Gli Hard Disk (HDD) nei computer
In questo articolo fornisco alcune informazioni relative al disco rigido dei computer detti HDD (Hard Disk Drive); queste informazioni sono utili per capire le varie tecnologie a disposizione e poter anche fare confronti prima di effettuare acquisti o upgrade.
Le informazioni qui riportate si riferiscono ai dischi rigidi classici meccanici: ho scritto articoli anche sui recenti SSD che trovate in altre aree del sito.
Le informazioni tecniche non sono sempre dettagliate poichè rivolgo questo articolo sopratutto a coloro che non masticano informatica tutti i giorni.
A cosa serve un Hard Disk
All’interno dei nostri PC storicamente il disco rigido meccanico / magnetico è sempre stata la parte hardware dedicata allo stoccaggio (o meglio storage in termini informatici) dei file e di tutte le informazioni digitali generate o utilizzate dai dispositivi elettronici.
Parlo di storia poichè le tecnologie si sono evolute già da diversi anni e malgrado questo elemento sia stato sempre una parte fondamentale dei computer nonchè di molti dispositivi (lettori musicali, dispositivi multimediali, DVR, ecc.) i progressi tecnologici finiranno con rendere gli HDD progressivamente obsoleti e sostituirli definitivamente con sistemi più performanti ed efficienti (come i dischi a stato solido SSD ad esempio).
Di fatto come concetto un Hard Disk rimane un’importante elemento nei dispositivi elettronici con un sistema operativo (computer sopratutto): il sistema operativo, i programmi e i nostri dati vengono infatti scritti bit dopo bit all’interno dell’hard disk ed esso possiamo considerarlo un custode di tutti i nostri segreti in formato elettronico.
L’Hard Disk è in genere il componente più importante dell’intero computer non solo perché immagazzina tutti i nostri dati, ma sopratutto perché le prestazioni generali della nostra macchina dipendono molto anche da questo componente hardware.
Come è fatto un Hard Disk
Spiegare come sia fatto un hard disk non è affatto banale.
Semplificando e banalizzando tantissimo possiamo affermare che esso è costituito da una parte magneto – meccanica che attraverso la generazione di corrente in bobine produce campi magnetici sulla testina del disco (di polarità a rapida inversione); in pratica le testine sono elettromagneti e il piatto del disco è formato da materiale magnetizzabile.
La magnetizzazione di aree del piattello permette, mediante la gestione da parte di un controller elettronico (rappresentato dalla schedina madre PCB dell’HDD), di effettuare una scrittura logica di dati e ovviamente di interpretarne una decodifica durante il processo di lettura.
Teoricamente il suo funzionamento è molto simile ai vecchi floppy disk solo che in un HDD le testine, i meccanismi e i materiali consentono di gestire mole di dati infinitamente più grandi e in maniera certamente più affidabile.
Se volete conoscere i principi di funzionamento di un hard disk su internet potete trovare molto materiale utile, a partire da Wikipedia a questo link: Disco Rigido.
Organizzazione logica e fisica dei dati
Di seguito alcuni cenni su come sono organizzati i dati su un disco.
Organizzazione logica dei dati
Tipicamente per la memorizzazione di dati digitali il disco rigido necessita dell’operazione preliminare di formattazione logica con scelta del particolare sistema logico di archiviazione dei dati da utilizzare noto come file system, tramite il quale il sistema operativo è in grado di scrivere e recuperare i dati.
Organizzazione fisica dei dati
La struttura tipica della superficie di un piatto è composta da:
- Traccia
- Settore
- Settore di una traccia (o anche traccia di un settore)
- Cluster, insieme di frammenti di tracce contigui
I dati, a livello fisico, sono generalmente memorizzati su disco seguendo uno schema di allocazione fisica ben definito in base al quale si può raggiungere la zona dove leggere/scrivere i dati sul disco.
Uno degli schemi più diffusi è il cosiddetto CHS (Cylinder/Head/Sector ossia Cilindro/Testina/Settore); in questa struttura i dati sono memorizzati avendo come indirizzo fisico un numero per ciascuna delle seguenti entità fisiche:
- Piatto:
un disco rigido si compone di uno o più dischi paralleli, di cui ogni superficie, detta “piatto” e identificata da un numero univoco, è destinata alla memorizzazione dei dati.
- Traccia (A):
ogni piatto si compone di numerosi anelli concentrici numerati, detti tracce, ciascuna identificata da un numero univoco.
- Cilindro:
l’insieme di tracce alla stessa distanza dal centro presenti su tutti i dischi o piatti è detto cilindro. Corrisponde a tutte le tracce aventi il medesimo numero, ma diverso piatto.
