6.8. Paměťová média

6.8.1. Zařízení se sekvenčním přístupem

Nejčastěji se používají různé typy magnetických pásek, které se využívají pro zálohování a archivaci většího množství dat. Existují dva základní způsoby záznamu dat: podélný (longitudinal) a šikmý (helical scan).

Podélný záznam dat využívají technologie QIC, TRAVAN, DLT. Stopy dat jsou ukládány rovnoběžně s okrajem pásku. Páska se pohybuje podél statické hlavy, která zapisuje souběžně několik stop. Základní systémem pro zálohování dat je založen na standardu QIC (Qarter-Inch Cartridge) - 0,25 palců. QIC streamery používají kapacity pásek od 120 MB (bez komprese) do 5 GB. Formátem na založeným na technologii QIC je TRAVAN - většinou se jedná o pásky šířky 0,315 palců. Novější jednotky standardu TRAVAN jsou schopny uložit s kompresí až 20 GB při rychlosti 120 MB/min.

Šikmý záznam - stopa, která je vytvářená na pásce svírá s okrajem pásky určitý úhel (6 nebo 9 stupňů). Páska se pohybuje kolem rotujícího bubnu, na kterém jsou uloženy proti sobě dvojice hlav. Šikmý záznam používají standardy DAT a novější DDS. Dnes se velmi často používají čtyřmilimetrové pásky DAT (Digital Audio Tape) připojené přes rozhraní SCSI, které umožňují zálohovat 0,5 až 4 GB dat bez komprese. Mechaniky DAT dosahují přenosové rychlosti 22-84 MB/min. Jejich nevýhodou je poměrně složitá konstrukce s mnoha rotačními částmi a nutností častého čištění mechanik. Princip DAT je shodný se systémy používanými u videorekordérů. Data z pásku snímají šikmo rotující hlavy, čímž se dosahuje vyšších rychlosti systému. DDS – je standard, který se používá pro zálohování serverů, jako rozhraní se používá SCSI-2. Kapacita pásek se bez komprese pohybuje kolem 2 až 12 GB při přenosové rychlosti až 2 MB/s. Pro větší objemy dat se používá zásobník nazývaný autoloader, kterýmůže pracovat až se šesti kazetami, čímž se celková kapacita zvěší na desítky GB (stovky GB s kompresí). Standard DDS3 umožňuje pracovt s technologií PRML (Partial Response Maximum Likehood), která dovoluje zapisovat s dvojnásobnou hustotou. Další zlepšení nabízejí mechaniky DLT (Digital Linear Tape), které mají automatickou kontrolu provozních hodin. Používají se v kapacitně náročných podmínkách. Nejnovější standard DLT V je schopen přenášet data s kompresí rychlostí až 10 MB/s. Standard AIT se podobá DDS, ale na rozdíl od 4 mm pásky DDS má pásek šířky 8 mm.

Obecně se dá říci, že výhodou magnetických pásek je relativně nízká cena pro vysokokapacitní média a jednoduchá manipulace. Kapacity moderních magnetických pásků se pohybují v desítkách GB (bez komprese) a brzy se očekávají standardy pracující se stovkami GB. Rovněž přístupové doby se postupně zvyšují na jednotky až desítky MB za sekundu. Magnetické pásky najdou uplatnění všude tam, kde je potřeba zálohovat či archivovat obrovské objemy dat, například u serverů.

6.8.2. Zařízení s náhodným přístupem

6.8.2.1. Pevné disky

Magnetické médium, které je dokonale uzavřeno v pouzdře, které jej chrání před nečistotami a poškozením. V pouzdře se kromě samotného disku, kterých je většinou více, nachází příslušný počet magnetických hlav umístěných na pohyblivých ramenech, motorek a řídící elektronika. Samotný nosič (pevná kovová deska s několika mikrometrů silnou magnetickou vrstvou, deska je nejčastěji hliníková legovaná slitina, dnes ale se vyrábějí i skleněné desky) se pohybuje v rychlostech 3600, 4400, 5400 a 7200 otáček za minutu. Záznam i čtení informací probíhá elektromagneticky (na základě elektromagnetického jevu). Dnešní hlavy jsou nejčastěji magnetorezistivní (MR). Pro zápis se používá klasická cívka a před ní je MR cívka pro čtení, která je založena na efektu změny odporu podle orientace magnetického pole. Hlavy se pohybují velmi blízko povrchu (5 mikrometrů), ale díky rychle rotaci se jej nedotknou. Při doteku hlavy s magnetickým povrchem by došlo k poškození záznamové vrstvy. Dřívější disky s krokovým motorkem vyžadovala speciální program “autopark” k přesunutí hlav na nejvnitřnější stopu při vypínání počítače. V dnešní době, kdy se mnohdy místo krokového mechanizmu pro nastavování ramen používá cívky s jádrem, se disky parkují automaticky.

