Almacenamiento Magnetico

Perifricos de Computador

Captulo 5. Almacenamiento magntico5.1 - Introduccin. Definicin. En un ordenador es necesario disponer de algn mtodo para almacenar la informacin que no est en uso de forma que pueda ser recuperada cuando se necesite y que no se pierda cuando el ordenador deja de funcionar (como sucede con el contenido de la memoria principal). La forma de conseguirlo es empleando los denominados sistemas de almacenamiento secundario. Un sistema de almacenamiento secundario consistir, pues, en un dispositivo capaz de almacenar informacin por tiempo indefinido sin necesidad de que sobre l se realice ningn tipo de actuacin durante ese tiempo (alimentacin, refresco,). Han existido multitud de dispositivos de este tipo, basados en los mtodos ms diversos (tubos de rayos catdicos, lneas de mercurio, tarjetas perforadas, tambores magnticos, etc.), pero hoy en da solamente se utilizan dos mtodos para el almacenamiento de la informacin en sistemas secundarios: magntico y ptico (y la mezcla de ambos). En este captulo se tratarn los dispositivos magnticos, dejando el estudio de los dispositivos pticos para el captulo siguiente. 5.2 - Almacenamiento magntico. Principios tericos El magnetismo es una manifestacin de las propiedades elctricas de la materia. Respecto de su comportamiento magntico, los materiales pueden clasificarse como ferromagnticos (favorecen el paso de campos magnticos a su travs), paramagnticos (prcticamente indiferentes a los campos magnticos) y diamagnticos (dificultan el paso de lneas de fuerza a su travs). Un material ferromagntico puede verse como un cmulo de partculas magnticas desordenadas (con orientaciones espaciales aleatorias). Cuando un fragmento de dicho material se somete a la accin de un campo magntico, sus partculas se orientan en la direccin de dicho campo, tanto ms cuanto ms fuerte sea el campo. De esta forma, el comportamiento del material ferromagntico respecto de la presencia de un campo magntico puede expresarse mediante el denominado ciclo de histresis representado en la Figura 5.1. Se denomina histresis magntica a la propiedad que presentan los cuerpos ferromagnticos de mantener el magnetismo adquirido aunque desaparezcan las condiciones especiales que lo establecieron. En la Figura 5.1, el eje horizontal representa la intensidad del campo magntico (H) aplicado y el eje vertical la induccin magntica (B) adquirida por el material. Al ir aumentando poco a poco la intensidad del campo magntico, van orientndose un nmero cada vez mayor de partculas magnticas, de manera que el material ir adquiriendo una creciente potencia magntica hasta llegar al punto S en que ya estn orientados la prctica

Captulo 5 . Almacenamiento magntico

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totalidad de sus partculas magnticas. En este punto, aunque aumente la intensidad del campo magntico (H), ya no aumentar la induccin (B). El cuerpo sometido a la accin del campo magntico adquiere un estado de saturacin. De esta forma se ha conseguido un imn artificial a partir de un material ferromagntico. Podra parecer que al desaparecer el campo magntico, el material debera perder totalmente la induccin magntica adquirida, pero no es as. Lo que sucede es que, al desaparecer el campo magntico, muchas de las partculas magnticas del material abandonan su orientacin preferente en la direccin del campo, pero no todas. El resultado es un residuo de induccin magntica, denominado magnetismo remanente, representado en la Figura 5.1 por el tramo 0A.

Figura 5.1 - Ciclo de histresis

Si se desea anular por completo la orientacin de todas las partculas magnticas del material, ser necesario aplicar un campo magntico que siga un sentido opuesto al inicial. La intensidad del campo magntico necesario para que la induccin magntica desaparezca por completo se denomina fuerza coercitiva, representada en la Figura 5.1 por el tramo 0C. Aumentando el campo magntico se volvera a presentar el estado de saturacin del material, pero en esta ocasin en sentido opuesto al anterior. Al desaparecer el campo magntico, el material conservara un magnetismo remanente 0D tambin opuesto al primero y, finalmente, al volver a someter al material a un campo positivo de gran intensidad, se alcanzara nuevamente el estado de saturacin, con lo cual se cerrara el anteriormente citado ciclo de histresis. El tamao del ciclo de histresis depende del material utilizado. Cuanto mayor superficie presenta el ciclo, mayor es el magnetismo remanente (fiabilidad de la informacin grabada) pero tambin mayor es la energa invertida en la grabacin y el tiempo necesario para hacerlo. La generacin de un campo magntico de grabacin se conseguir utilizando un ncleo de ferrita con una bobina arrollada, a travs de la cual se har circular una corriente elctrica. Esto producir la orientacin de las partculas magnticas del medio. La lectura se realizar con el mismo dispositivo pero de forma inversa, es decir, al pasar los datos grabados junto al ncleo de ferrita, inducirn corrientes elctricas en las bobinas arrolladas sobre l, como muestra la Figura 5.2.


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Hay que sealar que utilizando el mtodo descrito solamente es posible detectar variaciones en la orientacin de las partculas magnticas del medio, y no la orientacin absoluta de stas. Este hecho har necesario codificar la informacin de forma que no existan largos tramos de medio grabado sin cambios de orientacin de las partculas magnticas.

