PEVNÉ DISKY A DISKETY

SCSI

    Rozhraní SCSI se používá všude tam, kde je potřeba rychle přenášet data mezi pamětí počítače a připojeným zařízením. Mezi zařízení, která se připojují přes rozhraní SCSI mohou patřit pevné disky, profesionální scannery, vypalovací mechaniky CD-ROM, mechaniky výměnných disků magnetických i magnetooptických atd. Zjednodušeně řečeno, je rozhraní SCSI obdobou rozhraní typu ATA (IDE, EIDE, Ultra ATA, ...). První verze rozhraní SCSI bylo definováno v roce 1986 a neslo označení SCSI-1. S touto verzí se dnes již nepočítá, ale její hlavní rysy převzaly další vylepšené standardy. Tato sběrnice podporovala maximálně osm zařízení, osmibitový přenos a frekvenci 5MHz, což znamená teoretickou přenosovou rychlost 5MB/s. Dnes se hojně používá standard SCSI-2, která má vylepšenou sadu komunikačních příkazů pro plnou podporu i jiných zařízení než pevných disků, umožňuje multitasking na sběrnici, což je obrovskou výhodou, když může zároveň komunikovat s počítačem více zařízení SCSI. Kromě převzatého 8bitového přenosu pojmenovaného Narrow definuje také 16bitový přenos Wide, který pak vždy dovoluje připojit až 16 zařízení na sběrnici a předznamenává dvojnásobnou přenosovou rychlost oproti svému předchůdci. V rámci SCSI-2 mluvíme tedy o protokolech Fast SCSI a Fast Wide SCSI. Obdobně SCSI-3 přináší další zvyšování frekvence sběrnice a s tím i analogické protokoly Ultra SCSI a Ultra Wide SCSI. Kromě vyšší rychlosti však také citelně omezuje maximální délku sběrnice. Jako poslední novinka byla na trh uvedena Ultra2 SCSI, která má opět dvojnásobnou frekvenci sběrnice oproti svému předchůdci. Aby se však nemusela zkracovat délka sběrnice, používá odlišnou signalizační techniku, méně náchylnou na rušení (to bylo problémem zejména u předchozí verze Ultra SCSI).
    To by bylo přibližně vše z historie a nyní se podívejme již konkrétně na SCSI. Každé zařízení obsahuje logické obvody pro inteligentní komunikaci, avšak v tomto případě tvoří celou novou sběrnici. Často se proto mluví o řetězci SCSI, neboť jednotlivá zařízení jsou propojena v jedné linii. Každé zařízení (kromě krajních) je spojeno se svým předchůdcem a na něj analogicky navazuje následník. Jedním z těchto zařízení musí být řadič SCSI, což je vlastně rozšiřující (adaptér) karta pro sběrnice ISA, VLBus, PCI, přes kterou se zbývající zařízení SCSI dorozumívají s ostatními částmi počítače. SCSI řadič může být též integrován přímo na základní desce, což má řadu výhod, ale i nevýhod. Na tento řadič pak "navěsíme" z jedné strany zařízení interní (pevný disk, CD-ROM mechaniku, ...) a z druhé strany pak zařízení externí (scannery, ZIP mechaniky, ...).

    Je dobré se též zmínit podrobněji o volbě přídavných karet SCSI, protože i použitá zařízení vyžadují své. Pokud budeme rozhraní SCSI používat např. pro ZIP mechaniku, pak nám postačí rozšiřující karta pro slot typu ISA. Pokud ovšem toto rozhraní chceme použít pro pevný disk, profesionální scanner nebo jiné zařízení na něž klademe požadavek vysoké rychlosti, je vhodnější pořídit dražší adaptér pro sběrnici PCI. Dnes je možné se dokonce setkat s provedením SCSI pro paralelní port, PCMCIA nebo jak již bylo uvedeno je možné též provedení integrované na základní desce. Tak jako každá přídavná karta potřebuje pro sebe unikátní vstup/výstupní adresu a úroveň IRQ (obvykle v rozmezí 9-12), v provedení ISA a VLBus taktéž jeden kanál DMA pro přímý přístup do paměti (hodnoty 1, 3 nebo 5). Řadiče PCI místo kanálů DMA používají obdobnou schopnost sběrnice PCI nazývanou bus mastering. V neposlední řadě je potřeba též dát počítači na vědomí, že je SCSI adaptér nainstalován. To se odehrává za přičinění příslušných driverů (ovladačů) v námi používaném operačním systému.

