El Disco Rígido (Estructura Física)
Función de un Disco Rígido
Un disco duro es un dispositivo que permite el almacenamiento y recuperación de grandes cantidades de información. Los discos duros forman el principal elemento de la memoria secundaria de un ordenador, llamada así en oposición a la memoria principal o memoria RAM (Random Access Memory, memoria de acceso aleatorio). Tanto los discos duros como la memoria
principal son memorias de trabajo (varían su contenido en una sesión con el ordenador). Sin embargo, presentan importantes diferencias: la memoria principal es volátil (su contenido se borra al apagar el ordenador), muy rápida (ya que se trata de componentes electrónicos) pero de capacidad reducida. La memoria secundaria, en cambio, es no volátil, menos rápida (componentes mecánicos) y de gran capacidad. La memoria principal contiene los datos utilizados en cada momento por el ordenador pero debe recurrir a la memoria secundaria cuando necesite recuperar nuevos datos o almacenar de forma permanente los que hayan variado.
Estructura física de un disco duro
Elementos de un disco duro
Un disco duro forma una caja herméticamente cerrada que contiene dos elementos no intercambiables: la unidad de lectura y escritura y el disco como tal.
La unidad es un conjunto de componentes electrónicos y mecánicos que hacen posible el almacenamiento y recuperación de los datos en el disco.
El disco es, en realidad, una pila de discos, llamados platos, que almacenan información magnéticamente. Cada uno de los platos tiene dos superficies magnéticas: la superior y la inferior. Estas superficies magnéticas están formadas por millones de pequeños elementos capaces de ser magnetizados positiva o negativamente. De esta manera, se representan los dos posibles valores que forman un BIT de información (un cero o un uno). Ocho bits contiguos constituyen un byte (un carácter).
Funcionamiento de una unidad de disco duro
Veamos cuáles son los mecanismos que permiten a la unidad acceder a la totalidad de los datos almacenados en los platos.
de la pila. El conjunto de cabezales se puede desplazar linealmente desde el exterior hasta el interior de la pila de platos mediante un brazo mecánico que los transporta. Por último, para que los cabezales tengan acceso a la totalidad de los datos, es necesario que la pila de discos gire. Este giro se realiza a velocidad constante y no cesa mientras esté encendido el ordenador. En cambio, en los discos flexibles sólo se produce el giro mientras se está efectuando alguna operación de lectura o escritura. El resto del tiempo, la disquetera permanece en reposo. Con las unidades de CD-ROM ocurre algo similar, sin embargo
en este caso la velocidad de giro no es constante y depende de la distancia al centro del dato que se esté leyendo.
Cada vez que se realiza una operación de lectura en el disco duro, éste tiene que realizar las siguientes tareas: desplazar los cabezales de lectura/escritura hasta el lugar donde empiezan los datos; esperar a que el primer dato, que gira con los platos, llegue al lugar donde están los cabezales; y, finalmente, leer el dato con el cabezal correspondiente. La operación de escritura es similar a la anterior.
Estructura física: cabezas, cilindros y sectores
Ya hemos visto que cada una de las dos superficies magnéticas de cada plato se denomina cara. El número total de caras de un disco duro coincide con su número de
cabezas. Cada una de estas caras se divide en anillos concéntricos llamados pistas. En los discos duros se suele utilizar el término cilindro para referirse a la misma pista de todos los discos de la pila. Finalmente, cada pista se divide en sectores.
El número total de sectores de un disco duro se puede calcular: nº sectores = nº caras * nº pistas/cara * nº sectores/pista. Por tanto, cada sector queda unívocamente determinado si conocemos los siguientes valores: cabeza, cilindro y sector.
Por ejemplo, el disco duro ST33221A de Seagate tiene las siguientes especificaciones:
cilindros = 6.253, cabezas = 16 y sectores = 63. El número total de sectores direccionables es, por tanto, 6.253*16*63 = 6.303.024 sectores. Si cada sector almacena 512 bytes de información, la capacidad máxima de este disco duro será de 6.303.024 sectores * 512 bytes/sector = 3.227.148.228 bytes ~ 3 GB.
