3.3.6. Trajna memorija

 Natrag  Sklopovlje računala  Dalje


Trajna memorija po svojoj namijeni predstavlja SKLADIŠTE-BIBLIOTEKU svih vrsta programa ili podataka koje korisnik u radu koristi. Razvoj tehnologije i programske potpore ovog desetljeća izdvojio je magnetske i optičke sustave kao glavne nositelje za pohranu podataka.

Opći zahtjevi koji se postavljaju pred trajne memorije su:

            1.) Mogućnost upisivanja, brisanja i očitavanja,
                korisničkih programa (datoteka).
            2.) Brz pristup datotekama.
            3.) Veliki kapaciteti.

Pojedine vrste medija koje se danas koriste ne zadovoljavaju sva tri navedene opća zahtijeva, ali su u pojedinima nenadmašni.


Magnetska traka

Velike magnetske trake još se mogu susresti kod starijih sustava koji su još u funkciji. Mogu uskladištiti velike količine podataka i to im je najznačajnija osobina.

Trake se čuvaju u kolutovima ili kasetama sličnim glazbenima, ovisno o konstrukciji i kapacitetu sustava. Načelo rada velikih kolutnih sustava prikazano je na slici 3.3.15a.

 Magnetska traka
Slika* 3.3.15 Sustav s magnetskom trakom. ( + / - )

Kolutovi s magnetskom trakom nameću se na osovine elektromotora kojima upravlja kontrolna elektronika tako da je traka uvijek ovješena između kolutova i magnetske glave. Ovjes trake kontroliraju elektro-optički senzori koji šalju podatke o položaju trake elektronici elektromotora. Provjes trake nužan je da se spriječi utjecaj inercije elektromotora trake na upis i čitanje podataka jer se zbog težine koluta i tromosti njihovog motora koluti ne mogu dovoljno brzo uputiti i zaustaviti. Promicanje trake ispod magnetske glave kontroliraju mali brzi motori zanemarive tromosti, koji lako pomiču traku uz magnetsku glavu konstantnom brzinom jer su oslobođeni zadaće namatanja trake na kolutove.

Mala površina trake (magnetska domena) magnetizirana u jednom ili drugom smjeru predstavlja zapisanu "0" ili "1", dakle čuva podataka veličine 1 bit-a. Veličina površine domene određuje gustoću zapisa na traku i izražava se u bit/cm. Obično iznosi nekoliko tisuća bit-a/cm. Traka ispod magnetske glave promiče brzinom do 5 m/s. Obično je široka oko 25 mm namotana na kolutove promjera dvadesetak centimetara. Podaci se zapisuju u više tragova istovremeno, na primjer 9 tragova za zapisivanje osam bit-nih podataka. Deveti upravljački trag služi za označavanje položaja trake. Svaki trag ima svoju magnetsku glavu čitanja i upisivanja.

Posebna programska potpora daje upute elektromehanici sustava na koje mjesto da locira traku, a temeljem očitavanja podataka upravljačkog traga. Duljina trake uobičajeno iznosi oko 700 metara što je dostatno za upis nekoliko stotina MB podataka. Podaci se zapisuju u blokovima, skupinama od par stotina byte-a, od kojih svaki glede kontrole sadrži zapisanu ukupnu kontrolnu sumu svih byte-ova bloka glede kontrole ispravnosti zapisanog. Početak svakog bloka i mjesto kontrolne sume označiti će za tu svrhu predviđeni zapisi, na primjer u devetom tragu.

Današnji sustavi koriste kasete s trakom slične glazbenoj ili video kaseti (slika 3.3.15b), ali su u odnosu na njih čvršće konstrukcije i imaju preciznije vođenje trake i kvalitetniju mehaniku. Kvalitetnijim kasetama donja stranica je metalna kako bi se u što većoj mjeri smanjilo njihovo uvijanje. Kapaciteti su im u nekim varijantama, zahvaljujući razvoju tehnologije i raznim metodama komprimiranja podataka (sažimanje bez gubitaka) i usavršenom mehanizmu kontrole na greške, veći od starijih prethodno opisanih tračnih sustava, te su i pouzdaniji. Podaci se upisuju duž trake u više tragova ili ukoso. Koriste se različiti uređaji i različiti formati zapisivanja podataka na traku, kao DDS (Digital Data Storage), DAT (Digital Audio Tape), DLT (Digital Linear Tape) ili LTO (Linear Tape-Open), kapaciteta trake od nekoliko desetaka GB do desetak  TB i trajnosti čuvanja podataka i preko 20 godina u adekvatnim uvjetima. Za manje firme dostatni su DDS ili DAT uređaji koji koriste trake širine 4 i 8 mm, a datacentri će se koristiti s DLT ili LTO sustavima koji koriste trake širine 1/2". Samostalnim poslužitelj bez DAT uređaja ili njemu sličnog i diskovima u RAID polju je nepotpun i nepouzdan.

