تاريخچه ابزارهاي مغناطيسي

همان طور كه اغلب مي دانيم پيش از اختراع و كاربرد ابزارهاي مغناطيسي براي كامپيوترها ،استفاده از كارت پانچ ها ( كارت هاي سوراخ دار ) رايج بود اين مطلب را بسياري از دانشجويان واساتيدي كه قبل از سالهاي ۱۳۷۰هجري شمسي در دانشگاه ها حضور داشته اند به خوبي به خاطر مي آورند اولين استفاده از ابزارهاي مغناطيسي به ژوئن ۱۹۴۹ باز مي گردد كه گروهي از مهندسين شركت IBM روي دستگاهي با ضبط مغناطيسي براي كامپيوترها كار مي كردند كه اين تلاش منجر به ارائه آن در سال ۱۹۵۲ گرديد اما يك ابزار مغناطيسي كامل نبود چهار سال بعد

(۱۹۵۶)IBM اولين ديسك مغناطيسي خود را با ظرفيت ۵ مگابايت به همراه كامپيوتر IBM305 RAMACمعرفي كرد كه خواندن و نوشتن در هرمكاني از صفحات ديسك آن به صورت تصادفي و اتفاقي (RAM) قابل انجام بود (اين در حالي بود كه ابزارها ي ديگر ازقبيل نوار پانچ يا نوار تيپ به صورت تصادفي و اتفاقي قابل دستيابي براي نوشتن و خواندن نمي باشد بلكه بايد به صورت ترتيبي و پشت سر هم خوانده يا نوشته شوند تا به محل مورد نظر برسيد .)

اين درايو كه داراي۵۰ ديسك با قطر ۲۴ اينچ بود را با هارد ديسك امروزي با دو صفحه و قطر ۵/۳ اينچ كه ظرفيتي برابر با ۴۰،۶۰،۸۰يا ۱۰۰ يا ۱۲۰ گيگابايت دارد مقايسه كنيد تا شاهد تحول و پيشرفت در ابزارهاي ذخيره مغناطيسي باشيد.
شركت IBM (اولين سازنده كامپيوتر ) اولين طراح و سازنده درايوهاي مغناطيسي و حتي فلاپي

درايوها مي باشد كه در پيشرفت اين ابزارها و ارائه راه حل هاي تازه و جديد نيز هميشه حرف اول را مي زند و هر روز يك نظر و ايده جديد را براي كدبندي داده ها ( نظير MFM ,RLL) طرح هاي هد (نظير TF, MR,GMR,….) فن آوري جديد درايوها (نظير PRML , ضبط NO-ID ,S.M.A.R.T) ارائه ميدهد اين شركت مقام دوم فروش هاردهاي كامپيوتر بانام تجاري سيگيت (seagate) را دارا مي باشد.

