disco duro

¿Qué es un disco duro?

Un disco duro es un dispositivo de almacenamiento de datos no volátil que emplea un sistema de grabación magnética para almacenar datos digitales. 
Cuando se instala el disco en una PC, se le asigna una letra del alfabeto, comúnmente la C, los disquets la A y la unidad de CD la D, pero esto puede variar, dependiendo del particionamiento del disco duro. 

Características físicas 

Los discos duros están formados por partes mecánicas y partes electrónicas. Los discos actuales tienen un formato de 3,5 pulgadas con una altura de una pulgada, mientras que los más viejos tienen un formato de 5,25 pulgadas, aunque algunos discos duros de altísima capacidad recurren a dicho formato. Los discos de notebooks tienen un formato de 2,5 pulgadas y con altura de 19 mm. 

Estructura interna

Un disco duro es una unidad hermeticamente cerrada, bajho ningún motivo hay que desarmar uno que funciona correctamente. 
Los discos duros se componen internamente por las siguientes partes: 
* Uno o varios platos 
* Eje y motor 
* Cabezales de lectura y escritura 
* Brazo posicionador de cabezales 
* Circuitos electrónicos de control 

Platos

E l disco duro está compuesto por uno o varios platos en los cuales se almacena la información. Estos platos son apilados uno sobre otro, con separaciones muy pequeñas entre sí. Los platos pueden ser de metal (aluminio generalmente), plástico o vidrio y están cubiertos a ambos lados con un finísimo polvillo de óxido de hierro o una película fina de metal, siendo ambas sustancias magnéticas. 

El eje y el motor

Los platos están unidos con un eje central, el cual a su vez está unido a un motor. Este motor hace girar el eje junto con los platos a una velocidad de 7200 revoluciones por minuto. Esta velocidad del motor se conoce como la velocidad de rotación del disco rígido. 
Los platos giran a dicha velocidad constantemente, desde que se enciende la computadora hasta que se corte el suministro de energía al disco duro.Los platos siguen girando aunque no hayan acceso a la información del disco debido a que si esto fuera así, llevaría demasiado tiempo situar los platos a esas altas velocidades antes de cada acceso al disco. Existe un dispositivo de control de la velocidad de rotación, que se encarga de verificar que dicha velocidad no varíe en más de un 0,5% del valor normal. 

Cabezales de lectura y escritura y brazo posicionador

La cabeza de un disco es un dispositivo electromagnético capaz de leer, escribir y borrar datos de medios magnéticos. Los cabezales se posicionan a ambos lados de cada plato, y si hay más de un plato, se ubican en el espacio que hay entre estos, accediendo de esta manera a ambas superficies de los mismos: superior e inferior. 
Todos los cabezales van conectados a un brazo mecánico, conocido como brazo posicionador de las cabezales. Los cabezales de los discos no pueden posicionarse independientemente, sino que se desplazan en conjunto en forma sincronizada, aunque sólo uno de ellos puede entrar en acción por vez. El brazo posicionador es el encargado de trasladar los cabezales a la pista deseada. 
Los cabezales no tocan la superficie del disco, debido a que si esto sucediera, las grandes velocidades de rotación de los mismos terminarían destruyendo ambas partes del disco. 
Las superficies de los platos están lubricadas para minimizar el desgaste durante el encendido y apagado del disco duro, siendo las únicas veces en que los cabezales tienen un mínimo contacto con la superficie de los platos. 

Organización física de los espacios del disco duro

Antes de ser particionados lógicamente por el sistema operativo, los discos duros reciben un formato físico. El proceso de establecer un formato físico al disco se conoce con el nombre de formato a bajo nivel. El cual consiste en adecuar la película magnética de la superficie de todos los platos de manera tal que sea posible grabarle información. 
Primero se divide cada plato en pistas (círculos concéntricos), también llamados cilindros. La cantidad de pistas de los platos dependerá de densidad del material magnético y de los procesos de fabricación. 
A su vez, las pistas se dividen en forma radial en sectores, como las porciones que divide una torta. El tamaño de los sectores es igual en todas las pistas, de esta manera se aprovecha el tamaño de los platos para almacenar la mayor cantidad posible de información. 
Normalmente, cada sector almacena 512 bytes (0,5 Kbyte) de datos, aunque algunos discos rígidos de alto rendimiento ofrecen la posibilidad de configurar el tamaño de los sectores 512, 520, 524, 528ó 1024 bytes. 

