Pamäte

Rozvoj výpočtovej techniky zapríčiňuje to, že firmy ktoré sa zaoberajú vývojom a výrobou počítačových komponentov i samotných počítačov vyvíjajú pamäte so stále väčšou kapacitou, aby umožnili užívateľom uchovanie čo najväčšieho počtu dát v počítači. Na začiatku rozvoja výpočtovej techniky sa ako záznamové média používali magnetické pásky, ktoré mali malú kapacitu a neboli pevne uložené v počítači. Neskôr prišli pružné disky. Práca s nimi bola jednoduchšia ako s Magnetickými páskami.
S príchodom harddiskov čo sú pevné disky umiestnené v počítači sa akoby oddelili pamäte na uchovanie dát v počítači, ktorými sú harddysky a na pamäte, ktoré sú určené na externé zálohovanie dát a tými sú pružné disky, CD – R, CD – RW, DVD, mini disky, optické disky.
Zatiaľ, čo prvé pevné disky mali kapacitu iba niekoľko 10MB v dnešnej dobe sa kapacita u niektorých aj bežne dostupných pevných diskov pohybuje okolo 100GB. COMPACT DISC
(CD)


Pamäte typu CD - ROM sú dnes úplne bežné. Každý kto vlastní počítač má v ňom zabudovanú už aj CD - ROM mechaniku a každý kto vlastní nejaký prehrávač zvukových CD s nimi určite prichádza do kontaktu. Tieto pamäte uzreli svetlo sveta koncom 80–tých a začiatkom 90-tých rokov. Využívajú sa na záznam a zálohovanie dát alebo hudby. Na kompaktný disk CD (Compact Discs) s priemerom 120 mm a pamäťovou kapacitou 650 MB/44,1 kHz sa dá uložiť 74-minútový vysokokvalitný zvukový záznam v digitálnej podobe. Okrem kvality zvuku a záznamovej kapacity sa zväčšila šírka frekvenčného pásma prakticky od 0 do 20 kHz. Digitálny signál zvukovej informácie sa na CD disk zaznamenáva mechanickým spôsobom pomocou lisovacej matrice vyrobenej podľa nosiča prvotného zvukového záznamu. V hustej špirálovej stope s 20 000 závitmi, dlhej 5km a širokej 0.6 um sú na povrchu matrice zakódované konkrétne dáta digitálneho zvukového záznamu. Záznam je v matrici negatívny (zrkadlový obrazec nosiča prvotného záznamu). Informačný obsah sa vlisuje do povrchu číreho polykarbonátového kotúča - disku - v podobe obrovského množstva mikroskopických priehlbiniek (jamiek - pits - a lesklých plôšok - lands, s presne definovanou šírkou 0,5 μm, Na pozitívny povrch vylisovaného digitálneho zvukového záznamu CD sa nanesie hliníková reflexná vrstva, ktorá dá disku jeho charakteristické sfarbenie. Reflexná vrstva sa pokryje ochranným lakom a disk dostane etiketu s príslušnými údajmi.

Organizačné usporiadanie záznamu na nosičoch CD-ROM je také, že dáta sa zapisujú do sektorov, pričom každý sektor obsahuje 235B. Súčasťou záznamu je synchronizačná hlavička, hlavička s adresou sektora, vlastné dáta a opravný kód. Disk sa otáča v proti smere hodinových ručičiek rýchlosťou 1,2 až 1,4 m/s.
V porovnaní s ostatnými klasickými zvukovými aj dátovými nosičmi je CD disk podstatne odolnejší proti mechanickému poškodeniu. Veľkou výhodou CD je jednoduché ovládanie s takmer okamžitým prístupom ku ktorejkoľvek časti alebo na začiatok ľubovoľnej nahrávky. Pretože medzi snímacím laserovým systémom a nosičom zvukového záznamu nie je priamy kontakt, je opotrebovanie disku takmer nulové. Veľkou výhodou je možnosť kopírovať dáta alebo nahrávky jednu od druhej bez ujmy na kvalite, ktorá je takmer zhodná s originálom. CD technológia umožňuje výrobu diskov so stereofónnym digitálnym záznamom zvukového signálu.


CD-R/CD-RW

So značným podielom firmy Philips bol na začiatku a v polovici 90. rokov na trh postupne uvedený záznamový kompaktný disk CD-R (Compact Disc-Recordable) označovaný aj ako CD-WO (CD-Write Once) a prepisovací disk s označením CD-RW (Compact Disc-ReWriteable). Medzi priemerom, hrúbkou, špirálovitou stopou a dĺžkou nahrávky všetkých CD nie je takmer žiadny rozdiel. Zapisovateľné disky CD-R a CD-RW majú okrem zavádzacej a dátovej oblasti navyše oblasť programovej pamäti (Program Memory Area) a oblasť kalibrácie PCA (Program Calibration Area) - údaje o zázname a nastavení laserového lúča. Rýchly prístup na CD a označenie začiatku disku umožňuje záznamový súpis TOC (Table of Centent). Hoci oba disky CD-R a CD-RW vyzerajú rovnako, každý z nich má vzhľadom na odlišnú metódu digitálneho záznamu zvuku charakteristické zloženie a usporiadanie záznamových vrstiev. Na disk CD-R sa dá záznam uložiť iba raz, to znamená, že záznamový proces je nezvratný. Disk CD-RW umožňuje viac ako stonásobné chronologické nahrávanie a mazanie záznamu s nezmenenou kvalitou nahrávky. Záznam je zlúčiteľný s klasickým CD diskom.
Na rozdiel od konvenčného CD disku, ktorého digitálny záznam dát a zvuku je v podobe vylisovaných jamiek a plôšok s hliníkovou odrazovou vrstvou, disky CD-R a CD-WR majú vlastnú záznamovú vrstvu. Na polykarbonátovom disku je predlisovaná špirálová stopa s údajmi na presné sledovanie stopy záznamovým laserom a stabilizáciu obvodovej rýchlosti kotúča. Povrch disku CD-R má vrstvu ochranného laku a etiketu s údajmi o disku. Pod vrstvou laku je zvyčajne zlatá reflexná vrstva.

