مقدمة
يتكون الحاسب من جزئين أو مكونين رئيسيين هما:
الكيان المادي (hardware): هو كل ما يتعلق بالحاسب من أجهزة ملموسة ويمكن رؤيتها وكل جهاز أضيف إليه يعتبر من العتاد مثل: لوحة المفاتيح، الشاشة، الفأرة، السماعات، الماسحة الضوئية ،،إلخ
الكيان البرمجي (software): وهي التي توجه الأجهزة والعتاد بالتعليمات التي تأمرها به.
العلاقة بينهم:
تقوم البرامج بإصدار الأوامر للعتاد بناءً على توجيهات المستخدم، ولكن في الحقيقة أن العملية تكون بان المستخدم يوجه البرامج بإصدار المعلومات وبواسطة نظام التشغيل (ويندوز مثلا) الذي يكون الوسيط بينهم يقوم البرنامج بتوصيل الأوامر إلى العتاد فتظهر بالشكل المطلوب.
أولا: الكيان المادي (hardware): ويتكون من:
1- وحدات الادخال Input Devices: وهي الوحدات التي يتم من خلالها ادخال الاوامر للكمبيوتر وتزويده من خلالها بالمعلومات، مثل لوحة المفاتيح (keyboard) والفارة (mouse):
2- وحدات الاخراج Output Devices:
وهي الوحدات التي يتم من خلالها اخراج النتائج من الكمبيوتر الى المستخدم، مثل: الشاشة (monitor) والطابعة (printer)
3- وحدة المعالجة المركزية processor (Central Processing Unit (CPU):
وهي اهم وحدات الكمبيوتر التي تعد العقل المفكر الذي يتحكم بمعالجة البيانات.
4- الذاكرة الرئيسية Main Memory -MM الذاكرة الرئيسة:
تقسم هذه الذاكرة الى نوعين:
- ذاكرة القراءة فقط Read Only Memory وهي الروم (Rom)
وهي الذاكرة التي يخزن فيها البرنامج الرئيسي للجهاز الذي يقوم بالتعرف على اجزاء الجهاز. ولكي لا يقوم احد بالعبث بهذه الذاكرة فهي تأتي من الجهة المصنعة للقراءة فقط ولا يمكن التعديل عليها.
- ذاكرة الوصول العشوائي Random Access Memory وهي الرام RAM:
وهي الذاكرة التي تخزن فيها البيانات بصورة مؤقتة استعدادا لمعالجتها او لتخزينها في وسائط التخزين الدائمة، ومن غير هذه الذاكرة لا يستطيع الجهاز العمل. وهي الذاكرة التي تخدم جميع البرامج والأوامر، لذلك مسموح لنا الوصول لها والتعديل عليها.
وحدة قياس الذاكرة:
قبل التعرف على وحدة قياس الذاكرة يجب ان نعرف كيف تخزن الذاكرة المعلومات.
فكر الانسان بوسيلة للتعامل مع جهاز الكمبيوتر فلم يجد في البداية إلا التخاطب معه عن طريق الإلكترونات التي من الممكن ان نحصل عليها من خلال التيار الكهربائي. لذلك أُعطي الكمبيوتر رمزين من الممكن تمثيلهما عن طريق الكهرباء وهما (0 ، 1) بحيث اذا اردنا ان نعطي الكمبيوتر الرمز 0 نرسل له تيار كهربائي خفيف، واذا أردنا ان نعطيه الرمز 1 نعطيه تيار كهربائي أعلى من الأول.
في هذه الحالة إذا أردنا ان نعطيه اي حرف من الاحرف التي يتعامل بها الانسان يجب ان يكون هذا الحرف ممثل من عدة (0 ، 1)، على سبيل المثال لو اردنا ان نعطيه الحرف A ممكن ان نمثله ب 01000001 فتكون عبارة عن عدة تيارات كهربائية. وجدوا اننا لكي نمثل حرف واحد في النظام الثنائي (0 ، 1) نحتاج الى ثمان اشارات من (0 ، 1) فسموا كل اشارة من هذه الاشارات ب Bit اي (0) أو (1)، و سموا الحرف الذي يتكون من 8 Bit أي من ثمان إشارات سموه Byte، اذاً Byte هو عبارة عن حرف واحد.
الان من الممكن ان نعرف كيف نقيس الذاكرة، فلو قلنا مثلا ذاكرة سعتها 200 Byte اي سعتها 200 حرف، واطلقوا على 1024 Byte اسم Kilo Byte وأطلقوا ايضا على 1024 kilo Byte اسم Mega Byte ويرمز لها MB.
5- وحدة الحساب والمنطق Arithmetic & logical Unit-ALU
وحدة الحساب والمنطق:ALU) )
إن المعالج لا يقوم بعمل العمليات الحسابية او العمليات المنطقية ولكن يقوم بإرسالها الى ALU التي تقوم بالعملية الحسابية او المنطقية، وتعيد النتائج الى المعالج ليستخدمه.
6- وحدة التحكم Control Unit - CU
تقوم وحدة التحكم بتنظيم عمليات الادخال والاخراج من وإلى ال CPU وال CPU يعني وحدة التحكم المركزية Control Processor
7- وسائط التخزين المساعدة Secondary Storage Units
وحدات التخزين الدائم
سبق لنا ان ذكرنا ان الذاكرة في الكمبيوتر تخزن البيانات يشكل الكتروني، تختفي هذه المعلومات بمجرد اغلاق الكمبيوتر. لهذا فان التخزين الدائم لا يتم في الذاكرة ولكن على وحدات التخزين الدائم.
و لكن ما هي الطريقة التي نخزن بها على وحدات التخزين الدائم بدلا من الالكترونات التي تأتي من التيار الكهربائي التي هي الطريقة للتخزين في الذاكرة. وجدوا ان الطاقة البديلة للتخزين هي الطاقة المغناطيسية التي ممكن من خلالها التخزين على وسائط تحتفظ بالمعلومات حتى بعد اقفال الجهاز. و تكون طريقة التخزين على هذه الوسائط هي نفس الطريقة الثنائية (0 ، 1) التي يتم فيها التخزين على الذاكرة RAM
أنواع وسائط التخزين الدائم
1- الاشرطة الممغنطة (Tapes)
وهي أشبه بشريط الكاسيت العادي، عبارة عن مادة بلاستيكية مرنة ممكن مغنطتها والتسجيل عليها بالطريقة الثنائية، ولكن لهذه الاشرطة عيب وهو ان المعلومات تخزن عليها بشكل تتابعي، معلومة تلو الاخرى، اي اذا اردت الوصول لمعلومة معينة يجب ان تبحث في جميع المعلومات التي تسبقها حتى تصل للمعلومة، لذلك فهو بطيء الوصول للمعلومات واستعمالاته قليلة.
