Pevný disk

Pevný disk (skratka HDD z angl. hard disk drive, iné angl. názvy: hard disk, historicky tiež Winchester) je elektromechanické zariadenie, ktoré sa používa na dlhodobé uchovávanie dát v počítačoch a iných zariadeniach.

Dáta sa na pevný disk zapisujú pomocou magnetického záznamu, čo má veľkú výhodu najmä v tom, že sú uložené natrvalo, teda až pokiaľ nie sú zmazané používateľom alebo prístrojom. Je to energeticky nezávislé pamäťové médium. Uložené údaje totiž uchováva aj po ukončení dodávky elektrickej energie.

Používa sa predovšetkým v počítačoch a iných digitálnych zariadeniach, napríklad v digitálnych fotoaparátoch alebo DVD rekordéroch alebo v prehrávačoch hudby.

Delenie pevných diskov

Podľa rozmeru

Pevné disky sa najprv do stolových počítačov montovali do rovnakých pozícií (anglicky disc / drive bay) ako diskety. Tieto mali rozmer / formát na konci svojho vývoja 5,25″ a 3,5″ (palcov). Formát udávaný v palcoch znamená teda rozmer šírky disku. Najstaršie disky mali tzv. plnú výšku (full high) 5 ¹⁄₄ palca teda 83 mm. Novšie disky šírky 3,5″ mali polovičnú výšku – pozri obrázky. (Nové pevné disky rozmeru 2,5" a menším nemajú už s disketou nič spoločné.)

5,25" – veľký formát, používaný najmä v minulosti
3,5" – malý formát, používaný bežne v domácich PC
2,5" – (so šírkou 2,5-palca = 63,5 mm) novší formát používaný v notebookoch a prenosných zariadeniach
1,8" – mikro-formát používaný v malých prenosných zariadeniach
1" – mikro-formát používaný v malých prenosných zariadeniach /napr. pamäťové karty/

Podľa otáčok

Otáčky [ot/min]	Čas jednej otáčky [ms]
3 600 ot/min	16,66 ms
3 800 ot/min	15,79 ms
4 000 ot/min	15,00 ms
4 200 ot/min	14,26 ms
4 500 ot/min	13,33 ms
4 900 ot/min	12,25 ms
5 400 ot/min	11,11 ms
7 200 ot/min	8,33 ms
10 000 ot/min	6,00 ms
15 000 ot/min	4,00 ms

Podľa rozhrania

IDE/EIDE/ATA/ATAPI (Integrated Drive Electronics)
SATA, SATA2, SATA3 (Serial Advanced Technology Attachment )
SCSI (Small Computer System Interface)
FC-AL (Fibre Channel-Arbitrated Loop)
SAS (Serial-attached SCSI)

Fyzická stavba pevného disku

Obvyklé komponenty v pevnom disku:

jedna alebo viaceré hliníkové (v minulosti aj sklenené) rotačné platne pokryté tenkou vrstvou magnetického materiálu, uložené na spoločnej osi, slúžiace na ukladanie údajov
elektrický motor zabezpečujúci rotáciu platní stabilnou rýchlosťou (obvykle 5 400 – 7 200 až do 15 000 otáčok za minútu)

prachotesný nosný obal pevného disku
pohyblivé čítacie a zapisovacie hlavy (angl. heads) na výkyvných ramenách
Elektromagnet s cievkou zabezpečujúci pohyb výkyvných ramien s hlavami
elektrické obvody slúžiace na ovládanie motorov, hláv a komunikáciu (elektronika disku)
rozhranie na prepojenie disku s počítačom

Úložné platne, opis a výroba

Úložné platne a zapisovacia/čítacia hlavica po odstránení vonkajšieho krytu

Za najdôležitejšiu súčasť pevného disku môžeme považovať otočne uložené platne, dnes už takmer výlučne vyrábané z hliníkovej zliatiny. Platní môže byť v pevnom disku niekoľko, najčastejšie však výrobcovia používajú jednu až štyri úložné platne. V prípade diskov s extrémne veľkou kapacitou môže byť platní až 12. V zásade však platí, že čím má disk viac úložných platní, tým je hlučnejší, má väčšiu spotrebu elektrickej energie a vyvíja viac tepla. Preto sa výrobcovia snažia vyrábať kapacitne čo najväčšie pevné disky, avšak s čo najmenším počtom záznamových platní.

