Tvrdi disk

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Razne generacije tvrdih diskova

Tvrdi disk (engl. Hard Disk, prevodi se i kao kruti disk ili čvrsti disk) sekundarna je jedinica za pohranu podataka u računalima. Tvrdi diskovi su se pojavili na tehnološkoj sceni 1956. godine, kao izum američke tvrtke IBM, i nakon svog izlaska na tržište postala je dominantna tehnologija za sekundarno spremanje podataka u tipičnim računalnim sistemima tokom 1960-tih. Danas (2015.) tvrdi diskovi se rabe u računalnim sistemima, a nedavne inovacije u tehnologijama kao solidni diskovi koji rabe tehnologije flash memorija i NAND tehnologije, polako postiskuju magnetske diskove s pojedinih sistema, no trenutno (2015.) tvrdi diskovi zbog neprekidnog razvoja novih tehnoloških riješenja još su najprivlačniji što se tiče odnosa svojstava: brzine pristupa, nosivosti i cijene.

Tehnička svojstva[uredi VE | uredi]

Tvrdi diskovi sastoje se od kružnih ploča u hermetičkom kućištu koje se vrte oko jedne osi pomoću elektromotora. Ploče su metalne ili staklene, presvučene tankim slojem feromagnetske tvari, a magnetske glave koje lebde tik iznad magnetskog sloja zapisuju odnosno čitaju podatke. Prednost tvrtkih diskova jest ta, da se podatci mogu čitati u slijedu ili van reda s bilo koje točke gdje magnetska glava može dostići. Ova osobnost pristupa van reda, dovela je do revolucije u obradi podatataka na računalnim sistemima, jer više nije bilo potrebno čitati magnetske trake od početka do mjesta gdje se nalaze podatci, ili čitati bušene kartice koje su zauzimale mnogo prostora i nisu mogle sadržati. mnogo podataka. Ova inovacija omogućila je razvoj novih operacijskih sustava, a podatci su se mogli obraditi u stvarnom vremenu.

Nosivost[uredi VE | uredi]

Kretanje rasta nosivosti podataka od 1956. godine do 2009. i usporedba prema Mooreovom zakonu rasta. Y-os je nosivost u GB/kvadradnom colu, dok je X-os godina. Mooreov zakon je prikazan u mangenti


Vrijeme pristupa podatcima[uredi VE | uredi]

Latentnost[uredi VE | uredi]

Vrijeme traženja[uredi VE | uredi]

Brzina prijenosa podataka[uredi VE | uredi]

Postojanost i kvarovi[uredi VE | uredi]

Princip rada[uredi VE | uredi]

Magnetski disk svoje djelovanje temelji na fizičkim osnovama magnetskog polja i svojstvima feromagnetskih materijala. Pri upisu podataka na njega koriste se svojstva takozvanih tvrdih feromagnetskih tvari da nakon što su magnetizirane vanjskim poljem, ostanu magnetizirane i nakon što se vanjsko magnetsko polje ukloni.

Tvrdi disk se sastoji od nekoliko ploča obično od nemagnetskih materijala, najčešće legure aluminija ili stakla. Te ploče su premazane sa tankim slojem feromagnetskog materijala debljine 10 do 20 nm (za usporedbu, debljina običnog kopirnog papira je između 0,07 mm i 0,18 mm - 70.000-180.000 nm).[1] Na taj magnetski materijal se obično još stavi premaz ugljika kao zaštitni sloj. Za magnetski materijal se danas obično biraju legure kobalta, dok su ranije bili korišteni oksidi željeza, kroma, ili slično.

Unutrašnjost tvrdog diska nakon uklanjanja magnetskih ploča. Lijevo gore je pogon magnetske glave za čitanje i pisanje. U sredini desno se mogu vidjeti navoji statora elektromotora koji okreće magnetske ploče.

Disk se okreće oko svojeg središta brzinom od 3000 okr/min do 10.000 okr/min, dok se tik iznad njega nalazi glava za čitanje i pisanje (engl. read-and-write head), pričvršćena na ručku koja može glavu premjestiti bliže ili dalje središtu diska. Na današnjim, modernim diskovima, udaljenost te glave od površine ploče se mjeri u nanometrima.