2- الاقراص الممغنطة(Disks) :
إن واسطة التخزين هذه تكون بشكل دائري (على شكل قرص، وهي ايضا عبارة عن مادة بلاستيكية (أو مادة صلبة) قابلة للمغنطة مثلها مثل الاشرطة المغناطيسية ولكن الفرق الرئيسي هو أن الوصول للمعلومة على الاقراص الممغنطة وصول مباشر دون البحث في المعلومات التي قبلها، لذلك يعتبر القرص أسرع في إرجاع المعلومات من الاشرطة المغناطيسية، ويعتبر أسرع انتشاراً.
أنواع الاقراص الممغنطة:
1- الاقراص المرنة Floppy Disks
وهي أقراص disks مصنوعة من مادة بلاستيكية قابلة للمغنطة، ولذلك سميت بالاقراص المرنة، تتراوح سعتها بين 360 KB و 1.44 MG لذلك توصف بانها قليلة السعة ولكن أهم ميزة لها هي انها يمكن اخذها ونقلها بسهولة (Portable Disks) لنقل المعلومات من مكان الى آخر. وتقسم الاقراص المرنة الى نوعين من حيث طول قطر القرص. النوع الاول يسمى 3.5 إنش اي القرص الذي قطره 3.5 انش، والثاني 5.25 إنش اي القرص الذي قطره 5.25 إنش
2- الاقراص الصلبة Hard Disks
تعامل من حيث التخزين مثلها مثل الاقراص المرنة حيث تخزن بالرمزين (1,0) اي بالطريقة الثنائية، ولكن الفرق بينها وبين الاقراص المرنة هي المادة المصنوعة منها، فهي مصنوعة من معدن بدل المادة البلاستيكية، لذلك فهي أسرع في التعامل والوصول للمعلومات. وتوصف هذه الاقراص بأنها ثابتة (Fixed) أي تبقى داخل الجهاز وليست معدة لنقل المعلومات مثل الاقراص المرنة. كما يرمز لها عادة بالرمز C:
قلنا بان المعلومات تخزن على وسائط عن طريق رمزين (0 ، 1)، ولكن لا بد من وجود شكل معين ترتب فيه هذه الرموز على وسائط التخزين. هناك شكلين لترتيب البيانات أو المعلومات على وسائط التخزين إما على شكل ملفات (files) أو على شكل مجلدات (Folders).
ذاكرة الكاش
هي نوع من انواع الذاكره في الحاسب وهي اسرع الانواع اطلاقاً و تتواجد مابين المعالج وبين الذاكره الرئيسية في الحاسب الآلي,وقد تم اللجؤ الى هذا النوع من الذواكر السريعه لتخزين الاجزاء النشطه الاستخدام من البرنامج "البرامج,التطبيقات" الجاري معالجتها في المعالج والحاسب عموما ً لكي يكون التعامل معها سريعا وسلس وبالتالي انخفاض كبير في اوقات التشغيل والانجاز في العمليات.
فكره الكاش هي الابقاء على التعليمات التي يتم استخدامها وجلبها بشكل كبير ودوري وبالتالي فإن متوسط الزمن اللازم للوصول في الذاكره سيصل الى الاخر في الكاش, والكاش ليس الا جزء ضئيل من الذاكره الرئيسيه بالحاسب.
نظرية التشغيل في الكاش:
عندما يحتاج المعالج الى الوصول الى الذاكره فإنه يختبر ما ان كانت اولا متواجده في الكاش وبالتالي يأخذه من الكاش وهذا اسرع طبعا بكثير جداً والا ينتقل الى الذاكره الرئيسيه ويجلب من هناك ال Block الذي يحوي تلك التعليمه " البلوك به التعليمه وايضاً عده تعليمات اخرى متتاليه" الى الكاش " السبب في نقل البلوك اكمله هو انه في المرحله المقبله سيحتاج المعالج تلك التعليمات المجاوره للتعليمه الاولى فتم وضعها في الكاش لاخذها مباشره منه بدلا من جلبها من الذاكره الرئيسيه وبالتالي توفير الوقت والسرعه". كفاءة الكاش تقاس بكميه تدعى ال Hit Ratio او معدل الاصابه " معدل الاصابه او الصواب يقصد به وجود التعليمه في الكاش حينما يبحث عنها المعالج مباشره , وعلى العكس ان لم يجدها في الكاش نسميها Miss "
وفي اغلب الاجهزه عندما تم الاختبار عليها عمليا ً وجدنا معدل الاصابه يقارب 90% مما يدل ان الكاش يسرع الاداء طبعا ً.
من الملاحظ انه يمكن تحسين معدل زمن الوصول الى الذاكره في الحاسب بوضع واستخدام الكاش, حيث ما اذا كان معدل الاصابه عالي اي ان كل الوصول يكون من المعالج الى الكاش دون الحاجه الى الوصول الى الذاكره الرئيسيه سيكون في هذه الحاله زمن الوصول سريع جدا يضاهي سرعه الكاش. واليكم مثال توضيحي:-
ليكن لدينا كمبيوتر فيه زمن الوصول للكاش هو 100 نانو ثانيه,في اليد الاخرى كان زمن الوصول الى الذاكره الرئيسيه هو 1000نانو ثانيه وكان معدل الاصابه 0.9 اي 90% سيكون هنا معدل الوصول اللازم هو 200 نانو ثانيه فالبتالي تم تخفيض الزمن وحصلنا على السرعه.
