تعرف علي بنية القرص الصلب Hard Disk و كيفية عمله

مما لا شك فيه أن كل جهاز كمبيوتر الان يحتوي علي قرص صلب (Hard Disk ) ان لم يكن أكثر, بل ان العديد من الحاسبات الكبيرة كالسيرفرات و غيرها تحتوي علي المئات من الأقراص الصلبة!! .

 و يتمثل الدافع الرئيسي وراء استخدامنا لكل هذه البلايين من الاقراص الصلبه في شئ واحد : وهو أنها تستطيع الاحتفاظ بالكثير من البيانات بعد أن تفصل الكهرباء عن الحاسب , حيث يستطيع القرص الصلب أت يخزن البيانات الرقمية علي هيئة مغناطيسية.

 غير واضح أليس كذلك؟!,, لا توجد مشكلة , لنبدأ بالتعرف أكثر علي القرص الصلب...

 أساسيات القرص الصلب :

 تم اختراع الأقراص الصلبة في الخمسينيات , وكانت عبارة عن أقراص كبيرة يصل قطرها الي حوالي 20 بوصة و علي الرغم من حجمها الكبير الا أنها كانت تتسع للقليل من ال  Megabytes فقط!!. ولم تكن تعرف في ذلك الوقت بال Hard disk بل كانت تعرف بال Fixed disks أو بال Winchesters, وجاءت التسمية HardDisk بعد ذلك لكي يتم التفرقه بينها و بين الاقراص المرنه.

 وكما هو واضح من اسمه يحتوي القرص الصلب علي "قرص صلب" أو ما يعرف ب platter , هذا القرص توضع عليه المادة المغناطيسية التي تستخدم في حفظ البيانات , هذه المادة المغناطيسية هي نفسها المادة المستخدمة في الاقراص المرنة و شرائط الكاسيت , ولكن الفرق هو أن الاقراص المرنة و الكاسيت يتم فيها وضع المادة المغناطيسية علي ماده بلاستيكية مرنة.

ولكن بشكل عام فان القرص الصلب لا يختلف في طريقه تخزينه للبيانات عن شرائط الكاسيت و الاقراص المرنة فكلاهما يستخدم نفس طرق التخزين المغناطيسية , تتميز طرق التخزين المغناطيسية في أنه من السهل الكتابة و المسح و اعادة الكتابة علي المادة المغناطيسية , وكذلك يمكن للمادة المغناطيسية أن تحتفظ بالمعلومات المخزنه عليها -علي هيئة فيض مغناطيسي- لعدة سنوات.

يتم تخزين البيانات علي القرص الصلب علي هيئة ملفات Files ال file عبارة عن مجموعة من ال bytes , مجموعة ال bytes هذه قد تكون عبارة عن مجموعه من ال ASCII Code لمجموعة حروف موجودة في ملف نصي أو مجموعة تعليمات لبرنامج ما لكي ينفذها الكمبيوتر أو تكون مجموعة من ال pixles تعبر عن صورة ما أو مجموعة سجلات في قاعدة بيانات , عموما أيا كان ما تحتويه ; فان الملف في النهاية هو مجموعه من ال BYTES , و عندما يطلب الكمبيوتر من القرص الصلب هذا ال FILE فان القرص الصلب يقرأ مجموعة ال Bytes -المخزنة علي الماده المغناطيسية- ثم يجمهعا و يرسلها للكمبيوتر.

ماذا يوجد داخل القرص الصلب :

أولا ينبغي أن نعرف أن القرص الصلب -بشكل عام- يحتوي علي أجزاء الكترونية و أجزاء ميكانيكية :

    *  الاجزاء الميكانيكية :

قرص تخزيني (أو عده أقراص متحدة المحور) مغطي بمادة قابلة للمغنطة.

رؤوس القراءة والكتابة.

ذراع يحمل رؤوس القراءة والكتابة.

منظومة ميكانيكية لتحريك الذراع.

موتور لتدوير الأقراص التخزينية.

    * الاجزاء الاكترونية : عبارة عن لوحة إلكترونية توجد أسفل القرص الصلب.

سنبدأ الان بتشريح القرص الصلب :

هذا هو الشكل الخارجي العام للقرص الصلب (الاول من نوع Seagate والثاني WD ) :

كما نري القرص الصلب يكون محمي بغطاء من الألمنيوم :

و بأسفل القرص الصلب نري لوحة التحكم الإلكترونية :

مسئولية مجموعة الإلكترونيات هذه هي : التحكم في عملية القراءة و الكتابة علي القرص الصلب و أيضا التحكم في الموتور الذي يقوم بتدوير ال platters , حيث تقوم هذه الإلكترونيات بتجميع المجالات المغناطيسية المخزنه علي الماده المغناطيسية و تحويلها الي مجموعة من ال bytes (عملية القراءة),و أيضا تقوم بتحويل ال bytes المراد تخزينها علي القرص الصلب الي مجموعه من المجالات المغناطيسية لكي تخزن علي المادة المغناطيسية (عملية الكتابة).

نقوم الان بإزالة الغطاء الألمنيوم من علي القرص الصلب فنري الاتي داخل القرص الصلب :

 في الصورة السابقة نري الاتي :

    *  Platters أو أقراص التخزين ( في الصورة هو ذلك القرص الدائري اللامع), هذه الاقراص هي التي يتم تخزين البيانات عليها كما ذكرنا من قبل , وعادة ما يتم تدويرها بسرعة 3600 أو 7200 لفة في الدقيقة أثناء عمل القرص الصلب , و يمكن أن يحتوي القرص الصلب علي أكثر من Platter تكو ن متحدة المحور ,وكلما زاد عدد هذه الأقراص و كثافة التقسيمات التي عليها - سنوضح ذلك فيما بعد - زادت السعة التخزينية للقرص الصلب , وتصنع هذه الأقراص من الألمونيوم أو - في الأقراص الحديثة - من الزجاج المقوى بالسيراميك الذي يعتبر أفضل أداءً حيث أن مقاومته للارتفاع في درجة الحرارة أفضل , ويتم صقل هذه الأقراص بحيث تصبح ملساء جدا كالمرآة .

 و هذه الأقراص لايمكنها حفظ الشحنة المغناطيسية اللازمة لعملية التخزين في حد ذاتها , بل يجب أن تغطي هذه الأقراص بمواد يمكنها حفظ الشحنة المغناطيسية.

    * الذراع arm الذي يحمل رؤوس القراءة و الكتابة ReadWrite heads , و يلزم لكل قرص تخزيني رأسين واحد للقراءة و الآخر للكتابة و مكانهم كالاتي: واحد أسفل القرص التخزيني و الاخر أعلي القرص التخزيني , فمثلا لو كان لدينا 3 أقراص تخزينية فاننا نحتاج ل 6 رؤوس قراءة و كتابة , ولا تكون رؤوس القراءة والكتابة ملامسة لسطح أقراص التخزين بل تكون مرتفعه عنها بمقدار صغير جدا , بل إن الرأس اذا لامست القرص التخزيني فسيؤدي ذلك لتلف الجزء الذي لامسته - يسمي الجزء التالف ب Bad Sector -.

 ويتم تحريك هذه الذراع-الخفيفة الوزن جدا- بواسطة منظومة ميكانيكية دقيقة جدا و سريعة جدا , ويمكن لهذه المنظومة أن تحرك الذراع من داخل قرص التخزين الي حافته والعكس 50 مرة في الثانية الواحدة !!!!!!!!!! , ويمكن أن يتم بناء مثل هذه المنظومة باستخدام موتور خطي Linear سريع .

يوجد الان نوعان من التكنوليجيا التي تستخدمها هذه المنظومة الميكانيكية :

    * الأولي : تعرف بال band stepper motor و تعتمد في فكرتها علي كمية الكهرباء التي ترسلها لوحة التحكم الالكترونية , و لكن هذه التكنوليجيا غير مستخدمة لأنها كثيرة المشاكل نتيجة لتأثرها بدرجة الحرارة و لأنها تتلف بسرعة.
    * الثانية : Voice Coil في هذا النوع تقوم لوحة التحكم الاكترونية بارسال تيار كهربائي إلى المحرك وهذا التيار يستخدم في توليد مجال مغناطيسي لتحريك الذراع ضد زنبرك , مما يجعل لوحة التحكم الاكترونية قادرة على التحكم بموقع الرأس-لأنها تتحكم بالذراع- عن طريق التحكم في شدة التيار الكهربائي.

 تخزين البيانات علي القرص الصلب :

يتم تخزين البيانات علي القرص الصلب في قطاعات Sectors و مسارات Tracks , المسارات عبارة عن دوائر متحدة المركز , و القطاعات هي أجزاء من المسارات , الشكل التالي يوضح ذلك :

 اللون الأحمر يمثل المسار , واللون الازرق يمثل القطاع.

وكلما تمكننا من زيادة عدد القطاعات في المسار الواحد زادت السعة التخزينية الكليه للقرص الصلب. يحتوي القطاع علي عدد محدد من ال bytes مثلا 256أو 512 بايت , و لكن نظم التشغيل غالبا ما تتعامل مع القطاعات بأن تقسم كل مجموعة منها الي ما يعرف ب Cluster .

كيف يتم توصيل القرص الصلب بالكمبيوتر :

تستخدم الأقراص الصلبة نوعين من ال Interface للتعامل مع الكمبيوتر :

    *  EIDE ويمكن اختصارها الي " IDE " و فيها تكون الإلكترونيات اللازمة لتشغيل القرص موجودة بداخله - في لوحة التحكم الالكترونية - وليس خارجه ، وهي الأكثر شيوعاً بين مستخدمي الكمبيوتر , وهي نفسها المستخدمة في مشغلات الاسطوانات المدمجه , ويتم توصيل القرص الصلب باللوحة الأم عن طريق كابل مباشرة دون استخدام كروت اضافية.
    * SCSI هذا النوع أسرع بكثير من النوع الاول و لكنه أيضا مكلف عنه , ويستخدم غالبا في السيرفرات والاجهزة التي تتطلب سرعات عالية , ولكن لتوصيل القرص الصلب مع اللوحة الأم يلزم أن يكون هناك كارت اضافي يركب باللوحة الأم.

العوامل المؤثرة علي الاقراص الصلبة :

    *  معدل نقل البيانات Data rate هو عدد ال Bytes التي يتم نقلها من القرص الصلب للكمبيوتر في الثانية الواحدة, ويتراوح بين 5 الي 40 ميجابايت في الثانية الواحدة.
    * زمن الوصول Seek Time هو الزمن المستغرق بين طلب الملف من القرص الصلب و وصول أول Byte من الملف الي الكمبيوتر.
    * سرعة دوران القرص الصلب , فكلما كانت سرعة الدوران أعلي كان ذلك أفضل.
    * نوع ال Interface  الذي يستخدمه القرص الصلب.
    * الكثافة التخزينية , وهي عدد ال Bytes التي يمكن تخزينها في مساحة معينة من القرص الصلب.
    * وطبعا الأهم من ذلك السعة capacity الكلية للقرص الصلب مثلا 20 , 40 , 80 , 120 جيجابايت .