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1 CORSO BASE DI TECNICO RIPARATORE HARDWARE HARD DISK Docente: Dott. Ing. Antonio Pagano

2 DEFINIZIONE Un disco rigido, anche chiamato disco fisso o hard disk drive (abbreviazioni comuni: "hard disk", "HDD ), è un dispositivo di memoria di massa che utilizza uno o più dischi magnetici per l'archiviazione dei dati. Il disco rigido è uno dei tipi di dispositivi di memoria di massa attualmente più utilizzati. È infatti presente nella maggior parte dei computer e anche in altri dispositivi elettronici, come ad esempio il PVR. Il disco rigido ha da poco tempo un serio concorrente, l'unità a stato solido, destinata probabilmente in futuro a soppiantarlo.

3 FUNZIONAMENTO 1/3 Il disco rigido è costituito fondamentalmente da uno o più piatti in rapida rotazione, realizzati in alluminio o vetro, rivestiti di materiale ferromagnetico 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 giri al minuto; attualmente i valori standard di rotazione sono 4.200, 5.400,5.600, 7.200, e giri al minuto.

4 FUNZIONAMENTO 2/3 Quando il pc riceve dei dati da memorizzare sull'hard disk, glieli invia sotto forma di bit, che l'hard disk provvede a memorizzare magnetizzando il piatto del disco, con una carica positiva o negativa. Ovviamente per fare ciò utilizza le testine, e non necessariamente li memorizza sequenzialmente, ma può anche sistemarli in zone diverse, anche su piatti diversi. In questo modo si risolve un problema tipico dei nastri magnetici, che possono essere letti solo sequenzialmente, cosa che li penalizza notevolmente dal punto di vista del tempo di accesso, che invece sui dischi moderni è generalmente inferiore ai 10ms.

5 FUNZIONAMENTO 3/3 Ovviamente per fare ciò utilizza le testine, e non necessariamente li memorizza sequenzialmente, ma può anche sistemarli in zone diverse, anche su piatti diversi. In questo modo si risolve un problema tipico dei nastri magnetici, che possono essere letti solo sequenzialmente, cosa che li penalizza notevolmente dal punto di vista del tempo di accesso, che invece sui dischi moderni è generalmente inferiore ai 10ms. Nel momento in cui è necessario andare a rileggere i dati per utilizzarli, le testine non fanno altro che rimuoversi per rileggerli, determinando il campo magnetico di ogni bit, e quindi reinviando i dati al sistema; rimane da capire come il pc possa sapere dove andare a cercare le informazioni che sta cercando, in mezzo a una miriade di bit sparsi.

6 FORMATTAZIONE 1/4 La formattazione organizza i dati in modo che il sistema possa scriverli e leggerli con ordine, utilizzando un criterio ben preciso; esistono due tipi di formattazione: a basso livello (o fisica) e logica. Formattando a basso livello (cosa che in genere viene effettuata direttamente dal produttore, ma mediante apposite utility si può ripetere) si divide il disco rigido nelle subunità principali: tracce, settori, cilindri.

7 FORMATTAZIONE (A BASSO LIVELLO ) 2/4 Le tracce sono dei "cerchi concentrici" scritte su tutti i lati di tutti i piatti, e sono numerate; l'insieme di tutte le tracce identificate dallo stesso numero, e quindi equidistanti dall'asse formano un cilindro, che può essere immaginato come il collegamento ideale in verticale delle estremità delle tracce. I settori invece sono una suddivisione delle tracce, destinate a contenere una quantità prefissata di dati, minore di quella delle tracce. I cilindri hanno un grande vantaggio: scrivendo su di essi si evita di far spostare le testine (le traccia infatti è la stessa...) e dunque si risparmia notevolmente sul tempo di scrittura/lettura, dato che è proprio lo spostamento delle testine la fase più lenta del processo.