Medzi reflexnou vrstvou a spodnou vrstvou číreho polykarbonátového substrátu je nanesený tenký povlak záznamovej
vrstvy z organického farbiva citlivého na svetlo. Digitálna informácia sa na disk zapisuje laserovým lúčom určitého výkonu s vlnovou dĺžkou
780 nanometrov, ktorý je modulovaný dátovým signálom. Zaostrený laserový lúč zapisuje digitálne informácie lokálnym ohrevom záznamovej vrstvy a substrátu na teplotu 250 stupňov Celzia, čím dôjde k jej roztaveniu. Vplyvom lokálneho ohrevu vznikajú v záznamovej vrstve špirálovej stopy, „vypálené" jamky (pits) s následnou zmenou pôvodnej štruktúry a odrazovej schopnosti svetla. Pri čítaní zvukového záznamu laserový lúč sníma odraz svetla z priesvitných a nepriesvitných miest (jamiek a plôšok):
ďalší elektrónový obvod túto informáciu vyhodnotí ako nuly a jednotky a digitálno-analógový prevodník D/A ich spracuje do podoby zvukového signálu.
Horné plochy diskov CD-R a CD-RW sú v podstate zhodné. Pod vrstvou ochranného laku a štítkom disku CD-RW, medzi dvoma dielektrickými vrstvami pohlcujúcimi nadbytočné teplo počas záznamu, je záznamová vrstva zo zliatiny striebra, antimónu, india a telúru. Spodná vrstva je ako v predchádzajúcom prípade číry polykaronátový substrát. Záznamová vrstva založená na zvratovej zmene zloženia materiálu má v pôvodnom stave kryštalickú štruktúru. Pri jej lokálnom zohriatí počas zápisu na 500 až 700 stupňov Celzia laserovým lúčom s väčším výkonom dochádza k roztaveniu kryštálov, z ktorých v záznamovej vrstve vznikne nepriesvitná amorfná (beztvárna) hmota s podstatne menšou odrazivosťou svetla ako kryštalický základ. Počas rýchleho ochladzovania sa amorfná hmota „zmrazí“, čím sa dosiahne dlhodobá stabilita záznamu. Pri prehrávaní mení rozdielna štruktúra stopy odraz čítacieho laserového lúča a takto získané číslicové informácie sú do zvukovej podoby spracované už opísaným spôsobom. Záznam na disku možno vymazať zmenou amorfnej hmoty opäť do kryštalickej, resp. polykryštalickej podoby. Stane sa tak ohriatím záznamovej vrstvy na teplotu 200 stupňov Celzia na asi 35 minút. Pevný disk

Väčšina PC má dve diskové pamäte: pevný disk a disketovú mechaniku. Vypnutie počítača nespôsobí stratu dát na diskových pamätiach.

Ich hlavnou úlohou je uschovanie dát, s ktorými mikroprocesor momentálne nepracuje, ale ktoré si v prípade potreby načíta.
Obidve pamäte pracujú na magnetickom princípe a majú niekoľko častí:
· médium, na ktorom sú uložené dáta
· magnetické hlavy pre zápis a čítanie dát
· mechaniku pohybujúcu hlavami
· motorček točiaci diskom
· radič – elektronický obvod, ktorý riadi prácu disku

Dátové médium pevného disku je zložené z tuhých kotúčov (používa sa aj výraz platňa) umiestnených v niekoľkých poschodiach nad sebou. Dáta sa zapisujú do magnetickej vrstvy nanesenej na každý kotúč.
S magnetickým povrchom diskov pracujú magnetické čítacie/zapisovacie hlavy. Hlavy sa pri pevných diskoch nepohybujú po povrchu disku, ale vznášajú sa nad ním. Vznášanie hláv zaisťuje aerodynamický vztlak vznikajúci nad roztočeným diskom. Pretože sa hlavy vznášajú nad diskom, nedochádza ku treniu medzi hlavou a diskom. To zabezpečuje vysokú trvanlivosť a spoľahlivosť pevných diskov. Vzdialenosť vznášajúcich sa hláv nad diskom je niekoľko mikrometrov. Drobné zrnko prachu by tak mohlo spôsobiť ryhu na disku a znehodnotenie údajov. Z tohto dôvodu sú pevné disky uložené vo vzduchotesnom púzdre.
Pri vypnutí disku zaistí mechanika magnetických hláv ich uloženie do vyhradenej parkovacej oblasti. Tak je zaistené to, že sa hlava nikdy nedotkne dátovej oblasti a nezničí údaje.