كما نعلم ان من خصائص الكاش هو السرعه بالتالي زمن البحث عن تعليمه داخل الكاش يجب ان يكون ضئيل جدا او معدوم, بالنسبه لعمليه انتقال البيانات من الذاكره الرئيسيه في الكمبيوتر الى ذاكرة الكاش تسمى عمليه التخطيط "Mapping " و هناك ثلاثة انواع من التخطيطــ :-
1- النوع الاول هو Associative Mapping
2- النوع الثاني هو Direct Mapping
3- النوع الثالث هو Set-Associative Mapping
النوع الاول "Associative "
اغلب الكاشات السريعه والجيده تستخدم هذه الطريقه وفي هذه الطريقه يتم تخزين العنوان والمحتوى للتعليمه او "Word " وفي هذا النوع لا يسمح بتخزين اي تعليمه "Word " في اي مكان.اي هنا يوجد عدد ضخم"ن" الاماكن مخصص للبيانات., وعندما نريد احدها يتم البحث في كل القيم الى ان يتم الحصول على المراد.
النوع الثاني"Direct Mapping":-
هنا يوجد مكان واحد لكل البيانات.
النوع الثالث "Set-Associative":-
هذا النوع كحل وسط بين النوعين الاولين حيث هنا يوجد 2 مرفوعه الى الاس ن من الاماكن لكل البيانات ففي حال ن=2 نسميه Two Way Set Associative
في حال ن = 3 نسميه Three Way Set-Associative
في حال ن = 4 نسميه Four Way Set-Associative
باختصار نلاحظ الاتي:-
عيوب ال Direct ان لكل الـ Dataمكان واحد اي في حال نريد جلب بيانات متتابعه فانه يلزم جلب كل واحده في مره وازلتها ثم وضع الاخرى ثم ازالتها ثم وضع الاخرى وهكذا....
ميزة ال Associativeانه يضع كل داتا في مكان وبالتالي لا داعي لجلب كل داتا متتاليه كل مره.
اما في حاله ال Set Associative يتم تقسيم الكاش الى مجموعات.
وحدة الذاكرة الرئيسية
وحدة الذاكرة الرئيسية Main Memory Unit :
هي وحدة تخزين البيانات والتعليمات والبرامج المراد تنفيذها حيث تبقى هذه البيانات في الذاكرة .. حتى تُستَخدَم عن طريق وحدة التحكم .ويعتمد حجم العمل على ما ينجزه الكمبيوتر من سعته للذاكرة الرئيسية من معلومات وبيانات في آن واحد .
للذاكرة غرضين رئيسيين :
الغرض الأول : هو خزن الشفرات الثنائية لسلسلة الإيعازات المطلوب من الحاسوب تنفيذها (أي البرامج).
والغرض الثاني : هو خزن البيانات التي سيعمل الحاسوب عليها عند تنفيذ البرنامج .
تتكون الذاكرة الرئيسية من :
ذاكرة القراءة فقط ( Read Only Memory ( ROM : وهي ذاكرة للقراءة فقط حيث يمكن القراءة منها ولا يمكن الكتابة لها وتتميز بأنها تحتفظ بالمعلومات حتى عندما يتم قطع الطاقة عنها - أي بعد فصل التيار الكهربائي عن الجهاز .
تعتبر ذاكرة القراءة ذاكرة غير متطايرة non-volatile وهناك أنواع أخرى منها يمكن برمجتها لعدة مرات مثل EPROM و EEPROM .
تستخدم ذاكرة القراءة فقط ROM لخزن برامج الإقلاع وتعريفات المكونات المادية المربوطة مع جهاز الحاسوب عند بدء التشغيل . وبرامج الإقلاع هذه تنفذ عدة مهام عند بدء التشغيل مثل إجراء فحص شامل على جميع مكونات الحاسوب للتعرف عليها وعلى حالتها ثم تحميل برنامج نظام التشغيل (OS) وتسليمه السيطرة على النظام .
ذاكرة القراءة والكتابة-ذاكرة الوصول العشوائي Random Access Memory) RAM): وهي ذاكرة للقراءة والكتابة حيث يمكن تغيير محتوياتها والكتابة لها . ولكن هذه الذاكرة تكون متطايرة بمعنى أنها تفقد محتوياتها عند انقطاع الطاقة عنها.
وتستخدم ذاكرة القراءة والكتابة (RAM) لخزن برامج وبيانات المستخدم وكذلك لخزن النتائج التي تتولد أثناء معالجة البيانات من قبل الحاسوب.
كلما زادت ذاكرة القراءة والكتابة تزداد سرعة الجهاز والوحدة الأساسية لقياس الذاكرة هي البايت والذي يمثل 8 بت. وللأحجام الكبيرة يمكن استخدام وحدات كيلوبايت وتساوي 1024 بايت وميغابايت = 2 20 بايت .
الذاكرة العشوائية:
تعلم ان تخزين البيانات في الحاسب يتم في اقراص التخزين كالقرص الصلب و الأقراص المرنة ، المشكلة في هذه الأقراص أنها لا تملك السرعة الكافية لمجاراة سرعة المعالج لذا اذا اراد المعالج معالجة بعض البيانات فإنه لا بد من تخزين هذه البيانات في وسط تخزين سريع جداً لحين الإنتهاء من معالجتها و من ثم تخزينها في الذاكرة الدائمة كاقرص الصلب .
و لأن الذاكرة العشوائية هي نوع من الذاكرة فهي تقاس بنفس الوحدات التي تقاس بها أنواع الذاكرة الأخرى أي البايت و مشتقاته ( كيلو بايت ، ميجا بايت ،جيجا بايت ....الخ).
و لأن البرامج و البيانات بشكل عام تزداد حجما عاما بعد آخر فإن الطلب على حجوم اكبر من الذاكرة يزداد ، فالحاسب قبل عشرين سنة من الآن لم يكن يزود في الغالب بأكثر من ميجابايت واحد من الذاكرة في حين و صل العد الآن الى أضعاف هذا العدد عشرات أو مئات و ربما آلاف المرات ، و لعل ما دفع الى ذلك هو ظهور أنظمة التشغيل الرسومية مثل وندوز التي تتطلب كمية كبيرة من الذاكرة و لعل ذلك ساهم بشكل كبير في انخفاض الأسعار.
ما تأثير حجم و نوعية الذاكرة العشوائية على الحاسب بشكل عام ؟
الأداء : يصبح الحاسب أسرع بشكل عام عند إضافة المزيد من الذاكرة ، خاصة عند التعامل مع كميات كبيرة من البيانات أو البرامج الكبيرة ( البرامج الجديدة تكون أكثر تطلباً للذاكرة من البرامج القديمة ) ، و هذه النقطة مهمة جداً حيث أنه حتى المعالج السريع قد لا يستفاد من أقصى اذا كانت كمية الذاكرة العشوائية أقل مما يجب .
