Standusis diskas

Standusis diskas – duomenų laikmena, sudaryta iš daugelio disko plokštelių.^[1] Skaitmeniniai duomenys saugomi magnetinio įrašo pavidalu. Tai išliekamoji laikmena, kadangi duomenys standžiajame diske išlieka ir išjungus elektros srovę.^[2]^[3]^[4] Standusis diskas susideda iš kietų neįsimagnetizuojančių diskų, padengtų magnetine danga, magnetinių galvučių, kitos elektroninės įrangos ir ją reguliuojančio valdiklio, sujungtų į vieną įtaisą.

Standžiojo disko vidus. Iš arti (padidinus) matyti, jog besisukančių plokštelių ir slankiojančių galvučių yra kelios.

Dažniausiai naudojami – vidiniai standieji diskai, kurie būna kompiuterio ar kito įrenginio dalys, nors būna ir išorinių. Vidiniai diskai su kompiuteriu dažniausiai jungiami ATA, SCSI, Serial ATA, išoriniai – USB, Firewire (IEEE1394) sąsajomis.

2018 m. buvo šie pagrindiniai standžiųjų diskų gamintojai: Seagate (40 %), Western Digital (37 %) ir Toshiba (23 %).

Norint išskirti patį įrenginį, kuriame sukasi diskas, dar naudojamas terminas standžiojo disko įrenginys arba standžiojo disko kaupiklis.^[5]

Istorija

Standusis diskas sukurtas 6-ajame dešimtmetyje IBM, vadovaujant Rey Johnson. Buvo maždaug dviejų didelių šaldytuvų dydžio ir talpino 5 mln. šešių bitų simbolius (3,75 MB)^[6] 52 diskų krūvoje (naudota 100 paviršių).^[7] 1973 m. IBM sukūrė garsųjį 30 MB standžiojo disko modelį 3340 Winchester.

2022 m. pradžioje rinkoje pasirodė standieji diskai, kurių talpa 22 TB.^[8]

Charakteristikos

Įvairių standžiųjų diskų formatų palyginimas, iš kairės į dešinę: 5,25", 3,5", 2,5", PCMCIA-HDD

Talpa – duomenų kiekis, kurį standusis diskas gali saugoti. Šiuolaikinių 3.5" diskų talpa siekia 16 TB arba net 20 TB.
Fizinis dydis – beveik visų asmeninių kompiuterių ir serverių standžiųjų diskų dydis 3,5 arba 2,5 coliai. Pastarasis daugiau naudojamas nešiojamuosiuose kompiuteriuose. Retesni 1,8 colių, 1,3 colių ir 0,85 colių formatai.
Kreipties trukmė – nuo 3 iki 15 ms. Lyginant su puslaidininkiniais diskais, jų trukmė nesiekia 1 ms.
Apsisukimo trukmė – apsisukimų skaičius per minutę. Nuo šio parametro labai priklauso kreipties trukmė ir duomenų perdavimo sparta. Vertės: 4200, 5400 (nešiojamuosiuose kompiuteriuose), 7200 (asmeniniuose kompiuteriuose), 10000 ir 15000 rpm (serveriuose).
Duomenų perdavimo sparta – vidinėje disko paviršiaus zonoje: nuo 44,2 iki 74,5 Mb/s, išorinėje: nuo 74,0 iki 111,4 Mb/s, o M.2 diskams siekia iki GB/s;
Patvarumas, dar vadinamas MTBF (angl. Mean time between failures – vidutinis laikas tarp gedimų) – nusako kiek laiko vidutiniškai diskas funkcionuoja prieš gedimą.

Kitos charakteristikos: I/O operacijų skaičius per sekundę, elektros energijos suvartojimas, triukšmo lygis ir kaina.

Sandara ir komponentai

Išardytas standusis diskas

Įprasti standžiojo disko komponentai:

ant bendros ašies besisukančios magnetinio disko plokštelės;
skaitymo ir rašymo galvutės;
svirtis ir varikliukas;
disko variklis;
valdymo plokštė;
maitinimo ir duomenų kabeliai bei jungtys.

Diskai, disko variklis, galvutės ir svirtis su varikliuku įprastai įmontuojami į hermetišką korpusą. Kiti komponentai, kurie neįeina į hermetišką korpusą (valdymo plokštė, priekinis skydelis, konfigūracijos elementai ir kt.), pakeičiami ir yra korpuso išorėje.

