DISK

                Zelo natančna mehanika

                Kako deluje?

                Plošče

                Bralno / pisalne glave

                Hitrost diska

Kateri del je pri računalniku najpomembnejši? Nekateri bodo pomislili na procesor, drugi na pomnilnik, tretji morda na disk, malokateri računalnikar pa bo pomislil na to, na kar bi pomislila večina poslovnih uporabnikov -- na podatke! Računalnik je vendarle samo orodje za obdelavo in shranjevanje podatkov. Opremo lahko nadgradimo, celo zamenjamo, še vedno pa bi radi z njo obdelovali iste podatke. Če izgubimo podatke, nam še tako dober računalnik ne bo prav nič pomagal.

Zato ni čudno, da je industrija naprav za shranjevanje podatkov tako zelo uspešna in prodorna. Diski, ki so danes praktično edine naprave za shranjevanje podatkov v računalniku, so namreč ene redkih naprav, ki ne sledijo Moorovemu zakonu, ki (v splošni obliki) pravi, da se zmogljivost naprav podvoji vsakih 18 mesecev; zmogljivost diskov se namreč podvoji že kar vsakih 12 mesecev!

Disk je že vse od predstavitve prvega računalnika IBM PC XT bolj ali manj obvezen sestavni del osebnega računalnika. Zunanji pomnilnik, ki ga je izumil IBM za svoje velike računalnike (leta 1956 -- 24-palčni disk je vseboval 50 plošč in imel zmogljivost 5 MB), trdno vztraja in nič ne kaže, da bi ga lahko v kratkem izpodrinila kakšna druga tehnologija. Nekaj časa je kazalo, da bi morda to uspelo magnetno-optični tehnologiji zapisovanja, vendar je danes jasno, da ne sledi dovolj hitro navadnim, magnetnim diskom.

Prvi diski so lahko shranili le 10 MB podatkov, kar je vrednost, ki jo danes tudi 10-krat presega delovni pomnilnik v računalniku. In vendar so se takrat zdeli neverjetno veliki in prostorni; navsezadnje je bila že takratna disketna enota z zmogljivostjo 360 KB videti zelo velika ... Pozneje so diski (takrat še 5,25-palčni) zrasli na 20 MB, pa 40 MB, okrog leta 1996 pa so dosegli že 1 GB. Danes je disk z zmogljivostjo 10 -- 20 GB nekaj povsem običajnega in je celo cenovno najbolj ugoden.

In vendar se je treba vprašati, ali uporabniki tako zelo velike diske res potrebujejo? Še pred nekaj leti bi na to vprašanje bržkone odgovorili pritrdilno. Operacijski sistem in nekateri veliki programski paketi so mimogrede zapolnili še tako velik disk. Danes pa vse kaže, da velikost programske opreme "ne sledi" hitremu povečevanju zmogljivosti diskov. Enako lahko trdimo za procesorje, ki so več kot dovolj hitri za (skoraj) vsak programski paket. Namestitev danes najbolj zahtevnega operacijskega sistema, Windows 2000 Advanced Server, na disku zasede manj kakor 1 GB prostora, operacijski sistemi za osebno uporabo (Windows 98, Windows NT 4 Workstation, Windows 2000 Professional, Linux) pa še veliko manj. Običajna namestitev Microsoftovega paketa Office zasede spet "le" 200 MB, torej je jasno, da bi povprečnemu uporabniku za običajno delo zadostoval 2--3 GB disk. Kajti napolniti 1 ali 2 GB prostora z dokumenti je za 90 % uporabnikov praktično nemogoče.

Če pa imamo opravka z velikimi zbirkami podatkov ali z grafiko, glasbo ali videom, zgornja trditev ne velja več. Najsodobnejši digitalni fotoaparati lahko z eno samo sliko zasedejo tudi 1,5 MB prostora. Tisoč slik torej, pa smo ob 1,5 GB. Še huje je z glasbo -- povprečna skladba v zapisu MP3 zasede 3,5 MB, v zapisu WAV pa tudi do 40 MB! Če v domačem računalniku izdelujemo glasbene plošče, nam bo nekaj GB prostega diska prišlo še kako prav. Kaj šele video! Zajemanje videa s kartico Firewire ali IEEE-1394 (v polni kakovosti) potrebuje že kar neverjetne zmogljivosti -- za eno sekundo videa potrebujemo kar 5 MB, za eno uro pa 18 GB! Da ne govorimo o tem, da za montažo videa potrebujemo nekajkrat več prostora, kakor ga potrebuje samo zajemanje.