نوعية الذاكرة العشوائية تلعب دوراً في سرعة الذاكرة و في خيارات الترقية فيما بعد .
قد لا يمكنك تشغيل بعض البرامج إذا كان لديك كمية قليلة من الذاكرة العشوائية : أغلب البرامج تتطلب كمية معينة من الذاكرة العشوائية لتعمل ، فمثلاً اغلب البرامج الحديثة تتطلب 32 ميجابايت من الذاكرة العشوائية على الأقل .
المشاكل و الأخطاء : ان نوعية الذاكرة العشوائية تلعب دوراً في كمية المشاكل و الأخطاء التي قد توجهها أثناء عملك على الحاسب ، ان قطعة ذاكرة معطوبة قد تتسبب بتوقف الحاسب اثناء عملك على الحاسب ، ان قطعة ذاكرة معطوبة قد تتسبب بتوقف الحاسب المتكرر عن العمل بدون سبب واضح من الوهلة الأولى لا بل قد تذهب بعيداً و تفعل أشياء مثل تشخيص أخطاء و همية في القرص الصلب.
الفرق بين " الذاكرة " و "الذاكرة العشوائية "
إن كلمة "الذاكرة " بهذه الصورة ليست كلمة ذات معنى محدد لأن الذاكرة كلمة عامة تشمل تحتها الذاكرة العشوائية و وسائط التخزين المختلفة (القرص الصلب و المرن و القرص المدمج و الأنواع الأخرى ) ، لذا من غير المستحسن عند الحديث عن نوع معين من الذاكرة استخدام كلمة " الذاكرة " لوحدها بل يجب تحديد اي نوع من الذاكرة تقصد .
ذاكرة الفلاش
هي ذاكرة [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] أي لا تفقد المعلومات بانقطاع التيار, ولا تحتاج الى كهرباء (فرق جهد) لبقاء المعلومات عليها, ولها أنواع NOR Gate و NAND Gate ... سأضع بين يديكم كقال تفصيلي حول طريقة عملها تقنيا فيما بعد ان شاء الله.
وتنتشر ذاكرات الفلاش الآن في أغلب أجهزة الملتيميدي كالجوال والكاميرات الرقمية واجهزة تشغيل الملتيميديا, واخيرا كذاكرات منفصلة لنقل البيانات من جهاز لآخر.
وتعتمد في اتصالها بجهاز الكمبيوتر على منفذ USB التسلسلي موفرة سرعة نقل بيانات عالية.
كما أن سرعتها في نقل البيانات عالية, لكنها اقل من سرعة ذاكرة الكمبيوتر العشوائية RAM.
سبب التسمية فلاش: مأخوذة من فلاش الكاميرا, من مقدم هذه التقنية Dr. Fujio Masuoka ) شركة توشيبا 1984(.
ولقد شهدت هذه الذاكرة تجارب وتطويرات عديدة, آخرها تفكير مصنعي أجهزة الأجهزة المحمولة Laptop في استبدال الأقراص الصلبة بذاكرات فلاش عالية السعة التخزينية.
مميزاتها: مقاومة للصدمات, لا تحتاج لتيار كهربي دائم لحفظ البيانات, سرعة قراءة وكتابة, سرعة نقل البيانات.
لقد أصبحت بديلا متميزا للأقراص الممغنطة التي كنا نحملها في جيوبنا أوائل ومنتصف التسعينات.
سعة ذاكرة الفلاش
تتراوح سعة هذه الوحدات ما بين 512 ميجابايت إلى 32 جيجابايت ، فرغم صغر حجم هذه الوحدة إلا أنها تستطيع أن تخزن ملفات كبيرة الحجم .
استخدامات ذاكرة الفلاش:
لقد أصبحت ذاكرات الفلاش بمثابة هوية تعريف دائمة لكل المتصلين بتكنولوجيا المعلومات في كل مكان, واصبحت مكانا آمنا نحتفظ فيه بكل ملفاتنا الهامة والحساسة, داخل جيوبنا وتحت وسائدنا, وأينما رحلنا. وتعدى الأمر مجرد (وسيط لنقل البيانات.
ومن هذا المنطلق ظهرت تكنولوجيات جديدة في عالم ذواكر الفلاش, هي أهم ما سأتحدث عنه هنا.
أسباب تلف الفلاش:
- التحميل الخاطىء لملف سوفتوير جديد يؤدى إلى أن تكون كل المعلومات المسجلة على الفلاش ميموري غير صحيحة وبالتالي لا يستجيب الجهاز لأي اتصال مع جهاز الكومبيوتر . - تراكم الأتربة على وحدة الفلاش ميموري
- حدوث تغير في التيار الكهربي إثناء الاستخدام العادي .
- قطع التيار الكهربي إثناء عملية تحميل ملف اللودر المدمج بالسوفت وير على الجهاز.
أهم النقاط الواجب اخذها في الإعتبار عند استخدامك للفلاش ميموري :
قد تتسبب هذه الوحدات في تلف اللوحة الرئيسية أو وحدة ذاكرة الفلاش إذا لم تتبع الخطوات الصحيحة عندما سحب الوحدة من منفذ USB للحاسب.
إخراج الوحدة بطريقة غير صحيحة قد تتسبب في حدوث صدمة كهربائية للوحدة أو للوحة الرئيسية فتؤدي إلى مشاكل كثيرة.
الطريقة الصحيحة لإخراج الوحدة من منفذ USB :
ضغط بالمفتاح الأيمن للفأرة علي الأيقونة الصغيرة لوحدة ذاكرة الفلاش التي توجد في الركن الأيمن من النافذة بجوار ساعة الحاسب.
من النافذة التي ستظهر لنا اضغط علي خاصية safely remove hardware لإخراج الوحدة بأمان.
من النافذة التي ستظهر لك أختر وحدة ذاكرة الفلاش التي تستخدمها ثم أضغط علي مفتاح Stop وأنتظر حتي تظهر لك رسالة بأنك تستطيع إخراج الوحدة الآن بسلام . بعد ذلك قم بسحب الوحدة من منفذ USB وستلاحظ أن اللمبة التي توجد في الوحدة (إذا كان يوجد بها) قد أطفأت كدليل علي أن الكهرباء قد فصلت عن الوحدة .
