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8. I dischi rigidi

Quasi tutti PC attualmente in commercio possiedono almeno un disco rigido installato all'interno del case. In passato, anche le unità floppy erano interne, mentre ora il PC con unità floppy iniziano a scomparire, cedendo spazio ai dischi Zip, Super e ad altri formati di memorie di massa rimovibili.

Il disco rigido e il floppy sono dispositivi di memoria secondaria, mentre la RAM del PC è la memoria primaria. La memoria primaria memorizza i dati temporaneamente, mentre quella secondaria lo fa in modo permanente, anche in caso di programmi e altri oggetti digitali. Infatti, si fa riferimento alla RAM come alla memoria temporanea e al disco rigido e al floppy come come memoria permanente. I dati sono considerati permanenti, poiché continuano a essere disponibili anche dopo la rimozione della fonte principale di alimentazione, a differenza dei dati memorizzati in RAM.

Hard disk

Il disco rigido non è un invenzione legata al PC. I primi dischi rigidi, che apparvero per la prima volta negli anni Cinquanta nei maniframe avevano un diametro di 20 pollici ed erano in grado di memorizzare solo alcuni megabyte di dati. In origine i dischi rigidi erano chiamati "dischi fissi" e "dischi Winchester" e furono chiamati "rigidi" solo in seguito per distinguerli dai floppy. La tecnologia di base usata nei primi dischi rigidi, tuttavia, sostanzialmente non è cambiata con il passare degli anni, mentre sono variate la dimensione e la capacità.

Costruzione dei dischi rigidi

Sono disponibili molti tipi e varietà di dischi rigidi, la maggior parte dei quali impiega approssimativamente gli stessi componenti fisici. I diversi tipi e varietà di dischi si differenziano per componenti, materiali usati, e tipo di assemblaggio, ma il funzionamento è simile. I principali componenti del disco sono elencati di seguito.

• Piatto del disco

• Asse e relativo motore

• Testine di lettura/scrittura

• Attuatori della testina

• Filtro dell'aria

• Scheda logica

• Connettori e ponticelli

Di questa lista solo i connettori e i ponticelli sono accessibili all'esterno del contenitore che racchiude tutti gli altri componenti del disco. Il case di metallo e i vari componenti formano un'unità chiamata HDA (Head Disk Assembly), sigillata che non deve mai essere aperta.

Piatti del disco

L'unità principale di un disco rigido è il piatto o, come viene chiamato più comunemente, il disco. I dischi sono il supporto di memorizzazione in cui vengono effettivamente registrati i dati e sono costituiti da molti materiali diversi, ognuno dei quali è contraddistinto da particolari caratteristiche di prestazioni e memorizzazione. I due principali sono leghe di alluminio e vetro.

Il materiale tradizionalmente usato per piatti era la lega di alluminio, che forniva contemporaneamente robustezza e leggerezza. Tuttavia, poiché i dischi di alluminio tendono a flettersi a causa dell'espansione prodotta dal calore, molte unità a disco usano attualmente un materiale composito di vetro ceramica. I piatti dei dischi, costituiti da alluminio o vetro sono rigidi (da questo deriva l'origine del nome disco rigido), a differenza dei dischi floppy flessibili.

I piatti di vetro sono più rigidi e pertanto possono avere uno spessore inferiore del 50% rispetto a quelli di alluminio. Poiché un disco di vetro non si espande né si contrae al variare della temperatura, è possibile ottenere dischi rigidi più stabili. Quasi tutti i maggiori produttori, inclusi Seagate, Toshiba, e Maxtor, usano materiali compositi in vetro. A causa della progressiva riduzione di dimensione e dell'aumento della capacità e della velocità del disco, molto probabilmente presto si adotteranno materiali di vetro per tutti i dischi. La maggior parte dei dischi rigidi è dotata di due piatti; tuttavia, alcuni possiedono un numero più elevato di piatti (fino a 10) e molti un numero inferiore (1 piatto), questo accade in modo particolare per i dischi che hanno formati più piccoli. Il numero dei piatti del disco varia in funzione del modello e della capacità, che è controllata dalla dimensione fisica totale del disco. Analogamente al case, alla scheda madre e all'alimentatore, un disco rigido possiede un formato, che è legato fondamentalmente alla dimensione dei piatti, sebbene sia anche identificato con la dimensione dell'alloggiamento del drive in cui esso può essere installato.

