- Pevné disky -

Fyzická struktura
• Pevný disk (HDD – Hard Disk Drive) - zařízení pro ukládání dat, která po svém zápisu již nepotřebují další energii, aby se uchovala.
• Disková plotna - kotouč, na které byla data dříve přímo zapisována díky vrstvě železného oxidu nebo v současnosti také pomocí magnetického substrátu slitiny kobaltu (tzv. tenkého filmu, Thin Film). Zápis probíhá většinou z obou jejích stran a to pomocí speciálních čtecích/zapisovacích hlaviček, jež se pohybují velmi nízko nad samotnou datovou vrstvou.
• Plotna vyrobena z různé kombinace skla, keramiky či plastu (dříve se hojně využívalo také hliníku) a je na ni je možné zapsat různé množství dat.
• Plotny pohání elektromotory, jejichž působením se plotny roztočí na požadované otáčky udávané v RPM (Revolutions Per Minute) – otáčkách za minutu (4200 RPM, 5400 RPM, 7200 RPM, 10000 RPM a 15000 RPM)
• Dnes (2009) není problémem na jednu plotnu zapsat až 500 GB datového záznamu.
• Čtecí a zapisovací hlavu je umístěna na ramenu
• To se pohybuje pomocí lineárního motoru tak, aby hlavičky mohly pokrýt veškerou využitelnou plochu plotny, nad níž se pohybují extrémně nízko.
• Celkový počet hlaviček v každém pevném disku je většinou roven dvojnásobku diskových ploten
• Seek time – doba vyhledávání - označujeme čas, za který se hlava přesune nad požadované místo čtení nebo zápisu
• Rotational delay - rotační zpoždění - prodleva, ale ta se vztahuje k otočení plotny tak, aby se pod hlavu dostal požadovaný sektor.
• AAM (Automatic Acoustic Management) - umožňuje snížit hlučnost pohybu hlaviček při prohledávání disku na úkor přenosové rychlosti a přístupové doby.
Stopy, sektory, cylindry
• Magnetický povrch plotny je dělený na
• Stopy (tracks) jsou soustředné kružnice, které jsou očíslovány (0 = vnější stopa) a po kterých hlavička najíždí a vyhledává konkrétní místo k zápisu či čtení.
• Sektory, které jsou známy jako tzv. nejmenší adresovatelné jednotky na pevném disku.
• Vzhledem k tomu, že obvod stop je v různých místech disku různě dlouhý, bychom kvůli rozdělení všech stop na stejný počet sektorů zbytečně plýtvali místem na disku. Proto disky využívají tzv. Zone Bit Recording, kterážto metoda rozděluje stopy na sektory podle jejich délky, čímž je přístup k datům složitější, ale umožňuje plně využít vysoké obvodové rychlosti.
• Rozdělení na cylindry je důležité proto, aby se hlavy v pevném disku využívaly rovnoměrně a disk tak měl co nejvyšší výkon. Cylindr označuje všechny stopy ploten, které mají stejné číslo a tvoří tak pomyslný dutý válec. Disk při zapisování plní disk ne po plotnách, ale právě po cylindrech, aby se průběžně využívaly všechny hlavy (ty jsou totiž umístěny na společném rameni, s jehož pomocí jsou nakonec také navedeny na správné místo), nebo alespoň skoro všechny.
Clustery, práce s daty
• Jak jsou všechny stopy, cylindry a sektory na disku uspořádány také označuje význačný termín "geometrie disku". Operační systém však zavádí ještě další logickou jednotku s označením cluster - s tou už operační systémy opravdu pracují a data na ně zapisují nebo je z nich čtou.
• Clustery již nejsou tvořeny nízkoúrovňovým formátováním, nýbrž formátováním vysoké úrovně a shlukují v sobě určité množství sektorů, jejichž počet se může lišit v závislosti na použitém souborovém systému (NTFS například umožňuje využít clustery o velikosti 8 B až 64 KiB).
• Jakou velikost clusteru použijete, záleží pouze na vašich preferencích. Pokud pracujete často s velmi malými soubory, vyplatí se nastavit clustery o nižší velikosti, protože pokud byste uložili například soubor o velikosti 1 KiB do 64KiB clusteru, přišli byste o 63 KiB volného místa.
• Naopak pokud bude datová jednotka využita především pro ukládání velkých souborů, bude výhodnější používat větší clustery, protože tím zrychlíte nejen vyhledávání, ale také celkovou práci s daty.
• V dřívějších dobách se na plotny zapisovalo tak, že každý sektor měl stejnouvelikost, přičemž nezáleželo na tom, kde na povrchu plotny se nacházel. Přitom jejasné, že data uprostřed disku musela být na sobě hodně natěsnaná, což mělo zanásledek možné a také celkem časté vzájemné ovlivňování magnetického záznamu
• Nastalý problém musel být bezodkladně vyřešen, protože v opačném případě by se z pevných disků stalo nespolehlivé zařízení, kterému byste se báli svěřit jakékoliv datové bloky. Řešení naštěstí přišlo záhy a pracovalo na principu, že elektronika pevného disku úmyslně ukládala určité bity na geometricky špatná místa. Celá prekompenzace (Write Precompensation) pak měla za následek, že se bity ve finále srovnaly do správné podoby.
• Naproti tomu sektory na okraji plotny byly k tomuto poměru téměř prázdné. Další problém při takovémto zápisu představovala skutečnost, že uživatel nikdy nemohl využít maximální možnou kapacitu pevného disku. Všechny problémy pak komplexně vyřešila až metoda zónového zápisu (Zone Bit Recording), jež přišla jako náhrada zavržené prekompenzace, a která rozdělila sektory do oddílů s proměnnou velikostí, jež kolísala v závislosti na jejich skutečném fyzickém umístění na datové plotně. U dnešních disků tak může být na okraji plotny jiný počet sektorů než na stopách blížících se jejímu středu.
Princip zápisu a čtení dat
• Za vše mohou hlavičky, což jsou pouhé cívky navinuté na jádrech, která jsou na nejbližších místech k datové plotně přerušená uzoučkou štěrbinou. Pokud pak cívkou prochází elektrický proud, dojde k vytvoření určitého magnetického toku, který se právě v této štěrbině uzavírá a tím ovlivňuje i záznamovou vrstu pevného disku. V závislosti na tom, jakým směrem při této operaci teče proud, tak můžeme vytvořit magnetická místa, která budou zmagnetizovaná tím či oním směrem. Mezi nimi poté vznikají tzv. magnetické reverzace, což jsou vlastně pouze místa, v kterých se konkrétní směr magnetizace mění a právě ony mohou velkou měrou za principiální funkčnost této metody zápisu.
• Čtení dat probíhá zcela opačným způsobem. Během pohybu hlaviček nad povrchem dané plotny reagují cívky na přítomné magnetické reverzace, které následně vyvolávají v jádru starý známý magnetický tok, jenž je dále zpracován jako elektrický impuls přídavnou řídící elektronikou disku. Důležité je také výrobcem zvolené kódování dat, které určuje konkrétní způsob uložení magnetických reverzací. Za všechny zmiňme například frekvenční modulaci (FM, Frequency Modulation) či modifikovanou frekvenční modulaci (MFM, Modified Frequency Modulation).
• U starší disků bylo dále třeba vyhradit určité místo (sektor), které bylo při vypnutém napájení používáno k parkování hlaviček (Land Zone). Svou důležitost tato informace ale ztratila v době, kdy přestaly postačovat původní pevné disky s krokovým motorem. U dnešních disků již parkovací oblast takto uživatel nastavit nemůže. Vše záleží pouze na výrobci, zda se rozhodne, jestli bude využívat střed či dokonce oblast někde úplně mimo plotny.
Technologie kolmého zápisu
• Technologie kolmého zápisu má v originále možné označení Perpendicular Recording Technology, i když my si vzhledem ke zkratce vybereme spíše Perpendicular Magnetic Recording (PMR). Jedná se o nový způsob zápisu dat na pevné disky z hlediska fyzického provedení, který dnes postupně nahrazuje klasickou podélnou (longitudinal) technologii. O co se vlastně jedná? Jistě víte, že se na pevný disk zapisují data pomocí magnetizování povrchu plotny, kde orientace magnetického pole určuje, zda ono místo odpovídá 0 nebo 1. U klasické technologie se však materiál magnetizuje tak, aby bylo jeho pole orientováno podélně s povrchem plotny. Zato u PMR má zmagnetizovaný materiál orientaci pole kolmou na povrch plotny a od toho se odvíjí i název. Díky tomu se mohou jednotlivé 'bity' umístit blížeji k sobě, čímž se docílí vyšší kapacity.
• Avšak to není tak jednoduché. U PMR disků se musí využít ještě magneticky tvrdší materiál pro záznam a naopak magneticky měkká spodní vrstva, která napomáhá hlavičce v zápisu - zvyšuje její efektivnost, aby dokázala ovlivnit i magneticky tvrdý materiál na povrchu. Technologii kolmého zápisu dnes zvládá kdejaká firma. Jmenovitě to jsou Seagate, Toshiba, Fujitsu a Hitachi.
Adresování IDE
• K tomu, aby se disk bez problému domluvil s celou základní deskou, je vybaven řadičem, který celou komunikaci a všechny operace se zařízením řídí. Základní deska je pak vybavena tzv. Host Adaptérem, jenž se stará pouze o zprostředkování komunikačního kanálu mezi oběma zařízeními. Celé technologii se v počítačové branži říká ATA (Advanced Technology Attachment).
• Ač je řadič u všech moderních disků umístěn až na pevném disku (ne na základní desce), stále jeho parametry nastavujeme v BIOSu počítače. Nutno ovšem říci, že tato zažitá skutečnost nebyla vždy pravdivá. V dávným dobách totiž také ještě existovaly disky MFM (například rozhraní ST506), které na svém těle žádným řadičem nedisponovaly. Ten pak musel být umístěn na základní desce, potažmo v přídavné ISA kartě, ke které bylo nutné disk připojit rovnou dvěma kabely. První z nich byl datový (20 pin) a druhý, 34vodičový, sloužil pro přenos řídících signálů.
Shrnutí
• Velikost disku – udává se v palcích a značí průměr ploten disku (1”, 2.5”, 3.5”. atp.)
• Kapacita disku – využívá se SI soustava, tedy 1 MB = 1.000.000B; oproti tomu 1 MiB = 2^20 = 1.048.576B – v tomto roce se očekávají disky s kapacitou 1 TB
• RPM – Revolutions Per Minute – počet otáček ploten za minutu (4200 – 15000RPM)
• Plotna – disk se skládá z jedné, nebo více ploten, na něž se mohou data zapisovat z obou stran
• Hlava – čtecí a zapisovací hlavu má každá strana plotny jednu; hlavou pohybuje krokový motor tak, aby pokryla plochu plotny a mohla z ní číst/zapisovat
• Stopa – plocha plotny je logicky rozdělena na stopy – soustředné kružnice na disku
• Sektor – stopy se logicky rozdělují na výseky – sektory
• Cylindr – všechny stopy na plotnách se stejným číslem
• Seek time – čas, za nějž se hlava přesune na požadované místo – měří se většinou průměrný čas
• Rotational delay – prodleva, za kterou se požadovaná část plotny natočí pod hlavu – maximální je rovna výsledku výpočtu 60/počet RPM
• Burst Transfer - rychlost komunikace mezi diskem a řadičem - v ideálním případě by měla být rovna specifikacím rozhraní, avšak málokdy se k nim disky byť jen přiblíží
• Sequential read/write - vlivem snižující se obvodové rychlosti při přibližování hlavy ke středu disku se snižuje i rychlost čtení a zápisu dat - měříme tedy sekvenční čtení / zápis
• ImpacGuard - technologie firmy Samsung, s jejíž pomocí jsou diskové plotny chráněny několika ochrannými polštářky umístěnými na vystavovacím rameni disku
• Prekompenzace - technika řešící problém vysoké hustoty zápisu při středu ploten zápisem bitů na geometricky špatná místa, což mělo za následek srovnání uložených datových bitů do správné podoby
• Zónový zápis - řešení problémů se zápisem na pevný disk a náhrada zavržené prekompenzace. Sektory rozděluje do skupin a jejich celkový počet v každé z nich je závislý na jejich fyzickém umístění na plotně.
• Magnetická reverzace - označení místa, v kterém dochází ke změně směru magnetizace
• Parkovací oblast - označení sektoru, které používaly především staré disky s krokovým motorem k parkování svých hlaviček
• Technologie kolmého zápisu - PMR - technologie využívající jiné orientace magnetizování povrchu ploten, čímž v podstatě dosahuje zvýšené hustoty zápisu
Adresování diskových bloků
• Aby mohl pevný disk optimálně pracovat, musí nějak zjistit polohu všech na něm uložených dat - jeho řadič i základní deska podporovat stejnou metodu adresace a jelikož základní jednotkou, kterou pro ukládání dat používáme, je sektor, mluvíme též o adresování sektorů.
CHS (Cylinder/Head/Sector)
• Tato metoda spadla již velmi dávno do propadliště dějin a dnes již není vůbec využívána. Přesná lokace dat byla zaznamenána pomocí číselné adresy jednotlivých cylindrů, hlav i samotných sektorů. S pomocí tohoto adresování byl BIOS počítače schopen adresovat "obrovských" 512 MB, protože narážel na limity rozhraní Int13h, které nedokázalo kvůli první verzi IDE rozhraní rozlišit více jak 10 bitů pro adresu cylindru, 4 bity pro adresu hlavy a 6 bitů připadalo na adresu sektoru.
XCHS (eXtended CHS)
• Tato nová verze adresování již dokáže využívat kapacit rozhraní Int13h naplno - 10 bitů pro adresu cylindru, 8 bitů pro adresu hlavy a 6 bitů adresy sektoru. Díky tomu činí maximální adresovatelný prostor celkových 7,88 GB.
LBA (Logical Block Addressing)
• Tento model adresování vychází z disků SCSI a používá naprosto jiných metod oproti předchozím technologiím, protože za pomoci LBA jsou všechny sektory pevného disku jednoduše očíslovány a z tohoto pořadového čísla je teprve vytvořena 28bitová adresa, s jejíž pomocí je na sektor dále přistupováno.
• S pomocí LBA již dokáže pevný disk využít už celkem pěkných 128 GiB prostoru. Zpětná kompatibilita s XCHS je ale stále zajištěna.
LBA - ATA/ATAPI-6
• Když už přestala stačit kapacita 128 GiB, která mohla být využita s pomocí LBA, byl vyvinut na základě původního LBA nový standard ATA/ATAPI-6, jenž rozšiřuje adresování až na neuvěřitelných 48 bitů. Po malém přepočítání nám tak vychází, že za pomoci posledně zmíněného standardu je možné připojit disk až s maximální kapacitou 144 PB čili 128 PiB. Každému sektoru je navíc také předřazena jeho vlastní hlavička (záhlaví), kterou každá z alokačních jednotek naprosto přesně popisuje a to z toho důvodu, že by jinak bylo téměř nemožné přesně zaměřit jeden jediný sektor v takové záplavě jiných. Hlavička je po příchozím požadavku na čtení dat pouze nasměrována na přibližné umístění hledaných dat a dále se snaží pouze najít odpovídající záhlaví.
IDE aneb Paralelní ATA
• S pomocí Cable Select (CS) můžeme rozhodováním, které zařízení bude nadřízené, pověřit samotný BIOS, což ale raději moc nedoporučuji. Většinou bývá nejlepší si vše nastavit pevně. Jednak máte nad zapojením plnou kontrolu a pak při použití CS nemusí být vše tak bezproblémové, jak se může na první pohled zdát. Na některých discích je dále možno použít speciálního režimu Single, který se může použít jako alternativa Masteru, ovšem za podmínky, že bude zařízení na kanálu samo.
• Původní verze rozhraní o přenosové rychlosti 33 MB/s ještě využívala v plochém datovém kabelu pouhých 40 vodičů. S dalšími nastupujícími revizemi (66 a 100 MB/s) bylo ale jasné, že kvůli rostoucím přeslechům (problém s názvem kapacitní vazba – signály jendnotlivých vodičů se navzájem ovlivňovaly) nemůže takový kabel v praxi postačovat, a tak se začaly používat "kšandy" nové, které sice měly opět pouze 40 datových vodičů, ale navíc také dalších 4 vodičů sloužících jako stínění. Při vývoji poslední z revizí Paralel ATA (PATA), která dosahovala maximální přenosové rychlosti 133 MB/s, bylo zjištěno, že technologie dosáhla svého výkonnostního maxima a byla jako neperspektivní odložena. Napájení 3,5“ disků s rozhraním PATA je dnes realizováno výhradně pomocí Peripheral Power konektorů.
SCSI (Small Computer System Integrated)
• "Skaziny", jak se tomuto rozhraní v počítačové branži s velkou oblibou říkalo, bývaly nejčastěji nasazeny u výkonných pracovních stanic, vysokorychlostních pevných disků ale i starších periferních zařízení (skenery) či nejčastěji serverů, kde se v určité míře takováto zařízení používají dodnes. Existuje několik norem, které se liší jak počtem připojených zařízení, přenosovou rychlostí tak i maximální délkou kabelu.
• Sběrnice poskytuje možnost připojit na jeden kanál až 7 příp. 15 zařízení, jež jsou dále označeny určitým ID, které všechny jednoznačně identifikuje (nejvyšší patří vždy samotnému řadiči). Všechna zařízení mohou poskytovat velmi vysoký výkon, přenosovou rychlost i poměrně nízkou přístupovou dobu přístupu k datům. Velkou nevýhodu ale přesto zůstává vysoká cena jak řadičů, tak i samotných zařízení, a proto se tato technologie v domácích podmínkách nikdy příliš neuchytila. Celá kaskáda musí být také zakončena speciálním zakončovacím prvkem, který známe také z počítačových sítí, tzv. terminátorem.
• Existuje také technologie SAS (Serial Attached SCSI), která byla navržena pro použití při přesunech dat z pevných disků či páskových zařízení. Jedná se o sériový protokol zajišťující dvoubodové spojení typu point-to-point a v současné době poskytuje přenosovou rychlost 3 Gb/s.
Vyhrává ten nejrychlejší
