Disco Rígido

Disco rígido ou disco duro, popularmente também HD (do inglês Hard Disk; o termo “winchester” há muito já caiu em desuso), é a parte do computador onde são armazenadas as informações, ou seja, é a “memória permanente” propriamente dita (não confundir com “memória RAM“). É caracterizado como memória física, não-volátil, que é aquela na qual as informações não são perdidas quando o computador é desligado.

O disco rígido é um sistema lacrado contendo discos de metal recobertos por material magnético onde os dados são gravados através de cabeças, e revestido externamente por uma proteção metálica que é presa ao gabinete do computador por parafusos. É nele que normalmente gravamos dados (informações) e a partir dele lançamos e executamos nossos programas mais usados.

Este sistema é necessário porque o conteúdo da memória RAM é apagado quando o computador é desligado. Desta forma, temos um meio de executar novamente programas e carregar arquivos contendo os dados da próxima vez em que o computador for ligado. O disco rígido é também chamado de memória de massa ou ainda de memória secundária. Nos sistemas operativos mais recentes, o disco rígido é também utilizado para expandir a memória RAM, através da gestão de memória virtual.

Existem vários tipos de discos rigidos diferentes: IDE/ATA, Serial_ATA, SCSI, Fibre channel.

 

 

 

Análise:

 

O disco rígido ou HD (Hard Disk), é o dispositivo de armazenamento de dados mais usado nos computadores. Nele, é possível guardar não só seus arquivos como também todos os dados do seu sistema operacional, sem o qual você não conseguiria utilizar o computador. Neste artigo, você verá alguns detalhes do funcionamento dos HDs e conhecerá alguns de seus recursos (como IDE, ATAPI, DMA, capacidade real, entre outros).

 

Características e funcionamento dos HDs

Surgimento

O disco rígido não é um dispositivo novo, mas sim uma tecnologia que evoluiu com o passar do tempo. Um dos primeiros HDs que se tem notícia é o IBM 305 RAMAC. Disponibilizado no ano de 1956, era capaz de armazenar até 5 MB de dados (um avanço para a época) e possuía dimensões enormes: 14 x 8 polegadas. Seu preço também não era nada convidativo: o 305 RAMAC custava cerca de 30 mil dólares.

Com o passar dos anos, os HDs foram aumentando sua capacidade de armazenamento, ao mesmo tempo em que se tornaram menores, mais baratos e mais confiáveis. Apenas para ilustrar o quão “gigante” eram os primeiros modelos, a foto abaixo mostra um disco rígido utilizado pelo Metrô de São Paulo em seus primeiros anos. O dispositivo está em exposição no Centro de Controle Operacional da empresa:

Componentes de um HD

Para que você possa compreender o funcionamento básico dos discos rígidos, precisa conhecer seus principais componentes. Os tão mencionados discos, na verdade, ficam guardados dentro de uma espécie de “caixa de metal”. Essas caixas são seladas e não têm nem ar internamente, pois não podem conter qualquer tipo de material que possa danificar os discos, já que estes são bastante sensíveis. Isso significa que se você abrir seu disco rígido em um ambiente despreparado e sem o uso dos equipamentos e das técnicas apropriadas, as chances de você perdê-lo são extremamente grandes.

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A figura acima mostra um HD visto por baixo e por cima. Note que a parte inferior contém uma placa com chips. Trata-se da placa lógica, um item muito importante para o funcionamento do HD.

A placa lógica contém chips responsáveis por diversas tarefas. O mais comum é conhecido como controladora, pois gerencia uma série de itens do HD, como a movimentação dos discos e das cabeças de leitura/gravação (mostradas adiante), o envio e recebimento de dados entre os discos e o computador, e até rotinas de segurança.

Outro dispositivo comum à placa lógica é um pequeno chip de memória conhecido como buffer. Cabe a ele a tarefa de armazenar pequenas quantidades de dados durante a comunicação com o computador. Como esse chip consegue lidar com os dados de maneira mais rápida que os discos rígidos, ele agiliza o processo de transferência de informações. No momento em que este artigo era escrito no InfoWester, era comum encontrar HDs que possuíam buffers de 2 MB e 8 MB.