Las cabezas y cilindros comienzan a numerarse desde el cero y los sectores desde el uno. En consecuencia, el primer sector de un disco duro será el correspondiente a la cabeza 0, cilindro 0 y sector 1.
ZONA DE ATERRIZAJE
Mientras el disco esta apagado, los cabezales se encuentran sobre su superficie, y cuando los platos empiezan a girar, pasan a flotar sobre un colchón de aire. Bajo ciertas circunstancias, podría suceder que los cabezales entraran en contacto con la superficie del plato, lo que resultaría fatal, ya que esta se dañaría. Para evitar esta situación, los platos suelen incluir una pista especial conocida como landing zone, o pista de aterrizaje, donde descansan los cabezales cuando el disco este inactivo.
Estándares de Conexión
La interfaz IDE (Integrated Drive Electronics o electrónica de unidades integradas) o ATA (Advanced Technology Attachment o conector de tecnología avanzada) se utiliza para conectar discos duros, grabadoras o lectoras de CD/DVD y otras unidades a la PC. Además, los dispositivos que se rigen por este tipo de conexión se destacan por su bajo costo y, últimamente, por su alto rendimiento.
La mayoría de las unidades de disco actuales utilizan este interfaz debido a su precio accesible y a la facilidad de instalación: no requieren una placa controladora, ya que todas las placas madres modernas incluyen un mínimo de dos canales IDE a los que podremos conectar hasta cuatro dispositivos de este tipo (dos por cada canal).
Características
Dentro de este tipo de interfaz, encontramos que, por cada puerto IDE, se pueden conectar dos dispositivos. Para que el sistema los reconozca correctamente, uno de ellos deberá configurarse como maestro, y el otro, como esclavo. De todos modos, tengamos en cuenta que la velocidad de transferencia del canal IDE en el que instalemos ambas unidades se vera reducida.
La alta velocidad de transferencia de datos en estas modalidades, junto con el uso de cables convencionales de 40 hilos y el alto voltaje que se emplea en esta tarea, hacen que se produzca interferencia en el proceso. Esto se soluciona utilizando cables de datos de 80 contactos en unidades ATA 66 o superior.
Ultra DMA
Este desarrollo tiene una gran importancia para la interfaz IDE. Las denominaciones Ultra ATA Y Ultra DMA son equivalentes y utilizadas indistintamente por los fabricantes de discos. Los términos empleados para definir el estándar vienen dados por el modo de transferencia mas rápido que utilizan. En el caso mas lento se trata del DMA Multiword modo 3, que permite una velocidad máxima de 33,3 Mb/Seg. Para soportar estas altas velocidades, se emplea un método de corrección de errores basado en código de redundancia cíclica o CRC. Esto mismo se aplica para las normas Ultra ATA66, Ultra ATA100 y Ultra ATA133.
LBA
El direccionamiento LBA es un algoritmo incluido en el BIOS del sistema, con las mejoras necesarias para traducir la geometría de los discos duros de gran capacidad a un largo de 28 bits, que es utilizado por el sistema operativo. En la actualidad, también existe LBA de 48 bits para el soporte de discos de mas de 137 GB.
Modo PIO
Modo DMA
Como hemos comentado, el modo PIO requiere la intervención del procesador del sistema para realizar transferencias de datos. Para evitar esta situación, se desarrollo el modo DMA. Con este método se logran transferencias de datos entre la memoria y otros dispositivos sin utilizar el procesador. Claro esta que este modo debe estar soportado por la controladora de discos integrada al motherboard, hecho por el cual no debemos preocuparnos en la actualidad.
