informacije prenose u operativnu memoriju. Ovo donošenje treba da je što brže, a i kapacitet sekundarne memorije treba da bude što veći. Sekundarne memorije treba da zadovolje različite potrebe korisnika, koje se kreću od malih dat oteka do velikih baza podataka. Postoje različite sekundarne memorije, a memorijski medij koji danas ima najvažniju ulogu u personalnom računaru svakako je HARD DISK (čvrsti/tvrdi disk). U današnje vreme skoro svaki desktop računar, ili server, sadrži jedan ili više hard diskova (HDD). Svaki mainframe i superkompjuter može imati i na stotine hard diskova. Hard diskove danas možemo naći čak i u uređajima za snimanje video sadržaja i kamkordera koji su ranije koristili kasete za skladištenje AV materijala. Svi ovi hard diskovi rade jednu veoma dobru i korisnu stvar, a to je da skladište promenljive digitalne informacije. Hard disk je vrsta sekundarne memorije, koj i služi za čitanje, pisanje I čuvanje podataka. Svaki računar ima barem jedan hard disk, na njemu se nalaze svi podaci neophodni za pokretanje računara, kao npr. operativni sistem, te on ustvari omogućava računaru da memoriše sve podatke koje korisnik želi da sačuva i posle njegovog isključenja. Beleženje i iščitavanje obeleženih podataka zasnovano je na elektronskom manipulisanju magnetnim promenama na tankim

okruglim pločama koje se nalaze unutar hard diska.


3

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

2. Prvi hard diskovi, nastali su kao rezultat mnogobrojnih eksperimenata, bili su glomazni i

teški za proizvodnju, i nisu montirani unutar računara. Prvi “pravi” hard diskovi imali su glave za čitanje i upisivanje koje su bile u direktnom kontaktu sa površinom diska, kako bi tadašnja elektronika mogla bolje da očita polje na površini diska. Glave su se zbog toga grebale površinu diska (što je ugrožavalo sigurnost podataka) i brzo trošile. Inženjeri u IBM kompanije su otkrili da bi promenom dizajna, glave mogle da se postave iznad površine diska i tako čitaju podatke sa njih dok diskovi prolaze ispod njih. Ovo otkriće postavilo je temelje današnje tehnologije. Američka kompanija IBM ( International Business Machines Corporation ) predstavila je septembra 1956. godine prvi komercijaln o dostupan disk “ 350 RAMAC” u okviru IBM 305 RAMAC sistema.

Slika 1. 350 RAMAC

Prvi hard disk sastojao se od: magnetne disk memorije sa pristupnim mehanizmom,

elektronskih i pneumatskih kontrola za pristupni mehanizam i malog vazdušnog kompresora. Bio je dugačak 152 centimetra, visok 172,72 centimetra i dubok 73,66 centimetra.


4

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

Konfigurisan je sa 50 magnetnih diskova prečnika 60,96 centimetra koji su imali 50.000 sektora od kojih je svaki sektor mogao da podrži 100 alfanumeričkih karaktera imao je kapacitet od 5 miliona karaktera (otprilike 4,4 MB, ali sa karakterom dužine 7, a ne 8 bita). Gustina zapisa podataka bila je oko 2000 bita po kvadratnom inču, a brzina prenosa podataka bila je tada impresivnih 8800 bajta u sekundi.

Slika 2. Unutrašnjost hard diska 350 RAMAC

Tokom narednih nekoliko decenija, stvari se ne menjaju mnogo, jer upotreba računara je u velikoj meri potisnuta u komercijalne interese i kućni PC je tek trebalo da bude izmišljen. 1961. godine IBM je napravio prvi disk sa glavama za čit anje\upis koje stoje u vazduhu. 1967. godine japanske kompanije Hitachi i Toshiba ulaze na tržište hard diskova. 1974. godine IBM je predstavio model 3340 Winchester kapaciteta 40 i 60 MB, koji je

preteča svih današnjih hard diskova. 1979. godine osnivana je kompanija Seagate. Seagate firma je 1980. godine proizvela prvi

5.25 inčni hard disk prilagođen personalnim računarima ST-506 kapaciteta 5 MB, 1981. godine sledio je model ST-412 kapaciteta 10 MB. Iste godine IBM “thin film head” tahnologiju i ubrzava čitanje i upisivanje na disku (3 MB u sekundi). Uvođenjem nove tehnologije IBM proizvodi prvi hard disk čiji se kapacitet meri gigabajtima, pod nazivom IBM 3380 kapaciteta 2,52 GB. Bio je veličine frižidera i težak oko 250 kilograma.


5

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

1980. godine osniva se američka kompanija Quantum. 1982. godine osnovana je američka kompanija Maxtor.

Pojavom IBM PC XT računara 1983. godine - prvog računara sa internim hard diskom (Seagate ST-412), hard disk postaje sastavni deo računara.

Slika 3. Seagate ST-412

Razvojem tehnologije, dimenzije hard diskova se smanjuju. 1986. godine u komercijalnu upotrebu ulaze hard diskovi po IDE (Integrated Drive Electronics) standardu, veličine 3,5

inča. IDE standard je jedan od starijih i najvažnijih standarda uvedenih za hardver personalnih računara, čiji su koncept dale firme Western Digital i Compaq. Ovim standardom kontroliše se protok podataka između procesora i hard diska. IDE specifikacija je tako dizajnirana da podrži dva interna hard diska maksimalnog kapaciteta 512 MB, što j e u to vreme korisnicima personalnih računara bilo imaginarno. Jedna od najvećih inovacija uvedenih IDE standardom je integracija funkcija disk kontrolera na sam hard disk. 1988. godine pojavljuje se PrairieTek 220, prvi 2,5 inčni hard disk. Kapacitet mu je bio 20 MB

i bio je idealan za korišćenje u prenosivim računarima koji su počeli da se razvijaju. Iste godine Samsung ulazi na svetsko tržište hard diskova, nakon što ih je proizvodio za korejsko tržište. Godinu dana kasnije, odnosno 1989. godine, Džimi Zu i Nil Bertram ( Jimmz Zhu i Neal Bertram) predlažu zamenu odvojene granularne mikrostrukture za thin film di skove, koji se i danas koriste. 1990. godine IBM izdaje IBM 0681 “Redwing”, prvi hard disk koji je koristio PRLM ( Partial

Response Maximum Likelihood ) tehnologiju. PRLM je metod za konvertovanje slabog

analognog signala sa glave diska u digitalni signal, čime omogućava veću gustinu zapisa. IBM, 1991. godine pušta na tržište model 0663 “Corsair”, prvi hard disk sa magnetootpornim glavama.


6

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

1992. godine kompanije Integral Peripherals proizvela je prvi hard disk veličine 1,8 inča

(Mustang 1820) kapiciteta 20 MB. 1993. godine kompanija Western Digital uvela je EIDE standard ( Enhanced Integrated Drive

Electronics) kao odgovor na ograničenja i zaostajanje IDE specifikacije za novim trendovima, pogotovo za SCSI (Small Computer System Interface) standardom koji je uveden 1986.

godine za regulaciju povezivanja i prenosa podataka između računara i perifernih uređaja. Pri projektovanju morala se, jasno, očuvati kompaktabilnost sa postojećim standardom kako biprelazak bio što bezbolniji. EIDE standard ima podršku za četiri interna uređaja, uključujući i CD Rom i strimer uređaje (uređaji koji služe za skladištenje podataka na ketridže sa trakom). Gornja granica kapaciteta koju omogućuje EIDA standard je 8,4 GB, a transfer podataka može dostići vrednosti i do 13 MB/s. Velika brzina prenosa omogućena je upotrebom brzih magistrala kao što su PCI i VESA Local Bus. 1994. godine IBM prezentuje LZT (Laser Textured Landing Zones). 1997. godine Seagate je predstavio prvi hard disk koji se obrće sa 7200 obrtaja u minuti i

koristi Ultra ATA standard. 2000. godine su predstavili prvi hard disk koji se obrće sa 15 .000 obrtaja u minuti, nazvan Cheetah X15.

Početkom 1999. godine IBM pušta u prodaju Microdrive, prvi hard disk veličine 1 inča sa kapacitetom 170 MB i 340 MB.

Slika 4. IBM Microdrive

Marta 2000. godine IBM objavljuje dva proizvoda koji postavljaju rekord u skladištenju podataka: the Deskstar 75GXP, kapaciteta 75 GB, i the Deskstar 40GV, kapaciteta 40 GB sa

rekordnom gustinom zapisa od 14,3 biliona bita po inču . Iste godine Maxtor kupuje kompaniju Quantum (drugi na svetu proizvođač hard diskova, iza Seagate -a) i postaje najveći proizvođač hard diskova.


