التخزين الحاسوبي (القرص الصلب)

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

التخزين الحاسوبي (القرص الصلب)

تخزين حاسوبي (القرص صلب)

Hard disc Technology -

التخزين الحاسوبي

وحدة القرص الصلب	أنظمة الملفات file systems
الأسطوانات cylinders	نظام صفيفات الأقراص الصلبة المستقلة RAID
ترابط القرص الصلب بالحاسوب	مستويات RAID

وحدة القرص الصلب

ما تزال الأقراص المغنطيسية المكوِّن الأكثر أهمية في الذاكرة الخارجية للحواسيب. ويُستخدم فيها نوعان من الأقراص؛ وهما القرص الثابت أو الصلب والقرص القابل للنزع، ابتداءً من الحواسيب الشخصية حتى الحواسيب الرئيسية والحواسيب الفائقة.

لتحقيق أداء أفضل وإتاحة أعلى تستخدم في المخدِّمات والنظم الضخمة تقانة شائعة، هي صفيفة الأقراص الصلبة المستقلة RAID، وترمز إلى مجموعة التقنيات التـي توظّف أقراصاً متعددة كصفيفة متوازية من تجهيزات تخزين المعطيات، وهي تتميز بتكرارية redundancy تتغلب على أعطال الأقراص.

وحدة القرص الصلب

يثبّت القرص الصلب عادة في مشغل القرص الصلب، ويتميز هذا الجهاز من محرك الأقراص المرنة بسرعة قراءة البيانات، وإمكان تخزين كمية كبيرة جداً من البيانات تصل إلى 1 تيرابايت. تختلف أجهزة القرص الصلب بحسب ما يلي:

- الموضع: داخل صندوق الحاسوب (ثابت) أو خارج صندوق الحاسوب (متحرك) عن طريق منفذ تسلسلي عام Universal Serial Bus (USB) أو منفذ Firewire.

- سعة التخزين.

تتكون وحدة القرص الصلب -على نحو رئيسي- من الأقراص الدائرية platters المثبتة من مركزها على محور دوران يدير كل الأقراص بالسرعة نفسها مع رؤوس القراءة والكتابة المثبتة على ذراع أفقيّة تمتدّ على كل من السطحين العلوي والسفلي لكل واحد من الأقراص الدائرية، وتُسمَّى ذراع الوصول (أو النفاذ) access arm، ومجموعة من الدوائر الإلكترونية التي تترجم الأوامر الصادرة عن الحاسوب. وبناء على هذه الأوامر تتحرك الروؤس إلى المكان المطلوب على الأقراص (الشكل 1).

الشكل (1) وحدة القرص الصلب.

أما القرص الصلب نفسه فهو صفيحة دائرية معدنية أو لدائنية تُطلى بمادة قابلة للتمغنط. تُسجَّل المعطيات على القرص، وتسترجع منه بواسطة وشيعة ناقلة تسمى الرأس head. يبقى الرأس ساكناً في أثناء عملية القراءة أو الكتابة، في حين تدور الصفيحة تحته. تعتمد آلية الكتابة على التيار الكهربائي المار في الوشيعة، فيولِّد حقلاً مغنطيسياً، يرسل النبضات التي تمثل البيانات المراد تخزينها إلى رأس القراءة، وتُسجَّل القيم مغنطيسياً على سطح القرص الواقع أسفل الرأس. تختلف القيمة المسجَّلة بحسب جهة التيار (موجبة أو سالبة).

أما آلية القراءة؛ فتعتمد على توليد حقل مغنطيسي متحرك -نسبةً إلى الوشيعة- لتيار كهربائي مارٍّ في الوشيعة. وعند مرور مسالك سطح القرص تحت الرأس يتولد تيار في الرأس له القطبية المخزَّنة نفسها. إن الرأس هو تجهيزة صغيرة نسبياً، قادرة على قراءة جزء من القرص الدائر أسفله أو الكتابة فيه. إن آلية دوران القرص تفرض تنظيم المعطيات على القرص على شكل مجموعة حلقات تسمى مسالك tracks. يساوي ثخن كل مسلك ثخن الرأس. وعدد المسالك النموذجي يراوح بين 500 و2000 مسلك في السطح (الشكل 2).

الشكل (2) مخطط المعطيات على القرص الصلب.

