هارد کامپیوتر چیست و چگونه کار می‌کند؟

اکثر افراد وقتی می‌فهمند که می‌توانند حجمی معادل صدها سی‌دی موزیک را روی آیپاد کوچکشان که به اندازه کف دست هم نیست ذخیره کنند، شگفت‌زده می‌شوند. اولین آیپاد در واقع چیزی بیشتر از یک هارد دیسک نبود؛ یک دستگاه حافظه کامپیوتری فوق‌العاده کارآمد که از فناوری‌های مغناطیسی برای ذخیره مقادیر زیادی اطلاعات استفاده می‌کرد. هارد دیسک‌ها بیش از ۵۰ سال پیش اختراع شدند و از اواسط دهه ۱۹۸۰ در کامپیوترهای شخصی مورد استفاده قرار گرفتند. اگرچه CPU کامپیوتر قطعه‌ای است که کار تفکر و محاسبه را انجام می‌دهد؛ اما این هارد دیسک است که حافظه کامپیوتر را به طرز فوق‌العاده‌ای گسترش داده و به شما امکان می‌دهد عکس‌های دیجیتال، فایل‌های موسیقی و متن را در سیستم خود ذخیره کنید؛ اما هارد کامپیوتر چیست و چگونه کار می‌کند؟ در این مقاله با ما همراه باشید تا به این سوال پاسخ دهیم!

هارد کامپیوتر چیست؟

به‌طور کلی، کامپیوترها از دو نوع ذخیره‌سازی داده استفاده می‌کنند که می‌توان آن‌ها را به عنوان حافظه فعال و حافظه غیرفعال توصیف کرد. RAM (حافظه دسترسی تصادفی یا Random Access Memory) یک حافظه فعال است. این حافظه برای ذخیره و اجرای کدهایی که کامپیوتر پیاده‌سازی می‌کند، مانند برنامه‌هایی که بازکرده‌اید و عملکردهای سیستم عامل، استفاده می‌شود. به آن دسترسی تصادفی می‌گویند، زیرا کامپیوتر می‌تواند با هر ترتیبی و با سرعت بسیار بالا به این داده‌ها دسترسی داشته باشد.

 هارد کامپیوتر را می‌توان به عنوان حافظه غیرفعال توصیف کرد

از سوی دیگر، هارد کامپیوتر را می‌توان به عنوان حافظه غیرفعال توصیف کرد. هارد داده‌ها را برای بازیابی و استفاده در RAM ذخیره می‌کند. هارد دیسک‌ها به جای دسترسی تصادفی، دسترسی مستقیم دارند؛ به این معنی که مکان فیزیکی داده‌ها روی دستگاه بر سرعت بازیابی آن‌ها تأثیر می‌گذارد. امروزه هارد دیسک به جای اینکه یک جزء مستقل باشد، مستقیماً بر روی برد مدار نصب می‌شود. در مقابل، هارد دیسک‌های اکسترنال یا قابل حمل، دستگاه‌های کاملاً مجزا هستند که معمولاً از طریق کابل به کامپیوتر متصل می‌شوند.

آشنایی با تاریخچه هارد کامپیوتر

اما تاریخچه هارد کامپیوتر چیست؟ مانند بسیاری از نوآوری‌های قرن بیستم، هارد دیسک در شرکت IBM اختراع شد تا به رایانه‌ها حافظه «دسترسی تصادفی» بدهد. مشکل سایر دستگاه‌های حافظه رایانه، مانند کارت‌های پانچ‌شده و نوارهای مغناطیسی این بود که فقط می‌توانستید به صورت سریالی (به ترتیب، از ابتدا تا انتها) به آن‌ها دسترسی داشته باشید، بنابراین اگر بیت داده‌ای که می‌خواستید بازیابی کنید در وسط نوار قرار داشت باید کل نوار را به آرامی بررسی می‌کردید تا داده مد نظرتان را پیدا کنید.

