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Como funcionam os discos rígidos (ART943)

Também conhecidos como winchesters, os discos rígidos (hard disk) consistem na principal memória de seu computador, pois gravam de modo permanente dados e programas que você normalmente usa. A tecnologia que envolve o funcionamento de um disco rígido é uma das maravilhas da eletrônica e mecânica atual. Todo o usuário ou técnico de computador deve ter noções sobre o princípio de funcionamento dos discos rígidos e é exatamente isso que pretendemos dar neste artigo.

 

Este artigo é de 1998, tratando da tecnologia da época. Se bem que se mantenha basicamente a mesma, ela avançou muito em termos de capacidade de armazenamento e velocidades de acesso.

 

Os programas usados pelos computadores são cada vez maiores assim como a quantidade de dados com eles devem trabalhar. A necessidade de um meio em que estes dados possam ser gravados em quantidades cada vez maiores é sentida por todos os usuários de computadores.

O principal dispositivo usado como memória de massa nos PCs é o disco rígido, um periférico que funciona baseado em princípios magnéticos e que pode armazenar centenas de milhões ou bilhões de bytes (megabytes ou gigabytes) de informação que não se perdem mesmo quando a energia é cortada.

Nem sempre os discos rígidos foram usados nos PCs. Os primeiros modelos lançados pela IBM não tinham discos rígidos e tudo que se fazia precisa ser previamente carregado a partir de disquetes.

Os primeiros discos rígidos dos PCs eram extremamente "pequenos" em comparação com os atuais pois armazenavam algo em torno de 10 ou 20 megabytes.

No entanto, as tecnologias foram evoluindo e hoje os tipos de mais de 10 gigabytes já começam a se tornar frequentes e os mais comuns são os que estão na faixa de 1 a 4 gigabytes.

 

A IDÉIA BÁSICA

Os primeiros computadores que usaram sistemas baseados em magnetismo para armazenar informações eram enormes e gastavam uma quantidade de energia suficiente para alimentar uma vila. Neles, as memórias consistiam em anéis de ferrite que se magnetizavam na presença de um sinal. Dependo do sentido do campo magnético deste anel, o bit armazenado seria interpretado como 0 ou 1, conforme mostra a figura 1.

 

Memória de anéis de ferrite. Cada anel armazena 1 bit.
Memória de anéis de ferrite. Cada anel armazena 1 bit.

 

 Posteriormente, novos meios de armazenamento de informações baseados em magnetismo foram criados como as fitas contínuas e os próprios disquetes.

A idéia do disco rígido vem do próprio disquete: um disco recoberto de uma substância que pode ser magnetizada por um sinal elétrico que seja aplicado a uma cabeça, conforme mostra a figura 2.

 

Armazenamento de informações num disquete.
Armazenamento de informações num disquete.

 

Dependendo do bit que se deseja gravar, os pequenos imãs elementares que formam o material da superfície do disco, se orientam criando campos que podem ter direções opostas. Quando o disco gira, a cabeça cria regiões magnetizadas em sequência conforme os bits que precisam ser gravados.

Quando a mesma cabeça passa sobre o material para fazer a leitura, as regiões magnetizadas induzem sinais cuja polaridade depende justamente da sua orientação. Assim, conforme os bits gravados sejam zeros ou uns, o sinal obtido terá na saída a polaridade correspondente e pode ser interpretado por um circuito de leitura, conforme mostra a figura 3.

 

O sinal de saída tem polaridade de acordo com a orientação do ímã elementar que passa diante da cabeça.
O sinal de saída tem polaridade de acordo com a orientação do ímã elementar que passa diante da cabeça.

 

 Quando este princípio de funcionamento de uma memória em meio magnético usada nos disquetes (que são flexíveis) passou a ser usado com maior eficiência usando-se um disco rígido de metal, surgiu o que se denomina de disco rígido ou hard-disk, abreviado por HD em muitos manuais ou publicações técnicas.

Mas, se o princípio de funcionamento é o mesmo, a idéia de se usar um disco de metal recoberto de substância magnetizável em lugar de um disco flexível de plástico (como nos disquetes) não era simplesmente a mudança do material.

Com um disco rígido de metal e um material magnetizável com partículas elementares mais finas, seria possível gravar cada bit num espaço menor. Em outras palavras, seria possível gravar muito mais informações ou bits por centímetro, conforme mostra a figura 4.

 

Matéria
Matéria "mais fino" permite a gravação de mais informações por unidade de espaço.