Informace jsou na disku uloženy do soustředných kružnic, kterým se říká stopy. Číslují se z vnější strany (stopa 0) směrem dovnitř. Každá stopa se pak dělí na úseky zvané sektory (nejčastěji velikost 512 B). Sektory jsou číslovány od jedničky. V případě velmi rychlých přenosů, jsou sektory číslovány postupně jeden za druhým. V případě pomalejšího přenosu se zavádí prokládací faktor (interleave factor). Aby se na přečtení následujícího sektoru nemuselo u pomalejších přenosů čekat celou otáčku, jsou prokládací faktory např. 1:3. To znamená, že při 17 sektorech na stopu se postupně číslují sektory 1, 7, 13, 2, 8, 14, 3 ... Pro stopy se stejným číslem se zavádí pojem válec (cylindr). Při zápisu se nejprve zapisují data na stopy se stejným číslem (do jednoho cylindru) a teprve, když to již není možné se cylindr změní. Pro určení umístění informace je nutné ještě vědět číslo povrchu. Ty se opět číslují od nuly a jejich číslování je shodné s číslováním hlav. Jednoznačnou polohu informace tedy určuje číslo válce, hlavy a sektoru (CHS).

Data se na disku kódují nejčastěji metodami MF. MFM a RLL.

Parametry pevných disků
Neformátovaná kapacita - je teoretická kapacita disku daná hustotou záznamu na použitém médiu
Skutečná kapacit - je menší než neformátovaná. Část kapacity odebírá struktura disku ( FAT, zaváděcí sektory, hlavní adresář)
Katalogová kapacita - je o něco menší než skutečná, neboť počítá s určitým statistickým počtem vadných sektorů
Vyhledávací doba (seek time) - je čas, který potřebují diskové hlavy k tomu, aby se přesunuly na daný cylindr (stopu). Většinou se uvádí střední vyhledávací doba.
Přístupová doba (access time) - skládá se z vyhledávací doby potřebné na nastavení sektoru pod hlavu (latency time) a z doby spotřebované řadičem na řízení této činnosti. Rychlost disku je určena: posunutím hlav do požadovaného místa (seek time), jejich ustálením (settle time) a pootočení desek do polohy, kde je hlava nad požadovanou oblastí (latency time).
Střední přístupová doba - průměrný čas k dosažení určitého místa na disku (kolem 10ms).
Počet bitů na palec (bpi) - jednotka určující kolik se vejde informací do stopy.
Hustota stop - průměrná hodnota je asi 2000 tpi (Tracks per Inch -stop na palec).
Běžná velikost dnešních disků je 5,25”, 3,5”, 2,5” ale i 1,8”, 1,5”.

Logická struktura pevného disku
Klíčovým místem disku je první sektor na stopě nula. Je v něm uložena informace o rozdělení disku na logické disky (partition table). Obsahuje rovněž program pro inicializaci systému, a který umožní přesun na zaváděcí sektor bootovací partition a odstartuje v něm uložený zaváděcí program. Proto se mu říká master boot record (MBR). Za zaváděcím sektorem je oblast vyhrazená pro vlastní bootovací či zaváděcí program, který aktivuje operační systém. Délka této oblasti je dána parametry v zaváděcím sektoru. Dále následuje FAT (Fille Allocation Table) - tabulka rozdílení disku (většinou dvě), které obsahují nejčastěji 16-ti bitové položky. (Jiné operační systému mají jiné tabulky rozdílení disku než DOS. Např. OS/2 používá souborový systém HPFS, Windovs NT - NTFS). Po tabulkách je oblast pro ukládání položek kořenového adresáře. Každá položka má 32 B. Zbývající oblast je pro ukládání položek podadresářů a jejich položek.