القرص الصلب
لم تكن الحاسبات في البداية تحتوي على أية أقراص صلبة فقد كان تشغيل البرامج يتم من خلال الأقراص المرنة فقط لذلك فإن القرص الصلب بالنسبة للحاسب هو وسيلة التخزين الرئيسية فيه فهو الوحيد بين وسائل التخزين المختلفة الذي يملك الحجم والسرعة الكافيتين لتخزين البرامج الحديثة لتنفيذها .
لقد تطورت الأقراص الصلبة كثيراً منذ بداية استعمالها في الحاسبات الشخصية في بداية الثمانينيات ، زادت حجومها وسرعتها وتقلص حجمها ، واختيار إحداها لحاسبك يتطلب منك الفهم الجيد للقرص الصلب ومكوناته وكذلك طريقة عملة وتركيبته الداخلية وهذا ما تطرقنا له سابقاً .
تركيبة القرص الصلب الداخلية
القرص الصلب كجهاز خاص بتخزين البيانات يعتبر جهاز مستقل بذاته ويتصل مع اللوحة الأم للحاسب بكيبل خاص ، ويحتوي الجهاز نفسه على أجزاء ميكانيكية وأخرى إلكترونية :
الأجزاء الميكانيكية : يتكون من مجموعة من الأقراص متراصة فوق بعضها البعض ولها محور مشترك تدور حوله ، وهذه الأقراص مغلفة بمادة قابلة للمغنطة حتى يمكن تخزين البيانات على سطحها على شكل شحنات ، ولكي يتم تخزين واسترجاع البيانات يجب أن يكون هناك رأس للقراءة والكتابة ويوجد في الواقع رأس واحد للقراءة والكتابة على كل سطح من أسطح الأقراص ويتحرك هذا السطح جيئة وذهاباً ليتم التخزين على كامل مساحة هذه الأقراص ، وتتوضع الرؤس والأقراص معاً داخل علبة محكمة الإغلاق لمنع دخول أية أجسام غريبة مهما كانت صغيرة ، فإي جسم غريب قد يتسبب بتلف سطح القرص .
الأجزاء الإلكترونية : وهو عبارة عن لوح إلكتروني مهمته تحويل الإشارات الكهربائية ( البيانات ) إلى مناطق ممغنطة على القرص ليتمكن بعد ذلك من استعادتها( التخزين والاسترجاع ) وكذلك عملية التحكم بدوران القرص وحركة رؤس القراءة والكتابة .
جميع الأقراص الصلبة تعمل بنفس المبدأ ، وتختلف عن بعضها في جودة المكونات وسرعة عملها وتبدو تركيبة القرص الصلب صعبة الفهم بعض الشئ لذا سوف أوضح ذلك ببعض الرسومات الثلاثية الأبعاد ، تتبع معي هذه الخطوات :
1- تخيل أن لدينا قرص دائري يمكن تسجيل البيانات على كلا وجهيه
2- والآن تخيل أن القرص معه عدد آخر من الأقراص على هذا الشكل ( قد تختلف عددها من قرص صلب إلى آخر(
3- الآن تصور أننا أضفنا محور يمكن الأقراص من الدوران حول محورها معاً
4- ومن ثم أضفنا رؤس القراءة والكتابة ( رأس على كل سطح من السطوح) والناتج هو عبارة عن أقراص التخزين مع رؤوس القراءة والكتابة
الآن إليك صورة للقرص الصلب من الداخل
1 = أقراص التخزين
2= رؤس القراءة والكتابة
3= محرك رؤس القراءة والكتابة
4= المحور المشترك لرؤس القراءة والكتابة
و يدور المحور حول نفسه مسبباً حركة الأقراص ، كما يمكن لرؤس القراءة والكتابة الحركة كما في الصورة مما يمكن الرؤس من الوصول إلى أي مكان على سطح القرص وقراءة البيانات المطلوبة ونقلها للوحة الإلكترونية السابق ذكرها . وسنتكلم عن كل جزء من الأجزاء .
الأقراص (platters)
يمكن للأقراص أن تكون بأحجام مختلفة عادة ( 3.5 أو 5.25 إنش ) ويؤثر ذلك على الحجم الكلي للقرص الصلب لذا فإنه من الضروري في الحواسيب الصغيرة (المفكرات) تجهيزها بأقراص أصغر مثل 2.5 و 1.8 و 1.3 إنش ، وكلما زاد عدد الأقراص وكثافة البيانات التي عليها كلما زادت قدرة القرص الصلب على تخزين البيانات .
ولأن المسافة بين القرص ورأس الكتابة صغير جداً ( أجزاء من الألف من الإنش ) فإن هذه الأقراص يجب أن تكون مستوية تماماً بحيث لا تلتمس مع الرأس أثناء العمل وإلا تعطل القرص بسبب ذلك .
بالإضافة إلى ذلك فإنه - في قرص ما - كلما كانت المسافة بين القرص و رؤوس القراءة و الكتابة أقل كلما كان من الممكن تخزين كمية أكبر من البيانات في ذلك القرص و تسمى كمية البيانات التي يمكن تخزينها في مساحة معينة من سطح القرص areal density ، وأكثر الوحدات استخداماً هي الميجابايت لكل إنش مربع (MB/square inch) .
وتصنع هذه الأقراص من الألمونيوم ( حيث أنه مادة خاملة قابلة للتشكيل ورخيصة ) أو - في الأقراص الحديثة جداً - من الزجاج المقوى بالسيراميك الذي يعتبر أفضل من حيث مقاومة الارتفاع في درجة الحرارة .
والأقراص ( الزجاجية أو الألمونيوم ) لايمكنها حفظ الشحنة اللازمة لعملية التخزين بل يجب أن تطلى هذه الأقراص بمواد لها خاصية حفظ الشحنة مما يمكن رؤس القراءة والكتابة من استعمالها في حفظ البيانات ، وهذه المواد - كأي مادة صلبة - عندما تطحن تصبح حبوب صغيرة جداً ، وهذه الحبوب هي التي تخزن فيها الشحنة بواقع بت واحد لكل حبة ، فيجب إذاً أن تكون صغيرة كفاية حتى يمكن تخزين عدد كبير من البيانات في أصغر مساحة ممكنة .