• Aby mohl pevný disk splňovat požadavky počítače, musí být také nějak zajištěna jeho spolupráce s operační pamětí RAM, což může být dvěma způsoby. Prvním je režim PIO (Programmed Input/Output) s jehož pomocí je veškerý datový tok mezi těmito komponentami řízen pomocí procesoru. Tato koncepce má ale obrovskou nevýhodu a s ní spojenou také poměrně mizernou přenosovou rychlost. Jakýkoliv (i malý) požadavek na čtení dat nebo jejich zápis totiž musí obsloužit procesor, který je tak zbytečně vytrháván z jiné práce (třeba i důležitější), což poměrně hodně zdržuje.
• Poslední standard tohoto přenosu (PIO 5) nebyl nikdy kvůli nově vznikajícímu režimu s přímým přístupem do paměti nasazen do ostrého provozu a integrován do pevných disků. V BIOSu jej však i přesto nalezneme. V dnešní době tak není zapomenut a využívají jej paměťové karty CompactFlash připojené s pomocí tzv. IDE adaptérů.
• Druhým a mnohem perspektivnějším režimem se stal ale až režim DMA (Direct Memory Access, přímý přístup do paměti), který dovoluje diskovému řadiči (za pomoci tzv. busmasteringu), aby byla jeho práce řízena výhradně jím. Procesor tedy pouze zadá příkaz a řadič se již o vše potřebné postará sám.
• Pozn: Rozhraním ATA mohou být vybaveny také zařízení ATA DM (ATA Disk Module), což jsou ve své podstatě klasické flash paměti, které ovšem můžeme díky speciální konstrukci a konektoru připojit ke standardnímu čtyřiceti pinovému konektoru rozhraní ATA. Jejich miniaturní spotřeba a minimalistické rozměry je přímo předurčují k použití v routerech či jiných specifických aplikacích. Další výhodou je, že tyto moduly jsou s technologií klasických disků zcela kompatibilní, protože nevyžadují žádných dalších ovladačů nebo speciálních kabelů. I na nich je však tedy třeba určit, zda mají pracovat jako Master či Slave.
Shrnutí
• Paralel ATA (PATA) - klasické paralelní rozhraní využívající 16 datových vodičů a plochého kabelu
• PIO - přenosový mód Processor Input Output - využívá procesor k přenosu dat a pracuje s módy PIO 0 - PIO 5
• Ultra ATA (UDMA) - zajišťuje přímý vstup do paměti a nepotřebuje tedy procesor - módy Ultra ATA/33 až Ultra ATA/133
• Master / Slave - značí rozlišení zařízení připojených na rozhraní PATA pomocí plochého datového kabelu - nastavuje se jumpery
• Host Adaptér - zařízení (součást základní desky) zajišťující komunikaci systému jakko celku s instalovanými pevnými disky
• Terminátor - zakončovací prvek sběrnice SCSI, eliminuje možné odrazy signálu od konce datového vedení a tím i omezuje případné rušení probíhající komunikace
• Serial Attached SCSI (SAS) - sériová revize původně navržené sběrnice SCSI, která v současné době (2008) poskytuje přenosovou kapacitu až 3 Gb/s
• ATA DM (ATA Disk Module) - speciálně navržené moduly pamětí flash, které je možné připojit přímo k datové sběrnici ATA. Vyznačují se velice nízkou spotřebou a minimálními rozměry
Serial ATA (SATA)
• Díky pokrokům v metodě přenosu dat nazvané diferential signalling bylo možné zvýšit operační frekvenci rozhraní tak, aby dovolilo přenášet dostatečné množství dat sériovým způsobem. Oproti PATA a UDMA 5 využívající 16bitovou šířku, pracující na frekvenci 25 MHz a dosahující maximální přenosové rychlosti 100 MB/s využívá původní verze SATA pouze 1bitovou šířku, ale frekvenci 1500 MHz a to je tedy i výsledných 1,5 Gbit/s.
NCQ
• Podívejme se technologii NCQ (Native Command Queuing, Přirozené řazení požadavků), která je charakteristická tím, že dokáže ponechat rozhodování o pořadí čtení dat na samotném řadiči disku, čímž se snaží minimalizovat vzniklé časové zpoždění. Pokud procesor tedy vyžaduje nějakou posloupnost dat, která nemusí být na stejném místě, disk bez NCQ je bude číst tak, jak o ně procesor prostřednictvím řadiče požádá. Je však pravděpodobné, že čtecí hlavy budou tato data číst neefektivně a zbytečně čekat na další otáčku plotny nebo zbytečně prodlužovat seek (nastavení hlavy nad požadovanou stopu).
• Příklad práce NCQ - v prvním případě si řadič srovná pořadí čtených bloků, v druhém je nezmění
• Pokud ale disk dokáže využít NCQ, pak si posloupnost čtení dat seřadí tak, aby k tomu potřeboval co nejméně otáček a přesunů hlavy. Toto seřazení však také nějakou dobu trvá a v každém případě tedy NCQ nemusí znamenat zrychlení – někdy i naopak. Nakonec, dle našich dřívějších testů má NCQ vliv na výkon disků při běžné práci pouze minimální. Přínos se projevuje až u serverů či pracovních stanic.
• Pozn: Zde se hodí zmínit ještě technologii Tag 'n seek, která je principem stejná jako NCQ, ale je mnohem starší. Na trh ji uvedla společnost IBM již zhruba před 8 lety. Dnes je Tag 'n seek odsouzen k zániku, protože NCQ je mnohem propracovanější a hlavně představuje obecně přijatý standard. Tag 'n seek dnes tak nalezneme vesměs pouze u disků Hitachi, které divizi pevných disků od společnost IBM před 6 lety odkoupilo (2002).
Hot-Swap
• Dovolím si však tvrdit, že užitečnější výhodou, především u externích datových úložišť standardu SATA, je technologie Hot-Swap, která dovoluje připojit a odpojit disk za běhu počítače tak, aby je operační systém rozpoznal, což u PATA nebylo možné (Hot-Swap mimo jiné podporují také rozhraní USB, FireWire, PCI-X a SCSI). Tuto možnost sice nejvíce využijete s novějším standardem eSATA, který spatřil světlo světa až v roce 2004, ale její podporu mají navíc díky prodlouženým zemnícím vodičům též interní pevné disky, což se může také hodit.
• Rozhraní eSATA má také několik dalších odlišností, které je dobré znát. Nejdůležitější z nich je zejména to, že během probíhajícího přenosu zatěžuje procesor zcela minimálně (daleko méně než např. oblíbená a univerzální sběrnice USB). eSATA také dovoluje daleko větší délku propojujícího kabelu než SATA (až 2 metry) a jeho konektory jsou navrženy na daleko hrubší zacházení a častější odpojování. Oproti externím diskům s rozhraním USB 2.0 nebo IEEE1394 FireWire dokáže poskytnout plný výkon SATA a také podporu SMART. Zapotřebí je k tomu v podstatě pouze eSATA kabel, jenž se připojí k eSATA konektoru v počítači, ke kterému již vede normální datový SATA kabel.
• Staggered Spin Up zase dokáže po startu počítače minimalizovat energetické nároky na počítačový zdroj. Deska totiž dokáže řídit a ovládat postupný náběh všech pevných disků, které se tak nemusí rozběhnout všechny najednou. Dále existuje tzv.
• Port Multiplier slouží k tomu, abychom mohli s jedním řadičem obsloužit více pevných disků. Toto je klasická vlastnost řadičů PATA, které podporují připojení dvou zařízení na jeden kanál, avšak u SATA toto bez Port Multiplieru není možné. A i když dnešní moderní základní desky běžně obsahují i šest SATA řadičů, nemusí to někomu stačit.
• SATA 3GB/s je již dostatečně dimenzované rozhraní na to, aby bez citelného výkonnostního propadu dokázalo obsloužit několik disků. K tomu slouží speciální čip rozdělující diskům pásmo podle potřeby. Je však možné Port Multiplier využít i v duchu RAID pole, kde řídící čip přiděluje požadavky řadiče tomu disku, který je aktuálně k dispozici - metoda se nazývá Frame Information Structure. Díky tomu může být takovéto uspořádání rychlejší než jeden pevný disk.
• Port Selector umožňuje k jednomu disku připojit až dva řadiče, což je výhodné především u serverů, kde je třeba zajistit bezproblémový a trvalý chod celé sestavy.
Shrnutí
•  Serial ATA (SATA) - následovník rozhraní PATA - využívá pouze 1 datový vodič a vysokou frekvenci - dnes jsou k dispozici SATA 1,5Gbps a SATA 3Gbps
•  eSATA - externí verze rozhraní SATA - liší se pouze použitými konektory a kabely
•  Hot-Swap - schopnost vypojit či zapojit zařízení za běhu systému s tím, že je systémem rozpoznáno
•  NCQ - Native Command Queuing - metoda inteligentního řazení požadavků na I/O operace disků pro dosažení většího výkonu
•  Port Multiplier - technologie pro připojení více pevných disků na jeden SATA řadič
•  SATA-IO (dříve SATA II) - uskupení výrobců, kteří stojí za vývojem rozhraní Serial ATA
•  Tag 'n seek - technologie firmy IBM z roku 2002 a také jakýsi předchůdce sofistikovanějšího NCQ, které je dnes mnohem rozšířenější
•  Port Selector - umožňuje připojit jeden SATA disk až ke dvěma řadičům, což je výhodné zejména pro servery
•  Staggered Spin Up - minimalizuje energetické nároky na počítačový zdroj po spuštění počítače, základní deska řídí postupný náběh všech pevných disků
SMART
• Technologie SMART, dnes vlastní snad každému desktopovému disku, byla od roku 1992 vyvíjena firmou IBM pod názvem PFA (Predictive Failure Analysis). Šlo o snahu dokázat pomocí sledování chování disku určit jeho stav a nebezpečí možného selhání. Technologie PFA měla úspěch a vyústila ve známý SMART (Self- Monitoring, Analysis and Reporting Technology).
• SMART tedy sleduje práci disku a všímá si údajů jako počet vadných sektorů, použití ECC, čas potřebný k roztočení ploten, teploty nebo i celkového výkonu disku. Pokud některá z těchto hodnot klesne pod prahovou hodnotu, pak již disk není podle SMART v kondici a můž selhat. To ale neznamená, že disk nemůže selhat i bez varování a naopak není nikde řečeno, že SMARTem odepsaný pevný disk nebude ještě několik let bez problémů fungovat.
• Ohledně spolehlivosti disku se můžeme setkat s parametrem MTFB (Mean Time Between Failures). Jedná se o střední dobu mezi poruchami a udává se typicky v hodinách provozu. Problémem je, že někteří výrobci tento parametr uvádějí, jiní nikoliv.
RAID
• RAID (Redundant Array of Independent/Inexpensive Disks, Vícenásobné diskové pole nezávislých/levných disků) pole se ze serverové oblasti díky pokroku a snížení pořizovací ceny již dávno dostaly do dosahu běžných uživatelů, alespoň co se týče základních konfigurací. Už od dob řadičů Ultra ATA/66 tak můžeme zapojit více disků do konfigurací, které nám umožní zvýšit rychlost, zvýšit spolehlivost, nebo rovnou obojí.
Hot-spare
• V souvislosti s diskovými poli se můžeme také setkat s pojmem hotspare, který označuje technologii dovolující minimalizovat časový interval, během kterého je pole „oslabené“. Uvažujme například RAID 5, jemuž právě odešel jeden z disků. Co se stane dále? V podstatě nic. Bezpečnost dat zůstane neovlivněna a činnost systému bude zcela v pořádku pokračovat dále.
• Poznámka: Tato situace není zdaleka tak nereálná, jak se zdá. Stačí jeden vadný zdroj a přepětí v systému udělá své.
• Zmíněné pole RAID (5) ustojí pouze výpadek jednoho z disků. Co se tedy stane, pokud v mezičase, než dorazí k serveru technik, dojde k výpadku dalšího z disků? Všechna uložená data budou ztracena. U systému s hot-spare bude k systému automaticky připojen záložní pevný disk, na který budou následně chybějící data dopočítána. Takový záložní disk je možné sdílet mezi více druhy polí, pokud jsou v daném počítači přítomna.
Shrnutí
• SMART - Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology - technologie pro analýzu kondice pevných disků a vůbec jejich monitorování
• PFA - Predictive Failure Analysis - předchůdce SMARTu od IBM
• RAID - Redundant Array of Independent Disks - způsob zapojení alespoň dvou pevných disků dovolující zvýšení výkonu, spolehlivosti, nebo obojího
• Spanning - jinými slovy JBOD (Just a Bunch Of Disks) - zapojení disků, jejichž kapacita se pouze spojí v jednu logickou jednotku
• ECC - Error Correcting Code - slouží k zachování celistvosti dat při jejich přesunech
• Stripping (prokládání) – technika umožňující rozdělit jeden souvislý datový blok (soubor) mezi více datových úložišť za účelem zvýšení rychlosti přístupu
• Mirroring (zrcadlení) – zápis stejných dat na další disk pro zvýšení jejich bezpečnosti
• Hot-spare – technologie obstarávající automatické připojení záložního disku k systému při poruše jednoho disku z RAID pole
• RAM Disk - využívá SDRAM moduly k emulaci pevného disku - rychlé, tiché, ale drahé, s nízkou kapacitou a nebezpečím jednoduché ztráty dat - spíše pro speciální účelyMagnetický záznam dat
• Magnetický záznam dat je prováděn působením magnetického pole na magnetický vodivý materiál. K vyjádření jakosti magnetického pole se používají své veličiny:
o Intenzitu magnetického pole
o Magnetická indukce
• Magnetická indukce vzniká působením intenzity magnetického pole
• Relativní permeabilita určuje, kolikrát je dané prostředí magneticky vodivější než vakuum a je bezrozměrné.
• Podle chování látek v magnetickém poli, tj. podle velikosti relativní permeability se látky dělí do tří skupin:
o Diamagnetické: měď, zinek, zlato, stříbro
o Paramagnetické: železo, nikl
o Feromagnetické např. železo, nikl, kobalt, ferity
• Z hlediska magnetického záznamu mají největší význam látky feromagnetické, z nichž bývají vyrobeny záznamové vrstvy např.:
o Pružných disků
o Pevných disků
o Magnetofonových pásek
• Vznik hysterezní smyčky:
o necht feromagnetické materiál nemá žádnou magnetickou orientaci.
o Tento materiál vložíme do cívky a do jejího vinutí zavedeme elektrický proudu
o Hodnotu proudu postupně zvyšujeme, čímž vzrůstá intenzita magnetického pole vytvářeného cívkou.
o Tím rovněž vzrůstá ve feromagnetickém materiálu magnetická indukce
o Různé feromagnetické materiály mají různý tvar hysterezní smyčky.
o Čím větší je plocha hysterezní smyčky, tím je materiál považován na magneticky tvrdší.
o Naopak při menší ploše je materiál označován jako magneticky měkčí.
o Materiály vhodné k výrobě médií pro magnetický záznam vyžadují, aby jejich hysterezní smyčka měla téměř pravoúhlý průběh.
o Záznam na magnetické médium je prováděn záznamovou hlavou.
o Záznamová může rovněž sloužit i jako hlava čtecí
o Záznamová hlava se skládá z:
 Elektrického obvodu – cívky
 Magnetického obvodu – feromagnetického jádra
o Feromagnetické jádro obsahuje štěrbinu, která umožnuje uzavírání indukčních čar přes magnetické médium, které se nachází v tésné blízkosti hlavy.
o
V médium takto vzniká magnetická indukce, která se poté, kdy přestaneme na materiál působit magnetickém polem, ustálí na hodnotě remanence a v médium tak vznikají tzv. elementární magnety.
Čtení se provádí čtecí hlavou, která se pohybuje nad médiem obsahujícím elementární magnety.
Jejich magnetický to se uzavírá přes feromagnetické jádro hlavy a v cívce vzniká indukované napětí, pomocí něhož se rozlišují jednotlivé záznamové bity.
Modulace dat
• Data se magneticky ukládájí pomocí změn magnetického tolu
• Tato změna může nastat z kladného toku na záporný nebo naopak ze záporného na kladný
• Každá takováto změna se při čtení projeví jako impuls (P)
• K reprezantaci dat na magnetickém médiu se tedy používá přítomnosti nebo nepřítomnosti impulsu (mezery – N).
• Teoretická úvaha:
o Bit 1 zaznamenat (zakódovat) jako impuls
o Bit O zaznamenat (zakódovat) jako mezeru
• Takto realizované kódování by v praxi nikdy nefungovalo
• V okamžiku, kdy by následovala další posloupnost nul, která by byla zaznamenána jako dlouhá posloupnost mezer bez jakýkoliv impulsů, by došlo ke ztrátě synchronizace pevného disku s řadičem.
• Nebylo by tedy možné přesně určit, kolik mezer (nul) bylo přečteno.
• Impulsy pomáhají vzájemně synchronizovat čtená data a řadič disku.
• Data musí být na disk zaznamenávána tak, aby nikdy nedošlo k dlouhé posloupnosti mezer.
• Na magnetické médium se však vejde větší počet mezer a impulsů, je-li počet impulsů menší
• Je tedy nutné zvolit vhodný kompromis, aby při čtení dat nedošlo ke ztrátě synchronizace a zároveň, aby vlivem přehnaně velkého počtu impulsů nedocházelo l plýtvání médiem a tím k jeho menší kapacitě
FM MODULACE
• V případě použití modulace FM (Frequency Modulation) se jednotlivé bity zakódují následovně:
Bit Zakódování
0 PN
1 PP
• Příklad:
o Bitový vzorek: 101101101
o Zakódovaný bitový vzorek: PPPNPPPPPNPPPPPNPP
• FM vykazuje příliš velký počet impulsů
MFM MODULACE
• MFM (Modified Frequency Midulation) redukuje počet impulsů
• MFM modulace se používala u prvních pevných diskl a dodnes se používá při záznamu na pružné disky
• Jednotlivé bity se zakódují následovně:
Bit Zakódování
0 PN jestliže v řetezci 00
NN jestliže v řetezci 10
1 NP
• Celkový počet impulsů je menší než u FM modeulace
• Počet po sobě následujících mezer je max. 3
• Díky těmto vlastnostem je MFM modulace asi o 20% úspornější než FM modulace
RLL MODULACE
• Modulace 2,7 RLL (Run Legth Limited) používá následující kódovací schéma:
Vzorek Zakódování v RLL Počet impulsů Zakódování v MFM Počet impulsů
00 PNNN 1 PNPN 2
01 NPNN 1 PNNP 2
100 NNPNNN 1 NPNNPN 2
101 PNNPNN 2 NPNNP 2
1100 NNNNPNNN 1 NPNPNNPN 3
1101 NNPNNPNN 2 NPNPNNNP 3
111 NNNPNN 1 NPNPNP 3

