O Disco Rígido

Consideramos neste trabalho como memória secundária os componentes de armazenamento de dados em que a presença do elemento de média não está dependente da sua inserção pelo utilizador no respetivo dispositivo. Estão neste caso os discos rígidos, sempre presentes no computador. E sempre presentes é o verdadeiro termo a aplicar, em todas as circunstâncias.

O Disco Rígido ou Hard Disk ,  de que resulta a sigla HDD com que vamos passar a designá-lo, aparece sempre definido como memória secundária. Sob a perspetiva de funcionamento da CPU assim o é.

Efetivamente a CPU funciona diretamente com dados ou instruções que estejam no nível 1 de cache e portanto na Memória Principal. Daí o nome de principal. A CPU foi concebida para ler e executar instruções em endereços da Memória Principal. Só aquilo que lá estiver é pela CPU processado, no seu permanente ciclo de busca e execução.

Mas a memória principal (MP), bem como os níveis hierárquicos superiores, são voláteis, isto é, os valores em registo nas mesmas, só lá permanecem enquanto o computador estiver a ser alimentado. Corta-se a alimentação e tudo se volatiliza, tudo se perde.

É no HDD que todas as informações, programas e dados necessários ao funcionamento da CPU se encontram de uma forma permanente e não volátil. É ao HDD que a MMU (Memory Management Unit) vai buscar o que a CPU precisa de ter na MP para processar. É no HDD que estão contidas as informações necessárias ao arranque do computador. É no HDD que está residente o Sistema Operativo (SO) que, uma vez instalado na MP, passa a comandar o computador.

Enfim, tudo para dizer que a verdadeira memória do computador é o HDD. Longe, muito longe, da definição depreciativa de dispositivo de armazenamento de dados. Os programas não se armazenam no HDD. O que se armazena são os instaladores dos programas e os ficheiros de dados. Os programas instalam-se no HDD, por forma a que o SO os possa colocar na MP para que a CPU os possa executar.

E já agora, lembremos que o HDD também faz parte da Memória Principal, constituindo um seu prolongamento a que se denomina Memória Virtual, questão que iremos abordar junto com os SO.

Esta abordagem pretende somente elevar o nível de importância do HDD à sua real posição no contexto do computador.

Todos estes temas serão objeto de tratamento com muito mais profundidade.

É quando surgem os HDD que pela primeira vez se fala de SO, pois era sua função primária interagir entre a CPU e o HDD, criando meios para ambos se entenderem.

Numa fase inicial era essa a verdadeira vocação dos SO. Lentamente evoluíram para aquilo que são hoje: uma verdadeira interface entre o hardware, o software e o utilizador, sem a qual nenhum computador seria capaz de funcionar.

Mas vamos deixar-nos de mais elogios ao HDD, pois ele faz-se valer dos seus direitos e mostra-nos permanentemente a sua importância.

Vamos neste capítulo analisar o funcionamento eletromecânico e a forma física de registo dos dados  do HDD. A forma lógica como os organiza e lhes acede é trabalho dos SO, que para isso utilizam os Sistemas de Ficheiros, que iremos de seguida abordar.

O HDD regista a informação sob a forma de campos magnéticos, como uma qualquer cassete de gravação. Só que, contrariamente à cassete, em que o registo e o acesso são feitos de forma sequencial, no HDD tanto o registo como a leitura são feitos de forma aleatória, isto é, qualquer dado em qualquer ponto pode ser acedido em qualquer momento desde que a sua localização seja fornecida, similarmente ao que se passava com a Memória RAM que já analisámos.

No HDD este acesso é feito sob parâmetros completamente diferentes, como iremos ver.

O HDD regista os dados sob a forma de campos magnéticos. Portanto, a sua maior ou menor capacidade varia de uma forma diretamente proporcional com a densidade de campos magnéticos que pode ter. Chama-se a isto “Areal Density” ou densidade por área, uma vez convertida nos nossos conhecidos bits, que definem o seu estado lógico 1 ou 0 pelo nível de tensão que transportam.

Fazendo um pouco de história diremos que o primeiro HDD que foi utilizado tinha a brutal densidade de 2.000 bits/ polegada quadrada ou 2.000 b/in2. Atualmente os HDD têm densidades que rondam os 400 Gb/in2, isto é, 400.000.000.000 b/in2. E sempre a crescer.

A densidade dos HDD é sempre definida tendo por referência a polegada. Não devemos esquecer que a informática é uma ciência que fala Inglês.

Todo este crescimento está ligado a grandes desenvolvimentos na área do hardware, na forma de realizar os registos magnéticos, na construção das cabeças de escrita/leitura e pela conceção de elaborados controladores de HDD.

Podemos dizer que o HDD é uma das maravilhas de execução tecnológica, pela precisão que é exigida num funcionamento eletromecânico a um nível de medição nanométrica.

Composição do Disco Rígido

Um Disco Rígido é composto por 3 elementos fundamentais:

  1. Os pratos
  2. As cabeças de escrita/leitura
  3. A placa controladora

Na descrição que se segue, vamos utilizar a Figura 1, referindo as anotações que são feitas às fotografias dos mesmos como (x).

Os pratos

Os pratos (9) constituem o elemento de suporte dos registos magnéticos que formam a informação guardada no HDD. Como tal, deverão ter características próprias para a criação e modificação desses mesmos campos magnéticos.

Os pratos são constituídos por um material magneticamente neutro, concretamente o alumínio e, muito recentemente, em alguns casos o vidro.

Esse material é polido até atingir uma perfeita regularização, ficando praticamente espelhado. Essa máxima regularização é necessária devido à ínfima distância a que as cabeças voam acima dos pratos (atualmente mensurável ao nível de nanómetros) e ao facto de nunca poderem tocar a superfície dos mesmos quando estiverem em movimento.

Sobre os pratos e em ambas as superfícies, é colocada uma fina camada de material magnético, a que chamaremos um fino filme magnético. Quando dizemos fino referimo-nos a espessuras da ordem dos 10 – 20 nanómetros (só por termo de comparação, a espessura de uma folha de papel normal será da ordem dos 100.000 nanómetros).

Figura 11-4 Quadro de Componentes 1-Motor rotativo 2-Tomada de alimentação 3-Pinos de configuração 4-Tomada de dados 5-Contactos de Atuador 6-Contactos do Motor 7-Chip controlador 8-Memória cache ou buffer 9- Pratos 10- Eixo do atuador 11-Zona dos magnetos do atuador 12-Fita de comunicação de dados entre atuador e a placa controladora 13-Anilha de fixação dos pratos no eixo do motor 14- Bobina do atuador 15-Limitador de deslocação 16-Magnetos 17-Suportes de Magnetos 18-Atuador 19-Anilhas distanciadoras dos pratos  20-Limitadores da caixa de pratos 21-Placa controladora 22-Fixação dos suportes 23-Filtros de ar
Figura 1

Esta camada é por sua vez revestida por uma outra fina camada de filme resistente, como por exemplo o carbono, que tem por fim melhor proteger o filme magnético contra eventuais pequenos acidentes com uma cabeça. A deposição destes materiais é feita por um processo idêntico ao que já descrevemos para os circuitos integrados, em fornos a altas temperaturas e por deposição de vapor. Os pratos são assim magnetizáveis em ambas as faces.

No caso concreto que documentamos fotograficamente, o HDD em questão tem 4 pratos.

Os pratos são colocados paralelamente uns aos outros sobre uma base ligada concentricamente com o eixo do “spin motor” ou motor rotativo.

O distanciamento entre os pratos é garantido por anilhas distanciadoras (19). Existem também umas peças separadoras (20), por entre as quais giram os discos e cuja espessura somada garante que a fixação da tampa da caixa é feita à distância necessária do conjunto.

No topo do conjunto é colocada a anilha (13) que, aparafusada ao eixo do motor rotativo, faz a fixação por pressão do conjunto dos 4 discos em relação ao referido motor.

Os pratos giram a velocidades entre as 5.400 e as 15.000 rotações por minuto. A velocidade atual mais corrente é de 7.200 RPM. Lembram-se dos Long Play em vinil, que giravam a 33 RPM. São só 228 vezes mais. São 120 rotações por segundo, ou seja, o mesmo ponto do prato passa sob as cabeças de leitura/escrita 120 vezes por segundo, uma vez em cada 8,33 milissegundos (ms), cabeças essas que por sua vez voam a poucas dezenas de nanómetros de distância do prato, sem lhe poderem tocar.

A placa controladora

Nas duas fotografias identificadoras da placa controladora, a mesma está na sua posição normal na da esquerda e rodada para a direita e fora da sua posição, na da direita. Estão devidamente identificados os contactos dos elementos que estão na caixa do HD e os contactos na placa, que não tem qualquer ligação física com o HD para além destes contactos.

E para que serve a placa controladora?

Para converter endereços em posições de colocação das cabeças sobre os pratos e para converter códigos binários em campos magnéticos. Para estabelecer o diálogo entre o SO e o HD.

Iremos abordar melhor as funcionalidades da Placa Controladora mais adiante, quando falarmos da geometria do HD e da sua lógica.

Na placa controladora, para além de muitos mais componentes podemos dar realce a dois com particular importância:

  • O chip controlador de toda a informação que sai e entra no HDD (7), dados e endereços.
  • A memória cache (8), cuja função, tal como no caso da cache da CPU, é reter informação com tendência a ser repetida, evitando assim morosos acessos ao HDD.

Vemos também realçados, os contactos com o atuador (5) e com o motor rotativo (6).

As cabeças de leitura/escrita

A descrição da sua composição, evolução e forma de funcionamento, por ser conteúdo de extensão e importância que o justifica, fará parte do artigo seguinte

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