Nei mainframe e in altri sistemi vengono usati dischi con piatti da 8 pollici, 14 pollici o di dimensioni maggiori. Il formato più diffuso è attualmente il drive da 3,5 pollici, che ha sostituito quello da 5,25 pollici nei computer desktop e nei PC di tipo tower. Nei computer notebook invece sono installati drive da 1,8 e 2,5 pollici.

Ciascun piatto è montato sull'asse del disco per consentire l'accesso, a ogni suo lato, a una testina di lettura/scrittura. La superficie di ciascun piatto del disco è rifinita e quindi ricoperta con uno strato di materiale magnetico, usato per memorizzare i dati.

Il motore dell'asse

I piatti del disco sono montati su un'asse e separati da distanziatori del disco che assicurano una spaziatura costante. I distanziatori forniscono uno spazio uniforme, necessario per consentire alle testine di lettura/scrittura di accedere alla parte superiore di un disco e alla parte inferiore del disco superiore. Durante il funzionamento, l'asse fa ruotare i piatti all'unisono alla velocità di 3600, 4800, 5400, 7200 rpm (giri al minuto) e, nei dispositivi più recenti, 10.000 e 15.000 rpm. Un motore connesso direttamente fa ruotare l'asse.

Il meccanismo che fa ruotare l'asse e i dischi è il motore dell'asse, connesso direttamente all'asse senza cinghie o ingranaggi, affinché il meccanismo del drive sia privo di rumori e vibrazioni, che, se fossero trasferite ai piatti, potrebbero causare problemi nella lettura e scrittura dei dati. Il motore dell'asse è fondamentale per il funzionamento del disco. Infatti, la maggior parte dei problemi del disco rigido risultano essere legati al motore dell'asse.

Il motore dell'asse funziona a corrente continua (CC), senza spazzole e sensori, ed è connesso direttamente all'asse del disco. Attualmente vengono usati due tipi di motori: interni, situati all'interno dell'HDA, ed esterni che sono collegati all'asse nella parte inferiore del case HDA. Il motore dell'asse del disco è stato progettato per impedire all'olio e alla polvere di contaminare i componenti che si trovano in un ambiente sigillato e privo di polvere all'interno dell'HDA. A causa delle elevate velocità di rotazione dell'asse e del motore dell'asse, l'olio lubrificante nell'asse e nel motore può essere nebulizzato. Nel motore dell'asse vengono quindi usati sigilli speciali per impedire perdite d'olio.

Nella parte inferiore della maggior parte dei dischi rigidi si trova il conduttore di terra dell'asse che è un piccolo pezzo di rame piatto e piegato ad angolo rivestito di carbone e grafite (alcuni drive meno recenti possono usare un rivestimento di Teflon), installato in modo tale da stabilire un contatto con l'asse. Lo scopo del conduttore di terra è scaricare l'elettricità statica che si crea mentre l'asse ruota, impedendole di fluire all'interno dell'HDA e di danneggiare l'unità disco o corrompere i dati memorizzati.

Supporti di memorizzazione

Sebbene non elencato tra i componenti principali del disco, il materiale su cui i dati vengono effettivamente memorizzati è comunque una parte molto importante. Il supporto di memorizzazione o il materiale magnetico che memorizza i dati sui piatti, è composto da uno strato molto sottile di sostanze magnetiche in cui vengono fissati i dati elettromagnetici.

La memorizzazione dei dati in un disco rigido o in un floppy è regolata dai principi dell'elettromagnetismo. Un campo magnetico viene generato da un nucleo magnetico avvolto o circondato da un conduttore attraverso il quale scorre una corrente elettrica. Quando il campo magnetico agisce su un'area del disco, influenza la polarità di una determinata area dei supporti di registrazione. Invertendo la direzione del flusso della corrente elettrica si inverte la polarità del campo magnetico e quindi l'effetto sui supporti di registrazione.