Fyzická štruktúra diskov

Povrch disku predstavuje pomerne rozsiahly priestor. Keď operačný systém požaduje od disku údaje, na povrchu disku ich musí vyhľadať radič pevného disku. Ten teda potrebuje poznať presnú geometrickú polohu zapísaných údajov. Preto si povrch disku rozdelí na stopy (sústredené kružnice), do ktorých si údaje zapisuje. Každá stopa je naviac priečne rozdelená na sektory. Toto usporiadanie nazývame fyzickou organizáciou dát.

Fyzické formátovanie (low level format): Radič musí rozdeliť disk na stopy a sektory a tie si očíslovať. Proces, ktorým sa disk magneticky delí sa nazýva fyzické formátovanie.
Pri ňom umiestni radič na začiatok každej stopy a každého sektoru magnetickú značku (identifikátor). Každý radič si teda musí „nalinkovať„ svoj disk čo dnes nie je problém pretože radič je súčasťou pevného disku (jeho plošný spoj je umiestnený na puzdre disku).








Hlavy a cylindre

Poslanie magnetických hláv je jasné – zápis a čítanie údajov. Nad každým povrchom „lieta„ jedna hlava. Ak má pevný disk 5 platní, môže mať až 10 hláv (každá platňa má 2 povrchy). Hláv však môže byť aj menej, pretože krajné platne nemusia mať povrchy z oboch strán.
Všetky hlavy sú umiestnené na spoločnom ramene. Keď radič posunie hlavu číslo 3 (patriacu tretiemu povrchu) nad stopu 134, posunú sa aj hlavy nad ostatnými platňami nad stopu 134 „svojho„ povrchu. Vďaka spoločnému ramenu sa tak hlavy vznášajú vždy nad rovnakou stopou všetkých povrchov. Rovnakým stopám na rôznych povrchoch sa hovorí cylinder (resp. valec).
Veľmi dôležitý je presný a rýchly polohovací mechanizmus hláv.

Pohyb hlavy nad príslušnú stopu totiž podstatne ovplyvňuje rýchlosť práce celého pevného disku.

Práca mechaniky hláv je založená na dvoch princípoch:

Starším a menej spoľahlivejším vystavovacím mechanizmom je krokový motorček. Jedno pootočenie motorčeka znamená jeden priečny krok hlavy (posun o jednu stopu). Pokiaľ chce radič posunúť hlavy o 5 stôp, pootočí sa motorček o uhol zodpovedajúci piatim krokom. Celý mechanizmus však po niekoľkých rokoch používania stratí svoje počiatočné parametre a prestane byť teda spoľahlivý. S týmto princípom sa stretneme však už iba pri tzv. „múzejných typoch„ pevných diskov.
Druhý, spoľahlivejší princíp, ktorý sa vyskytuje vo všetkých dnes vyrábaných pevných diskoch, sa nazýva vystavovacia cievka (voice coil). Priechod prúdu cievkou spôsobí vychýlenie cievky úmerné veľkosti prúdu. Využíva sa tu spätná väzba – hlavička číta svoju polohu z disku (každá stopa a sektor majú svoje číslo ) a na základe tejto informácie riadiaca elektronika pridá alebo uberie prúd potrebný k vychýleniu. Voice coil má ešte jednu výhodu – je totiž samoparkovacia. Po náhlom výpadku napájania sa hlavy vracajú samovoľne (vďaka pružine) do parkovacej zóny. Zdokonaľovaním prešla aj samotná hlava, ktorá sa rozdelila na čítaciu a záznamovú. Zatiaľ čo záznamová pracuje stále na induktívnom princípe, pre čítaciu hlavu bola vyvinutá nová technológia MR – Magneto Resistive. MR hlava číta údaje ako sled zmien odporov vyvolaných rozdielnou orientáciou magnetického poľa. Nový spôsob čítania je rýchlejší ako pôvodná induktívna metóda. Jeho ďalšou výhodou je nepatrná veľkosť čítacej hlavičky, ktorá dovoľuje veľkú presnosť vystavenia (tzn. umiestnenia hlavičky nad správnu stopu). Tím zabránime tomu, aby údaje uložené v susednej stope rušivo ovplyvňovali daný signál.

Prístupová doba (access time)
Vyjadruje ako rýchlo disk vyhľadáva dáta. Je to čas potrebný na presunutie hlavy disku od jeho stredu k jeho okraju. Jej hodnota sa pohybuje okolo 8-10 ms.

Doba vystavenia (seek time)
Je čas nutný k pohybu hláv nad určitú stopu. Hlavy väčšinou „preletúvajú„ iba niekoľko stôp (málokedy celý disk), a tak je doba vystavenia definovaná ako jedna tretina času potrebného pre pohyb cez celý disk. U moderných diskov sa pohybuje medzi 0,8-2 ms.

Výrobcovia pevných diskov sa prirodzene snažia dobu vystavenia minimalizovať. Preto zápis (a následné čítanie) prebieha po cylindroch, nie po stopách. Ak sa napríklad údajmi zaplní 759. stopa prvého povrchu, bude zápis pokračovať v 759. stope povrchu dva – doba vystavenia je potom nulová.

Doba čakania (latency period)
Aj keď sa hlava dostane nad správnu stopu (je vystavená), nemôže ešte začať s čítaním.

