Tecnologia de Disco rígido

Tecnologia de Disco rígido
Disco rígido moderno aberto.
Disco Rígido ou Disco Duro, popularmente chamado também de HD (derivação de HDD do inglês
hard disk drive) ou winchester (termo em desuso), "memória de massa" ou ainda de "memória
secundária" é a parte do computador onde são armazenados os dados.1 O disco rígido é uma memória
não-volátil, ou seja, as informações não são perdidas quando o computador é desligado, sendo
considerado o principal meio de armazenamento de dados em massa. 2 Por ser uma memória nãovolátil, é um sistema necessário para se ter um meio de executar novamente programas e carregar
arquivos contendo os dados inseridos anteriormente quando ligamos o computador. Nos sistemas
operativos mais recentes, ele é também utilizado para expandir a memória RAM, através da gestão de
memória virtual. Existem vários tipos de interfaces para discos rígidos diferentes: IDE/ATA, Serial
ATA, SCSI, Fibre channel, SAS.
História do disco rígido
Um antigo disco rígido IBM.
O primeiro disco rígido foi construído pela IBM em 1956, e foi lançado em 16 de Setembro de 1957.3
Era formado por 50 discos magnéticos contendo 50 000 setores, sendo que cada um suportava 100
caracteres alfanuméricos, totalizando uma capacidade de 5 megabytes, incrível para a época. Este
primeiro disco rígido foi chamado de 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and
Control) e tinha dimensões de 152,4 centímetros de comprimento, 172,72 centimetros de largura e
73,66 centímetros de altura.3
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 antigamente 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 mil dólares americanos, enquanto em 2009 compramos modelos de 1.5 terabyte por pouco
mais de 100 dólares. Ainda no começo dos anos 80, a mesma IBM fez uso de uma versão pack de
discos de 80 megabytes, usado nos sistemas IBM Virtual Machine. Os discos rigidos foram criados
originalmente para serem usados em computadores em geral.
Mas no século XXI as aplicações para esse tipo de disco foram expandidas e agora são usados em
câmeras filmadoras, ou camcorders nos Estados Unidos; tocadores de música como iPod, MP3 player;
PDAs; videogames, e até em celulares. Para exemplos em videogames temos o Xbox360 e o
Playstation 3, lançados em 2005 e 2006 respectivamente, com esse diferencial, embora a Microsoft já
tivesse lançado seu primeiro Xbox (em 2001) com disco rígido convencional embutido. Já para celular
os primeiros a terem essa tecnologia foram os da Nokia e da Samsung.4 E também devemos lembrar
que atualmente o disco rigido não é só interno, existem também os externos, que possibilitam o
transporte de grandes quantidades de dados entre computadores sem a necessidade de rede.
Como os dados são gravados e lidos
Interior de um HD onde a cabeça de leitura arranhou o disco.
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
conseqüentemente 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 e física do colegial, sendo composta de uma bobina de fios que
envolve 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 de largura. 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,
conseqüentemente, 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 (sistema binário).
Para gravar as sequências 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 à placa lógica do HD, ele é interpretado como uma seqüência de
bits 1 e 0. Desse jeito, 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. 5
Formatação do disco
Disco rígido instalado em um computador padrão.
A formatação de um disco magnético é realizada para que o sistema operacional seja capaz de gravar e
ler dados no disco, criando assim estruturas que permitam gravar os dados de maneira organizada e
recuperá-los mais tarde.6
Existem dois tipos de formatação, chamados de formatação física e formatação lógica. A formatação
física é feita na fábrica ao final do processo de fabricação, que consiste em dividir o disco virgem em
trilhas, setores, cilindros e isolar os bad blocks (danos no HD). 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.6
Exemplos de sistema de arquivos
Os sistemas de arquivos mais conhecidos são os utilizados pelo Microsoft Windows: NTFS, FAT32 e
FAT 16. O FAT32 é uma versão evoluída do FAT16 introduzida a partir do MS-DOS 4.0. A partir do
Windows NT foi introduzido o NTFS, que trouxe novos recursos. 7
Setor de boot
Quando o computador é ligado, o POST (Power-on Self Test), um pequeno programa gravado em um
chip de memória ROM na placa-mãe, que tem a função de “dar a partida”, tentará inicializar o sistema
operacional. Independentemente de qual sistema de arquivos se 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.
Uma seção transversal da superfície magnética em ação. Neste caso, os dados binários são codificados
utilizando modulação de freqüência.
No setor de boot é registrado onde o sistema operacional está instalado, com qual sistema de arquivos o
disco foi formatado e quais arquivos devem ser lidos para inicializar o computador. Um setor é a menor
divisão física do disco, e possui na grande maioria das vezes 512 Bytes (nos CD-ROMs e derivados é
de 2048 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 Trilha 0, e nele está gravado o (MBR) (Master Boot Record), que significa "Registro de
Inicialização Mestre", um estilo de formatação, onde são encontradas informações sobre como está
dividido o disco (no sentido lógico)e sobre a ID de cada tabela de partição do disco, que dará o boot. O
MBR é lido pelo BIOS, que interpreta a informação e em seguida ocorre o chamado "bootstrap",
"levantar-se pelo cadarço", lê as informações de como funciona o sistema de arquivos e efetua o
carregamento do sistema operacional. O MBR e a ID da tabela de partição ocupam apenas um setor de
uma trilha, o restante dos setores desta trilha não são ocupados, permanecendo vazios, servindo como
área de proteção do MBR. É nesta mesma área que alguns vírus (Vírus de Boot) se alojam.
