Disc dur
Discul dur (sau fix; în engleză americană hard
disc; foarte des întâlnită este și scrierea originală engleză hard disk)
este un dispozitiv electronic-mecanic pentru stocarea sau memorarea nevolatilă
(permanentă) a datelor. Utilizatorul normal nu poate sau nu are voie să
despartă discul de circuitele de comandă corespunzătoare, vezi imaginea
alăturată; împreună ele formează așa-numita unitate fixă, unitate de
disc fix sau, prescurtat, HDD.
Stocarea datelor se face pe o suprafață
magnetică dispusă pe platane
rotunde metalice rigide (dure). În general discurile dure sunt utilizate ca
suport de stocare extern principal pentru servere și calculatoare personale,
dar și pentru anumite aparate electronice (playere și recordere DVD, playere MP3). Dacă la începuturi capacitatea unui disc dur nu depășea 20 megaocteți (MO) = 20 megabait (MB), astăzi (2009) un disc dur
obișnuit de 2 1/2 țoli poate depăși 1 teraoctet (TO) = 1
terabait (TB).
Începând din 2009 sistemul de operare Windows 7 al companiei Microsoft a pus la dispoziție și așa numite
discuri dure virtuale, în engleză "Virtual Hard Disk"
(VHD). Acestea se bazează pe fișiere reale (de pe un disc dur real) de
mărime arbitrară, dar de tip special, cu extensia
.vhd. Pentru a le accesa în Windows se folosește mai întâi programul utilitar
DiskPart, cu ajutorul căruia discul dur virtual trebuie "selectat" și
apoi "atașat" ("montat"). Abia după aceasta se poate
initializa și utiliza ca și când ar fi un disc dur real. Aceasta include și
posibilitatea de a instala și un alt sistem de operare pe același disc dur
(real), identic cu, sau chiar diferit de primul sistem de operare, sau chiar și
mai multe sisteme de operare, dacă se definesc VHD-uri multiple pe discul sau
discurile dure reale conectate.
Prin contrast, discurile așa-numite
"optice", ca de exemplu cele de tip CD, DVD și Blu-ray, folosesc pentru memorare procedee
optice (nemagnetice), care asigură capacități de ordinul a până la 50 GB
(gigabait) pe disc. Uneori însă se mai utilizează și dischete având un singur platan magnetic
flexibil, numite în engleză floppy disc; unitatea de scriere/citire
corespunzătoare se numește Floppy Disc Drive (FDD). O
astfel de dischetă stochează numai cel mult 2,88 MB.
Disc dur de tip Samsung HD753LJ, cu interfaţă
de tip SATA
O alternativă la folosirea discurilor
în mișcare pentru memorarea datelor au devenit memoriile pur electronice de tip
Solid-state drive (SSD), care neavând piese în mișcare sunt mult mai rapide, dar și
mai scumpe. Ele simulează caracteristicile discurilor dure, reacționând identic
la comenzi și utilizând uneori chiar aceleași interfețe, nemodificate (semnale
electrice, conectoare, cabluri, etc.). Una din formele de implementare sunt
cardurile de memorie de ex. de tip CF, MD, MMC, SD, SDHC, microSDHC, SM, USB stick și altele. Capacitatea de memorare enormă
(până la 64 GB pe bucată!) și gradul avansat de miniaturizare le fac foarte
promițătoare pentru aparatele moderne de tip smartphone (intelifon) ș.a. Prin comparație,
pentru întregul Windows 7 sunt suficienți doar circa 15 GB.
Constucție
Discul dur este format de obicei din:
- o placă electronică de control logic
(controlor),
- un număr de platane cu suprafață magnetizabilă (de obicei 2 sau 3), împărțite în piste și
sectoare,
- capete magnetice de citire/scriere (engl. read/write
heads, R/W heads), de o parte și de alta a platanelor, legate
printr-un braț metalic numit în general actuator
- un sistem electromecanic de frânare și
blocare a capetelor pe pista de stop (engl. landing zone), atunci
când discul e oprit
- un motor electric pas-cu-pas, care asigură
deplasarea exactă a actuatorului de la o pistă la alta.
