Technika počítačů 6. Magnetická média

Prezentace na téma: "Technika počítačů 6. Magnetická média"— Transkript prezentace:

1 Technika počítačů 6. Magnetická média
Obsah: magnetická média (páska, floppy, pevný disk) SSD, optická média adresace CHS, LBA, diskové oddíly rozhraní PATA, SATA, SCSI USB Mass Storage © Milan Keršláger

2 Magnetická média magnetické pásky diskety pevné disky
magnetooptické disky SSD

3 Magnetické pásky původně pro záznam zvuku
původně magnetický záznam na drát (1898) magnetická páska 1926 (Německo) → papírová AEG+BASF → 1935 celuloidový pásek 1951 (počítač UNIVAC I) ukládání dat na magnetickou pásku kvůli kvalitě záznamu nutná vysoká rychlost pásky okolní zařízení neschopná zpracovat/dodávat trhaný pohyb pásky → blok 512 bajtů napínání vývěvou, nesynchronní otáčení cívek

4 Princip magnetického záznamu
pohyb cívky vůči magnetickému poli čtecí/záznamová hlava → cívka typicky kontaktní (otěr pásky o hlavu) páska s naneseným elmag. materiálem cívka vytváří v materiálu různě orientované mg. domény při čtení se indukuje pohybem pásky okolo hlavy proud vyšší kvalita záznamu → rychlejší pohyb snaha o co nejpomalejší pohyb → zvýšení kapacity

5 Magnetické pásky dnes pro zálohování dat
DAT (Digital Audio Tape, Sony 1987) LTO (Linear Tape Open, 2000) LTO-5 (2010) → 1,5 TB jedna páska, 140 MB/s výhody nízká cena za uložený bajt (cca 2000,- Kč/páska) dlouhá životnost (prakticky vyzkoušeno) nevýhody vysoká cena mechaniky (cca 80 tisíc Kč)

6 Velikosti a kapacity disket
1971 8″, 160 KiB až 1 MiB 1976 5¼″, 180, 360 KiB, 1,2 MiB od roku 1981 v osobních počítačích 1984 3,5″, 720 KiB, 1,44 MiB (též 2,88 MiB) velikost podle kapsičky u košile

7 Diskety – technické řešení
magnetické médium na pružném kotoučku odtud název „floppy disc“ čtení i zápis jsou kontaktní opotřebování média, hlavy, prach je riziko otáčení pomocí krokového motoru přesná rychlost otáčení, rychlý rozběh uvnitř pouzdra výstelka chránící proti prachu přenos cca 1 MiB/s vyšší kapacity v pevných pouzdrech ZIP, LS-120 → kapacita až 700 MiB

8 Konstrukce pevného disku
pevná plotna s magnetickým povrchem typicky oboustranná, ale ne vždy využity oba povrchy čtecí hlava pluje na vzduchovém polštáři → Bernouliho efekt dotyk hlavy na povrch → zničení záznamové vrstvy problém při chvění, pádu či nárazu do disku automatické parkování hlav po vypnutí napájení po zaparkování snese disk větší přetížení, než za provozu

9 Záznam dat magnetické médium na povrchu plotny
stejně jako u pásky a diskety tj. využití elektromagnetické indukce 2005 – metoda kolmého zápisu (komerčně) orientace magnetických domén není podélná, ale kolmá na médium → vyšší kapacita disku ověřeno již v roce 1976 v Japonsku

10 Konstrukce disku

11 Adresace C-H-S C-H-S (cylindr-hlava-sektor) původně používaná metoda
odpovídalo fyzické struktuře disku různá hustota dat (u středu větší, než na okraji) informace o C-H-S se nastavovala do BIOSu optimalizace práce s daty (elevátorový algoritmus) limit velikosti disku 8 GB 1024×256×63×(512 bajtů/sektor) = MB → 8 GB přepočet na úkor hlav (256) domnělá struktura neodpovídá fyzické struktuře přepočet prováděla elektronika disku