Musí totiž počkať, až sa pod ňu dotočí ten sektor, v ktorom sa má s čítaním údajov začať. Doba čakania záleží na náhode, ale ako technická hodnota sa uvažuje o jednej polovici otáčky disku.
Rovnako aj dobu čakania chcú výrobcovia znižovať. Cesta k tomu je jasná – zvýšiť otáčky disku. Dnes sa disky točia vysokými rýchlosťami, najčastejšie hodnoty sú – 4400 ot/s (túto hodnotu v poslednej dobe používa len firma Quantum v niektorých svojich modeloch), 5400 ot/s, 7200 ot/s, 10000 ot/s, 15000 ot/s (posledné dve hodnoty používajú zatiaľ len SCSI disky) Zvyšovanie otáčok má však za následok aj vyššiu hlučnosť pevného disku a samozrejme sa tým zvyšuje jeho cena. Disky s vysokými otáčkami sú vhodné najmä do výkonných počítačov (grafických staníc atď.).

Prekladanie (interleave)
Je ďalšou metódou skrátenia doby čakania. Pri čítaní sa prečítajú údaje z jedného sektoru, musia sa odoslať cez radič a BIOS operačnému systému, ktorý ich ďalej prenechá operačnému systému. Ten informácie spracuje a požiada operačný systém o nové. Operačný systém sa obráti na BIOS a radič, ktorý musí zorganizovať načítanie ďalšieho sektoru. Medzitým sa však disk pod hlavou pootočí a tá už nestihne začiatok nasledujúceho sektoru. Musí teda počkať (takmer celú otáčku), až sa pod ňu sektor znovu dostane. Takéto čakanie môže disk značne spomaliť.
Preto bolo zavedené prekladanie, ktoré ukladá údaje cez sektory. Pri zápise sa údaje uložia do logických sektorov – nasledujúce údaje budú zapísané s vynechaním jedného sektoru.
Hodnota prekladania sa postupne znižovala od pôvodných 1:6 až na dnešnú 1:1 (tzn. fyzický a logický sektor je rovnaký).


Kapacita disku

Je určite najdôležitejšou hodnotou disku. Táto oblasť za posledné obdobie tiež prešla veľmi dramatický vývojom. Každým rokom sa kapacita pevných diskov zmnohonásobní. Pevne disky majú dnes kapacity najčastejšie v rozmedzí od 15 do 30 GB. Je to zapríčinené neustále rastúcimi požiadavkami programov na kapacitu ale aj technickým pokrokom v tejto oblasti.

Hustota záznamu
Každý bit je predstavovaný miniatúrnym dipólom zapísaným do magnetického povrchu disku. Úlohou je teda miniaturizovať dipóly, vytvárať stále jemnejšie magnetické štruktúry s možnosťou vyššej hustoty zápisu dát. Skôr používaná technológia, kde sa na povrch platní nanášala vrstva oxidov bola nahradená vrstvou tenkého filmu.

Dokonalejší povrch filmu umožňuje menšiu vzdialenosť hlavy nad diskom, čo znamená potrebu menšieho magnetického poľa, tá dovoľuje použitie menších dipólov a väčšiu hustotu stôp.




Kódovanie dát

Pri čítaní dipóly (predstavujúci jednotlivé bity) rotujú pod magnetickou hlavou a vyvolávajú v nej elektrické napätie. Podľa induktívneho zákona môže byť napätie vyvolané iba zmenami magnetického toku (v našom prípade rozdielnymi susednými magnetickými dipólmi v stope disku). Ak však po sebe nasleduje niekoľko rovnakých bitov, napríklad 10000111, stojí radič (ktorý napätie z hlavy „odoberá„) pred problémom, ako od seba rovnaké bity oddeliť (musí vedieť koľko 0 ide za sebou). Tento problém by sa dal vyriešiť tak, že by sa každý bit oddelil špeciálnym impulzom. Je jasné, že by tak výrazne vzrástol počet impulzov (tj. dipólov) potrebných k zápisu jedného bytu a následne by poklesla kapacita disku. Preto boli vyvinuté algoritmy úspornejšieho zápisu na disk:
MFM (Modified Frequency Modulation), ktorá vymedzuje dátovému signálu presnú dĺžku. Podľa času trvania rovnakého magnetického toku radič rozpozná počet zhodných bitov. Dnes je táto metóda používaná iba u diskiet.
RLL (Run Length Limited) je algoritmus, pri ktorom si radič prepočíta ukladanú postupnosť na novú kombináciu 0 a 1. Ukladané číslo je zmenené tak, že sa v ňom nevyskytnú „nečitateľné„ sledy 0 a 1. V porovnaní s MFM potrebuje RLL pre uloženie rovnakej informácie iba asi jednu tretinu kapacity disku.
PRML (Partial Response Maximum Likehood) prináša ďalšie zvýšenie hustoty ukladania dát. Čítané impulzy sa spracovávajú digitálnym signálovým procesorom – DSP. Ten presne vie, ako má vypadať sled signálov vyvolaný husto ležiacimi dipólmi, dokonca dokáže dopočítať aj chýbajúci údaj. Výsledok je jasný – PRML rozozná viac dipólov na malej ploche, čo vedie ku zvýšeniu kapacity disku.

