آشنایی با هارد دیسک (1)

هارد دیسک HDD، که پیش از این به عنوان دیسک گردان ثابت شناخته می شد) یک حافظه دائمی است که بطور دیجیتالی رمزنگاری شده و اطلاعات را روی سطح مغناطیسی دیسک های خود ذخیره می کند.
هارد دیسک ها در ابتدا برای استفاده در کنار کامپیوتر تولید شدند و بعد ها از آن ها در داخل کامپیوتر استفاده شد. با گذشت زمان کاربرد های هارددیسک از حیطه کامپیوتر فراتر رفت .بطوریکه در تجهیزات ضبط تصویر ،پخش صدا ، همچنین در سیستم ها و دوربین های دیجیتال مورد استفاده قرار گرفت . در سال ۲۰۰۵ اولین تلفن های همراه ِ دارای هارد دیسک توسط شرکت های نوکیا و سامسونگ ارائه شد. ایجاد نیاز به حافظه های بزرگ ، قبال اعتماد و مستقل ، منجر به تولید ساختارهایی همچون RAID ،سخت افزار هایی همچون NASحافظه های متصل به شبکه) و سیستم هایی همچون SAN شبکه های ذخیره اطلاعات) شد تا بتوان بطور موثر به حجم بالایی از اطلاعات دسترسی پیدا کرد.

● دیسکهای دایم H.D.D

با گذشت زمان، ظرفیت هارد دیسک ها رشد نمایی داشته است. در کامپوتر های شخصی ابتدایی یک درایو با ظرفیت ۲۰ مگابایت بزرگ به نظر می رسید. در نیمه دوم دهه ۹۰ ،هارد درایو هایی با ظرفیت یک گیگابایت و حتی بزرگتر به بازار آمد. از سال ۲۰۰۶ کوچکترین هارد دیسکی که برای کامپیوتر های خانگی تولید می شود ظرفیتی برابر ۴۰ گیگابایت دارد. اکنون بیشترین ظرفیت در درایو های داخلی ۰/۷۵ ترابایت(۷۵۰ گیگابایت) و در درایو های خارجی با استفاده ازچند درایو داخلی از یک ترابایت نیز فراتر میرود.
این درایو های داخلی ظرفیت ذخیره سازی خود را با استفاده از شیوه ضبط ستونی افزایش داده اند.

