Discos Rígidos

Introdução
Computadores precisam de dispositivos que armazenem informações de forma não volátil (isto é,
permanecem mesmo depois de desligados) e que permitam a inclusão, exclusão ou modificação das
informações quando necessário. Sem isso, pouca utilidade teriam.
Embora existam dispositivos eletrônicos que operam de forma similar (memória flash), o custo ainda
é alto para as capacidades necessárias e parece que a tecnologia dos discos rígidos ainda deve
permanecer por algum tempo.
O primeiro dispositivo de disco rígido foi desenvolvido pela IBM em 1956. Tinha cerca de 5 MB de
capacidade e usava 50 discos de 24 polegadas de diâmetro. Considerando que as unidades atuais
usam apenas alguns discos de 3 1/2 polegadas e podem armazenar 240 GB ou mais, é possível notar
que a evolução foi realmente muito grande.
Princípios
O princípio de funcionamento é o mesmo das fitas magnéticas, ou seja, um cabeçote (bobina e
núcleo) e um meio magnético de gravação que se move em relação ao cabeçote.
Se você abrir um disco rígido, deverá encontrar algo parecido com a Fig 1 (mas só faça isso com uma
unidade imprestável, pronta para ir para o lixo. Se estiver boa, certamente será danificada).
O disco é em geral feito de uma
liga de alumínio revestido com um
metal magnético e recebe um
acabamento espelhado. O
acionamento se dá por um
pequeno motor elétrico situado na
parte inferior e não mostrado na
figura.
O braço tem o cabeçote de leitura
e gravação na extremidade e pode
girar em torno de um eixo de
forma a varrer todas as trilhas
úteis do disco.
O posicionamento do braço é dado
por uma bobina que fica em um
campo magnético
produzido por um ímã permanente, formando o conjunto atuador. De acordo com a intensidade e
sentido da corrente elétrica na bobina do atuador, ela se desloca para um lado ou outro, permitindo o
posicionamento do cabeçote. Funciona de maneira similar à bobina móvel de um alto-falante.
A ligação elétrica é feita por filmes metálicos em fitas flexíveis, não mostradas na figura.
Os discos giram em alta rotação (10000 rpm ou mais nos mais recentes). Em operação normal, o
cabeçote não toca no disco. A sua própria rotação forma um fino colchão de ar entre disco e
cabeçote. Nos primeiros discos rígidos, a espessura desse colchão era de cerca de 0,2 mm. Nos
atuais, foi reduzida para 0,07 mm ou menos (isso explica porque um disco rígido é danificado se
aberto em um ambiente comum. Partículas de poeira fazem o estrago).
Quando o dispositivo é desligado, o seu hardware leva o cabeçote para uma zona segura, onde ele
toca suavemente a superfície pela redução da rotação. É comum o uso da sigla inglesa LZ (landing
zone) para este local. A zona é exclusiva para tal finalidade e não contém dados.
Para maior capacidade, em geral
são usados dois ou mais discos
empilhados e ambos os lados de
cada disco são usados.
A Fig 2 dá o esquema para 3
discos e 6 cabeçotes.
O conjunto é completado pela placa de circuito eletrônico, o seu hardware, localizada na parte inferior
e visível em muitos modelos.
Trilhas, cilindros, setores
Os dados são armazenados em círculos
concêntricos chamados trilhas conforme Figura 3
ao lado.
E as trilhas são divididas em setores com 512
bytes cada. Assim, os setores são os menores
grupos de dados que podem ser lidos ou escritos
em um disco rígido.
A marcação das trilhas e setores é feita na fábrica
através de uma formatação de baixo nível ou
formatação física, que permanece durante toda a
vida útil do dispositivo.
Discos atuais não devem ser formatados
fisicamente, sob pena de ficarem imprestáveis.
O comprimento físico das trilhas aumenta à
medida que se aproxima da borda externa. Desde
que os setores têm um número fixo de
bytes, trilhas mais externas podem abrigar mais setores. Isso é chamado em inglês de zoned bit
recording (nos primeiros discos rígidos, o número de setores por trilha era o mesmo, o que resultava
em grande desperdício pois sobrava espaço nas trilhas mais externas).
A velocidade angular do disco é constante, mas a velocidade tangencial é tanto maior quanto mais
externa é a trilha. Assim, a performance de leitura e gravação é maior nas trilhas mais externas e a
gravação nos discos começa por elas.
Desde que são usados dois ou mais discos, o
conceito de cilindro é importante para o
desempenho do conjunto.
Cilindro é o conjunto de trilhas de mesmo
alinhamento vertical em cada disco. Assim, o
cilindro indicado na Fig 4 tem 6 trilhas (devido ao
uso de ambos os lados de cada disco conforme já
dito).