Funcționare
Fiecare platan are două fețe; fețele
sunt divizate într-un număr de piste
circulare concentrice, fiecare pistă fiind la rândul ei divizată în sectoare.
Platanele sunt astfel aranjate încât pista 0 de la platanul 1 să fie situată
exact deasupra pistei 0 de la platanul 2 și 3. Pentru a accesa o pistă oarecare
pe unul din platane, brațul care susține capetele (numit actuator) va muta
capetele spre acea pistă. Deoarece această metodă necesită doar un singur
mecanism de poziționare, ea simplifică designul și coboară prețul. Totuși,
pentru a accesa o singură pistă trebuiesc mutate toate capetele. De exemplu,
pentru a citi date de pe pista 1 de pe platanul 1, apoi pista 50 pe platanul 3
si apoi iar pe pista 1 dar de pe al treilea platan, întregul braț cu capete
trebuie mutat de doua ori. (Eventual s-ar putea și numai cu o singură mișcare,
dacă pista 1 / platanul 1 și pista 1 / platanul 3 se citesc simultan, și abia
apoi se sare la pista 50.) Pentru a muta un braț trebuie un timp semnificativ,
mult mai mare decât timpul de transfer al datelor. Pentru a minimiza mutările
actuatorului trebuie împiedicată împrăștierea datelor pe mai multe piste. O
metodă de a optimiza timpul de acces este ca un grup de date care sunt accesate
secvențial să fie scrise toate pe o singura pistă. Dacă datele nu încap pe o
singură pistă, atunci se continuă scrierea pe un platan diferit, dar pe pista
cu aceeași poziție. Prin aceasta metodă brațul nu mai trebuie să-și schimbe
poziția, ci doar trebuie să fie selectat capul de citire/scriere potrivit.
Selectarea capetelor se face electronic și de aceea ea este mult mai rapidă
decât mișcarea fizică a brațului cu capete între piste. În total brațul nu mai
execută așa multe mișcări.
Pentru a descrie multiplele platane
suprapuse se mai folosește termenul de "cilindru". Un cilindru se
referă la toate pistele care au același număr de pistă, dar care sunt
localizate pe diferite platane.
Transferul
datelor la memorie
Modalitatea în care datele sunt
transferate în memorie determină viteza efectivă a combinației controlor + disc
dur. Sunt folosite patru metode:
- Programmed I/O - Cu aceasta metodă porturile
controlorului au grijă atât de comenzile drive-ului cât și de
transferul de date între controlor și memorie. Se folosesc comenzile IN și
OUT ale limbajului de asamblare. Aceasta înseamnă că fiecare octet (bait) este transferat prin intermediul
procesorului. La această metodă viteza datelor este limitată de cea a
magistralei PC-ului (bus) și de performanța procesorului.
- Memory Mapped I/O - Procesorul poate procesa datele
provenite de la un controlor de disc mult mai repede dacă acestea sunt
stocate într-o regiune fixă de memorie. Pentru acest scop este folosit în
general segmentul localizat deasupra memoriei video RAM. Datele sunt
transferate cu ajutorul instrucțiunii de transfer (mov, în cazul
arhitecturii x86). Este mai rapidă decât metoda precedentă.
- Direct Memory Access (DMA) - Folosind DMA,
un dispozitiv poate transfera datele direct în memorie, fără contribuția
procesorului. Pentru a folosi DMA, un program trebuie să îi precizeze
controlorului DMA mărimea în octeți (baiți) a pachetului de date ce
urmează a fi transferat dintr-o locație într-alta. Totuși, controlorul DMA
dintr-un PC este inflexibil și lent. Controloarele DMA operează la viteza
(tactul) de 4 MHz, în concluzie sunt extrem de lente.
- Busmaster DMA - Folosind această metodă, controlorul
discului dur deconectează procesorul de la bus și transferă el
însuși datele în memorie.
