Floppy و Hard Disk و CD و DVD چگونه اطلاعات را بر روی خود نگه می‌دارند؟

در تمامی کلاس‌ها معمولاً در جلسات اول مفاهیم صفر و یک را مطرح می‌کنم تا دانشجوها بفهمند وقتی گفته می‌شود 0 و 1 یعنی چه. گفتم مطالب را به صورت یک مطلب جامع‌تر دربیاورم که اگر بعداً لازم شد، به این مطلب لینک بدهم. بد نیست شما هم بخوانید و بدانید:

همانطور که می‌دانید، در کامپیوتر برای نمایش داده‌ها از دو مفهوم استفاده می‌کنیم: بودن یا نبودن! منظور همان صفر و یک است. توجه کنید که صفر و یک نماد است. صفر، نماد یک وضعیت و یک، نماد وضعیتی دیگر. همه اطلاعات کامپیوتر در نهایت تبدیل به همین 0ها و 1ها می‌شوند. چندین 0 و 1 کنار هم قرار می‌گیرند و داده‌های مختلف را پدید می‌آورند. به طور مثال اگر 7 تا صفر و یک به صورت 1000001 کنار هم قرار بگیرند، طبق جدولی به نام جدول اسکی (که تصویر آن‌را می‌توانید اینجا مشاهده کنید) کامپیوتر آن‌ها را کاراکتر a به حساب خواهد آورد.

اما از نظر سخت افزاری بحث چگونه است؟ یعنی اگر از شما بپرسند بر روی دیسک نرمی که داخل یک فلاپی است (فلاپی یعنی نرم)، چه چیزی قرار دارد که می‌توان داده‌ها را یعنی همان صفر و یک‌ها را به وسیله آن‌ها نمایش داد، چه خواهید گفت؟ Hard Disc چطور؟ در مورد CD و DVD چطور؟

من سعی می‌کنم با چند عکس و ویدئو مفهوم را کمی شفاف کنم.

باید بدانید که فلاپی و سی‌دی برای نگه داشتن اطلاعات بر روی خود به دو روش مختلف عمل می‌کنند. فلاپی یک دیسک مغناطیسی (Magnetic Disc) است (هارد دیسک هم همینطور) اما سی.دی و دی.وی.دی دیسک‌های نوری (Optical Disc) هستند.

تفاوت این دو در این است که بر روی فلاپی و هارد دیسک ما قطعات بسیار ریز مغناطیسی (Magnetic Particals) داریم که توانایی حفظ خاصیت مغناطیسی خود را برای مدت طولانی دارند.

هر قطعه قطب شمال (N) و جنوب (S) مربوط به خود را دارد.

به جهتِ حرکت الکترون‌ها در بین 0 و 1 دقت کنید:

عکسی دیگر از دیسک و هد:

حالا باید تصور کنید که چطور می‌توان با این قطعات ریز، 0 و 1 را نمایش داد؟

خیلی ساده است، به طور مثال اگر قطب S در سمت راست بود، این قطعه را می‌گیریم نماد 0 و اگر قطب S در سمت چپ بود، می‌گیریم نماد 1.

سؤال این است که چطور قطب این قطعات را جا به جا کنیم که نماد صفر یا یک شوند؟ یعنی در حقیقت چطور بر روی فلاپی و هارد دیسک بنویسیم؟

در فلاپی درایو (Floppy Drive) و هارد دیسک درایو (H.D. Drive) یک هد (head) برای خواندن و نوشتن داریم.

این هد با سطح دیسک در تماس است. این هد در حقیقت یک سیم‌لوله است. وقتی قرار است یک قطعه نماد صفر شود، به طور مثال پالس مثبت را به سیم سمت چپ هد می‌فرستیم:

میدانی که در سیم‌پیچ ایجاد می‌شود، آن را تبدیل به یک آهن‌ربا می‌کند و باعث می‌شود سمت راست میله قطب N شود و در نتیجه قطب N مربوط به هر قطعه‌ای که بین این آهن‌ربا قرار گیرد دفع شده و از آن دور می‌شود (قطب‌های مشابه همدیگر را دفع می‌کنند). یعنی در حقیقت چنین اتفاقی در مورد قطعات روی دیسک می‌افتد:

قطعات با توجه به پالسی که به هد دادیم، سر و ته می‌شوند. (قرمز از قرمز دور می‌شود و آبی از آبی)

پس تکلیف نوشتن بر روی فلاپی دیسک و هارد دیسک مشخص شد.