● آشنایی با تکنولوژی هارد دیسک Hard Disk Drive

هارد درایو ها با تحت میدان قرار دادنِ یکسری مواد مغناطیسی اطلاعات را درخود ضبط می کنند. و با تشخیص مغناطیس شدگی آن ماده اطلاعات را از روی آن می خوانند. طرح کلی یک هارد دیسک تشکیل شده از یک مخروط که یک یا چند صفحه مسطح و گرد را نگه می دارد ،اطلاعات بر روی این صفحات ذخیره می شوند. این صفحه ها از یک ماده غیر مغناطیسی( اغلب شیشه یا آلومینیوم) ساخته می شوند و با یک لایه نازک از مواد مغناطیسی روکش می شوند. در درایو های قدیمی از تری اکسید آهن به عنوان ماده مغناطیسی استفاده می شد اما امروزه از آلیاژهای کبالت پایه استفاده می کنند.
صفحات با سرعت های بالا به گردش در می آیند.اطلاعات در حین چرخش صفحات بر ری آنها نوشته می شوند.این کار توسط مکانیزمی با نامِ: هد خواندن/ نوشتن انجام می شود. این هد با فاصله بسیار کم بالای سطح مغناطیسی حرکت می کند. از این وسیله برای تشخیص و تغییر در وضعیت مغناطیس شدگیِ ماده زیر آن استفاده می شود. به ازای هر صفحه مغناطیسی بر روی مخروط ، یک هد وجود دارد که همه آنها بر روی یک بازوی مشترک سوار شده اند. همینطور که صفحات دوران می کنند یک بازوی محرک، هد ها را (به آرامی و با حرکت شعاعی ) روی یک مسیر قوس دار، بر روی صفحات به حرکت در می آورد.با اینکار به هر هد اجازه داده می شود که تقریبا به تمام سطح صفحهء در حال دوران دسترسی پیدا کندد.
سطح مغناطیسی هر صفحه به تعداد زیادی محدوده های کوچک مغناطیسی تقسیم می شود. (اندازه این محدوده ها در حد میکرون می باشد). هر کدام از این محدوده ها برای رمزنگاری یک واحد باینری اطلاعات مورد استفاده قرار می گیرند.در هارد درایو های امروزی ، هر یک از این محدوده های مغناطیسی از چند صد دانه مغناطیسی تشکیل شده اند. هر محدده مغناطیسی ، یک دوقطبی مغناطیسی را تشکیل می دهد که این دو قطبی ها یک حوزه مغناطیسی متمرکز را در نزدیکی خود ایجاد می کنند.
یک هد نوشتن، با ایجاد میدان مغناطیسی قوی در نزدیکی محدوده های مغناطیسی ، آن را تحت اثر خود قرار داده مغناطیس می کند. در هارد دیسک های اولیه برای خواندن اطلاعات از همان القاء کننده ای استفاده می شد که موقع نوشتن مورد استفاده قرار گرفته بود. اما با تکنولوژی جدید هد مخصوص نوشتن و هد مخصوص خواندن از هم جدا شده اند ، با این وجود هر دوی آنها روی یک بازوی محرک قرار دارند.
اغلب هارد درایو ها دارای یک پوشش محکم و کیپ هستند که از محتویات درایو در برابر جمع شدگی ،گرد و غبار و دیگر عوامل آلودگی محافظت می کند. هد خواندن / نوشتنِ هارد درایو بالای صفحات مغناطیسی و بر روی یک بالشتک هوا که ضخامتی در حد چند نانومتر دارد حرکت می کند. بنابراین سطوح صفحات و محتویات داخلی درایو باید پاک نگه داشته شوند تا با توجه به فاصله نانومتری بین صفحات و هد ،از صدمات ناشی از اثر انگشت ، غبار، مو، ذرات دود و غیره جلوگیری شود.
استفاده از صفحات صلب همچنین کیپ و عایق کردن هارد دیسک ، تولرانس بهتری را نسبت به فلاپی دیسک فراهم میکند.بنابراین هارد دیسک ها در مقایسه با فلاپی دیسک ها مقدار بیشتری اطلاعات را می توانند در خود ذخیره کنند. همچنین قابلیت دسترسی و انتقال اطلاعات در هارد دیسک ها سریع تر می باشد. در سال ۲۰۰۶ یک هارد دیسک باید بتواند بین ۸۰ تا ۷۵۰ مگابایت اطلاعات را در خود جای دهد، با سرعتی بین ۷۲۰۰ تا ۱۰۰۰۰ درو در دقیقه بچرخد و سرعت انتقال ترتیبی اطلاعات در آن باید بیشتر از ۵۰ مگابایت در هر ثانیه باشد. سریع ترین هارد درایوهای مربوط به سرور ها و ایستگاه های کاری با سرعتی معادل ۱۵۰۰۰ دور در دقیقه می چرخند و سرعت انتقال ترتیبی اطلاعات در آنها بالغ بر ۸۰مگابایت در هر ثانیه می باشد. هارد دیسک ها ی مربوط به نوت بوک ها که از نظر فیزیکی کوچکتر از نمونه های خانگی هستند، معمولا دارای سرعت و ظرفیت پایین تری میباشند. اغلب این هارد دیسک ها با سرعتی در حدود ۴۲۰۰ دور در دقیقه می چرخند. البته لازم به ذکر است که جدید ترین انواع این دسته هارددیسک ها دارای سرعتی معادل ۷۲۰۰ دور در دقیقه می باشند.