- Settore (B) o Settore di una traccia (C):
ogni piatto è suddiviso in settori circolari, ovvero in “spicchi” radiali uguali ciascuno identificato da un numero univoco.
- Blocco:
L’insieme di settori posti nella stessa posizione in tutti i piatti.
- Testina:
Su ogni piatto è presente una testina per accedere in scrittura o in lettura ai dati memorizzati sul piatto; la posizione di tale testina è solidale con tutte le altre sugli altri piatti. In altre parole, se una testina è posizionata sopra una traccia, tutte le testine saranno posizionate nel cilindro a cui la traccia appartiene.
- Cluster (D):
insieme di frammenti di tracce contigui.
Le caratteristiche di un HDD
Come per tutti i componenti hardware uno dei fattori più importanti da considerare è l’indice di performance; ma la prestazione è solo uno dei fattori che caratterizzano e determinano un HDD.
Infatti i parametri fondamentali per valutare un HDD sono principalmente cinque:
- Capienza di un HDD;
- Velocità di rotazione piatto;
- Tempo di accesso ai dati;
- Form Factor;
- Interfaccia.
La capienza di un HDD
La capienza in questo caso indica la quantità fisica di dati che un disco normalmente può immagazzinare. La quantità è espressa in unità di misura pari a GigaByte (GB) o TeraByte (TB): 1 GB corrisponde 1024MB (MegaByte) e 1048576kB (KiloByte),
I dischi HDD classici hanno la caratteristica di avere un rapporto giga/euro molto basso: per valutare meglio i numeri relativi alla capienza di un disco considerate che in linea di massima una foto scattata dalla nostra macchinetta digitale o telefonino pesa da 1 ai 3MB mentre un documento Word invece può variare dai 20KB ai 500KB, in base al contenuto di foto, grafici… stessa cosa per un foglio di Excel poco complesso; un brano in formato MP3 di media qualità si aggira intorno ai 5-7MB; una foto prodotta da una macchina fotografica reflex può arrivare a pesare svariate decine di MB; un filmato in alta risoluzione invece svariati GB.
La velocità di rotazione
Come già spiegato i dati di un Hard Disk meccanico vengono scritti o letti su piatti che ruotano ad altissima velocità e su cui galleggiano più testinte; la velocità di rotazione di questi piatti è un fattore che determina quindi la velocità di accesso o scrittura dati.
I dischi di oggi dedicati al mercato consumer possono essere da 5400, 7200 oppure 10.000 giri al minuto (o meglio RPM cioè Revolutions Per Minute); per il mercato business esistono dischi anche di 15.000 RPM ma fanno essendo dedicati alla fascia professional (server) sono prodotti di nicchia.
Il formato a 5400 RPM è il più diffuso anche perchè più economico; la differenza tra 5400 e 7200 RPM può essere evidente se si fa un uso intensivo del disco con accessi continui come nel caso ad esempio di software di editing video.
Formati di un HDD
Esistono due formati o meglio due dimensioni di HDD: la dimensione più piccola è quella di 2,5 pollici ed è comune trovarla nei laptop e nelle unità che necessitano di un disco dal profilo minimo e che occupi poco spazio con assorbimenti di corrente molto basso.
Il tempo di accesso ai dati di un HDD
Il tempo di accesso è probabilmente il parametro più importante da conoscere, infatti questo valore determina maggiormente le prestazioni di un disco.
Questo valore rappresenta in pratica il tempo medio impiegato affinchè un dato residente in un punto specifico del disco venga reperito ed è legato alla velocità di rotazione nonchè alla velocità delle testine.
Il parametro è temporale ed è espresso in millisecondi (ms); per fare un esempio in genere un Hard Disk da 7200 giri ha un tempo di accesso di circa 9ms mentre uno da 15.000 può arrivare anche a 4ms.
Se abbiamo quindi la necessità di un disco molto veloce e reattivo sia nella lettura che nella scrittura dei dati, il tempo di accesso riveste una grande importanza ed è uno dei parametri da ricercare nella scheda tecnica del disco reperibile sul sito del produttore.
L’interfaccia di un HDD
L’interfaccia rappresente la connessione fisica che mette in comunicazione l’Hard Disk con la scheda madre. Esistono diverse interfacce dedicate agli Hard Disk.
Interfaccia SATA
Lo standard dedicato al mercato consumer attuale si chiama SATA (Serial Advance Technology Attachment) ed è rappresentato fisicamente da due connettori uno è quello di alimentazione, l’altro è il cavo dati.
