Википедија

Hard-disk

Hard-disk (engl. hard disk drive, HDD), poznat i kao tvrdi ili čvrsti disk, vrsta je sekundarne memorije. Podaci se snimaju magnetnim putem, u koncentričnim krugovima (cilindrima) na površini tvrdih okruglih ploča (diskova).

Unutrašnjost (glava i ploča) hard-diska
Razne generacije hard-diskova

Hard-diskovi su se pojavili na tehnološkoj sceni 1956. godine, kao izum preduzeća IBM, i nakon svog izlaska na tržište postali su dominantna tehnologija za sekundarno skladištenje podataka u tipičnim računarskim sistemima tokom 1960-ih. Danas se hard-diskovi koriste u mnogim računarskim sistemima. Nedavne inovacije su tehnologije poput hard-diskova bez pokretnih delova koje koriste fleš memoriju i NAND tehnologije, polako počinju da potiskuju magnetske diskove s pojedinih sistema kao što su prenosnici. Hard-diskovi zbog neprekidnog razvoja i usvajanja novih tehnoloških rešenja još su najprivlačniji kao tehnologija za sekundarno skladištenje podataka što se tiče odnosa sledećih svojstava: nosivosti, brzine prenosa podataka i cene.

Tehnička svojstva uredi

Hard-diskovi sastoje se od jednog ili više kružnih ploča zatvorenih u hermetičkom kućištu. Ove kružne ploče vrte se oko jedne središnje ose uz pomoću elektromotora. Ploče su obično napravljene od legure nekog metala (gvožđa, aluminijuma ili neke druge kombinacije), dok su kod nekih hard-diskova ploče izrađene od stakla. U procesu izrade ploče se obično presvlače tankim slojem neke feromagnetske materije. Čitanje i zapisivanje podataka vrši se uz pomoć posebne magnetske glave koja lebdi neposredno iznad magnetskog sloja. Kod hard-diskova s više ploča, magnetske glave su na svakoj ploči i nekada s obe strane ploče. Magnetske glave postavljaju se na posebne nosače koji je upravljan s posebnim mehanizmom i upravljačkom jedinicom. Podaci koji se zapisuju odnosno čitaju preko magnetskih glava koriste razne kodne i modulacijske sisteme (FM, MFM, MMFM). Prednost hard-diskova je da se podaci mogu čitati:

  • u sledu, jedan za drugim, ili
  • van reda s bilo koje tačke koju magnetska glava može doseći.

Ova osobnost pristupa van reda, dovela je do revolucije u obradi podataka na računarskim sistemima, jer više nije bilo potrebno čitati magnetske trake od početka do mesta gde se nalaze podaci, ili čitati bušene kartice koje su zauzimale mnogo prostora i na koje nije bilo moguće spremiti mnogo podataka. Ova inovacija omogućila je razvoj novih operacionih sistema, kao i razvoj novih aplikacijskih programa u kojima se podaci mogu obraditi u stvarnom vremenu.

Nosivost uredi

Nosivost hard-diskova uslovljena je različitim faktorima, i menjala se tokom razvoja tehnologije od svoje pojave na tržištu 1956. godine. Na primer prilikom razvoja prvog hard-diska IBM-ovi inžinjeri mogli su da razviju hard-disk većeg kapaciteta, međutim prodajni stručnjaci bili su uvereni da tržište nije sposobno da primi disk s većim kapacitetom. Nosivost nekog hard-diska određena je sledećim:

  • kvalitetom magnetske materije kojim su presvučene magnetske ploče i gustinom magnetske materije
  • veličinom magnetske glave koja određuje širinu trake
  • tehnologijom zapisivanja (FM, MFM, MMFM)[1]

S poboljšavanjem tehnologije tokom vremena nosivost hard-diskova se povećavala u skladu sa Murovim zakonom koji je prikazan na dijagramu. Od pojave hard-diska 1956. godine koji je tada imao nosivost od 5 MB, nosivost diskova brzo je rasla, mada je trebalo da prođe 51 godina (2007) da nosivost hard-diskova dostigne 1 TB (Tera bajt). Za skok od 1 TB do 2 TB je bila potrebna samo jedna godina.[2]