Disko plokštelės

Seagate-ST19171N disko disko plokštelės krūvoje

Disko plokštelės įprastai gaminamos iš aliuminio arba kitos standžios medžiagos, padengtos feromagnetiniu sluoksniu.^[9] Yra modelių su keraminėmis ir stiklo plokštelėmis. Įprastai standžiuosiuose diskuose būna kelios plokštelės, dažniausiai 1-4, o itin talpiuose diskuose gali būti iki 12. Kuo daugiau plokštelių, tuo įrenginys triukšmingesnis, sunaudoja daugiau elektros energijos ir išskiria daugiau šilumos.

Plokštelės – dvipusės, dėl to turi du darbinius paviršius, nors kai kuriuose modeliuose naudojama tik vienas.

Skaitymo ir rašymo galvutės

Skaitymo ir rašymo galvutė

Kadangi disko plokštelės dvipusės ir informaciją į jas galima įrašyti abiejose pusėse, prie jos yra dvi skaitymo ir rašymo galvutės.^[10] Tiesioginis galvutės ir paviršiaus sąlytis galimas tik esant nedideliems sukimosi greičiams, o prie didelių greičių galvutės virš darbinių paviršių dėl aerodinaminės keliamosios jėgos pakyla.^[11] Realus atstumas tarp galvučių ir plokštelių – keli nanometrai (10⁻⁹m). Diskui nesisukant galvutės išvedamos į nedarbinę zoną ir gali liestis su plokštelės paviršiumi. Skirtinguose standžiųjų diskų modeliuose gali būti 1-8 galvutės.

Disko variklis

Disko variklis sukantis disko plokšteles

Diskus tam tikru sukimosi greičiu suka disko variklis (dar vadinamas ašiniu varikliu).^[12] Nuo disko variklio ir ašies sukimosi priklauso vidutinė kreipties trukmė. Didesnis greitis ne visada naudingas, nes tada išskiriama daugiau šilumos ir reikalinga ventiliacija. Jai nesant diskas genda ir mažėja jo veikimo trukmė. Šiandien įprastas diskų sukimosi greitis: 4200, 5400, 7200, 10000 ir 15000 rpm.^[13]

Valdymo plokštė

Standžiojo disko valdymo plokštė

Valdymo plokštė – spausdinta schema su elektrinėmis valdymo grandinėmis valdanti svirties judėjimą, disko sukimąsi ir paruošianti komandų nuskaitymą bei rašymą iš disko valdiklio. Šiuolaikinės elektroninės sistemos geba efektyviai suplanuoti skaitymo ir rašymo intervalus diske ir pakeisti pažeistuosius sektorius atsarginiais.

Didžiausia plokštės mikroschema – procesorius, kuris apdoroja skaitmeninę informaciją ateinančią iš kompiuterio ir analoginę – iš magnetinės galvutės.

Antras svarbus komponentas – RAM mikroschema atliekanti buferio funkciją vykdant duomenų mainus tarp disko ir disko valdymo plokštės. Talpa nuo 8 iki 64 MB.

Trečiasis komponentas – disko valdiklis (trečioji mikroschema valdymo plokštės nuotraukoje, žemiau RAM mikroschemos), atsakingas už disko variklio paleidimą ir sustabdymą, greičio valdymą ir servopavaros valdymą.

Kairiajame plokštės kampe esanti mikroschema (turi 4 kojeles kiekvienoje iš dviejų pusių) – VRAM (pastovioji atmintis) saugo įmontuotąją programinę įrangą ir informaciją reikalingą standžiojo disko inicializacijai.

Fizinis informacijos organizavimas

Cilindro, sektoriaus ir galvutės sąvokos. Kiekviena iš keturių pavaizduotų besisukančių plokštelių turi dvi galvutes (po vieną abiem plokštelės pusėms)

Paprastai diskas turi keletą besisukančių plokštelių, kurių abiejose pusėse magnetinės galvutės gali rašyti ir skaityti duomenis. Dažniausiai, kiekviena plokštelės pusė turi savo atskirą galvutę, taigi galvučių būna dukart daugiau nei plokštelių. Plokštelėje yra apskritimo formos magnetiniai takeliai. Sutartą kiekį informacijos (dažniausiai 512 baitų) talpinanti takelio dalis vadinama sektoriumi. Visi skirtingose plokštelėse, bet tokiu pat atstumu nuo sukimosi ašies, (vienas virš kito) esantys takeliai kartu sudaro cilindrą. Senesnio tipo diskai turėjo vienodą sektorių skaičių visuose cilindruose, todėl arčiau centro esančioje plokštelės dalyje informacijos tankis būdavo didesnis. Naujesni diskai (maždaug nuo 1990 m.) išoriniuose cilindruose turi daugiau sektorių. Siekiant išsaugoti suderinamumą su senesne įranga, jie, jei reikia, tiesiog imituoja „virtualias“ galvutes ir vienodą skaičių sektorių turinčius cilindrus. Šiuo atveju, konfigūruojant BIOS, galima nustatyti bet kokį galvučių, cilindrų ir sektorių cilindre skaičių (jei tik neviršijamos pačios BIOS ribos ir reali disko talpa). Visa ši imituojama struktūra nebeatspindi fizinės informacijos organizacijos ir naujesniems adresavimo režimams nebereikalinga.