    Pro vnitřní komunikaci na sběrnici má každé zařízení přidělenu unikátní hodnotu ID v rozmezí 0-9, resp. 0-15 pro verze Wide SCSI. Přidělování těchto hodnot je opět na uživateli, kdy opět na každém zařízení musí dle manuálu propojkami ručně nastavit příslušnou hodnotu a zároveň zkontrolovat stav, aby nedocházelo ke konfliktům. Výrobci tohoto HW ovšem již dnes dodávají SW s jehož pomocí je možné provádět přidělování ID bez zásahu do HW. V praxi má řadič obvykle hodnotu ID = 7 a zařízení, ze kterého chceme startovat systém hodnotu ID = 0.

    Hovoříme-li obecně o sběrnici SCSI a jejích zařízeních máme na mysli verzi Single-Ended SCSI, jak je označena absolutní elektrická signalizace - kladné napětí znamená logickou jedničku, nulové napětí logickou nulu. Je to velmi levné, a proto rozšířené řešení, nicméně náchylné na rušení a tudíž extrémně limitované délkou celé sběrnice. Naproti tomu existuje dražší Differential SCSI, které čte hodnotu signálů z rozdílu napětí na dvou vodičích a je tedy méně náchylné na rušení, což dovoluje maximální délku sběrnice až 25m. Je nutné vědět, že zařízení pro Differential SCSI nelze míchat na jedné sběrnici s klasickými zařízeními! Přesto že jsou kabeláž a konektory zcela totožné, zařízení by se mohla poškodit. Až poslední uvedený standard Ultra2 SCSI používá vylepšenou signalizaci LVD, jejíž zařízení lze používat zároveň se Single-Ended mechanikami.

   Historie se ubírala trendem miniaturizace, takže od původní diskety o rozměru 14" (355,6mm), se přecházelo k disketám o rozměrech 8" (203,2mm) až k disketám 5,25" (133,3mm), což byl vlastně předchůdce dnes nejrozšířenějšího typu disket o rozměrech 3,5" (88,9mm).

   Magnetický disk je uzavřen v ochranném plastikovém obalu. Obal má kruhový výřez pro upnutí disku na hnací vřeteno. Na disku je pak kovový kroužek s otvory, které přesně kopírují zachytávací mechanizmus. Dalším otvorem, který je překryt odkrývací záklopkou, je otvor umožňující čtecí (zápisové) hlavičce dotyk s médiem (diskem). Kapacita disket vzrostla z původních 200kB na 1,44MB. Velkou nevýhodou je kromě mechanického poškození diskety i vybavovací doba, která se pohybuje kolem 200ms. Při čtení nebo zápisu se hlavička přímo dotýká média. Aby nedošlo k jeho nadměrnému otěru, je hlava k médiu přitisknuta jen při těchto operacích a nebo se rotace média zastavuje, je li doba mezi operacemi delší než 10s.

   Pokud se opět vrátíme trochu do historie, můžeme se podívat na různé druhy záznamu. Ten mohl být buď jednostranný (SS, single side) nebo oboustranný (DS, double side). Pro oboustranný záznam se používaly dvě hlavy. Diskety označené jak DS tak SS měly citlivou magnetickou vrstvu z obou stran, ale u SS byla zaručena jakost pouze strany jedné. Často bylo možné setkat se s údajem, který označoval hustotu záznamu - jednoduchou (SD, single density) nebo dvojnásobnou (DD, double density).

