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Introdução
Dentre os dispositivos
do computador, um dos mais importantes é o disco rígido, em inglês, Hard Disk
(HD). O HD não é o componente mais caro, nem mais complexo do sistema. A
importância desse componente se deve ao fato de que ele é o responsável em
armazenar nossos dados. Para as empresas que dependem totalmente de computadores por exemplo,
são muito mais valiosos os dados referentes a contas a receber do que os computadores em si.
É importante não confundirmos o HD com a memória do computador. O HD é
na verdade uma memória de massa. Ou seja, os dados são gravados em grande quantidade
e de forma permanente. Sobre a classificação do HD, há uma certa polêmica.
Algumas pessoas consideram-no um periférico de entrada e saída. Outras pessoas
encaram-no como um dispositivo de armazenamento. E há ainda quem diga que o disco
rígido é a memória auxiliar do micro. Porém basta sabermos que é
um componente onde podemos gravar e ler todo tipo de informação.
Disco rígido - Visão interna
Partes do disco rígido
• Pratos
• Eixo e motor
• Cabeças de leitura
• Braços
• Acionador
• Conectores e jumpers
Um HD utiliza discos finos chamados pratos (platters) revestidos por um material magnético
que armazena informações. Os pratos são perfurados no seu centro por onde
passa um eixo de giro (spindle). Os pratos rodam graças a um motor localizado no
eixo de giro. As cabeças do disco são dispositivos de escrita/leitura na mídia
magnética e são montados sobre braços que realizam a locomoção
das cabeças aos pontos a serem lidos na mídia magnética. O conjunto de braços
do disco é montado em uma peça única chamada acionador (actuator).
Pratos
Inicialmente daremos uma olhada na
constituição lógica dos pratos para depois nos aprofundarmos na sua
constituição física e funcionamento.
Cada superfície do prato de um disco rígido contêm dezenas de bilhões
de bits de dados. Cada prato possui uma cabeça inferior e outra superior para acessar estes
dados. Os dados em si são armazenados em círculos concêntricos ao prato chamados
trilhas. Cada trilha por sua vez é constituída por setores de 512 bytes. Costuma
haver um espaço entre os setores como ilustrado na figura ao lado.
Todo disco
rigído é composto por um ou mais pratos (normalmente de 1 a 5 em PCs ou mais em
HDs para servidores) onde são armazenadas as informações. O tamanho dos
pratos vem variando muito durante a evolução dos discos rígidos devido aos
avanços da engenharia e eletrônica e estão se tornando cada vez menores, o
que afeta positivamente a performance do HD quanto ao tempo de acesso devido ao aumento da
velocidade de rotação dos pratos e diminuição de deslocamento do
braço. Atualmente os dois tamanhos de discos mais populares são os de 5.25 polegadas
(dimensão real 5.12") e os de 3.5" polegadas (dimensão real 3.74")
que são feitos sob medida para os gabinetes dos PCs que costumam ter espaço para
drives (rígidos e flexiveis) de 5.25 e 3.5 polegadas. Os discos rígidos dos
notebooks costumam ter 2.5 polegadas. Existem também drivers de 1.8 e 1 polegada que são
utilizados em equipamentos portáteis.
Os pratos são compostos por duas
camadas. A primeira é uma camada rígida que oferece apoio estrutural para o disco e
a segunda é uma camada de mídia magnética que é onde os dados são
propriamente armazenados.
A camada rígida que oferece suporte aos pratos dos
discos deve ser feita de um material que seja leve, resistente e do qual se possa fazer superfícies
lisas. A camada rígida dos pratos do disco é normalmente feita de ligas de alumínio.
Atualmente alguns pratos são feitos de ligas de vidro e de materias híbridos de
vidro e cerâmica.
A figura acima mostra que a camada rígida de vidro (à direita) é
mais lisa que a de alumínio (à esquerda).