Z dôvodu zjednodušenia a automatizácie výrobných postupov sa môže stať, že výrobca „umelo“ zníži kapacitu pevného disku tak, že niektoré platne pevného disku sa nepoužívajú, aj napriek tomu, že sú v disku osadené.

Hliníkové úložné platne sa odlievajú v presných formách. Musia mať čo najnižšiu elektrickú vodivosť, aby sa zabránilo tvorbe vírivých prúdov, ktoré by mohli pevný disk poškodiť. Keďže hliníková zliatina, z ktorej sú platne vyrobené, nie je magnetická, musí sa na platne pevného disku naniesť tenká (cca 1 mikrometrová) magnetická vrstva oxidu železnatého a kobaltu. Táto vrstva obsahuje magnetické domény pre zápis dát. Do roku 2000 sa na výrobu úložných platní pevných diskov používalo aj sklo. Platne sú centricky nad sebou uložené na hriadeli motora.

Čítacie a zapisovacie hlavy

Hlavy slúžia na zápis a čítanie magnetickej informácie z povrchu platní. Počas práce pevného disku sa hlavy premiestňujú nad jednotlivými platňami a načítavajú z nich údaje, prípadne ich na platne zapisujú. Hlavy sa platní nedotýkajú, ale plávajú na tenkej vzduchovej vrstvičke nad ich povrchom. Vzdialenosť hláv a platní je veľmi malá (môžeme ju merať iba v nanometroch) a je daná hrúbkou vzduchového vankúša, ktorý sa vytvorí nad rýchle rotujúcimi platňami disku. Ak platne nerotujú, riadiaca jednotka disku automaticky uloží (odparkuje) čítacie hlavice do tzv. Docku alebo „odkladača“ mimo platne. Vzduch musí byť dokonale čistý a nesmie obsahovať žiadne znečisťujúce častice poškodzujúce jemný povrch platní, preto sa pevné disky montujú v miestnostiach s vysokou filtráciou vzduchu. Záznamové platne je potrebné chrániť aj pred náhodným dotykom s hlavami vyvolanými otrasmi a prudkým pohybom. Na platniach je vytvorená tzv. „parkovacia zóna“, kam sa čítacie a zapisovacie hlavy presunú ešte pred vypnutím pevného disku (t. j. hlavy sa „zaparkujú“). Na tomto mieste sa nenachádzajú žiadne dáta a hlavy sa tu môžu povrchu dotýkať. Po presunutí hláv do „parkovacej zóny“ sú hlavy v polohe zafixované malým permanentným magnetom, aby sa nemohli voľne pohybovať po platniach keď je pevný disk mimo prevádzky. V prenosných počítačoch, tzv. notebookoch, je technológia ochrany povrchu vylepšená senzorom zrýchlenia (akcelometer). Ak dôjde k výraznému zrýchleniu pohybu napr. hrozí pád prístroja, vyšle elektronika príkaz na zaparkovanie hláv. Pri bežných stolných počítačoch príkaz na zaparkovanie hláv pred vypnutím počítača vydáva operačný systém.

Obal disku

Nosnou časťou pevného disku je jeho obal. Obal slúži ako základňa pre jednotlivé komponenty disku, zároveň pre upevnenie disku do počítača. Je prachotesne uzavretý, nie je však vzduchotesný. Na obale pevného disku sa nachádza malý otvor s filtrom, ktorým sa dovnútra pevného disku dostáva vzduch, slúžiaci na vyrovnanie tlaku. V žiadnom prípade nesmie byť otvor s filtrom uzavretý, prípadne upchatý, pretože by došlo k nenávratnému poškodeniu zariadenia. Obal je obvykle masívny frézovaný dielec, vyrobený z hliníkovej zliatiny.

