Como funcionam os discos rígidos

Introdução

Praticamente todos os computadores de mesa e servidores atuais contêm uma ou mais unidades de disco rígido. Todo mainframe e supercomputadorfilmadoras que usam discos rígidos em vez de fita . Esses bilhões de discos rígidos fazem uma coisa muito bem: eles armazenam informações digitais de uma forma relativamente permanente. Eles dão aos computadores a capacidade de lembrar coisas depois que a energia for desligada. normalmente estão conectados a centenas deles. Você pode até encontrar dispositivos como aparelhos de vídeo (VCRs) e Nesse artigo, vamos dissecar um disco rígido para você vê-lo por dentro e também analisar como o dispositivo organiza os gigabytes de informação que guarda em arquivos! 

 

Fundamentos do disco rígido

armazenamento magnético: a mídia magnética pode ser facilmente apagada e regravada, e por muitos anos ela "lembrará" dos padrões de fluxo magnético nela armazenados. 

Os discos rígidos foram inventados nos anos 50. Eles começaram como grandes discos de até cerca de 50 cm de diâmetro que guardavam somente poucos megabytes. Originalmente, eles eram chamados de "discos fixos" ou "winchesters" (um nome usado para um produto popular da IBM). Mais tarde, ficaram conhecidos como "discos rígidos" para distingui-los dos "disquetes" ou floppy disks (literalmente discos flexíveis). Nos discos rígidos o meio magnético de gravação de dados fica numa superfície rígida (um disco ou prato), enquanto nas fitas magnéticas e nos disquetes há uma película plástica flexível.

Em seu conceito mais simples, um disco rígido não difere em nada de uma fita cassete. Tanto os discos rígidos, quanto as fitas cassete usam as mesmas técnicas de gravação magnética descritas em Como funcionam os gravadores magnéticos.

Os discos rígidos e as fitas cassete também compartilham os principais benefícios do armazenamento magnético: a mídia magnética pode ser facilmente apagada e regravada, e por muitos anos ela "lembrará" dos padrões de fluxo magnético nela armazenados.

Fita cassete X disco rígido

Vamos ver as grandes diferenças entre as fitas cassete e os discos rígidos:

• O material de gravação magnética em uma fita cassete é depositado sobre uma fina tira de plástico. Em um disco rígido, o material de gravação magnética forma uma camada sobre um disco de alumínio ou vidro de alta precisão, que é então polido para ficar tão liso quanto um espelho.
• Numa fita, é preciso avançar ou retroceder rapidamente para chegar a um ponto determinado. Em uma fita longa, isso pode levar vários minutos. Em um disco rígido, é possível ir para qualquer ponto da sua superfície quase instantaneamente.
• Em um toca-fitas, a cabeça de leitura/gravação encosta diretamente na fita. Em um disco rígido, a cabeça de leitura/gravação "voa" sobre o disco, sem nunca tocá-lo de verdade.
• A fita em um toca-fitas se move sobre a cabeça a cerca de 5 cm por segundo. Um disco rígido pode girar sob sua cabeça em velocidades de até 7.500 cm por segundo (cerca de 270 km/h).
• As informações em um disco rígido são armazenadas em setores magnéticos extremamente pequenos comparados com os de uma fita cassete. O tamanho desses setores é possibilitado pela precisão do disco e pela velocidade da mídia.

Por causa dessas diferenças, um disco rígido moderno é capaz de armazenar uma quantidade impressionante de informações em um pequeno espaço. Um disco rígido também pode acessar qualquer uma dessas informações em uma fração de segundo.