A mídia magnética que cobre os pratos é o coração do disco
rígido. Nos HDs mais antigos, os pratos do disco eram cobertos por óxido de ferro
que eram apenas pedacinhos muito pequenos de ferro oxidado. Embora este material fosse encontrado
muito facilmente na natureza e sua produção fosse muito barata, ele
apresentava alguns problemas, pois era facilmente danificado pela cabeça de leitura e
escrita e permitia baixa densidade para gravação de dados (densidade aeral)
devido ao tamanho das partículas de óxido de ferro.
Os HDs atuais utilizam
uma espécie de mídia de filme fina que é aplicada sobre os pratos através
de processos elétricos ou de condensação por vapor. O filme aplicado no HD
é um material reflexivo como podemos notar na figura.
A mais nova forma de
armazenar dados sobre as placas foi desenvolvida nos laboratórios da IBM e consiste em uma
solução aplicada sobre o disco, consistente de moléculas orgânicas e
grãos de ferro que formam cristais capazes de armazenar cargas magnéticas. Estes
cristais são capazes em aumentar a densidade aeral dos discos atuais de 10 a 100 vezes.
Cabeças de gravação
As
cabeças de gravação são a interface entre a mídia magnética
física onde os dados são armazenados e os componentes eletrônicos que constituem
o resto do HD. As cabeças fazem a conversão dos bits para pulsos magnéticos
que são lidos e escritos na mídia magnética dos pratos. O conceito funcional
das cabeças de gravação é relativamente simples. São conversores
de energia: transformam sinais elétricos em sinais magnéticos e vice-versa
num processo semelhante ao vídeo e fita cassete, embora a tecnologia dos HDs seja diferente por
exigir uma mecânica fina de muito maior precisão.
Diferentemente da cabeças que gravam fitas de áudio e vídeo, as cabeças
do disco rígido não entram em contato direto com a mídia pois devido a extrema
velocidade que são gravados os dados no HD, isto geraria um desgaste destrutivo tanto das
cabeças quanto da mídia magnética. A figura ao lado ilustra as cabeças
pressionadas quando os pratos estão parados. Quando os pratos começam a girar, a
alta velocidade faz com que o ar flua sobre o suporte das cabeças erguendo-as sobre a
superfície do disco, um processo semelhante ao que permite às asas de um avião
o sustentarem no vôo. As cabeças flutuam sobre o disco atualmente a distâncias
muito pequenas como 0.5 micropolegadas, o que exige um controle mecânico fino para evitar
que a cabeça encoste sobre o prato.
Para realizar a gravação, os dados
digitais (0s e 1s) devem ser de alguma forma armazenados na mídia magnética. Isto
é feito através de pulsos elétricos e magnéticos gerados pelas cabeças
de gravação e leitura. Um controlador integrado ao HD faz a conversão dos
sinais digitais em sinais elétricos que são aplicados pela cabeça de
gravação à camada magnética para realizar a escrita. Já a
leitura é feita pela cabeça de leitura aplicando o processo inverso, de forma que
um campo magnético é exposto á mídia magnética, fazendo que a
corrente elétrica flua, gerando uma espécie de micro-faísca detectada
pela cabeça.
A informação magnética gravada nos discos consiste
no fluxo de campos magnéticos. Como é sabido, um imã possui dois pólos:
o sul e o norte, e a energia magnética chamada fluxo magnético flui do pólo
norte para o pólo sul. A informação é armazenda no disco codificando
a informação em campos magnéticos. Através de uma corrente elétrica
aplicada, os campos magnéticos assumem uma das duas polaridades: ou o pólo norte
chega antes do pólo sul quando o disco gira (N-S) ou o pólo sul chega
antes do norte (S-N).
Embora seja conceitualmente simples mapear informação
digital na forma de campos magnetizados da forma N-S ou S-N, a implementação
mecânica é um tanto quanto complexa, como analisaremos a seguir:
A cabeça de leitura/escrita não mede a polaridade do campo magnético,
mas reversos de fluxo que ocorrem quando a cabeça se move de uma área que tem
polaridade norte-sul para uma área que tem polaridade sul-norte, e vice-versa.
A razão pela qual as cabeças são projetadas para medir reversão de
fluxo de campo ao invés de medir diretamente o campo magnético é que o
segundo é mais difícil de medir. Durante o processo de leitura, quando a cabeça
de gravação passa por um reverso de fluxo, uma pequena faísca de voltagem
é produzida e pode ser detectada por um sensor da cabeça de gravação.
À medida que a densidade dos discos cresce, a força de cada um dos campos magnéticos
diminui, o que torna a detecção um fator critico a ser resolvido pela engenharia.
Outro fator que influencia o funcionamento da cabeça de gravação é
como determinar se um bit é zero ou um. Mesmo que uma polaridade represente 0s e a outra
1s, como então encodificamos 1000 zeros consecutivos? Seria bastante difícil dizer
onde acaba o bit 787 e onde começa o bit 788. Embora se possa pensar em colocar 1000 pequenos
imãs enfileirados um ao lado do outro, isto não funcionaria, pois seu campo magnético
é aditivo. Colocar 1000 imãs um do lado do outro geraria um campo magnético
muito grande, cerca de 1000 vezes maior que um imã sozinho. Em suma, iria trazer mais
complicações que soluções. Por isso, os HDs usam reversos de fluxos
magnéticos para gravar informações e não campos absolutos.
Visão idealizada de como os dados são lidos e escritos no disco. A onda de cima
mostra como padrões são gravados no disco. Na representação central
há uma representação de como a mídia do disco é magnetizada em
domínios de direção oposta, baseados na polaridade da corrente de escrita. A
onda inferior mostra como o fluxo de transições no disco se transformam em voltagem
positiva e negativa quando o disco é lido.
O primeiro, mais simples e menos
eficiente sistema de codificação para gravação de dados através
de fluxos foi o modelo de freqüência modulada (FM). Segundo este esquema, 1
é gravado como dois fluxos reversos consecutivos e 0 como um fluxo reverso não seguido por
outro fluxo reverso. Em outras palavras, um fluxo reverso é colocado no inicio de cada bit
para representar o clock e se o fluxo seguinte for outro fluxo reverso leu-se 1, se não
vier outro fluxo reverso é 0.
O nome modulação de freqüência
vem do fato que o número de fluxos reversos para 1s é o dobro do para 0s, um byte
de 0s seria gravado como "RNRNRNRNRNRNRNRN", enquanto um byte de 1s seria representado como
"RRRRRRRRRRRRRRRR" onde R representa fluxo reverso e N, a ausência de fluxo reverso.
Deslizadores da cabeça, braços e acionador
As cabeças de leitura/escrita não flutuam e se movem sozinhas pelo espaço.
Elas têm que acessar a posição certa do disco de alguma forma. As cabeças
são montadas sob uma estrutura que realiza o processo. Trata-se do acionador de disco
(actuator) onde são montados os braços, onde por sua vez estão localizados
os deslizadores (sliders), os quais posicionam a cabeça sobre a posição
correta do prato a ser lida.
Eixo e Motor de Giro
O eixo e o motor de giro são os responsáveis por fazerem os pratos girarem. É
uma peça mecânica que deve ser estável para permitir milhares de horas de giro
dos pratos, correspondentes à sua vida útil. Muitas vezes, quando um HD "pifa"
seus pratos continuam funcionais e o problema justamente ocorreu no motor de giro.
Técnicas Servo para controle de acionadores, braços,
cabeças e motor de giro
Os discos modernos tem uma área especial para armazenamento de informações
sobre como posicionar corretamente as cabeças no disco rígido, como mover os braços
e velocidade de giro dos motores. Estas vêm em geral pré-gravadas de fábrica,
mas podem ter que ser obtidas e armazenadas à medida que o disco é utilizado,
dependendo da maneira de armazenamento destas informações. (Dependendo do
método são armazenadas informações quanto às distâncias
para acessar trilhas, as quais podem ter que ser calibradas).
Estas informações
(servo information) são re-alimentadas aos circuitos que cuidam de como o
acionador posiciona corretamente a cabeça sobre o disco. Para tal, pode-se, por exemplo,
gravar um código diferente em cada trilha do disco de forma que o circuito que controla o
posicionamento do disco pode sempre saber em que posição está. As servo
information são lidas de forma muito rápida, de modo a não prejudicar o
desempenho do HD.
As informações servo podem ser gravadas de 3 formas distintas no HD:
1 - Na cunha de cada disco como na ilustração à esquerda.
2 - Todas as informações em um único prato.
Os dois métodos acima
apresentam problemas para identificar trilhas (guarda distância em vez de cada trilha
guardar informação sobre si própria, requer constante recalibração
do braço). O segundo método apresenta melhora em relação ao primeiro
no tempo de acesso às informações servo, que é diminuído se o
prato é dedicado exclusivamente para armazenar tais informações.
3 - A informação servo é gravada separadamente em cada trilha do disco
Esta é a técnica mais recente existente e é ilustrada à direita na
figura acima. Segundo este método toda faixa é auto-identificável.
Conectores, jumpers, pinos e interfaces
Conector de energia - É um conector de 4 pinos macho onde conecta-se o cabo de
alimentação que fornece voltagem de +5V ou 12V.
Conectores de Dados
- As portas conectoras de dados mais comuns utilizadas atualmente são IDE (40 pinos retangulares)
e SCSI (50 pinos "narrow", 68 e 80 "wide"). Este assunto é melhor discutido a seguir...
Hard Drives Interfaces
Atualmente são três as
principais interfaces responsáveis pela comunicação de dados do HD com o
resto do PC. São elas: interfaces IDE, interfaces SCSI e interfaces SATA.
Interfaces IDE (Integrated Drive Eletronics) - Foi a primeira placa a integrar uma
placa controladora lógica de disco no próprio HD (esta é a razão
de "integrado"). O nome IDE não diz nada sobre a interface em si, pois SCSI
também tem controlador integrado ao HD. O nome mais próprio para interface é
ATA (AT Attachment pois é uma interface de 16 bits e originalmente os IBM PCs ATs
eram de 16 bits).
A Interface IDE/ATA é especificada pelo ANSI e prevê
dois HDs dividindo um único canal (master/slave) com velocidades de transferência
de 3.3, 5.2 ou 8.3 Mb/seg. O controlador de endereços é o responsável
por enviar os dados para o HD master ou slave, que dividem o mesmo canal e normalmente o mesmo
cabo de conexão de dados. Ambos os drives recebem os dados, mas só o alvo responde
ao recebimento, enquanto o outro simplesmente ignora os dados que não são
endereçados a ele.
As determinações Master e Slave não
implicam em nenhuma dependência. Isto influi somente na forma que os SOs atribuem
letras aos drives e a BIOS os "enxerga" como "bootáveis" default. É
interessante notar que em um cabo compartilhado por 2 drives IDE, não faz diferença
qual drive é ligado em cada conector do cabo, pois são os pinos seletores que podem
definir quem será master e quem será slave. (Isto só não se aplica quando
a opção cable select é escolhida).
Os PCs, por padrão,
implementam 2 canais IDE, o que implica até 4 discos instalados simultaneamente no PC.
Todavia, a maioria dos PCs hoje possui um drive de CD-ROM que utiliza interface IDE/ATAPI.
Este drive é colocado em um canal sozinho por razões de performance pois alguns
sistemas não aceitam transferências de dados independentes entre 2 HDs IDE tomando
por padrão a velocidade de transferência do drive mais lento (no caso, o CDROM,
que costuma ser beeeem mais lento!). Nos sistemas que aceitam taxas de transferência
diferentes entre os dispositivos que dividem o canal costuma-se colocar o CD-ROM como slave
por razões de compatibilidade de hardware.