Soubory se na disk ukládají do skupin sektorů, kterým se říká cluster (alokační jednotka). Umístění souboru do clusterů je zaznamenáno v položkách FAT tabulky. První položka v tabulce obsahuje identifikátor druhu disku, který odpovídá příslušnému údaji v zaváděcím sektoru. Druhá položka obsahuje pouze bity nastavené na hodnotu 1. Od třetí položky začínají informace o souborech a příslušných clusterech. Opakovaným zápisem a mazáním souborů dojde k fragmentaci disku - clustery jednotlivých souborů jsou rozházeny různě na disku. Velikost clusterů závisí na použité tabulce rozdělení souborů (FAT) a velikosti disku. Například u FAT s 16 bitovými položkami je možné popsat maximálně 65 536 alokačních míst na disku (216 = 65 536). Bude-li mít disk velikost 1 GB (1073741824 B), pak z podílu 1073741824 B / 65 536 získáme hodnotu 16384 B, tedy 16 KB, což je velikost jednoho clusteru. Neboli jeden cluster je tvořen třicetidvěma sektory o velikosti 512 B. Tedy nejmenší prostor, na který se uloží data na disk je 16 KB, i kdyby velikost souboru byla pouhých 50 B. Z uvedeného výpočtu vyplývá, že FAT s 16 bitovými položkami není vhodná pro práci s velkými disky a je potřeba vytvořit menší logické disky. Pro disky s velkou kapacitou jsou vhodnější alokační tabulky obsahující 32 bitové položky (232 = 4,3*109), například FAT32.

6.8.2.2. RAID (Redundant Array of Inexpensive Discs)

Bylo definováno 7 základních standardů RAID 0 až RAID 6. Vyšší číslo určuje kvalitnější technologii. Tato disková pole slouží k bezpečnějšímu uložení dat. Jsou složena s určitého množství redundantích (doplňujících se) disků. Objevuje se i systém RAID 7, což je výrobek firmy Storage Computer Corporation, který se však hodně liší od standardů RAID 0-6. Tyto úrovně využívají ke zpracování dat paralelní struktury, což sebou nese nutnost instalovat disky jednoho typu se stejnými parametry. RAID 7 je struktura asynchronní. Disky lze přidávat po jednom až do maxima 48 disků. Díky důsledné modularitě systému, lze postupně a vcelku bez obtíží přidávat další komponenty.

6.8.2.3. Pružné disky

Samotná disketa je vyrobena z plastové folie, na kterou je nanesena tenká magnetická vrstva. Dnešní rozměr kotoučku je 3,5” (dříve 5,25” a 8”). Podobně jako pevný disk je disketa rozdělena na stopy a sektory (cluster je většinou roven jednomu sektoru). Hlava zařízení se pohybuje přímo po povrchu média.

označení rozměr stran stop sektorů na stopu kapacita
DS DD 5,25” 2 40 9 360 KB
DS QD 5,25” 2 80 9 720 KB
DS HD 5,25” 2 80 15 1,2 MB
MF DD 3,5” 2 80 9 720 KB
MF HD 3,5” 2 80 18 1,44 MB

kapacita = (stran) * (počet stop) * (sektorů na stopu) * (velikost sektoru)

Existují i diskety o vyšších kapacitách (např. 2,88 MB, 21 MB), které však většinou potřebují speciální mechaniky.

6.8.2.4. Flash disky

Nejčastěji se vyrábějí ve formě PC karet (PCMCIA) pro notebooky. Informace se uchovávají v paměťových čipech typu Flash. Současně se kapacity těchto disků pohybují v desítkách MB. Nevýhodou je vyšší cena a pomalejší zápis.

6.8.2.5. Výměnné pevné disky

Pomocí speciálního pouzdra je možné upevnit běžný pevný disk, například do 5,25” rozšiřující pozice v krabici počítače. Výhodou je rychlá možnost odpojení a připojení disků, bez nutnosti otevírat kryt počítače.

6.8.2.6. Bernoulliho disky

Jedná se o výměnné médium. Pružný kovový disk se otáčí v pouzdře. Proudění vzduchu zajistí přiblížení hlav k povrchu, ale zároveň zabrání dotyku. Navíc proudění vzduchu odstraňuje případné nečistoty. Rychlost přístupu na disk odpovídá přibližně pomalejším pevným diskům. Kapacity se pohybují ve stovkách MB.