Rozhranie na prepojenie pevného disku s počítačom

Na prepojenie interného pevného disku s ostatnými počítačovými komponentmi sa momentálne používa najmä sériové rozhranie SATA, donedávna sa používal hlavne IDE ktoré sa tiež nazýva aj paralelným portom. Paralelný port môžeme rozdeliť na dva základné typy, a to: IDE, EIDE – používa sa najmä v stolných počítačoch; a paralelný port typu SCSI, ktorý nájdeme napríklad v serveroch alebo v počítačoch zapojených vo veľkých sieťach.

So zväčšujúcou sa prenosovou rýchlosťou pevných diskov sa však už objavili aj fyzikálne hranice tohto rozhrania. Cez paralelný port typu SCSI je totiž napr. možné previesť maximálne 320 MB dát za sekundu. Táto zdanlivo závratná rýchlosť však nemusí vždy postačovať a preto sa výrobcovia pevných diskov už niekoľko rokov usilujú priviesť používateľov počítačov k prechodu od paralelných rozhraní pevných diskov k sériovým rozhraniam. Najznámejším sériovým portom na pripojenie pevného disku je port Serial ATA. Na význame nadobúda toto sériové rozhranie najmä od roku 2002. Hlavnou výhodou tohto nového rozhrania oproti rozhraniam paralelným je možnosť väčšieho dátového prenosu a jednoduchšia kabeláž pevného disku. Keďže vývoj pokračuje aj v oblasti serverových pevných diskov, aj tu sa už v roku 2005 objavil potenciálny nástupca aktuálneho rozhrania SCSI. Nový port by sa mal volať Serial Attached SCSI (SAS) a jeho použitím je možné dosiahnuť dátový prenos až 600 MB/s. Na pripojenie externých pevných diskov sa najčastejšie používa port FireWire alebo USB.

Logická stavba pevného disku

Základné pojmy

Nosičom informácií na pevnom disku je magnetická vrstva úložnej platne. Táto magnetická vrstva je počas zápisu informácií postupne delená na jednotlivé cylindrické stopy. Jedna úložná platňa obsahuje zvyčajne niekoľko tisícok takýchto cylindrických stôp, ktoré bývajú vytvárané na oboch stranách úložnej platne. Všetky stopy vytvorené na jednotlivých úložných platniach disku sa súhrnne nazývajú ako cylinder. Každá stopa je rozdelená na mnoho malých logických jednotiek, ktoré sa nazývajú bloky. Jeden takýto blok je schopný poňať 512 bajtov informácií. Pre lepšiu kontrolu uložených dát je do každého bloku s uloženými dátami pridaná tzv. kontrolný súčet, pomocou ktorej dokáže elektronika zistiť, či sú dáta, ktoré sa budú načítavať identické s tými, ktoré boli zapísané na úložnú platňu pevného disku. Všetky bloky, ktoré majú na disku rovnaké koordináty umiestnenia, sa niekedy súhrnne nazývajú tiež ako sektor. Bohužiaľ sa význam pojmu sektor často v praxi mylne zamieňa s pojmom blok.

Moderné pevné disky ešte delia úložné platne do tzv. zón, pričom každá zóna obsahuje niekoľko cylindrických stôp. Každá zóna by mala mať rovnaký počet sektorov.