A parte interna dos HDs (isto é, o interior da “caixinha”) é mais interessante. A foto abaixo mostra um HD aberto. Note que há indicativos que descrevem os componentes mais importantes. Estes são detalhados logo abaixo da imagem:

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Pratos e motor: esse é o componente que mais chama a atenção. Os pratos são os discos onde os dados são armazenados. Eles são feitos de alumínio (ou de um tipo de cristal) recoberto por um material magnético e por uma camada de material protetor. Quanto mais trabalhado for o material magnético (ou seja, quanto mais denso), maior é a capacidade de armazenamento do disco. Note que os HDs com grande capacidade contam com mais de um prato, um sobre o outro. Eles ficam posicionados sob um motor responsável por fazê-los girar. Para o mercado de PCs, é comum encontrar HDs que giram a 7.200 rpm (rotações por minuto), mas também há modelos que alcançam a taxa de 10 mil rotações, tudo depende da evolução da tecnologia. Até pouco tempo atrás, o padrão do mercado era composto por discos rígidos que giram a 5.400 rpm. Claro que, quanto mais rápido, melhor;

Cabeça e braço: os HDs contam com um dispositivo muito pequeno chamado cabeça (ou cabeçote) de leitura e gravação. Trata-se de um item de tamanho reduzido que contém uma bobina que utiliza impulsos magnéticos para manipular as moléculas da superfície do disco, e assim gravar dados. Há uma cabeça para cada lado dos discos. Esse item é localizado na ponta de um dispositivo denominado braço, que tem a função de posicionar os cabeçotes sob a superfície dos pratos. Olhando por cima, tem-se a impressão de que a cabeça de leitura e gravação toca nos discos, mas isso não ocorre. Na verdade, a distância entre ambos é extremamente pequena. A “comunicação” ocorre pelos já citados impulsos magnéticos;

Atuador: também chamado de voice coil, o atuador é o responsável por mover o braço sob a superfície dos pratos, e assim permitir que as cabeças façam o seu trabalho. Para que a movimentação ocorra, o atuador contém em seu interior uma bobina que é “induzida” por imãs.

Note que o trabalho entre esses componentes precisa ser bem feito. O simples fato da cabeça de leitura e gravação encostar na superfície de um prato é suficiente para causar danos a ambos. Isso pode facilmente ocorrer em caso de quedas, por exemplo.

Gravação e leitura de dados

A superfície de gravação dos pratos é composta de materiais sensíveis ao magnetismo (geralmente, óxido de ferro). O cabeçote de leitura e gravação manipula as moléculas desse material através de seus pólos. Para isso, a polaridade das cabeças muda numa freqüência muito alta: quando está positiva, atrai o pólo negativo das moléculas e vice-versa. De acordo com essa polaridade é que são gravados os bits (0 e 1). No processo de leitura de dados, o cabeçote simplesmente “lê” o campo magnético gerado pelas moléculas e gera uma corrente elétrica correspondente, cuja variação é analisada pela controladora do HD para determinar os bits.

Para a “ordenação” dos dados no HD, é utilizado um esquema conhecido como “geometria dos discos”. Nele, o disco é “dividido” em cilindros, trilhas e setores:

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As trilhas são círculos que começam no centro do disco e vão até a sua borda, como se estivesse um dentro do outro. Essas trilhas são numeradas de dentro para fora, isto é, a trilha que fica mais próxima ao centro é denominada trilha 0, a trilha que vem em seguida é chamada trilha 1 e assim por diante, até chegar à trilha da borda. Cada trilha é dividida em trechos regulares chamados de setor. Cada setor possui uma determinada capacidade de armazenamento (geralmente, 512 bytes).

E onde entra os cilindros? Eis uma questão interessante: você já sabe que um HD pode conter vários pratos, sendo que há uma cabeça de leitura e gravação para cada lado dos discos. Imagine que é necessário ler a trilha 42 do lado superior do disco 1. O braço movimentará a cabeça até essa trilha, mas fará com que as demais se posicionem de forma igual. Isso ocorre porque o braço se movimenta de uma só vez, isto é, ele não é capaz de mover uma cabeça para uma trilha e uma segunda cabeça para outra trilha.