انجام این کار در هاردهای مدرن بسیار سریع‌تر است، زیرا این هاردها می‌توانند هد read-write را خیلی سریع از یک قسمت دیسک به قسمت دیگر منتقل کنند که باعث می‌شود به هر بخش از دیسک بتوان به راحتی دسترسی پیدا کرد. اولین هارد دیسک توسط رینولد بی. جانسون از IBM توسعه یافت و در ۴ سپتامبر ۱۹۵۶ به عنوان IBM 350 Disk Storage Unit معرفی شد.

اولین هارد دیسک توسط رینولد بی. جانسون از IBM توسعه یافت و در ۴ سپتامبر ۱۹۵۶ به عنوان IBM 350 Disk Storage Unit معرفی شد.

مهندسان IBM همچنین دیسک‌های فلاپی را اختراع کردند که دیسک‌های مغناطیسی قابل جابجایی بودند که در محفظه‌های پلاستیکی محکم بسته‌بندی می‌شدند (در ابتدا با قطر ۲۰ سانتی‌متر؛ بعداً با قطر ۱۳۳ میلی‌متر). فلاپی‌ها که در سال ۱۹۶۷ توسط وارن دالزیل از IBM توسعه یافتند، اولین بار در سال ۱۹۷۱ به فروش رسیدند. با ظرفیت ذخیره‌سازی تنها ۱.۴۴ مگابایت، آن‌ها به طور کامل توسط «فلش درایو USB» جایگزین شدند که صدها یا هزاران بار حافظه بیشتری را در قالب یک قطعه بسیار کوچک ارائه می‌دهند.

اکنون که می‌دانیم هارد کامپیوتر چیست و اولین بار در چه سالی اختراع شد، خوب است که با نحوه کار آن نیز آشنا شویم. در ادامه به طور کامل نحوه کار هارد دیسک را توضیح خواهیم داد.

نحوه ذخیره اطلاعات با استفاده از نیروی مغناطیسی

علم مغناطیس پیچیده است؛ اما اگر تا به حال با آهنربا و چند میخ بازی کرده باشید، می‌دانید که این علم در عمل بسیار ساده است. میخ‌های آهنی به خودی خود نیروی مغناطیسی ندارند، اما اگر آهن‌ربا را روی آن‌ها به جلو و عقب بکشید، می‌توانید میخ‌ها را مغناطیسی کنید تا به یکدیگر بچسبند. مغناطیس چند کاربرد ساده و جالب دارد. به عنوان مثال، اوراق‌فروشی‌ها از آهنرباهای الکترومغناطیس (آهنربای بزرگی که می‌توان با برق روشن و خاموش کرد) برای جمع‌آوری و حرکت دادن انبوه اوراق فلزی استفاده می‌کنند.

مغناطیس کاربرد بسیار مهم دیگری نیز دارد. فرض کنید باید برای یک دوست پیام بگذارید و تنها چیزهایی که دارید یک آهنربا و یک میخ آهنی فاقد نیروی مغناطیسی هستند. پیام شما ساده است: یا امروز دوست خود را خواهید دید یا خیر. می‌توانید با دوستان هماهنگ کنید که یک میخ داخل صندوق پستی او می‌اندازید؛ اگر میخ دارای نیروی مغناطیسی باشد، به این معنی است که امروز او را خواهید دید.

مغناطیس می‌تواند برای ذخیره اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد.

دوستتان از مدرسه می‌آید و یک میخ داخل صندوق پستی پیدا می‌کند. او آن را به آشپزخانه می‌برد و سعی می‌کند با کمک میخ، یک گیره کاغذ را بردارد. اگر گیره به میخ متصل شد، یعنی میخ دارای نیروی مغناطیسی است و شما امروز دوستتان را خواهید دید. این یک روش بسیار عجیب برای گذاشتن پیام محسوب می‌شود، اما یک نکته بسیار مهم را نشان می‌دهد: مغناطیس می‌تواند برای ذخیره اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد.

