دیسک سخت: مبانی، راهنمای خرید، معرفی محصول
قسمت اول
اصل اساسی حاکم بر داده هایی که بطور دائمی در کامپیوتر ذخیره می گردند، مغناطیس است. داده های باینری یا همان صفر و یک ها، به صورت یک الگوی مغناطیسی روی سطح فلزی دیسک، ذخیره می گردند. در واقع درک مکانیسم ذخیره سازی مغناطیسی غالباً برای مردم دشوار است زیرا حوزه های مغناطیسی برای چشم انسان قابل مشاهده نیستند.
بهر حال ما قصد داریم نگاهی کلی اما دقیق به مبانی فناوری دیسک سخت داشته باشیم که فکر می کنیم این اطلاعات پایه قضاوت مناسب در انتخاب و خرید دیسک را در هر کاربرد معین در اختیار شما قرار می دهد. در ابتدا نگاه مختصری به تاریخچه این فناوری خواهیم داشت و سپس با ورود به بحث فیزیک حاکم بر این پدیده، زمینه را برای معرفی تکنولوژی های روز فراهم خواهیم نمود.
البته انتخاب یک دیسک سخت خوب کار آسانی است. هیتاچی، سامسونگ، سی گیت، توشیبا (فقط درایوهای نوت بوک ) و وسترن دیجیتال به لحاظ قیمت و کارایی، در رقابتی تنگاتنگ با یکدیگر حرکت می کنند. در حوزه ی دیسک های سخت، پارامتر قابلیت سازگاری، مطرح نیست. هارد درایوها، دستگاه های Plug-and-Play هستند. و کاملاً با دستگاه های مشابه از شرکت های دیگر سازگار بوده و قابلیت همزیستی دارند. اما در همین ابتدا قبل ورود به بحثی طولانی اجازه بدهید چند نکته را در مورد انتخاب دیسک سخت متذکر شویم.
چند نکته قابل ذکر، هنگام انتخاب دیسک سخت:
اگرچه همواره این تمایل وجود دارد که درایوهایی با بالاترین ظرفیت را بخریم، اما واقعیت این است که قیمت فضای ذخیره سازی در درایوهای دارای بالاترین ظرفیت، به ازای هر گیگابایت فضا از درایوهای موجود در طیف میانی، بالاتر است و در ضمن، پرظرفیت ترین درایوها، معمولاً کندتر از درایوهای midrange هستند.
در صورتیکه تفاوت قیمت فاحشی وجود ندارد، مدلی را انتخاب کنید که بافر/کاشه ی بزرگتری داشته باشد. بعضی درایوها در نسخه های مجزایی ارائه می شوند که تفاوت آن ها در اندازه بافر است. یک مدل، ممکن است 16 مگابایت و دیگری 32 مگابایت بافر داشته باشد. پرداختن پول بیشتر (البته فقط اندکی )، برای دستیابی به مدلی با بافر بزرگتر، حتماً بهتر خواهد بود.
در ادامه مقاله کمی در مورد کابل های توان و داده مورد استفاده توسط درایوهای SATA و PATA صحبت خواهیم نمود.
کابل های توان PATA و SATA
یک یا چند دیسک سخت PATA یا سایر انواع درایوهای ATA/IDE می توانند به یک کابل داده واحد متصل شوند.
برندهای قابل توصیه در حوزه دیسک سخت
سامسونگ نسبت به سی گیت و وسترن دیجیتال، طیف کوچک تری از هارد درایوها را تولید می کند، اما همین مدل های عرضه شده، کاملاً در سطحی رقابتی با مدل های متناظر خود از سی گیت و وسترن دیجیتال هستند. حال برای ارائه یک بحث کامل در حوزه دیسک سخت، به مبانی آن خواهیم پرداخت و طبعاً هر بحثی در مورد مبانی یک فناوری اشاره ای به تاریخچه آن نیز خواهد داشت.
تاریخچه ذخیره سازی مغناطیسی
پیش از معرفی ایده ی ذخیره سازی مغناطیسی داده ها در کامپیوتر ها، از کارت های پانچ به عنوان رسانه ذخیره سازی اصلی استفاده می گردید.
این دسترس پذیری تصادفی، تأثیر عمیقی بر عملکرد کامپیوترها در آن زمان داشت و به داده ها امکان می داد تا با سرعت بسیار بیشتری نسبت به نوار مغناطیسی، ذخیره یا بازیابی شوند.
از این نقطه آغازین تا کنون (در طی یک دوره 55 ساله)، صنعت ذخیره سازی مغناطیسی روی دیسک، تا حدی پیشرفت کرده است که امروزه شما می توانید 4 ترابایت داده را بر روی درایوهای کوچک 3/5 اینچی ذخیره کنید که در داخل یک درگاه درایو واحد در کامپیوتر شما جای می گیرند.
سهم IBM در تاریخچه و توسعه ذخیره سازی مغناطیسی، غیرقابل تصور است. در واقع، اکثر پیشرفت ها در این حوزه، مستقیماً توسط IBM بدست آمده و یا نتیجه تحقیقات IBM هستند. IBM نه تنها ذخیره سازی نوار مغناطیسی کامپیوتری و همچنین درایو دیسک سخت را ابداع کرده، بلکه داریو فلاپی نیز از ابداعات مهندسین این شرکت به حساب می آید.
از آن زمان به بعد، IBM پیشگام شیوه های پیشرفته کد گذاری مغناطیسی داده ها نظیر (MFM (Modified Frequency Modulation و (RLL (Run Length Limited، طراحی های هد درایو نظیر هدهای:
*(Thin Film، MR(Frequency Modulation
*(GMR (giant magneto-resistive
*و فن آوری های درایو نظیر (PRML(Partial Response Maximum Likelihood
*ضبط NO-ID
*(S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology بوده است .
