کنجکاوی

کنجکاوی: هارد دیسک چگونه کار می کند؟

هارد دیسک
نوشته شده توسط تیم تحریریه علمنا

در قسمت قبل از سری مطالب کنجکاوی به نحوه کار نوار های کاست (اینو میتونی به کنجکاوی قبلی لینک کنی) و اصول ذخیره سازی مغناطیسی اطلاعات پرداختیم. در این قسمت نیز قصد داریم به شرح عملکرد دستگاهی بپردازیم از همان اصول برای ذخیره سازی اطلاعات استفاده می کند بپردازیم. درایوهای دیسک سخت (Hard Disk Drive) یا به اختصار حافظه های HDD دستگاه هایی هستند که سال ها است برای ذخیره سازی داده ها و اطلاعات مورد استفاده قرار می گیرند. تقریبا هر کامپیوتر رومیزی و سرور دارای یک یا چند هارد دیسک می باشد. هر پردازنده مرکزی و سوپرکامپیوتر در حالت عادی به صدها عدد از این هارد دیسک متصل است. این تعداد انبوه از هارد دیسک ها یک کار را به خوبی انجام می دهند. آنها اطلاعات دیحیتال را به یک فرم تقریباً همیشگی ذخیره می کنند. آنها این توانایی را به کامپیوترها می دهند تا در هنگامی که برق می رود اطلاعات خود را بیاد بیاورند.
حال که پس از چند دهه کاربرد گسترده حافظه های HDD، در سال های اخیر موجودیت این حافظه ها توسط رقیب سر سخت، سریع و قدرتمندشان یعنی هارد های SSD (Solid State Drive) در حال تهدید شدن هستند به سراغ این تکنولوژی کهنه کار رفته ایم تا مروری بر نحوه عملکرد آن داشته باشیم.
هارد دیسک ها در دهه ۱۹۵۰ اختراع شدند. هارد دیسک ها در ابتدا نیم متر! ضخامت داشتند و تنها چند مگابایت اطلاعات را در خود ذخیره می کردند. در ابتدا به این دیسک ها، «دیسک های ثابت» (Fixed Disks) یا «وینچستر» (Winchesters) می گفتند؛ بعدها برای تمییز این دیسک ها از «فلاپی دیسک ها» نام هارد دیسک یا دیسک سخت بر روی آنها گذاشته شد چرا که بر خلاف فیلم های انعطاف پذیر پلاستیکی ای که در نوار کاست ها و فلاپی دیسک ها پیدا می شود، هارد دیسک ها از یک صفحه گرد سخت استفاده می کنند.
در سال های اخیر معمولا حافظه هایی که بر روی لپ تاپ ها و کامپیوترهای شخصی نصب می شود بیش از ۵۰۰ گیگابایت و گاهی تا چند ترابایت است. البته همانطور که پیش تر گفته شد منظور ما حافظه هایی از نوع HDD هستند چرا که حافظه های فلش یا SSD به علت قیمت بالاتر معمولا در مصارف شخصی از حجم های قابل ذخیره کمتری، استفاده می شود. در ساده ترین تعریف یک فایل به مجموعهای از بایت ها گفته می شود. در این بایت ها ممکن است کدهای اسکِی (ASCII Codes) کاراکترهای مربوط به یک نوشته ذخیره شده باشد، یا اینکه می توانند شامل دستورات یک برنامه نرم افزاری برای اجرا شدن توسط کامپیوتر باشند، یا اینکه می توانند شامل رنگ های پیکسل یک تصویر GIF باشند، هیچ فرقی نمی کند که در این بایت ها چه چیزی ذخیره شده است، هنگامی که یک برنامه در حال اجرا شدن است و تقاضای یک فایل را می کند، هارد دیسک بایت های آن را بازیابی می کند و آنها را به CPU می فرستد.
بهترین راه برای اینکه بفهمیم یک هارد دیسک چگونه کار می کند این است که نگاهی به درون آن داشته باشیم؛ (بخاطر بسپارید که باز کردن یک هارد دیسک باعث خرابی آن می شود، بنابراین این بخش چیزی نیست که شما بتوانید در خانه امتحان کنید مگر اینکه یک هارد از بین رفته داشته باشید.)
هارد دیسک در واقع یک جعبه آلومینیومی مهر و موم شده می باشد که مدارات الکترونیکی کنترل کننده بر روی آن ضمیمه شده است. کنترلر های الکترونیکی، سیستم خواندن/نوشتن و همچنین موتوری که صفحات را می چرخاند در این قسمت وجود دارند.