6.8.2.7. Iomega ZIP

Jedná se výrobek firmy Iomega. Médium (pružný magnetický disk) má velikost 3.5” a má kapacitu 100 MB nebo 250 MB. Mechanika Zipdrive se vyrábí ve formě externí (paralelní port, USB nebo SCSI) a interní (ATAPI nebo SCSI). Rychlost přenosu dat je ideálně 20 MB/min pro paralelní verzi a 50 MB/min pro SCSI verzi. Přístupová doba je 39 ms. Diskety lze chránit proti zápisu například heslem, lze ji chránit rovněž před nežádoucím čtením. Vnější mechaniku lze připojit k počítači i bez nutnosti restartu systému.

6.8.2.8. Iomega Jaz

Magnetické médium má kapacitu 1 GB nebo 2 GB. Firmou uváděné parametry jsou: přístupová doba je 15,7 ms, průměrná přenosová rychlost 5,4 MB/s, rychlost otáčení disku je 5400 ot/min, což jsou parametry téměř srovnatelné s běžnými pevnými disky. Jaz má 256 KB vyrovnávací paměti a připojuje se přes rozhraní SCSI-2. Vyrábí se v interní i externí verzi. Nevýhodou je vyšší cena mechaniky i samotných disků.

6.8.2.9. Další výměnná paměťová média

Kromě dnes často používaného paměťového média se můžeme setkat i s médii jiných výrobců. Velmi rozšířen je například standard SuperDisk, někdy nazývaný též LS 120. Magnetické médium má kapacitu 120 MB a velmi se podobá klasické disketě (má jiný mechanismus odkrytí média). Výhodou je, že mechaniky mohou pracovat i s klasickými 1,44 MB disketami.

HiFD – standard firmy Sony pracující s médii o velikosti 200 MB.

Click! – paměťové médium firmy Iomega o rozměrech 55 x 50 x 2 mm a kapacitě 40 MB je určeno hlavně pro mobilní výpočetní techniku, ale rovněž například pro digitální fotoaparáty. Jednotka Click! Mobil Drive se vyrábí v interním i externím provedení.

SmartMedia, CompactFalsh – paměťová média pro mobilní zařízení

6.8.2.10. Přepisovatelné optické disky

Používají se dvě základní technologie:
a) Zápis s využitím fázového posunu - technologie je vysoce závislá na teplotě a vyžaduje velmi přesné nastavení zápisových a čtecích charakteristik zařízení. Na médiu je speciální vrstva, která se může nacházet ve dvou stabilních stavech: amorfním a strukturovaném. Pomocí tepelné energie laserového paprsku lze měnit tyto stavy. Každému stavu pak odpovídá určitá odrazivost. Odrazivost strukturovaného stavu je vyšší než u stavu amorfního.
b) Magnetooptický záznam - určený bod se na citlivé vrstvě disku se zahřeje laserovým paprskem (nad tzv. Curieovu teplotu, asi 150oC). Současně se aplikuje vnější magnetické pole, které způsobí změnu magnetického pole v daném místě média. Po vypnutí laseru se bod rychlé ochladí a nový směr magnetického pole zůstane zachován a nelze jednoduše změnit působením vnějšího magnetického pole při běžných teplotách. Zápis dat se děje ve dvou průchodech. V prvním se zapíší logické nuly a v druhém logické jedničky. Čtení dat se provádí jen v jednom otočení disku a to pomocí laserového paprsku o nízké energii, kdy je rozpoznáváno pootočení laserového paprsku (Kerrův efekt). Otočení je menší než jeden stupeň. Podle polarity se otočí buď po směru (logická jedna), nebo proti směru hodinových ručiček (logická nula). Pootočení je závislé na směru magnetického pole v daném bodě média. Magnetooptické disky se většinou vyrábějí ve formátu 5,25” a 3,5”. Kapacita disků je řádově stovky MB až jednotky GB. Životnost disků je asi 10 let a přístupové doby jsou přibližně jako u pevných disků. Magnetickooptické disky umí emulovat pevné disky a jsou kompatibilní s většinou operačních systémů. Životnost dat na magnetooptických médiích se udává desítky až stovky let.