 

 Além disso, seria possível "empilhar" vários discos, de modo que eles funcionassem paralelamente, facilitando assim o acesso rápido as informações e ao mesmo tempo obtendo-se uma capacidade muito grande de armazenamento.

É claro que, com o aumento da densidade das informações, surgiu a necessidade de se utilizar um sistema muito mais delicado e preciso de gravação e leitura.

Assim, com a utilização de um mecanismo muito mais preciso que o tornava vulnerável à presença das menores partículas de sujeira como, por exemplo, poeira em suspensão foi necessário vedar todo o sistema numa caixa evitando seu contacto com o ar ambiente.

Uma simples partícula de poeira ou de fumo que penetre no sistema e caia na superfície magnetizável pode impedir a leitura de diversos bits afetando assim o funcionamento de um disco rígido.

É por este motivo que os discos rígidos usados nos computadores são vedados e de modo algum devemos abri-los.

A manutenção destes discos é feita em salas especiais com atmosfera controlada (sem impurezas) e por pessoas que vestem trajes especiais.

 

AS TECNOLOGIAS

O nome disco rígido, hard-disk ou HD não é o único usado para denominar este dispositivo. A IBM, por exemplo, o chama de disco fixo (fixed disk), mas existem ainda outros nomes e alguns deles associados à tecnologia empregada e que merecem explicações.

 

a) Winchester

Este, sem dúvida é um dos nomes mais usados para o HD, e não são poucas as pessoas que se referindo a este meio de armazenamento de arquivos dizem que seu PC tem "uma winchester de tantos gigabytes".

Na verdade, estas pessoas estão associando um tipo de disco rígido (que talvez não seja o usado no seu PC) com o tipo de dispositivo.

Winchester é o nome da tecnologia usada num tipo especial de disco rígido e que foi lançada pela IBM quando apresentou sua unidade de disco rígido 3030. Ela recebeu este nome porque tinha um disco de duas faces e em cada uma delas era possível gravar 30 megabytes de informações.

Muitas pessoas associam o nome winchester ao famoso rifle que era usado pelos cowboys, e que ajudou na conquista do oeste americano, enquanto que outros dizem que o nome se deve ao fato da tecnologia ter sido desenvolvida na cidade de mesmo nome. Não consegui ainda saber qual das afirmações é verdadeira.

O importante é saber que na tecnologia winchester para os discos rígidos existe um cabeçote de leitura e gravação que é dotado de um pequeno aerofólio, como nos carros de corrida, figura 5.

 

Uma cabeça gravadora/leitora de disco rígido.
Uma cabeça gravadora/leitora de disco rígido.

 

 Quando o disco gira em alta velocidade é criada uma corrente de ar, que passando pelo aerofólio que tem o perfil de uma asa de avião, faz aparecer uma força que o levanta alguns milionésimos de polegada.

Desta forma, a cabeça de leitura "flutua" acima do disco rígido sem tocar nele, mas a uma distância suficientemente pequena para poder magnetizar os imãs elementares quando ele estiver gravando ou para perceber os campos dos imãs elementares quando estiver sendo feita a leitura de informações.

O fato do cabeçote não tocar na superfície do disco é muito importante, pois evita o desgaste por atrito.

Este funcionamento explica porque se recomenda com tanta ênfase que não se balance o computador com um disco rígido tipo winchester funcionando, pois se o cabeçote tocar na superfície do disco, ele pode raspá-lo de tal modo que os dados no local do risco serão perdidos.

 

b) Tecnologia Whitney

Uma forma de se obter um disco rígido mais eficiente, com a eliminação de alguns problemas da tecnologia winchester estão é a dos discos tipo Whitney. Neles, temos um cabeçote que se movimenta por um líquido que tem o mesmo efeito do ar, mas com maior viscosidade impedindo assim as oscilações que eventualmente possam ocorrer devido à turbulências.

 

c) Tecnologia Bernoulli

Esta é uma tecnologia extremamente interessante apresentada pela primeira vez pela Iomega Corporation. A idéia de se fazer com que o disco rígido (não tão rígido) se dobre pela força do ar em movimento quando gira justamente junto a cabeça de leitura de modo a não encostar nele.

A idéia básica vem do princípio de Berniuilli (um físico suiço) que diz que, quando um fluxo de ar ou qualquer fluido se movimenta a energia total em qualquer ponto do sistema é constante. De uma maneira simples de entender, isso significa que, se acelerarmos a passagem de um fluido, por exemplo estreitando o tubo por onde ele passa, a pressão nestes pontos diminui, conforme mostra a figura 6.

 

No estreitamento diminui a pressão e aumenta a velocidade do fluíco.
No estreitamento diminui a pressão e aumenta a velocidade do fluíco.

 

 

OS DISCOS RÍGIDOS NA PRÁTICA

Os discos rígidos modernos constam de diversos discos de metal empilhados que giram em conjunto acionados por um motor em comum. Para cada disco ou face em que as informações podem ser gravadas existem cabeças de leitura e gravação.

O uso de diversos discos empilhados tem vantagens e desvantagens. A vantagem está no fato de que em um determinado instante temos diversas cabeças posicionadas para a leitura em discos diferentes ao mesmo tempo, conforme mostra a figura 7.

 

Diversos discos são empilhados e acessados ao mesmo tempo por um conjunto de cabeças de leitura e gravação.
Diversos discos são empilhados e acessados ao mesmo tempo por um conjunto de cabeças de leitura e gravação.

 

 As trilhas que estão prontas para serem acessadas naquele instante fazem com que seja formado uma espécie de superfície que lembra um cilindro virtual. Assim, este conjunto de trilhas acessadas ao mesmo tempo pelas cabeças recebe o nome de cilindro. Assim, gerenciando o modo como são feitas as gravações podemos aumentar a velocidade de acesso, pois existe uma probabilidade maior de uma cabeça estar perto da informação desejada ou do local em que desejamos fazê-lo quando usamos diversas delas, do que se usássemos uma só.

A desvantagem está no fato de que diversos discos significam uma inércia maior para acionamento e, além disso, aumentar a altura do dispositivo.

Os primeiros discos rígidos usavam lâminas circulares de metal de 8 polegadas que logo passam a ter apenas 5 e 1/4". Hoje temos discos rígidos que usam lâminas circulares de 2,5 , 1,8, 1,3 polegadas e até menores como os que encontramos em laptops, notebooks e palmtops.

Estas lâminas circulares são feitas de alumínio extremamente fino (a espessura típica é da ordem de micropolegadas) mas existem tipos que são feitos de vidro e até mesmo de cerâmicas. Os mais comuns, entretanto são os que usam lâminas de alumínio.

A substância magnética que recobre as lâminas pode variar de fabricante para fabricante, mas a principal característica é dada pela densidade espacial, ou seja, quanto de dados pode ser gravado por unidade de área do material usado.

Nos primeiros tipos de discos rígidos utilizava-se o mesmo material das fitas comuns de áudio, ou seja, óxido de ferro ou ferroso ou ainda cromo. No entanto, como essas partículas não tem as propriedades exigidas para o armazenamento de informações com grande densidade como por exemplo a baixa coercitividade, novas substâncias passaram a ser usadas.

O que se usa atualmente são os meios peliculares (thin film) que consistem numa camada de espessura microscópica de um metal puro ou ainda de uma mistura de metais que são depositadas sobre o disco por processos eletrolíticos (deposição) ou ainda por vaporização (sputtering) conforme mostra a figura 8.

 


 

 

Com uma espessura muito menor os campos elementares que correspondem aos bits têm menos espaço para se espalhar e assim podem ocupar menos espaço. A informação pode ser gravada mais densamente nestes discos.

A deposição permite ainda que as superfícies sejam extremamente lisas e com isso o cabeçote pode ficar mais próximo. Outro ponto importante é que a maior coercitividade que faz com que os campos de cada bit sejam mais intensos facilitando a leitura.

Para os tipos comuns os valores de densidade são de 200 Megabits por polegada quadrada ou mais dependendo do tipo.

Os locais em que as informações podem ser gravadas são dividias em trilhas e setores de modo que existe um mecanismo que movimenta as cabeças para se posicionarem nas trilhas nas quais estão as informações que devem ser lida ou onde devem ser gravadas as informações, conforme mostra a figura 9.

 

Como as informações são distribuídas no disco rígido.
Como as informações são distribuídas no disco rígido.

 

 Os cabeçotes de leitura e gravação é que são responsáveis pelo acesso aos diversos pontos dos discos. Estes cabeçotes consistem em bobinas que ficam na ponta de braços que podem se mover acionados por um mecanismo apropriado denominado atuador de cabeçotes.

A importância da proximidade do cabeçote da superfície do disco se deve ao fato de que os campos magnéticos se espalham e são tanto mais fracos quanto mais longe estiverem da fonte que os produz. Assim, quanto mais próximo passar o cabeçote dos pontos em que estão os imãs elementares que armazenam as informações mais facilmente será feita a leitura e, além disso, mais próximos podem estar os imãs elementares aumentando a densidade de gravação.

 

Ficando mais próxima do meio magnético, as cabeças podem  gravar mais dados (maior densidade).
Ficando mais próxima do meio magnético, as cabeças podem gravar mais dados (maior densidade).

 

 O mecanismo que movimenta o cabeçote deve ter uma enorme precisão para posicioná-lo exatamente sobre a trilha em que desejamos gravar a informação ou lê-la.

Quanto maior for a precisão deste mecanismo mais próximas podem estar as trilhas e com isso maior quantidade de informações pode ser gravada no disco.

Existem diversos tipos de atuadores que são (ou foram) usados nos discos rígidos.

Os tipos mais antigos e que não mais são usados são os de loop aberto. Os tipos atuais de loop fechado o que significa que existe um sistema de realimentação que permite ao circuito saber quando ele posiciona na trilha certa. Estes sistemas de atuadores podem empregar diversas tecnologias como:

 

a) Band-stepper

Trata-se de um sistema bastante semelhante aos usados nos drives de disquetes. O que existe é um sistema mecânico com um motor de passo que movimenta o braço onde está o cabeçote até a trilha em que se deseja ler ou gravar dados.

O número de pulsos que o motor recebe indica para qual trilha ele deve se deslocar.

Se bem que este sistema seja simples, ele tem algumas desvantagens como por exemplo a limitação do número de trilhas que pode ser acessadas já que o motor para cada passo acessa apenas um trilha e a velocidade que é relativamente pequena, dada a inércia do próprio motor e do sistema de atuação. Na figura 11 temos um diagrama simplificado deste tipo de atuador.

 

Sistema de posicionamento por motor de passo.
Sistema de posicionamento por motor de passo.

 

 Os discos rígidos que usam este sistema de atuador já não mais são fabricados.

 

b) Servo-Voice Coil

Como o nome sugere, este sistema utiliza o mesmo princípio de funcionamento dos alto-falantes: uma bobina móvel.

O que temos é então uma bobina que está acoplada ao braço que prende o cabeçote. Quando esta bobina é percorrida por uma corrente, o campo magnético criado faz com que surja uma força que tende a movimentá-la e com isso o braço que pode então se deslocar varrendo as diversas trilhas do disco rígido.

O deslocamento do braço é proporcional à tensão aplicada à bobina e por meio de um circuito de realimentação (loop fechado) pode-se saber exatamente onde está o cabeçote posicionando-se com precisão sobre a trilha desejada, conforme mostra a figura 12.

 

O sistema de posicionamento por bobina móvel.
O sistema de posicionamento por bobina móvel.

 

 Como este sistema tem uma inércia muito menor e não precisa contar pulsos para ir até a trilha desejada, pois ele faz seu movimento baseado numa tensão que varia linearmente, sua velocidade é muito maior assim como a precisão no posicionamento dobre a trilha desejada.

Mesmo este sistema tem suas desvantagens, pois se trata de um sistema mecânico onde a inércia não pode ser completamente eliminada.

Assim, uma maneira que os fabricantes encontraram para se obter uma velocidade de acesso maior as trilhas é com a utilização de dois atuadores.

A Conner Peripherials, por exemplo, desenvolveu um disco rígido com dois atuadores. Em lugar de usar um cabeçote por disco, o sistema utiliza dois cada qual tendo o seu sistema de atuadores independente. Usando circuitos multiplexados, recebendo sinais que são distribuídos por um programa "inteligente", ele faz com que, tão logo um cabeçote se posicione numa trilha para ler ou gravar uma certa quantidade de dados, o outro já fica esperando na trilha que deve ser acessada imediatamente, colocando assim o tempo de acesso sobreposto ao tempo de uso eficaz na gravação ou leitura de dados, conforme sugere a figura 13.

 

Sistema multiplex da Conner Peripherals.
Sistema multiplex da Conner Peripherals.

 

 

É claro que o uso de discos rígidos deste tipo exige versões especiais do DOS que já prevêem esta possibilidade.

 

CONCLUSÃO

As capacidades dos discos rígidos aumentam dia a dia e avanços tecnológicos mostram que é possível gravar cada vez mais dados em discos menores com trilhas mais "apertadas" e materiais com propriedades magnéticas apropriados.

No entanto, os discos rígidos que usamos nos nossos computadores ainda usam o mesmo princípio básico dos primeiros HDs que equipavam computadores de duas décadas atrás.

O que muda é a tecnologia, mas o princípio de funcionamento que estudamos se mantém e deve ainda ficar assim por um bom tempo, até que alguma inovação os torne obsoletos.

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