ديسك هاي مغناطيسي و هد ها
هدهاي خواند / نوشتن در دستگاه هاي ذخيره مغناطيسي تكه هاي Uشكلي از مواد رسانا (CONDUCTIVE) هستند كه دو انتهاي اين Uبه طور دقيق در بالاي سطح ديسك يا رسانه ذخيره كننده اطلاعات قرار مي گيرد ( بسته به نوع و طرح هد و رسانه اين فاصله متفاوت است ) هد فوق با سيم پيچ هاي در بر گيرنده قسمت بالاي Uبرعكس شده پوشيده شده است كه يك جريان اكتريكي از آن عبور مي كند زماني كه مدار كنترلر درايو جرياني را از سيم پيچ ها عبور مي دهد در هد (قسمت نوك) يك ميدان مغناطيسي به وجود مي آيد تغيير قطبيت جريان الكتريكي مذكور سبب تغغير قطبيت ميدان مغناطيسي نيز خواهد شد به طور كلي با توجه به طرح و مواد مورد استفاده در ساخت هدها قابليت تغيير قطبيت ولتاژ آنها با سرعت بالا وجود دارد .
صفحات ديسك يا نوارهاي مغناطيسي از موادي خاص (نظير mylerدر فلاپي ديسك ها و آلومينيوم يا شيشه براي هاردديسك ) با پوششي به صورت يك لايه از مواد مغناطيسي رسوب داده شده ساخته مي شوند معمولاً اين ماده تركيب از اكسيد آهن و مواد افزودني ديگر مي باشد هر يك از ذرات مغناطيسي رسوب داده شده برروي شطح ديسك يانوار داراي ميدان مغناطيسي مختص خودمي باشد كه در زمان خالي بودن رسانه قطبيت نامنظم دارند .
با توجه به اينكه ميدان ذرات مذكور به جهت هاي اتفاقي و مختلف اشاره مي كنند هر ميدان مغناطيسي كوچك با ميدان ديگري كه در جهت مخالف قرار دارد خنثي مي شود و در اين حالت سطح رسانه داراي قطبيت هاي يكنواخت و واضحي نمي باشد .
زماني كه يك ميدان مغناطيسي توسط جريان عبوري از سيم پيچ هد ( خواندن /نوشتن) درايو ايجاد شوداين ميدان از شكاف (gap) ميان دو طرف uپرش مي كند از آنجاييكه يك ميدان مغناطيسي از رسانا راحت تر از هوا عبور مي كند بنا براين ميدان مغناطيسي از كم مقاومت ترين مسير يعني سطح رسانا كه داراي مواد فلزي خاص هستند عبور كرده و ذرات موجود در مسير قطبي خواهند شد به طوريكه با اين ميدان هم جهت شوند قطبيت ميدان و ذرات همان طور كه قبلاً گفته شد به جهت جريان الكتريكي اعمال شده به سيم پيچ هد بستگي دارد هر چند فاصله هد با سطح رسانه كمتر باشد اندازه حوزه مغناطيس ضبط شده (ميدان مغناطيسي)كوچتر بوده و در نتيجه چگالي اطلاعاتي كه در سطح رسانه ذخيره مي شوند بيشتر خواهدبود.
جهت يا قطبيت يك ميدان مغناطيسي را با پارامتري به نام شار (flux) مشخص مي كنند زمان

ي كه جريان الكتريكي در سيم پيچ هاي هد عكس مي شود شار يا قطبيت ميدان مغناطيسي موجود در شكاف هد نيز تغيير مي كند عكس شدگي شار (flux reversal) در هد باعث معكوس شدن قطبيت ذرات مغناطيس شده موجود در سطح رسانه ياديسك ميشود .
هد، تغييرات شار را در رسانه ايجاد مي كند تا اطلاعات ضبط گردند. اين هد براي هر يك از بيت هاي ۰ يا ۱، الگويي از عكس شدگي هاي شار مثبت به منفي و منفي ه مثبت ايجاد مي كند كه اين الگوها مربوط به ناحيه اي از سطوح ديسك به نام سلول‌هاي بيتي (bit cells) مي باشد. الگوي عكس شدگي هاي شار براي ذخيرة يك بيت در سلول آن يا ناحية خاص آن در سطح ديسك را

كدبندي (Encoding) اطلاعات گويند. بورد كنترلر دستگاه ذخيرة مغناطيسي، اطلاعاتي كه بايد ذخيره شوند را مي گيرد و در يك دوره زماني، آنها به عنوان جرياني از عكس شدگي هاي شار كدبندي مي كند.
در فرايندنوشتن اطلاعات بر روي سطح ديسك، ولتاژ به سيم پيچ هاي هد اعمال مي‌شود و همزمان با تغيير قطبيت اين ولتاژ، قطبيت ميدان مغناطيسي براي ضبط نيز تغيير مي كند، شار دقيقاً در نقاطي كه قطبيت ضبط تغيير مي كند نوشته مي شود. اما در طي فرايند خواندن، هد همان سيگنال نوشته شده را ايجاد نخواهد كرد بلكه، فقط هنگام عبور از يك گذار شار، يك پالس ولتاژ ايجاد مي كند. زماني كه گذار از منفي به مثبت تغيير مي يابد پالس مذكور مثبت مي باشد. از آنجا كه هد، موازي با ميدان هاي مغناطيسي ايجاد شده در رسانه حركت مي كند، در زمان خواندن، فقط وقتي كه از يك قطبيت يا گذار شار (عكس شدگي شار) مي گذرد ولتاژ ايجاد مي نمايد. در حقيقت زماني كه عمل خواندن از ديسك يا رسانه انجام مي شود، هد به يك كشف كنندة گذار شار تبديل مي شود. در نواحي فاقد گذار شار، هيچ گونه پالسي به وجود نمي آيد.
به عبارت ديگر در زمان خواندن، ولتاژ سيگنال صفر است مگر اينكه هد يك گذار شار مغناطيسي را كشف كند كه در اين صورت بسته به نوع تغيير گذار، مالس مثبت يا منفي ايجاد مي شود.
جريان پالس هاي الكتريكي كخ هنگام خواندن هد از سطح رسانه به وجود مي آيند بسيار ضعيف بوده و نويز زيادي را در بر مي گيرند. بورد كنترلر درايو، سيگنالهاي بالاي سطح نويز را تقويت كرده و رشته جريان هاي پالس ضعيف را به صورت اطلاعات باينري (دودويي) كد گشايي (Decode) م

