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Introducción y análisis a dispositivos de almacenamiento magnético (y II)

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Viene de Introducción y análisis a dispositivos de almacenamiento magnético (I)
III. Discos Duros

Figura 3 Imagen interior de un Disco DuroFigura 3 Imagen interior de un Disco Duro [7]

Al observar un disco duro por fuera, se ve una caja completamente sellada que lo único que deja ver es una tarjeta electrónica con un puerto de comunicación, una conexión para fuente y, en algunos casos, algunos pines de opciones configurables. Sin embargo, al ingresar al disco duro vamos a encontrar 2 partes que llaman especialmente la atención. Un conjunto de discos brillantes, concéntricos y equidistantes y fijos entre si a un eje; y unos brazos que se ajustan entre los discos y parecen tocar por encima de la superficie de los discos. Estos brazos también están fijos entre si, equidistantes y llegan a un mismo eje.

Las partes que componen un disco duro son principalmente (ver figura 3) los platos, discos identificados anteriormente; las cabezas, al final de los brazos que están entre los platos, con una distancia a la superficie de magnitudes inferiores a las del cabello humano y 2 por cada plato, una por cada cara; las pistas, una porción radial del plato; los cilindros, un conjunto de pistas en la misma ubicación radial en todos los platos. Similar a un corte transversal a todos los platos; los sectores, una subdivisión angular de las pistas. La información es guardada en los platos, cada 512 bytes (típicamente) es representado en un sector y se le asigna una dirección de memoria. Estos giran a una velocidad definida. La manera consecutiva de la información es definida por el sistema de archivos, parte del disco que se hablará más adelante. Las cabezas sirven para leer y escribir la información en los sectores, esta puede saltar entre pista y pista con precisión y son construcciones diminutas, realizadas con tecnología VLSI.

Figura 4 Imagen interior de un Disco DuroFigura 4 Imagen interior de un Disco Duro [9]

La capacidad de un disco duro está en función de las cabezas, los cilindros, los sectores y una constante definida por el tamaño del sector, típicamente 512 bytes. Sin embargo, la capacidad puede variar por sectores defectuosos, espacios reservados para el sistema o información necesaria para el mismo disco duro. Existe físicamente una medida que se utiliza más que todo para comparar las tecnologías.  y expresa cuánto almacenamiento se puede dar por pultada cuadrada de la manera en que se construyeron los platos. Es usado como referente de avance entre tecnologías retirando la necesidad de hacer conversiones entre diferentes tamaños de discos.

Antiguamente se utilizaba un método de memoria llamado CHS que utilizaba 3 valores en el disco duro, el cilindro, la cabeza y el sector. De esta manera, cualquier sector del disco duro podía ser accedido conociendo estos 3 valores. Sin embargo, la memoria utilizada para almacenar estas 3 variables era limitada y se le hacía un uso innecesario, y cuando la capacidad de los discos empezó a incrementar, llegó un punto donde este límite no permitía leer en discos duros de más de 7.9 Gb. Por esta razón se creó un nuevo método de acceso a memoria llamado Logical Block Address (LBA). En este tipo de direccionamiento se le asigna un valor único a cada sector del disco, sin importar el cilindro o la cabeza a la que pertenezca. Este método es aún utilizado y ha permitido incrementar el tamaño de los discos considerablemente. En [8] se puede encontrar información adicional sobre acceso a memoria.

Un computador cuenta con un integrado que se llama la BIOS, encargada de almacenar la información de reloj, configuración avanzada de hardware y los pasos a seguir al encender el sistema. Cualquier medio, incluso la red, puede iniciar un sistema operativo; no obstante, el medio debe contener una secuencia de arranque válida, de lo contrario no podrá ubicar los archivos necesarios para que se cargue correctamente el sistema. Este proceso se le conoce como Booting y las instrucciones como Boot Code.