تفصل بين المسالك المتجاورة فجوات gaps؛ لمنع حدوث الأخطاء الناجمة عن عدم محاذاة الرأس أو تداخل الحقول المغنطيسية، أو-على الأقل- جعل احتمال الخطأ في حده الأدنى. ويُخزَّن العدد نفسه من البتات على كل مسلك تبسيطاً للإلكترونيات. وبذلك تزداد الكثافة density المقدَّرة بالبت/الإنش الخطي عند الانتقال من المسلك الخارجي إلى المسلك الداخلي القريب من المركز. تُنقل المعطيات من القرص وإليه كتلةً block فكتلة. ويكون حجم الكتلة عادة أصغر من سعة المسلك؛ ولذلك تُخزَّن المعطيات في مناطق لها حجم الكتل، تُسمى قطاعات sectors. ويحتوي المسلك الواحد عادة على عدد يراوح بين 10 و100 قطاع بطول ثابت أو متغير. وللحيلولة دون فرض متطلبات دقة مبالغ فيها على النظام؛ تفصل بين القطاعات المتجاورة فجوات تسمى الفجوات داخل المسلك. تسمى القطاعات التي لم تعد قادرة على تخزين البيانات بعد فترة من التهيئة الفيزيائية للقرص -بسبب تلف المادة القابلة للمغنطة على سطح الأقراص- قطاعات تالفة bad sectors. ينبغي توفر نقطة بداية على المسلك لتحديد موضع القطاعات في المسلك؛ وتوفر طريقة لتعرّف بداية كل قطاع ونهايته. ويُستجاب لهذه المتطلبات بوساطة معطيات التحكم المسجلَّة على القرص، والتي يستفيد منها مشغل القرص فقط، وهي غير متاحة للمستخدم.

الأسطوانات cylinders

هي مجموعة المسالك الموجودة على كل من وجهي الأقراص الدائرية والتي تبعد عن مركز الأقراص بعداً واحداً كما هو مبين في الشكل (3).

الشكل (3) الأسطوانات.

تُخزَّن البيانات على مستوى الأسطوانات، وليس على مستوى الأقراص الدائرية حيث يمكن الوصول إلى البيانات المخزنة وبكاملها من دون الحاجة إلى تحريك رؤوس القراءة والكتابة؛ لأن حركة هذه الرؤوس بطيئة مقارنة بسرعة دوران القرص.

تجهيز القرص الصلب للاستخدام

- المرحلة الأولى: التهيئة المنخفضة المستوى low-level formatting، وفيها يُقسَّم القرص إلى أسطوانات ومسارات وقطاعات، يقوم المصنِّع عادة بإجراء هذه العملية.

- المرحلة الثانية: التجزئة partitioning وفيها يقسَّم القرص (منطقياً وليس فيزيائياً) إلى عدة وحدات (C, D, E, …) بحيث يمكن عنونتها وإدارتها بصفة مستقلة؛ مثل نظام الملفات، نظام التشغيل، وغيرها.
- المرحلة الثالثة: التهيئة العالية المستوى high-level formatting، وفيها تُجهّز أجزاء القرص الصلب لتلقي أوامر التشغيل وملفات البيانات والبرامج عن طريق إنشاء دليل-جذر root folder وجدول تخصيص الملفات file allocation table.

ترابط القرص الصلب بالحاسوب

تستخدم أنواع قياسية متعددة لربط الأقراص الصلبة في الحواسيب باللوحة الأم motherboard ، ومن أشهر هذه التقانات:

1- تقانة ترابط منظومات الحواسيب الصغيرة :SCSI

هي واجهة نظام الحاسوب الصغير، ظهرت هذه التقنية في أوائل الثمانينيات، ووضع مواصفاتها المعهد القومي الأمريكي للمعايير في عام 1986م لتصميم واجهة عالمية متوازية على مستوى النظام تسمح بربط مجموعة من الأجهزة بكبل وحيد مشترك يعرف بناقل أو مسرى SCSI، وعرض ناقل أو مسرى المعطيات 8 أو 16 أو 32 بتاً. يمكن وصل أجهزة مختلفة عليه مثل: مشغلات أقراص صلبة، مشغلات أقراص ضوئية، مشغلات أشرطة ممغنطة، طابعات، ماسحات ضوئية..)، وتوصل هذه الأجهزة على المسرى بطريقة السلسلة التعاقبية daisy chain. ويمكن للأجهزة التخاطب فيما بينها إضافة إلى تخاطبها مع النظام المضيف. ويُعدّ هذا النوع الأكثر مرونة وقوة؛ ولكنه الأكثر تعقيداً في أنظمة الأقراص. توصل أقراص SCSI إلى الحاسوب ببطاقة تحكم خاصة تثبت على اللوحة الأم.

يمثل الشكل (4) تركيبة نموذجية لنظام SCSI، حيث يُلاحظ في الشكل وجود طبقة بين متحكم المسرى على SCSI أي SCSI bus controller ومسرى النظام المضيف host system bus، وتدعى موائم المضيف على SCSI أي SCSI host adapter. يعمل الموائم على ترجمة الإشارات وبروتوكول التخاطب بين النظام المضيف وبين مسرى SCSI وتوجيه الأوامر إلى الجهاز الصحيح؛ إضافة إلى مواءمة سرعة تدفق المعطيات ما بين مسرى SCSI ومسرى النظام المضيف.