Tvrdi disk rastavljen u sastavne dijelove


Pohranjivanje i čitanje podataka[uredi VE | uredi]

Podaci se na disk upisuju uz pomoć male zavojnice koja je sastavni dio glave. Zavojnica u biranim trenucima propušta električnu stuju izabranog smjera (princip binarnog sustava, 0 ili 1). Magnetska glava sastoji se od zavojnice koja je namotana na tvrdu feritnu jezgru. Glava je učvrščena na ručicu koju po disku pomiće aktuator. Uz pomoć njega glava se može pomicati iznad cijelog polumjeru diska. Magnetska površina ploče u disku je podjeljena u puno malih magnetskih područja veličine mikrometra, a svaka od tih površina se rabi za pohranu (kodiranje) jednog bita informacije. Do 2005. ta podjela magnetske površine je bila samo horizontalna, ali od tada pa do danas ta podjela je i vertikalna čime su se dobili tvrdi diskovi većeg kapaciteta (do 2 TB). Zbog prirodne kristalne strukture magnetskih materijala, te regije na disku se sastoje do nekoliko stotina magnetskih čestica (jedna magnetska čestica je veličine 10 nm).

Protjecanjem struje kroz zavojnicu stvora 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 magnetizira u smjeru određenom smjerom protjecanja električne struje. Uključivanjem struje u kratkotrajnim biranim trenucima, postiže se na površini diska niz različito magnetiziranih područja jedno iza drugog, čime je na disk zapisan niz podataka tj. bitova. Podaci su na disku nalaze kao niz magnetskih čestica na magnetskom sloju diska koje su smještene u koncentrične krugove.

Čitanje se ispočetka radilo koristeći činjenicu da kada niz različito magnetiziranih područja brzo prođe ispod zavojnice magnetske glave, u zavojnici se inducirao električni napon kod svake promjene polja. Inducirani napon i tako dobivena struja ima svoju jakost koja ovisi o jakosti magnetskog polja, njegovom smjeru, brzini promjene magnetskog polja ispred glave i udaljenosti glave od diska. Zbog razlike u induciranom naponu na zavojnici u određenom trenutku dobiva se naponski signal. Iz tog naponskog signala se stoga može zaključiti kakav je raspored magnetiziranih područja prošao ispod nje i time se niz bitova pročitao. No danas se koriste druge magnetske pojave, recimo osobine da prisutnost magnetskog polja mijenja električnu otpornost nekih materijala. Kod takvih diskova, glava je magnetnootporna. Prilikom prolaska čitače glave preko magnetizirane površine diska, čitača glava mjenja svoj električni otpor zbog promjene jačine i smjera magnetskog polja (tehnologija gigantskog magnetootpora (GMR)).[2]

Mnogostruke magnetske glave za zapisivanje i čitanje podataka učvršćena na ručicu

U današnjim (2015.) tvrdnim diskovima glave za čitanje i pisanje su odvojene, za razliku od starih diskova na kojima se sve obavljalo uz pomoć jedne glave. Čitača glava je magnetnootporna, dok je pisača glava tankoslojna induktivna.

Izgled magnetskog zapisa na disku tvrdog diska zapremine 200MB (slika je napravljena pomoću uređaja CMOS-MagView[3]

Fizička organizacija podataka[uredi VE | uredi]

Fizička organizcija ploče tipičnog tvrdog diska: A-traka
B-Sektor
C-Sektor između traka
D-Grozd (eng. cluster)

Ploča

Sektor

Traka

Blok

Grozd

Radne značajke[uredi VE | uredi]

Ostale značajke[uredi VE | uredi]

Dobra i negativna svojstva magnetskog diska[uredi VE | uredi]

Dobra svojstva magnetskog diska jesu:

  • veliki kapacitet
  • postojanost podataka
  • brzi pristup podacima.

Negativna svojstva jesu:

  • osjetljivost na prljavštinu i elektromagnetska polja
  • ograničenje maksimalne gustoće podataka.

Magnetski disk je posebno osjetljiv na elektromagnetska polja i pri rukovanju treba to imati na umu.

Logička struktura[uredi VE | uredi]

Postoje razne logičke strukture koje se rabe za spremanje podataka na tvrdim diskovima. Primjerice logička struktura FAT dijeli tvrdi disk na sljedeće dijelove:

  • Master boot record (MBR) veličine 512 bajtova, inače prvi sektor na disku na fizičkoj lokaciji: cilindar=0, glava=0, sektor=1. Ova pozicija na disku sadrži: Master Partition Table (glavnu tablicu podijela na disku) GTP i Master Boot Code (glavni kod za pokretanje) GKP. GTP je također poznat kao fdisk tablica. Zbog ograničene veličine MBR-a od 512 bajtova, moguće je napraviti samo četiri podjele.[4]
  • Boot Record (datoteka za pokretanje) (sadrži informacije i datoteke potrebne za podizanje/pokretanje operativnog sustava),
  • FAT1 i FAT2 (sadrže tablice datoteka te njihovu lokaciju unutar podijele),
  • Boot directory (bilježi strukturu direktorija na podijele)
  • te najveći dio DATA u kojem su pohranjeni podatci.