7

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

2002. godine Seagate izdaje Barracuda ATA V, prvi SATA ( Serial Advanced Technology

Attachment ) disk. SATA ili Serijski ATA je računarski port namenjen prvenstveno za hard diskove. SATA je naslednik ATA (ili PATA - engl. Parallel ATA) porta, i nudi teoretski znatno veću brzinu prenosa podataka. Postoje tri generacije: SATA 1, sa brzinom prenosa od 1,5 GBit/s (150 MB/s), SATA 2 (uveden 2005. godine), sa brzinom prenosa od 3 Gbit/s (300 MB/s), i SATA 3 (uveden 2009. godine), koja se i danas koristi sa brzinom prenosa od 6

Gbit/s (600 MB/s). Najnovija generacija je SATA express čija brzina prenosa je 8 Gbit/s i 16 Gbit/s i trebala bi da izađe ove godine. 2003. godine IBM prodaje svoju proizvodnju hard diskova japanskoj kompaniji Hitachi čime

prestaje njihov uticaj na razvoj i prezentovanje hard diskova. Iste godine Western Digital izdaje prvi SATA hard disk sa 10,000 obrtaja u minutu, 37GB Raptor. 2004. godine Toshiba izdaje MK2001MTN, prvi 0,85 inčni hard disk kapaciteta 2 GB na jednoj

ploči. 2005. godine Toshiba izda je MK4007 GAL koji je pohranjivao 40 GB na jednoj 1,8 inčnoj ploči

i bio je prvi hard disk koji je koristio perpendikularan (vertikalan) magnetni zapis. Iste godine

Toshiba proizvodi diskove veličine 0,85 inča, kapaciteta 4 GB i 8 GB, koji su upisani u Gin isovu knjigu rekorda kao najmanji hard diskovi na svetu. 2006. Seagate preuzima Maxtor i iste godine izdaje prvi 2,5 inčni hard disk, Momentus

5400.3 za laptop, koji koristi perpendikularan magnetni zapis što mu je povećalo kapacitet na 160 GB i Baracuda 7 200.10 od 750 GB što je tad bio hard disk sa najvećim kapacitetom. 2007. godine Hitachi stavlja u prodaju prvi hard disk kapaciteta 1 TB. 2008. godine Seagate

izdaje hard disk kapaciteta 1,5 TB, a već naredne godine Western Digital objavljuje disk kapaciteta 2 TB. 2010 Seagate i Western Digital izbacuju na tržište hard disk kapaciteta 3 TB. 2010. godine Seagate proizvodi prvi hard disk koji koristi napredno formatiranje od 4,096

bajtova po sektoru, što je zamenilo dotadašnje od 512 bajtova po sektoru. 2011. godine Seagate izdaje prvi hard disk kapaciteta 4 TB i kupuje kompletnu proizvodnju

hard diskova od Samsunga. Iste godine Western Digital počinje preuzimanje Hitachi proizvodnje hard diskova, koje završava 2012. godine i osniva krilo pod nazivom HGST (Hitachi Global Storage Technologies). 2012. godine Seagaet kupuju LaCie, francuskog proizvođača hard diskova, monitora fleš

memorija i optičkih uređaja. Iste 2012. godine Western Digital izbacuje prvi 2,5 inčni 5 mm tanki hard disk i prvi 2,5 inčni 7 mm tanki hard disk sa 2 ploče. Iste godine HGST objavljuje hard disk punjen helijumom koji treba da obezbedi bolje hlađenjei mogućnost povećanja broja ploča sa 5 na 7 u 3,5 inčnim hard diskovima. Iste godine u trku se uključuje i japanska kompanija TDK demonstrira jući 3,5 inčni hard disk kapaciteta 2 TB na jednoj ploči.


8

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

3. Hard disk, u oznaci HDD (Hard Disc Drive), predstavlja spoljašnju ili eksternu memoriju

računara. Disk nije izmenjljiv od strane korisnika, pa se po ovom svojstvu zove i fiksni disk. Za razliku od radne memorije (unutrašnje memorije) koja se nalazi na matičnoj ploči, hard

disk se isporučuje kao posebna komponenta računarskog sistema. Hard diskovi su velikih kapaciteta, mnogo većih od radne memorije, upravo zbog skladištenja svih neophodni h podataka na računaru. Veličina hard diskova danas se izražava u te rabajtima (TB) (1 TB=1024 GB). Na hard disku se nalazi sam operativni sistem kao i svi programi i podaci koji se nalaze

na računaru: slike, muzika, filmovi, igrice itd. Prilikom pokretanja nekog programa on se sa hard diska učitava u radnu memoriju i zatim izvršava. Podaci na hard disku organizovani su u strukturu fajlova i foldera.

Način organizovanja podataka na disku određuje fajl sitem ( file system). Fajl sistem je mehanizam koji operativni sistem koristi da bi organizovao datoteke na disku. Sistem deli

disk na klastere, a veličina klastera zavisi od fajl sistema i veličine diska. Generalno što je veličina klastera manja, to je iskorišćenost prostora na disku bolja, ali to utiče negativn o na performanse, zato je potrebno pronači optimalnu veličinu klastera. Osim klastera, na disku se nalazi i poseban file koji čuva sadržaj diska – FAT ( file allocation table) u kojem piše gde se šta nalazi na disku, koliko ima slobodnog prostora i sl. Windows operativni sistem danas nudi izbor između FAT, FAT32 i NTFS fajl sistema. FAT je

korišten u DOS operativnom sistemu, i danas se retko koristi. FAT32 je nastao iz FAT sistema sa podrškom manjim klasterima i većim kapacitetima diskova. Danas se preporuču je NTFS zbog podrške diskovima današnjih kapaciteta, mogućnosti kompresije podataka itd. Hard disk se sastoji od nekoliko okruglih ploča, presvučenih posebnim materijalom dobrih magnetnih svojstava, koje rotiraju velikom brzinom i nekoliko glava koje lebde tik iznad njih,

čitajući i upusujući podatke, pomerajući se po poluprečniku diska i elektronike. Glave čitaju podatke očitavajući magnetni zapis sa rotirajućih ploča, a pišu kreirajući magnetno polje posebnih svojstava koje menja zapis na pločama. Elektronika osim za upravljanje mehanikom diska ima zadatak da u jednom delu obradi podatke. Elektronika diska sastoji se od procesora, interne memorije i elektronskog sklopa S.M.A.R.T. ( Self Monitoring Analysis and Reporting Technology ) koji upravlja događajima unutar diska. Procesori u svom radu koriste

interni software koji služi za upravljaje radom motora, pomeranje glava diska, čitanja i upisivanje , protokom informacija , itd.

Podaci na disku su raspoređeni na poseban način utvrđenim standardom, tako da je površina magnetnih ploča izdeljena na trake, sektore i cilindre. Trake predstavljaju koncentrični


9

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

krugovi na magnetnim pločama. Sektori su elementi od kojih su sastavljene trake. Cilindri predstavljaju zamišljene vertikale iznad traka.

Slika 5. Organizacija upisa

Hard disk može biti podeljen na particije (delove), čime se deli njegova memorija. Svrha podele na particije je bolja organizacija podataka, razdvajanje sistemskih podataka od

podataka korisnika i njihovo čuvanje u slučaju pada sistema. Iako hard disk nije fizički podeljen, računar na svaku particiju gleda kao na zaseban hard disk. Svaka particija ima svoju oznaku koja se sastoji iz velikog latiničnog slova (npr. C, D itd.) i dve tačke (:). Slovna oznaka particija započinje slovom C. Prva i sistem ska particija uvek nosi oznaku C: i zove se sistemski disk.

3.1. Osnovni delovi HDD Moderni hard diskovi se ne razlikuju bitno u pogledu delova koji ih sačinjavaju. Gledano spolja, na prosečnom hard disku se najpre uočava štampana ploča na kojoj su smešte ne komponente koje upravljaju radom uređaja i obezbeđuju stabilno napajanje svih mehaničkih i elektronskih komponenti. Na ovoj ploči se nalaze stabilizatori napona, kontroler, mikroprocesor, ROM u koji je smešten firmver (firmware) i RAM koji se koristi za keširanje podataka.