Interfaces SCSI (Small Computer
Systems Interface) - Trata-se não apenas de uma interface, mas de um barreamento
de sistema com controladores inteligentes acoplados a cada dispositivo SCSI que
permitem gerenciar o fluxo de informação em cada canal. Os padrões SCSI são
definidos pela ANSI e definem as capacidades de cada interface. O padrão SCSI inicial
aprovado em 1986 previa barreamento de 8 bits, taxas de transferência de "apenas"
5Mb/seg e um total máximo de 8 dispositivos acoplados à interface. A atual
versão do padrão SCSI implementada pela maioria dos HDs é a SCSI 2 definida
em 1990 e possui as seguintes melhoras em relação à versão anterior:
• Definição do padrão Fast SCSI com taxa de transferência
de 10 MB/s
• Definição do padrão Wide SCSI com barramento de 16 ou
32 bits
• Aumento do número possível de dispositivos acoplados à
interface para 16
• Possibilidade de múltiplos acessos ao barramento de forma
simultânea
• Suporte a novos modelos de CD/ROM e Scanners
SATA - O padrão Serial ATA (ou SATA - Serial Advanced Technology Attachment)
é uma tecnologia para discos rígidos que surgiu no mercado no ano 2000 para substituir
a tradicional interface PATA (Paralell ATA ou somente ATA ou, ainda, IDE).
O nome de ambas as tecnologias já indica a principal diferença
entre elas: o PATA faz transferência de dados de forma paralela, ou seja,
transmite vários bits por vez, como se estes estivessem lado a lado.
No SATA, a transmissão é em série, tal como se cada bit
estivesse um atrás do outro. Por isso, você deve imaginar que o
PATA é mais rápido, não? Na verdade, não é.
A transmissão paralela de dados (geralmente com 16 bits por vez) causa
um problema conhecido como "ruído", que nada mais é
do que a perda de dados ocasionada por interferência. Para lidar com isso
nos HDs PATA, os fabricantes utilizam mecanismos para diminuir o ruído.
Um deles é recomendar a utilização de um cabo IDE (o cabo
que liga o HD à placa-mãe do computador) com 80 vias (ou seja,
oitenta fios) ao invés dos tradicionais cabos com 40 vias. As vias a
mais atuam como uma espécie de blindagem contra ruídos.
No caso do padrão SATA o ruído praticamente não existe,
mesmo porque seu cabo de conexão ao computador possui apenas 4 vias e
também é blindado. Isso acaba trazendo outro ponto de vantagem
ao SATA, pois como o cabo tem dimensão reduzida, o espaço interno
do computador é melhor aproveitado, facilitando inclusive a circulação
de ar.
O padrão Paralell ATA tem sua velocidade de transmissão de dados
limitada por causa do ruído. A última especificação
dessa tecnologia é o ATA 133 que permite, no máximo, uma taxa
de transferência de 133 MB por segundo. O Serial ATA, por sua vez, pode
utilizar uma velocidade maior.
Há outra característica interessante no SATA: HDs que utilizam
essa interface, não precisam de jumpers para identificar o disco master
(primário) ou secundário (slave). Isso ocorre porque cada dispositivo
usa um único canal de transmissão (o PATA permite até dois
dispositivos por canal), atrelando sua capacidade total a um único HD.
No entanto, para não haver incompatibilidade com dispositivos Paralell
ATA, é possível instalar esses aparelhos em interfaces seriais
através de placas adaptadoras. Muitos fabricantes de placas-mãe
oferecem placas-mãe com ambas as interfaces.
Outra novidade interessante do SATA é a possibilidade de uso da técnica
"hot-swap", que torna possível a troca de um dispositivo Serial
ATA com o computador ligado. Por exemplo, é possível trocar um
HD sem ser necessário desligar a máquina para isso. Este recurso
é muito útil em servidores que precisam de manutenção/reparos,
mas não podem parar de funcionar.
Velocidade do padrão SATA
A primeira versão do SATA trabalha com taxa máxima de transferência
de dados de 150 MB por segundo (MB/s). Essa versão recebeu os seguintes
nomes: SATA 150, SATA 1.0, SATA 1,5 Gbps (1,5 gigabits por segundo) ou simplesmente
SATA I.