A večina uporabnikov ne potrebuje velikih diskov, čeprav se jim ne morejo izogniti. Najmanjši disk na tržišču zmore sedaj 10 GB, kaj manjšega pa lahko dobite le pri kakšnem prodajalcu, ki ni uspel pravočasno sprazniti skladišča s starimi modeli. In tudi takrat se tak nakup nikakor ne bo splačal, saj bo cena od 25 do 30 tisoč tolarjev, kolikor danes stanejo 20-30 GB diski. Povprečno veliki diski in tisti, ki so manjši, namreč vedno stanejo okoli 25--30.000 tolarjev, le definicija "povprečno velikega diska" se spreminja ... Jasno je torej, da se nikakor ne splača truditi in iskati čim manjšega diska, saj se to finančno ne obnese.

ZELO NATANČNA MEHANIKA

Diski temeljijo na podobnem načelu kakor disketne enote - na plošče z magnetnim premazom se podatki zapisujejo kot spremembe magnetnega polja. Torej ne kot zaporedja magnetnih orientacij, saj bi sicer le težko razbrali podatke, kjer nastopa, recimo, 2000 ničel. Razlike med diski in disketno enoto so, in to bistvene. V disketni enoti je okrogla površina iz mehke umetne mase (od tod ime "floppy" ali mehki disk), ki se vrti zelo počasi (360 obratov/min), v diskih pa ena ali več kovinskih plošč, ki se vrtijo tudi z 10.000 vrtljaji na minuto! Navsezadnje je razlika tudi v gostoti zapisa, saj je na disketi le 135 koncentričnih krogov (imenovanih sledi - tracks) na palec, medtem ko jih je na sodobnih diskih lahko tudi 5000. Mimogrede - logično gledano predstavlja več sledi, ki so na več diskovnih ploščah v disku enako oddaljene od središča, en "cilinder". Diski so hermetično zaprte škatle, ki v notranjosti vzdržujejo natančno nadzorovano okolje, saj vanj ne sme niti en prašen delec iz zunanjega okolja. Če dobro pregledamo disk, bomo verjetno lahko zasledili majhno luknjico ( s premerom 2-3 mm ), ki je pokrita s posebnim materialom - to je filter zunanjega zraka. V notranjosti diska je na osi nameščena ena plošča ali več plošč. Nanje se zapisujejo podatki, posebna ročica pa skrbi za premikanje bralno/pisalnih glav po njih. Plošče so z materialom, ki je občutljiv za magnetne silnice, premazane po obeh straneh, tako da na vsako ploščo prideta tudi dve bralno/pisalni glavi. Skratka - na videz zelo preprosta zasnova, ki pa svojo zapletenost pokaže šele, ko se poglobimo v dejansko delovanje diska. Že naslednje dejstvo nam lahko da misliti - današnji diski znajo operacijskemu sistemu v eni sekundi predati do 30 MB. Če malo preračunamo, lahko ugotovimo tudi, da se rob diskovnih plošč vrti s hitrostjo 120 km/h! Predstavljajte si elektronski bralnik (bralno/pisalne glave), ki mora pri taki hitrosti prebrati vse "magnetne" podatke! Nič čudnega torej, da disk za osebne računalnike izdeluje le še šest podjetij na svetu. Zapletena tehnologija, ki zahteva vedno nove in nove tehnične izboljšave in izjemno znižanje cen sta pokopala že marsikatero podjetje v tem poslu. Včasih so diske izdelovala celo taka podjetja, kot sta Hewlett - Packad in Digital, vendar se jim računi enostavno niso izšli. Zaradi takih razlogov je v začetku letu od izdelave vrhunskih diskov SCSI odstopil tudi Western Digital ( ki druge diske še vedno izeluje ).