Adresavimo režimai

Labiausiai paplitę du diske esančių duomenų adresavimo režimai: senesnis CHS (angl. cylinder, head, sector) ir naujesnis LBA (angl. logical block addressing).

CHS aprašo diską fiziniais parametrais, nurodydama magnetinio takelio numerį (cilindrą), skaitančią galvutę ir skaitomą sektorių. Didžiausias šio standarto palaikomas diskas iš pradžių galėjo turėti 1024 cilindrus, 16 galvučių ir 63 sektorius kiekviename cilindre. Esant įprastiniam sektoriaus dydžiui (512 baitų), tokio disko talpa yra tik 528 megabaitai. Šią ribą lėmė tuo metu naudotas IBM disko kontroleris, palaikantis ne daugiau šešiolikos galvučių. Pasirodžius didesniems diskams, kontroleris buvo pakeistas, bet liko BIOS nustatytos ribos (1024 cilindrai, 256 galvutės ir 64 sektoriai cilindre). Didžiausia galima disko talpa padidėjo iki 7,8 gigabaito.

Ilgą laiką to pakako, tačiau dabartinių diskų talpa siekia dešimtis, šimtus ar tūkstančius gigabaitų. Šie diskai gali tinkamai dirbti tik naudojant mažiau apribotą LBA standartą.

LBA nusako diską tiesiog kaip vienas po kito sekančių nuosekliai sunumeruotų blokų aibę. Pats standartas rimtų dydžio apribojimų neturi, tačiau dėl įvairių BIOS nesuderinamumo problemų praeityje yra buvę 2,1, 4,2, 8,4, 32 ir 128 gigabaitų talpos ribos, kurioms „įveikti“ tekdavo atnaujinti ne vien diską, bet ir kitą įrangą. 2,1, 4,2 ir 32 gigabaitų ribos buvo kritinės: įstačius didesnės talpos diską, jis apskritai neveikdavo. Likusiais atvejais sistema tiesiog nepanaudodavo dalies disko talpos.

ATA gali naudoti CHS (jei diskas mažesnis už 7,8 gigabaito) arba LBA. SCSI visada naudoja LBA.

Standžiajame diske būna vienas arba keli skirsniai, kurių kiekvienas turi savo nepriklausomą failų sistemą. Duomenų saugojimo patikimumui padidinti keli vienodi diskai gali būti sujungiami taip, kad saugoma informacija būtų dubliuojama kiekviename iš jų (RAID – angl. redundant array of independent disks).

Disko magnetinės galvutės

Kvėpavimo anga su nurodymu jos neuždengti

Neveikiančiame diske magnetinės galvutės guli ant disko paviršiaus. Diskui sukantis, oro srautas jas pakelia ir, darbo metu, galvutė disko neliečia. Taigi teiginiai, jog šio įrenginio viduje yra vakuumas, neteisingi: viduje būtinas oras darbo metu palaikantis galvutes reikiamame aukštyje. Trūkstant oro (pvz., esant labai aukštai), galvutė gali nukristi ant disko ir jį sugadinti. Dideliame aukštyje ar šiaip labai žemo slėgio sąlygomis naudojami specialūs diskai sandariu korpusu. Įprasto keleivinio lėktuvo kabina sandari ir slėgis joje pakankamas įprastiniams diskams dirbti.

Įprastai išjungiant diską, galvutės patraukiamos į duomenų nesaugančią disko sritį (angl. landing zone) ir nusileidžia ten. Staiga dingus maitinimo įtampai galvutė dažnai nukrenta ant duomenis saugančios srities, kai kada ją sugadindama (prarandami duomenys). Bet kuriuo atveju nusileidimas ant paviršiaus kenkia ir pačiai galvutei, todėl disko įjungimų – išjungimų skaičius yra ribotas (pavyzdžiui, Maxtor DiamondMax diskui jis yra maždaug 50 000). Siekiant prailginti amžių, kai kuriuose naujausiuose modeliuose sustojant diskui galvutės ant jo nenuleidžiamos.