Modo Estándar
Tasa de transferencia
(Mb/Seg)
Modos
PIO Modos DMA EspecialesFunciones
PIO Modo 0 3,3 --- ---
---PIO Modo 1 5,2 --- ---
---PIO Modo 2 8,3 --- ---
---PIO Modo 3 11,1 --- ---
---PIO Modo 4 16,7 --- ---
---ATA ATA 1 11,1 0,1,2 DMA 0,1,2 /Multiword 0
---ATA ATA 2 16,6 0,1,2,3,4 Multiword 0,1,2DMA 0,1,2 /
Block Mode, LBA e identificación
de discos. ATA ATA 3 16,6 0,1,2,3,4 Multiword 0,1,2DMA 0,1,2 / SMART
ATA ATA 4 33,3 0,1,2,3,4 Multiword Todos,DMA Todos, UDMA 0,1,2
Control CRC / Cable de 80
hilos ATA ATA 5 66,6 0,1,2,3,4 Multiword Todos,DMA Todos,
UDMA 0,1,2,3,4 ATA ATA 6 100 0,1,2,3,4 Multiword Todos,DMA Todos,
UDMA 0,1,2,3,4,5 LBA de 48 Bits
ATA ATA 7 133,3 0,1,2,3,
4
DMA Todos, Multiword Todos,
UDMA 0,1,2,3,4,5,6
Buffer y caché
Serial ATA (S-ATA)
El Parallel ATA, con varios años de evolución y mejoras, ha llegado a un límite no solo en su desempeño, sino que también en su estructura.
Por este motivo, a principios del 2001 se empezó a desarrollar la tecnología Serial ATA, basada en la transferencia de información en serio.
Características
En la actualidad, SATA se divide en tres versiones disponibles en el mercado que difieren en su ancho de banda: SATA de 150 Mb/s, SATA II de 300Mb/s y SATA III de 600Mb/s.
La norma Serial ATA II, a diferencia de la primera, que soporta un dispositivo por puerto, integra una tecnología de multipuesto que soporta hasta 15 dispositivos. Esto resulta muy útil para quienes requieren un gran volumen de almacenamiento.
Las unidades y controladoras SATA o superior, también soportan Hot Swap o conexión en caliente, lo que permite su compatibilidad con servidores o PCS que tengan que estar siempre encendidas. Otro punto interesante es que, dadas sus características eléctricas, puede conectarse con un cable de datos de hasta un metro, por lo que se podrían conectar discos duros fuera del gabinete y, con cuidado usarlos como unidades externas.
Alimentación
En las primeras unidades de disco SATA nos encontramos con un nuevo formato de conector para su alimentación, que, además de aportar los voltajes de 12 y 5v como su antecesor, el Molex, aportaba 3,3v para la placa lógica de la unidad. El problema que presento este forma fue que las fuentes de alimentación no incluían el conector SATA, por lo que se debió recurrir a adaptadores de Molex a SATA, o reemplazar la fuente, que recién hoy en día incluye este conector.
Para evitar problemas a los usuarios las unidades disponibles en la actualidad suelen traer ambos formatos de alimentación: el SATA y el Molex.
Adaptadoras
Tal como sucede con los discos SCSI, también hay placas adaptadoras de disco con controladoras SATA. Según sus prestaciones y
calidad, estas se emplean en servidores o computadoras de escritorio cuya placa madre no incluya soporte para esta tecnología. Para el caso de los servidores, estas placas cuentan con una interfaz PCI66, PCI-X o PCIe, y llegan a soportar hasta 16 unidades de disco.
Hay que tener en cuenta que dadas las características de este bus, no obtendremos el máximo provecho que nos ofrece la norma Serial ATA. De todos modos, podremos utilizar unidades nuevas y lograr mejores tasas de transferencia en comparación con el Parallel ATA, lo que nos permitirá migrar un equipo sin necesidad de adquirir una nueva unidad.
Interfaces Estándar
Ventajas de S-ATA
Otro de los beneficios de SATA es que permite
autobloqueos; la conexión entre el disco y el controlador es punto a punto en vez de ser una conexión bus. Para cada disco, existe un único cable dedicado que lo conecta al controlador. Esta característica cambia la manera de configurar y desarrollar, debido a que una topología de conexión punto a punto permite el uso de controladores que pueden extraer mucho más rendimiento de los discos ATA. Precisamente, este tipo de
arquitectura posibilita el acceso concurrente a todos los discos, lo cual no puede hacerse en una arquitectura de tipo bus. Además, no hay que dejar de mencionar la conexión en caliente o hot swap, pensada para implementar sistemas en los cuales no hace falta apagar el equipo para conectar y utilizar una nueva unidad.