الشكل (4) تركيبة نموذجية لنظام (SCSI).

يُلاحظ أيضاً وجود ممانعتَيْ إنهاء على المسرى terminator، الهدف منهما منع الإشارات من الارتداد وتراكبها على المسرى.

يمكن ربط 8 أو 16 جهازاً بمسرى SCSI، ويلاحظ من الشكل أن لكل جهاز متحكِّماً خاصّاً به. ويجب الانتباه أن واحداً على الأقل من الأجهزة يجب أن يكون الموائم المضيف؛ ومن ثمّ يمكن ربط 7 أو 15 جهازاً إلى جانب الموائم. ويبين الشكل (5) طرائق وصل أجهزة SCSI. كما يبين الجدول (1) خطوط مسرى SCSI داخلي (50 خطّاً)، ويُلاحظ أنها تحوي عدداً من إشارات التحكم ومسرى للمعطيات (بحسب تقانة ترابط منظومات الحواسيب الصغيرة SCSI يكون عرضه 8 أو 16)؛ إضافة طبعاً إلى خطوط الأرضي. ويلاحظ عدم وجود مسرى خاص للعنونـة.

الشكل (5) طرائق وصل أجهزة SCSI.

الجدول (1) خطوط مسرى (SCSI) داخلي.

رقم المغرز	الوظيفة	رقم المغرز	الوظيفة
1	Ground	26	+5 V Terminator
2	data Bit (0)	27	Reserved
3	Ground	28	Reserved
4	data Bit (1)	29	Ground
5	Ground	30	Ground
6	data Bit (2)	31	Ground
7	Ground	32	-Attention
8	data Bit (3)	33	Ground
9	Ground	34	Ground
10	data Bit (4)	35	Ground
11	Ground	36	-Busy
12	data Bit (5)	37	Ground
13	Ground	38	-Acknowledge
14	data Bit (6)	39	Ground
15	Ground	40	-Restart
16	data Bit (7)	41	Ground
17	Ground	42	-Message
18	data Bit (p)	43	Ground
19	Ground	44	-Select
20	Ground	45	Ground
21	Ground	46	-Control/Data
22	Ground	47	Ground
23	Reserved	48	-Request
24	Reserved	49	Ground
25	(open)	50	-Input/output

تنقل إشارات مسرى SCSI كهربائياً بأحد الشكلين: أحادي النهاية أو التفاضلي:

أحادي النهاية single ended: ويدعى أيضاً غير المتوازن unbalanced، وتقاس الإشارة بالنسبة إلى الأرضي المشترك. ويجب ألا يتجاوز طول المسرى عند استخدام هذا النظام مسافة 6 أمتار. وهو النوع الأكثر شيوعاً.
- تفاضلي differential: تقاس كل إشارة هنا بالفرق بين الخطين الناقلين؛ مما يوفر مناعة أكبر ضد الضجيج، ويسمح بمسافة أطول للمسرى تصل إلى 25 متراً؛ ولكنه أقل شيوعاً بسبب كونه أكثر كلفة من الأحادي النهاية. وله نوعان:

تفاضلي ذو جهد عالٍ High Voltage Differential (HVD): يسمح بمسافة حتى 25 متراً.

تفاضلي ذو جهد منخفض Low Voltage Differential (LVD): (اقترح مع نظام SCSI-3) ويسمح بمسافة حتى 6 أمتار.

يبين الجدول (2) تطور هذا المعيار:

الجدول (2) تطور معيار الـ SCSI.

طول المسرى (م)			عرض المسرى (بت)	سرعة المسرى (ميغابايت/ثا)	عدد الأجهزة الأعظمي	الصنف
Single	HVD	LVD	عرض المسرى (بت)	سرعة المسرى (ميغابايت/ثا)	عدد الأجهزة الأعظمي	الصنف
6	25		8	5	8	SCSI-1
3	25		8	10	8	Fast SCSI
1. 5	25		8	20	8	Ultra SCSI
	25	12	8	40	8	Ultra2 SCSI
3	25		16	20	16	Fast Wide SCSI
1. 5	25		16		40	Wide Ultra SCSI
	25	12	16		80	Wide Ultra2 SCSI
		12	16	160	16	Ultra3 SCSI
		12	16	320	16	Ultra320 SCSI

تُلفى أشكال متعددة للوصلات connectors العاملة على منافذ SCSI كما يبين الشكل (6):

الشكل (6) الوصلات العاملة على SCSI

للتخاطب على مسرى SCSI يجب على الجهاز الراغب بالاتصال - ويدعى البادئ initiator- إنشاء الاتصال مع الجهاز الآخر على المسرى، الذي يدعى الهدف target، وبعد إقامة الاتصال يمكن للجهازين التخاطب وتبادل المعطيات.