Įprastinio standžiojo disko korpusas nėra sandarus ir turi „kvėpavimo angą“, per kurią susilygina vidaus ir išorės slėgiai. Disko korpusas saugo tik nuo dulkių ir kitų išorinio poveikio veiksnių.

Talpa

2024 m. didžiausia standžiojo disko talpa – 32 TB.^[14] Galutinis naudotojas operacinėje sistemoje standžiojo disko talpą mato mažesnę nei nurodyta gamintojo dėl kelių priežasčių, pvz., šiek tiek sunaudoja pati operacinė sistema, išskiriama erdvė duomenų pertekliui ir failų sistemos struktūroms.

Įvairios jungtys

SATA kabeliais įprasta prijungti standžiuosius diskus.

Nuo 2009 m. tapo įprasta prijungti standųjį diską naudojant Serial ATA (SATA) jungtį, kurių šiuolaikinėse pagrindinėse plokštėse įprastai yra keturios arba daugiau. Prieš tai naudota IDE (šiandien vadinama PATA) jungtis.

SCSI sąsaja populiari serveriuose. Dažnai keli SCSI diskai dažnai naudojami kartu, siekiant apsisaugoti nuo duomenų praradimo ar sugadinimo (RAID konfigūracija).

Jautrumas

Nors standieji diskai ir pasižymi sandariu korpusu, per mažas „kvėpavimo angas“ oras praleidžiamas, taip išlyginant oro slėgį tarp disko vidaus ir atmosferos. Specialios angos uždengtos specialiu filtru, kad dulkės ir drėgmė nepatektų į vidų ir nepažeistų disko paviršiaus.

Diskai jautrūs drėgmei, riebalams, dulkėms ir įbrėžimams. Jeigu diskas būna paveiktas bet kurio iš šių veiksnių, jis gali būti sugadintas. Kietąjį diską galima atidaryti tik sausoje, nedulkėtoje aplinkoje, o diskų negalima liesti rankomis. Reikia naudoti pirštines.

Kietieji diskai taip pat jautrūs staigiems išjungimams, nes disko svirtis nespėja pereiti į miego režimą.

SMART technologija

SMART technologija (angl. Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology) – standžiųjų diskų diagnostikos sistema, skirta periodiškai stebėti ir iš anksto numatyti disko gedimą. Šia technologija galima gana tiksliai (arba dažniausiai tik su nedideliu nuokrypiu) nustatyti, kada verta pakeisti standųjį diską.

Šaltiniai

↑ Standusis diskas. V. Dagienė, G. Grigas, T. Jevsikova. Enciklopedinis kompiuterijos žodynas. 4-as leidimas. Vilnius: VU MII, 2014 // EKŽ, 2021, nuolat atnaujinamas. ISBN 978-9986-680-52-9.
↑ Patterson, David; Hennessy, John (1971). Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface. Elsevier. p. 23. ISBN 9780080502571.
↑ Domingo, Joel. „SSD vs. HDD: What's the Difference?“. PC Magazine UK. Suarchyvuota iš originalo March 28, 2018. Nuoroda tikrinta March 21, 2018.
↑ Mustafa, Naveed Ul; Armejach, Adria; Ozturk, Ozcan; Cristal, Adrian; Unsal, Osman S. (2016). „Implications of non-volatile memory as primary storage for database management systems“. 2016 International Conference on Embedded Computer Systems: Architectures, Modeling and Simulation (SAMOS). IEEE. pp. 164–171. doi:10.1109/SAMOS.2016.7818344. hdl:11693/37609. ISBN 978-1-5090-3076-7. S2CID 17794134.
↑ Urbanavičius, Vytautas (2007). Kompiuteriai ir jų architektūra. Vilnius: Technika. p. 143. ISBN 978-9955-28-178-8.
↑ „Time Capsule, 1956 Hard Disk“. Oracle Magazine. Oracle. July 2014. Suarchyvuota iš originalo August 11, 2014. Nuoroda tikrinta September 19, 2014. „IBM 350 disk drive held 3.75 MB“
↑ „IBM Archives: IBM 350 disk storage unit“. IBM. January 23, 2003. Suarchyvuotas originalas June 17, 2015. Nuoroda tikrinta July 26, 2015.
↑ van Monsjou, Daan (2022-01-29). „Seagate is begonnen met het leveren van eerste 22TB-hdd's“. Tweakers (olandų). Suarchyvuotas originalas 2022-01-29. Nuoroda tikrinta 2022-01-29.
↑ disko plokštelė. V. Dagienė, G. Grigas, T. Jevsikova. Enciklopedinis kompiuterijos žodynas. 4-as leidimas. Vilnius: VU MII, 2014 // EKŽ, 2021, nuolat atnaujinamas. ISBN 978-9986-680-52-9.
↑ Giedrimas, Vaidas (2023). Informatikos ir informatinio mąstymo mokomoji veikla. Kompiuterio sandara (PDF). Vilnius: Vilniaus universitetas. p. 10.
↑ Urbanavičius, Vytautas (2007). Kompiuteriai ir jų architektūra. Vilnius: Technika. p. 146. ISBN 978-9955-28-178-8.
↑ Urbanavičius, Vytautas (2007). Kompiuteriai ir jų architektūra. Vilnius: Technika. p. 143. ISBN 978-9955-28-178-8.
↑ „Hard disk (HDD) – pevný disk“ (PDF) (čekų). Suarchyvuotas originalas (PDF) 2017-05-17. Nuoroda tikrinta 2006-12-16.
↑ „Exos Mozaic 3+ | Seagate US“.

