Hogyan működik a merevlemez? Alapok

  • (f)
  • (p)
Tudástár – Írta: | 2009-07-19 13:27

A cikk, egy megfelelő kiindulási pontot szolgáltathat azoknak, akik érdeklődnek a téma iránt.

Kulcsszavak: . HDDfilerendszerszektormerevlemezATAIDESATASCSISASFCBackup

[ Új teszt ]

Működés

A merevlemez működését sokan megismerhették a mindennapos használat során, de emiatt gyakran szembesülhettek eltűnt adatokkal, tönkrement merevlemezekkel, aggódó felhasználókkal vagy apukákkal.

Még a cikk kezdete előtt, megragadom az alkalmat és megköszönöm a segítséget: LGLuke-nak és Dzsekó-nak, aki átnézte, javította, kiegészítette a munkámat.
Továbbá Racecamnek, aki hasznos tanácsokkal látott el.

A merevlemez mára sokkal könnyebben hordozható, mindennapos adatmozgatásra is használható egység lett, mindemellett megbízhatósága nem nőtt a teljesítménnyel és a tárolókapacitással együtt.

A merevlemez mágneses elven működő tárolóeszköz, A merevlemez felületén egységnyi mágnesezhető részecskék vannak un. domain-ek (lerajzolva téglatest formájúak), és ezek eltérő elektromágneses gerjesztés hatására beállnak bizonyos irányba, így rögzítve az adatot, sok év elteltével szép lassan vesztik el a mágneses mező által beállított pozíciójukat és visszaállnak az alap pozíciójukba.

A régi vinyóknál ezek a domainek fekvő helyzetben voltak a vinyó tányérján így meglehetősen sok helyet foglaltak el. Aztán kitalálták, hogy függőlegesen helyezik el őket, ezzel helyet spóroltak meg és adatsűrűséget is tudtak növelni (kb. 10x-es kapacitás érhető így el.

A mágneses réteg üvegből vagy alumíniumból készült lemezeken helyezkedik el, ez biztosítja a hordozó anyag stabilitását és szilárdságát. A lemezeket egymás fölé helyezik egy közös tengelyre, melyet a motor hajt meg. A lemezek közé nyúlnak be az olvasófej karjai, általában minden lemezhez két darab, az egyik alul, a másik felül olvassa az adatokat. A fejek tizedmikronnyi távolságra helyezkednek el a mágneses rétegtől, ezért ezt a réteget felhordás után tökéletesen simára polírozzák, hogy az egyenetlenségek ne sértésék meg a fejeket. A fejek szintén központi tengelyen vannak összekapcsolva, ezt a tengelyt egy lineáris motor mozgatja, mely félelmetes pontosságra és sebességre képes, másodpercenként akár 50-szer tud pontosan pozicionálni akár úgy, hogy minden lekérdezendő adathoz a teljes lemezsugár távolságot meg kell tenni.
Ezek alkotják a merevlemez mechanikát, melyet egy zárt házba tesznek. A ház teljesen nem zárt, van rajta egy nyomáskiegyenlítő szelep, ezen keresztül gondosan szűrt levegő tud beáramlani, ha csökkenne a nyomás, és itt tud ugyanígy távozni, ha megnőne (nyomáskülönbség a hőmérséklet-változás miatt következik be). A szelep porvédő, ezért az apró portól is megvédi a belső mechanikát, de a levegő szabadon járhat rajta keresztül.

A merevlemez házára szerelik kívülről az elektronikát, mely a motorokat és a fejeket vezérli, adatokat olvas és ír, valamint itt helyezkedik el a cache memória, ahol az átmeneti adatok tartózkodnak.
A merevlemez működése, mint fentebb írtam, a mágnesesség elvén alapul. A fej a mágneses tulajdonságokkal rendelkező lemez felett halad el, közben abban a lemez mozgó mágneses mezője elektromosságot generál (Lenz törvénye alapján), és a lemezen található mágneses és nem mágneses területek által generálódó vagy megszűnő elektromosság alakul át a számítógépben is használható adattá. Ez az olvasási művelet esetén történik ilyen módon, íráskor ugyanez az elv, csak akkor a fejre küldött elektromos mező generál mágneses teret, így felmágnesezi a lemez adott pontjait.

A lemez több mint 250 km/órás sebességgel mozog a fej alatt, amely szintén forog, ám lényegesen lassabban, így képes ezredmásodpercek alatt elérni egy adatot, hiszen a lemezen található sávokat a lineáris motor mozgásával éri el, a sávon belül pedig a lemez mozgása forgatja be az adatokat a fej alá. A fej és a lemez között a hajszál vastagságának törtrésze sem férne el, ezért olyan érzékenyek a merevlemezek. A kis távolságot a légpárna okozta emelőerő teszi lehetővé.

A lemezek állandóan forognak, forgási sebességüket rpm-ben adják meg (Rotation Per Minute, azaz fordulat per perc).Egy winchesterben több lemez is lehet: mindegyikhez két fej tartozik: alul-felül egy. Mivel az azonos fej, és lemezszámú meghajtók kapacitása eltérő lehet, a végleges kapacitást és az adattárolásra használt területeket a gyártás során, úgynevezett „szervóírással” alakítják ki. A HDD-beli lemezeket azonos központú, különböző sugarú körök tagolják, ezeket sávoknak (trackeknek) nevezzük. A sávok azonosítása számokkal történik, a legkülső sáv a 0-s sorszámú. Azokat a sávokat melyek egymás alatt helyezkednek el cilindernek nevezzük. A sávokat tovább lehet bontani ún. szektorokra. Ezeket is sorszámozzák, ezek eggyel kezdődnek. A könnyebbség kedvéért a winchester 3-4 szektort együtt szokott kezelni, ezek a szektorcsoportok, a clusterek.

Csatolók

A merevlemezek a fenti elvek alapján képesek mágneses hordozóként működni, azonban szükség van adatátviteli és definiált adatstruktúrákra ahhoz, hogy értelmezhető adatot nyerjünk ki belőlük.

Adatátvitelhez csatolóval rendelkeznek, mely a számítógépekben elterjedt szabvány szerint IDE vagy SATA, illetve SCSI, SAS, és FC lehet.

Szerintem fölösleges nagyon belemélyedni az FC/SAS/SCSI vezérlőkbe és HDD-kbe, mert ezeket úgyis csak vállalatok használják, és kevés embert érint.

Az ATA kifejezés az angol AT Attachment kifejezés rövidítése, melyet a Serial ATA 2003-as megjelenése után utólagosan átkereszteltek Parallel ATA-vá (PATA).

Az IDE szabvány szerint régebben speciális I/O kártyákkal csatlakoztunk a merevlemezhez, azonban ezen a téren sikerült egyességre jutnia a gyártóknak, így több éve már, hogy alaplapra integrálva kapjuk az egy, vagy két csatlakozós, csatlakozónként két eszköz kapcsolódására alkalmas egységet. Jelenleg használatos UDMA133 szabvány a csatoló elméleti 133 MB/s-os sebességét jelzi a nevében. Kábelezéskor a nagyon régi merevlemezekhez 40 eres, a többihez 80 eres kábelt használunk.

A hagyományos (párhuzamos) ATA szabvány továbbfejlesztéseként létrehozták, a hasonló elveken, de soros átvitellel működő csatoló háttértároló eszközök illesztéséhez a SATA-t.
A soros ATA a párhuzamos ATA-val ellentétben egy kábelre kizárólag egyetlen merevlemez vagy más eszköz csatlakoztatását teszi lehetővé, és mindössze négy vezetéket használ fel a kommunikációhoz, de ennek ellenére hasonlóan magas átviteli sebesség elérését teszi lehetővé.

Kieg.:

A SATA és a SATA2 közötti kompatibilitás fontos, ezért a SATA2-ben van egy visszakapcsoló szekvencia, ami SATA-ba állítja az átvitelt, mikor olyan eszközzel kommunikál. A gyakorlatban néhány régebbi SATA vezérlő nem valósítja meg a megfelelő SATA sebesség-kritériumokat. Az érintett rendszerekben a felhasználónak kell kézzel átállnia SATA2-ről SATA-ra .