تعتمد العنونة في نظم SCSI على استخدام رقم يحدد من قبل المستخدم لكل جهاز. يدعى هذا الرقم بـرقم التعريف SCSI ID، ويحدد باستخدام مفاتيح أو واصلة تخطٍّ jumpers، ويمكن في الأجهزة الحديثة تعيينه برمجيـاً. يحدد عرض المسرى المستخدَم عددَ الأجهزة الممكن ربطها على المسرى، فإذا كان المسرى ضيقاً narrow أي 8 بتات فقط يكون عدد الأجهزة الممكن ربطها 8؛ منها موائم النظام. يُعتمد الرقم 7 للموائم، وتُرقم باقي الأجهزة من 0 إلى 6. أما إذا كان المسرى عريضاً wide؛ فيمكن ربط 15 جهازاً إضافة إلى الموائم.

ثمّة جيل تسلسلي من هذه التقانة، ويدعى Serial (SAS) Attached SCSI.

2- التقانة المتقدمة لربط إلكترونيات المشغلات المدمجة ATA IDE:

إن ATA IDE هي اختصار لعبارة التقانة المتقدمة لربط إلكترونيات المشغلات المدمجة Advanced Technology Attachment (ATA) Integrated Drive Electronics (IDE)، وتتميز أقراص IDE بالأداء والوثوقية العالية والكلفة المنخفضة. وتدعى أيضاً إلكترونيات المشغّلات المدمجة المحسّنة Enhanced IDE (EIDE) .

ويطلق أيضاً على هذه التقنية تسمية ربط تقاني متقدم تفرعي Parallel Advanced Technology Attachment (PATA)، يمكن أن تسمح هذه التقانة لأربعة مشغلات أو أجهزة للاتصال باللوحة الأم باستخدام ناقلَيْ (كبلَيْ) بيانات، حيث يمكن أن يتصل بكل كبل جهازان فقط. ولا يمكن تبديل مشغلات PATA في أثناء تشغيلها؛ أي إنها لا تدعم ميزة التبديل السريع hot swappable.

لا تطبق تقنية PATA على مشغلات الأقراص الصلبة فقط؛ ولكنها تطبق أيضاً على مشغلات الأقراص الضوئية ومشغلات الأشرطة الممغنطة. ويجب أن تتبع مشغلات EIDE مثل CD أو DVD في حال الاتصال بمنفذ IDE المعيار Advanced Technology Packet Interface Attachment (ATPIA) الذي يسمح لهذه الأجهزة باستخدام تقنية PATA عبر منفذ خاص بها.

لا يحتاج هذا النوع من الأقراص إلى بطاقة متحكِّم مستقلة؛ لأن تقنية IDE تقوم على مبدأ وضع وحدة التحكم في محرك الأقراص (مدمجة). تحوي كل لوحة أم على مقبسَيْ IDE، المقبس الأول هو الأساسي primary IDE والثاني هو الثانوي secondary IDE، وكل واحد منهما قادر على أن يوصَل به جهازان (قرص صلب أو قارئ أقراص ضوئية). الأقراص المتصلة بالمقبس الأساسي هي أول الأقراص يتعرّفها الحاسوب، ولذا فإنّ القرص الصلب الرئيسي للجهاز يجب أن يوصل على هذا المقبس، كما يمكن توصيل جهازين بكل مقبس، أو أن يكون كلاهما قرصاً صُلباً أو كلاهما قارئ أقراص ضوئية أو أن يكون الاثنان مدمجين. ويجب أن يكون أحد هذه الأقراص السيد master، والآخر تابعاً slave. أما المأخذ (المقبس) المستخدم: فمن النوع القديم 40 سلكاً (مغرزاً) pins، والنوع الحديث 40 و80 ناقلاً سلكيّاً؛ 40 منها لنقل البيانات و40 أرضيّاً لتخفيض الضجيج. ويبين الشكل (7) هذه النواقل:

الشكل (7) نواقل PATA.

كما يبين الجدول (3) الإشارات الموجودة في ناقل PATA.

الجدول (3) إشارات كبل PATA.

