Levymuisti

Levymuisti on tietokoneiden massamuistin tyyppi. Levymuistissa tieto tallennetaan pyörivälle, magnetoituvalla tai optisesti muokkautuvalla materiaalilla päällystetylle kiekolle.  Levymuisti voi olla kiinteä kiintolevy tai irrotettava levyke.

Tieto voidaan tallentaa levylle ja lukea sieltä joko magneettisesti tai optisesti. Levyjä, joille kirjoitetaan magneettisesti ja joilta tieto luetaan optisesti, sanotaan magneto-optisiksi. 

Levylle tieto kirjoitetaan jonomuodossa lukupään ohi kulkeville ympyränmuotoisille raidoille eli urille tai sitten yhdelle pitkälle spiraalinmuotoiselle uralle. Usein tietoa voidaan tallentaa levyn molemmille puolille, jolloin levymuistin tallennuskapasiteetti kaksinkertaistuu: levy voidaan kääntää tai sen molemmille puolille voi olla oma lukupää.

Yhden levy-yksikön nopeuden ja tallennuskapasiteetin kasvattamiseksi useampi kiekko voidaan kiinnittää samalle akselille. Tällainen usean kiekon yksikkö tunnetaan nimellä levypakka tai levykkö. Levy-yksikössä on yksi tai useampi lukupää jokaista tiedon tallennukseen käytettävää kiekon pintaa kohden ja kiekkoja voidaan käsitellä samaan aikaan. 

Joukko levy-yksikköjä voidaan koota yhdeksi RAID-kokoonpanoksi tallennustilan kapasiteetin, nopeuden tai toimintavarmuuden kasvattamiseksi.

Magneettiset levyt

Magneettisten levyjen lukupää muuttaa levyn pinnalla olevien magneettisten varausten vaihtelun sähkövirran vaihteluksi niiden kulkiessa lukupään ohi. Levyt ovat joko alumiinista tai lasista valmistettuja jäykkiä kovalevyjä tai joustavasta muovista valmistettuja levykkeitä. Levyt on päällystetty ohuelti magneettisella aineella.

Optiset levyt

Optisia levyjä luettaessa levyä valaistaan lasersäteellä. Lukupää muuttaa levyltä heijastuneen valon voimakkuuden sähköiseksi signaaliksi. Tunnetuimmat optiset levyt perustuvat CD- ja DVD-kuluttajastandardeihin. Niissä valoa heijastava metallikalvo on jäykästä polykarbonaattimuovista valmistetun kiekon pinnalla tai kahden muovikiekon välissä. Näissä tieto tallennetaan spiraalille, jota lukupää seuraa.

Tallennettava tieto voidaan levyn valmistusvaiheessa prässätä pieniksi kuopiksi muovikiekolle, jolloin puhutaan CD-ROM:sta tai DVD-ROM:sta. Kertaalleen kirjoitettavissa levyissä (CD-R, DVD-R, DVD+R) muovilevyn ja heijastavan metallipinnan välissä on orgaanista väriainetta, joka tummuu poltettaessa sitä infrapuna-laserilla. Useamman kerran (CD-RW, DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM) kirjoitettavissa levyissä heijastavan pinnan ja muovilevyn välissä on kahden dielektrisen kerroksen välissä lejeerinki, joka muuttaa heijastuvuuttaan amorfisen ja kiteisen olomuodon välillä kun sitä valaistaan lasersäteellä.

Tiedonhaku muistista ja levyn geometria

Tietoa voidaan tallentaa levyn kiekkojen molemmille puolille. Levyn kiekkojen pinta on jaettu tiedon tallennusta varten yleensä ympyränmuotoisiin raitoihin, uriin, joille bitit on tallennettu peräkkäin lukupäällä. 

Jokaisella kiekon pinnalla on nykyään oma lukupäänsä. Eri pintojen lukupäät on kuitenkin yleensä kytketty kiinteästi toisiinsa ja niitä liikutellaan yhdellä askelmoottorilla. Säteettäissuunnassa samalla kohtaa mutta eri pinnoilla tai kiekoilla olevat urat voidaan lukea tai kirjoittaa yhdellä kertaa liikuttamatta lukupäitä. Nämä pystysuunnassa samalla kohtaa olevat urat muodostavat sylinterin. 

Jotta koko raitaa ei tarvitsisi aina kirjoittaa ja lukea kokonaan, raidat on jaettu levyn pyörimissuunnassa sektoreihin. Levyn geometria muodostuu näistä sylintereistä, lukupäistä sekä sektoreista (engl. cylinder¸ head ja sector). 

