ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

Εισαγωγή

Κάθε υπολογιστής για να επεξεργαστεί δεδομένα θα πρέπει πρώτα να τα φορτώσει στην κύρια μνήμη RAM, η οποία ανταλλάσσει πληροφορίες με τον επεξεργαστή σε υψηλές ταχύτητες, Η μνήμη RAM είναι όμως ακριβή για την αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων πληροφοριών και το μεγάλο της μειονέκτημα είναι το γεγονός ότι χάνει τα δεδομένα της όταν πάψει να τροφοδοτείται με ρεύμα. Έτσι, από τα πρώτα χρόνια των υπολογιστών, ήταν επιτακτική η ανάγκη δημιουργίας κάποιων μέσων και μεθόδων αποθήκευσης των δεδομένων, μόνιμα. Γίνεται λοιπόν αντιληπτό, ότι τα αποθηκευτικά μέσα είναι από τα κυριότερα εξαρτήματα του υπολογιστή. Σήμερα τα αποθηκευτικά μέσα που μπορούμε να βρούμε στην αγορά είναι πολλά και για διαφόρους σκοπούς. Αυτά τα μέσα μόνιμης αποθήκευσης δεδομένων μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες, σύμφωνα με τη μέθοδο που χρησιμοποιούν για να αποθηκεύουν τις πληροφορίες: τα μαγνητικά μέσα και τα οπτικά μέσα αποθήκευσης. Στην κατηγορία των μαγνητικών μέσων ανήκουν οι σκληροί δίσκοι, οι δισκέτες, οι μαγνητικές ταινίες κλπ. Η τεχνολογία των οπτικών αποθηκευτικών μέσων είναι σχετικώς καινούργια και τα σημαντικότερα μέσα της είναι τα CDs και τα DVDs.

Σκληροί δίσκοι

Ο σκληρός δίσκος είναι μέσο αποθήκευσης στον υπολογιστή και αποτελείται από μια ή περισσότερες μαγνητικές πλακέτες . Η πλακέτα δεν είναι παρά μια κυκλική επιφάνεια με επίστρωση μαγνητικού υλικού. Το μαγνητικό υλικό αποτελείται από στοιχειώδη δίπολα, δηλαδή μαγνήτες σε επίπεδο μορίων, οι οποίοι είναι διασκορπισμένοι τυχαία στην επιφάνεια της πλακέτας, έτσι ώστε κάθε τμήμα της, οσοδήποτε μικρό, αλλά πολύ μεγαλύτερο από τις διαστάσεις του μορίου, να μην είναι μαγνητισμένο. Η αποθήκευση στους μαγνητικού ς δίσκους βασίζεται σε μια τεχνολογία 40 και πλέον ετών, η οποία έχει βελτιωθεί και ακόμη βελτιώνεται ριζικά. Οι σκληροί δίσκοι συνεχίζουν να μικραίνουν σε μέγεθος, να μεγαλώνουν σε χωρητικότητα και να πετυχαίνουν όλο και πιο σπουδαίες ταχύτητες μεταφοράς. Τα τελευταία δέκα χρόνια, έχει γίνει τρομακτική ανάπτυξη στην τεχνολογία των σκληρών δίσκων. Όταν αγοράζουμε έναν υπολογιστή, μια καλή κίνηση είναι να πάρουμε ένα μεγάλο και γρήγορο σκληρό δίσκο, δεδομένου ότι η ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων είναι αποφασιστική για την απόδοση του υπολογιστή. Ο ρόλος που παίζει ο σκληρός δίσκος σε ένα υπολογιστικό σύστημα είναι σημαντικός και έχει να κάνει με τις ακόλουθες έννοιες:

· Απόδοση: Ο σκληρός δίσκος παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην απόδοση ενός υπολογιστή και πιθανώς μεγαλύτερο από αυτόν, που οι περισσότεροι πιστεύουν. Η ταχύτητα με την οποία ο υπολογιστής αρχίζει και η ταχύτητα με την οποία φορτώνει τα διάφορα προγράμματα για να τα εκτελέσει είναι άμεσα σχετιζόμενες με την ταχύτητα του σκληρού δίσκου. Η απόδοση του σκληρού δίσκου είναι επίσης αποφασιστική όταν χρησιμοποιείται πολυεργασία (multitasking) ή όταν υπάρχει ανάγκη επεξεργασία μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων, για παράδειγμα, γραφικές εργασίες, επεξεργασία video ή ήχου κλπ. Επίσης, σε αρκετά λειτουργικά συστήματα ο δίσκος λειτουργεί σαν ένα μέρος της κύριας μνήμης (RAM) με την τεχνική της εικονικής μνήμης (virtual memory), έτσι ένας αργός δίσκος θα επιβραδύνει πολύ την ταχύτητα του συστήματος.

· Υποστήριξη λογισμικού: Τα πιο σύγχρονα προγράμματα χρειάζεται περισσότερο χώρο και γρηγορότερους δίσκους, για να λειτουργούν ικανοποιητικά. Πριν μερικά χρόνια ένας δίσκος χωρητικότητας 100 ΜΒ ήταν υπεραρκετός, τώρα όμως ο αριθμός αυτός δε φτάνει σχεδόν ούτε για το λειτουργικό σύστημα του υπολογιστή.

· Αξιοπιστία: Ένα πρόβλημα στο σκληρό δίσκο είναι ίσως το πιο σημαντικό σφάλμα που μπορεί να συμβεί σε ένα υπολογιστικό σύστημα και αυτό γιατί συνοδεύεται από απώλεια μεγάλης ποσότητας δεδομένων. Ωστόσο, αυτό σήμερα είναι σπάνιο, γιατί οι σκληροί δίσκοι έχουν βελτιωθεί πολύ σ' αυτό τον τομέα και έχουν γίνει πολύ αξιόπιστα μέσα αποθήκευσης. Πάντως για πολύ σημαντικές πληροφορίες καλό είναι να έχουμε και εφεδρείες.

Ιστορία σκληρών δίσκων

Το 1957, όπου τα δεδομένα συνήθως αποθηκευόταν σε ταινίες, η ΙΒΜ παρουσίασε τον πρώτο σκληρό δίσκο 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) αποτελούμενο από 50 πλακέτες, διαμέτρου 24 ίντσες με συνολική χωρητικότητα 5 ΜΒ, μια τεράστια χωρητικότητα για την εποχή εκείνη. Ο δίσκος αυτός κόστιζε $35,000 ετησίως για ενοικίαση (η ΙΒΜ δεν πωλούσε αυτό το δίσκο) και είχε το διπλάσιο μέγεθος ενός ψυγείου. Το πρώτο μοντέλο, που χρησιμοποιούσε τεχνολογία "Float οn air" για την κεφαλή ανάγνωσης/εγγραφής, ονομάστηκε Winchester 3030 (αυτό γιατί η τεχνολογία αυτή αναπτύχθηκε στο Winchester της Αγγλίας) και είχε δύο πλευρές κάθε μια από τις οποίες μπορούσε να αποθηκεύσει 30 ΜΒ. Αργότερα οι πλακέτες γινόταν με διάμετρο 14" και 8". Ήταν εγκατεστημένες σε πύργους, οι οποίοι περιείχαν δωδεκάδες από αυτές τις μαγνητικές πλακέτες. Στα πρώτα χρόνια της ανάπτυξης των υπολογιστών, οι χαμηλού κόστους οδηγοί εύκαμπτων δίσκων ήταν τα δημοφιλή μέσα αποθήκευσης αλλά με τα ΧΤ της ΙΒΜ το 1983­84 οι σκληροί δίσκοι έγιναν τα προτιμητέα μέσα αποθήκευσης. Οι πρώτοι σκληροί δίσκοι ήταν μεγάλες μονάδες (5.25" διάμετρος), απλοϊκή ς ποιότητας. Από την εποχή αυτή, η ανάπτυξη και η εξέλιξη των σκληρών δίσκων είναι εκπληκτική. Οι σύγχρονοι σκληροί δίσκοι είναι διαμέτρου 3.5" και φυσικά, υπάρχουν και σε πολύ μικρότερα μεγέθη.