Distribución lógica

Una vez que el disco está organizado físicamente, el usuario será el encargado de dividirlo lógicamente, es decir, adaptarlo a la estructura adecuada para que el sistema operativo pueda organizar la información que se quiera almacenar de la manera más eficiente. La distribución lógica dependerá del sistema operativo al que se le encargue dicha tarea. 

Lo primero que hace el usuario es particionar (dividir) el disco en una o más unidades lógicas. Un disco duro puede tratarse como una sola unidad lógica (C: ) o puede particionarse en varias unidades lógicas (C:, D:, E:, ..., Z: ). La división en varias unidades lógicas posibilita que en un único disco duro se intalen varios sistemas operativos, utilizando cada uno de ellos su propia unidad lógica. 

Clusters o unidades de asignación

Una vez particionado el disco, el sistema operativo lo divide en otras unidades de asignación, llamadas clusters. Los clusters son las partes más pequeñas de un disco duro lógico con las que se puede comunicar el sistema operativo. Un cluster está compuesto por la agrupación de uno o más sectores, dependiendo del tamaño de los mismos de la unidad lógica. 

MBR (Master Boot Record - Sector de arranque)

Es el primer sector del disco duro (cabeza cero, cilindro cero, sector 1). En el se almacena una tabla de particiones (La cual indica en donde comienza y termina cada partición) y un pequeño programa master de inicialización, llamado MBR (Master Boot Record). El programa es el encargado de leer la tabla de particiones y ceder el control de arranque a la partición activa. Si no existe partición activa, mostraría un mensaje de error. 

FAT

Cada partición posee una FAT( File Allocation Table o tabla de asignación de archivos), esta tabla se encarga de administrar los contenidos de todos los clusters de una unidad lógica, es decir, se mantiene un registro de los clusters utilizados por los archivos. Esta tabla tiene una longitud fija debido a que se crea durante el formato lógico 

Tipos de particiones

Existen 3 tipos de particiones: primaria, extendida y lógica 

Partición primaria: son las divisiones crudas o primarias del disco, sólo pueden haber 4 de estas o 3 primarias y una extendida. A este tipo de particiones prácticamente cualquier sistema operativo puede detectarlas y asignarles una unidad, siempre y cuando el sistema operativo reconozca su formato. 

Partición extendida: también llamada partición secundaria, s otro tipo de partición que actua como una primaria, sirve para contener infinidad de particiones lógicas en su interior, Feu ideada para romper la limitación de 4 particiones primarias en un solo disco físico. Sólo puede existir una partición de estas por disco, y sólo sirve para contener particiones lógicas, por lo tanto, es el único tipo de partición que no soporta un sistema de archivos directamente. 

Partición lógica: ocupa una porción o la totalidad de una partición extendida, lo cual se ah formateado con un tipo específico de archivos y se le ah asignado una unidad, así el sistema reconoce las particiones o su sistema de archivos. Puede haber un máximo de 23 particiones lógicas en una partición extendida. Linux impone un máximo de 15. 

Proceso de particionamiento

Cuando se particiona un disco duro, el sistema operativo hace lo siguiente: 

* Modifica el Master Boot Record, que contiene la información de cada partición. Aqui se indica en donde comienza y termina la nueva partción. 
* Se asigna una unidad a cada partición creada, cada una tendrá una letra correspondiente, comenzando por C: 

Cuando se formatea lógicamente o a alto nivel a una unidad lógica, se hace lo siguiente: 

* Se crea el registro de arranque del sistema operativo, si la partición es primaria, en el primer sector de la unidad lógica. 
* Se crean dos copias de la FAT vacías (son dos para tener un resguardo por si una de ellas contiene información errónea). 
* Luego se crea el directoria raíz, la base de la estructura del árbol de directorios y archivos. 
* A continuación, se agrupan los sectores para crear los diferentes clusters, pero sin borrar los datos almacenados en los mismos. 