فیزیک حاکم بر ذخیره سازی مغناطیسی
الکترومغناطیس در سال 1819توسط یک فیزیکدان دانمارکی به نام هانس کریستین اورستد کشف گردید. وی در پژوهش های خود دریافت که عقربه قطب نما با نزدیک شدن به یک سیم حامل جریان الکتریکی، از نقطه شمال دور می شود. هنگامی که جریان قطع می شد، عقربه قطب نما مجدداً با میدان مغناطیسی زمین همراستا شده و شمال را نشان می داد. میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک سیم رسانا، می تواند بر مواد مغناطیسی داخل میدان خود، تأثیر بگذارد. هنگامی که امتداد جریان الکتریکی و یا قطبیت (Polarity) آن معکوس می شود، قطبیت میدان مغناطیسی نیز معکوس می گردد.
برای مثال، یک موتور الکتریکی از خاصیت الکترومغناطیسی برای اعمال نیروی فشار و کشش بر روی مغناطیس های متصل به یک محور دوار استفاده می کند.
تاثیر دیگر خاصیت الکترو مغناطیسی، در سال 1831توسط مایکل فارادی کشف شد. او متوجه شد که اگر یک رسانا از میان یک میدان مغناطیسی در حال حرکت عبور کند، یک جریان الکتریکی تولید می شود. با تغییر قطبیت میدان مغناطیسی، امتداد حرکت جریان الکتریکی نیز تغییر می کند.
برای مثال، یک دینام (Alternator) که نوعی تولید کننده الکتریسیته مورد استفاده در اتومبیل ها است، با چرخش آهنرباهای الکتریکی بر روی محوری که با حلقه هایی از سیم های رسانای ثابت پوشانده شده است، کار می کند و در نتیجه، مقدار قابل توجهی جریان الکتریکی در آن سیم ها ایجاد می گردد. از آنجایی که الکترومغناطیس در هر دو مسیر کار می کند، یک موتور الکتریکی می تواند به یک ژنراتور تبدیل شده و یک ژنراتور نیز می تواند به یک موتورالکتریکی تبدیل گردد. این عملکرد دو طرفه الکترومغناطیسی، هنگامی که در ابزارهای ذخیره سازی مغناطیسی اعمال می شود، امکان ضبط داده ها بر روی یک دیسک و خواندن همان داده ها در مراجعات بعدی را امکان پذیر می سازد. در هنگام ضبط، پالس های الکتریکی توسط هد به میدان های مغناطیسی تبدیل می شوند و در هنگام خواندن، میدان های مغناطیسی توسط هد مجدداً به پالس های الکتریکی تبدیل می شوند.
هدهای Read/Write در یک ابزار ذخیره سازی مغناطیسی، قطعات U شکلی از مواد رسانا هستند که در آن ها، دو انتهای U، مستقیماً بر روی (یا در مجاورت) سطح رسانا واقعی ذخیره سازی داده ها قرار گرفته است. هد U شکل، با حلقه ها و یا مارپیچی از سیم رسانا پوشانده شده است که جریان الکتریکی از آن عبور می کند(شکل [7]).
وقتی مدار منطقی درایو، یک جریان را از این سیم پیچ ها عبور می دهد، یک میدان مغناطیسی را در هد درایو بوجود می آورد. معکوس نمودن قطبیت جریان الکتریکی، باعث می شود تا قطبیت میدان ایجاد شده نیز تغییر نماید. در نتیجه، هدها به آهنرباهای الکتریکی تبدیل می شوند که ولتاژ می تواند قطبیت آن ها را با سرعت بسیار زیادی تغییر دهد.
هنگامی که یک هد Read/Write یک میدان مغناطیسی را ایجاد می کند، این میدان در شکاف مابین دو انتهای شکل U جهش می کند. از آنجایی که یک میدان مغناطیسی از یک رسانا، بسیار آسان تر از هوا عبور می کند، میدان مغناطیسی به سمت خارج از شکاف هد خم شده و عملاً از رسانه ذخیره سازی مجاور آن بعنوان مسیری با کمترین میزان مقاومت به سمت دیگر شکاف، استفاده می کند. هنگامی که میدان مغناطیسی مستقیماً در زیر شکاف از رسانه ذخیره سازی عبور می کند، قطبیت ذرات مغناطیسی که از آن ها عبور می کند را بصورتی تغییر می دهد که با میدان همراستا شوند. قطبیت یا امتداد میدان و در نتیجه قطبیت یا امتداد میدان القاء شده در رسانه مغناطیسی، مبتنی بر جهت جریان الکتریکی است که از سیم پیچ ها عبور می کند.
یک تغییر در امتداد حرکت جریان الکتریکی، باعث تغییر امتداد میدان مغناطیسی می شود. در طول توسعه ذخیره سازی مغناطیسی، فاصله مابین هدRead/Write و رسانه مغناطیسی بطور چشمگیری کاهش یافته است. این ویژگی، امکان کوچکتر شدن شکاف هد را بوجود آورده و در نتیجه، اندازه ناحیه مغناطیسی ضبط شده را نیز کاهش داده است. هر چند ناحیه مغناطیسی ضبط شده کوچکتر باشد، چگالی داده های ذخیره شده بر روی درایو افزایش می یابد.
هنگامی که میدان مغناطیسی از رسانه عبور می کند. ذرات در ناحیه زیر شکاف هد در همان امتدادی که میدان از شکاف ساطع می شود، همتراز می گردند. هنگامی که نواحی مغناطیسی جداگانه ای از ذرات بصورت همراستا در می آیند، دیگر یگدیگر را خنثی نمی کنند و یک میدان مغناطیسی قابل مشاهده در آن منطقه از رسانه بوجود می آید. این میدان محلی، توسط تعداد بسیار زیادی از ذرات مغناطیسی ایجاد می شود که اکنون بصورت یک تیم برای ایجاد یک میدان القائی قابل تسخیص با یک امتداد یکپارچه، عمل می کنند.
عبارت شار (Flux)، یک میدان مغناطیسی را تشریح می کند که دارای یک امتداد یا قطبیت خاص است. هنگامی که سطح رسانه، در زیر هد درایو حرکت می کند. هد می تواند چیزی تحت عنوان شار مغناطیسی با یک قطبیت معین را بر روی ناحیه خاصی از رسانه ذخیره سازی ایجاد نماید. هنگامی که امتداد حرکت جریان الکتریکی عبور کننده از سیم پیچ داخل هد، معکوس می شود، شار یا قطبیت میدان مغناطیسی در شکاف هد نیز معکوس می شود. این معکوس شدن شار در هد، باعث می شود تا قطبیت ذرات مغناطیسی شده بر روی رسانه دیسک نیز معکوس گردد.
