🪴 حديقة المعلومات

بحث

SearchSearch

سواقة قرص صلب

سواقة الأقراص الصلبة Hard Disk Drive—HDD هي جهاز تخزين دائم يستطيع تخزين البيانات الرقمية وقراءتها من الأقراص الصلبة Hard Disk وهي أقراص مصنوعة من مواد صلبة ومغطاة بطبقة من مادة قابلة للمغنطة الدائمة.

كانت سواقات الأقراص الصلبة الوسط الدائم الرئيسي لتخزين البيانات والبرامج في الحاسوب الشخصي منذ انخفاض أسعارها وتوفرها في متناول معظم المستخدمين في ثمانينات وتسعينات القرن الماضي وحتى بدء انتشار صناعة سواقات الحالة الصلبة SSD وتزايد سعاتها التخزينية وانخفاض أسعارها، التي أصبحت الوسط التخزيني الأكثر استخداماً في الحواسيب الشخصية بدءاً من عام 2015 تقريباً.

تصل السعة التخزينية للسواقات الصلبة حالياً (2024) إلى 32 تيرابايت وتتمتع بزمن MTBF يصل إلى 2.5 مليون ساعة عمل وسرعة نقل بيانات تتراوح بين 230 وبين 285 ميغابايت/ثا.

رغم تراجع استخدام سواقات الأقراص الصلبة في الحواسيب المحمولة والمكتبية الشخصية واستبدالها بسواقات الحالة الصلبة، إلا أنها لا تزال شائعة الاستخدام في التطبيقات التي تحتاج لسعات تخزينية كبيرة، مثل مراكز البيانات أو النسخ الاحتياطي أو أنظمة كاميرات المراقبة.

الاتصال مع الحاسوب

يتم الربط بين سواقات الأقراص الصلبة والحاسوب عبر أحد نواقل البيانات، ومن أكثرها استخداماً:

  1. sata سرعة نقل البيانات القصوى 6 غ.بت/ثا. أكثر النواقل استخداماً في الحواسيب الشخصية.
  2. usb سرعة نقل البيانات القصوى تتراوح بين 5 غ.بت/ثا إلى 40 غ.بت/ثا. يستخدم هذا الناقل لتوصيل سواقات الأقراص الصلبة الخارجية أو السواقات المحمولة.
  3. sas سرعة نقل البيانات القصوى 12 غ.بت/ثا. ينتشر استخدام هذا الناقل في المخدّمات ومراكز البيانات.
  4. IDE سرعة نقل البيانات القصوى 167 م.بايت/ثا. الناقل الأكثر استخداماً قبل تطوير SATA.

بما أن سرعات نقل البيانات في سواقات الأقراص الصلبة حالياً لا تتجاوز 300 ميغابايت/ثا، فإن أي ناقل بيانات يوفر 2.5 غ.بت/ثا أو أكثر يوفّر حجم حزمة كافٍ لسواقة قرص صلب واحدة. لكن نواقل البيانات التي توفر معدلات نقل أعلى مفيدة في حال توصيل عدة سواقات عبر منفذ واحد مثل توصيل عدة سواقات معاً عبر منفذ SAS أو عبر منفذ USB واحد.

مصفوفات الأقراص

RAID

disk arrays (see raid ) offer high capacity and data-protecting redundancy.

كثافة البيانات

تزايدت كثافة البيانات Data density في سواقات الأقراص الصلبة مع الزمن بسبب تطورات كثيرة طرأت عليها، منها استبدال محرك الرؤوس الخطوي بوشيعة صوتية ذات حركة مستمرة عالية الدقّة تسمح بتتبّع مسارات ضيقة أكثر، وتطوّر تقنيات تصنيع المواد الممغنطة حيث أصبحت أكثر قدرة على الاحتفاظ بقطبية مغناطيسية المناطق الصغيرة دون تداخل أو ضياع البيانات عند تقارب الشحنات المغناطيسية للبتّات المختلفة من بعضها.

كلما ارتفعت كثافة البيانات، كلما أمكن تخزين كميات بيانات أكبر على نفس المساحة الفيزيائية المتاحة، وتقاس الكثافة بواحدة بت في البوصة المربّعة Bit per Square Inch.

