El Disco Duro
El disco duro 1. Definición Los discos duros constituyen la unidad de almacenamiento principal del ordenador, donde se a
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El disco duro 1. Definición Los discos duros constituyen la unidad de almacenamiento principal del ordenador, donde se almacenan permanentemente una gran cantidad de datos y programas. Constituyen la memoria de almacenamiento masivo. Esta información que almacena no puede ser procesada directamente por el microprocesador, sino que, en un paso previo, deben transferirse a la memoria central donde pueden manejarse. Las unidades de los discos duros contienen 2 o más discos {platillos) apilados sobre un eje central y aislados completamente del exterior. Los elementos móviles que poseen están mucho mejor construidos. El sistema gira rápidamente y los discos son de mayor densidad. Esto hace que la capacidad de los discos duros sea mucho mayor que la de los discos flexibles. 2. Caraterísticas físicas El primer disco duro utilizado en un PC tenía una capacidad de almacenamiento de 10 MBytes. Era más grueso, medía 15 cm de ancho y 20 cm de largo y pesaba cerca de 5 kg. Las diferencias son tremendas respecto a los discos duros actuales. Todas estas variaciones morfológicas se deben al continuo refinamiento de los materiales y al consiguiente aumento de la densidad acumulativa, así como a la mejora de los métodos de almacenamiento y la optimización de la mayoría de los componentes electrónicos. Las unidades de disco duro pueden adquirirse en formato de 3,5 o de 5,25 pulgadas, aunque también existen de 2 pulgadas para los ordenadores portátiles y otros tamaños especiales para otros dispositivos, que pueden alcanzar capacidades muy elevadas (varios cientos de Gbytes). A diferencia de las unidades de disquete y de otros dispositivos de almacenamiento, las unidades de disco duro están, por así decirlo, lacradas. El medio portador de datos no puede ser extraído (los platillos o discos internos), por ello, el término común de disco duro suele hacer referencia a la unidad en su conjunto (carcasa exterior y componentes
internos). 3.
Partes
de
un
disco
duro
Un disco duro está formado por una serie de discos o platillos apilados unos sobre otros dentro de una carcasa impermeable al aire y al polvo. Son de aluminio y van recubiertos de una película plástica sobre la que se ha diseminado un fino polvillo de óxido de hierro o de cobalto como material magnético. Los más comunes son los platillos de 3,5 pulgadas (8,9 cm). Cada disco tiene dos caras ya cada una de ellas le corresponde una cabeza de lectura/escritura soportada por un brazo. En la práctica, estos brazos situados entre dos platillos contienen dos cabezas de lectura/escritura. La palabra cabeza se utiliza para designar a una cara. Así, se dirá por ejemplo, que un disco de siete platillos donde se emplean todas las caras, tiene catorce cabezas. La superficie de los platillos se divide en pistas concéntricas numeradas desde la parte exterior empezando por la pista número 0. Cuántas más pistas tenga un disco de una dimensión determinada, más elevada será su densidad, y por tanto, mayor será su capacidad. Todas las cabezas de lectura/ escritura se desplazan a la vez, por lo que es más rápido escribir en la misma pista de varios platillos que llenar los platillos uno después de otro. El conjunto de pistas del mismo número en los diferentes platillos se denomina cilindro. Así por ejemplo, el cilindro 0 será el conjunto formado por la pista 0 de la cara 0, la pista 0 de la cara 1, la pista 0 de la cara 2, la pista 0 de la cara 3, etc. Un disco duro posee, por consiguiente, tantos cilindros como pistas hay en una cara de un platillo. Las pistas están divididas a su vez en sectores con un número variable de 17 a más de 50. Estos sectores poseen varios tamaños: los situados más cerca del centro son más pequeños que los del exterior, aunque almacenan, sin embargo, la misma cantidad de datos, 512 bytes. La densidad, pues, es mayor en los sectores internos que en los externos. Esto nos llevaría a preguntamos por qué no se aumenta la capacidad de los discos colocando más sectores en las pistas exteriores que en las interiores. La respuesta es simple, porque hasta ahora no ha merecido la pena obtener ese aumento de capacidad a cambio de una organización más complicada de la información. Es más fácil controlar pistas que tienen todas un mismo número de sectores que aquellas en las que el número de sectores varia dependiendo de la posición de la misma. Los
