تاریخچه ابزارهای مغناطیسی
همان طور که اغلب می دانیم پیش از اختراع و کاربرد ابزارهای مغناطیسی برای کامپیوترها ،استفاده از کارت پانچ ها ( کارت های سوراخ دار ) رایج بود این مطلب را بسیاری از دانشجویان واساتیدی که قبل از سالهای 1370هجری شمسی در دانشگاه ها حضور داشته اند به خوبی به خاطر می آورند اولین استفاده از ابزارهای مغناطیسی به ژوئن 1949 باز می گردد که گروهی از مهندسین شرکت IBM روی دستگاهی با ضبط مغناطیسی برای کامپیوترها کار می کردند که این تلاش منجر به ارائه آن در سال 1952 گردید اما یک ابزار مغناطیسی کامل نبود چهار سال بعد (1956)IBM اولین دیسک مغناطیسی خود را با ظرفیت 5 مگابایت به همراه کامپیوتر IBM305 RAMACمعرفی کرد که خواندن و نوشتن در هرمکانی از صفحات دیسک آن به صورت تصادفی و اتفاقی (RAM) قابل انجام بود (این در حالی بود که ابزارها ی دیگر ازقبیل نوار پانچ یا نوار تیپ به صورت تصادفی و اتفاقی قابل دستیابی برای نوشتن و خواندن نمی باشد بلکه باید به صورت ترتیبی و پشت سر هم خوانده یا نوشته شوند تا به محل مورد نظر برسید .)
این درایو که دارای50 دیسک با قطر 24 اینچ بود را با هارد دیسک امروزی با دو صفحه و قطر 5/3 اینچ که ظرفیتی برابر با 40،60،80یا 100 یا 120 گیگابایت دارد مقایسه کنید تا شاهد تحول و پیشرفت در ابزارهای ذخیره مغناطیسی باشید.
شرکت IBM (اولین سازنده کامپیوتر ) اولین طراح و سازنده درایوهای مغناطیسی و حتی فلاپی درایوها می باشد که در پیشرفت این ابزارها و ارائه راه حل های تازه و جدید نیز همیشه حرف اول را می زند و هر روز یک نظر و ایده جدید را برای کدبندی داده ها ( نظیر MFM ,RLL) طرح های هد (نظیر TF, MR,GMR,....) فن آوری جدید درایوها (نظیر PRML , ضبط NO-ID ,S.M.A.R.T) ارائه میدهد این شرکت مقام دوم فروش هاردهای کامپیوتر بانام تجاری سیگیت (seagate) را دارا می باشد.
دیسک های مغناطیسی و هد ها
هدهای خواند / نوشتن در دستگاه های ذخیره مغناطیسی تکه های Uشکلی از مواد رسانا (CONDUCTIVE) هستند که دو انتهای این Uبه طور دقیق در بالای سطح دیسک یا رسانه ذخیره کننده اطلاعات قرار می گیرد ( بسته به نوع و طرح هد و رسانه این فاصله متفاوت است ) هد فوق با سیم پیچ های در بر گیرنده قسمت بالای Uبرعکس شده پوشیده شده است که یک جریان اکتریکی از آن عبور می کند زمانی که مدار کنترلر درایو جریانی را از سیم پیچ ها عبور می دهد در هد (قسمت نوک) یک میدان مغناطیسی به وجود می آید تغییر قطبیت جریان الکتریکی مذکور سبب تغغیر قطبیت میدان مغناطیسی نیز خواهد شد به طور کلی با توجه به طرح و مواد مورد استفاده در ساخت هدها قابلیت تغییر قطبیت ولتاژ آنها با سرعت بالا وجود دارد .
صفحات دیسک یا نوارهای مغناطیسی از موادی خاص (نظیر mylerدر فلاپی دیسک ها و آلومینیوم یا شیشه برای هارددیسک ) با پوششی به صورت یک لایه از مواد مغناطیسی رسوب داده شده ساخته می شوند معمولاً این ماده ترکیب از اکسید آهن و مواد افزودنی دیگر می باشد هر یک از ذرات مغناطیسی رسوب داده شده برروی شطح دیسک یانوار دارای میدان مغناطیسی مختص خودمی باشد که در زمان خالی بودن رسانه قطبیت نامنظم دارند .
با توجه به اینکه میدان ذرات مذکور به جهت های اتفاقی و مختلف اشاره می کنند هر میدان مغناطیسی کوچک با میدان دیگری که در جهت مخالف قرار دارد خنثی می شود و در این حالت سطح رسانه دارای قطبیت های یکنواخت و واضحی نمی باشد .
