Tour técnico . Disco Duro

El disco duro es el componente del ordenador donde se almacenan los datos. Al arrancar nuestro ordenador  la cabeza de lectura/escritura  gira a una gran velocidad con una precisión microscópica suspendida sobre una superficie magnética.

El disco duro es uno de los pocos componentes de un ordenador que tiene carácter mecánico y electrónico al mismo tiempo.

Para conectar un disco duro a nuestro ordenador será necesario disponer de una tarjeta controladora. La velocidad de acceso dependerá en gran medida de la tecnología del propio disco duro y de la tarjeta controladora asociada al mismo.

Los discos duros están compuesto por varios platos (de material magnético) montados sobre un eje central sobre el que se mueven. Las cabezas de lectura/escritura mediante un proceso electromagnético codifican/decodifican la información que han de leer o escribir. Éstas se posicionan sobre los platos muy cerca de su superficie, flotando sobre un  colchón de aire formado por su propio movimiento, por este motivo los discos están cerrados herméticamente para prevenir cualquier partícula de polvo que pueda dañarlos.

Unidad de Disco Duro

Para entender mejor el funcionamiento de una disco duro, vamos a detallar las partes que lo forman, pero antes vamos ha describir el proceso de lectura y escritura.

Para escribir, la cabeza se sitúa sobre la celda a grabar y se hace pasar por ella un pulso de corriente creando un campo magnético sobre la superficie. Dependiendo del sentido de la corriente, así será la polaridad de la celda. Dicho de otra manera, para escribir la cabeza recibe una corriente que provoca un campo magnético, el cual pone la posición sobre la que se encuentre la cabeza en 0 o en 1, dependiendo del valor del campo magnético provocado por dicha corriente.

Para leer por el contrario se mide la corriente inducida por el campo magnético de la celda. Es decir; que al pasar sobre una zona detectará un campo magnético que según se encuentre magnetizada en un sentido u otro indicará si en esa posición hay almacenado un 0 o un 1:

Componentes Físicos:

Platos: están elaborados de cerámica, aluminio o compuestos de vidrio finamente pulidos y revestidos por ambos lados con una capa de una aleación metálica. Los platos están unidos a un eje y a un motor que es el que los hace girar a un velocidad constante (3600-7200 rpm) Los platos constan de dos caras que se usan para el almacenamiento de datos, reservándose una cara para almacenar información de control.

Cabezas: son las responsables de la lectura y la escritura de los datos. La mayoría de los discos convencionales constan de una cabeza a cada lado del disco, pero cabe destacar que algunos discos de alto desempeño constan de dos o más cabezas sobre cada superficie, de tal modo que cada cabeza atiende a la mitad de disco reduciendo la distancia de desplazamiento radial. Las cabezas de lectura/escritura no se posicionan sobre la superficie del disco, flotan sobre una capa de aire extremadamente delgada. Su funcionamiento consiste en una bobina de hilo que se acciona según el campo magnético que detecte sobre el soporte magnético, produciendo una pequeña corriente que es a su vez detectada y amplificada por la electrónica de la unidad de disco.

Eje: se podría decir que es el soporte sobre el cual están montados y giran los platos del disco.

Actuador: es un motor que mueve la estructura que contiene las cabezas entre el centro y el borde externo del disco. Para mover las cabezas a través del disco, el actuador utiliza la fuerza de un electro-magneto empujado contra magnetos fijos, como todas las cabezas están unidas a un mismo “rotor” éstas se mueven a lo unísono.

Para medir la capacidad de un disco duro, hay que tener en cuenta los siguientes parámetros:

Cilindros: se denomina cilindro a el par de pistas en los lados opuesto del disco, Es decir, si un disco duro contiene n discos, un cilindro incluye todos los pares de pistas directamente uno encima de otro (2n pistas). Los discos duros de manera general presentan una cabeza a cada lado del plato, como las cabezas de lectura/escritura están alineadas unas con otras, la controladora puede escribir todas las pistas del cilindro sin mover el rotor.