discos duros más modernos que utilizan un procedimiento denominado Zone-bit-recording colocan un número de sectores distinto en función del diámetro de la pista. En los discos duros más antiguos el número de sectores es el mismo para cada pista. Seria lógico pensar que todos los discos duros tienen un número par de cabezas ya que hay un número par de caras de los platillos. Sin embargo, en la práctica, una cara de un platillo puede contener informaciones específicas que sirven para el posicionamiento de las cabezas. Por este motivo, hay discos que tienen un número impar de cabezas. De igual forma, es posible reservar también uno o varios cilindros. La capacidad neta de un disco duro viene dada por la siguiente fórmula: Capacidad = Bytes por sector x Número de sectores x Número de cilindros x Número de cabezas El número de pistas o cilindros, el de las caras de los platillos y el de los cabezales viene determinado físicamente por el fabricante. Por otro lado, la cantidad de sectores depende del procedimiento de grabación y de la densidad de los datos que vayan a almacenarse en el disco. Este factor se establece por la calidad de la película con que se haya recubierto la superficie de las láminas o placas. Anteriormente nos hemos referido a la capacidad neta de un disco duro. Esta denominación corresponde, en realidad, a la capacidad disponible después de darle formato. A menudo, lo que aparece en la documentación técnica de los discos duros es su capacidad en bruto. El volumen neto es, por supuesto, inferior, porque en él ya se ha descontado el espacio requerido para la gestión del disco duro. Por poner un ejemplo, en unidades con varios cientos de MBytes la diferencia entre los valores neto y bruto puede alcanzar fácilmente los 30 MBytes 0 los 50 MBytes. En un disco duro con una capacidad bruta de 2.000 MBytes (2 Gigas) el espacio neto disponible alcanza, como mucho, los 1.700 MBytes .La diferencia es, por tanto, bastante sustancial. 4.
Funcionamiento
Al igual que los disquetes, los discos duros constan de cuatro componentes principales: el motor de impulsión, los cabezales de lectura y escritura, el motor paso a paso y los circuitos de control, tal y como vimos en la página anterior. En la parte inferior del disco duro se encuentra una tarjeta de circuito impreso {circuitos de control) que recibe los comandos de la controladora de la unidad (la clásica tarjeta controladora de discos duros), la cual es controlada a su vez por el sistema operativo. Esta
tarjeta traduce esos comandos en fluctuaciones de voltaje que fuerzan el movimiento de las cabezas de lectura/escritura a través de la superficie de los platillos. Por otro lado, la tarjeta de control también asegura que el eje de esos platillos tenga una velocidad constante e informa a la unidad de cuándo debe leer o escribir sobre el disco. En un disco duro IDE, el controlador es parte integral de esta tarjeta. Un eje, conectado a un motor eléctrico de impulsión, efectúa, en ocho capas como máximo de platillos magnéticos, miles de giros por minuto (normalmente 3.600 aunque, en discos duros más modernos, puede llegar a 4.500 e incluso 11.000). La composición del revestimiento magnético y la cantidad de platillos determinan la capacidad de la unidad. La unidad se mantiene a este ritmo de rotación hasta que se interrumpe el suministro de corriente, ya que llevaría demasiado tiempo situarla a esa velocidad antes de cada acceso. El dispositivo de control de las revoluciones se ocupa de verificar que el índice de velocidad no varie en más de un 0,5%. El motor paso a paso coloca y empuja el grupo de brazos o cabezales de lectura/escritura sobre las superficies de los platillos con gran precisión. Alinea las cabezas y las pistas que están formadas por circulos concéntricos en la superficie de los platillos. Los cabezales de lectura/escritura incluidos en los extremos de los brazos en movimiento, avanzan al unísono a través de la superficie de los platillos giratorios del disco duro. Las cabezas escriben la información procedente del controlador de disco en los platillos, alineando las partículas magnétícas en la superficie de éstos. También se encargan de leer la información y detectan las polaridades de las partículas que ya fueron alineadas. Cuando el usuario o el software pide al sistema operativo que lea o escriba un determinado sector del disco, el sistema operativo ordena a la controladora del disco duro que mueva los cabezales de lectura/ escritura sobre la pista que contiene ese sector. Los cabezales sólo tienen que esperar a que ese sector pase exactamente por debajo de ellos, para leer o escribir sobre él. 5.