• Jednotlivé vzroky a jejich zakódování jsou voleny tak, aby mezi dvěma impulsy byly minimálně 2 a maximálně 7 mezer
• Toto kódování je asi o 50% úspornější než MFM k=dování a bylo používáno u starších pevných disků
• Moderní pevné disky používají většinou nějaké modifikace 2,7 RLL kódování, označovanou např. ARLL, ERLL, EPRML apod., která poskytuje ještě větší úsporu
Pružné disky
• Pružný disk (FD- Floppy disk, disketa) je přenosné médium pro uchování dat
• Pružný disk je tvořen plastovým kotoučem, na jehož povrhu je vrstva oxidu železa
• Celý kotouč je uzavřen v obdélníkovém, které jej chrání před nečistotou mechanickým poškození a ve kterém se kotouč při práci otáčí
• V obalu je vyříznutý tzv. čtecí otvor, kterým přistupuje čtecí a zapisovací hlava k médiu
• Záznam dat na médium je prováděn magneticky
• Jednotlivá data jsou zapisována do soustředěných kružnic, tzv. stop (tracks), na obě strany diskety
• Každá stopa je rozdělena ještě na tzv. sektory (sectors), jež tvoří nejmenší úsek média, na který je možné zapisovat
• Vlastní zápis na pružný disk bývá prováděn s kódování MFM
• Tpi (track per iinch), jednotka která udává počet stop na jeden palec
Mechanika pružných disků
• Mechanika pružných disků (FDD – Floppy Disk Drive) je zařízení pro čtení a zapisování na pružné disky
• Dnes se u počítačů PC používají zejména 31/2“ HD mechaniky
• Kromě mechaniky pro pružné disky se u dnešních počítačů také používají i mechanika pro jiné typy disků (ZIP,JAZZ, LS120)
• Mechanika pružných disků jsou připojeny k řadiči pružných disků (FDD controller), Který řídí jejich činnost.
• Řadič pružných disků bývá integrován:
o Společně s řadičem pevných disků a popř. I/O kartou na samostatné desce, která je potom zapojena do některého ze slotů rozšiřující sběrnice
o Přímo na základní desce
• Standardní řadič podporuje připojení max. 2 mechaniky pružných disků
• Připojení disketových mechanik k řadiči je provedeno pomocí kabelu se 34 vodiči
• Tento kabel může mít až 5 konektorů
o 1 pro připojení k řadiči
o 2 pro připojení mechaniky 5 1/2
 1 pro případ zapojení jako první mechaniky
 1 pro případ zapojení jako druhé mechaniky
o 2 pro připojení mechaniky 3 1/2
• Propojení řadiče s 2 disketovou mechanikou je provedeno přímo (1:1), tj. kontakt 1 je na řadiči spojen s kontaktem 1 mechaniky, kontakt 2 s kontaktem 2.
• Propojení první mechaniky již není (1:1), ale propojující kabel je překřížen
• Podle tohoto překřížení je tedy rozlišené, která mechanika je první a která je druhá
• Čtení z (popř. zápis na) pružného disku v mechanice probíhá ve třech krocích:
o Vystavení čtecích (zapisovacích) hlav na požadovanou stopu pomocí krokového motorku
o Pootočení diskety na příslušný sektor
o Zápis (čtení) sektoru
Pevný disk
• Pevný disk (HDD Hard Disk Drive) je médium pro uchování dat s vysokou kapacitou záznamu
• Jedná se o uzavřenou nepřenosnou jednotku
• Uvnitř této jednotky se nachází několik nad sebou umístěných rotujících kotoučů (disků)
• Tyto disky se otáčejí po celou dobu, kdy je pevný disk připojen ke zdroji elektrického napájení
• Díky tomtuí otáčení se v okolí disků vytváří tenká vzduchová vrstva, na níž se pohybují čtecí/zapisovací hlavy.
• Vzdálenost hlav od disku je asi 0,3 až 0,6 mikronů
• Podsystém pevného disku se skládá z:
o Diskových jednotek
o Desky rozhraní pevných disků
o Příslušných kabelů propojujících diskové jednotky s deskou rozhraní
• Kapacita
o Množství informací, které lze na pevný disk uložit
o Např.: 10MB – 1TB
• Přístupová doba
o Doba, která nutná k vystavení čtecích/zapisovacích hlav na požadovaný cylindr
o Např.:3,0- 65ms
• Přenosová rychlost
o Počet bytů, které je možné z disku přenést za jednu sekundu
• Počet otáček:
o Počet otáček kotoučů pevného disku za jednu minutu
o Např. 3600, 5400, 7200, 10000, 15000 otáček/min
• Kapacita cache paměti:
o Kapacita vyrovnávací cache paměti pevného disku
o Cache paměť pevného disku je realizována jako paměť typu DRAM
o Např.: 0-16 MB
• Velikost
o Průměr disků použitých ke konstrukci pevného disku
o Např. 2“, 31/2, 51/4
• Počet cylindrů
o Počet stop (cylindrů) na každém disku (řadově stovky až tisíce)
• Počet hlav:
o Odpovídá počtu povrchů, na které se provádí záznam
o Např. 2-16 hlav
• Počet sektorů
o Počet sektorů na každé stopě
o Kapacita jednoho sektoru je standardně 512 B
o Např. 8 – řádově stovky sektorů na stopě
• Mechanismus vystavení hlav
o Mechanismus, pomocí kterého se vystavují čtecí (zapisovací) hlavy na patřičný cylindr
o Může být realizován pomocí
 Krokového motorku – u starších pevných disků
 Elektromagnetu – u novějších (moderních) pevných disků
• Typ rozhraní
o Určuje jaký typ rozhraní musí být v počítači osazen, aby bylo možné tento pevný disk připojit
o Např. ST506, ESDI,IDE,ATAA (EIDE), SCSI,SATA
• Podpora SMART
o Podpora pro technologii SMART
o Pracuje tak, že disk sám sleduje určité své parametry a vlastnosti, jejichž změna může indikovat blížící se poruchu
• Umožňuje uživatele informovat o běžně nepozorovatelných problémech při práci pevného disku, např.:
o Chybné čtení (chybný zápis) sektoru
o Kolísání rychlosti otáček
o Teplota uvnitř pevného disku
o Počet realokovaných (vadných sektorů)
o Doba provozu disku
o Počet zapnutí pevného disku
• Uživatel je tímto upozorňován, že by měl provést zálohu dat (výměnu pevného diskuú ještě dříve, než dojde k havárii disku a tím ztrátě dat.
• Typ hlav:
o Typy čtecích (zapisovacích) hlav, které jsou použity při konstrukci pevného disku
o Např.:
 Ferrite Heads
• Používány u prvních HDD (s kapacitou do 50MB)
 MIG – Metal In grap
• Podobné jako ferrite heads
• Díky vylepšené konstrukci dovolovaly kapacity do 100 MB
 TFI – Thin Film Inductance
• Využívají technologii nanášení tenkých vrstev
• Umožnují odstranit poměrně velké jádro cívky a nahradit jej malou destičkou na níž je nanesena feromagnetická slitina
• Používány pro zápis i čtení u disků s kapacitou do 1 GB
• Dodnes používány pro zápis (pro čtení je použit magnetorezistivní senzor)
 AMR – Anisotropis Magnetoresistive
• Pro zápis využívají TFI hlavu a pro čtení AMR senzor
• Používány i disků s kapacitou do 30 GB
 GMR – Giant Megnetoresistive
• Pro zápis využívají TFI hlavu a pro čtení GMR senzor
• Používány u disků s kapacitou nad 30 GB
• Metoda kódování dat:
o Způsob, kterým jsou data při zápisu na disk kódována
o Např. MFM, RLL, ARLL, ERLL, EPRML
• ZBR:
o Metoda, která dovoluje zapisovat na stopy, jež jsou vzdálenější od středu pevného disku (jsou větší), vyšší počet sektorů.
Geometrie pevných disků
• Jednotlivé disky (kotouče), ze kterých se celý pevný disk skládá, jsou podobně jako u pružného disku rozděleny do soustředných kružnic nazývaných stopy (tracks).
• Každá stopa je rozdělena do sektorů (tracks)
• Množina všech stop na všech discích se stejným číslem se u pevných disků označuje jako válec (cylindr).
• Geometrie disku udává hodnoty následujících parametrů:
o Počet čtecích/zapisovacích hlav:
 Shodný s počtem aktivních ploch, na které se provádí záznam
o Počet stop
 Počet stop na každé aktivní ploše disku
 Stopy disku bývají číslovány od nuly, přičemž číslo nula je číslo vnější stopy disku
o Počet cylindrů
 Shodný s počtem stop
 Číslování cylindrů je shodný s číslováním stop
o Přistávací zóna (landing zone):
 Číslo stopy (cylindru), která slouží jako přistávací zóna pro čtení/zapisovací hlavy
o Počet sektorů
 Počet sektorů, na které je rozdělena každá stopa
 Může být variabilní (v případě použití techniky ZBR)
Činnost pevného disku
• Zápis (čtení) na (z) pevného disk probíhá podobně jako u pružného disku na magnetickou vrstvu ve třech krocích:
o Vystavení zapisovacích (čtecích) hlav na příslušný cylindr
o Pootočení disků na patřičný sektor
o Zápis (načtení) dat
• Fyzické uložení dat na pevný disk bývá prováděno pomocí:
o Vertikálního mapování (vertical mapping)
 Data jsou zapsána (čtena) postupně (z) jednotlivých stop stejného cylindru
 Poté je proveden přechod na následující cylindr
o Horizontální mapování (horizontal mapping)
 Data jsou zapsána (čtena) postupně do (z) jednotlivých stop stejného povrhu
 Poté je proveden přechod na následující povrch
 Méně používané
o Kombinace vertikálního a horizontálního mapování (vertical/horizontal mapping)
 Uvnitř zón je použito horizontální mapování
 Mezi zónami je použito vertikální mapování
Možnosti zvyšování kapacity pevných disků
• Kapacita pevných disků lze zvýšit:
o Zvětšením rozměru disku: nevhodné řešení
o Zvětšení počtu povrchů: omezené možnosti
o Volbou kódování: menší počte impulsů ( větší mezer) dovoluje uložit více informací
o Použitím ZBR: technika dovolující uložit na různé stopy různý počet sektorů ( na krajní stopy větší počet)
• zvýšením hustoty záznamu:
o vyžaduje zmenšení rozměrů elementárního magnetu
o vede k nutnosti snížení intenzity magnetického pole vytvářeného zapisovací hlavou (v opačném případě by při záznamu docházelo k destrukci okolních informací)
o zmenšení rozměrů elementárního magnetu způsobí i menší hodnotu jeho výsledného magnetického toku
o vyžaduje vyšší citlivost čtecí hlavy
o původní (TFI) hlava svou citlivostí nedostačuje
o v současné době se používají tzv. magnetorezistivní
o hlavy (MR heads)
Magnetorezistivní hlavy
• magnetorezistivní hlavy se skládají ze dvou částí:
o TFI hlava – slouží pouze pro zápis dat
o Magnetorezistivní senzor – slouží je čtení dat
• Magnetorezistivní senzor je vyroben ze slitin, které pkud jsou vystaveny působené magnetického pole, mění svůj elektrický odpor
• Výhodou tohoto řešení je, že magnetorezistivní senzor vykazuje při čtení mnohem větší citlivost než dříve používána TFI hlava
• Podle typu magnetorezistivného senzory je možné tento typ hlav dále rozdělit na:
o AMR hlavy
 Anisotropní magnetorezistivní hlavy
 Max. hustota záznamu cca 3 Gb/in2
o GMR hlavy:
 Giant magnetorezistivní hlavy
 Max. hustota záznamu cca 10 Gb/in2 až 35 Gb/in2
• Pozn.: TFI hlava dovoluje max. hustotu záznamu do 1 Gb/in2
AMR hlavy
• AMR senzory bývá nejčastěji vyroben ze slitiny Ni a Fe
• V této slitině se vodivé elektrony pohybují s menší volností (dochází k častějším kolizím s atomy), když jejich pohyb je rovnoběžný s magnetickou orientacé materiálu, tzv. magnetorezistivní efekt
• Jestliže se elektrony v materiálu pohybují s menší volností, potom je elektrický odpor tohoto materiálu větší
GMR hlavy
• Gaint magnetorezistivní senzor využívá giant magnetorezistivního jevu
• GMR senzor je vyroben ze čtyřech vrstev (tzv. filmů)
o Citlivá vrstva (sensing layer): slitina Ni a Fe
o Vodivý oddělovač (conducting spacer): Cu
o Pevná vrstva (pinned layer): antiferomagnetický materiál
• První tři vrstvy jsou velmi tenké, takže dovolují, aby se vodivé elektrony pohybolavy z citlivé vrstvy přes vodivý oddělovač do pevné vrstvy a nazpět.
• Magnetická orientace pevní vrstvy je držena přilehlou výměnnou vrstvu, zatímco magnetická orientace citlivé vrstvy se mění podle působení magnetického pole elementárního magnetu
• Změna magnetické orientace citlivé vrstvy způsobuje změnu elektrického oodporu celého magnetorezistivního senzory (vyjma výměnné vstvyú)
• Změna magnetické orientace citlivé vrstvy způsobuje změnu elektrického odporu celého magnetorezistivního senzoru (vyjma vyměnné vrstvy)
• GMR senzory využívají kvantové povahy elektronů, které mají dva směry spinu
• Vodivé elektrony, jejichž směr spinu je shodný s magnetickou orientací matriálu, se pohybují volně a způsobují tak malý odpor celého senzoru
• Naopak u vodivých elektronu, jejichž spin je opačný vzhledem k magnetické orientaci materiálu, dochází k častějším kolizím s atomy vrstev, ze kterých je senzor vyroben, což způsobuje jeho větší elektrický odpor.
Pevné disky rozhraní IDE
• IDE (Integrated Device Electronics)
• Délka kanelu – limitující faktor
o Čím delší kabel, tím nižší je maximální přenosová rychlost a tím vyšší je hladina šumu
• Hlavní řídící jednotka disku přímo na pevném disku (tím se zkrátil kabel na minimum) a vlastní rozhraní už slouží pouze jako prostředník mezi diskem a sběrnicí.
• Snížení hladinu šumu + na jednu stopu vyšší počet sektorů (26 až 35) + teoretická hranice přenosové rychlosti 8 MB/s
• Zapojení diskových jednotek IDE se provádí pomocí jednoho 40 žilového kabelu.
• Při zápisu 512 B do jednoho sektoru je takto kapacita omezena na 512 MB (0,5 GB).
Pevné disky rozhraní EIDE
• EIDE vychází ze standardu IDE, zachovává kompatibilitu, zdola a odstraňuje následující nedostatky rozhraní IDE:
• Dovoluje zapojení až čtyř zařízení
• Dovoluje zapojení i jiných zařízení než jsou pevné disky (např. CD-ROM, pásková mechanika).
• Adresovací metodu LBA (Linear Block Address), která eliminuje omezení kapacitu disku na 512 MB. Při adresaci LBA je rezervováno:
o 4 bity pro povrch (maximálně 16 povrchů)
o 16 bitů cylindr (maximálně 65536 cylindrů)
o 8 bitů pro sektor (maximálně 256 sektorů)
• Při kapacitě 512 B na jeden sektor pak dostáváme maximálně velikost disku 128 GB. Tato kapacita je však omezena možnostmi BIOSu na 8 GB.
• Poskytuje vyšší přenosovou rychlost a může komunikovat buď prostřednictvím režimu PIO (Processor Input Output), nebo prostřednictvím DMA (Direct Memory Access) režimu
• PIO: režim, při kterém je přenos dat řízen procesorem. Tento režim se postupně vyvíjel a poskytoval stále větší rychlost:
o PIO 0 – maximální přenosovou rychlost je 2-3 MB/s
o PIO 5 – maximální přenosovou rychlost 30 MB/s
• DMA: režim, ve kterém se pro přenos dat využívá procesor:
o DMA 0: maximální přenosová rychlost je 2,08 MB/s
o DMA 6: maximální přenosová rychlost je 133 MB/s
Rozhraní SCSI
• Standardní rozhraní poskytující sběrnici pro připojení dalších zařízení
• SCSI dovoluje připojit ke své sběrnici až 8 různých zařízení
• Připojení interních a externích zařízení
• Používá se i u Mac,Sun, Silicon Graphics
• 50 a více vodičové sběrnice
• Jednoznačná identifikaci v podobě ID čísla (v rozmezí 0-7)
• ID 7 SCSI rozhraní a ID 0 bývá zařízení, ze kterého se zavádí operační systém
• Terminátory (zakončovací odpory) – impedanční přízpůsobení
• SCSI-1 – 8bit bus, rychlost 2-4 MB/S
• SCSI 2 – (Fat SCSI), rychlost 10 MB/s
• SCSI 3 – až 32 zařízení, ID 0-31
RAID
• Redundant Arrays of Inexpensive Disks
• Celá se pole chová externě jako jeden disk
• Dva rozdílné koncepty:
o Stripping – rozložení dat na více disků – zvýšení výkonu
o Mirroring – zvýšení bezpečnosti
• Rozložení na disky zvyšuje výkon, ale snižuje bezpečnost
• Zrcadlení poskytuje větší bezpečnost než jeden disk
RAID level 0 (Stripping)
• Zrychlení práce disku. Využívá metodu data striping (stripe = proužek).
• Striping – rozdělování proudu dat na diskové proužky.
• Řadič data rozkládá ne několik proudů (nejméně však dva), a ty potom zapisuje současně na (oba) disky – každý disk tedy nese pouze část dat, při čtení se postupuje opačně. Přenosová rychlost tohoto řešení je teoreticky dvojnásobná. Pro počítače se pak celé pole „tváří“ jako rychlý disk o dvojnásobné kapacitě. RAID 0 je vhodný zejména pro velké soubory: audio, video, DTP, CAD, animace, retuše scanů.
• Nevýhodou je právě uložení každého souboru na několika discích „po částech“ a z toho plynoucí ohrožení integrity dat – padne-li jeden disk, padne celá integrita dat v poli.
RAID Level 1 (Mirroring) – spolehlivost
• Mirroring – zrcadlení
• Druhý disk je kopii prvního
• V případě selhání prvního disku využívá řadič záložní disk
• Server, DB servery, podnikové IS, firemní datra, projektová dokumentace
RAID Level 0+1 (Mirroring)
• Kombinace obou metod: provádí se zde rozdělení dat (stripping) na dvě části, přičemž každá „větev“ má ještě svůj záložní, mirrorovaný disk minimum jsou tedy 4 disky