Prekompenzácia (write precompensation)
Pri bližšom pohľade na geometriu disku zistíme, že vonkajšie stopy sú v dôsledku väčšieho priemeru „dlhšie„ ako vnútorné. Sektor stopy 0 (prvá vonkajšia stopa) je dlhší ako sektor poslednej stopy (tej v strede), aj tak však oba sektory uchovávajú rovnaké množstvo údajov.
Dipóly, v ktorých sú dáta uložené, sú v podstate malými magnetmi, ktoré majú ako každý iný magnet svoje póly (severný a južný). Rovnaké póly sa odpudzujú, opačné priťahujú. Na vnútorných stopách, kde sú tieto „magnety„ blízko pri sebe, hrozí nebezpečie, že pri určitej kombinácii kladných a záporných impulzov, napríklad 1100..., môžu v dôsledku príťažlivých a odpudivých síl „vniknúť„ bity (magnety) do seba, čím sa informácie narušia a údaje budú nečitateľné.
Obranou proti tomuto javu je práve prekompenzácia. Tá vychádza z toho, že radič počíta s pohybom dipólov a posúva zapisované impulzy proti smeru predpokladaných príťažlivých síl.

Bity sú teda úmyselne ukladané na geometricky zlé miesto, ale pôsobením vzájomných magnetických síl sa „zrovnajú„.

Zone bit recording (ZBR)
Súvisí s problémom popísaným v predchádzajúcom odstavci. Pri ZBR je plocha povrchu disku rozdelená na zóny, v jednej zóne býva spravidla viac stôp.
Každá zóna má iný počet sektorov – napríklad: vnútorná (v ktorej sú stopy najkratšie) 35, druhá 36 a posledná, úplne vonkajšia (a najdlhšia) 54. Optimalizuje sa tak počet sektorov, v dlhých stopách ich je viacej, v kratších menej. Tento zónový zápis dnes používajú všetky disky.

Radiče pevných diskov

Sú „riadiacim centrom„ diskovej jednotky. Ich úlohy môžeme zhrnúť do nasledujúcich bodov:
zodpovedajú za správne vystavenie hláv. Pri čítaní musí radič čo najrýchlejšie poslať hlavu nad to miesto disku, kde sú uložené hľadané údaje. Preto si delí diskovú plochu na číslované stopy a sektory.
organizujú vlastný zápis a čítanie dát prostredníctvom kódovania (pri zápise) alebo dekódovania (čítanie). Slúžia im k tomu kódovacie algoritmy MFM, RLL a PRML.
v spolupráci so zbernicou zaisťujú prenos dát medzi diskom a mikroprocesorom.
Typ radiča je jeden z dôležitých ukazovateľov kvality disku, niekedy sa celý pevný disk po type radiča pomenuje. V počítačovej histórii sa na scéne vystriedalo viac typov radičov. Momentálne sa stretneme iba s diskmi EIDE a SCSI.

IDE (Integrated Drive Electronics)
Pevné disky tohto typu sú už minulosťou. Plošný spoj radiča je integrovaný na mechanike disku, spojenie so základnou doskou je realizované cez rozhranie (interface). To u IDE predstavuje rozširujúca karta do slotu zbernice ISA. Údaje medzi kartou rozhrania a diskom putujú 40-žilovým dátovým káblom.
IDE je spravovaný ROM BIOSom. Po jeho „zabudovaní„ do PC sa toto muselo oznámiť centrálnemu BIOSu (tomu na základnej doske), s akými parametrami jeho nový kolega pracuje. K tomuto účel slúži program SETUP, v ktorom sa nastaví počet hláv, cylindrov a sektorov disku.
Pretože integrovaný radič IDE je „šitý na mieru„ pevnému disku, môže sa pomerne ľahko využívať preklad geometrie. Všetky disky väčšie ako cca 80 MB používali zónový záznam a kódovanie RLL, novšie PRML. Pretože ZBR nie je BIOSom podporované (predpokladá sa, že všetky stopy majú počet sektorov), radič disku „sa tvári„, ako by mal napríklad väčší počet povrchov a menej cylindrov. Požiadavku na operáciu s určitým sektorom potom podľa tejto „vonkajšej„ geometrie prepočíta na zodpovedajúci fyzický sektor.

Z hľadiska BIOSu je samozrejme toto prepočítavanie neviditeľné, pretože výsledný súčin skutočných a falošných hodnôt dá rovnakú kapacitu disku.
Preklad geometrie znamená, že na taký disk nie je možné aplikovať príkazy low-level formátu. Disky prichádzajú naformátované už z továrne a majú pevne nastavený interleave 1:1, pretože sú dostatočne rýchle.
Snáď najdôležitejším kritériom diskov je ich kapacita. V tejto oblasti dosiahol radič typu IDE svoje maximum, čo bol aj hlavný dôvod k vývoju „vylepšeného„ IDE. Pôvodné IDE používa na adresovanie dát na disku metódu CHS (cylinder/head/sector), hlavný nedostatok dnes už nepoužívaného IDE – veľkosť dátového priestoru iba 504 MB.
Ďalším podstatným meradlom kvality radiča je rýchlosť prenášania dát medzi diskom a mikroprocesorom. V tejto súvislosti je nutné si uvedomiť, že na presune dát sa nezúčasťňuje iba radič, ale aj systémová zbernica a mikroprocesor. Ten organizuje prenos každého sektoru samostatne; pokiaľ bude medzi mikroprocesorom a diskom putovať 100 sektorov, musí mikroprocesor 100-krát zabezpečiť prenos dát. IDE teda svojimi dátovými prenosmi zaťažuje mikroprocesor. Reálne sú IDE disky schopné transportovať dáta rýchlosťou medzi 2 až 3 MB/s.
Pre zvýšenie rýchlosti sa pri pevných diskoch používajú aj pamäte cache. V nej sa „kešujú„ údaje prenášané medzi diskom a ostatnými dielmi základnej dosky (u ktorých je rýchlosť nanosekundová). Cache o veľkosti 64-512 KB bola súčasťou každého radiča, veľmi rýchle disky boli vybavené aj väčšími pamäťami (radove v MB). Dnes sa najčastejšie používajú pamäte cache typu SDRAM o veľkosti 512-2048 KB. Samozrejme, čím vyššia cache, tým lepšie.
K rozhraniu IDE (tj. karte v slote ISA základnej dosky) je možné pripojiť dve jednotky. Prvá z nich – tá z ktorej sa pri štarte operačného systému čítajú súbory, musí byť označená ako „MASTER„, druhá ako „SLAVE„. To, či disk bude MASTER alebo SLAVE nastavíte pomocou prepojok (jumperov), ktoré sú umiestnené na pevnom disku.
V praxi však spolupráca jednotiek IDE stopercentne nefunguje, existuje veľa typov (a to aj rovnakých výrobcov), ktoré spolu nebudú spolupracovať.