● تاریخچه دیسک دایم ؛ هارد دیسک Hard Disk Drive

برای سالها ، هارد دیسک ها تجهیزات بزرگ و سنگین بودند و به دلیل بزرگی ، سنگینی ، حساسیت بالا و مصرف زیاد انرژی ، بیشتر برای محیط های حفاظت شدهء یک مرکز اطلاعات یا دفاتر بزرگ مناسب بودند تا محیط های خشن و ناملایم صنعتی ،خانه ها یا دفاتر کوچک .
تا قبل از دهه ۸۰ میلادی اغلب هارد دیسک ها صفحات ۸ اینچی (۲۰ سانتی) یا ۱۴ اینچی( ۳۵) سانتی داشتند. و برای نگه داری آنها نیاز به فضای زیادی بود.( مخصوصا درایو های بزرگ قابل حمل و نقل (قابل نصب و برداشت) که به خاطر بزرگی به ماشین های لباسشویی معروف بودند). این گونه هارد درایو ها به علت داشتن موتور های بزرگ، به منبع تغذیه سه فاز و آمپراژ بالا نیاز داشتند. به همین دلیل تا سال ۱۹۸۰ برای میکروکامپیوتر ها از هارد دیسک استفاده نمی شد. تا اینکه در این سال شرکت seagate tecnology اولین هارد درایو ۵/۲۵ خود را با ظرفیت ۵ مگابایت تحت عنوان ST-۵۰۶ به بازار ارائه کرد. در واقع تا آن زمان کامپیوتر های شخصی اولیه IBM یعنی IBM۵۱۵۰ مجهز به هارد دیسک نبودند.
در اوایل دهه ۸۰ اغلب هارد دیسک های مربوط به میکرو کامپیوتر ها با نام تولید کننده خود به فروش نمی رسیدند بلکه به وسیله OEM ها به عنوان بخشی از یک مجموعه بزرگتر (مانند Corvus Disk System یا Apple proFile) فروخته می شدند. کامپیوتر های نوع IBM PC/XT دارای هارد دیسک داخلی بودند و این باعث ایجاد تمایل عمومی به خرید درایو های خام (از طریق پست) و نصب مستقیم آنها در داخل سیستم شد. سازندگان هارد دیسک شروع به بازاریابی کردندو بالاخره طولی نکشید که در اواسط دهه ۹۰ هارد دیسکها در قفسه مغازه های خرده فروش نیز قرار گرفتند.
هارد درایو های داخلی کم کم به یک گزینه رایج در کامپیوتر های PC تبدیل شدند و هارد درایو های خارجی محبوبیت خود را برای مدتها مخصوصا در بین انواع Apple Macintosh و انواع مشابه آن حفظ کردند. تمامی کامپیوتر های ساخت Mac بین سال های ۱۹۸۶ تا ۱۹۹۸ یک پورت SCSI در پشت خود داشتند که جداسازی خارجی را آسان می ساخت . به دلیل شرایط موجود، هارد درایو های خارجیSCSI تنها گزینه منطقی به نظر می رسیدند.
هارد درایو های خارجیSCSI همچنین در میکرو کامپیوتر های قدیمی تر مانند سری Apple II به کار می رفتند، همچنین از آنها حتی امروزه بطور گسترده ای در سرور ها استفاده می شود. ظهور رابط های پرسرعت خارجی مانند USB و Fire Wire در اواخر دهه ۹۰ ، به کاربرد درایو های خارجی در بین کاربران جانی دوباره داد.به طور اخص کاربرانی که حجم بالایی از اطلاعات را بین دو یا چند محل جا به جا می کردند از این سیستم استقبال کردند. امروزه اغلب تولید کننده گان هارد دیسک ، دیسک های خود را به صورت خارجی نیز می سازند.

