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Cómo funcionan los discos rígidos

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Hoy día se puede decir que todas las computadoras; desde laptops pasando por computadoras de escritorio hasta servidores, contienen uno o más discos rígidos según el tipo de aparato. Incluso se pueden encontrar otros dispositivos electrónicos que utilizan discos rígidos, por ejemplo las modernas cámaras de video.

La función que tienen los discos rígidos es muy importante, incluso indispensable; pero también muy simple; la de almacenar información digital permanentemente; en otras palabras, la de guardar datos e información de la computadora sin que éstos desaparezcan luego de apagar la máquina.

A continuación veremos cómo se guardan los archivos en el disco rígido y cómo se realizan los procesos de lectura y escritura de datos.
 

Historia de los discos rígidos

El primer disco rígido fue introducido por IBM en 1956; tenía el tamaño de dos refrigeradores, pesaba aproximadamente 900 kg y tenía una capacidad de almacenamiento de 3,75 MB (aproximadamente el tamaño de una canción en formato MP3).

En 1961 IBM introdujo el disco rígido modelo 1311, el cual tenía el tamaño de un lavarropas, y la particularidad de incluir módulos de discos que podían almacenar 2 MB cada uno y podían intercambiarse o agregarse módulos adicionales.

Con el paso de los años los discos rígidos fueron disminuyendo en dimensiones físicas y aumentando en espacio de almacenamiento disponible.

Hacia principios de los años 1980 era raro encontrar discos rígidos en las computadoras personales PC ya que se trataba aún de un dispositivo muy caro; sin embargo para finales de aquella década los costos se habían reducido convirtiéndose en dispositivos estándar en la mayoría de las computadoras personales, salvo en los casos de los modelos más económicos.

Desde que en 1983 la IBM PC-XT comenzó a incluir un disco rígido de 10 MB (Megabytes) éste se convirtió en un dispositivo estándar de las computadoras personales.

Desde 1956 hasta el año 2011 la capacidad de los discos rígidos aumentó de 3,75 MB a 4 TB (Terabytes), o sea que crecieron más de 1 millón de veces en tamaño de almacenamiento. Por otro lado el volumen de estos dispositivos se redujo en el mismo período desde aproximadamente 2 millones de cm3 a 20 cm3 una reducción de aproximadamente 100.000 veces. De pesar aproximadamente 900 kg hace más de 50 años pasaron a tener un peso de aproximadamente 48 gramos en 2011. En cuanto al costo de los mismos pasaron de tener un valor de 15.000 dólares por megabyte a 0,0001 dólares por megabyte o 100 dólares por terabyte, una reducción en el precio de más de 150 millones de veces.
 

Estructura de los discos rígidos

Los discos rígidos contienen dentro de una caja metálica sellada uno o más discos o platos unidos por un eje que gira a altas revoluciones por minuto (RPM), aproximadamente entre 4.200 RPM en computadoras portátiles en modo de ahorro de energía hasta 15.000 RPM en computadoras de servidores de alto rendimiento.

Estos platos o discos son los que almacenan la información guardada y por lo general son de aluminio o vidrio, los cuales están pulidos al nivel de reflexión de un espejo. Estos discos están cubiertos por una capa de material magnético de aproximadamente 10-20 nm (nanómetros) de espesor; o sea entre una y dos 100 millonésimas de metro o entre una y dos millonésimas de centímetro. A su vez esta capa de material magnético se cubre con otra fina capa de protección de carbón.

Para leer y escribir la información de y en los platos de un disco rígido hay un brazo con cabezales que pueden moverse de un punto al otro del disco en pequeñas fracciones de segundo. Hay un cabezal por cada superficie de disco y a su vez estos cabezales están unidos por un brazo único de movimiento.

Los cabezales nunca tocan el disco, ya que flotan sobre la superficie de los platos giratorios a una pequeña distancia de apenas decenas de nanómetros (millonésimas de centímetro).

Los platos en discos rígidos de computadoras de escritorio giran entre 5.400 y 10.000 RPM según el modelo; en laptops por lo general entre 4.200 y 7.200 RPM siendo 5.400 RPM la velocidad más común.

Disco duro abierto
Disco duro abierto, donde se pueden ver los platos, los brazos de los cabezales y el actuador

 

Proceso de lectura y escritura en discos rígidos

En informática toda la información es representada a través de números binarios compuestos por unos y ceros (1 y 0). El motivo por el cual se utiliza este sistema de numeración para representar absolutamente todo en computación, es porque es muy simple y fácil de representar mediante pulsos eléctricos, de los cuales depende la tecnología electrónica. Así todo lo que vemos en la pantalla, o lo que escribimos; al nivel de la máquina y sus componentes electrónicos se traducen en pulsos eléctricos que representan unos y ceros.

Por ejemplo, para representar la letra "A" en la memoria de la computadora en sistema binario se utiliza el siguiente código 01000001 (65 en decimal). Por lo tanto la computadora lo representa mediante pulsos eléctricos de dos tensiones diferentes, una para representar los unos y otra para los ceros. Cada pulso eléctrico que representa los 1 y 0 se denomina bit; a su vez cada byte (la unidad de medida utilizada para medir el tamaño de los archivos y capacidad de almacenamiento de discos, memoria, etc) está compuesto por 8 bits; o sea 8 pulsos eléctricos de unos y ceros.

Lo mismo ocurre con los discos rígidos, en los cuales los unos y ceros de cada dato de información guardado se representan mediante diminutas partículas magnetizadas.

Las superficies de los platos de un disco rígido están divididos en microscópicas regiones denominadas dominios magnéticos; los cuales están compuestos por pequeños granos o cristales de material magnético de aproximadamente 10 nm (nanómetros) de tamaño. Cada cristal está compuesto por algunos cientos de átomos. Al magnetizarse estas partículas sus átomos apuntan hacia un lado o el otro formando un dipolo magnético el cual genera un campo magnético a su alrededor; según hacia la dirección que éstos apunten tendremos representado un 1 o un 0. Cada cristal o partícula es un dominio magnético.

Al pasar el cabezal de escritura por encima del plato con las partículas magnéticas, las magnetiza haciendo que éstas sean alineadas hacia un lado o el otro; por ejemplo si el dato a guardar es una letra "A" ésta se representa mediante el código binario de ocho dígitos 01000001; por lo tanto el cabezal hará que dos de los dominios magnéticos apunten hacia un lado representando los 1 y seis dominios magnéticos queden alineados hacia la dirección opuesta representando los 0. De esta manera se almacenan los datos que guardamos en el disco rígido.

Cuando compramos un disco rígido nuevo, los átomos de cada cristal o partícula de un plato apuntan aleatoriamente hacia cualquier dirección, haciendo que de esta manera la partícula esté desmagnetizada; al escribirse un dato estos átomos son alineados todos hacia un mismo lado, esto significa que la partícula ha sido magnetizada. Cada partícula es un dominio magnético y ocho dominios magnéticos dan 1 byte de información; como en el caso de la letra "A" del ejemplo anterior representada por el número binario 01000001.

Antes se cubrían los platos de los discos con partículas de óxido férrico como material a magnetizar para el almacenamiento de datos; pero ahora se utilizan partículas de una aleación de cobalto.

Hasta el año 2005 las partículas se posicionaban en dirección paralela a la superficie de cada plato, pero a partir de entonces comenzaron a posicionarse en forma perpendicular (vertical) para poder colocar mayor cantidad de dominios magnéticos y a menor distancia uno de otros aprovechando el espacio disponible en el plato.

Los cabezales de lectura y escritura se encuentran en la punta de un brazo actuador que se mueve radialmente hacia adelante y hacia atrás a lo largo del radio del plato mientras este último gira.

El pequeño cabezal que se encuentran en la punta del brazo actuador, contiene dos elementos separados, uno encargado de realizar la escritura de datos y el otro la lectura de los mismos.

El elemento de escritura realiza la escritura de datos mediante un metodo de inducción magnética que magnetiza las partículas de aleación de cobalto que recubren el plato, generando campos magnéticos. Cada pulso eléctrico enviado al cabezal desde la memoria de la computadora, magnetiza cada partícula alineándola hacia un lado o el otro generando campos magnéticos de distinta dirección los cuales representan los 1 y 0 que forman los datos.

Para la lectura de datos el elemento de lectura del cabezal pasa por encima de las partículas magnetizadas cuyos campos magnéticos generan pulsos eléctricos; según la fuerza del campo magnético de cada partícula varía el nivel de resistencia eléctrica del elemento de lectura del cabezal afectando al pulso eléctrico generado; para decirlo con palabras simples, variará la fuerza con que el pulso eléctrico generado circulará. Estas diferencias en los niveles de resistencia eléctrica y por lo tanto fuerza o diferencia de voltaje con que circula cada pulso eléctrico representarán los 1 y 0 que serán enviados a la memoria.

Los cabezales se encuentran "flotando" a una pequeña distancia de las superficies de los platos de apenas decenas de nanómetros (millonésimas de centímetro); por lo tanto no los tocan, si no fuera así la fricción entre los cabezales y los platos al girar a miles de revoluciones por minutos, causaría daños irrecuperables en las superficies de los platos. El fenómeno físico que permite que los cabezales "floten" sobre las superficies de los platos sin tocarlas es un colchón de aire que se genera al girar los platos a altísimas velocidades, produciendo el movimiento del aire que se encuentra sobre los platos a velocidades cercanas o iguales a los de estos últimos. Este efecto genera un colchón de aire con un espesor de apenas decenas de nanómetros que mantiene al cabezal flotando sobre el plato.

Cabezas de disco duro
Partículas de aleación de cobalto con propiedades magnéticas. Proceso de lectura de datos. Método avanzado de partículas perpendiculares al plato para mayor aprovechamiento del espacio - Cliquear para ampliar imagen

Cómo se guarda la información en los discos duros

Hasta ahora hemos visto el proceso físico de escritura y lectura de datos en los platos de un disco duro, pero falta entender el ordenamiento de la información en un disco duro, o sea cómo se guardan los archivos.

Cada plato en un disco duro está dividido en círculos concéntricos llamados pistas (tracks en inglés) y a su vez cada pista está dividida en sectores. En matemática un sector es una porción de un círculo que se encuentra entre el centro del mismo, dos radios y el arco correspondiente de la circunferencia. En un disco duro, un sector es la intersección entre una pista y un sector.

Cada plato está dividido en una gran cantidad de pistas y a su vez cada pista está dividida en un gran número de sectores. El sector es la unidad mínima de almacenamiento de archivos. Cada sector tiene un tamaño de 512 bytes; por lo tanto si tenemos un archivo de 400 bytes, ocupará un sector; si tenemos un archivo de 20.000 bytes éste ocupará 40 sectores (20.000 / 512 = 39,0625 - O sea que ocupará 39 sectores por completo y una parte del sector 40). A partir de 2008 de a poco comenzaron a fabricarse discos duros con sectores de 4096 bytes.

Dado que por lo general los discos duros contienen más de un plato, y los cabezales están montados en brazos que se encuentran unidos uno debajo del otro en una estructura que los mueve a todos juntos, el efecto de tener una pista debajo de la otra en los distintos platos forma un cilindro; por eso para medir la capacidad de un disco duro; se multiplica la cantidad de cilindros (pistas) por la cantidad de cabezales (por lo general hay 2 por plato, uno para cada lado del mismo), por la cantidad de sectores por pista o cilindro por la capacidad en bytes de cada sector (512 bytes).

Pistas y sectores de disco duro
Pistas (tracks) y sectores del plato de un disco duro - Cliquear para ampliar imagen

Brazo del actuador que mueve los cabezales

Los cabezales se encuentran en la punta de brazos que los mueven lateralmente a través del radio del círculo de cada plato mientras éstos giran.

Los brazos que sostienen los cabezales son metálicos y se mueven todos juntos hacia el mismo lado, haciendo que todos los cabezales se encuentren en el mismo cilindro. El mecanismo que mueve a estos brazos en los discos más antiguos utilizaba un motor de pasos o de movimiento lineal, el cual estaba conectado a los brazos de los cabezales moviéndolos hacia adentro o afuera del plato. Este método era efectivo en discos antiguos, en los cuales el número de sectores por pista era inferior, y las pistas eran más anchas; haciendo que pequeñas fallas en el posicionamiento de los cabezales, por distintas razones, no afectaran la lectura o escritura de datos.

Sin embargo, este sistema tenía algunos inconvenientes; por ejemplo a veces por el calentamiento causado por la operación normal de los platos al girar, los brazos y cabezales podían quedar desalineados en relación a las pistas; tampoco se los podía mover mucho mientras trabajaban, especialmente durante procesos delicados como el formateo, ya que eso también podía desalinear los cabezales afectando los resultados.

Además con el desarrollo de las tecnologías de discos duros y el aprovechamiento del espacio en los platos; se fue aumentando la cantidad de sectores por pista así como la cantidad de pistas; dando como resultado pistas más angostas y sectores más pequeños y densos, haciendo que un error en el posicionamiento del cabezal, por más pequeño que fuera, afectara el proceso de lectura y escritura.

Por lo tanto se tuvo que desarrollar un sistema de movimiento de brazos más preciso, el sistema de bobina de voz.

Se lo denomina bobina de voz porque funciona de manera similar a las bobinas de los altavoces. Se trata de un sistema altamente preciso que cuenta con una bobina eléctrica la cual se encuentra en el actuador que sostiene los brazos de cabezales, por encima de unos magnetos permanentes de aleación de neodimio-hierro-boro (el tipo de magneto permanente más fuerte que existe), cuyos campos magnéticos envuelven a la bobina eléctrica. El fenómeno físico que causa el movimiento de los brazos del actuador, y por lo tanto de los cabezales, es generado cuando una corriente eléctrica calculada circula por la bobina envuelta por el campo magnético, creando una fuerza tangencial que mueve a la bobina y a los brazos que sostienen los cabezales.

Según la cantidad de corriente que circula por la bobina se crea una cantidad de movimiento acorde; por lo tanto la controladora del disco duro puede controlar y realizar los cambios de posición de brazos con altísima precisión y manera medida, resultando en que los cabezales se ubiquen sobre las pistas correctas. Además existen en los sectores de las pistas ciertas marcas que le sirven al sistema de posicionamiento de cabezales para detectar si están correctamente alineados con la pista, en caso que el cabezal detectara que está incorrectamente posicionado se envían pequeñas variaciones a la corriente eléctrica que circula por la bobina corrigiendo la posición de los cabezales.

Gracias a este sistema tan sofisticado los discos duros de hoy pueden resistir movimientos mientras leen o escriben información, incluso golpes de varios G (la fuerza de 1 G es la aceleración ejercida por la gravedad); además gracias al sistema de autocorrección de posicionamiento de cabezales, fue posible el desarrollo de platos con pistas más angostas; permitiendo así hacer discos de mayor capacidad con más pistas y menor cantidad de platos.

Es asombroso ver trabajar en conjunto a los platos girando a miles de revoluciones por minuto y a los brazos del actuador moviéndose radialmente por sobre los platos hacia un lado y el otro hasta 50 veces por segundo.

¿Pero qué pasa cuando los discos dejan de girar y el efecto del colchón de aire que mantiene a los cabezales flotando desaparece? Deberían caer sobre los platos mientras dan sus últimas revoluciones, causando daños, rayando la fina capa que cubre a las partículas magnéticas e incluso dañando los datos. Para evitar este tipo de daño se pensó en agregar una zona de aterrizaje de cabezales (landing zone en inglés) ubicada cerca del centro de los platos en donde los cabezales pueden caer o aterrizar al apagarse la computadora mientras los platos siguen dando los últimos giros por inercia.

Supongamos que repentinamente se corta la corriente eléctrica; el motor que hace girar los platos se apaga, éstos comienzan a bajar la velocidad rápidamente, el colchón de aire desaparece y los cabezales caen sobre el área de datos causando graves daños por fricción. Para evitar una situación así; hay dos métodos que inmediatamente llevan a los cabezales a la zona de aterrizaje; uno es mediante el uso de un resorte; el otro más reciente y sofisticado; al cortarse la corriente eléctrica, utiliza la inercia de los discos que siguen girando por pocos segundos. En este caso aprovecha esas revoluciones inerciales del motor a modo de generador eléctrico, para producir por fracciones de segundo la energía suficiente para mover el cabezal hasta la zona de aterrizaje sin dañar la zona de datos.

A pesar que no se causa ningún daño en los platos y por lo tanto en la zona de datos, con el tiempo y luego de años los cabezales sí se van desgastando. La mayoría de los fabricantes han diseñado los cabezales para que aguanten aproximadamente 50.000 aterrizajes en la zona de contacto segura o en otras palabras 50.000 ciclos de apagado/encendido. Igualmente quédense tranquilos que por lo general se requieren muchos años para llegar a esa cifra.

Además del método de aterrizaje de pistas también existe un segundo método de alejamiento de los cabezales de la zona de datos llamado Head Load/Unload (carga/descarga de cabezal). Cuando la controladora del disco duro detecta que los platos han reducido su velocidad, inmediatamente un sistema levanta los brazos de los cabezales y los mueve a una rampa ubicada fuera del área de los platos. Luego al encenderse la computadora nuevamente cuando los platos vuelven a girar a la suficiente velocidad para generar el colchón de aire que mantiene a los cabezales suspendidos en el aire, los brazos se alejan de las rampas volviendo a posicionarse sobre los platos.

En los discos duros de muchas computadoras modernas, principalmente en computadoras portátiles como las noteboks; se incluye un acelerómetro que detecta movimientos bruscos en la máquina, en caso de suceder algo así inmediatamente activa el sistema Load/Unload, levantando y llevando el cabezal a una rampa segura para evitar daños en la zona de datos. Puede resistir movimientos bruscos de hasta 350 G (fuerza G) en casos de discos que están operando y 1000 G si el disco se encuentra en estado no operacional.

Hoy día se utilizan ambos métodos de alejamiento de los cabezales de la zona de datos, tanto el de aterrizaje de los mismos en una zona de contacto cerca del centro de los platos, así como el de rampas Load/Unload.

Es muy importante mencionar también que antes de la existencia de estos métodos de alejamiento de los cabezales automáticos, cuando se quería apagar la computadora los usuarios debían estacionar primero mediante un comando los cabezales; y luego podían apagar la computadora; de lo contrario los cabezales entrarían en contacto con los platos.

Cabezas de disco duro
Proceso de desplazamiento de los brazos de los cabezales mediante el uso de bobinas de voz y magnetos de neodimio-hierro-boro

La controladora del disco duro

Todas las actividades que realiza el disco duro, son administradas por una placa de circuitería integrada ubicada en la parte de afuera, adosada debajo del disco duro. Entre las funciones principales de esta placa se incluyen el control del flujo de datos desde y hacia la placa madre (motherboard), donde se derivan hacia la memoria y el microprocesador; la codificación y decodificación de los datos que se graban en los platos; el control de la velocidad de giro de los platos; el control de la cantidad de corriente eléctrica que circula por la bobina de voz que mueve los brazos del actuador que sostienen a los cabezales; la verificación de que todos los elementos y componentes del disco funcionen correctamente; contar con un bloque de memoria intermedio de entre 8 y 64 MB, conocido como buffer para almacenar datos temporalmente que viajan entre los platos y la placa madre y viceversa.

Antiguamente las placas controladoras del disco duro venían separadas del disco y debían conectarse en la placa madre. Además se necesitaban tres cables; dos de ellos conectaban el disco duro con la placa controladora (un cable para transferir los datos y otro para tranferir las señales de control del funcionamiento del disco); el tercer cable era para proveer energía al disco duro y venía directamente de la fuente de energía de la computadora. Algunos de los tipos de interfase antiguos que utilizaban placas de control de disco duro separadas del disco eran los ST-506, ST-412 y ESDI.

Luego en 1986 se desarrolló un sistema en el que la controladora del disco duro venía integrada en el mismo disco, como hoy día los conocemos. Se trata del tipo de interfase IDE (Integrated Drive Electronics o circuitería electrónica de disco integrada). Este tipo de controladora requería el uso de 2 cables; uno para datos (en realidad un cable de cinta de 40 hilos) y el otro para la energía conectado a la fuente de energía del gabinete de la computadora.

Luego el tipo de interfase IDE pasó a llamarse ATA (Advanced Technology Attachment del inglés Accesorio de Tecnología Avanzada). Con el tiempo las placas madres comenzaron a incluir adaptadores ATA, para poder conectar discos duros, así como otros dispositivos como lectoras de CD y de DVD. Cada uno de estos adaptadores soportan hasta dos dispositivos; así por ejemplo en una computadora con dos adaptadores ATA, pueden haber hasta cuatro discos duros; o combinaciones de lectoras de CD o DVD con discos duros.

A partir del año 2003 comenzaron a sustituirse por el tipo de interfase SATA (Serial ATA), que utiliza un cable de datos más pequeño.
 

Nueva configuración de sectores (Zone bit recording)

Antes todas las pistas de un plato contenían la misma cantidad de sectores por pista; recordemos que cada sector tiene una capacidad de almacenamiento de 512 bytes. Al ser de esta manera, los sectores más cercanos al centro de cada plato eran más pequeños en superficie que los ubicados más lejos del mismo, pero igualmente contenían la misma cantidad de partículas magnéticas que los ubicados más cerca del borde. Por lo tanto los sectores más pequeños eran más densos y sus partículas estaban más "apretadas"; mientras que en las pistas de más afuera, cuyas circunferencias eran mayores, los sectores eran menos densos ya que en una superficie de mayor tamaño había una misma cantidad de partículas magnéticas; desaprovechando así un gran espacio que podría estar ocupado por más sectores.

Por eso los ingenieros desarrollaron un sistema de organización de sectores llamado Zone bit Recording mediante el cual se aprovecha el espacio disponible en pistas más alejadas del centro. Con este sistema las pistas se agrupan en zonas de pistas con la misma cantidad de sectores. Cuanto más nos alejamos del centro de cada plato nos encontramos con zonas que contienen una mayor cantidad de sectores por pista; aprovechando mejor el espacio disponible en las pistas que se encuentran más lejos del centro.

Otra punto interesante de este sistema de configuración de sectores es que al leer los sectores de cilindros más externos se obtiene una mayor tasa de transferencia de bits por segundo que al leer cilindros más internos; esto se debe al hecho que la velocidad angular de los platos es siempre la misma en todas las pistas de los mismos (la velocidad angular es para decirlo con palabras simples el ángulo que recorre por segundo un objeto circular al girar); así si por ejemplo en una cierta cantidad de tiempo un plato realiza un vuelta completa, se leen una mayor cantidad de sectores en los cilindros más externos que en los más internos, dado que hay una mayor cantidad de éstos en los más lejanos del centro de los platos.

En cada zona pueden haber cientos o miles de pistas agrupadas; y las tasas de transferencia en bits por segundo aumentan cuanto más nos alejamos del centro.

Por este motivo al tener un disco duro nuevo, los programas tratan de llenar primero los sectores de pistas más externas; comenzando por el sistema operativo que se instala en en éstos para aprovechar la mayor tasa de transferencia. Con el paso del tiempo después de llenarse los sectores de pistas más externas, los programas no tienen otra alternativa más que instalarse en los sectores de cilindros más internos tras lo cual pueden llegar a detectarse un mayor tiempo de carga de estos programas.

Zone bit recording
Ordenamiento de igual cantidad de sectores por pista vs Zone bit recording para el mayor aprovechamiento del espacio de los platos
 

Medidas que indican el rendimiento de un disco duro

 
TIEMPO DE BUSQUEDA (SEEK TIME)

Se trata del tiempo que requieren los cabezales para moverse desde su posición actual a la pista deseada. El tiempo de búsqueda varía acorde a la distancia que se encuentra la pista deseada de la posición en que se encuentra el cabezal, no es lo mismo pasar a una pista adyacente que moverse hasta una ubicada al otro lado del plato. Por lo tanto como medida promedio se suele tomar el tiempo requerido para recorrer un tercio del radio del área de datos.

Los tiempos de búsqueda (seek times) se miden en milisegundos (ms). Los primeros discos duros tenían un tiempo de búsqueda promedio de 600 ms; ya para la época en que comenzaban a comercializarse las primeras PC, éstas contaban con discos duros con tiempo de búsqueda de 100-120 ms; ya hacia los años '80 con el desarrollo de los sistemas de movimiento de brazos de cabezales con bobina de voz, los tiempos de búsqueda promedio se redujeron a 20 ms.

Hoy día en las PC de escritorio, el tiempo promedio de búsqueda oscila en los 12 ms; mientras que en discos de computadoras de servidores promedia los 4 ms.

LATENCIA ROTACIONAL (ROTATIONAL LATENCY)

Una vez que el cabezal se encuentra sobre la pista correcta, éste se queda quieto esperando a que el sector deseado pase por debajo suyo mientras el plato gira. Cuanto más lejos se encuentre el sector más tardará en pasar por debajo del cabezal. La latencia rotacional varía según la velocidad de rotación del disco; siendo menor en discos que presentan mayores niveles de revoluciones por minuto. Como promedio de medida de latencia se toma el tiempo necesario para que el plato realice media revolución por debajo del cabezal. La latencia rotacional se mide en milisegundos.

TASA DE TRANSFERENCIA DE DATOS

La tasa de transferencia es la cantidad de información que se puede transmitir por segundo, medida en bits por segundo; o sea pulsos eléctricos que representan 1 y 0 por segundo. Recordemos que 8 bits equivalen a 1 byte de información; la unidad de medida utilizada para medir el tamaño de archivos.

La tasa de transferencia varía según muchos parámetros; la velocidad de rotación de los platos, la ubicación de los sectores (como se mencionó antes, si se leen/escriben sectores de pistas más externas de un plato se obtienen mayores tasas de transferencia dado que a la misma velocidad de rotación pasa una mayor cantidad de sectores por debajo del cabezal que en una pista más cercana al centro del plato). Se suele tomar como medida la cantidad de datos que viajan entre los platos y la memoria intermedia (buffer) del disco; la cual hacia 2011 superaba los 1000 Mbit/segundo (1 Gbit/segundo) o aproximadamente 125 MB/segundo (megabytes).

También se mide la tasa de transferencia de datos desde la memoria intermedia de la controladora del disco a la placa madre (buffer-motherboard).

Esta tasa de transferencia depende del tipo de interfase utilizado. Por ejemplo en los primeros tipos de discos ATA/IDE las tasas de transferencia eran de 25 MB/segundo (200 Mbit/sec), mientras que en los últimos modelos de este tipo de interfase llegaban a 167 MB/segundo (por ejemplo los ATA Ultra DMA/167).

Ya en los discos más modernos con interfase de tipo SATA la tasa de transferencia llegaba a 1.5 Gbit/s; hacia el año 2011 la mayoría de los discos en el mercado contaban con interfases de tipo SATA 2.0 con tasas de transferencia de 3 Gbit/s; y de a poco se está estandarizando el SATA 3.0 con tasas de (6 Gbit/s).
 

Cómo administra el sistema operativo al disco duro

Como se mencionó antes, los archivos se almacenan en sectores de 512 bytes, por lo tanto un archivo de 20.000 bytes ocupará 40 sectores (20.000 / 512 = 39,0625 - 39 sectores por completo y una parte del sector 40).

Sin embargo los sistema operativos para mejorar el rendimiento del disco duro utilizan un método de agrupamiento de sectores, estos grupos de sectores se denominan clusters.

Cada sector tiene un número que indica su posición para que el cabezal pueda dirigirse al mismo a leer o escribir datos. La información que indica en cuáles sectores se encuentra un archivo se encuentra en sectores unbicados en una sección reservada del disco, separada del área donde se almacenan los archivos del usuario; ahí se indica todo tipo de información acerca de cada archivo. El problema es que el sistema operativo constantemente realiza tareas de administración encargadas de almacenar archivos, moverlos, guardar información acerca de los mismos en bases de datos, ordenamiento de la información, etc; por lo tanto si se tiene mayor cantidad de sectores los cuales deben ser manipulados uno a uno, estas tareas tardarían más tiempo, reduciendo enormemente el desempeño del disco. Por otro lado si estos sectores son agrupados en clusters de varios sectores, el sistema operativo en lugar de operar con cada sector opera con varios a la vez, aumentando de esta manera el rendimiento.

Los clusters también son llamados unidades de asignación, ya que a nivel del sistema operativo o lógico, son la menor unidad de almacenamiento de datos. Así por ejemplo en un disco con clusters de 8 sectores con un tamaño de 4 KB (kilobytes) cada uno, si se tiene un archivo de texto de con una palabra de 4 caracteres; el archivo ocupará 4 bytes; sin embargo dado que la unidad de asignación mínima es un cluster de 4 KB, este archivo de 4 bytes ocupará un espacio de disco de 4 KB, desperdiciando miles de bytes no utilizados; por otro lado si tenemos un archivo de 4400 bytes, éste ocupará 1 cluster completo más parte de un segundo cluster, dejando espacio sin utilizar en el segundo.

Si quieren comprobar lo anteriormente explicado, pueden crear un archivo de texto de una palabra con el bloc de notas y luego fijarse en la propiedades del mismo (presionando el botón derecho del mouse sobre el archivo) donde dice Tamaño de Archivo y Tamaño en disco; uno indica el tamaño en bytes que tiene el archivo y el otro cuanto espacio del disco ocupa.

El tamaño de los clusters puede variar entre 1 sector (512 bytes) y 128 sectores (64 KB); esto se indica en el momento de la partición del disco. Clusters de menor tamaño reducen el rendimiento del disco, mientras que clusters de mayor tamaño desperdician mayor cantidad de espacio de disco. Depende del tamaño promedio de los archivos que se almacenarán; pero lo mejor es encontrar un tamaño balanceado entre rendimiento y aprovechamiento del espacio de disco. Por lo general el tamaño de cluster por omisión que utiliza el sistema operativo Windows es de 4 KB, o sea de 8 sectores.
 

CÓMO SE ELIMINAN LOS ARCHIVOS

Cuando eliminamos un archivo y lo enviamos a la papelera de reciclaje, a pesar que creemos que éste ha sido eliminado para siempre y ya la información que forma parte del mismo no se encuentra en el disco; la realidad es otra.

Cuando se elimina un archivo, los clusters que éste ocupaba no son vaciados; o para verlo desde un punto de vista más técnico, los 1 y 0 que forman la estructura del mismo siguen intactos. Entonces ¿por qué decimos que ha sido eliminado?

En realidad cuando se elimina un archivo lo que hace el sistema operativo es marcar los clusters que éste ocupaba como sobrescribibles; quedando así disponibles para ser ocupados por algún nuevo archivo; pero hasta entonces sus datos quedarán intactos a pesar que el usuario no lo pueda ver.

Por ejemplo si se elimina un archivo que ocupaba 40.000 clusters y luego se almacena un archivo nuevo de 30.000 clusters, el sistema operativo probablemente aprovechará ese espacio sobrescribible, colocando el nuevo archivo en aquellos clusters y sobrescribiendo los datos del archivo anterior. Sin embargo aún quedará un espacio del archivo anterior sin sobrescribir, el cual deberá ser ocupado por datos que requieran menor cantidad de espacio.

QUÉ ES LA FRAGMENTACIÓN DE DISCOS

Como se explicó antes, cuando el sistema operativo encuentra espacios vacíos o sobrescribibles lo suficientemente grandes para colocar un nuevo archivo éste los aprovecha. Sin embargo en un disco con poco espacio libre; el sistema operativo intentará buscar clusters sobrescribibles de archivos eliminados, para colocar los datos nuevos a escribir. Pero si el archivo a escribir es más grande que el mayor espacio disponible del disco, éste deberá ser fragmentado y sus partes deberán ser colocadas en distintos espacios disponibles. Esto provoca que cuando un cabezal lee un archivo fragmentado en clusters separados, deba moverse de una parte a la otra del disco, reduciendo de manera importante el rendimiento del disco.

En un disco donde se escriben y eliminan continuamente archivos, el resultado luego de cierto tiempo será una reducción en rendimiento y eficiencia.

El problema de la fragmentación puede ser solucionado mediante el uso de un defragmentador como el que viene incluido en el sistema operativo Windows. Defragmentar un disco lleva bastante tiempo, pero si se nota una disminución de desempeño se recomienda defragmentar el disco rígido.


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