KAKO DELUJE?

Za lažje razumevanje morda ne bo odveč kratek primer delovanja diska v osebnem računalniku. Ko v programu za urejanje besedil izberemo ukaz shrani, se ta izvede približno takole:

PLOŠČE

Diske danes večinoma izdelujejo v družinah, ki si delijo enake tehnične značilnosti, ločijo pa se le po številu vgrajenih plošč za shranjevanje podatkov. Danes so diski 3,5- palčni (redki so še 5,25 - palčni, za prenosnike 2,.5 - palčni, IBM- ov Microdrive pa meri celo le en palec), kar pomeni, da imajo plošče v njihovi notranjosti takšen premer (1 palec = 2,54 cm). Plošče so kovinske (iz posebne aluminijeve zlitine) in premazane z materialom, ki je občutljiv za magnetne vplive in lahko shrani magnetno informacijo. V zadnjem času je zadnja plast na plošči iz posebnega materiala za zaščito pred mehanskimi poškodbami. Pri najmanjših diskih v okviru ene družine je ponavadi vgrajena le ena plošča, pri večjih članih družine pa je plošč lahko tudi več. Diski z do štirimi ploščami so običajni, najdemo pa lahko tudi diske z deset ali več ploščami (predvsem v velikih diskih SCSI). Proizvajalci se več ploščam vendarle izogibajo, ker prinašajo kar nekaj dodatnih težav. Več plošč pa pomeni večjo maso, kar pomeni večjo obremenitev za motorček in večje trenje, zaradi česar se disk bolj greje (preveliko gretje pa v računalnikih nikoli ne dene prav dobro). Treba je tudi zagotoviti, da so vse plošče natančno in popolnoma vzporedne, kar pri več ploščah že ni več tako enostavno. In navsezadnje so diski z več ploščami debelejši od drugih, kar pomeni, da za montažo v računalnik zahtevajo posebne dodatke.

 Zgradba diska

Ena od osnov za redno povečevanje diskovnih zmogljivosti in hitrosti je povečevanje količine podatkov, ki jih lahko zapišemo na eno ploščo (najnovejši primerki shranijo že prek 10 GB podatkov na eno samo ploščo). Vedno več podatkov na plošči pomeni, da so podatki vedno bolj skupaj. Da se magnetne silnice med seboj ne bi "motile", morajo biti vedno šibkejše, kar spet pomeni, da morajo biti bralno/pisalne glave čim bližje površini. Kar posledično pomeni, da mora biti površina zelo, zelo gladka in ravna. V zadnjem času raziskovalci opažajo, da aluminijeva zlitina kmalu ne bo več pravi material za doseganje take gladkosti, zato iščejo drugačne materiale. V igri so magnezijeve zlitine in celo stekla. Zadnje že uporablja IBM v svojih najhitrejših diskih z 10.000 vrtljaji na minuto.

Novi materiali so potrebni tudi zaradi vedno večje trdote plošč, ki je potrebna zaradi velike hitrosti vrtenja. Seagateovi diski Cheetah, ki se vrtijo z 10.000 vrtljaji na minuto, imajo vgrajene plošče s premerom le 3 palce (namesto 3,5), saj bi bilo pri večjih branje podatkov oteženo.

Velika hitrost vrtenja plošč in velika gostota zapisov podatkov se, vsaj za zdaj, izključujeta. Najhitrejši diski SCSI z 10.000 vrtljaji/minuto  imajo tudi dva - in več redkejši zapis od (počasneje vrtečih se) diskov ATA.