Pistas: se denomina pista a los múltiples círculos concéntricos en los que se divide un plato. La cabeza se mueve entre las pista más externa (pista 0) a la más interna. Cada pista esta formada por uno o más Clusters.

Sectores: se denomina sector a cada una de las divisiones de una pista. La mayoría de los discos duros usan sectores de 512 bytes, aunque algunos discos duros permiten especificar el tamaño de un sector. Cada pista del disco está dividida en 1 ó 2 sectores, esto es debido a que las pistas exteriores son más grandes que las interiores.

Cluster: es una agrupación de sectores, su tamaño viene determinado por la capacidad del disco.

Funciones de un disco duro

En los discos duros se mide la velocidad en términos de tiempo de acceso, tiempo de búsqueda, latencia y transferencia.

Tiempo de acceso: :  es el resultante de la suma del tiempo que emplea el disco duro en encontrar el dato (tiempo de búsqueda), el tiempo de latencia rotacional y el que tarda en leer o escribir el dato. Es el orden de milisegundos. Lógicamente, el tiempo de acceso disminuirá cuanto menor sea la unidad de disco.

• Tiempo de búsqueda: es el tiempo que tarda el disco en mover el cabezal de lectura /escritura sobre una determinada pista del disco después de haber sido ejecutada una instrucción, o dicho de otra manera, el tiempo que tarde desde su posición inicial de reposo hasta llegar a la pista deseada.
  
  
• Latencia de rotación : es el tiempo en espera que permanecen las cabezas en una pista hasta que el sector donde se encuentra la información pasa por debajo de ellas. Se mide en RPM.
  
  
• Command Overhead: es el tiempo que invierte la controladora en procesar un requerimiento de información o dato, comprende determinar la localización física del dato en el disco en el que se encuentra, redireccionar al actuador para mover el rotor a la pista correcta, leer el dato y redireccionarlo al ordenador.

Transferencia: es el tiempo en el cual  los datos pueden ser leídos o escritos en el disco, éste está directamente relacionado con la velocidad del disco, la densidad de los bytes de datos y el tiempo de acceso. El disco duro se comunica con el ordenador a través de un bus de entrada/salida, el tiempo de transferencia entre ellos está limitado por el máximo tiempo de transferencia del bus.

Funcionamiento de un disco duro

Los componentes de un disco duro se encuentran protegidos de las particular de polvo  a través de una caja metálica hermética.

 En la parte inferior se encuentra una placa de circuito impreso que recibe los comandos del controlador de la unidad, a su vez es controlado por el sistema operativo. La placa lógica, que así es como se denomina, convierte estos comandos en fluctuaciones de tensión que hace al actuador de las cabezas mover éstas a lo largo de las superficies de los discos, también controla que el eje giratorio que mueve los discos de vueltas a una velocidad constante así como es la responsable de indicar a las cabezas en que momento deben de leer y escribir. Cabe resaltar que en los discos IDE, el controlador del disco forma parte de la placa lógica.

Un eje giratorio o rotor conectado a un motor eléctrico hace que los discos revestidos magnéticamente giren a varios miles de vueltas por minuto.El voice coil  de las cabezas desplaza al  grupo de brazos de las cabezas a lo largo de las superficies de los platos y alinea las cabezas con las pistas.

Las cabezas de lectura y escrita se encuentran unidas a los extremos de los brazos móviles que se deslizan a la vez a lo largo de las superficies de los discos. Las cabezas escriben en los discos los datos procedentes del controlador de disco. Las cabezas leen los datos mediante la detección de las polaridades de las partículas alienadas. 

Cuando al sistema operativo se le da instrucciones de leer o escribir un archivo, éste le envía una orden al controlador del disco duro para que mueva las cabezas de lectura y escritura a la tabla de asignación de archivos de la unidad (FAT).