Zajedničko kolutovima (kojih više nema) i kasetama je dosta spor pristup podacima te im je prvenstvena namjena sigurnosna pričuva (arhiva - BACKUP) podataka tvrdog diska, kako bi se u slučaju oštećenja podataka na disku (fizička, virusi i drugo) ili potrebe dohvata već odavno arhiviranih podataka, podaci mogli s trake vratiti na disk. Loša osobina zapisivanja na traku je ne baš dobra čvrstoća medija i 'preklapanje' zapisa prilikom namatanja na kolutove što uzrokuje postupno gubljenje podataka (tzv. truljenje bit-ova). Stoga je nužno zapise povremeno osvježavati, a dobro je periodično mijenjati trake te ih nakon nekog vremena zamijeniti novima zbog fizičkog istezanja i oštećenja. Naravno, rukovoditi se tvorničkim uputama o uređaju i medijima. Kako često mijenjati kasete ovisi prvenstveno o djelatnosti firme ili neke ustanove. Jedna banka sigurno planski čuva dnevne, tjedne, mjesečne pa i godišnje arhive na zasebnim kasetama, jasno označenima adekvatno dobu arhiviranja. Jednoj školskoj ustanovi, ako ne čuva ocijene učenika, takav strog pristup arhiviranju podataka nije potreban.


Magnetski diskovi

Na površine okrugle ploče (diskove) nanosi se magnetski sloj na kojem se podaci zapisuju pomoću magnetskih glava u koncentričnim kružnim tragovima (track) tijekom okretanja diska. Kako podaci slijede jedan iza drugoga nužno je radi njihove lokacije odrediti koliko je tragova od centra prema rubu, na kojem mjestu počinje svaki trag, tragove podijeliti na sektore a njih ponaosob na manje blokove te svakom od njih označiti početak i kraj. U sam blok upisuje se uvijek isti broj podataka npr. 512 B.

Dakle, svakom bloku podataka prethodi oznaka početka, njegova pripadnost određenom sektoru i tragu te se pred oznaku kraja upisuje i kontrolni zbir glede kontrole ispravnosti učitanog. Analogno navedenom, svaki blok može se predočiti kao soba u koju će se smjestiti podaci, a koja pripada određenom stanu na jednom katu u zgradi u ulici grada. Ako se pozicije nisu prethodno označile (ime grada, ulice, broj kuće, kat i stan) neće se znati pozicija pojedinih blokova za podatke. Označavanja mjesta bloka i oznake njegove pripadnosti određenom sektoru i tragu prethodi zapisivanju podataka i predstavlja PRIPRAVU medija za prihvat podataka.

Postupak priprave medija za prihvat podataka podjelom medija na zasebna područja obilježena svojom jedinstvenom adresom pomoću zapisa posebne vrste dizajniranih u tu svrhu naziva se FORMATIRANJE. Tijekom formatiranja ujedno se kontrolira ispravnost magnetskog medija i eventualni oštećeni blokovi zapisati će se na za to predviđenom mjestu na disku kako se nadalje ne bi koristili.

Sam postupak formatiranja medija može se obaviti u cijelosti, odnosno vrši se PRETHODNA priprema cjelokupnog medija (MS-DOS sustavi), ili se pak postupak može odvijati DINAMIČKI tako da se priprema onoliko medija koliko je trenutno potrebito za podatke (OS/2, Novell NetWare sustavi) što ovisi o koncepciji računalnog sustava.

Naravno, postupak formatiranja medija na odgovarajući način provodi se i kod sustava s magnetskom trakom i u osnovi dugotrajniji je od sustava s diskom. Pripravu trake najčešće obavi sam proizvođač.

