Universidad Nacional Autónoma de México
Dirección General de Servicios de Cómputo Académico
Año 7 Núm. 74, Publicación Mensual, 27 de Noviembre de 2008

ARTÍCULOS

 

Año 5, Número 51, Agosto de 2006

Discos duros: controladores y almacenamiento

José Fabián Romo Zamudio

 

Colocados en el pináculo de la evolución en dispositivos de almacenamiento, los discos duros, en buena medida, han permitido el avance informático actual. Desde aquellas antiguas tarjetas perforadas hasta las cintas magnéticas, el resguardo de datos había sido secuencial: se debía pasar por todo un cúmulo de información previa para llegar al dato necesario. Sin embargo, los discos duros son mucho más eficientes en la lectura y escritura de datos, actividades imprescindibles ante la volatilidad de la memoria RAM cuando la energía eléctrica desaparece. Cada disco duro es la biblioteca particular de nuestras computadoras.

Antecedentes y estructura

En la década de los 50 del siglo XX aparecen los primeros discos duros, con un diámetro de 20 pulgadas (poco más de 50 centímetros), con capacidades de unos cuantos megabytes. Aunque en un principio no se conocieron como “discos duros” sino, más popularmente, como discos fijos –en oposición a la movilidad de los discos flexibles–, el término “duro” tiene su origen al estar compuestos por platos de metal. Un disco duro emplea la misma tecnología básica de almacenamiento que sus antecesoras las cintas: magnetismo, en tanto puede registrar datos durante varios años sin necesidad de un flujo continuo de energía eléctrica para conservar la información.

La revolución de los discos duros radicaba en que, a diferencia de las cintas magnéticas, el almacenamiento de datos era de tipo aleatorio, no lineal. Esto implica que el registro de bits como marcas magnéticas en la superficie del disco, no necesariamente se debe hacer un bit tras otro, un archivo tras otro, sino que la propia estructura del disco permite el acceso a cualquier parte del mismo que se encuentre libre, para almacenar un nuevo archivo o los cambios realizados a un conjunto de datos que ya estén almacenados en otra parte del disco. Ese es el significado del término aleatorio: primera sección que se encuentre libre, primer espacio que se ocupa para los nuevos datos.

En sentido positivo, los discos duros son mucho más rápidos en el acceso a la información, si se les compara con las cintas, dado que no se tiene que recorrer todo el medio de almacenamiento para localizar los datos requeridos. Por el contrario, los discos duros son susceptibles al efecto de fragmentación: después de un cierto tiempo de uso, los archivos no están almacenados de manera continua, sino en múltiples partes del disco, algo que no pasa generalmente en las cintas.

Pero los discos duros tienen otros puntos más a favor. Por ejemplo, la cinta magnética es una tira plástica susceptible de romperse o dañarse con el paso continuo sobre una cabeza lectora. Los discos duros, hechos de aleaciones de aluminio de precisión y otros metales son más resistentes, además de que la cabeza de lectura y grabación está sobre el disco sin tocarlo.

También las cintas son demasiado lentas: avanzan unos centímetros por segundo sobre la cabeza de lectura/escritura, mientras que los discos duros giran a velocidades que rebasan los 7500 centímetros por segundo (más de 250 kilómetros por hora). Por último, cada grupo de datos en las cintas ocupa más espacio físico que en los discos porque son mucho más precisas las cabezas de lectura y escritura en los discos duros. Todo esto explica el porqué los discos duros acceden a la información a velocidades nada comparables a como lo hace una cinta magnética.

Controladores

Aunque todos los discos duros comparten las características antes mencionadas, la forma en la que se comunican con el CPU no siempre es igual. Más allá del registro de la información en el disco duro, hay otros puntos por considerar dentro de todo el esquema de almacenamiento.

Por un lado es importante conocer la tasa de transferencia de datos (data rate), es decir, la cantidad de bytes por segundo que el disco duro puede entregar a la computadora. A las tasas de transferencia se les clasifica en modos PIO (Programmed Input/Output), o modos en los cuales se hace la transferencia de datos entre dos dispositivos que usan el procesador central como parte de la ruta de comunicación. Existen cinco modos PIO, como se indica en la tabla 1.

