Hlavní navigace

Magnetické paměti s rotujícím médiem

Pavel Tišnovský

V dnešním pokračování seriálu o architektuře počítačů si popíšeme již dosti dlouhou a na důležité události bohatou historii disketových mechanik i pevných disků. Řekneme si něco o vývoji klasických disket, jejich konkurentů, ale také si představíme prapradědečka pevných disků a jeho vnuky a pravnuky.

Obsah

1. Magnetické paměti s rotujícím médiem
2. Vývoj disket a disketových mechanik
3. Přímí následovníci a konkurenti disket
4. Prapradědeček pevných disků – RAMAC 305
5. Historie pevných disků
6. Literatura a odkazy na internetu
7. Obsah následující části seriálu

1. Magnetické paměti s rotujícím médiem

V předchozí části tohoto seriálu bylo popsáno základní rozdělení pamětí určených pro trvalý záznam dat založených principu magnetické hystereze. Buď se jedná o paměti, jejichž magnetické médium má tvar úzké a dlouhé ohebné pásky (v některých případech „nekonečné“), nebo o paměti s médiem ve tvaru disku. U druhého typu magnetických pamětí, na nějž se v této části zaměříme, jsou data zaznamenávána na magnetickou vrstvu, která je nanesena buď na rotující pevný (tuhý) disk nebo na taktéž rotující pružný disk vyrobený z ohebného plastu, například mylaru. U diskových pamětí se, zejména v porovnání s páskovými paměťmi, do značné míry podařilo snížit dobu přístupu k datům, jelikož se původně lineární struktura (páska pohybující se v jednom směru) změnila na soustředné kružnice (stopy), na něž je možné data číst či naopak zapisovat v náhodném pořadí, což u pásky byla poměrně komplikovaná a především časově náročná operace.

pc2201

Obrázek 1: Výměnné pevné disky s typickou nahnědlou vrstvou oxidu železitého

I přes zdánlivou velkou odlišnost mezi disketovými jednotkami a jednotkami pevných disků mají tyto dva typy pamětí poměrně hodně společných vlastností, například shodný tvar magnetického média a jeho konstantní rotaci (i když u některých disketových mechanik se konstruktéři snažili jejich kapacitu navýšit proměnnou rychlostí rotace, podobně jako u prvních generací mechanik CD-ROM). Dále je pro oba typy pamětí typické, že se data nenačítají po jednotlivých bytech či snad dokonce bitech, ale po větších celcích nazývaných sektory (sector), jež mohou být logicky sdružovány do bloků (block). Magnetická stopa je u disket i pevných disků rozdělena do soustředných kružnic, na rozdíl od některých rotačních optických médií, kde je použita spirála. Všechny sektory ležící na jedné takové kružnici tvoří stopu (track) a v případě pevných disků s více plotnami (disky) tvoří všechny stopy ležící na discích nad sebou takzvaný válec (cylinder). Jak u pevných disků, tak i u (oboustranných) disket se všechny čtecí/zápisové hlavy vystavují jediným mechanismem a tedy na stejný válec.

pc2202

Obrázek 2: Principiální schéma pevného disku

2. Vývoj disket a disketových mechanik

Magnetické paměti, jejichž médium je tvořeno rotujícím pružným diskem (disketou), mají za sebou dlouhou dobu vývoje. Jejich vynález se datuje do roku 1967, kdy Alan Shugart navrhl paměťové zařízení, ve kterém rotuje výměnné magnetické médium, na nějž jsou přitlačeny kombinované čtecí a zápisové hlavy. V roce 1971 bylo toto paměťové zařízení již komerčně dostupné, na jeho vývoji se opět podílel Alan Shugart, vedoucím vývojového týmu byl David Noble. Jednalo se o disketovou mechaniku určenou pro diskety o průměru osm palců, jejichž kapacita dosahovala původně hodnoty pouze 100 kB na jednu stranu a teprve u dalších modelů došlo k jejímu zvýšení. Osmipalcové diskety se sice daly jednoduše v disketové mechanice měnit, ovšem jejich přenositelnost byla kvůli velkému průměru omezena a i rychlost posuvu čtecích/zápisových hlav byla relativně malá, protože hlavy musely při přesunu z první stopy na poslední stopu urazit vzdálenost cca devíti centimetrů.