Com a constante demanda por espaço, mais as melhorias da tecnologia de fabricação, tem havido uma
mudança para setores de tamanho maior, tipicamente para 4096 Bytes. Tal mudança é para que seja
melhor utilizado o espaço do disco para mais infomações úteis. Cada setor precisa(para que os dados
sejam confiáveis) de um conjunto de bits adicionais para verificação contra erros(para que a própria
controladora consiga detectar erros de leitura física), com o aumento de capacidade dos discos,
diminui-se o número de átomos para representar um determinado bit, que o torna mais frágil,
aumentando o risco de perca de dados. Para não haver problemas por causa dessa fragilidade, aumentase o número de bits para a verificação da integridade da informação no setor, o que acaba diminuindo o
espaço utilizável para os dados do usuário. Com o aumento para 4096 Bytes, cai, consideravelmente, o
número de bits usado para verificação de integridade em todo o disco, pois haverá menos setores no
disco, e como o mesmo número de bits, por setor, consegue ser utilizado para uma verificação de uma
porção maior de dados, decai o 'desperdício' por causa da verificação da integridade.
Disquetes, Zip-disks e CD-ROMs não possuem MBR; no entanto, possuem tabela de partição, no caso
do CD-ROMs e seu descendentes (DVD-ROM, HDDVD-ROM, BD-ROM...) possuem tabela própria,
podendo ser CDFS (Compact Disc File System, norma ISO 9660) ou UDF (Universal Disc Format,
uma implementação do padrão ISO/IEC 13346) ou, para maior compatibilidade, os dois; já os cartões
de memória Flash e Pen-Drives possuem tabela de partição e podem ter até mesmo MBR, dependendo
de como formatados. O MBR situa-se no primeiro setor da primeira trilha do primeiro prato do HD
(setor um, trilha zero, face zero, prato zero). O MBR é constituído pelo bootstrap e pela tabela de
partição. O bootstrap é o responsável por analisar a tabela de partição em busca da partição ativa. Em
seguida, ele carrega na memória o Setor de Boot da partição. Esta é a função do bootstrap.
Diagrama de um HD para computador.
A tabela de partição contém informações sobre as partições existentes no disco. São informações como
o tamanho da partição, em qual trilha/setor/cilindro ela começa e termina, qual o sistema de arquivos
da partição, se é a partição ativa; ao todo, são dez campos. Quatro campos para cada partição possível
(por isso, só se pode ter 4 partições primárias, e é por isso também que foi-se criada a partição
estendida...), e dez campos para identificar cada partição existente. Quando acaba o POST, a instrução
INT 19 do BIOS lê o MBR e o carrega na memória, e é executado o bootstrap. O bootstrap vasculha a
tabela de partição em busca da partição ativa, e em seguida carrega na memória o Setor de Boot dela. A
função do Setor de Boot é a de carregar na memória os arquivos de inicialização do sistema
operacional. O Setor de Boot fica situado no primeiro setor da partição ativa.8
Capacidade do disco rígido
A capacidade de um disco rígido atualmente disponível no mercado para uso doméstico/comercial
varia de 10 a 3000 GB, assim como aqueles disponíveis para empresas, de mais de 3 TB. O HD evoluiu
muito. O mais antigos possuíam 5 MB (aproximadamente 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 dos mais variados tamanhos.
No entanto, as indústrias consideram 1 GB =
bytes, pois no
Sistema Internacional de Unidades(SI), que trabalha com potências de dez, o prefixo giga quer dizer
ou
(bilhões), enquanto os sistemas operacionais consideram 1 GB =
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. Além disso, outro fator que pode deixar a capacidade do disco menor do que o
anunciado é a formatação de baixo nível (formatação física) com que o disco sai de fábrica.
Informado na Compra Considerado pelo Sistema
1 GB
0,93 GB
2 GB
1,86 GB
3 GB
2,79 GB
4 GB
3,72 GB
5 GB
4,65 GB
6 GB
5,58 GB
7 GB
6,51 GB
8 GB
7,41 GB
9 GB
8,38 GB
10 GB
9,31 GB
15 GB
13,97 GB
20 GB
18,63 GB
30 GB
27,94 GB
40 GB
37,25 GB
50 GB
46,56 GB
60 GB
55,87 GB
70 GB
65,19 GB
80 GB
74,53 GB
100 GB
93,13 GB
120 GB
111,76 GB
160 GB
149,01 GB
200 GB
186,26 GB
250 GB
232,83 GB
300 GB
279,40 GB
400 GB
372,53 GB
500 GB
465,66 GB
640 GB
596,17 GB
750 GB
698,49 GB
1 TB
931,32 GB
1.5 TB
1.396,98 GB
2 TB
2.5 TB
3 TB
1.862,64 GB
9
2.328,30 GB
2.793,96 GB
Todos os valores acima são aproximações
Toda a vez que um HD é formatado, uma pequena quantidade de espaço é marcada como utilizada,
podendo ser(dependendo do suporte do sistema de arquivos) pelo log do Journaling, mapa de clusters
livres, etc.
Disco rígido externo
Disco rígido externo, conhecido popularmente como HD externo, é um dispositivo de
armazenamento independente, que pode ser conectado a um computador através de USB, e-Sata,
FireWire ou outros meios.
Capacidade de armazenamento de discos externos: 320GB, 500GB, 750GB, 1TB, 2TB.