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ARQUITETURA DE COMPUTADORES II

(DISCO RÍGIDO)

1. INTRODUÇÃO: O HD (Hard Disk) ou disco rígido, também já fora conhecido como

WINCHESTER. Ele é caracterizado por possuir MEMÓRIA FÍSICA NÃO-VOLÁTIL, ou seja, os

arquivos nele armazenados NÃO são perdidos quando o computador é DESLIGADO. Um dos primeiros

HDs que se tem notícia é o IBM305 RAMAC. Fabricado no ano de 1956, ele era capaz de armazenar

cerca de 5 MB de dados (um avanço da época). Além disso, ele era enorme medindo 14 X 8 Polegadas.

Seu preço não era muito atraente, pois ele custava na época por volta de US$ 30.000,00 (Trinta Mil

dólares). Com o passar dos anos, os HDs foram ampliando a sua capacidade e REDUZINDO bastante o

seu TAMANHO, E PREÇO. Existem atualmente diversos tipos de interface compatíveis com discos

rígidos, dentre elas podemos citar: IDE/ATA, Serial ATA (SATA), SCSI, Fibre Channel, SAS.

HD “IBM305 RAMAC”

2. ARQUITETURA: O HD possui em seu interior uma série de componentes, que são indispensáveis

ao seu funcionamento dentre estes componentes podemos destacar: TRILHAS, SETORES,

CILINDROS, CABEÇAS DE LEITURA/GRAVAÇÃO, MOTOR DE ROTAÇÃO, e o ATUADOR.

Alguns destes itens estão destacados nas ilustrações abaixo.

PRATOS E MOTOR: Os PRATOS são basicamente DISCOS onde os DADOS são ARMAZENADOS.

Normalmente eles são constituídos 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 rígido. Os HDs que

possuem uma capacidade elevada costumam sempre apresentar MAIS de um pranto. Quando isso ocorre

os prantos são SOBREPOSTOS, ou seja, colocados uns sobre os outros. Ampliando como dito

anteriormente a capacidade do HD, que hoje para uso doméstico está em torno de 40 a 500 GB, mas para

empresas pode checar a até 1 TB. Os pratos são posicionados sob um MOTOR responsável pela

ROTAÇÃO DO CONJUNTO como um todo. Atualmente no mercado são encontrados HDs com rotação

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que varia de 5400 Rpm a até 10000 Rpm (Rotações Por Minuto). Lembrando, que quanto MAIOR for à

ROTAÇÃO do disco rígido, MAIOR será a VELOCIDADE de TRANSFERÊNCIA DOS DADOS.

CABEÇA e BRAÇO: Os HDs dispõem de um dispositivo bastante PEQUENO denominado de

CABEÇA (ou cabeçote) de LEITURA E GRAVAÇÃO. Este componente possui uma BOBINA que

utiliza IMPULSOS MAGNÉTICOS para manipular as moléculas da superfície do disco, e assim gravar

os dados no mesmo. Para cada LADO do prato ou disco há uma CABEÇA, que é localizada na ponta de

um dispositivo denominado de BRAÇO. Que tem como função POSICIONAR as cabeças de

leitura/gravação sobre a superfície dos prantos. Ao visualizar o funcionamento das cabeças no disco rígido

tem-se a impressão de que as mesmas tocam a superfície do disco, mas na verdade isso NÃO OCORRE.

Pois, A transmissão dos dados ocorre através IMPULSOS ELETROMAGNÉTICOS.

ATUADOR: Também conhecido como “VOICE COIL”, o atuador 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 espécie de bobina que é “INDUZIDA” por IMÃS.

TRACK (TRILHAS): As TRILHAS são CÍRCULOS que começam no centro do disco, e vão até a sua

borda, como se estivesse um dentro do outro. Essas trilhas são numeradas da borda para o centro, isto é, a

TRILHA que fica mais próxima da extremidade do disco é denominada TRILHA 0, a trilha que vem em

seguida é TRILHA 1, e assim por diante, até chegar à trilha mais próxima do centro. Cada TRILHA é

DIVIDIDA em trechos REGULARES denominados de SETOR.

SECTOR (SETOR): Os SETORES são PEQUENOS TRECHOS constituídos por AGRUPAMENTO

DE TRILHAS onde os dados são armazenados, cada SETOR armazena 512 Bytes de informações. Para

ter uma idéia da quantidade de setores, que possuí um disco rígido tomamos como exemplo os HDs atuais,

que apresentam cerca de 900 SETORES em CADA TRILHA. Para definir o limite entre uma trilha e

outra, assim como, onde termina um setor e onde começa o próximo, são usadas MARCAS DE

ENDEREÇAMENTO, que são PEQUENAS ÁREAS com um sinal magnético ESPECIAL, que

orientam a cabeça de leitura, permitindo à CONTROLADORA DO DISCO localizar os dados desejados.

Em HDs IDE estas marcas são feitas apenas UMA VEZ, durante a fabricação do disco, e não podem ser

APAGADAS via SOFTWARE.

CYLINDER (CILINDRO): Um CILINDRO nada mais é do que o CONJUNTO DE TRILHAS com o

MESMO NÚMERO nos vários discos. Por exemplo, o CILINDRO 1 é formado pela TRILHA 1 de cada

FACE de disco, o CILINDRO 2 é formado pela TRILHA 2 de cada FACE, e assim por diante.

3. GRAVAÇÃO/LEITURA DOS DADOS NO HD: O PLATTER (Prato) de um HD é

RECOBERTO por uma camada MAGNÉTICA extremamente FINA, e quanto mais fina for à camada de

GRAVAÇÃO, maior será sua SENSIBILIDADE, e conseqüentemente maior será a densidade de

gravação permitida por ela. Lembrando que quanto maior é a densidade de gravação permitida pelo HD,

maior será a sua CAPACIDADE de armazenamento. 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 mídia); uma mídia mais

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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 do primário, sendo composta de uma bobina de fios

que envolvem 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. 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,

conseqüentemente, com que os PÓLOS NEGATIVOS das moléculas fiquem alinhados com o PÓLO

POSITIVO da cabeça. Usamos neste caso a velha LEI “OS OPOSTOS DE 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. Para gravar as

seqüências 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 seqüência de várias moléculas. Quanto maior for à 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 seqüência de BITS 1 E 0.

ESQUEMATIZAÇÃO

“PROCESSO DE LEITURA/GRAVAÇÃO DO HD”

4. FORMATAÇÃO: Para que o sistema operacional (WINDOWS X, LINUX, MAC,...) seja capaz de

GRAVAR e LER DADOS no disco rígido é preciso que antes sejam criadas ESTRUTURAS que permitam

GRAVAR OS DADOS de maneira ORGANIZADA, para que eles possam ser encontrados posteriormente.

Este processo é chamado de FORMATAÇÃO. Existem dois tipos de formatação, que são: FORMATAÇÃO

FÍSICA e FORMATAÇÃO LÓGICA. A FORMATAÇÃO FÍSICA é realizada na FÁBRICA ao final do

processo de fabricação, que consiste em dividir o DISCO VIRGEM em TRILHAS, SETORES,

CILINDROS e isola os “BADBLOCKS” (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. Quando um disco é formatado, ele simplesmente é

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organizado à maneira do sistema operacional, após isso o HD fica preparado para receber os dados

processados na CPU. A esta ORGANIZAÇÃO onde os dados são organizados no HD CONFORME o

sistema operacional instalado no computador denomina-se “SISTEMA DE ARQUIVOS”.

5. SISTEMA DE ARQUIVOS: Um sistema de arquivos nada mais é do um CONJUNTO DE

ESTRUTURAS LÓGICAS E DE ROTINAS que permitem ao sistema operacional controlar o ACESSO AO

DISCO RÍGIDO. Diferentes sistemas operacionais usam diferentes sistemas de arquivos. Como exemplo,

temos que: O WINDOWS 98 utiliza o FAT-32 como sistema de arquivos, já o WINDOWS XP utiliza o

NTFS como sistema de arquivos padrão, e o LINUX utiliza EXT3 e REISERFS como SISTEMA DE

ARQUIVO PADRÃO.

5.1. FAT (FILE ALLOCATION TABLE – TABELA DE ALOCAÇÃO DE

ARQUIVOS): É um sistema de arquivos desenvolvido para o MS-DOS e usado em versões do

MICROSOFT WINDOWS até (e inclusive) o Windows ME (2000). A TABELA DE ALOCAÇÃO

DE ARQUIVOS é um mapa de utilização do disco OU disquete. Graças a ele, o Sistema Operacional é

capaz de saber exatamente onde um determinado arquivo está armazenado. O sistema de arquivos FAT

é considerado como relativamente SIMPLES, e por isso é um formato POPULAR para HDs diversos.

Além disso, é suportado por VIRTUALMENTE todos os Sistemas Operacionais existentes para

computadores PESSOAIS, e assim, é usado freqüentemente para COMPARTILHAR DADOS entre

diversos sistemas operacionais INSTALADOS num computador (um ambiente multiboot OU

MULTIARRANQUE). É usado também em cartões de memória de estado sólido (conhecidos como

discos flash ou pendrives) e em outros dispositivos semelhantes. As implementações mais comuns têm

um inconveniente sério: quando ficheiros são apagados e novos ficheiros são escritos no suporte, as

suas partes tendem a DISPERSAR-SE, FRAGMENTANDO-SE por todo o espaço DISPONÍVEL,

tornando a LEITURA e a ESCRITA um processo LENTO. A desfragmentação é uma SOLUÇÃO

para isso, mas é habitualmente um processo demorado (sobretudo no sistema FAT32) e que tem de ser

repetido regularmente para manter os sistemas operacionais limpos. Existem duas versões do sistema

FAT: FAT16 (para Sistema Operacional de 16 BITS OU 32 BITS) e FAT32 (só para Sistema

Operacional de 32 BITS); a diferença mais visível entre as duas versões é que FAT32 SUPORTA

nomes de arquivos longos (até 256 caracteres), enquanto o FAT16 suporta apenas nomes de arquivos

curtos (até 8 caracteres + extensão). Caso seja excedido o valor de caracteres, os caracteres excedidos

(do nome do arquivo) desaparecerão e no lugar deles aparecerá ~1 ou ~2 (se já existir um outro arquivo

com os 8 primeiros caracteres iguais). Um dos maiores problemas do FAT diz respeito à

SEGURANÇA, pois neste sistema os arquivos podem ser LIDOS OU ESCRITOS por qualquer

UTILIZADOR (e não apenas por utilizadores AUTORIZADOS, como no EXT2, EXT3 ou NTFS).

Por esse motivo, os sistemas operacionais da família WINDOWS NT usam o NTFS que já

OFERECE tal recurso.

5.2. NTFS: O NTFS (NEW TECHNOLOGY FILE SYSTEM – SISTEMA DE ARQUIVOS DE

NOVA TECNOLOGIA) é o sistema de arquivos utilizado praticamente em todas as versões do

WINDOWS NT (WINDOWS 2000, XP, 2003 SERVER, VISTA,...). Desenvolvido inicialmente

para SERVIDORES, o NTFS possui características importantes, que permitem ao Windows

implementar uma série de noções originadas no UNIX, tal como a de sistema operacional

MULTIUSUÁRIO. As principais CARACTERÍSTICAS do NTFS são:

Introdução de um sistema de “JOURNALING”, que permite ao sistema operacional se

RECUPERAR rapidamente de problemas sem precisar verificar a integridade do SISTEMA DE

ARQUIVOS.

Permissões (com sistema de “ACLs – Sistema de Controle de Acessos”), que possibilitam um

grande CONTROLE DE ACESSO dos utilizadores aos arquivos.

COMPRESSÃO de arquivos (quando configurado).

“ENCRIPTAÇÃO” transparente de arquivos.

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QUOTAS, que permitem que os administradores definam a quantidade de espaço em disco que

cada utilizador pode utilizar.

6. PARTIÇÃO: “PARTICIONAR” um disco significa DIVIDI-LO em VÁRIAS PARTES, este é um

procedimento necessário para que o disco se torne funcional, sendo OBRIGATÓRIO a criação de pelo

menos UMA PARTIÇÃO. Quando o disco é particionado, automaticamente gera-se uma tabela de

partições, onde fica gravado o endereço e a CARACTERÍSTICA da partição gerada, as partições

possuem CARACTERÍSTICAS INDIVIDUAIS para cada TIPO de sistema operacional. Como vimos nos

tópicos anteriores desta apostila, que abordavam informações sobre o FAT, e o NTFS principalmente.

Depois de gerar uma partição torna-se necessário FORMATÁ-LA, este procedimento é feito através de

um comando específico do sistema operacional que será utilizado no disco, no caso do MS-DOS usamos o

comando "Format" para dar forma à partição, possibilitando a instalação do sistema operacional em

questão. A formatação é que define magneticamente a quantidade de TRILHAS E SETORES do disco,

lembrando que em cada setor pode ser armazenado apenas 512 bytes de informação. De qualquer forma, o

usuário só poderá usar um Sistema Operacional por vez, que é escolhido durante o BOOT e dominará a

máquina até que o computador seja desligado ou reinicializado. A escolha é feita com ajuda de um

programa instalado numa parte estratégica do disco e que é executado durante a inicialização da máquina.

HD “160 GB” DIVIDO EM PARTIÇÕES

7. RAID (REDUNDANT ARRAY OF INDEPENDENT DRIVES - CONJUNTO REDUNDANTE DE

DISCOS INDEPENDENTES): O RAID sempre foi um recurso bastante usado em SERVIDORES e em

computadores de grande porte para otimizar o acesso a disco e adicionar tolerância à falhas. Mas,

atualmente este recurso está ao alcance de qualquer USUÁRIO DOMÉSTICO que tenha condições de

COMPRAR MAIS DE UM HD. É possível usar RAID tanto em HDs IDE quanto em HDs SCSI.

7.1. RAID em HDs IDE

Uma controladora RAID permite COMBINAR vários discos rígidos, permitindo AUMENTAR tanto o

DESEMPENHO, fazendo VÁRIOS DISCOS TRABALHAREM como se fossem UM SÓ; quanto à

confiabilidade, usando um sistema de ESPELHAMENTO.

Além das controladoras SCSI, que não são uma solução muito viável para o usuário doméstico, já que os

discos rígidos SCSI SÃO CAROS, existem também algumas controladoras RAID IDE, que além de

serem mais BARATAS, permitem usar os discos rígidos IDE que temos no mercado.

Uma controladora que vem sendo muito elogiada, é a “Promise FastTrak66 IDE”. Nos EUA, esta

controladora é vendida por 65 DÓLARES, aqui no Brasil, o preço varia muito, dependendo de onde você

for comprar, mas é possível encontrá-la por MENOS de 100 dólares.

Como outras controladoras similares, a Premisse “FastTrak66” é uma placa de expansão que deve ser

conectada a um dos SLOTS PCI do micro. A placa substitui as interfaces IDE da placa mãe, por isso é

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detectada automaticamente pelo sistema operacional que estiver utilizando, seja o WINDOWS 95/98

quanto o WINDOWS 2000 ou mesmo o LINUX, tornando a instalação bastante simples.

A placa trás as DUAS SAÍDAS IDE normais. Cada saída PERMITE conectar dois discos rígidos, o que

traz a possibilidade de instalar ATÉ 4 DISCOS RÍGIDOS IDE. As possibilidades são as seguintes:

7.2. RAID 0 (STRIPING):

É possível combinar 2, 3 OU 4 discos rígidos, que serão ACESSADOS como se fossem UM SÓ, aumentando

RADICALMENTE o desempenho do acesso à disco. Os DADOS GRAVADOS são FRAGMENTADOS e os

PEDAÇOS SÃO ESPALHADOS por todos os discos. Na hora de LER, os discos são acessados ao MESMO

TEMPO. Na prática, temos um AUMENTO de desempenho de CERCA DE 98% usando dois discos, 180%

usando 3 discos e algo próximo a 250% usando 4 discos. As capacidades dos discos são somadas. Usando 3

discos de 80 GB por exemplo, você passará a ter um grande disco de 240 GB.

Este modo é o melhor do ponto de vista do desempenho, mas é RUIM do ponto de vista da

CONFIABILIDADE, pois como os dados são FRAGMENTADOS, caso APENAS UM DISCO FALHE,

você PERDERÁ os DADOS GRAVADOS em TODOS os discos.

Uma OBSERVAÇÃO IMPORTANTE sobre este modo é que você DEVE USAR DISCOS RÍGIDOS

IDÊNTICOS. É até POSSÍVEL usar discos de DIFERENTES CAPACIDADES, mas o desempenho ficará

LIMITADO AO DESEMPENHO do disco MAIS LENTO.

7.3. RAID 1 (MIRRORING):

Este modo permite USAR 2 HDs, sendo que o SEGUNDO armazenará uma imagem IDÊNTICA do

PRIMEIRO. Na pratica, será como se você tivesse APENAS UM disco rígido instalado, mas caso o disco

TITULAR FALHE por qualquer motivo, você terá uma CÓPIA DE SEGURANÇA armazenada no segundo

disco. Este é o modo ideal se você deseja AUMENTAR A CONFIABILIDADE DO SISTEMA.

A OBSERVAÇÃO sobre este modo é que ao USAR dois discos, procure colocar UM EM CADA UMA DAS

DUAS INTERFACES IDE DA PLACA, isto MELHORARÁ O DESEMPENHO. Outro ponto é que caso os dois

discos estejam na mesma interface, como MASTER E SLAVE, você teria que reiniciar o micro caso o

primeiro disco falhasse (este problema ocorre em todas as controladoras RAID IDE). USANDO UM EM

CADA INTERFACE A CONTROLADORA FARÁ A TROCA AUTOMATICAMENTE, sem a necessidade de

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× × ×

reiniciar o computador. Da próxima vez que inicializar o micro você receberá um aviso pedindo para substituir

o HD DEFEITUOSO.

ESQUEMATIZAÇÃO DA GRAVAÇÃO DE ARQUIVOS

NO MODO RAID 1 (MIRRORING):

7.4. RAID 10 (MIRROR/STRIP): Este modo PODE SER USADO APENAS caso você tenha 4

DISCOS RÍGIDOS. Os dois primeiros funcionarão em “STRIPING”, DOBRANDO o desempenho,

enquanto os outros DOIS ARMAZENARÃO UMA IMAGEM DOS DOIS PRIMEIROS, assegurando a

SEGURANÇA. Este modo é na verdade uma COMBINAÇÃO DOS DOIS PRIMEIROS.

8. CÁLCULO DA CAPACIDADE DO HD: O cálculo da capacidade do HD é bastante simples,

pois basta efetuar o PRODUTO DA QUANTIDADE DE CILINDROS, CABEÇAS, SETORES EXISTENTES

NO DISCO RÍGIDO, feito isso basta MULTIPLICAR o resultado obtido por 512. Que é justamente o

TAMANHO de cada SETOR do disco rígido. Para FINALIZAR, deve ser feita a CONVERSÃO DO

RESULTADO, que está em BYTES PARA GB, que é a unidade comumente utilizada para

EXPRESSAR a CAPACIDADE DE HDS.

EXEMPLO: Um HD de 80 GB apresenta 39419 CYLINDER (CILINDROS), 16 HEADS (CABEÇAS)

e 255 SECTORS (SETORES). Dispondo destes dados, basta apenas realizar o PRODUTO entre a

QUANTIDADE DESSES COMPONENTES, em seguida MULTIPLICAR o RESULTADO POR 512. Que é

justamente o tamanho de dados existente em cada setor, feito isso o resultado será: 39419 X 16 X 255 X 512 =

8,233 x 10¹º Bytes = 80.400.480 KB = 78.516.093MB = 76,67 GB. Conclui-se com isso, que a capacidade

“REAL” do HD é 76,67 GB e NÃO 80 GB como ANUNCIADO PELO FABRICANTE.

CILINDROS CABEÇAS SETORES 512

PRODUTO

CAPACIDADE

“REAL” DO HD