HD - Discos Rígidos

HD DISCO RÍGIDO

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O primeiro disco rígido (o IBM 350) foi construído em 1956, e era formado por um conjunto de nada menos que 50 discos de 24 polegadas de diâmetro, com uma capacidade total de 4.36 MB (5 milhões de caracteres, com 7 bits cada um), algo espantoso para a época. Comparado com os discos atuais, este pioneiro custava uma verdadeira fortuna: 35 mil dólares. O gabinete tinha 1.70m de altura e quase o mesmo de comprimento e pesava quase uma tonelada. Na época 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 rígido" só surgiu duas décadas depois, junto com os modelos mais compactos.

HISTÓRIA

IBM 350

HISTÓRIA 

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Hoje em dia os HDs já ultrapassaram a marca de 1 TB. São brutalmente mais rápidos que os modelos antigos e também mais baratos. Mesmo com o barateamento da memória Flash, os HDs ainda continuam imbatíveis na hora de armazenar grandes quantidades de dados.

COMPONENTES DE UM HD 

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Ficam guardados dentro de uma espécie de "caixa de metal". Essas caixas são seladas e não têm nem ar internamente, pois não podem conter qualquer tipo de material que possa danificar os discos, já que estes são bastante sensíveis. Se o disco rígido for aberto em um ambiente despreparado e sem o uso dos equipamentos e das técnicas apropriadas, as chances de perdê-lo são extremamente grandes.

COMPONENTES DE UM HD Placa Lógica: É uma placa com chips que fica na parte inferior, responsáveis por diversas tarefas. O mais comum é conhecido como controladora, 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. 

COMPONENTES DE UM HD

COMPONENTES DE UM HD Buffer: É um pequeno chip de memória. Cabe a ele a tarefa de armazenar pequenas quantidades de dados durante a comunicação com o computador. Como esse chip consegue lidar com os dados de maneira mais rápida que os discos rígidos, ele agiliza o processo de transferência de informações.  

COMPONENTES DE UM HD

PARTE INTERNA DO HD

COMPONENTES DE UM HD Pratos e motor: Os pratos são os discos onde os dados são armazenados. São feitos 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. 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. 

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COMPONENTES DE UM HD 

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, tudo depende da evolução da tecnologia. Até pouco tempo atrás, o padrão do mercado era composto por discos rígidos que giram a 5.400 rpm.

HD sem a placa lógica.

COMPONENTES DE UM HD Cabeça e braço: Cabeça: Para ler e gravar dados no disco. São presas a um braço móvel, que permite seu acesso a todo o disco. Contém uma bobina que utiliza impulsos magnéticos para manipular as moléculas da superfície do disco, e assim gravar dados. Os HDs atuais possuem de 1 a 4 discos. Como são utilizadas ambas as faces de cada disco, temos um total de 2 a 8 faces e o mesmo número de cabeças de leitura. 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; 

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COMPONENTES DE UM HD

COMPONENTES DE UM HD  Atuador: Também chamado de voice coil. É o responsável por mover o braço sob a 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. O trabalho entre esses componentes precisa ser bem feito. O simples fato da 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.  

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Gravação e Leitura de Dados 

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 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 através de seus pólos. Para isso, a polaridade das cabeças muda numa freqüência muito alta: quando está positiva, atrai o pólo negativo das moléculas e vice-versa. De acordo com essa polaridade é que são gravados os bits (0 e 1).

Gravação e Leitura de Dados 

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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 pela controladora 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:

Gravação e Leitura de Dados

Gravação e Leitura de Dados 

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

Gravação e Leitura de Dados 

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E os cilindros? O cilindro  é a posição das cabeças sobre as mesmas trilhas de seus respectivos discos. EXEMPLO: Imagine que é necessário ler a trilha 42 do lado superior do disco 1. O braço movimentará a cabeça até essa 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 sob a mesma trilha, só que em seus respectivos discos. Quando isso ocorre, damos o nome de cilindro. O cilindro é a posição das cabeças sobre as mesmas trilhas de seus respectivos discos.

Gravação e Leitura de Dados 

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Depois é necessário preparar os discos para receber dados. Isso é feito através de um processo conhecido como formatação. Há dois tipos de formatação: Formatação física: é a "divisão" dos discos em trilhas e setores. Esse procedimento é feito na fábrica. Formatação lógica:  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 através 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.

Interfaces IDE  Intelligent Drive Electronics ou Integrated Drive Electronics) também é conhecida como ATA (Advanced Technology Attachment) ou, ainda, PATA (Parallel  Advanced Technology Attachment). Um padrão que chegou no mercado na época da antiga linha de processadores 386.  Com a popularização desse padrão, as placas-mãe passaram a oferecer dois conectores IDE (primário e secundário), sendo que cada um é capaz de conectar até dois dispositivos.

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 As primeiras placas IDE traziam apenas uma ou duas portas IDE e eram instaladas num slot ISA de 16 bits. Depois os fabricantes integraram também outros conectores, dando origem às placas "super-ide", que eram usadas na grande maioria dos micros 386 e 486.   As placas mais comuns incluíam uma porta IDE, uma porta FDD, duas portas seriais, uma paralela, além do e o conector do joystick. Estas placas eram configuradas através de um conjunto de jumpers, já que na época ainda não existia plug-andplay

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Depois de um tempo os fabricantes passaram a integrar os controladores diretamente no chipset da placa mãe, dando origem às placas com conectores integrados. Inicialmente, as interfaces IDE suportavam apenas a conexão de HDs. Devido a isso, os primeiros drives de CD utilizavam interfaces proprietárias, incorporadas à placa de som, ou mesmo controladoras SCSI. Para solucionar o problema, foi desenvolvido o protocolo ATAPI (AT Attachment Packet Interface) e graças a podemos instalar CD ou DVD na interface IDE.

Interfaces IDE  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. Posteriormente, chegou ao mercado um cabo flat de 80 vias, cujas vias extras servem para evitar a perda de dados causada por ruídos (interferência).

Cabo flat de 40 vias. Note que ele possui dois conectores

Conectores IDE em uma placa-mãe

Interfaces PADRÕES IDE:   ATA: Conhecido como IDE, suporta um ou dois drives, interface 16 bits e PIO modos 0, 1 e 2;  Modo PIO0: 3,3 MB/s, PIO1: 5,2 MB/s, PIO2: 8,3 MB/s, PIO3: 11,1 MB/s, PIO4: 16,6 MB/s.   ATA-2: Suporta modos PIO mais rápidos (3 e 4) e multipalavra modo DMA (modo 1 e 2). Também suporta logical block addressing (LBA) e transferências de bloco. É conhecido como ATA rápido ou EIDE (Enhanced IDE);   ATA-3: Pequena revisão do ATA-2;  Ultra-ATA: Também chamado de Ultra DMA, ATA 33, e DMA-33, suporta multipalavra DMA e até modo 3 rodando a até 33MBps;

Interfaces PADRÕES IDE:  ATA/66: Proposta pela Quantum, e suportada pela Intel. Dobra a velocidade do ATA para até 66MBps.   A partir deste padrão, os cabos IDE ATA de 40 fios podem não suportar a alta velocidade, resultando em perda de performance, por isso, cabos IDE ATA de 80 vias foram criados, para poderem transmitir e acompanhar os HDs com os padrões acima do ATA 66. O cabo de 80 vias tem 40 vias a mais que o antigo cabo de 40 vias. Estas 40 vias a mais são vias terras, que ficam entre as 40 vias de sinais para separá-los, prevenindo corrupção de dados e interferências; 

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Interfaces  Abaixo, um cabo de 40 vias (em contraste com o acima de 80 vias).

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 ATA/100: Versão atualizada do ATA/66 incrementou a performance do ATA/66 para 100MBps, claro, também chamado de modo UDMA 100;  ATA/133: Última versão, mais atual. suportam (respectivamente), os modos UDMA 66, UDMA 100 e UDMA 133, além de manterem compatibilidade com os padrões anteriores

Interfaces OUTROS TERMOS: UDMA (Ultra DMA) : Protocolo desenvolvido pela Quantum e Intel que suporta transferência de dados em modo BURST (tecnologia onde os dados são transmitidos mais rápido que o padrão normal) de 33,3MBps (atualmente, aceita até 133MBps no padrão ATA 133). Este protocolo se faz necessário para extrair as vantagens da alta velocidade dos discos ULTRA ATA.   PATA: Parallel ATA pois usa uma sinalização (troca de dados) paralela. Diferente da SATA (Serial ATA), que usa sinalização serial.   Enhanced IDE: EIDE, uma tecnologia que surgiu para aumentar a velocidade de transmissão de dados dos discos rígidos e, claro, permitir a conexão de dois dispositivos em cada IDE. 

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Interfaces SATA   A partir de um certo ponto, ficou claro que o padrão IDE/ATA estava chegando a seu limite e que mudanças mais profundas só poderiam ser feitas com a introdução de um novo padrão. Surgiu então o SATA (Serial ATA).  É um barramento serial, onde é transmitido um único bit por vez em cada sentido. Isso elimina os problemas de sincronização e interferência encontrados nas interfaces paralelas, permitindo que sejam usadas freqüências mais altas.  o cabo SATA é bastante fino, contendo apenas 7 pinos, onde 4 são usados para transmissão de dados e 3 são terras, que ajudam a minimizar as interferências.

Interfaces  Abaixo os conectores de energia na direita (15 pinos) e dados na esquerda (7 pinos) de um HD SATA.

Interfaces SATA Os cabos podem ter até um metro de comprimento e cada porta SATA suporta um único dispositivo, ao contrário do padrão master/slave do IDE/ATA. Por causa disso, é comum que as placas mãe ofereçam 4 portas SATA (ou mais). Existem três padrões de controladoras SATA:  SATA 150 (também chamado de SATA 1.5 Gbit/s ou SATA 1500).  SATA 300 (SATA 3.0 Gbit/s ou SATA 3000) .  SATA 600 (ou SATA 6.0 Gbit/s), que ainda está em desenvolvimento. 

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Como o SATA utiliza dois canais separados, um para enviar e outro para receber dados, temos 150 ou 300 MB/s em cada sentido, e não 133 MB/s compartilhados, como no caso das interfaces ATA/133. Os nomes SATA 300 e SATA 3000 indicam, respectivamente, a taxa de transferência, em MB/s e a taxa "bruta", em megabits. Para o caso dos micros antigos, uma opção é instalar uma controladora SATA. As mais baratas, com duas portas e em versão PCI. Note que o uso do barramento PCI limita a velocidade da controladora a 133 MB/s (um pouco menos na prática, já que o barramento PCI é compartilhado com outros dispositivos), mas isso não chega a ser um problema ao utilizar apenas um ou dois HDs.

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Existem ainda conversores (chamados de bridges), que permitem ligar um HD IDE diretamente a uma porta SATA, mas eles são mais difíceis de encontrar e geralmente mais caros que uma controladora SATA PCI .

Controladora Sata PCI

Conversor para porta SATA

Interfaces SCSI   As controladoras SCSI (pronuncia-se "iscâzi") são as tradicionais concorrentes das interfaces IDE.

Evolução do padrão SCSI

Interfaces SCSI  No SCSI os dispositivos recebem números de identificação (IDs) que são números de 0 a 7 (nas controladoras de 8 bits) e de 0 a 15 nas de 16 bits. Um dos IDs disponíveis é destinado à própria controladora, deixando 7 ou 15 endereços disponíveis para os dispositivos.  O ID de cada dispositivo é configurado através de uma chave ou jumper, ou (nos mais atuais), via software.   A maioria dos cabos SCSI possuem apenas 3 ou 4 conectores, mas existem cabos com até 16 conectores, usados quando é realmente necessário instalar um grande número de dispositivos:

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De uma forma geral, o padrão IDE tornou-se o padrão nos desktops e também nos servidores e estações de trabalho de baixo custo, enquanto o SCSI tornou-se o padrão dominante nos servidores e workstations de alto desempenho.

Interfaces RAID  Significa “Redundant  Array of Inexpensive Disks”, indicando justamente o uso de HDs padronizados e baratos como “blocos de montagem”  para a criação de sistemas que se comportam como um único disco, maior, mais rápido e mais confiável do que suas peças individuais.  Para quem precisa de HDs mais rápidos, ou com uma capacidade muito maior, a melhor opção é montar um sistema RAID, onde é possível somar a capacidade e o desempenho de vários HDs, ou então sacrificar parte do espaço de armazenamento em troca de mais confiabilidade.

Interfaces RAID: Um dos grandes atrativos do RAID é a possibilidade de escolher entre diferentes modos de operação, de acordo com a relação capacidade/desempenho/confiabilidade.  Alguns exemplos são: RAID 0 (Striping): É um “RAID  cujo o objetivo é unicamente melhorar o desempenho, sacrificando a confiabilidade. Todos os HDs usados serão acessados como se fossem um único drive. Ao serem gravados, os arquivos são fragmentados nos vários discos. Por causa desta peculiaridade, caso qualquer um dos HDs apresente defeito, você simplesmente perde todos os dados. 

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RAID:  RAID 1 (Mirroring): Este modo permite usar dois HDs, sendo que o segundo armazenará uma imagem idêntica do primeiro. Na pratica, será como se tivesse apenas um disco rígido instalado, mas caso o disco titular falhe por qualquer motivo, haverá uma cópia de segurança armazenada no segundo disco.  O RAID 5: Os arquivos são divididos em fragmentos de tamanho configurável e, para cada grupo de fragmentos, é gerado um fragmento adicional, contendo códigos de paridade. Pode ser implementado com a partir de 3 discos. Quanto maior é a quantidade de discos usados no array, menor é a proporção de espaço desperdiçado. Num sistema com 5 HDs de 500 GB, teríamos 2 TB de espaço disponível e 500 GB de espaço consumido pelos códigos de paridade.