pc2203

Obrázek 3: Disketová jednotka používaná u osmibitových domácích počítačů Commodore C64 a jeho následovníků

Především z tohoto důvodu byly v roce 1976 uvedeny disketové mechaniky, které pracovaly s disketami o průměru 5 1/4 palce. Za jejich vývojem stál opět Alan Shugart. Tato média byla již velmi praktická, dala se například posílat poštou (oblíbený a mnohdy také napínavý to způsob distribuce softwaru před nástupem BBS a internetu). Kapacity těchto disket se lišily podle schopností disketové jednotky, kvality feromagnetického povrchu vlastních disket a v neposlední řadě také tím, zda se jednalo o diskety jednostranné či oboustranné. Typické kapacity se pohybovaly od 80 kB u jednostranných disket až po cca 1200 kB u disket oboustranných s dvojnásobnou hustotou stop.

pc2204

Obrázek 4: Apple II spolu s disketovou mechanikou tvořilo profesionální systém (i když z dnešního pohledu zastaralý), který byl v USA používán dokonce ještě v minulém desetiletí

Disketové mechaniky používající diskety 5 1/4 palce se dodávaly prakticky ke všem domácím osmibitovým počítačům, osobním počítačům Apple II a později se používaly i na osobních počítačích kompatibilních s IBM PC. Zde vydržely až do poloviny devadesátých let minulého století, přičemž již od roku 1981 byly postupně nahrazovány menšími a v několika ohledech i praktičtějšími disketovými jednotkami určenými pro diskety velikosti 3 1/2 palce, které zavedla firma Sony. Poměrně důležitým konstrukčním prvkem disket průměru 3 1/2 palce byl jejich pečlivě navržený obal s automaticky otevíranými dvířky, který zajistil vložení diskety do mechaniky pouze tím jediným správným směrem – v ostatních sedmi směrech disketa nešla plně zasunout, alespoň za použití rozumné síly. Také větší tloušťka diskety mnohé (mj. také autora) odradila například od jejího použití jako záložky do knihy – 5 1/4 palcové diskety kladly po této proceduře v mechanice při roztáčení velký odpor a mnohdy se disketa protáčela, protože se rotační síla přenášela pouze přes třecí mechanismus.

pc2205

Obrázek 5: Slavná Wozniakova disketová mechanika určená pro počítače Apple II

Cena disketových mechanik byla při přepočtu ceny za jeden megabyte relativně nízká (alespoň v západním světě), protože jejich konstrukce byla jednoduchá – v několika ohledech dokonce jednodušší, než konstrukce kazetových magnetofonů. Zejména disketová mechanika vytvořená Wozniakem pro Apple II byla skvělým inženýrským dílem; velmi jednoduché a přitom plně funkční zařízení bez jakýchkoli nadbytečných prvků, které by zvyšovaly cenu i poruchovost.

pc2206

Obrázek 6: Ovšem na MacIntoshích již kralovaly diskety velikosti 3 1/2 palce, které z mechaniky vyjížděly za pomocí motorku (k tomuto řešení na PC nikdy nedošlo, což v praxi způsobilo již mnoho problémů)