Magnetski mediji s diskom u osnovi se izrađuju u dvije verzije:

     I.) Mediji sa SAVITLJIVOM podlogom -- disketa (floppy disk - FDD)
    II.) Mediji s TVRDOM podlogom -------- tvrdi disk (hard disk - HDD)

Od disketa najčešće su prema PC standardu u uporabi diskete s magnetskim slojem na obje strane savitljive podloge (DS - double side), dvostruke ili visoke gustoće zapisa (Double - High Density):

     1.) diskete 3.5" kapaciteta ---  720 kB (oznaka DS/DD)
                                 --- 1.44 MB (oznaka DS/HD)
     2.) diskete 5.25" kapaciteta --  360 kB (oznaka DS/DD)
                                  -- 1.20 MB (oznaka DS/HD)

Diskete (floppy disk) 5.25" nisu više u uporabi. Još uvijek se koristi 3.5" disketa. Popularna je stoga što omogućava jednostavnu distribuciju podataka ili zaštitnu pohranu (arhiviranje) podataka, jer je vrlo prihvatljiv i jeftin prijenosni medij. Osim navedenih formata kapaciteta koriste se i drugi formati, ovisno o vrsti računala i programske potpore. Navedene vrijednosti tipične su za PC računala. Načelo rada je zasnovano na magnetskom zapisivanju i očitavanju putem dvije magnetske glave koje fizički prianjaju uz obje površine rotirajuće diskete magnetizirajući čestice magnetskog medija na površini diskete. Disketa se okreće nekoliko stotina okretaja u minuti. Kako se magnetiziranje medija odvija na temperaturi okoliša uz prisutan mehanički dodir glave na površinu, stabilnost čuvanja podataka nije dugotrajna zbog 'zaboravljanja' ili oštećenja medija. Srećom disketa je vrlo jeftin medij za pohranu podataka.

Disketa kao medij za pohranu podataka gotovo je na izmaku svoga bivstvovanja u računalnom svijetu. No instalacijska procedura Windows XP operativnog sustava predviđa uporabu tipke <F6> i učitavanje dodatnog upravljačkog programa u sustav s diskete. Ipak neće tako naprasno u 'mirovinu'. Firme je koriste za distribuciju dodatnih instalacijskih upravljačkih programa (driver-a), a korisnici je još uvijek rado koriste za distribuciju ili prijenos elektroničkih dokumenata. Njeno mjesto polako ali sigurno preuzima memorijski stik.


Primjer VI

Organizacija diskete kapaciteta 1.44 MB za PC računalo.

 Disketa za FDD  E-Skola (Fizika)
Slika* 3.3.16 Disketa od 3.5" PC sustava.

Koračni motor disketnog uređaja omogućava odabir 80 različitih kružnih tragova (TRACK). Svaki trag dijeli se na 18 isječaka (SECTOR) od kojih svaki sadrži 512 byte-a podataka. Kako se koriste obje strane diskete, tj. postoje dvije magnetske glave, ukupni kapacitet diskete bio bi:

        C = (2 strane)•(80 tragova)•(18 isječaka)•(512 byte-a) =
          = 1'474'560 B = 1'440 kB = 1.44 MB

Dakle, podaci se smještaju u 2'880 blokova od 512 B od kojih svaki ima svoju jedinstvenu adresu (broj), a pri spremanju datoteka na disketu-disk zapisuje se u posebnu tablicu (FAT - File Allocation Table) u kojem je bloku započeto pisanje podataka datoteke i u kojim blokovima se nastavlja. Ova tablica nalazi se u prvih nekoliko blokova diskete-diska.

Početak traga na disketi veličine 5.25" određuje se pomoću optičkog senzora koji bi registriranjem rupice na disketi označio položaj kada se glava nalazi na početku traga diskete. Kod disketa 3.5" senzor prati položaj rotora motora a disketa se natakne na posebno ležište osovine motora s asimetričnim ispustima tako da disketa u odnosu na rotor motora ne proklizava i uvijek magnetski tragovi imaju isti početni položaj prema rotoru bez obzira u koji se disketni uređaj disketa umetne. Standard je temeljito definiran za razliku od USB stick-a na primjer.