Sistema de archivos

El sistema de archivos es el encargado de organizar la distribución de archivos y directorios, en sectores o bloques de datos ordenados de manera tal que al leer o guardar un archivo, el vínculo apunte directamente a los sectores que ocupa dicho archivo. La lista de esos vínculos se almacena en la tabla de asignación, que es la encargada de mantener actualizada la ubicación de los mismos, es decir, qué sectores o clusters ocupa. Existen muchos tipos de sistemas de archivos: FAT12, FAT16, FAT32, NTSF, Ext3, Ext4, etc. 

Interfaces para discos duros

La interface es la encargada de traducir los datos recibidos de la controladora del disco duro al formato compatible para el microprocesador y y viceversa. La interfaz puede ser un simple traductor o algo más complejo, que se encargue de recibir órdenes del microprocesador y enviarlas al disco en el lenguaje que éste entienda y realizar otros procesos más complejos (en este caso la controladora formaría parte de la interfaz), pero siempre significando una comunicación entre el disco duro y el procesador mediante el bus de la PC.A continuación, explicaré las diferentes interfaces que se emplean en los discos duros. 

Interfaz SCSI

La placa adaptadora SCSI es una interfaz mediante la cual, dispositivos con inteligencia propia se conectan a la computadora. La placa SCSI se conoce con el nombre de adaptador anfitrión o adaptador huésped (host) y permite manejar paralelamente 8 dispositivos SCSI, incluyéndose a él mismo. 
Cada dispositivo SCSI tiene inteligencia propia, es decir, que el adaptador anfitrión recibirá las órdenes del procesador y las entregará al dispositivo, para que éste se encargue de realizar el pedido. A su vez, el adaptador SCSI también tiene inteligencia propia, ya que es capaz de responder a comandos más complicados que los utilizados por las demás interfaces de discos duros. 
El adaptador anfitrión SCSI es un microprocesador por si solo, por lo tanto, libera al microprocesador del peso de administrar las solicitudes de datos. 

Interfaz IDE o ATA

Interfaz que integra en la misma unidad la controladora y el disco duro, utilizando un cable plano de unos 45 cm máximo de longitud de unos 40 u 80 hilos conductores para transmitir los datos entre el disco duro y la computadora. 

Con un conector IDE, es posible manejar dos discos duros (o un disco duro y una lectora de CD/DVD). Sin embargo, debe asegurarse que las dos controladoras de las dos unidades no estén funcionando al mismo tiempo, sino que una de ellas deberá desactivarse. Para esto, uno de los discos se configura como maestro (master) y el otro como esclavo (slave), aunque también se pueden configurar ambos como cable select (seleccionar cable), mediante una configuración en los pines que traen estos discos, realizando un puente con unos jumpers, cada disco se configura de forma distinta. La desventaja de esta configuración es que la velocidad del disco esclavo se verá limitado por la del disco maestro. 

Los discos IDE tienen un sistema de corrección de errores integrado que aumentan su seguridad, ya que dejan un sector reservado libre por cada pista. Si hay errores en algún sector de una pista, automáticamente pasa a utilizarse el sector reservado. 
Pero estos discos tienen grandes desventajas, sumadas a la ya mencionada limitación en los discos configurados como esclavos, si el bus es muy largo, es más suceptible a sufrir interferencias que disminuyen la velocidad de transferencia. Asimismo, el cable al ser ancho, dificulta la ventilación dentro del gabinete del PC. 

Tipos y velocidades de transferencia de los discos IDE

ATA o ATA 1: 8,3 Mb/s, sólo permite la conexión de discos duros 
ATA 2 Y ATA3: 16 Mb/s, incorpora ATA - ATAPI con doble bus y permite la conexión de grabadora CD - ROM 
ATA 4 (ATA - ATAPI): 25 Mb/s y 33Mb/s, se incorpora DMA y Ultra DMA (Ultra Direct Memory Acces: se comunica directamente con la memoria librando de este trabajo al microprocesador) 
ATA 5 (ATA - ATAPI 5): 44 Mb/s y 66 Mb/s 
ATA 6 (ATA - ATAPI 6): 100 Mb/s 
ATA 7 (ATA - ATAPI 7): 133 Mb/s 

Interfaz ATA o S-ATA

Esta interfaz, además de tener una mayor velocidad de transferencia de datos, permite una mayor longitud del cable (hasta 1 metro), además que el cable de datos es más angosto, lo que mejora la ventilación dentro del gabinete. 