3. Přímí následovníci a konkurenti disket

Úspěch disketových mechanik byl obrovský, toto médium přežilo jak mainframy, tak i osmibitové domácí počítače, šestnáctibitové osobní počítače, pracovní stanice atd. Ani dnes není neobvyklé narazit na šedesátičtyřbitový počítač s vícejádrovým procesorem a několika gigabyty operační paměti, na jehož čelní stěně se skví 3 1/2 palcová disketová mechanika. Ovšem, spolu se zvyšujícími se nároky uživatelů, se začaly ukazovat nedostatky tohoto média, především malá kapacita, časté ztráty dat (i když vlastní mechaniky vydrží hodně, 20 let neustálého provozu není výjimkou) a později také poměrně vysoká cena při přepočtu na jeden megabyte. Z těchto důvodů se výrobci snažili o náhradu disket nějakým jiným paměťovým médiem, i když se jim to vlastně nikdy zcela nepovedlo (což však s nástupem internetu ani není na škodu). O tom, že toto médium se stalo jakýmsi symbolem, ostatně svědčí i ikony pro ukládání dat u většiny GUI programů, na nichž je zobrazena právě disketa. Ostatně bylo by zajímavé zjistit, jak tuto ikonu vnímají ti nejmladší uživatelé, kteří možná skutečnou disketu nikdy neviděli.

pc2207

Obrázek 7: Ikona stylizované diskety

Jednou z cest vedoucích k „nové“ disketě byla snaha o zvýšení kapacity. Jednalo se například o mechaniky nazvané Floptical, které obsahovaly laserem naváděnou hlavu. Tím se hustota stop dala zvýšit z obvyklých 135 tpi (tracks per inch) na 1250 tpi. Celkem se na médium o průměru 3 1/2 palce dalo zaznamenat 755 stop po 27 sektorech, což pro oboustranný záznam a velikosti sektoru 512 bytů dává výslednou kapacitu na tehdejší dobu slušných 21 MB. Tyto mechaniky se však příliš nerozšířily.

pc2208

Obrázek 8: Disketa Floptical s kapacitou 21 MB má stejnou konstrukci jako 3 1/2 palcové diskety

Dalším marketingovým pokusem o náhradu disket byla mechanika označená LS-120, kde LS je zkratkou z „Laser Servo“ a 120 je kapacita v megabytech (druhá generace mechanik dosáhla dvojnásobné kapacity, tj. 240 MB). Jednalo se o podobnou konstrukci, jakou měly mechaniky pro 21 MB diskety, tj. kombinaci laserem naváděné hlavy a magnetického záznamu. Zajímavé bylo, že tyto mechaniky mohly pracovat i s původními disketami. Opět nedošlo k jejich většímu rozšíření, alespoň v Evropě.

pc2209

Obrázek 9: Mechanika LS-120

V roce 1994 byly na trh uvedeny mechaniky nazvané ZIP, které původně používaly média o kapacitě 100 MB, později 250 MB a v poslední generaci dokonce 750 MB. Jestliže měla být disketa nahrazena nějakou alternativou, byl by to právě ZIP, ale ani tato mechanika nedosáhla kýžené „kritické hmoty“, tj. takového počtu instalovaných kusů, že by se stala de facto standardem. Osobně ZIP mechaniku (100 MB) používám už od dob 486, na které pracovala zcela bez problémů (na rozdíl od vypalovacích mechanik CD-R, pro něž se počítač musel správně nakonfigurovat). Další verze mechaniky trpěly syndromem známým pod pojmem click of death (neopravitelné poškození média či dokonce celé mechaniky, které se projevovalo jasně slyšitelným cvaknutím), nespokojení zákazníci dokonce podali kvůli této závažné chybě na výrobce hromadnou žalobu.

pc2210

Obrázek 10: Médium ZIP s kapacitou 100 MB je poněkud tlustší než 3 1/2 palcová disketa

S dalšími alternativami disket se blíže seznámíme při popisu magnetooptických a optických pamětí.