Figura 5.2 - Lectura de la informacin almacenada en un medio magntico

5.3 - Mtodos de codificacin Existen diversas tcnicas para expresar la informacin mediante campos magnticos. El problema principal de la grabacin de la informacin como zonas de orientacin magntica opuesta (slo se usan dos orientaciones) radica en la imposibilidad de detectar separaciones entre zonas con la misma orientacin. Se presentan dos posibilidades para solventar este problema: poseer una seal de sincronismo (reloj) independiente de la informacin grabada o incorporar dicha seal a la propia informacin a grabar. Estas dos tcnicas dan lugar a dos grupos de cdigos de grabacin: los que no incorporan seal de sincronismo (o cdigos sin auto-reloj) y los que s la incorporan (o cdigos con autoreloj). 5.3.1 - Cdigos de grabacin sin auto-reloj Dado que el lmite de informacin por unidad de superficie est directamente relacionado con el nmero de regiones con diferente orientacin magntica que se desee grabar, si la seal a grabar solamente contiene la informacin codificada y no una seal de sincronismo adicional, ser posible colocar mayor cantidad de informacin en la misma superficie. Concretamente el doble. Sin embargo, esto implica poseer una seal de sincronismo externa que determine posteriormente dnde se encuentran las separaciones entre regiones con la misma orientacin (celdas de bit). Dicha seal de sincronismo puede ocasionar problemas en el caso de que la


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informacin sea grabada y posteriormente leda, dado que la velocidad del medio en el instante de lectura puede no ser exactamente la misma que el instante de la grabacin, con la consiguiente lectura errnea. Debido a ello este tipo de cdigos se emplean con mayor frecuencia en comunicaciones serie, donde es posible transmitir la seal de reloj junto con los datos, con la garanta de que la recepcin ser correcta, en lo que a sincronismo se refiere. Se estudiarn los siguientes cdigos de este tipo, mostrndose un ejemplo de la misma informacin codificada segn cada uno de ellos en la Figura 5.3:

Figura 5.3 - Mtodos de codificacin sin Auto - Reloj

Retorno a Cero (RZ - Return to Zero): Consiste en dejar zonas sin magnetizar que servirn para separar entre s los fragmentos magnetizados, denominados celdas de bit, correspondientes a los datos grabados. Presenta el inconveniente de que la cantidad de flancos necesarios para codificar la informacin es mayor (el doble) que en los otros, por eso se denomina cdigo de simple densidad. Este mtodo resulta altamente ineficiente, ya que desperdicia gran cantidad de espacio en el medio magntico. Por otro lado, para obtener una misma velocidad de acceso a la informacin grabada, la cinta debe desplazarse con mayor velocidad que en otros mtodos ms eficientes. Su nica ventaja es la sencillez. No Retorno a Cero (NRZ - No Return to Zero): En este mtodo no se dejan zonas sin magnetizar entre las celdas de bit, con lo que, por una parte, se aprovecha mejor el espacio en el medio magntico pero, por otro lado, no se pueden distinguir valores iguales en celdas consecutivas, sean cero o unos, como puede apreciarse en la Figura 5.3. La cantidad de informacin que se puede expresar por unidad de superficie es el doble que en el anterior, por lo que este cdigo pertenece a los denominados de doble densidad.


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No Retorno a Cero Invertido (NRZI - No Return to Zero Inverted): Para paliar el problema de los datos iguales consecutivos, si el dato que contiene la celda actual es un uno, se invierte la orientacin de la celda de bit precedente y si es un cero, se mantiene la misma orientacin. De esta forma, solamente existir ausencia de pulso de lectura cuando haya dos o ms ceros consecutivos, como puede apreciarse en la Figura 5.3. Esta tcnica no permite prescindir de la seal de sincronizacin, si bien disminuye la posibilidad de perder informacin. Tambin se trata de un cdigo de doble densidad, al igual que el anterior. 5.3.2 - Cdigos de grabacin con auto-reloj Frecuencia Modulada (FM - Frequency Modulation): Utiliza el concepto de celda de bit limitada por dos pulsos de reloj. Si en el centro de la celda hay un pulso (cambio de orientacin de las partculas magnticas del medio), sta almacena un uno. La ausencia de pulso en el centro de la celda representa un cero almacenado en la misma. Constituye un sistema de alta fiabilidad debido a la existencia de pulsos de reloj en todas las celdas, lo cual dificulta la prdida de sincronismo. Sin embargo, tiene como defecto la gran cantidad de pulsos que hay que grabar para expresar la informacin y, por lo tanto, la gran cantidad de superficie magntica que hay que emplear por bit almacenado. Como se desprende de la observacin de la Figura 5.4, se trata de un cdigo de simple densidad.

Figura 5.4 - Mtodos de codificacin con Auto - Reloj

Frecuencia Modulada Modificada (MFM - Modified Frequency Modulation): Una solucin para tener menos cambios de orientacin por bit almacenado consistira en eliminar totalmente los pulsos de reloj, de forma que, cuando en el centro de una celda hay un pulso, representa un uno y cuando no lo hay, un cero. Pero de esta forma, cuando aparezcan cadenas de ceros consecutivos, el sistema perder el sincronismo y no ser capaz de distinguir qu celda es cual. El mtodo MFM elimina todos los pulsos de reloj, salvo los correspondientes a las celdas de bit que ocupan la posicin segunda y siguientes en las cadenas de ceros. En forma de reglas puede enunciarse como sigue: 1 - Se graba un impulso de datos en el centro de la celda de bit si el bit a grabar es un 1.