Los sectores de un disco duro deben ser agrupados en volúmenes. El objetivo de un volumen es hacer ver un conjunto de sectores como consecutivos, sea o no esta la realidad. Por medio de los volúmenes podemos hacer que un disco duro parezca varios en un sistema operativo, o que varios discos duros sean unidos como si conformaran uno de gran tamaño o con redundancia de datos para evitar perdidas. El ejemplo más cercano se encuentra en los sistemas operativos de Microsoft. Donde se observan unidades nombradas diferentes con una letra. Como la unidad C, D, E. Algunas de estas corresponden a otros medios de almacenamiento, y otras a diferentes volúmenes de un mismo medio. En ocasiones se tiende a confundir el volumen con la partición. Sin embargo hay una diferencia grande y es que en una partición es estrictamente necesario que todos los sectores sean consecutivos, mientras que en el volumen no. Por lo tanto un volumen organiza los datos para que una partición pueda tener sentido.

En las arquitecturas actuales de procesadores (i386 e i864) se utiliza un sistema de particionamiento llamado DOS. Existen también otros como el antiguo de Apple y algunos pensados para arquitecturas de redes, pero están por fuera del alcance de este artículo. Al inicio del disco siempre se encuentra la información referente a los volúmenes y al arranque habladas anteriormente. El uso de la memoria está organizado de manera que primero se presenta el Boot Code, seguido de 4 entradas a una tabla de particionamiento. En esta entrada se encuentran especificados el sector inicial y el sector final, si el direccionamiento es CHS, o el sector inicial y el tamaño, si el direccionamiento es LBA. De esta manera el Boot Code identifica la partición que tiene el sistema operativo en su tabla de particionamiento y entrega el arranque a dicha partición. Sin embargo, al sólo haber espacio para 4 entradas, se hizo necesario crear 4 tipos de particiones: partición primaria de sistema de archivo, partición primaria extendida y partición segundaria de sistema de archivo y partición segundaria extendida. Las particiones de sistemas de archivo son pensadas para contener sistemas operativos e información. La partición primaria extendida permite almacenar particiones segundarias, sin importar el límite de las 4 particiones en el MBR. De esta manera se pueden crear la cantidad de particiones que se quiera, utilizando una partición segundaria de sistema de archivo para los datos seguido de una partición segundaria extendida que permite nuevamente una nueva partición segundaria de sistema de archivos y así sucesivamente. Esto es evidente al observar la figura 5.

Figura 5 Imagen interior de un Disco DuroFigura 5 Imagen interior de un Disco Duro [8]

Una vez creada las particiones, los archivos deben ser almacenados e identificados de alguna manera. El sistema de archivos es lo que se crea al darle formato a una unidad. Aunque para muchas personas esta operación sólo implica borrar los archivos, lo que realmente está ocurriendo es que se están creando las estructuras de datos necesarias para guardar los archivos, crear las carpetas y poder ubicarlos en el disco duro. Aunque todos los sistemas de archivos son diferentes, se puede definir un modelo general que puede adaptarse a todos; se identifican 5 partes fundamentales, el sistema de archivos, el contenido, los metadatos, los nombres de los archivos y la aplicación.

El sistema de archivos en si, es una estructura de datos donde se define. En esta parte del modelo no se almacena la información, pero es necesaria para poder reconocer y acceder a esta. Los nombres de los archivos son identificadores únicos, por esta razón no es posible tener 2 archivos con el mismo nombre. Para un nombre de archivo existe una metadata, en esta se encuentran las propiedades de permisos de acceso, fechas de creación y modificación y demás información que se importante para el sistema de archivos. Luego viene el contenido, que ya es la información en sí del archivo, almacenada de alguna manera en los sectores de la partición. No necesariamente estos tres datos se encuentran en el mismo sector de memoria, y por esto es importante tener en cuenta la estructura de datos definida. Por último está la aplicación, que debe tener conocimiento total de dicha estructura, y puede acceder, leer modificar y borrar los datos. Las carpetas son formas adicionales que se crean para facilitar al usuario la organización de los datos. Sin embargo no todos los sistemas de archivo consideran las carpetas de la misma forma.

Entre algunos sistemas de archivos conocidos tenemos el FAT32 y el NTFS de Windows, pero existen gran cantidad de estructuras diferentes que en muchas ocasiones superan el rendimiento de los tradicionalmente usados. Algunos de ellos son ext3, ext4, JFS, RaiserFS, MFS, entre otros.