Fyzické a virtuálne členenie pevného disku

Pri moderných pevných diskoch je úplne bežné, že skutočné členenie na sektory, hlavičky a cylindre nie je navonok viditeľné a toto členenie „nevidí“ ani operačný systém počítača. Skutočné rozčlenenie tak „vidí“ a riadi iba riadiaca časť elektroniky disku (v angličtine sa táto časť nazýva aj „controller“). Elektronika disku vytvára a sprístupňuje pre operačný systém úplne iné, tzv. virtuálne členenie pevného disku. V tomto členení má každý pevný disk 255 virtuálnych hlavičiek (hoci fyzicky môže mať tých hlavičiek napr. len 5). Dôvodom tohto členenia je obmedzenie poruchovosti disku. Na každom pevnom disku totiž zvyčajne po nejakom čase vzniknú chybné bloky, do ktorých sa nedajú ukladať dáta. Ak by neexistovalo virtuálne členenie disku, operačný systém by vtedy diagnostikoval disk ako chybný a do určitých jeho oblastí by neukladal dáta, prípadne by dáta neukladal vôbec. Keďže však existuje virtuálne členenie disku, elektronika pevného disku môže tieto chybné fyzické oblasti jednoducho preskočiť a uložiť dáta do tzv. rezervnej oblasti disku bez toho, že by sa o tom dozvedel operačný systém, pretože jeho virtuálne členenie pevného disku sa týmto nenaruší. Vo virtuálnom členení pevného disku sa totiž nezaznamená žiadna chyba a pre operačný systém to vyzerá tak, akoby bol disk bezchybný.

Prekladanie (interleave)

Pri čítaní sa dáta zo sektoru musia odoslať cez radič a BIOS operačnému systému. Ten dáta spracuje a požiada o nové údaje. Operačný systém požiada BIOS a radič, ktorý načíta ďalšie údaje. Odoslanie údajov však trvá určitý čas, medzitým, čo radič dáta odosielal sa disk pootočil a radič musí počkať, kým prejde jedna otáčka platní disku, aby sa hlavy disku dostali na poslednú pozíciu. Takéto čakanie disk neúmerne spomaľuje, a preto sa dáta na platni disku neukladajú za sebou, ale sektory sú preskakované. Počas odosielania dát sa pod hlavou nachádzajú údaje, ktoré radič nepotrebuje, a v momente odoslania balíka dát prichádza pod hlavu sektor nasledujúci za už prečítaným. Hodnota prekladania súvisí s parametrami disku, z rýchlosťou čítania, otáčkami a rýchlosťou odosielania dát. Dnes sa častejšie kompenzuje tento čas bufferami, a inteligenciou disku (radič sa snaží predvídať, čo bude v nasledujúcom kroku čítané a preventívne to uloží do rýchlej vyrovnávacej pamäte).

Rezervná oblasť disku

Je to tá oblasť pevného disku, do ktorej je možné ukladať dáta v prípade, že na mieste, kde by mali byť normálne uložené, sa nachádza napr. chybný blok. Táto oblasť má zvyčajne veľkosť 10 – 20 % kapacity pevného disku. Rezervná oblasť je navonok pre užívateľa (operačný systém) neviditeľná. Na odkrytie tejto oblasti je potrebný špeciálny firmware pre kontrolér disku, ktorý však má k dispozícií iba výrobca disku. Ak by sa užívateľovi aj podarilo odkryť rezervnú oblasť pevného disku, rapídne by sa tým skrátila životnosť disku. V prípade poruchy by už totiž nebola k dispozícií žiadna rezervná oblasť na uloženie dát.

Funkcia ovládača pevného disku

Z pohľadu operačného systému sa dá každý pevný disk (vytvorením partícií) rozdeliť na viacero častí tak, že tieto jednotlivé časti potom v systéme vyzerajú akoby to boli ďalšie pripojené pevné disky. To, aby pevný disk rozdelený na viacero partícií vyzeral v systéme ako viac pevných diskov pripojených súčasne, zabezpečuje ovládač pevného disku, ktorý býva väčšinou priamo integrovaný v operačnom systéme.

