هارد hdd چیست و چه کاربردی دارد؟

در اين مقاله به تعریف هارد ديسک چیست (Hard Drive) و چگونه كار مي‌كند؟ می‌پردازیم. اگر قصد خرید هارد برای سرور قصد را دارید، این مقاله برای شما مفید خواهد بود. زیرا در ادامه با اجزا و قطعات داخلی هارد هم آشنا می‌شویم. با ما همراه باشید تا با چگونگی کارکرد هارد و HDD آشنا شوید.

هارد دیسک (HDD) چیست؟

هارد دیسک (Hard disk drive) یا درایو دیسک سخت، یکی از مهم‌ترین اجزای رایانه است که وظیفه ذخیره سازی دائمی اطلاعات را بر عهده دارد. این قطعه از صفحات مغناطیسی چرخان، هد خواندن و نوشتن، بازوی محرک و برد کنترلر تشکیل شده‌است.

اطلاعات روی سطوح مغناطیسی صفحات دیسک به صورت دودویی ذخیره می‌شوند. هارد یک یا چند پلاتر دارد که داخل محفظه‌ای با هوای ایزوله قرار دارند و اطلاعات با هد مغناطیسی روی پلاتر نوشته می‌شود. این هد با سرعت زیاد روی پلاترها می‌چرخد. بازوی محرک وظیفه جابجا کردن هد روی دیسک را بر عهده دارد و برد کنترلر نیز عملیات مربوط به خواندن و نوشتن اطلاعات را کنترل می‌کند.

هارد دیسک‌ها در ظرفیت‌ها و سرعت‌های مختلفی به بازار عرضه می‌شوند. هر هارد دیسکی فضای مشخصی دارد که بخشی از آن به صورت اتوماتیک برای سیستم‌عامل و نصب بکاپ استفاده می‌شود و باقی فضا برای اطلاعات شما باقی می‌ماند. ظرفیت هارد دیسک با واحدهای گیگابایت (GB) و ترابایت (TB) اندازه گیری می‌شود. سرعت هارد دیسک نیز با پارامترهایی مانند RPM (دور در دقیقه) و نرخ انتقال داده سنجیده می‌شود.

تاریخچه به وجود آمدن هارد دیسک (hdd)

اولین هارد درایو در سال 1956 توسط IBM و رینالد جانسون ارائه شد. تیم جانسون با روش‌های مختلف ذخیره سازی اطلاعات روی نوار مغناطیسی آشنا بودند و راه ذخیره اطلاعات را روی دیسک‌های مغناطیسی و فلزی پیدا کردند. این هارد می‌توانست اطلاعات را بازنویسی کند.

• اولین نسخه تجاری هارد درایو با عنوان RAMAC که مخفف Random Access Method of Accounting and Control است با اندازه بزرگ در حد کمد تولید شد. ظرفیت آن فقط 5 مگابایت بود و قیمتش پنجاه هزار دلار یعنی ذخیره هر مگابایت ده هزار دلار تمام می‌شد. هارد درایو در داخل کامپیوتر تعبیه می‌شد و دیگر نمی‌توانستیم آن را خارج کنیم. قطر دیسک‌ها در هارد دیسک‌های اولیه حدود 20 اینچ بود.
• IBM در سال 1960 فلاپی دیسک‌ها را عرضه کرد که قطر دیسک در آنها 8 اینچ بود و فقط می‌توانستند اطلاعات را بنویسند و در اصطلاح Read Only بودند. اولین درایو read/write در سال 1972 توسط آلن شوگارت به بازار عرضه شد. دیسک مغناطیسی و فلاپی دیسک کوچک و قابل حمل در کنار یکدیگر، اساس هارد درایو اولیه شدند.
• IBM در سال 1963 اولین هارد درایو قابل جدا کردن را با ظرفیت 2.6 مگابایت ارائه داد.
• IBM اولین هاردی که ظرفیت ذخیره سازی یک گیگابایت را داشت در سال 1980 عرضه کرد. وزن آن 250 کیلوگرم و قیمتش چهل هزار دلار بود.
• در سال 1983 هارد درایو 3.5 اینچی توسط Rodime معرفی شد و ظرفیت ذخیره سازی 10 مگابایت را داشت.
• سیگیت اولین شرکتی بود که هارد درایو 7200RPM را در سال 1992 معرفی کرد. سیگیت همچنین اولین هارد درایو 10000RPM را در سال 1996 و اولین هارد درایو 15000RPM را در سال 2000 ارائه داد.