ROM hard diska je posebno značajan zato što pored firmvera sadrži i takozvane „adaptive”, podatke koji su različiti za svaki pojedinačni hard disk, a koji omogućavaju da „baš ta glava radi baš sa tim motorom i baš tim pločama”. Svi moderni hard diskovi imaju na sebi integrisanu kontrolersku logiku, dok je kod prvih hard

diskova skoro sva kontrolna logika bila smeštena izvan njega, na kontroloru. Zbog toga je


10

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

kontrolor morao da zna sve važnije karakteristike svih mogućih diskova, pa je bilo teško optimizovati kontroler za rad sa specifičnim diskom. Mikroprocesor diska, između ostalog, obavlja sledeće funkcije: kontroliše rad spindle motora, kontroliše rad aktuatora i njegovo pomeranje na tačan broj staze, upravljanje tajminzima signala za operacije čitanja i upisivanja, implementira funkcije upravljanja napajanjem ( power menagment ) i koordiniše i kontroliše ostale funkcije potrebne za rad hard diska.

Slika 6. Delovi hard diska

Kako hard diskovi postaju sve napredniji sve više funkcija se dodaje na štampanu ploču, pa se koriste sve moćniji procesori i prateći čipovi i veća memorija, da bi mogle da se implementiraju komplikovanije tehnologije izrada glava, brži interfejs i veći propusni opseg.

Slika 7. Donja strana SATA hard diska


11

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

Po otvaranju hard diska, prvo što upada u oči jesu ploče na kojima se smeštaju podaci. Svaki

hard disk ima jednu ili više ploča koje se koriste za smeštanje podataka.One se sastoje od dva flavna materijala: supstrata (substrate), koji predstavlja osnovu ploče i daje joj čvrstinu i magnetskog medija (magnetic media coating), koji se koristi za skladištenje magnetnih impulsa, koji predstavljaju podatke. U početku su ploče u potpunosti bile izrađene od feromagnetnog materijala i njihov prečnik je iznosio i do jednog metra, dok je njihov kapacitet bio izuzetno mali u poređenju s današnjim pločama. Materijal za izradu supstrata treba da bude čvrst, stabilan, lak, jeftin i široko dostupan. Moderni hard diskovi koriste ploče koje su najčešće izrađene od neke vrste plastike (najčešće su korištene aluminijumske legure, ali i drugi materijali kao što su: staklo, stakleni kompoziti i magnezijumske legure) i presvučene slojem feromagnetnog materijala. Pri izradi ploča se posebno obraća pažnja na njihov oblik: pored toga što mor aju biti izbalansirane kako ne bi unosile horizontalne vibracije u uređaj, tolerancija neravnina na površini je veoma mala. Kako tehnologija napreduje razvijaju se i novi magnetni materijali koji dozvoljavaju veću gustinu upisa podataka i koji se mogu proizvoditi sa visokim tolerancijama.

Za pokretanje ploča se koristi poseban motor na čiju su osovinu ravnomerno naslagane ploče. Ovi motori moraju da budu veoma izdržljivi, kako po pitanju velikog broja radnih sati tako i po velikom broju start/stop ciklusa (uključivanje i isključivanje hard diska). Njihova druga bitna osobina jeste stabilnost ugaone brzine. Kako bi se brzina kojom motor rotira

ploče održala konstantnom, motor u svakom današnjem hard disku sadrži i poseban servo sistem pomoću kojeg može da ko riguje svoj rad. Drugi deo hard diska koji po otvaranju upada u oči jeste nosač glave za čitanje i upisivanje (pokretačka ruka, engl. actuator arm), kao i motor koji je pokreće. Nosač glave je deo hard diska na kome se nalaze glave za čitanje i upisivanje. On je izuzetno lagan i brz. Osovina (spindle) je rotirajući dio koji ide od motora do sredine disk ploča i obezbeđuje okretanje ploča velikim brzinama. U prvim hard diskovima motor koji je pokretao glave bio je koračni (step, stepper) motor. Ovaj motor može da se pokreće samo u koracima određene dužine (npr. 1°) i može se zadržati u određenom položaju. Na modernim hard diskovima ruka i motor predstavljaju jedan mehanizam koji se zove VCA (Voice Coil Actuator ). VCA funkcioniše po istom principu kao i zvučnici. Kroz kalem koji se nalazi u jakom magnetnom polju propušta se struja što izaziva njegovo kretanje. Ovi motori se mogu proizvoljno kretati (a ne u koracima) i

zadržavanje istog položaja je komplikovanije. Razlog za prelazak s koračnih motora na VCA leži u činjenici da se predmeti na toploti šire, dok se na hladnoći skupljaju. Zbog ovoga je neophodno postojanje sistema pomoću kojeg se položaj glave može korigovati, što je mnogo jednostavnije izvesti sa VCA motorima.

Glave za čitanje i upuisivanje predstavljaju interfejs između magnetnog medijuma diska na kome su upisani podaci i elektronskih komponenata koje sačinjavaju ostatak hard diska. Zbog toga predstavljaju kritičnu komponentu u određivanju ukupnih performansi diska i


12

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

predstavljaju jedan od najskuplj ih delova diska. Glave hard diska su izrađene na silicijumskim

pločicama, izuzetno su malih dimenzija i osetljive su na oštećenja i prašinu. Konceptualno, glave hard diska su konverteri energije: transformišu električne signa le u magnetne signale i obrtno.

Glave su sa nosačem koji ih pokreće povezane preko klizača (slider). Klizači održavaju rastojanje između glave i ploča, a, takođe, u normalnim uslovima sprečavaju da glave padnu na ploče i tako se oštete. Pre 50 godina, glave koje služe za čitanje i upisi vanje podataka dodirivale su ploču. Kako bi se izbeglo trenje i štetno habanje ploča, na modernijim hard diskovima glave ne dodiruju ploče, već se nalaze na jako malom rastojanju od površine ploča. Od neuglednijih elemenata, pored elektronike koja ide uz glave i motor, tu je jedino sistem

za zabravljivanje glave kada je parkirana, to jest kada je hard disk isključen. Pri isključenju hard diska, glave se „parkiraju” odnosno pomeraju na poseban deo ploča na kom se ne skladište podaci. Ova oblast na pločama se naziva zona sletanja (landing zone) i kod većine hard diskova se nalazi odmah pored osovine motora. Kod nekih modela se nalazi na rubu

ploča, dok pojedini IBM-ovi i Hitachijevi hard diskovi svoje glave premeštaju sa ploča na posebne površine. Po premeštanju, proces parkiranja glava završava se zabravljivanjem kako bi se sprečilo njihovo nekontrolisano pomeranje. Kao brava se najčešće koristi magnet, dok se kod nekih diskova koristi poseban elektromagnet koji je u toku rada isključen.

4. Hard disk koristi kružne ravne diskove zvane ploče ( platters), koji su sa obe strane presvučeni specijalnim materijalom (media) sposobnim da memorišu informacije u magnetskoj formi.

Ploče imaju otvor u centru i pričvršćene su na valjkasti nosač ploča ( spindle). Ploče se okreću velikom brzinom pomoću specijalnog motora (spindle motor ) koji služi da okreće nosač, a samim tim i ploče. Specijalni elektromagnetski uređaji za čitanje i upis koje se zovu glave (heads) postavljene su na slajdere (sliders) i služe za upisivanje na disk ili čitanje sa njega. Svi slajderi su montirani na nosače slajdera ( actuator arms), koji su mehanički spojeni (zajedno se pomjeraju) i pozicionirani iznad površine diska pomoću uređaja koji se zove aktuator (actuator ). Štampana ploča, tj. kontrolerska logika na njoj, kontroliše aktivnosti svih komponenata diska i komunicira sa ostatkom računara. Hard disk mora biti izrađen sa velikom preciznošću zbog ogromne minijaturizacije komponenata i zbog povećanja pouzdanosti. Unutrašnjost diska je izolovana od spoljašnjeg sveta, da se ne bi dopustilo da prašina i ostali vidovi kontaminacije dospeju na površinu ploča, jer to može dovesti do trajnog oštećenja glava ili same površine diska i time dovesti do gubitka podataka.