هارد دیسک

این مدارات الکترونیکی یک میدان مغناطیسی بر روی سطح دیسک در میان بایت ها (برای خواندن)، و یک میدان مغناطیسی نیز بر روی بایت ها، متفاوت با میدان اولی، ایجاد می کنند (برای نوشتن)، این اجزای الکترونیکی بر روی یک بورد کوچک جمع شده اند تا از دیگر اجزاء جدا شوند
در قسمت زیرین بورد اتصالات موتور چرخاننده صفحات قرار دارد و همچنین حفرهای فیلتر شده (برای جلوگیری از ورود گرد و غبار) برای یکسان کردن فشار هوای بیرون و درون هارد دیسک قرار دارد .
با برداشتن پوشش هارد دیسک قسمت درونی هارد دیسک آشکار می شود که بینهایت ساده ولی بسیار دقیق می باشد:

حافظه

قسمت هایی که در این تصویر مشاهده می کنیم:
– بشقاب ها (Platters): این صفحات معمولاً با سرعت ۳۶۰۰ تا ۷۲۰۰ دور در دقیقه (rpm) در هنگام فعالیت درایو می چرخند. این صفحات به شکلی ساخته شده اند تا تحمل این چرخش را داشته باشند، همچنین این صفحات بسیار صاف و صیقلی هستند. برای افزایش مقدار اطلاعاتی که درایو قادر است ذخیره کند اکثر هارد دیسک ها دارای سیستم چند بشقابی (Multi Platters) هستند:

هارد دیسک

بازوی متحرک (Arm): این قطعه هد خواندن/نوشتن را در بالای صفحات نگهداری می کند و به وسیله دستگاهی که در بالای صفحات قرار دارد کنترل می شود. بازو قادر است هدها را از مرکز تا لبۀ صفحات حرکت دهد. مکانیزم عمل بازو و دستگاه آن بسیار دقیق و سریع می باشد. یک بازو در یک هارد دیسک معمولی فاصلۀ بین مرکز تا لبۀ دیسکها را می تواند ۵۰ بار در ثانیه طی کند – دیدن این عمل از نزدیک حتماً شما را متحیر خواهد کرد!

اطلاعات بر روی سطح صفحات هارد دیسک در سکتورها و ترک ها ذخیره می شوند. ترک ها دوایر متحدالمرکز (رنگ زرد) هستند و سکتورها قطاع های جدا شده ای روی این سکتورها (رنگ آبی) هستند. یک سکتور تعداد ثابتی از بایت ها را در خود جای می دهد.

هارد دیسک

فرآیند شکل دهی سطح پایین (Low Level Formatting) ترک ها و سکتورهای صفحات یک هارد دیسک را ایجاد می کند. در این مرحله نقاط شروع و پایان سکتورها بر روی صفحات نوشته می شود. این مرحله درایو را آماده می کند تا بلوک هایی از بایت ها را در خود نگهداری کند. ساختار درایوها برای ذخیرۀ فایل ها در شکل دهی سطح بالا (High Level Formatting) صورت می گیرد. این فرآیند درایوها را برای نگهداری فایل ها آماده می کند.
در ادامه بیایید با هم نگاهی به تفاوت های نوار کاست و هارد دیسک داشته باشیم:
– ماده مغناطیسی که برای ذخیره سازی اطلاعات در کاست به کار می رود بر روی یک نوار نازک پلاستیکی روکش شده است، در حالی که در هارد دیسک، ماده مغناطیسی، روی یک صفحه آلومینیومی یا شیشه ای با دقت بالا، لایه بندی شده است، همچنین این صفحه به خوبی صیقل داده شده تا هر گونه ناهمواری از بین برود. در نوار کاست هِدِ خواندن/نوشتن (Read/Write Head) مستقیما با نوار در تماس است اما در یک هارد دیسک هد خواندن/نوشتن در بالای صفحه حرکت می کند و در حقیقت هیچ وقت با صفحه تماس نمی یابد.
– در یک نوار کاست شما برای اینکه به یک نقطه خاص دسترسی داشته باشید باید از دکمه های جلوبر (Fast-Forward) و معکوس (Reverse) استفاده کنید که این امر در یک نوار طولانی می تواند زمان زیادی بگیرد. این در حالی است که در یک هارد دیسک شما بطور تقریبی می توانید فورا به هر نقطه روی سطح دیسک دسترسی داشته باشید.
– در یک نوار کاست، نوار با سرعت تقریبی ۵ سانتیمتر در ثانیه از بالای هد حرکت می کند درحالی که در صفحه یک هارد دیسک می تواند با سرعتی بالغ بر ۷۶۰۰ سانتمتر بر ثانیه ( ۲۷۲ کیلومتر بر ساعت!) به گردش در آید.
– در یک هارد دیسک اطلاعات در دامنه های مغناطیسی بی نهایت کوچکی در مقایسه با نوار کاست ضبط می شوند. کوچک بودن این دامنه ها به علت دقت صفحه و سرعت هارد دیسک می باشد.
این تفاوت ها و قابلیت ها بود که باعث برتری مطلق HDD ها بر هر نوع ذخیره سازی اطلاعات بر روی نوارها شد. باید دید آیا تکنولوژی های جدید ذخیره سازی هم می توانند با همین قدرت، حافظه های HDD را به تاریخ بسپارند؟

درباره نویسنده

تیم تحریریه علمنا

دیدگاه شما چیست