HD:
Discos Duros
Por
Núria Almiron
El disco duro es
hoy en día el principal método de almacenamiento de la
mayoría de usuarios, elemento común y estándar
de todos los equipos informáticos. La unidad de disco duro es,
además, una máquina de alta precisión y constituye
el dispositivo de almacenamiento mecánico más rápido
que existe en la actualidad (sólo superado en velocidad por la
RAM, que no es un dispositivo mecánico). Ni CD-ROMs, discos magnetoópticos
u ópticos, sistemas de cintas de seguridad o dispositivos WORM
han podido superar en uso y utilidad al sistema que creara IBM en 1973
cuando lanzó la tecnología Winchester.
Historia
no tan reciente
Pero los antecedentes
del disco duro se remontan a muchos años antes. De hecho podemos
situarlos en el gran laboratorio de Notre Dame Avenue que IBM fundó
en 1952 en San José, California, específicamente creado
para investigar futuras tecnologías de almacenamiento. Hasta
ese momento los datos se guardaban básicamente en rollos de cinta,
tambores o en la memoria central de los ordenadores. (por ejemplo, los
6000 clientes de IBM de aquella época utilizaban 16 billones
de tarjetas perforadas anualmente en más de 100.000 máquinas
de alquiler). Ante la demanda creciente de ordenadores, IBM percibió
la necesidad de descubrir un método de almacenamiento de grandes
cantidades de datos que pudieran ser accesibles en cuestión de
milisegundos para un procesador. Con este objetivo envió a Reynold
Johnson —el inventor de las máquinas de corregir exámenes
que utilizaban muchos profesores norteamericanos de la época—
a San José donde junto con 50 ingenieros locales se pusieron
manos a la obra. El resultado, cuatro años después, fue
el 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) y el nacimiento
de la industria DASD (Direct Access Storage Device). Prueba del valor
de estos inventos es que en 1984, la American Society of Mechanical
Engineers otorgó al RAMAC el distintivo de “International
Historic Mechanical Engineering Landmark” y en 1986 Johnson, ya
retirado, recibió la National Medal of Technology de manos del
presidente Reagan.
La evolución y subsiguiente desarrollo de estas investigaciones
conducirían en 1973 al lanzamiento de la tecnología de
disco Winchester que marcaría los estándares para la siguiente
década. Desde entonces, la capacidad, tamaño y rendimiento
de las unidades de disco duro ha variado espectacularmente pero el mecanismo
de funcionamiento sigue siendo esencialmente el mismo.
Componentes
y funcionamiento
Los discos duros
son dispositivos mecánico-electrónicos, es decir, guardan
los datos en señales magnéticas. De ahí proviene
la característica que más les distingue: la manipulación
de estas señales magnéticas mediante electroimanes (las
unidades WORM —Write Once, Read Many— o las unidades magnetoópticas
o flóptical manipulan las señales magnéticas mediante
un láser).
La unidades de disco duro, tanto internas como externas (de hecho, la
única diferencia entre ellas es que los discos duros externos
van en una carcasa con su propio ventilador y fuente de alimentación),
constan de diversos componentes que se encuentran protegidos en el interior
de una caja metálica y hermética aislada de las partículas
de polvo que son, junto con los golpes y las caídas, el principal
enemigo de su mecanismo .
En el interior de esta caja hermética que acoge todos los componentes
hay diversos discos giratorios de aluminio rígido recubiertos
por las dos caras con un material magnético. El número
de platos y la composición del material magnético que
los recubre determinan la capacidad de almacenamiento de la unidad (lo
normal es que los platos estén recubiertos por una aleación
de aproximadamente la trimillonésima parte del grosor de una
pulgada). El recubrimiento contiene partículas de óxido
de hierro u otro material magnético que permite representar los
“0” y “1” de la información binaria. Los
datos se escriben sobre los discos magnetizando áreas en su superficie
de modo similar a como se graba y lee información en una cassette
de audio o en un vídeo. Los diversos discos giran juntos a una
velocidad angular constante que puede ir desde las 3600 revoluciones
por minuto a las 7.200 rpm de los discos más modernos. Encima
de los discos hay unos precisos electroimanes, los cabezales, que se
mueven adelante y atrás leyendo y escribiendo datos. La elevada
precisión de este mecanismo se hace evidente si se tiene en cuenta
que un disco de 3,5 pulgadas girando a la mínima velocidad que
aún podemos encontrar en algunos discos, 3.600 rpm, pasa bajo
los cabezales al equivalente de más de 120Km por hora. Es pues
fácil imaginar lo destructivo que puede llegar a ser un contacto
fortuito a esa velocidad, o más, del cabezal con el disco. Un
golpe involuntario propinado contra la unidad, una caída al suelo
de la misma o una simple mota de polvo puede provocar el choque del
cabezal con el plato del disco, cuya distancia de separación
es mínima (el cabezal se encuentra flotando por encima de los
discos a sólo unas pocas decenas de micras, es decir, a unas
millonésimas de metro, un espacio por el que no pasaría
ni un cabello humano).