Capacități de stocare și viteze de acces
Folosirea unor discuri rigide sigilate
ȋntr-o singură unitate permite toleranțe mult mai bune decât într-o unitate de
dischetă. În consecință discurile dure pot stoca mult mai multe date decât
unitățile de dischetă și le pot accesa și transmite mai repede. În aprilie 2009
cea mai mare capacitate a HDD-urilor de consum era de 2 TB. Un exemplu tipic de
„HDD desktop", stochează ȋntre 120 GB și 2 TB. Discurile dure pot avea o
viteză de rotație cuprinsă ȋntre 5.400 și 10.000 rpm (rotații pe minut) și o
rată de transfer de 1 Gbit/s (109 MB/s) sau chiar și mai mare. Cele mai rapide
discuri dure, de tip „Enterprise”, au viteze de rotații de 10.000 sau
15.000 rpm, pot atinge viteze de transfer de peste 1,6 Gbit/s și o viteză medie
de transfer de până la 125 Mbytes/secundă (MB/s). HDD-urile mobile, pentru laptop,
notebook și netbook, care sunt fizic mai mici decât HDD-urile de desktop,
tind să fie mai lente și au o capacitate de stocare mai mică. Discurile mobile
au de obicei viteze de rotații de 5.400 rpm, dar sunt și modele cu viteze de
7.200 rpm.
Forme și dimensiuni ale discurilor dure
Odată cu creșterea vânzărilor de
calculatoare mici și a evoluției lor a devenit necesară contruirea de HDD-uri
care să poată fi montate până și ȋn micile locașuri de floppy disk.
Acest lucru a dus la evoluția pieței spre anumite forme ale HDD-urilor, inițial
derivate din dimensiunile 8, 5,25 și 3,5 " de la unitățile de dischetă.
Interfețe și controloare
ESDI
Controlorul ESDI
(prescurtare de la Enhanced Small Disk Interface) a fost dezvoltat după
controlorul ST506, și a fost unul din primele controloare de discuri dure pe
calculatoare x86. Acest tip de controlor a fost folosit
în modelele IBM PS/2. Pentru că separatorul de date și controlorul lucrează în paralel, rata de
transfer este aproximativ 10 megaocteți/s la modelele inițiale, și 15 - 20
megaocteți/s la cele recente. Discurile dure ESDI stochează informații despre
formatul fizic și adresele sectoarelor defecte și poate transmite aceste
informații controlorului, pentru detectare și corectare de erori. Nu mai este
utilizat decât pe scară redusă.
SCSI
Controloarele SCSI
(prescurtare de la Small Computer System Interface, se citește
aproximativ 'sca-zi) sunt folosite în special în sistemele care au nevoie de
performanță și stabilitate ridicată (la servere și în stațiile de lucru performante).
ATA/PATA (IDE/EIDE)
Controlorul IDE (prescurtare de la Integrated Drive
Electronics), foarte folosit în calculatoarele personale de tip PC de
astăzi, folosește un singur cablu cu un conector cu 40 piciorușe (pini) care
combină funcțiile unui cablu de date și ale unuia de control care conecteaza
discul IDE direct la magistrala (bus-ul) de sistem. Controloarele IDE
pot emula orice format de disc. Din cauza consumului redus de energie, este una
din soluțiile folosite pentru calculatoarele portabile. Controlorul IDE permite
legarea pe același cablu a două discuri dure, sau a unui disc dur și a unei
unități optice (de CD sau DVD) în sistem master/slave. Această arhitectură a
dus la incompatibilități între unități în anii '90, care însă au fost
rezolvate.
SATA
Controloarele SATA (prescurtare de la serial ATA) permit conectarea fiecărui disc pe
propriul canal (cu un set propriu de porturi intrare/ieșire). Astfel se elimină
problemele cauzate de arhitectura PATA (parallel
ATA).
Standardul inițial numit SATA I a fost
proiectat pentru un transfer de date (o viteză) de maximum 1,5 Gbit/s
(echivalent cu circa 150 megabait/s, MB/s). Standardul actual (2008) se numește
SATA II și este proiectat pentru maximum 3 Gbit/s = circa 300 MB/s.
Controloarele SATA se leagă de
discurile SATA prin cabluri cu conectori de tip SATA identici la ambele capete.
Termenul eSATA (de la "external SATA") se referă la conectoare
îmbunătățite (mai robuste) față de cele ale cablurilor SATA obișnuite.
