Disco Duro

DISCO DURO

ESTRUCURA FISICA 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 (ver figura 10.10).

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 (ver figura 10.2), 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 (ver

figura10.2), 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. En la figura 10.3 podemos observar los brazos de una unidad de dos platos. En este caso, en el extremo del brazo se encuentran cuatro cabezas. Por cada cara de cada plato de una unidad, hay por lo menos una cabeza de lectura/escritura.

Es decir que los platos son utilizados de ambas caras.

En la figura 10.4 podemos apreciar un detalle de las cabezas de lectura/escritura que están en el extremo del brazo de la figura 10.3.

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 mucho cuidado. 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 (ver figura 10.5) 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. Esto explica por qué las cabezas, los platos y sus mecanismos asociados, están encerrados en

Figura 10.5

Las cabezas de un disco rígido planean sobre las superficies magnéticas de los platos,  sustentadas por un colchón de aire muy delgado. Las impurezas del aire ambiental,  provocarían daños irreversibles. Por eso bajo ningún concepto debemos abrir una unidad.

Instituto Tecnológico Argentino THP / Clase 10 5 una burbuja hermética; y también porque  nunca debemos abrir una unidad. Hacerlo permitiría el ingreso de aire contaminado dentro de  la unidad, provocando daños irreversibles en la superficie magnética de los platos y en las  cabezas.

LOS MOTORES

De una rápida observación de la figura 10.2, no resulta tan evidente la presencia de dos  motores: uno para el movimiento de rotación de los platos, y otro para el desplazamiento del conjunto de las cabezas.

El motor de los platos Uno de los motores está referido en las documentaciones técnicas en su idioma original como 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.

En la figura 10.6, se puede observar desmontado al motor y eje de los platos de una unidad de disco rígido. Este es un motor sincrónico, controlado por los circuitos de la placa electrónica montada sobre la unidad.

En la misma figura, se ve que el motor va montado de modo tal que atraviesa una cara de la burbuja. El conector y los cables quedan del lado externo, conectados a la placa electrónica. Del lado interno queda el eje del motor, donde se atornillan los platos.

El motor, montado en su posición, forma parte del sello de la burbuja, es decir que no hay  paso de aire desde el exterior, ya que el eje y partes móviles quedan dentro de ella, y por  fuera sólo están las conexiones eléctricas.

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.

En la figura 10.7, se puede apreciar la implementación de un motor de pasos, en un vetusto disco ST-221 de la firma Seagate, de 20 Megabytes de capacidad total. El giro del eje del  motor, arrastraba por medio de un zuncho al pivote del brazo de las cabezas.

PLACA ELECTRÓNICA 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 (ver figura 10.10). El motor lineal y su compleja electrónica de 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. En realidad, en la ilustración, sólo pudimos trazar algunas, ya que en realidad un disco actual usa más de cinco mil pistas en cada cara de cada plato. Pero para darnos una idea de lo que es Una pista, basta con las pocas que hemos trazado.

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.

Para poder ilustrar qué es un sector, en la figura 10.12, se muestra otro plato con pistas  (imaginarias) pintadas en la superficie, donde además se han trazado líneas diametrales que  muestran la forma y ubicación de los sectores en el disco. En este caso, cada pista ha sido  fraccionada en 16 sectores.

Desde el diseño de la primer PC con disco rígido, hasta la actualidad, se ha normalizado el uso de sectores con capacidad de 512 Bytes. Mejor el espacio de grabación de los platos. Si analizamos un poco el aprovechamiento de la superficie de la figura 10.12, vemos que los sectores de las pistas cercanas al eje del disco, tienen menor tamaño que los sectores de las

Este esquema de distribución de sectores ha sido empleado tradicionalmente en los discos  rígidos por bastante tiempo. Pero el mercado informático comenzó a demandar mayor  capacidad en las unidades de disco, y hubo que desarrollar nuevos esquemas que permitan  aprovechar pistas cercanas a la periferia del disco. Si cualquier sector posee una capacidad de  almacenamiento de 512 bytes, ello significa que los 512 bytes en un sector cercano a la  periferia del disco entrarán holgados, y que en los sectores cercanos al eje, entrarán apretados.

En la figura 10.13 se ilustra esto con dos rectángulos que contienen la misma cantidad de datos. El superior representa a un sector cercano al borde del disco, mientras que el inferior (de menor tamaño), representa un sector cercano al eje.

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.

En la figura 10.14, se muestra un ejemplo de distribución de sectores, donde el tamaño de un sector en las pistas internas es prácticamente el mismo que el de las pistas externas. En este ejemplo, las pistas internas se fraccionan en nueve sectores, mientras que las pistas externas se fraccionan en dieciséis.

LOS CILINDROS: UN CONCEPTO ABSTRACTO Si nuevamente observamos con detalle las figuras 10.3, 10.4 y 10.5, podremos apreciar que las cabezas del brazo, están verticalmente alineadas. Esto implica que a determinada distancia del eje, una pista grabada por cualquier cabeza, estará a la misma distancia del eje que las  pistas grabadas por cualquier otra cabeza del brazo. Dejemos ahora volar un poco nuestra imaginación, y pensemos en la unión mental de todas las pistas grabadas, por todas las cabezas de un brazo a determinada distancia del eje.

Formaremos así un cilindro. Para ello, puede ayudarnos la figura 10.15, que nos muestra a  modo de ejemplo, cuatro posibles cilindros imaginarios.

Usando este concepto, se pueden derivar las siguientes conclusiones:

§   Si en la superficie de un plato se pueden grabar N pistas, y ese plato se puede grabar en ambas caras, entonces en ese plato hay

§  2 x N pistas. Como un cilindro es la unión  imaginaria de las pistas grabadas en  ambas caras, en ese plato existen N  cilindros.

§  En cualquier unidad de disco rígido,  hay tantos cilindros como pistas en  una de las superficies. En la figura 10.15 por ejemplo, vemos cuatro pistas en la cara superior, y  cuatro cilindros definidos.

§   Un cilindro está formado por tantas  pistas, como cabezas de  lectura/escritura haya en el brazo. Por ejemplo en la figura 10.15,  cada cilindro está formado por ocho  pistas, que es el número de cabezas  necesarias en el brazo para escribir en todas las caras de todos los platos.

§   La cantidad total de pistas en un disco, es igual a la cantidad de cilindros multiplicado por la cantidad de cabezas de lectura/escritura que posea el brazo. Por ejemplo en la figura

§  10.15, hay en total 4 x 8 = 32 pistas.

§   El motor que mueve las cabezas, siempre las desplaza de cilindro en cilindro.

§

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 (ver figura 10.7).

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.

Esto es realmente así, y eso explica por qué el disco IBM de 40 Gigabytes de la figura 10.2 tiene 20 cabezas (tiene diez platos), y lo hace mucho más rápido que una unidad común de cuatro cabezas (y seguramente más caro).

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. Esto casi es cierto en la actualidad.

Lo analizado en el párrafo 4.3.1, parte de la premisa de que nosotros conocemos  exactamente la estructura y organización interna del disco.

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. Por ejemplo, ya hemos estudiado el caso del sectorizado (ver sección 4.2), donde la solución para aprovechar mejor el espacio, fue acomodar más sectores en las pistas ubicadas en los cilindros de mayor diámetro, y menor cantidad en los de menor diámetro.

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.