4. Prapradědeček pevných disků – RAMAC 305

Pevné disky (hard disky) mají oproti disketám a disketovým mechanikám poněkud bohatší a také o více než deset let delší minulost, v letošním roce totiž oslaví již neuvěřitelných 52 let své existence. Už v roce 1956 vyrobila firma IBM první zařízení, které je možné považovat za předchůdce všech dnešních pevných disků. Toto zařízení se jmenovalo RAMAC 305, kde začátek jména znamená Random Access Method, jelikož motivací pro návrh RAMACu bylo využití technologie pro náhodný přístup k datům (náhodný byl zejména při porovnání s děrnými páskami či děrnými štítky). Velmi zajímavé jsou – zejména při srovnání s dneškem – výkonnostní parametry tohoto prapradědečka všech pevných disků a také jeho cena (resp. cena přepočtená na jeden megabyte). Jednalo se o zařízení velikosti zhruba dvou ledniček s váhou jedné tuny. Uvnitř rotovalo padesát (!) disků (ploten), každý disk měl průměr 24 palců, což je cca 61 cm (pro porovnání: průměr kol u MTB je větší pouze o dva palce).

pc2211

Obrázek 11: RAMAC 505 v celé své kráse

Rychlost rotace byla řádově srovnatelná se současností – dosahovala 1200 RPM, což je i z dnešního pohledu zajímavé číslo, protože moderní pevné disky mají většinou otáčky rovné celočíselnému násobku 1200. Dalšími důležitými parametry jsou kapacita a cena. Kapacita všech padesáti ploten dosahovala na svou dobu neuvěřitelné hodnoty: 5 MB (jednotka je opravdu uvedena správně) a cena byla 10 000 dolarů za jeden megabyte. Při přepočtu na nynější kurz vychází cena za megabyte cca 70 000 současných dolarů, tj. necelých sedm centů za byte. Na jednu stranu se může zdát tato cena obrovská, ale jednalo se o zařízení, které v mnohém překračovalo možnosti prakticky všech svých alternativ. Například informační hustotou 100 bitů na čtvereční palec byly překonány vlastnosti děrného štítku více než čtyřicetkrát a v možnostech opravdu náhodného přístupu k datům neměl RAMAC 305 ještě dlouho žádnou konkurenci. Zajímavé je, že při hledání vhodné magnetické vrstvy inženýři z IBM nakonec použili barvu, jejíž složení bylo totožné se složením barvy použité na Golden Gate – jednalo se o oxid železa rozprášený v plastu.

pc2212

Obrázek 12: RAMAC 505 při nakládání na letadlo (zde je patrná jeho skutečná velikost)

5. Historie pevných disků

I další historie pevných disků je docela zajímavá. Původní RAMAC 505 sice již obsahoval zárodek dnešních plovoucích hlav, ale skutečná evoluce v technologii pevných disků výrazněji pokračovala až po roce 1970. Konkrétně v roce 1973 vyrobila opět firma IBM pevný disk označený IBM 3340, který byl určen pro její známý System/370. Toto paměťové zařízení se ve skutečnosti skládalo ze dvou částí: v první části byl umístěn neměnný pevný disk s kapacitou 30 MB, na stejné rotující ose se pak nacházel výměnný pevný disk taktéž s kapacitou 30 MB. Výsledná kapacita byla zapisovaná ve formátu 30–30, což připomíná známou Winchesterovku 30–30. Právě od modelu IBM 3340 se začínají pevné disky označovat názvem Winchester.

pc2213

Obrázek 13: IBM 3340 a.k.a. Winchester

V roce 1979 firma IBM překonala hranici půl gigabyte pevným diskem IBM 3370, jenž obsahoval sedm ploten, každou o průměru čtrnáct palců. Výsledná kapacita byla před formátováním rovna 571 MB.