USB, Firewire (IEEE 1394)
Există și discuri dure portabile
(externe față de PC și cu carcasă proprie) care, pentru a transmite datele,
folosesc interfața USB, respectiv cea Firewire (cf. standardului IEEE 1394). De obicei discurile acestea
sunt ansambluri formate dintr-un disc IDE sau SCSI, un controler pentru acestea
și un controler pentru convertirea la USB sau Firewire.
Caracteristici
Capacitatea
Măsurată în gigaocteți sau gigabaiți,
și în ultima vreme chiar teraocteți/terabaiți. În general producătorii folosesc
ca unitate de măsură multiplii din SI ai octetului (puteri de 10), pe când multe sisteme
de operare (Windows, unele distribuții de Linux, MacOS) folosesc măsurătoarea în multipli binari. Dacă primul disc dur avea numai
circa 5 MO, astăzi capacitățile discurilor dure pot depăși și 3 TO (factorul de
creștere: 600.000).
Dimensiunea fizică
Măsurată de obicei în țoli, notați cu
semnul " (inch). Astăzi discurile dure au în diametru
fie 3,5 " (pentru PC-uri), fie 2,5 " (pentru notebook-uri - mai mici,
utilizând mai puțin curent electric, dar mai scumpe și mai încete). Există și
discuri de 1,8 ", pentru playere MP3 (precum Apple iPod), care pe lângă mărimea redusă, sunt
mai rezistente la șocuri.
Durabilitate
Exprimată în timp mediu între erori - mean
time between failures (MTBF). Discurile SATA I au viteze de 10.000 rpm și un MTBF de 1 milion de ore sub un
ciclu de utilizare de opt ore pe zi. Alte discuri permit până la 1,4 milioane
de ore sub un ciclu de 24 de ore din 24.
Număr de operații de intrare/ieșire pe secundă
Începând cu 2008 o unitate HDD desktop
tipică de 7.200 rpm (rotații pe minut) are o rată de
transfer de date "disc-la-buffer" de circa 70 MB pe secundă. Această
rată depinde de locația pistei, astfel încât ea va fi cea mai mare pentru
pistele exterioare (unde se află mai multe sectoare) și mai mică pentru pistele
interioare (unde sunt mai puține sectoare); și este, în general, ceva mai mare
pentru drive-urile de 10.000 rpm. Un standard curent utilizat pentru transferul
„buffer-la-computer" este interfața SATA II de 3,0 Gbit/s (secundă), care
poate transfera date la aproximativ 300 MB/s. Rata de transfer de date de
citire/scriere poate fi măsurată prin scrierea pe disc a unui fișier mare, apoi
citirea fișierului respectiv. Ratele de transfer pot fi influențate atât de
fragmentarea sistemului de fișiere cât și de dispunerea fișierelor ȋn dosare.
Consum de curent
La discurile dure din calculatoarele
personale portabile (notebook etc.) un consum de curent (energie) redus
înseamnă o durată de funcționare mai mare până la reîncărcarea acumulatoarelor,
deci un avantaj important.
Nivel de zgomot
Măsurat în dBA
(decibeli), nivelul de zgomot este semnificativ pentru anumite aplicații, cum
ar fi PVR’s (personal video recorders – ȋnregistratoare video
personale), înregistratoare digitale audio și calculatoare silențioase.
Discurile cu nivel de zgomot scăzut utilizează de obicei lagăre lichide, viteze
de rotație scăzute (de obicei 5.400 rpm) și reduc viteza de căutare în sarcină
(AAM), pentru a reduce clicurile sonore și sunetele mecanice ale HDD. Discurile
dure mai mici sunt de obicei mai silențioase decât cele clasice.
Timpul de acces la date și transfer
Timpii de acces variază ȋn prezent
ȋncepând de la sub 2 ms (milisecunde) pentru unitățile de HDD de server, la 15
ms pentru unitățile de HDD ȋn miniatură și ȋn jur de 9 ms pentru unitățile de
HDD tipice de desktop. De câțiva ani încoace nu s-a constatat nicio
ȋmbunătățire semnificativă a timpilor de acces. La calculatoarele timpurii
pentru mutarea capetelor de citire/scriere se foloseau motoarele pas-cu-pas, și
se ajungea la timpi de acces de 80 - 120 ms, dar acest lucru a fost repede
ȋmbunătățit prin folosirea unei bobine, la sfârșitul anilor 1980, timpii de
acces reducându-se astfel la aproximativ 20 ms.
Rezistența la șocuri
Rezistența la șocuri este importantă în
special pentru dispozitive mobile. Unele laptop-uri includ acum, pentru
HDD, o protecție activă care parchează capetele de citire-scriere ale discului
ȋnainte de impact, dacă sistemul este scăpat din mână. Această protecție oferă
șanse mai mari de supraviețuire a HDD-ului în caz de impact.
Partitionare
HDD
Crearea unei partiţii pe hard-disc îi permite acestuia să gazduiască sisteme de fişiere distincte, fiecare în partiţia sa. Orice hard-disc trebuie să aibă pe el o partiţie primară, una logică şi oricâte extinse. Există 3 sisteme de fişiere, folosite de obicei de sistemele de operare actuale: *FAT(File Allocation Table-tabela de alocare a fişierelor).Sistemul de fişiere standard utilizat de DOS,Windows 9x şi Windows NT. *FAT 32 (File Allocation Table, pe 32 biţi). Un sistem de fişiere opţional utilizat de Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2), Windows 98 şi Windows NT 5.0. *NTFS (Windows NT File System- sistemul de fişiere pentru Windows NT). Sistemul de fişiere nativ pentru Windows NT , care utilizează numere de fişiere de până la 256 de caractere şi partiţii până la mărimea teoretică de 16 exaocteţi.
Formatarea discului
Sunt necesare două proceduri de formatare înainte de a
putea scrie date de utilizator pe undisc:
a)formatare fizică sau de
nivel jos ;
b)formatare logică sau de nivel înalt.Când formataţi o
dischetă, programul Exporer din Windows 9x sau comanda FORMAT din DOSrealizează
ambele tipuri de formatare.Pentru un hard-disc sunt necesare 3 operaţii
separate de formatare:
1.Formatarea de nivel jos (Low-Level Formatting-LLF)
2.Partiţionarea
3.Formatarea de nivel
înalt(High-Level Formatting-HLF)
În cursul unei formatări de nivel jos,
programul de formatare împarte pistele hard-discului într-un număr precizat de
sectoare, creând intervale de siguranţă între sectoare şi între piste şi înscriind informaţia din
preambulul şi postambulul sectorului. Pentru dischete, numărulde sectoare înregistrate pe fiecare pistă depinde
de unitate şi de interfaţa controllerului. Toateunităţile IDE şi SCSI folosesc o tehnică numită înregistrare pe zone,
care înscrie un număr variabil de sectoare pe pistă. Pistele
exterioare conţin mai multe sectoare decât pistele interioare pentru că
sunt mai lungi. O modalitate de a spori capacitatea unui hard-disc în timpul
procesului
Formatarea de nivel înalt
În cursul formatării de nivel înalt,
sistemul de operare (precum Windows 9x, Windows NT sau DOS) scrie structurile
necesare pentru a gestiona fişierele şi datele pe disc. Partiţiile FATau pe fiecare unitate logică formatată câte un
sector de încărcare al volumului(VBS- VolumeBoot Sector) două copii ale
tabelului de alocare a fişierelor(FAT) şi un director rădăcină. Acestestructuri de date permit sistemului de operare să
gestioneze spatiul pe disc, să ţină evidenţafişierelor şi chiar să gestioneze
porţiunile defecte. Formatarea de nivel înalt nu este efectiv oformatare
fizică a unităţii, ci mai degrabă crearea unui „tabel de cuprins” pentru disc.
Concluzie
La aceasta lucrare de laborator am facut cunostinta
cu constructia Hard Diskuli si operatiile ce pot fi efectuate asupra lui cum ar
fi formatarea si partitionarea.La finele lucrarii am constatat ca asupra lui
trebu de lucrat atent ca din cauza unei erori unane sau neatentie putem pierde
informatie necesara sau intreg Diskul.