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2 - Se graba un pulso de reloj al comienzo de la celda de bit si en la anterior celda no se grab pulso de dato y el bit a grabar en la celda es un 0. En la Figura 5.4 puede apreciarse que, para la misma informacin, el mtodo MFM utiliza solamente 10 pulsos mientras que el FM necesitaba 18. Por eso pertenece a los denominados cdigos de doble densidad. Frecuencia Modulada Doblemente Modificada (M2FM - Modified Modified Frequency Modulation): Se trata de una ligera mejora del mtodo anterior. Consiste en que se inserta un pulso de reloj solamente si la celda anterior no contiene un pulso de reloj ni un uno y la celda actual contiene un cero. Como enunciado de reglas, quedara: 1 - Se graba un impulso de datos en el centro de la celda de bit si el bit a grabar es un 1. 2 - Se graba un pulso de reloj al comienzo de la celda de bit si en la anterior celda no se grab pulso de dato o de reloj y el bit a grabar en la celda es un 0. Esto hace que, en secuencias de ceros, solamente se graben pulsos en una celda si y otra no, es decir, la mitad que con el cdigo anterior. Tambin pertenece, por lo tanto a los cdigos de doble densidad. 5.3.3 - Cdigos de codificacin En algunas ocasiones, para obtener beneficios adicionales, se aplica una codificacin a la informacin antes de grabarla. Dichos beneficios pueden consistir en convertir un cdigo sin auto-reloj en cdigo con auto-reloj (GCR) o en aumentar la densidad de grabacin de la informacin en la superficie del medio magntico (RLL). Grabacin por Codificacin de Grupos (GCR - Group Coding Recording): Se trata de un sistema hbrido para eliminar la seal de sincronismo partiendo de un cdigo sin auto-reloj. Consiste en sustituir cada grupo de cuatro bits de informacin por cinco bits de datos codificados, de forma que en los grupos de cinco bits nunca hay ms de dos ceros consecutivos, objetivo que se consigue utilizando la codificacin expresada en la Tabla 5.1. Aunque este mtodo puede ser combinado con cualquiera de los pertenecientes al grupo anterior, el mejor resultado se obtiene con NRZI. As pues, se dividir la informacin a grabar en grupos de cuatro bits y se les aplicar la Tabla 5.1 para obtener grupos de cinco bits, que sern codificados en NRZI y grabados. Constituye un cdigo de doble densidad y permite prescindir de la seal de reloj. De todas formas, no constituye en s mismo un cdigo de grabacin, sino ms bien de codificacin, ya que necesita ser combinado con un cdigo de grabacin propiamente dicho.


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INFO 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111

GRABADO 11001 11011 10010 10011 11101 10101 10110 10111

INFO 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

GRABADO 11010 01001 01010 01011 11110 01101 01110 01111

Tabla 5.1 - Equivalencia de los grupos de cuatro bits en GCR

RLL: Este mtodo consiste en la sustitucin de grupos de datos de la informacin a grabar por cadenas que contengan gran nmero de ceros, de forma que nunca haya dos unos seguidos. De esta forma se consigue que los pulsos grabados en la superficie magntica puedan estar ms cerca unos de otros, aumentando por tanto la densidad de grabacin de la informacin. Tambin necesita asociarse con alguno de los mtodos vistos anteriormente, ya que se trata de un sistema de codificacin y no de grabacin. En la Tabla 5.2 se muestra un ejemplo de cdigo RLL 2,7 (cuyo nombre se debe a que la secuencia de ceros ms corta que puede encontrarse en la informacin codificada consta de dos ceros y la ms larga de siete). Tambin existen cdigos RLL 3,9.

Datos 000 0010 0011 010 011 10 11

Registrado 100100 00001000 00100100 001000 000100 1000 0100

Tabla 5.2 - Ejemplo de cdigo de grabacin RLL 2,7


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5.4 - Precompensacin de escritura Como consecuencia de la grabacin de pulsos muy prximos entre s en la superficie magntica, cuando se procede a la lectura de los mismos, se produce una interaccin o solapamiento cuyo resultado es la modificacin de la intensidad y posicin. Este fenmeno, denominado desplazamiento de bit puede tener como consecuencia que el sistema de lectura pierda el sincronismo y que los datos recuperados sean incorrectos. En la Figura 5.5 puede apreciarse que las corrientes elctricas inducidas por dos transiciones (cambios en la orientacin de las partculas magnticas) muy prximas se suman, resultando una atenuacin del valor absoluto de los mximos y un alejamiento entre ellos. Para compensar este efecto subjetivo (ya que los datos estn grabados en sus emplazamientos correctos) se suele emplear la denominada precompensacin de escritura consistente en grabar los pulsos desplazados de sus posiciones originales, de forma que al leer parezca que se encuentran donde deberan estar si la interaccin no se hubiese producido.

Figura 5.5 - Interaccin entre transiciones magnticas prximas

Las modificaciones a realizar sobre las corrientes de grabacin para llevar a cabo la precompensacin dependen del tipo de cdigo empleado.


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5.5 - Organizacin de la informacin. Formatos La forma geomtrica de la superficie del soporte magntico determina el tipo de dispositivo de almacenamiento. As pues, se pueden encontrar cintas y discos magnticos, habiendo dejado de utilizarse los tambores, debido a su baja relacin superficie/volumen claramente superada por los discos. Las cintas magnticas han dejado de emplearse como dispositivos de almacenamiento en lnea por su lentitud y se utilizan en la actualidad para realizar copias de seguridad, dada su enorme capacidad en un reducido espacio. De esta forma, los dispositivos magnticos ms extendidos actualmente son los discos. La superficie de un disco magntico debe ser organizada adecuadamente para permitir grabar en ella informacin de forma que posteriormente pueda ser localizada y recuperada con facilidad. Geomtricamente, la superficie de un disco se divide en una serie de pistas concntricas, cada una de las cuales consta de un nmero determinado de segmentos denominados sectores. En cada uno de los sectores del disco se pueden encontrar tres tipos de informacin: 1 - Los datos propiamente dichos, que constituyen la informacin grabada en el disco. 2 - Identificacin de la pista y el sector 3 - Sincronizacin de los circuitos de lectura/escritura A la forma de organizar esta informacin dentro de cada pista y sector se le denomina formato de pista. El objetivo del formato es conseguir localizar y recuperar cualquier informacin grabada con anterioridad sobre el disco. Dado que entre la informacin grabada en cada pista se encuentra su propio nmero, el posicionamiento de la cabeza de lectura/escritura sobre la pista deseada se realiza mediante un procedimiento de ensayo y error por aproximacin hasta que el nmero de pista ledo coincide con el buscado. Una vez sobre la pista deseada, se lee el contenido de sta en busca del o los sectores deseados. 5.5.1 - Formato IBM 3740 A continuacin se expone la estructura correspondiente al formato IBM 3740, correspondiente a cdigos de grabacin FM de simple densidad, mostrada en la Tabla 5.3. El inicio de pista viene determinado por un orificio en el propio disco magntico, que genera un pulso al pasar frente a un detector fotoelctrico. Existen unos campos denominados GAP usados para separar los campos de informacin y que compensan las tolerancias mecnicas y elctricas en la posicin de la cabeza, as como las pequeas variaciones del disco. De esta forma se permite que los discos puedan ser ledos por transportes diferentes de los que los escribieron. Adicionalmente, permiten la actualizacin de uno solo de los campos de informacin sin necesidad de afectar a los colindantes.