والمواد المستعملة هي :
- أكسيد الحديد ( نفس مادة الصدأ ولكن مع التنعيم الشديد ) : مخلوط مع مادة صمغية ومادة أخرى مشحمة لتكون مزيج يمكنه الالتصاق بسطح القرص ، وهي المادة المستعملة حالياً في أشرطة تسجيل الصوت ، ومشكلة أكسيد الحديد هو سهولة تهشمه بفعل حركة القرص أو الاهتزازات ، لذا لم تعد هذه المادة مستعملة اليوم .
- الطريقة المستخدمة في أغلب الأقراص الصلبة اليوم هي طريقة لصق المعدن بالدهن الكهربائي ، أو ما يسمى بالعامية " المغطس " وفي الواقع لا أذكر الاسم العربي له - مع أننا درسناه في الثانوية - إلا أن هذه الطريقة تنتج سطح قوي و ممتاز من ناحية حفظ الشحنة ويمكن تسجيل بتات أكثر في الإنش المربع الواحد .
محرك الأقراص (spindle motor)
وهو عبارة عن محرك يقوم بتحريك الأقراص بسرعة معينة تقاس بوحدة "دورة في الدقيقة" RPM و تدور الأقراص بسرعة دوران تتراوح عادة بين 4500 و 5400 دورة في الدقيقة وقد تصل إلى 10000 الدقيقة أو أكثر في حسب نوع القرص .
وكلما كان معدل دوران المحرك أسرع كما كان أفضل لأن رأس القراءة سوف يتمكن من الحصول على البت المطلوب أسرع مما سوف يقلل الوقت الفاصل بين طلب الحاسب للبيانات وتلقيها له (يسمى زمن التأخير ( XXXX.
رؤس القراءة والكتابة
يوجد على كل قرص من الأقراص رأسين للقراءة والكتابة ( واحد على الوجه السفلي والآخر على الوجه العلوي ) ، أي أنه في حالة القرص الصلب الذي يحتوي على 4 أقراص فإنه يحوي على 8 رؤس قراءة وكتابة وهكذا .
يوجد نوعين من رؤوس القراءة والكتابة :
- Inductive Head : يحوي كل رأس من رؤس القراءة والكتابة على لفة من الأسلاك الدقيقة وعندما يود القرص التسجيل في مكان ما فإنه يفعل ذلك بتمرير تيار كهربائي في اللفة عند مرورها على المنطقة المطلوب التسجبل فيها وبذلك تشحن تلك المنطقة ( تخزين البتات ) ، ويستعمل نفس الرأس في تحسس التغير في الشحنة ( قراءة البتات ) . إن المسافة بين رأس القراءة والكتابة وبين سطح القرص صغيرة جداً و لا تؤثر على عملية الكتابة والقراءة . بعد ذلك تتولى لوحة التحكم استخلاص البيانات اللازمة وإرسالها إلى المعالج .
- Magneto-Resistive وتركيب الرأس في هذه الحالة مشابه لحالة السابقة ولكن مبدأ العمل مختلف ، ففي هذا النوع يمر تيار كهربائي خفيف بشكل مستمر في رأس القراءة وعندما يمر الرأس على البتات فإن المجال المغناطيسي للبتات يؤثر على شدة التيار الكهربائي ، تقاس التغيرات في شدة التيار الكهربائي وتحول إلى بيانات ، لاحظ أن هذا النوع من الرؤوس لا يمكنه كتابة البيانات بل يستطيع قراءتها فقط لذا فمن اللازم عند استعمال هذا النوع من الرؤوس وجود رأس آخر من النوع inductive للكتابة .
ويبرز سؤال هنا وهو : إذا كان النوع الثاني من الرؤوس يستخدم للقراءة فقط فلماذا نستخدمه ؟ والجواب هو أنه أسرع في القراءة من النوع الأول ويمكنه التعامل مع أقراص ذات كثافة أعلى .
ورؤس القراءة والكتابة تتحرك كلها معاً لأنها على محرك واحد وقاعدة واحدة ، ورأس القراءة والكتابة محمول على ذراع مرن قليلاً مما يمكنه من ملامسة القرص أو الارتفاع عنه قليلاً ، فعندما يكون القرص واقفاً فإن رأس القراءة والكتابة يكون ملامس لسطح القرص و عندما يبدأ القرص في الدوران فإن تيار الهواء الناتج من الدوران يبعد رأس القراءة والكتابة عن سطح القرص قليلاً ( المسافة قليلة إلى حد أجزاء من المليون من الإنش) بحيث لا يحدث تلامس بينهما أثناء العمل ، وعندما يود القرص الصلب إيقاف الدوران فإنه يحرك الرأس لمكان آمن من القرص يسمى منطقة الهبوط (landing zone) حيث يمكن بعدها إيقاف دوران القرص والسماح برأس القراءة والكتابة بملامسة سطح القرص حيث أن منطقة الهبوط خالية من البيانات فهي مخصصة فقط لهبوط الرأس عليها ، ليس هذا فحسب بل يتم أيضاً "ربط" الرؤوس في منطقة الهبوط حتى لا يتحرك الرأس مع ارتجاج القرص الصلب وهذه العملية تتم أوتوماتيكياً في الأقراص الجديدة أما القديمة جداً فقد كانت تستلزم برنامج خاص لعمل ذلك .
تعرف أن تخزين البيانات يتم طبعاً على شكل بتات ، إن عدد البتات التي يمكن تسجيلها على المسارات الخارجية للقرص أكبر من تلك التي يمكن تسجيلها على المسارات الداخلية بسبب شكله الدائري لذا فإن رأس القراءة والكتابة يجب أن يقرأ (أو يكتب) بمعدل أسرع في الطرف الخارجي عن الداخلي .