13

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

Slika 8. Fina mehanika hard diska

Svaka ploča ima dve korisne površine od kojih svaka može da primi više milijardi bitova podataka. Podaci su organizovani u veće grupe da bi bio omogućen lakši i brži pristup informacijama. Svaka ploča ima dve glave, jednu za donju, a jednu za gornju površinu ploče tako da disk sa npr. 2 ploče ima 4 glave. Koncentrične kružnice koje glave opisuju po površinama ploča i na kojima su upisani podaci nazivaju se trakama (tracks ), a skup svih takvih kružnica, na svim površinama naziva se cilindrima (cylinders). Svaka traka je, dalje, ugaono podijeljena na sektore ( sectors), koji

predstavljaju najmanji blok kome može da se pristupi. Broj sektora može biti jednak na svim cilindrima, a može biti i manji na unutrašnjim, a veći na spoljnim, da bi se omogućila ravnomernija gustina zapisa i optimalnija upotreba većeg obima spoljnih cilindara. Ta tehnologija se naziva ZBR ( Zoned bit recording) i ima za posledicu neravnomernu brzinu

transfera sa različitih delova diska. Podaci se brže prenose sa spoljnih nego sa unutrašnjih cilindara.

Postoji još jedno odstupanje od proste orrganizacije sektora unutar cilindra, koje je uvedeno radi povećanja brzine čitanja ili upisivanja. Kada disk u sekvencijalnom čitanju sadržaja hard diska pročita sve sektore nekog cilindra glave se pomere na prvi sektor prve trake sledećeg cilindra, a pošto je glavi potrebno neko nezanemarljivo vreme za pomeranje ona bi se našla usred sektora koji treba da pročita ili čak iza njega. Ovo bi dovelo do toga da je potrebno da glava obiđe ceo krug dok ne dođe na traženi sektor, čime se gubi mnogo vremena, pa se uvodi tehnologija “cylinder skew”: prvi sektor svakog sledećeg cilindra je pomeren za nekoliko mesta u odnosu na poziciju u prošlom cilindru, čime se ovaj problem rešava.


14

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

4.1. Primeri očitavanja podataka sa HDD Primer demonstrira u sedam koraka šta se dešava unutar hard diska svaki put kad iz njega treba da se pročita neki podatak. Radi lakšeg razumevanja, primer je uprošćen i ne uzima u obzir disk keširanje, korekciju grešaka i mnoge druge specifične tehnike koje se koriste za poboljšanje performansi i pouzdanosti. 1.

Prvi korak pre samog pristupa disku je da se odredi na kojoj poziciji na disku se nalazi

traženi podatak. To je zadatak same aplikacije koja traži podatak, operativnog sistema, sistemskog BIOS-a i specijalnih drajvera za disk, ukoliko p ostoje.

Ta pozicija se kroz više koraka prevođenja prevodi u geometrijsku poziciju na disku izraženu rednim brojem cilindara, glave i sektora ili apsolutnog rednog broja sektora od početka diska koji sistem (ili aplikacija) želi da pročita. Zahtev se dalje šalje disku kroz interfejs hard diska tako što se disku pošalje ovako stvorena adresa i zahtev za čitanje. Kontrolerska logika hard diska prvo proverava da li se tražena informacija možda već 3. nalazi u internom baferu ili u njegovom kešu. Ako se nalazi, kontrolorska logika odmah prosleđuje podatak preko hard disk interfejsa do odredišta bez potrebe da čita sa površine diska i time se završava operacija čitanja. U drugom slučaju prelazi se na sledeći korak . U većini slučajeva ploče diska se već okreću. Ako to nije slučaj, kao kod prenosnih 4. računara gde power menagement šalje instrukcije disku da zaustavi rotaciju kako bi se štedila energija, onda će kontroler diska aktivirati spindle motor da dovede disk do 2.

operacione brzina. 5.

Kontrolerska logika diska interpretira primljenu adresu, analizira je i ako je potrebno

sprovodi dodatne korekcije adrese uzevši u obzir fizičke karakteristike konkretnog diska. Broj cilindara određuje koju stazu na površini ploče treba da nađe i kontrolorska logika daje instrukcije aktuatoru da pomeri glave za čitanje i upisivanje na odgovarajući cilindar (stazu). Kad glava dođe do tražene pozicije kontrolerska logika aktivira odgovarajuću glavu, 6. koja počinje da očitava brojeve sektora sa tražene staze. Glava čeka dok se ispod nje ne nađe odgovarajući sektor i kada se to dogodi pročita sadržaj tog sektora. Kontrolerska logika diska preusmerava tok informacija iz hard diska u privremeni bafer ili

keš. Kada se to završi kontrolerska logika šalje informacije preko hard disk interfejsa do traženog odredišta (najčešće sistemske memorije) čime je operacija čitanja završena.


15

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

5. Pouzdanost je najvažnija karakteristika čvrstih diskova, jer veća brzina nema smisla ako podaci nisu sigurni. Pouzdanost se izražava kroz MTBF ( mean time between failures-srednje vreme između grešaka), vrednost i broj paljenja/gašenja.( start/stop cycles ) koje disk može da izdrži. Kod modernih diskova MTBF iznosi od nekoliko stotina hiljada do nek oliko miliona sati pre greške, a broj paljenja/gašenja se kreće od nekoliko desetina hiljada do nekoliko stotina hiljada puta. Pouzdanost hard diskova se povećava kako proizvođači usavršavaju proces proizvodnje i ugrađuju nove tehnologije za poboljšanje pouzdanosti, ali ipak teško je poboljšati pouzdanost nečega što se rapidno menja. Performanse diska predstavljaju jedan od faktora koji najviše utiču na ukupne performanse sistema, jer predstavljaju jedno od uskih grla, pa čim se poveća brzina diska to se “oseti” u svakodnevnom radu. Brzina čvrstih diskova zavisi od većeg broja parametara: brzine rotacije ploča, gustine zapisa podataka i brzine pomeranja glava (unutrašnji faktori), ali na nju može drastično uticati i sam kontroler, tj. elektronika hard diska, kao i fajl sistem itd. (spoljašnji faktori). Karakteristike koje najviše utiču na perfomanse diska su vreme pozicioniranja i brzina prenosa podataka (data transfer rate).

Brzina rotcije ploča u velikoj meri utiče na ukupne perfomanse hard diska, jer se n jenim povećavanjem u isto vreme poboljšavaju i brzina prenosa i vreme pristupa (kroz smanjenje latencije). Ona predstavlja broj kojim se najlakše mogu odrediti perfomanse hard diska. Brzina rotacija ploča se takođe povećava i taj trend će se sigurno nastaviti, jer se po većanjem brzine rotacije ploča poboljšava i vreme slučajnog pristupa ( random acces) i brzina sekvencijalnog čitanja i upisivanja. Latencija (latency ) je takođe važna, predstavlja vreme koje je potrebno ploči diska da se okrene i da se glava k oja se već nalazi na odgovarajućoj traci postavi iznad traženog sektora i

takođe se izražava u milisekundama. To vreme najviše zavisi od brzine rotacije ploča, a najčešće se koriste prosečna latentnost i latentnost u najgorem slučaju. Vreme pristupa (access time) predstavlja zbir vremena traženja i latencije. Vreme traženja ( seek time) je najvažnija od karakteristika pozicioniranja, predstavlja prosečno vreme koje je potrebno da bi se glave pomerile između dve trake na slučajnoj udaljenosti. Ovo vreme dosta zavisi od mehaničkih karakteristika diska i od međusobne udaljenosti između traka i izražava se u milisekundama. Prosečno vreme traženja kod modernih diskova iznosi od 4 ms (kod najboljih Ultra SCSI diskova) do prosečnih 8 -12 ms kod najrasprostranjenijih EIDE diskova. Osim prosečnog vremena traženja koristi se i vreme traženja između dve susedne trake ( track-to-track seek – tipično od 1 ms do 4 ms), između dve najudaljenije trake ( full stroke seek time – oko 20 ms).


16

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

Pri specifičnim upotrebama računara, hard disk može raditi u režimu čestog čitanja malih količina podataka sa različitih delova diska, što može biti slučaj recimo kod servera baza podataka. U tom slučaju veliku ulogu igra vreme potrebno za pojedinačni pristup nekom sektoru. Ono se sastoji iz vre mena potrebnog da se glave dovedu do odgovarajućeg cilindra i vremena potrebnog da se disk okrene do traženog sektora. Ovo drugo vreme je kraće ako je veća brzina obrtanja i prosečno je jednako polovini trajanja jedne revolucije (obrtaja) diska. Prvo vreme zavisi od brzine pomeranja glave.

