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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 80 GB ou
mais, é possível notar que a evolução foi realmente muito
grande.
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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.
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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.
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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 (5000 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.
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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.
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O conjunto é completado pela placa de circuito eletrônico, o seu
hardware, localizada na parte inferior e visível em muitos modelos.
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Trilhas,
cilindros, setores |
↑Topo • Fim↓
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Os dados são armazenados em círculos concêntricos chamados
trilhas conforme Figura 3.
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.
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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).
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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.
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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.
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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).
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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 futura atualização.
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:
Tabela de alocação: ARQ1.TXT11ARQ2.TXT13ARQ3.TXT14
Unidade de alocação (ponteiro) 12 FFFF 15 FFFF 16 FFFF
Unidade de alocação (número) 10 11 12 13 14 15 16
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.
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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. Segue um comparativo.
FAT16: Partições até 4 GB e arquivos até 2 GB.
FAT32: Partições até 2 TB (no Windows XP até 32 MB). Arquivos até 4 GB.
NTFS: Partições > 2 TB são possíveis. Arquivos limitados pelo tamanho da partição.
O ambiente Linux tem seus próprios sistemas de arquivos, que, por enquanto, não estão aqui comentados. Vale lembrar, entretanto, que o Linux permite ler e gravar em partições Windows, o que facilita muito a migração para quem deseja ter um sistema estável, sem custos e melhor em vários aspectos.
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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
ultrapassaram 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.
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