ESTRUCTURA FÍSICA DE UN DISCO DURO.
DESDE EL EXTERIOR DE LA UNIDAD.
Un disco rígido observado desde el exterior, no revela mucho de su funcionamiento interno.
Esto se debe a que los discos rígidos son unidades selladas, es decir que todas sus partes mecánicas, y sus delicados componentes, están encerrados en una caja metálica.
Del otro lado, podemos observar la presencia de una placa electrónica, donde concurren
las conexiones de energía e interfaz con la PC. No vemos los componentes mecánicos, porque por sus características constructivas, que ahondaremos en un momento más, no toleran la presencia de humedad y mucho menos suciedad o humo.
Todos sus sensibles componentes quedan encerrados en lo que se llama una burbuja, herméticamente cerrada. El aire atrapado en su interior, recicla en un circuito atravesando un filtro,que atrapa cualquier impureza que haya quedado durante su manufactura.
EL INTERIOR DE LA UNIDAD DE DISCO RÍGIDO
Tracemos un viaje imaginario hacia el interior de un disco rígido, para descubrir cómo están
construidos y cómo funcionan.
DISCOS RÍGIDOS. ¿POR QUÉ RIGIDOS?
Una unidad destapada nos revela ahora algunos secretos. Vulgarmente nos
referimos a ella, como disco rígido, para diferenciarlo de otros medios de almacenamiento como los disquetes. Estos últimos, están construidos con una base plástica flexible, mientras
que las unidades que hoy estudiamos, contienen platos de una base metálica, generalmente
aluminio, recubiertas con una pintura ferromagnética.
Descubrimos además, algo que no resulta evidente desde afuera. Al usar un disco rígido, percibimos una unidad con determinada capacidad de almacenamiento. Pero al destaparla
observamos la existencia de varios platos, que en conjunto se comportan como
una sola cosa. En este caso, la unidad mostrada es un disco de la firma IBM de 40 Gigabytes,
que incluye 10 platos. Pero ese número varía de acuerdo a la capacidad, velocidad y diseño
del fabricante.
Un factor de diseño a considerar es el volumen de la unidad. La cantidad de platos que incluya,
influye directamente en la altura del dispositivo. Generalmente las unidades delgadas, incluyen
sólo uno o dos platos. A medida que avanza la tecnología constructiva de los platos, se
logra mayor densidad de grabación (es decir más bits en menos espacio), y en consecuencia
se obtiene mayor capacidad con menor cantidad de platos, es decir, mayor capacidad en unidades
cada vez más pequeñas.
LOS BRAZOS Y CABEZAS DE LECTURA/ESCRITURA
Podemos observar además que hay un brazo metálico, cuyo extremo reposa sobre la superficie de los platos. Se trata del brazo que soporta las cabezas de lectura/escritura.
Las cabezas de lectura/escritura tienen una superficie pulida. Cuando los platos están detenidos, las cabezas descansan sobre su superficie sin rayarla. Pero si la unidad recibe un golpe en estas condiciones, la vibración puede dañar permanentemente a la pintura magnética del plato o a la cabeza misma.
Por eso las unidades de disco son muy frágiles, y deben ser siempre manejadas con muchocuidado. Cuando se pone la unidad a trabajar, los platos comienzan a girar velozmente,arrastrando el
aire atrapado dentro de la burbuja. Entonces las cabezas comienzan a volar sobre un colchón
de aire, por cierto muy delgado, que se forma sobre cada cara de cada plato. Gracias a esto, el
conjunto de cabezas puede volar sobre la superficie de los platos.
Este colchón es tan delgado, que anda en el orden de una décima de milímetro. Cualquier impureza, como una partícula de carbón de hollín del aire que respiramos diariamente, puede
provocar un daño severo en la superficie del plato y de la cabeza.
LOS MOTORES
El motor de los platos
spindle motor spindl mótor (del inglés: motor del eje de rotación) es justamente el que
hace girar los platos.
El eje del motor, es el eje de los platos (de allí su nombre en inglés), es decir que no existen
medios de acoplamiento como correas, poleas o engranajes. Esta forma de trabajo se la conoce como tracción directa.
El motor de las cabezas.
Dos tecnologías de motores se han empleado en la construcción de los discos rígidos.En las primitivas unidades se usaban motores especiales, muy utilizados en la actualidad para
aplicaciones de robótica: los motores paso a paso o stepper motor <-stiper mótor-> (que en
inglés significa motor de pasos).
Estos motores no giran libremente como lo hacen los motores comunes, sino que avanzan algunos grados y se detienen en una nueva posición de descanso. Cada posición de descanso es un paso. Con una secuencia suficiente de pasos, se logra hacer girar al eje de estos motores.
Con estos motores se puede tener no sólo el control del sentido de giro, sino también de cuántos grados deseamos que gire en un sentido u otro.
Las ventajas de estos motores son la sencillez de su control y su versatilidad. Con una electrónica poco compleja, se los puede controlar fácilmente. Las desventajas de este tipo de motores son dos: son ruidosos y lentos.
Otro de los problemas presentes con estos motores, es que siempre están en una posición de
descanso, aún cuando no tienen energía. Esto significa que si un disco rígido está operando
con las cabezas en la zona de datos, y ya sea que voluntaria o involuntariamente cortemos la
energía de alimentación de la unidad, las cabezas aterrizan en la zona de trabajo dejando a la
unidad en una situación de máximo riesgo, ya que frente a una vibración o golpe leve puede
haber pérdida de información almacenada. En los años en que se usaban estos discos, el problema se evitaba ejecutando un programa llamado Park (estacionar en inglés), antes de apagar la PC, que movía las cabezas fuera de la zona de trabajo.
Desarrollos posteriores incluían un mecanismo para forzar que el motor se mueva a determinada posición (quitando las cabezas de la zona de trabajo) cuando se quedaba sin energía.
Este mecanismo se lo conoció como Auto Parking (estacionamiento automático). Todos los
discos modernos tienen un mecanismo de estacionamiento automático.
La segunda tecnología empleada en la construcción de motores para accionar las cabezas de
los discos rígidos, utilizada ampliamente en las rápidas unidades modernas, es curiosamente
más vieja que la implementación del motor de pasos.
Se trata de los motores de desplazamiento lineal, controlados electrónicamente. La complejidad electrónica asociada al manejo de estos motores, los ha hecho prohibitivos para los discos de bajo costo. Pero gracias a la evolución electrónica, la reducción de tamaño y precio de los circuitos asociados, todas las unidades modernas cuentan con motores de este tipo.
El principio de funcionamiento del motor es muy sencillo y elemental: funciona como un parlante.
Una bobina se desplaza por el campo magnético fijo de un imán, en respuesta a la energía
eléctrica que recibe de un circuito electrónico. La complejidad radica en la tecnología necesaria para lograr que ese movimiento pueda ser controlado
Tan similar es la operación a un parlante, que a la bobina del motor lineal se la conoce como
Voice Coil <-vois coil->, que en inglés significa bobina de voz.
Las ventajas que podemos enumerar rápidamente son:
1) Operación totalmente silenciosa.
2)alta velocidad de reacción.
3) Son extremadamente compactos.
4) Se pueden enviar a una posición definida rápidamente, como por ejemplo para quitar las cabezas de la zona de trabajo frente a un corte inesperado o programado de energía.
PLACA ELECTRINICA DE CONTROL.
Todos los componentes internos que hemos visto, dependen de la placa electrónica, para coordinar sus funciones.
El motor de rotación por ejemplo, debe girar a una velocidad fija y constante. Los discos modernos de alta velocidad hacen girar sus platos a más de 10.000 revoluciones por minuto. El circuito electrónico que controla y corrige la velocidad de rotación, reside en la placa electrónica de control. El motor lineal y su compleja electrónicade control de posicionamiento, también residen en la placa electrónica.Además allí reside tanto la lógica necesaria para la activación de una cabeza del
conjunto, como la amplificación y descodificación de datos; la interfaz con el Motherboard, etc.
ALMACENAMIENTO Y ORGANIZACIÓN DE DATOS
La información que se almacena en un disco rígido, se graba de modo tal que sea posible el
acceso veloz a las zonas vacantes de su estructura, y que posteriormente sea sencilla su recuperación.
Para lograr este objetivo, la información se almacena con la siguiente organización:
Pistas, Cilindros y Sectores.
LAS PISTAS
Las cabezas de lectura/escritura se desplazan por la superficie ferromagnética de los platos,
gracias al motor de las cabezas. Este último, ubica a las cabezas en distintas posiciones con
respecto al eje de rotación.
En cada una de estas posiciones de descanso, las cabezas pueden grabar o leer datos de la superficie de los platos, completando una vuelta completa. Es decir, que si pudiéramos ver la información que queda grabada en los platos de los discos, veríamos que forma pistas circulares concéntricas.
Para ilustrar esto, a un plato de un disco rígido le trazamos las pistas (imaginarias) con un
marcador.
LOS SECTORES.
Para organizar mejor aún la información, cada pista no se graba íntegra de una vez, sino que
se graba de a tramos, conocidos como sectores.
La conclusión es sencilla: Si se puede lograr mayor densidad de grabación en las pistas cercanas al eje, en las pistas cercanas al borde se está desperdiciando espacio.
La solución utilizada en la fabricación de las unidades modernas, es la siguiente: Emplear la
misma densidad de grabación en todos los sectores del disco, es decir que todos los sectores
sean del mismo tamaño y tan pequeños como sea posible.
LOS CILINDROS
El cilindro: un factor del rendimiento.
Mover las cabezas de un cilindro a otro, significa poner en marcha al motor correspondiente,
vencer la inercia de los brazos que las soportan, esperar el tiempo de viaje, estabilizar los brazos en la nueva posición, y recién allí poder comenzar la búsqueda de información.
Esto implica que el viaje de las cabezas provoca una pérdida importante de tiempo. La menor
demora será entre cilindros consecutivos, y la mayor entre cilindros distantes.Este problema se hace más evidente, cuando la información no queda almacenada en forma contigua, es decir que se encuentra fragmentada (tal vez hayamos oído hablar de un proceso de desfragmentación que reorganiza los datos dejándolos contiguos, y por consiguiente mejora el rendimiento).
Además la pérdida de tiempo se ve potenciada con el uso de motores lentos, como los motores de pasos empleados en las antiguas unidades. Por eso, es muy importante tratar de mantener quietas las cabezas la mayor parte del tiempo
posible. Visto desde otro punto de vista, sería deseable tratar de acceder a la mayor cantidad
admisible de información, sin cambiar de cilindro.
Para lograr esto último, el cilindro debería estar compuesto por muchas pistas, lo que implica
directamente el uso de muchas cabezas.
La conclusión final de este razonamiento, nos lleva a pensar que un disco con muchas cabezas es más eficiente que un disco con pocas. O analizado desde otro punto de vista, si dos discos tienen la misma capacidad total, es más eficiente el que tenga menor cantidad de cilindros.
Cilindro: utilidad pasada, presente y futura del concepto
Puede parecer muy sofisticada la idea conceptual de cilindro, y sin un análisis cuidadoso, tal
vez pensemos que es un concepto inútil, o tal vez que si no reparamos en él, nuestras vidas no
cambiarán demasiado.
En el pasado, el fabricante estaba obligado a publicar la estructura interna fielmente, ya que
los valores de esa estructura formaban parte de la configuración en la instalación de un disco
en la PC.
La estructura interna, también conocida como la geometría o los parámetros del disco, está
compuesta por: la cantidad de cilindros, la cantidad de cabezas de lectura/escritura, y la cantidad de sectores existentes por pista. Estos parámetros eran requeridos por el programa de configuración del las PCs de hace algunos años.
En la actualidad, las modernas unidades de alta capacidad, han sufrido una metamorfosis interna, para acomodar más información en menos lugar.
Pero en la configuración de la PC, no está contemplado y no es posible configurar una cantidad de sectores variable, dependiendo del diámetro de la pista.
Esto implica que sólo se puede declarar un valor en la cantidad de sectores por pista de la
unidad. Es decir que si en la PC declaramos que la unidad tiene la cantidad de sectores que
tiene una pista externa (cerca del borde), ese valor no será válido para las pistas internas (cercanas al eje) porque de hecho hay menor cantidad. Y declarar que la unidad tiene la cantidad de sectores de una pista interna, es directamente decirle a la PC que ignore los sectores extra que se lograron incluir en las pistas externas, desperdiciando esa capacidad extra. En otras palabras, esto se conoce como problema de compatibilidad.
Para poder mantener la compatibilidad, en las unidades modernas, los fabricantes incluyen en
la electrónica de las unidades un procesador que traduce una geometría compatible ficticia
(también conocida como geometría lógica o parámetros lógicos) utilizada desde el lado de la PC, a la geometría incompatible real (conocida como geometría física o parámetros físicos)
interna del disco.
En conclusión, por lo que estamos viendo, la geometría de los discos actuales que publican
los fabricantes, es una geometría lógica (ficticia) para mantener la compatibilidad con las
PCs, y poco tiene que ver con la geometría real interna de los discos.
La única forma de saber realmente cuántos cilindros o cabezas tiene una unidad actual, como
para compararla con otra y evaluar sus características, es leyendo información específica de
ese modelo, obtenida directamente del fabricante, o (algo ciertamente no recomendado) quitándole la tapa a la unidad.
Del lado de la PC, las cosas han evolucionado también. Actualmente para instalar un disco rígido están habilitadas varias modalidades de configuración. La más moderna ignora absolutamente la geometría de los discos, y sólo necesita saber cuántos sectores en total tiene la unidad.
Posiblemente en el futuro esta última modalidad de configuración sea la única forma de declarar las unidades, quedando oculta para siempre la estructura física real del disco.
Considerando que los traductores le dan libertad absoluta a los fabricantes de hacer lo que deseen en el interior de las unidades, tal vez en un futuro los discos dejen de ser lo que conocemos hoy en día. Tal vez en el mañana, si destapamos una unidad, nos encontremos con un cubo cristalino, controlado por un par de láseres, sin partes móviles. Y por ese entonces, será tal vez más extraño y sofisticado hablar del concepto cilindro.
CÁLCULO DE LA CAPACIDAD TOTAL DE UN DISCO
La capacidad total de un disco rígido, se puede saber fácilmente, si conocemos cuántos sectores hay en la unidad. Ya hemos dicho que en un sector cabe 512 bytes. Basta entonces averiguar cuántos sectores tiene un disco, multiplicarlo por 512, y el resultado será la capacidad total expresada en bytes.
Los discos actuales, informan directamente la cantidad de bloques (sectores) disponibles en el
mismo. Las unidades algo más viejas, informan una geometría lógica: una cantidad de cilindros,una cantidad de cabezas y una cantidad de sectores por pista (generalmente 63).
Si conocemos la geometría lógica, bastará multiplicar entre sí esos valores, para saber cuál es
la cantidad total de sectores contenidos en la unidad.
CONFIGURACIÓN DE UN DISCO EN LA PC.
El procedimiento de setup completo, va a ser estudiado en detalle en la próxima clase. Hoy
solamente veremos cómo se accede a esta configuración, y los detalles pertinentes a la declaración de los discos rígidos.
Además, esta será una tarea práctica en clase, de modo que aquí sólo veremos algunos detalles conceptuales.
Ya que dependiendo de la generación a la cual pertenezca la PC y el disco, nos encontraremos con distintas modalidades de configuración, es necesario entender qué implica cada una de ellas.
Estas modalidades fueron introducidas para paliar las distintas dificultades de compatibilidad que fueron surgiendo en el camino evolutivo de las PCs y las unidades de almacenamiento.
Una de las cosas que ha cambiado de manera importante, ha sido el modo de direccionamiento, es decir la forma en que la PC solicita acceso a alguna zona del disco rígido.
MODOS DE DIRECCIONAMIENTO
Cuando deseamos acceder a una zona del disco, ya sea para grabar o leer información, lo lógico y natural es especificar un cilindro, una cabeza y por último un sector. Por ejemplo para guardar un dato, alguien le debe decir al motor de las cabezas que viaje hasta el cilindro C, que una vez allí active la cabeza H, y que una vez allí, localice el sector S.
Este modo de direccionamiento se lo conoce como CHS y es el acrónimo de Cylinder Head
Sector (en ingles significa cilindro, cabeza, sector).
Desde las unidades más primitivas hasta la más moderna, en última instancia, el direccionamiento CHS siempre está presente en algún lado, y se mantendrá mientras las unidades sigan teniendo uno o más platos, con pistas grabadas y fraccionadas en sectores como los conocemos hoy en día. La variación en el modo de direccionamiento y su configuración, ha ocurrido por problemas de compatibilidad con la PC, su BIOS y el software empleado.
La PC ha sido concebida con el modo de direccionamiento CHS en mente. El software para la PC, también se ha visto influenciado por este modo de direccionamiento.
La demanda constante del mercado de unidades de mayor capacidad, ha hecho que los fabricantes se apartaran del CHS tradicional. Sin embargo tanto el BIOS como el software seguían manejando la geometría tradicional. En
ese tiempo, el cambio fue mínimo, y se limitó introducción de un traductor desde una geometría lógica a una geometría física.
Es decir que mientras el software y el BIOS seguían usando al disco sin modificaciones aparentes, la traducción necesaria se realizaba en la electrónica del disco.
La demanda de mayor capacidad siguió, y aparecieron limitaciones en el modo de direccionamiento CHS del BIOS. Si se hubiera mantenido ese esquema, no hubiera sido posible usar discos de más de 504 megabytes.
Para solucionar ese inconveniente, se cambió la modalidad de direccionamiento entre los discos rígidos y el BIOS, por otra que se denominó LBA (Logical Block Addressing, direccionamiento por bloques lógicos)
En este caso el software sigue sin cambios, y sigue usando al disco como lo hizo siempre, pero el BIOS ahora,toma el valor CHS1 y lo traduce a un número de bloque o sector (LBA). Este número se lo entrega a la electrónica del disco, la cual a su vez vuelve a convertir en una coordenada CHSF física real.
Como sabemos, la historia no termina allí. La demanda de mayor capacidad siguió, y surgió
otra limitación: el modo de direccionamiento entre el Software y el BIOS. De haber continuado con esa limitación, no se hubiesen podido emplear discos de más de 8 Gigabytes de capacidad.
Para subsanar ese inconveniente, hubo que introducir cambios tanto en el software como
en el BIOS. Ahora tanto el software como el BIOS utilizan el mismo modo de direccionamiento: LBA.
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