Isso significa que, quando a cabeça é direcionada à trilha 42 do lado superior do disco 1, todas as demais cabeças ficam posicionadas sob a mesma trilha, só que em seus respectivos discos. Quando isso ocorre, damos o nome de cilindro. Em outras palavras, cilindro é a posição das cabeças sobre as mesmas trilhas de seus respectivos discos.

Note que é necessário preparar os discos para receber dados. Isso é feito através de um processo conhecido como formatação. Há dois tipos de formatação: formatação física e formatação lógica. O primeiro tipo é justamente a “divisão” dos discos em trilhas e setores. Esse procedimento é feito na fábrica. A formatação lógica, por sua vez, consiste na aplicação de um sistema de arquivos apropriado a cada sistema operacional. Por exemplo, o Windows é capaz de trabalhar com sistemas de arquivos FAT e NTFS. O Linux pode trabalhar com vários sistemas de arquivos, entre eles, ext3 e ReiserFS.

Os HDs são conectados ao computador através de interfaces capazes de transmitir os dados entre um e outro de maneira segura e eficiente. Há várias tecnologias para isso, sendo as mais comuns os padrões IDE, SCSI e, mais recentemente, SATA.

A interface IDE (Intelligent Drive Electronics ou Integrated Drive Electronics) também é conhecida como ATA (Advanced Technology Attachment) ou, ainda, PATA (Parallel Advanced Technology Attachment). Trata-se de um padrão que chegou para valer ao mercado na época da antiga linha de processadores 386.

Como a popularização desse padrão, as placas-mãe passaram a oferecer dois conectores IDE (IDE 0 ou primário e IDE 1 ou secundário), sendo que cada um é capaz de conectar até dois dispositivos. Essa conexão é feita ao HD (e a outros dispositivos compatíveis com a interface) por meio de um cabo flat (flat cable) de 40 vias (foto abaixo). Posteriormente, chegou ao mercado um cabo flat de 80 vias, cujas vias extras servem para evitar a perda de dados causada por ruídos (interferência).

Em relação às interfaces SCSI e SATA, elas possuem matérias exclusivas aqui no InfoWester.

Capacidade real de armazenamento

Os fabricantes de discos rígidos aumentam a capacidade de armazenamento de seus produtos constantemente. Todavia, não é raro uma pessoa comprar um HD e constatar que o dispositivo tem alguns gigabytes a menos do que anunciado. Será que o vendedor lhe enganou? Será que a formatação foi feita de maneira errada? Será que o HD está com algum problema? Na verdade, não.

O que acontece é que os HDs consideram 1 gigabyte com sendo igual a 1000 megabytes, assim como consideram 1 megabyte com sendo igual a 1000 kilobytes, e assim por diante. Os sistemas operacionais, por sua vez, consideram 1 gigabyte como sendo igual a 1024 megabytes, e assim se segue. Por conta dessa diferença, um HD de 80 GB, por exemplo, vai ter, na verdade, 74,53 GB de capacidade ao sistema operacional. Um HD de 200 GB vai ter, por sua vez, 186,26 GB.

Portanto, ao notar essa diferença, não se preocupe, seu disco rígido não está com problemas. Tudo não passa de diferenças entre as empresas envolvidas sobre qual medida utilizar.

 

HDs externos

É possível encontrar vários tipos de HDs no mercado, desde os conhecidos discos rígidos para uso doméstico (ou seja, para PCs), passando por dispositivos mais sofisticados voltados ao mercado profissional (ou seja, para servidores), chegando aos cada vez mais populares HDs externos.

O que é um HD externo? Simplesmente um HD que você levar para cima e para baixo, e conecta ao computador apenas quando precisa. Para isso, pode-se usar, por exemplo, portas USB, FireWire e até SATA externo, tudo depende do modelo que você escolher.

O HD externo é útil para quando se tem grandes quantidades de dados para transportar ou para fazer backup (cópia de segurança de seus arquivos). Do contrário, é preferível utilizar pendrives, DVDs regraváveis ou outro dispositivo de armazenamento com melhor relação custo-benefício. Isso porque os HDs externos são mais caros e costumam ser pesados (exceto os modelos de tamanho reduzido). Além disso, devem ser transportados com cuidado, para evitar danos.