En la base de la unidad se encuentra la placa lógica. Cuando
el sistema operativo o el software ordenan una tarea al disco duro,
la placa lógica o circuito impreso de la unidad es quien, después
de recibir la información a través del controlador del
disco, procesa la orden. Lo que hace la placa lógica es convertir
la orden en impulsos eléctricos que obligan al mecanismo de los
cabezales a desplazar a estos a lo largo de la superficie de los platos.
Todos los cabezales se desplazan a la vez por el mismo mecanismo mediante
un resorte. Cuando la corriente aumenta, los cabezales vuelven al centro
de los discos, cuando el flujo eléctrico desciende, el resorte
tira de los cabezales hacia atrás, hacia el borde exterior de
los discos. Este mecanismo alinea con gran precisión los cabezales
con las pistas que forman círculos concéntricos sobre
la superficie de los platos. Entonces, la placa lógica vuelve
a entrar en acción indicando a los cabezales el momento justo
en que pueden empezar a escribir/leer. Los cabezales graban (escriben)
los datos procedentes del controlador alineando las partículas
magnéticas sobre la superficie de los platos y los recuperan
(leen) mediante la detección de las polaridades de las partículas
alineadas. Si la partícula tiene una carga magnética positiva
significa un “1” si tiene una carga negativa representa un
“0”. Esta sencilla nomenclatura basta en el sistema binario
para almacenar toda una novela, una base de datos o nuestra última
partida de Command and Conquer.
El índice básico
Pero para que los cabezales puedan grabar/recuperar información
en los diversos platos del disco duro es necesario saber dónde
hay espacios vacíos en los que poder escribir, y dónde
están ubicados los datos que se buscan para leerlos. Para ello
es preciso realizar un paso previo a la utilización de cualquier
unidad: establecer un índice o directorio del contenido del disco.
Este paso se realiza durante la operación de formateo o inicialización
de la unidad. Es precisamente durante este proceso de inicialización
cuando se reserva una parte del disco para el directorio más
importante de todos, el que confecciona el sistema operativo con los
nombres y ubicación de los datos en el disco (la FAT o Tabla
de Asignación de Archivos en DOS y Windows, la Tabla Inode, “index
node”, en Unix o el Arbol de Catálogo en el Mac OS). Pero
veamos el proceso completo.
Formatear
o dar forma al disco
Formatear un disco
significa establecer las estructuras de la organización en que
se van a distribuir los datos en el mismo, prepararlo para admitir información.
Y quien define este esquema o estructura es el sistema operativo. Al
formatear un disco estamos en realidad escribiendo en su superficie
un patrón de unos y ceros como señales magnéticas.
Este patrón divide al disco en pistas (los anillos concéntricos)
y sectores (divisiones de las pistas) que a su vez se agrupan en clusters
(bloques). En el formateo estándar, los sectores están
distribuidos en conjuntos parecidos a los trozos de una tarta, es decir,
el número de sectores por pista varia según el radio de
ésta: las pistas más cercanas a los bordes contienen más
sectores que las pistas interiores. La combinación de dos o más
sectores en una única pista forman un bloque cuyo tamaño
puede variar según el sistema utilizado para formatear el disco
y según el tamaño de éste. El bloque es la cantidad
mínima de datos trasferida a un tiempo por la unidad y cuanto
mayor es el disco, más grandes es el tamaño del bloque
(y mayor el espacio desaprovechado en el caso de archivos pequeños,
los más comunes, pues no llenan todo el bloque). A la hora de
guardar un archivo, este puede ser diseminado entre cientos de bloques
independientes dispersos a lo largo de varios platos.