الوصف	الاسم	المغرز
Reset	/RESET	1
Ground	GND	2
Data 7	DD7	3
Data 8	DD8	4
Data 6	DD6	5
Data 9	DD9	6
Data 5	DD5	7
Data 10	DD10	8
Data 4	DD4	9
Data 11	DD11	10
Data 3	DD3	11
Data 12	DD12	12
Data 2	DD2	13
Data 13	DD13	14
Data 1	DD1	15
Data 14	DD14	16
Data 0	DD0	17
Data 15	DD15	18
Ground	GND	19
Key (Pin missing)	KEY	20
DMA Request	DMARQ	21

الوصف	الاسم	المغرز
Ground	GND	22
Write Strobe	/DIOW	23
Ground	GND	24
Read Strobe	/DIOR	25
Ground	GND	26
I/O Ready	IORDY	27
Spindle Sync or Cable Select	SPSYNC:CSEL	28
DMA Acknowledge	/DMACK	29
Ground	GND	30
Interrupt Request	INTRQ	31
IO ChipSelect 16	/IOCS16	32
Address 1	DA1	33
Passed Diagnostics. Used for 80-pin cable detect.	PDIAG	34
Address 0	DA0	35
Address 2	DA2	36
(1F0-1F7)	/IDE_CS0	37
(3F6-3F7)	/IDE_CS1	38
Led driver	/ACTIVE	39
Ground	GND	40

3- الربط التقاني المتقدم التسلسلي Serial ATA (SATA) :

تُعدّ هذه التقانة جيلاً جديداً من الأقراص الصلبة, ظهرت بين عامي 2002-2003، وهي مختلفة عن الأجيال السابقة من ناحية الشكل وميكانيكية العمل في نقل المعلومات. صممت أقراص خاصة بهذا النوع من الربط ومشغلاتها SATA لنقل المعلومات تسلسلياً بسرعة تصل إلى 3 غيغابايت/ثانية. وأصبح هذا النوع شائع الاستخدام، وحل محل الأقراص العادية؛ لتفوقه على الأقراص العادية من الناحية العملية فضلاً عن أن ثمنها يكاد لا يختلف عن ثمن الأقراص العادية. أما متطلبات ربط هذه الأقراص فهي كبل نقل المعلومات الذي يتميز بأنه رفيع وطوله لا يتجاوز متراً واحداً وله سبع فتحات، وكبل الكهرباء الذي يتميز برأس رفيع ذي 15 فتحة، حيث تستهلك أقراص SATA جهداً كهربائياً أقل من أقراص تستخدم تقانات IDE، SCSI، إضافة إلى مقابس SATA في اللوحة الأم.

تُعدّ تقانة SATA تطويراً لتقانات الربط التقاني المتقدم ATA، أو هي انتقال من نظام متوازٍ إلى نظام تسلسلي. والفرق الرئيسي بين التقانتين هو كيفية انتقال البيانات بين مشغل الأقراص والمعالج. في حالة النقل المتوازي يقوم عدد من النواقل بإرسال البيانات في وقت واحد بغرض زيادة كمية البيانات المنقولة في كل دورة ساعةclock ، فمثلاً في حالة ATA/100 القياسية التي تستخدمها أقراص IDE ترسل البيانات عبر قناة نقل بعرض 16 بتاً، ولكن المشكلة أن كبلات parallel ATA عريضة (80 سلكاً), كما أنها تسبب تداخل الموجات الكهرطيسية بين أسلاك الكبل الواحد؛ مما يسبب مشاكل في نقل البيانات نقلاً سليماً. ومع الترددات العالية اللازمة للنقل السريع فإن التداخل الناتج بين هذه الأسلاك يصبح كبيراً جداً. إن كبل SATA يحمل بيانات أقل في كل دورة ساعة (نقل تسلسلي)؛ ولكن مع العدد الأقل من الأسلاك يَنتج تداخلٌ أقل للموجات الكهرطيسية، وهذا يسمح باستخدام ترددات أعلى بكثير من تلك الترددات المستخدمة مع ATA، فمثلاً تعمل SATA المعيارية على ترددات 1500ميغاهرتز مقارنة بتردد 50 ميغاهرتز لتقانة (ATA/100) المعيارية.

تقوم تقانة SATA فعلياً بإنشاء اتصال من نقطة إلى نقطة بين جهاز SATA (مشغل أقراص صلبة أو ضوئية بأنواعها أو غيرها) وبين متحكم (SATA) الذي سُمّي host bus adapter أو اختصاراً HBA. تمتاز هذه التقانة بأنها: ترسل البيانات تسلسلياً وليس على التوازي، فلا تحتاج واجهة نقل البيانات إلا إلى عدد قليل جداً من الأسلاك (المغارز)، هي تحديداً سبعة عوضاً من الثمانين التي كانت مستخدمة مع أجهزة PATA. أما كبل التوصيل فهو أصغر وأسهل في التعامل معه؛ مما يحسن في جريان الهواء داخل الصندوق. ولكن كبل SATA أطول بمرتين من كبل PATA، ويمكن أن يصل طوله حتى متر واحد. ولا يُلفى هنا مفهوم السيد والتابع في تقنية SATA. كما لا يُلفى حد أعلى لعدد المحركات التي يمكن وصلها، وإنما يحدد ذلك عدد منافذ SATA الموجودة على اللوحة الأم. وأما سرعة النقل فهي فعالة جداً ولها عدة سرعات SATA 1. 5 GB/S, SATA 3GB/S، ويبين الشكل (8) كبل نقل المعلومات SATA.