إن رؤوس القراءة والكتابة كلما كانت أصغر حجماً كان بإمكانها التسجيل في حقول بتات أصغر وبالتالي الحصول على كثافة أعلى للبيانات ، وأيضاً يمكن للرأس الأصغر الاقتراب من سطح القرص أكثر وأكثر من دون الاحتكاك به والاقتراب من سطح القرص يعني امكانية تخزين بيانات
محرك رؤس القراءة والكتابة (actuator)
يقوم هذا المحرك ( مع الأجهزة الإلكترونية الخاصة به ) بتحريك الرؤوس للمكان المطلوب من القرص حتى يمكن استخدام كافة مساحة القرص في تخزين البيانات ولأن المسافة بين البتات صغيرة جداً يعتبر دقة المحرك في تحريك الرأس إلى المكان المطلوب بالضبط من الأمور الأكثر أهمية في سبيل استخدام مساحة القرص كاملة .
و محرك رؤوس القراءة والكتابة يمكن أن يخطئ في مكان بت ما من البتات لذا كان لابد من أساليب للتأكد من كون رأس القراءة في المكان الصحيح ، وأحد هذه الأساليب هي تلقي المحرك معومات عن مكان رأس القراءة مما يمكنه من تصحيح الخطأ إن وقع ، والأنظمة الإلكترونية الخاصة به يمكن أن تكون مغلقة (يوجد آلية تصحيح ) أو مفتوحة ( لا يوجد مثل هذه الآلية ) .
إن الحرارة التي تتولد من المحرك ودوران الأقراص تتسبب في ارتفاع درجة الحرارة داخل القرص الصلب مما يتسبب في تمدد أجزاء القرص الصلب ( جميع المواد تتمدد بالحرارة وتنكمش بالبرودة ) ، لهذا يوجد ما يسمى الوزن الحراري thermal calibration حيث يوزن القرص نفسه كل فترة من الزمن تختلف باختلاف نوع القرص .
بعض الأقراص الحديثة فيها ميزة تأجيل هذا الوزن إذا كان القرص يقرأ ملف كبير مثل ملف فيديو مما يساعد على عدم حدوث أي قطع في ملف الفيديو .
حتى الآن يوجد نوعان من تكنولوجيا المحركات :
- الأول : يسمى " band stepper motor " يعتمد على محرك يدور على حسب "كمية" الكهرباء القادمة من لوحة التحكم ، وبالتحكم بكمية الكهرباء التي ترسلها له يمكن للوحة التحكم بأن تحرك الرأس للمكان الذي تريده ، مشكلة هذا النوع ليس فقط حساسيته للحرارة بل أيضاً التلف مع الزمن والبطء في الأداء هذا بالإضافة إلى سهولة الخطأ في مكان القراءة والكتابة على القرص خاصة عند قدم القرص لأن هذا النوع من المحركات ذو نظام إلكتوني مفتوح ( لايوجد آلية للتأكد من موقع الرأس) ، ولا يمكن لهذا القرص أن يستعمل في أقراص صلبة عالية السعة لعدم دقته .
- الثاني يسمى "servo voice coil motor" و في هذا النوع تقوم لوحة التحكم بارسال تيار كهربائي إلى المحرك وهذا التيار يستعمل في توليد مجال مغناطيسي يستخدم في تحريك الرأس ضد زنبرك مما يجعل لوحة التحكم قادرة على التحكم بموقع الرأس عن طريق التحكم بالتيار الكهربائي ، و يستعمل آلية خاصة لإستكشاف موقع السلندرات دارة إلكترونية مغلقة حيث أنه يستلم باستمرار - أثناء عمله - معلومات عن موقع الرأس على القرص ( وذلك عن طريق المعلومات المكتوبة في مواقع معروفة مسبقاً في القرص ) ويتمكن بذلك من تعديل أية أخطاء قد تحدث مع قدم القرص .
لوحة التحكم (logic board)
وهي اللوحة الإلكترونية التي تتحكم بالقرص الصلب ( الرؤس و المحرك ) وتقوم بعمليات القراءة والكتابة من وإلى القرص ، يمكن للمكونات الإلكتونية أن تتلف مسببة توقف القرص الصلب عن العمل .
إن الأقراص الصلبة تختلف داخلياً من شركة إلى شركة ، تختلف طريقة إدارة تخزين البيانات وطرق فحص الأخطاء وتشخيصها وأشياء أخرى كثيرة ولكن جميع الأقراص يمكن أن تعمل على جميع الحواسيب لماذا ؟ هذا لأن الأقراص مع أنها تختلف من الداخل إلا أنها متماثلة من الخارج ، مثلاً عندما يود المعالج ملف ما م القرص فإنه سوف يصدر للقرص أمر لجلب القرص ( هذا الأمر قياسي ومتماثل في جميع الأقراص ) فإن القرص يستلم هذا الأمر ثم يمرره للإلكترونيات الداخلية التي تتعامل مع القرص " كما يحلو لها " وبشكل مختلف لكل نوع من الأقراص ولكن في النهاية يجب أن تجلب الملف المطلوب للمعالج في الصورة القياسية .
يعتبر القرص الصلب من المكونات الحساسة في الحاسب ، بل يمكن أن نقول أنه أكثر الأجزاء حساسية كونه يتأثر بالصدمات كثيراً ومن الجائز جداً أن يتعطل بسهولة نسبياً ، مثلاً قد يتعطل القرص عند سقوطه على الأرض .
كيف يعمل
قد يكون هذا صعب قليلا على البعض ولكن دعني أشرحه ، إذا أحضرنا مسمار حديد ولففنا حوله سلك وقمنا بتمرير تيار كهربائي في هذا السلك فإن السلك ينتج مجال مغناطيسي في المسمار ، وهذا هو المبدأ الذي يعمل به التخزين في القرص الصلب حيث يحتوي رأس القراءة والكتابة على لفة أسلاك دقيقة جداً ( تسمى coil ) وقطعة دقيقة من المعدن ( تسمى core ) وعند مرور تيار كهربائي في السلك ينتج مجال مغناطيسي في القطعة المعدنية التي تؤثر في البت القريب منها .