[1] Standusis diskas. V. Dagienė, G. Grigas, T. Jevsikova. Enciklopedinis kompiuterijos žodynas. 4-as leidimas. Vilnius: VU MII, 2014 // EKŽ, 2021, nuolat atnaujinamas. ISBN 978-9986-680-52-9.

[2] Patterson, David; Hennessy, John (1971). Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface. Elsevier. p. 23. ISBN 9780080502571.

[3] Domingo, Joel. „SSD vs. HDD: What's the Difference?“. PC Magazine UK. Suarchyvuota iš originalo March 28, 2018. Nuoroda tikrinta March 21, 2018.

[4] Mustafa, Naveed Ul; Armejach, Adria; Ozturk, Ozcan; Cristal, Adrian; Unsal, Osman S. (2016). „Implications of non-volatile memory as primary storage for database management systems“. 2016 International Conference on Embedded Computer Systems: Architectures, Modeling and Simulation (SAMOS). IEEE. pp. 164–171. doi:10.1109/SAMOS.2016.7818344. hdl:11693/37609. ISBN 978-1-5090-3076-7. S2CID 17794134.

[5] Urbanavičius, Vytautas (2007). Kompiuteriai ir jų architektūra. Vilnius: Technika. p. 143. ISBN 978-9955-28-178-8.

[350Cap-6] „Time Capsule, 1956 Hard Disk“. Oracle Magazine. Oracle. July 2014. Suarchyvuota iš originalo August 11, 2014. Nuoroda tikrinta September 19, 2014. „IBM 350 disk drive held 3.75 MB“

[ibm-350-dsu-7] „IBM Archives: IBM 350 disk storage unit“. IBM. January 23, 2003. Suarchyvuotas originalas June 17, 2015. Nuoroda tikrinta July 26, 2015.

[8] van Monsjou, Daan (2022-01-29). „Seagate is begonnen met het leveren van eerste 22TB-hdd's“. Tweakers (olandų). Suarchyvuotas originalas 2022-01-29. Nuoroda tikrinta 2022-01-29.

[9] sko plokštelė. V. Dagienė, G. Grigas, T. Jevsikova. Enciklopedinis kompiuterijos žodynas. 4-as leidimas. Vilnius: VU MII, 2014 // EKŽ, 2021, nuolat atnaujinamas. ISBN 978-9986-680-52-9.

[10] Giedrimas, Vaidas (2023). Informatikos ir informatinio mąstymo mokomoji veikla. Kompiuterio sandara (PDF). Vilnius: Vilniaus universitetas. p. 10.

[11] Urbanavičius, Vytautas (2007). Kompiuteriai ir jų architektūra. Vilnius: Technika. p. 146. ISBN 978-9955-28-178-8.

[12] Urbanavičius, Vytautas (2007). Kompiuteriai ir jų architektūra. Vilnius: Technika. p. 143. ISBN 978-9955-28-178-8.

[13] „Hard disk (HDD) – pevný disk“ (PDF) (čekų). Suarchyvuotas originalas (PDF) 2017-05-17. Nuoroda tikrinta 2006-12-16.

[14] „Exos Mozaic 3+ | Seagate US“.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]