Discos duros

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Un disco duro es un dispositivo de almacenamiento masivo de datos que a su vez también puede tener instalado algún Sistema Operativo, así mismo funge como memoria no volátil, es decir, cuando por alguna razón se interrumpe la energía eléctrica de nuestra casa u oficina la información anidada en el mismo se almacena de manera correcta, salvo algunas excepciones, como por ejemplo cuando se trabaja en tiempo real con el disco duro y no se guardan con anticipación dichos cambios.

Un ejemplo de memoria volátil es la memoria RAM (Random Access Memory), ya que este tipo de memoria solo almacena la información de manera temporal y es borrada nuevamente cuando se interrumpe la energía eléctrica de la computadora.

Un disco duro (Hard Disk) emplea un sistema de grabación magnética el cual es aplicado a una una serie de platos metálicos apilados girando a gran velocidad. Sobre estos platos se sitúan los cabezales encargados de leer o escribir los impulsos magnéticos.

Existen distintos tipos de interfaces y entre las mas comunes se encuentran las siguientes: Integrated Drive Electronics (IDE, también llamado ATA) , SCSI generalmente usado en servidores, SATA, este último estandarizado en el año 2004 y los mas recientes, los discos duros SAS , de los cuales hablaremos mas adelante.

Tipos de Discos Duros

Como anteriormente mencionamos, existen 4 principales tipos de discos duros:

  1. Discos Duros IDE­ATA o PATA
  2. Discos Duros SATA
  3. Discos Duros SCSI
  4. Discos Duros SAS
  5. Discos Duros SSD

A continuación daremos una breve explicación sobre cada uno de ellos.

Discos Duros IDE­ATA

Los discos duros con esta denominación hacen uso de una interfaz llamada IDE(Integrated Device Electronics) ATA(Advanced Technology Attachment) que es la encargada de comunicar al Disco Duro con la tarjeta madre. El estándar IDE­ATA fue diseñado originalmente para conectar discos duros; sin embargo, se desarrolló una extensión llamada ATAPI que permite interconectar otros periféricos de almacenamiento como unidades de CD­ROM o unidades de DVD­ROM en una interfaz IDE­ATA.

Habitualmente, un disco duro IDE­ATA puede estar configurado de 3 maneras diferentes, las cuales son:

  • Maestro o master.­ Los discos duros con esta configuración indican a la tarjeta madre que el debe ser el primero en ser cargado.
  • Esclavo o slave.­ Los discos duros con este tipo de configuración no son tomados en cuenta al momento de arrancar el sistema por lo que el disco duro maestro puede disponer de los demás discos duros configurados como discos slave.
  • Selección por cable o cable select.­ El dispositivo será maestro o esclavo en función de su posición en el cable. Si hay otro dispositivo, también debe estar configurado como cable select. Si el dispositivo es el único en el cable, debe estar situado en la posición de maestro. Para distinguir el conector en el que se conectará el primer bus Ide (Ide 1) se utilizan colores distintos.

Este diseño IDE­ATA (dos dispositivos a un bus) tiene el inconveniente de que mientras se accede a un dispositivo el otro dispositivo del mismo conector IDE no se puede usar.

Este inconveniente está resuelto en discos duros como los SATA y en SCSI, que pueden usar dos dispositivos por canal.

Los discos IDE están mucho más extendidos que los SCSI debido a su precio mucho más bajo. El rendimiento de IDE es menor que SCSI pero se están reduciendo las diferencias.

Discos Duros SATA

Los discos duros con esta denominación hacen uso de una interfaz llamada Serial Advanced Technology Attachment que es la encargada de comunicar al Disco Duro con la tarjeta madre.

Estos discos duros sustituyen a los tradicionales IDE­ATA, ademas de que proporciona mayores velocidades, mejor aprovechamiento cuando hay varios discos, mayor longitud del cable de transmisión de datos y capacidad para conectar discos en caliente (con la computadora encendida).