Boot (pokretni) sektor Rezervirano
sektori (izborno)
FAT #1 FAT #2 Korijenski direktorij
(rabi se samo za FAT12/16)
Podatkovna oblast
(ostatak diska)

Povijest razvoja tvrdih diskova[uredi VE | uredi]

Prvi tvrdi disk razvila je tvrtka IBM 1956. za računalo IBM 305 pod imenom IBM 350 Disk File. Ovaj prvi tvrdi disk sastojao se od pedeset 24 inčnih magnetskih ploča i imao je zapreminu od 5 milijuna 7-bitnih znakova (~4,4 megabajta). Za 350 Disk File, IBM je naplaćivao godišnju najamninu od USD $35.000. Prvi tvrdi disk mogao je imati i veću zapreminu, jer tehnološka riješenja su to omogućavala no veća nosivost bila je odbijena od rukovodstva tvrke IBM jer navodno prodajni odjel nije vjerovao da bi mogli prodati tvrdi disk veće zapremine, jer navodno tržište nije bilo pripremno za veću jedinicu[5] . Dne 1962. , tvrtka IBM je na tržište iznjela novi model tvrdog diska 1311, koji je ima fizičke dimenzije stroja za pranje rublja, dok su se podatci pohranjivali na zamjenjivim diskovnim svežnjevima zapremine od 2 milijuna 7-bitnih znakova. Zamjena diskovnih svežnjeva omogućavalo korisnicima proširivanje spremišnih mogućnosti. Jedinice u kojima se nisu mogle promjeniti diskovni svežnjevi zvali su se učvršćeni tvrdi diskovi.

Mnoge inovacije su nastale tokom vremena, kao recimo jedna glava po traci za tvrde diskove koje su imale visoke zahtjeve sa pristup (npr. IBM 2305), no zbog skupće njihove izrade ove jedinice nisu bile dugo prisutne na tržištu.[6]

Povijest po godinama od 1980. do danas[uredi VE | uredi]

  • 1980. - prvi disk od 1 GB, IBM 3380, veličine hladnjaka, težak oko 250 kg, i cijene 40.000 USD.
  • 1986. - standardizacija SCSI sučelja
  • 1998. - standardizacija UltraDMA/33 i ATAPI pristupa
  • 2002. - adresiranje preko 137 GB diskovnog prostora
  • 2003. - uvođenje SATA standarda
  • 2005. - prvi 500 GB tvrdi disk (Hitachi)
  • 2005. - standardizacija Serial ATA 3G
  • 2005. - uvođenje SAS standarda (Serial Attached SCSI)
  • 2005. - Toshiba uvodi okomito zapisivanje
  • 2006. - prvi disk od 750 GB (Seagate)
  • 2007. - prvi disk od 1.000 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)
Usporedba između fizičke veličine i podatkovne zapremine tvrdih diskova u formatu 5,25 cola (110 MB) i 2,5 cola (6.495 MB)

Budućnost tvrdih diskova[uredi VE | uredi]

Zapremina mnogih današnih tvrdih diskova (2015.) približavaju 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 plinovima i još nekim drugim inovacijama omogućiti će gustoće zapisivanja i do 4 TB po kvadratnom colu magnetskog medija.

Standardne veličine tvrdih diskova[uredi VE | uredi]

Bivši i sadašnji obrasci za tvrde 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[9](2014.) 5 or 7[10]
2.5-cola Sadašnji 100 69.85 5,[11] 7, 9.5, 12.5, 15, ili 19[12] 2 TB[13] 4 667[14]
1.8-cola Sadašnji 78.5 54 5 ili 8 320 GB[15](2009.) 2 220 [16]
8-cola Ne rabi se 362 241.3 117.5
5.25-cola FH Ne rabi se 203 146 82.6 47 GB[17] (1998.) 14 3.36
5.25-cola HH Ne rabi se 203 146 41.4 19.3 GB[18] (1998.) 4 4.83
1.3-cola Ne rabi se 43 40 GB[19] (2007.) 1 40
1-cola (CFII/ZIF/IDE-Flex) Ne rabi se 42 20 GB (2006.) 1 20
0.85-cola Ne rabi se 32 24 5 8 GB[20][21] (2004.) 1 8


8 cola

5,25 cola

3,5 cola

2,5 cola

Pristup podacima ili adresiranje[uredi VE | uredi]

Razvoj metoda adresiranja bile su uvjetovanje vremenu i tehnlološkim riješenjima (sklopovlje i operacijski sustav). Od pojave tvrdih diskova na tržištu (1956.) razvijene su sljedeće tehnike za pristup podatcima:

  • CHS (cylinder, head, sector) - cilindar, glava, sector
  • ECHS (Extended cylinder, head, sector)- produženi cilindar, glava, sector
  • LBA (Logical Block Adressing) - pristup preko logičkih blokova
  • MZR (Multiple Zone Recording) - snimanje kroz mnogostruke zone
  • CKD Count Key Data - brojanje ključnih podataka
  • ECKD Enhanced CKD - prošireni CKD

Međusklopovi[uredi VE | uredi]

ST-412/506[uredi VE | uredi]

Ime ST506 ima povijesno značenje, naime tvrtka Seagate je 1980. godine uvela taj međusklop sa svojim tvrdim diskovima od 5 megabajta, i precizno je definirala sučelje prema kontroleru. Godinu dana kasnije došao je novi model, ST412 i diskovi od 10 megabajta. IBM je prihvatio ideju, i to sučelje danas znamo pod imenom ST412/506.

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

ESDI[uredi VE | uredi]

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

ATA[uredi VE | uredi]

  • IDE - kratica za intelligent drive electronics, donio je nova povećanja brzina prijenosa, ali samo dva diska u računalu.
  • EIDE - enhanced ili poboljšani IDE, 4 diska + povećane brzine prijenosa podataka
  • PATA - paralelni ATA
  • SATA - serijski ATA
Pogled na unutrašnjost tvrdog diska tvrtke Seagate ST33232A iz 1998. godine, koji rabi paralelni ATA međusklop PATA

SCSI[uredi VE | uredi]

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

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

Nobelova nagrada[uredi VE | uredi]

Albert Fert i Peter Grünberg dobili su Nobelovu nagradu za fiziku za svoje otkriće divovskog magnetootpora (GMR) - zasebno su došli do tog otkrića 1988. godine. Ta se tehnologija danas rabi u svim tvrdim diskovima.

Vrela[uredi VE | uredi]

  1. http://hypertextbook.com/facts/2001/JuliaSherlis.shtml
  2. http://www.hitachigst.com/hdd/technolo/gmr/gmr.htm
  3. http://www.magneticmeasurements.com/cmos-magview.html CMOS-MagView instrument za vizualizaciju magnetskih zapisa
  4. http://multiboot.solaris-x86.org/ii/4.html Master Boot Record (MBR), pristupljeno 2. lipnja, 2015.
  5. Lee Gomes, "Talking Tech" The Wall Street Journal, 22. kolovoza, 2006
  6. Computer Organization and Design, 2nd Ed., P. Pal Chaudhuri, 2006,p. 635
  7. Hitachi introduces 1-Terabyte Hard Drive
  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. lipnja 2015.
  9. http://www.hgst.com/press-room/press-releases/HGST-unveils-intelligent-dynamic-storage-solutions-to-transform-the-data-center 8TB HDD Now Shipping ...
  10. http://www.hgst.com/hard-drives/enterprise-hard-drives/enterprise-sas-drives/ultrastar-he6 Ultrastar He6: 6TB 3.5-inch Helium Platform
  11. http://www.engadget.com/2012/09/10/western-digital-builds-5mm-thick-hybrid-hard-drive/ Western Digital builds 5mm-thick hybrid hard drive, Ultrabook makers sign on early
  12. {http://www.4drives.com/DRIVESPECS/QUANTUM/3364.txt Quantum Go*Drive specifications
  13. http://www.wdc.com/en/products/products.aspx?id=830#Tab3 Western Digital WD20NPVX Specifications
  14. http://www.seagate.com/www-content/support-content/samsung/internal-products/spinpoint-m-series/en-us/samsung-m9t-internal-ds.pdf Samsung M9T Mobile SATA Drive Datasheet
  15. http://www.toshiba.co.jp/about/press/2009_11/pr0501.htm
  16. http://storage.toshiba.com/techdocs/MKxx39GSL_Data_Sheet.pdf
  17. Seagate Elite 47, shipped 12/97 per 1998 Disk/Trend Report – Rigid Disk Drives
  18. Quantum Bigfoot TS, shipped 10/98 per 1999 Disk/Trend Report – Rigid Disk Drives
  19. http://www.sdk.co.jp/aa/english/news/2008/aanw_08_0812.html, SDK Starts Shipments of 1.3-Inch PMR-Technology-Based HD Media
  20. http://digitaljournal.com/article/117340 Proving that 8 GB, 0.85 inch hard disk drive exists
  21. http://www.toshiba.co.jp/about/press/2004_03/pr1601.htm Toshiba Enters Guinness World Records Book with the World's Smallest Hard Disk Drive

Vanjske poveznice[uredi VE | uredi]

Commons-logo.svg U Wikimedijinu spremniku nalazi se još gradiva na temu: Tvrdi disk