● خصوصیات هارد دیسک Hard Disk H.D.D

▪ ظرفیت معمولا با گیگابایت بیان می شود.
▪ اندازه فیزیکی معمولا با اینچ بیان می شود:
امروزه تقریبا تمام هارد دیسک هایی که در کامپیوتر های رومیزی (خانگی - اداری) و نوت بوک ها استفاده می شوند ، ۳/۵ یا ۲/۵ اینچی هستند. هارد دیسک های ۲/۵ اینچی معمولا کند تر هستند و حجم کمتری نیز دارند اما در عوض برق کمتری مصرف می کنند و مقاومت به ضربه و تکان در آنها بیشتر است. اندازه دیگری که استفاده از آن بطور فزاینده ای در حال رشد است نوع ۱/۸ اینچی می باشد که درmp۳ player ها و نوت بوک های کوچک مورد استفاده قرار می گیرد.این نوع از هارد درایو ها مصرف انرژی بسیار پایینی دارند ودر مقابل ضربه بسیار مقاوم می باشند.
علاوه بر موارد مذکور انواع دیگری نیز موجود می باشندکه در ادامه به توضیح آنها پرداخته می شود:
نوع یک اینچی که طوری طراحی شده اند تا با ابعاد کانال های فیبری نوع دوم(FC Type II) جور باشند. از این نوع هاردیسک در تجهیزات قابل حمل و نقل از جمله دوربین های دیجیتال نیز استفاده می شود. همچنین نوع ۰/۸۵ اینچی نیزتوسط شرکت توشیبا جهت استفاده در گوشی های تلفن همراه و کاربرد های مشابه آن ساخته شده است. طراحی سایز هاردیسک ها کمی گیج کننده است ، به عنوان مثال یک دیسک درایو ۳/۵ اینچی دارای کیسی با پهنای ۴ اینچ می باشد. علاوه بر این هاردیسک های مخصوص سرور در دو اندازه ۳/۵ و ۲/۵ اینچی تولید می شوند.
▪ قبلیت اعتماد، با واحد (MTBF) یا فاصله زمانی بین خطاها سنجیده می شود.
▪ درایو های ۱ ایچی ساتا (SATA) سرعت هایی تا حدود ۱۰۰۰۰ دور در دقیقه را ساپورت می کنند . و دارای MTBF برابر با یک ملیون ساعت با چرخه فعالیت سبک ۸ ساعته می باشند. درایو های FC قابلیت چرخیدن با سرعت ۱۵۰۰۰ دور در دقیقه را دارا هستند و MTBF آنها برابر با ۱/۴ ملیون ساعت با ۲۴چرخه فعالیت ساعت ۲۴ ساعته می باشد.
▪ تعداد فعالیت های ورودی خروجی در هر ثانیه:
▪ دیسک های جدید در هر ثانیه قادرند ۵۰ دسترسی اتفاقی و یا ۱۰۰ دسترسی ترتیبی را برآورده سازند.
▪ مصرف انرژی( این موضوع به خصوص در رابطه با لب تاپ هایی که از باطری استفاده می کنند حائز اهمیت می باشد).
▪ شدت صدا و نویز تولید شده بر حسب دسی بل (db).( البته بسیاری افراد آن را برحسب بل می سنجند نه دسی بل.)
▪ میزان G Shock ( که در درایو های جدید بسیار بالا می باشد)
▪ سرعت انتقال اطلاعات:
▪ درایو های داخلی : از ۴۴/۲ تا ۷۴/۵ مگابایت در هر ثانیه.
▪ درایو های خارجی: از ۷۴ تا ۱۱۱/۴ مگابایت در هر ثانیه.
▪ سرعت دسترسی تصادفی : از ۵ تا ۱۵ میلی ثانیه.