ي نمايد كه ظاهراً اين اطلاعات با اطلاعات در هنگام ضبط يكسان مي باشند.

۴-۱ طرح هاي هد مغناطيسي خواندن/ نوشتن
همزمان با متحول شدن فناوري ديسك درايو، طراحي هد خواندن/ نوشتن نيز پيشرفت كرد. در اولين هدها، از يك هسته آهني ساده كه بدور آن سيم پيچي هاي پيچيده شده بود استفاده مي شد. اين هد از نظر اندازه، بزرگ و حجيم و همچنين داراي چگالي ضبط پايين بود. پس از گذشت سال ها، طرح هاي ساده جاي خود را به هدهاي با هسته فريت با ويژگي ها و فن اوري هاي متعدد داده اند كه در اين قسمت به طور كامل در مورد آنها صحبت خواهيم كرد و مهم ترين آنها عبارتند از:
 فريت (Feerite)
 فيلم نازك (Thin- Film)

 فلز داخل شكاف (metal- In- Gap)
 مقاومت مغناطيسي (Magneto- resistive)
 مقاومت مغناطيسي بزرگ (GMR)

تعريف هارد ديسك
براي بسياري از كاربرها، هارد ديسك به عنوان مهم ترين و مرموزترين قطعة يك سيستم كامپيوتر به حساب مي آيد در واقع هارد ديسك يك المان غير قابل نفوذ است كه براي ذخيرة اطلاعات دايم و ثابت (nonvolaile)به كار برده مي شوذ. ذخيره اطلاعات به صورت دايمي يا نيمه دايمي بدان معني است كه حتي با قطع جريان برق نيز پاك نشده و در آن باقي مي ماند. بنابراين هر كامپيوتر براي ذخيرة اطلاعات كاربر بصورتيكه با خاموش شدن آن پاك نشود نياز دارد كه از آن مراقبت هاي خاصي به عمل آيد. با توجه به اهميت اطلاعات فوق.
هر هارد ديسك شامل صفحه هاي دايره اي شكل سختاز جنس آلومينيوم يا شيشه مي باشد. بر خلاف فلاپي ديسك ها و يا نوارهاي تيپ (Tape- Disk)، اين صفحه قابليت انعطاف و خم شدن را ندارند از اين رو به آن هارد ديسك (ديسك يا صفحات سخت) گفته مي شود در اغلب هاردها، اين صفحات قابل تعويض نبوده و به همين دليل به آنها ديسك هاي ثابت (Fixed) نيز گفته مي شود.

مراحل تكامل هارد ديسك
اگرچه از زمان ساخت و استفاده از هارد درايوها (سال ۱۹۵۶) مدت زمان زيادي مي گذرد ولي از تحول پذيري و متداول شدن استفاده از آنها در سيستم هاي كامپيوتري شخصي، بيش از ۲۰ تا ۳۰ سال نمي گذرد ولي در همين مدت شاهد تحولات تغييرات اساسي و بنيادين در ساختار آنها بوده ايم كه در فصل اول، گوشه اي از اين تحولات را در هدهاي ساختار ذخيره مغناطيسي مورد بررسي قرار داديم. در اين قسمت، به طور فهرست وار چند نمونه از اين تغييرات را كه به نحو ذخيره سازي اشاره دارد ذكر مي كنيم.
 افزايش ظرفيت و گنجايش ذخيره سازي:اگر در سال ۱۹۸۲ ظرفيت هارد درايوهاي ۲۵/۵ به ۵ تا ۱۰ مگابايت براي سيستم هاي روميزي و اداري محدود مي شد اما امروزه اين ظرفيت تا ۱۸۰ گيگابايت و بالاتر در قالب هاردهاي ۴۰، ۶۰، ۸۰، ۱۰۰، ۱۲۰ و بالاتر در بازار يافت مي شود و كمتر كامپيوتري را مشاهده مي كنيد كه داراي هارد ديسك كمتر از ۲۰ يا ۴۰ گيگا بايت باشد.
 افزايش نرخ انتقال اطلاعات: سرعت يا نرخ انتقال اطلاعات از سطح ديسك يا رسانه اگر در سال ۱۹۸۲ بين ۸۵ تا ۱۰۲ كيلوبايت در ثاينه بود در حال حاضر به مقدار بالاي ۱۵/۵۱ مگابايت رسيده است.

