Disc dur

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare
Disc dur
Hard disk head (HDRI).jpg
Data inventării
14 Decembrie 1954
Inventat de
Un grup al companiei IBM în frunte cu Rey Johnson
Conectivitate prin Interfața PATA
Segment de piață
Calculatoare Desktop
Stații mobile
Clasa enterprise
Electrocasnice de larg consum

Discul dur (sau fix; în 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 (de la hard disk drive).

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 disk; unitatea de scriere/citire corespunzătoare se numește Floppy Disk 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 (telefon inteligent) ș.a. Prin comparație, pentru întregul Windows 7 sunt suficienți doar circa 15 GB.

Istoric[modificare | modificare sursă]

Discurile dure au fost introduse pentru prima oară ca unități de stocare a datelor ȋn 1956, pentru calculatoarele IBM. Erau grele și aveau dimensiuni mari, cât o roată de motoretă sau chiar și mai mari. Inițial au fost dezvoltate pentru a fi utilizate ca medii de stocare pentru calculatoare de uz general.

În anii 1990 necesitatea unui dispozitiv de stocare de mare capacitate dar și încredere, independent de un dispozitiv special, a condus la introducerea sistemelor integrate, cum ar fi sistemele RAID, sisteme Network Attached Storage (NAS) – sisteme atașabile de stocare pentru rețea - precum și Storage Area Network (SAN) – siteme de stocare pentru rețea, sisteme care asigură eficiență, precum și un acces fiabil la volume mari de date. Ținând cont de cererile de consum, ȋn secolul al XXI-lea utilizarea HDD-urilor s-a extins și ȋn dispozitive cum ar fi camere video, telefoane mobile (de exemplu Nokia N91), playere („aparate redătoare”) audio digitale, playere video digitale, video-înregistratoare digitale, Personal Digital Assistants (PDA-uri) și console de jocuri video.

Construcție[modificare | modificare sursă]

Discul dur este format de obicei din:

  • o placă electronică de control logic,
  • 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 comandat electromagnetic 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 trifazic extraplat, care asigură rotirea cu viteză constantă a platanelor.

Funcționare[modificare | modificare sursă]

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 (actuatorul) 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.

Initializarea unui hard-disc "străin"[modificare | modificare sursă]

BIOS-ul conține deja specificațiile pentru diverse hard-discuri. Aceasta face posibilă usurința de a alege specificațiile folosind SETUP-ul. Să presupunem acum ca specificatiile pentru un hard-drive particular nu sunt in BIOS. Exista o alta metoda pentru a face cunoscute specificatiile pentru BIOS. Este construit un tabel care contin specificatiile. Apoi, adresa tabelului este stocata la intreruperea 14H sau intreruperea 46H, in functie daca in curs de initializare este primul sau al doilea hard drive. Formatul tabelului este predefinit în BIOS. In final este apelată functia 09H, care initializeaza controlerul cu noile specificații ale hard discului. Numarul drive-ului (80H sau 81H) este scris in registrul DL. De obicei, de acest lucru se ocupă driverul provenit de la producătorul hard discului . --->

Transferul datelor la memorie[modificare | modificare sursă]

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[modificare | modificare sursă]

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[modificare | modificare sursă]

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. Dimensiuni mai mici de 3,5 " au apărut și ele pe piață, devenind foarte populare:

8 țoli:    9,5 x 4,624 x 14,25 in           (241,3 x 117,5 x 362 mm) 
5,25 țoli: 5,75 x 1,63 x 8 in               (146,1 x 41,4 x 203 mm) 
3,5 țoli:  4 x 1 x 5,75 in                  (101,6 x 25,4 x 146 mm) = 376,77344 cm³ 
2,5 țoli:  2,75 x 0,374 ... 0,59 x 3,945 in (69,85 x 9,5 ... 15 x 100 mm) = 66,3575 ... 104,775 cm³ 
1,8 țoli:  54 x 8 x 71 mm                   30,672 cm³ 
1 țol:     42,8 x 5 x 36,4 mm 
0,85 țoli: 24 x 5 x 32 mm

Interfețe și controloare[modificare | modificare sursă]

ESDI[modificare | modificare sursă]

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[modificare | modificare sursă]

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)[modificare | modificare sursă]

Controlorul de tip Integrated Drive Electronics (IDE), 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[modificare | modificare sursă]

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 180 megaocteți/s, MB/s). Standardul actual (2013) se numește SATA III și este proiectat pentru maximum 6 Gbit/s = 750 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)[modificare | modificare sursă]

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 convertor pentru USB sau Firewire.

Caracteristici[modificare | modificare sursă]

Capacitatea[modificare | modificare sursă]

Măsurată în gigaocteți sau gigabaiți (1 octet = 1 bait), 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[modificare | modificare sursă]

Măsurată de obicei în țoli, notați cu semnul " (inch). Un țol măsoară 2,54 cm. 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[modificare | modificare sursă]

Exprimată în timp mediu între defecte - 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[modificare | modificare sursă]

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 III de 6,0 Gbit/s (secundă), care poate transfera date cu cel mult 750 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[modificare | modificare sursă]

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[modificare | modificare sursă]

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[modificare | modificare sursă]

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 15 ms.

Rezistența la șocuri[modificare | modificare sursă]

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.

Preț[modificare | modificare sursă]

Prețul de magazin al unui HDD nou începe actualmente (2010) de la circa 50 euro pentru 1 terabite.

Producători[modificare | modificare sursă]

Consolidare de fabrici si know-how

În al doilea qvartal 2013 sa vândut mondial 133 de milioane de diskuri dur.

Name Cota de piață
2012 Q2
Cota de piață
2012 Q3
Cota de piață
2013 Q2
Western Digital 45 % 45 % 45 %
Toshiba 13 % 14 % 15 %
Seagate 42 % 41 % 40 %

Legături externe[modificare | modificare sursă]