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Como um HD funciona - Hardware,o Guia Definitivo15-21 minutes

Carlos E. Morimoto criou 1/out/2007 às 02h00

261Dentro do disco rígido, os dados são gravados em discosmagnéticos, chamados de platters. O nome "disco rígido"vem justamente do fato de os discos internos seremextremamente rígidos.

Os platters são compostos de duas camadas. A primeira échamada de substrato, e nada mais é do que um discometálico, feito de ligas de alumínio. Mais recentemente,alguns fabricantes passaram a utilizar também vidro, queoferece algumas vantagens, como a maior dureza, emboratambém seja mais difícil de se trabalhar. Os primeiros HDscom discos de vidro foram os IBM Deskstar 75GXP,lançados em 2001.

Independentemente do material usado, o disco precisa sercompletamente plano. Como os discos giram a grandesvelocidades e as cabeças de leitura trabalhamextremamente próximas da superfície magnética, qualquervariação seria fatal. Para atingir a perfeição necessária, o

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disco é polido em uma sala limpa, até que se torneperfeitamente plano. Vem então a parte final, que é acolocação da superfície magnética nos dois lados do disco.

Como a camada magnética tem apenas alguns microns deespessura, ela é recoberta por uma fina camada protetora,que oferece alguma proteção contra pequenos impactos.

Os discos são montados em um eixo também feito dealumínio, que deve ser sólido o suficiente para evitarqualquer vibração dos discos, mesmo a altas rotações.Este é mais um componente que passa por um processode polimento, já que os discos devem ficar perfeitamentepresos e alinhados. No caso de HDs com vários discos,eles são separados usando espaçadores, novamente feitosde ligas de alumínio.

Finalmente, temos o motor de rotação, responsável pormanter uma rotação constante. O motor é um dos maioresresponsáveis pela durabilidade do disco rígido, pois umagrande parte das falhas graves provém justamente domotor.

Os HDs mais antigos utilizavam motores de 3.600 rotaçõespor minuto, enquanto que atualmente são utilizadosmotores de 5.400, 7.200 ou 10.000 RPM. Nos HDs denotebook ainda são comuns motores de 4.200 RPM, masos de 5.400 RPM já são maioria. Embora não seja o único,a velocidade de rotação é sem dúvida o fator que influenciamais diretamente no desempenho.

Para ler e gravar dados no disco, são usadas cabeças deleitura eletromagnéticas (heads) que são presas a um


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braço móvel (arm), o que permite seu acesso a todo odisco. O braço de leitura é uma peça triangular, tambémfeita de ligas de alumínio, para que seja ao mesmo tempoleve e resistente. O mecanismo que movimenta o braço deleitura é chamado de actuator.

Nos primeiros discos rígidos, eram usados motores depasso para movimentar os braços e cabeças de leitura.Eles são o mesmo tipo de motor usado nos drives dedisquete, onde ao receber um impulso elétrico o motormove o braço por uma curta distância, correspondente aocomprimento de uma trilha. O problema é que eles erammuito suscetíveis a problemas de desalinhamento e nãopermitiam densidades de gravação muito altas.

Os discos contemporâneos (qualquer coisa acima de 80MB) utilizam um mecanismo bem mais sofisticado paraessa tarefa, composto por um dispositivo que atua atravésde atração e repulsão eletromagnética, sistema chamadode voice coil. Basicamente temos um eletroímã na base dobraço móvel, que permite que a placa controladora omovimente variando rapidamente a potência e a polaridadedo ímã. Apesar de parecer suspeito à primeira vista, essesistema é muito mais rápido, preciso e confiável que osmotores de passo. Para você ter uma idéia, os HDs doinício da década de 80, com motores de passo, utilizavamapenas 300 ou 400 trilhas por polegada, enquanto umSeagate ST3750640AS (de 750 GB) atual utiliza nadamenos do que 145.000.

Aqui temos um diagrama mostrando os principais


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componentes do HD:

Para que o HD possa posicionar a cabeça de leitura sobrea área exata referente à trilha que vai ser lida, existemsinais de feedback gravados na superfícies do disco, queorientam o posicionamento da cabeça de leitura. Eles sãosinais magnéticos especiais, gravados durante a fabricaçãodos discos (a famosa formatação física), que sãoprotegidos através de instruções de bloqueio incluídas nofirmware do HD contra alteração posterior. Esses sinaiseliminam os problemas de desalinhamento que existiamnos primeiros HDs.

Ao ler um arquivo, a controladora posiciona a cabeça deleitura sobre a trilha onde está o primeiro setor referente aele e espera que o disco gire até o setor correto. Estetempo inicial, necessário para iniciar a leitura, é chamadode tempo de acesso, e mesmo os HDs atuais de 7.200


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RPM fica em torno de 12 milésimos de segundo, o que éuma eternidade em se tratando de tempo computacional. OHD é relativamente rápido ao ler setores seqüenciais, masao ler vários pequenos arquivos espalhados pelo HD, odesempenho pode cair assustadoramente. É por isso queexistem programas desfragmentadores, que procuramreorganizar a ordem dos arquivos, de forma que eles sejamgravados em setores contínuos.

Outro dado interessante é a maneira como as cabeças deleitura lêem os dados, sem tocar na camada magnética. Sevocê tiver a oportunidade de ver um disco rígido aberto,verá que, com os discos parados, as cabeças de leitura sãopressionadas levemente em direção ao disco, tocando-ocom uma certa pressão. Aqui temos o braço de leitura deum HD, depois de removido. Veja que mesmo sem o discomagnético entre elas, as duas cabeças de leiturapressionam-se mutuamente:

Apesar disso, quando os discos giram à alta rotação,forma-se uma espécie de colchão de ar, que repele acabeça de leitura, fazendo com que ela fique sempre aalguns nanômetros de distância dos discos. É o mesmoprincípio utilizado na asa de um avião; a principal diferençaneste caso é que a cabeça de leitura é fixa, enquanto os


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discos é que se movem, mas, de qualquer forma, o efeito éo mesmo. Como veremos a seguir, os HDs não sãofechados hermeticamente, muito menos a vácuo, pois énecessário ar para criar o efeito.

Esta foto mostra a cabeça de leitura "flutuando" sobre odisco em movimento. A distância é tão curta que mesmo aovivo você tem a impressão de que a cabeça está raspandono disco, embora na realidade não esteja. Como a cabeçade leitura se movimenta rapidamente durante a operaçãodo disco, é muito difícil tirar fotos. Para conseguir tirar esta,precisei "trapacear", desmontando o actuator e suavementemovendo a cabeça da área de descanso para o meio dodisco. :)

Os discos magnéticos são montados diretamente sobre oeixo do motor de rotação, sem o uso de correias ouqualquer coisa do gênero. É justamente este designsimples que permite que os discos girem a uma velocidade


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tão grande.

Embora mais potente e muito mais durável, o motor derotação usado nos HDs é similar aos usados nos coolers.Nos HDs antigos, eram usados motores sleeve bearing, osistema mais simples e menos durável, que foi usado nosHDs de 3600 RPM. Em seguida, foram adotados motoresball-bearing, onde são usados rolamentos para aumentar aprecisão e a durabilidade. Nos HDs modernos, é utilizado osistema fluid-dynamic bearing, onde os rolamentos sãosubstituídos por um fluído especial, que elimina o atrito,reduzindo o ruído e o nível de vibração.

Aqui temos o mesmo HD da foto anterior completamentedesmontado, mostrando o interior do motor de rotação:

Assim como a maioria dos modelos de baixa capacidade,este HD utiliza um único disco, mas a maioria dos modelosutiliza dois, três ou quatro, que são montados usandoespaçadores. O HD possui duas cabeças de leitura para


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cada disco (uma para cada face), de forma que um HD com4 discos utilizaria 8 cabeças de leitura, presas ao mesmobraço móvel.

Embora usar mais discos permita construir HDs de maiorcapacidade, não é comum que os fabricantes utilizem maisde 4, pois a partir daí torna-se muito difícil (e caro) produzircomponentes com a precisão necessária para manter todosos discos alinhados. Antigamente, era comum que HDs dealta capacidade (e alto custo :), sobretudo os destinados aservidores, possuíssem 6, ou até mesmo 12 discos, maseles saíram de moda a partir da década de 90, devido àbaixa demanda. Desde então, os fabricantes padronizarama produção em torno dos HDs com até 4 discos e quemprecisa de mais capacidade compra vários e monta umsistema RAID. No caso dos servidores, é muito comum ouso de racks, com um grande número de HDs SAS ouSATA.

Naturalmente, qualquer HD aberto fora de uma sala limpaacaba sendo impregnado por partículas de poeira e porisso condenado a apresentar badblocks e outros defeitosdepois de alguns minutos de operação.

Todo HD é montado e selado em um ambiente livre departículas, as famosas salas limpas. Apesar disso, eles nãosão hermeticamente fechados. Em qualquer HD, vocêencontra um pequeno orifício para entrada de ar(geralmente escondido embaixo da placa lógica oudiretamente sob a tampa superior), que permite quepequenos volumes de ar entrem e saiam, mantendo a


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pressão interna do HD sempre igual à do ambiente. Esseorifício é sempre protegido por um filtro, que impede aentrada de partículas de poeira.

Orifício de ventilação do HD

Devido a isso, a pressão do ar tem uma certa influênciasobre a operação do HD. Os HDs são normalmenteprojetados para funcionar a altitudes de até 3.000 metrosacima do nível do mar. Em altitudes muito elevadas, apressão do ar é menor, comprometendo a criação docolchão de ar. Para casos extremos (uso militar, porexemplo), existem HDs pressurizados, que podem trabalhara qualquer altitude.

Internamente, o HD possui um segundo filtro, que filtracontinuamente o ar movimentado pelos discos. Ele tem afunção de capturar as partículas que se desprendam doscomponentes internos durante o uso, devido a desgaste ouchoques diversos. Aqui temos uma foto de um, preso num


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dos cantos da parte interna do HD:

Filtro interno

Enquanto o HD está desligado, as cabeças de leitura ficamem uma posição de descanso. Elas só saem dessa posiçãoquando os discos já estão girando à velocidade máxima.Para prevenir acidentes, as cabeças de leitura voltam àposição de descanso sempre que não estão sendo lidosdados, apesar dos discos continuarem girando.

É justamente por isso que às vezes, ao sofrer um pico detensão, ou o micro ser desligado enquanto o HD estásendo acessado, surgem setores defeituosos. Ao sercortada a energia, os discos param de girar e é desfeito ocolchão de ar, fazendo com que as cabeças de leiturapossam vir a tocar os discos magnéticos.

Para diminuir a ocorrência desse tipo de acidente, nos HDsmodernos é utilizado um sistema que recolhe as cabeças


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de leitura automaticamente para a área de descansoquando a energia é cortada (tecnologia chamada deauto-parking). A área de descanso é também chamada de"landing zone" e engloba algumas das trilhas mais centraisdo disco, uma área especialmente preparada para recebero impacto do "pouso" das cabeças de leitura. Uma dastecnologias mais populares é a LZT (Laser Zone Texture),uma tecnologia desenvolvida pela IBM, onde um laser éusado para produzir pequenas cavidades ao longo da zonade pouso, que reduzem o atrito com a cabeça de leitura:

Outra técnica consiste em usar "rampas" feitas de materialplástico, posicionadas na área externa dos discos, quesuspendem as cabeças de leitura, evitando que elastoquem os discos mesmo quando eles param de girar. Estatecnologia foi inicialmente usada em HDs de notebook, masrecentemente passou a ser usada também nos de 3.5" paradesktops. Ela pode parecer simples, mas na verdade exigebastante tecnologia, devido à precisão necessária:


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Rampas de descanso para as cabeças de leitura

Apesar de evitar danos físicos, o auto-parking nada podefazer para evitar perda de dados ao desligar o microincorretamente. Mesmo que todos os arquivos estejamsalvos, ainda existem dados no cache de disco (criado pelosistema operacional, usando parte de memória RAM) etambém no cache do HD, que utiliza memória SDRAM(também volátil). Para acelerar as operações de gravação,todos os arquivos (sobretudo os pequenos) são salvosinicialmente nos caches e depois transferidos para osdiscos magnéticos em momentos de ociosidade. Quando omicro é desligado abruptamente, os dados em ambos oscaches são perdidos, fazendo com que você sempre percaas últimas alterações, muitas vezes em arquivos queacreditava estarem salvos.

Por causa de tudo isso, é sempre importante usar umnobreak em micros de trabalho. A longo prazo, os dadosperdidos e possíveis danos ao equipamento por causa dequedas de energia acabam custando muito mais do que um


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nobreak popular.

Mesmo assim, por melhores que sejam as condições detrabalho, o HD continua sendo um dispositivo baseado emcomponentes mecânicos, que têm uma vida útil muito maiscurta que a de outros componentes do micro. De umaforma geral, os HDs para desktop funcionam de formaconfiável por de dois a três anos (em um PC usadocontinuamente). Depois disso, é melhor substituir o HD porum novo e mover o antigo para outro micro secundário,onde ele não vá armazenar informações importantes, poisa possibilidade de defeitos começa a crescerexponencialmente.

Fala-se muito sobre a vulnerabilidade dos HDs com relaçãoa ímãs. Como os HDs armazenam os dados em discosmagnéticos, colocar um ímã suficientemente forte próximoa ele pode apagar rapidamente todos os dados. Existeminclusive "desmagnetizadores", que são eletroímãs ligadosna tomada, que você passa sobre os HDs e outros discosmagnéticos, justamente com a intenção de apagar osdados rapidamente.

Entretanto, se você abrir um HD condenado, vai encontrardois ímãs surpreendentemente fortes instalados dentro domecanismo que move a cabeça de leitura. Naturalmente,estes ímãs não danificam os dados armazenados (senãonão estariam ali ;). O principal motivo disso é que elesestão instalados numa posição perpendicular aos discosmagnéticos. Se você remover os ímãs e colocá-los sobreoutro HD, vai ver que no outro dia uma boa parte dos


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dados terão sido perdidos.

Se você (como todos nós) é do tipo que não conseguedesmontar um micro sem deixar cair parafusos nos locaismais inacessíveis do gabinete, tem dificuldades em colocaros parafusos dos dois lados ao instalar o HD e ainda porcima nunca acha uma chave de fenda magnética paracomprar, pode usar esses magnetos "roubados" do HDpara transformar qualquer chave de fenda em uma chavemagnética. Basta "encaixar" os ímãs nela quando quiser oefeito. Esses magnetos são feitos de uma liga contendoneodímio e, além de parafusos, permitem levantar objetosum pouco mais pesados, como martelos, por exemplo... ;)

Naturalmente, você deve tomar cuidado de não passá-lossobre discos magnéticos, a menos que queiraintencionalmente apagá-los. Se você deixar a chave emcontato com os ímãs por um longo período, ela continuarámagnetizada (por algum tempo) mesmo depois deretirá-los.


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Ao contrário da crença popular, chaves magnéticas não sãoperigosas para os HDs, pois os magnetos usados sãomuito fracos se comparados aos magnetos usados nomecanismo de leitura e no motor de rotação do HD. Ospróprios discos magnéticos são relativamente resistentes aforças magnéticas externas, de forma que ímãs de baixapotência não oferecem grande perigo.

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Por Carlos E. Morimoto. Revisado 1/out/2007 às 02h00


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