دیسک های سخت (هارد دیسک) چگونه عمل می کنند؟

[آبجی]

تقریباً هر کامپیوتر رومیزی و سرورهایی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند دارای یک یا چند درایو دیسک سخت می باشد. هر Main Fram و سوپر کامپیوتر معمولاً به صدها درایو سخت متصل است. شما حتی می توانید دریابید که ابزار VCR و دوربین های ضبط فیلم هم به جای فیلم از درایو دیسک سخت استفاده می کنند.
میلیاردها دیسک سخت یک کار را خیلی خوب انجام می دهند. آن ها تغییرات اطلاعات دیجیتال را در یک شکل نسبتاً دائمی ذخیره می کنند. دیسک های سخت به کامپیوتر این امکان را می دهد که اطلاعات را هنگامی که برق قطع می شود، ذخیره کند.
در این مقاله درباره دیسک سخت (هارد) بحث خواهیم کرد بنابراین شما می توانید ببینید که درون آن چیست و همچنین یاد بگیرید که آن ها چگونه گیگا بایت ها اطلاعات را در فایل ها سازماندهی می کنند.
پایه های دیسک سخت

دیسک های سخت در سال 1950 اختراع شدند، آن ها در ابتدا دیسک هایی با قطر20 اینچ بودند که تنها چند مگابایت اطلاعات را در خود ذخیره می کردند. در ابتدای ظهور این دیسک ها Fixed Disc یا Winchester نامیده می شدند (یک نام رمز برای یک محصول رایج IBM ) بعدها این دیسک ها به Hard Disk ها (دیسک های سخت) معروف شدند تا از فلاپی دیسک ها متمایز شوند. دیسک های سخت یک Platter سخت دارند که یک ابزار مغناطیسی را به جای پلاستیک انعطاف پذیری که در نوارها و فلاپی ها استفاده می شود، در خود جای داده اند.
در ساده ترین سطح، یک دیسک سخت چیزی متفاوت از یک نوار کاست نیست. هم دیسک های سخت و هم نوارهای کاست هر دو از روش های ضبط مغناطیسی توصیف شده در مقاله چگونگی عملکرد ضبط کننده های نوار استفاده می کنند. دیسک های سخت و نوارهای کاست همچنین هر دور دارای محل ذخیره مغناطیسی می باشند. ابزار مغناطیسی به راحتی قابل پاک کردن و رایت مجدد می­باشند و همچنین الگوهای Flux مغناطیسی ذخیره شده بر روی این وسیله را به مدت سالیان متمادی به حافظه می سپارد.
در بخش بعد، درباره تفاوت های اصلی بین نوارهای کاست و دیسک های بحث خواهیم کرد.
نوار کاست در مقابل دیسک سخت:

بگذارید نگاهی به تفاوت های عمده بین نوارهای کاست و دیسک های سخت بیندازیم :

• ماده مغناطیسی ضبط در یک نوار کاست بر روی یک نوار پلاستیکی نازک کشیده شده است. در یک دیسک سخت این ماده مغناطیسی به صورت لایه ای بر روی یک آلومینیوم با دقت بالا یا یک دیسک شیشه ای پوشش داده می شود. سپس صفحه فلزی دیسک سخت پولیش داده می شود تا به صیقلی نظیر آینه برسد.
• با یک نوار، شما باید از عملکرد جلو رفتن سریع یا معکوس کردن جهت نوار استفاده کنید تا به نقطه خاصی از آهنگ برسید. در صورتیکه در دیسک سخت شما می توانید به صورت تقریباً فوری به هر نقطه ای از سطح دیسک حرکت کنید.
• در یک دک نوار کاست هد خواندن/ ضبط به طور مستقیم با نوار در تماس است. در یک دیسک سخت، هد خواندن/ ضبط در اطراف دیسک قرار دارد و هرگز به طور مستقیم با دیسک در تماس نیست.

نوار در یک دک نوار کاست در اطراف یک هد 2اینچ (تقریباً 08/5 سانتی متر) در هر ثانیه حرکت می کند. یک صفحه فلزی دیسک سخت می­تواند در زیر هد خود به اندازه 000/3 اینچ در هر ثانیه بچرخد. (تقریباً mph 171 یا kph 272)
اطلاعات موجود بر روی دیسک سخت در یک محدوده بسیار کوچک مغناطیسی در مقایسه با نوار کاست ذخیره می شوند.
اندزه این محدوده ها از طریق دقت Platter و سرعت وسیله ممکن می شود. به دلیل این تفاوت ها یک دیسک سخت مدرن قادر به ذخیره یک میزان بسیار بالایی از اطلاعات در یک فضای بسیار کوچک می باشد. یک دیسک سخت همچنین می تواند به هر یک از این اطلاعات در بخش ثانیه دستیابی پیدا کند.