Postoje dva osnovna metoda pomeranja glave. Nekada se ručica sa glavama pomerala stepper motorom, ali je ta ideja napuštena kao spora i komplikovana za hladjenje. Novi mehanizam koristi sistem sličan zvučnicima pa je otud dobio ime “voice coil”. Sastoji se od elektro-magneta koji povlači ručicu sa glavama prema centru diska i sistema opruga koje vuku ručicu u suprotnom smeru. Elektronika menja jačinu struje i tako utiče na snagu magnetnog polja i na taj način dovodi glave na željeni cilindar. Ručice sa glavama se izradjuju da budu što lakše tako da nema nikakvih problema sa grejanjem, a brzina je nekoliko puta veća od sistema sa stepper motorom. Značajna prednost je i to što opruge u slučaju nestanka struje povlače glave van oblasti sa podacima i tako sprečavaju padanje glava i tako eventualno oštećenje ploča diska koje može dovesti do gubitka podataka. Gustina zapisa po hard disk ploči nastavlja da se povećava neverovatnom brzinom i čak prevazilazi neka optimistička predviđanja od pre nekoliko godina. Gustina je ograničena tehnologijom. Ograničenja su diktirana pre svega tipom magnetnog medijuma, veličinom glave za čitanje i upisivanje, kao i rastojanjem između glave i medijuma. Što je veća gustina memorisanja kraće je i rastojanje između pisti, a to znači da je teže održavati tačnu i preciznu pozicioniranost glave u odnosu na disk.

Gustina pakovanja staza predstavlja broj staza koje se nalaze na jednom inču poluprečnika hard diska. Bitska gustina ukazuje na broj bitova koji se mogu smestiti na jedan inč staze. Ove dve veličine se često izražavaju kombinovano kao broj bita po kvadratnom inču. Pošto se bitovi na hard disku predstavljaju orijentacijom magneta, posledica povećavanja gustine jeste mešanje magnetnih polja susednih bitova. Kako bi se omogućilo ispravno čitanje, razvijene su posebne metode kodiranja i dekodiranja podataka.

Kada se govori o kapacitetu hard diska, obično se misli na količinu prostora koja se može iskoristiti za smeštanje korisničkih podataka. U stvarnos ti, kapacitet hard diska je mnogo veći. Pored korisničkih podataka, na hard disku se čuva mnogo drugih podataka koje korisnik ne vidi, a koji su neophodni za ispravno funkcionisanje uređaja. U njih spadaju servo podaci, zaglavlja staza i sektora, kao i kod ovi za korekciju grešaka ( Error Correction Codes). Korisniku su, naravno, najbitniji njegovi podaci. Međutim, sa stanovišta hard diska, korisnički podaci nemaju neku preteranu upotrebnu vrednost. Geometrija hard diska određuje se prilikom formatiranja niskog nivoa i tom prilikom se u staze i sektore upisuju zaglavlja koja sadrže identifikacione podatke (redni broj) i podatke o statusu (ispravnost), zatim sinhronizacioni


17

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

podaci koji označavaju početak i kraj staza i sektora, kao i delova sektora koji sadrže podatke. Takođe se definišu i razmaci između sektora i staza. Pod geometrijom hard diska se podrazumeva fizička organizacija prostora koji služi za smeštanje podataka. Posebni podaci koji se fabrički upisuju na hard disk jesu servo podaci. Usled termičkog širenja ploča i feromagnetnog materijala, staze se ne nalaze uvek na istom odstojanju od centra ploče. Zbog ovoga je neophodno obezbediti sistem korekcije položaja motora. Ovo se radi putem servo podataka. U fabrika ma se na ploče pomoću posebnih servo pisača ( servo writer ) na diskove upisuju servo podaci, to jest markeri na osnovu kojih se određuje kako treba korigovati položaj glave da bi podatak bio upisan na pravo mesto i kasnije efikasno pročitan. U zavisnosti od načina smeštanja servo podataka, postoje dva sistema. Prvi sistem koristi

površinu jedne ploče isključivo za servo podatke i jednu glavu isključivo za čitanje servo podataka. Ovaj sistem se naziva posvećeni servo ( dedicated servo) i nije naročito efikasan . Pre svega, jedna površina se koristi isključivo za servo podatke i ne može se koristiti za smeštanje servo podataka, što hard disk čini skupljim. Pored toga, ovaj sistem podrazumeva da su sve glave u istom položaju na ruci koja ih drži, što ne mora biti slučaj. Drugi sistem se zove ugrađeni servo ( embedded servo) i u njemu se servo podaci nalaze u okviru samih sektora. Ovaj sistem je mnogo efikasniji i koristi ga velika većina modernih hard diskova. Poslednji, ali ne i najmanje važni pomoćni podaci koji s e nalaze na hard disku jesu kodovi za otkrivanje i korekciju grešaka ( Error Correction Codes ). Prilikom upisa korisničkih podataka u sektor, hard disk izračunava ECC kôd koji se upisuje na hard disk iza podatka. Prilikom čitanja, iz pročitanog podatka se ponovo računa ECC i poredi s onim koji je upisan na disku; ukoliko se poklapaju, čitanje je uspešno obavljeno, a ukoliko se ne poklapaju, čitanje se ponavlja i ako nekoliko puta ne bude uspešno, disk smatra da je došlo do greške u čitanju. Kao ECC kodovi se koriste Rid-Solomonovi kodovi (Reed-Solomon) koji rade na nivou m-

bitnih simbola, a ne na bita. Budući da ovi kodovi ispravljaju greške na nivou simbola, a ne bita, pogodni su za ispravljanje koncentrisanih, paketnih (burst ) grešaka. Interna brzina prenosa podataka (data transfer rate ) prsudno utiče na ukupne perfomanse

diska. Ona se izražava u MB/s i predstavlja brzinu kojom disk može da šalje podatke sa diska ka sistemu. Na brzinu prenosa presudno utiču brzina rotacije i gustina zapisa podataka. Ovom računicom se dobija teoretska brzina prenosa, jer na nju dosta utiču i interfejs, keširanje, korekcija grešaka, fragmentacija i sam fajl sistem. Brzina takođe zavisi i od organizacije sektora u okviru trake. Nekada se koristio sistem preplitanja. Sektori mogu biti numerisani (poređani) redom, od prvog do poslednjeg u traci. Ranije računari nisu bili dovoljno brzi da prihvate podatke sa hard diska maksimalnom brzinom samog diska. Zbog toga su sektori bili rasporedjeni tako da ne idu redom već se neki broj sektora preskakao, kao na primer: 1-7-13-1-2-8-14-3-9-15-4 i tako dalje. Pri ovakvom

rasporedu, za čitanje cele trake bile bi potrebne tri rotacije. Ovo se zove preplitanje i u ovom


18

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

primeru iznosi 1:2, što znači da između svaka dva susedna logička sektora preko reda dolaze dva fizička. Odnos 1:1 je bolji ako računar može tu brzinu da podrži, a najbolji je odnos 1:0. Brzina komunikacija sa računarom takođe utiče na brzinu rada sa hard diskom. Nekada je ta brzina bila toliko mala da je uticala i na organizaciju s ektora na disku (u slučaju preplitanja). Rezultat je unapređenje interfejsa. Nekada su hard diskovi bili mahom mehanički, sa malo vezne elektronike čisto koliko da se preda kontrola nad glavama, zapisom i svim ostalim akcijama nekom kontroleru. Kontroleri su bili zasebne kartice i mogli su čak da određuju i gustinu zapisa. Kasnije su kontroleri postali složeniji i ubačeni su na same hard diskove. Pomeranje glava, čitanje i upis jednog ili više sektora postali su nevidljivi za računar, o svemu tome je brinuo kontroler na samom hard disku. Tako kontroler na računarskoj strani više nije morao da postoji, od tada je računar samo izdavao komande. Ovo je dalo proizvođačima mnogo veću slobodu u smišljanju metoda zapisa, organizacije hard diska i svega što bi pomoglo povećanju kapaciteta, brzine i pouzdanosti. Unapređeni su i vezni mehanizmi sa računarom i metodi i algoritmi keširanja. Ovo je sve dovelo do drastičnih ubrzanja u odnosu na početak.

6. Da bi hard moga biti korišćen mora se prethodno povezati sa računarem. Tokom razvoja računara standardi za povezivanje hard diska i njegova razmena podataka sa računarem su se menjali i usavršavali prateći rapidni razvoj računarske tehnologije. Jedan od starijih i najvažnijih standarda uvedenih za hardver personalnih računara je IDE. To je standard pomoću kojeg se kontroliše protok između procesora i hard diska. U početku nije postojao veliki stepen integracije čipova i elektronike tako da je predstavljalo priličan problem smestiti i hard disk i svu propratnu elektroniku. Kako je tehnika napredovala i usavršavala se, tako se pojavio i IDE standard, koji podrazumeva da je kompletna elektronika integrisana na hard disku, a povezivanje se vršilo preko IDE kartica na ISA slotu. Danas se diskovi dire ktno spajaju na IDE konektore na ploči. Odvajanje logičkih kola kontrolera od interfejsa omogućilo je proizvođačima hard diskova nezavisno poboljšanje performansi.