Tvrdi disk (hard disk) je smješten u kompaktnom, zatvorenom i čvrstom kućištu i ima vrlo preciznu mehaniku. Stoga može gušće spremati podatke od diskete te je razumljivo mnogo većeg kapaciteta. Smješta se unutar kućišta računala i u načelu nije prijenosnii medij. Tvrdi disk je u suštini trajna radna memorija računala i prema njemu odvija se neprestana komunikacija glede upisa i čitanja podataka. Obično u kućištu ima više ploča diskova pričvršćenih na istu osovinu. Očitavanje i upis na magnetskom mediju nanesenom na površinu diskova obavljaju magnetske glave s obje strane diskova koje lebde na zračnom jastuku nad površinom nastalim uslijed velike brzine vrtnje diskova (oko 5000 okretaja/minuti i više).

Današnja tehnologija omogućava dovoljno ravnu površinu ploča diska da glava lebdi oko 25 nm udaljena od ploče. Ako se uzme u obzir da je ljudska vlas debela negdje oko 100'000 nm, a zrnce prašine oko 1000 nm, jasno je da se tehnološki proces izrade diska obavlja u izuzetno čistom okolišu. Stoga su uređaji zatvoreni i kućišta su dobro zabrtvljena, a često imaju i 'sakupljač smeća', malu pločicu sa strane diskova koja prikuplja eventualni nastali sićušni otpad odbačen centrifugalnom silom s ploča diska. Zbog malog razmaka između glave i ploče osjetljivi su na trešnju tijekom rada. Stoga treba pažljivo rukovati s njima osobito u izvedbama s prenosivim vanjskim kućištem. Uobičajeni promjer diska je 3.5", a u prijenosna računala ugrađuju se po dimenzijama manje jedinice s promjerom diska 2.5" koje su ujedno manjeg kapaciteta, sporije i dizajnirane s većom otpornošću na trešnju.

Razvoj tehnologije omogućio je izradu disketa kapaciteta preko 100 MB koje se očitavaju u uređajima koji rade po načelima između disketnog uređaja (izmjenjivost) i tvrdog diska (preciznost), ali za masovnu uporabu preskupi (ZIP drive i slični). No razvoj USB uređaja osobito 'USB stick' u potpunosti ih je izgurao iz opće uporabe. Uz 'USB stick' sve veću popularnost imaju pokretni priručni tvrdi diskovi od 2.5" u kućištu s USB sučeljem, i u pravili ne trebaju zaseban izvor napajanja što ih čini jako popularnim. Disketni uređaj od 3.5" još uvijek se ugrađuje u osobna računala, ali mu je namjena sve više kao uređaj za krajnju nuždu - 'prva pomoć'. Osim toga u starijoj programskoj potpori predviđen je kao uređaj za arhiviranje podataka ili razmjenu i dostavu podataka putem disketa. Možda je upravo navedeno, uz malu cijenu koštanja medija, razlog njegovog 'žilavog' opstanka.


Primjer VII

Mehanička izvedba tvrdog diska s dvije ploče za PC računalo.

 Dijelovi tvrdog diska - HDD  E-Skola (Fizika)
Slika* 3.3.17 Izvedba tvrdog diska s više rotirajućih ploča. ( + / - )

Iako tvrdi disk prema slici sadrži dvije ploče i četiri glave, cjelokupna površina diskova može se logički podijeliti na više cjelina, pa tako na primjer kod PC-a tvrdi disk prema slici 3.3.17 može imati i 8 ploča s 16 strana koje očitava 16 glava. Kružni tragovi diskova tvore prividno tijelo u obliku cilindra (CYLINDER). Pojedini tragovi se dijele na isječke (SECTOR) od kojih svaki uobičajeno sadrži 512 byte-a (LDS - Log Data Sector) nakon kojih slijedi kontrolni zbroj s podacima za ispravku pogreške glede ispravnog očitavanja podataka s diska. Skupina sektora uzduž cilindra, koji su u istom tragu i isječku ali na različitim površinama npr. sve gornje površine ploča, tvori veću nakupinu podataka - klaster (CLUSTER), najmanju dostupnu jedinicu skupine podataka koju operativni sustav može prepoznati. Tvrdi disk od 16 strana, 684 cilindra, 38 sektora po cilindru i 8 sektora po klasteru ima kapacitet:

        C = (16 strana)•(684 cilindra)•(38 isječaka)•(512 byte-a) =
          = 212'926'464 B = 207'936 kB = 203.0625 MB

Ukupni broj klastera je:

        Broj Klastera = (684 • 38 • 16) / 8 = 51'984

Broj klastera na disku ovisi o osobinama OS i BIOS-a. Najveći broj klastera zapisanih s 16 bit-nim adresiranjem podataka na disku (FAT ili FAT 16) iznosi 65'536 za DOS, Windows 3.11 i Windows 95. Porastom kapaciteta diska raste i veličina klastera u koracima 0.5 kB, 1 kB, 2 kB, 4 kB, 8 kB, 16 kB i 32 kB. Stoga je najveći mogući kapacitet jedne logičke particije diska:

        32 kB • 65536 = 2'097'152 kB = 2'048 MB = 2 GB

Najveća veličina klastera kod NT sustava s FAT 16 adresnom shemom iznosi 64 kB te je tada najveći mogući kapacitet jedne logičke particije (volumena) dvostruko veći.

OS zasnovani na 32 bitn-om pristupu disku (FAT 32), kao što su Windows 95b, Windows 98 i slični, imaju veličinu klastera od 0.5-32 kB, ovisno o kapacitetu, ali je ukupni mogući broj klastera daleko veći te je najveći mogući logički disk (volumen) veličine 32 GB. Datotečni sustav NTFS tipa u odnosu na opisani donosi značajna poboljšanja, no o tome više u opisu Windows XP operativnog sustava.

Kod diskete formata 1.44 MB i 1.2 MB pojam klastera i sektora je izjednačen, što znači da na slici 3.3.16 nije ispravno ucrtano. Greška je namjerno napravljena kako bi se lakše shvatio pojam sektora i klastera. Razvoj tehnologije izrade tvrdih diskova i dalje je prilično agilan s obzirom na pojavu SSD diskova. Kapacitet im neprekidno raste, čak do 2 TB koliko najviše mogu prepoznati 32 bit-ni operativni sustavi na temelju računa sa SEKTOROM veličine 512 B. Navedeno je nagnalo proizvođače diskova da sve više koriste diskovne sektore veličine 4 kB, što smanjuje broj sektora na disku istog kapaciteta i prostor koji zauzima kontrolna suma sektora s podacima za ispravku pogreške pri čitanju (ECC - Error Correction Code / Error Correcting Circuits). Povećanjem veličine sektora za osam puta ne povećava se u tolikoj mjeri i ECC prostor za korekciju greške što znači da se i korisni prostor na disku povećava, ali i najveći kapacitet diska. ECC algoritam osigurava da se ispravno korigira do čak nekoliko stotina nečitkih bit-ova. Čini se da se tvrdi disk i dalje 'dobro drži' upravo zbog sve veće pouzdanosti i ogromnog kapaciteta. Noviji operativni sustavi, kao Windows 7, znati će ispravno prepoznati povećani sektor, dok će stariji trebati program za 'prevođenje' zapisa (Windows XP) ili novu jezgru (Linux). ECC je potreban jer čitanje i zapisivanje na magnetski medij ne daje savršene magnetske polove za nule i jedinice.

Komponentama diska; motorom diskovnih ploča, sustavom za pomicanje glave i sustavom upisivanja i čitanja podataka i ostalim sklopovima (toplotna rekalibracija, upravljanje cache-om i drugi), upravlja KONTROLER (Controller). Osim navedenog vrši pretvorbu logičke podijele diska u fizičku podjelu diska što omogućava da se različito koncipirani diskovi prema 'vani' vide prema logičkim podjelama koje prepoznaje sustav te fizički parametri diska nisu od značaja. U pravilu svaki tvrdi disk ima dodatnu priručnu memoriju - međumemoriju (cache) SRAM tipa, kojoj je zadaća da ubrza prijenos podataka s diska prema sabirnici računala. Obično je reda veličine nekoliko MB i radi po načelu prijenosa određene količine podataka s diska u međumemoriju, koji su u okolišu oko posljednjeg dohvaćenog podatka. Na taj način znatno se ubrzava proces čitanja. Međumemorija se može uporabiti i u procesu zapisivanja, ali tada postoji opasnost da se u slučaju nestanka struje podaci ne stignu iz međumemorije upisati na disk. Stoga se, najčešće u BIOS-u ili iz postavki OS, određuje da se međumemorija koristi samo u postupku očitavanja podataka (write cache disable).