هارد hdd چگونه کار می کند؟

اکثر هارد دیسک‌ها از چندین صفحه مغناطیسی (پلاتر) تشکیل شده‌اند. این صفحات دایره‌ای شکل از آلومینیوم، شیشه یا سرامیک ساخته شده‌اند و در داخل محفظه هواگیری شده، به دور یک محور (اسپیندل) قرار می گیرند.

یک موتور به محور متصل است که باعث چرخش صفحات می‌شود. همچنین درون محفظه، هدهای خواندن و نوشتن قرار دارند. این هدها با استفاده از خاصیت مغناطیسی، اطلاعات را روی مسیرهای حکاکی شده روی صفحات ذخیره و بازیابی می‌کنند. سطح این صفحات با یک لایه نازک مغناطیسی پوشیده شده‌است.

موتور باعث چرخش صفحات تا سرعت 15,000 دور در دقیقه می‌شود. حین چرخش صفحات، موتور دیگری موقعیت هدهای خواندن و نوشتن را کنترل می‌کند. این هدها به طور مغناطیسی اطلاعات را روی هر صفحه ثبت و بازیابی می‌کنند.

انواع هارد دیسک کدامند؟

انواع هارد دیسک از جنبه‌های مختلف قابل بررسی است: اندازه یا شکل ظاهری، نوع کاربری،سرعت، هارد اینترنال و اکسترنال

• انواع هارد hdd براساس اندازه یا شکل ظاهری

هارد دیسک بر اساس نوع کاربری، در سایزهای مختلف وجود دارد، مثلا روی آیپدهای قدیمی و گوشی موبایل‌های نوکیا N95 (با ظرفیت 8 گیگ) هارد داشتیم. اما معمول‌ترین اندازه و سایز برای هارد دیسک 2.5 اینچ و 3.5 اینچ است.

• انواع هارد hdd براساس کاربری

طبقه بندی هارد‌ها هم نکته مهمی است که باید به آن توجه کرد. مثلا رده خانگی، ذخیره فیلم و عکس، کار و ذخیره دیتا به صورت 24 ساعته و …

• انواع هارد از نظر سرعت

سرعت هارد درایو یعنی هارد با چه سرعتی می‌تواند اطلاعات را بنویسد یا بخواند. در هارد درایوهای مکانیکی سرعت چرخش – Spin Speed مهم است، مثلا درایو 7200RPM از 5400RPM سریع‌تر و SSD از هر دوی اینها سریع‌تر.

• هارد اینترنال

هارد درایوی که داخل دستگاه و کامپیوتر قرار می‌گیرد و مستقیم به مادربرد وصل می‌شود، هارد اینترنال نامیده می‌شود. در کامپیوترهای دسکتاپی تعویض و ارتقای هارد آسان است و کافی است هارد قبلی را از روی مادربرد جدا و هارد جدید را جایگزین کنید. ارتقای هارد در لپ تاپ به این آسانی نیست و باید به سایت تولیدکننده لپ تاپ مراجعه کنید تا بتوانید به درستی هارد را تعویض کنید.

هارد دیسک اینترنال برای اتصال به مادربرد از درگاه و کابل ATA و IDE و SCSI و SATA و SAS استفاده می‌کند لذا از این منظر هم می‌توانیم انواع هارد را بررسی کنیم.