Claro esta que esta tecnología también tiene algunas desventajas: solo se puede por un dispositivo por puerto SATA y se necesita un conector de alimentación especial para la unidad de disco, que en algunos modelos de fuentes, no suele incluirse, con lo cual se necesita un adaptador.
RAID
Una de las características más novedosas que podemos encontrar en los últimos motherboards es el agregado de un par de conectores extra y el soporte de RAID. Esto quiere decir Redundant Array of Independent Disks
(Grupo redundante de discos independientes), y es una manera de almacenar datos a través de distintos discos duros.
Cuando se compra un motherboard con RAID, se puede aprovechar
fácilmente los dos canales IDE extra
para conectar un total de ocho unidades de disco Parallel ATA Serial ATA
Ancho de Banda 100/133 Mb/s 150/300/600 Mb/s
Voltaje 5V 250mV
Contactos 40 7
Largo del cable 46 CM 100 CM
Cable Ancho Fino
Ventilación Mala Optimizada
a la computadora. Es decir, contamos con cuatro canales que proveen conexión a dos dispositivos (maestro y esclavo) cada uno. Sin embargo, la verdadera configuración RAID es algo más compleja, y consiste en combinar el uso de varios discos. RAID es una técnica que proviene del mundo de los servidores que almacenan grandes cantidades de datos y donde preservar la información es de crítica importancia. Por otra parte, un RAID es un grupo de discos que trabajan combinados y que para el sistema operativo aparecen como una sola unidad de almacenamiento. Generalmente, gracias a la técnica RAID se puede ganar en velocidad, dado que varios discos escribiendo o leyendo al mismo tiempo, y en seguridad, porque los datos se pueden duplicar en varios discos (redundancia). El tipo de RAID que se desea realizar debe configurarse en el Setup del BIOS de la PC. A continuación vemos cuales son los tipos más comunes de configuraciones.
RAID-0: Esta técnica divide los datos entre los discos pero no se genera redundancia de datos. Por esa razón, no ofrece ninguna ventaja en lo relativo a seguridad de la información. Debido a la alta performance, es el tipo de configuración RAID mas utilizado por los usuarios hogareños. (Striping)
RAID-1: Este modo también es conocido como espejado de disco. Básicamente, consiste en al menos dos discos donde se duplican los datos almacenados. Aquí no ocurre el fenómeno llamado “striping”, que consiste en la distribución de datos (incluso de partes de un mismo archivo en la superficie de distintos discos).
Esta configuración mejora la velocidad de lectura, pero la de escritura es igual a la que se obtiene con un solo disco. (Mirror)
Interfaces: ST506, MFM y RLL
Los primeros discos duros eran gestionados por controladoras ST506, un estándar creado por la conocida empresa Seagate. Dentro de esta norma se implementaron los modos MFM y RLL, dos sistemas para el almacenamiento de datos que, si bien diferentes en su funcionamiento, a nivel físico y externo del disco presentaban la misma apariencia, siendo conocidos de forma genérica en el mundillo como "discos MFM". Estas unidades incluían externamente tres conectores: el primero, y común a cualquier disco duro, es el de alimentación. En los restantes se conectaba un cable de control y un cable de datos, desde el disco a la controladora; el cable de control gestionaba la posición de los cabezales y el de datos transmitía el flujo de información desde y hasta la controladora.
La diferencia entre MFM y RLL es a nivel interno; MFM (Modified Frequency Modulation) y RLL (Run Length Limited) son dos métodos de codificación de la información binaria. RLL permite almacenar un 50% más de datos que el MFM, al aumentar la densidad de almacenamiento. También la traza de transferencia es superior en RLL, debido al más eficiente método de grabación usado, sin embargo, la velocidad de rotación era la misma en ambos casos: 3600 rpm.
