Budowa dysku twardego

Dysk sztywny, dysk twardy (ang. hard disk, hard disk drive) lub zargonowo \"twardziel\" to hermetycznie zamkniety, skladajacy sie z 2 do 8 wirujacych talerzy pokrytych bardzo cienka warstwa magnetyczna , kazdy posiada osobna glowice odczytujacą-zapisujaca , która unosi sie nad nim na cienkiej poduszce powietrznej. Dysk twardy jest zwykle na stale wlaczony do komputera i przechowuje dane, które powinny byc zawsze dostepne, takie jak system operacyjny. Nowoczesne dyski twarde posiadaja bardzo duza przepustowosc danych, niski czas dostepu do danych, obracaja sie z predkoscia kilku tysiecy obrotów na minute, a ich pojemnosc wynosi kilkanascie gigabajtów.


Budowa dysku twardego


Dysk twardy znajduje sie we wnetrzu obudowy komputera lub w latwo dostepnej szufladzie, tzw. kieszeni i sluzy do przechowywania programów i danych. Dysk twardy zostal tak nazwany, z powodu swej sztywnej konstrukcji, sa one umieszczone w odpowiednio skonstruowanym pyloszczelnym zespole napedowym, zwierajacym ponadto uklady sterowania silnikiem napedu dysków, silnikiem przesuwu glowic (pozycjonerem), ukladu sterownia zapisu, ukladu odczytu oraz inne uklady sterujace i kontrolne zespolu napedowego.
Wiekszosc dysków twardych sklada sie nastepujacych komponentów: obudowy, pozycjonera glowicy, ram glowic, glowic zapisu i odczytu, wirujacych talerzy, ukladów sterowania .
Talerz (ang. plate) to magnetyczna powierzchnia obracajaca sie ze stala predkoscia umozliwiajaca odczyt danych przez glowice odczytujaca-zapisujaca . Talerzem moze byc zatem jedna z 2-8 wirujacych z predkoscia kilku tysiecy obrotów na minute czesci dysku twardego, pokryta materialem magnetycznym, który moze zostac zapisany/odczytany przez, osobna dla kazdego talerza, glowice odczytujaca-zapisujaca .
Kazdemu dyskowi pamieci przyporzadkowane sa dwie glowice (dla jego dolnej i górnej powierzchni). Glowice utrzymywane sa na sprezynujacych ramionach, przy czym wszystkie ramiona glowic sa ze soba polaczone i poruszaja sie synchronicznie, napedzane pozycjonerem. W stanie spoczynku glowice znajduja sie na sciezce parkujacej dysku. W momencie, gdy dysk zaczyna wirowac, poduszka powietrzna wytworzona przy powierzchni, unosi glowice na wysokosci okolo 1 mikrometra.
Zadaniem pozycjonera jest przemieszczenie glowic na wybrany cylinder. Pozycjonery zbudowane zostaly w oparciu o silnik liniowy, same parkuja glowice po wylaczeniu zasilania, gdyz sprezyna samoczynnie odciaga je do polozenia parkowania. Pozycjonery z silnikiem krokowym wymagaja zaparkowania glowic za pomoca specjalnego programu .
Praca z twardym dyskiem jest mozliwa dopiero wtedy, gdy zostanie on sformatowany przez producenta lub uzytkownika .
Formatowanie polega na podziale dysku na sciezki i sektory, jest to tzw. Formatowanie niskiego poziomu lub formatowanie fizyczne

Dysk twardy odróznia sie od dysku elastycznego nastepujacymi cechami

Glowica odczytu zapisu, nie dotyka dysku w czasie pracy, jest bowiem utrzymywana automatycznie w czasie ruchu obrotowego .
Predkosc dysku twardego jest bardzo duza, dzieki czemu osiaga sie duze predkosci transmisji danych(MB/s) .
Poniewaz dysk twardy jest nie wymiennym nośnikiem danych, mozna go dokladnie wycentrowac i osiagnac duza liczbe sciezek, czyli duza pojemnosc (do kilku GB) .