• هارد اکسترنال

هارد اکسترنال بیرون از کامپیوتر و لپ تاپ قرار دارد یعنی به صورت پورتابل و مستقل است و اغلب از طریق USB یا کابل Thunderbolt به کامپیوتر وصل می‌شود. سرعت این هارد به دلیل نوع اتصال، کم‌تر از هارد اینترنال است اما قطع و وصل کردن اتصال آن آسان است.

هارد اکسترنال به منظور افزایش ظرفیت ذخیره سازی یا بکاپ از اطلاعات استفاده می‌شود. هارد اکسترنال در شکل و اندازه‌های مختلفی هستند مثلا در ابعاد یک کتاب یا هم اندازه اسمارت فون. مطالعه مقاله “هارد اکسترنال، مزایا و معایب آن و نحوه رفع خطا و ارتباط با سیستم های مختلف” را از دست ندهید.

گفتگوی TechTalk: بررسی هارد دیسک و اجزای آن

در این قسمت، کارشناسان ما مهندس محمد اعلم ملکی، مهمان مریم فقیهی است تا به موضوع  “هارد دیسک و اجزای آن ” بپردازند. در این گفتگوی تک تاک، درباره اینکه هارد چیست و چه اجزایی دارد، و این اجزای هارد با هم چگونه کار می‌کنند و چه وظایفی دارند، تکنولوژی HMAR چیست، صحبت می‌کنیم. با ما همراه باشید.

اجزا و قطعات داخلی هارد hdd چیست؟

هارد ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که داخل آنها قابل دیدن نیست. بیایید سفری کوتاه به داخل این قطعه کلیدی داشته باشیم و به کالبد شکافی و بررسی اجزای هارد دیسک بپردازیم.

ساختار هارد دیسک از دو قسمت اصلی تشکیل شده است:

1. برد الکترونیکی (Logic Board)
2. قسمت مکانیکی هارد (Hard Drive Assembly) که به صورت مخفف HDA شناخته می‌شود.

قطعات داخلی هارد دیسک مغناطیسی عبارتند از:

1. کنترل کننده مرکزی یا Actuator که شامل سه قطعه VCM، Axe و دسته است.
2. محفظه یا مدیا
3. دیسک چرخان یا پلاتر
4. اسپیندل یا موتور چرخان
5. VCM یا voice coil motor
6. فلپ انعطاف پذیر
7. اسلایدر Slider هد هارد
8. هد هارد
9. دسته و بازوی نگهدارنده هد
10. درپوش هارد

اعضای تشکیل دهنده برد الکترونیکی (Logic Board) هارد دیسک

• مدار الکترونیکی یا برد هارد دیسک

برد الکترونیکی شامل کنترلر موتور، بافر، CPU و مترجم است. روی برد، پردازش‌ها انجام و اطلاعات به VCM ارسال می‌شود و VCM هد را به نقطه‌ای که باید، می‌برد. تمام چیپست‌ها و ICهای هارد دیسک روی بردی که در تصویر زیر می‌بینید، نصب شده‌اند.

• کنترلر هارد درایو

بزرگترین IC موجود روی برد هارد دیسک، کنترلر هارد است که به عنوان مغز مدار الکترونیک عمل می‌کند.

• حافظه کش هارد

کنار چیپست کنترل‌کننده هارد، چیپست مستطیل شکلی وجود دارد که به عنوان حافظه کش هارد استفاده می‌شود.

• IC رام (ROM) هارد

حافظه رام موجود در هارد با قطع برق اطلاعات خود را از دست نمی‌دهد و قابل برنامه‌ریزی است. در بعضی از هاردها حافظه رام به صورت IC جداگانه استفاده می‌شود و در بعضی از هاردها IC داخل خود کنترلر جاساز می‌شود.

• IC درایور موتور هارد

کار چرخاندن دیسکِ گردان را موتور حرفه ای و با دوامی انجام می‌دهد. چرخاندن این موتور نیاز به انرژی زیادی دارد به همین دلیل در کنار اکثر موتورها، IC راه انداز یا درایور نصب می‌شود.