اما ربط این مثال با هارد کامپیوتر چیست؟ اگر کامپیوتر شما یک هارد دیسک ۲۰ گیگابایتی دارد، شبیه جعبه‌ای حاوی ۱۶۰ هزار میلیون میخ آهنی کوچک است که هر یک می‌توانند یک قطعه کوچک از اطلاعات را به نام «بیت» (bit) ذخیره کنند. بیت یک رقم باینری است: یعنی یا عدد ۰ یا عدد ۱. در کامپیوترها، اعداد نه به صورت اعشاری بلکه به صورت الگوهایی از ارقام باینری ذخیره می‌شوند.

به عنوان مثال، عدد اعشاری ۳۸۲ به صورت عدد باینری ۱۰۱۱۱۱۱۱۰ ذخیره می‌شود. حروف و سایر کاراکترها نیز می‌توانند به عنوان اعداد باینری ذخیره شوند؛ بنابراین، کامپیوترها حرف A را به عنوان عدد اعشاری ۶۵ یا عدد باینری ۱۰۰۰۰۰۱ ذخیره می‌کنند.

هارد کامپیوتر چگونه کار می‌کند؟

در حقیقت در هارد کامپیوتر شما هیچ میخ آهنی وجود ندارد. فقط یک «صفحه» بزرگ براق و دایره‌ای از مواد مغناطیسی به نام «پلتر» (Platter) است که به میلیاردها ناحیه کوچک تقسیم می‌شود. هر یک از این نواحی می‌توانند به طور مستقل مغناطیسی (برای ذخیره ۱) یا مغناطیس‌زدایی (برای ذخیره ۰) شوند. مغناطیس در ذخیره‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد زیرا حتی زمانی که برق خاموش است به ذخیره سازی اطلاعات ادامه می‌دهد.

در هارد یک «صفحه» بزرگ براق و دایره‌ای از مواد مغناطیسی به نام «پلتر» (Platter) است که به میلیاردها ناحیه کوچک تقسیم می‌شود

اگر یک میخ را مغناطیسی کنید، تا زمانی که مغناطیس‌زدایی نشود، مغناطیسی می‌ماند. به همین ترتیب، اطلاعات کامپیوتری (داده‌ها) ذخیره‌شده در هارد کامپیوتر یا آیپاد شما، حتی زمانی که برق را خاموش می‌کنید در آن باقی می‌مانند.

اجزای هارد کامپیوتر چیست؟

هارد کامپیوتر فقط چند قسمت اساسی دارد: یک یا چند پلتر نقره‌ای براق که اطلاعات به صورت مغناطیسی در آن‌ها ذخیره می‌شوند، یک مکانیزم بازویی که یک آهنربای کوچک به نام read-write head (سر خواندن و نوشتن) را به جلو و عقب بر روی صفحه‌ها حرکت می‌دهد تا اطلاعات را ضبط یا ذخیره سازد، و یک مدار الکترونیکی برای کنترل همه‌چیز و ایجاد پیوند بین هارد و سایر اجزای کامپیوتر.

هارد دیسک از یک صفحه نقره‌ای، یک بازوی آهنربایی و یک مدار الکترونیکی و سایر اجزا تشکیل شده است

در ادامه دقیق‌تر بررسی می‌کنیم که اجزای هارد کامپیوتر چیست:

• موتور محرکی که بازوی read-write را حرکت می‌دهد. در هاردهای قدیمی‌تر، محرک‌ها موتورهای پله‌ای (stepper motor) بودند. در اکثر هاردهای مدرن به جای آن از موتور محرک voice coil استفاده می‌شود. این موتور یک آهنربای الکترومغناطیس ساده مشابه سیم پیچ‌های متحرکی است که در اسپیکرها صدا تولید می‌کنند. موتور محرک بازوی read-write را سریع‌تر، دقیق‌تر و بهتر حرکت می‌دهد و نسبت به مشکلاتی مانند تغییرات دما حساسیت کمتری دارد.
• بازوی read-write که هِد read-write را در سرتاسر پلتر به جلو و عقب حرکت می‌دهد.
• هِد read-write که یک آهنربای کوچک در انتهای بازوی read-write است.
• موتور spindle مرکزی که اجازه می‌دهد تا پلتر با سرعت بالا بچرخد.
• پلتر مغناطیسی که اطلاعات را به صورت باینری ذخیره می‌کند.
• اتصالاتی که هارد را به برد مدار در کامپیوتر متصل می‌سازند.
• برد مدار که در قسمت زیرین قرار دارد و جریان داده‌های ارسالی و دریافتی از پلتر را کنترل می‌کند.
• کانکتور انعطاف‌پذیری که داده‌ها را از برد مدار به هد read-write و پلتر منتقل می‌سازد.
• یک موتور spindle دیگر که به بازوی read-write اجازه می‌دهد تا روی صفحه حرکت کند.

ویژگی‌ها و نحوه کار اجزای هارد کامپیوتر

پلترها مهم‌ترین قسمت هارد هستند. این قطعات، به شکل دیسک از مواد سختی مانند شیشه، سرامیک یا آلومینیوم ساخته شده و با لایه نازکی از فلز (که می‌تواند مغناطیسی یا مغناطیس‌زدایی شود) پوشانده می‌شوند. یک هارد کوچک معمولا فقط یک پلتر دارد، اما هر طرف آن دارای پوشش مغناطیسی است. هاردهای بزرگ‌تر دارای چندین پلتر هستند که روی یک موتور spindle مرکزی قرار گرفته‌اند و یک شکاف کوچک بین آن‌ها وجود دارد. پلترها با سرعت ۱۰۰۰۰ دور در دقیقه (rpm) می‌چرخند تا هِدهای read-write بتوانند به هر بخشی از آن‌ها دسترسی داشته باشند.

پلترها با سرعت ۱۰۰۰۰ دور در دقیقه (rpm) می‌چرخند تا هِدهای read-write بتوانند به هر بخشی از آن‌ها دسترسی داشته باشند.

برای هر پلتر، دو هِد read-write وجود دارد: یکی برای خواندن سطح بالایی و دیگری برای خواندن پایینی؛ بنابراین (به فرض مثال) هارد دیسکی که ۵ پلتر دارد، به ۱۰ هد read-write جداگانه نیاز خواهد داشت. هدهای read-write بر روی یک بازوی کنترل‌شده الکتریکی نصب می‌شوند که از مرکز درایو به لبه بیرونی و دوباره به عقب حرکت می‌کند. برای جلوگیری از سایش پلتر، هدها به طور مستقیم با آن در تماس نیستند: لایه‌ای از مایع یا هوا بین هد و سطح پلتر وجود دارد.

هارد کامپیوتر چه کاربردها و وظایفی دارد؟

احتمالاً حالا دیگر می‌دانید کاربرد اصلی هارد کامپیوتر چیست: ذخیره‌سازی داده‌ها برای بازیابی در آینده. هاردها سه نوع داده را ذخیره می‌کنند:

• سیستم عامل: به عنوان مثال ویندوز، macOS، لینوکس و غیره. این معماری‌های نرم‌افزاری پیچیده به‌عنوان واسطه‌ای بین سخت‌افزار و کاربر عمل می‌کنند و اجازه می‌دهند تا تمام قابلیت‌های کامپیوتر به کار گرفته شود.
• اپلیکیشن‌ها یا برنامه‌ها: همه چیز از Google Chrome گرفته تا Adobe Photoshop. این‌ها معمولاً توسط کاربر نصب می‌شوند، اما ممکن است از قبل نصب شده باشند.
• فایل‌های تولیدشده توسط برنامه‌ها: به عنوان مثال اسناد Word و همچنین فایل‌های رسانه‌ای واردشده مانند عکس یا موسیقی.

هنگامی که کامپیوتر بالا می‌آید، سیستم عامل از هارد دیسک به رم بارگذاری می‌شود و این فرآیند زمانی که کاربر برنامه‌ها را راه‌اندازی می‌کند، تکرار خواهد شد.