Permite la conexión (hotplug) en caliente, es decir, con la máquina funcionando. No existe la necesidad de configurarlos como maestro y esclavo ya que el bus de datos solo permite un solo conector. El orden de los discos no determina el conector sata al que va a conectar el disco. 
Los únicos pines que poseen los discos sata sirven para limitar la velocidad de transferencia de los discos sata 2 y 3 a velocidades anteriores. 

Tipos y velocidades de transferencia de los discos SATA

SATA 1: 150 Mb/s
SATA 2: 300 Mb/s
SATA 3: 600 Mb/s

Factores que influyen en la velocidad del disco duro

Hay muchos factores que determinan la velocidad de un disco duro y algunos de ellos no dependen sólo del disco, sino también de la controladora a la que está conectada, de algunas características de esta y tambien de la velocidad del microprocesador de la PC. A continuación, nombraré algunos de los factores que determinan la velocidad de un disco 

Tiempos de acceso

Se llama así al tiempo que necesita el cabezal para posicionarse sobre una pista y luego esperar que el sector deseado pase debajo suyo. Los tiempos de acceso de los discos son de 12 ms (milisegundos) 
La fórmula del tiempo de acceso es la siguiente: 

Tiempo de acceso = tiempo de búsqueda + período de latencia rotacional 

El tiempo de búsqueda es el tiempo que tarda el cabezal de lectura y escritura para posicionarse sobre una pista, varía según la cantidad de pistas que haya que cruzar. 

El período de latencia rotacional es el tiempo que tarda un sector para que pase por debajo del cabezal que espera leerlo. Depende del momento en el que el cabezal se ah situado sobre la pista y de la velocidad que gira el motor. 

Velocidad de transferencia

Es la rapidez con la que el disco duro es capaz de transferir la información almacenada en éste al bus de la PC. Esto dependerá de la velocidad de rotación del disco, cantidad de sectores por pista el método de grabación utilizado y la tecnología de la controladora del disco. 

Caches de disco

La mayoría de los discos modernos traen incorporada una cierta cantidad de memoria RAM, que se conoce como buffer, Como el tiempo de acceso a la memoria RAM es más de mil veces menor que el del disco duro más rápido, la misión del buffer es almacenar los datos que se leen desde el disco antes de pasarlos a la interfaz y la próxima vez que se accedan a estos datos, se encontrarán en el buffer y no se necesitará leer datos del disco, obteniendo una respuesta muchísimo más rápida. 
Loa tamaños de este buffer varían según el disco, pueden ser de512 Kb 2048 Kb, 4096 Kb, 8192 Kb, 16384 Kb, etc. 

Tecnología SMART

La mayoría de los problemas en los discos duros son predecibles. Ubicando sensores en distintas zonas de los discos y llevando un historial de la misma unidad puede predecir cuando un componente dejará de funcionar. Esto se lleva a cabo con el programa SMARTS, el cual funciona sólo si está habilitado en el setup de la BIOS. 

Defragmentador de disco

Cuando se guardan los archivos en el disco duro, estos no se guardan de forma ordenada, es decir, no ocupan sectores consecutivos, sino que ocupan varios sectores al azar, llevando así, más tiempo para su lectura. 
El defragmentador de disco lo que hace es reordenar esos archivos, reorganiza la información almacenada en los clusters, compactando y reuniendo los fragmentos de un mismo archivo, además de eliminar los espacios vacíos que existen entre ellos. De esta manera los tiempos de acceso son menores 

Comando chkdsk

Comando de la consola de comandos de windows, que permite verificar el disco rígido ante un error físico o lógico del mismo. Este comando además genera un reporte del espacio ocupado, del espacio libre y del espacio defectuoso en el disco examinado. 
Para usarlo, sólo debe escribirse el comando y el nombre de la unidad a analizar, por ejemplo: C:> chkdsk C: