BIOS, váš kamarád do deště (I.)
autor: Petr Stránský , publikováno 9.5.2007
BIOS, váš kamarád do deště (I.)

BIOS, toť tajuplná a magická zkratka - pro někoho každodenní chléb, pro jiného zase Pandořina skřínka, se kterou si není radno příliš zahrávat. Ať už patříte do té či oné skupiny uživatelů, pojďte s námi, v tomto novém seriálu nadzvednout roušku, pod kterou se skrývá mnoho užitečných kouzel, jež ovlivňují nejen výkon ale i stabilitu vašeho plechového kamaráda...


Konfigurovat ve Standard CMOS Setupu můžete jak disky určené pro staré PATA, tak i pro nové SATA rozhraní. Tedy samozřejmě jen pokud vaše základní deska těmito porty disponuje. Ke správnému pochopení všech principů a konfiguračních nastavení je třeba být trochu obeznámen s technologií práce pevných disků a proto si dovolím malou odbočku.

 

Fyzická struktura

Pokud bychom vzali jakýkoliv pevný disk a odstranili jeho vrchní ochranný kryt, zjistili bychom, že je složen z několika kotoučků a až dvojnásobného počtu hlaviček. Disková plotna je vlastně pouhý kotouček s magnetickým povrchem, jež může tvořit vrstvička železného oxidu nebo nově také vrstva tzv. tenkého filmu.

Materiálově je plotna buď vyrobena z hliníku nebo u modernějších disků jsou použity různé kombinace skla, keramiky či plastu. U nejmodernějších disků můžete na jednu plotnu uložit dokonce až 200GB záznamu. A právě ono zvyšování hustoty zápisu (dnes tomu pomáhá technologie kolmého zápisu) má největší vliv na výsledný výkon - hlavička prostě nemusí urazit tak velkou vzdálenost k načtení stejného množství dat.

Není tomu tak dávno, co byl překonán historický milník diskové kapacity, mýtický 1TB. Disk pyšnící se touto obrovskou kapacitou vyrobila společnost Hitachi a označila jej modelovým číslem 7K1000. Tenhle predátor má celkem 5 diskových ploten, každá je po 200GB. Dá se však očekávat, že takové množství vysokorychlostně otáčivých součástek rozhodně nebude mít nejlepší vliv na celkovou teplotu zařízení.

BIOS, váš kamarád do deště (I.)
tak takhle nějak vypadá zevnitř i váš pevný disk

Nad každou plotnou se po každé její straně a ve velmi malé vzdálenosti od ní pohybují čtecí a zapisovací hlavičky (Heads). Z uvedeného logicky vyplývá, že maximální počet hlaviček může být menší nebo roven dvojnásobnému množství ploten. Menší z toho důvodu, že u krajních ploten není vždy pravidlem umístění hlaviček po obou jejích stranách.

Takto vybavené disky bych si osobně nekoupil, protože tímto postupem výrobce nevyužívá naplnou maximální možnou kapacitu disku. Kvůli vyššímu počtu ploten je pak disk zbytečně indisponován vyšší spotřebou. Když pak přičteme vyšší tepelné vyzařování a také hlučnost v porovnání s pevnými disky stejné kapacity, ale o menším množství ploten, nebude vám nákup podobného disku vycházet již tak výhodně.

Povrch plotny je dále rozdělen do velkého množství soustředných kružnic, do kterých jsou data zapisována, tzv. stop (Tracks) . Taková stopa je ještě příčně rozdělena do tzv. sektorů (Sectors) a je jí přiřazeno určité pořadové číslo. Stejně označeným stopám všech povrchů (ležící logicky nad sebou) se pak říká cylindry (Cylinders).

Všechny záznamové hlavy jsou totiž umístěny na společném rameni a pokud je jedna z nich umístěna nad stopu určitého čísla budou i ostatní hlavičky posunuty ke všem ostatním stopám stejného indexu. Disk se pak při zápisu snaží požadovaná data zapsat tak, aby navazovaly po cylindrech (ne po plotnách) a tím se maximálně využily všechny hlavičky.

Práce s daty byla v dřívějších dobách velmi neefektivní, protože do sektorů s logicky větší plochou na okraji disku se ukládalo naprosto stejné množství dat jako na sektory bližší středu plotny. Bity u středu disku tak musely být ukládány příliš blízko sobě, zatímco na okraji disku byli odstupy mezi bity mnohem větší než bylo třeba.

Další problém představovala skutečnost magnetického zápisu. Čím blíže jste pak byli s hlavičkou středu, tím byla větší pravděpodobnost, že následný zápis ovlivní sousední datové položky. Z tohoto důvodu byla zanedlouho vyvinuta technika, která spočívala v úmyslném ukládání chybných dat na geometricky špatná místa. Vlivem působení vzájemných magnetických sil se pak bity srovnaly správně.

Prekompenzace (Write Precompensation), jak se této technologii říkalo, byla ale brzy zavržena a nahradil ji pokročilejší zónový zápis (Zoned Bit Recording). Ten umožnil, aby se na první stopu určitého sektoru dalo zapsat daleko více datových bitů než na poslední stopu blízko středu.

U starších datových úložišť ale ještě chvíli zůstaňme a připomeňme si, že bylo dále vždy nutné vyhradit na disku místo, které používaly hlavičky jako tzv. parkovací oblast (Landing Zone). U dnešních disků, však tato peripetie odpadá. Nelze však s určitostí říci, které místo je dnes využíváno. Ač je nejčastěji používáno oblasti mimo plotny, lze se setkat i s parkovací zónou ve středu ploten.

BIOS, váš kamarád do deště (I.)
fyzické rozdělení pevného disku - PCGuide.com

Pro úplnost ještě doplním, že se data na disk zapisují až do tzv. clusterů - skupin sektorů. Clustery jsou ve své podstatě nejmenší jednotky datového místa na pevném disku, do nichž již může zvolený operační systém ukládat data. Velikost jednoho clusteru se odvíjí od použitého souborového systému, většinou ale kolísá v rozsahu mezi 1 sektorem (512B) do 64 sektory (32KiB).

Pozn: Jednotka KiB znamená víceméně to samé co kB pouze s jediným, avšak dosti podstatným rozdílem. Pokud totiž mluvíme o kilech, tak máme na mysli vždy pouze jeden nebo více tisíc něčeho (tedy 103=1000) a tedy také desítkovou soustavu. Ve dvojkové soustavě se používá také předpona kilo, tady ale vyjadřuje hodnotu 1024 (210=1024). Čím vyšší počet bytů pak míníme, tím vyšší může být rozdíl oproti původní hodnotě.

Mezinárodní standardizační komise pro elektrotechnické normy (IEC - International Electrotechnical Commission) se nakonec rozhodla možné dezinformace potlačit a zavedla nové binární jednotky - Ki, Mi, Gi, Ti. Pak platí třeba vyjádření jednoho mebibytu jako 1MiB = 220B = 1,048,576B.

 

Komunikace s diskovým řadičem

Za tímto účelem je disk vybaven určitou řídící elektronikou, která mu má umožnit domluvit se s jeho řadičem a samozřejmě pak i s celou základní deskou. U všech moderních disků si řadič HDD můžeme představit jako součást samotného pevného disku, jehož parametry upravujeme právě v Setupu.

Nejedná se tedy o součást základní desky, jak si stále mnoho lidí nesprávně myslí! Na té je ve většině případů pouze součást zprostředkovávající komunikační spojení, tzv. Host Adapter, kterému se také říká ATA (Advanced Technology Attachment).

Zažitý omyl je ale z části opodstatněný. Disky, které byli realitou před IDE, totiž opravdu neměli řadič integrován a proto musel být součástí základní desky příp. speciální karty, kterou bylo třeba umístit do rozšiřujícího slotu (např. u MFM disků).

IDE (Integrated Drive Electronics)

IDE se používá dodnes, i když je třeba říci, že dnešní počítače již disponují vylepšenou verzí rozhraní, jež by se mělo správně označovat jako EIDE (Enhanced IDE, ATA-2). Stále se však jedná o starší typ paralelního řadiče, který je pomalu vytlačován novějším seriovým rozhraním SATA.

Každý takový čip má dva kanály a na každém z nich může pracovat jedna dvojice různých zařízení (maximálně tedy 4, možnost rozšíření pomocí přídavného PCI řadiče neuvažuji). Každému zařízení z dvojice je pak třeba manuálně určit, v jakém režimu má pracovat, přičemž může být buď Master (vzniklou komunikaci bude vždy zahajovat a posléze i řídit) nebo podřízené Slave. Dnešní optické mechaniky a disky disponují ještě jedním režimem práce, Cable Select (CS), jehož nastavením pověřujeme BIOS, aby sám určil, které zařízení bude hlavní a které podřízené.

Raději si ale vždy nastavte režimy pevně, při CS nemusí být vše tak bezproblémové, jak se může na první pohled zdát.

Dnešní PATA (Parallel ATA) host adaptéry pracují na s přenosovými rychlostmi 33, 66, 100, 133MB/s, přičemž u prvně jmenovaného je ještě stále možné použít starší verzi kabelu - 40žilový. U dalších verzí (Ultra ATA 66/100/133) se totiž zjistilo, že jako takový již nevyhovuje modernějším požadavkům techniky a proto byl nahrazen 80žilovou variantou, která má navíc dalších 40 vodičů.

Ty jsou použity jako stínění (kabel je tak zpětně kompatibilní) a jenom díky nim pak mnohem méně dochází k tzv. přeslechům (chybám při přenosu). Poslední verze PATA rozhraní pracuje na frekvenci 133MHz, dále již nebylo možné rychlost zvyšovat. Technologie totiž tímto dosáhla svého výkonnostního maxima a jako neperspektivní musela být odložena.

BIOS, váš kamarád do deště (I.)
IDE kabel s 80 vodiči

SATA (Serial ATA)

Nástupcem EIDE se stalo rozhraní SATA. To je navrženo s důrazem na jednodušší a rychlejší provoz. Již v první revizi dosáhlo k teoretické propustnosti 150MB/s (1,5Gb/s). Ano, přepočet je zde správný, protože sériové pevné disky nevyužívají 8bitové, ale rovnou speciální 10bitové kódování.

Následující revize pak poskytuje zvýšení propustnosti na 300MB/s (3Gb/s) a v blízké budoucnosti se počítá s uvedením nové verze s až 600MB/s (6Gb/s) přenosem dat. Je sice sporné na kolik jsou současné počítače schopny využít tak vysoké propustnosti, ale výhody všech moderních technologií, které SATA disky poskytují, jsou nepopiratelné.

Tak třeba taková tajemná zkratka NCQ (Native Command Queuing - přirozené řazení požadavků). Jedná se o techniku, která ponechává rozhodování o pořadí čtení dat na logice disku. Pokud pak bude fronta požadavků žádat více dat současně a tato data budou různě rozmístěna po plotně (některé budou na okraji, některé ve středu), tak disk nejprve načte všechny datové informace umístěné na okraji disku a pak bude sbírat postupně všechny ostatní směrem ke středu plotny.

Maximální přínos NCQ, ale pocítíte jedině, pokud budete pracovat na serveru nebo pracovních stanicích, kde pracuje více uživatelů současně. Běžné domácí počítače totiž nikdy pravděpodobně nebudou mít tolik požadavků na čtení k tomu, aby se užitek výrazněji projevil.

Výhodu, kterou spíše oceníte je možnost rychlého odpojení disku od počítače za chodu. Tuto vlastnost mají díky prodlouženým zemnícím kontaktům napájecího konektoru také interní pevné disky. Troufám si však tvrdit, že jedině u externí varianty (tzv. eSATA), která byla standardizována v roce 2004, ji naplno využijete.

BIOS, váš kamarád do deště (I.)
dva porty eSATA a stavové LED diody na záslepce do PCI pozice

Další technologií, kterou přinesla druhá revize specifikace SATA, je ta s označením Staggered Spin Up. Díky ní pak více pevných disků neklade při startu počítače tak vysoké energetické nároky na počítačový zdroj - jejich postupný náběh je totiž řízen samotnou základní deskou.

Další zajímavou technologií je tzv. Port Multiplier, který umoňuje na jeden kanál připojit až pět různých disků či Port Selector, jež umožňuje na jeden disk připojit až dva řadiče. To je důležité především kvůli zamezení výpadku při případné poruše.

Pozn: Standard SATA 300 MB/s je někdy chybně označován pojmem SATA II. Špatně použitá zkratka totiž označuje uskupení výrobců, kteří sestavovali specifikace pro tyto přenosy. Míněné sdružení se již ale přejmenovalo na SATA-IO (Serial ATA International Organization).

SouthBridge základních desek podporují různý počet PATA a SATA zařízení. Někteří výrobci dokonce dospěli do fáze, kdy na své motherboardy raději neimplementují žádné paralelní konektory. Někdy bývají na základních deskách přítomny i další pomocné kanály. Tak např. základní deska Foxconn 975X7AA disponuje jedním PATA a 4 SATA kanály přímo v čipové sadě i975X. Navíc umožňuje připojit další 2 porty SATA díky přídavnému čipu. Jeden z portů je dokonce typu eSATA.

