Segurança Eletrônica - Arquitetura do Disco Rígido ou Hard Disk para armazenamento de dados


O Hard disk ou disco rígido, é um equipamento hardware utilizado para armazenamento de dados. Ele também e conhecido popularmente como HDD ou HD. Sua utilidade é o armazenamento de dados não-volátil, ou seja, as informações não são perdidas quando o computador (PC), NAS (Network Attached Storage) ou Storage é desligado. Isto significa que quando algum arquivo é armazenado, ele não se perde com o desligamento da máquina como acontece com a memória RAM. Ele também é considerado o principal meio de armazenamento de dados em massa desde a sua criação. Nos sistemas operacionais atuais ou mais recentes, ele é também utilizado para expandir a memória RAM, através da gestão de memória virtual. Existem vários tipos diferentes de interfaces física para discos rígidos: IDE/ATA, Serial ATA, SCSI, Fibre channel e SAS.

O primeiro HD foi criado em 1956 pela IBM, mas só foi lançado em 16 de setembro de 1957. Ele era formado por 50 disco magnéticos contendo 50.000 setores, sendo que cada um dos setores suportava 100 caracteres alfanuméricos, totalizando a sua capacidade de 5 Megabytes de armazenamento. Um avanço incrível e sensacional para década de 50. Este primeiro Hard Disk foi chamado de 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) e tinha dimensões de 152,4 centímetros de comprimento, 172,72 centímetros de largura e 73,66 centímetros de altura.


No ano de 1973 a IBM (International Business Machines) 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 descrever HDs de qualquer modelo. 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 nos dias de hoje compramos modelos de HD com 12 Terabytes por volta de 600 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 rígidos foram criados originalmente para serem usados em computadores em geral.


Um disco magnético é composto de um ou mais pratos de alumínio com um revestimento magnetizável. No início, esses pratos tinham até 50 cm de diâmetro, mas agora têm normalmente de 3 a 9 cm, e discos para notebooks já estão com menos de 3 cm e continuam encolhendo. Um cabeçote de disco que contém uma bobina de indução flutua logo acima da superfície, apoiado sobre um colchão de ar. Quando uma corrente positiva ou negativa passa pelo cabeçote, ele magnetiza a superfície logo abaixo dele, alinhando as partículas magnéticas para a esquerda ou para a direita, dependendo da polaridade da corrente. Quando o cabeçote passa sobre uma área magnetizada, uma corrente positiva ou negativa é induzida nele, o que possibilita a leitura dos bits armazenados antes. Assim, à medida que o prato gira sob o cabeçote, uma corrente de bits pode ser escrita e mais tarde lida. A geometria de uma trilha de disco é mostrada na figura abaixo: 


Todos os discos têm braços móveis que podem se mover para dentro e para fora a diferentes distâncias radiais da haste ao redor da qual o prato gira. A cada distância radial pode ser escrita uma trilha diferente. Assim, as trilhas são uma série de círculos concêntricos ao redor da haste. A largura de uma trilha depende da largura do cabeçote e da precisão com que ele pode ser posicionado radialmente. Com tecnologia atual, os discos têm em torno de 50 mil trilhas por centímetro, resultando em larguras de trilha na faixa de 200 nanômetros (1 nanômetro = 1/1.000.000 mm). Deve-se notar que uma trilha não é um sulco físico na superfície, mas apenas um anel de material magnetizado com pequenas áreas de proteção que o separa das trilhas que estão dentro e fora dele.

A densidade linear de bits ao redor da circunferência da trilha é diferente da radial. Em outras palavras, o número de bits por milímetro medida em torno de uma trilha é diferente do número de bits por milímetro a partir do centro em direção à borda externa. A densidade ao redor de uma trilha é determinada em grande parte pela pureza da superfície e pela qualidade do ar. Os discos de hoje atingem densidades de 25 gigabits/cm. A densidade radial é determinada pela precisão que o braço pode ter para chegar a uma trilha. Assim, um bit é muitas vezes maior na direção radial em comparação com a circunferência, conforme sugere a figura anterior.

Para atingir densidades ainda mais altas, os fabricantes de discos estão desenvolvendo tecnologias nas quais a dimensão “longa” dos bits não está ao longo da circunferência do disco, mas na direção vertical, dentro do óxido de ferro. Essa técnica é denominada gravação perpendicular e demonstrou-se que pode oferecer densidades de dados de até 100 gigabits/cm. É provável que essa se torne a tecnologia dominante nos próximos anos.

A maioria dos discos é composta de vários pratos empilhados na vertical, como ilustrado na figura abaixo:


Cada superfície tem seu próprio braço e cabeçote. Os braços são agrupados de modo que todos se movimentem para diferentes posições radiais ao mesmo tempo. O conjunto de trilhas em uma dada posição radial é denominado cilindro. Os discos usados hoje em PCs costumam ter de 1 a 12 pratos por drive, o que resulta em 2 a 24 superfícies de gravação. Discos de última geração podem armazenar 1 Terabyte em um único prato, e esse limite certamente crescerá com o tempo.

O desempenho do disco depende de vários fatores. Para ler ou escrever um setor, primeiro o braço deve se deslocar até a posição radial correta. Essa ação é denominada busca (seek). Tempos médios de busca (entre trilhas aleatórias) estão na faixa de 5 a 10 ms, embora buscas entre trilhas consecutivas agora já estejam abaixo de 1 ms. Logo que o cabeçote estiver posicionado radialmente, há um atraso, denominado latência rotacional, até que o setor desejado gire sob o cabeçote. A maioria dos discos gira a 5.400 RPM, 7.200 RPM, 10.800 RPM ou 15.000 RPM, portanto, o atraso médio (meia rotação) é de 3 a 6 ms. O tempo de transferência depende da densidade linear e da velocidade de rotação. Com taxas de transferência típicas de 150 MB/s, um setor de 512 bytes demora cerca de 3,5 μs. Por conseguinte, o tempo de busca e a latência rotacional dominam o tempo de transferência. Ler setores aleatórios por todo o disco é claramente um modo ineficiente de operar.

Vale a pena mencionar que, por conta de preâmbulos, ECCs, lacunas intersetores, tempos de busca e latências rotacionais, há uma grande diferença entre taxa de rajada (burst rate) máxima de um drive e sua taxa máxima sustentada. A taxa máxima de rajada é a taxa de dados, uma vez que o cabeçote está sobre o primeiro bit de dados. O computador deve ser capaz de manipular os dados que estão chegando com essa mesma rapidez. Contudo, o drive só pode manter essa taxa para um único setor. Para algumas aplicações, como multimídia, o que importa é a taxa sustentada média durante um período de segundos, que também tem de levar em conta as necessárias buscas e atrasos rotacionais.

Um pouco de raciocínio e a utilização daquela velha fórmula de matemática do colegial para a circunferência de um círculo, c = 2πr, revelarão que a distância linear ao redor das trilhas mais externas é maior do que a das trilhas mais internas. Uma vez que todos os discos magnéticos giram com velocidade angular constante, não importando onde estão os cabeçotes, essa observação cria um problema. Nos drives antigos, os fabricantes usavam a máxima densidade linear possível na trilha mais interna e densidades lineares de bits sucessivamente menores nas trilhas mais externas. Se um disco tivesse 18 setores por trilha, por exemplo, cada uma ocupava 20 graus de arco, não importando em qual cilindro se encontrava.

Hoje, usa-se uma estratégia diferente. Os cilindros são divididos em zonas (normalmente, 10 a 30 por drive) e o número de setores por trilha aumenta de zona em zona partindo da trilha mais interna para a mais externa. Essa mudança dificulta o rastreamento de informações, mas aumenta a capacidade do drive, que é considerada mais importante. Todos os setores são do mesmo tamanho. Na figura abaixo mostra um disco com cinco zonas:


Associado a cada drive há um controlador de disco, um chip que controla o drive. Alguns controladores contêm uma CPU completa. Entre as tarefas do controlador estão: aceitar comandos do software, como READ, WRITE e FORMAT (escrevendo todos os preâmbulos), controlar o movimento do braço, detectar e corrigir erros e converter bytes de 8 bits lidos na memória em uma corrente serial de bits e vice-versa. Alguns controladores também manipulam o buffer de múltiplos setores, fazendo cache de setores lidos para potencial uso futuro e remapeando setores ruins. Essa última função é causada pela existência de setores que têm um ponto ruim, ou seja, permanentemente magnetizado. Quando descobre um setor ruim, o controlador o substitui por um dos setores sobressalentes reservados para esse fim dentro de cada cilindro ou zona.


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