Postoji, kao što je pomenuto u istorijatu, napredna verzija ovog standarda pod nazivom EIDE. Najvažnija korist ovog poboljšanja standarda je veliki transfer podataka u poređenju sa originalnim ATA standardom. Ovaj brzi transfer radi koristeći PIO ( Procesor Input/Output ) prenos podataka, koji je standardni metod za prenos između uređaja i PC -a. Što se tiče samog prenosa, IDE predstalja prenos bloka podataka sa perifernog urenaja do radne memorije. IDE je širok 16 bita, što omogućava prenos 2 bajta preko ovih 16 linija. Pri


19

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

taktu magistrale od 8.33 MHz, po formuli T=1/f, dobija se 8.33 miliona perioda u 1 sekundi.

Ako znamo da imamo 8.33 miliona perioda u sekundi i imamo 2 bajta po periodu, znači da imamo prenos od 16.6 miliona bajtova u 1 sekundi, odnosno oko 16 MB po sekundi. Ovo se sve odnosi na prvobitni IDE, odnosno ATA stadard. Novija verzija A TA4 udvostručava broj

cilkusa sa 8.33 na 16.6 i samim tim omogućava prenos od 33 MB/sec (dva bajta po periodu). Ovaj standard se još naziva i UltraDMA, odnosno ATA33. Sledeći korak je ATA -5 standard ili još poznat kao UltraATA 66, koji omogućava prenos od 66 MB/sec. UltraATA 100 donosi povećanje brzine prenosa na 100 MB/sec, a UltraATA 133 brzinu od 133 MB/sec. Ovde se postavlja problem kompatibilnosti svih navedenih standarda,

kontrolera i same ploče.

Slika 9. Povezivanje IDE standardom

Serial ATA ili SATA je novi interfejs za povezivanje uređaja za masovno skladištenje. Serial ATA je dizajaniran da zameni stari ATA (AT Attachment) standard. Kod ove vrste diskova

podaci se prenose serijski, bit po bit, a ne istovremeno više bitova kako je to kod paralelni h ATA diskova. Zahvaljujući tome veza između matične ploče i hard diska je ostvarena sedmožilnim kablom, koji je znatno uži nego trakasti kabl za PATA diskove, pa samim tim i manje ometa strujanje vazduha kroz kućište računara, a time se dobija bolje hlađe nje komponenata računara. Pored toga SATA interfejs obezbeđuje veću brzinu prenosa podataka između diska i matične ploče. Kod SATA diskova nema potrebe za definisanjem diska kao master ili slejv, pošto se na svaki SATA konektor na matičnoj ploči može priključiti samo jedan hard disk.

Postoje tri generacije, a nova, četvrta generacija (SATA Express) bi trebala da uđe u upotrebu ove godine. Prva generacija SATA standarda donosi brzinu od 1.5 Gbit/s, druga generacija 3

Gbit/s, dok je danas u primeni treća gene racija SATA standarda od 6 Gbit/s.


20

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

Slika 10. Sata kabl za povezivanje hard diska na matičnu ploču

Pojavom SATA diskova postali su široko dostupni i takozvani RAID ( Redundant Arrays of Independent Disks ) sistemi hard diskova. Kod ovog sistema se više diskova (naješe dva) kombinuje u jednu logičku jedinicu. Ovim se dobija brži rad diska ili veća sigurnost snimljenih podataka (otpornost na greške diska). Ova veća sigurnost se dobija redudantnim upisivanjem podataka na dva diska, tako da ako jedan disk otkaže, kopija podataka se može dobiti sa drugog diska. Svi pojedinani diskovi iz niza se nazivaju članovi niza. Informacije o konfiguraciji svakog člana niza se zapisuju u jednom rezervisanom sektoru na disku, koji identifikuje disk kao člana niza. Sve diskove koji su članovi niza, operativni sistem vidi kao jedan jedinstveni fizički disk. Kombinovanje diskova u RAID nizove se može vršiti na razne načine, koji se uobičajeno nazivaju RAID nivoima. Razni RAID nivoi imaju različite nivoe performansi, sigurnosti podataka i cene. U PC računarima se najčeše koriste nivoi RAID 0 i RAID 1. U RAID 0 nivou (Striping) podaci koje treba upisati na disk se dele na manje paralelne delove,

koji se istovremeno upisuju i to svaki blok na po jedan član niza. Tim postupkom se dobij a brži rad ekvivalentnog diska. Međutim loša strana ovog RAID nivoa je da ako jedan disk iz niza otkaže, izgubljeni su kompletni snimljeni podaci (dakle i podaci sa ispravnih članova niza). Kapacitet ekvivalentnog diska jednak je proizvodu broja članova ni za i kapaciteta najmanjeg člana iz niza. Veličina blokova koji se istovremeno upisuju na članove niza se može podešavati u opsegu od 4 do 64 kB. Kod RAID 1 nivoa (Mirroring) paralelno se upisuju isti podaci na par hard diskova, odnosno

paralelno se očitavaju podaci sa oba diska. Ako jedan od diskova iz ovakvog niza otkaže, preostali ispravni disk će nastaviti da funkcioniše. Zbog redudancije prilikom upisa podataka na članove niza, kapacitet ekvivalentnog diska jednak je kapacitetu najmanjeg člana niza. Kod ovog RAID nivoa moguće je umesto neispravnog diska priključiti novi rezervni disk, koji će se aktivirati kao potpuna zamena za disk koji je otkazao, to jest na njega će se preneti kopija podataka sa ispravnog člana niza. Prema tome, ako kod RAID nivoa 1 b ilo koji disk otkaže, pristup podacima će biti moguć sve dok postoji bar jedan ispravan disk u nizu.


21

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

U serverima za računarske mreže, gde su zahtevi za sigurnošću i brzinom veoma veliki, često se primenjuju i drugi RAID nivoi nastali kombinacijom nivoa 0 i 1. Ovi nivoi obezbeđuju i brži pristup podacima i veću sigurnost zbog redudancije prilikom snimanja podataka, ali zato zahtevaju veći broj članova niza, što naravno znatno utiče na cenu takvog računara. Masovno prihvatanje IDE (EIDE) standarda zasnivalo s e na dva marketinška termina: cena i

kompaktabilnost. Godinama su ova dva faktora bila važnija većini korisnika personalnih računara od visokih performansi. Pored hard diskova koji se zasnivaju na EIDE, odnosno ATA standardu, bilo paralelnom bilo serijskom, u personalnim računarima, pogotovo onima koji se koriste kao serveri za

računarske mreže (SCSI je primarno predodređen za višekorisnička okruženja, pošto može da primi više komandi i onda optimizuje njihovo izvršavanje tako da se glava diska što manje “šeta” unaokolo), se primenjuju i hard diskovi koji rade po SCSI (Small Computer System Interface) standardu.

SCSI standard definiše posebnu SCSI magistralu koja je preko odgovarajućeg kontrolera vezana za ulazno izlaznu magistralu računara. Kontroler se ret ko nalazi integrisan na matičnoj ploči računara, već se najčešće sreće u vidu PCI kartice koja se postavlja u PCI slot za proširenje na matičnoj ploči. Na štampanoj ploči kontrolera se nalazi konektor na koji se priključuje trakasti SCSI kabl za vezu pre ma unutrašnjim SCSI jedinicama. SCSI interfjes omogućava da na isti kontrolor priključimo čak sedam uređaja na usku, a 15 na široku magistralu uređaja bilo koje vrste. Svi ti uređaji teško da mogu da stanu u kućište računara, pa SCSI omogućava da neki od njih stoje i van kućišta (mogu biti udaljeni više od 6 metara).

Slika 11. Povezivanje pomoću SCSI interfejsa


22

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

Ako se odlučimo za SCSI, moramo potražiti uređaj usklađen sa ASPI ( Advanced SCSI Programming Interface) ili SCAM (SCSI Configuration Auto Magically ) standardom.

Na zadnjoj ploči SCSI kontrolera (koja je učvršćena na zadnju stranu kućišta računara) nalazi se poseban konektor na koji se priključuju spoljašnji SCSI uređaji. Spoljašnji SCSI uređaj obično ima dva konektora. Prvi konektor služi za vezu pre ma SCSI kontroleru, a na drugi konektor se može priključiti sledeći spoljašnji SCSI uređaj. Svaki SCSI uređaj, uključujući i sam kontroler mora imati svoj jedinstveni identifikacioni broj (SCSI ID). Tako kod uskog SCSI sistema imamo ID brijeve od 0 do 7, a kod širokog od 0 do 15. ID brojevi se podešavaju bilo postavljanjem kratkospojnika (džampera) na odgovarajuće igličaste pinove na samom SCSI uređaju, bilo pomoću okretnih kodnih preklopnika, koji i prikazuju izabrani ID broj.

