Princip čtení a zápisu na HDD

Princip čtení a zápisu na HDD

Čtení dat z pevného disku (HDD) je založeno na principu elektromagnetické indukce. Čtecí hlava obsahuje cívku, která se pohybuje v magnetickém poli nad povrchem disku. Při změně magnetického pole – například při přechodu mezi stavy reprezentujícími binární 0 a 1 – se v cívce indukuje napětí. Tato změna napětí je poté dekódována a interpretována jako uložená data.

Paměťové médium disku se skládá z pevného kotouče (disku) potaženého magnetickou vrstvou, často tvořenou oxidy kovů, které mohou být magnetizovány. Disková jednotka umožňuje operačnímu systému zapisovat a číst data z tohoto kotouče prostřednictvím mechanických a elektronických komponent.

Mezi hlavní komponenty diskové jednotky patří:

• Disk s magnetickou vrstvou – fyzické médium, na které jsou data ukládána.
• Synchronní motorek – zajišťuje otáčení diskových ploten.
• Vystavovací mechanismus (aktuátor) – pohybuje čtecími a zapisovacími hlavami nad povrchem ploten.
• Čtecí a zapisovací hlavy – provádí elektromagnetickou indukci pro čtení a zápis dat na diskové plotny.
• Mechanismy vystavení čtecích hlav

K přesunu čtecích a zapisovacích hlav nad konkrétní stopu disku se používají dva hlavní mechanismy:

• Krokové motory: Starší systém využívající krokový motor pro pohyb čtecí hlavy po jednotlivých stopách. Nemá sofistikovaný naváděcí mechanismus a používá indikátor pro detekci počáteční stopy 0. Hlavy se posouvají krokově k vyhledávané stopě.
• Lineární motory (aktuátory): Modernější systém využívající elektromagnetické aktuátory, které přemísťují hlavy rychle a přesně na požadovanou pozici. Lineární motory jsou schopny rychle reagovat na změny polohy a umožňují vyšší rychlosti přístupu k datům.

Proces zápisu a čtení dat

Zápis a čtení dat na HDD probíhá ve třech hlavních krocích:

• Přesun čtecích/zapisovacích hlav: Pomocí aktuátoru se hlavy přesunou na správný cylindr, což je sada stop napříč více plotnami disku.
• Rotace disku na požadovaný sektor: Jakmile se hlavy nacházejí nad správným cylindrem, otáčením ploten disku se dostanou nad konkrétní sektor, kde má proběhnout čtení nebo zápis.
• Zápis nebo čtení dat: Zápis dat se provádí změnou magnetizace na povrchu plotny, zatímco čtení dat je založeno na detekci těchto změn magnetického pole.

Ukládání dat a paralelní čtení
Data jsou na pevném disku ukládána do jednotlivých cylindrů, přičemž se postupně zaplňují jeden po druhém. Tento přístup umožňuje paralelní práci více čtecích a zapisovacích hlav, což výrazně zvyšuje rychlost operací. Pokud by se data ukládala jen na jeden disk (plotnu) najednou, čtecí a zapisovací hlavy by byly omezeny na jednu stopu, což by výrazně zpomalilo celý proces.

Faktor prokládání
Aby se minimalizovalo zpoždění při čtení a zápisu dat, zavádí se faktor prokládání, který zajišťuje, že čtecí hlava nemusí čekat na úplnou rotaci disku, aby se dostala nad požadovaný sektor. Místo zápisu do po sobě jdoucích sektorů se data zapisují do každého n-tého sektoru (faktor 1). Tento přístup optimalizuje výkon tím, že čtecí hlavy mohou přistupovat k datům plynuleji. 

Moderní technologie záznamu: CMR a SMR

CMR (Conventional Magnetic Recording)
CMR je tradiční metoda magnetického záznamu, při které jsou stopy na disku ukládány paralelně a vedle sebe, bez překrytí. Tento způsob umožňuje stabilní výkon při čtení a zápisu dat, protože každá stopa je oddělená a přístup k ní je přímý. CMR je ideální pro náročné aplikace, kde je vyžadován vysoký a konzistentní výkon, například u disků používaných v serverech a datových centrech.

SMR (Shingled Magnetic Recording)
SMR je novější technologie, která umožňuje ukládání dat s vyšší hustotou tím, že překrývá stopy podobně jako tašky na střeše (odtud název „shingled“). Každá nová stopa částečně překrývá předchozí stopu, což zvyšuje hustotu záznamu na disk. Tento způsob však zpomaluje zápis, protože při přepisování stopy je nutné upravit i překryté stopy. SMR je výhodné pro archivační účely, kde je potřeba maximální kapacita a zápis se provádí méně často. Nicméně, při častém přepisu dat může být SMR pomalejší než CMR kvůli nutnosti přepisování překrytých stop.