6.8.2.11. CD-ROM

Data jsou podobně jako u audio CD (Compact Disc) zapsána ve spirále, která začíná u středu disku a rozvíjí se k jeho okrajům. Na spirále jsou vytvořeny prohlubně (pity). Podle toho zda se laserový paprsek odrazí či rozptýlí, se čte 0 či 1. Kapacita CD disků je 650 MB (75 minut hudby). Průměr disku je 12 cm (mini CD 8 cm). Standardy CD disků jsou zpracovány v tzv. barevných knihách: červená kniha - audio CD (Philips, Sony - CD-DA), žlutá kniha - CD-ROM, zelená kniha - CD-I (Compact Disc Interactive), pro multimédia, bílá kniha - Video-CD, oranžová kniha - CD-MO(Compact Disc-Magneto-Optical), CD-WO (Compact Disc- Write-Once - jeden zápis), Photo-CD. U audio CD se rychlost přenosu dat pohybuje kolem 150 KB/s, což je plně dostačující. V případě CD-ROM se rychlost násobí. Dalšími důležitými parametry jsou: zatížení procesoru - běžné hodnoty dosahují asi 10-20%, přístupová doba - stovky ms, schopnost korekce chyb, cache na mechanice - 32-256 KB a schopnost pracovat s různými standardy (Video-CD, CD-I, Photo-CD, ...). Na rozdíl od pevných disků, kde se médium otáčí konstantní rychlostí, se otáčení kompaktního disku zpomalí, když se čtou data z okraje disku, a zrychlí při čtení ze středu disku. Laser CD je velmi tenký ( 0,6 mikronu) a jednotlivé dráhy jsou od sebe 1,6 mikronů.

Data jsou na CD ROM uložena ve dvou rozdílných módech. Mode 1 pracuje s korekcí chyb a velikost jednoho sektoru je 2 048 B. Mode 2 používá sektory o velikosti 2 336 B, tedy je omezena korekce případných chyb.

6.8.2.12. Zapisovatelné CD

CD-R (CD Recordable) - jednou zapisovatelné CD. Disk je pokryt organickou vrstvou, která je pokryta zlatem. Pomocí speciálních vypalovacích mechanik se na CD-R vypálí požadovaná data. Laserový paprsek odstraní zlatou odrazivou a také organickou vrstvu. V daném místě se malý hrbolek, který neodráží světelný paprsek. Tato technologie slouží všude tam, kde je potřeba vytvořit menší počet CD-ROM a lisování by se nevyplatilo. CD-R se může nahrávat buď najednou nebo postupně (režim multisession). Při každém vypálení nových dat je k nim potřeba připojit zaváděcí a ukončovací blok (lead-in a lead-out), což může představovat až 21 MB. Media CD-R jsou tří základních typů, lišících se použitou odrazivou vrstvou a typem barviva. U zlatě zbarveného média se využívá zlaté reflexní fólie a barvivo PthaloCyanine, které je průhledné a paprsek prochází až k odrazivé vrstvě. Tato média mají nejlepší odrazivost a nejdelší životnost (až 100 let). Nejlevnějším typem jsou zeleně zbarvená média, která jsou tvořená zlatou reflexní vrstvou a barvivem Cyanine. Životnost média se udává 10 až 20 let. Posledním typem jsou modrá média tvořená stříbrnou odrazivou vrstvou a barvivem Metallized Azo. Parametry se přibližují zlatým médiím.

CD-RW (Compact Disc – ReWriteable) – jedná se o mnohokrát přepisovatelné CD. U CD-RW neexistuje klasický způsob mazání dat, ale nová data jsou přímo přepisovaná přes původní. Mnoho mechanik umí pracovat jak s CD-R, tak rovněž s CD-RW.

6.8.2.13. DVD

Digital Video Disc, případně Digital Versatile Disc. Medium má stejný průměr jako klasický CD, má ovšem mnohem větší hustotu. Délka pitů je oproti 0,83 mikrometrům CD pouhých 0,4 mikronů. Rozteč stop je snížená z 1,6 mikronů na 0,74 mikronů. Existuji čtyři základní standardy: DVD-5, což je jednovrstvý disk s jednostranným záznamem o kapacitě 4,7 GB. DVD-9 je dvouvrstvý disk s jednostranným záznamem s kapacitou 8,5 GB. DVD-10 je jednovrstvý disk s oboustranným záznamem s kapacitou 9,4 GB. DVD-18 je dvouvrstvý disk s oboustranným záznamem s kapacitou 17 GB. Použití hlavně pro video průmysl. Na médium je možno uložit víc než 2 hodiny kvalitního videa, ke kterému je možné připojit až 8 zvukových stop a 32 různých titulkových sad a další možnosti.
 Další kapitola