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Conhecendo o disco rígido (HD)

Introdução

O disco rígido - ou HD (Hard Disk) - é o dispositivo de armazenamento de dados mais utilizado nos computadores. Nele, são armazenados desde os seus arquivos pessoais até informações utilizadas exclusivamente pelo sistema operacional. Neste artigo, você conhecerá um pouco do funcionamento dos HDs e saberá a função de seus principais recursos, como IDE, ATAPI, DMA, entre outros.

Surgimento dos HDs

O disco rígido não é um tipo dispositivo de armazenamento novo, mas sim um componente que evoluiu - e muito - com o passar do tempo. Um dos primeiros HDs que se tem notícia é o IBM 305 RAMAC. Disponibilizado no ano de 1956, era capaz de armazenar até 5 MB de dados (um avanço para a época) e possuía dimensões enormes: 14 x 8 polegadas. Seu preço também não era nada convidativo: o 305 RAMAC custava cerca de 30 mil dólares.

Com o passar dos anos, os HDs foram aumentando sua capacidade de armazenamento, ao mesmo tempo em que se tornaram menores, mais baratos e mais confiáveis. Apenas para ilustrar o quão "gigante" eram os primeiros modelos, a foto abaixo mostra um disco rígido utilizado pelo Metrô de São Paulo em seus primeiros anos de operação. O dispositivo esteve em exposição no Centro de Controle Operacional da empresa durante alguns anos:

Antigo HD do Metrô de São Paulo

Componentes e funcionamento dos HDs

Para que você possa compreender o funcionamento básico dos discos rígidos, precisa conhecer seus principais componentes. Os tão mencionados discos, na verdade, ficam guardados dentro de uma espécie de "caixa de metal". Essas caixas são seladas para evitar a entrada de material externo, pois até uma partícula de poeira pode danificar os discos, já que estes são bastante sensíveis. Isso significa que se você abrir um HD em um ambiente despreparado e sem o uso dos equipamentos e das técnicas apropriadas, terá grandes chances de perdê-lo.

HD visto por baixo e por cima

A figura acima mostra um HD visto por baixo e por cima. Note que a parte inferior contém uma placa com chips. Trata-se da placa lógica, um item muito importante para o funcionamento da unidade.

A placa lógica contém chips responsáveis por diversas tarefas. O mais comum é conhecido como controlador, pois gerencia uma série de itens do HD, como a movimentação dos discos e das cabeças de leitura/gravação (mostradas adiante), o envio e recebimento de dados entre os discos e o computador, e até rotinas de segurança.

Outro dispositivo comum à placa lógica é um pequeno chip de memória conhecido como buffer (ou cache). Cabe a ele a tarefa de armazenar pequenas quantidades de dados durante a comunicação com o computador. Como este chip consegue lidar com os dados de maneira mais rápida que os discos rígidos, ele agiliza o processo de transferência de informações. No mercado, atualmente, é mais comum encontrar discos rígidos que possuem buffer com capacidade entre 2 MB e 64 MB.

A parte interna dos HDs (isto é, o interior da "caixinha") é mais interessante. A foto abaixo mostra um HD aberto. Note que há indicativos que descrevem os componentes mais importantes. Estes são detalhados logo abaixo da imagem:

HD por dentro

Pratos e motor: este é o componente que mais chama a atenção. Os pratos são os discos onde os dados são armazenados. Eles são feitos, geralmente, de alumínio (ou de um tipo de cristal) recoberto por um material magnético e por uma camada de material protetor. Quanto mais trabalhado for o material magnético (ou seja, quanto mais denso), maior é a capacidade de armazenamento do disco. Note que os HDs com grande capacidade contam com mais de um prato, um sobre o outro. Eles ficam posicionados sob um motor responsável por fazê-los girar. Para o mercado de PCs, é comum encontrar HDs que giram a 7.200 rpm (rotações por minuto), mas também há modelos que alcançam a taxa de 10 mil rotações. Até pouco tempo atrás, o padrão do mercado era composto por discos rígidos com 5.400 rpm. Claro que, quanto mais rápido, melhor;

Cabeça e braço: os HDs contam com um dispositivo chamado cabeça (ou cabeçote) de leitura e gravação. Trata-se de um item de tamanho bastante reduzido que contém uma bobina que utiliza impulsos magnéticos para manipular as moléculas da superfície do disco e assim gravar dados. Há uma cabeça para cada lado dos discos. Esse item é localizado na ponta de um dispositivo denominado braço, que tem a função de posicionar os cabeçotes sob a superfície dos pratos. Olhando por cima, tem-se a impressão de que a cabeça de leitura e gravação toca nos discos, mas isso não ocorre. Na verdade, a distância entre ambos é extremamente pequena. A "comunicação" ocorre pelos já citados impulsos magnéticos;

Atuador: também chamado de voice coil, o atuador é o responsável por mover o braço acima da superfície dos pratos e assim permitir que as cabeças façam o seu trabalho. Para que a movimentação ocorra, o atuador contém em seu interior uma bobina que é "induzida" por imãs.

Note que o trabalho entre esses componentes precisa ser bem feito. O simples fato de a cabeça de leitura e gravação encostar na superfície de um prato é suficiente para causar danos a ambos. Isso pode facilmente ocorrer em caso de quedas, por exemplo.

Gravação e leitura de dados

A superfície de gravação dos pratos é composta de materiais sensíveis ao magnetismo (geralmente, óxido de ferro). O cabeçote de leitura e gravação manipula as moléculas desse material por meio de seus polos. Para isso, a polaridade das cabeças muda em uma frequência muito alta: quando está positiva, atrai o polo negativo das moléculas e vice-versa. De acordo com esta polaridade é que são gravados os bits (0 e 1). No processo de leitura de dados, o cabeçote simplesmente "lê" o campo magnético gerado pelas moléculas e gera uma corrente elétrica correspondente, cuja variação é analisada pelo controladoro do HD para determinar os bits.

Para a "ordenação" dos dados no HD, é utilizado um esquema conhecido como "geometria dos discos". Nele, o disco é "dividido" em cilindros, trilhas e setores:

Ilustração de geometria de disco

As trilhas são círculos que começam no centro do disco e vão até a sua borda, como se estivessem um dentro do outro. Estas trilhas são numeradas da borda para o centro, isto é, a trilha que fica mais próxima da extremidade do disco é denominada trilha 0, a trilha que vem em seguida é chamada trilha 1 e assim por diante, até chegar à trilha mais próxima do centro. Cada trilha é dividida em trechos regulares chamados de setor. Cada setor possui uma determinada capacidade de armazenamento (geralmente, 512 bytes).

E onde entra os cilindros? Eis uma questão interessante: você já sabe que um HD pode conter vários pratos, sendo que há uma cabeça de leitura e gravação para cada lado dos discos. Imagine que é necessário ler a trilha 42 do lado superior do disco 1. O braço movimentará a cabeça até esta trilha, mas fará com que as demais se posicionem de forma igual. Isso ocorre porque o braço se movimenta de uma só vez, isto é, ele não é capaz de mover uma cabeça para uma trilha e uma segunda cabeça para outra trilha.

Isso significa que, quando a cabeça é direcionada à trilha 42 do lado superior do disco 1, todas as demais cabeças ficam posicionadas sobre a mesma trilha, só que em seus respectivos discos. Quando isso ocorre, damos o nome de cilindro. Em outras palavras, cilindro é a posição das cabeças sobre as mesmas trilhas de seus respectivos discos.

Note que é necessário preparar os discos para receber dados. Isso é feito por meio de um processo conhecido como formatação. Há dois tipos de formatação: formatação física e formatação lógica. O primeiro tipo é justamente a "divisão" dos discos em trilhas e setores. Este procedimento é feito na fábrica. A formatação lógica, por sua vez, consiste na aplicação de um sistema de arquivos apropriado a cada sistema operacional. Por exemplo, o Windows é capaz de trabalhar com sistemas de arquivos FAT e NTFS. O Linux pode trabalhar com vários sistemas de arquivos, entre eles, ext3 e ReiserFS.

Interfaces

Os HDs são conectados ao computador por meio de interfaces capazes de transmitir os dados entre um e outro de maneira segura e eficiente. Há várias tecnologias para isso, sendo as mais comuns os padrões IDE, SCSI e, mais recentemente, SATA.

A interface IDE (Intelligent Drive Electronics ou Integrated Drive Electronics) também é conhecida como ATA (Advanced Technology Attachment) ou, ainda, PATA (Parallel Advanced Technology Attachment). Trata-se de um padrão que chegou para valer ao mercado na época da antiga linha de processadores 386.

Como a popularização deste padrão, as placas-mãe passaram a oferecer dois conectores IDE (IDE 0 ou primário e IDE 1 ou secundário), sendo que cada um é capaz de conectar até dois dispositivos. Essa conexão é feita ao HD (e a outros dispositivos compatíveis com a interface) por meio de um cabo flat (flat cable) de 40 vias (foto abaixo). Posteriormente, chegou ao mercado um cabo flat de 80 vias, cujos fios extras servem para evitar a perda de dados causada por ruídos (interferência).

Cabo flat de 40 vias. Note a existência de dois conectores

A especificação SATA se tornou padrão no mercado, já que oferece várias vantagens em relação ao PATA, como maiores taxas de transmissão de dados, dispensa de uso de jumpers para distinguir a unidade primária da secundária, cabos de conexão e alimentação mais finos, entre outros.

Portas SATA

Em relação às interfaces SCSI e SATA, elas possuem matérias exclusivas aqui no InfoWester. Clique nos seguintes links para acessá-las:

- Interface SCSI;
- Interface SATA.

Técnicas ATAPI e EIDE

Na interface IDE, também é possível conectar outros dispositivos, como unidades de CD/DVD. Para que isto ocorra, é utilizado um padrão conhecido como ATAPI (Advanced Technology Attachment Packet Interface), que funciona como uma espécie de extensão para tornar a interface IDE compatível com os dispositivos mencionados. Vale frisar que o próprio computador, por meio de seu BIOS e/ou do chipset da placa-mãe, reconhece que tipo de aparelho está conectado em suas entradas IDE e utiliza a tecnologia correspondente (ATAPI para unidades de CD/DVD e outros, ATA para discos rígidos).

Como já dito, cada interface IDE de uma placa-mãe pode trabalhar com até dois dispositivos simultaneamente, totalizando quatro. Isso é possível graças à EIDE (Enhanced IDE), uma extensão do IDE criada para que este último possa aumentar a velocidade de transmissão de dados dos discos rígidos e, claro, permitir a conexão de dois dispositivos em cada cabo flat.

Entrada IDE em uma placa-mãe

DMA e UDMA

Antigamente, somente o processador tinha acesso direto aos dados da memória RAM. Com isso, se qualquer outro componente do computador precisasse de algo na memória, teria que fazer este acesso por intermédio do processador. Com os HDs não era diferente e, como consequência, havia um certo "desperdício" dos recursos de processamento. Felizmente, uma solução não demorou muito para aparecer: foi criada uma especificação chamada DMA (Direct Memory Access). Como o próprio nome diz, esta tecnologia tornou possível o acesso direto à memória pelo HD ou pelos dispositivos que usam a interface IDE, sem necessidade de "auxílio" direto do processador.

Quando o DMA não está em uso, normalmente é utilizado um esquema de transferência de dados conhecido como modo PIO (Programmed I/O), onde, grossamente falando, o processador executa a transferência de dados entre o HD e a memória RAM. Cada modo PIO trabalha com uma taxa distinta de transferência de dados, conforme mostra a seguinte tabela:

Modo PIO	Taxa de transferência
Modo 0	3,3 MB/s
Modo 1	5,2 MB/s
Modo 2	8,3 MB/s
Modo 3	11,1 MB/s
Modo 4	16,7 MB/s
Modo 5	20 MB/s

É importante frisar que os HDs IDE mais recentes trabalham com um padrão conhecido como Ultra-DMA (ou UDMA). Essa especificação permite transferência de dados em uma taxa de, pelo menos, 33,3 MB/s (megabytes por segundo). O padrão UDMA não funciona se somente for suportada pelo HD - é necessário que a placa-mãe também a suporte (na verdade, o seu chipset), caso contrário, o HD trabalhará com uma taxa de transferência mais baixa. Veja o porquê: há 4 tipos básicos de Ultra-DMA: UDMA 33, UDMA 66, UDMA 100 e UDMA 133. Os números nestas siglas representam a quantidade de megabytes transferível por segundo. Assim, o UDMA 33 transmite ao computador dados em até 33 MB/s; o UDMA 66 faz o mesmo em até 66 MB/s e assim por diante. Agora, para exemplificar, imagine que você instalou um HD UDMA 133 em seu computador. No entanto, a placa-mãe só suporta UDMA de 100 MB/s. Isso não significa que seu HD vai ficar inoperante. O que vai acontecer é que seu computador somente trabalhará com o HD na taxa de transferência de até 100 MB/s e não na taxa de 133 MB/s.

Capacidade real de armazenamento

Os fabricantes de discos rígidos aumentam a capacidade de armazenamento de seus produtos constantemente. Todavia, não é raro uma pessoa comprar um HD e constatar que o dispositivo tem alguns gigabytes a menos do que anunciado. Será que o vendedor te enganou? Será que a formatação foi feita de maneira errada? Será que o HD está com algum problema? Na verdade, não.

O que acontece é que os HDs consideram 1 gigabyte com sendo igual a 1000 megabytes, assim como consideram 1 megabyte com sendo igual a 1000 kilobytes, e assim por diante. Os sistemas operacionais, por sua vez, consideram 1 gigabyte como sendo igual a 1024 megabytes, e assim se segue. Por conta desta diferença, um HD de 80 GB, por exemplo, vai ter, na verdade, 74,53 GB de capacidade no sistema operacional. Um HD de 200 GB vai ter, por sua vez, 186,26 GB.

Portanto, ao notar essa diferença, não se preocupe, seu disco rígido não está com problemas. Tudo não passa de diferenças entre as empresas envolvidas sobre qual medida utilizar. Saiba mais sobre este assunto nesta matéria sobre bits e bytes.

HDs externos

É possível encontrar vários tipos de HDs no mercado, desde os conhecidos discos rígidos para instalação em desktops, passando por dispositivos mais sofisticados voltados ao mercado profissional (ou seja, para servidores), chegando aos cada vez mais populares HDs externos.

O que é um HD externo? Simplesmente um HD que você pode levar para cima e para baixo, e conectá-lo ao computador somente quando precisa. Para isso, pode-se usar, por exemplo, portas USB, FireWire e até SATA externo, tudo depende do modelo de HD que você escolher.

HD externo portátil

Também é comum encontrar no mercado cases que permitem ao usuário montar o seu próprio HD externo: trata-se de um equipamento que possibilita a conexão de um HD "convencional", fazendo com que este funcione como um HD externo. O usuário precisa apenas adquirir um HD compatível com o case, que utilize a interface correta e as dimensões correspondentes.

Um case para HD externo

O HD externo é útil para quando se tem grandes quantidades de dados para transportar ou para fazer backup (cópia de segurança de seus arquivos). Do contrário, é preferível utilizar pendrives, DVDs regraváveis ou outro dispositivo de armazenamento com melhor relação custo-benefício. Isso porque os HDs externos são um pouco mais caros e costumam ser pesados (exceto os modelos de tamanho reduzido). Além disso, devem ser transportados com mais cuidado, para evitar danos.

Finalizando

O HD já passou por diversas mudanças desde o seu surgimento. Só para dar um exemplo de evolução, os modelos mais antigos tinham um problema que, se não tivesse sido resolvido, talvez deixaria os discos rígidos atrasados em relação ao progresso dos mais componentes de um computador: o motor de movimentação das cabeças de leitura e gravação era lento. Isso porque quando as cabeças precisavam ir de um cilindro a outro, o faziam de um em um até chegar ao destino. Hoje, as cabeças vão diretamente ao cilindro requisitado.

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No mais, basta observar o quão os HDs ficam mais rápidos, mais confiáveis e com maior capacidade ao longo do tempo. Além disso, inovações continuam a surgir, como é o caso dos HDs com gravação perpendicular. É até possível que, um dia, eles percam seu "reinado" para outra tecnologia, mas isso está longe de acontecer.

Para fechar este artigo, uma pequena curiosidade: quando a IBM lançou o HD 3340, houve um versão com capacidade de 60 MB, sendo que 30 MB eram fixos e os outros 30 MB eram removíveis. Essa característica fez este HD receber o apelido de "30-30". No entanto, existia um rifle chamado Winchester 30-30 e, logo, a comparação entre os dois foi inevitável. Como consequência, o HD passou a ser chamado também de Winchester, nome que não é mais utilizado, mas que algumas pessoas pronunciavam antigamente sem saber exatamente do que se tratava.

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