Historie pevných disků určených pro osobní počítače je svázána se světoznámým modelem ST-506 firmy Seagate Technology z roku 1980. Jednalo se o první pevný disk průměru 5 1/4 palce s dvojnásobnou výškou oproti dnešnímu standardu. Zajímavé bylo, že ST-506 obsahoval pouze základní řídicí obvody, což znamenalo, že například pro přečtení údajů z nějakého bloku se musely externě (v řadiči) vygenerovat požadavky na přesun hlavy do určené pozice s následným čekáním na chvíli, kdy se bude pod hlavou nacházet požadovaný blok. Celé řízení bylo zjednodušené tím, že se hlava posunovala pomocí krokového motorku (jeden krok=jedna stopa) a ne elektromagnetickým vychylováním, jak je tomu dnes. Kapacita ST-506 dosahovala 5 MB, způsob záznamu MFM (Modified Frequency Modulation). Později se rozhraní použité u ST-506 stalo standardem a pevné disky, které s ním byly kompatibilní, se mnohdy označovaly také jako MFM disky, i když ve skutečnosti mohly používat jiný způsob záznamu, například RLE kódy.

pc2214

Obrázek 14: Slavný ST-506

V roce 1983 byl na trh uveden model RO352, který obsahoval dvě plotny a měl kapacitu 10 MB. Zajímavé na tomto disku je jeho velikost – jednalo se o první disk s průměrem 3 1/2 palce, tj. stejnou šířkou a délkou, jakou mají i dnešní disky určené pro desktopové počítače, výška však byla dvojnásobná (2 palce). Následoval velmi často používaný model ST-225, který začal být prodávaný v roce 1984. Jak je z  obrázku 15 patrné, i tento disk měl dvojnásobnou výšku, ovšem hlava již byla výkyvná a ne posuvná, jak tomu bylo u ST-506.

pc2215

Obrázek 15: ST-225

Dvou vylepšení jsme se dočkali v roce 1988, kdy firma Prairie Tek vyrobila disk Praire Tek 220, což byl pevný disk s kapacitou 20 MB (na svoji dobu tedy poměrně malou), ovšem jeho průměr byl pouze 2 1/2 palce. Právě od této chvíle se začaly rýsovat možnosti opravdu přenosných notebooků. Ve stejném roce firma Conner začala prodávat disk s průměrem 3 1/2 palce (klasická desktopová velikost), ovšem s výškou pouhého jednoho palce, což již vede k diskům, jejichž velikost je používána dodnes.

pc2216

Obrázek 16: IBM Microdrive

O deset let později přichází firma IBM s diskem vzniklým prý i díky spolupráci s hodináři (švýcarské hodinářské firmy asistovaly i při vývoji mechaniky Click!). Jedná se o slavný Microdrive (neplést se ZX Microdrive), který měl rozměry 1,4×1,7×0,2 palce, což na výšku odpovídá třem kreditním kartám a plochou poštovní známce. Při použití dvou hlav (tj. záznamu na obě strany jediné plotny o průměru jednoho palce) se dosáhlo kapacity 340 MB, při záznamu na pouze jednu stranu plotny pak 170 MB. Právě relativně malá kapacita a velká spotřeba vedla k tomu, že se tento disk nestal absolutním hitem, i když se používal, například ve spotřební elektronice (ostatně takový Slax by se na něj bez problémů vešel a bootovat Slax z Microdrive by bylo přinejmenším stylové). I dnes mají miniaturní pevné disky své použití, ovšem až při kapacitách, které přesahují možnosti Flash disků.

pc2217

Obrázek 17: 1GB verze IBM Microdrive v provedení do slotu CompactFlash II

6. Literatura a odkazy na internetu

  1. Magnetic Disk Heritage,
    http://www.mag­neticdiskheri­tagecenter.or­g/
  2. Timeline: 50 Years of Hard Drives,
    http://www.pcwor­ld.com/article/127105/t­imeline50_year­s_of_hard_dri­ves.html
  3. Karel Krištoufek: Kurs číslicových počítačů a mikropočítačů,
    SNTL, 1990
  4. A Chronology of Magnetic Recording,
    http://www.ac­mi.net.au/AIC/MAG­N_REC_CHRON.html
  5. From Poulsen to Plastic: A Survey of Recordable Magnetic Media,
    http://www.is­chool.utexas.e­du/~cochinea/html-paper/a-crews-03-magnetic-media.html
  6. Wikipedia: Magnetic Storage,
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/Mag­netic_storage
  7. Wikipedia: Diskette,
    http://en.wiki­pedia.org/wiki/Dis­kette