Due sono i tipi di supporti usati per realizzare i piatti del disco rigido:

• Supporto di ossido

• Supporti a film sottile

Supporto di ossido

I supporti di ossido sono meno diffusi nei dischi più recenti. L'ossido è un materiale relativamente morbido, che può essere danneggiato da un crash della testina se il disco dovesse essere urtato mentre è in funzione. I supporti di ossido erano molto usati nei modelli di dischi di fascia bassa di vecchia generazione, poiché questo materiale si poteva applicare facilmente ed era economico.

Il componente principale in un supporto di ossido è l'ossido di ferro (noto anche come ruggine). Durante il processo di produzione, questo supporto è applicato al centro del piatto sotto forma di materiale liquido denso e, quindi, il disco viene fatto ruotare a una velocità molto elevata per provocare il flusso del materiale verso i bordi del disco e ricoprire uniformemente la superficie del disco. Dopo aver applicato il supporto liquido, la superficie è rifinita accuratamente ed è estremamente importante che sia liscia e priva di asperità e irregolarità, come verrà evidenziato nel paragrafo dedicato alle testine di lettura/scrittura. Sulla superficie del piatto, infine, viene applicato uno strato di materiale protettivo e lubrificato. Anche se può apparire che sia stato aggiunto molto materiale al disco, lo spessore finale non supera i 30 milionesimi di pollice.

Supporti a film sottile

Quasi tutte le unità a disco prodotte attualmente usano supporti a film sottile (strato estremamente sottile di metalli posti sulla superficie del disco). Il film sottile di metallo è applicato al disco come una placcatura, la cromatura di un'auto, o per mezzo di un processo chiamato sputtering, una tecnica molto complessa per ricoprire il piatto che lega elettricamente nel vuoto il supporto di metallo al disco. Il supporto al film sottile è anche chiamato supporto ricoperto e supporto sputtered, dalla tecnica di applicazione del materiale al disco. Lo sputtering è il metodo usato più comunemente per applicare il supporto di registrazione ai piatti del disco.

Il supporto a film sottile è più duro e sottile di quello di ossido e consente le memorizzazione di campi magnetici più intensi in aree più piccole. Tutte queste caratteristiche si combinano per consentire una maggiore densità di dati e dimensioni inferiori dei dischi. Il film sottile è resistente e, se il disco viene urtato durante il funzionamento, la testina di lettura scrittura rimbalza senza danneggiare il supporto. Poiché quest'ultimo è estremamente sottile e liscio, consente alle testine di lettura/scrittura di essere posizionate molto più vicine ai supporti.

Testine di lettura/scrittura

Ciascun lato del piatto di un disco viene ricoperto da un supporto che consente di memorizzare i dati, pertanto (ciascun lato del piatto del disco) deve possedere almeno una testina di lettura/scrittura. Come si può facilmente immaginare, un disco che possiede due piatti dispone di quattro testine di lettura/scrittura. Esistono eccezioni a questa regola, ma generalmente un disco presenta due testine per ciascun piatto, per leggere e scrivere i dati rispettivamente sul lato superiore e su quello inferiore.

Le testine di lettura/scrittura sono connesse allo stesso meccanismo attuatore, che sposta le testine all'unisono all'interno e all'esterno dell'asse al bordo del piatto. È bene ricordarsi che il disco gira rapidamente. Questo significa che quando la testina di lettura/scrittura del piatto superiore, a cui si fa riferimento normalmente come disco 0, si trova sulla traccia 29, tutte le altre testine si trovano sulla traccia 29 dei rispettivi dischi. Nella maggior parte dei dischi, è attiva solo una testina di lettura/scrittura alla volta.

Testine sospese

Le testine di lettura/scrittura sono separate dalla superficie dei piatti da un cuscino d'aria. Quando il disco è inattivo e i piatti non stanno girando, le molle nei bracci delle testine in effetti forzano le testine di lettura/scrittura ad appoggiarsi sulla superficie del disco. Quando il disco è in funzione, la rotazione ad alta velocità dei piatti crea una pressione d'aria che allontana la testina di lettura/scrittura dalla superficie del disco. Le molle nei bracci forniscono resistenza e quindi la testina di lettura/scrittura è posizionata rispetto alla superficie del disco a un'altezza costante, che varia da 3 a 5 micropollici (milionesimo di un pollice).