RAMAC 305

Τεχνικά χαρακτηριστικά σκληρών δίσκων

Η αξιολόγηση ενός σκληρού δίσκου, της ποιότητας και της απόδοσής του περιλαμβάνει αρκετές διαφορετικές τεχνολογίες:

1. Το μηχανικό δίσκο, δηλαδή την κατασκευή του φυσικού δίσκου, την κατασκευή την κεφαλής ανάγνωσης/εγγραφής, το RPM Rotation per Minute/Περιστροφές ανά λεπτό) πυκνότητα δεδομένων κλπ.
2. Την κρυφή μνήμη του δίσκου (disk Cache). Ο σκληρός δίσκος έχει πάντα μια δική του ποσότητα κρυφής μνήμης, η οποία λειτουργεί σαν ένα είδος buffer (ενδιάμεση μνήμη), έτσι ώστε η φυσική ανάγνωση των δεδομένων να γίνεται με την καλύτερη δυνατή ταχύτητα..
3. Διασύνδεση (interface), είναι η σύνδεση του σκληρού δίσκου και των άλλων εξαρτημάτων του υπολογιστή, της οποίας το πρωτόκολλο είναι σημαντικό για την απόδοση του υπολογιστή.
4. Μορφοποίηση (formatting), το σύστημα ελέγχου, cache κλπ.

Γεωμετρία Σκληρών Δίσκων
Ίχνη - Τομείς - Κύλινδροι


Ίχνη και τομείς

Όλες οι πληροφορίες, που αποθηκεύονται σε ένα σκληρό δίσκο, γράφονται σε ίχνη (tracks), τα οποία είναι ομόκεντροι κύκλοι τοποθετημένοι στην επιφάνεια των πλακετών. Τα ίχνη είναι αριθμημένα αρχίζοντας από το μηδέν, το όποιο είναι και το άκρως εξωτερικό ίχνος της πλακέτας. Τα δεδομένα διαβάζονται ή γράφονται μετακινώντας την κεφαλή από το εξωτερικό στο εσωτερικό μέρος της επιφάνειας των πλακετών ή το αντίθετο, με το μηχανισμό κίνησης κεφαλών. Αυτή η οργάνωση των δεδομένων επιτρέπει εύκολη πρόσβαση σε κάθε κομμάτι του δίσκου και αυτό είναι που ονομάζεται Random Access Storage. Κάθε ίχνος μπορεί να αποθηκεύσει πολλές χιλιάδες bytes δεδομένων και θα ήταν μεγάλη σπατάλη το να κάνουνε το ίχνος την ελάχιστη μονάδα αποθήκευσης στο δίσκο, αφού αυτό θα σήμαινε ότι μικρά αρχεία θα ξόδευαν ένα μεγάλο ποσό μνήμης. Αν για παράδειγμα, ένα ίχνος έχει χωρητικότητα 100000 bytes και ήταν η ελάχιστη μονάδα αποθήκευσης στο δίσκο, τότε ένα αρχείο μεγέθους 100 bytes θα κρατούσε για τον εαυτό του ολόκληρο το ίχνος, άσχετα αν χρησιμοποιούσε μόνο τα 100 από τα 100000 bytes. Γενικά, κατά μέσο όρο (ανά αρχείο) θα είχαμε σπατάλη 50000 bytes. Έτσι, κάθε ίχνος έχει χωριστεί σε μικρότερες μονάδες που ονομάζονται τομείς (sectors). Κάθε τομέας μπορεί να χωρέσει 512 bytes δεδομένων, συν μερικά επιπρόσθετα bytes τα οποία χρησιμοποιούνται για εσωτερικό έλεγχο του δίσκου και για αναγνώριση και διόρθωση λαθών. Η τομή του ίχνους με δύο ή περισσότερους τομείς ονομάζεται συστοιχία (cluster) και είναι η μικρότερη ομάδα δεδομένων που μπορούμε να προσπελάσουμε στο δίσκο.