هارد دیسک برای مک

اپل اکنون کل کامپیوترهای مک خود را با هارد SSD تولید می‌کند. این درایوها از ۲۵۶ گیگابایت در مک بوک تا درایوهای SSD ۸ ترابایتی مک پرو (که سازندگان و ویراستاران حرفه‌ای از آن استفاده می‌کنند)، متغیر هستند.

اپل اکنون کل کامپیوترهای مک خود را با هارد SSD تولید می‌کند

هارد دیسک برای کامپیوتر

ویندوز دارای اکوسیستم بسیار متنوع‌تری نسبت به macOS است، بنابراین اگر کاربر کامپیوتر یا لپ‌تاپ هستید، گزینه‌های هارد دیسک داخلی و خارجی بیشتری پیش رویتان خواهد بود. تنها چیزی که شما را محدود می‌کند، تعداد پورت‌های موجود در دستگاهتان است.

بررسی انواع هارد کامپیوتر

اما انواع هارد کامپیوتر چیست؟ در حال حاضر انواع هارد کامپیوتر به ۴ نوع عمده تقسیم می‌شوند که در ادامه هر یک را به طور مفصل بررسی می‌کنیم:

۱. PATA (Parallel Advanced Technology Attachment)

هارد دیسک‌های PATA برای اولین بار توسط Compaq و Western Digital در سال ۱۹۸۶ به بازار معرفی شدند. آن‌ها تا ۸۰ گیگابایت ظرفیت دارند و اطلاعات را با سرعت ۱۳۳ مگابایت بر ثانیه انتقال می‌دهند. هاردهای PATA از قطعات متحرک مکانیکی ساخته شده‌اند و عملکرد مبتنی بر فناوری سیگنالینگ موازی دارند؛ به این معنی که چندین بیت داده را به طور همزمان منتقل می‌کنند.

هارد دیسک‌های PATA برای اولین بار توسط Compaq و Western Digital در سال ۱۹۸۶ به بازار معرفی شدند

۲. SATA (Serial Advanced Technology Attachment)

اخیراً بسیاری از کامپیوترها و لپ‌تاپ‌ها با هارد SATA ساخته می‌شوند، زیرا این هاردها از نظر اندازه، مصرف انرژی و حتی قیمت جایگزین بهتری برای هارد دیسک‌های PATA هستند. حالت اتصال آن‌ها به کامپیوتر مانند PATA است، اما برای انتقال داده به جای فناوری سیگنالینگ موازی از فناوری سیگنالینگ سریالی استفاده می‌کنند. این بدان معنی است که آن‌ها هر بیت داده را جداگانه انتقال می‌دهند.

مزیت قابل توجهی که هارد دیسک‌های SATA نسبت به PATA دارند، انتقال داده‌ها با سرعت ۱۵۰ تا ۳۰۰ مگابایت بر ثانیه است. علاوه‌بر این، آن‌ها دارای کابل‌های نازک‌تر و محدودیت کابل ۱ متر هستند.

۳. SCSI (Small Computer System Interface)

هارد درایوهای SCSI به دلایل زیادی مانند عملیات شبانه‌روزی، سرعت، ذخیره‌سازی و چندین مورد دیگر نسبت به درایوهای SATA و PATA برتری دارند. برای اتصال، هارد دیسک‌های SCSI از یک رابط سیستم کامپیوتری کوچک استفاده می‌کنند که برای اتصال دستگاه‌های جانبی مانند چاپگر، اسکنر و غیره نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. آن‌ها اتصال دستگاه‌های جانبی مانند چاپگر، اسکنر و سایر هارد دیسک‌ها را امکان‌پذیر می‌سازند. علاوه‌بر این، هارد درایوهای SCSI داده‌ها را با سرعت ۳۲۰ مگابایت بر ثانیه انتقال می‌دهند و می‌توانید آن‌ها را به صورت داخلی یا خارجی متصل کنید.