Capacidade e desempenho

Um computador de mesa típico tem um disco rígido com uma capacidade entre 80 e 200 gigabytes. Os dados são armazenados no disco na forma de arquivos. Um arquivo é simplesmente uma coleção de bytes. Os bytes podem ser códigos ASCII para os caracteres de um arquivo de texto, instruções de um aplicativo de software para o computador executar, os registros de um banco de dados ou as cores dos pixels de uma imagem no formato GIF. Entretanto, independentemente do que ele contiver, um arquivo é simplesmente uma seqüência de bytes. Quando um programa executado no computador solicita um arquivo, o disco rígido recupera seus bytes e os envia para a CPU, um de cada vez. Há duas maneiras de medir o desempenho de um disco rígido:

• Taxa de transferência de dados (data rate) - número de bytes por segundo que a unidade de disco pode entregar à CPU. Taxas entre 5 e 40 megabytes por segundo são comuns.
• Tempo de busca (seek time) - intervalo entre o momento em que a CPU solicita um arquivo e o envio para a CPU do primeiro byte do arquivo. Tempos entre 10 e 20 milissegundos são comuns.

O outro parâmetro importante é a capacidade da unidade (drive), que é o número de bytes que ela pode guardar.  

Por dentro: placa eletrônica

A melhor maneira de compreender como funciona um disco rígido é dar uma olhada no seu interior. (Observe que a abertura de um dico rígido o destrói de modo que isso não é algo para tentar fazer em casa, a menos que você tenha uma unidade completamente inutilizada). Aqui está um disco rígido típico:

Ele é uma caixa de alumínio vedada com uma placa eletrônica de controle fixada em um dos lados. Os componentes eletrônicos controlam o mecanismo de leitura/gravação e o motor que gira os discos. Esses componentes eletrônicos também fazem a montagem dos domínios magnéticos da unidade na forma de bytes (leitura) e transforma os bytes em domínios magnéticos (gravação). Todos os componentes eletrônicos estão contidos em uma pequena placa que é removível do resto da unidade:

Por dentro: embaixo da placa

Embaixo da placa estão as conexões do motor que gira os discos, assim como um orifício de ventilação altamente filtrado que deixa as pressões interna e externa do ar se igualarem.
Remover a tampa da unidade revela um interior extremamente simples, mas muito preciso:

Nesta foto você pode ver:

• Os discos - eles giram normalmente a 3.600 ou 7.200 rpm (rotações por minuto) quando a unidade está operando. Esses discos são fabricados com tolerâncias incríveis e têm acabamento espelhado (como você pode ver neste interessante auto-retrato do autor).
• O braço - ele segura as cabeças de leitura/gravação e é completamente controlado pelo mecanismo no canto superior esquerdo. O braço é capaz de mover as cabeças do centro do disco à borda da unidade. O braço e seu mecanismo de movimentação são extremamente leves e rápidos. O braço de uma unidade de disco rígido típica pode se mover do centro à borda até 50 vezes por segundo. É uma coisa incrível de se ver! 

Por dentro: discos e cabeças

Para aumentar a quantidade de informações que a unidade pode armazenar, a maioria dos discos rígidos tem múltiplos discos (ou pratos). Esta unidade tem três discos e seis cabeças (cabeças magnéticas de leitura/gravação):

O mecanismo que move os braços de um disco rígido tem de ser incrivelmente rápido e preciso. Ele pode ser construído usando um motor linear de alta velocidade.

Muitas unidades usam uma abordagem de bobina de voz, a mesma técnica que é usada para mover o cone de um alto-falante no seu aparelho de som estéreo é usada para mover o braço. 

Armazenamento dos dados

Os dados são armazenados sobre a superfície de um disco em trilhas e setores. As trilhas são círculos concêntricos, e os setores são cunhas em forma de fatia de torta sobre a trilha conforme mostra a figura abaixo.
Uma trilha típica é exibida em amarelo, enquanto um setor típico aparece em azul. Um setor contém um número fixo de bytes. Por exemplo, 256 ou 512. No nível da unidade do disco rígido ou do sistema operacional, os setores são freqüentemente agrupados em clusters (blocos).
O processo de formatação de baixo nível de uma unidade estabelece as trilhas e setores no disco. Os pontos iniciais e finais de cada setor são gravados no disco. Este processo prepara a unidade para guardar os blocos de bytes. A formatação de alto nível então grava as estruturas de armazenamento de arquivos, como a tabela de alocação nos setores. Esse processo prepara a unidade para guardar os arquivos.