Kada se ugrađuju SCSI uređaji, krajnji (poslednji u nizu) SCSI uređaji, i to kako unutrašnji, tako i spoljašnji, moraju biti završeni posebnim otpornicima – terminatorima, kojima se postiže prilagođenje impedanse na linijama magistrale, a time se postiže nesmetani prolaz signala (bez izobličenja) po magistrali. Terminatori se postavljaju u obliku posebnih konektora na kraju spoljašnje i unutrašnje grane, ili ako na završnom SCSI uređaju postoji ugrađen terminator, on se uključuje posebnim kratkospo jnicima. SCSI uređaji na sebi imaju so pstvene kontrolere koji komuniciraju sa glavnim SCSI kontrolerom, koji njima i upravlja. Ovakav koncept omogućava da nekoliko SCSI uređaja može da koristi magistralu u isto vreme, a da mikroprocesor za to vreme bude slobodan da obavlja druge poslove. SCSI hard diskovi imaju bolje karakteristike od ATA diskova (brži su, imaju veći kapacitet,

pouzdaniji su), ali se zbog veće cene, kao i potrebe za posebnim (skupim) kontrolerom retko koriste u kućnim i poslovnim računarima. Najčešće se koriste u serverima za važne računarske mreže, gde je primarni faktor pouzdanost i brzina, a cena opreme nije odlučujuća. Kada se sve sabere i oduzme, SCSI se može preporučiti za mrežne servere i računare na koje treba priključiti veći broj perifernih uređaja. Za sve ostale personalne računare IDE je gotovo savršeno rešenje.


23

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

7. Ispravan rad hard diska zavisi od mnogo stvari. Pored gubitka podataka, posledica mnogih kvarova je degradacija performansi hard diska kada je u pitanju pristup podacima. Najjednostavnija su logička oštećenja podataka koja predstavljaju nepravilnosti u organizaciji

podataka odnosno fajl sistemu. Ona mogu nastati kao posledica nepravilnog gašenja računara, ali i kao posledica ozbiljnijeg kvara. Ova oštećenja se uglavnom lako otklanjaju i nakon toga disk ostaje ispravan.

Najočigledniji i najčešći uzroci kvara su otkazi elektronskih i mehaničkih komponenti. U nekim slučajevima je ove kvarove moguće otkloniti korišćenjem ispravnih delova sa istovetnog hard diska i povraćaj podataka se zatim svodi na jednostavno kopiranje sadržaja popravljenog hard diska. Međutim, ova metoda nije uvek efikasna i zahteva skupu opremu, kao i postojanje čiste komore ( clean place). Kvarovi elektronskih i mehaničkih komponenti često imaju kaskadni efekat jer usled nemogućnosti normalnog rada hard disk uništava podatke na sebi.

U hard disku se podaci čuvaju na magnetnom mediju, a, pored korisničkih podataka, hard disk sadrži i mnoge druge. Magnetni medij je podložan oštećenjima koja su posledica nesavršenosti procesa i zrade, kao i opadanja karakteristika magnetnog materijala tokom vremena. Usled ovoga se na pločama pojavljuju oblasti koje ne mogu ispravno čuvati podatke i koje nazivamo defektnim oblastima. Jedan sektor se sastoji od identifikacionih podataka, sinhronizacionih polja (markeri za

početak i kraj sektora), korisničkih podataka, kôda za korekciju greške, servo podataka i razmaka od sledećeg sektora. Staze imaju slične podatke pomoću kojih se jednoznačno identifikuju i obeležavaju im se početak i kraj. Ukoliko se sektor ili cela staza nalaze u defektnoj oblasti, bilo koji od njegovih delova može biti oštećen. A oštećenje svakog dela ima svoje efekte.

Ukoliko su oštećeni identifikacioni podaci, ne može se odrediti redni broj sektora ili staze, kao ni njegov statu s, tako da se može činiti izgubljenim ili se može prijavljivati kao ispravan iako je zapravo loš. Posledica oštećenja sinhronizacionih polja jeste nemogućnost pronalaženja početka i kraja staze odnosno sektora, tako da, iako su podaci možda ispravni, hard disk nije u mogućnosti da im pristupi jer ne može da ih pronađe. Integritet servo podataka je od presudnog značaja: ukoliko su oni oštećeni, hard disk nije u stanju da ispravno navodi glavu, što može da dovede do ozbiljnih oštećenja podataka koji se nalaze oko defektne oblasti.


24

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

Kada su korisnički podaci i ECC kodovi u pitanju, njihova oštećenja ne utiču na rad hard diska. Međutim, oni su obično prvi pokazatelj „početka kraja”. Naime, moderni hard diskovi ne koriste sve sektore za čuvanje podataka, već samo onoliko koliko je neophodno da bi disk imao nazivni kapacitet. Sektora zapravo ima mnogo više i oni koji se ne koriste čuvaju se kao rezerva: u slučaju da neki od sektora postane loš, rezervni sektor zauzima njegovo mesto. Ova mogućnost se zove mapiranje defekta (defect mapping) i odvija se transparentno. Ukoliko hard disk ustanovi da je za čitanje nekog sektora neophodno više pokušaja, označiće ga kao loš i u mapi defekata će zapisati koji rezervni sektor se koristi umesto lošeg sektora, a zatim će pokušati da izvuče podatke iz lošeg sektora i da ih iskopira u rezervni. Na ovaj način se obezbeđuje blagovremeno spasavanje podataka koji se nalaze u ugroženim oblastima. Pojedini hard diskovi su „svesni” činjenice da se defektne oblasti šire i zbog toga autom atski zamenjuju i sektore koji se nalaze oko novootkrivenog lošeg sektora, a ponekad se zamenjuju i čitave staze. Mapiranje defekata obezbeđuje da se u normalnim okolnostima prilikom skeniranja površine diska alatima kao što su “chkdsk” pod Windowsom ili “badblocks” pod Linuxom ne vidi prisustvo loših sektora. Međutim, količina rezervnog prostora je ograničena. Nakon trošenja rezerve, novonastali loši sektori počinju da se vide i prilikom skeniranja. Ovo je siguran znak da je hard disk došao pred sam kraj svog životnog veka i da ga što pre treba zameniti.


25

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

8. Glavna razlika između HDD-a i SSD-a jeste u načinu rada, Hard disk se sastoji od diskova, glava za čitanje i pisanje i kontrolera, pa s amim tim Hard disk predstavlja elektromehaničku komponentu, sa druge strane Solid State Drive se u principu sastoji od kontrolera i

memorijskih čipova tako da on ne poseduje ni jednu elektromehaničku komponentu, usled ovoga SSD-ovi zauzima manje prostora, troše manje energije i otporniji su na fizička oštećenja. Pošto SSD koristi čipove, a ne magnet diskove koji se rotiraju, čitanje i pisanje podataka je dosta brže, takođe fragmentacija, tj. razbacanost podataka, ne ma nikakav uticaj na brzinu čitanja i pisanja jer solid state drive nema glave za čitanje i pisanje koje bi morale da premeštaju usled razbacanosti podataka.

Slika 12. Intel SSD 310 u poređenju sa HDD -om

Kao i kod hard diska povezivanje većine SSD-ova koji su namenjeni za kućnu upotrebu se vrši

pomoću standardn (S )ATA interfejsa. Neki se povezuju i preko PCI Express ili USB interfejsa, dok se oni rezervisani za servere povezuju preko SCSI interfejsa ili pomoću optičkih kablova. SSD-ovi se međusobno razlikuju, jedna od osnovnih razlika po kojoj se SSD-ovi mogu razvrstati jeste tip memorije ko koriste za skladištenje podataka, ova memorija može biti RAM, EEPROM ili Flash memorija, i svaka od njih ima svoje prednosti i mane.