Esritura
y
lectura
de
datos
A diferencia de lo que sucede en las unidades de disquete, la cabeza de lectura y escritura no reposa sobre el soporte de datos, ya que a velocidades de rotación muy elevadas podría provocar agresiones graves en la cabeza y en el platillo. Por lo tanto, flota sobre la superficie del disco. Es el desplazamiento de las capas de aire arrastradas por el movimiento de rotación de la superficie del disco el que provoca, por un fenómeno aerodinámico, el despegue de las cabezas y su colocación a una distancia de 0,5 micras por encima de la superficie. Esto plantea varíos problemas. En primer lugar, durante el funcionamiento debe evitarse que se introduzca alguna partícula en el espacio situado entre el disco y la
cabeza de lectura. Si llegara a introducirse alguna, sufrían daños importantes tanto la cabeza como la superficie del disco. Por este motivo, los discos duros están protegidos herméticamente al paso del aire por carcasas que no deben ser abiertas. Un disco duro, mientras está funcionando, no puede ser movido debido a la cercanía de la cabeza y el disco. No haría falta un gran golpe para que la cabeza dañase la superficie del disco y, por lo tanto, se enviarían continuos mensajes de error de lectura y escrítura o bien se encontrarían sectores defectuosos. Por otro lado, cuando el disco no está en funcionamiento, la cabeza de lectura/escritura debe reposar sobre la superficie magnética. Se produce un "despegue" de la cabeza cuando se conecta la corriente y un "aterrizaje" cuando se interrumpe dicha corriente. Durante estas dos fases, la cabeza roza la superficie del disco. Para evitar dañar zonas que contienen datos, se reserva una pista especial para esta acción, conocida como zona de aterrizaje (landing zone). El número de esta pista es una característica importante que hay que comunicar a la BIOS cuando se instala una unidad de disco duro. Este dato se utiliza para aparcar las cabezas de lectura sobre la pista adecuada antes de desconectar la corriente. La mayor parte de los discos duros modernos realizan un aparcamiento automático. La zona de aterrizaje es, generalmente, la pista situada en el interíor del disco, la que tiene el número más elevado. Las dos operaciones que realiza la cabeza de lectura/escritura son la escritura de datos y la lectura de datos. Cuando el disco es virgen no presenta particularidades magnéticas. Un impulso de corriente enviado al bobinado de la cabeza produce un campo magnético en el entrehierro del electroimán. Este campo imana la superficie del disco, formándose entonces un dipolo, es decir, una zona que contiene, al igual que los imanes, un polo norte y un polo sur. Los datos se escriben en la superficie del disco por medio de una corriente enviada al electroimán que porta la cabeza de lectura/escritura. Esta corriente produce un campo magnético que modifica la superficie del disco. Juntando dos dipolos se forma el elemento de la información que un ordenador puede manipular, el bit, que toma el valor 1 o el valor 0:
La
Si el bit representa el valor binario 1, los dos dipolos magnéticos están alineados con direcciones opuestas. Si por el contrario, adquiere el valor 0, ambos dipolos magnéticos quedan alineados en la misma dirección. lectura
de
datos
se
basa
en
el
fenómeno
inverso:
Una variación del campo magnético en las proximidades de un electroimán provoca la aparición de una corriente eléctrica en el bobinado de éste.
Los datos se escriben en el disco por impulsos de corriente. Su lectura provoca impulsos de la misma naturaleza. El desplazamientb de los dipolos que se encuentran en la superficie del disco con respecto a la cabeza de lectura, produce una inversión del campo magnético la cual provoca la aparición de una corriente inducida en el bobinado. Esta corriente tendrá un sentido u otro según hayamos leído un bit 0 o un bit 1. Conociendo el sentido de la corriente, el ordenador sabe si la cabeza de lectura pasa sobre un 1 o sobre un 0. 6. Tipos de disco duro Los discos duros pueden clasificarse siguiendo varios criterios. Por ejemplo, según el tipo de codificación realizada encontramos discos duros MFM, RLL, ARLL, o ERLL. Según la tarjeta controladora o interfaz utilizado para comunicar el disco duro con el ordenador, los discos duros pueden clasificar se en ST -506, ESDI, IDE, o SCSI. Normalmente los discos duros MFM y RLL se corresponden con los interfaces ST -506 o ESDI, que son los más antiguos. y los procedimientos de codificación más avanzados como ARLL o ERLL se emplean en los discos duros más modernos que usan un interfaz IDE o SCSI. Esto no significa que no encontremos discos duros IDE que utilicen codificación MFM. Es decir, que puede formatearse un disco duro IDE para aceptar una codificación de datos MFM o RLL, pero no sería lo más óptimo. minas o placas. Todos los discos duros se caracterizan por una serie de parámetros que nos permiten hacer comparaciones entres las distintas unidades de disco, por ello, algunos parámetros son muy importantes a la hora de elegir un buen disco duro. Otros, sin embargo, son imprescindibles para cuando se realice la instalación de una unidad de disco.
