Hard disk

Hard discul sau discul dur este un dispozitiv non-volatil pentru stocarea datelor. Stocarea se face pe o suprafaţă magnetică dispusă sub forma unor platane. În general sunt utilizate ca suport de stocare extern principal pentru calculatoare personale, dar şi pentru anumite aparate electronice (DVD Playere, MP3 playere). Dacă la începuturi capacitatea unui hard disc nu depăşea 20 MO, astăzi, un hard disc obişnuit poate depăşi 500 GO.
Structură
Un hard disc este format din:

o placă de control logic
un număr de platane (de obicei 2 sau 3), împărţite în piste, cilindrii şi sectoare
capete magnetice de o parte şi de alta a platanelor legate printr-un braţ metalic
un sistem electro-mecanic de blocare a capetelor pe pista de stop (landing-zone)
un motor electric pas-cu-pas
Funcţionare
Fiecare platan are doua feţe şi este divizat într-un numar de piste, fiecare pistă fiind divizată in sectoare. Platanele sunt astfel aranjate încat pista 0 de la platanul 1 să fie exact deasupra pistei 0 de la platanul 2. Pentru a accesa o pistă oarecare pe unul din platane, braţul care susţine capetele va muta capetele spre acea pistă. Deoarece această metodă necesită doar un singur mecanism de poziţionare, simplifică design-ul şi coboară preţul. Totuşi, pentru aceasta trebuiesc mutate toate capetele pentru a accesa o singură pistă. Deci, pentru a citi date de pe pista 1 de pe platanul 1, apoi pista 50 pe platanul 3 si apoi iar pe pista 1 de pe primul platan, întregul braţ cu capete trebuie mutat de doua ori. Pentru a muta un braţ ca acesta trebuie un timp semnificativ comparativ cu timpul de transfer. Pentru a minimiza acest lucru, trebuie prevenit ca datele sa fie impraştiate pe mai multe piste. O metodă de a optimiza timpul de acces este ca un grup de date care sunt accesate secvential sa fie scrise pe o singura pistă. Dacă datele nu incap pe aceeasi pistă, atunci este optim să fie scrise pe aceeaşi pistă, dar pe un platan diferit. Prin aceasta metodă, braţul nu mai trebuie sa execute mişcări. Doar capul de citire şi scriere cel mai apropiat trebuie sa fie selectat pentru a efectua operaţia de citire. Selectarea capetelor este mult mai rapidă decât mişcarea fizică a braţului care susţine capetele pentru a schimba pistele. Se mai foloseşte termenul de cilindru pentru a descrie multiplele platane suprapuse. Un cilindru se referă la toate pistele care au acelaşi numar de pistă, dar care sunt localizate pe diferite platane.
Transferul datelor la memorie
Modalitatea în care datele sunt transferate în memorie determină viteza efectivă a combinaţiei controler - hard disc. Sunt folosite patru metode:

Programmed I/O - Cu aceasta metodă, porturile controlerului au grijă atât de comenzile drive-ului cât şi de transferul de date între controler şi memorie. Se folosesc comenzile IN şi OUT ale limbajului de asamblare. Aceasta înseamnă că fiecare octet este transferat prin intermediul procesorului. Aici, viteza datelor va fi limitată la cea a bus-ului PC şi la performanţa procesorului.
Memory Mapped I/O - Procesorul poate procesa datele provenite dintr-un controler de disc mult mai repede dacă sunt stocate într-o regiune fixă de memorie. Segmentul localizat deasupra memoriei video RAM este folosit în general cu acest scop. Datele sunt transferate cu ajutorul instructiunii de transfer (mov în cazul arhitecturii x86). Este mai rapidă decat metoda precedentă.
DMA - Folosind DMA, un dispozitiv poate transfera datele direct în memorie. Procesorul nu participă la acest transfer. Pentru a folosi DMA, un program trebuie să îi precizeze controlerului DMA mărimea în bytes a pachetului de date ce urmează a fi transferat dintr-o locatie într-alta. Totusi, controlerul DMA într-un PC este inflexibil şi lent. Controlerele DMA opereaza la 4 MHz, în concluzie sunt extrem de lente.
Busmaster DMA - Folosind această metodă, controlerul hard-discului deconectează procesorul de la bus şi transferă datele în memorie singur.
ESDI
Controlerul ESDI a fost dezvoltat după controlerul ST506, şi a fost unul din primele controlere de hard discuri pe calculatoare x86. Acest tip de controler a fost folosit în modelele IBM PS/2. Pentru că separatorul de date şi controlerul lucreaza în paralel, rata de transfer este aproximativ 10 megabiţi/secundă la modelele iniţiale, respectiv 15, 20 megabiţi la cele recente. Hard discurile ESDI stochează informaţii despre formatul fizic şi adresele sectoarelor defecte şi poate transmite aceste informaţii controlerului, pentru identificare şi corectare de erori. Nu mai este utilizat decât pe scară redusă.
Controlerele SCSI (Small Computer System Interface) sunt folosite în special în sistemele care au nevoie de performanţă şi stabilitate ridicată (servere, staţii de lucru performante).
ATA/PATA (IDE/EIDE)
Controlerul IDE (Integrated Drive Electronics), cel mai folosit în calculatoarele personale de astăzi foloseşte un singur cablu de 40 pini care combină funcţiile unui cablu de date şi al unuia de control care conecteaza discul IDE direct la magistrala (bus-ul) de sistem. Controlerele IDE au abilitatea de a emula orice format de disc. Din cauza consumului redus de energie, este una din soluţiile folosite pentru calculatoarele portabile. Controlerul IDE permite legarea pe acelaşi cablu a două hard discuri sau a unui hard disc şi al unei unităţi optice în sistem master/slave. Această arhitectură a dus la incompatibilităţi între unităţi în anii '90, care însă au fost rezolvate
SATA
Controlerele SATA plaseaza fiecare disc pe propriul canal (cu un set propriu de porturi intrare/ieşire). Astfel se elimină problemele cauzate de arhitectura PATA.
USB/Firewire (IEEE 1394)
Există şi discuri portabile care folosesc interfaţa USB sau Firewire pentru a transmite datele. De obicei discurile acestea sunt ansambluri formate dintr-un disc IDE sau SCSI, un controler pentru acestea şi un controler USB/Firewire.
Caracteristici
Capacitatea (măsurată în gigaocteţi) - în general fabricanţii folosesc ca unitate de măsură multiplii din SI ai octetului (putere de 10), pe când multe sisteme de operare (Windows, unele distribuţii de Linux, MacOS folosesc măsurătoarea în multiplii binari). Dacă primul hard disc avea 5 MO, astăzi capacităţile hard discurilor pot depăşi 500 GO.
Dimensiunea fizică, măsurată în ţoli (inch). Astăzi hard discurile au fie 3.5" (pentru PC-uri), fie 2.5" (pentru laptopuri - mai mici, utilizând mai puţin curent electric dar mai scumpe şi mai încete). Există şi discuri de 1.8", pentru playere MP3 (precum Apple iPod), care pe lângă marimea redusă, sunt mai rezistente la şocuri.
Durabilitate (exprimată în timp mediu între erori - MTBF). Discurile SATA 1.0 au viteze de 10.000 rpm şi un MTBF de 1 milion de ore sub un ciclu de utilizare de opt ore. Alte discuri permit până la 1.4 milioane de ore sub un ciclu de 24 de ore.
Număr de operaţii de intrare ieşire permise
Consum de curent
Nivel de zgomot
Timpi de transfer şi timpi de acces.