Después de marcar las pistas y los sectores físicamente
(el formateo físico), el software de inicialización realiza
el formateo lógico, el autor de la creación de varios
directorios e índices que se almacenan en la pista 0 del disco.
El formateo lógico crea básicamente cinco áreas:
los bloques de arranque, los de información, el directorio de
ocupación, el directorio de ubicación de los ficheros
y el área de datos. Estas estructuras ocupan espacio de disco
por lo cual, un disco, aunque esté vacio siempre tiene una parte
ocupada cuando lo formateamos.
Los bloques de arranque son siempre los dos primeros del disco. Identifican
a la unidad como un disco PC, Macintosh, Unix, etc. y contienen información
usada durante la secuencia de arranque. También incluyen al controlador
que permite al ordenador comunicarse con la unidad del disco a través
del bus correspondiente. Los bloques de información del volumen,
que siempre siguen a los de arranque, contienen el nombre del volumen
(el nombre dado al disco) y el número de ficheros almacenados
en él. A continuación contienen el mapa de bits del volumen
que identifica los bloques usados y los no usados. El directorio de
ocupación contiene la situación de los bloques que están
situados unos junto a otros, los bloques contiguos. El directorio de
ubicación de los archivos es el directorio que almacena las posiciones
de los ficheros en los discos y el que indica al sistema operativo cómo
localizar la información guardada o los espacios vacíos
que aún admiten datos a almacenar. El área de datos es
la zona restante y mayor donde se guarda la información.
Una vez formateado el disco, es decir, creado este mapa que lo organiza
y creados los índices de los que se nutre el sistema operativo
para informarse sobre el disco, escribir o leer incluso el archivo más
sencillo es un proceso harto complicado en el que participan el software
que se esté utilizando, el sistema operativo, la BIOS (sistema
básico de entrada y salida de datos), los controladores del disco
duro que le indican al sistema operativo cómo utilizar el hardware
y el mecanismo de la propia unidad del disco.
Cómo
escribe y lee el disco
En definitiva el
proceso es el siguiente. Lo primero que hace el sistema operativo al
arrancar es cargar en RAM toda esta información sobre la organización
del disco. Cuando el sistema tiene toda la información necesaria
da instrucciones para que los cabezales escriban en los bloques libres.
A la hora de almacenar un archivo el sistema siempre empieza colocándolo
en los primeros bloques que encuentra libres en el directorio de localización
de archivos. Este directorio mantiene un registro encadenado de los
bloques utilizados por un archivo y cada enlace de la cadena conduce
al siguiente bloque que contiene el siguiente fragmento del archivo.
Después de esto, el sistema vuelve a enviar los cabezales a la
tabla de localización, el índice situado en la pista 0
del disco, para confeccionar una lista con todos los bloques en los
que se encuentra algún fragmento del archivo guardado. El sistema
siempre intenta guardar el archivo en bloques contiguos pues su lectura
es más rápida. Si la mayoría de ficheros están
en bloques no contiguos se dice que el disco está fragmentado.
Un disco fragmentado va más lento porque los cabezales deben
moverse más veces entre bloques para poder finalizar la lectura
de un sólo fichero (el software de defragmentación modifica
la posición de los datos para colocarlos en bloques contiguos).
El proceso de escritura/lectura del disco depende pues por completo
de la consulta de los directorios e índices confeccionados sobre
el disco y, por ello, es vital que estos no sufran ningún deterioro.
Cada
vez más por menos
Si bien el funcionamiento
electromagnético esencial de los discos duros sigue siendo básicamente
el mismo que el de la unidad incluida en el IBM XT, el primer ordenador
en incorporar uno, la capacidad, velocidad y rendimiento de los dispositivos
ha avanzado a un ritmo trepidante.
En aquella época, a principios de los 80, una capacidad de 10Mb
se consideraba más que suficiente, el disco duro tenía
un grosor de 76 a 101 mm y llenaba toda una carcasa de 5,25 pulgadas,
los platos tenían un diámetro de 5,25 pulgadas (13,3 cm)
y el mecanismo una altura de 3,2 pulgadas (8,1cm), medidas que afectaban
directamente al tamaño de los ordenadores de la época.
Por otro lado, los tiempos de acceso rondaban los 87 milisegundos y
se consideraban vertiginosos en comparación con los de las disqueteras.
Un poco más adelante, a mediados de la década de los 80,
a medida que los fabricantes conseguían reducir el número
de platos necesario para almacenar una cantidad de información
determinada, empezaron a aparecer discos de 5,25 pulgadas a media altura
(1,6” o 4 cm). Y a principios de los 90, los discos duros de 500Mb,
con menor tamaño que las unidades de disquetes de 3,5 pulgadas
y con velocidades de acceso de 14 milisegundos eran los dispositivos
más comunes. La progresiva reducción del tamaño
de las unidades ha ido pareja a un simultaneo aumento de su rendimiento
y capacidad y una considerable disminución de los precios.
Actualmente, los discos duros son casi todos de 3,5 pulgadas (8,9 cm)
o de 2,5 pulgadas (6,35 cm) de diámetro de plato (los de 3,5”
son más comunes en los ordenadores de sobremesa mientras que
los de 2,5” se utilizan en los portátiles). La mayoría
de discos de 3,5” son de media altura pero hay algunos que son
de sólo una pulgada (2,5 cm), también llamados de perfil
bajo. En cuanto a la capacidad de las unidades actuales, ésta
se ha disparado y es habitual hablar de Gigabytes en cualquier ordenador
doméstico mientras que los tiempos de acceso y de búsqueda
de la información se han reducido notablemente (probablemente
lo único que no se ha conseguido superar es el entrañable
ruido de los discos al girar si bien éste cada vez se parece
más al de un motor supersónico).
A lo largo de esta última década, la tecnología
de los discos duros ha pasado de ser una opción cara y exclusiva
de usuarios avanzados a ser un elemento estándar en todos los
ordenadores personales. El ritmo de progreso ha sido imparable y la
situación se ha invertido pasando de unos pocos megas de capacidad
a miles de ellos y de muchos miles de pesetas gastados por mega a muchos
megas por pocas pesetas. Por el camino, a IBM, inventor de la tecnología,
se le han unido otros fabricantes que en estos momentos están
liderando la investigación —Seagate, Quantum, Maxtor, Conner
Peripherals, Micropolis, Fujitsu, DEC— y que entre todos mantienen
a este dispositivo en una interminable escalada por ofrecer más
por menos: más capacidad y rendimiento por menos dinero.
CADA
VEZ MÁS RÁPIDO
La principal virtud de las unidades de disco duro con respecto a otros
dispositivos de almacenamiento ha sido siempre su rapidez, la velocidad
a la que podemos acceder a ellos. Sin embargo, las cada vez más
exigentes aplicaciones que requieren de mayor velocidad están
continuamente impulsando avances tecnológicos en este sentido.
A la hora de medir la velocidad de un disco duro no existen referencias
normalizadas pero es posible conseguir una cierta calibración
observando tres aspectos: los tiempos de acceso y de búsqueda,
el índice de transferencia y la velocidad de giro.
El tiempo medio de acceso o tiempo medio de búsqueda se refiere
a lo mismo, al tiempo que necesita el disco para llegar a la información
buscada. Técnicamente el tiempo de búsqueda es el tiempo
que tardan los cabezales en llegar a una pista determinada, mientras
que el tiempo medio de acceso es esta cifra más la latencia,
el tiempo que tarda un sector concreto de la pista en colocarse justo
bajo el cabezal (pues las posibilidades de que cuando el cabezal llegue
a la pista se encuentre con el sector buscado son remotas). Las unidades
actuales se encuentran entre los 8 y los 20 milisegundos de tiempo de
búsqueda mientras que la cifra de latencia oscila entre 4 y 8
milisegundos.
El índice de transferencia es la cantidad de información
que el disco puede enviar al ordenador por unidad de tiempo, una vez
los cabezales están en el sitio adecuado. Los discos actuales
tienen índices de transferencia que oscilan mucho entre si según
los modelos pero menos de 4Mb por segundo indica que no son muy nuevos.
Y finalmente la velocidad de giro es la velocidad a la que giran los
platos y que en las unidades más antiguas puede ser de 3600 o
4500 revoluciones por minuto y en las más modernas de 5400 y
7200 rpm. Aunque los fabricante están constantemente mejorando
estos y los demás ratios y ya existen discos a 10.000 rpm como
el último de Seagate.