Não demorou muito para surgir uma versão denominada SATA II
(ou SATA 3 Gbps - na verdade, SATA 2,4 Gbps) cuja principal característica
é a velocidade de transmissão de dados a 300 MB/s, o dobro do SATA I.
É necessário fazer uma observação quanto ao aspecto
de velocidade: na prática, dificilmente os valores mencionados (150 MB
e 300 MB) são alcançados. Essas taxas indicam a capacidade máxima
de transmissão de dados entre o HD e sua controladora (presente na placa-mãe),
mas dificilmente são usadas em sua totalidade, já que isso depende
de uma combinação de fatores, como conteúdo da memória,
processamento, tecnologias aplicadas no disco rígido, etc.
Há outra ressalva importante a ser feita: a entidade que controla o
padrão SATA (formada por um grupo de fabricantes e empresas relacionadas)
chama-se, atualmente, SATA-IO (SATA International Organization). O problema
é que o nome anterior dessa organização era SATA-II, o
que gerava certa confusão com a segunda versão do SATA. Aproveitando
essa situação, muitos fabricantes inseriram selos da SATA II em
seus HDs SATA 1.0 para confundir os usuários, fazendo-os pensar que tais
discos eram, na verdade, da segunda geração de HDs SATA. Por isso
é necessário olhar com cuidado as especificações
técnicas do disco rígido no momento da compra, para não
levar "gato por lebre".
Tecnologias relacionadas ao SATA
Os fabricantes de HDs SATA podem adicionar tecnologias em seus produtos para
diferenciá-los no mercado ou para atender a uma determinada demanda,
o que significa que um certo recurso não é obrigatório
em um disco rígido só por este ser SATA. Vejamos alguns deles:
NCQ (Native Command Queuing): o NCQ é tido
como obrigatório no SATA II, mas é opcional no padrão SATA I. Trata-se
de uma tecnologia que permite ao HD organizar as solicitações de gravação
ou leitura de dados numa ordem que faz com que as cabeças se movimentem
o mínimo possível, aumentando (pelo menos teoricamente) o desempenho
do dispositivo e sua vida útil. Para usufruir dessa tecnologia, não
só o HD tem que ser compatível com ela, mas também a placa-mãe,
através de uma controladora apropriada. Se a placa-mãe é
compatível com SATA, é possível que exista o suporte ao
NCQ (é necessário consultar o manual da placa para ter certeza).
xSATA: basicamente o xSATA é uma tecnologia que permite
ao cabo do HD ter até 8 metros de tamanho, sem que haja perda de dados significativa
(uma tecnologia anterior, a eSATA, permitia até 2 metros).
Link Power Management: esse recurso permite ao HD utilizar
menos energia elétrica. Para isso, o disco rígido pode assumir três estados:
ativo (active), parcialmente ativo (partial) ou inativo (slumber). Com
isso, o HD vai receber energia de acordo com sua utilização no momento.
Staggered Spin-Up: esse é um recurso muito útil
em sistemas RAID, por exemplo, pois permite ativar ou desativar HDs trabalhando em conjunto
sem interferir no funcionamento do grupo de discos. Além disso, a tecnologia Staggered
Spin-Up também melhora a distribuição de energia entre os discos.
Hot Plug: em sua essência, a tecnologia Hot Plug permite
conectar o disco ao computador com o sistema operacional em funcionamento. Esse é um
recurso muito usado em HDs do tipo removível.
Conectores e cabos
Conforme já foi dito, o cabo de dados do padrão SATA é
diferente do cabo da interface PATA, justamente por utilizar apenas quatro vias.
Como conseqüência, seu conector também é menor, como
mostra a imagem a seguir:
Além do cabo de dados, o conector do cabo de alimentação
também é diferente no padrão SATA. Uma característica
importante desse conector é que sua retirada do HD é mais fácil,
se comparado ao padrão SATA.
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