Disco rigido
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Il disco rigido o hard disk (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 poche decine di nanometri 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.
[modifica] Storia
L'hard disk è stato inventato nel 1956 dall'IBM. Il primo prototipo era costituito da 50 dischi del diametro di 24 pollici (circa 60 cm) e poteva immagazzinare circa 5 megabyte di dati. La denominazione originaria era fixed disk (disco fisso), il termine hard disk (disco rigido) nacque intorno al 1970 per contrapposizione coi neonati floppy disk (dischetti).
Nel 1963 sempre IBM ideò il meccanismo di sollevamento della testina mediante l'aria. Nel 1973 IBM introdusse il modello 3340 Winchester, così denominato per analogia con il popolare modello di fucile ".30-30 Winchester" poiché era dotato di due dischi da 30 MB l'uno; questo nome entrò nell'uso comune come sinonimo di disco rigido perché questo modello fu il predecessore di tutti i dischi rigidi moderni.
Il primo modello per personal computer fu l'ST506 prodotto da Seagate Technology nel 1980, aveva una capacità di 5 MB, diametro di 5,25 pollici ed era dotato di motore passo-passo per il movimento delle testine (il controllo voice coil arriverà solo qualche anno dopo). Questo modello equipaggiava i personal computer AT&T con processore 286 prodotti negli stabilimenti Olivetti di Scarmagno, in seguito alla collaborazione della società di Ivrea con la multinazionale americana. Contemporaneamente, la società OPE (Olivetti Peripheral Equipment), una consociata Olivetti, forniva i dischi rigidi per i computer M24; storicamente questa società fu l'unica in Europa a impegnarsi nel progetto, sviluppo e produzione di questo tipo di periferica.
[modifica] Caratteristiche prestazionali
I dischi rigidi moderni hanno capacità e prestazioni enormemente superiori a quelle dei primi modelli, ma la loro velocità nella lettura e scrittura dei dati, restano comunque di diversi ordini di grandezza, al di sotto delle prestazioni della RAM e della componentistica a stato solido che equipaggia un computer. Per questo motivo, il disco rigido è spesso la causa principale del rallentamento di un computer.
Le caratteristiche principali di un disco rigido moderno sono:
- la capacità
- 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 disco rigido 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. Quando la capacità è espressa in GB, il fattore di correzione è di (1000/1024)3, pari a circa 0,93, per cui un disco rigido da 320 GB ha una capacità effettiva di circa 298 GiB. Attualmente i dischi rigidi si trovano in vendita con capacità comprese tra 40 gigabyte e 1 TB. 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 lo detiene il modello Deskstar 7K1000 di Hitachi presentato il 5 gennaio 2007, 1 terabyte su 5 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 disco rigido, conoscendo il modello, facilmente si può risalire ai dati tecnici dell'unità, compreso il tempo di accesso, purtroppo molti produttori di computer non menzionano questo dato, e a volte nemmeno la marca né il modello. Si tratta del tempo medio necessario perché un dato, residente in un punto casuale del disco, possa essere reperito. Il tempo impiegato dipende dalla velocità della testina a spostarsi sulla traccia dove risiede il dato e dalla velocità di rotazione del disco; maggiore è la velocità e più breve è il tempo impiegato dal dato a ripassare sotto la testina nel caso questa non fosse arrivata in tempo sul dato, durante la rotazione precedente (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 disco rigido di media qualità è attorno ai 10 millisecondi. Per uno ad alte prestazioni (15.000 giri) è di 3 o 4 millisecondi.
La velocità di trasferimento è la quantità di dati che il computer 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 ruotino 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 disco rigido.
Oltre alle tre viste sopra, altre caratteristiche influenzano in misura minore le prestazioni di un disco rigido. 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 del disco rigido, che ha il compito di memorizzare gli ultimi dati letti o scritti dal disco. Nel caso in cui 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 32 MB sono una dimensione abbastanza usuale.
L' interfaccia di collegamento tra il disco rigido 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 il disco. Le moderne interfacce tipo ATA133, Serial ATA o SCSI possono trasferire centinaia di megabyte per secondo, molto più di quanto qualunque singolo disco fisso 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.
[modifica] Tempo di accesso a disco
Il tempo di accesso a disco è influenzato da tre fattori:
- Seek time (tempo di ricerca): è il tempo necessario a spostare la testina sulla traccia; è il fattore più critico poiché si tratta di un movimento meccanico e non di un impulso elettrico;
- Latency time (tempo di latenza): (anche rotational latency) è il tempo necessario a posizionare il settore desiderato sotto la testina, e dipende dalla velocità di rotazione;
- Transfer time (tempo di trasferimento): è il tempo necessario al settore per passare sotto la testina, riguarda la lettura vera e propria.
Tempo di accesso: SeekTime + Latency + TransferTime
[modifica] Principi fisici di registrazione magnetica
La memorizzazione dell'informazione sulla superficie del supporto ferromagnetico consiste sostanzialmente nel trasferimento di un determinato verso alla magnetizzazione di un certo numero di domini di Weiss. Il numero di domini di Weiss che costituiscono un singolo Bit (informatica) moltiplicato per la loro estensione superficiale media, rapportato alla superficie di archiviazione disponibile, fornisce la densità d'informazione (bit al pollice quadro). Quindi stipare una maggiore quantità di dati sullo stesso disco richiede la riduzione del numero di domini che concorrono alla definizione di un singolo bit e/o la riduzione dell'area di un singolo dominio magnetico. L'evoluzione continua della tecnologia dei dischi rigidi ci ha portati ormai vicino al limite inferiore tollerabile: quando infatti il numero di domini che definiscono un singolo bit si è avvicinato all'unità e la loro area è dell'ordine di pochi nanometri quadri, l'energia termica del sistema è diventata ormai paragonabile all'energia magnetica ed è sufficiente un tempo brevissimo a far invertire il verso della magnetizzazione del dominio (trattasi di una fluttuazione) e perdere in questo modo l'informazione contenuta.
La lettura dell'informazione magnetica in passato veniva affidata a testine induttive, avvolgimenti di rame miniaturizzati in grado di rilevare la variazione del flusso del campo magnetico statico al transitare della testina tra un bit ed il successivo, secondo il principio di induzione magnetica. L'evoluzione che la spintronica ha portato nelle case di tutti sono state le testine magnetoresistive, basate su un dispositivo, la spin-valve, in grado di variare resistenza al mutare dell'intensità del campo magnetico. Il vantaggio dato da queste testine risiede nella loro sensibilità, migliore rispetto alle vecchie testine induttive, e nella loro dimensione ridottissima, cosa che consente di seguire il passo delle evoluzioni verso il nanometro per quanto riguarda l'area di un singolo bit. Infine, il prossimo futuro vedrà protagoniste della scena le testine di lettura basate sulle magnetic tunneling junction, MTJ.
[modifica] Principi logici di memorizzazione dei dati
A) Traccia
B) Settore
C) Settore di una traccia
D) Cluster, insieme di settori contigui
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 disco rigido 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.
- 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.
- Settore
- La suddivisione in "spicchi" uguali a cui è sottoposto ogni piatto.
- Blocco
- 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 disco rigido si compone di 2 dischi (o equivalentemente 4 piatti), 16384 cilindri (o equivalentemente 16.384 tracce per piatto) e 16 settori di 4096 byte per traccia, allora la capacità del disco sarà di 4×16384×16×4096 byte, ovvero 4 GiB.
Il fattore di interleaving è il numero dei settori del disco rigido che si deve saltare per leggere consecutivamente tutti quelli della traccia. Ciò dipende strettamente dalle caratteristiche prestazionali del disco rigido 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 inizialmente le cpu, che ricevevano e rielaboravano i dati letti, compivano queste azione ad una velocità inferiore della velocità di lettura/scrittura sul disco rigido, quindi, una volta rielaborati i dati provenienti da un settore, la testina si troverebbe già oltre l'inizio del settore successivo. Alternando i settori in modo regolare e leggendoli secondo lo specifico interleaving factor, si velocizzava il disco rigido e il calcolatore. I moderni dischi rigidi non necessitano di interleaving.
[modifica] Struttura di un settore
Il settore è l'unità più piccola della formattazione di basso livello, cioè della struttura fisica del disco rigido. Generalmente i settori sono raggruppati dal punto di vista logico in cluster per motivi di efficienza, quindi quando parliamo di cluster ci riferiamo a un gruppo di settori. Si ricordi che un file occupa sempre almeno un cluster. Per accedere a un settore bisogna specificare la superficie (platter), la traccia e il settore stesso. Il settore non è un semplice spazio sul disco memorizzabile, ma è dotato anch'esso di una struttura particolare che linearmente può essere sintetizzata così(la dimensione di un settore è variabile tra 32 byte e 4 KB, solitamente 512 byte):
<IRG><SYN,SYN><HEADER><DATI><BCC>.
L'IRG è InterRecordGap, cioè la parte smagnetizzata della traccia che serve a preannunciare l'inizio del settore(o la sua fine). La parte nominata "SYN,SYN" sono dei Byte noti per il clock di lettura, cioè servono a sincronizzare un clock di lettura attuale, generato dal PLL e dal VCO combinati, con quello originale di scrittura. Al centro sta l'"HEADER", parte del settore dove sono memorizzate le informazioni necessarie alla localizzazione dello stesso settore su tutto il disco rigido, cioè dove in quel momento la testina sta leggendo-scrivendo. Sicuramente la parte di maggiore rilievo è quella "dati", cioè dove i dati sono stati impacchettati attraverso record in modo che il rapporto tra dati "utili" e le informazioni sia alto: devono essere maggiori i dati allocati nel settore che le informazioni di allocamento del settore stesso. Altra importante parte della struttura di un settore è il "BCC". Tale parte del settore è il risultato di una funzione calcolata sul blocco "dati" e la sua importanza è per la corretta interpretazione delle informazioni , cioè dei dati.