● سنجش ظرفیت دیسکت سخت – هارد دیسک Hdd

تولید کنندگان هارد درایو معمولا ظرفیت درایو را با استفاده از پیشوندهای SI مشخص می کنند. پیشوند های گیگا و مگا از این دسته اند. تاریخچه این نام گذاری به زمانی بر میگردد که ظرفیت ذخیره سازی از مرز ملیون بایت فراتر رفت . یعنی بسیار قبل تر از پیشوند های استاندارد باینری ( حتی قبل از اینکه پیشوند های SI درسال ۱۹۶۰ ایجاد شوند.)
IEC در سال ۱۹۹۹ ، پیشوند های باینری را استاندارد کرد. بعد از آن بسیاری از دست اندر کاران تولید کامپیوتر و نیمه رساناها عبارت کبلو بایت را برای ۱۰۲۴ بایت پذیرفتند. دلیل پذیرش عبارت مذکور این بود که عدد ۱۰۲۴ به اندازه کافی به پیشوند کیلو(۱۰۰۰) نزدیک بود. بعضی مواقع این استاندارد غیر SI یک توصیف کننده نیز به همراه خود داشت،مثلا: ۱ KB = ۱۰۲۴ Bytes . اما این توصیف کننده، به خصوص در بین بازاریان کم کم حذف شد. این روند به تدریج تبدیل به عادت شد و به دنبال آن پیشوندهای مگا ، گیگا،ترا و حتی پتا نیز مورد استفاده قرار گرفتند.
سیستم های عامل و نرم افزار های کاربردی آنها ( به ویژه سیستم عامل های گرافیکی مثل مایکروسافت ویندوز اغلب ظرفیت را با پیشوند های باینری بیان می کردند. و همین امر باعث شد تا بین ظرفیت اعلام شده از طرف تولید کنندگان و ظرفیت گزارش شده توسط سیتم های عامل اختلاف ایجاد شود. این اختلاف مخصوصا در مورد هارد درایو های با ظرفیت چندین گیگابایت بیشتر به چشم می آمد. کاربران اغلب متوجه می شدند که ظرفیت گزارش شده توسط سیستم عامل بسیار کمتر از ظرفیت اعلام شده توسط تولید کننده است . به عنوان مثال مایکروسافت ویندوز ۲۰۰۰ ، ظرفیت درایو را درسیستم دسیمال (ده دهی) با ۱۲ رقم و در سیتم باینری با ۳ رقم بیان میکرد. بنابر این هارد درایوی که ظرفیت آن توسط تولید کننده ۳۰ گیگابایت اعلام شده بود، توسط ویندوز، ۳۰۰۶۵۰۹۸۵۶۸ بایت یا ۲۸ گیگابایت گزارش می شد. تولید کنندگان هارد درایو از اصطلاح گیگا (۱۰ به توان ۹) در سیتم SI استفاده می کردنند که تقریب خوبی برای گیگا بایت به حساب می آمد.ولی سیتم عامل ها گیگابایت را۳۰^۲ ، یعنی ۱۰۷۳۷۴۱۸۲۴ بایت تعریف می کردند.بنابراین ظرفیت گزارش شده توسط سیستم عامل بیشتر نزدیک به ۲۸ گیگابایت بود.به همین علت بسیاری از نرم افزار ها که ظرفیت را گزارش می دادند شروع به استفاده از پیشوند های استاندارد IEC کردند. مثلا KiB ، MiB و GiB.
بسیاری افراد اشتباها اختلاف در گزارش ظرفیت را به فضای اختصاص داده شده به اطلاعات مربوط به پارتیشن بندی و فایل های سیستم، نسبت می دهند.اما حتی برای فایل سیستم های بسیار بزرگ (چند GiB) ، فضای مرد نیاز از چند MiB تجاوز نمی کند.بنابراین فرضیه نمی تواند توجیه قانع کننده ای برای گم شدن ده ها گیگابایت باشد.
ظرفیت یک هارد دیسک را می توان با استفاده از رابطه زیرمحاسبه کرد:
ظرفیت هارد درایو= تعداد سیلندر ها× تعداد هد ها × تعداد سکتور ها ×۵۱۲

● جامعیت:

در حین حرکت دیسک ،سیستم مخروط هارد دیسک به کمک فشار هوای داخل محفظه درایو، هد ها را در ارتفاع مناسبی از صفحه های مغناطیسی قرار می دهد. برای اینکه یک هارد درایو به خوبی کارکند به مقدار معینی فشار هوا نیاز دارد. ارتباط با محیط خارج و فشار اتمسفر از طریق یک سوراخ کوچک(تقریبا به قطر ۱/۲ میلیمتر) که روی درپوش قرار دارد میسر می شود.که معمولا یک فیلتر کربنی از داخل روی آن را پوشانده(فیلتر تنفسی). اگر فشار هوا خیلی پایین باشدهد ها به اندازه کافی از جای خود بلند نمی شوند و در ارتفاع مناسبی قرار نمی گیرند و خطر برخورد هد ها با صفحه و از دست رفتن اطلاعات وجود دارد. برای کارکرد در ارتفاع زیاد(۳۰۰۰ متر) به درایو های عایق و تنظیم فشار شده نیاز داریم. بدین منظور درایو های جدید دارای سنسور های دما هستند تا بتوانند فعالیت خود را با محیط اطرافشان تطبیق دهند.
مجاورت با رطوبت بالا برای مدت زمان طولانی باعث ایجاد خوردگی در هد ها و دیسک ها می شود. اگر درایو برای قرار دادن هد های خود بر روی صفحات از تکنولوژی کلید های قطع و وصل تماسی(CSS ) استفاده کند ، رطوبت افزایش یافته و باعث افزایش تمایل چسبندگی هدها به صفحات مغناطیسی می گردد.این پدیده ممکن است منجر به وارد آمدن صدمات فیزیکی به دیسک و موتور شود همچنین ممکن است باعث برخورد هد با صفحات مغناطیسی گردد.
سوراخ های تنفس بر روی تمام هارد درایو ها دیده می شوند و معمولا در کنار خود یک برچسب هشدار دهنده دارند که به کاربر هشدار می دهد که این سوراخ ها را نپوشاند. هوای داخل درایو در حال کار ،پیوسته در حال حرکت است . هوا بر اثر اصطکاک با صفحات در حال چرخش دیسک به حرکت در می آید. این هوا از یک فیلتر داخلی عبور داده می شود تا از هرگونه آلودگی ناشی از فرآیند تولید ،ذرات یا مواد شیمیایی که به نحوی داخل محفظه شده اند و ذراتی که در حین کارِ درایو ایجاد شده اند پاک شود.
با توجه به فاصله بسیار کم بین هدها و صفحات ، هرگونه آلودگی روی آنها منجر به برخود هد با صفحه مغناطیسی خواهد شد.هد پس از برخورد با صفحه آن را می خراشد و لایه نازک مغناطیسی آن را از بین می برد. در مورد هد های بزرگ مقاومتی مغناطیسی(GMR) وجود آلودگی های بسیار کم (که حتی باعث خراشیده شدن صفحات نمی شوند) به علت ایجاد اصطکاک با سطح صفحات منجر به داغ شدن بیش از حد هد می گردند . گرم شدن بش از حد هد موجب می گردد که اطلاعات بطور موقت یعنی تا زمانی که هد دمای نرمال خود را بدست بیاورد غیر قابل خواندن شوند. این عارضه را که نامیزانی حرارتی نامیده می شود می توان به وسیله فیلتر کردن الکترونیکی سیگنال خوانده شده بر طرف کرد. علاوه بر مورد ذکر شده موراد دیگری نیز می توانند به برخورد هد با صفحات مناطیسی منجر شوند از جمله: خطاهای الکترونیک، ضربه های فیزیکی ، فرسودگی ،خوردگی و تولید نامناسب هد ها یا صفحات.
در اغلب درایو های سرور وقتی سیستم خاموش می شود هد ها در منطقه ای که منطقه ی فرود نامیده می شود قرار می گیرند . منطقه فرود محدوده ای از دیسک است که اطلاعات در آنجا ذخیره نمی شود و معمولا نزدیک مرکز صفحه قرار دارد. به این منطقه CSS نیز گفته می شود( منطقه شروع و توقف تماسی). اما در مدل های قدیمی هارد درایو توقف های ناگهانی و خطاهای منبع تغذیه در برخی موارد باعث می شد که هد ها بر روی محدوده های ذخیره اطلاعات فرود بیایند که خطر از دست رفتن اطلاعات را افزایش می داد. در واقع قبلا باید طی فرآیندی هد ها از روی دیسک کنار رفته و به اصطلاح پارک می شدند و بعد سیستم خاموش می شد. در درایو های جدید ، هنگام قطع ناگهانی برق از فنر های خاصی(در ابتدا) و یا از نیروی گریز از مرکز و اینرسی چرخشی صفحات برای پارک کردن هد ها استفاده می شود.
قطعات الکترونیکی هارد درایو حرکات بازوی محرک و چرخش دیسک را کنترل می کنند. و با توجه به دستوری که از کنترل گر دیسک دریافت می کنند ،امکان خواندن ونوشتن بر روی دیسک را فراهم می سازند . لخت افزار های درایو های جدید(لخت افزار ترکیبی است از سخت افزار و نرم افزار )قادرند که فرآیند خواندن /نوشتن بر روی دیسک را برنامه ریزی کرده و سکتور هایی را که دچار خطا شده اند اصلاح نمایند. همچنین امروزه اغلب هارد درایو ها و مادر بردها از تکنولوژی SMART برخوردارند. ( تکنولوژی کنترل ، تحلیل و گزارش اتومات ) . به وسیله این تکنولوژی خطا های احتمالی پیشبینی شده و به کاربر هشدار داده می شود تا از صدمه دیدن اطلاعات جلوگیری شود.

/خ