La distanza tra il piatto e la testina di lettura/scrittura è così piccola che quest'ultima può essere seriamente danneggiata se incontra un oggetto estraneo sulla superficie del disco. Le particelle di polvere, fumo e il grasso di un'impronta umana, che possono essere alte anche un migliaio di microcentimetri, costituiscono un problema serio per la testina e ne possono causare un crash sulla superficie del disco. L'HDA, invece, è un'unità sigillata ed è molto improbabile che problemi del genere si possano verificare, ma non bisogna mai aprirla, tranne nel caso in cui si possa disporre di un ambiente di classe 100. I dischi vengono prodotti in questo tipo di ambiente, che non consente la presenza di più di 100 particelle estranee sospese. Si noti che un essere umano esala con ogni respiro più di 500 particelle di questo tipo.

Quando si toglie l'alimentazione, il disco si arresta. Questo elimina il cuscinetto d'aria su cui si spostava la testina di lettura/scrittura. Sebbene questo possa apparire simile all'inizio di un crash della testina del disco, le unità a disco possiedono una zona di atterraggio, all'interno del bordo interno dell'area di registrazione dei piatti, alla quale la testina di lettura/scrittura può appoggiarsi con sicurezza quando il disco non è alimentato. Quasi tutti i dischi prodotti negli ultimi 20 anni possiedono un'area di parcheggio automatico della testina, che posiziona le testina di lettura/scrittura nella zona di atterraggio. Alcune aree includono anche una caratteristica di blocco che trattiene le testine in tale zona fino a quando viene riattivata l'alimentazione.

Funzionamento delle testine di lettura/scrittura

Lo spazio tra il piatto del disco in rotazione e la testina di lettura/scrittura è chiamato altezza di separazione o distanza della testina e varia in funzione del tipo di disco e della tecnologia usata dalla testina. La dimensione della distanza è molto importante, poiché la testina deve trovarsi esattamente all'altezza corretta per rilevare in modo esatto le transizioni del flusso nel disco, senza toccarne la superficie. Nella maggior parte dei dischi essa è pari a cinque milionesimi di pollice o inferiore.

Le testine di lettura/scrittura (del disco) hanno una forma a U, sono costituite da materiali conduttori e avvolte da fili attraverso i quali passa la corrente elettrica. Facendo scorrere nel filo la corrente continua, si crea un campo magnetico con una o due polarità diverse, in base alla direzione. Queste due polarità vengono impiegate per memorizzare i valori elettrici che rappresentano i valori binari 1 e 0.

Quando la testina energizzata scorre sul supporto di registrazione del piatto, la polarità del campo magnetico modifica l'orientamento delle particelle magnetiche nel supporto per rappresentare un valore elettrico. Se cambia la polarità della testina, i dati memorizzati nel supporto acquisiranno un valore elettrico diverso. Invertendo il flusso elettrico nel filo attorno alla testina a forma di U si cambia la polarità del campo magnetico. In questo modo si modifica il valore del supporto del piatto e, subito dopo, vengono scritti i dati nel disco.

Come visto in precedenza, il materiale usato per ricoprire il piatto del disco è costituito da ossido di ferro. In un disco nuovo o il cui contenuto è stato cancellato, il campo magnetico di ciascuna particella viene assegnato in modo casuale e questo elimina in modo cumulativo i campi magnetici delle particelle vicine. Per le testine di lettura/scrittura, il disco non possiede schemi riconoscibili e appare vuoto. Quando la testina di lettura/scrittura scorre sopra il disco, se le particelle in una determinata area sono allineate nella stessa direzione, i campi magnetici cumulativi creeranno uno schema riconoscibile che la testina potrà rilevare come una cifra binaria.

Attraverso la variazione del flusso magnetico, la testina di lettura/scrittura è in grado di registrare i dati nel supporto del disco. Il termine flusso si riferisce a un campo magnetico che possiede un'unica direzione specifica. Mentre la superficie del disco ruota sotto la testina, la testina di lettura/scrittura usa un'inversione di polarità, chiamata inversione di flusso, per modificare l'allineamento delle particelle magnetiche del supporto del disco. In questo modo i dati vengono registrati sul disco. Detto in modo semplice, la testina di lettura/scrittura crea una serie di inversioni del flusso in un'area chiamata cella del bit, costituita da un raggruppamento di particelle magnetiche usate per rappresentare una cifra binaria (bit).

Quando il disco e le celle del bit ruotano sotto o sopra la testina di lettura/scrittura, essa agisce come un rilevatore del voltaggio del flusso. Ogni volta che viene rilevata una transizione del flusso (un cambiamento da positivo a negativo e viceversa), la testina invia un impulso di voltaggio. Se non viene rilevata alcuna transizione, cioè nessun cambiamento nella polarità della cella del bit, non viene inviato alcun impulso. Si noti che è possibile stabilire una corrispondenza tra queste due attività e i valori 1 e 0.

Poiché la testina di lettura/scrittura invia un segnale solo in corrispondenza di una transizione di flusso, si usa un dispositivo chiamato codificatore/decodificatore (encoder/decoder), o endec, per effettuare la conversione dei segnali nei corrispondenti dati binari e convertire i dati binari nelle transizioni del flusso. Durante un'operazione di scrittura, l'endec, crea un pattern di segnale per la testina di lettura/scrittura. In un'operazione di lettura, l'endec interpreta invece segnali della testina di lettura/scrittura convertendoli in dati binari. Per garantire che tutti i dispositivi elettronici di questo processo siano sincronizzati tra loro, ciascun segnale di dati è preceduto da un segnale di clock usato dai dispositivi di trasmissione e ricezione (la testina di lettura/scrittura e l'endec) per garantire che entrambi stiano utilizzando lo stesso segnale. Se un dispositivo ne anticipa un altro, il segnale di clock serve per ristabilire la sincronizzazione. Le celle di clock sono effettivamente collocate nel supporto del disco tra le celle del bit.

Attuatori della testina

L'attuatore della testina sposta le testine di lettura/scrittura del disco rigido affinché i dati possono essere letti o scritti nei piatti. Esistono diversi tipi di attuatori, ma generalmente possono essere suddivisi in due gruppi: attuatori del motore passo passo e a bobina mobile. Esistono grandi differenze in prestazioni e affidabilità tra queste due categorie. Gli attuatori del motore passo passo sono lenti, molto sensibili alle variazioni della temperatura e meno affidabili, quelli a bobina mobile sono veloci, non influenzati dalle variazioni della temperatura ed estremamente affidabili. Il tipo di attuatore adottato è un buon indicatore delle prestazioni e dell'affidabilità del disco.

Filtri d'aria

La maggior parte dei dischi possiede due filtri d'aria, uno di ricircolo e l'altro barometrico o di ricambio, che vengono sigillati in modo permanente all'interno dell'HDA., non devono mai essere cambiati e sono progettati per prolungare la vita del disco. I dischi rigidi del PC consentono nell'HDA solo la circolazione di aria interna. Lo scopo del filtro del ricircolo è catturare qualsiasi particella del supporto magnetico dei dischi che è stata rimossa dalla testine di lettura/scrittura e tutte le particelle che possono essere state trattenute nell'HDA durante la produzione. La pulizia dell'aria esterna può avere effetto sul PC, ma non sul disco rigido.

Sebbene l'HDA sia sigillato, non è impermeabile. Questo non significa che l'aria esterna possa entrare e aderire ai meccanismi: esso possiede un condotto di ventilazione con un filtro per uniformare la pressione dell'aria. Inoltre, compensa le variazioni della pressione barometrica che il PC può subire, per esempio tra lo stabilimento di produzione a Taiwan vicino al livello del mare e un ufficio a Sappada (località al confine con l'Austria) a 1500 metri sopra il livello del mare. Al variare dell'altezza, l'aria viene risucchiata o espulsa attraverso il filtro fino a quando la pressione dell'aria interna è uguale a quella esterna. La maggior parte dei produttori dichiara un intervallo di altezza per il funzionamento dei dischi, di solito di 300 metri sia sotto sia sopra il livello del mare. Un disco rischia di non funzionare correttamente al di fuori di questo intervallo, poiché la pressione dell'aria potrebbe non essere sufficiente per mantenere in sospensione le testine.

Sebbene non correlate direttamente ai filtri d'aria, esistono altre considerazioni ambientali relative ai dischi rigidi, come l'adeguamento alle variazioni della temperatura. Quando la temperatura operativa ambientale di un PC cambia in modo significativo, al disco rigido deve essere concesso il tempo di acclimatarsi prima di alimentarlo. Per esempio, se si spedisce un disco rigido durante l'inverno e viene immagazzinato per un certo tempo a temperature inferiori a 10 °C, si dovrà consentire al disco di acclimatarsi alle temperature ambientali normali per almeno 13-15 ore. Si consiglia, pertanto, di verificare con il produttore del disco rigido i requisiti operativi e ambientali.

Schede logiche

I dischi rigidi sono dotati di schede logiche che controllano il funzionamento dell'asse del disco e dell'attuatore della testina e interagiscono con il controller del dispositivo per trasferire i dati al disco e dal disco. In alcuni casi il controller del disco rigido è incluso nel drive. Insieme al motore dell'asse, le schede logiche sono responsabili di quasi tutti i malfunzionamenti di un disco. Infatti, molti dei problemi che si verificano sono in realtà relativi alla scheda logica e non causati dalle parti meccaniche del disco.

La scheda logica di un disco può essere facilmente sostituita, anche se la maggior parte delle persone tende a cambiare tutto il disco; essa è normalmente montata nel disco tramite un connettore di collegamento e una o due viti. Sostituire la scheda logica è anche un modo semplice per individuare un drive che si presume abbia problemi di funzionamento della scheda logica e non meccanici.

Connettori e ponticelli

Nei dischi rigidi generalmente si possono trovare tre tipi di connettori: i connettori per i dati, quelli per l'alimentazione e quello per la messa a terra. Il terzo tipo di connettore, opzionale nella maggior parte dei dischi, è un terminatore con una sola vite usato per connettere il disco allo chassis per la messa a terra. La documentazione del disco dovrà specificare se il disco dispone della connessione per la messa a terra o la richiede.

Il connettore per i dati, chiamato anche di interfaccia, trasporta sia i dati sia i segnali dei comandi del controller e della CPU al e dal disco. Alcuni usano un solo cavo per i dati e i segnali di controllo, come i dischi SCSI (Small Computer System Interface) e IDE/EIDE (Integrated Drive Electronics/Enhanced IDE). Questi sistemi consentono anche di collegare più dischi al cavo. L'interfaccia IDE supporta due dischi per cavo e l'interfaccia SCSI fino a sette. Esistono speciali adattatori e controller per estendere il numero dei dischi che possono condividere un'interfaccia. Per esempio è disponibile un controller EIDE speciale che consente la connessione di otto dispositivi EIDE per condividere un controller IDE.

Il connettore di alimentazione è quello standard messo a disposizione dall'alimentatore del PC che fornisce al disco l'alimentazione a 5 e 12V in corrente continua. Alcuni circuiti del disco e la scheda logica usano l'alimentazione a 5V, mentre per il motore dell'asse e l'attuatore della testina occorre quella a 12 V. È necessario conoscere l'assorbimento in watt del disco per evitare di sovraccaricare l'alimentatore. Questa avvertenza è più importante nei sistemi meno recenti rispetto a quelli nuovi dotati di dischi da 3,5 pollici o più piccoli, dato che i dischi da 3,5 pollici hanno un assorbimento inferiore rispetto ai più vecchi da 5,25 pollici.

Se il sistema possiede un connettore di messa a terra, si consiglia di usarlo per creare una massa positiva per lo chassis del PC. Se il disco viene montato direttamente in un alloggiamento dello chassis, probabilmente questa connessione non è necessaria. Se il disco rigido, tuttavia, è installato in un alloggiamento di plastica o di fibra di vetro, si consiglia di collegare il connettore di messa a terra per evitare problemi di lettura, scrittura o permanenza dei dati.

I ponticelli nell'unità a disco consentono di configurare il disco come master o slave in un'interfaccia condivisa e scegliere altre impostazioni di configurazione. È opportuno consultare la documentazione del disco per verificare la posizione corretta dei ponticelli, poiché le posizioni variano a seconda del produttore e anche del modello.

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