En cualquier caso, la tasa de transferencia de estas unidades no era precisamente como para tirar cohetes: una media de 5 MBits por segundo (es decir, medio mega) en MFM y 7.5 Mbits/s para RLL. Y en cuanto a capacidad, las unidades MFM no solían tener más de 40 Megas, 120 Megas en las RLL.
ESDI
Con esta interfaz, “Enhanced Small Devices Interface” (interfaz mejorada para dispositivos pequeños), se daba un paso adelante. Para empezar, una parte de la lógica decodificadora de la controladora se implementó en la propia unidad, lo que permitió elevar el ratio de transferencia a 10 Mbits por segundo. Asimismo, se incluyó un pequeño buffer de sectores que permitía transferir pistas completas en un único giro o revolución del disco.
No obstante, estas unidades no se extendieron demasiado, y únicamente compañías como IBM (muy aficionadas a tecnologías propietarias) fueron las que más lo emplearon en sus máquinas. Estas unidades no solían tener una capacidad superior a 630 Megas, y en cualquier caso se trató más bien de una tecnología de transición, ya que un tiempo después tuvo lugar el salto cuantitativo y cualitativo con la interfaz que detallamos a continuación.
La norma SCSI
La interfaz SCSI (Small Computer System Interface) ha sido tradicionalmente relegada a tareas y entornos de ámbito profesional, en los que prima más el rendimiento, la flexibilidad y la fiabilidad. Para empezar, SCSI es una estructura de bus separada del bus del sistema. De esta forma, evita las limitaciones propias del bus del PC. Además, en su versión más sencilla esta norma permite conectar hasta 7 dispositivos SCSI (serían 8 pero uno de ellos ha de ser la propia controladora) en el equipo; y las ventajas no se reducen al número de periféricos, sino también a su tipo: se puede conectar prácticamente cualquier dispositivo (escáneres, impresoras, CD-ROM, unidades removibles, etc.) siempre que cumplan con esta norma.
Otra enorme ventaja de SCSI es su portabilidad; esto quiere decir que podemos conectar nuestro disco duro o CD-ROM (o lo que sea) a ordenadores Macintosh, Amiga, etc., que empleen también la norma SCSI. Un detalle a resaltar que todos los periféricos SCSI son inteligentes; es decir, cada uno posee su propia ROM donde almacena sus parámetros de funcionamiento. En especial, es la controladora el dispositivo más importante de la cadena SCSI, que al poseer su propia BIOS puede sobrepasar limitaciones de la ROM BIOS del sistema.
Posiblemente lo que hace destacar a SCSI en su rendimiento, bastante superior a IDE al no
depender del bus del sistema; no obstante, no todo iban a ser ventajas: SCSI es más caro
que IDE, y en la mayoría de las ocasiones, más complejo de configurar, aunque esto último
es cada vez menos problemáticos, ya que es preciso resaltar que la norma SCSI también ha
evolucionado y mejorado; citaremos a continuación sus diferentes modalidades.
Norma SCSI Ancho Bus (Bit) Velocidad de Transferencia (Mb/Seg)
SCSI-1 8 3
SCSI-2 8 5
Fast SCSI-2 8 10
Fast SCSI-2 16 20
SCSI Fast-20 8/16 20/40
SCSI Fast-40 8/16 40/80
SCSI Fast-80 8/16 80/160
IEEE 1394 Firewire
Este es el nuevo bus de discos duros que se utilizará dentro de unos meses en adelante, por lo que ahora no está a la venta. Sin embargo, es bueno conocerlo, ya que esto se trata de una guía.
pero, como verás más adelante, tiene diferencias tanto en aplicaciones como en prestaciones. No se harán competencia uno con otro y convivirán pacíficamente en un mismo ordenador.