 كاهش زمان متوسط جستجو (مدت زماني كه هدها براي رسيدن به يك سيلندر خاصي نياز دارند): اين زمان در سال ۱۹۸۲ براي هاردهاي ۱۰ مگابايتي سري  بيش از ۸۵ ميلي ثانيه بود در حالي كه هم اكنون به كمتر از ۴ ميلي ثانيه رسيده است.
 قيمت: اگر در سال ۱۹۸۲ قيمت يك هارد ۱۰ مگابايتي بيشتر از ۱۵۰۰ دلار
(۱۵۰ دلار براي هر مگابايت) بود در حال حاضر اين قيمت به قدري كاهش يافته كه مي توان گفت بهاي هر مگابايت به كمتر از نيم سنت رسيده است.

ساختار عمليات هارد ديسك
ساختار اصلي و فيزيكي يك هارد ديسك از ديسك هاي چرخان به همراه هدهايي كه در بالاي آنها حركت مي كنند تشكيل شده است. اطلاعات در شيارها و سكتورها ذخيره مي‌شود. هاردها اطلاعات را در دواير متحدالمركزي به نام شيار (ترك: Track) كه خود به قسمت هاي به نام سكتور تقسيم مي شوند ذخيره و مديريت مي كنند. ظرفيت هر سكتور به طور معمول ۵۱۲ بايت است.
معمولاً هر هارد ديسك از چندين ديسك تشكيل شده است كه به آنها صفحه (Platter) گفته مي شود. صفحه ها روي همديگر قرار گرفته و همزمان توسط يك موتور به نام اسپيندل مي چرخند. اطلاعات در دو روي اين ديسك ها يا صفحات ذخيره مي شود. بسته به نوع هارد، هر هارد ديسك مي تواند ۲ يا ۳ صفحه يا بيشتر داشته باشد كه براي خواندن و نوشتن به ترتيب ۴ يا ۶ هد يا بيشتر نياز دارد. شيارهاي همتراز شدة (يكسان) واقع در دو طرف تمام صفحات، يك سيلندر

(cylinder) را تشكيل مي دهدند همان طور كه گفتيم هر صفحه يك هد دارد اين هدها همگي بر روي بازويي نصب شده اند كه وظيفة حركت و حمل هدها را بر عهده دارند. هدها به صورت شعاعي روي ديسك به طور همزمان توسط يك موتور (پله اي يا حلقه صوتي) حركت داده مي شوند. بنابراين هر هد به طور مصتقل عمل نمي كند.
اكثر صفحات هارد ديسك اوليه با سرعت ۳۶۰۰ دور در دقيقه (rpm) مي چرخند (يعني ۱۰ برابر سريعتر از فلاپي ديسك هاي با چگالي مضاعف). در حال حاضر درايوها، ديسك ها را با سرع

ت بيشتري مي چرخانند. برخي از درايوهاي جديد با سرعت ۴۲۰۰، ۵۴۰۰، ۷۲۰۰و ۱۰۰۰۰و حتي در موارد خاص ۱۵۰۰۰ دور در دقيقه مي‌چرخند. سرعت هاي چرخش به همراه مكانيزم سريع قرار دادن هد در محل مناسب و افزايش تعداد سكتورها در يك ترك، سبب افزايش سرعت خواندن و نوشتن يك هارد نسبت به هارد ديگر مي شود.