BIOS, váš kamarád do deště (I.)
moderní tenké kabely pro SATA zařízení

SCSI (Small Computer System Interface)

SCSI neboli "skazi", jak bývá tato sběrnice často zkráceně nazývána, se používala a někdy ještě stále používá u výkonných pracovních stanic či serverů pro připojení speciálních pevných disků, magnetopáskových jednotek nebo dalších periferních zařízení (např. skenerů). Navzdory tomu, že poskytují velmi vysoký výkon, přenosovou rychlost i přístupovou dobu, se nikdy pro svoji vysokou cenu u stolních počítačů moc neuchytili. Světlou výjimkou byli tehdejší počítače Apple.

Oficiálních standardů SCSI existuje poměrně velké množství. Za všechny jmenujme např. Ultra 320 SCSI s přenosovou rychlostí 320MB/s nebo Ultra 640 SCSI, jež poskytoval připojeným zařízením propustnost až 640MB/s. Je zajímavé, že je k řadiči možné připojit až 15 zařízení, přičemž na konci každého kabelu musí být speciální ukončovací odpor, tzv. terminátor.

BIOS, váš kamarád do deště (I.)
sběrnice SCSI musela být ukonována - terminátor

 

Adresování diskových bloků

Pevný disk musí být schopen zjistit přesnou polohu všech dat, která jsou na něm uložena. BIOS musí také správně definovat požadavek na čtení či zápis dat. Z těchto důvodů musí oba podporovat stejnou metodu adresace.

Jelikož základní prvkem, o kterém mluvíme při ukládání dat je sektor, tak i zde mluvíme o adresování sektorů. V dnešní době se můžeme setkat s několika specifickými typy:

CHS (Cylinder/Head/Sector)

Velice stará metoda, kterou používaly pevné disky ve skalních dobách počítačového věku. Přesné určení požadovaných dat je určeno pomocí číselné adresy cylindru, hlavy a sektoru. Pro přístup je využíváno rozhraní Int13h, které může adresovat maximálně 10 bitů pro adresu cylindru, 6 bitů pro adresu sektoru a 8 datových jednotek pro adresu hlavy.

Řadič IDE má však maxima někde úplně jinde, protože je schopen rozlišit až 16 bitů pro adresaci cylindru, 8 bitů pro sektor a 4 bity pro číslo hlavy. Maximální adresovaný prostor (uvažujeme vždy menší z čísel) tak dosahuje "neuvěřitelných" 512MB.

XCHS (eXtended CHS)

Typ adresace, který již naplno využívá prostoru, jež je poskytován rozhraním Int13h. Maximální adresovaný prostor tak činí téměř 8GB (7,88GB).

LBA (Logical Block Addressing)

Metoda, jež byla převzata z pevných disků SCSI, zcela vybočuje ze stávajících kolejí a naprosto přepracovává stávající postupy. Při jejím použití jsou všechny sektory na pevném disku očíslovány a z daného čísla je pak každému přiřazena jeho nová 28bitová adresa, která pokrývá až 128GB diskového prostoru.

I nadále ale bývá pevnému disku v Setupu přiřazena hodnota XCHS, díky které by při použití starého řadiče bez podpory LBA byl disk stále využitelný alespoň na původních 7,88GB.

LBA s ATA/ATAPI-6

Postupným vývojem pevných disků byla překročena maximální možná kapacita 128GB, jež byla dosud poskytována pokročilým adresováním LBA. Z tohoto důvodu byl nakonec standard přepracován a vznikl nový ATA/ATAPI-6, který mimo jiné obsahuje též 48bitový standard adresování. Takto je možné k počítači připojit pevný disk s maximální možnou kapacitou dosahující úctyhodné velikosti 144PB. To by nám již na pěkných pár let stačit mohlo, co říkáte?

Pozn: Při čtení dat je ale prakticky nemožné naprosto přesně fyzicky zaměřit požadovaný sektor s daty a proto je každému předřazena ještě speciální hlavička (záhlaví), jež jej přesně popisuje. Čtecí hlava je pak nasměrována na přibližné umístění hledaných dat a právě podle tohoto záhlaví jej teprve nalezne.

 

Rychlost přenosu dat

Vlastní výměna dat mezi operační pamětí RAM a pevných diskem může probíhat hned dvěma způsoby. Starší variantou byl režim PIO (Programmed Input/Output), u kterého byl každý přenos řízen pomocí CPU. To je také jedna z velkých nevýhod - při jakékoliv operaci nad daty dochází k velkému zatížení procesoru.