El estándar Serial ATA se basa en una comunicación en serie. Se utiliza una ruta de datos para transmitir los datos y otra ruta para transmitir las confirmaciones de recepción. En cada una de estas rutas, los datos se transmiten mediante el modo de transmisión LVDS (Señal diferencial de bajo voltaje) que consiste en transferir una señal a un hilo y su contrapartida a un segundo hilo para permitir que el destinatario recree la señal por diferencia. Los datos de control se transmiten por la misma ruta que los datos mediante una secuencia específica de bits que los distingue.

Por lo tanto, la comunicación requiere de dos rutas de transmisión, cada una de las cuales está compuesta por dos hilos, con un total de cuatro hilos utilizados para la transmisión.

Conectores de Serial ATA

El cable utilizado por el estándar ATA Serial es un cable redondeado que contiene 7 hilos con un conector de 8 mm en su extremo: Tres hilos tienen conexión a tierra y dos pares se utilizan para la transmisión de datos. El conector de la fuente de alimentación también es diferente: comprende 15 clavijas que alimentan al periférico con una potencia de 3,3 V, 5 V o 12 V y tiene una apariencia similar al conector de datos:

Características:

El estándar Serial ATA brinda una velocidad de 187,5 MB/s (1,5 Gb/s) y cada octeto se transmite con un bit de arranque y un bit de parada, con una velocidad efectiva teórica de 150 MB/s (1,2 Gb/s). El estándar Serial ATA II debe contribuir a alcanzar 375 MB/s (3 Gb/s), es decir, una velocidad efectiva teórica de 300 MB/s, y finalmente 750 MB/s (6 Gb/s), es decir, una velocidad efectiva teórica de 600 MB/s. Los cables del estándar Serial ATA pueden medir hasta 1 metro de longitud (en comparación con los 45 cm que miden los cables IDE). Además, la baja cantidad de hilos en una envoltura redonda permite una mayor flexibilidad y una mejor circulación del aire dentro de la carcasa que la de los cables IDE (incluso si existieran los cables IDE redondeados). A diferencia de los periféricos del estándar ATA, los del Serial ATA se encuentran solos en cada cable y ya no es necesario diferenciar los discos duros master de los discos duros slave.

Otra de la ventajas con este tipo de disco es que permite la conexión en caliente o en pocas palabras, mientras el equipo esta encendido.

Discos Duros SCSI

El estándar SCSI (Small Computers System Interface) es una interfaz que se utiliza para permitir la conexión de distintos tipos de periféricos a un ordenador mediante una tarjeta denominada adaptador SCSI o controlador SCSI generalmente mediante un conector PCI. El número de periféricos que se pueden conectar depende del ancho del bus SCSI. Con un bus de 8 bits, se pueden conectar 8 unidades físicas y con uno de 16 bits, 16 unidades.

Direccionamiento de los Periféricos

Los periféricos se direccionan mediante números de identificación. El primer número es el ID, número que designa al controlador que se encuentra dentro de cada periférico (definido a través de los caballetes posicionados en cada periférico SCSI o por el software). El periférico puede tener hasta 8 unidades lógicas (por ejemplo, una unidad de CD­ROM con varios cajones). Las unidades lógicas se identifican mediante un LUN (Número de unidad lógica). Por último, un ordenador puede contener diversas tarjetas SCSI y, por lo tanto, a cada una le corresponde un número diferente.

SCSI asimétrico y diferencial

Existen dos tipos de bus SCSI:

  • El bus asimétrico, conocido como SE (por Single­Ended o Terminación única), basado en una arquitectura paralela en la que cada canal circula en un alambre, sensible a las interferencias. Los cables SCSI en modo SE poseen 8 alambres para una transmisión de 8 bits (que se denominan limitados) o 16 alambres para cables de 16 bits (conocidos como extendidos). Este es el tipo de bus SCSI más común.
  • El bus diferencial transporta señales a un par de alambres. La información se codifica por diferencia entre los dos alambres (cada uno transmite el voltaje opuesto) para desplazar las interrupciones electromagnéticas, lo que permite obtener una distancia de cableado considerable (alrededor de 25 metros). En general, existen dos modos: el modo LVD (Voltaje bajo diferencial), basado en señales de 3,3 V y el modo HVD (Voltaje Alto Diferencial), que utiliza señales de 5 V. Los periféricos que utilizan este tipo de transmisión son cada vez más raros y por lo general llevan la palabra «DIFF».

