Come funziona un Hard Disk – Guida completa

Fino a qualche anno fa, memorizzare un file sul tuo computer o sul tuo laptop voleva dire scriverlo su un disco rigido.

Gli Hard Disk hanno rappresentato per anni l’unico metodo di archiviazione nel settore informatico. Se avevi un PC, dovevi avere almeno un Hard Disk per salvare i file, avviare il sistema operativo, e così via.

Certo, negli ultimi anni i dischi rigidi sono stati soppiantati dalle memorie flash e dagli SSD. Eppure, ancora oggi gli Hard Disk sono molto utilizzati in soluzioni come i NAS, i DVR e gli NVR, o come archiviazione secondaria in un computer.

Proprio perché ancora presenti nella vita quotidiana, ha senso capire come funziona un Hard Disk e quali sono i suoi vantaggi, o i suoi punti deboli.

Iniziamo subito! 😉

Cos’è un Hard Disk e a cosa serve

Hard Disk, disco rigido, HDD, disco fisso sono tutti nomi diversi per un unico dispositivo, ossia un disco magnetico che permette di memorizzare e leggere dati su un computer.

Un Hard Disk funge quindi da metodo di archiviazione per tutti i tuoi file ma anche per il sistema operativo. Considera però che negli ultimi anni è diventato frequente sostituire i dischi rigidi con i nuovi SSD, molto più veloci. 🙂

Nonostante questo, ancora oggi gli Hard Disk sono molto utilizzati per via di un costo per GB semplicemente imbattibile.

Detto in altri termini: se hai bisogno di memorizzare grandi quantità di dati, nell’ordine dei TB, allora non troverai di meglio.

Ma cos’è un Hard Disk?

Si tratta di un dispositivo al cui interno si trovano dischi metallici che ruotano a grande velocità, mentre la sua testina scrive e legge dati a grande velocità.

Come puoi intuire, si tratta quindi di una componente informatica che ha delle parti meccaniche, ossia il disco e la testina.

Di conseguenza, un urto o una caduta possono aumentare il rischio di rotture, non presente invece negli SSD che sono formati da un circuito stampato e poco altro.

Oggi sono sostanzialmente due i formati degli Hard Disk:

• da una parte, il vecchio form factor da 3,5 pollici, più grande e pesante, adatto per i computer desktop, i NAS e i registratori dei sistemi di videosorveglianza;
• dall’altra parte, il più recente form factor da 2,5 pollici, utilizzato anche dagli SSD SATA, che occupa meno spazio e viene impiegato in alcuni laptop.

La misura in pollici si riferisce al diametro del disco metallico di un Hard Disk e non alle dimensioni del dispositivo, che sono leggermente più grandi.

Inoltre, c’è da dire che non si trovano più HDD da 2,5 pollici né SSD SATA all’interno dei computer portatili. In entrambi i casi, sono stati sostituiti dagli SSD M.2, molto più piccoli.

Ovviamente, gli Hard Disk sono diversi dagli SSD ma anche dalla memoria RAM, dalle chiavette USB e dalle microSD.

Si tratta, in un certo senso, di un reperto del passato che ancora viene utilizzato oggi, nonostante la sua lunga storia. 😉

Storia degli Hard Disk

Per capire come funziona un Hard Disk, può essere utile accennare brevemente alla storia di questo tipo di memorie.

Il primo Hard Disk viene infatti realizzato nel 1956 da IBM, l’allora colosso del settore informatico. Si tratta di un disco rigido grande come due frigoriferi moderni e che poteva essere sovrascritto con nuovi dati.

All’interno di questo dispositivo, chiamato RAMAC o Random Access Method of Accounting and Control (Metodo ad accesso casuale di contabilità e controllo), si trovavano 50 dischi da 24 pollici che ruotavano a una velocità di 1200 giri al minuto, o RPM.

Capacità totale? “Soltanto” 5 MB, e un costo di diecimila dollari al MegaByte. Come puoi vedere, di passi avanti ne sono stati fatti parecchi. 😉

Nei decenni successivi la tecnologia informatica avanza e, come ci abituerà, le dimensioni iniziano a diminuire.

Gli Hard Disk diventano poco a poco più piccoli e più capienti: i dischi hanno un diametro sempre più inferiore ma capacità superiori.

