Dyski twarde W napędach dysków elastycznych głowica odczytu-zapisu jest przykładana bezpośrednio do wirującego dysku. Z tego też powodu, stosowane prędkości obrotowe są niewielkie, a więc i szybkości zapisu/odczytu są ograniczone. Dyski twarde (nazwane tak z powodu swej sztywnej konstrukcji) umieszczone są w odpowiednio skonstruowanym pyłoszczelnym zespole napędowym, zawierającym ponadto układy sterowania silnikiem napędu dysków, silnikiem przesuwu głowic (pozycjonerem), układy sterowania głowicami zapisu, układy odczytu oraz inne układy sterujące i kontrolne zespołu napędowego.

Na ogół nie ma tu możliwości wymiany dysków Na ogół nie ma tu możliwości wymiany dysków. Dysk twardy odróżniają od dysku elastycznego następujące cechy: głowica odczytu-zapisu, nie dotyka dysku w czasie pracy, jest bowiem utrzymywana w małej odległości od niego (mniejszej niż 1μm) na poduszce powietrznej powstającej automatycznie na skutek ruchu obrotowego, prędkość obrotowa dysku twardego jest bardzo duża, dzięki temu osiąga się duże prędkości transmisji danych (kilku - kilkudziesięciu MB/s), ponieważ dysk twardy jest niewymiennym nośnikiem danych, można go dokładnie wycentrować i osiągnąć przy tym dużą liczbę ścieżek, czyli dużą pojemność (kilkudziesięciu gigabajtów).

Najważniejsze parametry techniczne dysków twardych, dostępnych obecnie na rynku: pojemność (kilkadziesiąt GB do kilkuset GB), liczba głowic odczytu/zapisu (od kilku do kilkudziesięciu), liczba cylindrów (kilka tysięcy) - ścieżki o tych samych numerach na powierzchniach roboczych dysków nazywane są cylindrami, średni czas dostępu (kilka milisekund) - na średni czas dostępu (ang. Average Access Time) składają się dwa elementy: średni czas poszukiwania potrzebny do umieszczenia głowicy na wybranym cylindrze (ang. Average Seek Time) oraz opóźnienie rotacyjne potrzebne do umieszczenia głowicy nad odpowiednim sektorem (ang. Rotalional Latency), które przy szybkości dysków równej 7200 obr/min wynosi ok. 4 milisekundy,

prędkość obrotowa dysku (5400, 7200, 10000 obrotów na minutę), szybkość transmisji danych (kilka - kilkadziesiąt megabajtów/sekundę), wielkość bufora cache (pamięć buforowa kontrolera dysku: 128 KB - 2 MB), zasilanie (+12V,+5V), moc pobierana (od kilku do kilkunastu watów). Najważniejsze parametry dysków, interesujące użytkownika to: pojemność dysku, szybkość transmisji (tzw. transfer lub przepustowość) średni czas dostępu.

Napęd dysków twardych (ang Napęd dysków twardych (ang. Hard Disk Drive, HDD) łączony jest z systemem mikroprocesorowym (z płytą główną) poprzez sterownik dysku twardego (ang. Hard Disk Controller, HDC) za pomocą interfejsu HDD. Firmy produkujące pamięci masowe, proponują typy interfejsów łączących dyski twarde ze sterownikami: interfejs E-IDE (ATA), SCSI oraz S-ATA. Oczywiście każdy z wymienionych tu interfejsów wymaga innego sterownika i innego dysku twardego. Mechanizm dysku twardego składa się z następujących komponentów: obudowy, pozycjonera głowicy, ramion głowic, głowic odczytu/zapisu oraz kilku dysków.

Każdemu dyskowi pamięci przyporządkowane są dwie głowice (dla jego dolnej i górnej powierzchni). Głowice utrzymywane są na sprężynujących ramionach, przy czym wszystkie ramiona głowic są ze sobą połączone i poruszają się synchronicznie, napędzane pozycjonerem. W stanie spoczynku głowice znajdują się na ścieżce parkującej dysku. W momencie, gdy dysk zaczyna wirować, poduszka powietrzna wytworzona przy powierzchni, unosi głowice na wysokość mniejszą niż 1 mikrometr. Zadaniem pozycjonera jest przemieszczenie głowic na wybrany cylinder. Pozycjonery zbudowane w oparciu o silnik liniowy (elektromagnetyczny), same parkują głowice po wyłączeniu zasilania, gdyż sprężyna automatycznie odciąga je do położenia parkowania.

Pracą mechanizmu sterują układy elektroniki, zawierające: blok zapisu, blok odczytu z detekcją i korekcją błędów oraz sterowanie pozycjonera. Współczesne dyski wyposażane są w bufor danych (o pojemności 128 KB - 2 MB), zwany też dyskową pamięcią podręczną (Cache), umożliwiający zwiększenie szybkości transmisji. Aby przyspieszyć transmisję w dyskach z pamięcią Cache, stosuje się następującą zasadę: z dysku podczas odczytu wczytuje się do pamięci Cache, oprócz interesujących nas w danej chwili sektorów, również sektory następujące po nich. Jeśli dane te zostaną zażądane nieco później, to nie muszą być odczytywane z dysku, lecz przywołane są z pamięci Cache.

Dysk gotowy jest do pracy dopiero wtedy, gdy zostanie sformatowany przez producenta lub użytkownika. Formatowanie polega na podziale dysku na ścieżki i sektory. Jest to tzw. formatowanie niskiego poziomu lub formatowanie fizyczne. We współczesnych dyskach, dla efektywnego wykorzystania ich powierzchni, co wiąże się ze zwiększeniem pojemności, ścieżki zewnętrzne dzielone są na większą liczbę sektorów (np. 300 sektorów), gdyż mogą pomieścić większą ilość informacji (te ścieżki są po prostu dłuższe), a ścieżki leżące bliżej środka dysku zawierają mniej sektorów (np. 200). Technika ta nosi nazwę Zone Bit Recording - ZBR.

Stąd też na tych dyskach liczba sektorów na ścieżkę nie jest wartością stałą. Na systematyczny wzrost pojemności, produkowanych współcześnie dysków, mają wpływ coraz większe gęstości upakowania informacji na jednostkę powierzchni, dzięki coraz doskonalszym nośnikom magnetycznym, głowicom zapisu/odczytu oraz ciągle ulepszanym metodom kodowania zapisywanych danych. Współczesne dyski osiągają gęstość upakowania wynoszącą 1 gigabit na cal kwadratowy.

W nowoczesnych konstrukcjach zastosowano zespół głowic zapisu/odczytu, składający się z cienkowarstwowej magnetycznej głowicy zapisu, wyposażonej w miniaturową cewkę o niewielkiej indukcyjności (więc o małej bezwładności) oraz z magnetorezystywnej (MR) głowicy odczytu, w której wykorzystywane są zmiany rezystancji specjalnego materiału magnetycznego pod wpływem zmian pola magnetycznego. Głowice MR posiadają zdecydowanie większą czułość od głowic tradycyjnych z cewkami, mogą więc odczytywać słabsze pola magnetyczne (pochodzące od mniejszych, bardziej upakowanych domen). Dotychczasowe metody odczytu informacji z dysku polegały na wykrywaniu wierzchołków odczytywanych sił elektromotorycznych (tzw. Peak Detectiori).

Przy wysokiej gęstości zapisu oraz dużej prędkości obrotowej dysków mogą powstawać zniekształcenia tych wierzchołków. Nowa metoda odczytu - zwana metodą PRML pozwala bezbłędnie rozpoznać szczyt sygnału sem mimo występujących zakłóceń. Metoda ta wykorzystuje dwa mechanizmy: Partial Response i Maximum Likelihood. Technika Partial Response polega na próbkowaniu analogowego sygnału odczytywanego przez głowicę MR za pomocą przetwornika A/C. Na podstawie uzyskanych próbek specjalny układ wyposażony w procesor DSP, korzystając z metody największego prawdopodobieństwa (Maximum Likelihood) określa miejsce położenia wierzchołka sem. Dzięki tej nowej technologii możliwe jest zmniejszenie wymiarów domen magnetycznych a więc wzrost gęstości zapisu