A imagem ao lado mostra um HD externo da empresa Iomega, uma das mais conhecidas fabricantes desse ramo.

 

O HD já passou por diversas mudanças desde o seu início. Só para dar um exemplo de evolução, os HDs mais antigos tinham um problema que, se não tivesse sido resolvido, talvez deixaria os discos rígidos atrasados em relação ao progresso dos mais componentes de um computador: o motor de movimentação das cabeças de leitura e gravação era lento. Isso porque quando as cabeças precisavam ir de um cilindro a outro, o fazia de um em um até chegar ao destino. Hoje em dia, as cabeças vão diretamente ao cilindro requisitado.

No mais, basta observar o quão os HDs ficam mais rápidos, mais confiáveis e com maior capacidade ao longo do tempo. Além disso, inovações continuam a surgir, como é o caso dos HDs com gravação perpendicular. É até possível que, um dia, eles percam seu “reinado” para outra tecnologia (o padrão de armazenamento Flash, por exemplo), mas isso está longe de acontecer.

Para fechar este artigo, uma pequena curiosidade: quando a IBM lançou o HD 3340, houve uma versão com capacidade de 60 MB, sendo que 30 MB eram fixos e os outros 30 MB eram removíveis. Essa característica fez este HD receber o apelido de “30-30”. No entanto, existia um rifle chamado Winchester 30-30 e, logo, a comparação entre os dois foi inevitável. Como consequência, o HD passou a ser chamado também de Winchester, nome que dificilmente é usado hoje em dia, mas que algumas pessoas pronunciavam sem saber exactamente do que se tratava.

 

 

Como os dados são gravados e lidos

Os discos magnéticos de um disco rígido são recobertos por uma camada magnética extremamente fina. Na verdade, quanto mais fina for a camada de gravação, maior será sua sensibilidade, e consequentemente maior será a densidade de gravação permitida por ela. Poderemos então armazenar mais dados num disco do mesmo tamanho, criando HDs de maior capacidade.

Os primeiros discos rígidos, assim como os discos usados no início da década de 80, utilizavam a mesma tecnologia de mídia magnética utilizada em disquetes, chamada coated media, que além de permitir uma baixa densidade de gravação, não é muito durável. Os discos atuais já utilizam mídia laminada (plated media); uma mídia mais densa, de qualidade muito superior, que permite a enorme capacidade de armazenamento dos discos modernos.

A cabeça de leitura e gravação de um disco rígido funciona como um eletroímã semelhante aos que estudamos nas aulas de ciências do primário, sendo composta de uma bobina de fios que envolvem um núcleo de ferro. A diferença é que num disco rígido, este eletroímã é extremamente pequeno e preciso, a ponto de ser capaz de gravar trilhas medindo menos de um centésimo de milímetro.

Quando estão sendo gravados dados no disco, a cabeça utiliza seu campo magnético para organizar as moléculas de óxido de ferro da superfície de gravação, fazendo com que os pólos positivos das moléculas fiquem alinhados com o pólo negativo da cabeça e, consequentemente, com que os pólos negativos das moléculas fiquem alinhados com o pólo positivo da cabeça. Usamos neste caso a velha lei “os opostos se atraem”.

Como a cabeça de leitura e gravação do HD é um eletroímã, sua polaridade pode ser alternada constantemente. Com o disco girando continuamente, variando a polaridade da cabeça de gravação, variamos também a direção dos pólos positivos e negativos das moléculas da superfície magnética. De acordo com a direção dos pólos, temos um bit 1 ou 0.

Para gravar as seqüências de bits 1 e 0 que formam os dados, a polaridade da cabeça magnética é mudada alguns milhões de vezes por segundo, sempre seguindo ciclos bem determinados. Cada bit é formado no disco por uma seqüência de várias moléculas. Quanto maior for a densidade do disco, menos moléculas serão usadas para armazenar cada bit e teremos um sinal magnético mais fraco. Precisamos então de uma cabeça magnética mais precisa.

Quando é preciso ler os dados gravados, a cabeça de leitura capta o campo magnético gerado pelas moléculas alinhadas. A variação entre os sinais magnéticos positivos e negativos gera uma pequena corrente elétrica que caminha através dos fios da bobina. Quando o sinal chega na placa lógica do HD, ele é interpretado como uma seqüência de bits 1 e 0.