بد نیست نگاهی به یک عکس میکروسکوپی از هارد دیسک بیندازیم:

اطلاعات بیشتر در مورد هارد دیسک در مقاله: داخل هارد دیسک چه می‌گذرد؟ (Inside Hard Disk)

اما چطور اطلاعات را از روی این دیسک بخوانیم؟

این کار هم با همین هدها انجام می‌شود. هنگام خواندن، عمل عکس نوشتن رخ می‌دهد. قطعات، خاصیت مغناطیسی خود را حفظ کرده‌اند. همین که به میان هِد می‌رسند، هِد یک بار بسیار ضعیف از آن‌ها دریافت می‌کند و نسبت به اینکه کدام جهت آن مثبت شد، میدانی در سیملوله ایجاد می‌شود و جریان به سمت یکی از سیم‌های بالا جاری می‌شود. اگر سیم سمت چپ جریان را رساند یعنی صفر و اگر سیم سمت راست جریان را رساند یعنی یک.

(منبع عکس‌ها و صحبت‌هایم در مورد فلاپی، ویدئوهای مبانی کامپیوتر دانشگاه هاروارد است که پیش از این در اینجا در موردشان صحبت کرده‌ام)

و اما عملکرد CD و DVD به چه صورت است؟

در دیسک‌های نوری، همانطور که از اسمش مشخص است، از طریق بازتاب نور، صفر و یک تشخیص داده می‌شود. روی سطح این دیسک‌ها پر است از قطعاتی که به طور پیشفرض نوری که از طریق هد به آن‌ها تابیده می‌شود را بازتاب می‌کنند. وقتی بر روی یک CD رایت می‌کنید، در حقیقت نقاطی که قرار است 0 شوند را با لیزر می‌سوزانید تا بازتاب نکنند! به همین دلیل است که بهتر است به جای رایت کردن سی.دی بگوییم Burn کردن یعنی سوزاندن.

برای خواندن از روی دیسک نوری، یک نور شروع به تابیدن به سطح دیسک می‌کند و یک دیود بازتاب را دریافت می‌کند، هر کجا که بازتاب نور قطع شد یعنی صفر و هر کجا که بازتاب داشت یعنی یک.

به چند تصویر که با میکروسکوپ از سطح یک دیسک نوری گرفته شده است دقت کنید:

تصویر بالا و پایین یک CD یا همان Compact Disc را نمایش می‌دهد.

تصویر زیر سطح یک DVD را از نمایی نزدیک‌تر نمایش می‌دهد:

برای درک بهتر این موضوع یک ویدئوی جالب معرفی می‌کنم. از اینجا ببینید (اگر لینک مستقیم دانلود با کیفیت‌های مختلف می‌خواهید، اینجا را ببینید)

فکر می‌کنم لازم به توضیح نیست که چه اتفاقی می‌افتد که یک DVD حجم بیشتری داده نسبت به یک CD گنجایش دارد در حالی که از لحاظ فیزیکی یک اندازه هستند!؟
طبیعتاً هر چه تکنولوژی بیشتر پیشرفت می‌کند، می‌توان قطعاتی ریزتر تولید کرد. یعنی بر روی یک DVD قطعات ریز بیشتری نصب شده است، همین!

و یا در دیسک‌های Blue Ray تعداد این قطعات چندین برابر شده است و در نتیجه 0 و 1 های بیشتری را می‌توان نمایش داد.

در این ویدئو با یک مثال، به خوبی فرق سی.دی، دی.وی.دی و بلوری نمایش داده شده است:

آن قطعات سفید را نماد همان قطعات ریز روی دیسک‌ها بگیرید. به دو بیتی که سوزانده شده‌اند دقت کنید!

این هم نماد سوزاندن بیت‌ها با لیزر توسط هد:

اینکه برخی DVDها حجم بیشتری نسبت به دیگر دی.وی.دی‌ها دارند به خاطر این است که گاهی دو لایه بر روی هم قرار می‌گیرند که با لیزر با دماهای مختلف روی یکی از لایه‌ها می‌توان نوشت یا اینکه یک لایه است اما هر بیت، دو رو دارد یعنی هر بیت در حقیقت تبدیل به دو بیت می‌شود.

امیدوارم مفهوم بیت (0 و 1) و اینکه چطور یک فلاپی یا سی‌دی بر روی خود بیت‌ها را حمل می‌کند، مشخص شده باشد.

موفق باشید؛
حمید رضا نیرومند