HD (Hard Disk) ou Discos Rigidos - Como funcionam?! - [DOC Document]
1.HDs, parte I: Como um HD funciona Por Carlos E. MorimotoSem dvida, o disco rgido foi um dos componentes que mais evoluiu na histria da computao. O primeiro disco rgido (o IBM 350) foi construdo em 1956, e era formado por um conjunto de nada menos que 50 discos de 24 polegadas de dimetro, com uma capacidade total de 4.36 MB (5 milhes de caracteres, com 7 bits cada um), algo espantoso para a poca. Comparado com os discos atuais, este pioneiro custava uma verdadeira fortuna: 35 mil dlares. Porm, apesar de inicialmente, extremamente caros, os discos rgidos foram tornando-se populares nos sistemas corporativos, pois forneciam um meio rpido de armazenamento de dados. Foram produzidas cerca de 1000 unidades do 350 entre 1956 e 1961, quando a produo foi descontinuada em favor de verses mais modernas. Esta foto rara, cortesia do museu digital da IBM d uma idia das suas dimenses:Como voc pode ver, o IBM 350 no era exatamente um "disco rgido" dentro da concepo que temos hoje em dia. O gabinete tinha 1.70m de altura e quase o mesmo de comprimento e pesava quase uma tonelada. Na poca ele era chamado de "unidade de disco" (termo ainda usado hoje em dia por alguns) e podia ser acoplado a diversos computadores produzidos pela IBM. O termo "disco rgido" s surgiu duas dcadas depois, junto com os modelos mais compactos. De l pra c, tivemos uma evoluo notvel. Hoje em dia os HDs j ultrapassaram a marca de 1 TB, utilizam gravao perpendicular e interfaces SATA 300. So brutalmente mais rpidos que os modelos antigos e tambm mais baratos. Mesmo com o barateamento da memria Flash, os HDs ainda continuam imbatveis na hora de armazenar grandes quantidades de dados. Dentro do disco rgido, os dados so gravados em discos magnticos, chamados de platters. O nome "disco rgido" vem justamente do fato dos discos internos serem extremamente rgidos. Os platters so compostos de duas camadas. A primeira chamada de substrato, e nada mais do que um disco metlico, feito de ligas de alumnio. Mais recentemente, alguns fabricantes passaram a utilizar tambm vidro, que oferece algumas vantagens, como a maior dureza, embora tambm seja mais difcil de se trabalhar. Os primeiros HDs com discos de vidro foram os IBM Deskstar 75GXP, lanados em 2001.
2. Independentemente do material usado, o disco precisa ser completamente plano. Como os discos giram a grandes velocidades e as cabeas de leitura trabalham extremamente prximas da superfcie magntica, qualquer variao seria fatal. Para atingir a perfeio necessria, o disco polido em uma sala limpa, at que se torne perfeitamente plano. Finalmente, vm a parte final, que a colocao da superfcie magntica nos dois lados do disco. Como a camada magntica tem apenas alguns mcrons de espessura, ela recoberta por uma fina camada protetora, que oferece alguma proteo contra pequenos impactos. Esta camada importante, pois apesar dos discos serem encapsulados em salas limpas, eles internamente contm ar, com presso ambiente. Os discos so montados em um eixo tambm feito de alumnio, que deve ser slido o suficiente para evitar qualquer vibrao dos discos, mesmo a altas rotaes. Este mais um componente que passa por um processo de polimento, j que os discos devem ficar perfeitamente presos e alinhados. No caso de HDs com vrios discos, eles ao separados usando espaadores, novamente feitos de ligas de alumnio. Finalmente, temos o motor de rotao, responsvel por manter uma rotao constante. O motor um dos maiores responsveis pela durabilidade do disco rgido, pois uma grande parte das falhas graves provm justamente do motor. Os HDs mais antigos utilizavam motores de 3.600 rotaes por minuto, enquanto que atualmente, so utilizados motores de 5.400, 7.200 ou 10.000 RPM. Nos HDs de notebook ainda so comuns motores de 4.200 RPM, mas os de 5.400 RPM j so maioria. Embora no seja o nico, a velocidade de rotao sem dvidas o fator que influencia mais diretamente o desempenho. Para ler e gravar dados no disco, so usadas cabeas de leitura eletromagnticas (heads) que so presas a um brao mvel (arm), o que permite seu acesso a todo o disco. O brao de leitura uma pea triangular, tambm feita de ligas de alumnio, para que seja ao mesmo tempo leve e resistente. O mecanismo que movimenta o brao de leitura chamado de actuator. Nos primeiros discos rgidos, eram usados motores de passo para movimentar os braos e cabeas de leitura. Eles so o mesmo tipo de motor usado nos drives de disquete, onde ao receber um impulso eltrico o motor move o brao por uma curta distncia, correspondente ao comprimento de uma trilha. O problema que eles eram muito suscetveis a problemas de desalinhamento e no permitiam densidades de gravao muito altas. Os discos contemporneos (qualquer coisa acima de 80 MB) utilizam um mecanismo bem mais sofisticado para esta tarefa, composto por um dispositivo que atua atravs de atrao e repulso eletromagntica, sistema chamado de voice coil. Basicamente temos eletrom na base do brao mvel, que permite que a placa controladora