تنظيم البيانات

تقسم الأقراص إلى مسارات دائرية tracks وتقسم المسارات إلى قطاعات sectors. تكون القطاعات متساوية السعة التخزينية رغم أن القطاعات الأبعد عن مركز القرص تكون أطول فيزيائياً. طريقة التقسيم هذه مستخدمة أيضاً في سوّاقات الأقراص المرنة.

Data is organized on the disk by dividing the tracks into segments called sectors. When the disk is prepared Parts of a typical hard disk drive. Many hard drives have multiple heads and platters to allow for storage of larger amounts of data. to receive data (a process called formatting), each sector is tested by writing and reading sample data. If an error occurs, the operating system marks the sector as unusable (virtually any hard disk will have at least a few such bad sectors). The set of vertical corresponding tracks on the stack of platters that make up the drive is called a cylinder. Since the drive heads are connected vertically, if a head is cur- rently reading or writing for example sector 89 on one platter, it is positioned over that same sector on all the others. Therefore, the operating system normally stores files by filling the full cylinder before going to a new sec- tor number. Another way to improve data flow is to use sector inter- leaving. Because many disk drives can read data faster than the operating system can read it from the disk’s memory buffer, data is often stored by skipping over adjacent sec- tors. Thus, instead of storing a file on sectors 1, 2, and 3, it might be stored on sectors 1, 3, and 5 (this is called a 2:1 interleave). Moving the head from sector 1 to sector 3 gives the system enough time to process the data. (Otherwise, by the time the system was ready to read sector 2, the disk would have rotated past it and the system would have to wait through a complete rotation of the disk.) Newer CPUs are often fast enough to keep up with contiguous sectors, avoiding the need for interleaving. Data throughput tends to decrease as a hard drive is used. This is due to fragmentation. The operating system runs out of sufficient contiguous space to store new files and has to write new files to many sectors widely scattered on the disk. This means the head has to be moved more often, slowing data access. Using an operating system (or third party) defragmentation utility, users can periodically reorganize their hard drive so that files are again stored in contiguous sectors. Files can also be reorganized to optimize space rather than access time. If an operating system has a minimum cluster size c4K, a single file with only 32 bytes of data will still consume 4,096 bytes. However, if all the files are written together as one huge file (with an index that spec- ifies where each file begins) that waste of space would be avoided. This is the principle of disk compression. Disk compression does slow access somewhat (due to the need to look up and position to the actual data location for a file) and the system becomes more fragile (since garbling the giant file would prevent access to the data in perhaps thousands of originally separate files). The low cost of high capacity drives today has made compression less necessary.

حجم القطاع

القطاع هو أصغر وحدة يمكن كتابتها أو قراءتها من القرص. إذا كان حجم الملف الذي سيتم تخزينه على القرص الصلب أصغر من حجم القطاع، فإن بقية القطاع تبقى غير مستخدمة.

يتحدد حجم القطاع عند تصنيع السوّاقة، وتكون القطاعات كلها بحجم واحد. سابقاً كان حجم القطاع 512 بايت، لكن حديثاً أصبح حجم القطاع 4 كيلوبايت (4096 بايت) منتشراً في الأسواق. حالياً تتوفر ثلاث خيارات من ناحية حجم القطاع:

  1. 4 كيلوبايت (يرمز لها 4Kn)
  2. 4 كيلوبايت مع محاكاة 512 بايت (يرمز لها 512e)
  3. 512 بايت (يرمز لها 512n)

بعض سواقات 4Kn تسمح للمستخدم بتفعيل وضع محاكاة 512e أو تعطيله حسب الرغبة. محاكاة 512e تسمح للسواقة بالعمل مع النظم التي لا تستطيع التعامل مع الأقراص الصلبة ذات قطاع 4 كيلوبايت، خاصة عند استخدامها للإقلاع، وقد توفر أداء أعلى في حال استخدام نظام ملفات قديم يفترض أن حجم القطاع هو 512 دائماً بدلاً من الاستعلام عنه من السوّاقة.

تقنيات التسجيل

CMR (Conventional Magnetic Recording)

SMR (Shingled Magnetic Recording)

Heat-assisted magnetic recording (HAMR)

Uses a laser diode for heating up the media area where data should be written to, supporting the writing process through the selective use of heat energy. This allows writing with less magnetic energy and the use of a smaller write head, achieving a higher storage density as a result. However, the energy requirement has an impact on the operating costs in large installations and also leads to thermal challenges. In addition, there are still concerns about the long-term reliability of laser diodes.

MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording) uses a microwave transmitter (spin torque oscillator) at the write head to generate waves in the range of 20GHz to 40GHz. These are introduced to the magnetic medium as auxiliary energy, thereby requiring less energy for the writing process. In turn, this means that significantly smaller writing heads can be used, making the production of drives with significantly higher capacity possible.

heated-dot magnetic recording (HDMR) bit-pattern recording, is also under development, although not expected to be available until at least 2025

حجم الكاش

256MiB or 512MiB

Another factor in data access time and throughput is the use of a dedicated memory device (see cache ) to “pre-fetch” data likely to be needed. Windows Vista allows memory from some USB memory sticks (see flash drive ) to work as a disk cache. “Hybrid” hard drives directly integrating RAM and drive storage are also available.

مكونات سواقة القرص الصلب

1. الأطباق Platters

الأطباق هي الأقراص التي تكتب عليها البيانات، وهي تصنع من مادة صلبة غير مغناطيسية كالزجاج أو السيراميك أو الألمنيوم، وتطلى بطبقة رقيقة من معدن قابل لإعادة المغنطة. تتميز الأطباق الزجاجية في السواقات الحديثة بعزلها للحرارة وسماكتها الرقيقة.

تحوي سواقة الأقراص الصلبة طبقاً واحداً أو أكثر. وقد تحوي السواقات ذات السعات الكبيرة 9 أو 10 أطباق.

يفصل بين الطبق وبين الرأس الهواء أو غاز الهليوم، كما تغطى الأطباق عادة بطبقة حماية من الكربون الألماسي أو نتريد السيليكون أو الكربون المهدرج أو PFPE.

تكتب البيانات على الطبق بشكل حلقات متحدة المركز تدعى المسارات tracks، وتقسم المسارات إلى قطاعات متساوية الحجم التخزيني تدعى القطاعات sectors.

2. المغزل Spindle

تُثبّتُ الأطباق على محور دوران واحد يدعى المِغْزَل spindle. يدور المغزل بسرعة ثابتة باستخدام محرك DC يدور عادة بسرعة 5400 دورة في الدقيقة أو 7200 دورة في الدقيقة. هناك سوّاقات بسرعات دوران أعلى مثل 10,500 دورة أو 15,000 دورة في الدقيقة لكنها أقل انتشاراً وتستخدم في الأغراض التي تتطلب أداءً أعلى.

تؤثر سرعة الدوران على سرعة نقل البيانات وزمن الوصول. بشكل عام، كلما كانت سرعة الدوران أكبر كلما زادت سرعة قراءة أو كتابة البيانات. هناك عوامل أخرى تؤثر على أداء سواقة القرص الصلب، مثل حجم الكاش وكثافة البيانات وزمن السعي.

من جهة أخرى، يرتفع استهلاك الطاقة والحرارة الناتجة مع ارتفاع سرعة دوران الأقراص. سواقات الأقراص الصلبة المتاحة حالياً في الأسواق تستهلك نموذجياً 4.8 واط إذا كانت سرعة دورانها 5400، أما السواقات التي تدور بسرعة 7200 فهي تستهلك 9.4 واط.

3. الذراع Arm

تحمل الذراع رؤوس القراءة والكتابة ويتحكم بحركتها محرك خطي يدعى المشغّل actuator. يتألف المشغل من مغناطيسين قويين يولدان حقلاً مغناطيسياً بينهما عمودي الاتجاه حتى لا يتداخل مع البيانات المخزنة على الأطباق، ووشيعة صوتية voice coil في جذر الذراع تتحرك بينهما. تتحرك الذراع مع حركة الوشيعة الصوتية حسب اختلاف قطبية التيار المارّ بها وشدّته.

كانت السوّاقات القديمة تستخدم محركاً خطوياً stepper motor لتحريك الذراع، لكنها لم تعد تستخدم لعدة عيوب منها ارتفاع حرارتها مع التشغيل، وعدم دقتها في تحريك الرؤوس ومطابقتها مع المسارات تماماً.

4. رؤوس القراءة والكتابة Read/Write Heads

في نهاية كل ذراع، يتم تثبيت مجموعة جمبل الرأس Head Gimbal Assembly—HGA التي تتألف من قطعة معدنية رقيقة (حوالي 0.1 مم) تُثبَّت عليها “منزلقة slider”. هذه المنزلقات هي المسؤولة عن عمليات القراءة والكتابة. تصنع المنزلقة بشكل مكعب صغير الحجم من مادة الفرّيت ferrite تعمل على تحويل الطاقة الكهربائية إلى مغناطيسية تستخدم في تسجيل البيانات أو استشعار الحقول المغناطيسية وتحويلها إلى إشارة كهربائية عند قراءة البيانات.