[آبجی]

ظرفیت و عملکرد :

یک دستگاه رومیزی معمولی دارای یک دیسک سخت با ظرفیتی بین 10تا40 گیگا بایت می باشد. اطلاعات در شکل فایل ها بر روی دیسک سخت ذخیره می شوند. یک فایل مجموعه ای از بایت ها می باشد. این بایت ها باید برای حروف فایل متن دارای کدهای ASC II شوند یا باید دستورالعمل برنامه نرم افزاری برای کامپیوتر باشد همچنین می تواند رکورد یک مبنای اطلاعات باشد یا می توانند رنگ های پیکسلی برای یک تصویر GIF باشد.
فایل بدون توجه به اینکه چه محتوایی دارد، از رشته ای از بایت ها تشکیل شده است. هنگامی که یک برنامه در کامپیوتر در حال اجرا شدن است. ملزم به این می باشد که دیسک سخت بایت های آن را بازیابی کند و آن را یکباره به CPU ارسال کند.
دو روکش برای ارزیابی عملکرد دیسک سخت وجود دارد :

• نرخ اطلاعات- نرخ اطلاعات تعداد بایت ها در ثانیه می باشد که درایو می تواند به CPU تحویل دهد. سرعت بین 5 و 40مگا بایت در هر ثانیه معمول می باشد.
• زمان جستجو- زمانی بین زمان درخواست CPU برای یک فایل و زمان ارسال اولین بایت از فایل به CPU – زمانی بین 10تا20 میلی ثانیه معمول می باشد.

دیگر پارامتر مهم ظرفیت درایو می باشد که تعداد بایت ها در آن نگه داری می شود.
داخل دستگاه : برد الکترونیک :
بهترین روش برای آگاهی از چگونگی عملکرد دیسک سخت نگاه کردن به داخل آن می باشد. توجه داشته باشید که باز کردن یک دیسک سخت منجر به خرابی آن می شود، بنابراین این کار چیزی نیست که در خانه بتوانید انجام دهید مگر اینکه یک درایو خراب داشته باشید.
در زیر یک درایو دیسک سخت معمولی را می بینیم:

این قطعه، یک جعبه آلومینیومی مهر و موم شده با کنترل کننده الکترونیک که به کنار آن متصل است، می باشد. قطعات الکترونیک مکانیسم خواندن/ نوشتن/ و موتور که صفحه های فلزی را می چرخاند، کنترل می کند.
قطعات الکترونیک همچنین محدوده های مغنایسی موجود در درایو را به بایت ها ترجمه کنند و خواندن و بایت ها را به محدوده های مغناطیسی برمی گردانند (رایت کردن) قطعات الکترونیک همگی در یک برد کوچک که از بقیه درایو جدا هستند، وجود دارند.

داخل درایو : قسمت تحتانی

در قسمت تحتانی برد، اتصالاتی برای موتوری که صفحه فلزی را می چرخاند و همچنین حفره های تهویه فیلتر شده که فشار هوای داخلی و خارجی را متعادل می کند، وجود دارد.

با برداشتن درپوش درایو درمی یابیم که قسمت داخلی بسیار ساده اما دقیق می باشد :

در این تصویر می توانید موارد زیر را مشاهده کنید :
صفحات فلزی- این صفحات با سرعت 7200 یا 3600 دور در هر دقیقه به هنگام عملکرد درایو می چرخد. این صفحات فلزی برای بالا بردن مقاومت ساخته شده اند و دارای صیقل آینه ای می باشند. (چنان که شما می توانید چهره نویسنده را در آن ببینید و هیچ راهی برای جلوگیری از انعکاس تصویر در آن وجود ندارد)
اهرم- این قطعه هدهای Write/ Record (خواندن/ رایت کردن) را نگه داشته و از طریق مکانیسم موجود در گوشه سمت چپ بالایی کنترل می شود. این اهرم قادر به حرکت دادن هدها از مرکز به کناره درایو می باشد. اهرم و مکانیسم حرکت آن بسیار سبک و سریع است. اهرم موجود بر روی یک درایو دیسک سخت معمولی می تواند از مرکز به کناره و بالعکس به اندازه 50 بار در ثانیه حرکت کند.

[آبجی]

داخل دستگاه : صفحات فلزی و هدها :

به منظور افزایش ظرفیت ذخیره اطلاعات، بیشتر دیسک های سخت چندین صفحه فلزی دارند. این درایو سه صفحه فلزی و 6 هد رایت/ خواندن دارد.

مکانیسمی که بازوی موجود بر روی یک دیسک سخت را حرکت می دهد، باید بسیار سریع و دقیق باشد.
این مکانیسم با استفاده از یک موتور خطی سرعت بالا قابل ساختن می باشد.




بسیاری از درایوها از روش Voice Coil استفاده می کنند. مثل روش مشابهی که برای حرکت بلندگو بر روی استریوی شما استفاده می شود.