Není bez zajímavosti, že standard PIO 5 měl původně přenosovou rychlost čítající hodnoty 22,2 MB/s, avšak kvůli vznikajícímu režimu DMA nebyl nikdy do pevných disků implementován. Výrobci BIOSů jeho podporu do svých produktů ale raději vložily. A dobře udělali, dnes je tento standard využíván paměťovými kartami CompactFlash, jež jsou k PC připojené přes běžné IDE rozhraní (s pomocí tzv. CompactFlash IDE adaptérů).

BIOS, váš kamarád do deště (I.)

Druhým a mnohem pokročilejší režim se nazývá DMA (Direct Memory Access, přímý přístup do paměti). DMA využívá technologii tzv. Busmasteringu, kdy je přenos dat řízen výhradně řadičem pevného disku. Díky této vychytávce stačí, aby procesor zadal řadiči příkaz a dále může pokračovat v práci na důležitějších věcech, protože se již o probíhající operaci nemusí vůbec starat.

BIOS, váš kamarád do deště (I.)

 

Kolik technologií znáš...

U moderních pevných disků se můžeme setkat s několika zajímavými technologiemi, které můžeme v BIOSu taktéž konfigurovat.

SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology)

Jedná se o techniku, která umožňuje neustálým sledováním vlastností a fyzického stavu pevného disku z části "předpovídat" jeho budoucí selhání. Samozřejmě tato technologie musí být podporována jak ze strany HDD, tak i samotnou základní deskou. Sledují se mimo jiné tyto vlastnosti:

  • čas potřebný k roztočení diskových ploten
  • výška záznamové hlavy nad plotnou
  • interní datová propustnost
  • rychlost vyhledávání dat
  • reakce záznamové hlavy na vzniklou chybu
  • počet pokusů nezbytných ke kalibraci disku
  • počet využívaných záchranných sektorů
  • otáčky pevného disku

Pokud pak budete někdy chtít ověřit stav vašeho disku, můžete tak učinit pomocí speciálních nástrojů. Ty dodává buď přímo výrobce disku nebo lze použít i další produkty třetích stran. Ty mají také velkou výhodu v tom, že pracují s pevnými disky různých značek. Často bývají i více propracované.

Osobně mám dobré zkušenosti s prográmkem HDDScan, který navíc dokáže otestovat povrch vašeho disku a vyhledat případné vadné sektory. Krom toho je zdarma, nemusí se instalovat a u většiny disků s ním můžete ovládat i tzv. AAM (Automatic Acoustic Management) nebo APM (Advanced Power Management).

Dalším zajímavým, leč placeným nástrojem je program Hard Drive Inspector, který vám navíc prozradí i teplotu pevného disku a při narůstajícím počtu chyb dokonce i prozradí kolik času disku schází než odejde do křemíkového nebe.

BIOS, váš kamarád do deště (I.)
výpis ze SMARTu pevného disku v programu HDD Inspector

HDD Block Mode (Přenos více datových sektorů najednou)

Jedná se o technologii, díky kterému bude disk moci přenést více sektorů (2, 4, 8, 16...) najednou. Podmínkou opět je, aby takové přenosy podporoval použitý pevný disk (u dnešních disků je to pravidlem) a také základní deska. Sektory, jež se pak budou účastnit skupinového transferu označujeme jako tzv. Blocking Factor.

Pro tuto položku existují různé ekvivalentní názvy - např. MultiSector Setting, Blocks per Interrupt nebo Sectors/IRQ. Položku doporučuji vypnout jen v případě problémů s komunikací. Ty může ale někdy způsobovat i samotný operační systém - problémy s touto technologií měl kdysi např. OS Windows NT.

 

Pevné disky SATA

Tyto disky mohou pracovat ve dvou základních pracovních režimech:

  • Nekombinovaný režim, ve kterém bude systém pracovat pouze s jedním typem disků; buď pouze s PATA nebo pouze se SATA
  • Kombinovaný režim, kdy mohou oba typy zařízení pracovat současně

Nastavovat budeme také podporu pevných disků z hlediska operačního systému:

  • Kompatibilní režim , který přináší možnost využití starších operačních systémů (Windows 9x, DOS). Maximální počet připojených zařízení jsou 4. Všechny mohou pracovat jak v kombinovaném, tak nekombinovaném režimu.
  • Nativní (rozšířený) režim, který mohou využívat až nové operační systémy (Windows XP SP1, Windows Server 2003, Windows Vista) a vyznačuje se výhodou využití všech SATA portů, kterými deska disponuje.


 
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
814 čtenářů navrhlo autorovi prémii: 398.2Kč Prémie tohoto článku jsou již uzavřené, děkujeme za váš zájem.
Tento web používá k poskytování služeb soubory cookie.