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Principi di funzionamento di un disco fisso (hard-disk)

L’hard disk o disco rigido (anche chiamato disco fisso) è un dispositivo utilizzato per la memorizzazione a lungo termine dei dati in un computer. È costituito fondamentalmente da uno o più dischi in alluminio o vetro, rivestiti di materiale ferromagnetico in rapida rotazione e da due testine per ogni disco (una per lato), le quali, durante il funzionamento "volano" alla distanza di pochi centesimi di nanometro dalla superficie del disco leggendo e scrivendo i dati. La testina è tenuta sollevata dall'aria mossa dalla rotazione stessa dei dischi che può superare i 15.000 giri al minuto.

Le caratteristiche principali di un hard disk sono:

la capacitÃ

il tempo di accesso

la velocità di trasferimento

La capacità è in genere espressa in gigabyte (GB). I produttori usano i gigabyte metrici, invece delle approssimazioni per potenze di due usate per la memoria. Questo significa che la capacità di un hard disk è in realtà un poco più piccola di quella di un modulo di memoria con la stessa capacità , e lo scarto aumenta all'aumentare delle dimensioni. Gli hard disk si trovano in vendita con capacità comprese tra 40 e 750 gigabyte. La capacità può essere aumentata incrementando la densità con cui le informazioni vengono memorizzate sui dischi, oppure usando dischi più grandi o impiegandone un numero maggiore. La rincorsa a unità sempre più capienti non conosce soste, il primato di capacità (750 GB) detenuto da maggio 2006 dal modello Barracuda 7200.10 di Seagate è stato superato dal modello Deskstar 7K1000 di Hitachi presentato il 5 gennaio 2007, 1 TB su 4 piatti , con una densità di 23 miliardi di bit per centimetro quadro, parallelamente scende anche il costo per GB, il prezzo annunciato di questa unità è inferiore a 400$.

Il tempo di accesso è la variabile più importante nel determinare le prestazioni di un hard disk, ma spesso non viene menzionata dal produttore. Si tratta del tempo medio necessario perché un dato posto in una parte a caso dell'hard disk possa essere reperito. Il tempo impiegato dipende dal fatto che la testina deve spostarsi, e contemporaneamente il disco deve girare finché il dato interessante non si trova sotto la testina (latenza rotazionale). I produttori cercano perciò di realizzare testine sempre più leggere (che possono spostarsi più in fretta perché dotate di minore inerzia) e dischi che girano più velocemente. Il tempo di accesso tipico per un hard disk consumer è attorno ai 10 millisecondi. Per un hard disk ad alte prestazioni (15.000 giri) è di 3 o 4 millisecondi.

La velocità di trasferimento è la quantità di dati che l'hard disk è teoricamente in grado di leggere o scrivere sul disco in un determinato tempo (in genere si prende 1 secondo come riferimento). Usare dischi che ruotano più velocemente o incrementare la densità di memorizzazione porta ad un miglioramento diretto della velocità di trasferimento. C'è da dire che, a parte casi particolari, la velocità di trasferimento teorica viene raramente raggiunta e il tempo di accesso è quello che maggiormente influenza le prestazioni di un hard disk.

Oltre alle tre viste sopra, altre caratteristiche influenzano in misura minore le prestazioni di un hard disk. Tra queste:

il buffer di memoria

la velocità dell'interfaccia

Il buffer è una piccola memoria cache (in genere di alcuni megabyte) posta a bordo dell'hard disk, che ha il compito di memorizzare gli ultimi dati letti o scritti dal disco. Nel caso che un programma legga ripetutamente le stesse informazioni, queste possono essere reperite nel buffer invece che sul disco. Essendo il buffer un componente elettronico e non meccanico, la velocità di trasferimento è molto maggiore, nel tempo, la capacità di questa memoria è andata sempre aumentando, attualmente 16 MB sono una dimensione abbastanza usuale.

L' interfaccia di collegamento tra l'hard disk e la scheda madre (o, più specificatamente, il controller) può influenzare le prestazioni perché specifica la velocità massima alla quale le informazioni possono essere trasferite da o per l'hard disk. Le moderne interfacce tipo ATA133, Serial ATA o SCSI possono trasferire centinaia di megabyte per secondo, molto più di quanto qualunque singolo hard disk possa fare, e quindi l'interfaccia non è in genere un fattore limitante. Il discorso può cambiare nell'utilizzo di più dischi in configurazione RAID, nel qual caso è importante utilizzare l'interfaccia più veloce possibile, come per esempio la Fibre Channel da 2 Gb/s.

Principi logici di memorizzazione dei dati

I dati sono generalmente memorizzati su disco seguendo uno schema logico ben definito. Uno dei più diffusi è il cosiddetto CHS acronimo per il termine inglese Cylinder/Head/Sector (Cilindro/Testina/Settore). In questa struttura i dati sono memorizzati tenendo presente le seguenti strutture:

Piatto . Un hard disk si compone di uno o più dischi paralleli, di cui ogni superficie, detta "piatto", è destinata alla memorizzazione dei dati.

. Un hard disk si compone di uno o più dischi paralleli, di cui ogni superficie, detta "piatto", è destinata alla memorizzazione dei dati. Traccia . Ogni piatto si compone di numerosi anelli concentrici numerati, detti tracce.

. Ogni piatto si compone di numerosi anelli concentrici numerati, detti tracce. Cilindro . L'insieme di tracce alla stessa distanza dal centro presenti su tutti i dischi è detto cilindro. Corrisponde a tutte le tracce aventi il medesimo numero, ma diverso piatto.

. L'insieme di tracce alla stessa distanza dal centro presenti su tutti i dischi è detto cilindro. Corrisponde a tutte le tracce aventi il medesimo numero, ma diverso piatto. Settore . La suddivisione in "spicchi" uguali a cui è sottoposto ogni piatto.

. La suddivisione in "spicchi" uguali a cui è sottoposto ogni piatto. Blocco . L'insieme di settori posti nella stessa posizione in tutti i piatti.

. L'insieme di settori posti nella stessa posizione in tutti i piatti. Testina. I dati sono acceduti sul disco in scrittura o in lettura da una testina. Ogni piatto ha associata una testina, la cui posizione è solidale con tutte quelle presenti su ogni piatto. In altre parole, se una testina è posizionata sopra una traccia, tutte le testine saranno posizionate nel cilindro a cui la traccia appartiene.

Questa struttura introduce una geometria del disco che consta in una serie di "coordinate" CHS, esprimibili indicando cilindro, testina, settore. In questo modo è possibile indirizzare ciascun blocco di dati presente sul disco. Ad esempio, se un hard disk si compone di 2 dischi (o equivalentemente 4 piatti), 16384 cilindri (o equivalentemente 16384 settori per piatto) e 16 settori di 4096 bytes per traccia, allora la capacità del disco sarà di 4x16384x16x4096 bytes, ovvero 4 Gb.

Il fattore di interleaving è il numero dei settori dell'hard disk che si deve saltare per leggere consecutivamente tutti quelli della traccia. Ciò dipende strettamente dalle caratteristiche prestazionali dell'hard disk stesso, cioè dalla velocità di rotazione del disco, dal movimento dei seekers con le relative testine e dalla velocità di lettura-scrittura della stessa testina.

Tale processo è stato introdotto poiché la testina, nella lettura e nella scrittura, non è veloce quanto la velocità di rotazione dell'hard disk, quindi, invece di ritrovarsi all'inizio del settore consecutivo, si trova in un punto diverso, come ad esempio a metà del successivo o oltre. Alternando i settori in modo regolare e leggendoli secondo lo specifico interleaving factor, si velocizza l'hard disk e il pc.

Altre caratteristiche

Gli hard disk sono prodotti in due dimensioni standardizzate, i 3,5 pollici e 2,5 pollici. I primi sono utilizzati nei personal computer, i secondi nei computer portatili e dovunque ci sia poco spazio e/o potenza di alimentazione. Entrambi i formati sono utilizzati anche per realizzare memorie di massa esterne ai computer, collegabili tramite un cavo USB o FireWire, adottate quando sia necessario ampliare la capacita di memorizzazione del computer o quando occorra trasportare agevolmente grandi quantità di dati. Nel formato più piccolo l'alimentazione avviene tramite il cavo dell'interfaccia, quello maggiore fa uso di un alimentatore dedicato; attualmente (autunno 2006), il primato di capacità per questo tipo di periferica lo detiene il costruttore LaCie, con unità da 2 Terabyte. Il miglior rapporto tra capacita e prezzo è il taglio da 320 Gigabyte, due costruttori, Seagate Technology e Western Digital forniscono queste periferiche con le stesse unità destinate ai RAID, ovverosia con un MTBF di 1.200.000 ore (100 anni). Gli hard disk da 2,5" sono infatti più piccoli e meno esigenti, ma al prezzo di capacità e prestazioni sensibilmente minori e costi maggiori (ad esempio, una velocità di rotazione di 4600 o 5400 rpm, invece dei 7200 rpm o più degli hard disk da 3,5). Recentemente sono stati prodotti hard disk in formato compact flash di tipo II, grandi solo due o tre centimetri e spessi quanto una carta di credito, ma contenenti comunque alcuni gigabyte di memoria (come ad esempio i modelli IBM Microdrive). L'ideazione da parte di Hitachi nel 2005 del cosiddetto metodo di "registrazione perpendicolare" sembra aprire la strada ad una nuova generazione di hard disk, con capacità dieci volte maggiori a parità di dimensioni (o, parallelamente, dimensioni 10 volte minori a parità di capacità ), grazie ad una maggiore densità con cui le informazioni vengono memorizzate nel materiale magnetizzato che costituisce i piatti dell'hard disk.

Gli hard disk più veloci sviluppano molto calore. Alcuni devono addirittura essere raffreddati con ventole apposite.

Il suono emesso da un hard disk è composto da un sibilo continuo, dato dalla rotazione dei dischi ad alta velocità , e da un crepitio intermittente, di cui ogni clic corrisponde ad un movimento della testina. Dato che il rumore può essere molto fastidioso, i produttori di hard disk possono scegliere tra realizzare un hard disk silenzioso ma lento, o rumoroso ma veloce. Per maggiore flessibilità in alcuni hard disk la velocità della testina è impostabile via software; alcuni produttori, per ridurre di qualche decibel il rumore, adottano la bronzina come supporto dell'albero rotante al posto del cuscinetto.

Hard disk IDE

L'interfaccia più comune è quella IDE, poi evolutasi in EIDE e ATA. Un cavo piatto, solitamente grigio, è usato per connettere l'hard disk alla scheda madre. Spesso il cavo ha un terzo connettore per poter usare un altro hard disk (o altre periferiche ATA come i lettori cd) con lo stesso cavo. In tal caso, per poter distinguere tra le due periferiche, esse devono essere configurate una come master e una come slave. Questa configurazione può avvenire sia manualmente, spostando dei jumper presenti sulle periferiche, sia automaticamente se esse sono impostate come cable select. In quest'ultimo caso è la scheda madre a decidere chi è il master e chi lo slave. Questo è particolarmente utile quando si utilizzano dischi fissi vecchi, o nel caso di bassa compatibilità tra unità diverse (ad esempio due dischi fissi, ma anche un disco fisso e un lettore CD).

Una scheda madre ha solitamente due connettori IDE (primario e secondario, detti spesso canali e impropriamente controller), ad ognuno dei quali è possibile connettere due unità per un totale di quattro periferiche. Non mancano schede madri con quattro connettori. Il cavo IDE non porta l'alimentazione elettrica necessaria per il funzionamento delle periferiche, che quindi devono essere connesse all'alimentatore per mezzo di un cavo separato.

Tipicamente, un personal computer ha un disco fisso come master sul canale IDE primario, ma a seconda del sistema operativo utilizzato esso può risiedere su una qualunque interfaccia IDE.

Ecco un esempio delle possibili connessioni all'IDE di un pc:

Canale primario: master: hard disk; slave: lettore cd (con il jumper su cable select)

Canale secondario: master: hard disk; slave: masterizzatore DVD

Impostazione di master, slave, cable select

Ogni unità che può essere connessa ad un cavo IDE (hard disk, lettore/masterizzatore CD/DVD) possiede un gruppo di pin nella parte posteriore, tra il connettore per il cavo IDE e quello per l'alimentazione, che possono essere collegati a due a due da un apposito jumper. La posizione dei jumper per ottenere le diverse funzioni è normalmente descritta sull'etichetta che riporta le caratteristiche dell'hard disk.

Impostazione delle partizioni

Ogni disco fisso può essere configurato con una o più partizioni. Una partizione è una porzione del disco fisso. Un disco fisso può avere fino a quattro o più partizioni, anche se tipicamente è organizzato in modo da averne una unica. Queste partizioni possono essere primarie o secondarie, queste ultime chiamate anche estese. Le partizioni possono essere tutte di tipo primario, mentre può essere possibile avere una sola partizione di tipo secondario. In caso di una organizzazione del disco con più partizioni primarie, può essere attiva una sola partizione primaria per volta, mentre per le altre ne viene inibito l'accesso. Le partizioni estese vengono utilizzate per creare distinte unità logiche: porzioni più piccole di disco fisso contrassegnate da lettere alfabetiche diverse.

Precauzioni (non aprite mai un hard disk!)

Se si dovesse tentare una riparazione fai-da-te di un hard disk senza l'adeguata strumentazione (camera bianca), si potrà talvolta arrivare allo smontaggio della parte elettronica, ma qualsiasi tentativo di aprire la parte sigillata che contiene le parti mobili dell'hard disk quasi sicuramente tramuterà il problema in un danno irreversibile in quanto anche un piccolissimo granello di polvere renderà inutilizzabile il supporto. Spesso i centri assistenza specializzati e professionali faranno poi pagare molto caro anche il solo tentativo di riparazione.

Serial ATA

Negli ultimi anni con l'evoluzione delle periferiche di memorizzazione l'interfaccia ATA ha mostrato i suoi limiti tecnologici e quindi è stata sostituita da una nuova versione chiamata serial ATA. Questa nuova interfaccia ha come principale caratteristica quella di trasmettere i dati in modo seriale e quindi invece di utilizzare quaranta fili per trasmettere i dati ne utilizza solo due, uno per trasmettere i dati e uno per ricevere, oltre a due fili per le masse. In realtà il cavo è a sette fili dato che lo standard utilizza anche alcuni fili come segnali di controllo.

Informazioni tratte da Wikipedia. Per maggiori informazioni consultare la voce “hard-disk” su Wikipedia