Kuhunkin sektoriin tallennetaan vakiomäärä tietoa. Määrä vaihtelee eri järjestelmissä, nykyisin se on yleensä 512..8192 tavua. Hyötydatan lisäksi tallennetaan tahdistus- ja tarkistusdataa, joidenka avulla levyn lukeminen saadaan tahdistettua oikeiden bittien kohdalle ja lukuvirheet saadaan havaittua tai korjattua. Tahdistusdatan avulla myös tiedetään, millä kohtaa levyn kierrosta lukupää on.

Toisin kuin kovalevyillä, CD- ja DVD-levyillä tieto on fyysisesti tallennettu yhdelle spiraalinmuotoiselle raidalle. Raita on jaettu 2048 tavun lohkoihin.

Liitännät 

Yleisimmät levyjen liitäntätavat ovat IDE/ATA, SCSI sekä SATA.
 
Vanhojen PC-tietokoneen emolevy oli yleensä varustettu ATA eli IDE-liitännöillä. Liitäntä käyttää tavallisesti 34-napaista nauhakaapelia. Yhteen IDE/ATA-liitäntään voidaan liittää kaksi laitetta (CD-asemia, levyasemia, nauha-asemia), niistä toinen on master ja toinen slave. Laite, joka liitetään IDE/ATA-väylään, määritellään toimimaan slavena tai masterina joko siltaamalla tai käyttämällä kaapelia, jossa laitteen valinta on jo tehty valmiiksi (cable select).

SCSI-väylä (sl. lausutaan "skasi") on palvelimissa ja ammattilaislaitteissa suosittu liitäntätyyppi, joka mahdollistaa useampien laitteiden liittämisen sekä laitteiden nopeamman toiminnan. SCSI-laitteet vaativat yleensä erillisen sovitin- tai ohjainkortin. Yhteen SCSI-väylään voidaan tavallisesti liittää 7 tai 15 laitetta. SCSI-väylää voidaan käyttää myös ulkoisten laitteiden liittämiseen, SCSI-kaapelin pituus voi olla jopa kaksitoista metriä.

SATA tai S-ATA (Serial ATA) on liitäntätyyppi, jossa tiedonsiirto on sarjamuotoista. Sarjaliitynnän nopeus korvaa rinnakkaisten linjojen määrän. Liitännässä käytävä keskustelu on samanlaista kuin SCSI-liitännässä.

Tietokoneeseen voidaan liittää ulkoisia levyjä myös erilaisten lisälaiteväylien kautta. Perinteisen SCSI-väylän lisäksi käytetään USB- tai FireWire-väyliä, suurkoneissa myös Ethernet-lähiverkkoa tai erityisiä muistiverkkoja (SAN). Niissä kaikissa käytetään SCSI-standardissa määriteltyä komentokieltä ja yhteyskäytäntöä, jonka mukaisesti tietokone ja muut väylään liitettävät laitteet voivat keskustella keskenään.

Levymuistien historiaa

IBM kehitti ensimmäisen kovalevyn 1950-luvulla. IBM:n ensimmäisessä kovalevyjärjestelmässä, RAMAC, levyjen halkaisija oli 24 tuumaa (yli 90 senttimetriä) ja niitä oli 50 kappaletta. Levyjen kapasiteetti oli yhteensä noin 5 megatavua.  

IBM toi markkinoille 1970-luvun alussa ensimmäisen umpilevyn IBM 3340 , jossa levyn kiekot ja lukipäät oli pakattu pölytiiviiseen koteloon. Sen levyjen halkaisija oli 14 tuumaa. Umpilevy sai lempinimensä Winchester eli winsu siitä, että IBM 3340 suunniteltiin käyttämään kahta 30 megatavun vaihtolevypakkaa. Winchester-kivääri Model 94:n tunnetun patruunan nimitys (jolla myöhemmin viitattiin myös kivääriin) oli 30-30. 

IBM kehitti levykkeen 1970-luvun alussa. Ensimmäiset levykkeet olivat halkaisijaltaan 8 tuumaa, ja ne oli tarkoitettu mikrokoodin toimittamiseen IBM:n suurkoneisiin. Myöhemmin kehitettiin levykeasemat, joilla levykkeille saattoi myös kirjoittaa. Ensimmäiset henkilökohtaiset tietokoneet olivat käyttäneet massamuistina C-kasettia, mutta vuonna 1976 markkinoille tulleet 5,25 tuuman levykkeet saavuttivat suosiota nopeasti. Levykkeiden kapasiteetti oli aluksi 110 kilotavua, mutta se kasvoi vuoteen 1987 mennessä 1440 kilotavuun.