1.
Tiempo
de
acceso
Cuando se pretende leer la información de un determinado sector, el primer paso consiste en mover la cabeza de lectura hasta la pista (cilindro) donde se encuentra dicho sector. Esta búsqueda lleva un tiempo que se conoce como tiempo de búsqueda y su duración dependerá en cada caso de dónde esté situada la cabeza de lectura con respecto a la pista que se pretende encontrar. Los programas que miden este tiempo, toman como medida de referencia el tiempo requerido para recorrer un tercio del disco. A esto se le denomina tiempo de búsqueda medio. Suele estar en el orden de los milisegundos. Una vez que se está en la pista (cilindro) correcta, hay que encontrar el sector concreto que pretendemos leer; dicho proceso conlleva un tiempo conocido como período de latencia. Puede ser
0 si la cabeza se encuentra justo sobre el sector que se busca, o bien, en el peor de los casos, hay que esperar toda una vuelta. La medida de referencia que se toma es el período de latencia medio, es decir, lo que se tarda en dar media revolución. Como la mayoría de los discos duros giran a 3.600 revoluciones por minuto, el tiempo de latencia medio para estos discos es de 8,33 mseg. Discos duros más rápidos giran a 4.500 revoluciones por minuto, siendo su periodo de latencia medio de 6,67 mseg. La suma del tiempo de búsqueda medio más el periodo de latencia medio es conocido como tiempo de acceso y es el proporcionado por el fabricante del disco duro. Suele ser del orden de milisegundos. Tiempo de acceso = tiempo de búsqueda + periodo de latencia ¿Cómo
calcular
el
periodo
de
latencia
medio?
Supongamos un disco duro que gira a 3.600 revoluciones por minuto. Si en un minuto da 3.600 vueltas, ¿cuánto tiempo tardará en dar media vuelta? Sólo hay que realizar una sencilla regla de tres:
2.
Velocidad
de
Transferencia
de
datos
La velocidad de transferencia determina cuántos datos pueden leerse o escribirse en el disco duro en un periodo determinado de tiempo. Es decir, la cantidad de datos que se transmiten entre el disco duro y el ordenador. Esta velocidad se mide en bytes por segundo. Las unidades de disco duro más antiguas poseen una velocidad de transferencia del orden de 400 ó 700 KBytes por segundo, mientras que las más modernas alcan zan varios megabytes por segundo. La velocidad de transferencia de datos, depende entre otras muchas cosas, del tiempo de acceso. Por ello, es la velocidad de transferencia de datos el factor más determinante que indica la rapidez de un disco duro. Podemos encontrar en el mercado discos duros que teniendo un tiempo medio de acceso de 10 milisegundos pueden tener un rendimiento menor que uno de 14
milisegundos.
3.
Velocidad
de
giro
Este es uno de los parámetros que como hemos visto anteriormente determina el tiempo de acceso de un disco duro, y por tanto su velocidad de transferencia de datos. Los primeros discos duros giraban todos a una velocidad de 3.600 revoluciones por minuto. Pero en seguida los fabricantes de discos duros se dieron cuenta que con sólo aumentar la velocidad de giro del ordenador se consjguen prestaciones mejores. Los discos duros modernos giran a 4.500 rpm y algunos incluso llegan hasta las 11.000 vueltas por minuto. La velocidad de giro de los disquetes es del orden de 300 rpm. Además existe otra diferencia y es que un disco duro empieza a girar desde el mismo momento en que le llega la alimentación. En cambio, una disquetera sólo acciona el motor de giro cuando tiene en su interior un disquete introducido. Si al proporcionar alimentación a un disco duro no gira, es síntoma evidente de que está dañado.
4.
