Como funcionam os discos rígidos?

Como funcionam os discos rígidos?

Discos rígidos são os principais responsáveis por guardar arquivos em um computador. Criado na década de 50, os primeiros HDs (derivação de HDD, Hard Disk Drive) tinham algo em torno de 50 centímetros (!) de diâmetro e capacidade muito, mas muito baixa!
O primeiro HD foi construído pela IBM em 1957. Era formado por 50 discos magnéticos e tinha capacidade para 5 MB (!) de armazenamento.

Disco rígido.

Antigamente, eles eram chamados de discos fixos e “winchesters”, no caso de um produto da IBM que era popular na época. O disco rígido é uma memória não-volátil, ou seja, as informações não são perdidas quando o computador é desligado, sendo considerado o principal meio de armazenamento de dados em massa. Por ser uma memória não-volátil, é um sistema necessário para se ter um meio de executar novamente programas e carregar arquivos contendo os dados inseridos anteriormente quando ligamos o computador.

Leitura e escrita

Os discos rígidos são escritos e lidos através de magnetismo. Para que isso tudo funcione, há uma superfície rígida, que é o prato/disco propriamente dito. Os discos são recobertos por uma camada magnética extremamente fina. Em um disco rígido, o material de gravação magnética forma uma camada sobre um disco de alumínio ou vidro de alta precisão, que é polido para ficar bem liso.
Para a leitura e gravação nesta camada fina, o disco rígido possui uma cabeça magnética, que fica incrivelmente próxima do prato, mas não a toca. Inclusive aproveito a informação para reforçar uma verdade: movimentos bruscos em um computador podem danificar o disco rígido, pois algo como uma batida no gabinete pode fazer com que a cabeça magnética do disco rígido toque no prato, causando perda de dados ou corrompendo-os.
Os discos de uma HD geralmente giram em velocidades de 5.400, 7.200 ou até 10.000 RPM (Rotações Por Minuto). O braço com a cabeça magnética é gerenciada por um mecanismo que faz com que a cabeça magnética possa percorrer desde o centro do disco até a borda, permitindo assim um alcance geral. Um braço de HD leva a cabeça magnética do centro do disco até a borda aproximadamente 50 vezes por segundo!

Alguns discos rígidos usam mais de um prato para que o armazenamento seja maior. Consequentemente, haverá mais cabeças magnéticas.

Como os dados são armazenados?

Os dados são armazenados em trilhas e setores. Imagine uma volta no disco, isso pode ser atrelado a uma trilha; o setor é um pedaço da trilha, dividida igualmente num HD. Ele é a menor divisão física do disco, e possui na grande maioria das vezes 512 bytes. Um cluster, ou agrupamento, é a menor parte reconhecida pelo sistema operacional, e pode ser formado por vários setores. Um arquivo com um número de bytes maior que o tamanho do cluster, ao ser gravado no disco, é distribuído em vários desses clusters. Porém, um cluster não pode pertencer a mais de um arquivo.

Formatações e seus tipos

A formatação serve para preparar um disco rígido para que possa guardar arquivos. Ela organiza os setores e trilhas de modo que o sistema possa aproveitá-los por completo, além de isolar bad blocks para evitar problemas no disco.
Existem dois tipos de formatação: física e lógica. A formatação física é feita apenas uma vez na fábrica, para  dividir o disco virgem em trilhas, setores, cilindros e procurar e isolar bad blocks. A formatação física é única, não existe maneira alguma de refazê-la por software. A formatação lógica é a feita pelos utilitários dos sistemas operacionais, pode ser feita quantas vezes for necessário e serve para que o sistema reconheça o sistema operacional e use de todo o espaço disponível.

Sistema de arquivos do Windows.

A formatação lógica varia de cada sistema operacional, que organiza os arquivos de determinadas maneiras. Esse é o sistema de arquivos. O mais usado no Windows, por exemplo, é o NTFS (NT File System). Haviam rumores de que o Windows 8 teria seu próprio sistema de arquivos. Em junho desse ano, o tal sistema se chamava Protogon. Já no início de dezembro os rumores indicavam que o sistema mudou de nome para ReFS. Os sistemas de arquivos são conjuntos de estruturas lógicas e de rotinas que permitem aos sistemas operacionais o controle absoluto de acesso ao disco rígido.
Ao contrário da formatação de baixo nível, a formatação lógica não apaga os dados do disco, apenas reescreve o disco de maneira que o espaço usado por “alguma coisa” seja liberado para ser sobrescrito com “outra coisa”.

Formatação de baixo nível

Este é o famoso Zero Fill. A formatação de baixo nível é um método que apaga todos os dados de maneira que nenhum software possa encontrá-los posteriormente. Ela reescreve todo o HD com “zeros”. Como os HDs armazenam dados usando o sistema binário (0, 1), um HD completamente zerado é vazio e não possui nenhum dado escrito.
Os setores dos discos rígidos possuem três subpartes: o preâmbulo, o dado e o ECC. O preâmbulo serve para indexar o dado e dizer para qualquer coisa que aquele dado está ali; o dado é a informação contida e o ECC procura e corrige erros.
A formatação lógica apaga apenas os preâmbulos, deixando o espaço que aquele dado ocupa constando como “vazio”, podendo ser ocupado por outro dado. Os programas para recuperação de dados apagados, como o Recuva, conseguem recuperar dados que foram apagados “permanentemente” do Windows, reconstruindo os preâmbulos daquele arquivo perdido, desde que os dados não tenham sido sobrescritos por outros.
A formatação de baixo nível sobrescreve todo o disco com zeros, por isso impossibilita a recuperação de qualquer arquivo. Ela é, muitas vezes, considerada erroneamente como formatação física por algumas pessoas, mas na realidade não é. Lembrem-se que a formatação física é feita após a confecção do hardware na fábrica, e não há maneira de fazer esta por software.
Apesar de toda a segurança deste tipo de formatação, não é recomendado executar o procedimento sem necessidade. O Zero Fill, dependendo da capacidade do disco, pode demorar mais de 12 horas de trabalho ininterrupto, feito mecanicamente dentro do HD. Se o procedimento for feito frequentemente, o desgaste mecânico do HD é iminente e pode levá-lo a perda total. Porém, fazer uma vez por necessidade (como por exemplo vender o computador e sentir receio do novo usuário ser curioso e rodar um programa de recuperação) não trará problemas.
Há quem diga que o Zero Fill ajuda a recuperar e ressuscitar um disco defeituoso. Não é exatamente isso que acontece. Se o problema do disco não for mecânico, o disco poderá ser ressuscitado sim, já que ele pode excluir um vírus que não pode ser excluído sem destruir o setor de inicialização ou reparar um bad block impossível de ser reparado por software.

Bad blocks

Bad Block (setor defeituoso): Danos causados fisicamente a um disco rígido.

Como é teoricamente impossível de abrir um disco rígido para repará-lo — já que isso causará mais danos de modo que o disco parará de funcionar — bad blocks são marcados para não serem usados para leitura ou gravação de dados.
Do Hardware.com.br:

Verificar Disco Disco Local?

Os HDs atuais são capazes de marcar automaticamente os setores defeituosos. A própria controladora faz isso, independentemente do sistema operacional. Existe uma área reservada no início do disco chamada “defect map” (mapa de defeitos) com alguns milhares de setores que ficam reservados para alocação posterior. Sempre que a controladora do HD encontra um erro ao ler ou gravar num determinado setor, ela remapeia o setor defeituoso, substituindo-o pelo endereço de um setor “bom”, dentro do defect map. Como a alocação é feita pela própria controladora, o HD continua parecendo intacto para o sistema operacional.

Nos sistemas operacionais, os utilitários responsáveis para verificação do disco à procura de bad blocks (Scandisk, no Windows e Badblocks, no Linux) não jogam os bad blocks no defect map, mas sim em uma área separada da partição.
Quando um disco tem muitos bad blocks, quer dizer que ele está próximo de ir pro além, então, evite ao máximo continuar usando-o, faça backup dos seus arquivos e compre um novo. Se o HD ainda funcionar, ele pode até ser usado para testes em uma máquina velha…

Desfragmentação

Tô vendo que meu HD tá uma bela caca.

A desfragmentação de disco é uma tarefa de manutenção do computador. A fragmentação de arquivos ocorre quando arquivos do disco rígido são constantemente modificados, fazendo com que eles acabem sendo armazenados “em pedaços” (os fragmentos propriamente ditos), fazendo com que a leitura e gravação dos mesmos seja muito mais lenta do que se ele estivesse armazenado em um único “pedaço”.
O disco rígido terá de procurar por cada pedaço do arquivo, para poder abrí-lo. Pode não ser aparente, mas à medida que o tempo passa, os arquivos vão demorando cada vez mais para serem abertos, principalmente quando são arquivos únicos e grandes, com mais de 1 GB de tamanho.
Alguns servidores e administradores responsáveis por eles esquecem de fazer uma desfragmentação nos discos do servidor. Como eles trabalham constantemente, e arquivos são modificados até várias vezes por minuto, eles acabam tendo a performance muito piorada ao usar o sistema operacional dele.
Hard gamers também sofrem com problemas de desempenho quando não desfragmentam o disco regularmente. Jogos mexem com muitos arquivos no disco ao serem executados e, com o tempo, isso resulta em uma piora na performance.

Leia mais: O básico da desfragmentação de discos para usuários domésticos

Capacidades

As fabricantes, empresas, varejistas e o mercado em geral vende discos rígidos com uma capacidade nominal, mas que na verdade não é exatamente assim que funciona. As empresas vendem computadores e discos considerando 1 GB como sendo 10⁹ bytes. Esse é o padrão do Sistema Internacional. Porém, não é assim que funciona. Já percebeu que, quando você compra um disco rígido novinho, ele diz ter 1 TB e, quando você exibe ele vazio, tem apenas 931 GB? Pois bem.
O SI usa os números em potência de base 10, tendo 1 KB como 1000 (10³) bytes, consequentemente,

• 1 MB = 1.000.000 bytes = 10⁶ bytes
• 1 GB = 1.000.000.000 bytes = 10⁹ bytes,
• 1 TB = 1.000.000.000.000 = 10¹² bytes e por aí vai.

Na realidade, o SI não considera a unidade originária do byte, o bit. 1 byte possui 8 bits. Para os computadores, representar 256 números binários é suficiente. Por isso, os bytes possuem 8 bits. Como um bit representa dois valores (0 e 1) e um byte representa 8 bits, basta fazer 2 (do bit) elevado a 8 (do byte) que é igual a 256, ou seja 2⁸ = 256.

Meu HD é de "500 GB" e está dividido em uma partição de 426 GB e outra de 39 GB. Some as duas. Dá 500 GB?

No prefixo binário, os números são potências de base 2. 1 KiB (kibibyte, o real kilobyte, considerando os bits como unidade originária do byte) é igual a 1024 (2¹⁰) bytes. Assim,

• 1 MiB = 1.048.576 bytes = 2²⁰ bytes
• 1 GiB = 1.073.741.824 bytes = 2³⁰ bytes
• 1 TiB = 1.099.511.627.776 bytes = 2⁴⁰ bytes e, sucessivamente, o expoente da potência sobe 10 unidades.

Apenas a título de curiosidade, HDs de:

• 60 GB tem realmente 55,87 GB;
• 120 GB tem realmente 111, 76 GB;
• 250 GB tem realmente 232,83 GB;
• 500 GB tem realmente 465,66 GB; (ahá, veja a imagem)
• 1 TB tem realmente 931,32 GB;
• 1,5 TB tem realmente 1.396,68 GB;
• 2 TB tem realmente 1.862,64 GB;

Ou seja, sobrou pra gente botar fogo nas fabricantes de HDs pra elas trabalharem direito. Ou não…. Sim?

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