Apresentando o mundialmente famoso Hard Disk Drive ou, Disco Rígido:

A unidade de disco rígido (HDD – Hard Disk Drive) é o tipo de armazenamento mais utilizado como sistema de armazenamento principal, começando nos computadores e posteriormente em notebooks. Seu funcionamento é similar a qualquer outro tipo de dispositivo de armazenamento digital, escrevendo bits de dados para serem lidos posteriormente. É um sistema de armazenamento “não volátil”, ou seja quando desligado é capaz de manter os dados salvos sem a necessidade de uma fonte de energia. Somando à sua crescente capacidade de armazenamento e preço mais acessível tornou o disco rígido (ou mecânico) um dos periféricos mais utilizados em computadores domésticos, mesmo tendo evoluído muito desde os primeiros modelos permanece com o mesmo sistema de funcionamento.

Como as informações são digitalmente preservadas em um disco rígido ?!

Começando pelo formato, internamente estão dispostos uma série de objetos em forma de discos metálicos e magnéticos conhecidos como “pratos” ou “platters”.

A placa-mãe e a CPU através de software informam ao que é conhecido como “cabeça de leitura e gravação” aonde se movimentar nas superfícies dos “pratos”, fornecendo uma carga elétrica para um “setor” dele. Cada setor representa uma parte isolada do disco contendo milhares de subdivisões, aptas a reconhecer uma carga elétrica. Os discos rígidos mais modernos possuem 4096 bytes ou 32768 bits por tamanho de setor, neles a carga magnética em cada bit se traduz em sequências binárias de dados de 1 ou 0. Repetindo essa sequência quando lidos de volta podem fornecer instruções à CPU, por exemplo atualizando o sistema operacional ou abrindo um arquivo como um documento no editor de texto.

À medida que os discos rígidos foram evoluindo, houve uma mudança na maneira na orientação dos setores nos discos. Enquanto os primeiros modelos foram fabricados para “Gravação Longitudinal” – significando que o lado maior do prato é guiado horizontalmente – os próximos adotaram um método diferente chamado “Gravação Perpendicular” onde os setores são empilhados no final do disco. Alteração definida pelos fabricantes de discos rígidos por estarem atingindo o limite de quão pequeno os setores poderiam ser durante o “Efeito Superparamagnético”. De maneira geral o efeito superparamagnético significa que os setores do disco rígido menores que um determinado tipo irão lançar uma randômica e aleatória carga magnética com base na temperatura. Esse fenômeno pode causar um armazenamento impreciso de dados, especialmente devido ao calor emitido por um disco rígido em atividade.

A gravação perpendicular por outro lado pode ser uma desvantagem por aumentar a sensibilidade aos campos magnéticos causando eventuais erros de leitura, apresentado a necessidade de braços de leitura e gravação mais precisos.

Explicando como o software influencia a forma como as informações são preservadas no disco rígido:

Agora já apresentada o modo de operação física do disco rígido, vamos observar como os sistemas operacionais como Windows, MacOS e Linux utilizam a unidade de diferentes maneiras porém atraindo para um assunto importante e comum em armazenamentos de dados em discos mecânicos, ocorrendo em praticamente todos os sistemas operacionais citados acima.

Explicando a Fragmentação de Arquivos:

Como as atividades de leitura e gravação ocorrem de maneira aleatória, uma condição natural no armazenamento é a fragmentação dos dados registrados. Num cenário onde uma atualização não seja armazenada diretamente após a instalação de um programa, é muito provável que outra informação seja armazenada em local próximo e dessa maneira a atualização será disposta mais distante dos arquivos principais desse programa. Em razão do tempo físico necessário para o braço de leitura e gravação se movimentar, essa fragmentação pode ocasionalmente reduzir significativamente o desempenho do sistema operacional, por conta do braço precisar buscar partes cada vez mais separadas no disco. Ciente dessa, condição muitos sistemas operacionais costumam vir com um programa de desfragmentação, capaz de reorganizar as informações do disco rígido porém deve ser executado manualmente e em momentos específicos pois o tempo de conclusão está diretamente relacionado ao nível de desfragmentação e o espaço ocupado na unidade de armazenamento, recomendando também não utilizar nenhum programa durante a desfragmentação senão ele tenderá a retomar do início por conta dos novos ciclos de leitura e gravação.

Começando pelo Windows:

Partindo dos primórdios desse sistema operacional, com linguagem básica de computador conhecida como MS-DOS (Microsoft Disk Operating System – Sistema Operacional de Disco da Microsoft) e seguindo para o sistema de gerenciamento de arquivos conhecido como NTFS (New Technology File System – Nova Tecnologia de Sistema de Arquivos) como padrão da empresa desde 1993. Em seu funcionamento ao receber uma instrução de gravação, o sistema de arquivos NT armazena as informações o mais próximo possível do centro do disco/prato. Ainda que seja uma metodologia funcional, ela deixa uma pequena zona vazia (buffer) entre esses diferentes arquivos, provocando a desfragmentação. Por conta desse pequeno tamanho de buffer (zona vazia), o Windows tende a ser mais vulnerável a fragmentação.

Seguindo para o Mac OSX :

Linux e OSX são sistemas operacionais relativamente derivados do Unix, ainda assim adotam diferentes sistemas de arquivos onde o OSX utiliza o protocolo HFS+ (Hierarchical File System Plus – Hierárquico Sistema de Arquivos Superior) substituindo o anterior HFS a diferença para o HFS+ é sua capacidade de lidar com uma maior quantidade de dados num determinado momento, sendo 32bits e não 16bits. Diferente do Windows, o OSX não precisa de uma ferramenta dedicada para desfragmentação, evitando o problema ao não utilizar o espaço no disco rígido liberado recentemente – ao excluir um arquivo por exemplo – atuando de maneira diferente ao pesquisar por setores maiores e livres no disco rígido para armazenar novos dados. Aumentando o espaço próximo aos arquivos mais antigos para possíveis atualizações. O HFC+ possui também uma solução integrada chamada HFC (Hot File adaptive Clustering – Agrupamento adaptável de Arquivo Ativo) responsável por realocar os dados acessados com maior frequência para setores especiais no disco chamadas “Zona Quente”, visando acelerar o desempenho. No entanto, é um processo funcional apenas quando a unidade estiver com ocupação inferior a 90%, acima disso problemas de realocação ocorrerão. São condições que em conjunto transformam a fragmentação um problema para usuários de OSX

Concluindo com o Linux:

Por ser um sistema operacional de código aberto, o Linux permitiu o desenvolvimento das mais variadas versões conhecidas como distribuições, para as mais variadas aplicações. Distribuições mais atuais do Ubuntu por exemplo utilizam o sistema de arquivos Ext4. Nele reside a melhor solução contra fragmentação, distribuindo os arquivos por todo o disco rígido, permitindo a eles muito espaço para aumentar de tamanho sem interferir uns com os outros. Quando um arquivo precisar de mais espaço, o sistema operacional automaticamente tentará mover os arquivos ao redor, garantindo mais espaço, considerando também a capacidade atual da maioria dos discos rígidos, é uma metodologia que não representa desperdício nem resulta em fragmentação, até o disco rígido superar 85% de sua capacidade.

Pequeno comparativo entre uma unidade SSD/NVME e uma unidade HDD:

Em decorrência da evolução natural, tem se difundido nos últimos anos uma nova tecnologia com a proposta de substituir os HDD´s e junto seus problemas característicos. Os SSD´s (Solid State Drive – Disco de Estado Sólido) e NVME (Non-Volatile Memory Express – Memória Expressa Não-Volátil) são novas tecnologias de memória não-volátil armazenando ou não num pequeno capacitor uma carga positiva. O resultado é uma unidade de armazenamento muito mais veloz do que os discos magnéticos, inexistindo partes móveis ou mecânicas eliminando assim demora na movimentação nos braços de leitura/gravação, sem nada móvel existente resulta numa maior confiabilidade.

Como desvantagem as unidades de estado sólido não existem níveis perceptíveis de deterioração como nos discos rígidos, enquanto neles os sintamos costumam ser certos “cliques” na movimentação das cabeças de leitura/gravação, extrema lentidão no processo de leitura e escrita senão detecção de setores ruins numa análise de superfície. Nas unidades de estado sólido sua indisponibilidade será imediata e inesperada dificultando a até impossibilitando a recuperação das informações mesmo de maneira profissional. Por essa condição é recomendado utilizar um software de monitoramento específico para o modelo escolhido, promovendo análises rotineiras que ao perceber potenciais anormalidades irá avisar ao usuário desde a execução de cópias de segurança até mesmo a substituição do periférico.

Unidades de Estado Sólido, a desfragmentação também é necessária ?!

Ainda que o processo de empilhar dados e a distribuição deles por todo o espaço de armazenamento ainda esteja presente, inexiste o atraso na busca por informações pela ausência dos braços de leitura/gravação e outras partes mecânicas como a própria velocidade de rotação dos discos magnéticos. Apesar da fragmentação não afetar em absolutamente nada o desempenho do periférico, interfere na vida útil dele pois a dispersão de dados podem reduzir sua vida útil. Interferir no funcionamento dos discos de estado sólido e seus ciclos extras de gravação ao aplicar a desfragmentação afetam a durabilidade da unidade de armazenamento, motivo que desestimula sua execução em grande parte pelo impacto praticamente imperceptível. Com a respectiva ressalva um sistema de arquivos num disco de estado sólido pode chegar em algum momento à necessidade de uma desfragmentação. Para o disco rígido a desfragmentação automática diária ou semanal poderia proporcionar melhorias no desempenho, enquanto para o disco de estado sólido ela até poderia ser efetuada, ao longo de sua vida útil, determinadas vezes.

Conclusão:

Aqui conhecemos de maneira inicial o funcionamento de um disco rígido, ou disco magnético ou winchester (já é uma outra história ) e como quase todas as peças do computador são utilizadas de maneira tão natural que poucos tem o interesse ou realmente sabem sobre suas características.

As tendências motivam novas tecnologias onde as memórias não-voláteis utilizadas em SSD e outras unidades de armazenamento ocupam cada vez mais espaço nos computadores, notebooks e servidores, mesmo assim o disco rígido tem permanecido grande concorrente graças ao seu custo/benefício e diversidade de tamanhos atendendo além de computadores sejam domésticos ou profissionais.