معکوس شدن شار یا انتقال شار، یک تغییر در قطبیت ذرات مغناطیسی همتراز بر روی سطح رسانه ذخیره سازی است. هد یک درایو، تغییرات شار را بر روی رسانه ایجاد می کند تا داده ها را ضبط نماید. برای هر بیت از داده هایی که بر روی درایو نوشته می شوند، یک الگو از تغییرات شار"مثبت به منفی" یا "منفی به مثبت" در ناحیه خاصی بر روی رسانه که سلول های بیت یا سلول های انتقال نامیده می شوند، ایجاد می گردد. یک سلول بیت، ناحیه خاصی از رسانه است که توسط زمان و سرعت جابجائی رسانه کنترل می شود کنترل می شود و هد درایو، تغییرات شار را در آن ایجاد می کند. الگوی خاص تغییرات شار در داخل سلول های بیت که برای ذخیره سازی یک بیت معین از داده ها مورد استفاده قرار می گیرد، شیوه کد گذاری نامیده می شود. واحد منطقی یا کنترلر درایو، داده هایی که باید ذخیره شوند را دریافت نموده و آن ها را بر حسب الگوی دیکته شده توسط شیوه کد گذاری مورد استفاده خود، بصورت مجموعه ای از تغییرات شار بر روی یک دوره زمانی، کد گذاری می نماید.
دو نمونه از متداول ترین شیو های کد گذاری برای رسانه های مغناطیسی، عبارتند از (MFM (Modified Freqency Modulation و (RLL (Run Length Limited. تمام درایوهای دیسک فلاپی و برخی از مدل های قدیمی تر درایو دیسک سخت، از شیوه MFM استفاده می کنند. درایوهای دیسک سخت امروزی، یکی از گونه های متنوع مبتنی بر شیوه کد گذاری RLL را مورد استفاده قرار می دهند. در طول فرآیند "نوشتن"، ولتاژ بر روی هد اعمال می شود. با تغییر قطبیت ولتاژ، قطبیت میدان مغناطیسی ضبط شده نیز تغییر می کند. انتقالات شارژ، دقیقاً در نقاطی نوشته می شوند که قطبیت ضبط در آن ها تغییر می کند. نکته عجیب این است که در طول فرآیند خواندن، یک هد دقیقاً همان سیگنالی که نوشته شده بود را ایجاد نمی کند.
در مقابل، هد تنها زمانی یک پالس یا ضربه ولتاژ را ایجاد می کند که از یک انتقال شار عبور نماید. هنگامی که انتقال از مثبت به منفی تغییر می کند، پالسی که هد تشخیص می دهد، یک ولتاژ منفی است. هنگامی که انتقال از منفی به مثبت تغییر می کند، پالس یک ضربه ولتاژ مثبت خواهد بود. دلیل وقوع این تأثیر آن است که جریان تنها زمانی در یک رسانا ایجاد می شود که با یک زاویه از میان خطوط نیروی مغناطیسی عبور کند. از آنجایی که هد بطور موازی با میدان مغناطیسی که بر روی رسانه ایجاد کرده است حرکت می کند، تنها زمانی ولتاژ تولید می کند که در حال عبور از یک انتقال شار یا قطبیت (معکوس شدن شار) است.
شما می توانید الگوی نوشتن را بصورت یک شکل موج مربعی در نظر بگیرید که در یک سطح ولتاژ مثبت یا منفی قرار دارد. هنگامی که ولتاژ مثبت است، یک میدان در هد ایجاد می شود که رسانه مغناطیسی را در یک امتداد قطبی می کند. هنگامی که ولتاژ منفی می شود، امتداد میدان مغناطیسی القاء شده در رسانه نیز تغییر می کند. هرجا که شکل موج عملاً از ولتاژ مثبت به ولتاژ منفی (یا بر عکس) انتقال می یابد، قطبیت شار مغناطیسی بر روی دیسک نیز تغییر می کند.
در طول فرآیند خواندن، هد این تغییرات شار مغناطیسی را حس کرده و یک شکل موج ضربانی مثبت یا منفی (بجای شکل موج متناوب مثبت یا منفی که در طول فرآیند ضبط اولیه مورد استفاده قرار گرفته است) را ایجاد می نماید. بعبارت دیگر، سیگنال در هنگام خواندن داده ها معادل صفر ولت است، مگر آنکه هد یک تغییر شار مغناطیسی را تشخیص دهد که در این حالت، یک پالس مثبت یا منفی را (مطابق باتغییر شار) ایجاد می کند. پالس ها صرفاً زمانی ظاهر می شوند که هد از روی تغییرات شار بر روی رسانه عبور کند. با آگاهی از زمان بندی کلاک مورد استفاده درایو، مدار کنترلر می تواند تشخیص دهد که آیا یک پالس (و در نتیجه یک تغییر شار) در داخل دوره زمانی یک سلول بیت معین قرار گرفته است یا خیر. جریان های پالس الکتریکی که وقتی هد در حالت خواندن از روی رسانه ذخیره سازی عبور می کند در آن ایجاد می شوند، بسیار ضعیف هستند و می توانند حاوی نویز قابل ملاحظه ای باشند.
مدارهای الکترونیکی حساس در درایو و مجموعه کنترلر، این سیگنال را به سطحی بالاتر از نویز آن تقویت نموده و رشته جریان پالس های ضعیف را مجدداً بصورت داده های باینری که (بطور نظری) معادل داده های ضبط شده اصلی هستند،کد گشایی می کنند.
همانطور که مشاهده می کنید، درایوهای دیسک سخت و سایر ابزارهای ذخیره سازی مغناطیسی، داده ها را با استفاده از اصول ابتدایی الکترومغناطیس می نویسند و می خوانند. یک درایو، داده ها را با عبور جریان الکتریکی از داخل یک آهنربای مغناطیسی (هد درایو) و ایجاد یک میدان مغناطیسی که بر روی رسانه ذخیره می شود، می نویسند. درایو، داده ها را عبور مجدد هد از روی سطح رسانه، می خواند. هنگامی که هد با تغییر در میدان مغناطیسی ذخیره شده مواجه می گردد، یک جریان الکتریکی ضعیف را تولید می کند که حضور یا فقدان تغییر شار در سیگنال را به همان صورتی که در هنگام نوشتن بوده است، مشخص می نماید.
