ฮาร์ดดิสค์ (Hard disk)

ลักษณะทั่วไป

ระบบฮาร์ดดิสค์แตกต่างกับแผ่นดิสเกตต์ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะมีจำนวนหน้าสำหรับเก็บบันทึกข้อมูลมากกว่าสองหน้า นอกจากระบบฮาร์ดดิสค์จะเก็บบันทึกข้อมูลเหมือนแผ่นดิสเกตต์ยังเป็นส่วนที่ใช้ในการอ่านหรือเขียนบันทึกข้อมูลเหมือนช่องดิสค์ไดรฟ์

แผ่นจานแม่เหล็กของฮาร์ดดิสค์ จะมีความหนาแน่นของการจุข้อมูลบนผิวหน้าได้สูงกว่าแผ่นดิสเกตต์มาก เช่น แผ่นดิสเกตต์มาตราฐานขนาด 5.25 นิ้ว ความจุ 360 กิโลไบต์ จะมีจำนวนวงรอบบันทึกข้อมูลหรือเรียกว่า แทร็ก(track) อยู่ 40 แทร็ก กรณีของฮาร์ดดิสค์ขนาดเดียวกันจะมีจำนวนวงรอบสูงมากกว่า 1000 แทร็กขึ้นไป ขณะเดียวกันความจุในแต่ละแทร็กของฮาร์ดดิสค์ก็จะสูงกว่า ซึ่งประมาณได้ถึง 5 เท่าของความจุในแต่ละแทร็กของแผ่นดิสเกตต์

เนื่องจากความหนาแน่นของการบันทึกข้อมูลบนผิวแผ่นจานแม่เหล็กของฮาร์ดดิสค์สูงมาก ๆ ทำให้หัวอ่านและเขียนบันทึกมีขนาดเล็ก ตำแหน่งของหัวอ่านและเขียนบันทึกก็ต้องอยู่ในตำแหน่งที่ใกล้ชิดกับผิวหน้าจานมาก โอกาสที่ผิวหน้าและหัวอ่านเขียนอาจกระทบกันได้ ดังนั้นแผ่นจานแม่เหล็กจึงควรเป็นแผ่นอะลูมิเนียมแข็ง แล้วฉาบด้วยสารแม่เหล็ก ฮาร์ดดิสค์จะบรรจุอยู่ในกล่องโลหะปิดสนิท เพื่อป้องสิ่งสกปรกหลุดเข้าไปภายใน ซึ่งถ้าต้องการเปิดออกจะต้องเปิดในห้องเรียก clean room ที่มีการกรองฝุ่นละออกจากอากาศเข้าไปในห้องออกแล้ว ฮาร์ดดิสค์ที่นิยมใช้ในปัจจุบันเป็นแบบติดภายในเครื่องไม่เคลื่อนย้ายเหมือนแผ่นดิสเกตต์ ดิสค์ประเภทนี้อาจเรียกว่า ดิสค์วินเชสเตอร์(Winchester Disk)
ฮาร์ดดิสค์ส่วนใหญ่จะประกอบด้วยแผ่นจานแม่เหล็ก(platters) สองแผ่นหรือมากกว่ามาจัดเรียงอยู่บนแกนเดียวกันเรียก Spindle ทำให้แผ่นแม่เหล็กหมุนไปพร้อม ๆ กัน จากการขับเคลื่อนของมอเตอร์ด้วยความเร็ว 3600 รอบต่อนาที แต่ละหน้าของแผ่นจานจะมีหัวอ่านเขียนประจำเฉพาะ โดยหัวอ่านเขียนทุกหัวจะเชื่อมติดกันคล้ายหวี สามารถเคลื่อนเข้าออกระหว่างแทร็กต่าง ๆ อย่างรวดเร็ว

จากรูปเป็นภาพตัดขวางของฮาร์ดดิสค์แสดงแผ่นจาน แกนหมุน Spindle หัวอ่านเขียน และก้านหัวอ่านเขียน