ATA-133, vagy UDMA 133 esetében általában (!) elegendő a sávszélesség a mai HDD-khez még, viszont azt tudni kell, hogy ez megoszlik a kábelen lévő eszközök között.
Régebbi alaplapokon 2db IDE csatorna volt, ma már csak 1-et integrálnak az újakra, és minden csatornán van 2 csatlakoztatási lehetőség. Az egyik master a másik slave. Ezek között megoszlik a 133MB/s, így ha 2db HDD-nek már lehet szűk keresztmetszet.
SATA esetében külön dedikált útvonal van minden HDD-hez, így ott ilyenről nincs szó.
Kicsit olyan, mint a PCI és PCI-e. Utóbbi soros, míg előbbi párhuzamos, és közös buszon működött mindig egy egység. Ezért kellett AGP, mert az új fejlesztésű VGA kártyák üzemeléséhez már nem volt elegendő a PCI sávszélessége. Maga a PCI busz is azért született meg, mert az őt megelőző ISA busz sem tudta már kiszolgálni a videokártyák sávszélesség igényét.
++ Az ISA problémáját egy VESA Local Bus-nak nevezett kiegészítő busszal is megpróbálták áthidalni annak idején. Különlegessége volt ennek a megoldásnak, hogy létezett olyan merevlemez kártya, amibe akár 4MB EDO ramot is belehetett tenni az adatáramlás pufferelésére. Szárnyakat adott a merevlemez látszólagos sebességének, és az adatvesztésnek is áramkimaradás esetén.

Az SCSI elsősorban a szerverekben ismert csatolótípus. Small Computer System Interface, azaz SCSI, egy szabvány a fizikai csatlakozás és az adatátvitel terén,mely a számítógépek és perifériák között valósul meg.. Az SCSI meghatározza a parancsokat, protokollokat, az elektromos és optikai érintkezőfelületet.
Az SCSI nem kompatibilis az IDE-vel, így bár az SCSI és az IDE merevlemezek külsőleg nagyon hasonlítanak egymásra, és belső szerkezet is gyakran egyezik, az elektronika és a csatlakozási lehetőségek kizárják a keresztplatformos alkalmazás lehetőségét. Az SCSI előnye azokban a különleges vezérlőparancsokban rejlik, melyekkel képes úgy vezérelni az egyes meghajtókat, hogy nem foglalja le a teljes sávszélességet, vagyis tud batch módban parancsokat kiadni, akár egyszerre több meghajtónak is, ami jelentős előnnyel jár RAID rendszerek esetében.

A SAS tulajdonképpen hasonló, mint a PATA - SATA átmenet. Az SCSI párhuzamos elven működik, míg a SAS soros elven, de megtartva az SCSI speciális vezérléseit.
SAS vezérlőre lehet kötni SATA merevlemezt, mert elboldogul vele, akár RAID-ben is, de fordítva nem igaz! SATA vezérlők egyszerűbbek, nem kezelik a SAS HDD-ket.

Megemlíteném még : FC-t, azaz Fibre Channel-t, amely egy csatlakoztatási felület NAS-okhoz illetőleg közvetlenül HDD-khez is

File-rendszer

Particionálás:

A winchestert particionálással több logikai meghajtóra oszthatjuk fel. Ezek a partíciók fizikailag egy winchesteren vannak, ám az operációs rendszer több meghajtóként érzékeli, és kezeli őket. Tehát a partíció a merevlemez egy logikailag különálló darabja, melyet az adatok szervezésére használunk. A particionálás műveletét a merevlemez első használatba vétele előtt kell végrehajtani, amely után a lemez használhatóvá válik.


Formattálás/Formázás:

Ahhoz hogy a mágneslemezeken lévő mágneses réteg alkalmas legyen adatok tárolására, létre kell hozni a tároláshoz szükséges rendszert. Ezt formattálásnak vagy formázásnak nevezzük. A formázás csak a fájlrendszer saját adminisztrációjához szükséges adatstruktúrát állítja be, a teljes formázás is csak a szektorok elérhetőségét ellenőrzi. A sávokat és szektorokat már a gyárban beállítják.

File-rendszer

Az adatok struktúrájának alapját a merevlemezen kialakított szektorok jelentik. Egy szektor 256-512 byte vagy többszöröse lehet, ezek alkotják a file-rendszerek alapjait. A file-rendszer meghatározza, hogy a file-ok és a könyvtárak milyen sorrendben, rendezési elv alapján és kialakításban helyezkedjenek el a merevlemezen, így kereshető vissza könnyen egy adott helyen elhelyezkedő adat. Ezért értékes a file-rendszer-leíró táblázat (FAT esetén pl: FAT tábla), mert ha ez eltűnik, nincs ember, aki meg tudná mondani, hogy a véletlenszerűen elhelyezkedő adatokból melyek tartoznak össze. A file-rendszer-leíró táblákat ezért szokás két példányban tárolni a merevlemezen. Nem térek ki a különböző fájlrendszerek taglalására, mivel rengeteg van belőlük és nem ezeknek a kivesézése a cikk célja.