الشكل (8) كبل نقل المعلومات SATA.

كما يبين الجدول (4) الإشارات الموجودة في كبل نقل المعلومات SATA

الجدول (4) إشارات كبل نقل المعلومات (SATA):

الوظيفة	الاسم	المغرز
Ground	GND	1
Transmit+	A+	2
Transmit-	A-	3
Ground	GND	4
Receive-	B-	5
Receive+	B+	6
Ground	GND	7

أما تقنية الربط التقاني التسلسلي الموسّع extended SATA eSATA فهي توسع تقانة SATA؛ لتتمكن من استقبال الأجهزة الخارجية. وتختلف عن SATA بأنها يمكن وصلها من خارج الحاسوب، ويمكن أن يصل طول الكبل الخاص بها حتى مترين خارج الحاسوب، كما أنها تتمتع بميزة التبديل الساخن hot-swappable، وتحافظ على سرعة النقل الخاصة بناقل SATA الداخلي.

أنظمة الملفات file systems

نظام الملفات هو طريقة تخزين البيانات على القرص الصلب. وكل نظام ملفات يتألف من هياكل بيانية ضرورية لتخزين البيانات وإدارتها، ويتضمن:

- سجل استنهاض نظام التشغيلOperating system boot record .

- الملفات والأدلة.

أنظمة الملفات الأكثر شيوعاً

1- جدول تخصيص الملفات (FAT,FAT32) File Allocation Table.

2- نظام ملفات التقانة الجديدة New Technology File System (NTFS).

3- الملفات العالي الأداء High Performance File System (HPFS).

4- نظام ملفات لينكس Linux Ext2 and Linux Swap.

يؤدي نظام الملفات ثلاث وظائف أساسية، هي:

أ- تحديد المساحة الحرة والمستخدمة من إجمالي مساحة القرص الصلب.

ب- حفظ أسماء الأدلة والملفات (كل ملف مع اسمه واسم الدليل الموجود فيه والسماحيات ومعلومات أخرى).

جـ- تحديد الموقع الفيزيائي للملف على القرص الصلب.

يؤثر اختيار نظام الملفات في النقاط التالية:

- أداء نظام التشغيل.

- استرداد الملفات عند حدوث الأخطاء.

- تقييد حجم تقسيم القرص الصلب.

العوامل التي تؤثر في أداء الأقراص الصلبة

معدل نقل البيانات data rate: هو عدد الـبايتات bytes التي تُنقل من القرص الصلب إلى الحاسوب في الثانية، ويراوح بين 5 و40 ميغابايت في الثانية، وهو في ازدياد مع التقدم التقاني.
زمن الوصول (النفاذ) access time: هو الزمن المستغرق بين طلب الملف من القرص الصلب ووصول أول بايت byte من الملف إلى الحاسوب.
سرعة دوران القرص الصلب، وتقدر بدورة في الدقيقة، فكلما كانت سرعة الدوران أعلى كان ذلك أفضل.
نوع واجهة الترابط interface الذي يستخدمه القرص الصلب (...,IDE,SCSI).
الكثافة التخزينية: هي عدد البايتات التي يمكن تخزينها في مساحة معيّنة من القرص الصلب.

والأهم من ذلك السعة capacity الكلية للقرص الصلب، وهي العامل الأكثر أهمية، مثلاً 20، أو 40، 80، 120، 160، 250 غيغابايت.

نظام صفيفات الأقراص الصلبة المستقلة RAID

إن معدل التطور في أداء وسائط التخزين الثانوي أقل بكثير من المعالجات والذاكرة الرئيسية، وقد جعل هذا التفاوت نظم التخزين القرصي في موضع الاهتمام الرئيسي، وأدى ذلك إلى تطوير صفيفات أقراص يعمل بعضها مستقلاً عن بعض؛ وعلى التوازي، يمكن عند وجود أقراص متعددة معالجة طلبات الدخل/الخرج المستقلة معالجة متوازية؛ مادامت المعطيات المطلوبة تنتمي إلى أقراص منفصلة. إضافة إلى ذلك يمكن تنفيذ طلب دخل/خرج وحيد تنفيذاً متوازياً إذا كانت كتلة المعطيات المطلوب النفاذ إليها موزّعة بين عدة أقراص حيث تُستخدم تقنية التقسيم إلى خطوط أو شرائط striping، والتي تتضمن تقسيم مساحة تخزين المشغل إلى وحدات تراوح من قطاع واحد - أي مايعادل 512 بايتاً- إلى العديد من الميغابايتات. وقد اتفقت الشركات الصناعية على مخطط قياسي لتصميم قاعدة معطيات ذات أقراص متعددة، هي النظام RAID. يتضمن عدة مستويات، ولا تربط بينها أي علاقة تراتبية. بل تشير هذه المستويات إلى بنى تصميم مختلفة، تشترك بالمميزات الثلاث التالية:

- إن النظام RAID هو مجموعة مشغلات الأقراص المادية التـي يراها نظام التشغيل مشغلاً منطقياً واحداً.

- تُوزَّع المعطيات على المشغلات المادية للصفيفة.

- يُستفاد من سعة الأقراص الفائضة في تخزين معلومات الندّية parity؛ لضمان استرجاع المعطيات عند حدوث عطل في أحد الأقراص. والشكل (9) يبين نظام RAID.

الشكل (9) نظام RAID.

طرائق تنفيذ RAID:

هناك طريقتان لتنفيذ حلول نظام RAID؛ الطريقة الأولى بواسطة العتاد الصلب hardware، وذلك باستخدام بطاقة تحكم مستقلة لهذه الغاية. وقد تكون هذه البطاقة مدمجة في اللوحة الأم في الحاسوب أو المخدم، وتتميز هذه البطاقة بمقدرتهاعلى المعالجة والتحكم في نظام RAID، بدلاً من أن يقوم بها الحاسوب المضيف.

أما الطريقة الثانية فهي حل برمجي software تدعمه أنظمة التشغيل ويندوز ولينُكس. في هذه الحالة يعتمد مستوى أداء نظام RAID تماماً على وحدة المعالجة المركزية الخاصة بالحاسوب أو المخدم المضيف، حيث يجري إرهاق المعالج في العمليات الخاصة بتنفيذ RAID؛ لذلك يؤثر هذا الحل في أداء النظام، ولا يُوصى باستخدامه عند الحاجة إلى أداءٍ عالٍ من المخدم.

مستويات RAID:

هناك عدة مستويات لنظام RAID، تختلف فيما بينها بحسب طريقة توزع البيانات في أقراص RAID وأكثر مستويات RAID شيوعاً:

1- المستوى RAID-0 (تشريح الأقراص disks striping): في هذا المستوى يجري تشريح (تقطيع إلى شرائح) البيانات أو تجزيئها إلى شرائط، ولكن من دون كتابة تزامنية للمعلومة نفسها، أو بصورة أوضح لا يجري عمل أي نسخ احتياطي للمعلومة نفسها في مكان آخر من الصفيفة. إن البيانات يجري عادة تقسيمها وكتابتها في كتل blocks عددها 2 أو أكثر في عدة أقراص من دون كتابة معلومات حول فحص الندِّية check parity للتحقق من الأخطاء، لذا لا يُوصى باستخدام المستوى RAID-0 في المخدمات التي تتطلب موثوقية عالية لتخزين البيانات أو تكون فيها البيانات حساسة.

2- المستوى RAID-1 (القرص المرآة mirror disk):

يتطلب هذا المستوى قرصين على الأقل، ويجري فيه تخزين بيانات متماثلة في القرصين (تكرار مئة في المئة)؛ بحيث يمكن الوصول إلى جميع البيانات على الفور من القرص الآخر. إذ يسمح المستوى RAID-1 بالحصول على نسخة احتياطية، وفي حال إخفاق أحد القرصين أو عطبه على نحوٍ مفاجئ، يجري الانتقال إلى القرص الآخر (المرآة) من دون الحاجة إلى زمن لإعادة بناء البيانات؛ مما يوفر إتاحة وموثوقية أكبر لعملية تخزين البيانات.

يطبق المستوى RAID-1 في المخدمات التي تحتل فيها البيانات أهمية كبيرة، ولا يمكن المخاطرة بفقدانها، ولذا فإن التكلفة الإضافية المترتبة على شراء قرص صلب إضافي مسوّغة.

3- المستوى RAID-2:

في هذا المستوى يستخدم ترميز هامينغ Hamming code لإنشاء رماز تصحيح الخطأ Error Correcting Code (ECC) لجميع البيانات المراد تخزينها في النظام RAID-2. يمكن لترميز تصحيح الخطأ الكشف عن أخطاء البت الفردية وتصحيحها، كما يمكنه الكشف عن أخطاء البت الثنائية. من عيوب المستوى (RAID-2) صعوبته وارتفاع تكلفة التنفيذ الذي ينطوي على تكاليف إضافية مرتفعة؛ لذلك فهو نادراً ما يستخدم.