Następny niezwykle ważny parametr - szybkość transmisji - jest funkcją prędkości obrotowej dysków, która osiąga we współczesnych konstrukcjach 7200 obrotów na minutę (chociaż są już dyski wirujące z szybkością 10000 obr/min). Obliczmy chwilową szybkość transmisji dla hipotetycznego dysku wirującego z szybkością 5400 obr/min. (90 obr/s) i posiadającego 300 sektorów 512 bajtowych na zewnętrznej ścieżce: 90 (obr/sek) x 300 (sektorów) x 512 (bajtów) = 13,824 MB/s (ok. 110 Megabitów/s). Dane odczytywane z dysku z tą szybkością, ładowane są do bufora, a następnie przesyłane za pomocą szyn interfejsu do pamięci operacyjnej komputera. Przepustowość interfejsu nie może być więc mniejsza, niż szybkość odczytu danych z dysku.

Od prędkości obrotowej dysków zależy również opóźnienie (ang Od prędkości obrotowej dysków zależy również opóźnienie (ang. latency) w dostępie do wybranego sektora. Im większa prędkość wirowania dysku tym krótsze opóźnienie rotacyjne. Ważnym parametrem jest czas przejścia głowicy ze ścieżki na ścieżkę, zwłaszcza przy transmisji dużych plików. Dlatego też konstruktorzy dysków nieznacznie opóźnili początki kolejnych ścieżek, tak by po przeczytaniu całej ścieżki głowica zdążyła przesunąć się na ścieżkę następną i trafić na jej początek (technika ta nosi nazwę Cylinder Skewing).

Współczesne dyski mają wbudowany system zarządzania poborem mocy (ang Współczesne dyski mają wbudowany system zarządzania poborem mocy (ang. Power Management), który powoduje wyłączenie silnika dysku i zaparkowanie głowic, po pewnym (określonym przez producenta) czasie od momentu ostatniej operacji we/wy wykonanej na dysku. Fakt przejścia dysku najpierw w stan jałowy (ang. Idle), a następnie uśpienia (ang. Sleep lub Standby) powoduje znaczące zmniejszenie poboru mocy. Producenci dysków różnie te stany definiują; faktem jest jednak, iż system Power Management powoduje nawet czterokrotne zmniejszenie poboru mocy przez nie używany dysk.

Większość współczesnych dysków dysponuje już funkcją, tzw. S. M. A. R Większość współczesnych dysków dysponuje już funkcją, tzw. S.M.A.R.T. (ang. Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology) polegającą na tym, że elektronika dysku monitoruje i analizuje oraz raportuje stan urządzenia (np. wysokość lotu głowicy, czas uzyskania nominalnej prędkości obrotowej, itd.). Jeśli postępuje degradacja tych wielkości, układy kontroli wysyłają wtedy ostrzeżenie do użytkownika, że dysk może ulec uszkodzeniu.

Dyski z interfejsem E-IDE Interfejs IDE wprowadzono w połowie lat osiemdziesiątych, po raz pierwszy w komputerach IBM PC AT (ang, Advanced Technology). Standard ten (któremu nadano również nazwę ATA - AT Attachment) wyposażono w 16-bitową szynę danych, z myślą o współpracy z magistralą ISA. Dyski z interfejsem IDE posiadają zintegrowaną z mechanizmem elektronikę: układy zapisu i odczytu danych oraz układy sterowania (stąd nazwa interfejsu IDE - IntegratedDrive Electronics).

Dyski IDE/ATA pierwotnie mogły osiągnąć maksymalną pojemność równą 504 MB. Ograniczał tę wartość BIOS starszych komputerów IBM PC. Ze względu na niską przepustowość magistrali ISA, szybkość transmisji danych nie mogła być większa niż 8,33 MB/s. Interfejs pozwalał dołączyć do systemu dwa dyski twarde. Współczesne dyski (tak jak wszelkie urządzenia peryferyjne) mogą współpracować z pamięcią operacyjną komputera (czyli wykonywać operacje wejścia/wyjścia) na dwa sposoby:

- pod nadzorem procesora (sygnały sterujące i adresy, niezbędne do przesłania informacji do/z pamięci operacyjnej generowane są przez procesor - ten sposób operacji zwany jest trybem PIO - ang. Programmed Input/Outpuf); w trakcie tej czynności procesor nie może wykonywać żadnych innych operacji - fakt ten spowalnia pracę komputera. - bezpośredni dostęp do pamięci (ang. Direct Memory Access - DMA) podczas którego wymiana informacji pomiędzy pamięcią operacyjną a urządzeniem peryferyjnym zachodzi bez udziału procesora (który w tym czasie może wykonywać inne operacje);