Un archivo puede diseminarse entre cientos de Cluster y dispersarse entre varios discos. El sistema operativo almacena el comienzo de un archivo en los primeros Cluster que encuentra como libres en la FAT. Esta mantiene un registro encadenado de los Cluster utilizados por un archivo y cada enlace de la cadena conduce al siguiente Cluster que contiene otro parte más del archivo. Cuando los datos de la FAT pasan al sistema operativo a través del sistema electrónico de la unidad y del controlador del disco duro, el sistema operativo da las instrucciones a la unidad para que omita la operación de las cabezas de lectura/escritura . Tras este proceso el sistema operativo  vuelve a enviar las cabezas de lectura/escritura a la FAT, y elabora una lista de todos los Cluster del archivo.

Interfaz

Es el sistema a través del cual se conectan físicamente el disco duro con el ordenador. Está formado por un conector, un zócalo y un cable de bus que transporta la señal eléctrica en un orden preciso.

• IDE (Integrated Device Electronics: o ATA (Advanced Technology Attachment), controla los dispositivos de almacenamiento masivo de datos como los discos duros y ATAPI (Advanced Technology Attachment Packet Interface).
• SCSI: Son discos duros de gran capacidad de almacenamiento. Se presentan bajo tres especificaciones:
• SCSI estándar (T. medio de acceso 7 mseg y velocidad de transmisión secuencial de información 5 Mbps)
• SCSI rápido (T. medio de acceso 7 mseg y velocidad de transmisión secuencial de información 10 Mbps)
• SCSI ancho-rápido (T. medio de acceso 7 mseg y velocidad de transmisión secuencial de información 20 Mbps)
• SATA: serial ATA. Utiliza un bus de serie para la transmisión de datos. Más rápidos y eficientes que los IDE.

Grabación y Acceso

Para grabar información en la superficie, se siguen una serie de códigos, que transforman un patrón de bits en una secuencia de celdas con diferentes estados de magnetización.

GCR (Group Coding Recording) Los bits se empaquetan como grupos y son almacenados bajo un determinado código.

ZBR (Zone Bit Recording) Coloca más sectores sobre las pistas exteriores del disco, manteniendo un valor constante de rotación. Pudiendo solo utilizarse con interfaces inteligentes.

Proceso de Codificación

FM: consiste en la grabación de un cambio de flujo para cada 1 y en omitir el cambio de flujo para cada O. Presenta un inconveniente que hace disminuir la capacidad del disco ya que cada bit de datos consume dos cambios de flujo.

MFM ( Modified Frequency Modulation) codificación magnética de la información que crea un correspondencia 1 a 1 entre los bits de datos y transiciones de flujo sobre un disco.

RLL (Run Length Limited) codifica la información magnéticamente, usando el proceso de grabación GCR para almacenar bloques en de bits individuales de datos. Determinan un patrón de pulsos para cada bit basado en los valores de los bits precedentes.

Información dentro de un sector

• Número de sector y cilindro
• El ECC (Error Correction Code) DATA
• Zona de datos
• Zona de separación entre zonas o entre pistas

Existen pistas extras donde se recogen otro tipo de información como:

• Pista Servo: se guardan cambio de flujo para la sincronización al pulso de datos.
• Pista de Reserva,: se utilizan como reserva de los sectores defectuosos.
• Pistas de Aparcamiento: usadas para posicionar las cabezas.

Estructura Lógica

• Sector de Arranque: se encuentra la información del tamaño, la estructura y el BOOTSTRAP-LOADER (que permite arrancar el PC), denominado BOOT.
• Primera tabla de localización  de archivos (FAT): a la hora de crear o ampliar archivos, se ha de saber qué sectores del volumen correspondiente quedan libres. Cada entrada a esta tabla se corresponde con un número determinado de sectores, que son adyacentes lógicamente en el volumen. Cada uno de estos grupos de sectores se denomina Cluster.
• Una o más copias de la FAT: al permitir a un programa de formateo crear no solo una, sino varias copias idénticas de la FAT, .ofreciendo la ventaja de que se puede sustituir la FAT primaria en caso de defecto por una de sus copias para evitar la pérdida de datos.
• Directorio Raíz: la cantidad máxima de entradas en el directorio raíz se limita a su tamaño, que se fija en el sector de arranque.
• Zona de datos para archivos y subdirectorios: es la parte de un disco duro en la que se almacenan los datos de un archivo.