[modifica] Altre caratteristiche
I dischi rigidi sono prodotti in 4 dimensioni standardizzate chiamati "fattore di forma", e si riferisce al diametro del disco espresso in pollici: 3,5 - 2,5 - 1,8 - 1. I primi sono utilizzati nei personal computer chiamati desktop, nei server, e nelle unità NAS (Network-Attached storage), unità remote di memorizzazione in reti di calcolatori. I secondi nei computer portatili e dovunque ci sia poco spazio e/o potenza di alimentazione, i più piccoli nei dispositivi tascabili. Tutti 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 maggiore l'alimentazione avviene tramite un alimentatore collegato alla rete elettrica, il formato 2,5 solitamente è alimentato direttamente dai cavo dell'interfaccia, i più piccoli dalla batteria del dispositivo in cui risiedono. 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). I dischi rigidi 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 dei dischi da 3,5). Il disco rigido della dimensione di un pollice è il più recente immesso sul mercato e corrisponde al formato compact flash di tipo II, grandi solo due o tre centimetri e spessi quanto una carta di credito, ma capaci di memorizzare comunque alcuni gigabyte di dati (vedi 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 dischi rigidi, 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 del disco.
I dischi rigidi più veloci sviluppano molto calore. Alcuni devono addirittura essere raffreddati con ventole apposite.
Il suono emesso da un disco 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 dischi rigidi possono scegliere tra realizzare un disco silenzioso ma lento, o rumoroso ma veloce. Per maggiore flessibilità in alcuni dischi 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.
[modifica] Dischi rigidi IDE
L'interfaccia più comune è quella IDE, poi evolutasi in EIDE e ATA. Un cavo piatto, solitamente grigio, è usato per connettere il disco rigido alla scheda madre. Spesso il cavo ha un terzo connettore per poter usare un altro disco (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 (padrone) e una come slave (schiavo). 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 rigidi vecchi, o nel caso di bassa compatibilità tra unità diverse (ad esempio due dischi rigidi, ma anche un disco rigido 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: disco rigido;
- slave: lettore cd (con il jumper su cable select)
- canale secondario:
- master: disco rigido;
- slave: masterizzatore DVD
[modifica] Impostazione di master, slave, cable select
Ogni unità che può essere connessa ad un cavo IDE (disco rigido, 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 del disco rigido.
[modifica] Precauzioni
Se si dovesse tentare una riparazione fai da te di un disco rigido 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 del disco rigido 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.
[modifica] 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.
[modifica] Tecnologie SATA
NCQ: Native Command Queuing
Recentemente nei dischi SATA è stata implementata una tecnologia ereditata dai dischi SCSI: l'NCQ:
Ogni disco invia una richiesta tramite la CPU e, se il dato non è presente in una delle cache, le testine del disco rigido si posizionano in modo da potere iniziare la lettura dei dati. Se occorre accedere a una serie di dati non sequenziali distribuiti in varie zone del disco, le testine dovranno saltare da un cilindro all'altro, avanti e indietro.
Per esempio, se la sequenza di accesso è 1, 4, 3, 5, 2, 6, 7 (immaginando che la sequenza numerica corrisponda all'angolo di rotazione), si perderanno parecchi cicli di rotazione prima che le testine abbiano visitato tutti i blocchi di dati. Con l'NCQ, il disco rigido crea una coda delle richieste di accesso, quindi le riordina (ne cambia la sequenza) per ridurre al minimo il numero di rotazioni e il tragitto delle testine in modo da eseguire tutti gli accessi nel più breve tempo possibile.
La rotazione dei piatti e il posizionamento sulla traccia (seek) sono i due criteri per ottimizzare l'esecuzione dei comandi in coda, così da compiere il tragitto più breve per visitare tutti i blocchi di dati che la coda di comandi prevede di leggere e scrivere. Questo meccanismo di accodamento e riordino è paragonabile all'ottimizzazione delle consegne da parte di un postino che debba consegnare centinaia di lettere in diverse zone di una città; anziché esaminare una consegna per volta in sequenza e saltare continuamente da un capo all'altro della città, il postino stabilisce un percorso che richiede il tempo minore per eseguire tutte le consegne. Per utilizzare al meglio l'NCQ occorre che le applicazioni stabiliscano code di comandi, cosa che non succede se è in esecuzione una singola applicazione che attende la risposta a una richiesta di dati prima di inviare la richiesta successiva.
Di recente sono stati introdotti Hard Disk SATA 2 con un'interfaccia in grado di trasmettere fino a 3 Gigabit/s.
[modifica] Voci correlate
- Advanced Technology Attachment (ATA)
- Serial ATA
- Redundant Array of Independent Disks (RAID)
- Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (SMART)
- Small Computer System Interface (SCSI)
- Hard disk recording
- Disco rigido esterno
- Disco a stato solido
- Sabbiatura (tecnologia)
- Discrete Track Recording
- Perpendicular recording
- Nanometer recording technology (Tecnologia di Hitachi)
- T.E.C.
- H-HDD
[modifica] Collegamenti esterni
- Come funziona il disco fisso, o hard disk
- Ascolta con attenzione quando il tuo disco rigido ti parla
[modifica] Altri progetti
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