Precompensación
de
escritura
Un disco duro posee un elevado número de cilindros y todos tienen el mismo número de sectores por pista. Por eso, la densidad de almacenamiento de información es mucho más elevada en los cilindros cercanos al centro que en los externos. Las zonas magnéticas de la superficie del disco se comportan como imanes. Cuando están muy próximas entre sí, se produce una interacción entre sus polos: los polos idénticos se repelen y los polos opuestos se atraen. Esto provoca un desplaza- miento que perturba la posterior lectura. Para resolver este problema, se aplica la técnica denominada precompensación de escritura, en la cual los datos se desfasan durante la escritura de manera que pueda compensarse el posterior desplazamiento. La interacción entre los polos provoca un desplazamiento que los lleva a la posición correcta. Esta técnica se aplica a partir de un cilindro determinado. Los fabricantes de discos duros, cuando diseñan la unidad, determinan a partir de qué cilindro se realiza la precompensación, siendo ésta una de las caracteristicas del disco. Durante su instalación en el ordenador, es importante conocer el número de este cilindro para indicarlo en los parámetros de la BIOS. En el apartado del SETUP donde se recoge el tipo de disco duro instalado, hay una opción denominada WPcom o PRECOMP para indicar el lugar donde se produce la precompensación de
escritura. Existen también discos duros que utilizan un procedimiento de grabación de datos denominado zone-bit-recording mediante el cual las pistas más externas contienen más sectores que las pistas internas. En este tipo de discos no se aplica el principio de precompensación de escritura. Muchos de los discos duros IDE actuales utilizan este procedimiento de codificación especial. Por ello, cuando instalemos un disco duro de estas caracteristicas tendremos que indicar en el SETUP que no utiliza precompensación de escritura. Muchas veces se indica con el valor 0 o el valor 65535.
5.
Reducción
de
la
corriente
de
escritura
Las pistas de un disco no poseen longitudes iguales, las pistas del centro son muchas más cortas que las del exterior. Como consecuencia, al contener todas las pistas la misma cantidad de información, los datos de las pistas centrales se sitúan más próximos que los de las pistas exteriores. Para grabar la información en el disco duro, la cabeza de escritura genera un determinado campo magnético que provoca la polarización de una pequeña zona del disco. Cuánto más nos acerquemos al interior del disco, más próximas estarán estas zonas, lo que impediría una lectura correcta de los datos. Para evitar este efecto, se reduce el tamaño de la zona magnetizada en las pis- tas interiores. Esto se logra reduciendo el campo magnético aplicado. Para ello, hay que disminuir la corriente eléctrica que pasa a través de la cabeza de escritura. El fabricante del disco duro suele indicarnos en su documentación a partir de qué cilindro o pista se produce la reducción de la corriente de escritura. En muchas ocasiones este dato habrá que reflejarlo en los parámetros de configuración del SETUP para optimizar el uso de nuestro disco duro y evitar posibles errores de lectura.
6. Zona de aterrizaje de las cabezas de la unidad Cuando apagamos el ordenador la cabeza de lectura/escritura se queda en la pista (cilindro) donde se encontraba en ese momento, en una pista que contiene datos. Si a continuación movemos el disco duro, la cabeza de lectura choca contra la pista en la que está, pud iendo provocar la pérdida de datos. Para evitar este efecto hay que desplazar la cabeza de lectura a algún punto del disco duro que no contenga datos cuando se apaga el ordenador. Los primeros discos duros utilizaban el
comando PARK del MS-DOS para mover la cabeza de lectu ra a alguna pista que no contuviera información (eneralmente la primera o la última). Entonces ya podíamos mover ese disco duro sin riesgo alguno. Los discos duros modernos son más avanzados y ellos mismos desplazan la cabeza de lectura a alguna pista auxiliar en el momento de cesar la alimentación. Es lo que se conoce también como autoaparcamiento de las cabezas. Hay que indicar en el SETUP del ordenador el cilindro o pista donde tiene que llevarse las cabezas de lectura en el momento de apagar el ordenador. Para ello disponen de una opción denominada lZone o IANDZONE que tendremos que indicar según la información suministrada por el fabricante. Suele ser la pista central, es decir, la última.
Cuando se trata con el mundo del almacenamiento, el ahorro energético puede ser un gran problema. Una forma de ahorro de energía en unidades de disco duro es reducir el número de platos necesarios para alcanzar una capacidad de almacenamiento dado. Esto significa que la unidad se puede utilizar menos cabezas de ahorro de energía. Samsung ha presentado una nueva edición a la familia Ecogreen HDD llamado F4EG. El nuevo disco es la continuación en el HDD F3EG que ya ha estado disponible. El nuevo disco duro F4EG utiliza tres discos para llegar a su capacidad de almacenamiento de 2 TB, en lugar de los cuatro platos utilizados por el F3EG.
Cada uno de los tres platos de la nueva unidad de disco duro utiliza tiene 667GB de almacenamiento. La nueva unidad también tiene 23% más eficiente de energía en modo de espera y un 19% mejor en rendimiento en el tiempo de espera. La unidad tiene un búfer de 32 MB y es una unidad de 3,5 pulgadas.