2- معرفی اجزای قسمت مکانیکی هارد (Hard Drive Assembly)

1. کنترل کننده مرکزی یا Actuator

کنترل کننده مرکزی یا Actuator، شامل سه قطعه VCM، Axe و دسته است:

• VCM
• Axe جایی است که هد می‌چرخد.
• دسته هد شروع می‌کند به حرکت کردن و هد را روی صفحه ای که باید می‌برد. دسته هد با دقت بسیار بالایی حرکت می‌کند و هد را به مکان ذخیره دیتا می‌برد. گفتیم که پردازش های مربوط به مشخص کردن محل قرار گیری دیتا روی هارد، در برد هارد انجام می‌شود.

2. دیسک گردان یا پلاتر Platter هارد

پلتر چیست؟ هارد دیسک‌ها یک یا چند دیسک گردان دارند که به یک موتور وصل است. به این دیسک‌های گردان، پلاتر گفته می‌شود. اطلاعات هارد روی همین پلاتر‌ها ذخیره می‌شود.

پلاتر Platter هارد، دایره‌ای است که از دایره‌های غیر هم شعاع و غیر متقاطع و متحدالمرکز تشکیل شده‌است. در بازار به غلط به پلاتر، سیلندر می‌گویند، در حالی که سیلندر مفهوم منطقی است نه فیزیکی. سیلندر، قطاع های فرضی و منطقی است. CHS یا Cylinder Head Sector، نحوه ذخیره سازی به صورت منطقی روی هارد دیسک است.

پلاتر بسته به نوع کاربری، از آلیاژهای مختلفی ساخته می‌شود. برای استفاده در DVR یا دوربین مداربسته، نیاز به صفحه‌ای داریم که از ابتدا تا انتها شروع کند به نوشتن و دوباره از ابتدا تا انتها شروع کند به نوشتن. پس هم باید مقاوم باشد و هم هفت روز هفته و 24 ساعته بتواند کار کند. اما اگر قرار است پلیت در ذخیره دیتای کامپیوتر استفاده شود، هد باید مرتبا جامپ کند پس پلیت باید توان این جابجایی را داشته باشد.

تنها حالتی که اطلاعات هارد قابل بازیابی نیست زمانی است که روی پلیت خط افتاده باشد. مثلا در هارد باز شود و روی پلیت خط بیفتد یا انگشت فرد روی آن بیفتد یا کوچکترین گردوغباری وارد هارد دیسک شود، کار بازیابی اطلاعات هارد را بسیار سخت و گاهی غیرممکن می‌کند. پس در هارد را به هیچ عنوان نباید باز کنیم.

3. اسپیندل یا موتور چرخان در هد هارد

وظیفه موتور هارد، چرخاندن پلاتر هاست، این موتور با سرعت مشخص در حال چرخش است. سرعت چرخش این موتور، سرعت هارد را مشخص می‌کند. (5400 دور در دقیقه یا 7200 دور در دقیقه یا …)

موتور Spindle هارد، موتور بسیار دقیقی است که روی دور موتور مشخص و متمرکز شروع به چرخیدن می‌کند. چون موتور ویژه‌ای است، به سادگی نمی‌توانید تعویضش کنید یا پلیت‌های هاردی را در هارد دیگر قرار دهید. حتما باید مترجم و فریمور Firmware هارد  با نوع موتور همخوان باشد. اصطلاحا به اسپیندل Servo Motor می‌گویند.

4. موتور محرک یا Voice Coil یا VCM در هارد دیسک

VCM یا voice coil motor موتوری است که باعث حرکت بازوی حرکتی می‌شود. VCM جایی است که دسته نگهدارنده هد تقریبا در حالت بدون وزن قرار دارد و با کوچکترین الکترون وارده، شروع می‌کند به نوسان و حرکت دادن بازو.

5. اسلایدر هد هارد

هد، قطعه ظریفی است که روی اسلایدر قرار دارد و اسلایدر روی فلپِ انعطاف پذیر است. این فلپ در حال پرواز کردن و شناور است. وقتی پلیت با سرعت 5400 دور یا 7200 دور یا بالاتر (در هارد های انترپرایزی) شروع به چرخیدن می‌کند، طوفانی به وجود می‌آید که هوا به شدت می‌چرخد و صدایی که در این لحظه از هارد شنیده می‌شود به همین دلیل است.

این طوفان باعث می‌شود هوا به زیر فلپ برود و آن را بلند کند. در فاصله 5 نانومتری از سطح پلیت شروع به پرواز می‌کند و در این پرواز به نوشتن و ذخیره اطلاعات می‌پردازد. دو رشته DNA است که روی هم قرار می‌گیرند یا یک دهم قطر مو، 5 نانومتر است.

6. بازوی حرکتی و هد در هارد دیسک

هد هارد چیست؟ هدهای خواندن و نوشتن موجود در هارد روی نوک یک بازوی متحرک قرار دارند تا به هر نقطه‌ای از دیسک دسترسی داشته باشند.

هد read/write دیتا را از پلاتر دیسک می‌خواند. هارد درایو برای هر پلاتر یک هد دارد که هنگام Idle بودن روی پلاتر قرار می‌گیرد. وقتی پلاتر می‌چرخد در فاصله 5 نانومتری پلاتر قرار می‌گیرد.

نقش فیلتر هوا در هارد چیست؟

داخل هارد دیسک‌ها، فیلتر هوا قرار دارد تا ذرات میکروسکوپی و ریز هوا را بگیرد و از نشستن آن ها روی پلاتر‌ها جلوگیری کند. فیلتر هوا کمک می‌کند فشار هوا در داخل و بیرون از هارد برابر شود.

با وجود تمام تمهیداتی که کارخانه تولید هارد دیسک اندیشیده است، باز هم ممکن است ذره‌ای گردوغبار وارد هارد شود. در شرایط و محیطی که از هارد استفاده می‌شود گرد و خاک زیادی باشد، در این صورت هوای موجود در هارد دیسک ممکن است آلوده شود. بسته به نوع هارد دیسک، دو یا سه فیلتر در داخل هارد قرار دارد.

انواع فیلتر هوا در هارد دیسک

1. یک فیلتر داریم که با ابزار پلاستیکی به جداره هارد چسبیده و کلفت است. این فیلتر هوای تازه را از بیرون به داخل هارد می‌کشد. وقتی از بیرون هارد به هارد دیسک نگاه می‌کنیم، سوراخی هست که نوشته شده اینجا را سوراخ نکنید. اگر سوراخ کنید، هارد از بین می‌رود.
2. فیلتری داریم که پشت هد و پلیت قرار دارد و هنگامی که طوفان هوا به وجود می‌آید، اگر گردوغباری وجود داشته باشد، با نیروی گریز از مرکز به بیرون پرت می‌شود و پشت این فیلتر می‌چسبد. البته امکان دارد قبل از اینکه این گردوغبار به پشت فیلتر هدایت شود، هد روی آن برود. در این صورت هد از دست خواهد رفت.
3. در نسخه‌های قدیمی تر، اتصال بین برد و کنترلر اکس یا دسته هد، فیلتری وجود داشت که با طراحی‌های بهینه‌تر آن را حذف کرده‌اند.

آیا داخل هارد دیسک، خلا است؟

اگر به داخل هارد هوا وارد نشود، هارد اصلا کار نمی‌کند؛ پس این اشتباهی رایج است که داخل هارد، خلا است. اگر هارد دیسک در خلا باشد اصلا نمی‌تواند کار کند چون فلپ نمی‌تواند بلند شود و پروازی صورت نمی‌گیرد. در خلا همرفت انرژی صورت نمی‌گیرد تا گرما از داخل هارد دیسک خارج شود.

