دیسک سخت چگونه کار می کند

تقریبا تمام کامپیوترهای رومیزی و سرور حاوی درایوهای دیسک سخت هستند. هر مین فریم و سوپر کامپیوتر معمولا به هزاران ذیسک سخت متصل می گردند. دستگاههای پخش فیلم و همچنین دوربین های فیلم برداری وجود دارند که بجای نوار از دیسک سخت استفاده می کنند تمام این دیسک های سخت یک کار را به خوبی انجام می دهند. ذخیره اطلاعات دیجیتال متغیر به شکلی نسبتا دائمی. آنها به کامپیوترها امکان یادآوری اطلاعات را زمانی که انرژی برق قطع می گردد می دهند.
در این مقاله اجزای دیسک سخت را جدا کرده تا با قطعات داخلی آن آشنا شده و نیز نحوه سازماندهی هزاران بایت از اطلاعات در فایلها را مورد بررسی قرار می دهیم.

اساس دیسک سخت
نوار کاست در برابر دیسک سخت
بگزارید نگاهی به تقاوت های بزرگ بین نوارهای کاست و دیسک های سخت بیندازیم :
– ماده مغناطیسی مخصوص ذخیره اطلاعات در نوار کاست بر روی نوار پلاستیکی نازکی پوشانده می شود. در دیسکهای سخت این ماده به عنوان لایه ای بر روی دیسکهای شیشه ای یا آلومینیومی با خلوص بالا قرار می گیرد سپس دیس های(platter) دیسک سخت برای هموار شدن آینه گون جلا داده می شوند.

– هنگام استفاده از نوار برای بدست آودن اطلاعات هر نقطه خاص از آن باید به جلو یا عقب برویم. این عمل در صورت بلند بودن نوار زمان زیادی را تلف می کند. در دیسک سخت شما به هر نقطه از سطح دیسک به صورت آنی دسترسی دارید.

– در نوار کاست هد(head) خواندن – نوشتن مستقیما نوار را لمس می کند. در دیسک سخت هد(head) خواندن – نوشتن بر بالای دیسک حرکت می کند و هرگز آن را لمس نمی کند.

– نوار در نوار گردان با سرعت 2 اینچ(08/5 سانتیمتر) در ثانیه بر روی هد(head) حرکت میکند. سینی دیسک سخت می تواند در زیر هد(head) با سرعت برابر 3000 اینچ در ثانیه بچرخد.(تقریبا برابر 170 مایل در ثانیه یا 272 کیلومتر در ساعت)

– اطلاعات روی دیسک سخت در مقایسه با نوار کاست در محدوده های مغناطیسی بسیار کوچکی ذخیره می شوند. اندازه این حوزه ها با استفاده از دقت سینی و سرعت دیسک سخت تعیین می شود.

به خاطر این تفاوت ها ، دیسکهای سخت مدرن می توانند مقدار قابل ملاحظه ای اطلاعات را در فضای کوچکی ذخیره کنند. همچنین دیسک سخت می تواند به هر قسمت از اطلاعات خود در کمتر از 1 ثانیه دسترسی یابد.

ظرفیت و عملکرد
هر سیستم رومیزی دارای دیسک سختی 10 تا 40 گیگابایت است. داده ها بر روی دسک سخت به شکل فایلها ذخیره می شوند. فایل در واقع به مجموعه ای از بایت ها با نامی خاص اختصاص می گردد. این بایتها ممکن است حاوی کد اسکی(ASCII codes) برای کاراکترهای یک فایل از نوع متنی(text file) یا دستورالعملهای کامپیوتر برای اجرا در یک برنامه نرم افزاری یا رکوردهایی از پایگاه داده یا رنگ پیکسل های یک تصویر gif باشند. بدون توجه به محتوای فایل می توان گفت که فایل در واقع رشته ای از بایت هاست. هنگامی که برنامه ای در کامپیوتر فایلی را در خواست می کند دیسک سخت بایتهای آن را دریافت کرده و یکی یکی به CPU ارسال می کند.

2 راه برای اندازه گیری عملکرد دیسک سخت وجود دارد :

 – سرعت داده (Data rate) : سرعت داده به تعداد بایت هایی که توسط دیسک سخت در ثانیه به CPU ارسال می شوند گفته می شوند. سرعت ها بین 5 تا 40 مگابایت بر ثانیه رایج است.

-زمان جستجو (Seek time) : زمانی که طول می کشد تا بعد از درخواست فایل از طرف CPU اولین بایت آن توسط دیسک سخت ارسال شود. زمانهای بین 10 و 20 میلی ثانیه رایج هستند.

پارامتر مهم دیگر ظرفیت است که به تعداد بایت هایی که دیسک می تواند نگهداری کند گفته می شود.

بخش درونی : بردهای الکترونیکی

بهترین راه برای درک چگونگی کارکرد دیسک سخت مشاهده بخش درونی آن است ( در نظر داشته باشید که باز کردن دیسک سخت به آن صدمه می زند. بنابراین این کاری نیست که در خانه انجام دهید مگر اینکه دیسکی از کار افتاده داشته باشید) این یک درایو دیسک سخت می باشد.