8 FORMATTAZIONE (A BASSO LIVELLO ) 3/4

9 FORMATTAZIONE (LOGICA) 4/4 La formattazione logica altro non è che l'inserimento del cosiddetto "file system" sull'hard disk, ovvero quella struttura logica che memorizza le posizioni fisiche di ogni singolo file, gestisce directory, quantifica lo spazio disponibile e quello già utilizzato; inoltre, cosa molto importante, contiene il record di boot, ovvero quei dati necessari all'avvio del sistema operativo. Per questo motivo ogni sistema operativo necessità di uno specifico files ystem, o comunque di uno supportato.

10 PRESTAZIONI 1/6 I dischi rigidi moderni hanno capacità e prestazioni enormemente superiori a quelle dei primi modelli, ma poiché nel frattempo la velocità e le prestazioni delle memorie ad accesso casuale (RAM e ROM) sono aumentate molto di più, 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 soprattutto quando, a causa di una memoria RAM inferiore alla memoria virtuale richiesta dai programmi in esecuzione, il sistema operativo è costretto ad effettuare un gran numero di operazioni di swap tra il disco e la memoria centrale. Le caratteristiche di un disco rigido sono:

11 PRESTAZIONI 2/6 1) La capacità: in genere espressa in gigabyte (GB). I produttori usano i gigabyte decimali, 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 GB. Attualmente (ottobre 2010) i dischi rigidi si trovano in vendita con capacità fino a 3 TB. La capacità può essere aumentata incrementando la densità con cui le informazioni vengono memorizzate sui piattelli che compongono l'hard disk o impiegandone un numero maggiore.

12 PRESTAZIONI 3/6 2) 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. 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. 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 da 7200 rpm è di circa 9 millisecondi. Per uno da rpm è inferiore a 4 ms.

13 PRESTAZIONI 4/6 3) Il velocità di trasferimento, è la quantità di dati fornita dal disco rigido 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. Va ricordato che la velocità di trasferimento cala in modo proporzionale al numero di discontinuità nei settori che compongono il file ricercato (disco frammentato).

14 PRESTAZIONI 5/6 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 o 64MB ad esempio.

15 PRESTAZIONI 6/6 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.

16 COMPOSIZIONE DEL DISCO I dati 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 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 avendo come indirizzo fisico un numero per ciascuna delle entità fisiche del disco. A) Traccia B) Settore C) Settore di una traccia (o anche traccia di un settore) D) Cluster, insieme di settori contigui

17 ENTITA FISICHE DEL DISCO 1/2 1. 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. 2. Traccia: ogni piatto si compone di numerosi anelli concentrici numerati, detti tracce, ciascuna identificata da un numero univoco. 3. 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. 4. Settore: ogni piatto è suddiviso in settori circolari, ovvero in "spicchi" radiali uguali ciascuno identificato da un numero univoco.

18 ENTITA FISICHE DEL DISCO 2/2 5. Blocco: L'insieme di settori posti nella stessa posizione in tutti i piatti. 6. 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. 7. Cluster: raggruppamento di settori contigui

19 IMPOSTAZIONI DI MASTER, SLAVE E CS 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. Di norma, il disco primario è impostato come master, e un disco secondario (o un lettore/masterizzatore CD/DVD) come slave. Inoltre l'impostazione master è il più delle volte obbligatoria nel caso il disco rigido venga utilizzato in un box come disco esterno (o almeno lo era fino a poco tempo fa).

20 ATTENZIONE! 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 la superficie del disco, il vano che lo contiene è sigillato ma non ermetico, un piccolo foro protetto da un filtro estremamente fine permette di mantenere la camera alla stessa pressione atmosferica esterna. Solitamente i centri assistenza specializzati e professionali faranno poi pagare molto caro anche il solo tentativo di riparazione.

21 I DISCHI SSD 1/6 Un'unità a stato solido o drive a stato solido, in sigla SSD (dal corrispondente termine inglese solid-state drive), talvolta impropriamente chiamata disco a stato solido, è una tipologia di dispositivo di memoria di massa che utilizza memoria a stato solido (in particolare memoria flash) per l'archiviazione dei dati. L'importante differenza con i classici dischi è la possibilità di memorizzare in modo non volatile grandi quantità di dati, senza utilizzare organi meccanici. La maggior parte delle unità a stato solido utilizza la tecnologia delle memorie flash NAND, che permette una distribuzione uniforme dei dati e di "usura" del disco.