زمانی که یک میدان مغناطیسی توسط جریان عبوری از سیم پیچ هد ( خواندن /نوشتن) درایو ایجاد شوداین میدان از شکاف (gap) میان دو طرف uپرش می کند از آنجاییکه یک میدان مغناطیسی از رسانا راحت تر از هوا عبور می کند بنا براین میدان مغناطیسی از کم مقاومت ترین مسیر یعنی سطح رسانا که دارای مواد فلزی خاص هستند عبور کرده و ذرات موجود در مسیر قطبی خواهند شد به طوریکه با این میدان هم جهت شوند قطبیت میدان و ذرات همان طور که قبلاً گفته شد به جهت جریان الکتریکی اعمال شده به سیم پیچ هد بستگی دارد هر چند فاصله هد با سطح رسانه کمتر باشد اندازه حوزه مغناطیس ضبط شده (میدان مغناطیسی)کوچتر بوده و در نتیجه چگالی اطلاعاتی که در سطح رسانه ذخیره می شوند بیشتر خواهدبود.
جهت یا قطبیت یک میدان مغناطیسی را با پارامتری به نام شار (flux) مشخص می کنند زمانی که جریان الکتریکی در سیم پیچ های هد عکس می شود شار یا قطبیت میدان مغناطیسی موجود در شکاف هد نیز تغییر می کند عکس شدگی شار (flux reversal) در هد باعث معکوس شدن قطبیت ذرات مغناطیس شده موجود در سطح رسانه یادیسک میشود .
هد، تغییرات شار را در رسانه ایجاد می کند تا اطلاعات ضبط گردند.
این هد برای هر یک از بیت های 0 یا 1، الگویی از عکس شدگی های شار مثبت به منفی و منفی ه مثبت ایجاد می کند که این الگوها مربوط به ناحیه ای از سطوح دیسک به نام سلول‌های بیتی (bit cells) می باشد.
الگوی عکس شدگی های شار برای ذخیره یک بیت در سلول آن یا ناحیه خاص آن در سطح دیسک را کدبندی (Encoding) اطلاعات گویند.
بورد کنترلر دستگاه ذخیره مغناطیسی، اطلاعاتی که باید ذخیره شوند را می گیرد و در یک دوره زمانی، آنها به عنوان جریانی از عکس شدگی های شار کدبندی می کند.
در فرایندنوشتن اطلاعات بر روی سطح دیسک، ولتاژ به سیم پیچ های هد اعمال میشود و همزمان با تغییر قطبیت این ولتاژ، قطبیت میدان مغناطیسی برای ضبط نیز تغییر می کند، شار دقیقاً در نقاطی که قطبیت ضبط تغییر می کند نوشته می شود.
اما در طی فرایند خواندن، هد همان سیگنال نوشته شده را ایجاد نخواهد کرد بلکه، فقط هنگام عبور از یک گذار شار، یک پالس ولتاژ ایجاد می کند.
زمانی که گذار از منفی به مثبت تغییر می یابد پالس مذکور مثبت می باشد.
از آنجا که هد، موازی با میدان های مغناطیسی ایجاد شده در رسانه حرکت می کند، در زمان خواندن، فقط وقتی که از یک قطبیت یا گذار شار (عکس شدگی شار) می گذرد ولتاژ ایجاد می نماید.
در حقیقت زمانی که عمل خواندن از دیسک یا رسانه انجام می شود، هد به یک کشف کننده گذار شار تبدیل می شود.
در نواحی فاقد گذار شار، هیچ گونه پالسی به وجود نمی آید.
به عبارت دیگر در زمان خواندن، ولتاژ سیگنال صفر است مگر اینکه هد یک گذار شار مغناطیسی را کشف کند که در این صورت بسته به نوع تغییر گذار، مالس مثبت یا منفی ایجاد می شود.
به عبارت دیگر در زمان خواندن، ولتاژ سیگنال صفر است مگر اینکه هد یک گذار شار مغناطیسی را کشف کند که در این صورت بسته به نوع تغییر گذار، مالس مثبت یا منفی ایجاد می شود.
جریان پالس های الکتریکی کخ هنگام خواندن هد از سطح رسانه به وجود می آیند بسیار ضعیف بوده و نویز زیادی را در بر می گیرند.
بورد کنترلر درایو، سیگنالهای بالای سطح نویز را تقویت کرده و رشته جریان های پالس ضعیف را به صورت اطلاعات باینری (دودویی) کد گشایی (Decode) می نماید که ظاهراً این اطلاعات با اطلاعات در هنگام ضبط یکسان می باشند.
4-1 طرح های هد مغناطیسی خواندن/ نوشتن همزمان با متحول شدن فناوری دیسک درایو، طراحی هد خواندن/ نوشتن نیز پیشرفت کرد.
در اولین هدها، از یک هسته آهنی ساده که بدور آن سیم پیچی های پیچیده شده بود استفاده می شد.
این هد از نظر اندازه، بزرگ و حجیم و همچنین دارای چگالی ضبط پایین بود.