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IBM 3740 128 octetos por sector

GAP5

SYN

MI

GAP1

SYN

MID

GAP2 SYN

MD

GAP3

GAP4

131 27 oct a 247 oct oct FF a FF 259 42 oct a 170 oct oct FF a FF 515 58 oct a 311 oct oct FF a FF

256 40 oct a 6 oct 1 oct 26 oct a 6 oct 7 oct 11 oct 6 oct octetos por FF a 00 a FC FF a 00 a FF a 00 sector 512 y reloj octetos por a D7 sector Tabla 5.3 - Formato de grabacin IBM 3740

SE REPITE PARA CADA SECTOR

Inmediatamente antes de la informacin de cada campo existe un campo denominado SYNC cuya finalidad es la sincronizacin del circuito separador de datos. Este circuito debe generar un seal, como se muestra en la Figura 5.6, sincronizada con las celdas de bit de forma que se active en el centro de la celda y se desactive en las lindes de la misma. De esta forma, sumando esta seal con la procedente de la cabeza de lectura, se eliminarn los pulsos de reloj (situados entre celdas de bit) y se recuperarn los pulsos de datos (situados en el centro de las celdas de bit).

Figura 5.6 - Generacin de la ventana de lectura en FM

Existen cuatro marcas de datos obtenidas de forma que es imposible que ningn dato escrito en el disco tenga ese aspecto. Para ello se eliminan algunos pulsos de la seal de reloj que, como se expuso anteriormente, en el cdigo FM debera encontrarse en todas las celdas de bit. De esta forma estas marcas son fcilmente reconocibles. Se designarn por sus iniciales, seguidas de un signo igual y el patrn de bits correspondiente a pulsos de datos en hexadecimal,


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un signo de suma y el patrn de bits correspondiente a pulsos de reloj en hexadecimal. De esta forma, la marca de datos quedara como: MD = C7 + FB Esto significa que en las ocho celdas de bit de la marca de datos, el patrn de pulsos de datos ser 1100 0111 (C7) y el de pulsos de reloj 1111 1011 (FB), es decir, se ha suprimido el pulso de reloj de la tercera celda de bit empezando por la derecha. Al principio de cada pista, despus del GAP, existe la marca de ndice (MI = D7 + FC). A continuacin hay un nuevo GAP y despus comienza el primer sector. La estructura de sector se repite tantas veces como sectores posee la pista (26, 15 u 8 segn el tipo de disquette). Al principio del sector hay un campo de sincronismo (SYNC) y despus la identificacin del sector, que consta de 7 octetos (bytes), con el siguiente contenido: 1 - Marca del identificador (MID = C7 + FE) 2 - Nmero de pista 3 - Nmero de cara (para discos de dos caras) 4 - Nmero de sector 5 - Nmero t tal que permite calcular el nmero de bytes del sector como 128 x 2t 6 y 7 - CRC de los anteriores El CRC consiste en el resultado de dividir los 5 octetos anteriores por el polinomio x16+x12+x5+1 despus de poner todos los bits del registro CRC a uno. A continuacin hay otro campo GAP y otro campo SYNC que preceden al campo de datos, formado por un byte con la marca de datos (MD = C7 + FB), 128 bytes de datos y 2 bytes con el CRC de los 129 anteriores. Tras los datos hay un GAP que conecta con el campo SYNC del siguiente sector o con el GAP de final de pista si se trata del ltimo sector. 5.5.2 - Formato IBM 34 Cuando se utiliza como cdigo de grabacin el MFM de doble densidad, el formato correspondiente pasa a ser el IBM 34, prcticamente idntico que el anterior pero con algunos campos adicionales, como muestra la Tabla 5.4. 5.5.3 - Consideraciones complementarias Aunque los formatos expuestos poseen un nmero fijo de sectores por pista, es posible encontrar formatos que no cumplan esta condicin. Esto se debe a que, como las pistas son concntricas, las situadas en el exterior de la superficie del disco poseen mayor longitud que las interiores y, por tanto, son susceptibles de albergar un mayor nmero de sectores. La adopcin de esta medida implica, sin embargo, la variacin de la velocidad de rotacin del disco dependiendo de la pista a la que se accede para adecuar la velocidad de trnsito de los datos bajo el cabezal de lectura/escritura en cada caso. Esto implica unidades de disco ms complejas. Este sistema es empleado en las unidades de disco flexible de los ordenadores tipo Macintosh.