MTBF
O ÍNDICE DE FALLOS
La fiabilidad de los discos duros, es decir, la propensión a
que sus mecanismos fallen de algún u otro modo, se mide según
la durabilidad de estos. Los fabricantes, a su vez, miden la durabilidad
de los discos en términos de tiempo transcurrido entre fallos,
el MTBF (Mean Time Between Failures) o “tiempo medio entre fallos”
que es el número de horas que un disco duro puede estar funcionando
antes de que falle alguna pieza. El MTBF estándar en la actualidad
está entre las 200.000 y las 800.000 horas aunque ya hay dispositivos
que alcanzan el millón de horas. Obviamente, los laboratorios
extraen estas cifras extrapolando la cantidad de fallos que se produce
en los discos durante un tiempo concreto. Una duración de 200.000
a 800.000 horas significa de 23 a 91 años por lo que no hay modo
alguno de probarla sino es extrapolando. Sin embargo, el MTBF tiene
sólo una fiabilidad relativa pues depende de las pruebas que
realice cada fabricante que pueden ser muy diversas.
LA
NUEVA FAT32 DE WINDOWS 95
La mayoría de software para formatear discos permite crear particiones,
secciones de la unidad de disco que actúan como volúmenes
separados de capacidad fija. Esta capacidad ha estado limitada durante
mucho tiempo para la mayoría de sistemas personales que utilizaban
directorios de 16 bits, como le ocurría al DOS o a Windows 3.11.
Esto significaba que el número máximo de bloques por partición
no podía ser más de 65.520. Con un máximo de 64
sectores por bloque y de 512 bytes por sector, la capacidad máxima
de los volúmenes no superaba los 2,1Gb (algo lógico pues
estos directorios fueron diseñados al principio del nacimiento
de la industria del ordenador personal pensando en los disquetes floppies
o en discos duros muy pequeños).
Para solucionar este límite en las particiones y conseguir además
una mejor gestión del espacio de los discos duros, Microsoft
ha diseñado una nueva FAT, la tabla de asignación de archivos,
para Windows 95 que soporta ya 32 bits (uniéndose así
a otros sistemas que ya lo soportaban como el Unix, el OS/2, el Sistema
7.5 o Windows NT). Con la FAT32, el número máximo de bloques
por partición alcanza los 4.294.967.296. Con ocho sectores por
bloque y 512 bytes por sector, los tamaños de las particiones
aumentan hasta unos 2 terabytes.
Pero esta capacidad de crear directorios de 32 bits al formatear los
discos no sólo redunda en un aumento de la capacidad de las particiones
sino también en un mejor aprovechamiento de las unidades. Con
las FAT de 16 bits se aprovechaba muy mal el espacio pues los ficheros,
que sólo pueden almacenarse en bloques enteros, desaprovechaban
el resto de espacio sobrante que no ocupaban. La nueva FAT32 de Microsoft
utiliza un tamaño de bloque mucho más pequeño que
la anterior FAT de 16 bits, 4K frente a los 32K de la anterior, por
lo que un archivo de, por ejemplo 3K, sólo pierde 1K de espacio
en disco en lugar de 29K.
ESTACIONAMIENTO
AUTOMÁTICO
La fragilidad de la superficie de los platos del interior de un disco
duro ante la posibilidad de que el cabezal colisione con ellos ha obligado
a tomar medidas de precaución para prevenir daños. La
principal, además del hermetismo de las carcasas para evitar
la entrada de polvo, ha sido el estacionamiento de los cabezales. Aparcar
o estacionar el cabezal supone retirarlo de encima del disco cuando
la unidad va a ser movida o trasladada. Anteriormente, era habitual
que los usuarios de PC tuvieran que utilizar un comando especial (SHIP
en el DOS, PARKHEAD en el IBM-DOS) para estacionar el cabezal pues si
se produciera algún impacto en el disco o un movimiento muy brusco
podría provocar el choque del cabezal con la superficie del disco.
Si en el momento del impacto los cabezales no estuvieran aparcados y
por ejemplo se encontrarán reposando sobre la pista 0, donde
se encuentra el directorio o FAT de localización de los archivos,
podríamos perder la información básica para acceder
a los datos.
Actualmente, todas las unidades fabricadas desde los últimos
años incluyen el estacionamiento automático del cabezal
(autopark).
Publicado en
PC Plus nž 7, mayo 1997