پس از گذشت سال ها، طرح های ساده جای خود را به هدهای با هسته فریت با ویژگی ها و فن اوری های متعدد داده اند که در این قسمت به طور کامل در مورد آنها صحبت خواهیم کرد و مهم ترین آنها عبارتند از: فریت (Feerite) فیلم نازک (Thin- Film) فلز داخل شکاف (metal- In- Gap) مقاومت مغناطیسی (Magneto- resistive) مقاومت مغناطیسی بزرگ (GMR) تعریف هارد دیسک برای بسیاری از کاربرها، هارد دیسک به عنوان مهم ترین و مرموزترین قطعه یک سیستم کامپیوتر به حساب می آید در واقع هارد دیسک یک المان غیر قابل نفوذ است که برای ذخیره اطلاعات دایم و ثابت (nonvolaile)به کار برده می شوذ.
ذخیره اطلاعات به صورت دایمی یا نیمه دایمی بدان معنی است که حتی با قطع جریان برق نیز پاک نشده و در آن باقی می ماند.
بنابراین هر کامپیوتر برای ذخیره اطلاعات کاربر بصورتیکه با خاموش شدن آن پاک نشود نیاز دارد که از آن مراقبت های خاصی به عمل آید.
با توجه به اهمیت اطلاعات فوق.
هر هارد دیسک شامل صفحه های دایره ای شکل سختاز جنس آلومینیوم یا شیشه می باشد.
بر خلاف فلاپی دیسک ها و یا نوارهای تیپ (Tape- Disk)، این صفحه قابلیت انعطاف و خم شدن را ندارند از این رو به آن هارد دیسک (دیسک یا صفحات سخت) گفته می شود در اغلب هاردها، این صفحات قابل تعویض نبوده و به همین دلیل به آنها دیسک های ثابت (Fixed) نیز گفته می شود.
مراحل تکامل هارد دیسک اگرچه از زمان ساخت و استفاده از هارد درایوها (سال 1956) مدت زمان زیادی می گذرد ولی از تحول پذیری و متداول شدن استفاده از آنها در سیستم های کامپیوتری شخصی، بیش از 20 تا 30 سال نمی گذرد ولی در همین مدت شاهد تحولات تغییرات اساسی و بنیادین در ساختار آنها بوده ایم که در فصل اول، گوشه ای از این تحولات را در هدهای ساختار ذخیره مغناطیسی مورد بررسی قرار دادیم.
در این قسمت، به طور فهرست وار چند نمونه از این تغییرات را که به نحو ذخیره سازی اشاره دارد ذکر می کنیم.
افزایش ظرفیت و گنجایش ذخیره سازی:اگر در سال 1982 ظرفیت هارد درایوهای 25/5 به 5 تا 10 مگابایت برای سیستم های رومیزی و اداری محدود می شد اما امروزه این ظرفیت تا 180 گیگابایت و بالاتر در قالب هاردهای 40، 60، 80، 100، 120 و بالاتر در بازار یافت می شود و کمتر کامپیوتری را مشاهده می کنید که دارای هارد دیسک کمتر از 20 یا 40 گیگا بایت باشد.
افزایش نرخ انتقال اطلاعات: سرعت یا نرخ انتقال اطلاعات از سطح دیسک یا رسانه اگر در سال 1982 بین 85 تا 102 کیلوبایت در ثاینه بود در حال حاضر به مقدار بالای 15/51 مگابایت رسیده است.
کاهش زمان متوسط جستجو (مدت زمانی که هدها برای رسیدن به یک سیلندر خاصی نیاز دارند): این زمان در سال 1982 برای هاردهای 10 مگابایتی سری بیش از 85 میلی ثانیه بود در حالی که هم اکنون به کمتر از 4 میلی ثانیه رسیده است.
قیمت: اگر در سال 1982 قیمت یک هارد 10 مگابایتی بیشتر از 1500 دلار (150 دلار برای هر مگابایت) بود در حال حاضر این قیمت به قدری کاهش یافته که می توان گفت بهای هر مگابایت به کمتر از نیم سنت رسیده است.
ساختار عملیات هارد دیسک ساختار اصلی و فیزیکی یک هارد دیسک از دیسک های چرخان به همراه هدهایی که در بالای آنها حرکت می کنند تشکیل شده است.
اطلاعات در شیارها و سکتورها ذخیره میشود.
هاردها اطلاعات را در دوایر متحدالمرکزی به نام شیار (ترک: Track) که خود به قسمت های به نام سکتور تقسیم می شوند ذخیره و مدیریت می کنند.
ظرفیت هر سکتور به طور معمول 512 بایت است.
معمولاً هر هارد دیسک از چندین دیسک تشکیل شده است که به آنها صفحه (Platter) گفته می شود.
صفحه ها روی همدیگر قرار گرفته و همزمان توسط یک موتور به نام اسپیندل می چرخند.