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Perifricos de Computador IBM 34 256 octetos por sector GAP5 SYN SYN pista MI GAP1 SYN SYN ident MID GAP2 SYN SYN MD GAP3 GAP4 sector 259 54 oct 598 oct a 4E oct a 4E 515 84 oct 400 oct a 4E oct a 4E 1027 116 654 oct oct a oct a 4E 4E

512 80 oct 12 3 oct 1 oct 50 oct 12 oct 3 oct 7 oct 22 oct 12 oct 3 oct a octetos a 4E oct a a C2 a FC a 4E a 00 a A1 a 4E a 00 A1 por sector 00 1024 octetos por sector Tabla 5.4 - Formato de grabacin IBM 34

SE REPITE PARA CADA SECTOR

En los formatos vistos, cada sector posee un nmero de orden que lo identifica dentro de la pista en cuestin. La colocacin de los sectores de forma correlativa a lo largo de la pista puede dar lugar a que el procesado de la informacin del sector ledo impida llegar a tiempo de leer la informacin del sector contiguo. En estos casos, se realiza el denominado intercalado de sectores, ms conocido como interleave, consistente en que los sectores lgicamente consecutivos se encuentran fsicamente separados por sectores que se han intercalado entre ellos. Al nmero de sectores intercalados entre dos sectores fsicos se le denomina interleave. Existen programas que estiman cul es el nmero de interleave ideal en funcin de la velocidad de rotacin del disco y la velocidad de transferencia de la circuitera de control. 5.6 - Transportes de discos Una vez vistos los principios fsicos de la grabacin magntica e introducidos los formatos de grabacin, se pasar a estudiar la constitucin fsica de las unidades de grabacin y recuperacin de la informacin en discos magnticos. En una unidad de disco magntico se denomina transporte al conjunto de dispositivos electromecnicos que sujetan y hacen girar el disco, los cabezales de lectura/escritura, etc. En definitiva, dada una unidad de disco, el transporte estar constituido por todos los dispositivos encargados de gestionar el movimiento del disco y la conversin de seales elctricas. Toda unidad de disco debe poseer un motor de arrastre que mantenga una velocidad de giro constante, libre de variaciones. La importancia de este punto es evidente a la vista de los mtodos empleados para sincronizar las seales de lectura y escritura. Si la velocidad de giro del disco no es perfectamente uniforme, pueden ocurrir errores de lectura y escritura. 5.6.1 - Parmetros caractersticos Existen una serie de propiedades de los transportes de disco que determinan su efectividad y su nivel de prestaciones. Se destacan los siguientes: 1 - Tiempo de posicionamiento: Cuando se desea acceder a una informacin, es necesario posicionar el cabezal de lectura/escritura sobre la pista en que se encuentra dicha informacin. Para ello, dependiendo del sistema empleado se proceder a la realizacin de una serie de acciones que culminarn en el instante en que se haya localizado la pista en cuestin. El tiempo


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transcurrido desde el inicio del movimiento del cabezal hasta este instante es el tiempo de posicionamiento. Este tiempo tambin suele denominarse tiempo de bsqueda. Si se trata del paso de una pista a la contigua se denomina tiempo de bsqueda mnimo. 2 - Tiempo de estabilizacin: El cabezal se mueve obedeciendo a impulsos elctricos. Debido a sus propiedades fsicas (frecuencia propia de oscilacin, etc.) ser necesario que transcurra un tiempo desde que se le enva el ltimo impulso hasta que se le puede considerar inmvil sobre la superficie del disco y se puede proceder, por tanto, a leer o escribir informacin. Este tiempo est incluido en el anterior y la espera la introduce automticamente la circuitera de control. 3 - Tiempo de latencia: Una vez posicionado el cabezal, es necesario esperar a que el sector que contiene la informacin deseada o sobre el cual se desea escribir pase bajo l. Este tiempo es inversamente proporcional a la velocidad de giro del soporte. Estadsticamente puede suponerse igual al tiempo que tarda el disco en dar media vuelta (180). 4 - Tiempo medio de acceso: Suma de los anteriores. Es el tiempo medio necesario para localizar la informacin buscada. Como ninguno de los tiempos anteriores (excepto el de estabilizacin) es fijo, los tiempos reales dependern de la pista en que se encuentra la cabeza, de la pista a la que se desplaza y del sector al que se desee acceder. 5 - Velocidad de transferencia: Una vez localizada la informacin, hay que proceder a la transferencia. La velocidad con que una unidad de disco es capaz de proporcionar o absorber informacin depende de su velocidad de rotacin, del formato de grabacin utilizado, del nmero de sectores por pista, del nmero de bytes por sector, del interleave actual, etc. Se suele distinguir entre velocidad de transferencia mxima y sostenida. La primera se calcula directamente a partir del tiempo que tarda en transferirse un sector y del tamao de ste. La segunda incluye las acciones de posicionamiento y suele ser mucho menor. Se suelen dar en Kbytes por segundo o en Mbytes por segundo. 6 - Densidad de zona: Es una medida de la densidad mxima de almacenamiento. Se mide en bits por unidad de superficie (mm2, pulgada cuadrada) y es el resultado de multiplicar el nmero de pistas por milmetro o pulgada por el nmero de bits por milmetro o pulgada. Hay que tener en cuenta que este parmetro no es uniforme para toda la superficie del disco, ya que, si bien el nmero de pistas por milmetro puede ser constante, el nmero de bits por milmetro dentro de una misma pista depende de si sta se encuentra en la zona interna o externa del disco. Para una unidad, la densidad global que se considera es la mayor densidad de zona que posea. 7 - Capacidad: Es la cantidad de bits que puede almacenar la unidad de disco. Hay que tener en cuenta que esta cantidad hace referencia al nmero de bits de informacin, es decir, se descuentan todos los bits del formato que no constituyen informacin del usuario (identificadores de pista y sector, sincronismos, gaps, cdigos de deteccin de errores, etc.). Las diferentes necesidades de almacenamiento han dado lugar a dos tipos diferentes de unidades de disco magntico, atendiendo a su capacidad: las unidades de disco fijo, rgido o duro (fixed disk, hard disk) y las de disco removible o flexible (floppy disk). Las primeras cuentan con gran capacidad de almacenamiento, pequeos tiempos de acceso y gran velocidad de transferencia. Las segundas con la posibilidad de cambiar el soporte de forma fcil y rpida. 5.6.2 - Transportes de disco rgido