Modo PIO
Tasa de transferencia
de datos (MBps)
0
3.3
1
5.2
2
8.3
3
11.1
4
16.6

Tabla 1. Modos PIO para transferencia de datos.

Otro factor es el tiempo de recuperación (seek time), o período que transcurre desde que la computadora solicita un archivo y el disco duro devuelve el primer byte del archivo a la computadora. Los discos actuales oscilan entre 10 y 20 milisegundos

Sin embargo, el valor más conocido por los usuarios es la capacidad del disco, la cantidad de bytes que puede almacenar. Para una computadora personal ya es muy común encontrar discos de 80, 120 o 160 GB. Servidores o equipos de cómputo más grandes tienen dos o más discos que ya rebasan los 500 o 600 GB cada uno y, continuamente, aparecen nuevos dispositivos de mayor capacidad.

Se requiere además de un circuito, o controlador, que le indique al disco duro cuándo girar, leer o grabar información a partir de las peticiones de la computadora. Ese circuito junto con el cable o tarjeta de comunicación entre el disco y la tarjeta madre constituyen la interfaz del disco duro. Existen diversas interfaces, como la ATA (Advanced Technology Attachment) que por mucho tiempo fue más popular en las computadoras personales. En este tipo de discos, el circuito controlador está integrado en el disco, no en la tarjeta madre de la computadora y los datos transitan en paralelo de un dispositivo a otro.

ATA tiene varias versiones:

  • ATA. También conocida como IDE (Intelligent Drive Electronics o Integrated Drive Electronics). Soporta uno o dos discos duros con modos PIO 0, 1 y 2.
  • ATA-2. Trabaja con modos PIO más elevados (3 y 4). Se le conoce también como Fast ATA o Enhanced IDE. Los lectores de discos compactos compatibles con esta interfaz se conocen como ATAPI.
  • Ultra-ATA. Tiene por sinónimos Ultra-DMA, ATA-33 y DMA-33, ya que la tasa de transferencia es de 33 MBps.
  • ATA-66. Interfaz desarrollada por Quantum Corporation, con 66 MBps.
  • ATA-100. Versión modificada de ATA-66, con tasas de transferencia de 100MBps. También se le conoce como PATA.
  • SATA. Consiste en un enlace serial, a diferencia del ATA que es paralelo. Sólo se emplean cuatro cables para comunicarse con el disco, con tasas de transferencia que parten de los 150MBps. El diseño y la velocidad de comunicación permiten que computadoras equipadas con discos SATA tengan una mejor ventilación y diseños más compactos.

Además de las interfaces antes mencionadas, que se desarrollaron en específico para dispositivos de almacenamiento como los discos duros, existen otras como Firewire y USB. Estas tecnologías de comunicación con periféricos no controlan directamente al disco duro que no tiene de ese tipo, sino que en medio hay algún controlador nativo de disco (ATA y sus versiones) que se comunica con la computadora por medio de USB o Firewire. Mención aparte requiere la interfaz SCSI (Small Computer System Interface).

SCSI es una interfaz de tipo paralelo diseñada para comunicar periféricos con la computadora, no sólo discos duros, y mientras los puertos de comunicación SCSI son comunes en equipos de cómputo de alto desempeño como servidores, estaciones de trabajo o supercomputadoras, para las computadoras personales es necesario insertar una tarjeta controladora de SCSI. Además, hay muchas versiones de esta interfaz, y no todas son compatibles entre sí de entrada por usar conectores distintos:

  • SCSI-1. Soporta tasas de transferencia de hasta 4 MBps.
  • SCSI-2. La más popular de las interfaces SCSI, que soporta varios dispositivos conectados a la vez, aunque a la misma velocidad que SCSI-1.
  • Wide-SCSI. Hasta 8 MBps.
  • Fast-SCSI. Tasas de transferencia de 10 MBps, gracias a un reloj de comunicación más rápido.
  • Fast Wide SCSI. El doble de cable y de velocidad: 20 MBps.
  • Ultra SCSI. Con un cable más reducido tolera tasas de transferencia de 20 MBps.
  • SCSI-3. Conocido también como Ultra Wide SCSI, a 40 MBps.
  • Ultra2 SCSI. Con un bus de 8 bits llega a 40 MBps.
  • Wide Ultra2 SCSI. Tasa de transferencia de 80 MBps.