 
Kretanje rasta nosivosti podataka od 1956. godine do 2009. i poređenje prema Murovom zakonu rasta. Y-osa je nosivost u GB/kvadratnom colu, dok je X-osa godina. Murov zakon je prikazan u magenti

Vreme pristupa podacima uredi

Hard-disk je elektronsko-električno-mehanički uređaj koji ima određena svojstva koja utiču na pristup, odnosno na skladištenje podataka. Brzina rotacije ploča presvučenih magnetskim materijama, brzina pomicanja čitačko/pisaće magnetske glave s trake na traku, prenos podataka s magnetske glave s i na magnetsku materiju, te prenos podataka prema i od računara su samo deo svojstava koja utiču na vreme pristupa podacima na nekom hard-disku. Tri osnovne karakteristike koje utiču na prenos podataka jesu:

  • latentnost
  • vreme traženja
  • brzina prenosa podataka

Mnogi dizajneri i proizvođači imaju svoja specifična tehnološka rešenja za navedene karakteristike, mada je mnogo puta kraće vreme pristupa podacima ograničeno standardima za međuspoj hard-diskova s računarskim sistemom, te fizičkih svojstava kao brzina rotacije hard-diska.

Latentnost uredi

Kod hard-diskova, latentnost je vreme koje je potrebno da se neki deo koji nosi podatke na disku ponovno pojavi ispod glave za čitanje i pisanje. Latentnost nekog hard-diska direktno je povezana s brzinom elektromotora koji pokreće rotaciju pločica s magnetskim premazom. Ovo kašnjenje funkcija je brzine okretanja ploče i s bržim obrtajem ploča, latentnost se smanjuje. Isto tako latentnost na hard-disku uslovljena je geometrijom traka koje se nalaze na hard-diskovima. Zbog raznog broja traka na magnetskoj ploči latentnost na trakama bliže osi okretanja biće manja, dok latentnost prema obodima magnetske ploče biće veća. Zato se u literaturi obično koristi prosečna latentnost, jer su magnetske ploče relativno male u radijusu u odnosu prema brzini okretanja. Sledeća tabela sadrži prosečno vreme latentnosti za pojedine popularne brzine okretaja koje se koristi ili su se koristile za hard-diskove:

Brzina obrtanja
[rpm] 		Prosečna latentnost
[ms]
15.000 2
10.000 3
7.200 4.16
5.400 5.55
4.800 6.25

Vreme traženja uredi

Vreme traženja je vreme potrebno da se dođe do nekog željenog bloka na hard-disku, tj. od trenutka kada se upit poslao prema hard-disku i vreme koje je potrebno hard-disku da dođe do željene minimalne čestice podataka koja se može zapisati ili pročitati s hard-diska. Na vreme traženja utiču sledeći faktori

  • brzina rotacije diska,
  • vreme da se magnetska glava pomeri s trake na traku,
  • vreme da se magnetska glava pomeri na traženi blok,
  • način kojim se zapisuju blokovi, i
  • način na koji se šalje sled poslova čitanja i zapisivanja podataka
 
Fizička organizacija ploče tipičnog hard-diska:
A-traka
B-sektor
C-sektor između traka
D-klaster.

Na vreme traženja u znatnoj meri utiče i mesto gde se magnetska glava nalazi kada se ne čitaju ili pišu podaci, ili način na koji se šalju poslovi da se čitaju ili pišu podaci. Na primer, ako hard-disk miruje i ne postoje poslovi preko kojih se zapisuju ili čitaju podaci put magnetske glave sigurno će biti smanjen ako recimo magnetska glava lebdi na središnjoj traci umesto da stoji na obodu ploče ili blizu središnje ploče. Isto tako prilikom mnogostrukih čitanja ili pisanja, izvršavanje poslova (čitanja i pisanja) prema redosledu na koji se ti poslovi pojavljuju nekada nije najbolje rešen. Mnogi dizajneri hard-diskova kao i operativnih sistema izmislili su algoritme u kojima pokušavaju da smanje naglo pomicanje magnetskih glava od oboda do sredine u cilju da se smanji vreme traženja na hard-diskovima.

Princip rada uredi

 
Unutrašnjost hard-diska nakon uklanjanja magnetskih ploča. Levo gore je pogon magnetske glave za čitanje i pisanje. U sredini desno se mogu videti navoji statora elektromotora koji okreće magnetske ploče.