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En una unidad de disco rgido, el soporte est constituido por un plato de material rgido, habitualmente aluminio, revestido por ambas caras de una emulsin ferromagntica, denominada sustrato y se encuentra dentro de un recinto sellado. Sobre cada una de sus caras se desplaza radialmente una cabeza de lectura/escritura. El hecho de que todo el dispositivo se encuentre aislado del exterior permite grandes densidades de grabacin (del orden de 1000 pistas por centmetro radial) y, por lo tanto, gran capacidad de almacenamiento y gran velocidad de acceso a la informacin. Habitualmente, el disco duro no deja nunca de girar, aunque no se realicen accesos de lectura o escritura, ya que, desde que inicia su giro hasta que se estabiliza su velocidad transcurre un tiempo prohibitivo para el acceso en lnea. De esta forma, su motor de arrastre deber tener una gran calidad para aguantar girando sin estropearse toda la vida til de la unidad. Para un mejor aprovechamiento del espacio y de los elementos electromecnicos, es frecuente encontrar que las unidades de disco duro constan de varios discos montados unos sobre otros que giran solidariamente, conformando una estructura como la mostrada en la Figura 5.7. En estos casos, el trmino pista hace referencia a una sola de las pistas de una de las caras, resultando ser un cilindro la suma de las pistas que ocupan la misma posicin en todas las caras. Asimismo, al conjunto de todas las cabezas de lectura/escritura, junto con sus soportes se le denomina peine de cabezas de lectura/escritura. 5.6.2.1 - El sistema de posicionamiento Un elemento importante del transporte de un disco duro es el sistema de que permite llevar las cabezas de lectura/escritura sobre la pista deseada, que recibe el nombre de sistema de posicionamiento. Su diagrama universal de bloques lgicos aparece en la Figura 5.7, si bien el mtodo mecnico empleado para mover las cabezas puede variar considerablemente de unas unidades a otras. Es posible distinguir entre tres sistemas de impulsin del peine de cabezas:

Figura 5.7 - Unidad de disco de platinas mltiples y sistema de posicionamiento

1 - Hidrulico: En las primeras unidades de disco duro se empleaba un mbolo para mover las cabezas de lectura/escritura. Una bomba mantena constante la presin en un depsito de lquido (habitualmente aceite) y abriendo y cerrando electrovlvulas se inyectaba lquido en un lado u otro del mbolo, haciendo avanzar o retroceder, respectivamente, el peine de cabezas. Este sistema presenta como mayor inconveniente la necesidad de incorporar un sistema hidrulico en la unidad.


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2 - Bobina de audio: Aprovecha el efecto que tiene el paso de corriente a travs de una bobina arrollada alrededor de un imn permanente. Este efecto es el aprovechado en la construccin de altavoces y hace que la membrana del mismo se aleje ms del punto de reposo cuanto mayor sea la corriente que atraviesa la bobina. Este sistema requiere un control preciso de la corriente generada que, por otro lado, puede llegar a alcanzar valores importantes, lo que supone un consumo elctrico elevado. Una variante de este mtodo la constituye la disposicin circular del montaje, con lo cual el movimiento del peine de cabezas no es lineal, sino que describe un arco de circunferencia. 3 - Motor paso a paso: Los sistemas actuales emplean motores paso a paso, que avanzan pequeos incrementos de arco de magnitud prefijada con cada impulso elctrico. Adems, poseen engranajes que desmultiplican el giro del motor consiguiendo gran precisin en el desplazamiento. El acoplamiento con las cabezas puede ser mediante un tornillo sin fin, mediante un fleje flexible o mediante un engranaje reductor como se ha mencionado anteriormente. Es prcticamente el nico empleado en la actualidad El otro elemento que completa el sistema de posicionamiento es el mecanismo de control por realimentacin, como puede apreciarse en la Figura 5.7. Existen dos formas genricas de realizar esta realimentacin: mecnicamente y lgicamente. La primera consiste en emplear dispositivos electromecnicos que generen informacin acerca de la posicin actual de las cabezas, mientras que la segunda consiste en escribir en el propio disco informacin sobre la pista actual para que el sistema de posicionamiento pueda utilizarla con este fin. 5.6.2.2 - Cabezas de lectura/escritura La cabeza es una de las partes crticas de una unidad de disco. De ella depende la fiabilidad y el nivel de prestaciones de la unidad de disco. Una cabeza de lectura/escritura consiste habitualmente en un electroimn diminuto, con un entrehierro que constituye la zona activa y una bobina que genera los campos magnticos en el entrehierro al pasar corriente elctrica a su travs (durante la escritura) o donde se inducen corrientes elctricas (durante la lectura). Adems, como puede apreciarse en la Figura 5.8, la cabeza de lectura/escritura posee un par de pequeas bobinas laterales que generan sendos campos magnticos de borrado, a fin de separar pistas contiguas. La separacin entre pistas se denomina tnel de borrado. En una unidad de disco duro, las cabezas sobrevuelan literalmente sin llegar a tocarla, la superficie del disco. Esto es as por diversos motivos:


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Figura 5.8 - Constitucin de una cabeza de lectura / escritura

1 - En primer lugar, si se desea una gran velocidad de transferencia, es necesario que la superficie magntica discurra a gran velocidad bajo la cabeza. Eso implica que, si hubiese contacto fsico, el rozamiento ocasionara grandes desgastes y la vida til de la unidad sera muy reducida. Es imprescindible, pues, que la cabeza no toque la superficie del disco. 2 - Si se desea poseer gran capacidad de almacenamiento, la informacin debe estar grabada con gran densidad, es decir, cada pista deber estar muy prxima a sus vecinas. Cuanto mayor sea la altura de vuelo de la cabeza, mayor ser la zona de influencia del campo magntico generado por sta y mayor ser la anchura de la pista grabada en al superficie del disco. Es necesario, pues que la cabeza se encuentre en todo momento muy prxima a dicha superficie. 3 - Cuanto mayor es la altura de vuelo de la cabeza, menor es la influencia del campo magntico generado por sta sobre la superficie del disco, con lo cual, mayor debe ser la corriente que se utilice para generarlo o menor la velocidad de rotacin del disco para conseguir la adecuada magnetizacin del medio.