จากรูปแสดงฮาร์ดดิสค์ที่มีแผ่นจาน 2 แผ่น พร้อมการกำกับชื่อแผ่นและหน้าของดิสค์ ผิวของแผ่นจานกับหัวอ่านเขียนจะอยู่เกือบชิดติดกัน คือห่างกันเพียงหนึ่งในแสนของนิ้ว และระยะห่างนี้ ในระหว่างแทร็กต่าง ๆ ควรสม่ำเสมอเท่ากัน ซึ่งกลไกของเครื่องและการประกอบฮาร์ดดิสค์ต้องละเอียดแม่นยำมาก การหมุนอย่างรวดเร็วของแผ่นจาน ทำให้หัวอ่านเขียนแยกห่างจากผิวจาน ด้วยแรงลมหมุนของจาน แต่ถ้าแผ่นจานไม่ได้หมุนหรือปิดเครื่อง หัวอ่านเขียนจะเลื่อนลงชิดกับแผ่นจาน ดังนั้นเวลาเลิกจากการใช้งานเรานิยมเลื่อนหัวอ่านเขียนไปยังบริเวณที่ไม่ได้ใช้เก็บข้อมูลที่เรียกว่า Landing Zone เพื่อว่าถ้าเกิดการกระแทรกของหัวอ่านเขียนและผิวหน้าแผ่นจานก็จะไม่มีผลต่อข้อมูลที่เก็บไว้
การโอนย้ายข้อมูลระหว่างฮาร์ดดิสค์กับหน่วยความจำ

ฮาร์ดดิสค์ที่ใช้งานประกอบเครื่องไมโครคอมพิวเตอร์จะต้องมีการ์ดควบคุมฮาร์ดดิสค์มาทำงานร่วม โดยจะเสียบเข้ากับสล้อตที่ยังว่างอยู่ของเครื่องคอมพิวเตอร์ ในการอ่านข้อมูลจากดิสค์ หัวอ่านเขียนจะนำข้อมูลที่อ่านได้ส่งผ่านวงจรอิเล็กทรอนิกส์ของไดรฟ์ไปยังการ์ดควบคุมดิสค์ โดยจะเก็บอยู่ในเนื้อที่ความจำชั่วคราวเพื่อเก็บข้อมูล เรียกบัฟเฟอร์ข้อมูล (Data buffer) ขณะเดียวกันวงจรบนการ์ดควบคุมจะส่งสัญญาณไปยังหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ซึ่งก็คือไมโครโปรเซสเซอร์ เบอร์ 8088, 80286 หรือ 80386 เป็นต้น เพื่อให้ตัวซีพียูโอนย้ายข้อมูลจากบัฟเฟอร์ข้อมูลไปยังหน่วยความจำหลักของคอมพิวเตอร์