Magnetski disk svoje delovanje temelji na fizičkim osnovama magnetskog polja i svojstvima feromagnetskih materijala. Pri upisu podataka na njega koriste se svojstva tzv. tvrdih feromagnetskih materija da nakon što su magnetizovane spoljašnjim poljem, ostanu magnetizovane i nakon što se spoljašnje magnetsko polje ukloni.

 
Hard-disk rastavljen u sastavne delove

Hard-disk se sastoji od nekoliko ploča, obično od nemagnetskih materijala, najčešće aluminijuma ili stakla. Te ploče su premazane sa tankim slojem feromagnetskog materijala debljine 10 do 20 nm (kao poređenje, debljina običnog kopiranog papira je između 0,07 mm i 0,18 mm - 70.000-180.000 nm).[3] Na taj magnetski materijal se obično još stavi premaz ugljenika kao zaštitni sloj. Za magnetski materijal se danas obično biraju legure kobalta, dok su ranije bili korišćeni oksidi gvožđa, hroma, ili slično. Disk se okreće oko svog središta brzinom od 3.000 obrtaja/min do 10.000 obrtaja/min, dok se tik iza njega nalazi glava za čitanje i pisanje (engl. read-and-write head), pričvršćena na ručku koja može da premesti glavu bliže ili dalje u odnosu na središte diska. Na današnjim, modernim diskovima, udaljenost te glave od površine ploče se meri u nanometrima.

 
Izgled magnetskog zapisa na disku hard-diska od 200 MB (slika je napravljena pomoću uređaja CMOS-MagView[4]

Skladištenje i čitanje podataka uredi

Podaci se na disk upisuju uz pomoć male spirale koja je sastavni deo glave. Spirala u biranim trenucima propušta električnu struju izabranog smera (princip binarnih brojeva, 0 ili 1). Magnetska glava sastoji se od spirale koja je namotana na tvrdo feritno jezgro. Glava je učvršćena na ručicu koju po disku pomera pokretač. Uz pomoć njega, glava može da se pomera nad celim poluprečnikom diska. Magnetska površina ploče u disku je podeljena na puno malih magnetskih područja veličine mikrometra, a svaka od tih površina se koristi za čuvanje (kodiranje) jednog bita informacije. Do 2005. ta podela magnetske površine je bila samo horizontalna, ali od tada do danas ta podela je i vertikalna, čime su dobijeni hard-diskovi većeg kapaciteta (do 2 TB). Zbog prirodne kristalne strukture magnetskih materijala, te regije na disku se sastoje od nekoliko stotina magnetskih čestica (jedna magnetska čestica je veličine 10 nm). Proticanjem struje kroz spiralu stvara se magnetsko polje koje se zbog blizine glave proteže i kroz magnetski materijal na površini diska. Kako se disk brzo okreće ispod glave, sav materijal koji prođe ispod glave se magnetizuje u smeru određenom smerom proticanja električne struje. Uključivanjem struje u kratkotrajnim binarnim trenucima, postiže se na površini diska niz različito magnetizovanih područja jedno iza drugog, čime je na disk zapisan niz podataka, tj. bitova. Podaci se na disku nalaze kao niz magnetskih čestica na magnetskom sloju diska koje su smeštene u koncentrične krugove.

Čitanje se na početku radilo koristeći činjenicu da kada niz različito magnetizovanih područja brzo prođe ispod spirale magnetske glave, u spirali se indukuje električni napon kod svake promene polja. Indukovani napon i tako dobijena struja imaju svoju jačinu, koja zavisi od jačine magnetskog polja, njegovog smera, brzine promene magnetskog polja ispred glave i udaljenosti glave od diska. Zbog razlike u indukovanom naponu na spirali u određenom trenutku dobija se naponski signal. Iz tog naponskog signala se može zaključiti kakav je raspored magnetizovanih područja prošao ispod nje i time se niz bitova pročitao. No, danas se koriste druge magnetske pojave, recimo osobine da prisutnost magnetskog polja menja električnu otpornost nekog materijala. Kod takvih diskova, glava je magnetootporna. Prilikom prolaska čitajuće glave preko magnetizovane površine diska, čitajuća glava menja svoj električni otpor zbog promene jačine i smera magnetskog polja.