فناوری های هد
در طی سال های گذشته، پنج نوع اصلی از هدها در درایوهای دیسک سخت مورد استفاده قرار گرفته اند:
* Ferrite (هیدرو کسید آهن)
* (TF (Thin- Film
* (MIG (Metal-In-Gap
* (MR (Magneto-resistive
* (GMR (Giant magneto-resistive
* (PMR (Perpendicular magnetic recording
اولین نسل از هدهای دیسک سخت، از نوع Ferrite بودند که از درایو معروف IBM 30-30 Winchester نشأت گرفته اند. این هدها دارای یک هسته اکسید آهن هستند که با سیم پیچ های الکترومغناطیسی پوشانده شده است. هدهای Ferrite بزرگتر و سنگین تر از هدهای Thin- Film هستند و به همین دلیل، به ارتفاع شناوری بیشتری نیاز دارند تا از تماس آن ها با دیسک در هنگام چرخش آن، جلوگیری شود.
با افزایش تقاضا برای چگالی ذخیره سازی هر چه بیشتر، طرح های رقیب MIG و Thin- Film برای هدها ارائه شدند تا بجای هدهای Ferrite (که امروزه تقریباً منسوخ شده است) مورد استفاده قرار گیرند.
نسل دوم، هدهای Metal-In-Gap، یک نسخه ارتقاء یافته خاص از طراحی Ferrite مرکب هستند. در هدهای MIG، یک ماده فلزی در شکاف ضبط هد قرار می گیرد. دو نسخه از هدهای MIG ارائه شده اند: یک طرفه و دو طرفه.
مغناطیس پذیری این آلیاژ مغناطیسی، دو برابر Ferrite خام است و به هد امکان می دهد تا بر روی رسانه های Thin-Film که برای چگالی های بالاتر الزامی هستند، بنویسد.
بخاطر همین افزایش قابلیت ها بواسطه بهبود در طراحی، هدهای MIG برای مدتی بعنوان رایج ترین طرح هد به حساب می آمد و در اواخر دهه 80 و اوایل دهه 90 میلادی برای ساخت بسیاری از درایوهای دیسک سخت مورد استفاده قرار گرفت.
نسل سوم هدها، از اصلاحاً "فیلم نازک" استفاده می کنند. شیوه تولید هدهای Thin-Film، شباهت بسیار زیادی به تولید یک تراشه نیمه هادی از طریق فرآیند photolithographic دارد. این فرآیند، هزاران هد را بر روی یک ویفر مدور ایجاد کرده و محصولات بسیار کوچکی با کیفیت بالا را تولید می نماید.
هدهای TF دارای شکاف هد فوق العاده باریک و کنترل شده ای هستند که بخوبی محافظت شده و احتمال آسیب دیدگی آن بر اثر تماس با دیسک در حال چرخش را به حداقل می رساند. هسته، ترکیبی از آلیاژ نیکل و آهن است که قدرت مغناطیسی آن 2 تا 4 برابر بیشتر از یک هسته هد Ferrite می باشد.
هدهای TF، یک پالس مغناطیسی دقیقاً تعریف شده را تولید می کنند که به آنها امکان می دهد در چگالی های فوق العاده بالایی بنویسند. این هدهای کوچک و سبک وزن، می توانند در ارتفاع بسیار پایین تری نسبت به هدهای Ferrite و MIG شناور باشند. در بعضی از طرح ها، ارتفاع پایین تر "پرواز" هد به 2 میکرو اینچ و یا کمتر از آن می رسید. از آنجایی که ارتفاع پایین تر، به هدها امکان می دهد تا سیگنال بسیار قوی تری را از صفحات (Platter) برداشته و انتقال دهند، نسبت سیگنال به نویز افزایش یافته و دقت نیز بهبود می یابد. مزیت دیگر هدهایTF، در این است که اندازه کوچک آن ها به صفحات دیسک امکان می دهد تا در فاصله نزدیکتری نسبت به یکدیگر قرار گرفته و به این ترتیب، تعداد آنها در یک فضای مشابه افزایش یابد.
هنگامی که هدهای TF برای اولین بار معرفی شدند، در مقایسه با فناوری های قدیمی تری نظیر Ferrite و MIG نسبتاً گران بودند. با این حال تکنیک های تولید بهتری و نیاز به چگالی های بالاتر، بازار را به سمت هدهای TF کشاند. استفاده گسترده از این هدها، در عین حال آنها را به یک رقیب جدی برای هدهای MIG تبدیل کرد.
یک پیشرفت تازه تر در ضبط مغناطیسی و یا بطور اختصاصی تر، مرحله قرائت ضبط مغناطیسی، هدهای (MR (Magneto-Resistive هستند که گاهی اوقات تحت عنوان هدهای (AMR (anisotropic mageneto - resistan نیز شناخته می شوند. هدهای MR می توانند چگالی را در مقایسه با هدهای صرفاً القائی قبلی، تا 4 برابر (یا بیشتر )افزایش دهند. IBM اولین درایو تجاری با هدهای MR را در سال 1991 با یک مدل 3/5 اینچی یک گیگابایتی معرفی کرد.
تمام هدها، Detector نیز هستند. بعبارت دیگر، طراحی شده اند تا تغییرات شار را در رسانه تشخیص داده و آن ها را به سیگنال های الکتریکی که قابل ترجمه به داده ها هستند، تبدیل نمایند. یکی از مشکلات ضبط مغناطیسی، تقاضای روزافزون برای چگالی بیشتر و بیشتر، یعنی گنجاندن اطلاعات (تغییرات شار) بیشتر در یک فضای کوچکتر و کوچکتر است. هر چه نواحی مغناطیسی بر روی دیسک کوچکتر می شوند، سیگنال دریافت شده از هدها نیز در طول فرآیند خواندن ضعیف تر می شود. به این ترتیب، متمایز نمودن سیگنال واقعی از نویز تصادفی و یا میدان های سرگردان موجود نیز دشوار می گردد. یک هد خواندن (Read) با کارآیی بالاتر، یک شیوه کارآمدتر برای تشخیص این تغییرات بر روی دیسک بوده و در نتیجه، ضروری است.