RAID Level 3, 4, 5 – rozložení zátěže, spolehlivost
• Paritní data – vznikají při zápisu data do diskového pole a jsou speciálním obrazem původních dat
• Paritní data jsou vždy uloženy jinde než „originál“ – můžou to být například speciální paritní disky (RAID 3, 4)
• V případě havárie jednoho z disků jednoho z disků nedojde ke ztrátě dat – ty se totiž !za letu“ (on the fly) dopočítávají v řadiči právě z redundantních (dodatečných) paritních informací.
• Nejznámější level 5
• Každý disk nese nejenom určitou část dat – jako u strippingum ale zároveň také i odpovídající část „cizích“ paritních dat.
• Tento přístup odstraňuje dřívější přetížení vyhrazených paritních disků
• RAID 5 plně optimalizuje a vyžívá sílu souběžného a současného čtení či zápisu do všech disků pole.
• Vzhledem ke složitosti datového managementu pole RAID 5 je zde vyžadován speciální (a velmi vykonný) procesorem řízený řadič
o Na rozdíl od polí RAID 0/1
Seriál ATA
• Kabel – 40/80pin x 2kabely
• ATA/ATAPI6
o Dvě 16-bit sběrnice (každá pro jeden směr) na 50MHz
• SerialATA
o Sériový přenos dat s teoretickou propustností 1.5Gb/s (oběma směry, teoretická datová propustnost SATA 1.0 je 150 MB/s
o Moderní diferenciální 250mV „signaling“ (teoretická maximální délka kabelu je 1m, v praxi cca. 50cm)
o Point-to-point bus – sběrnice je přímo, nesdílená, nekolizní a propojuje vždy pouze dva body: disk a řadič.

Seriál ATA logika
• Vylepšení management přenosů dat a povelů (commands) mezi diskem a řadičem. Díky změnám v této oblasti by komunikace řadič – disk měla být efektivnější (nižší zatížení procesoru) především důvěryhodnější (nespoléhá se jen na kontrolu CRC).
• To nic nemění na faktu, že králem v oblasti náročných datových řešení je stále rozhraní SCSI. Přesto se zdá, že disky SerialATA jdou, co se týče serverů, rozhodně dobrým směrem – ve velmi levných serverech dokonce excelují, zejména pokud je spojíme do diskových polí RAID.
• Poznámka: podstatnou akceleraci výkonu lze očekávat od připravení extrenze Seriál ATA. Native Command Queing umožní elektronice disku provádět agresivní optimalizaci fronty čtení a zápisu tak aby se minimalizovaly prodlevy.
• SCSI má svůj „Command Tag Queing“
Pásky
• Sekvenční přístup
o Dlouhá přístupová doba
o Neexistuje přístup na libovolné místo
o Mechanické namáhání
o Počet R/W cyklů nižší než u HDD
• Problémy archivního média:
o Rychlá obměna čteček
 Hlavně v posledních letech
• mechanické problémy
o tahání pásků, problém získat vyšší hustota
• srovnání páskové dráhy
o „adjustment“ – adjustace hlavy
Magnetické RAM (MRAM)
• Ukládá každý bit v magnetické buňce spíše než kondenzátor nebo flip-flip
• Dat je trvalá
• Lze číst a zapisovat velmi rychle
• Číst a psát časy 0,5 – 10 ms nebo méně
• Jednotlivé bity jsou zapisovatelné
• Hustota a náklady srovnatelné s DRAM
• Může vyžadovat hustoty/rychlost komprese
• Hustší MRAM muset běžet pomaleji, protože odvodu tepla
• Nápady pro použití MRAM při skladování:
o Trvalé mezipaměť
o Hot údaje MRAM, studené dat na disk
o Není potřeba vyprazdňovat zapisovací cache paměti, aby se zabránilo ztrátě dat
• HERMES
• Všechna metadata v MRAM
• Dostatek dat soubory v MRAM se skrýt disku latenci pro první přístup k souboru, síťové uložiště
• Skladování uchycen univerzální nebo specializovaná síť (např. FibreChannel)
o Motivace
o Homogenní a heterogenní sdílení dat
o Centralizovanou správu
o Lepší využití zdroje

Technologie pevných disků
Fyzická struktura

Pevný disk (HDD – Hard Disk Drive) je zařízení pro ukládání dat, která po svém zápisu již nepotřebují další energii, aby se uchovala. Protikladem tedy může být paměť typu RAM a analogickým příkladem naopak paměť typu NAND FLASH. V pevném disku najdeme několik diskových ploten, kotoučků, na které byla data dříve přímo zapisována díky vrstvě železného oxidu nebo v současnosti také pomocí magnetického substrátu slitiny kobaltu (tzv. tenkého filmu, Thin Film). Tento materiál nalezneme na povrchu každé z ploten, přičemž na každou z nich se zapisuje většinou z obou jejích stran a to pomocí speciálních čtecích/zapisovacích hlaviček, jež se pohybují velmi nízko nad samotnou datovou vrstvou.

Moderní 3,5" pevný disk se SATA rozhraním

Plotna bývá nejčastěji vyrobena z různé kombinace skla, keramiky či plastu (dříve se hojně využívalo také hliníku) a je na ni je možné zapsat různé množství dat. Čím více dat přitom každá z ploten pojme (má větší hustotu záznamu), tím větší výkon disk uživateli nabídne.

Plotny pohání elektromotory, jejichž působením se plotny roztočí na požadované otáčky udávané v RPM (Revolutions Per Minute) – otáčkách za minutu. Dnes můžeme na trhu najít pevné disky s typickými otáčkami 4200 RPM, 5400 RPM, 7200 RPM, 10000 RPM a 15000 RPM. Hodnota 7200 RPM je dnes nejběžnější u desktopových disků velikosti 3,5“. 4200 RPM odpovídá spíše low-endovým notebookovým diskům, 5400 RPM standardním notebookovým diskům, 10000 RPM nalezneme například u řady WD Raptor a 15000 RPM například u nových 2,5“ Seagate Savvio 15K. Hodnota 7200 otáček za minutu je momentálně rezervovaná pro drtivou většinu desktopových 3,5" disků.

Dnes není problémem na jednu plotnu zapsat až 334 GB datového záznamu. Na začátku tohoto roku (2008) jste tak mohli být například svědky uvedení zahájení sériových dodávek nových řad pevných disků řady Caviar s takto vysokou hustotou záznamu. U pevných disků pro notebooky zase bývá standardem celkových 160 GB na každé z ploten. Zajímavý je také disk SpinPoint F DT HD103UJ, který na svých třech plotnách unese až 1 TB.

SpinPoint F DT HD103UJ - rekordman mezi pevnými disky, samsung.com
Další zajímavou informací může být také fakt, že existuje také několik technologických novinek, které se snaží minimalizovat poškrábání datových ploten, a tím také odvrátit následné nevratné poškození celého zařízení. Příkladem může být technologie ImpacGuard, se kterou přišla již před nějakou dobou firma Samsung a která chrání disk pomocí několika malých ochranných polštářků. Celou situaci nejlépe objasní následující obrázek, který pochází přímo ze serveru výrobce této technologie.

ochranné polštářky na vystavovacím ramenu disku, samsung.com
Každá použitelná strana plotny musí mít svou čtecí a zapisovací hlavu, jež je umístěna na ramenu. To se pohybuje pomocí lineárního motoru tak, aby hlavičky mohly pokrýt veškerou využitelnou plochu plotny, nad níž se pohybují extrémně nízko. V podstatě platí, že čím vyšší kapacita, tím blíže je nutné hlavu k povrchu disku přiblížit. Prudké pohyby ramene společně s prací motorku pohánějícího plotnu a otáčením plotny tvoří nepříjemné vibrace přenášející se na skříň a také veškerý hluk pevného disku. Vedle hluku však mají za následek i tvorbu tepelné energie, avšak na té se velkou měrou podílí i elektronika pevného disku.

Z výše uvedeného logicky vyplývá, že celkový počet hlaviček v každém pevném disku by měl být roven dvojnásobku diskových ploten, což ale nemusí být vždy pravda. U krajních ploten (u okrajů disku) nemusí být vždy přítomny hlavičky po obou jejich stranách, čímž pak výrobce nevyužívá naplno dostupné kapacity disku.

Rozsah ramene s hlavou - Wikipedia

K hlavičkám a otáčkám disku se vztahují také dva pojmy – seek time a rotational delay. Ty by se daly přeložit jako doba vyhledávání dat a rotační zpoždění a platí u nich, že čím jsou nižší, tím více přispějí k celkovému vyššímu výkonu disku. Jako seek time označujeme čas, za který se hlava přesune nad požadované místo čtení nebo zápisu. U dnešních běžných pevných disků tato průměrná doba činí asi 8ms. Rotational delay je také prodleva, ale ta se vztahuje k otočení plotny tak, aby se pod hlavu dostal požadovaný sektor. U 7200RPM disků může být maximální možná rotační prodleva také zhruba 8ms a průměrná je tedy 4ms.

Některé pevné disky podporují technologii AAM (Automatic Acoustic Management), která umožňuje snížit hlučnost pohybu hlaviček při prohledávání disku na úkor přenosové rychlosti a přístupové doby.
Stopy, sektory, cylindry

Magnetický povrch plotny nemůže na disku zůstat bez organizace; musí mít svůj pevný řád daný rozdělením disku na stopy, sektory a cylindry. Stopy (tracks) jsou soustředné kružnice, které jsou očíslovány (0 = vnější stopa) a po kterých hlavička najíždí a vyhledává konkrétní místo k zápisu či čtení.

Každá stopa je rozdělena na sektory, které jsou známy jako tzv. nejmenší adresovatelné jednotky na pevném disku a ještě v roce 2006 činila jejich velikost obvyklých 512 B. Téměř po třiceti letech se ale sdružení IDEMA (International Disk Drive, Equipment, and Materials Association) rozhodlo tuto zavedenou hranici zvýšit až na 4096 B, to pro určitý nárůst rychlosti v přístupu k datům a také kvůli schopnosti ukládat vyšší objemy dat. Dalším důvodem bylo také zefektivnění práce korekční techniky ECC (Error Correction Code), díky čemuž je pak obnova poškozených dat mnohem jednodušší. Většina souborových systémů dnes navíc pracuje též se 4096B sektory, což byl další důvod hovořící pro změnu.

Vzhledem k tomu, že obvod stop je v různých místech disku různě dlouhý, bychom kvůli rozdělení všech stop na stejný počet sektorů zbytečně plýtvali místem na disku. Proto disky využívají tzv. Zone Bit Recording, kterážto metoda rozděluje stopy na sektory podle jejich délky, čímž je přístup k datům složitější, ale umožňuje plně využít vysoké obvodové rychlosti.

Rozdělení na cylindry je důležité proto, aby se hlavy v pevném disku využívaly rovnoměrně a disk tak měl co nejvyšší výkon. Cylindr označuje všechny stopy ploten, které mají stejné číslo a tvoří tak pomyslný dutý válec. Disk při zapisování plní disk ne po plotnách, ale právě po cylindrech, aby se průběžně využívaly všechny hlavy (ty jsou totiž umístěny na společném rameni, s jehož pomocí jsou nakonec také navedeny na správné místo), nebo alespoň skoro všechny.
Clustery, práce s daty

Jak jsou všechny stopy, cylindry a sektory na disku uspořádány také označuje význačný termín "geometrie disku". Operační systém však zavádí ještě další logickou jednotku s označením cluster - s tou už operační systémy opravdu pracují a data na ně zapisují nebo je z nich čtou. Clustery již nejsou tvořeny nízkoúrovňovým formátováním, nýbrž formátováním vysoké úrovně a shlukují v sobě určité množství sektorů, jejichž počet se může lišit v závislosti na použitém souborovém systému (NTFS například umožňuje využít clustery o velikosti 8 B až 64 KiB).

Jakou velikost clusteru použijete záleží pouze na vašich preferencích. Pokud pracujete často s velmi malými soubory, vyplatí se nastavit clustery o nižší velikosti, protože pokud byste uložili například soubor o velikosti 1 KiB do 64KiB clusteru, přišli byste o 63 KiB volného místa. Naopak pokud bude datová jednotka využita především pro ukládání velkých souborů, bude výhodnější používat větší clustery, protože tím zrychlíte nejen vyhledávání, ale také celkovou práci s daty.

V dřívějších dobách se na plotny zapisovalo tak, že každý sektor měl stejnou velikost, přičemž nezáleželo na tom, kde na povrchu plotny se nacházel. Přitom je jasné, že data uprostřed disku musela být na sobě hodně natěsnaná, což mělo za následek možné a také celkem časté vzájemné ovlivňování magnetického záznamu.

Nastalý problém musel být bezodkladně vyřešen, protože v opačném případě by se z pevných disků stalo nespolehlivé zařízení, kterému byste se báli svěřit jakékoliv datové bloky. Řešení naštěstí přišlo záhy a pracovalo na principu, že elektronika pevného disku úmyslně ukládala určité bity na geometricky špatná místa. Celá prekompenzace (Write Precompensation) pak měla za následek, že se bity ve finále srovnaly do správné podoby.

Naproti tomu sektory na okraji plotny byly k tomuto poměru téměř prázdné. Další problém při takovémto zápisu představovala skutečnost, že uživatel nikdy nemohl využít maximální možnou kapacitu pevného disku. Všechny problémy pak komplexně vyřešila až metoda zónového zápisu (Zone Bit Recording), jež přišla jako náhrada zavržené prekompenzace, a která rozdělila sektory do oddílů s proměnnou velikostí, jež kolísala v závislosti na jejich skutečném fyzickém umístění na datové plotně. U dnešních disků tak může být na okraji plotny jiný počet sektorů než na stopách blížících se jejímu středu.

Princip zápisu a čtení dat

Za vše mohou hlavičky, což jsou pouhé cívky navinuté na jádrech, která jsou na nejbližších místech k datové plotně přerušená uzoučkou štěrbinou. Pokud pak cívkou prochází elektrický proud, dojde k vytvoření určitého magnetického toku, který se právě v této štěrbině uzavírá a tím ovlivňuje i záznamovou vrstu pevného disku. V závislosti na tom, jakým směrem při této operaci teče proud, tak můžeme vytvořit magnetická místa, která budou zmagnetizovaná tím či oním směrem. Mezi nimi poté vznikají tzv. magnetické reverzace, což jsou vlastně pouze místa, v kterých se konkrétní směr magnetizace mění a právě ony mohou velkou měrou za principiální funkčnost této metody zápisu.

Čtení dat probíhá zcela opačným způsobem. Během pohybu hlaviček nad povrchem dané plotny reagují cívky na přítomné magnetické reverzace, které následně vyvolávají v jádru starý známý magnetický tok, jenž je dále zpracován jako elektrický impuls přídavnou řídící elektronikou disku. Důležité je také výrobcem zvolené kódování dat, které určuje konkrétní způsob uložení magnetických reverzací. Za všechny zmiňme například frekvenční modulaci (FM, Frequency Modulation) či modifikovanou frekvenční modulaci (MFM, Modified Frequency Modulation).

U starší disků bylo dále třeba vyhradit určité místo (sektor), které bylo při vypnutém napájení používáno k parkování hlaviček (Land Zone). Svou důležitost tato informace ale ztratila v době, kdy přestaly postačovat původní pevné disky s krokovým motorem. U dnešních disků již parkovací oblast takto uživatel nastavit nemůže. Vše záleží pouze na výrobci, zda se rozhodne, jestli bude využívat střed či dokonce oblast někde úplně mimo plotny.

Technologie kolmého zápisu

Technologie kolmého zápisu má v originále možné označení Perpendicular Recording Technology, i když my si vzhledem ke zkratce vybereme spíše Perpendicular Magnetic Recording (PMR). Jedná se o nový způsob zápisu dat na pevné disky z hlediska fyzického provedení, který dnes postupně nahrazuje klasickou podélnou (longitudinal) technologii. O co se vlastně jedná? Jistě víte, že se na pevný disk zapisují data pomocí magnetizování povrchu plotny, kde orientace magnetického pole určuje, zda ono místo odpovídá 0 nebo 1. U klasické technologie se však materiál magnetizuje tak, aby bylo jeho pole orientováno podélně s povrchem plotny. Zato u PMR má zmagnetizovaný materiál orientaci pole kolmou na povrch plotny a od toho se odvíjí i název. Díky tomu se mohou jednotlivé 'bity' umístit blížeji k sobě, čímž se docílí vyšší kapacity.

Avšak to není tak jednoduché. U PMR disků se musí využít ještě magneticky tvrdší materiál pro záznam a naopak magneticky měkká spodní vrstva, která napomáhá hlavičce v zápisu - zvyšuje její efektivnost, aby dokázala ovlivnit i magneticky tvrdý materiál na povrchu. Technologii kolmého zápisu dnes zvládá kdejaká firma. Jmenovitě to jsou Seagate, Toshiba, Fujitsu a Hitachi.
Není tisíc jako tisíc

Pozorné čtenáře možná zarazilo, když ve výše uveřejněném textu namísto osvědčené zkratky KB (kilobajt) narazili na její obdobu KiB (kibibyte). Pokud jste o ní dosud neslyšeli, pak vězte, že KiB znamená téměř to samé co KB, pouze s jedním a dosti podstatným rozdílem. Kilo totiž odjakživa znamená tisíce násobek nějaké jiné jednotky, ovšem pouze v desítkové soustavě. Ve dvojkové soustavě je to ale trochu jinak, protože zde je přepočet 1024, což odpovídá desáté mocnině čísla 2. Nejedná se sice o žádnou horentní odlišnost, ale čím více datových jednotek poté máme na mysli, tím více se budeme s výpočty od skutečné hodnoty vzdalovat.

Mezinárodní standardizační komise pro elektrotechnické normy (IEC - International Electrotechnical Commission) se na tyto zmatky už v roce 1998 nemohla dívat, a tak zavedla nové binární jednotky - Ki, Mi, Gi, Ti. S jejich pomocí pak můžeme konečně správně hovořit například o 1 KiB jako o 210 či 1024 B. Tuto skutečnost mějte na paměti především při koupi nových zařízení, které disponují vlastní elektronickou pamětí, především pak u pevných disků, protože jejich výrobci s oblibou uvádějí celkovou velikost právě v desítkové soustavě.

Koupíte-li si tak například pevný disk o celkové kapacitě 400 GB (400 000 000 000 B). Získáte celkovou velikost "pouhých" 372,5 GiB a to už je rozdíl. K tomuto zjištění dojdete velice jednoduše, když celkovou kapacitu v bytech vydělíte třikrát konstantou 1024, čímž toto číslo převedete postupně na kilobajty, megabajty a nakonec též na chtěné gigabajty.
Shrnutí 1.části

• Velikost disku – udává se v palcích a značí průměr ploten disku (1”, 2.5”, 3.5”. atp.)
• Kapacita disku – využívá se SI soustava, tedy 1 MB = 1.000.000B; oproti tomu 1 MiB = 2^20 = 1.048.576B – v tomto roce se očekávají disky s kapacitou 1 TB
• RPM – Revolutions Per Minute – počet otáček ploten za minutu (4200 – 15000RPM)
• Plotna – disk se skládá z jedné, nebo více ploten, na něž se mohou data zapisovat z obou stran
• Hlava – čtecí a zapisovací hlavu má každá strana plotny jednu; hlavou pohybuje krokový motor tak, aby pokryla plochu plotny a mohla z ní číst/zapisovat
• Stopa – plocha plotny je logicky rozdělena na stopy – soustředné kružnice na disku
• Sektor – stopy se logicky rozdělují na výseky – sektory
• Cylindr – všechny stopy na plotnách se stejným číslem
• Seek time – čas, za nějž se hlava přesune na požadované místo – měří se většinou průměrný čas
• Rotational delay – prodleva, za kterou se požadovaná část plotny natočí pod hlavu – maximální je rovna výsledku výpočtu 60/počet RPM
• Burst Transfer - rychlost komunikace mezi diskem a řadičem - v ideálním případě by měla být rovna specifikacím rozhraní, avšak málokdy se k nim disky byť jen přiblíží
• Sequential read/write - vlivem snižující se obvodové rychlosti při přibližování hlavy ke středu disku se snižuje i rychlost čtení a zápisu dat - měříme tedy sekvenční čtení / zápis
• ImpacGuard - technologie firmy Samsung, s jejíž pomocí jsou diskové plotny chráněny několika ochrannými polštářky umístěnými na vystavovacím rameni disku
• Prekompenzace - technika řešící problém vysoké hustoty zápisu při středu ploten zápisem bitů na geometricky špatná místa, což mělo za následek srovnání uložených datových bitů do správné podoby
• Zónový zápis - řešení problémů se zápisem na pevný disk a náhrada zavržené prekompenzace. Sektory rozděluje do skupin a jejich celkový počet v každé z nich je závislý na jejich fyzickém umístění na plotně.
• Magnetická reverzace - označení místa, v kterém dochází ke změně směru magnetizace
• Parkovací oblast - označení sektoru, které používaly především staré disky s krokovým motorem k parkování svých hlaviček
• Technologie kolmého zápisu - PMR - technologie využívající jiné orientace magnetizování povrchu ploten, čímž v podstatě dosahuje zvýšené hustoty zápisu
• Adresování diskových bloků

• K tomu, aby se disk bez problému domluvil s celou základní deskou, je vybaven řadičem, který celou komunikaci a všechny operace se zařízením řídí. Základní deska je pak vybavena tzv. Host Adaptérem, jenž se stará pouze o zprostředkování komunikačního kanálu mezi oběma zařízeními. Celé technologii se v počítačové branži říká ATA (Advanced Technology Attachment).

Ač je řadič u všech moderních disků umístěn až na pevném disku (ne na základní desce), stále jeho parametry nastavujeme v BIOSu počítače. Nutno ovšem říci, že tato zažitá skutečnost nebyla vždy pravdivá. V dávným dobách totiž také ještě existovaly disky MFM (například rozhraní ST506), které na svém těle žádným řadičem nedisponovaly. Ten pak musel být umístěn na základní desce, potažmo v přídavné ISA kartě, ke které bylo nutné disk připojit rovnou dvěma kabely. První z nich byl datový (20 pin) a druhý, 34vodičový, sloužil pro přenos řídících signálů.

Aby mohl pevný disk optimálně pracovat, musí nějak zjistit polohu všech na něm uložených dat - jeho řadič i základní deska podporovat stejnou metodu adresace a jelikož základní jednotkou, kterou pro ukládání dat používáme, je sektor, mluvíme též o adresování sektorů.

CHS (Cylinder/Head/Sector)

Tato metoda spadla již velmi dávno do propadliště dějin a dnes již není vůbec využívána. Přesná lokace dat byla zaznamenána pomocí číselné adresy jednotlivých cylindrů, hlav i samotných sektorů. S pomocí tohoto adresování byl BIOS počítače schopen adresovat "obrovských" 512 MB, protože narážel na limity rozhraní Int13h, které nedokázalo kvůli první verzi IDE rozhraní rozlišit více jak 10 bitů pro adresu cylindru, 4 bity pro adresu hlavy a 6 bitů připadalo na adresu sektoru.

XCHS (eXtended CHS)

Tato nová verze adresování již dokáže využívat kapacit rozhraní Int13h naplno - 10 bitů pro adresu cylindru, 8 bitů pro adresu hlavy a 6 bitů adresy sektoru. Díky tomu činí maximální adresovatelný prostor celkových 7,88 GB.

LBA (Logical Block Addressing)

Tento model adresování vychází z disků SCSI a používá naprosto jiných metod oproti předchozím technologiím, protože za pomoci LBA jsou všechny sektory pevného disku jednoduše očíslovány a z tohoto pořadového čísla je teprve vytvořena 28bitová adresa, s jejíž pomocí je na sektor dále přistupováno.

S pomocí LBA již dokáže pevný disk využít už celkem pěkných 128 GiB prostoru. Zpětná kompatibilita s XCHS je ale stále zajištěna.

LBA - ATA/ATAPI-6

Když už přestala stačit kapacita 128 GiB, která mohla být využita s pomocí LBA, byl vyvinut na základě původního LBA nový standard ATA/ATAPI-6, jenž rozšiřuje adresování až na neuvěřitelných 48 bitů. Po malém přepočítání nám tak vychází, že za pomoci posledně zmíněného standardu je možné připojit disk až s maximální kapacitou 144 PB čili 128 PiB.

Každému sektoru je navíc také předřazena jeho vlastní hlavička (záhlaví), kterou každá z alokačních jednotek naprosto přesně popisuje a to z toho důvodu, že by jinak bylo téměř nemožné přesně zaměřit jeden jediný sektor v takové záplavě jiných. Hlavička je po příchozím požadavku na čtení dat pouze nasměrována na přibližné umístění hledaných dat a dále se snaží pouze najít odpovídající záhlaví.
• IDE aneb Paralelní ATA

• IDE (Integrated Drive Electronics) představuje rozhraní, které se již od uvedení prvních specifikací na konci osmdesátých let firmou Western Digital používá dodnes, i když teď spíše pouze pro připojení optických mechanik, nicméně i z této oblasti je pomalu vytlačováno novějším a perspektivnějším rozhraním Serial ATA. Rozhraní IDE se pro jeho princip přenosu dat říká také Paralelní ATA (PATA) - přenos informací po datovém vodiči totiž probíhá po několika vodičích současně, tedy paralelně.

Čip rozhraní IDE, které by se však správně mělo označovat EIDE (Enhanced IDE - IDE byla prapůvodní a dnes již nevyskytující se verze), disponuje celkem dvojicí datových kanálů, přičemž na každém z nich může pracovat vždy rovná dvojice různých zařízení a to, aby se připojené disky či mechaniky nepopraly, můžeme zařídit pomocí malých jumperů. Těmi lze jednoduše určit, v jakém ze tří režimů má dané zařízení pracovat: Master, Slave, Cable Select.
Na každý kanál je možné připojit jedno zařízení v režimu Master (či stand-alone) a jedno v režimuSlave, avšak není pravdou, že Master je nadřazené zařízení tomu, které je připojené jako Slave, protože obě stejně ovládá OS a obě jsou podřízena pouze jemu, respektive vlastnímu řadiči. Existuje zde pouze to omezení, že v jeden čas dokáže systém komunikovat pouze s jedním zařízením, což je vzhledem k připojení celkem pochopitelné. Pokud byste na kanál připojili pouze jedno zařízení nastavené na režim Slave, nefungovalo by. Tedy oficiálně. V případě použití vhodného operačního systému (Windows NT a novější) a za předpokladu, že nepůjde o systémový disk, by ale i takové zařízení fungovat mohlo.

Nejvíce viditelným rozdílem je také to, že operační systém preferuje pevný disk, jenž pracuje v režimu Master a tomu také přiřadí (v případě Windows) jako prvnímu odpovídající písmenné označení. Pokud mluvíme o primárním kanálu, tak disk v režimu Master proto vždy naleznete v systému jako jednotku "C:" a Slave dostane následující volné písmenko (pokud není stanoveno v operačním systému jinak). Z tohoto můžeme také logicky odvodit, že z Master disku se bude systém jako první snažit zavést operační systém. V BIOSu jej poté, při určování priorit bootování, nalezneme pod označením HDD-0.

S pomocí Cable Select (CS) můžeme rozhodováním, které zařízení bude nadřízené, pověřit samotný BIOS, což ale raději moc nedoporučuji. Většinou bývá nejlepší si vše nastavit pevně. Jednak máte nad zapojením plnou kontrolu a pak při použití CS nemusí být vše tak bezproblémové, jak se může na první pohled zdát. Na některých discích je dále možno použít speciálního režimu Single, který se může použít jako alternativa Masteru, ovšem za podmínky, že bude zařízení na kanálu samo.

Přenosová rychlost Paralelního ATA sice pro jedno zařízení stačí, pokud ale připojíte obě dvě, může se stát propustnost velice úzkým hrdlem, které bude celkovou komunikaci v závislosti na aktuálním zatížení systému různou měrou brzdit.
Plochý datový kabel
Původní verze rozhraní o přenosové rychlosti 33 MB/s ještě využívala v plochém datovém kabelu pouhých 40 vodičů. S dalšími nastupujícími revizemi (66 a 100 MB/s) bylo ale jasné, že kvůli rostoucím přeslechům (problém s názvem kapacitní vazba - signály jendnotlivých vodičů se navzájem ovlivňovaly) nemůže takový kabel v praxi postačovat, a tak se začaly používat "kšandy" nové, které sice měly opět pouze 40 datových vodičů, ale navíc také dalších 40 vodičů sloužících jako stínění. Při vývoji poslední z revizí Paralel ATA (PATA), která dosahovala maximální přenosové rychlosti 133 MB/s, bylo zjištěno, že technologie dosáhla svého výkonnostního maxima a byla jako neperspektivní odložena. Napájení 3,5“ disků s rozhraním PATA je dnes realizováno výhradně pomocí Peripheral Power konektorů.
SCSI (Small Computer System Integrated)

"Skaziny", jak se tomuto rozhraní v počítačové branži s velkou oblibou říkalo, bývaly nejčastěji nasazeny u výkonných pracovních stanic, vysokorychlostních pevných disků ale i starších periferních zařízení (skenery) či nejčastěji serverů, kde se v určité míře takováto zařízení používají dodnes. Existuje několik norem, které se liší jak počtem připojených zařízení, přenosovou rychlostí tak i maximální délkou kabelu.

Sběrnice poskytuje možnost připojit na jeden kanál až 7 příp. 15 zařízení, jež jsou dále označeny určitým ID, které všechny jednoznačně identifikuje (nejvyšší patří vždy samotnému řadiči). Všechna zařízení mohou poskytovat velmi vysoký výkon, přenosovou rychlost i poměrně nízkou přístupovou dobu přístupu k datům. Velkou nevýhodu ale přesto zůstává vysoká cena jak řadičů, tak i samotných zařízení, a proto se tato technologie v domácích podmínkách nikdy příliš neuchytila. Celá kaskáda musí být také zakončena speciálním zakončovacím prvkem, který známe také z počítačových sítí, tzv. terminátorem.

Pozn: Existuje také technologie SAS (Serial Attached SCSI), která byla navržena pro použití při přesunech dat z pevných disků či páskových zařízení. Jedná se o sériový protokol zajišťující dvoubodové spojení typu point-to-point a v současné době poskytuje přenosovou rychlost 3 Gb/s. V roce 2009 se ale plánuje příchod dalšího vylepšení technologie, jež zvýší přenosovou kapacitu až na 6 Gb/s. Zajímavé také je, že technika SAS je zpětně plně kompatibilní s druhou generací disků SATA, které tak mohou být jednoduše připojeny k SAS páteři. Opačně to však nefunguje a žádné zařízení s rozhraním SAS ke sběrnici SATA bohužel nijak nepřipojíte.
Vyhrává ten nejrychlejší

Aby mohl pevný disk splňovat požadavky počítače, musí být také nějak zajištěna jeho spolupráce s operační pamětí RAM, což může být dvěma způsoby. Prvním je režim PIO (Programmed Input/Output) s jehož pomocí je veškerý datový tok mezi těmito komponentami řízen pomocí procesoru. Tato koncepce má ale obrovskou nevýhodu a s ní spojenou také poměrně mizernou přenosovou rychlost. Jakýkoliv (i malý) požadavek na čtení dat nebo jejich zápis totiž musí obsloužit procesor, který je tak zbytečně vytrháván z jiné práce (třeba i důležitější), což poměrně hodně zdržuje.

Poslední standard tohoto přenosu (PIO 5) nebyl nikdy kvůli nově vznikajícímu režimu s přímým přístupem do paměti nasazen do ostrého provozu a integrován do pevných disků. V BIOSu jej však i přesto nalezneme. V dnešní době tak není zapomenut a využívají jej paměťové karty CompactFlash připojené s pomocí tzv. IDE adaptérů.

Shrnutí 2.části

• Paralel ATA (PATA) - klasické paralelní rozhraní využívající 16 datových vodičů a plochého kabelu
• PIO - přenosový mód Processor Input Output - využívá procesor k přenosu dat a pracuje s módy PIO 0 - PIO 5
• Ultra ATA (UDMA) - zajišťuje přímý vstup do paměti a nepotřebuje tedy procesor - módy Ultra ATA/33 až Ultra ATA/133
• Master / Slave - značí rozlišení zařízení připojených na rozhraní PATA pomocí plochého datového kabelu - nastavuje se jumpery
• Host Adaptér - zařízení (součást základní desky) zajišťující komunikaci systému jakko celku s instalovanými pevnými disky
• Terminátor - zakončovací prvek sběrnice SCSI, eliminuje možné odrazy signálu od konce datového vedení a tím i omezuje případné rušení probíhající komunikace
• Serial Attached SCSI (SAS) - sériová revize původně navržené sběrnice SCSI, která v současné době (2008) poskytuje přenosovou kapacitu až 3 Gb/s
• ATA DM (ATA Disk Module) - speciálně navržené moduly pamětí flash, které je možné připojit přímo k datové sběrnici ATA. Vyznačují se velice nízkou spotřebou a minimálními rozměry
• 3.Serial ATA (SATA)

• Nástupcem umírajícího EIDE se stalo rozhraní SATA, které bylo navrženo nejen s důrazem na jednodušší a rychlejší provoz (kromě menších a skladnějších datových i napájecích SATA kabelů přineslo i některé nové technologie). V přelomovém roce 2004 pevné disky s tímto rozhraním skokem přeměnily strukturu nabídky a v následujících dvou letech již nad PATA získaly vpravdě drtivou převahu. Specifikace SATA 1.0 však již byly vytvořeny v roce 2001 společnostmi APT Technologies, Dell, IBM, Intel, Maxtor a Seagate, takže za sebou měly velmi dostatečnou podporu na to, aby se jimi definované rozhraní mohlo rychle prosadit.

Díky pokrokům v metodě přenosu dat nazvané diferential signalling bylo možné zvýšit operační frekvenci rozhraní tak, aby dovolilo přenášet dostatečné množství dat sériovým způsobem. Oproti PATA a UDMA 5 využívající 16bitovou šířku, pracující na frekvenci 25 MHz a dosahující maximální přenosové rychlosti 100 MB/s využívá původní verze SATA pouze 1bitovou šířku, ale frekvenci 1500 MHz a to je tedy i výsledných 1,5 Gbit/s.

Další verze Serial ATA, běžně, ale chybně označovaná jako SATA II, dostala název SATA 3Gb/s. Přišla s ní organizace SATA II - uskupení výrobců, kteří společně zpracovávali nové specifikace (odtud tedy pochází původ mýlky), Sdružení se ale již raději přejmenovalo na SATA-IO (Serial ATA International Organization). Výsledkem nové verze rozhraní je zdvojnásobená maximální propustnost (z 1,5 Gb/s na 3 Gb/s) a již brzy se máme dočkat třetí verze, u níž se však může změnit i něco jiného než pouhá propustnost (plánuje se možnost připojení více disků nebo také Solid State a RAM disků na jeden port) a plná zpětná kompatibilita tedy není zaručena. Bude se jmenovat nejspíše SATA 6Gb/s a opět zdvojnásobí svou propustnost. Pravdou zůstává, že stávající pevné disky nedokáží zdaleka naplno využít ani možnosti první revize specifikace. Technologie, které přicházejí s každou další revizí, jsou ale daleko zajímavější.

Je třeba zmínit odlišné kódování přenosu, které je na rozdíl od PATA disků využívajících standardní 8bitové kódování hned 10bitové, a proto můžeme také zmíněné přenosové rychlosti vyjádřit jako 150 MB/s (1,5 Gb/s) či 300 MB/s (3 Gb/s).
NCQ

Podívejme se technologii NCQ (Native Command Queuing, Přirozené řazení požadavků), která je charakteristická tím, že dokáže ponechat rozhodování o pořadí čtení dat na samotném řadiči disku, čímž se snaží minimalizovat vzniklé časové zpoždění. Pokud procesor tedy vyžaduje nějakou posloupnost dat, která nemusí být na stejném místě, disk bez NCQ je bude číst tak, jak o ně procesor prostřednictvím řadiče požádá. Je však pravděpodobné, že čtecí hlavy budou tato data číst neefektivně a zbytečně čekat na další otáčku plotny nebo zbytečně prodlužovat seek (nastavení hlavy nad požadovanou stopu).

Příklad práce NCQ - v prvním případě si řadič srovná pořadí čtených bloků, v druhém je nezmění
Pokud ale disk dokáže využít NCQ, pak si posloupnost čtení dat seřadí tak, aby k tomu potřeboval co nejméně otáček a přesunů hlavy. Toto seřazení však také nějakou dobu trvá a v každém případě tedy NCQ nemusí znamenat zrychlení – někdy i naopak. Nakonec, dle našich dřívějších testů má NCQ vliv na výkon disků při běžné práci pouze minimální. Přínos se projevuje až u serverů či pracovních stanic.

Pozn: Zde se hodí zmínit ještě technologii Tag 'n seek, která je principem stejná jako NCQ, ale je mnohem starší. Na trh ji uvedla společnost IBM již zhruba před 8 lety. Dnes je Tag 'n seek odsouzen k zániku, protože NCQ je mnohem propracovanější a hlavně představuje obecně přijatý standard. Tag 'n seek dnes tak nalezneme vesměs pouze u disků Hitachi, které divizi pevných disků od společnost IBM před 6 lety odkoupilo (2002).
Hotswap, eSATA

Dovolím si však tvrdit, že užitečnější výhodou, především u externích datových úložišť standardu SATA, je technologie Hot-Swap, která dovoluje připojit a odpojit disk za běhu počítače tak, aby je operační systém rozpoznal, což u PATA nebylo možné (Hot-Swap mimo jiné podporují také rozhraní USB, FireWire, PCI-X a SCSI). Tuto možnost sice nejvíce využijete s novějším standardem eSATA, který spatřil světlo světa až v roce 2004, ale její podporu mají navíc díky prodlouženým zemnícím vodičům též interní pevné disky, což se může také hodit.
Rozhraní eSATA má také několik dalších odlišností, které je dobré znát. Nejdůležitější z nich je zejména to, že během probíhajícího přenosu zatěžuje procesor zcela minimálně (daleko méně než např. oblíbená a univerzální sběrnice USB). eSATA také dovoluje daleko větší délku propojujícího kabelu než SATA (až 2 metry) a jeho konektory jsou navrženy na daleko hrubší zacházení a častější odpojování. Oproti externím diskům s rozhraním USB 2.0 nebo IEEE1394 FireWire dokáže poskytnout plný výkon SATA a také podporu SMART. Zapotřebí je k tomu v podstatě pouze eSATA kabel, jenž se připojí k eSATA konektoru v počítači, ke kterému již vede normální datový SATA kabel.
Další funkce SATA rozhraní
Staggered Spin Up zase dokáže po startu počítače minimalizovat energetické nároky na počítačový zdroj. Deska totiž dokáže řídit a ovládat postupný náběh všech pevných disků, které se tak nemusí rozběhnout všechny najednou. Dále existuje tzv.

Port Multiplier slouží k tomu, abychom mohli s jedním řadičem obsloužit více pevných disků. Toto je klasická vlastnost řadičů PATA, které podporují připojení dvou zařízení na jeden kanál, avšak u SATA toto bez Port Multiplieru není možné. A i když dnešní moderní základní desky běžně obsahují i šest SATA řadičů, nemusí to někomu stačit.

SATA 3GB/s je již dostatečně dimenzované rozhraní na to, aby bez citelného výkonnostního propadu dokázalo obsloužit několik disků. K tomu slouží speciální čip rozdělující diskům pásmo podle potřeby. Je však možné Port Multiplier využít i v duchu RAID pole, kde řídící čip přiděluje požadavky řadiče tomu disku, který je aktuálně k dispozici - metoda se nazývá Frame Information Structure. Díky tomu může být takovéto uspořádání rychlejší než jeden pevný disk.

Port Selector umožňuje k jednomu disku připojit až dva řadiče, což je výhodné především u serverů, kde je třeba zajistit bezproblémový a trvalý chod celé sestavy.

Jižní můstky základních desek mohou nabízet využití různého počtu PATA nebo SATA zařízení, ale čím dál tím častěji se stává, že je přítomen buď pouze jeden kanál Paralelního ATA či dokonce vůbec žádný. Na takové desky je potom třeba dát si pozor. Při jejich koupi si musíte být stoprocentně jisti, že žádné PATA zařízení nebudete nikdy potřebovat, ani v budoucnu. Existují sice přídavné řadiče do PCI slotů, které si můžete případně dokoupit a tímto problém zcela vyřešit, ale nevyhnete se tím dalších finančních investic. Nehledě na to, že ne vždy budete mít PCI sloty také volné.

Na základních deskách může být dále přítomen pomocný čip třetí strany, který umožní připojení dalších několika SATA zařízení, když už vám kanály integrované v čipsetu přestanou stačit.
BIOS a SATA - možnosti spolupráce

Pevné disky SATA mohou v zásadě pracovat ve dvou základních režimech a sice v kombinovaném či nekombinovaném, které se od sebe odlišují tím, zda vám systém umožní pracovat s oběma typy zařízení současně. Takže zatímco v kombinovaném režimu si můžete užívat všech dostupných portů SATA i PATA dohromady, u nekombinovaného režimu toto možné není.

Z hlediska operačních systémů rozeznáváme také celkem dva pracovní režimy. Jedná se o kompatibilní a tzv. nativní režim. Kompatibilní režim existuje kvůli zachování zpětné kompatibility se staršími operačními systémy (Windows 9x, DOS) a k systému v něm můžeme připojit maximálně 4 zařízení, která ale mohou pracovat jak v kombinovaném, tak i nekombinovaném režimu.