اطلاعات در دو روی این دیسک ها یا صفحات ذخیره می شود.
بسته به نوع هارد، هر هارد دیسک می تواند 2 یا 3 صفحه یا بیشتر داشته باشد که برای خواندن و نوشتن به ترتیب 4 یا 6 هد یا بیشتر نیاز دارد.
شیارهای همتراز شده (یکسان) واقع در دو طرف تمام صفحات، یک سیلندر (cylinder) را تشکیل می دهدند همان طور که گفتیم هر صفحه یک هد دارد این هدها همگی بر روی بازویی نصب شده اند که وظیفه حرکت و حمل هدها را بر عهده دارند.
هدها به صورت شعاعی روی دیسک به طور همزمان توسط یک موتور (پله ای یا حلقه صوتی) حرکت داده می شوند.
بنابراین هر هد به طور مصتقل عمل نمی کند.
اکثر صفحات هارد دیسک اولیه با سرعت 3600 دور در دقیقه (rpm) می چرخند (یعنی 10 برابر سریعتر از فلاپی دیسک های با چگالی مضاعف).
در حال حاضر درایوها، دیسک ها را با سرعت بیشتری می چرخانند.
برخی از درایوهای جدید با سرعت 4200، 5400، 7200و 10000و حتی در موارد خاص 15000 دور در دقیقه می‌چرخند.
سرعت های چرخش به همراه مکانیزم سریع قرار دادن هد در محل مناسب و افزایش تعداد سکتورها در یک ترک، سبب افزایش سرعت خواندن و نوشتن یک هارد نسبت به هارد دیگر می شود.
در کار عادی اغلب هارد درایوها، هدها نباید با صفحات در تماس باشند.
در اکثر مواقع وقتی کار هدها در درایو به پایان می رسد و صفحات از چرخش باز می ایستند، هدها روی صفحه ها قرار می گیرند.
هنگامی که درایوها شروع به کار می کند توده بسیار اندکی از هوا بین هد و صفحه قرار می گیرد تا فاصله ای را در بین آنها ایجاد کند و در واقع هد بر روی بالشتگی از هوا حرکت می کند.
(باید توجه داشت که با روشن کردن کامپیوتر یا اتصال برق هارد، موتور اسپیندل هارد شروع به چرخش کرده و با افزایش سرعت آن، فاصله هد از صفحات نیز بیشتر شود تا به سرعت نامی برسد).
هرگونه ذرات گرد و غبار بر روی صفحات می تواند مانع تشکیل این بالشتک هوا شود که آن صورت ممکن است هد با سطح صفحه تماس پیدا کند و به خصوص زمانی که صفحات با سرعت بالا در حال چرخش هستند این مسأله بسیار خطرناک بود زیرا می تواند باعث برخورد هد با صفحات و نهایتاً خرابی صفحات و از دست رفتن اطلاعات و ایجاد سکتور خراب (Bad Sector) شود.
برای به حداقل رساندن اینگونه خراب ها، سطح صفحات را با روغنی خاص پوشانده اند و از طرف دیگر این سطوح بقدری محکم و سفت هستند که می توانند در مقابل بلند شدن و نشستن هدها بر روی خود، در برابر آسیب و خرابی های جدی مقاومت کنند.
با توجه به ثابت بودن صفحات و محکم بودن جنس آنها و پلمپ بودن قسمت مکانیکی هارد (محفظه ای که صفحات و هدها در آن قرار دارند را HDA می نامند) چگالی شیارها یا ترک های روی یک دیسک می تواند بسیار بالا باشد.
در درایوهای امروزی تعداد این ترک ها به بالای 38000 ترک در اینچ (TPI) می رسد.
اجزای سخت افزای هارد دیسک با وجود تنوع مارک و مدل های مختلف هارد در بازار کامپیوتر، اما از نظر اجزای سخت افزاری با همدیگر تفاوتی ندارند و تفاوت فقط در نحوه ارتباط این اجزا و نوع و کیفیت مواد مورد استفاده آنها می باشد.
اجزای اصلی تشکیل دهنده یک هارد دیسک عباتند از: صفحات دیسک بورد منطقی یا کنترلر هدهای خواندن/ نوشتن کانکتورها و کابل ها مکانیزم حرکت هدها المانهای پیکربندی (مانند جامپرها و یا سویچ ها) موتور اسپیندل یا چرخاننده دیسک ها فیلترها همان طور که در فصل قبل اشاره شد، صفحه یا دیسکها، موتور اسپیندل، هدها و مکانیزم حرکتو فیلترها به صورت یک مجموعه، داخل محفظه ای پلمپ شده بنام (Hard Disk Assembler)HDA قرار دارند.
در این قسمت سعی داریم تا هر کدام از اجزاء فوق را به طور اجمالی مورد بررسی قرار دهیم.