Historie pevných disků

   První pevný disk byl vyvinut v laboratořích firmy IBM v roce 1956. Měl průměr 24 palce a kapacitu 4,4 MB. Avšak historie pevných disků začala teprve v roce 1973, kdy přišly na trh pod označením Winchester první uzavřené disky. Od té doby jde pokrok stále kupředu. V roce 1975 byly dodány první disky o průměru 14 a 8 palců. V polovině 80tých let se objevily pevné disky s rozhraním ST506. Jejich rozhraní, vyvinuté firmou Seagate, však zvládlo přenést maximálně pouze 625 kB/s. Rozhraní a jednotka pracovaly na stejném principu jako u disket. Hlavy disku se pohybovaly pomocí malých krokových motorků. Mimochodem, první disk s ST506 měl kapacitu 5 MB. Alternativu k ST506 pod označením ESDI (Enhanced Small Device Interface) vyvinula a v roce 1983 představila firma Maxtor. Toto rozhraní dokázalo přenášet již 2,4 MB/s. ESDI má dnes již pouze okrajový význam. Nejvýkonnější disky jsou dnes téměř bez výjimky vybaveny rozhraním SCSI (Small Computer Systems Interface). V roce 1984 vyvinula firma Western Digital na zakázku společnosti Compaq standardní rozhraní pro sběrnici PC, které je dnes známé jako IDE (Integrated Disk Electronic), což znamená integrovanou elektroniku jednotky. Poté co i jiní výrobci v mírně modifikované podobě použili toto levné rozhraní, věnovala se specifikaci IDE od roku 1988 pracovní skupina výboru ANSI. Trochu později předložila první návrh normy pod názvem ATA (AT-Attachment). Všechny řídící prvky a samotný řadič byly integrovány na diskové jednotce. Karta rozhraní byla pouze spojením mezi jednotkou a systémovou sběrnicí. Nevýhodou však bylo, že karta rozhraní podporovala nanejvýš dva disky. Tento nedostatek byl však vylepšením IDE - EIDE (Enhanced IDE) částečně odstraněn. EIDE může oslovit až čtyři jednotky s maximální kapacitou 8,3 GB.

Technické parametry disků

   Pevný disk se skládá z jednoho či více kovových kotoučů potažených z obou stran magnetickým materiálem (oxidy železa). Počet kotoučů je různý od jednotlivých mechanik. Například původní mechanika počítače XT o kapacitě 10 MB měla tyto kotouče dva. Novější disky jich mají i více. Výroba kotoučů je technologicky nejvíce náročná (tudíž i nejdražší), protože povrch kotouče musí být téměř absolutně hladký. Z toho plyne, že pevný disk s více kotouči o určité kapacitě bude dražší, než disk o stejné kapacitě, avšak s menším počtem kotoučů.

   Pro každý povrch kotouče má pevný disk elektromagnetickou čtecí a zápisovou hlavu s mikroskopickou cívkou. Hlavy disku uchovávají data na disku elektromagneticky. Materiál tvořící magnetický povrchů kotoučů, má nízkou koercivitu při pokojové teplotě a to umožňuje velmi malé čtecí a záznamové hlavy a slabé magnetické pole. Všechny hlavy jsou umístěny na jednom společném rameni a pohybují se tedy zároveň. Jsou výkyvné po obvodu kružnice a ovládají se velmi přesným motorem. Čím je motor rychlejší a kvalitnější, tím má pevný disk menší přístupovou dobu - tím také rychleji reaguje na povely.

   Pevný disk se točí konstantní rychlostí (nikoli tedy jako u CD), která je obvykle v intervalu 3 600 až 7 200 otáček za minutu. Novinkou a výjimkou je Seagate Cheetah s 10 033 otáčkami za minutu.

   Pevné disky se dříve dělaly prakticky jen v šířce 5,25". V současné době se produkují pouze 3,5" disky a 2,5" disky do notebooků. Avšak samozřejmě existují výjimky (například firma Quantum svou řadou pevných disků BigFoot).

Geometrie disku

   Pevný disk je sestaven tak, že jeho kotouče jsou uchyceny na společné ose jeden za druhým. Každou stranu kotouče označujeme jako povrch. Z toho plyne: jeden kotouč, dva povrchy. Dále je každý povrch rozdělen do soustředných kružnic - stop. Stopy, které se nacházejí na různých površích pod sebou, tvoří tzv. válec - cylindr. Povrchy jsou obrazně rozděleny ještě paprskovitě. Díky tomuto rozdělení nám vznikly oblasti, které se nazývají sektory (1 sektor = 512 Bytů).

Rychlost

   Proces čtení sektoru se skládá za dvou kroků. Nejdříve se čtecí a zápisová hlava přemístí nad požadovanou stopu. Potom se čeká, až se disk natočí tak, že požadovaný sektor je pod hlavou, který následně přečte. Posun hlavy obvykle zabere většinu času. Nejideálnější by bylo, kdyby byly sektory souboru uloženy na stejné stopě. V případě uložení sektorů na více stopách by bylo ideální, kdyby tyto stopy byly umístěny na různých površích pod sebou. Průměrný čas vystavení hlavy na požadovanou stopu se nazývá doba vyhledávací a čas čekání na to, až sektor najede pod hlavu se nazývá doba čekací. Součet těchto časových hodnot označujeme termínem - přístupová doba. Přístupová doba je důležitým faktorem výkonnosti pevného disku.

Posun čtecí/záznamové hlavy nad povrchem

   Další charakteristikou pevného disku je způsob posunu čtecí/záznamové hlavy na požadovanou stopu. V současné době jsou stále ještě používány dva mechanismy:

• krokový motorek

  Krokový motorek není jako obyčejný elektromotor, který se otáčí, když se mu nepřetržitě dodává elektrické napětí. Krokový motorek dostává elektrické impulsy a otáčí se po částech, kterým se říká kroky. Hřídel motorku má kolem sebe obtočen tenký pružný kovový pásek, který se při otáčení motorku rozvíjí nebo navíjí. Tento mechanismus má však své nevýhody. Princip vystavování hlav je mechanický, tudíž disky vybavené tímto krokovým motorkem jsou pomalé, umožňující malou hustotu záznamu. Dále zde samozřejmě dochází také k opotřebení a k dalším jevům souvisejícím s opotřebením.

• vychylovací cívka (běžnější)

  Vychylovací cívka je vlastně cívka s jádrem o kruhovém průřezu a pružinou. Když se dodá elektrická energie cívce, vzniká elektromagnetické pole, které vysune jádro podle toho, kolik energie je použito. Pružina působí opačnou silou na prut tak, aby došlo ke správnému vystavení čtecí a záznamové hlavy na požadovanou stopu. Tento mechanismus je spolehlivější než u krokového motorku.

Kódovací schémata

   Postupem času se zvyšovala potřeba umístit na pevný disk co nejvíce informací. Výrobci pevných disků přemýšleli, jak zvýšit kapacitu těchto médií. Dalo by se sice přidat více kotoučů, ale hraje zde důležitou roli cena a prostor. Napadlo je tedy, že by se dal změnit systém kódování dat tak, aby se zvýšila plošná hustota zápisu.

   V podstatě se data na magnetickém médiu skladují kódováním, které označujeme jako inverzní tok. Inverzní znamená buď negativní k pozitivnímu nebo pozitivní k negativnímu. Inverze se objevuje jako pulzy. Disky používají pulz a nepřítomnost pulzu jako reprezentaci dat na disku.

   Nejjednodušší případ kódování by vypadal takto:

   Existuje však praktická překážka této jednoduché metody. Kdyby se vyskytla dlouhá řada nul, tak by řadič ztratil pojem o čase (synchronizaci). Pulzy totiž pomáhají data a řadič synchronizovat. Proto potřebujeme kódovací schéma, které nám zaručí, že nikdy nebudeme příliš dlouho bez pulzu. Postupem času se objevila tři kódovací schémata: FM, MFM, RLL.

FM (frekvenční modulace)

   Frekvenční modulace kóduje jedničku jako dva pulsy a nulu jako pulz, za kterým nenásleduje pulz.

   Toto schéma vypadá účinně, ale již se nepoužívá, protože docházelo k plýtvání s pulzy (místem).

MFM (modifikovaná frekvenční modulace)

   Dalším druhem kódování, které se objevilo u pevných disků, bylo MFM. Zaručovalo, že se neobjevilo za sebou příliš mnoho nulových pulzů a také se tolik pulzy neplýtvalo.

   V současné době se kódování MFM již také nepoužívá. Vystřídalo ho kódování RLL.

RLL (omezená délka chodu - Run Length Limited)

   Toto kódovací schéma je poněkud složitější, ale o to kvalitnější, výkonnější, atp.

RLL kóduje takto:

00 = PNNN
01 = NPNN
100 = NNPNNN
101 = PNNPNN
111 = NNNPNN
1100 = NNNNPNNN
1101 = NNPNNPNN

Tab. 3. Kódovací schéma FM, MFM a RLL.

Rozhraní mezi řadičem a diskovou jednotkou

   Aby pevný disk mohl komunikovat s řadičem - host adapter (deska elektronických obvodů, která tvoří mezičlen mezi diskovou jednotkou a základní deskou), musí se dohodnout na "jazyku", kterým budou mezi sebou hovořit. Tento "jazyk" se nazývá rozhraní (interface). Dříve se kupoval pevný disk rovnou s řadičem (host adaptérem), takže bylo zaručeno, že si pevný disk a řadič budou rozumět. Dnes však tomu tak není. Pevný disk se prodává samostatně a řadič (host adapter) bývá integrován přímo na základní desce. Z toho vyplývá, že muselo vzniknout jakési společné standardní rozhraní.

ST506

   První rozhraní, které vyvinula firma Shugart Technologies bylo ST 506/412, častěji nazývané ST506. Propojení (mezi diskem a řadičem) tohoto rozhraní bylo zajišťováno 20-ti vodičovým kabelem pro data a 34vodičovým kabelem pro řídící signály. Toto rozhraní bylo velice pomalé, hloupé (znalo jen základní povely) a citlivé na šum. V současné době se vyskytuje pouze u počítačů XT.

ESDI

   Začátkem 80.let vzniklo rozhraní, které odstraňovalo některé nedostatky ST506. Nový standard byl nazván ESDI (Enhanced Small Device Interface - rozšířené rozhraní malých zařízení). Toto rozhraní bylo daleko rychlejší než ST506. Disková jednotka ESDI mohla svému řadiči posílat informace o své geometrii tj. počet hlav, cylindrů a sektorů a nemusela se dále složitě konfigurovat, jak tomu bylo v případě ST506. Rozhraní ESDI se však nestalo příliš populární a bylo pomalu vytlačeno rozhraními SCSI a IDE.

SCSI

   Zhruba ve stejné době, kdy bylo vyvíjeno rozhraní ESDI, si výrobci počítačů uvědomili, že je třeba vymyslet něco, co se podobá rozhraní pevných disků, ale co umí obsloužit nejen pevné disky, ale i zařízení jako : jednotky CD ROM, scannery, kazetopáskové jednotky, tiskárny. Tak vzniklo rozhraní SCSI (Small Computer Systems Interface - rozhraní malých počítačových systémů). Jeho největší předností je, že umožňuje připojit až sedm zařízení na jeden kanál. Rozhraní SCSI je výkonnější a spolehlivější než ostatní známá rozhraní a v současné době existuje v mnoha variantách (SCSI, SCSI2, SCSI3, FAST WIDE, ULTRA WIDE,...). Vzhledem k vysokým cenám SCSI disků, řadičů a dalších periferií a také kvůli poněkud složitější konfiguraci se setkáme s tímto rozhraním u výkonných počítačů (serverů), kde je výkon a spolehlivost SCSI rozhraní téměř nutností.

IDE

   V roce 1986 firmu Compaq napadlo, že čím je kabel propojující pevný disk s řadičem delší, tím nižší je maximální rychlost přenosu dat a vyšší hladina šumu. Jejich technici šli k firmě Western Digital (v podstatě se jednalo o zakázku firmy Compaq) a společně usoudili, že s kratším kabelem mohou z levnějších diskových jednotek dostat vyšší výkon. Tak vzniklo nové rozhraní mezi diskovou jednotkou a řadičem (host adaptérem) nazvané IDE - Integrated Drive Electronics. Pevný disk IDE je připojen 40-ti vodičovým kabelem k desce adaptéru IDE, která bývala zastrčena do slotu sběrnice. Toto rozhraní se velmi brzy stalo standartem kvůli své dostupnosti (bylo levné), jednoduchosti a dostačujícímu výkonu. Ne však na dlouho.

EIDE

   Postupem času však začalo být toto rozhraní nedostačující. Pevným diskům rostla stále více kapacita a rozhraní IDE umožňovalo připojení disků s maximální kapacitou 528 MB. Další nevýhodou byl počet současně připojitelných zařízení k tomuto rozhraní. K rozhraní IDE bylo možno připojit pouze dvě disková zařízení. Uživatelé počítačů sice mohli použít rozhraní SCSI, ale to bylo příliš drahé.

   Tyto nedostatky vyřešilo nové rozhraní nazvané EIDE - Enhanced IDE (Rozšířené IDE). Rozhraní EIDE definuje dva samostatné kanály IDE. Na každý kanál představující jeden plochý kabel lze připojit dvě jednotky. A to buď pevný disk nebo i CD-ROM mechaniku. Podle počtu zapojených jednotek rozlišujeme tři možnosti identifikace každé z nich. Pokud je na jednom kanálu připojena pouze jedna jednotka, je takováto jednotka nastavena pomocí propojek (switch, jumper) jako "Drive Only". V případě připojení dvou jednotek na jednom kanálu je první z nich nastavena jako "Master" a druhá jako "Slave". Vzhledem k tomu, že předchůdcem tohoto rozhraní bylo rozhraní IDE, lze k tomuto rozhraní připojit i kterýkoli starší disk IDE. Toto rozhraní je v současné době nejvíce používáno, neboť poskytuje poměrně vysoký výkon (PIO MODE 4, ULTRA ATA), ale hlavně díky stále se snižujícím cenám těchto zařízení.

Kapacita

   Již od počátku bylo největší snahou všech výrobců pevných disků dosáhnout maximální kapacity svých výrobků. V dobách, kdy se na trhu objevil první disk o kapacitě 5 MB, si ztěží mohl někdo představit, že budou vyrobeny disky několikanásobně větší.

   V současné době jsou na trhu disky minimálně s kapacitou cca 1 600 MB, ale po těchto discích, kdy ve světě softwaru vládnou grafické aplikace, již mnoho zákazníků nekouká. Co se týká kapacity pevných disků, plat přímá úměrnost, která říká: "Čím větší kapacitu pevný disk má, tím rychleji je zaplněn." Běžný disk má nyní kapacitu 2 - 6 GB.

RAID

   Zajímavým mezistupněm vkládaným mezi souborový systém a fyzické médium jsou disková pole RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks). Jsou tu především proto, abychom se vyvarovali chyb, které mohou vzniknout na samostatných discích. Umí propojit více disků v jeden stejně jako ochránit systém před výpadkem jednoho z nich, třeba jen jejich pouhým zrcadlením. Uživatel o této vrstvě nemusí vědět vůbec nic, stejně tak o tom, jaké médium je k uchování dat použito.

   Společnost Segate oznámila další rekord týkající se hustoty dat uložených na pevných discích. Firmě se totiž podařilo uložit 105000 diskových stop na jednom palci (2,54 cm). Významně se tedy zvýšila hustota stop (track density) a díky tomu bude možné na jednu plotnu uložit až 36GB dat. (CHIP 7/99)