جعبه ای است آلومینیومی با کنترل کننده الکتریکی که به یک طرف آن متصل گردیده است. مدارات الکترونیکی نحوه خواندن و نوشتن را کنترل می کند موتوری نیز برای چرخاندن سینی ها به کار می رود. مدارات الکتریکی همچنین حوزه های مغناطیسی را در بایت های داده جمع اوری میکند.(عمل خواندن) یا بایت ها داده را به حوزه های مغناطیسی تبدیل می کند.(عمل نوشتن) مدارات الکتریکی همگی بر روی برد کوچکی که از بقیه درایو مجزا است قرار دارد.

بخش درونی : در زیر برد

در زیر برد اتصالاتی برای موتور که سینی ها را می چرخاند قرار دارد با هواکشی با قدرت فیلتر کردن بالا برای یکسان کردن فشار هوای داخل و خارج درایو :

با جدا کردن پوشش درایو بخش داخلی که بسیار ساده اما دقیق است را مشاهده می نمایید :

در این تصویر شما قسمت های زیر را می بینید :

– سینی ها : که با سرعتی معادل 3600 یا 7200 دور در دقیقه هنگام فعالیت درایو می چرخند. این سینی ها با قدرت تحمل بالا و بسیار صیقلی(همانطور که در تصویر مشاهده می نمایید ساخته می شوند)

– بازو : این بخش هد(head) خواندن – نوشتن را نگه می دارد و با ساز و کار خاصی در گوشه بالایی سمت چپ کنترل می گردد. بازو می تواند هدهای درایو را از گوشه ها به مرکز حرکت دهد. بازو و ساز و کار حرکت آن بسیار سریع و ظریف است. این بازو در درایو دیسک سخت معمولی می تواند 50 بار از مرکز به لبه ها و بلعکس در هر ثانیه حرکت کند(این یک چیز شگفت انگیز برای دیدن است)

بخش درونی : هدها و سینی ها

برای افزایس میزان اطلاعاتی که درایو ذخیره می کند اکثر دیسک های سخت حاوی چندید سینی هستند. این درایو شامل 6 سینی و 6 هد خواندن – نوشتن می باشد :

مکانیزمی که بازو را بر روی دسک سخت جابجا می کند باید سریع و دقیق باشد. این بازو با استفاده از موتور خطی  سریعی ساخته می شود.

اکثر درایو ها از روش voice coil(پیچک صدا) استفاده می کنند – همان روشی که برای حرکت دادن مخروط بلندگو در استریو ها استفاده می شود برای حرکت بازو نیز استفاده می شود.

ذخیره کردن داده

داده در سطح سینی در سکتورها و شیارها (sectors and tracks) ذخیره می شود به دوایر هم مرکز شیار و تیغه های بر روی شیارها سکتور گفته می شود. مانند شکل زیر :

شیار با رنگ زرد و سکتور با رنگ آبی مشخص شده است هر سکتور شامل تعداد مشخصی بایت داده می باشد – برای مثال 256 یا 512. در سطح درایو یا سیستم عامل ، سکتورها اغلب به درون خوشه ها(clusters) گروه بندی می شوند

هنگام فرمت کردن سطح پایین(Fdisk) ، درایو شیارها و سکتورها را روی سینی ایجاد می کند. نقاط آغازی و پایانی هر سکتور بر روی سینی نوشته می شوند. این روند درایو را برای نگهداری بلوک های بایت داده آماده می سازد. هنگام فرمت سطح بالا ساختارهای انبار فایل را مانند جدول تخصیص فایل بر روی سکتورها می نویسد این روند درایو را برای نگهداری فایلها آماده می سازد.

دیسک های سخت در سال 1950 اختراع شد. در ابتدا این دیسک ها قطری در حدود 20 اینچ(هر اینچ برابر 5/2 سانتیمتر است) داشتند. که تنها چند مگابایت از داده ها را نگهداری می کردند. آنها در اصل دیسکهای ثابت یا Winchesters (یک کلمه رمز که برای محصولات محبوب IBM قرار می گرفته است) نامیده می شدند. بعدها آنها یا نام دیسک سخت برای متمایز شدن از دیسک های نرم(floppy disks) معرفی شدند. دیسکهای سخت بر خلاف فیلمهای پلاستیکی قابل انعطافی که در نوار کاست و فلاپی قرار دارند حاوی سینی سختی برای نگهداری وسایل مغناطیسی هستند.
در ساده ترین سطح دیسکهای سخت تفاوتی با نوار کاست ندارند. دیسک سخت و نوار کاست هر 2 از تکنیک های ذخیره مغناطیسی مشابهی استفاده می کنند. دیسکهای سخت و نوارهای کاست همچنین دارای فواید ذخیره مغناطیسی هستند – وسایل مغناطیسی به راحتی قابل بازنویسی ، حذف و همچنین قادر به یادآوری الگوهای شار مغناطیسی که بر روی وسیله مغناطیسی ذخیره شده است برای چندین سال متوالی هستند.
در بخش بعد در مورد تفاوت های اصلی بین نوارهای کاست و دیسک های سخت بحث خواهیم کرد.