In kljub vsej vrhunski tehnologiji pa ostaja dejstvo, da je nemogoče zagotoviti 100% zanesljivost pri nanosu magnetne površine na diskovno ploščo. Pri strojnem formatiranju, ki ga opravijo v tovarni, se skoraj vedno izkaže, da je ponekod prišlo do minimalnih napak, ki onemogočajo, da bi tisti del površine uporabljali za shranjevanje podatkov. V starih časih je bilo to lepo označeno in vidno na disku - prebrali smo lahko koliko "slabih" sektorjev ima disk. Marketing pa je tudi tu naredil svoje in je ugotovil, da se kupec počuti nekako ogoljufanega, ko kupi nov disk, ki je že "pokvarjen". Danes se teh težav zato lotevajo drugače. Manjši del površine diska je že pri proizvodnji namenjen z nekakšno rezervo. Ko se pri strojnem formatiranju odkrije napaka, strojna programska oprema namesto pokvarjenega sektorja na njegovo mesto logično "preveže" sektor z rezervnega dela diska. Vsak sektor ima namreč svojo številko, ki se mu določi pri strojnem formatiranju. Tako je pri novem disku še vedno lahko nekaj sektorjev "pokvarjenih", vendar pa uporabniki tega ne vidijo, saj so namesto njih "vskočili" rezervni sektorji. Natančnežem lahko seveda potrdimo - če bi se proizvajalci raje odločili za "priznavanje" pokvarjenih sektorjev, bi imeli uporabniki na voljo tudi tisti del diskovne površine, ki sedaj neuporabljeno stoji, ker je bila že v proizvodnji označena kot rezerva. Po drugi strani pa serviserji to rezervo uporabljajo za poznejša "popravila" diskov, ki so jih uporabniki vrnili, ker so se med delom pojavili novi slabi sektorji. S posebnim programom (ki je specifičen za vsakega proizvajalca posebej) se da namreč ponovno narediti strojno formatiranje diska, ki ponovi postopek iz tovarne - z rezervnega dela "preveže" še nekaj delujočih sektorjev na mesto na novo okvarjenih. Lahko se torej zgodi, da vam bodo iz servisa vrnili popolnoma isti disk, ki pa bo naenkrat brez slabih sektorjev...

BRALNO/PISALNE GLAVE

Bralno/pisalne glave so izjemno majhen, a najpomembnejši del diska. To kaže tudi njihova cena, saj predstavljajo največji strošek pri disku. Njihov namen je preprost - magnetne spremembe morajo spremeniti v električne impulze in nasprotno. Na vsako diskovno ploščo prideta dve glavi - ena zgoraj in ena spodaj, kar pomeni, da so diski z več kakor osmimi glavami že redki.

Zanimivo je, da nekateri diski navajajo le po tri ali morda pet glav, kar pa je marketinška oznaka. Taki diski so popolnoma enaki diskom iz iste družine, ki imajo parno število glav, le da je v strojni programski opremi označeno, da zadnje glave ni mogoče naslavljati, s tem pa je disk na zunaj videti manjši. Obstajajo celo diski, ki imajo vgrajeni dve plošči in štiri glave, vendar so na zunaj vidni le kot diski z eno ploščo in dvema glavama...

Bralno/pisalne glave lebdijo na zračnem toku, ki se ustvari zaradi hitro vrtečih s plošč. Ne verjemite torej razlagam, da je v disku vakuum, saj v brezzračnem prostoru pač ne more biti zračnega toka, v katerem bi lahko kaj lebdelo... Težko je verjeti, toda plast zraka, ki preprečuje, da bi se glave dotaknile plošče diska,  je debela le 0,15 mikrometra! Razdalja je torej manjša od razdalje med povezavami v najnovejših čipih in procesorjih! Ali še bolje - ta razdalja je okoli 500 - krat manjša od debeline lasu! Nič čudnega torej, da proizvajalci toliko dajo na čistost zraka v disku - že najmanjši drobec prahu je pri takih miniaturnih razdaljah videti kot prava skala (dimni delec je velik 30 mikronov, enako tudi višina prstnega odtisa) in lahko povzroči napake pri branju podatkov ali celo poškoduje bralno/pisalno glavo ali površino plošče. In vendar so današnji diski tako zanesljivi, da jih uporabljamo tudi v prenosnih računalnikih, ki jih med delom kar precej tresemo. Če je "stres" med delovanjem prevelik, lahko namreč glava podrsa ob površino plošče, odkruši mikroskopski delec njegove površine in s tem povzroči izgubo podatkov, hkrati pa se s tem v čistem ozračju diska pojavijo prašni delci, ki lahko v prihodnosti povzročajo dodatne težave. Če računalnik med delovanjem brcnemo (kar resda ni običajno početje), lahko s tem dolgoročno povzročimo smrt vgrajenega diska... Ko računalnik ugasnemo, se glave samodejno premaknejo na del plošče, ki ni namenjen shranjevanju podatkov in se počasi spustijo na površino. Ko je računalnik ugasnjen, je zato občutljivost diska za zunanje vplive veliko manjša. Mimogrede - včasih diski niso bili toliko inteligentni in je bilo pred izklopom računalnika priporočljivo pognati program, ki je glave "parkiral" na pravo mesto (enega takih programov je prodajal Norton ...).