A file-rendszer működése után tekintsük át a szorosan hozzá kapcsolódó töredezettségmentesítés (defrag) elvét. A lemez elejére, kötött helyre kerül a lemez alapvető információs területe. Itt található a partíciók leírása, illetve a a boothoz szükséges információk egy része.
Ezt követik a partizó, illetve a partíciók. Egy partíció elején saját adminisztrációjához szükséges információk találhatóak meg. Ezek után következnek a tényleges adatok. Az operációs rendszer és a partíció típusa függvényében eltérő stratégiák szerint töltődnek fel az adatszektorok. Míg a hagyományos DOS mindig törekedett az első szabad hely kitöltésére, a mai op.rendszerek már intelligensebb megoldásokat használnak. Ezzel érik el, hogy kevésbé töredezzenek szét a a fájlok. Egy idő után a merevlemez nagy részén szép sorban file-ok találhatók, amelyek közül előbb-utóbb törlünk néhányat. A törlés nem szokott fizikailag megtörténni, hanem a file-rendszer-leíró táblázatban bejegyzésre kerül hogy az adott szektorok szabadok, oda lehet írni (emiatt lehet visszaállítani akkor törölt file-okat, amikor még nem történt az adott helyre írásművelet). A sok törlés lassan „lyukacsossá” teszi a file-rendszert, a vezérlő pedig mindig az első szabad szektorba ír, vagyis egy idő után a file-ok csak úgy tudnak felíródni a lemezre, hogy több részre széttöredeznek, hiszen a korábban letörölt file-ok helyén keletkező szabad hely nem mindig passzol az oda írandó új file-hoz. A széttöredezett file-rendszer olvasásakor a fejnek folyamatosan ugrálnia kell, így az adatátviteli sebesség lecsökken, hiszen a véletlenszerű olvasás sebessége akár negyede is lehet a szekvenciálisnak. A töredezettségmentesítés a széttöredezett file-okat egymást követő szektorokba rendezi, így lecsökken a fej mozgatásának ideje, ergo az olvasási és írási sebesség megnő.

Szintén a szektorokkal és az adatolvasással kapcsolatos a sector remap, más néven szektoráthelyezés fogalma.

A gyárak, bármilyen csúcstechnikát is alkalmazzanak, olyan lemezeket tudnak csak gyártani, amelyeken a mágneses réteg sok helyen sérült vagy fizikailag alkalmatlan, így oda nem lehet adatot írni. A sector remapot már a gyárban alkalmazzák, hogy kiszűrjék a hibás szektorokat. Ilyenkor a merevlemez elektronikájában rögzítik, hogy az adott szektor nem alkalmas adattárolásra, és helyét átveszi egy addig kihasználatlan másik szektor. A korszerű merevlemezek elektronikája figyelemmel kíséri a szektorok állapotát. Ha egy szektor bizonytalanná válik, kijelöli megfigyelésre. Ha a megfigyelési (pending) időszak alatt romlik az állapota, automatikusan kipótolja a tartalék területből. A felhasználó csak akkor találkozik hibás szektorral, ha a tartalékterület elfogyott, tehát nincs miből pótolni.
Szektorhiba az esetek nagy részében fizikai behatás következtében alakul ki, például a fej lecsapódik a lemeztányérra, és ott ez kis darab mágneses réteg tönkremegy. Ez a réteg azonban rossz esetben elválik a tányérról, és megkezdi pusztító útját a többi lemezen, így előbb-utóbb egyre több hibás szektort találunk, pedig ha az első után lementettük volna adatainkat, és másik merevlemezt használtunk volna, nem szembesülnénk az adatvesztéssel.

Adatbiztonság

Léteznek „csodaprogramok”, amelyek biztos, hogy sok felhasználó adatait visszaállították már, viszont legalább annyinak tették olyan módon tönkre a meghajtóját, hogy azzal utána a szakemberek sem tudtak mit kezdeni. Alapelv: Sérülés, hiba esetén minél hamarabb fordulunk szakemberhez, annál nagyobb a visszaállítás esélye, mivel általában, egy meghibásodott mechanika és a felhasználó otthoni barkácsolása együtt képes megoldhatatlan feladat elé állítani bárkit.

Tehát irány:

Szorosan a merevlemezekhez kapcsolódó fogalom a RAID, melyről remek cikkeket írt Cerebellum nevű tag. [1.rész][2.rész][3.rész]

Az ajánlott HDD-k, „Gyakran Ismételt Kérdések”-re válaszok, további információk ebben a topikban találhatók:[link]

Remélem sikerült a mindenki által ismert adatok mellett, egy-két érdekességet is közzé tenni. :)

Malwy