Sučelje (interface) s kojim je disk povezan za računalo, odnosno priključak za njegov upravljač (controller) na matičnoj ploči, je ATA (Advanced Technology Attachment), SATA (Serial Advanced Technology Attachment) ili SCSI (Small Computer Systems Interface) tipa. ATA je vrlo star standard po IDE specifikaciji (Integrated / Intelligent Drive Electronics), više puta unapređivan, utemeljen na paralelnom prijenosu podataka s diska preko 40 žilnog kabela (ili 80 ako masa nije zajednička za svaki vod) i signalom komunikacije od 5 V, brzine prijenosa podataka do 133 MB/s, kao što je prikazano na slici 3.3.17. Naknado je preimenovan u PATA (Parallel) da bi se istakla razlika u odnosu na SATA. Zamijenjen je bržom serijskom komunikacijom - SATA, koja se odvija preko 7 vodova (4 za komunikaciju) signalom od 0.5 V, brzine prijenosa od 1.5 Gb/s (verzija I), 3.0 Gb/s (verzija II) i 6.0 Gb/s (verzija III) s perspektivom daljnjeg razvoja. Standard se bazira na brzom serijskom prijenosu preko odvojenih prijamnih i predajnih parica po 8B/10B kodiranju, odnosno skupu od 8 bit-a dodaju se još dva radi provjere na greške, kontrolu prijenosa i sinkronizacije. Novije verzije standarda koriste brže 128B/130B kodiranje zahvaljujući unaprjeđenju sustava sinkronizacije prijenosa podataka. Pretvorba serijskog oblika podataka po prijamu prema IDE specifikaciji osigurava kompatibilnost s PATA uređajima. Naravno prisutan je i konektor za napajanje. SCSI je opisan u narednom poglavlju. Osim navedenih u računalnim sustavima koristile su se i druge vrste sučelja, ali su se uglavnom očuvali opisani koji su osobitost PC računalnih sustava. Jedan od svježijih primjera je ATA sučelje za tvrde diskove veličine 2.5" i 3.5", što je sada svedeno na isti oblik uvođenjem SATA specifikacije. SATA specifikacija predviđa i manji napon napajanja uređaja, te je konektor za napajanje drugačiji.

SATA tehnologija podrazumijeva NCQ (Native Command Queuing) način očitavanja sadržaja s ploča diska, koji se ne zasniva na redoslijednom prikupljanju podataka iz promatranog skupa slijedeći trag po trag na disku, već prikupljanju podatka iz skupa kako se na kojeg nailazi prilikom okretanja diska bez obzira na kojem je tragu. Naime, ako se želi dohvatiti nekoliko podatka s diska smještenih u različitima tragovima (kružnicama), glava diska ne prati striktno 'kružnice' tako da prelazi nakon očitavanje prve kružnice u narednu i nadalje, već se pomiče 'cik-cak' od kružnice do kružnice da se ne bi čekao novi okretaj za dohvat narednog podatka. Naravno, to omogućava vrlo precizno i brzo navođenje nosača glava pomoću upravljačkog mehanizama (aktuator) kojemu se rad zasniva na kontroli jačine magnetskog polja u zavojnici ukomponiranoj u nosač magnetskih glava, a koja se nalazi u jakom permanentnom magnetskom polju upravljačkog mehanizma. Moderna elektronika puno preciznije nadzire položaj magnetske glave na ovaj način, u odnosu na koračni motor kojeg koristi FDD uređaj, i mnogo lakše se vrši temperaturna kompenzacija glede istezanja ploča diska zbog zagrijavanja.

 Natrag
 Tražila
 Dalje

 Početak
 KAZALO  Informatička abeceda
 
Citiranje ove stranice:
Radić, Drago. " Informatička abeceda " Split-Hrvatska.
{Datum pristupa}. <http://www.informatika.buzdo.com/>.
Copyright © by Drago Radić. Sva prava pridržana. | Odgovornost