 Kako pride do popkodbe diska

Današnji diski so že skoraj vsi toliko dovršeni, da vsebujejo zaščito pred zunanjimi vplivi (beri udarci). Pri Quantumu se to imenuje SPS (Shock Protection System), pri Maxtorju Shockblock, itd. Gre za to, da so bralno/pisalne glave pritrjene na manj prožnem nosilcu, ki ob zunanjem udarci ne poskoči in zaorje v površino diska.

Bralno/pisalne glave so lahko izdelane na več načinov in uporabljajo celo različna fizikalna načela za branje "magnetnih" podatkov. V starih časih je bila glava (takrat imenovana feritna glava) le majhen elektromagnet, ki je izkoriščal dejstvo, da spremeni tok skozi električno navitje povzroči magnetno polje in s tem zapiše podatek in nasprotno - sprememba magnetnega polja (zapisan podatek) povzroči indukcijo električnega toka v navitju glave. Take glave so bile dokaj velike in nerodne, zato je bilo težko doseči veliko gostoto zapisa podatkov na površini plošče.

Pozneje so take glave izboljševali in diski so uporabljali t.i. glave MIG (Metal In Gap), še danes pa se v manjših in nekoliko starejših diskih uporabljajo t.i. glave s tanko plastjo (Thin Film). Princip delovanja pri teh je enak kakor pri prvotnih feritnih glavah, le da so neprimerno manjše, narejene pa so po postopku, ki je zelo podoben tistemu, s katerim izdelujejo integrirana vezja in čipe ( fotolitski postopek). Ta tip glave predstavlja spodnjo mejo majhnosti in sposobnosti zapisovanja in branja zelo gostih podatkov z metodo indukcije, ki smo jo opisali zgoraj.

In potem je leta 1990 IBM naredil revolucijo in predstavil prvi disk (zmogljivosti 857 MB) z glavami z magnetno upornostjo (MR - Magneto Resistive). Glava tipa MR je dvodelna - pisalni del je še vedno narejen v tehnologiji tanke plasti, bralni pa za delo uporablja popolnoma drugačen postopek od indukcijskega. Poseben material namreč ob spremembi magnetnega polja spremeni svojo upornost in tako zazna zapisani podatek na plošči. Za nepoznavalca nepomembna razlika (sprememba upornosti ali inducirana napetost - oboje predstavlja impulz, ki ga dodatna elektronika zazna), ki pa ima daljnosežne posledice. Za induciranje napetosti je namreč potrebnih kar nekaj žičnih navojev, kar pomeni, da mora imeti glava določeno velikost, sicer zapisanega podatka ne zazna. Glava MR pa je lahko zelo zelo majhna. Zapisovalni del še vedno uporablja indukcijo, vendar za zapisovanje ne potrebujemo toliko žičnih navojev (le 10 namesto 50) in je tudi ta del lahko bistveno manjši kakor pri glavah s tanko plastjo. In ker je celotna glava MR veliko manjša od glav s tanko plastjo, lahko z njimi obdelujemo bistveno "gostejše" podatke. Torej lahko na ploščo zapišemo veliko več podatkov. Prav glave MR so prinesle največji preskok v velikosti diskov.

 Zapisovanje na disk

Drugačna tehnologija glav MR prinaša tudi drugačne težave. Ena od resnih težav, ki jo proizvajalci rešujejo na različne načine, je dejstvo, da material na bralni glavi MR spremeni upornost, tudi ko se v glavo zaleti majhen prašni delec ("majhen" prašni delec je lahko za bralno glavo velik kakor velika skala). Resda jo spremeni tako zelo močno, da elektronika zlahka zazna, da to ni pravi podatek, ampak napaka, vendar elementi in elektronika potrebujeta nekaj časa, da stanje spet umirita. In ker se diskovne plošče vrtijo zelo hitro, je s tem izgubljen vsaj čas, ki je potreben, da se plošča zavrti za en krog (8 ms pri disku s 7200 vrtljaji na minuto) in lahko iskani podatek še enkrat prebere. Quantum to težavo rešuje tako, da elektronika natančno pozna obliko impulza (njegovo krivuljo), ki ga povzroči prašni delec in ga v trenutku ignorira in začne brati še enkrat.

Proizvajalci že raziskujejo še novejše tehnologije izdelave bralno/pisalnih glav. Zadnja novost so glave z veliko magnetno upornostjo (GMR - Giant Magneto Resistive), ki so še manjše od navadnih glav MR in omogočajo še večje gostote zapisa na diskovne plošče. Njihova občutljivost je še dvakrat večja od "navadnih" glav MR. Fujitsu in IBM jih v svojih diskih že uporabljata.

HITROST DISKA

Zakaj je kak disk sploh hitrejši sli počasnejši od drugega? Mnogi bi odgovorili, da je to seveda jasno - tisti, ki imajo manjši čas dostopa, je hitrejši! To pa niti približno ni res!

Čas dostopa je verjetno ena najbolj izrabljanih vrednosti pri določanju hitrosti nekega diska. Vrednost, ki jo merimo v milisekundah, pomeni čas, ki ga ročica z bralno/pisalnimi glavami v povprečju potrebuje, da se premakne nad iskano sled. čim krajši je ta čas, tem hitreje bomo dejansko našli podatek. Vendar so danes datoteke tako velike, da je čas dostopa le ena od vrednosti, ki določa hitrost diska. Razlike v časih dostopa so pri današnjih diskih minimalne.

Pomembna je tudi hitrost vrtenja plošč diska. Čim hitreje se te vrtijo, tem več podatkov steče pod bralno/pisalnimi glavami in več podatkov lahko v časovni enoti preberemo.

Pa tudi to drži le pogojno - odvisno je namreč od tega, kako na gosto so podatki napisani na plošči. Prav gostota podatkov je danes tista vrednost, ki najbolj prispeva k hitrosti diska. Če so podatki napisani bolj na gosto in se disk vrti enako hitro in ima tudi enak čas dostopa, je lahko kljub temu precej hitrejši. Večjo gostoto dosežejo z zapisovanjem več sektorjev v eni sledi ter z natančnejšim premikanjem glav in s tem naslavljanjem več sledi. V obeh primerih seveda potrebujemo tudi vedno manjše bralno/pisalne glave. Nekateri diski zmorejo gostoto že 10 GB na ploščo, drugi pa zmorejo le 3 GB.

 Sledi in sektorji

Razporeditev podatkov na disku

Pri zagotavljanju čim večje gostote, je pomemben tudi način zapisovanja v več conah (variable bit zone recording). Sledi na zunanjem delu plošče so daljše od tistih na notranjem, zato je logično, da lahko na zunanjih sledeh shranimo več podatkov (sektorjev). Vsi današnji diski zaradi enostavnosti ploščo razdelijo na več con, v katerih je število sektorjev na sled konstantno. Logično je torej, da je branje podatkov na zunanjih sledeh hitrejše kot branje na notranjih. Žal (ali pa k sreči) uporabnik nikoli ne ve, kam bo operacijski sistem shranil njegovo datoteko, tako da je ta podatek za določanje ali celo povečevanje hitrosti dela diska neuporaben.

 Sledi in sektorji

In seveda je zelo pomemben tudi predpomnilnik, ki ga imajo prav vsi diski. Velikosti predpomnilnika danes znašajo od 512 KB do 2 GB, kar je bistveno več kakor včasih, vendar pa to ni vse. Pomembna je tudi organizacija predpomnilnika in možnost predpomnjenja tudi pri pisanju.

Povezave: