Disco duroTambién denominado disco rígido, o por sus siglas en inglés, HDD, es un dispositivo de almacenamiento de datos no volátil, que usa un sistema de grabación magnética para almacenar los datos digitales en él. El primero fue inventado por IBM en 1956, y con el tiempo, los nuevos modelos han ido siempre aumentando su capacidad y reduciendo su coste. Desde su origen, por su no-volatilidad de datos, han sido el sistema principal de almacenamiento permanente de datos en sistemas informáticos.

No obstante, para poder ser utilizado, ha de ser el sistema operativo el que “se entienda” con la unidad de disco duro. El controlador de disco es el vínculo entre el sistema informático y el disco duro, utilizando interfaces estandarizados (hoy día el más utilizado es el Serial ATA y los FC en servidores)

También existen discos duros portátiles, que no requieren alimentación eléctrica en su funcionamiento. La conexión al ordenador es a través de USB, y una de sus funciones principales es la de copia de seguridad masiva de archivos. Incluso existen los HDD multimedia, capaces de reproducir contenidos multimedia en dispositivos además del ordenador, como HDMI en la televisión. No obstante el común de los discos duros van integrados en la placa base, con conectores específicos.

Disco duro tal y como se observa por el usuario

Componentes internos del disco duro, se aprecia a simple vista los platos y el cabezal.

Formato de discoEs un conjunto de operaciones informáticas, independientes entre sí, que permiten restablecer un disco duro, partición del mismo, o en definitiva, cualquier dispositivo de almacenamiento no-volátil de datos a su estado original para poder ser reutilizado con nueva información. El formateo borra los datos contenidos en el disco, pero no es un proceso del todo irreversible.

Podría decirse que el formateo es la operación que “prepara” el disco duro para su correcta utilización; determinando el formato, cómo se organizará la información guardada dentro del mismo. Divide el disco en espacios de un tamaño utilizable indicando las coordenadas físicas de esos espacios (sectores; 512bytes), y varios sectores forman un clúster, unidad mínima de utilización de espacio.

El objetivo del formato de disco es reescribir la tabla de particiones, que es donde se guarda la información sobre los clúster que la forman. A su vez detecta clúster dañados y los marca como no utilizables, y determina el tamaño de los mismos.

Sistema de archivoConsiste en un conjunto de estructuras necesarias para guardar y administrar información, que incluyen un registro de arranque del Sistema Operativo, directorios y archivos, conocido como Boot. El software del sistema de archivos se encarga de la organización de los sectores, manteniendo un registro de qué sectores pertenecen a qué archivos y cuales están libres. También interviene para acceder a datos que se han generado sin intervención de dispositivo de almacenamiento, como mediante la conexión de red.

Cada sistema operativo usa su propio sistema de archivos, y algunos de ellos solo pueden reconocer uno sistema de archivos mientras que otros no son tan rígidos en ese sentido. Los sistemas de archivos más usuales son:

FAT o FAT16 (file allocation table 16) FAT32 (file allocation table 32) NTFS (new technology file system) HPFS (high performance file system)

Todos ellos son de uso en SO Windows, siendo FAT16 característica de Windows95, FAT32 de Windows 98, y NTFS y HTFS de Windows XP y versiones más actuales.Linux usa las del tipo ext generalmente, y también puede acceder a particiones fat16 fat32 y en algunos a ntfs.Mac OS usa sistemas de archivos del tipo hfs y hfs+ pero también puede acceder a particiones fat16.

Para saber cómo están organizados los archivos, el sistema de archivos posee tantos elementos como clústeres haya para examinar cada uno de ellos en todo momento.

Disco duro; constitución física.El conjunto del disco duro, visualmente se ve como una caja cerrada herméticamente, no se ve el interior. Sus dos elementos principales no son intercambiables:

Unidad: Los componentes electrónicos y mecánicos que permiten que se pueda almacenar la información y leerla.

El disco es un conjunto de platos dispuestos uno encima de otro, cada uno con su cara superior e inferior en las que se almacena la información, ya que están magnetizadas. La superficie puede ser polarizada en un sentido o en otro, lo que serían los dos posibles valores de los bits (0 y 1)

Constitución física del disco duro

Dentro de lo que conocemos como disco duro realmente hay varios discos de aluminio o cristal, concéntricos (platos) magnetizados mediante material ferromagnético. Suele haber entre 2 y 4 aunque pueden llegar a ser hasta 7 en el mismo dispositivo. Giran a la vez en torno a un eje. El cabezal (dispositivo de lectura y escritura) está formado por brazos paralelos a los platos, y que también se desplazan simultáneamente. En la punta del cabezal está la cabeza de lectura y escritura. La articulación del movimiento del cabezal unido al rápido giro de los discos le permite acceder a cualquier punto de la superficie del disco, también denominada cara (dos por cada disco, por tanto dos cabezas por cada cabezal y disco).

Lo más característico es que las cabezas en ningún momento tocan la superficie del disco, sino que se quedan a unos 3 nanómetros de él debido a la finísima película de aire que se forma cuando los discos giran a gran velocidad. En el caso de que haya contacto, el disco quedaría severamente dañado con la consecuente pérdida de información. No es necesario el contacto porque la grabación y lectura son de naturaleza electromagnética.

Cada disco está dividido en pistas concéntricas (estando la 0 en el borde), y cada pista en sectores (unidad mínima de almacenamiento, cada uno son 512bytes, pero en la práctica la unidad mínima es el clúster, una agrupación de sectores de tamaño variable dependiendo del sistema de archivos utilizado, en cada clúster solo puede haber un archivo). El conjunto de las mismas pistas en los diferentes discos se denomina cilindro por la figura a la que se asemeja el conjunto de ellas. Con esto se consigue que junto con que todos los cabezales estén alineados, que se pueda escribir en las mismas pistas a la vez.

Los componentes secundarios del disco duro, es decir aquellos que no intervienen activamente en la grabación y lectura son el motor que hace girar los platos, el electroimán que mueve el cabezal, la electrónica propia del disco (que incluye la interfaz con la que se relaciona con el ordenador y una memoria caché), gel de sílice para evitar la humedad y la caja, como elemento protector y aislante. La caja protege el disco de golpes, suciedad y el contacto con el exterior en general, e incluso suele tener un filtro de aire de recirculación interna. El motivo es que cualquier impureza, contacto, golpe, corrosión etc puede provocar que el cabezal llegue a tocar la superficie del disco.

Constitución del disco duro según formato lógico

Podemos encontrar: El Master Boot Record, que contiene la tabla de particiones y se encuentra en el sector

de arranque, el cual es el sector cero. Las particiones, necesarias para poder colocar los sistemas archivos.

Por tanto dentro del disco encontramos el Master Boot Record el espacio particionado y el espacio sin particionar.

Tipos de formato que se le asignan a un disco duroFormateo físico/de bajo nivel Es el que define el tamaño de los sectores y su ubicación en los discos. El formateo de bajo nivel suele venir de fábrica, y no se hace a través del SO o sus utilidades, sino con programas específicos de los propios fabricantes del disco. Este formateo no se suele perder, incluso con operaciones fallidas con el disco duro, a no ser que éste sea sometido a campos electromagnéticos, altas temperaturas o que esté dañado. Es un formato muy lento (horas) y tras aplicarse es totalmente imposible recuperar información que previamente hubiera almacenada en el disco.

Formateo lógico/de alto nivel Puede ser realizado habitualmente por el usuario, aunque normalmente los dispositivos de almacenamiento no-volátil de datos suelen venir formateados de fábrica, listos para ser utilizados. Éste formateo implanta un sistema de archivos que asigna sectores a los archivos. Para que en un mismo disco duro pueda haber distintos sistemas de archivos, antes del formateo lógico, ha de ser dividido en particiones, y luego, formatear cada partición por separado.

Cuando se formatea una unidad, se pierden todos sus datos, ya que se cambia la asignación de los archivos a clústeres (sectores conjuntos, pero que el sistema distribuye arbitrariamente), se pierde la asignación previa que permitía acceder a los archivos. No hay que olvidar cada clúster (formado por sectores de 512bytes) pertenece solo a un archivo, y que el archivo puede estar ocupando uno o más clústeres.

El formateo lógico determina el tipo de formato/sistema de archivo que regirá el disco duro, los más usados de Windows son FAT16 FAT32 y NTFS.

El formateo borra toda la información previa, siendo usado también como método contra el malware.

Establece un sistema para grabar en el disco disponiendo qué y donde se ubicara la información

Chequea el disco sobre posibles errores físicos o magnéticos en él; la operación llamada “formateo rápido” realmente no es un formateo ya que solamente borra la información de los clústeres pero no chequea el disco.

Funcionamiento

En la parte inferior del disco duro se encuentra una tarjeta de circuito impreso {circuitos de control) que recibe los comandos de la controladora de la unidad (la clásica tarjeta controladora de discos duros), la cual es controlada a su vez por el sistema operativo. Esta tarjeta traduce esos comandos en fluctuaciones de voltaje que fuerzan el movimiento de las cabezas de lectura/escritura a través de la superficie de los platillos. Por otro lado, la tarjeta de control también asegura que el eje de esos platillos tenga una velocidad constante e informa a la unidad de cuándo debe leer o escribir sobre el disco. En un disco duro IDE, el controlador es parte integral de esta tarjeta.

Placa controladora del disco

Un eje, conectado a un motor eléctrico de impulsión, efectúa, en ocho capas como máximo de platillos magnéticos, miles de giros por minuto (normalmente 3.600 aunque, en discos duros más modernos, puede llegar a 4.500 e incluso 11.000). La composición del revestimiento magnético y la cantidad de platillos determinan la capacidad de la unidad. La unidad se mantiene a este ritmo de rotación hasta que se interrumpe el suministro de corriente, ya que llevaría demasiado tiempo situarla a esa velocidad antes de cada acceso. El dispositivo de control de las revoluciones se ocupa de verificar que el índice de velocidad no varié en más de un 0,5%.

El motor paso a paso coloca y empuja el grupo de brazos o cabezales de lectura/escritura sobre las superficies de los platillos con gran precisión. Alinea las cabezas y las pistas que están formadas por círculos concéntricos en la superficie de los platillos. Los cabezales de lectura/escritura incluidos en los extremos de los brazos en movimiento, avanzan al unísono a través de la superficie de los platillos giratorios del disco duro.

Las cabezas escriben la información procedente del controlador de disco en los platillos, alineando las partículas magnéticas en la superficie de éstos. También se encargan de leer la información y detectan las polaridades de las partículas que ya fueron alineadas. Cuando el usuario o el software pide al sistema operativo que lea o escriba un determinado sector del disco, el sistema operativo ordena a la controladora del disco duro que mueva los cabezales de lectura/escritura sobre la pista que contiene ese sector. Los cabezales sólo tienen que esperar a que ese sector pase exactamente por debajo de ellos, para leer o escribir sobre él.

Escritura y lectura de datos

A diferencia de lo que sucede en las unidades de disquete, la cabeza de lectura y escritura no reposa sobre el soporte de datos, ya que a velocidades de rotación muy elevadas podría provocar agresiones graves en la cabeza y en el platillo. Por lo tanto, flota sobre la superficie del disco. Es el desplazamiento de las capas de aire arrastradas por el movimiento de rotación de la superficie del disco el que provoca, por un fenómeno aerodinámico, el despegue de las cabezas y su colocación a una distancia de 0,5 micras por encima de la superficie. Esto plantea varios problemas.

En primer lugar, durante el funcionamiento debe evitarse que se introduzca alguna partícula en el espacio situado entre el disco y la cabeza de lectura. Si llegara a introducirse alguna, sufrían daños importantes tanto la cabeza como la superficie del disco. Por este motivo, los discos duros están protegidos herméticamente al paso del aire por carcasas que no deben ser abiertas.

Un disco duro, mientras está funcionando, no puede ser movido debido a la cercanía de la cabeza y el disco. No haría falta un gran golpe para que la cabeza dañase la superficie del disco y, por lo tanto, se enviarían continuos mensajes de error de lectura y escritura o bien se encontrarían sectores defectuosos. Por otro lado, cuando el disco no está en funcionamiento, la cabeza de lectura/escritura debe reposar sobre la superficie magnética. Se produce un “despegue” de la cabeza cuando se conecta la corriente y un “aterrizaje” cuando se interrumpe dicha corriente. Durante estas dos fases, la cabeza roza la superficie del disco. Para evitar dañar zonas que contienen datos, se reserva una pista especial para esta acción, conocida como zona de aterrizaje (landing zone).

El número de esta pista es una característica importante que hay que comunicar a la BIOS cuando se instala una unidad de disco duro. Este dato se utiliza para aparcar las cabezas de lectura sobre la pista adecuada antes de desconectar la corriente. La mayor parte de los discos duros modernos realizan un aparcamiento automático. La zona de aterrizaje es, generalmente, la pista situada en el interior del disco, la que tiene el número más elevado.  Las dos operaciones que realiza la cabeza de lectura/escritura son la escritura de datos y la lectura de datos.

Cuando el disco es virgen no presenta particularidades magnéticas. Un impulso de corriente enviado al bobinado de la cabeza produce un campo magnético en el entrehierro del electroimán. Este campo imana la superficie del disco, formándose entonces un dipolo, es decir, una zona que contiene, al igual que los imanes, un polo norte y un polo sur.

Los datos se escriben en la superficie del disco por medio de una corriente enviada al electroimán que porta la cabeza de lectura/escritura. Esta corriente produce un campo magnético que modifica la superficie del disco.

Juntando dos dipolos se forma el elemento de la información que un ordenador puede manipular, el bit, que toma el valor 1 o el valor 0:

- Si el bit representa el valor binario 1, los dos dipolos magnéticos están alineados con direcciones opuestas. – Si por el contrario, adquiere el valor 0, ambos dipolos magnéticos quedan alineados en la misma dirección.

La lectura de datos se basa en el fenómeno inverso:

Una variación del campo magnético en las proximidades de un electroimán provoca la aparición de una corriente eléctrica en el bobinado de éste.

Los datos se escriben en el disco por impulsos de corriente. Su lectura provoca impulsos de la misma naturaleza. El desplazamiento de los dipolos que se encuentran en la superficie del disco con respecto a la cabeza de lectura, produce una inversión del campo magnético la cual provoca la aparición de una corriente inducida en el bobinado. Esta corriente tendrá un sentido u otro según hayamos leído un bit 0 o un bit 1. Conociendo el sentido de la corriente, el ordenador sabe si la cabeza de lectura pasa sobre un 1 o sobre un 0.

Tabla de asignación de archivos

Tabla de asignación de archivos, comúnmente conocido como FAT, es un sistema de archivos desarrollado para MS-DOS, así como el sistema de archivos principal de las ediciones no empresariales de Microsoft Windows hasta Windows Me.

FAT es relativamente sencillo. A causa de ello, es un formato popular para disquetes admitido prácticamente por todos los sistemas operativos existentes para ordenador. Se utiliza como mecanismo de intercambio de datos entre sistemas operativos distintos que coexisten en la misma computadora, lo que se conoce como entorno multiarranque. También se utiliza en tarjetas de memoria y dispositivos similares.

Las implementaciones más extendidas de FAT tienen algunas desventajas. Cuando se borran y se escriben nuevos archivos tiende a dejar fragmentos dispersos de éstos por todo el soporte. Con el tiempo, esto hace que el proceso de lectura o escritura sea cada vez más lento. La denominada desfragmentación es la solución a esto, pero es un proceso largo que debe repetirse regularmente para mantener el sistema de archivos en perfectas condiciones. FAT tampoco fue diseñado para ser redundante ante fallos. Inicialmente solamente soportaba nombres cortos de archivo: ocho caracteres para el nombre más tres para la extensión. También carece de permisos de seguridad: cualquier usuario puede acceder a cualquier archivo.

FAT16

Con FAT16 se eliminó el contador de sectores de 16 bits. El tamaño de la partición estaba limitado por la cuenta de sectores por clúster, que era de 8 bits. Esto obligaba a usar clusters de 32 KiB con los usuales 512 bytes por sector. Así que el límite definitivo de FAT16 se situó en los 2 GiB.

FAT32

FAT32 fue la respuesta para superar el límite de tamaño de FAT16 al mismo tiempo que se mantenía la compatibilidad con MS-DOS en modo real. Microsoft decidió implementar una nueva generación de FAT utilizando direcciones de cluster de 32 bits (aunque sólo 28 de esos bits se utilizaban realmente).

El tamaño máximo de un archivo en FAT32 es 4 GiB (232−1 bytes), lo que resulta engorroso para aplicaciones de captura y edición de video, ya que los archivos generados por éstas superan fácilmente ese límite.

NTFS

El sistema de archivos NTFS se basa en una estructura llamada "tabla maestra de archivos" o MFT, la cual puede contener información detallada en los archivos. Este sistema permite el uso de nombres extensos, aunque, a diferencia del sistema FAT32, distingue entre mayúsculas y minúsculas.

En cuanto al rendimiento, el acceso a los archivos en una partición NTFS es más rápido que en una partición de tipo FAT, ya que usa un árbol binario de alto rendimiento para localizar a los archivos. En teoría, el tamaño límite de una partición es de 16 exabytes (17 mil millones de TB). Sin embargo, el límite físico de un disco es de 2TB.

Es a nivel de la seguridad que el NFTS se destaca, ya que permite que se definan atributos para cada archivo. La versión 5 de este sistema de archivos brinda aún más opciones nuevas, como ser un alto rendimiento y cuotas de disco por volumen definidas para cada usuario. NTFS v.5 también debería admitir la administración remota.

Pistas, sectores, cilindros y clusters

Nuevos discos duros: SSDLos SSD (Solid State Drive)

Si bien los SSD cumplen la misma función que los discos duros tradicionales, su funcionamiento varía totalmente.

El “Estado Sólido”, es un término empleado para referirse a componentes electrónicos construido enteramente de semiconductores. En términos simples? El SSD se deshace del almacenamiento magnético (el “disco” que vimos en los primeros) para darnos un almacenamiento sólido, sin partes movibles.

De hecho, los SSD y nuestra típica memoria USB comparten muchas similitudes, pues los chips de almacenamiento que utilizan son los mismos o muy similares: la diferencia está en la forma del disco (adaptada a los actuales de 2.5” o 3.5” para poder “caber” en, por ejemplo, una laptop), y en la capacidad.

Ahora, si bien estamos en una etapa en la que los SSD resultan todavía demasiado caros en comparación de la “antigua” tecnología, con la rápida caída del costo de producción y la multiplicación en almacenamiento, yo soy de los que cree que no pasará mucho tiempo más, para que los SSD sean cosa común. Tan sólo vean a las netbooks, pues en muchas éstas, se opta por este tipo de almacenamiento, en lugar de los discos duros tradicionales.

Ventajas:• Consumen menos energía: al no tener que estar girando un disco extremadamente rápido, los discos duros, teóricamente, deberían consumir menos energía. Algunas pruebas realizadas por Tom’s Hardware, sin embargo, han demostrado que los primeros modelos aún siguen consumiendo la misma cantidad.

• Pueden llegar a mucha mayor velocidad: tomándonos de esa misma diferencia, los SSD pueden alcanzar una mayor velocidad, al no estar restringidos a cuántas revoluciones por minuto puede dar un disco para leer datos.

• Con el tiempo, pueden llegar a tener mayor capacidad que los discos tradicionales: si bien la mayoría de los SSD tienen un pequeñísimo tamaño (usualmente 32, 64 y 80 GBs), si sucede lo mismo que sucedió con las memorias USB, no me extrañaría ver disco de 200-500GBs a un precio razonable durante el 2009.

• Compatibilidad – Lo único que necesitan para utilizar un SSD, es tener un puerto SATA. Basta con reemplazar el disco duro actual por un SSD, y listo.

Desventajas:

• No hay un standard de velocidad – Encontramos SSDs de todo tipo y tamaño. Existen SSDs de 4Gbs, por ejemplo, que ni nos permiten instalar XP. Además, la velocidad de escritura / lectura varía considerablemente de modelo a modelo. Sólo hace algunos meses atrás, Intel propuso su disco X25, que mejora considerablemente la velocidad de lectura y escritura, incluso comparándolo con el resto de discos duros actuales:

• Tienen un período de vida más limitado: El tipo de memoria utilizada por los SSDs tienen un número finito de escrituras realizables. Pero este punto es debatible, pues el tiempo de vida de un disco duro tradicional varía también considerablemente; he tenido HDDs con periodos de vida tan cortos como 4 meses, antes de que empezara a mostrar sectores dañados; mientras que todavía tengo un disco duro IDE de 80 Gigabytes, que ya tiene sus 5 años.

• Además, al ser de “estado sólido”, un SSD puede sobrevivir fácilmente la caída. Un disco duro tradicional? Probablemente deje de funcionar inmediatamente.

• Altísimos costos: Ese disco de Intel, el x25 que les mencionaba es de 32 GBs. Su precio $750. Por ese precio, podemos conseguir 10 discos de 1 Terabyte (1,000 Gigabytes).

¿Las unidades de asignación o clústeres que se crean cuando se hace el formato lógico, están contiguos?Lo que está contiguo son los sectores, los clúster no pueden estar seguidos porque cada clúster puede almacenar solo 1 archivo a la vez

Imaginemos que tenemos un clúster de 16K y un archivo de 8K, ese clúster quedaría ocupado y se desperdiciarían 8K. Si el archivo es de 18K se ocuparían 2 clúster y se desperdiciarían 14K. Este es un ejemplo de porque no utilizamos particiones grandes en los FAT

Si los clúster estuvieran seguidos habría un límite de almacenamiento, porque si fueran ordenador solo se podría acceder al clúster 2 habiendo llenado la capacidad del 1, pero al estar desordenados, no antiguos esa limitación no existe