12 Adresace LBA Logical Block Addressing
lineární číslování sektorů (disky od roku 1996) → je možný různý počet sektorů ve stopách již není stoprocentní elevátorový algoritmus předpokládá se, že „data nejsou na přeskáčku“ IDE: 22 bitů ATA-1: 28 bitů (1994), tj. max 128 GiB (228) ATA-6: 48 bitů (2003, tj. od ATA/100) → 128 PiB

13 Master/slave disky sdílí společnou sběrnici (tzv. „kšanda“)
součást ATA standardu kšanda maximum 457 mm → tři konektory 1 do I/O obvodů na základní desce a 2 pro disky dělí se tedy o přenosovou kapacitu IDE kabelu disk musí vědět, zda je 1. nebo 2. jumper na disku (master/slave) autodetekce (slave nemá zapojen pin 28 na IDE kabelu) je-li disk jen jeden: je master a je zapojen na konci kšandy (odrazy)

14 Zabezpečení dat součást ATA standardu, lze však obejít (!) HIGH
lze odemknout heslem (user nebo master) MAXIMUM lze odemknout pouze user heslem zpřístupnění pouze vymazáním obsahu disku speciální ATA příkazy heslo se nastavuje v BIOSu jinak by nebylo možné z disku nastartovat omezený počet pokusů (5) buď reset disku nebo zapnout/vypnout

15 Low level format pro staré disky
do všech sektorů se zapíše jejich číslo při čtení slouží toto číslo pro orientaci dříve možné spustit volbou v BIOSu problém nepřesnosti → snížení rychlosti čtení/zápisu na HDD dnes se již nepoužívá low level format se dělá ve výrobě přesným zařízením

16 Záchrana dat specializované firmy výměna elektroniky disku
čtení z ploten pomocí externího zařízení řešení poškozených dat též různé programy POZOR! přepsaná data lze obnovit přemagnetování zanechává stopy po pův. stavu nutné speciální zařízení tzv. „secure erase“ data jsou před smazáním přepsána (mnohokrát)

17 Rychlost pevného disku
paradox kapacity kapacita se zvětšuje rychleji, než rychlost přenosu → čím dále delší dobu trvá zaplnění disku problém při kontrole konzistence, zálohování atd. současné disky max. 160 MB/s, běžně 60 MB/s → 3 TB disk: 3000/0,160 sec → přes 5 hodin

18 Vliv na rychlost nejpomalejší je vystavení hlaviček
náhodný přístup → 10 až 16 ms, špičkově 4 ms sousední stopy → 1 ms disk běžně čtou najednou 128 KiB dat → náhodně 128/0,01 = 17 MiB/s → sekvenčně 128/0,001 = 128 MB/s pomalejší jsou typicky „green disky“ vliv rychlosti otáčení ploten 4800, 5400, 7200 otáček za minutu musí se čekat, až se plotna otočí (60/4800 = 12,5 ms)

19 Magnetooptické disky zvýšení hustoty záznamu
lokální ohřev záznamové vrstvy → pro vytvoření mg. domény stačí slabší pole ohřev laserovým paprskem obdoba zápisu na optická média („vypalovačky“) při zápisu nepoškodíme sousední záznamy příliš komplikované řešení komerčně se neujalo

20 Oddíly (partitions) oddíl je logické rozčlenění pevného disku
protože pevný disk je velký nebo více FS, OS dělení bez podpory v HW → SW musí respektovat zpětná kompatibilita vnitřek oddílu má strukturu jako disketa popis rozdělení uložen na začátku disku prvních 512 bajtů (LBA=0, CHS = 0,0,1) obsahuje zavaděč a tabulku dělení disku na oddíly DOS MBR je nezávislý na OS nástupcem DOS MBR je GPT (pro disky > 2TiB)