وزن مجموعة الجمبل مهمل، ويسمح لها بالطفو على طبقة رقيقة من الهواء تتشكل بسبب سرعة دوران الأطباق تدعى بالمحمل الهوائي air bearing. يصمم سطح المنزلقة أيروديناميكياً للاستفادة من خواص المحمل الهوائي ويختلف ارتفاع انزلاق الرأس بحسب اختلاف التصميم. تناقصت المسافة الفاصلة بين رأس القراءة والكتابة وسطح القرص في السواقات الحديثة حتى أنها قد تصل إلى 3 نانومتر. عند إيقاف عمل السواقة تتحرك الرؤوس إلى “الموقف” وهو إما أن يكون قطعة خارج الأطباق تسمح للرؤوس بالتوقف جانب الحافة الخارجية للطبق أو قريباً من محور الدوران حيث لا تخزن البيانات في تلك المنطقة.

يحتاج كل طبق إلى رأسي قراءة وكتابة للقراءة والكتابة على الوجهين العلوي والسفلي للطبق. تجمع الرؤوس كلها معاً في مجموعة الذراع Head Arm Assembly—HSA بحيث تتحرك مع بعضها البعض أي أن الرؤوس تكون كلها عند رقم المسار نفسه. يعمل رأس واحد في الوقت الواحد لقراءة البيانات أو كتابتها وتكون بقية الرؤوس خاملة.

5. اللوحة الإلكترونية

تُثبّت لوحة الدارة المطبوعة PCB على الوجه السفلي لسواقة القرص الصلب. الوظيفة الرئيسية للوحة الإلكترونية هي تغذية الأجزاء الميكانيكية بالتيار الكهربائي والتحكم بعملها ونقل البيانات بين مجموعة القراءة والكتابة وبين الحاسوب. أهم المكوّنات الإلكترونية هي شريحة التحكم الرئيسية، شريحة قيادة المحرك، شريحة rom، وشريحة كاش، وواجهة الاتصال. قد تحوي اللوحة أيضاً مكونات إضافية مثل عتاد مُخصّص لتشفير البيانات، أو محوّل SATA إلى USB في السوّاقات الخارجية.

بعض اللوحات الإلكترونية تحوي أيضاً jumpers تستخدم لتغيير بعض الإعدادات، مثل اختيار السواقة الرئيسة والتابعة master/slave في سواقات IDE.

6. مجموعة الرأس والعلبة الخارجية Chassis

تضم مجموعة الرأس والقرص head disk assemby—HDA المكونات الميكانيكية وهي الأطباق ورؤوس القراءة والكتابة والمغزل ومحرك المغزل وهي تشكل معاً غرفة مغلقة معزولة عن الجو الخارجي. أما اللوحة الإلكترونية التي تتحكم بتلك المكونات وتدير عملية قراءة وكتابة البيانات فهي تقع خارج مجموعة الرأس.

تجمع الدارة الإلكترونية مع مجموعة الرأس والقرص معاً في علبة حاوية Chassis، وتصنع سواقات الأقراص الصلبة بأبعاد قياسية من أشهرها مقاس 3.5 بوصة ومقاس 2.5 بوصة.

سواقات الأقراص الصلبة الحديثة حساسة جداً بسبب دقّة حجم رأس القراءة والكتابة وكثافة البيانات العالية. إذا فُتِحت مجموعة الرأس في بيئة غير مناسبة فإن أي شوائب صغيرة أو ذرات من الغبار يمكن أن تسبب أضراراً للأطباق أو لرؤوس القراءة والكتابة. في سواقات الأقراص الأحدث ذات السعات العالية تكون حجرة مجموعة الرأس مفرغة من الهواء ومملوءة بغاز الهليوم للتقليل من أثر المقاومة الأيروديناميكية، وهذا يسمح بخفض طاقة التشغيل. تستخدم تقنيات لحام خاصة بأشعة الليزر لضمان عدم تسرب الغاز من مجموعة الرأس.

فيديو

مصادر

المخطط

الروابط الراجعة

٠١ حزيران ٢٠٢٤