o movimente variando rapidamente a potncia e a polaridade do m. Apesar de parecer suspeito primeira vista, esse sistema muito mais rpido, preciso e confivel que os motores de passo. Para voc ter uma idia, os HDs do incio da dcada de 80, com motores de passo, utilizavam apenas 300 ou 400 trilhas por polegada, enquanto um Seagate ST3750640AS (de 750 GB) atual utiliza nada menos do que 145.000. Aqui temos um diagrama mostrando os principais componentes do HD: 3. Para que o HD possa posicionar a cabea de leitura sobre a rea exata referente trilha que vai ser lida, existem sinais de feedback gravados na superfcies do disco, que orientam o posicionamento da cabea de leitura. Eles so sinais magnticos especiais, gravados durante a fabricao dos discos (a famosa formatao fsica), que so protegidos atravs de instrues de bloqueio includas no firmware do HD contra alterao posterior. Estes sinais eliminam os problemas de desalinhamento que existiam nos primeiros HDs. Ao ler um arquivo, a controladora posiciona a cabea de leitura sobre a trilha onde est o primeiro setor referente a ele e espera que o disco gire at o setor correto. Este tempo inicial, necessrio para iniciar a leitura chamado de tempo de acesso e mesmo os HDs atuais de 7.200 RPM fica em torno de 12 milsimos de segundo, o que uma eternidade em se tratando de tempo computacional. O HD relativamente rpido ao ler setores seqenciais, mas ao ler vrios pequenos arquivos espalhados pelo HD, o desempenho pode cair assustadoramente. por isso que existem programas desfragmentadores, que procuram reorganizar a ordem dos arquivos, de forma que eles sejam gravados em setores contnuos. Outro dado interessante a maneira como as cabeas de leitura lem os dados, sem tocar na camada magntica. Se voc tiver a oportunidade de ver um disco rgido aberto, ver que, com os discos parados, as cabeas de leitura so pressionadas levemente em direo ao disco, tocando-o com uma certa presso. Aqui temos o brao de leitura de um HD, depois de removido. Veja que mesmo sem o disco magntico entre elas, as duas cabeas de leitura pressionam-se mutuamente:Apesar disso, quando os discos giram alta rotao, forma-se uma espcie de colcho de ar, que repele a cabea de leitura, fazendo com que ela fique sempre a alguns nanometros de distncia dos discos. o mesmo princpio utilizado na asa de um avio; a principal diferena neste caso que a cabea de leitura fixa, 4. enquanto os discos que se movem, mas, de qualquer forma, o efeito o mesmo. Como veremos a seguir, os HDs no so fechados hermeticamente, muito menos a vcuo, pois necessrio ar para criar o efeito. Esta foto mostra a cabea de leitura "flutuando" sobre o disco em movimento. A distncia to curta que mesmo ao vivo voc tem a impresso de que a cabea est raspando no disco, embora na realidade no esteja. Como a cabea de leitura se movimenta rapidamente durante a operao do disco, muito difcil tirar fotos. Para conseguir tirar esta, precisei "trapacear", desmontando o actuator e suavemente movendo a cabea da rea de descanso para o meio do disco :).Os discos magnticos so montados diretamente sobre o eixo do motor de rotao, sem o uso de correias ou qualquer coisa do gnero. justamente este design simples que permite que os discos girem uma velocidade to grande. Embora mais potente e muito mais durvel, o motor de rotao usado nos HDs similar aos usados nos coolers. Nos HDs antigos, eram usados motores sleeve bearing, o sistema mais simples e menos durvel, que foi usado nos HDs de 3600 RPM. Em seguida, foram adotados motores ball-bearing, onde so usados rolamentos para aumentar a preciso e a durabilidade. Nos HDs modernos, utilizado o sistema fluid-dynamic bearing, onde os rolamentos so substitudos por um fludo especial, que elimina o atrito, reduzindo o rudo e o nvel de vibrao. Aqui temos o mesmo HD da foto anterior completamente desmontado, mostrando o interior do motor de rotao: 5. Assim como a maioria dos modelos de baixa capacidade, este HD utiliza um nico disco, mas a maioria dos modelos utiliza dois, trs ou quatro, que so montados usando espaadores. O HD possui duas cabeas de leitura para cada disco (uma para cada face), de forma que um HD com 4 discos utilizaria 8 cabeas de leitura, presas ao mesmo brao mvel. Embora usar mais discos permita construir HDs de maior capacidade, no comum que os fabricantes utilizem mais de 4, pois a partir da torna-se muito difcil (e caro) produzir componentes com a preciso necessria para manter todos os discos alinhados. Antigamente, era comum que HDs de alta capacidade (e alto custo :), sobretudo os destinados a servidores, possussem 6, ou at mesmo 12 discos, mas eles saram de moda a partir da dcada de 90, devido baixa demanda. Desde ento, os fabricantes padronizaram a produo em torno dos HDs com at 4 discos e quem precisa de mais capacidade compra vrios e monta um sistema RAID. Naturalmente, qualquer HD aberto fora de uma sala limpa acaba sendo impregnado por partculas de poeira e por isso condenado a come
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