Se os dados são gravados cilindro a cilindro, o
desempenho é maior, pois o cabeçote não se
move enquanto não completar todas as trilhas do
cilindro.
Unidades de alocação
Conforme já visto, os setores são as unidades elementares de dados, com 512 bytes de
comprimento. Arquivos de dados e programas atuais são muito mais extensos que isso e ocupam
muitos setores.
Se a leitura ou gravação forem executadas com referências a setores, o desempenho será
prejudicado pelo elevado número em cada arquivo. Assim, agora na lógica do sistema operacional, os
dados são agrupados em unidades de alocação (cluster, em inglês), que correspondem a um número
fixo de setores, dependendo do sistema de arquivos adotado.
Por exemplo: se um sistema define 4 KB (8 setores) para cada unidade de alocação, os arquivos
ocupam múltiplos de 4 KB no disco (um arquivo de 5 KB ocupa duas unidades de alocação, ou seja, 8
KB. Os 3 KB restantes da segunda não são usados).
Sistema de arquivos
A formatação física cria trilhas e setores, mas não dá por si condição de trabalho para os sistemas
operacionais. Uma partição do disco é uma porção do mesmo, criada por programas utilitários,
específica para o sistema operacional.
A maioria dos usuários usa apenas um sistema operacional e, portanto, a partição é única, ocupando
todo o volume do disco. Mas pode ser mais de uma para, por exemplo, usar sistemas Windows e
Linux e elas trabalham como se logicamente fossem unidades distintas.
Uma vez particionado para o sistema, o disco precisa de uma formatação de alto nível, que cria o
setor de inicialização e a estrutura do sistema de arquivos. Essa formatação é executada por
programas utilitários que acompanham os sistemas operacionais.
O sistema FAT (file allocation table) foi introduzido na época do DOS em 1981. Usado pelas versões
pessoais do Windows 3.x, 9.3, ME. O Windows XP oferece o sistema NTFS. Por enquanto, este tópico
fica restrito ao FAT, deixando o NTFS para ser explicado em outro artigo.
Conforme visto no tópico anterior, os arquivos são divididos em unidades de alocação. O FAT cria no
disco uma tabela com o nome do arquivo e o número da primeira unidade de alocação. Cada unidade
de alocação tem um ponteiro para a próxima unidade de alocação do arquivo. Se for a última, é
marcado com FFFF (hexadecimal). Com isso, os arquivos ficam perfeitamente identificados, podendo
ser facilmente acessados pelo software. Veja um exemplo na Figura 5.
O arquivo ARQ1.TXT começa na unidade 11 que
aponta para a 12 e esta aponta para FFFF, indicando
que é a última.
O arquivo ARQ3.TXT começa na unidade 14 e é um
arquivo pequeno, ocupando apenas uma unidade de
alocação.
No arquivo ARQ2.TXT, a primeira unidade de alocação não está adjacente às demais. Diz-se que o
arquivo está fragmentado. Isso ocorre porque inicialmente os arquivos são gravados em seqüência.
Entretanto, se um arquivo que não seja o último é aumentado, as unidades de alocação adicionais
não mais poderão ficar na seqüência, pois ela está ocupada por outros. A fragmentação excessiva
prejudica o desempenho, pois os cabeçotes têm mais movimento. Por isso, a maioria dos sistemas
operacionais contém utilitários para desfragmentar arquivos.
O sistema FAT evoluiu. Começou com o FAT12, passando para FAT16 e FAT32.
FAT16
Partições até 4
GB e arquivos
até 2 GB
FAT32
NTFS
Esta tabela dá algumas
diferenças entre os sistemas de
Partições até 2 TB (no Partições >2 TB são
arquivos comentados neste
Windows XP até 32
possíveis. Arquivos
MB). Arquivos até 4 GB limitados pelo tamanho da tópico.
partição
Desempenho
O desempenho do disco é fundamental para o conjunto. Um computador com um processador rápido
pode ter sua performance global bastante prejudicada por um disco rígido lento.
A performance do disco depende de vários fatores, inclusive da interface lógica utilizada. Mas a
rotação é sem dúvida uma das mais importantes. Os fabricantes têm produzido discos com rotações
cada vez mais altas, mas há limites. Quanto maior a rotação, maior o atrito com o ar e o
aquecimento é também maior.
Até alguns anos atrás, a máxima rotação era 5200 rpm. Hoje discos com 7200 rpm são comuns.
Alguns fabricantes já romperam a barreira dos 10000, com discos de 12000 rpm.
Em geral, o desempenho é medido pela taxa média de transferência de dados em MBps (megabytes
por segundo). Até 2001, a taxa máxima não passava de 60 MBps. Atualmente valores como 160
MBps são encontrados.
Existem muitas outras informações sobre discos rígidos e o assunto é dinâmico, pois os fabricantes
estão em constante evolução. Oportunamente, mais informações serão adicionadas.