تأثیر مغناطیسی دیگری که امروزه بخوبی شناخته شده است و در درایوهای مدرن مورد استفاده قرارمی گیرد، بر اساس این واقعیت فیزیکی است که وقتی یک سیم از میان یک میدان مغناطیسی عبور می کند، نه تنها جریان کوچکی در سیم تولید می شود، بلکه مقاومت سیم نیز تغییر می کند. هدهای Read استاندارد، از هد بعنوان یک ژنراتور کوچک استفاده می کنند، با تکیه بر این واقعیت که هدها در هنگام عبور از روی تغییرات شار مغناطیسی، یک جریان ضربانی را تولید خواهند کرد. یک نوع جدیدتر از طراحی هد که IBM پیشگام آن بوده است، به این واقعیت تکیه دارد که مقاومت سیم های هد نیز در این شرایط تغییر خواهد کرد.
بجای استفاده از هد برای تولید جریان های کوچک که باید فیلتر گذاری، تقویت و کد گشایی شوند، یک هد MR، از هد بعنوان یک مقاومت الکتریکی استفاده می کند. یک مدار، ولتاژی را از هد عبور می دهد و ناظر بر تغییرات ولتاژی است که هنگام تغییر مقاومت هد (بخاطر عبور آن از تغییرات شار بر روی رسانه) روی می دهند. این مکانیزم برای استفاده از هد، سیگنال بسیار قوی تر و شفاف تری را از آنچه که بر روی رسانه ضبط شده است، تولید نموده و امکان افزایش چگالی را نیز بوجود می آورد.
هدهای MR بر این واقعیت تکیه دارند که مقاومت یک رسانا، هنگامیکه یک میدان مغناطیسی خارجی بر آنها اعمال می شود، اندکی تغییر می کند. یک جریان کوچک از هد عبور کرده و تغییرات مقاومت را اندازه گیری می نماید. این طرح، یک خروجی را تأمین می کند سه برابر (یا بیشتر) قویتر از یک هد TF در طول فرآیند Read است. در نتیجه، هدهای MR هدهای قدرتمندی برای خواندن هستند که عملکرد آن ها بیشتر به حس گرها شباهت دارد تا ژنراتورها.
از آنجایی که قاعده MR تنها قادر به خواندن داده ها است و برای نوشتن آنها مورد استفاده قرار نمی گیرد، هدهای MR در واقع دو هد در داخل یک هد هستند. این مجموعه شامل یک هد TF القائی استاندارد برای نوشتن داده ها و یک هد MR برای خواندن آنها است. از آنجایی که دو هد مجزا در داخل یک مجموعه قرار گرفته اند، هر هد می تواند برای وظیفه خود بهینه سازی شود. هدهای Ferrite,MIG و TF بعنوان هدهای "تک شکاف" شناخته می شوند زیرا از یک شکافت واحد برای هر دو وظیفه نوشتن وخواندن استفاده می شود، در حالیکه هد MR از یک شکافت جداگانه برای هر یک از این وظایف استفاده می کند.
در تلاش برای افزایش هر چه بیشتر چگالی، IBM یک نوع جدید از هدهای MR را در سال 1997معرفی کرد. این هدها که (GMR (giant magneto -resistive نامیده می شوند، از نظر فیزیکی کوچکتر از هدهای MR استاندارد هستند اما نام خود را از تأثیر GMR گرفته اند که بر اساس آن کار می کنند. طراحی این دو نوع هد شباهت بسیار زیادی به یکدیگر دارد. با این حال، لایه واحد NiFe در یک طراحی MR متعارف، با لایه های بیشتری جایگزین شده است. در هدهای MR، یک غشاء NiFe واحد مقاومت را در واکنش به معکوس شدن شار بر روی دیسک، تغییر می دهد. در هدهای GMR، دو غشاء (که با یک لایه رسانای مسی بسیار باریک جدا شده اند) این وظیفه را انجام می دهند.
تأثیر GMR اولین بار در سال 1988در نمونه های کریستالی که در معرض میدان های مغناطیسی بسیار قدرتمند (1000برابر میدان های مورد استفاده در درایوها ی دیسک سخت) قرار گرفته بودند،کشف شد. یک دانشمند آلمانی به نام Peter Gruenberg و یک دانشمند فرانسوی به نام Albert Fert کشف کردند که تغییرات بسیار بزرگی در مقاومت مواد متشکل از لایه های بسیار باریک متناوب (Alternating) از عناصر فلزی مختلف، روی می دهد. ساختار کلیدی در مواد GMR، یک لایه جداکننده از فلزی غیرمغناطیسی در بین دو لایه از فلزات مغناطیسی است. یکی از لایه های مغناطیسی، Pinned شده است (بعبارت دیگر، دارای یک امتداد مغناطیسی تحمیلی است). لایه مغناطیسی دوم، آزاد می باشد و این بدان معنی است که می تواند امتداد یا ترازبندی خود را آزادانه تغییر دهد. مواد مغناطیسی تمایل دارند تا خودشان را در امتدادهای یکسانی همتراز نمایند. بنابراین اگر لایه جداکننده به اندازه کافی نازک باشد، لایه آزاد همان امتداد لایه Pinned را خواهد پذیرفت. چیزی که کشف شد، این بود که همترازی مغناطیسی لایه مغناطیسی آزاد، متناوباً بین همترازی با همان امتداد مغناطیسی لایه Pinned و همترازی در امتداد مغناطیسی معکوس آن، تغییر می کند. هنگامی که لایه ها در امتداد مغناطیسی مشابهی قرار می گیرند، مقاومت نسبتاً پایین و هنگامیکه لایه ها در ترازبندی مغناطیسی معکوس قرار می گیرند، مقاومت نسبتاً بالا است.