4- المستوى RAID-3:
يتطلب هذا المستوى 3 أقراص على الأقل، ويجري تقسيم البيانات إلى أشرطة stripes تُخزن في عدة أقراص صلبة، ويُخصص مشغل أقراص واحد لتخزين معلومات فحص الندية parity information. تستخدم هذه المعلومات لاكتشاف الأخطاء وتصحيحها. أما استعادة البيانات فتكون عن طريق حساب تابع عدم التكافؤ Exclusive OR (XOR) للمعلومات التي خُزِّنت على مشغلات أخرى. هذه الطريقة هي اختيار ممتاز للتطبيقات ذوات البيانات المتتابعة والموجودة في كتل كبيرة، ويجب أن تنقل بسرعة، مثل تطبيقات CAD/CAM. من عيوب هذا المستوى استخدام جميع الأقراص في أثناء عملية القراءة أو الكتابة، لذلك لا يمكن أن تتزامن عمليات القراءة والكتابة في الوقت نفسه.

5- المستوى RAID-4:

يجري تقسيم البيانات باستخدام شرائح/ شرائط كبيرة في الأقراص عادة بحجم قطاع القرص Drive sector بدلاً من البايتات bytes المستخدم في المستوى RAID-3. ويقوم جهاز التحكم في RAID بحساب معلومات الندِّية التي يجري تخزينها على قرص منفصل، وعند إخفاق أحد الأقراص يجري الوصول إلى البيانات المفقودة بحسابها من البيانات التي ما زالت متوفرة ومن معلومات الندِّية. وعلى النقيض من RAID-1 لا حاجة إلى أكثر من سعة مشغل قرص واحد لتنفيذ معلومات الندِّية وتخزينها. وفي حالة وجود العديد من كتل البيانات الصغيرة يصبح قرص معلومات الندِّية مثل عنق الزجاجة بالنسبة إلى نقل البيانات. ومع وجود كتل بيانات بحجم كبير يقدم المستوى RAID-4 أداءً أفضل على نحوٍ ملحوظ. لهذا يجري استخدام هذا المستوى لنظم تخزين البيانات ذات الحجم الكبير، ومع ذلك لا يستعمل هذا المستوى في أغلب الأحيان. بل يستخدم المستوى RAID-5 بدلاً منه.

6- المستوى RAID-5:

في صفيفة الأقراص من المستوى RAID-5 وعلى النقيض من RAID-4- يجري تقسيم بيانات الندِّية في مشغلات الأقراص كافة. يقوم صفيف القرص RAID 5 بتوصيل البيانات على نحو أكثر توازناً. فحتى مع كتل البيانات الصغيرة- التي تكثر بشدة في بيئات تعدد المهام وتعدد المستخدمين- تتحقق الاستجابة في وقت جيد جداً. هذا ويوفر RAID-5 مستوى الإتاحة المتوفر في RAID- 4 نفسه في حالة إخفاق قرص واحد. وتجري إعادة حساب البيانات المفقودة بوساطة البيانات التي ما زالت متوفرة، ومن معلومات الندِّية بالطبع؛ قبل أن يعاد بناء البيانات. يُعدّ هذا النوع من أفضل الأنواع في الأنظمة التي تسمح بتعدد المستخدمين، والتي يكون فيها الأداء مقبولاً بقدرٍ كبير.

7- المستوى RAID-6:

هذا المستوى شبيه بالمستوى RAID-5. ولكنه يقوم بتخزين مضاعف لمعلومات التماثل الذي يتوزع على أقراص مختلفة. ويوفر خطأً مسموحاً حتى في حالة إخفاق قرصين؛ أي يوفر أماناً عالياً للبيانات. وقد بدأ دعم هذا المستوى في وحدات التحكم RAID الحديثة.

8- المستوى RAID-10:

يُعدّ RAID-10 مزيجاً للمستويين RAID-0 أي زيادة الأداء وRAID-1 لتوفير البيانات، وعلى النقيض من RAID-4 وRAID-5؛ لا حاجة إلى حساب معلومات التماثل. زيادةً على ما سبق يتيح صفيف أقراص RAID 10 أداءً عالي المستوى وأماناً للبيانات.

محمد مازن المحايري

مراجع للاستزادة:

- حسام عابد، مجلة المعلوماتية، العدد رقم 81، شهر 11، عام 2012.

- عبد الله عيسى، مجلة المعلوماتية، العدد رقم 52 ، شهر 6، عام 2010.

- EMC Education Services, Information Storage and Management: Storing, Managing, and Protecting Digital Information: Storage Technology, John Wiley & Sons 2009.