Najwazniejsze parametry techniczne dysków twardych

Pojemnosc od 10MB do kilku GB .
Liczba glowic zapisu i odczytu (od 4 do kilkunastu) .
Liczba cylindrów (od 615 do kilku tysiecy) .
Sredni czas dostepu .
Predkosc obrotowa dysku (kilka tysiecy obrotów na minute) .
Predkosc transmisji danych .
Zasilanie .

Sterownik dysków twardych

Interfejs IDE

Standard ST-506 narzucal pewne ograniczenia co sklonilo do opracowania nowego interfejsu zwanego IDE-AT (Bus Hard Disk Inreface). W przypadku tego interfejsu producenci dysków twardych zintegrowali w tym urzadzeniu wszystkie uklady zwiazane ze sterowaniem transmisja danych. Interfejs posiada 16-bitowa szyne do transmisji informacji, nie moze wiec byc stosowany w komputerach XT . Dla sterowników IDE zarezerwowano tylko dwa obszary (1F0...1F7 i 170...177) w przestrzeni adresowej I/O, dzieki temu system mikroprocesorowy moze wspólpracowac z dwoma dyskami twardymi .
Niektóre sterowniki IDE wyposazane sa w pamieci Cache, pozwalajace zwiekszyc szybkosc transmisji danych, moga osiagac pojemnosci kilku MB. Kontroler ten umozliwia podlaczenie dwóch dysków na jednym kablu jako Master i Slave o pojemnosci nie większej niż od 40 do 528 MB .

Interfejs EIDE

(ang. Enhanced IDE) Funkcjonuje od 1994 roku rózni sie on od swego poprzednika zwiekszona szybkoscia przesylania danych, pokonuje granice 528 MB, obsluguje cztery dyski twarde, moze obslugiwac równiez inne urzadzenia np.: CD.-ROM, streamery.
Standard EIDE moze obsluzyc cztery dyski twarde za pomoca dwóch adapterów (dwóch kanalów IDE) o adresach IFO-1F7H i poziomie przerwania IRQ14 oraz adresach 170-177H i IRQ15. Adaptery moga znajdowac sie na wspólnej karcie lub na kartach oddzielnych. Do kazdego kanalu mozna dolaczyc dwa urzadzenia IDE, które pracuja w zwyczajnym systemie jako Master i Slave.
Cztery dyski twarde pracujace w systemie zachowuja nastepujaca kolejnosc :

1.Dysk Master - Pierwotny adapter
2. Dysk Slave - Pierwotny adapter
3. Dysk Master - Wtórny adapter
4. Dysk Slave - Wtórny adapter

Dla pokonania granicy 528 MB standard EIDE wykorzystuje tzw. Metode LBA (Logical Block Address), która powoduje przenumerowanie wszystkich sektorów, tzn. dokonuje tzw. Transakcji adresów, zamieniajac rzeczywisty numer glowicy, cylindra i sektora na logiczny odpowiednik ; odpada wiec skomplikowana adresacja za pomoca cylindrów, glowic i sektorów. Metoda ta funkcjonuje w kazdym systemie operacyjnym oprócz DOS-a. Alternatywa do metody LBA jest metoda Extended CHS (XCHS), która zezwala na zwiekszenie liczby glowic do 255.
Z tego wynika ze BIOS moze obsluzy dyski posiadajace 64 sektory, 255 glowic i 1024 cylindry, czyli o maksymalnej pojemnosci do 7,8 GB. Oczywiscie w praktyce zaklada sie ze liczba glowic nie moze by wieksza niz 16. Jesli wiec BIOS natrafi na parametr okreslajacy liczbe glowic wieksza niz 16, wtedy przelicza wartosci CHS w ten sposób, ze dyskowi nie przydziela wiecej niz 16 glowic, zwieksza natomiast liczbe cylindrów lub sektorów .