Per esempio, lo Shugart Technology SD-506 del 1980 è un Hard Disk da 5,25 pollici e ha una capacità di 5 MB. Basteranno 3 anni perché il Rodime RO352 sia il primo Hard Disk da 3,5 pollici al mondo, con una capacità di 10 MB.

Insomma, dagli anni 80 in poi l’evoluzione dei dischi rigidi porta ad avere unità in grado di memorizzare anche decine di TeraByte.

Di sicuro questi dispositivi non raggiungono le velocità di un SSD, soprattutto quando è PCIe NVMe, ma in quanto a capienza sono imbattibili. 😉

Come funziona un Hard Disk?

Vediamo adesso come funziona un Hard Disk, ma non devi preoccuparti: non è nulla di complesso o difficile da comprendere.

L’approccio che seguirà sarà lo stesso che trovi in altre guide qui sul blog, come quella su come funziona una processore o su come funziona una stampante.

Cercherò di essere preciso nei termini corretti e nella spiegazione dei processi, ma non devi preoccuparti: non sarà nulla di troppo complesso o incomprensibile.

Per iniziare a capire come funziona un Hard Disk, partiamo dal disco rigido, o meglio da una serie di dischi uno sopra l’altro e rivestiti da un materiale ferromagnetico.

I materiali ferromagnetici sono metalli come ferro, cobalto e nichel che hanno una capacità molto particolare. Sottoposti all’azione di un campo magnetico, possono magnetizzarsi e mantenere questo stato per lungo tempo.

Le informazioni vengono archiviate, vedremo fra poco come, sotto forma di bit, ossia la più piccola unità di informazione elettronica.

Come sai, un bit può assumere lo stato di 1 o 0, acceso o spento, polarizzato in una direzione o in un’altra. 😉

Ma non è tutto qui.

Infatti, 8 bit costituiscono un byte e 1024 byte formano un KB, e così via. Ciò vuol dire che tanti bit possono arrivare a rappresentare un insieme anche vastissimo di informazione memorizzata.

Per dire, un GB corrisponde a più di un miliardo di byte, ossia più di otto miliardi di bit. E un Hard Disk moderno può memorizzare anche diversi TB. 😉

Ma allora come funziona un Hard Disk? Proviamo a mettere insieme tutti gli elementi e comprendere il procedimento più nello specifico.

Dal disco rigido ai settori magnetizzati

I dischi che compongono un Hard Disk girano molto rapidamente, oggi di solito lo fanno a velocità di 5400 RPM o 7200 RPM.

Tecnicamente, una maggiore velocità di rotazione consente un accesso più rapido alle informazioni, ma come vedremo dipende anche da altri parametri.

I dischi sono composti da:

• tracce, ossia un cerchio concentrico;
• settori, la più piccola unità fisica di cui è composto un Hard Disk;
• cluster, due o più settori contigui su una singola traccia.

A effettuare le operazioni di scrittura e lettura dei dati è una testina, che si muove velocissima fra i vari settori e polarizza il materiale ferromagnetico in una direzione o in un’altra.

Gli Hard Disk moderni hanno settori che possono andare da 512 byte a 4 Kilobyte, dimensioni che semplificano la scrittura, la lettura e la correzione degli errori.

Ciò vuol dire che una testina non scrive mai un bit alla volta, sarebbe un processo troppo lento, ma scrive sempre per settori.

Allo stesso tempo, però, ogni settore non è formato esclusivamente da 0 e da 1, bensì da un pattern complesso di granelli ferromagnetici polarizzati in modo diverso.

Oltre ai dati effettivi, nei settori ci sono specifiche porzioni dedicate ai dati di ridondanza e al controllo degli errori.

Vantaggi e svantaggi

Il grandissimo vantaggio di un Hard Disk, rispetto ai metodi precedenti di memorizzazione, è che si tratta di una memoria non volatile.

In pratica, anche spegnendo un computer i settori rimangono magnetizzati per molto tempo, e pertanto conservano i dati a lungo.

I dischi rigidi permettono di memorizzare una grande quantità di dati, ad un costo tutto sommato molto contenuto.

Non tutto è positivo, tuttavia.