จากรูปแสดงการโอนย้ายข้อมูลระหว่างฮาร์ดดิสค์กับหน่วยความจำ การโอนย้ายข้อมูลข้างต้นอาจทำได้ 2 วิธี คือ ถ้าเป็นเครื่องรุ่น AT และ PS/2 ตัวซีพียูจะทำงานนั้นโดยตรงผ่านตัวมันไปหน่วยความจำ แต่ถ้าเป็นเครื่องรุ่นเก่าคือ PC และ XT การโอนย้ายข้อมูลจะกระทำผ่านชิพดีเอ็มเอ (DMA) ที่ย่อมาจาก Direct Memory Access โดยจะโอนย้ายข้อมูลจากบัฟเฟอร์ข้อมูลไปหน่วยความจำหลักไม่ต้องผ่านตัวซีพียูทั้งนี้เพราะตัวซีพียูเบอร์ 8088 ของเครื่องรุ่น XT หรือ PC ทำงานช้า ไม่ทันต่ออัตราความเร็วของการโอนย้ายข้อมูลของฮาร์ดดิสค์ ข้อมูลที่โอนย้ายไปยังหน่วยความจำแรม จะเก็บในพื้นที่เรียกบัฟเฟอร์ของดอส ซึ่งหนึ่งบัฟเฟอร์จะเก็บข้อมูลจากดิสค์ได้ 1 เซกเตอร์ จำนวนบัฟเฟอร์นี้ผู้ใช้งานควรจะเป็นผู้กำหนดขึ้นเองจากคำสั่ง BUFFERS บรรจุในไฟล์ราว 20 บัฟเฟอร์ เมื่อเราอ่านข้อมูลไฟล์จากดิสค์ไปเก็บในบัฟเฟอร์ของดอส และบรรจุในบัฟเฟอร์จนเต็มครบหมด การโอนย้ายเซกเตอร์ต่อไปจะยึดตามหลักว่า บัฟเฟอร์ใดถูกเรียกใช้จากโปรแกรมใช้งานล่าสุดน้อยที่สุด (least recently accessed) ก็จะถูกแทนที่เขียนทับใหม่ ข้อมูลที่อยู่ในบัฟเฟอร์ดอสจะโอนย้ายไปยังหน่วยความจำอื่นตามความต้องการของโปรแกรมประยุกต์ใช้งาน


การบันทึกข้อมูลบนดิสค์ ก็กระทำในลักษณะตรงกันข้ามกับการอ่านข้อมูล โดยโปรแกรมประยุกต์ใข้งานจะแจ้งตำแหน่งข้อมูลที่ต้องการเขียนไปยังดอส ดอสก็จะโอนย้ายข้อมูลไปยังบัฟเฟอร์และส่งผ่านไปยังบัฟเฟอร์ข้อมูลบนการ์ดควบคุมดิสค์ วงจรบนการ์ดควบคุมดิสค์จะกำหนดแทร็กเซกเตอร์ และหน้าของดิสค์ที่ใช้บันทึก ส่งสัญญาณเพื่อเลื่อนหัวอ่านเขียนไปยังตำแหน่งที่ต้องการ และโอนย้ายข้อมูลจากบัฟเฟอร์ไปเก็บบันทึกในดิสค์
การ์ดควบคุมฮาร์ดดิสค์


เนื่องจากฮาร์ดดิสค์ไม่สามารถทำงานเก็บข้อมูลเองได้ เราจำเป็นต้องมีการ์ดควบคุมมาบอกการทำงานประกอบด้วย ตามปกติการ์ดนี้จะใช้เสียบเข้าช่องสล้อตสำหรับการเพิ่มขยาย สัญญาณที่เข้าหรือออกจากฮาร์ดดิสค์จะต้องผ่านการ์ดควบคุมนี้ก่อนเสมอ การ์ดควบคุมแต่ละชุดจะมีวิธีการเข้ารหัสเฉพาะสำหรับช่องไดรฟ์ เราไม่สามารถนำการ์ดควบคุมอื่นที่ใช้วิธีการเข้ารหัสที่แตกต่างกันมาอ่านข้อมูลในฮาร์ดดิสค์ ฮาร์ดดิสค์นั้นจะต้องทำการฟอร์แมตใหม่จึงจะใช้งานกับการ์ดควบคุมนั้น ชนิดของการ์ดควบคุมที่นิยมใช้ในปัจจุบันขึ้นกับอินเตอร์รัฟต์ที่มีอยู่ 4 ชนิด คือ


1. ชนิด ST-506/41L


เป็นระบบควบคุมมาตราฐานเริ่มแรกที่ใช้กับเครื่องพีซี มีวิธีการเข้ารหัสแบบ MFM แล้วภายหลังจึงได้ขยายเป็นแบบ RLL และ ARLL ตามเทคโนโลยีของวัสดุที่ใช้ ข้อสังเกตประการหนึ่งที่บอกข้อแตกต่างของการเข้ารหัสแบบ MFM และ RLL คือการแบ่งเซกเตอร์ในแทร็ก ช่องไดรฟ์แบบ MFM จะใช้ 17 คลัสเตอร์ต่อแทร็ค และ ไดรฟ์แบบ RLL จะใช้ 26 คลัสเตอร์ต่อแทร็ค โดยแบบ RLL จะมีความจุได้มากกว่าราว 30% จะตรงกับฮาร์ดดิสค์ช่องไดรฟ์ขนาด 20 เมกะไบต์ของแบบ MFM
2. ชนิด ESDI (enhanced small device interfaues) เป็นระบบที่สูงขึ้นกว่าระบบมาตราฐาน ST-506 สำหรับไดรฟ์ความจุมากขึ้นและความเร็วสูงขึ้น นับเป็นระบบที่ออกแบบมาเพื่อใ่ช้กับเครื่องที่มีไมโครโปรเซสเซอร์ 80286 และ 80386 ที่มีความเร็วสัญญาณนาฬิกาสูงกว่า อัตราการโอนย้ายข้อมูลหรือการอ่านข้อมูลจากดิสค์จะเร็วกว่าดิสค์แบบ ST-506 ราว 4 เท่า โดยดิสค์แบบ ST-506 จะใช้กับเครื่องที่ช้ากว่า ใช้ไมโครโปรเซสเซอร์ 8088 การ์ดควบคุมแบบ ESDI สามารถต่อฮาร์ดดิสค์ได้สองตัว
3. ชนิด SCSI (Small Computer System Interface) อ่านว่า "SCUZZY" เป็นการ์ดรุ่นใหม่ที่นิยมใช้กันมากขึ้น เพราะระบบนี้ไม่เพียงเป็นการ์ดควบคุมฮาร์ดดิสค์ยังเป็นการเชื่อมโยงบัสที่ชาญฉลาด(intelligent) ที่มีโปรเซสเซอร์อยู่ในตัวเองทำให้เป็นส่วนเพิ่มขยายกับแผงวงจรใหม่ ขนาดและอัตราการอ่านข้อมูลเทียบได้ใกล้เคียงกับ ESDI ระบบ SCSI นอกจากจะใช้เพื่อควบคุมฮาร์ดดิสค์ เรายังใช้เพื่อการควบคุมอุปกรณ์ต่อเสริมอื่น ๆ ได้ด้วยเช่น โมเด็ม, ซีดีรอม, สแกนเนอร์ และเครื่องพิมพ์ ระบบ SCSI ในหนึ่งการ์ดสนับสนุนการต่ออุปกรณ์ถึง 8 ตัว โดยคอมพิวเตอร์ที่ใช้จะถือเป็นอุปกรณ์ด้วย ดังนั้นจึงเหลือให้เราต่ออุปกรณ์ได้เพิ่มอีก 7 ตัว ภายใต้ดอส ระบบ SCSI จะให้เราใช้ฮาร์ดดิสค์ได้เพียง 2 ตัว(ตามการอ้างแอดเดรสของไบออส) ถ้าต้องการต่ออุปกรณ์อื่น ๆ เราต้องใช้ดีไวซ์ไดรเวอร์จากบริษัทอื่นมาทำการติดตั้งเสียก่อน
4. ระบบ IDE (Integrated Drive Electronics) ระบบนี้จัดเป็นระบบใหม่ที่มีขนาดความจุใกล้เคียงกับสองแบบที่กล่าวมาแล้วคือ ESDI และ SCSI แต่มีราคาต่ำกว่า ตัวควบคุม IDE ปัจจุบันนิยมใช้บรรจุรวมอยู่ในแผงตัวควบคุม และเหลือสล้อตว่างให้ใช้งานอื่น ๆ ในระบบเก่าก็สามารถใช้ไดรฟ์แบบ IDE นี้ แต่เราต้องเพิ่มการ์ดการเชื่อมโยงเสียบสล้อต