Lo mejor de todo es el tipo de cosas que se pueden conectar. Éstas incluyen discos duros, DVD-ROMs y CD-ROMs de alta velocidad, impresoras, escáneres... y la novedad: cámaras de fotos digitales, videocámaras DV, televisiones... Todo esto último es un nuevo hardware que se está fabricando ya. De hecho, ya hay disponibles muchos elementos. Gracias al 1394, se podrán conectar cámaras digitales y de DV sin la necesidad de incómodas tarjetas que vienen opcionalmente con estos aparatos.
Y ahora, te preguntarás cómo se conecta todo esto al ordenador. Por el momento, se hará con controladoras PCI.
Tareas de mantenimiento
Utilización de la tecnología S.M.A.R.T (Self Monitoring Analysis and Reporting Technology).
S.M.A.R.T. Permite a los PCS predecir un posible fallo de los dispositivos de almacenamiento. Pero, ¿cómo puede llegar a predecir el futuro? Fundamentalmente porque los discos duros contienen componentes mecánicos y electrónicos que sufren una degradación con el uso. Por ejemplo, el motor eléctrico de una unidad de disco duro, cuando es conectado a la corriente eléctrica, tarda un tiempo en iniciarse (spin-up) y consume una determinada potencia. Todos estos parámetros son recogidos por sensores y como el fabricante conoce los factores típicos (así cómo sus valores límite) puede obtenerse una estadística que permita valorar la posibilidad de fallo cuando se detectan situaciones anómalas de forma repetida.
¿Qué parámetros se toman en consideración de forma habitual? Número de sectores
reposicionados (Reallocated Sectors):
Cuando el disco duro detecta un error de lectura/escritura de un sector, asigna otro sector (que tiene de reserva) en lugar del defectuoso y copia todos el contenido en el nuevo. A partir de este momento cualquier posicionamiento sobre el sector defectuoso se realizará sobre el sustituto. Si el disco duro reasigna la posición de muchos sectores, puede significar que el disco está a punto de estropearse y si el disco duro tiene sectores marcados como defectuosos debe sustituirse inmediatamente.
Altura de vuelo de las cabezas
(Head Flying Height)
tocan los platos, quedarán dañadas las cabezas, el plato o ambos.
Temperatura (Temperature) El incremento de la temperatura puede significar problemas de rozamientos o del motor que mueve los platos del disco.
Reducción de prestaciones
(Throughput performance reduction)
Si se observa una reducción en las prestaciones del disco duro se pueden suponer varios problemas internos.
Periodo en funcionamiento
(Power on hours) Tiempo durante el cual la unidad ha permanecido enfuncionamiento Ratio de error para
posicionamiento del cabezal
(Seek Error Rate)
Cuando el disco duro intenta posicionarse en un sector para leer/escribir datos puede producirse un error de posicionamiento. Este parámetro relaciona los intentos de posicionamiento con los errores encontrados.
Número de Errores y uso del
ECC (ECC Use and Error Counts) La mayoría de discos modernos utilizan ECC (Códigode corrección y detección de errores). Cuando escriben un sector además de almacenar los datos realizan unas operaciones matemáticas y almacenan el resultado de las mismas en el disco duro. Cuando leen este mismo sector comprueban la existencia de errores, si los hay intentan corregirlos con ECC y si no pueden marcan el sector como defectuoso, lo reposicionan y devuelven un código de lectura incorrecta. Una tendencia creciente en cualquiera de estos usos de ECC puede indicar un posible problema en un futuro no muy lejano.
Tiempo de establecimiento
(Spin up Time) Tiempo transcurrido desde que el disco estádetenido (apagado o en latencia) hasta que está operacional. Una tendencia al alza del valor puede indicar un problema en el motor del disco duro. Cuenta de Inicios (Start Count) Veces que se ha iniciado el disco duro.
Tiempo de posicionamiento
(Seek Time) Tiempo de posicionamiento del cabezal. Si este valoraumenta con el tiempo puede ser un indicativo de problemas de la mecánica del disco duro.
La mayoría de fabricantes de discos duros utiliza SMART (unos con más sensores otros con menos) y algoritmos especiales para poder detectar unidades defectuosas con sus programas de verificación de los discos.
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