ننتقل الآن إلى موضوع الكتابة على المسارات الداخلية من القرص ، في هذه المسارات الداخلية تكون البتات متقاربة مع بعضها البعض كثيراً وهذا يجعل من الصعب على رأس القراءة والكتابة أن يقرأها ، لذا كان من اللازم تسجيل البتات في هذه المناطق المزدحمة بفولتية أقوى من غيرها ليسهل قراءتها بعد ذلك ، تسمى الكتابة بفولتية أعلى على المسارات المزدحمة write precompensation وحتى تخبر الحاسب في أي سلندر من السلندرات يجب أن يبدأ استعمالها في القرص يوجد في نظام البيوس مع إعدادات القرص الصلب write precompensation ( لاحظ يمكن أن تجد اختصار مثل write precom أو ما شابه ) ولكن لاحظ أن الأقراص الصلبة الجديدة تطبقه أوتوماتيكياً فلا تحتاج لذلك أن تضبطه في البيوس بل يجب أن تكتب صفر أو 65535 (حسب نوع البيوس ) في مكانها .
المسار
يخزن القرص الصلب البيانات على شكل بتات ، التي تشكل البايتات ( كل 8 بتات = واحد بت ) ، ترتب البتات على كل قرص من الأفراص المكونة للقرص الصلب على شكل دوائر يطلق على كل منها " مسار" track وهذه الدوائر طبعاً تكبر كلما اقتربنا من الطرف الخارجي للقرص ، وعلى الشكل المقابل نرى أربعة أقراص وقد رسم على كل منها ثلاث مسارات .
السلندر
إن رؤوس القراءة والكتابة مربوطة مع بعضها بمحور مشترك ومحرك واحد ، فإذا كان واحد من الرؤوس على المسار الخارجي الأخير من قرص ما فإن الرؤوس الأخرى جميعاً تقع على المسار نفسه على باقي الأقراص وهكذا ، وإذا تخيلنا تلك المسارات مجتمعة فإنها تكون حلقات الواحدة فوق الأخرى وتكون معاً ما يشبه الاسطوانة وهذا هو اسمها فعلاً ( السلندر) أي اسطوانة بالانجليزية .
فمثلاً في الشكل المقابل تكون المسارات الثمانية الخارجية سلندراً (لاحظ أن كل قرص له وجهين كل وجه له مسار) أي أنه في هذه الحالة يكون السلندر به 8 مسارات ، وطبعاً قد يختلف عدد الأقراص من قرص صلب إلى آخر ، قد تجد قرصاً ما بخمسة أقراص أو ستة إلخ .......
وبالطبع - إذا كنت قد استوعبت الكلام السابق - فإن عدد السلندرات في أي قرص صلب تساوي عدد المسارات على كل وجه من أي قرص من أقراصه، وللعلم فإن عدد المسارات في الأقراص الحديثة يعد بالألوف و كلما كان أكبر كلما أصبحت كثافة البيانات أكبر وكلما أصبح بالإمكان تخزين بيانات أكثر على نفس القرص يتأثر بحجم رأس القراءة والكتابة وكذلك بالمسافة بين القرص ورأس القراءة والكتابة .
القطاع (sector)
عندما يود الحاسب تخزين بعض البيانات فإنه طبعاً يخزنها على شكل ملفات ، وعليه عند تخزين أي ملف أن يسجل موقع كل ملف حتى يمكنه عند الحاجة إلى استرجاع الملف الرجوع إلى نفس المكان مرة أخرى ، وتخزن مواقع جميع الملفات المخزنة في القرص في منطقة مخصصة لهذا الغرض تسمى جدول مواقع الملفات [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] ، وحتى يفعل ذلك يجب أن يقوم بإعطاء كل بايت في القرص رقماً ( مثل عناوين البيوت ) ، وإذا استعملنا هذه الطريقة فإن جدول مواقع الملفات ( ومع كثرة عدد الملفات ) سيستهلك الكثير من مساحة القرص في تخزين مواقع الملفات (أنظر أيضاً قسم [url=http://www.khayma.com/myoasis/hd_1.htm#تخزين الملفات في القطاعات]تخزين الملفات في القطاعات[/url] xxxx).
لذلك عندما يتعامل الحاسب مع الملفات في القرص الصلب فإنه لا يتعامل معها على حجم بايتات ، لذلك يقسم القرص كل مسار من المسارات إلى أقسام صغيرة متساوية تسمى " قطاعات " ومفردها " قطاع " ، وفي القرص الصلب يكون طول القطاع 512 بايت ( وليس 512 كيلوبايت ) ، وهذا الطول ( 512 بايت ) دائماً ثابت بغض النظر عن نوع أو الحجم الكلي للقرص الصلب ، لذلك يعتبر القطاع أصغر وحدة قياسية للتعامل مع القرص الصلب .
وإذا تكلمنا عن أنظمة الملفات المختلفة نجد أن بعض أنظمة الملفات تتعامل مع القطاع كوحدة القرص القياسية ( مثل نظام HPFS الخاص بنظام التشغيل OS/2 ) بينما بعض الأنظمة الأخرى مثل FAT يعتبر القطاع وحدة صغيرة ويستخدم وحدة تسمى " الكلستر" كوحدة القرص القياسية .
ولكن هل يمكن أن يكون حجم القطاع أكبر أو أصغر من 512 ؟ الجواب هو ممكن ولكن ليس في الأقراص الصلبة ، وهذا راجع لتصميم كل نوع من وحدات التخزين . فما الذي يجعل حجم القطاع 512 بايت ، لماذا لا يكون أقل أو أكثر ؟ في الحقيقة إن تحديد حجم القطاع بـ 512 بايت لهو ما يشبه اتفاق أهل الصناعة على ذلك لتصبح الأقراص متوافقة مع أنظمة التشغيل المختلفة .
وإذا نظرنا لتوزيع القطاعات على المسارات المختلفة على القرص الواحد نجد أن المسار يمكن أن يكون أطول ما يمكن ( في الطرف الخارجي للقرص ) أو أقصر ما يمكن ( في الطرف الداخلي للقرص ) فهل يكون عدد القطاعات في المسارات الصغيرة مساوي لعددها في المسارات الكبيرة ؟ في الحقيقة تختلف إجابة هذا السؤال بالنسبة للأقراص الجديدة عنها في القديمة ، ففي الأقراص القديمة نجد أن عدد القطاعات في كل المسارات متماثلة بينما في الأقراص الجديدة عددها يعتمد على حجم المسار حيث يتم بذلك استغلال مساحة القرص بشكل أفضل ، وتسمى هذه العملية "Multible Zone Recording" واختصاراً MZR كما يمكن أن يسمى بأسامي أخرى مثل Zoned Constant Angular Velocity واختصاراً[font:5f90='Ver