Interfejs SCSI

SCSI (Small Computr System Intrerface) wykorzystywany do sterowania napedów dysków twardych, stanowi raczej standard szyny niz standard interfejsu dysków twardych.
Jesli w komputerze PC zostanie zainstalowany sterownik SCSI ( a raczej adapter SCSI), to otrzymamy nowa magistrale do której bedzie mozna podlaczyc kilka urzadzen.
Poprzez SCSI mozna polaczyc ze soba osiem inteligentnych jednostek w tzw. Konfiguracji lancuchowej.
W konfiguracji lancuchowej wszystkie linie interfejsu sa wspólne dla wszystkich urzadzen, a kabel laczy urzadzenie pierwsze z drugim, drugie z trzecim, trzecie z drugim, itp .
Interfejs SCSI posiada 8-bitowa szyne danych DB0-7 oraz linie bitu parzystosci DBP, za pomoca których nastepuje transmisja danych pomiedzy sterownikiem a dolaczonymi urzadzeniami, sygnaly na wszystkich liniach interfejsu generowane sa w logice ujemnej, tzn. aktywnym sygnalem na linii jest \"zero\" logiczne.
Karty sterowników SCSI posiadaja wlasny BIOS; oznacza to, ze sterowniki nie korzystaja z procedur obslugi dysku, zawartych w BIOS-ie plyty glównej, dzieki temu parametry dysków SCSI nie sa ograniczone przez ten BIOS. Stosujac SCSI, mozna tworzyc uklady zblizone do sieci lokalnej, pozwalajace na wspólne korzystanie z drozszych urzadzen peryferyjnych .

Sposoby zapisu i odczytu na dysku twardym

Wszystkie typy pamieci na warstwach magnetycznych dzialaja na tej samej zasadzie; na poruszajacej sie warstwie magnetycznej dokonywany jest zapis informacji polegajacy na odpowiednim przemagnesowaniu pól nosnika informacji.
Zapis i odczyt dokonywany jest za pomoca glowic. Glowica nazywamy rdzen z nawinieta na nia cewka i niewielka szczelina miedzy biegunami. Zapis informacji sprowadza sie do namagnesowania poruszajacego sie nosnika. Pole magnetyczne wytworzone w szczelinie magnesuje nosnik tak dlugo, jak dlugo plynie prad w cewce glowicy. Namagnesowany odcinek nosnika zachowuje sie jak zwykly magnes, wytwarzajac wlasne pole magnetyczne.
Istnieje wiele metod zapisu informacji cyfrowej na nosniku magnetycznym .

Metoda bez powrotu do zera

Polega na tym, ze zmiana kierunku pradu w glowicy zapisu nastepuje w chwili zmiany wartosci kolejnych bitów informacji. Zmiana kierunku pradu nie wystepuje podczas zapisywania ciagu zer lub jedynek. Metoda ta nie posiada mozliwosci samo synchronizacji, tzn z informacji odczytanej nie da sie wydzielic impulsów okreslajacych polozenie komórki bitowej .

Metoda modulacji czestotliwosci (FM)

Polega na tym, ze przy modulacji FM prad w glowicy zapisu zmienia na poczatku kazdej komórki bitowej, oraz w srodku komórki, gdy zapisywany bit ma wartosc \"jedynki\" .

Metoda zmodyfikowanej modulacji czestosci (MFM)

Metoda MFM nazywana jest metoda z podwójna gestoscia i dzieki niej jest podwojona jest pojemnosc dysku twardego, stosuje sie tu regule: bit o wartosci \"1\" ustawia impuls zapisujacy posrodku komórki bitowej, bit o wartosci \"0\", ustawia impuls na poczatku komórki bitowej lecz tylko wtedy, gdy poprzedni bit nie jest równy \"1\".
W metodzie tej dla odtwarzania danych, w trakcie odczytu, stosowany jest uklad z petla synchronizacji fazy PLL, na podstawie impulsów odczytanych z glowicy odczyt o nazwie READ DATA.
Metoda RRL

Redukuje o 35% ilosci przemagnasowan nosnika - mozna zatem, przy niezmienionej maksymalnej czestotliwosci pracy, póltorakrotnie zwiekszyc gestosc zapisu danych Odczyt informacji polega na przemieszczeniu namagnesowanych odcinków nosnika pod szczelina.
Pole magnetyczne pochodzace od namagnesowanego odcinka nosnika, przenika rdzen glowicy i indukuje w cewce sile elektromotoryczna, która jest nastepnie wzmacniana i formowana w impuls cyfrowy, taktowany jako impuls zerowy lub jako bit danych, w zaleznosci od metody zapisu informacji.