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4 - Conseguir un vuelo realmente prximo a la superficie del disco por mtodos mecnicos es imposible, dadas las tolerancias inherentes a los sistemas mecnicos. Lo que se hace es utilizar las propiedades de sustentacin aerodimmica para construir cabezas que generen sus propios colchones de aire y efecto suelo que las mantengan a la distancia apropiada. Los motivos arriba expuestos hacen que la cabeza mostrada en la Figura 5.8 tenga un aspecto fsico diferente, es decir, aerodinmicamente adecuada para generar la sustentacin necesaria. Asimismo, la cabeza debe estar sujeta al brazo de posicionamiento mediante un resorte que la empuja ligeramente hacia la superficie del disco y una junta estilo cardan que facilita la orientacin de la cabeza paralelamente a la superficie, como se muestra en la Figura 5.9.

Figura 5.9 - Sujecin de la cabeza al brazo de posicionamiento

En la Figura 5.10 se pueden apreciar los tamaos comparados de la altura de vuelo de la cabeza de un disco duro, un cabello humano, una mota de polvo, una huella dactilar y una partcula de humo. Las pequeas distancias utilizadas implican que los discos duros son dispositivos muy sensibles a golpes y vibraciones, que pueden hacer que la cabeza entre en contacto con la superficie del disco, en lo que se conoce muy apropiadamente como un aterrizaje. Como el tamao fsico de la cabeza es muy superior al tamao lgico, los desastres ocasionados por estos aterrizajes son considerables a nivel de prdida de datos.

Figura 5.10 - Distancia tpica de vuelo de una cabeza de disco duro


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Como datos de referencia, se muestran a continuacin, en la Tabla 5.5, los valores de las anchuras de pista y alturas de vuelo de algunas cabezas de disco duro de IBM en 1982.

Modelo 2314 3330 - 1 3330 - 11 3350

Altura de Vuelo 2 micras 1 micra 0,8 micras 0,5 micras

Anchura de pista (mm) Pistas / mm 0,25 4 0,13 8 0,06 17 0,05 20

Tabla 5.5 - Distancia de vuelo y anchura de pista de algunas cabezas de disco duro

5.6.3 - Transportes de disco flexible A diferencia de las unidades de disco duro, el objetivo de una unidad de disco flexible no es la capacidad de almacenamiento notable, ni el tiempo de acceso reducido, ni la alta velocidad de transferencia de datos, sino la posibilidad de cambiar el disco. Esto hace que la velocidad de rotacin sea mucho ms reducida (del orden de 300 vueltas por minuto, en lugar de las casi 8000 de algunos discos duros). Esta reduccin de la velocidad, junto con la adopcin de un soporte flexible, de donde toman su nombre estos transportes, permite que las cabezas no tengan que sobrevolar las superficie del disco, sino que puedan entrar en contacto directo con ella. Los sistemas de posicionamiento son prcticamente idnticos a los de las unidades de disco duro, con la diferencia de que su precisin es mucho menor (la densidad de pistas de un disquette de 1.44 Mb es de 135 pistas por pulgada, mientras que en un disco duro pueden ser fcilmente 4000). Dos estructuras tpicas del sistema de posicionamiento de una unidad de disco flexible emplean un husillo de rosca sin fin y un fleje flexible respectivamente. Normalmente, las cabezas de las unidades de disco flexible forman una pinza que aprisiona al disco cuando ste se introduce en la unidad en disposicin de ser ledo. Para reducir al mximo el rozamiento se emplean materiales cermicos en la construccin del soporte de las cabezas, ya que sus superficies altamente pulimentadas deslizan con facilidad. Adicionalmente, el transporte de una unidad de disco flexible consta de una serie de detectores que permiten determinar la existencia de disco (puerta de la unidad abierta), la posibilidad de escribir sobre l (ausencia de proteccin explcita contra escritura), el formato o tamao lgico del disco, el posicionamiento del cabezal en la pista cero. El pulso de inicio de pista tambin suele ser generado por un detector al pasar frente a l un orificio practicado en el propio disco (unidades de 5 ) o mediante un pequeo imn solidario con el eje del motor de arrastre que pasa frente a un detector (unidades de 3 ). 5.7 - Controladores e interfaces Para que el ordenador pueda acceder a la informacin contenida en la superficie del disco, es necesario disponer de dos elementos adicionales: el controlador y el interfaz. Para un determinado transporte se determina un grupo de seales mediante las cuales es posible hacer funcionar la unidad de disco. Este grupo de seales, su disposicin y sus significados constituyen la especificacin del interfaz de ese transporte o unidad de disco.


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Mediante el interfaz se conecta el transporte con el controlador, constituido por toda la circuitera necesaria para convertir las peticiones de acceso a la unidad por parte de la CPU del computador en las activaciones oportunas de las seales del interfaz para que dichas peticiones se realicen sobre la unidad de disco. As pues, el controlador de disco dirige el posicionamiento de las cabezas de lectura/escritura, controla el motor de arrastre del disco, genera las corrientes de escritura, recibe las corrientes de lectura, realiza las conversiones de datos a corrientes de acuerdo con el formato de grabacin utilizado por la unidad, genera los desplazamientos de pulsos correspondientes a la precompensacin de escritura, detecta y corrige errores, gestiona la identificacin de sectores y pistas defectuosos y los marca como intiles, y realiza la comunicacin efectiva con el bus del computador. 5.7.1 - Interfaz de disco flexible y controlador 8272 A continuacin se estudiar el interfaz SFDDI (Shugarts Floppy Disk Drive Interface). Para completar el sistema de acceso a la unidad de disco, sta se combina con controladores como el 8272 de Intel. El interfaz SFDDI se utiliza comnmente para el acceso a las unidades de disco flexible de 3 (DD - 720 Kb y HD - 1.44 Mb) habituales en los ordenadores personales actuales. El interfaz SFDDI consta de 34 conductores: 17 de seal y 17 de masa, intercalados entre s para reducir la posibilidad de interferencias, con formato de cable plano. Las posiciones y significados de las seales del interfaz se muestran en la Tabla 5.6.PIN SEAL 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 PIN RETORNO 23 21 7 25 1 3 5 9 11 13 15 17 27 29 31 19 33 DENOMINACION NOT USED (DD) MODE SELECT (HD) IN USE DRIVE SELECT 4 INDEX DRIVE SELECT 1 DRIVE SELECT 2 DRIVE SELECT 3 MOTOR ON DIRECTION SELECT STEP WRITE DATA WRITE GATE TRACK 00 WRITE PROTECT READ DATA SIDE 1 SELECT READY / DRIVE STATUS E/S E E E S E E E E E E E E S S S E S