Los conectores para las dos categorías de periféricos son los mismos, pero las señales eléctricas son diferentes. Por lo tanto, los periféricos necesitan ser identificados (mediante los símbolos creados para tal fin) para no dañarlos.

Estándares SCSI

Los estándares SCSI definen los parámetros eléctricos de las interfaces de entrada/salida. El estándar SCSI­1 de 1986 definió los comandos estándar para el control de los periféricos SCSI en un bus con una frecuencia de 4,77 MHz con un ancho de 8 bits, lo que implicaba que era posible alcanzar velocidades de 5 MB/s.

Sin embargo, un gran número de dichos comandos eran opcionales, por lo que en 1994 se adoptó el estándar SCSI­2. Éste define 18 comandos, conocidos como CCS (Conjunto de comandos comunes). Se han definido varias versiones del estándar SCSI­2:

  • El SCSI­2 extendido, basado en un bus de 16 bits (en lugar de 8), ofrece una velocidad de 10 MB/s
  • El SCSI­2 rápido es un modo sincrónico rápido que permite un aumento de 5 a 10 MB/s para el estándar SCSI y de 10 a 20 MB/s para el SCSI­2 extendido (denominado SCSI­2 extendido rápido).
  • Los modos Rápido­20 y Rápido­40 duplican y cuadriplican dichas velocidades respectivamente.

El estándar SCSI­3 incluye nuevos comandos y permite la unión de 32 periféricos, así como una velocidad máxima de 320 MB/s (en modo Ultra­320). El siguiente cuadro resume las características de los diversos estándares SCSI:

Discos Duros SAS

Serial Attached SCSI o SAS, es una interfaz de transferencia de datos en serie el cual es sucesor del disco duro SCSI, aunque sigue utilizando comandos SCSI para interaccionar con los dispositivos SAS. Aumenta la velocidad y permite la conexión y desconexión en caliente.

Una de las principales características es que aumenta la velocidad de transferencia al aumentar el número de dispositivos conectados, es decir, puede gestionar una tasa de transferencia constante para cada dispositivo conectado, además de terminar con la limitación de 16 dispositivos existente en SCSI, es por ello que se vaticina que la tecnología SAS irá reemplazando a su predecesora SCSI.

Además, el conector es el mismo que en el interfaz SATA y permite utilizar estos discos duros, para aplicaciones con menos necesidad de velocidad, ahorrando costos. Por lo tanto, los discos SATA pueden ser utilizados por controladoras SAS pero no a la inversa, una controladora SATA no reconoce discos SAS.

Está diseñado para permitir mayores tasas de transferencia y ser compatible con SATA (Serial ATA), y permite hasta 16384 dispositivos.

Estructura física del Disco Duro Mecánico

Las principales partes que conforman un disco duro son:

  • Las Pistas
  • Los Sectores
  • Los Cilindros
  • Los Clusters

Pistas

Un pista o track se puede entender como una circunferencia del disco duro

Sector

Un sector es cada una de las subdivisiones que conforman una pista, por lo regular el tamaño estándar de un sector es de 512 Bytes.

Cilindro

Un cilindro esta conformado por la agrupación de varias pistas alineadas verticalmente, las cuales simulan un cilindro.

Cluster

Un cluster es una trozo de longitud de pista, comúnmente conformado por varios sectores.