Formátovanie, systém súborov

Každá partícia pevného disku musí byť pred použitím naformátovaná, čím sa vytvorí určitý systém súborov. Pri formátovaní sa zvyčajne zlúči niekoľko základných údajových blokov – sektorov do väčších celkov – clusterov – a cluster sa tak vlastne stane najmenšou logickou jednotkou pre dáta uložené na pevnom disku. Systém súborov zabezpečuje, aby sa dáta dali na pevný disk ukladať vo forme súborov. Pri ukladaní súborov sa hneď vytvára aj tzv. zoznam s obsahom (adresár), podľa ktorého je možné jednotlivé súbory kedykoľvek vyhľadať a hierarchicky ich zoradiť. Operačné systémy MS-DOS a Windows 9x používali systém súborov s názvom FAT (File Allocation Table – v preklade: Tabuľka alokácie/umiestnenia súborov), novšie systémy ako napr. Windows 2000, XP, Vista používajú súborový systém s názvom NTFS. Iné operačné systémy (napr. Unix a od neho odvodené) používajú iné súborové systémy, často optimalizované pre určitú úlohu (napr. databázového servera). Známy operačný systém Linux používa najčastejšie súborový systém ext2, ext3, ext4 alebo novší btrfs.

Technológia S.M.A.R.T.

Bližšie informácie v hlavnom článku: S.M.A.R.T.

Keďže údaje uložené na pevných diskoch majú zvyčajne svoju cenu, je veľmi dôležité, aby sme vedeli čo najpresnejšie kedy môže dôjsť k poruche pevného disku, prípadne k jeho totálnemu zlyhaniu. Na zistenie pravdepodobnosti takéhoto výpadku je tu technológia S.M.A.R.T., pomocou ktorej môžeme pomerne presne (alebo zväčša len s malou odchýlkou) určiť, kedy je dobré pevný disk vymeniť.

Operačný systém Microsoft Windows ani v najaktuálnejšej verzii natívne nepodporuje načítanie hodnôt zo S.M.A.R.T. diagnostiky a nedokáže ich ani vyhodnocovať. Preto sa momentálne na vyhodnocovanie týchto informácií používajú externé programy, ako napr.: HDD Health, HDD Life a iné. Často najspoľahlivejšími programami na vyhodnocovanie týchto hodnôt sú priamo programy od výrobcov pevných diskov. Medzi najznámejšie programy patrí napr. Maxtor Powermax, Seatools a iné...

Technicky patrí SMART k testom integrity.

Historický vývoj pevného disku

1956: Firma IBM predstavila prvý magnetický pevný disk. Na 50-úložných platniach (každá mala priemer 61 cm) bola dosiahnutá kapacita 5 megabajtov (MB).
1973: Firma IBM spustila projekt „Winchester“, ktorého cieľom bolo vyvinúť rotujúce pamäťové zariadenie v pevnom obale. Podľa návrhu sa pri spustení a zastavení zariadenia mali čítacie a zapisovacie hlavy položiť na pamäťový nosič. Ak by sa to podarilo, rapídne by sa tým skrátil čas načítavania a zápisu údajov.
1979: Predstavenie prvého 8 palcového disku vytvoreného podľa projektu Winchester. Tento disk však bol príliš veľký, ťažký a drahý (5 MB úložného priestoru by dnes v prepočte stálo viac ako 5 000 eur); aj napriek tomu však neustále stúpal dopyt po týchto diskoch.
1980: Firma Seagate Technology začala predávať prvý 5,25 palcový disk, vyrobený podľa projektu. Disk niesol označenie ST506 (mal kapacitu 6 megabajtov). Keďže tento disk mal úplne nové rozhranie na prepojenie s počítačom, onedlho toto rozhranie prebrali aj ostatné firmy a stalo sa tak štandardom v oblasti PC. V rovnakom čase prišiel na trh prvý počítač štandardu PC od firmy IBM. Dovtedy boli na trhu zastúpené len mikro-počítače Apple. Keďže nový pevný disk bol v porovnaní s jeho predchodcami veľmi kompaktný, dopyt zákazníkov začal razantne stúpať.
1986: Vytvorenie a následné zavedenie špecifikácie SCSI, jedného z prvých štandardizovaných protokolov pre rozhranie pevného disku.
1997: V praxi bola pri výrobe pevného disku prvýkrát použitá technológia gigantického magnetického odporu (anglický názov je Giant Magnetoresistive Effect – GMR), čím sa radikálne zvýšila možná kapacita zariadenia. Jedným z prvých pevných diskov, ktoré obsahovali túto technológiu bol IBM Deskstar 16G (november 1997) s kapacitou 16,8 GB.
2004: 18. november 400 GB pevný disk od firmy Hitachi. V tom istom roku bol firmou Seagate uvedený prvý pevný disk podporujúci inštrukčnú sadu Native Command Queuing.
2005: 500 GB pevný disk od firmy Hitachi.
2006: 1 TB pevný disk od firmy Fujitsu-Siemens
2010: 3 TB pevný disk od firmy Western Digital
2012: 4 TB pevný disk od firmy Western Digital

Externé pevné disky

Externé jednotky pevného disku sa zvyčajne pripájajú cez USB. Varianty využívajúce rozhranie USB 2.0 majú zvyčajne nižšie rýchlosti prenosu dát v porovnaní s interne namontovanými pevnými diskami pripojenými cez SATA. Funkcia jednotky typu plug and play ponúka kompatibilitu k rôznym systémom. Od marca 2015 sa dostupné kapacity pre externé pevné disku pohybovali od 500 GB do 10 TB.

Externé pevné disky sú zvyčajne dostupné ako zostavené integrované produkty, ale je možné ich zostaviť aj kombináciou externého krytu (s USB alebo iným rozhraním) so samostatne zakúpenou jednotkou. Sú k dispozícii vo veľkostiach 2,5 a 3,5 palca; 2,5-palcové varianty sa zvyčajne nazývajú prenosné externé disky, zatiaľ čo 3,5-palcové varianty sa označujú ako stolové externé disky. „Prenosné“ disky sú zabalené v menších a ľahších krytoch ako disky „pre stolné počítače“; „prenosné“ disky navyše využívajú energiu poskytovanú pripojením USB, zatiaľ čo „stolové“ disky vyžadujú externé napájacie káble.

Héliové pevné disky

Héliový pevný disk je vysokokapacitný pevný disk naplnený héliom namiesto vzduchu. Hélium je hermeticky uzavreté, aby sa zabránilo jeho úniku, čo zefektívňuje činnosť pohonu. Snahy o vytvorenie héliových pevných diskov boli vyvinuté v 70. rokoch 20. storočia, ale prvý z nich bol nakoniec vyrobený v roku 2013 spoločnosťou HGST (teraz Western Digital). Tento pevný disk mal 3,5 palca s kapacitou 6 TB. Veľkosť tohto disku sa neustále zmenšuje a zároveň sa zvyšuje úložná kapacita. V súčasnosti tieto disky vyrábajú spoločnosti Seagate, Toshiba a Western Digital.

Viac úložnej kapacity

Hélium v porovnaní so vzduchom umožňuje použitie tenších diskov vo vnútri pevného disku. Týmto spôsobom sa zvyšuje úložná kapacita zariadenia a používatelia môžu ukladať viac údajov na pevný disk.

Nízka spotreba energie

Ďalšou výhodou tenších diskov a menšieho ťahania héliových pevných diskov je, že vyžadujú menej energie. Pre prenosné zariadenia je to významný faktor, pretože zvyšuje výdrž batérie.

Menej hluku

Nízka úroveň turbulencie vzduchu vo vnútri pohonu znižuje množstvo vytváraných vibrácií. Táto charakteristika má za následok efektívnejšiu a menej hlučnú prevádzku héliového pevného disku.

Nižšie riziko vnútorného poškodenia

Tieto pevné disky sú naplnené héliom a dôkladne utesnené, aby sa zabránilo úniku hélia. Vďaka tomu sa hélium drží vo vnútri, zatiaľ čo všetky nečistoty zostávajú vonku.

Referencie

Iné projekty

Commons ponúka multimediálne súbory na tému Pevný disk

Externé odkazy

vseohw.net rozbor pevného disku (po česky)
pcdoctor-guide.com rozbor pevného disku Archivované 2006-01-04 na Wayback Machine (po anglicky)
WD: Héliové HDD (po anglicky)