Ensimmäiset henkilökohtaisiin tietokoneisiin tarkoitetut kiintolevyt tulivat markkinoille 1970-luvun lopussa. Niiden kapasiteetti oli 10 megatavua. Levyjen halkaisija oli 5,25 tuumaa, levyt ja lukupäät oli kiinteästi pakattu moottorien kanssa levy-yksikköön, joka oli ulkomitoiltaan (korkeus×leveys×syvyys) millimetreinä 86×150×204. Levy-yksikkö oli koteloitu ohjauselektroniikan kanssa erilliseen levyasemaan. Koneen sisälle samaan koteloon asennettavat levyt tarvitsivat erillisen laajennuskortin ohjauselektroniikkaa varten.

Philips ja Sony toivat markkinoille musiikin digitaaliseen tallentamiseen tarkoitetun CD-levyn 1980-luvun alussa. Tietokoneen tallennusvälineeksi sopiva CD-ROM julkaistiin vuonna 1985. CD-levyn halkaisija on 120 millimetriä, ja sen nimelliskapasiteetti on 650 megatavua.

1980-luvulla levyjen kehityksessä tapahtui kaksi muuta merkittävää edistysaskelta. Ohjauselektroniikka saatiin sulautettua osaksi levy-yksikköä ja näiden sulautettujen levyjen liittämiseen kehitettiin SCSI- ja ATA-väylät. 

Levyjen kapasiteetti jatkoi kasvuaan 1990-luvulla. Vuonna 1988 löydettiin uusi kvanttitason ilmiö, valtava magnetoresistiivinen ilmiö (engl. giant magnetoresistive effect). IBM toi siihen perustuvat kapasiteetiltaan entiseen verrattuna moninkertaiset levyt markkinoille vuonna 1997.

Levymuistien ominaisuuksia

Nykyisin (2006) yleisimpien kovalevyjen halkaisija on 3,5 tuumaa.
Levy-yksikön kapasiteetti vaihtelee 40 ja 500 GB:n välillä, pyörimisnopeus 7200-15000 rpm (kierrosta minuutissa) ja siirtonopeus on tyypillisesti 50 megatavua sekunnissa. Itse kiintolevyasema on hieman suurempi kuin sen kiekkojen halkaisija. Levy-yksikön, jossa on 3,5" levy, ulkomitat (korkeus×leveys×syvyys) ovat millimetreinä 25,4×102×146, tuumina 1,0×4,0×5,75.

Myös suurkoneissa käytetään 3,5" tuuman kovalevyjä RAID-kokoonpanoissa. RAID-levymuistin kapasiteetti voi olla useita teratavuja, ja se voidaan liittää tietokoneeseen valokuitulinkeillä kuten Fibre Channel, jonka nopeus on 400 megatavua sekunnissa.

Lähinnä kannettaviin tietokoneihin on tarjolla pienempiä 2,5 ja 1,8 tuuman kiintolevyjä.  Kannettavien 2,5 ja 1,8 tuuman levyt ovat tyypillisesti kapasiteetiltaan pienempiä (40-160 GB) kuin pöytäkoneiden vastaavat, virrankulutuksen vähentämiseksi myös niiden pyörimisnopeus pienempi (4200–5400 rpm, nopeimmissa malleissa 7200 rpm).

Kämmentietokoneissa, digikameroissa ja kannettavissa musiikinsoittimissa käytetään 1,0 tuuman kiintolevyjä.  IBM julkaisi vuonna 1999 ensimmäisen 1,0 tuuman levyn, jonka kapasiteetti oli 170 megatavua. Myös mikrokiintolevyjen kapasiteetti on kasvanut, 8 gigatavun levyt tulivat markkinoille lokakuussa 2005. Yhden tuuman levy-yksikkö sopii CF-II-korttipaikkaan, jonka mitat ovat millimetreinä 5×42,8×36,4.

Optiset DVD-levyt ovat samankokoisia kuin CD-levyt. Niiden halkaisija on 120 millimetriä ja paksuus 1,0 millimetri. Kaksikerroksisten DVD-levyjen kapasiteetti on 9 gigatavua. Tavallisen pöytäkoneeseen tarkoitetun CD/DVD-aseman ulkomitat ovat millimetreinä 43×150×204 (tuumina 1,7×5,9×8,0). Kannettaviin on tarjolla DVD-asemia, joiden ulkomitat ovat millimetreinä 9,5×128×130.

Blu-ray on DVD:stä edelleen kehitetty levyke johon informaatio pakataan entistä tiheämpään. Tämä on mahdollista koska lukemiseen ja kirjoittamiseen käytetään sinistä valoa, jonka aallonpituus on pienempi kuin DVD:ssä käytettävän infrapunan.

Lähteet

Viitteet 

Tallennusvälineet