26

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

Među prvim razvijenim SSD-ovima bili su SSD-ovi zasnovani na RAM memoriji njihova glavna odlika jeste veli brzina obrade podataka, a najveća mana im je to što trajno skladištenje podataka nije moguće bez konstantn og napajanja ili dodatne memorijske komponente koja ima mogućnost trajnog skladištenja podataka, kao što je npr. ha rd disk. Zbog ove mane ovaj tip SSD-a nikada nije doživeo širu primenu i njegova primena je ostala ograničena specifične sisteme koji zahtevaju veliku brzinu čitanja i pisanja. EEPROM memorije je, takođe, moguće koristiti, njihova dobra osobina je ta što se pod aci mogu čitati i pisati bajt po bajt, kao i to što im je vek trajanja duži nego kod flash memorija, mana im je visoka cena, pa je zbog toga njihova primena veoma ograničena. Flash memorije se dele na NOR i NAND, oba tipa su karakteristična po tome što se pisanje i brisanje podataka vrši blokovima, razlike između NOR i NAND memorija postoje u načinu izrade i načinu čitanja podataka. U poređenju sa SSD-ovima zasnovanim na RAM memoriji, SSD-ovi zasnovani na flash memoriji su sporiji ali ne zahtevaju konstantan izvor napajanja kako bi trajno čuvali podatke. NOR memorije su sastavljene iz paralelno povezanih memorijskih ćelija i po svojoj strukturi liče na logičko NILI ko lo (eng. NOR gate), zbog paralelne veze gustina pakovanja je smanjena, ali je na ovaj način omogućeno da se ćelije čita ju pojedinačno, što je veoma slično načinu čitanja RAM memorije, ovo je NOR memorijama dalo mogućnost da programi smešteni na njima odmah izvršavaju bez potrebe da se prvo učitaju u RAM. U poređenju sa NAND fla sh memorijama, NOR memorije, imaju nešto manju brzinu pisanja podataka.

Slika 13. Intel SSD 520 koristi 25nm NAND flash memoriju i SF-2281 kontroler


27

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

NAND flash memorije se sastoje iz redno povezanih memorijskih ćelija, po svojoj strukturi NAND flash memorije liče na logičko NI kolo (eng. NAND gate), na ovaj način je postinguta veća gustina pakovanja i samim tim je smanjena ce na izrade. N jihov način čitanja i pisanja je sličan načinu na koji hard disk čita i piše podatke. NAND flash memorije podatke smeštaju po blokovima - svaki blok je sastavljen iz određenog broja stranica, stranice se koriste za čitanje i pisanje podataka dok se brisanje vrši isključivo po blokovima. Za razliku od NOR memorja, programi se ne mogu izvršav ati direktno sa NAND memorije, već se prvo moraju učitati u RAM. Zbog svog načina obrade podataka i niže cene NAND flash memorija se masovno koristi u proizvodnji SSD-ova. Iako flash memorije imaju veliki broj prednosti u odnosu na ostale tipove memorija, one imaju i jednu veliku manu - njihov životni vek je ograničen brojem ciklu sa pisanja i brisanja podataka, tj. nakon određenog broja ovih ciklusa dola zi do opadanja kapaciteta i brzine

memorije i konačno do samog prestanka rada memorije, ipak ova činjenica ne treba bude uznemiravajuća jer u većinu slučajeva SSD-ovi imaju duži životni vek i od HDD-ova. Bitan faktor koji određuje životni vek SSD-a zasnovanog na flash memoriji, su, pored kvaliteta same memorije, tip memorije (SLC / MLC) i kvalitet kontrolera. Pored osnovna dva tipa, NOR i NAND, flash me morije mogu biti i SLC, single-level cell ili MLC,

multi-level cell. K od SLC memorija svaka memorijska ćelija je zadužena za smeštanje jednog bita ove memorije, zbog toga imaju manju gustinu pakovanja, ali su dosta pouzdanije i

životni vek im je duži i nar avno cena im je veća. MLC memorije skladiš te više bita po ćeliji, gustina pakovanja je veća, cena je niža ali je i pouzdanost nešto manja pa je tako i životni vek kraći.

Slika 14. ADATA S511 SSD sa MLC NAND flash memorijom


28

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

Jedan od najbitnijih faktora ko ji najviše utiče na pouzdanost i životni vek SSD-a je njegov

kontroler. Kontroler SSD-a ne samo da je zadužen za pripremu i skladištenje podataka već ima i veliku ulogu u praćenju stanja SSD-a. On je zaduže n za obeležavanje neupotrebljivih blokova, tj. blo kova na koje se podaci više ne mogu pisati, ravnomernu raspode lu podataka, tj. izbegavanje stalne upotrebe istih blokova kak o se oni ne bi trajno oštetili, proveru ispravnosti podataka zapisivanju, enkriptovanje podataka itd.

U prošlosti se nije obraćalo toliko pažnje na kvalitet samog kontrolera pa su SSD-ovi bili nepouzdani, sada proizvođači u prvi plan stavljaju baš kvalitet kontrolera, što je i logično kada se uzme u obzir od kolike je on važnosti za čitav S olid State Drive.

Slika 15. OCZ Vertex 3 - jedan od prvih koji je koristio, tada novi, SF-2200 kontroler

U poređenju sa HDD-om solid state drive ima dosta prednosti i veoma mali broj mana koje se veoma lako mo zanemariti. Prednosti:

-

Solid state drive nema pokretnih, mehaničkih delova tako da je, u o dnosu na HDD, otpornij na mehanička oštećenja. SSD ne proizvodi buku tokom rada i zagrevanje je svedeno na minimum tako da nema potrebe za dodatnim hlađenjem. Potrošnja električne energije je znatno manja. Veća brzina čitanja i pisanja podataka.

-

Solid state drive nema potrebe za defragmentovanjem jer adrese podataka ne

-

predstavljaju fizičko mesto, kao što je slučaj HDD-om. Mane: -

SSD ima nešto višu cenu u odnosu na HDD. Loš firmware može izazvati teška oštećenja. Prilikom, retkih, težih oštećenja vraćanje izgubljenih podataka je veoma teško.


29

PRAKTIČNA NASTAVA

HARD DISK

9. Hard disk svojim nastankom i razvojem ostavio je neizbrisiv trag na razvoj računarske tehnologije. Ipak dalji razvoj te iste računarske tehnologije preti da ga potisne iz upotrebe. Zahtevi za malom i prenosnom memorijom, koja bi se lako mogla priključiti na računar

dovela je do izbacivanja na tržište, 2000. godine, prve USB fleš memorije ( USB flash drive). Dalji razvoj USB fleš memorije, kao i razvoj memorisjkih kartica (devedesetih godina prošlog veka) otvorio je put ka pravom razvoju SSD ( Solid State Drive) diskova, diskova bez pokretnih

mehaničkih delova, koji bi mogli u budućnosti da zamene hard diskove. SSD je elektronski uređaj/medij za zapisivanje/čitanje/čuvanje podataka sličan hard disku. SSD za razliku od hard diska nema pokretnih delova ni nikakve mehanike, nego je potpuno

elektronski uređaj. Zbog toga i naziv "SSD disk" nije tehnički tačan jer on u stvari nije nikakav "disk" nego elektronsko kolo sa memorijskim čipovim. Spolja gledano SSD je u potpu nosti nalik hard disku jer koristi standardne dimenzije (2.5" i 3.5") i može da se ugrađuje na ista mesta kao i hard diskovi. Interfejs tehnologija je takođe ista kao na hard diskovima tako da su ovi uređaji u potpunosti kompatibilni. Praktično svi SSD dis kovi koriste SATA interfejs. Glavne prednosti SSD diskova u odnosu na hard disk su: pouzdanost, manja potrošnja energije, veća brzina, manje dimenzije, ne stvara vibraciju i buku, manje zagrevanje, sigurnost od brisanja podataka usled efekta magnetizma. Glavne mane SSD diskova su

prvenstveno veća cena i mali kapacitet u odnosu na hard diskove. Pored SSD diskova na tržištu su i hibridni hard diskovi sa SS memorijama u samom disku, a aktuelna je i “cloud” tehnologija skladištenja podataka na internet serverim a. Naučnici danas najavljuju i totalnu promenu tehnologije proizvodnje hard diskova koja bi bila zasnovana na organskom materijalu, odnosno, bakterijama.

Istraživači britanskog univerziteta Lids i japanskog Univerziteta poljoprivrede u Tokiju koriste tip bakterije koja „jede“ gvožđe i stvara, u sebi, sićušne magnete, poput onih u hard diskovima. Po njihovim rečima, ovo straživanje bi moglo dovesti do razvoja diskova sa mnogo većom brzinom i gustinom, i do još mnogo bržih i kvalitetnih elektronskih naprava, koje ne bi zagađivale životnu sredinu.


30

Seminarski Rad - Hard Disk

Recommend Documents