Estructura física del Disco Duro Solido

Comúnmente conocido con el nombre de disco duro solido o SSD (Solid State Drive) es una unidad de estado sólido que contiene chips de memoria NAND conectados a una placa con una interfaz SATA. Contiene dos apartados de memoria, la primera es para guardar la información aunque la corriente eléctrica sea nula y el segundo apartado con menor capacidad de memoria funcionando de caché, pues es una memoria volátil (necesita de la corriente eléctrica para mantener la información) que acelera los accesos a la memoria.
La velocidad para almacenar información es superior a un disco duro mecánico pero la falla gradual de celdas individuales dañadas provoca el descenso de su rendimiento. Para compensar incluyen más espacio de almacenamiento del anunciado.

Estructura Lógica del Disco Duro

La estructura lógica de un disco duro esta compuesta principalmente por

  • El Master Boot Record
  • Las particiones del Disco

Master Boot Record (MBR)

El Master Boot Record es el sector de arranque que contiene la tabla de particiones. El Sector de Arranque o a veces también llamado bloque de arranque es un sector del disco duro que contiene el código de arranque de un Sistema Operativo, el Sector de Arranque por lo general esta localizado en el primer cilindro de la primera cabeza del disco duro en el primer sector (Cylinder, Head, Sector ­­­> 0,0,1) y es el encargado de inicializar el BIOS (Basic Input­Output System) de la computadora o servidor para preguntar si existe un sistema operativo existente en el sistema. Una vez que el BIOS verifica si existe un Sistema Operativo Instalado en el sistema , pasa el control de nuevo al MBR , el cual se definen las particiones primarias del Disco Duro. La tabla de particiones es la encargada de almacenar toda la información referente a las distintas particiones existentes del disco duro como son:

  • El Tamaño de la partición
  • El Formato de la particiones
  • El Sector de Inicio de la partición
  • Si es arrancable o boteable la partición
  • En la practica, el Master Boot Record es de 512 bytes.

Particiones Del Disco Duro

Las particiones de un disco duro pueden ser considerados como los trozos en los cuales esta dividido el disco duro. La finalidad de particionar un disco duro radica en la funcionalidad de tener varios sistemas operativos instalados en un mismo disco duro, claro esta que cada sistema operativo trabaja con su respectivo sistema de archivos, termino del que hablaremos en el siguiente tema.

Un disco duro solo puede soportar dos tipos de particiones:

Particiones Primarias

Es la primera y la mas importante, cualquier disco duro que se vaya a usar para almacenar un sistema operativo, forzosamente debe tener una partición de este tipo, pues son estas las encargadas de arrancar el sistema operativo, así como de almacenar el MBR y las tablas de particiones.

Particiones Extendida

Es otro tipo de partición que actúa como una partición primaria; sirve para contener infinidad de unidades lógicas en su interior. Fue ideada para romper la limitación de 4 particiones primarias en un solo disco físico. Solo puede existir una partición de este tipo por disco, y solo sirve para contener particiones lógicas. Por lo tanto, es el único tipo de partición que no soporta un sistema de archivos directamente.

Particiones Lógicas

Ocupa un trozo de partición extendida o la totalidad de la misma, la cual se ha formateado con un tipo específico de sistema de archivos (ext3, HPFS, NTFS) en el cual se instalara algún sistema operativo.

Nomenclatura de los discos duros en GNU/Linux

En Linux, los discos físicos son listados y representados dentro de la carpeta /dev

Recordemos: Para ser identificados, el kernel les agrega un identificador el cual comienza con hd para el caso de discos IDE o sd para el caso de discos PATA o SCSI. Adicionalmente a cada uno de estos identificadores se les agrega una letra del alfabeto para identificar los discos maestros de los esclavos.

Identificador del disco duro Dispositivo lógico
hda Maestro primario
hdb Esclavo secundario
hdc Maestro primario
hdd Esclavo secundario
sda Primer disco SATA o SCSI
sdb Segundo disco SATA o SCSI
Última actualización: septiembre 24, 2018

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