Con tantas interfaces para discos duros, los usuarios pueden confundirse en decidir cuál es la que tiene su equipo, la más conveniente para alguna aplicación en concreto o, simplemente, cómo comprar un disco duro para actualizar su computadora.

Característica
ATA paralelo
ATA serial (SATA)
SCSI
Tasa de transferencia actual – futura.
100 MBps.
150 MBps – 300 y 600 MBps.
80 MBps.
Tipo de cable.
Ancho, varios conectores.
Pequeño, pocos conectores.

Ancho, varios conectores.
Temperatura de operación.
Poco flujo de aire, calentamientos.
Alto flujo de aire, menos consumo de energía.
Poco flujo de aire, calentamientos.
Principales aplicaciones.
Equipos personales de bajo rendimiento.
Estaciones de trabajo, equipos personales avanzados, servidores básicos y medios.
Estaciones de trabajo, servidores de alto nivel.

Tabla 2. Comparación ATA, SATA y SCSI

Almacenamiento

Todo lo que se guarda en un disco duro se registra en forma de archivos. Un archivo, sin importar si es una imagen, video, audio, texto o un programa para efectos del almacenamiento en el disco es, simplemente, un grupo de bytes bajo un mismo nombre de conformidad con los parámetros establecidos por el sistema operativo. Pero registrar bytes en los platos de metal que conforman el disco duro, se requiere de un proceso de inicial: dar formato.

Hay dos niveles de formato a los discos duros. Primero el conocido como de bajo nivel —realizado por utilerías especiales, BIOS o algunos sistemas operativos— donde se crean pistas y sectores. Las pistas son círculos concéntricos y los sectores secciones angulares. Con ello, se establece una matriz, donde los bloques de bytes se pueden ubicar fácilmente mediante sus coordenadas de posición física en el disco (número de cara o plato del disco duro, pista y sector). En el formato de bajo nivel desaparecen la tabla de particiones y, por ende, resulta casi imposible recuperar algún dato, pero pudieran subsistir algunos. Ciertas rutinas de formato en bajo nivel incluyen algoritmos que se aseguran en eliminar todo rastro previo de información, llenando de ceros o unos todo el disco, inclusive, varias veces. Pero al final del formato de bajo nivel,todavía no se pueden guardar archivos en el disco.

El otro formato, llamado de alto nivel, establece las estructuras de almacenamiento de los archivos, como la tabla de asignación. A partir de aquí ya es factible usar el disco duro. Este formato se realiza desde el sistema operativo o a través de programas específicos.

El avance en la tecnología de almacenamiento incluye discos duros cada vez más pequeños, ya no sólo para computadoras portátiles, sino también en asistentes personales digitales (PDA) y sistemas de entretenimiento portátil (iPod, etc) por un extremo, así como las nuevas interfaces SAS (Serial Attached SCSI) con tiempos de respuesta de tres milisegundos y una vida útil superior a 1.4 millones de horas.

Sin embargo, se deben tener diversas precauciones con los discos duros, como no exponerlos a campos magnéticos intensos, no someterlos a golpes o caídas y optimizar su consumo de energía cuando la computadora no tenga una actividad intensa. De igual forma, es importante considerar que al reemplazar un disco duro estemos seguros de que el disco antiguo no contenga información alguna, aplicando formatos de bajo nivel para evitar que alguien pudiera recuperar datos personales o confidenciales.

Para mayor información:

http://www.harddisk.com
http://www.seagate.com/
http://www.maxtor.com
http://www.westerndigital.com

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