Vendo desta maneira, o processo de armazenamento de dados em discos magnéticos parece ser simples, e realmente era nos primeiros discos rígidos (como o 305 RAMAC da IBM), que eram construídos de maneira praticamente artesanal. Apesar de nos discos modernos terem sido incorporados vários aperfeiçoamentos, o processo básico continua sendo o mesmo.

Formatação do disco

Para que o sistema operacional seja capaz de gravar e ler dados no disco rígido, é preciso que antes sejam criadas estruturas que permitam gravar os dados de maneira organizada, para que eles possam ser encontrados mais tarde. Este processo é chamado de formatação.

Existem dois tipos de formatação, chamados de formatação física e formatação lógica. A formatação física é feita apenas na fábrica ao final do processo de fabricação, e consiste em dividir o disco virgem em trilhas, setores e cilindros. Estas marcações funcionam como as faixas de uma estrada, permitindo à cabeça de leitura saber em que parte do disco está, e onde ela deve gravar dados. A formatação física é feita apenas uma vez, e não pode ser desfeita ou refeita através de software.

Porém, para que este disco possa ser reconhecido e utilizado pelo sistema operacional, é necessária uma nova formatação, chamada de formatação lógica. Ao contrário da formatação física, a formatação lógica não altera a estrutura física do disco rígido, e pode ser desfeita e refeita quantas vezes for preciso, através do comando FORMAT do DOS por exemplo. O processo de formatação, é quase automático, basta executar o programa formatador que é fornecido junto com o sistema operacional.

Quando um disco é formatado, ele simplesmente é organizado “do jeito” do sistema operacional, preparado para receber dados. A esta organização damos o nome de “sistema de arquivos”. Um sistema de arquivos é um conjunto de estruturas lógicas e de rotinas que permitem ao sistema operacional controlar o acesso ao disco rígido. Diferentes sistemas operacionais usam diferentes sistemas de arquivos.

Exemplos de sistema de arquivos

Os sistemas de arquivos mais conhecidos são os utilizados pelo Microsoft Windows: NTFS e FAT32 (e FAT ou FAT16). O FAT32, às vezes referenciado apenas como FAT (erradamente, FAT é usado para FAT16), é uma evolução do ainda mais antigo FAT16 introduzida a partir do Windows 95 OSR/2 (ERRADO, no Windows 95 ORS/2, foi introduzido o FAT32, o FAT16 provem do MS-DOS 4.0) (uma versão “debugada” do Windows 95, com algumas melhorias, vendida pela Microsoft apenas em conjunto com computadores novos). A partir do Windows NT foi introduzido um novo sistema de arquivos, o NTFS, que é muito superior ao FAT (a nível de segurança, sacrificando alguma performance), sendo a mais notável diferença o recurso de permissões de arquivo (sistemas multi-usuário), inexistente nos sistemas FAT e essencial no ambiente empresarial (e ainda acrescento do metadata).

Em resumo, versões antigas, mono-usuário, como Windows 95, 98 e ME, trabalham com FAT32 (mais antigamente, FAT16). Já versões novas, multi-usuário, como Windows XP e 2000 trabalham primordialmente com o NTFS, embora o sistema FAT seja suportado e você possa criar uma partição FAT nessas versões.

No mundo Linux existe uma grande variedade de sistemas de arquivos, sendo alguns dos mais comuns o Ext2, Ext3 e o ReiserFS. O FAT também é suportado, e o NTFS também, mas apenas para leitura, sendo o suporte a escrita ainda experimental.

No Mundo BSD, o sistema de arquivos é denominado FFS (Fast File System), derivado do antigo UFS (Unix File System),

Setor de boot

Quando o micro é ligado, o BIOS (um pequeno programa gravado em um chip na placa-mãe, que tem a função de “dar a partida no micro”), tentará inicializar o sistema operacional. Independentemente de qual sistema de arquivos você esteja usando, o primeiro setor do disco rígido será reservado para armazenar informações sobre a localização do sistema operacional, que permitem ao BIOS “achá-lo” e iniciar seu carregamento.

