Enquanto avançamos para a era do armazenamento em nuvem e unidades de estado sólido (SSDs) ultrarrápidas, o bom e velho disco rígido (HD) permanece como uma pedra fundamental no mundo da tecnologia de armazenamento. Embora possa não ser tão rápido quanto um SSD, o HD oferece uma combinação única de capacidade, confiabilidade e custo acessível que o torna uma escolha popular para uma variedade de necessidades de armazenamento. Neste post, entenda o que é um disco rígido (HD) e como funciona.
O que é um disco rígido (HD)?
Um disco rígido é um dispositivo de armazenamento de dados não volátil que utiliza tecnologia magnética para armazenar e recuperar informações digitalizadas. Ele consiste em um ou mais discos revestidos com um material magnético, geralmente feito de metal ou vidro, que giram rapidamente enquanto um braço mecânico lê e grava dados nas superfícies magnéticas.
Uma das maiores vantagens do HD é sua capacidade de armazenamento generosa. Enquanto SSDs tendem a oferecer capacidades menores a preços mais elevados, os discos rígidos podem fornecer terabytes de armazenamento por uma fração do custo. Isso os torna ideais para armazenar grandes coleções de mídia, backups de dados e arquivos de alta capacidade, como vídeos em alta resolução e bibliotecas de jogos.
Nos sistemas operativos mais recentes, ele é também utilizado para expandir a memória RAM, através da gestão de memória virtual. Existem vários tipos de interfaces para discos rígidos diferentes: IDE/ATA, Serial ATA, SCSI, Fibre channel, SAS.
A história do Disco Rígido (HD)
O primeiro disco rígido foi construído pela IBM em 1956, e foi lançado em 16 de Setembro de 1957.
Era formado por 50 discos magnéticos contendo 50000 setores, sendo que cada um suportava 100 caracteres alfanuméricos, totalizando uma capacidade de 5 megabytes, incrível para a época.
Este primeiro disco rígido foi chamado de 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) e tinha dimensões de 152,4 centímetros de comprimento, 172,72 centimetros de largura e 73,66 centímetros de altura.
Em 1973 a IBM lançou o modelo 3340 Winchester, com dois pratos de 30 megabytes e tempo de acesso de 30 milissegundos.
Assim criou-se o termo 30/30 Winchester (uma referência à espingarda Winchester 30/30), termo muito usado antigamente para designar HDs de qualquer espécie.
Ainda no início da década de 1980, os discos rígidos eram muito caros e modelos de 10 megabytes custavam quase 2 mil dólares americanos, enquanto em 2009 compramos modelos de 1.5 terabyte por pouco mais de 100 dólares.
Ainda no começo dos anos 80, a mesma IBM fez uso de uma versão pack de discos de 80 megabytes, usado nos sistemas IBM Virtual Machine. Os discos rigidos foram criados originalmente para serem usados em computadores em geral.
Mas no século XXI as aplicações para esse tipo de disco foram expandidas e agora são usados em câmeras filmadoras, ou camcorders nos Estados Unidos; tocadores de música como iPod, MP3 player; PDAs; videogames, e até em celulares.
Para exemplos em videogames temos o Xbox360 e o Playstation 3, lançados em 2005 e 2006 respectivamente, com esse diferencial, embora a Microsoft já tivesse lançado seu primeiro Xbox (em 2001) com disco rígido convencional embutido. Já para celular os primeiros a terem essa tecnologia foram os da Nokia e da Samsung.
E também devemos lembrar que atualmente o disco rigido não é só interno, existem também os externos, que possibilitam o transporte de grandes quantidades de dados entre computadores sem a necessidade de rede.
Como é a leitura e gravação nos Discos Rígidos (HD)?
Os discos magnéticos de um disco rígido são recobertos por uma camada magnética extremamente fina. Na verdade, quanto mais fina for a camada de gravação, maior será sua sensibilidade, e consequentemente maior será a densidade de gravação permitida por ela. Poderemos, então, armazenar mais dados num disco do mesmo tamanho, criando HDs de maior capacidade.
Os primeiros discos rígidos, assim como os discos usados no início da década de 80, utilizavam a mesma tecnologia de mídia magnética utilizada em disquetes, chamada coated media, que além de permitir uma baixa densidade de gravação, não é muito durável.
Os discos atuais já utilizam mídia laminada (plated media), uma mídia mais densa, de qualidade muito superior, que permite a enorme capacidade de armazenamento dos discos modernos.
A cabeça de leitura e gravação de um disco rígido funciona como um eletroímã semelhante aos que estudamos nas aulas de ciências e física do colegial, sendo composta de uma bobina de fios que envolve um núcleo de ferro:
A diferença é que, num disco rígido, este eletroímã é extremamente pequeno e preciso, a ponto de ser capaz de gravar trilhas medindo menos de um centésimo de milímetro de largura.
Quando estão sendo gravados dados no disco, a cabeça utiliza seu campo magnético para organizar as moléculas de óxido de ferro da superfície de gravação, fazendo com que os pólos positivos das moléculas fiquem alinhados com o pólo negativo da cabeça e, consequentemente, com que os pólos negativos das moléculas fiquem alinhados com o pólo positivo da cabeça.
Usamos, neste caso, a velha lei “os opostos se atraem”. Como a cabeça de leitura e gravação do HD é um eletroímã, sua polaridade pode ser alternada constantemente.
Com o disco girando continuamente, variando a polaridade da cabeça de gravação, variamos também a direção dos pólos positivos e negativos das moléculas da superfície magnética. De acordo com a direção dos pólos, temos um bit 1 ou 0 (sistema binário).
Para gravar as sequências de bits 1 e 0 que formam os dados, a polaridade da cabeça magnética é mudada alguns milhões de vezes por segundo, sempre seguindo ciclos bem determinados. Cada bit é formado no disco por uma sequência de várias moléculas.
Quanto maior for a densidade do disco, menos moléculas serão usadas para armazenar cada bit, e teremos um sinal magnético mais fraco.
Precisamos, então, de uma cabeça magnética mais precisa. Quando é preciso ler os dados gravados, a cabeça de leitura capta o campo magnético gerado pelas moléculas alinhadas.
A variação entre os sinais magnéticos positivos e negativos gera uma pequena corrente elétrica que caminha através dos fios da bobina. Quando o sinal chega à placa lógica do HD, ele é interpretado como uma sequência de bits 1 e 0.
Desse jeito, o processo de armazenamento de dados em discos magnéticos parece ser simples, e realmente era nos primeiros discos rígidos (como o 305 RAMAC da IBM), que eram construídos de maneira praticamente artesanal.
Apesar de nos discos modernos terem sido incorporados vários aperfeiçoamentos, o processo básico continua sendo o mesmo.
Formatação dos Discos Rígidos (HD)
A formatação de um disco magnético é realizada para que o sistema operacional seja capaz de gravar e ler dados no disco, criando assim estruturas que permitam gravar os dados de maneira organizada e recuperá-los mais tarde.
Existem dois tipos de formatação, chamados de formatação física e formatação lógica. A formatação física é feita na fábrica ao final do processo de fabricação, que consiste em dividir o disco virgem em trilhas, setores, cilindros e isolar os bad blocks (danos no HD).
Estas marcações funcionam como as faixas de uma estrada, permitindo à cabeça de leitura saber em que parte do disco está, e onde ela deve gravar dados.
A formatação física é feita apenas uma vez, e não pode ser desfeita ou refeita através de software. Porém, para que este disco possa ser reconhecido e utilizado pelo sistema operacional, é necessária uma nova formatação, chamada de formatação lógica.
Ao contrário da formatação física, a formatação lógica não altera a estrutura física do disco rígido, e pode ser desfeita e refeita quantas vezes for preciso, através do comando Format do DOS, por exemplo.
O processo de formatação é quase automático; basta executar o programa formatador que é fornecido junto com o sistema operacional.
Setor de boot dos Discos Rígidos (HD)
Quando o computador é ligado, o POST (Power-on Self Test), um pequeno programa gravado em um chip de memória ROM na placa-mãe, que tem a função de “dar a partida”, tentará inicializar o sistema operacional.
Independentemente de qual sistema de arquivos se esteja usando, o primeiro setor do disco rígido será reservado para armazenar informações sobre a localização do sistema operacional, que permitem ao BIOS “achá-lo” e iniciar seu carregamento.
No setor de boot é registrado onde o sistema operacional está instalado, com qual sistema de arquivos o disco foi formatado e quais arquivos devem ser lidos para inicializar o computador.
Um setor é a menor divisão física do disco, e possui na grande maioria das vezes 512 Bytes (nos CD-ROMs e derivados é de 2048 Bytes). Um cluster, também chamado de agrupamento, é a menor parte reconhecida pelo sistema operacional, e pode ser formado por vários setores.
Um arquivo com um número de bytes maior que o tamanho do cluster, ao ser gravado no disco, é distribuído em vários clusters. Porém, um cluster não pode pertencer a mais de um arquivo.
Um único setor de 512 Bytes pode parecer pouco, mas é suficiente para armazenar o registro de boot devido ao seu pequeno tamanho. O setor de boot também é conhecido como “trilha MBR“, “trilha 0′ etc.
Como dito, no disco rígido existe um setor chamado Trilha 0, e nele está gravado o (MBR) (Master Boot Record), que significa “Registro de Inicialização Mestre”, um estilo de formatação, onde são encontradas informações sobre como está dividido o disco (no sentido lógico)e sobre a ID de cada tabela de partição do disco, que dará o boot.
O MBR é lido pelo BIOS, que interpreta a informação e em seguida ocorre o chamado “bootstrap”, “levantar-se pelo cadarço”, lê as informações de como funciona o sistema de arquivos e efetua o carregamento do sistema operacional.
O MBR e a ID da tabela de partição ocupam apenas um setor de uma trilha, o restante dos setores desta trilha não são ocupados, permanecendo vazios, servindo como área de proteção do MBR. É nesta mesma área que alguns vírus (Vírus de Boot) se alojam.
Com a constante demanda por espaço, mais as melhorias da tecnologia de fabricação, tem havido uma mudança para setores de tamanho maior, tipicamente para 4096 Bytes. Tal mudança é para que seja melhor utilizado o espaço do disco para mais informações úteis.
Cada setor precisa (para que os dados sejam confiáveis) de um conjunto de bits adicionais para verificação contra erros (para que a própria controladora consiga detectar erros de leitura física), com o aumento de capacidade dos discos, diminui-se o número de átomos para representar um determinado bit, que o torna mais frágil, aumentando o risco de perca de dados.
Para não haver problemas por causa dessa fragilidade, aumenta-se o número de bits para a verificação da integridade da informação no setor, o que acaba diminuindo o espaço utilizável para os dados do usuário.
Com o aumento para 4096 Bytes, cai, consideravelmente, o número de bits usado para verificação de integridade em todo o disco, pois haverá menos setores no disco, e como o mesmo número de bits, por setor, consegue ser utilizado para uma verificação de uma porção maior de dados, decai o ‘desperdício’ por causa da verificação da integridade.
Disquetes, Zip-disks e CD-ROMs não possuem MBR; no entanto, possuem tabela de partição, no caso do CD-ROMs e seu descendentes (DVD-ROM, HDDVD-ROM, BD-ROM…) possuem tabela própria, podendo ser CDFS (Compact Disc File System, norma ISO 9660) ou UDF (Universal Disc Format, uma implementação do padrão ISO/IEC 13346) ou, para maior compatibilidade, os dois; já os cartões de memória Flash e Pen-Drives possuem tabela de partição e podem ter até mesmo MBR, dependendo de como formatados.
O MBR situa-se no primeiro setor da primeira trilha do primeiro prato do HD (setor um, trilha zero, face zero, prato zero). O MBR é constituído pelo bootstrap e pela tabela de partição.
O bootstrap é o responsável por analisar a tabela de partição em busca da partição ativa. Em seguida, ele carrega na memória o Setor de Boot da partição. Esta é a função do bootstrap.
A tabela de partição contém informações sobre as partições existentes no disco. São informações como o tamanho da partição, em qual trilha/setor/cilindro ela começa e termina, qual o sistema de arquivos da partição, se é a partição ativa; ao todo, são dez campos.
Quatro campos para cada partição possível (por isso, só se pode ter 4 partições primárias, e é por isso também que foi-se criada a partição estendida…), e dez campos para identificar cada partição existente.
Quando acaba o POST, a instrução INT 19 do BIOS lê o MBR e o carrega na memória, e é executado o bootstrap.
O bootstrap vasculha a tabela de partição em busca da partição ativa, e em seguida carrega na memória o Setor de Boot dela. A função do Setor de Boot é a de carregar na memória os arquivos de inicialização do sistema operacional. O Setor de Boot fica situado no primeiro setor da partição ativa.
Discos Rígidos SAS
Nos ambientes empresariais onde a velocidade, confiabilidade e escalabilidade são essenciais, os discos rígidos SAS (Serial Attached SCSI) emergem como uma escolha popular. Projetados para lidar com as demandas rigorosas de data centers e servidores corporativos, os discos rígidos SAS oferecem uma combinação única de desempenho robusto, conectividade flexível e grande confiabilidade.
Uma das características distintivas dos discos rígidos SAS é seu alto desempenho. Com taxas de transferência de dados mais rápidas e tempos de acesso mais curtos em comparação com os discos rígidos SATA tradicionais, os discos SAS são ideais para aplicativos que exigem alto desempenho, como bancos de dados, análise de dados e computação de alto desempenho (HPC).
O padrão SATA e SAS passaram por evoluções e atualizações com diferentes versões, incorporando velocidades mais altas e recursos mais abrangentes.
Geralmente, cada padrão é retrocompatível com suas versões anteriores, mas não permite a interoperabilidade entre plataformas. Isso significa que não é possível conectar discos SAS em computadores pessoais equipados com portas SATA, e vice-versa.
Além das diferenças físicas nos cabos e conectores, as tecnologias SATA e SAS também empregam comandos distintos para a transferência de dados entre os discos e as placas-mãe.
Uma exceção notável é o padrão SAS-2 e suas versões posteriores, que desde 2009 também oferecem suporte para discos SATA.
Embora o oposto não seja verdadeiro, essa compatibilidade entre SATA e SAS é especialmente útil para aplicações que demandam alta capacidade, como armazenamento frio (cold storage), arquivamento e backup.
Capacidades de armazenamentos
A capacidade de um disco rígido atualmente disponível no mercado para uso doméstico e comercial varia de 10 a 3000 GB, assim como aqueles disponíveis para empresas, de mais de 3 TB. O HD evoluiu muito.
O mais antigos possuíam 5 MB (aproximadamente 4 disquetes de 3 1/2 HD), sendo aumentada para 30 MB, em seguida para 500 MB (20 anos atrás), e 10 anos mais tarde, HDs de 1 a 3 GB. Em seguida lançou-se um HD de 10 GB e posteriormente um de 15 GB. Posteriormente, foi lançado no mercado um de 20 GB, até os atuais HDs dos mais variados tamanho.
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Sobre o Autor
Bacharel em Sistemas de Informação pelo Instituto Paulista de Pesquisa e Ensino IPEP. Apaixonado por tecnologias e games do tempo da vovó!
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