V případě rozšířeného, nativního režimu budete moci využít všechny porty, které základní deska nabízí. Jistou nevýhodu však představuje omezení na použití v novějších operačních systémech (Windows XP SP1, Windows Server 2003, Windows Vista), ale ruku na srdce - kdo dnes nemá na svém počítači nainstalovaná z OS Windows alespoň XP, že? Tímto tvrzením se samozřejmě nechci dotknout zarytých Linuxáků, jejichž systém je na jiné úrovni existence než operační systémy Microsoft.

SMART

Technologie SMART, dnes vlastní snad každému desktopovému disku, byla od roku 1992 vyvíjena firmou IBM pod názvem PFA (Predictive Failure Analysis). Šlo o snahu dokázat pomocí sledování chování disku určit jeho stav a nebezpečí možného selhání. Technologie PFA měla úspěch a vyústila ve známý SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology).
SMART tedy sleduje práci disku a všímá si údajů jako počet vadných sektorů, použití ECC, čas potřebný k roztočení ploten, teploty nebo i celkového výkonu disku. Pokud některá z těchto hodnot klesne pod prahovou hodnotu, pak již disk není podle SMART v kondici a může selhat. To ale neznamená, že disk nemůže selhat i bez varování a naopak není nikde řečeno, že SMARTem odepsaný pevný disk nebude ještě několik let bez problémů fungovat.

Ohledně spolehlivosti disku se můžeme setkat s parametrem MTFB (Mean Time Between Failures). Jedná se o střední dobu mezi poruchami a udává se typicky v hodinách provozu. Problémem je, že někteří výrobci tento parametr uvádějí, jiní nikoliv.
RAID

RAID (Redundant Array of Independent/Inexpensive Disks, Vícenásobné diskové pole nezávislých/levných disků) pole se ze serverové oblasti díky pokroku a snížení pořizovací ceny již dávno dostaly do dosahu běžných uživatelů, alespoň co se týče základních konfigurací. Už od dob řadičů Ultra ATA/66 tak můžeme zapojit více disků do konfigurací, které nám umožní zvýšit rychlost, zvýšit spolehlivost, nebo rovnou obojí.
RAID pole

První verzí na ráně je RAID 0, kdy se dva nebo více disků zapojí do tzv. stripping módu. V tomto módu řadič rozděluje data na ‘proužky’, jež poté střídavě rozděluje mezi disky. To znamená, že například 1GB soubor se střídavě zapíše na dva disky, tedy na každý 512 MB. Díky tomu můžeme dosáhnout podstatně vyššího výkonu (zdaleka však ne dvojnásobného), ale na druhou stranu také dvakrát vyšší pravděpodobnosti ztráty dat, protože havárie jednoho disku nevyhnutelně znamená ztrátu veškerých dat (pokud se je samozřejmě nepodaří následně zachránit; taková záchrana však často nemusí být ani možná). Omezení také plyne z toho, že je nanejvýš vhodné použít stejné typy disků, či alespoň stejné kapacity, jinak bude celková velikost pole omezena na dvojnásobek kapacity menšího z disků.

RAID 1 je další druh pole označované jako mirroring – zrcadlení. Již z názvu lze tedy uhodnout, že při využití dvou disků se jeden použije pouze jako záloha - na oba se tedy zapisují identická data. RAID 1 tedy slouží pouze pro zvýšení bezpečnosti a museli byste mít opravdovou smůlu, aby vám oba disky odešly naráz. To sice není vlivem možné poruchy zdroje ani zdaleka nemožné, avšak to je již jiná písnička. Omezení zde jsou v podstatě stejná jako u RAID 0 – ideální je použití stejně rychlých disků o stejné kapacitě, aby se navzájem zbytečně neomezovaly.

Kombinací RAID 0 a 1 získáme pole RAID 0+1 (někdy je také nazýváno jako RAID 01), které kombinuje výhody obou typů polí. Je tedy rychlé a bezpečné, avšak pro jeho sestavení potřebujeme minimálně čtyři pevné disky, protože vzniklé pole RAID 0 budeme dále zrcadlit.

Dalším typem je RAID 10 (1+0), který je naprosto stejný jako předešlé řešení, pouze při jeho sestavování postupujeme obráceně. Nejprve budeme obě dvojice disků zrcadlit a následně nad nimi vytvoříme stripované RAID 0. Celé spojení poskytuje největší výkon mezi zabezpečenými typy polí a navíc poskytuje odolnost proti ztrátě až poloviny z celkové počtu připojených disků.

Kromě RAID polí může váš řadič (nebo také OS) podporovat tzv. spanning, což je prosté spojení několika pevných disků do logického celku. Data jsou tedy ukládána nejprve na první disk a až dojde k jeho zaplnění, bude se pokračovat na disk druhý atd. Jiný název pro spanning je JBOD (Just a Bunch Of Disks). Výhodou tohoto řešení je bezesporu skutečnost, že pro vytvoření není třeba použití stejně velkých disků - data totiž nejsou ukládána prokládaně. Spanning se ale vyplatí spíše těm uživatelům, kteří potřebují ukládat soubory obřích velikostí a to je dnes v době terabajtových disků už tak trochu pasé.

Existují i další druhy RAID polí, avšak u domácích počítačů se téměř nenasazují. Patří mezi ně napříkladRAID 2, coby převlečený RAID 0 s přidanou korekcí v podobě Hammingova kódu, což je jedna z forem ECC (Error Checking and Correction). Jeho nevýhodou je nutná podpora ze strany disku a poměrně vysoká pořizovací cena.
Další typy RAID polí

Existují i další druhy RAID polí, avšak u domácích počítačů se téměř nenasazují. Patří mezi ně napříkladRAID 2, coby převlečený RAID 0 s přidanou korekcí v podobě Hammingova kódu, což je jedna z forem ECC (Error Checking and Correction). Jeho nevýhodou je nutná podpora ze strany disku a poměrně vysoká pořizovací cena.

Dálší typ RAID 3 rovněž využívá stripping, ale i sofistikovaný způsob ukládání paritních informací, které jsou vypočítávány pomocí logické operace XOR (exkluzivní OR) neboli nonekvivalence. Ukládání těch informací, které při havárii jednoho disku umožňují rekonstrukci veškerých dříve uložených dat, je poté realizováno na další a k tomu vyčleněný disk. Výhodou je tedy nutnost vyčlenění pouze jednoho disku, protože u jiných typů polí může být počet vyšší. Tato skutečnost je ale zároveň největší nevýhodou zmiňovaného řešení. Paritnímu disku je totiž také přezdíváno anglickým termínem „Bottleneck“ (Hrdlo láhve), protože právě on je nejslabším a zároveň také nejvytíženějším místem celého spojení. Paritní informace na něj musí být zapisovány vždy, za jakýchkoliv okolností. Jeho životnost tak bude s rostoucím opotřebením zákonitě rychle klesat.

Podobným řešením je také pole RAID 4, které se v mnohém podobá předchozímu řešení. Rozdíl je ale v tom, že data nejsou stripována po bitech (jako u RAID 3) ale rovnou po celých blocích a stejně tak i paritní informace, čímž lze dosáhnout vyššího výkonu při čtení velkého počtu malých souborů, což se hodí především u databázových systémů. U takových totiž není RAID 3 zrovna nejvýhodnějším řešením.

Nevýhoda v podobě úzkého hrdla láhve u RAID 4 ale stále přetrvává a tento problém řeší až RAID 5, kde žádný disk navíc nefiguruje – paritní informace jsou ukládány střídavě po všech discích napříč celým polem, ovšem vždy na jiné datové úložiště, než na které jsou originální data zapisována. Tato skutečnost také může za vyšší výkon spojení a jeho oblibu u většiny uživatelů. Nevýhodou je, že pole s úspěchem odolává pouze poruše jednoho z připojených disků.

Dalším standardizovaným typem je pole RAID 6, které přináší mnohem vyšší odolnost proti výpadku, protože je parita vypočítávána hned dvakrát (pokaždé odlišným způsobem) a následně ukládána opět mezi všechny připojené disky. Při výpadku dvou disků pak není problém vše zcela přesně opravit. Z pohledu rychlosti čtení můžeme říci, že ta je ekvivalentní RAID 5. Při zápisu je ale dosažený výkon daleko menší právě kvůli nutnosti dvakrát vypočítávat paritní informace. Nevýhodu představuje nutnost použití specializovaného a často také velmi drahého řadiče.
Nestandardní typy RAID

Kromě zmíněných typů diskových polí se můžeme setkat také s mnoha jinými, jež nemusí představovat obecně přijatý standard, ale mohou být pouze registrovanou obchodní značkou té či oné společnosti, která s danou technologií přišla na trh.

Typickým příkladem je typ RAID 7, za jehož vznikem stojí společnost Storage Computer Corporation. Principem vychází přímo z polí RAID 3 a 4, avšak do hry přidává navíc vyrovnávací cache paměť. Díky tomu je pak celý systém jako celek daleko rychlejší (při čtení i zápisu). Zmíněné výhody jsou však draze vykoupeny příliš vysokou pořizovací cenou především díky použití speciálního procesoru určeného ke složitým výpočtům v rámci celého pole v reálném čase.

Mezi další možnosti, jak nestandardně spojit pevné disky, patří také tzv. RAID 30 (3+0). Jednotlivé stripované větve v něm ale netvoří zrcadla, nýbrž jsou vzájemně propojena pomocí RAID 3. Opačným postupem získáme RAID 03 (0+3).

Takto můžeme tvořit různé kombinace – např. RAID 50, 51, 53 či 60. Z této řady však vybočuje jedno velmi zajímavé řešení, které nemůžeme nezmínit – RAID 100 (10+0). Můžeme si ho představit jako diskové pole RAID 10, nad kterým je dále vytvořeno další prokládané pole RAID 0.

V souvislosti s diskovými poli se můžeme také setkat s pojmem hot-spare, který označuje technologii dovolující minimalizovat časový interval, během kterého je pole „oslabené“. Uvažujme například RAID 5, jemuž právě odešel jeden z disků. Co se stane dále? V podstatě nic. Bezpečnost dat zůstane neovlivněna a činnost systému bude zcela v pořádku pokračovat dále.

Poznámka: Tato situace není zdaleka tak nereálná, jak se zdá. Stačí jeden vadný zdroj a přepětí v systému udělá své.

Zmíněné pole RAID (5) ustojí pouze výpadek jednoho z disků. Co se tedy stane, pokud v mezičase, než dorazí k serveru technik, dojde k výpadku dalšího z disků? Všechna uložená data budou ztracena. U systému s hot-spare bude k systému automaticky připojen záložní pevný disk, na který budou následně chybějící data dopočítána. Takový záložní disk je možné sdílet mezi více druhy polí, pokud jsou v daném počítači přítomna.

Poznámky: Maximální počet připojených disků závisí na konkrétních řadiči RAID. Transakční výkon je důležitý především pro databázové aplikace.
Speciální typy disků

Nakonec si uvedeme už jen pojmy RAM Disk a SSD. Využití RAM jako pevného disku je myšlenka v podstatě tak stará jako PC samo. Využívala se již v 80. letech, avšak v dnešní podobě se spíše jedná o zařízení v podobě PCI karty, které na sobě má sloty pro SDRAM (SDR, DDR), do nichž zasunete moduly, připojíte je nejlépe k rozhraní Serial ATA 3Gb/s a již si můžete užívat rychlost limitovanou pouze možnostmi rozhraní a nulový hluk. Avšak jednak je to velmi nákladné a kapacitou omezené řešení a také je jasné, že po ztrátě napájení dojde i ke ztrátě dat. Proto musí tato zařízení na sobě nést ještě akumulátor starající se o oživování buněk, který však nevydrží věčně. Příkladem takového produktu může být Gigabyte i-RAM, avšak ten dokáže nést pouze 4 GB paměti a navíc je omezen pouze připojením SATA 1,5 Gb/s.
SSD

Právě proto je dnes lepší na takovéto záležitosti raději zapomenout a počkat si na okamžik, až začnou být opravdu zajímavé disky SSD - Solid State Drive/Disk. SSD v oblasti PC nejsou nic jiného než flash paměti spojené do jednoho zařízení s rozhraním SATA, které se dají jednoduše využít jako malý, energeticky nenáročný, rychlý a zcela tichý "pevný disk". Jedinou a největší překážkou tak zůstává jejich cena, avšak i ta se v průběhu času zlepšuje. SSD diskům se věnujeme podrobně v dalších kapitolách.
Shrnutí 4.části

• SMART - Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology - technologie pro analýzu kondice pevných disků a vůbec jejich monitorování
• PFA - Predictive Failure Analysis - předchůdce SMARTu od IBM
• RAID - Redundant Array of Independent Disks - způsob zapojení alespoň dvou pevných disků dovolující zvýšení výkonu, spolehlivosti, nebo obojího
• Spanning - jinými slovy JBOD (Just a Bunch Of Disks) - zapojení disků, jejichž kapacita se pouze spojí v jednu logickou jednotku
• ECC - Error Correcting Code - slouží k zachování celistvosti dat při jejich přesunech
• Stripping (prokládání) – technika umožňující rozdělit jeden souvislý datový blok (soubor) mezi více datových úložišť za účelem zvýšení rychlosti přístupu
• Mirroring (zrcadlení) – zápis stejných dat na další disk pro zvýšení jejich bezpečnosti
• Hot-spare – technologie obstarávající automatické připojení záložního disku k systému při poruše jednoho disku z RAID pole
• RAM Disk - využívá SDRAM moduly k emulaci pevného disku - rychlé, tiché, ale drahé, s nízkou kapacitou a nebezpečím jednoduché ztráty dat - spíše pro speciální účely
• SSD - Solid State Disk - využívá Flash paměti - rychlé, tiché, dostatečná kapacita a dobrý potenciál do budoucna