 
Mnogostruke magnetske glave za zapisivanje i čitanje podataka učvršćena na ručicu

U današnjim hard-diskovima glave za čitanje i pisanje su odvojene, za razliku od starih diskova na kojima se sve obavljalo uz pomoć jedne glave. Čitajuća glava je magnetootporna, dok je pišuća glava tankoslojna i induktivna.

Dobra svojstva magnetskog diska jesu veliki kapacitet, postojanost podataka i brzi pristup podacima. Negativna svojstva jesu: osetljivost na prljavštinu i elektromagnetska polja, kao i ograničenje maksimalne gustine podataka. Magnetski disk je posebno osetljiv na elektromagnetska polja i pri rukovanju treba imati to na umu.

Istorija uredi

Prve hard-diskove je napravio IBM 1955. godine[5] (IBM 350 Disk File za svoj računar IBM 305), a izumeo ih je Rejnold Džonson. Ukupni kapacitet im je bio 5 miliona 6-bitnih karaktera (3.75 megabajta). Imali su 50 diskova prečnika 61 cm sa 100 površina za snimanje. Svaka površina je imala po 100 traka. Imali su jednu jedinu glavu (umesto jednu po površini) pa je vreme pristupa bilo veoma dugo.

Nešto kasnije su proizvedeni i uređaji sa promenljivim paketima hard-diskova, ali je zbog nedovoljne preciznosti u pozicioniranju glava ovaj sistem značajno ograničavao kapacitet, te je ubrzo i napušten.

Godine 1973. IBM je proizveo prvi potpuno zatvoreni sistem (3340 "Winchester").[6] Ovo ime („vinčester“) je ostalo u čestoj upotrebi do pred kraj 20. veka, a još uvek se koristi u nekim jezicima (npr. u ruskom i ukrajinskom).

Istorijat od 1980. godine do danas uredi

 
Poređenje između fizičke veličine i zapremine hard-diskova u formatu 5,25 cola (110 MB) и 2,5 cola (6.495 MB)
  • 1980. — prvi disk od 1 GB, IBM 3380, veličine frižidera, težak oko 250 kilograma, i cene oko 40.000 dolara.
  • 1986. — standardizacija SCSI interfejsa
  • 1998. — standardizacija UltraDMA/33 i ATAPI pristupa
  • 2002. — adresiranje preko 137 GB prostora na disku
  • 2003. — uvođenje SATA standarda
  • 2005. — prvi 500 GB hard-disk (Hitači)
  • 2005. — standardizacija Serial ATA 3G
  • 2005. — uvođenje SAS standarda (Serial Attached SCSI)
  • 2005. — Toshiba uvodi vertikalno zapisivanje
  • 2006. — prvi disk od 750 GB (Seagate)
  • 2007. — prvi disk od 1.024 GB (1 TB - terabajt) Hitachi[7]
  • 2008. — prvi disk od 1,5 TB (Seagate)
  • 2009. — prvi disk od 2 TB (Western Digital)
  • 2010. — prvi disk od 3 TB (Seagate)

Budućnost hard-diskova uredi

Nosivost mnogih današnjih hard-diskova približava se 1 TB po kvadratnom colu[8], a razvojem raznih tehnologija za magnetske glave, te novih tehnologija za zapisivanje podatka, te ispunjavanje unutrašnjosti s inertnim gasovima i još nekim drugim inovacijama omogućene su gustine zapisivanja i do 4 TB po kvadratnom colu magnetskog medija.

Logička struktura uredi

Hard-disk je podeljen na logičke delove: Master boot record, ostatak traga 0 (Remain of track 0), Boot Record (sadrži informacije i datoteke potrebne za podizanje operativnog sistema), FAT1 i FAT2 (sadrže tablice datoteka i njihovu lokaciju unutar particije), Boot directory (beleži strukturu direktorijuma na particiji), i najvećim delom DATA, u kom su sačuvani podaci.