No setor de boot é registrado qual sistema operacional está instalado, com qual sistema de arquivos o disco foi formatado e quais arquivos devem ser lidos para inicializar o micro. Um setor é a menor divisão física do disco, e possui sempre 512 bytes. Um cluster (também chamado de agrupamento) é a menor parte reconhecida pelo sistema operacional, e pode ser formado por vários setores. Um arquivo com um número de bytes maior que o tamanho do cluster, ao ser gravado no disco, é distribuído em vários clusters. Porém um cluster não pode pertencer a mais de um arquivo.

Um único setor de 512 bytes pode parecer pouco, mas é suficiente para armazenar o registro de boot devido ao seu pequeno tamanho. O setor de boot também é conhecido como “trilha MBR”, “trilha 0”, etc.

Como dito, no disco rígido existe um setor chamado MBR (Master Boot Record), que significa “Registro de Inicialização Mestre”, onde é encontrada a tabela de partição do disco que dará boot. O MBR é lido pelo BIOS, que interpreta a tabela de partição e em seguida carrega um programa chamado “bootstrap”, que é o responsável pelo carregamento do Sistema Operacional, no setor de boot da partição que dará o boot.

O MBR e a tabela de partição ocupam apenas um setor de uma trilha, o restante dos setores desta trilha não são ocupados, permanecendo vazios e inutilizáveis, servindo como área de proteção do MBR. É nesta mesma área que alguns vírus (Vírus de Boot) se alojam.

Disquetes, Zip-disks e CD-ROMs não possuem MBR nem tabela de partição. Estes são exclusivos dos discos rígidos.

História do disco rígido

 

Um antigo disco rígido IBM

Sem dúvida, o disco rígido foi um dos componentes que mais evoluíram na história da computação. O primeiro disco rígido foi construído pela IBM em 1957, e era formado por nada menos que 50 discos de 24 polegadas de diâmetro, com uma capacidade total de 5 megabytes, incrível para a época. Este primeiro disco rígido foi chamado de 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Em 1973 a IBM lançou o modelo 3340 “Winchester”, com dois pratos de 30 megabytes e tempo de acesso de 30 milissegundos. Assim criou-se o termo 30/30 Winchester (uma referência à espingarda Winchester 30/30), termo muito usado ainda hoje para designar HDs de qualquer espécie. Ainda no início da década de 1980, os discos rígidos eram muito caros e modelos de 10 megabytes custavam quase 2.000 dólares americanos, enquanto hoje compramos modelos de 160 gigabytes por menos de 100 dólares. Ainda no começo dos anos 80, a mesma IBM fez uso de uma versão pack de discos de 80 mb, usado no sistemas IBM Virtual Machine.

 

Capacidade do disco rígido

A capacidade de um disco rígido atualmente disponível no mercado para uso doméstico/comercial varia de 40 a 500 GB, mas um HD para empresas pode variar até 1 TB. O HD evoluiu muito. O mais antigo possuía 5 MB (apoximadamente 4 disquetes de 3 1/2 HD), sendo aumentada para 30 MB, em seguida para 500 MB (20 anos atrás), e 10 anos mais tarde, HDs de 1 a 3 GB. Em seguida lançou-se um HD de 10 GB e posteriormente um de 15 GB. Posteriormente, foi lançado no mercado um de 20 GB, até os atuais HDs de 40 e 500 GB. As empresas usam maiores ainda: variam de 40 GB até 1 TB, mas a Seagate informou que em 2010 irá lançar um HD de 200 TB (sendo 50 TB por polegada quadrada, contra 70 GB dos atuais HDs). No entanto, as indústrias consideram 1 GB = 1000 * 1000 * 1000 bytes, pois no Sistema Internacional de Unidades(SI), que trabalha com potências de dez, o prefixo giga quer dizer * 10003 ou * 109, enquanto os sistemas operacionais consideram 1 GB = 1024 * 1024 * 1024 bytes, já que os computadores trabalham com potências de dois e 1024 é a potência de dois mais próxima de mil. Isto causa uma certa disparidade entre o tamanho informado na compra do HD e o tamanho considerado pelo Sistema Operacional, conforme mostrado na tabela abaixo.

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