هنگامی که یک میدان مغناطیسی ضعیف (نظیر میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط یک بیت بر روی یک دیسک سخت)، از زیر یک هد GMR عبور می کند، ترازبندی مغناطیسی لایه آزاد نسبت به لایه دیگر چرخیده و یک تغییر نسبتاً قابل ملاحظه در مقاومت الکتریکی را بخاطر تأثیر GMR بوجود می آورد. از آنجائیکه طبیعت فیزیکی تغییر مقاومت، بخاطر چرخش نسبی الکترونها در لایه های مختلف تعیین می شود. هدهای GMR معمولاً تحت عنوان هدهای Spin-Valve نیز شناخته می شوند.
IBM اولین درایو تجاری که از هدهای GMR استفاده می کرد را در دسامبر سال 1997 معرفی نمود (یک درایو 3/5 اینچی 16/8 گیگابایتی). از آن زمان به بعد، هدهای GMR در اکثر درایوهای 20 گیگابایتی و فراتر از آن به یک استاندارد تبدیل شده است. GMR به درایوها امکان می دهد تا بالغ بر 20 گیگابیت از داده ها را در هر اینچ مربع از سطح دیسک ذخیره نمایند. این ویژگی، امکان تولید درایوهایی با ظرفیت بیش از 100 گیگابایت در اندازه های استاندارد 3/5 اینچی را بوجود می آورد.
Sliderهای هد
گرایش به سمت درایوهایی با شکل ساخت کوچکتر و کوچکتر، Sliderها را نیز وادار کرده است تا دائماً کوچکتر و کوچکتر شوند. اکثر تولیدکنندگان هد، به طرح های Slider کوچکتر Micro، Nano،Pico و یا Femto روی آورده اند.
Slider های کوچکتر، جرم حمل شده در انتهای بازوهای محرک هد را کاهش می دهند که شتابدهی و کاهش سرعت را آسانتر نموده و در نتیجه، زمان های جستجوی سریع تر را امکانپذیر می سازند.
طرح های جدیدتر Slider، همچنین دارای الگوهای سطحی با ویرایش خاصی است که برای حفظ همان ارتفاع شناوری در بالای سطح دیسک طراحی شده اند، صرف نظر از اینکه Slider در بالای سیلندرهای داخلی یا خارجی قرار گرفته باشد. Sliderهای متعارف، ارتفاع شناوری خود را بطور قابل ملاحظه ای نسبت به سرعت جابجایی سطح دیسک در زیر آنها، افزایش یا کاهش می دهند.
تعریف یک دیسک سخت
در داخل یک دیسک سخت، پلاترهای دیسک مانندی وجود دارد که معمولاً از آلومینیوم یا شیشه ساخته شده اند. برخلاف دیسک های فلاپی، این پلاترها انعطاف پذیر نیستند و به همین دلیل به آن ها دیسک سخت گفته می شود.
در صورتی که نتوانید از ظرفیت های ذخیره سازی بسیار زیادی که در درایوهای امروزی یافت می شود، به طور موثر استفاده کنید، آن ها بلاستفاده بود و به هیچ دردی نمی خورند.
فاکتور شکل ها
ممکن است شما بخواهید بدانید که این استانداردها چگونه ایجاد می شوند. در برخی از موارد، یک تولید کننده، یک محصول پرطرف دار با یک شکل و پروتکل مشخص تولید می کند و سایرین، این پارامترها را تکثیر یا کپی می کنند و محصولات دیگری می سازند که از نظر فیزیکی و الکتریکی با آن سازگار است. در سایر موارد، گروه ها یا کمیته های گوناگونی برای دیکته کردن استانداردهای مشخص تشکیل شده اند. در طی سال های متمادی، درایوهای دیسک، در فرم فاکتورهای استاندارد گوناگونی معرفی شده اند که معمولاً با سایز متوسط platterهایی که در داخل درایو جای می گیرد، شناخته می شوند.
در حال حاضر، درایوهای سه و نیم اینچی، رایج ترین نوع برای سیستم های دسک تاپ محسوب می شوند؛ در حالی که درایوهای دو و نیم اینچی و کوچک تر، در لپ تاپ ها و ابزارهای سیار دیگر مورد استفاده قرار می گیرند.
عملکرد درایو دیسک سخت
درایوهای دیسک سخت معمولاً دارای چندین دیسک هستند که پلاتر نام دارد و بر روی هم "پشته" شده اند و هر یک دارای دو طرف هستند. اغلب درایوها دارای دو یا سه platter هستند که منجر به چهار تا 6 وجه می گردد. اما برخی از دیسک های سخت، تا 12 پلاتر، و در نتیجه 24 وجه و 24 هد خواندن هستند. دارند.
تراک هایی که به طور همسان تراز شده اند و بر روی هر پلاتر قرار دارند، به همراه هم یک سیلندر را تشکیل می دهند. یک درایو دیسک سخت معمولاً داری یک هد در هر سمت platter است که تمام این هدها بر روی یک carrier device یا rack واقع می شوند. هدها، به طور دایره ای در سرتاسر دیسک حرکت می کنند؛ آن ها نمی توانند به طور مستقل حرکت کنند زیرا بر روی یک carrier یا rack، که فعال کننده یا actuator نام دارد قرار گرفته اند.
در ابتدا، بیش تر دیسک های سخت، با سرعتی معادل 3600 دور در دقیقه می چرخیدند که این سرعت،10 برابر بیش تر از سرعت چرخش دیسک های فلاپی بود. برای سال های متمادی،3600 دور در دقیقه سرعت بسیار زیادی در دیسک های سخت محسوب می شد. هر چند امروزه، بیش تر درایوها می توانند با سرعتی بسیار بیش تر از این چرخش کنند. اگرچه سرعت ها می تواند متفاوت باشند، درایوهای مدرن نوعاً با سرعت های 10000،7200،5400، یا 15000 دور در دقیقه می چرخند. بیش تر درایوهای استانداردی که در پی سی ها مشاهده می شود با سرعت 7200 دور در دقیقه و دیسک های سخت با کارآیی بالا با سرعت 10000دور در دقیقه می چرخند، اگرچه درایوهای ارزان تر دارای سرعت چرخش 5400 دور در دقیقه هستند. برخی از درایوهای دو و نیم اینچی نوت بوک ها فقط با سرعت 4200 دور در دقیقه می چرخند تا در انرژی مصرفی صرفه جویی کنند و درایوهای 15000دور در دقیقه فقط در ایستگاه های کاری با کارایی بالا یا سرورها مورد استفاده قرار می گیرد.