EIDE (Enhanced IDE)
Zastaranie jednotlivých parametrov IDE diskov viedlo k definícii novej normy – EIDE. Tá sa vyznačuje nasledujúcimi vlastnosťami:
· EIDE je s IDE spätne kompatibilné (s rozhraním EIDE sa dohovorí aj starší IDE disk)
· dovoľuje prácu aj s väčšími diskmi ako 504 MB
· definuje rýchlejšie prenosové režimy
· umožňuje pripojiť štyri súčasne pracujúce jednotky

Nové rozhranie je už integrované priamo do základnej dosky, 40-žilový dátový kábel, vychádzajúci na jednej strane z pevného disku, je na druhom konci pripojený do konektoru základnej dosky.

Uvolnil sa tak jeden ISA slot a odpadol nákup karty rozhrania.

Spôsoby, ktorými boli dosiahnuté vylepšenia parametrov u EIDE:

Zväčšenie kapacity disku nad 504 MB

Problém malej diskovej kapacity sa výrobcovia snažili vyriešiť ešte pred definíciou EIDE. Výsledkom je niekoľko metód, ktoré hranicu 504 MB prekračujú:
· LBA (Logical Block) – je základom EIDE. Modifikáciou ROM BIOSu a ovládačov v operačných systémoch sa dosiahla možnosť použitia adresovania cez 28-bitovú lineárnu logickú adresu. Disk je potom rozdelený na LBA bloky, ktorých počet dovoľuje zvýšenie jeho kapacity.
· XCHS (eXtended Cylinder Head Sector) používa už známu metódu CHS, ktorá je však rozšírená o väčší počet hláv a je kompatibilná s LBA.
· Postupne boli tiež upravené BIOSy, u ktorých je treba, aby vedeli pracovať s novým spôsobom adresovania
Radič EIDE sa musí navonok tváriť tak, aby mu rozumel BIOS a operačný systém, nesmie teda adresovanie LBA „priznať„. Tento problém rieši opäť prepočítavaním geometrických parametrov (hláv, cylindrov, sektorov), ani u EIDE sa preto nesnažte o formátovanie na najnižšej úrovni.

Rýchlosti EIDE
Ďalšou významnou inováciou nového rozhrania je rozšírenie prevádzkových režimov:
Prenos údajov sa uskutočňuje pomocou presne definovaných režimov označovaných PIO (Programmed Input/Output). Pre EIDE boli oproti IDE PIO doplnené o rýchlejšie varianty.
Boli tiež pridané ďalšie režimy Multiword DMA. DMA organizuje prenos dát z disku kanálom DMA. Počas takéhoto prenosu sa dáta z disku zapisujú priamo do operačnej pamäte a mikroprocesor sa môže venovať inej činnosti.
Prenos EIDE sa môže vykonávať v burst móde (prenos viacerých dátových sektorov naraz, nie sektor po sektore), ktorý rovnako prispieva k zvýšeniu prenosovej rýchlosti.

Pripojenie viacerých jednotiek
Rozhranie EIDE obsahuje dva konektory, z ktorých vychádzajú dve dátové linky – primárna a sekundárna. Na každú z nich sa dajú pripojiť dva zariadenia, k EIDE teda pripojíme maximálne 4 jednotky.
Významným vylepšením oproti IDE je zahrnutie štandardu ATAPI. ATAPI (AT Attachment Packet Interface) bol odvodený od pôvodného ATA a obsahuje príkazy umožňuje spoluprácu s CD mechanikami.


SCSI (Small Computer System Interface)
SCSI je komplexnejším riešením ako EIDE. Fyzicky je realizované tak, že sa do zbernicového slotu na základnej doske zastrčí karta nazývaná host adaptér. Od nej je potom vedený dátový kábel. Ten spája jednotlivé periférie SCSI.