معنای سکتور در هارد دیسک چیست؟

سکتور مفهوم منطقی است که بر اساس Servo گذاری که روی هارد گذاشته شده، یعنی آدرس دهی که شرکت سازنده در هارد تعبیه کرده، هارد دیسک به دایره های غیر هم شعاعِ غیرمتقاطع تبدیل می‌شود که 63 تا 63 تا به صورت سیلندرهای مختلف از هم جدا شده‌اند. این 63 تا را در ارتفاع، سیلندر می‌خوانند و به هر کدام از این 63 ها یک سکتور گفته می‌شود.

سکتور به صورت فیزیکی روی بورد بیشتر از 512 بایت جا می‌گیرد، حدود 700 بایت. از این 700 بایت مقداری برای فلگ‌ها و پرچم‌ها و آدرس‌دهی‌ها برداشته می‌شود و 512 بایت برای شما باقی می‌ماند. اصطلاحی که متخصصین برای سکتور استفاده می‌کنند LBA است.

در حال حاضر ما سکتورهایی داریم که 4K هستند یعنی تا 8 سکتور در یک سکتور ذخیره شدند. هدف از آن استفاده بیشتر از فضای ذخیره سازی هارد است تا حجم بیشتر دیتا را در پلیت کوچکتری جا دهند. پس سکتورهای بیشتری در یک سکتور و در نهایت در یک پلیت جا می‌گیرد.

نحوه ذخیره اطلاعات در هارد ؛ کنترلر در هارد دیسک چگونه عمل می‌کند؟

کنترلر دیسک وظیفه نوشتن روی دیسک و خواندن از دیسک را به عهده دارد. این دستگاه به هارد می‌گوید که چه کاری انجام دهد و چگونه اجزای هارد را حرکت دهد.

کنترلر دیسک، وقتی سیستم عامل باید اطلاعاتی را بنویسد یا بخواند، جدول FAT – File Allocation Table هارد را بررسی می‌کند تا محل فایل و منطقه نوشتن قابل دسترس را مشخص کند. حالا دیسک کنترلر به Actuator دستور می‌دهد بازوی خواندن و نوشتن را حرکت دهد و هد خواندن و نوشتن را تنظیم کند. فایل اغلب بین چند پلاتر تقسیم شده در نتیجه هد باید بین مکان‌های مختلف حرکت کند تا به تمام اطلاعات دسترسی یابد.

خواندن و نوشتن روی هارد به صورت مغناطیسی انجام می‌شود. اگر قرار باشد اطلاعات از روی پلاتر خوانده شود، پولاریتی‌های مغناطیسی را از روی پلاتر می‌خواند. یک سر پولاریتی 0 است و سر دیگرش 1. با خواندن این دیتای باینری کامپیوتر می‌فهمد چه دیتایی روی پلاتر وجود دارد. اگر قرار باشد اطلاعات روی پلاتر نوشته شود، هد خواندن و نوشتن، پولاریتی‌های مغناطیسی را تنظیم می‌کند تا به صورت 0 یا 1 قرار گیرند و بعدا قابل خواندن باشند.

تکنولوژی HAMR

HAMR، تکنولوژی جدید ذخیره سازی روی Plateهاست که هنگام ذخیره سازی، پلیت را گرم می‌کند تا در کمترین فضای ممکن، بیشترین تاثیرگذاری را داشته باشید. در لحظه‌ای که روی نقطه‌ای از پلیت، دیتا نوشته می‌شود، آن نقطه گرم می‌شود تا هد تاثیرش را بگذارد چرا که در گرما، تاثیر مغناطیسی بیشتر خواهد بود.

کانکتور برق و کانکتور دیتا در هارد درایو

هارد های HDD دو سری پین اصلی دارند:

1. پینی برای برق هارد
2. پینی برای انتقال دیتا

پین های برق، 15 تایی و پین های دیتا، 7 تایی هستند.