Tabla 5.6 - Especificaciones del interfaz SFDDI


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Las funciones de estas seales son las siguientes: IN USE: Valida cualquier otra seal. Mientras vale 0 ninguna unidad se activa. DRIVE SELECT 1..4: Sirven para determinar a cul de las cuatro unidades que pueden conectarse al interfaz estn destinadas las instrucciones. MOTOR ON: Hace que la unidad active el motor de arrastre. READY/DRIVE STATUS: Seal generada por la unidad que indica que contiene un disquete y no se detecta ningn problema. INDEX: Cada vez que el disquete d una vuelta, la unidad emitir un pulso a travs de esta seal. STEP: Cada vez que el controlador genera un pulso en esta lnea, el cabezal de lectura/escritura avanza un paso. DIRECTION SELECT: Especifica la direccin en que se mover la cabeza de lectura/escritura (hacia el interior o hacia el exterior del disco) TRACK00: Indica si el cabezal est posicionado sobre la pista cero. SIDE 1 SELECT: Permite determinar en cul de las dos caras del disquette tendrn lugar las operaciones especificadas. READ DATA: Datos ledos en la superficie del disco. WRITE PROTECT: Indica si el disquette est protegido contra escritura. WRITE GATE: Activa la posibilidad de escribir en el disco. WRITE DATA: Corrientes de escritura de los datos a grabar. Aunque en un principio el diseo del interfaz est pensado para poder conectar hasta cuatro unidades a un mismo controlador (mediante las seales DRIVE SELECT) y poder seleccionar cualquiera de ellas para cada operacin, en los sistemas IBM PC compatibles se ha hecho un uso diferente de las seales de seleccin. En estos sistemas las unidades de disco flexible se conectan a la interfaz SFDDI mediante un cable con tres conectores que posee una inversin de las lneas 10 a 16, ambas inclusive (correspondientes a las seales DRIVE SELECT 1..3 y MOTOR ON) entre los dos ltimos (el que ocupa el centro del cable y el ms alejado del controlador). La unidad ms alejada del controlador ser la A: (activada mediante DRIVE SELECT 1 Y DRIVE SELECT 3) y la ms prxima a ste la B: (activada mediante MOTOR ON Y DRIVE SELECT 2). Este tipo de conexin tiene como consecuencia que se pueden conectar solamente dos unidades, pero stas quedan identificadas de forma inmediata por el punto en que se las conecta. Es importante sealar, aunque se desprende de la observacin de la Tabla 5.6, que la interfaz SFDDI proporciona una comunicacin tipo serie entre el controlador y el transporte de disco flexible, ya que la informacin de lectura viaja a travs de la lnea READ DATA y la de escritura a travs de WRITE DATA. El dispositivo que habitualmente se encuentra conectado a un interfaz SFDDI es el integrado de Intel 8272A, que constituye un controlador de unidades de disco flexible con las siguientes caractersticas: - Compatible con formatos tanto de simple (FM) como de doble densidad (MFM) - Tamao de sector seleccionable: 128, 256, 512 1024 bytes - Capaz de transferencias multisector y multipista - Capaz de manejar hasta 4 unidades de disco (SFDDI) - Compatible con unidades de 8, 5 y 3


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- Transferencias de datos en modos DMA y NO-DMA - Operaciones de bsqueda en paralelo en las 4 unidades manejables - Compatible con procesadores Intel y la inmensa mayora del resto - Entrada de reloj de una fase El 8272A trabaja bajo demanda, de forma que la CPU debe escribir en su registro de control los comandos correspondientes a las acciones que desea que realice y ste acciona la o las unidades de disco flexible involucradas en las citadas acciones procediendo a las transferencias solicitadas. Un diagrama de bloques internos del 8272A puede verse en la Figura 5.11, donde se aprecia que ste consta de una parte dedicada a la comunicacin con la CPU y otra a la comunicacin con las unidades de disco, comunicadas entre s por un bus interno.

Figura 5.11 - Estructura interna controlador de disco flexible 8272A

5.7.2 - Interfaces de disco duro Cuando se trata de conectar un disco duro a un computador, se puede elegir entre dos interfaces: SCSI (Small Computers System Interface) e IDE (Integrated Drive Electronics). Tanto uno como otro fueron originados por la iniciativa de varias compaas y se convirtieron en estndares gracias a la aceptacin del mercado y de la industria, si bien sus objetivos originales eran muy dispares.


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Como ya se ha visto en el Captulo 4, SCSI constituye un bus de sistema propiamente dicho, con todas las atribuciones que ello implica. IDE es el fruto de la iniciativa de una serie de fabricantes de discos duros para integrar en la propia unidad toda la circuitera de control, de forma que sta se convierta en un dispositivo lgico y no un mero transporte. Para ello, se definieron una serie de caractersticas fsicas de cableado, conectores y seales elctricas que constituyen la especificacin del interfaz IDE.


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Almacenamiento Magnetico