Každá z týchto jednotiek má vlastný radič, takže je funkčne samostatná, prevádzku na dátovom kábli (vlastne zbernici SCSI) riadi spravidla host adaptér.
U SCSI je možné inštalovať interné alebo externé zariadenia.
SCSI prináša mnoho výhod:
· keďže má každá periféria vlastnú riadiacu jednotku a host adaptér používa pre komunikáciu so zariadeniami presne definovaný jazyk, môže spolupracovať s ľubovoľnou perifériou SCSI (používajú sa napríklad SCSI pevné disky, CD mechaniky, streamery, scannery, tlačiarne, ...)
· jednotlivé zariadenia SCSI nie sú obmedzené žiadnymi podmienkami
· prenos dát na zbernici SCSI je riadený host adaptérom – mikroprocesor nie je presunmi dát zaťažovaný

Štruktúra SCSI vyžaduje nasledujúce konfiguračné pravidlá:
· každá periféria SCSI musí byť jednoznačne identifikovaná. Je jej pridelené identifikačné číslo (ID), ktoré sa nastavuje prepojkami (jumpermi) alebo prepínačom, umiestneným na skrini komponentu. V rámci jednej zbernice sa čísluje od 0, hosť máva spravidla ID 7.
· zbernica musí byť ukončená terminátorom. Na koncových zariadeniach (v ktorých zbernica končí) je potrebné terminátory inštalovať
· host adaptér sa musí s PC dohovoriť, potrebuje teda (ako každá rozširujúca doska) pridelenie systémových prostriedkov (I/O adresy, IRQ, DMA, rezervovanú pamäť)


Diskové technológie

Regenerácia dát mechaniky pevného disku
Zápis a čítanie číslicových údajov na mechanike pevného disku sa uskutočňuje v podstate analógovou metódou. Ako pri všetkých analógových nosičoch dát aj dáta na disku sú vystavené šumu tvorenému pozadím a fyzickému poškodeniu. Dôležité je poznať hraničné parametre nosiča dát a účinne zabezpečovať opravu chybných stavov vzniknutých na mechanike.
Rozpoznávanie toho, že dáta sú poškodené, a podnikanie krokov k náprave spočíva v dodaní prídavných informácií, ktorých obsah závisí od pôvodných dát. Vo svojej najjednoduchšej forme poskytuje určitý stupeň detekcie chyby kontrola paritou tým, že sa urobí súčet všetkých dát v bloku a je vymedzený bit, ktorý hovorí, či je súčet párne alebo nepárne číslo.
Modernejšie metódy pre mechaniky pevného disku používajú výpočty a kódovanie známe ako ECC – samoopravné kódy. Z teoretickej stránky mimoriadne zložité odvetvie matematiky viacrozmerových bodov a výpočty ECC aplikované na dáta sú primerane zladené na použitie pre hardvér i softvér. Nielenže sa chyby dajú zisťovať, ale dobrý algoritmus ECC môže poškodené údaje aj skutočne obnoviť - a tým uskutočniť „opravu„ dát pre používateľa. Výpočty ECC tvoria časť procesu obnovy dát spolu s takými metódami, ako je opakované čítanie počas po sebe nasledujúcich otáčok disku s uskutočnením malých zmien snímaných parametrov na získanie rôznych „pohľadov„ na chybné dáta.
Diskové mechaniky sa dodávajú s radom „náhradných sektorov„, ktoré sú k dispozícii na opravu chýb. Túto „rezervu„ náhradných sektorov používateľ priamo nevidí, je však k dispozícii na náhradu chybných sektorov zistených na mechanike. Len čo sa uskutoční pridelenie náhradného sektora na náhradu poškodeného sektora, mechanika sa navonok javí tak, že jej chyba bola „odstránená„.
Ak sa uskutočňuje preadresovanie poškodených sektorov na použitie dobrých náhradných sektorov, potom sa mechanika javí používateľovi ako 100 % bezchybná.

Pri použití mechaniky je možné preadresovanie sektorov aktívne riadiť. Ak je potom pomocou logiky ECC obnovený blok dát, mechanika môže uskutočniť inteligentným spôsobom analýzu chybného sektora, aby zistila, do akej miery je poškodený. Niekedy dôjde k nesprávnemu zápisu dát – napr. pri pôsobení mechanických nárazov na mechaniku za chodu – a nový zápis dát problém jednoducho vyrieši. Ak však analýza mechaniky na podozrivom sektore ukáže, že sektor je nespoľahlivý, môže rozhodnúť, aby sa na nový zápis obnovených dát použil náhradný sektor.

Predpovedanie poruchy mechaniky
Technológia samočinne sa sledujúceho systému a oznamovania správ (SMART) je metóda vymedzená na uskutočňovanie štatistickej analýzy výkonu mechaniky disku na vlastných operáciách, ktorá používateľovi poskytuje inteligentnú predpoveď, pokiaľ ide o hroziacu poruchu.
SMART využíva v rámci diskovej mechaniky záložný výkon procesora a sleduje rad prevádzkových parametrov, ako je chybovosť, počet opráv opakovaním, preadresovanie poškodených sektorov, cyklov spúšťania/zastavenia atď. Tieto informácie sa používajú na štatistický rozbor založený na známych prevádzkových parametroch dobrej mechaniky, aby sa v predstihu dala výstraha o hroziacej poruche mechaniky.
Aby sa mohol SMART používať, treba použiť softvérový prostriedok zavádzaný do systému. K dispozícii je v súčasnosti niekoľko komerčných obslužných programov, ktoré zvyčajne nie sú učené pre všetky súčasné operačné systémy.

Prevencia porúch disku
Obnova dát je pri moderných diskových mechanikách veľmi dobrá – mechanika sa pokúsi podniknúť maximálne možné kroky na to, aby uskutočnila obnovu dát, predtým, ako nahlási chybu. Schopnosť preadresovať obnovené dáta na náhradné „dobré„ sektory znamená, že chyby, ktoré by sa mohli označiť ako poruchy mechaniky, je možné aktívne zvládnuť, aby sa tak predĺžila životnosť zariadenia. SMART umožňuje predpoveď možných porúch mechaniky, aby sa dali dáta na zlyhávajúcej mechanike zálohovať a mechanika vymeniť skôr, ako prestane slúžiť.
Všetky tieto mechanizmy sú však založené na tom, že mechanika reaguje ne poruchy opravou, preadresovaním a registráciou výsledkov. Jediné časti mechaniky, ktoré sú v činnosti, sú oblasti, ku ktorým má operačný systém prístup.

Preto môže byť stav veľkej časti disku po dlhý čas neznámy, čo môže viesť k tomu, že opraviteľné chyby sa zhoršia a štatistika SMART-u (ak bude aktivovaný) bude neúplná.
Obslužné programy na prehliadanie povrchu disku na účel vyhľadávania chýb sú bežné, ich použitie však môže byť časovo veľmi náročné a ponúkajú len základné schopnosti v oblasti opravy chýb.
Firma Western Digital, ako odpoveď na požiadavky lepšieho systému opráv chýb, vyvinula technológiu Data Lifeguard.
Data Lifeguard vychádza zo schopnosti obnovy disku po vzniknutej chybe a poskytuje aktívnu opravu dát mechaniky. Data Lifeguard uskutočňuje každých 8 hodín prevádzky – pri bežnej diskovej mechanike zhruba raz denne – automatickú prehliadku (scanning) celej dátovej oblasti mechaniky.
Chyby, na ktoré Data Lifeguard počas prehliadky narazí, sú opravené alebo preadresované skôr, ako k nim bude systém požadovať prístup. I keď vážne chyby v dátach alebo havarijné poruchy nie je možné opraviť, mnoho malých chýb, ktoré by mohli viesť k tomu, že inak dobrá mechanika by bola hodnotená ako poruchová, sa dá z dátovej oblasti odstrániť.
Data Lifeguard v čase nečinnosti čaká a rozbieha sa bez zásahu používateľa. Akýkoľvek príkaz používateľa činnosť len pozastaví, výkon systému nie je ovplyvnený. Pretože produkt prehliada povrch disku, je k dispozícii úplný súbor algoritmov obnovy po vzniknutej chybe, takže Data Lifeguard môže inicializovať presun dát z poruchových oblastí do známych dobrých oblastí disku.

Charakteristické vlastnosti pevných diskov

Vlastnosti určujúce kvalitu disku:

· kapacita disku
· prístupová doba
· rýchlosť disku (otáčky)
· prenosový rýchlosť dát (PIO, Ultra DMA)
· spoľahlivosť disku
· typ radiča

Logická štruktúra pevného disku
Dáta ukladané na disk sa zapisujú do stôp a sektorov, ktoré sú na disku už magneticky vytvorené formátovaním (výrobcu) na nízkej úrovni. Pamäťový priestor je však potrebné zorganizovať tak, aby boli skôr uložené dáta v prípade potreby rýchlo nájdené.
Súbory na disku sú preto mapované sústavou tabuliek. Túto sústavu (vlastne logickú štruktúru disku) vytvoríme vysokým formátovaním, ktoré umožňuje každý operačný systém.

Vyrovnávacia pamäť pevného disku
Informácie o vyrovnávacej pamäti sa objavujú v spojitosti s takmer každým hardvérovým prvkom počítača. Vyrovnávacia pamäť pevného disku slúži na skladovanie dát tečúcich medzi diskom a základnou doskou. Ich potreba je vyvolaná tým, že rýchlosť je milisekundová, ale prvky základnej dosky pracujú v nanosekundách.


Do vyrovnávacej pamäte sa dáta dostávajú dvoma spôsobmi:
· uviaznu v nej všetky údaje prúdiace medzi diskom a základnou doskou
· vyrovnávacia pamäť sa snaží predpovedať aké údaje budú potrebné v budúcnosti a snaží sa ich načítať

Fyzicky býva vyrovnávacia pamäť realizovaná dvoma spôsobmi:
· hardvérovo, kedy je cache súčasťou radiča. Dnes sa najčastejšie používajú hodnoty od 512 kB do 2048 kB
· softvérovo sa ako ďalší priestor využíva časť operačnej pamäte počítača



ZÁVER

Vonkajšie pamäte patria k najzákladnejším častiam počítača.

Umožňujú nám uchovanie dát, ktorých je veľmi veľa. Keby neboli pamäte v počítačoch, neviem si predstaviť o koľko viac papiera by sa spotrebovalo. Vonkajšie pamäte ako CD-ROM priniesli obrovský zvrat v oblasti výpočtovej techniky, aj hudby. A mechaniky CD-RW spôsobili asi najväčšie porušovanie autorských práv v histórii. Asi každý koho poznám a vlastní počítač má min 90% softweru nelegálne, prostredníctvom na čierno prepálených originálnych nosičov.
Pokrok v tomto odvetví je neskutočný a tak čo sa dnes učíme v škole už včera nebolo aktuálne. Počítačové giganti do vývoja nového – lepšieho hardwaru vrážajú ťažké peniaze. A už dnes možno existujú také pamäťové média,.