هدهای موجود اغلب دیسک های سخت، در حالت عادی عملکرد دیسک، platter را لمس نمی کنند (و نباید بکنند). هرچند، در بیش تر درایوها، هدها در زمانی که درایو خاموش است. بر روی platterها قرار می گیرند. در اغلب درایوها، وقتی درایو خاموش است و فعالیت نمی کند، هدها به داخلی ترین سیلندر منتقل می شوند و بر روی سطح platter فرود می آیند. به این حالت قدیمی، CSS (Contact Start Stop) گفته می شود. وقتی که درایو فعال و روشن می شود، هدها همزمان با چرخش، بر روی سطح platter حرکت می کنند تا زمانی که یک بالشتک بسیار نازک از هوا بین هدها و سطح platter تشکیل شود. اگر برای بالشتک هوا به واسطه وجود گرد و غبار یا شوک مزاحمتی ایجاد شود، هد می تواند در حالی که با حداکثر سرعت در حال گردش است با سطح platter تماس حاصل کند. وقتی تماس با platterهای در حال گردش، برای ایجاد خرابی به اندازه کافی قدرتمند باشد، به این واقعه، head crash گفته می شود. نتیجه یک head crash می تواند هر چیزی، از دست رفتن چند بایت داده، تا تخریب کامل درایو باشد. بیش تر درایوها دارای روان سازهای مخصوصی بر روی platterها و سطوح تقویت شده ای هستند که می تواند این فشارها را تحمل کنند.
تراک ها و سکتورها
درایوهای مختلف، تراک های دیسک را به تعداد سکتورهای مختلفی تقسیم بندی می کنند که این موضوع، بر اساس چگالی trackها صورت می گیرد. دیسک های سخت معمولاً داده ها را تا 2000 سکتور یا بیشتر به ازای هر تراک ذخیره می کنند.
سکتورهایی که توسط فرآیند قالب بندی استاندارد بر روی یک سیستم پی سی ایجاد می شوند، دارای ظرفیت 512 بایت هستند که در تاریخچه پی سی، عددی همواره ثابت بوده است.
سکتورهای روی هر تراک، با اعدادی که از 1شروع می شود، شماره گذاری می شود، برخلاف هدها یا سیلندرها که با اعدادی که از (0) شروع می شود شماره گذاری می گردند.
وفتی یک دیسک فرمت می شود، برنامه فرمت، نواحی ID را قبل و بعد از داده های هر سکتور (که کنترلر دیسک از آن برای شماره گذاری سکتور و شناسایی ابتدا و انتهای هر سکتور استفاده می کند) ایجاد می نماید. این نواحی بر روی بخش داده های هر سکتور قرار دارند و مقداری از کل ظرفیت ذخیره سازی دیسک را اشغال و مصرف می کند. همین عامل است که باعث وجود اختلاف ظرفیت یک دیسک فرمت نشده و فرمت شده می شود. توجه داشته باشید که بیش تر درایوهای دیسک سخت مدرن به صورت از قبل فرمت شده به فروش می روند و در تبلیغات فروش آن ها، فقط به ظرفیت فرمت شده شان اشاره می شود. ظرفیت فرمت نشده معمولاً دیگر مورد اشاره قرار نمی گیرد و به آن توجهی نمی شود. یکی دیگر از پیشرفت های جالب توجه این است که درایوهای جدید، از چیزی به نام قالب بندی No-ID sector، استفاده می کنند که بدان معنا است که سکتورها بدون mark IDها، (قبل و بعد از هر سکتور ) قالب بندی می شوند. در نتیجه، بخش بیش تری از دیسک می تواند برای ذخیره داده های واقعی مورد استفاده واقع شود.
هر سکتور بر روی دیسک معمولاً دارای یک پخش پیشوند یا هدر است که آغاز سکتور را مشخص می کند و در بردارنده شماره سکتور، و یک بخش پسوند (Suffix) یا trailer، که در برگیرنده یک checksum (که به اطمینان یافتن از صحت داده ها کمک می کند) می باشد. بسیاری از درایوهای جدید تر، این هدر را حذف کرده اند و دارای چیزی هستند که به آن No-ID recording گفته می شود و امکان فضای بیش تر برای داده ها را فراهم می کند. با استفاده از یک No-ID recording، مکان ابتدا و انتهای هر سکتور از طریق clock timing از پیش تعیین شده، مشخص می شود. هر سکتور، در بر گیرنده 512 بایت داده می باشد. فرآیند فرمت کردن low-level، نوعاً بایت های داده را با مقادیر خاصی نظیر F6h)Hex)، یا الگوی تست تکرار شونده دیگری پر می کند. کد کردن و از کد خارج کردن برخی از این الگوها برای الکترون های موجود بر روی درایو مشکل و دشوار است، بنابراین این الگوها زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که تولید کننده و سازنده، درایو را در طی فرمتینگ اولیه چک می کند.
فرمت کردن دیسک
* قالب بندی فیزیکی
* قالب بندی منطقی
وقتی شما در گذشته یک فلاپی خالی را فرمت می کردید، فرمان FORMAT در Windows Explorer یا DOS، هر دو نوع فرمت را به طور همزمان انجام می داد. اگر فلاپی قبلاً فرمت شده بود. داس و ویندوز به طور پیش فرض، فقط یک فرمت high-level (فرمت منطقی) را انجام می دادند.
اما یک دیسک سخت، بین این دو پروسه قالب بندی، به یک گام سوم نیاز دارد. بعلاوه، روی دیسک های امروزی، قالب بندی فیزیکی در کارخانه انجام می شود. به دلیل این که یک دیسک سخت برای استفاده و کار با بیش از یک سیستم عامل یاسیستم فایل طراحی شده، به پارتیشن بندی نیاز داریم.
پارتیشن بندی به یک دیسک سخت واحد امکان می دهد بیش از یک نوع سیستم عامل یا سیستم فایل را اجرا کند، که چندین ولوم را روی دیسک ایجاد می کند. یک Volume یا درایو منطقی، هر بخشی از دیسک است که سیستم عامل به آن یک نام یا حرف لاتین را اختصاص می دهد.
در نتیجه، آماده سازی یک دیسک سخت برای ذخیره کردن داده ها، سه مرحله دارد:
* قالب بندی سطح پایین (LLF؛ که در خود کارخانه انجام می گیرد)
* پارتیشن بندی
* قالب بندی سطح بالا یا HLF
قالب بندی فیزیکی یا سطح پایین
درایوهای ATA امروزی، می توانند از 17تا 2500 (یا بیشتر) سکتور به ازای هر شیار را دربرگیرند. همچنین تعداد سکتورها در میان شیارهای مختلف نیز می تواند متفاوت باشد.
تقریباً تمام درایوهای ATA از تکنیکی به نام ZBR که تعداد متغییری از سکتورها را در هر شیار می نویسند، استفاده می کنند. بدون این تکنیک، تعداد سکتورها (و بنابراین بیت ها) روی هر شیار ثابت است. این بدان معناست که تعداد واقعی بیت ها در هر اینچ تغییر خواهد کرد.
یک ضبط استاندارد، ظرفیت تراک های بیرونی را هدر می دهد زیرا طولانی تر است اما، همان مقدار داده های معادل با تراک های داخلی را در خود دارد. یک راه برای افزایش ظرفیت یک دیسک سخت در حین فرمت low-level، ایجاد سکتورهای بیش تر بر روی سیلندرهای بیرونی دیسک، در مقایسه با سکتورهای درونی است. به دلیل این که آن ها دارای محیط بیش تری هستند، سیلندرهای بیرونی می توانند داده های بیش تری را در خود نگه دارند. درایوهای بدون zoned recording، مقدار داده مشابهی را بر روی هر سیلندر ثبت می کنند، حتی اگر تراک های سیلندرهای بیرونی دو برابر طویل تر از سیلندرهای درونی باشند. نتیجه، هدر رفتن ظرفیت ذخیره سازی است زیرا رسانه دیسک باید قادر باشد داده ها را به شکلی مطمئن در همان دانسیته موجود در سیلندرهای داخلی ذخیره کند. وقتی تعداد سکتورها در هر تراک ثابت باشد، مثل وضعیتی که در کنترلرهای قدیمی وجود دارد، ظرفیت درایو توسط دانسیته درونی ترین تراک محدود می شود.
درایوهایی که از zoned recording استفاده می کنند، سیلندرها را به گروه هایی به نام zones تقسیم می کنند که هر zone، با حرکت از مرکز به سمت بیرون مرکز دیسک، دارای تعداد سکتور بیشتری در هر تراک هستند. تمام سیلندرهای موجود در یک زون خاص، دارای تعداد سکتور یکسانی در هر تراک هستند. تعداد زون ها در هر درایو خاص فرق می کند اما بیش تر درایوها دارای 16 تا 32 زون هستند.
یکی دیگر از تأثیرات zoned recording این است که سرعت انتقال، بسته به این که هدها در کدام زون هستند، تفاوت می کند. یک درایو با قابلیت zoned recording، کماکان با یک سرعت ثابت می چرخد. به دلیل این که در زون های بیرونی، تعداد سکتورهای بیش تری در هر track وجود دارد، سرعت انتقال داده ها در این جا بیش تر است. به همین ترتیب، انتقال داده ها در زمانی که عمل خواندن و نوشتن بر روی زون های داخلی انجام می گیرد، کندتر است. به همین دلیل است که تقریباً تمام درایوهای امروزی، نرخ های ارسال حداقل و حداکثر را گزارش می کنند که به مکانی از درایو که داده ها را از آنجا می خوانید بستگی دارد.
پارتیشن بندی
NTFS: این سیستم فایل، از نام های فایل تا 256 کاراکتر و پارتیشن هایی تا 16 اگزابایت را پشتیبانی می کند. همچنین NTFS دارای قابلیتهای توسعه یافته و ویژگی های امنیتی است که در سیستم فایل FAT وجود ندارد.
قالب بندی سطح بالا
فرمت High-level، فرمت فیزیکی واقعی درایو نیست، اما جدولی از محتوا را برای دیسک ایجاد می کند. فرمت های سطح پایین امروزی روی دیسک های سخت، توسط شرکت سازنده در کارخانه روی دیسک انجام می گیرند و توسط کاربر نهایی قابل اجرا نیست. اغلب سازندگان دیسک، برنامه های initialization و تست را اداره می کنند که جانشینی برای برنامه های فرمت بندی سطح پایین است. اما این برنامه ها به کار شما نمی آیند مگر در زمانی که می خواهید یک فرمت آسیب دیده را اصلاح نمایید.
پلاتر ها به طور سنتی از آلیاژ آلومینیوم/منیزیوم، که هم داری سختی و قدرت کافی و هم وزن کم می باشد ساخته می شده اند .هرچند، تمایل تولید کنندگان به چگالی های بالاتر و بیش تر و درایوهای کوچک تر باعث شده تا از پلاتر های ساخته شده از شیشه (یا، اگر بخواهیم فنی تر توضیح دهیم، مخلوطی از شیشه و سرامیک) نیز استفاده کنند. یکی از این مواد، MemCor نام دارد. MemCor ترکیبی از شیشه و سرامیک است که در مقایسه با شیشه، مقاومت بیش تری در مقابل شکسته شدن دارد. پلاترهای شیشه ای، سختی و دوام بیش تری در مقایسه با فلز فراهم می کنند (زیرا فلز قابل خم شدن است اما شیشه خم نمی شود ) و در نتیجه می توانند در ضخامتی که نصف دیسک های آلومینیومی است، تولید شوند. پلاترهای شیشه ای همچنین از نظر حرارتی بسیار پایدارتر از پلاترهای آلومینیومی هستند که بدان معنا است که آن ها در اثر تغییر درجه حرارت، زیاد منقبض و منبسط نمی شوند. در حال حاضر، درایوهای دیسک سخت متعددی از پلاترهای شیشه ای - سرامیک استفاده می کنند.
منبع: بزرگراه رایانه، شماره ی 140