امروزه SCSIها در کامپیوترهای شخصی با Universal Serial BUS (USB) جایگزین شده‌اند. این بدان معنی است که SCSI دیگر به عنوان سخت‌افزار توسط مصرف‌کنندگان استفاده نمی‌شود.

۴. SSD (Solid State Drive)

هاردهای SSD یکی از جدیدترین تکنولوژی‌های هارد دیسک به شمار می‌روند. برخلاف فناوری‌های قبلی، آن‌ها از قطعات متحرک تشکیل نشده‌اند و از مغناطیس برای ذخیره داده‌ها استفاده نمی‌کنند. در عوض، هاردهای SSD از مدارهای مجتمع (IC) درست مانند رایانه‌های نسل سوم بهره می‌گیرند. این باعث می‌شود آن‌ها بادوام‌تر، سریع‌تر و کمتر در معرض آسیب و فرسایش باشند.

هاردهای SSD یکی از جدیدترین تکنولوژی‌های هارد دیسک به شمار می‌روند

هارد دیسک‌های SSD با سرعت ۵۵۰ مگابایت بر ثانیه مزیت قابل توجهی در انتقال داده‌ها دارند و نسبت به انواع هاردهای قبلی، در زمان کوتاه‌تری بالا می‌آیند.

تفاوت بین هارد SSD و HDD چیست؟

اما تفاوت بین هارد SSD با HDD یا همان هارد کامپیوتر چیست؟ SSD در ساده‌ترین شکل خود، یک فلش است و هیچ قطعه متحرکی ندارد. در نتیجه، SSD کوچک‌تر بوده و فضای کمتری را در یک کیس کامپیوتر اشغال می‌کند؛ حتی در برخی موارد مستقیماً روی مادربرد نصب می‌شود. حافظه SSD بسیار سریع‌تر از HDD است.

فضای ذخیره‌سازی HDD از نوار مغناطیسی تشکیل شده و دارای قطعات مکانیکی است. هاردهای HDD از SSD بزرگ‌تر هستند و عملیات خواندن و نوشتن را کُندتر انجام می‌دهند.

سخن پایانی

در این مقاله بررسی کردیم که هارد کامپیوتر چیست، چگونه کار می‌کند و چه انواعی دارد. از PATA گرفته تا SATA، SCSI و SSD، هارد دیسک‌ها امروزه همچنان به تکامل خود ادامه می‌دهند و تحقیقات برای ساخت هاردهای بهتر ادامه دارد. جالب است بدانید به تازگی نوع جدیدی از هارد دیسک به نام NVMe (Non-volatile Memory Express) تولید شده است که ظرفیت انتقال داده‌ها با سرعت ۳.۵ گیگابایت بر ثانیه را دارد! این ویژگی، هارد NVMe را به بهترین انتخاب برای تدوین ویدیو و گیمینگ تبدیل می‌کند.

سوالات متداول

• چه کسی هارد دیسک کامپیوتر را اختراع کرد؟

یک تیم از شرکت IBM به رهبری رِی جانسون، هارد دیسک کامپیوتر را در سال ۱۹۵۶ اختراع کردند.

• تفاوت بین هارد ۲.۵ اینچی و هارد ۳.۵ اینچی چیست؟

این دو، اندازه‌های استاندارد هارد درایو هستند. درایوهای ۲.۵ اینچی کوتاه‌تر و نازک‌تر بوده و به صورت پیش‌فرض در لپ‌تاپ‌ها نصب می‌شوند، در حالی که کامپیوترها معمولاً هارد درایوهای ۳.۵ اینچی دارند.

• فرق هارد دیسک و هارد درایو چیست؟

این دو اصطلاح در واقع یک معنی می‌دهند اما از نظر تخصصی، هارد دیسک به قطعه و سخت‌افزار هارد گفته می‌شود در حالی که هارد درایو به معنی فضای موجود در دیسک است که برای استفاده و ذخیره اطلاعات مورد استفاده قرار می‌گیرد.