Ecco un HDD SATA:
Questo è il connettore di alimentazione:
Questo invece è un comune cavo dati SATA, è flessibile ed ha 8 millimetri di larghezza e 7 contatti disposti su singola fila.
L’interfaccia SATA ha sostituito la vecchia PATA (o Parallel ATA) apportando incredibili benefici nella velocità di trasferimento generale dei dati.
La prima versione del Serial ATA risalente al 2002 supportava una velocità di trasmissione dei dati pari a 1,5 gigabit al secondo; il controller SATA II nato nel 2005 è invece in grado di trasferire 3 Gigabit/s (384 megabyte/s).
Il SATA 3.0 invece risale al 2009 ed ha raggiunto una velocità di trasferimento dati di 6 Gbit/s, contro i 3 Gbit/s della versione SATA 2. SATA 3.0.
| Versione | Nome commerciale | Prestazioni teoriche | Prestazioni effettive |
|---|---|---|---|
| SATA 1.0 | Serial ATA-150 | 1,5 Gb/s (192 MB/s) | 1,2 Gb/s (150 MB/s) |
| SATA 2.0 | Serial ATA-300 | 3 Gb/s (384 MB/s) | 2,4 Gb/s (300 MB/s) |
| SATA 3.0 | Serial ATA-600 | 6 Gb/s (768 MB/s) | 4,8 Gb/s (600 MB/s) |
Esistono poi ulteriori evoluzioni della revision 3 come la SATA revision 3.1 che ha portato diverse migliorie generali e la SATA 3.2 chiamata SATA Express che può arrivare alla velocità di 16 Gbit/s.
Interfaccia PATA | IDE
L’interfaccia Parallel ATA o IDE (Integrated Drive Electronics) era comune nei PC fino ai primi anni 2010; questa si è evoluta successivamente in EIDE e SATA.
La connettività fisica è rappresentata da un cavo piatto, solitamente grigio, 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 questo caso, per poter distinguere tra le due periferiche, esse devono essere configurate una come master (principale) e una come slave (ssecondaria).
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: ma personalmente ho sempre configurato manualmente unità master e slave perchè con vecchie schede madri il cable select non ha mai funzionato bene.
Una scheda madre ha solitamente due connettori IDE (primario e secondario, detti spesso canali o controller), ad ognuno dei quali è possibile connettere due unità per un totale di quattro periferiche; alcune schede madri disponevano anche di quattro connettori.
C’è da notare che il cavo IDE non porta alcuna alimentazione elettrica necessaria per il funzionamento delle periferiche; queste quindi normalmente sono connesse all’alimentatore per mezzo di un cavo separato con attacco Molex.
Sui laptop l’interfaccia PATA era una versione ridotta e compatta dell’IDE per Desktop: questa però dispone anche della piedinatura relativa all’alimentazione.
Le performance dei dischi PATA o IDE sono ovviamente molto più basse rispetto al moderno standard SATA.
Interfaccia SCSI
In elettronica e informatica Small Computer System Interface o SCSI è un’interfaccia standard progettata per realizzare il trasferimento di dati a bus in modalità parallela.
E’ uno degli standard più vecchi ed è stato sempre dedicato a server o unità professionali ad alte prestazioni.
Nel tempo ha avuto diverse evoluzioni e in ogni formato presentato c’è una diversa connettività dovuta a slot e connettori dedicati di formato sempre differente.
Sotto la sigla SCSI viene rappresentata una moltitudine di formati e tecnologie.
Ecco un riepilogo delle caratteristiche dell’interfaccia SCSI aggiornato al 2016:
| Interfaccia | Velocità del bus (Transfer rate) (MByte/s) |
Larghezza del bus (bits) | Max lunghezza cavi (metri) | Max numero di dispositivi |
|---|---|---|---|---|
| SCSI | 5 | 8 | 6 | 8 |
| Fast SCSI | 10 | 8 | 1,5-3 | 8 |
| Wide SCSI | 20 | 16 | 1,5-3 | 16 |
| Ultra SCSI | 20 | 8 | 1,5-3 | 5-8 |
| Ultra Wide SCSI | 40 | 16 | 1,5-3 | 5-8 |
| Ultra2 SCSI | 40 | 8 | 12 | 8 |
| Ultra2 Wide SCSI | 80 | 16 | 12 | 16 |
| Ultra3 SCSI | 160 | 16 | 12 | 16 |
| Ultra-320 SCSI | 320 | 16 | 12 | 16 |
| Ultra-640 SCSI | 640 | 16 | 12 | 16 |