Organizacija podataka uredi

  •  
    Podaci se snimaju na jednu ili obe površine svake ploče (diska), u koncentričnim krugovima. Jedan takav krug (na jednoj površini) se naziva staza, trag ili traka.
  •  
    Skup svih staza jednake udaljenosti od centra rotacije (pa tim i prečnika) se naziva „cilindar“.
  •  
    Podaci nisu kontinualni već je svaka staza ugaono podeljena u više blokova koji se nazivaju „sektorima“. Uobičajena dužina sektora je 512 bajtova, ne računajući dodatne podatke za pozicioniranje i kontrolu i korekciju grešaka.
  •  
    Radi relativnog održanja gustine podataka preko cele površine diskova, spoljni cilindri mogu imati više sektora nego unutrašnji. Skup susednih cilindara sa jednakim brojem sektora se naziva „zona“.

Vrste hard-diskova uredi

Postoje eksterni (spoljni) i interni (unutrašnji) hard-diskovi. Eksterni su velikog kapaciteta (i do nekoliko terabajta), ali zato mogu biti veliki kao kućište računara. Interni hard-diskovi znatno su manjih dimenzija, ali zato raspolažu i manjim kapacitetima. Postoje magnetski interni hard-diskovi (najčešći 99,99% korisnika) i fleš (engl. Flash) interni hard-diskovi, koji se odlikuju velikom brzinom upisa/ispisa podataka, ali su znatno skuplji. Fleš memorija se prvenstveno koristi za male kapacitete i koristi se za memorijske kartice.[9]

Povezivanje hard-diska sa računarom uredi

Postoji jako mnogo načina povezivanja hard-diska i računara (tačnije matične ploče), a najčešći su: ATA (ATA33, ATA100, ATA133), UDMA, PIO, IDE, S-ATA, S-ATA2, S-ATA3. Trenutno najbrži od pomenutih je S-ATA3 koji se odlikuje jako velikom brzinom prenosa podataka. Standard povezivanja za eksterne hard-diskove je E-SATA.[10]

Standardne veličine hard-diskova uredi

Bivši i sadašnji obrasci za hard-diskove
Obrazac Stanje Dužina [mm] Širina [mm] Visina [mm] Zapremina Broj ploča (maks) Zapremina
Po ploči [GB]
3.5-cola Sadašnji 146 101.6 19 ili 25.4 8 TB[11] (2014) 5 ili 7[12]
2.5-cola Sadašnji 100 69.85 5,[13] 7, 9.5, 12.5, 15, ili 19[14] 2 TB[15] 4 667[16]
1.8-cola Sadašnji 78.5 54 5 ili 8 320 GB[17] (2009) 2 220 
8-cola Ne koristi se 362 241.3 117.5
5.25-cola FH Ne koristi se 203 146 82.6 47 GB[18] (1998) 14 3.36
5.25-cola HH Ne koristi se 203 146 41.4 19.3 GB[19] (1998) 4 4.83
1.3-cola Ne koristi se 43 40 GB[20] (2007) 1 40
1-cola (CFII/ZIF/IDE-Flex) Ne koristi se 42 20 GB (2006) 1 20
0.85-cola Ne koristi se 32 24 5 8 GB[21][22] (2004) 1 8

Međusklopovi uredi

ST-412/506 uredi

Ime ST506 ima istorijsko značenje, naime firma Seagate je 1980. godine uvela taj međusklop sa svojim hard-diskovima od 5 megabajta, i precizno je definisala sučelje prema kontroleru. Godinu dana kasnije pojavio se novi model, ST412 i diskovi od 10 megabajta. IBM je prihvatio ideju, i to sučelje danas znano pod imenom ST412/506.

Zbog ograničene brzine prenosa podataka (za MFM 5 megabita/s, za RLL 7,5 megabita/s), postoji mogućnosti priključivanja samo dva diska u jednom računaru, te je sučelje uskoro napušteno.

ESDI uredi

ESDI je sučelje firme Maxtor nastalo 1983. godine, koje omogućava maksimalnu brzinu od 24 megabita u sekundi. Takođe, na taj način je bilo moguće spojiti sedam diskova u jednom računaru, ali sučelje baš i nije zaživjelo.

ATA uredi

  • IDE - skraćenica za intelligent drive electronics, doneo je nova povećanja brzina prenosa, ali za samo dva diska u računaru.
  • EIDE - enhanced ili poboljšani IDE, 4 diska + povećane brzine prenosa podataka
  • PATA - paralelni ATA
  • SATA - serijski ATA
 
Pogled na unutrašnjost hard-diska firme Seagate ST33232A iz 1998. godine, koji koristi paralelni ATA međusklop PATA

SCSI uredi

  • SCSI (small computer systems interface) donosi od početka 7 diskova u računaru, kasnije novim standardima (SCSI II, Fast SCSI i Wide SCSI) i 15 SCSI jedinica u računaru
  • SCSI II
  • Fast SCSI
  • Wide SCSI

SCSI nije sučelje ograničeno samo na hard-diskove/optičke pogone kao ST412/506, ESDI i IDE/EIDE, već je na SCSI takođe moguće priključiti i spoljašnje jedinice poput preslikača (skenera).

Nobelova nagrada uredi

Albert Fert i Peter Grinberg dobili su Nobelovu nagradu za fiziku 2007. godine za svoje otkriće divovskog magnetootpora (GMR) - zasebno su došli do tog otkrića 1988. godine. Ova se tehnologija danas koristi u svim hard-diskovima.

Vidi još uredi

Reference uredi

  1. ^ „Storage Devices & Interfacing” (PDF). Arhivirano iz originala (PDF) 11. 08. 2017. g. Pristupljeno 11. 08. 2017. 
  2. ^ „Amazing facts and figures about the evolution of hard disk drives”. Arhivirano iz originala 02. 06. 2017. g. Pristupljeno 11. 08. 2017. 
  3. ^ „Thickness of a Piece of Paper”. Arhivirano iz originala 08. 06. 2017. g. Pristupljeno 15. 10. 2013. 
  4. ^ CMOS-MagView instrument za vizualizaciju magnetskih zapisa
  5. ^ „IBM 350 disk storage unit”. Pristupljeno 15. 10. 2013. 
  6. ^ „IBM Archives: IBM 3340 direct access storage facility”. 03.ibm.com. Pristupljeno 20. 07. 2011. 
  7. ^ „Hitachi Introduces 1-Terabyte Hard Drive”. Arhivirano iz originala 14. 09. 2013. g. Pristupljeno 15. 10. 2013. 
  8. ^ Bruno Marchon, Thomas Pitchford, Yiao-Tee Hsia, i Sunita Gangopadhyay2The Head-Disk Interface Roadmap to an Areal Density of Tbit/in2, Advances in Tribology Volume 2013 (2013), Article ID 521086, 8 pages, http://www.hindawi.com/journals/at/2013/521086/ pristupljeno: 2. 6. 2015.
  9. ^ „external hard drive”. Pristupljeno 15. 10. 2013. 
  10. ^ „How to Add a Hard Drive to Your Computer in 8 Steps”. Pristupljeno 15. 10. 2013. 
  11. ^ 8TB HDD Now Shipping ...
  12. ^ Ultrastar He6: 6TB 3.5-inch Helium Platform
  13. ^ Western Digital builds 5mm-thick hybrid hard drive, Ultrabook makers sign on early
  14. ^ „Quantum Go*Drive specifications”. Arhivirano iz originala 22. 10. 2017. g. Pristupljeno 11. 08. 2017. 
  15. ^ „Western Digital WD20NPVX Specifications”. Arhivirano iz originala 21. 06. 2013. g. Pristupljeno 11. 08. 2017. 
  16. ^ Samsung M9T Mobile SATA Drive Datasheet
  17. ^ Toshiba Introduces Industry's Largest-Capacity[1], 320GB 1.8-inch HDD
  18. ^ Seagate Elite 47, shipped 12/97 per 1998 Disk/Trend Report – Rigid Disk Drives
  19. ^ Quantum Bigfoot TS, shipped 10/98 per 1999 Disk/Trend Report – Rigid Disk Drives
  20. ^ SDK Starts Shipments of 1.3-Inch PMR-Technology-Based HD Media[mrtva veza]
  21. ^ Proving that 8 GB, 0.85 inch hard disk drive exists
  22. ^ Toshiba Enters Guinness World Records Book with the World's Smallest Hard Disk Drive

Literatura uredi

Spoljašnje veze uredi

 
Hard-disk na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Хард-диск&oldid=27550394”