IV. Y ahora ¿Que pasará?

Los medios de almacenamiento magnético han sido cada vez más desplazados y tienen una tendencia a desaparecer. Recordamos los discos de 3 1/2, los casetes, las cintas de video y demás. En cuanto a discos duros, la nueva tecnología de estado sólido se ha presentado como una opción con grandes ventajas frente a los discos duros. Por ejemplo un SSD cuenta con tiempos de lectura y escritura superiores ya que no tiene un sistema mecánico (el motor y las cabezas) que limita en exceso el sistema; ventaja que también mejora el consumo de potencia.

Sin embargo, hoy en día aún se hacen investigaciones en aumento de la capacidad de almacenamiento en medios magnéticos. Como se observa en [10], se han alcanzado magnitudes de 1000 Gbit/in2, con métodos que involucran investigación en materiales y en tecnología de desarrollo. Por otra parte, se están haciendo investigaciones en una memoria de acceso aleatorio magnética MRAM [11], en donde se mejoran los tiempos de lectura y escritura considerablemente.

Otra ventaja de los discos duros es la relación precio por Gb, en 2011 se tenía aproximadamente 295 exabytes de información en todo el mundo [3], una cantidad que incrementa día a día en cantidades absurdas. Mientras los precios de los discos de estado sólido no sean mejores, la adquisición de discos duros seguirá siendo la mejor opción cuando de cantidad de datos se trata, por ejemplo en servidores o en backups de archivos empresariales.

Aunque la tendencia ha sido a desaparecer, las memorias magnéticas aún tienen mucho que ofrecernos y ha logrado sostenerse durante más de 50 años. Además, la industria de los discos duros tiene bastante por delante, así su uso en computadores portables y de escritorio desaparezca. Por último, los misterios del electromagnetismo han permitido grandes avances en tecnología. Aún es un campo por explorar y que puede traernos sorpresas en el futuro.

Referencias
[1] Z.; Victoria, R. H.; Advances in Magnetic Data Storage Technologies”, Proceedings of the IEEE, vol.96, no.11, pp.1749-1753, Nov. 2008 doi: 10.1109/JPROC.2008.2004308
[2] IBM305Lee Gomes, ”Talking Tech” The Wall Street Journal, Agosto 22, 2006
[3] Martin Hilbert, Priscila López ”The World’s Technological Capacity to Store, Communicate, and Compute Information ”Science 1, pp.60-65, April 2011.
[4] Shan X. Wang, Alexander M Taratorin; ed. 1999, ”Magnetic Information Storage Technology”, Academic Press, San Diego, California, USA
[5] Autor: wdwd, 16 de Julio de 2010, Curva de Histéresis”. Tomada de Wikimedia: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c9/Hysteresiskurve.svg
[6] Autor: 4lex, 31 de mayo de 2004, Sección ”Dominios magnéticos”. Tomada de Wikimedia: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6a/Dominios.png
[7] Autor: Matthew Field, 22 de Mayo de 2008. ”Platos y cabezas de un disco duro”. Tomado de Wikimedia: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5a/Hard_disk_platters_and_head.jpg
[8] Brian Carrier, Ed. Marzo 17 de 2005. ”File System Forensic Analysis”, Addison Wesley Professional
[9] Autor: LionKimbro. Cilindro Cabeza Sector”, Tomada de Wikimedia: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/Cilindro_Cabeza_Sector.svg
[10] Neb, R.; Sebastian, T.; Pirro, P.; Hillebrands, B.; Pofahl, S.; Schafer, R.; Reuscher, B.; , ”Fabricating high-density magnetic storage elements by low-dose ion beam irradiation, Applied Physics Letters , vol.101, no.11, pp.112406-112406-4, Sep 2012
[11] Kent, A.D.; Stein, D.L.; Annular Spin-Transfer Memory Element, ”Nanotechnology, IEEE Transactions on , vol.10, no.1, pp.129-134, Jan. 2011

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