ذخیره اطلاعات

اطلاعات بر روی سطح صفحات فلزی به صورت Sector ها و Track ها ذخیره می شوند.
تراک ها دایره های متمرکز می باشند و Sector ها (بخش ها) مخروطی شکل بر روی تراک می باشند.
یک تراک معمولی به رنگ زرد نشان داده شده است و یک بخش معمولی به رنگ آبی نشان داده شده است. یک بخش شامل تعداد ثابتی از بایت ها مثلاً 256 یا 512 می باشد. هم در درایو و هم در سطح سیستم عامل بخش ها اغلب به یکدیگر متصل می­شوند و Clusters (خوشه ها) را بوجود می آورند.
فرآیند فرمت کردن سطح پایین یک درایو تراک ها و بخش ها را بر روی صفحات فلزی بوجود می آورد. نقاط آغاز و پایین هر بخش بر روی صفحه فلزی رایت می شود. این فرآیند درایو را برای نگه داشتن بلوک های بایت آماده سازی می کند. سپس فرمت کردن سطح بالا ساختارهای ذخیره فایل مثل جدول تخصیص فایل را بر روی بخش ها می نویسد. این فرآیند درایو را برای نگه داشتن فایل ها آماده می کند.
صدای چرخشی که از درایو هارد به هنگام بازیابی اطلاعات به گوش می رسد ناشی از چیست ؟
بر روی آیکون یک فایل صفحه گسترده دوبار کلیک کنید. این عمل ساده در بسیاری از کامپیوترها 20 تا30 ثانیه طول می کشد تا کامل شود و در تمام این مدت دیسک سخت حرکت می کند. لامپ دستیابی دیسک سخت چشمک می زند و در درایو یک صدای وزوز یا نویز شنیده می شود. در صورتیکه مکانیسم درایو صدای بلندی داشته باشد، مطمئن خواهید شد که عملکردی در حال انجام شدن است.
در مقاله چگونگی عملکرد دیسک های سخت می بینید که بازویی وجود دارد که هدهای خواندن/ نوشتن را نگه می دارد. این بازو می تواند هدها را به تراک در نزدیکی مرکز یا نزدیک کناره دیسک انتقال دهد.
یک دیسک سخت معمولی دارای قطری به اندازه 5 اینچ (5/12 سانتی متر) می باشد. بنابراین این بازو می تواند در حدود 2 اینچ در سطح دیسک حرکت کنند.
سرعتی که این بازو با آن حرکت می کند، شگفت انگیز است. این بازو بسیار سبک بوده و مکانیسم آن بسیار دقیق می باشد و در صورت لزوم می تواند بر روی سطح دیسک هزار بار در دقیقه حرکت کند.
در صورتیکه درباره عملکرد بلندگوها فکر کنید، خواهید فهمید که تفاوت زیادی بین آن و دیسک سخت وجود ندارد. یک بلندگو یک Cone سبک را هزار بار در ثانیه جلو و عقب می برد تا صدا تولید کند. هنگامیکه بازوی دیسک سخت به سرعت جلو و عقب می رود، لرزش هایی را به وجود می آورد که در نتیجه آن می توانیم صداها را بشنویم.
به چه دلیل وقتی بر روی فایل ساده صفحه گسترده کلیک می کنید، هدهای دیسک باید بسیار سریع حرکت کنند؟ سه دلیل برای تمام حرکت ها وجود دارد:

• برای شروع یک برنامه صفحه گسترده مثل اکسل، دیسک سخت باید برنامه را در راستای یک عدد DLL که آن برنامه را پشتیبانی می کند، بارگذاری نماید. اندازه کل تمام این فایل های متفاوت باید بین 10 تا20 مگابایت باشد. تمام فایل ها در تمام دیسک بخش شده اند. بارگذاری 20مگابایت اطلاعات میزان زیادی زمان می برد و ملزم به آن است که دیسک هزاران بار حرکت کند تا تمام اطلاعات را بازیابی نماید. فایل اطلاعات باید بارگذاری شود. سیستم عامل (OS) باید هد را به سمت دایرکتوری درایو حرکت دهد تا فولدر را پیدا کند، اطمینان حاصل نمایدکه نام فایل موجود می باشد و سپس محل فایل را کشف کند. سپس سیستم عامل نیاز به تعداد بسیار زیادی از تراک های پخش شده در تمام درایو برای دسترسی به فایل دارد.
• در صورتیکه RAM پر باشد، سیستم عامل در حین بارگذاری باید قسمت هایی از حافظه RAM فیزیکی را برداشته و آن ها را بر روی فایل صفحه بندی دیسک ذخیره کند.

بنابراین هنگامی که سیستم عامل در حال بارگذاری برنامه صفحه گسترده و تمام DLL ها و فایل اطلاعات می باشد، در آن واحد سعی در رایت میلیون ها بایت از اطلاعات بر روی فایل صفحه بندی برای ساختن محلی برای برنامه جدید می باشد.
هد درایو در تمام سطح دیسک حرکت می کند تا این عملکردهای همزمان را انجام دهد.
در کل کلیک کردن بر روی یک آیکون ساده می تواند به حرکت40 یا50 مگا بایت اطلاعات بین درایو و RAM منجر شود و همچنین سبب تغییر محل هزاران بارۀ هدهای دیسک در یک فرآیند شود. به همین دلیل است که شما صدای چرخش را می شنوید.