21 DOS MBR prvních 512 bajtů na začátku disku
obsahuje zavaděč (440 B) boot sektoru pro čtení z disku služby BIOSu → nezávislý na HW primitivní → alternativní zavaděče (Grub, LILO, ...) tabulka rozdělení disku (64 B) limit velikosti disku (oddílu) 2TiB max. 4 oddíly: primary, extended extended se může dál dělit na logické oddíly každý oddíl ID → slouží k identifikaci vnitřku oddílu extended: 0x5, Linux (ext3): 0x83, Linux swap: 0x82 NTFS: 0x7, FAT16: 0x4, FAT32: 0xC

22 SSD Solid State Drive využití nevolatilní paměti (flash)
snaha o zachování zpětné kompatibility stejné rozhraní, jako pro klasické rotační pevné disky vyšší cena za uloženou jednotku informace nižší spotřeba elektrické energie nemá pohyblivé součásti → odolnější vysoká rychlost čtení (až přes 500 MB/s) nižší rychlost zápisu

23 Čtení a zápis u SSD vybavovací doba (latence) je mizivá
není nutné čekat na přesun hlaviček fragmentace dat není problém roztříštěnost, neuspořádanost, čtení/zápis není lineární problémy se zápisem data se musí nejprve smazat, pak zapsat nová u disku se data prostě přepíšou mazání dat probíhá ve velkých blocích úspora ceny na řídících obvodech a zapojení flash omezená životnost buněk zápisem

24 Omezená životnost SSD počet zápisů do 1 buňku je omezen
maximálně až přepisů řadič flash paměti přemapovává zápisy snaha rozložit zápis rovnoměrně po celé kapacitě problém se souborovými systémy FAT, NTFS atd. metadata se velmi intenzivně zapisují pořád do stejného místa speciální souborové systémy pro flash nejsou v Linuxu několik, v Microsoft Windows není žádný → další degradace výkonu a spolehlivosti flash pamětí Android nepoužívá souborový systém pro flash proč by to dělal, když se hardware přizpůsobil situaci Windows

25 Budoucnost SSD klasické pevné disky nejsou ohroženy
SSD mají omezenou kapacitu a jsou drahé upřednostňování kapacity před rychlostí (ne v serverech) SSD mají problematickou rychlost zápisu částečně řeší logové souborové systémy, ale ty nejsou SSD mají omezenou životnost záleží na intenzitě používání, ale i tak řádově roky hybridní disky kombinace klasického pevného disku a flash data, která se často čtou, jsou na flash paměti

26 Zálohování dat typicky na magnetické pásky
typicky vyměnitelná média → dál od počítače chráněno v případě krádeže, požáru, přírodní pohromy využívání vlastních, ale i bankovních trezorů zálohovacího software automatizace zálohování, kontroly changery (mnoho médií, možný i robotický zakladač) snímky souborového systému záloha je provedena vůči datům z určitého okamžiku programy vytvoří na disku konzistentní stav po uložení zálohy je snímek zrušen

27 Zálohování dat (2) souborové systémy s historií
na disku jsou uchovávány předchozí verze souborů aplikace může vytvářet konzistentní historii většinou přidávání čísla (ISO9660 → ...;1 ...;2 atd. cyklus pro zálohovací média média jsou pravidelně měněna a testována ochrana záloh šifrování (i hardwarová podpora v mechanice) uložení do trezoru (krádež, ale i požár)

28 Typy záloh úplná uložena jsou všechna data
lze obnovit jakoukoliv část dat přírůstková ukládá se změny od jakékoliv poslední zálohy při obnovení je potřeba úplná + všechny přírůstkové riziko poškození některé zálohy, obnova trvá déle rozdílová ukládají se změny od poslední úplné zálohy při obnovení je potřeba úplná + poslední rozdílová

29 Typické zálohování týdenní cyklus páteční záloha je úplná
ostatní dny se dělá přírůstková nebo rozdílová uchovávání záloh nejnovější u počítačů starší (2 až 3 dny) ve firemním trezoru týdenní v bankovním trezoru řeší riziko krádeže, požáru, pohromy firma ztratí jen poslední data, která lze oželet, případně je možné je poměrně snadno zrekonstruovat