Sterowanie operacją wejścia/wyjścia realizowane jest przez specjalny układ zwany kontrolerem DMA. Dla dysków z interfejsem IDE opracowano wiele protokołów wymiany informacji z pamięcią operacyjną; są to protokoły PIO oraz protokoły DMA (tzw. jednosłowowy bezpośredni dostęp do pamięci - ang. single word DMA i wielosłowowy, szybszy - ang. multiword DMA). Nazwy tych protokołów (trybów pracy) oraz odpowiadające im szybkości transmisji danych pokazano w poniższej tabeli.

Wraz z opracowaniem nowych protokołów transmisji i nowych metod adresacji danych, przechowywanych na dysku, stworzone zostały nowe standardy (wg zasady, iż każdy nowy standard jest kompatybilny ze swoimi poprzednikami): ATA-2, ATA-3, ATAPI, Ultra ATA, E-IDE. Interfejs IDE/ATA i późniejsze jego odmiany wyposażony jest (od początku swojego istnienia) w 40-stykowe złącze. Ze złącza tego usunięto styk 20 by uchronić dysk przed nieprawidłowym podłączenia kabla. Długość kabla interfejsu nie powinna przekroczyć 18 cali.

Współczesne płyty główne wyposażane są w dwa kanały E-IDE (w dwa 40-stykowe złącza), do których można podłączyć po dwa urządzenia, które pracują w systemie Master i Slave. Rysunek ilustruje sposób połączenia dwóch dysków twardych do jednego ze złącz płyty głównej. Blok zworek, umieszczonych na każdym dysku, pozwala skonfigurować te urządzenia. Jeśli do sterownika będzie dołączony jeden dysk twardy, wtedy należy zewrzeć zworki MASTER. Jeśli natomiast w kanale będą pracować dwa dyski twarde, wtedy na pierwszym należy zewrzeć zworki MASTER oraz SLAVE PRESENT, na drugim zaś nie zwierać żadnej z tych zworek. Dysk wyposażony jest ponadto w 4-stykowe złącze zasilania.

Protokół multi word DMA i PIO 4

Na dobrą sprawę, rzeczywista maksymalna szybkość transmisji danych zostaje rozstrzygnięta pomiędzy głowicą a powierzchnią dysku. Współczesny dysk twardy mający ok. 500 sektorów, na zewnętrznej ścieżce (na ścieżce wewnętrznej ma ich ok. 300 - tam transmisja jest wolniejsza), po 512 bajtów każdy i 7200 obrotów/min (120 obr/s), może przesłać 120 x 256 000 bajtów w ciągu sekundy, czyli ok. 30 MB/s. Dane odczytane z dysku przesyłane są do bufora, z którego powinny być przynajmniej z taką samą szybkością przesłane do pamięci operacyjnej - inaczej bufor dysku się zapełni

Oczywiście w trakcie transmisji dane nie płyną ciągłym strumieniem, gdyż część czasu (ok. 50%) zajmuje przesyłanie rozkazów z procesora do sterownika dysku, dlatego też szybkość transmisji, pomiędzy elektroniką dysku a pamięcią operacyjną, winna być zdecydowanie większa niż szybkość odczytu danych z powierzchni dysku. Ważną więc sprawą stało się opracowanie protokołu transmisji, zapewniającego szybkość większą niż oferuje tryb Ultra DMA mode 2. Odpowiedzią producentów na te potrzeby są właśnie standardy Ultra AT A/66/100/133, z oferowanymi szybkościami.

Niektóre prezentowane w tabeli parametry wymagają komentarza: - wewnętrzna szybkość transmisji (to szybkość pomiędzy powierzchnią dysku a głowicą) jest maksymalna dla ścieżek zewnętrznych i wynosi 570 Mbitów/s (ok. 71 MB/s); natomiast dla ścieżek położonych bliżej środka dysku, wewnętrzna szybkość transmisji jest mniejsza, - zewnętrzna szybkość transmisji - to szybkość przesłania danych pomiędzy kontrolerem dysku a pamięcią operacyjną (wg. standardu ATA 100- 100 MB/s).