Κύλινδροι

Ένας σκληρός δίσκος συνήθως αποτελείται από αρκετές πλακέτες κάθε μία από τις οποίες έχει δύο εγγράψιμες πλευρές και χρησιμοποιεί δύο κεφαλές ανάγνωσης / εγγραφής (μια για την πάνω πλευρά και μία για την κάτω). Οι κεφαλές αυτές είναι τοποθετημένες μαζί, σε ένα σύμπλεγμα από βραχίονες κεφαλών. Αυτό σημαίνει ότι όλες οι κεφαλές κινούνται είτε μέσα, είτε έξω, μαζί και ταυτόχρονα. Έτσι κάθε κεφαλή είναι πάντα φυσικώς τοποθετημένη στον ίδιο αριθμό ίχνους (δεν είναι δυνατό μια κεφαλή να βρίσκεται στο ίχνος Ο και κάποια άλλη στο ίχνος 500).
Επειδή συμβαίνει αυτή η συμφωνία στη φυσική θέση των κεφαλών στο δίσκο, συχνά η θέση των κεφαλών στα ίχνη δεν αναφέρεται ως αριθμός ίχνους, αλλά ως αριθμός κυλίνδρου (cylinder number). Ένας κύλινδρος στην ουσία είναι το σύνολο όλων των ιχνών, στα οποία οι κεφαλές είναι τοποθετημένες κάποια στιγμή. Έτσι αν ένας δίσκος αποτελείται από 4 πλακέτες και χρησιμοποιεί 8 κεφαλές, ένας αριθμός κυλίνδρου 600 (για παράδειγμα), θα αποτελείται από το σύνολο των 8 ιχνών με αριθμό 600. Το όνομα κύλινδρος προέρχεται από το γεγονός ότι αν ενώσουμε με μια νοητή γραμμή όλα τα ίχνη με ίδιο αριθμό, θα προκύψει ένας νοητός κύλινδρος, εφόσον οι κύκλοι των ιχνών είναι ομόκεντροι και έχουν το κέντρο τους στον ίδιο άξονα. Στην πραγματικότητα, η διαφορά των δύο εννοιών δεν είναι μεγάλη, αφού είναι δύο διαφορετικοί τρόποι να σκεφτόμαστε το ίδιο πράγμα. Η διευθυνσιοδότηση για χωριστούς τομείς γίνεται συνήθως με αναφορά στον αριθμό κυλίνδρου (Cylinder number), στον αριθμό κεφαλής (Head number) και στον αριθμό τομέα (Sector number) (CHS). Από τη στιγμή που οι κύλινδροι είναι συλλογές από ίχνη, στα οποία είναι τοποθετημένες οι κεφαλές, ο όρος "αριθμός κυλίνδρου συν αριθμός κεφαλής" ισοδυναμεί με τον όρο "αριθμός ίχνους συν αριθμός κεφαλής".

Πυκνότητα περιοχής και πυκνότητα των Ιχνών

Ο όρος πυκνότητα περιοχής αναφέρεται στον αριθμό των bits, που τοποθετούνται σε κάθε μονάδα περιοχής στην επιφάνεια του δίσκου. Ο όρος πυκνότητα των ιχνών είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την πυκνότητα περιοχής. Το κύριο εμπόδιο στην αύξηση της πυκνότητας των ιχνών είναι να εξασφαλίσουμε ότι τα ίχνη δε θα είναι πολύ κοντά το ένα στο άλλο, έτσι ώστε κατά το διάβασμα ενός ίχνους, η κεφαλή να μη διαβάζει ­δεδομένα και των γειτονικών ιχνών, είτε εσωτερικών, είτε εξωτερικών.