22 I DISCHI SSD 2/6 Il termine "disco a stato solido" è improprio perché all'interno dell'ssd non c'è nessun disco, né di tipo magnetico né di altro tipo. L'utilizzo della parola "disco" deriva dal fatto che questa tipologia di dispositivo di memoria di massa svolge la medesima funzione del più datato disco rigido e viene quindi utilizzato in sostituzione di esso. Le unità a stato solido si basano sulla memoria flash di tipo NAND per l'immagazzinamento dei dati, ovvero sfruttano l'effetto tunnel per modificare lo stato elettronico di celle di transistor; per questo essi non richiedono parti meccaniche e magnetiche (dischi, motori e testine), portando notevoli vantaggi per la sicurezza dei dati. Oltre alla memoria in sè, un'unità disco SSD dispone di diversi componenti di supporto alle operazioni.

23 I DISCHI SSD 3/6 Il controller è costituito da un microprocessore che si occupa di coordinare tutte le operazioni del disco. Il software che governa questo componente è un firmware preinstallato dal produttore. Oltre alle operazioni di lettura/scrittura si occupa della gestione di: Error-correcting code: controllo e correzione degli errori in fase di lettura/scrittura Wearing level: limitazione dei cicli di lettura/scrittura Memoria cache interna al disco Garbage collection Criptazione dei dati Rilevamento e riallocazione dei settori danneggiati

24 I DISCHI SSD 4/6 Una novità introdotta dalle memorie a stato solido è la possibilità di terminare le operazioni di scrittura anche in caso di mancanza di tensione. Questo avviene grazie alla presenza di un supercondensatore o, più raramente, di una batteria di backup, che garantisce energia sufficiente per concludere l'operazione in corso. Questa tecnica permette di garantire una maggiore integrità dei dati ed evitare che il file system risulti corrotto. Un comune disco rigido (a sinistra) confrontato con un'unità a stato solido (a destra)

25 I DISCHI SSD 5/6 Vantaggi degli SSD rumorosità assente; minore possibilità di rottura; minori consumi durante le operazioni di lettura e scrittura; tempo di accesso ridotto: si lavora nell'ordine dei decimi di millisecondo [3] ; il tempo di accesso dei dischi magnetici è oltre 50 volte maggiore, attestandosi invece tra i 5 e i 10 millisecondi; maggiore resistenza agli urti: le specifiche di alcuni produttori arrivano a dichiarare resistenza a shock di 1500 g [4] ; Maggiore durata: i dischi a stato solido hanno mediamente un tasso di rottura inferiore a quelli degli hard disk. Questo tasso oscilla tra lo 0.5% fino a 3% mentre negli hard disk può raggiungere il 10%. [5] minore produzione di calore; Svantaggi degli SSD un maggiore prezzo per bit, pari a circa dieci volte il costo di un disco rigido tradizionale. una possibile minore durata dell'unità, a causa del limite di riscritture delle memorie flash. I dispositivi attuali dichiarano un numero massimo di riscritture consecutive dello stesso bit che va da a di cicli, a seconda del modello e degli utilizzi ipotizzati.

26 I DISCHI SSD 6/6 Un elemento che viene immediatamente alla luce analizzando le prestazioni di un dispositivo SSD è la minore velocità in scrittura rispetto a quella in lettura e la sua forte variabilità in dipendenza della dimensione dei files che si vogliono scrivere. Ciò dipende dal fatto che mentre i File system dei Sistemi Operativi solitamente usano blocchi di celle dalla dimensione di 4KB, nei dispositivi SSD la dimensione dei blocchi è molto superiore (es. 4MB). Questo comporta che per scrivere una cella dobbiamo leggere prima l'intero blocco, quindi scriverci sopra la cella desiderata lasciando le altre inalterate ed infine salvarlo. Ne deriva che se dobbiamo scrivere più celle (files più grandi) le prestazioni migliorano perché a fronte della lettura e poi del salvataggio di un blocco, possiamo scriverci dentro contemporaneamente tante celle quanto sono quelle libere disponibili.

27 Grazie