Abbiamo già visto come il processo di scrittura vada avanti per settori grandi più o meno 4 KB, ma i nostri file sono molto più pesanti di così.

Prendi per esempio un file di scrittura da 10 KB: per gli standard odierni è ancora molto leggero, ma già occupa almeno due settori e mezzo. Giusto?

Sì e no. Infatti, per ottimizzare lo spazio impiegato i file possono essere memorizzati in più tracce, settori e cluster diversi.

Di conseguenza, sia il processo di scrittura sia il processo di lettura saranno molto più lenti. In particolare la lettura risentirà di questo processo, perché la testina dovrà spostarsi fra più settori per recuperare il file.

Questo problema prende il nome di frammentazione e riguarda tutti gli Hard Disk, per via del loro funzionamento. E per riordinare questi dati? Si fa una deframmentazione.

Se hai mai avuto un Hard Disk come memoria principale, avrai sicuramente dovuto utilizzare un comando come il defrag di Windows. 😉

La deframmentazione analizza i diversi settori di un disco rigido e memorizza i dati su settori contigui.

La struttura logica di un Hard Disk

Un Hard Disk non è tuttavia soltanto hardware che funziona in modo indipendente e slegato dal resto del sistema. Al contrario, è una componente che interagisce con il sistema operativo e ha una sua struttura logica.

Nello specifico, con struttura logica intendiamo il modo in cui un sistema operativo vede il disco fisso e organizza i dati al suo interno.

Per farlo, usa un sistema chiamato File System, che definisce:

• la grandezza massima dei file che si possono memorizzare;
• il posizionamento dei file nei diversi settori;
• la grandezza delle unità di allocazione.

Queste ultime possono andare da 512 byte a 2 MegaByte, ma sono diverse dai settori. Questi ultimi infatti sono unità fisiche sul disco fisso, mentre le unità di allocazione sono unità logiche utilizzate dal File System.

Oggi esistono diversi File System, e scegliere quello giusto permette di formattare un Hard Disk in modo da rispondere alle proprie esigenze.

Per esempio, utilizzare il FAT32 non ha molto senso se hai file più grandi di 4 GB, mentre impiegare il NTFS potrebbe portare a problemi di compatibilità con vecchi sistemi operativi.

Qui trovi una guida su quale File System scegliere per la formattazione. 😉

Comprendere il funzionamento di un Hard Disk

Una metafora che può aiutarti a comprendere meglio questo punto del funzionamento di un Hard Disk è quella della biblioteca.

Puoi immaginare il settore di un Hard Disk come uno scaffale, o meglio un ripiano, in cui riporre i libri in modo più o meno ordinato.

Una biblioteca può essere una traccia, mentre due o più ripiani formano un cluster, e fin qui parliamo di ripartizione fisica. Di hardware, insomma.

Al contrario, un File System fornisce una struttura logica all’Hard Disk. Continuando la metafora della biblioteca, il File System definisce le sezioni e i vari argomenti dei libri.

Purtroppo però un libro che fa parte di una collana può essere riposto in uno scaffale lontano dal resto della sua serie. Serve un riordino generale per facilitare la sua consultazione, una deframmentazione. 😉

Al contrario, il funzionamento di un SSD è completamente diverso anche se il fine è lo stesso. Non ci sono dischi magnetici o parti meccaniche, ma un circuito stampato con tante celle di memoria flash.

Per approfondire, ti segnalo la guida approfondita su come funziona un SSD. 😉

Conclusioni

Comprendere come funziona un Hard Disk non è difficile, come hai potuto leggere nel corso della guida.

Certo, in questo caso si parla meno di PCB e cache, ma di dischi rigidi e testine: in un certo senso, è come fare un viaggio nel passato.

Eppure, oggi gli Hard Disk sono ancora molto utilizzati e vengono scelti per lo straordinario costo per GB, e per la stabilità nel lungo periodo.

Se ti interessano questo unità di memoria, ti consiglio alcune delle guide presenti qui sul sito, come quella sui:

• migliori Hard Disk per PC e per NAS;
• migliori Hard Disk esterni.

Se invece hai dubbi o cerchi un consiglio, scrivi pure il tuo commento qui sotto! 😉