7. Obsah následující části seriálu

I v další části seriálu se budeme zabývat pevnými disky, především současnými a budoucími technologiemi, které – alespoň podle prognóz – povedou k dalšímu zvyšování jejich kapacity i rychlosti.

pc2218

Obrázek 18: Miniaturní pevný disk ST1 o průměru 1 palec a kapacitě 8 GB

Našli jste v článku chybu?

31. 7. 2008 8:10

menganito (neregistrovaný)
Disketu mám doma len tak tak, ledva som ju zachránil (na pamiatku) a to nie som tak mladý aby som si nepamätal jej denné používanie, takže je podľa mňa dosť možné, že niektoré deti nemajú šajnu, čo znamená tá ikona pre Save (prípadne ikona TotalCommanderu)

31. 7. 2008 7:47

Jednim hltem precteno... a to bych to cist nemel protoze nemam cas :) dekuji autorovi. Jinak myslim ze i deti znaji disketu, kazdemu se doma nekde aspon jedna vali.
Vitalia.cz: Mondelez stahuje rizikovou čokoládu Milka

Mondelez stahuje rizikovou čokoládu Milka

Vitalia.cz: Vychytané vály a válečky na vánoční cukroví

Vychytané vály a válečky na vánoční cukroví

Lupa.cz: Kdo pochopí vtip, může jít do ČT vyvíjet weby

Kdo pochopí vtip, může jít do ČT vyvíjet weby

Měšec.cz: Zdravotní a sociální pojištění 2017: Připlatíte

Zdravotní a sociální pojištění 2017: Připlatíte

Lupa.cz: Propustili je z Avastu, už po nich sahá ESET

Propustili je z Avastu, už po nich sahá ESET

Podnikatel.cz: Chtějte údaje k dani z nemovitostí do mailu

Chtějte údaje k dani z nemovitostí do mailu

Vitalia.cz: Potvrzeno: Pobyt v lese je skvělý na imunitu

Potvrzeno: Pobyt v lese je skvělý na imunitu

Lupa.cz: Teletext je „internetem hipsterů“

Teletext je „internetem hipsterů“

120na80.cz: Co všechno ovlivňuje ženskou plodnost?

Co všechno ovlivňuje ženskou plodnost?

Měšec.cz: Air Bank zruší TOP3 garanci a zdražuje kurzy

Air Bank zruší TOP3 garanci a zdražuje kurzy

Podnikatel.cz: Podnikatelům dorazí varování od BSA

Podnikatelům dorazí varování od BSA

DigiZone.cz: Recenze Westworld: zavraždit a...

Recenze Westworld: zavraždit a...

Lupa.cz: Proč firmy málo chrání data? Chovají se logicky

Proč firmy málo chrání data? Chovají se logicky

Vitalia.cz: Paštiky plné masa ho zatím neuživí

Paštiky plné masa ho zatím neuživí

Měšec.cz: Kdy vám stát dá na stěhování 50 000 Kč?

Kdy vám stát dá na stěhování 50 000 Kč?

Měšec.cz: Stavební spoření: alternativa i pro seniory

Stavební spoření: alternativa i pro seniory

Vitalia.cz: Taky věříte na pravidlo 5 sekund?

Taky věříte na pravidlo 5 sekund?

Vitalia.cz: Jmenuje se Janina a žije bez cukru

Jmenuje se Janina a žije bez cukru

Root.cz: Certifikáty zadarmo jsou horší než za peníze?

Certifikáty zadarmo jsou horší než za peníze?

Měšec.cz: mBank cenzuruje, zrušila mFórum

mBank cenzuruje, zrušila mFórum