Mantenimiento y Montaje de Equipos Informáticos/Tema 3/Almacenamiento magnético

Índice de Almacenamiento magnético

18:57 25 sep 2023

Índice del «Tema 3»

Tema3: Dispositivos de almacenamiento

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Almacenamiento magnético es una técnica que consiste en la aplicación de campos magnéticos a ciertos materiales capaces de reaccionar frente a esta influencia y orientarse en unas determinadas posiciones manteniéndolas hasta después de dejar de aplicar el campo magnético. Ejemplo: disco duro, cinta magnética.

Disco Duro Magnético

Vídeo de funcionamiento interno de un disco

Un disco duro (en inglés Hard Disk Drive, HDD) es un dispositivo de almacenamiento de datos no volátil que emplea un sistema de grabación magnética para almacenar datos digitales. Se compone de uno o más platos o discos rígidos, unidos por un mismo eje que gira a gran velocidad dentro de una caja metálica sellada no herméticamente. Sobre cada plato, y en cada una de sus caras, se sitúa un cabezal de lectura/escritura que flota sobre una delgada lámina de aire generada por la rotación de los discos.

Tecnología

La grabación perpendicular permite mayores densidades de almacenamiento alineando los polos de los elementos magnéticos (que representan bits de información), perpendicularmente a la superficie del disco de grabación, como se muestra en el dibujo. Alinear los bits de esta forma ocupa menos espacio del necesario que si se hace longitudinalmente, por lo que pueden ser agrupados, incrementando el número de elementos magnéticos que pueden ser almacenados en una área dada.

El principal reto a la hora de diseñar medios de almacenamiento magnéticos es mantener la magnetización del medio (que es como se almacena la información) a pesar de las fluctuaciones térmicas. Si la energía térmica disponible es demasiado alta en un punto determinado, habrá energía suficiente para eliminar esta magnetización, con lo que la información almacenada en dicho punto se perderá. Ya que la energía necesaria para eliminar la magnetización de una determinada región magnética es proporcional al tamaño de dicha región (cuanto mayor sea más estable y por tanto más inmune a la temperatura), hay un tamaño mínimo para estas regiones magnéticas a una determinada temperatura. Si el tamaño cae por debajo de este mínimo, la región podría ser desmagnetizada en cualquier momento por esta energía térmica disponible. La grabación perpendicular mantiene el mismo tamaño de región que en el estándar pero organiza las regiones magnéticas de una forma más eficiente.

Generalmente, los discos duros deben trabajar desde los 37 ^oC hasta los 46 ^oC; a temperaturas fuera de este rango, se va degradando el disco; hasta los 20^oC o a partir de 60 ^oC la información se pierde (habría que consultarlo en la ficha técnica del fabricante del disco). Para un uso intensivo del disco (clonaciones, usos empresariales, copias de seguridad, etc) se debería refrigerar según un estudio en Google Otras consideraciones a tener en cuenta para su durabilidad es el nivelado del disco y evitar las vibraciones.

Estructura física

Componentes de un **disco duro**. De izquierda a derecha, fila superior: tapa, carcasa, plato, eje; fila inferior: espuma aislante, circuito impreso, cabezal de lectura / escritura, actuador e imán, tornillos.

Dentro de un disco duro hay uno o varios discos (de aluminio o cristal) concéntricos llamados platos (normalmente entre 2 y 4), y que giran todos a la vez sobre el mismo eje, al que están unidos. El peine está formado por un conjunto de brazos paralelos a los platos, alineados verticalmente ( en forma de peine) y que también se desplazan de forma simultánea, en cuya punta están las cabezas de lectura/escritura. Por norma general, hay una cabeza de lectura/escritura para cada superficie de cada plato. Los cabezales se mueven hacia el interior o el exterior de los platos, lo cual combinado con la rotación de los mismos permite que los cabezales puedan alcanzar cualquier posición de la superficie de los platos.

(A) Pista (color rojo), (B) Sector GEOMÉTRICO (color azul) , (C) Sector (color morado), (D) Clúster

Es necesaria una cabeza de lectura/escritura para cada cara. Si observas el dibujo Cilindro-Cabeza-Sector de la izquierda, a primera vista se ven 4 brazos, uno para cada plato. Cada brazo tiene 2 cabezas: una para leer la cara superior del plato, y otra para leer la cara inferior. Por tanto, hay 8 cabezas para leer 4 platos. Las cabezas de lectura/escritura nunca tocan el disco, sino que pasan muy cerca (hasta a 3 nanómetros), debido a una finísima película de aire generada por el plato al girar. Si alguna de las cabezas llega a tocar una superficie de un plato, causaría muchos daños en él, rayándolo gravemente, debido a lo rápido que giran los platos (uno de 7.200 revoluciones por minuto se mueve a 129 km/h).

Vídeos del funcionamiento de un disco magnético:
• Por dentro
• Fabricación
• Ejemplo

Direccionamiento

Hay varios conceptos para referirse a zonas del disco:

Plato: cada uno de los discos que hay dentro del disco duro.
Cara: cada uno de los dos lados de un plato
Cabeza: número de cabezales.
Pistas: una circunferencia dentro de una cara; la pista 0 está en el borde exterior.
Cilindro: conjunto de varias pistas; son todas las circunferencias que están alineadas verticalmente (una de cada cara).
Sector: cada una de las divisiones de una pista. Todos tienen el mismo tamaño. El tamaño estándar actual 4096 bytes.^[1]
Clúster: es un conjunto contiguo de sectores de un disco.
Sector geométrico: es un conjunto de sectores de pistas continuas (si el plato fuera una pizza, el sector geométrico sería una porción)

El LBA (direccionamiento lógico de bloques) consiste en dividir el disco entero en sectores y asignar a cada uno un único número. Este direccionamiento es el que actualmente se usa.

Problemas típicos

Calcule la capacidad total (tamaño) de un disco duro con las siguientes características: 16 cabezas, 1000 cilindros, 128 sectores/pista y 4000 bytes/sector.

Si tiene 16 cabezas, tiene 16 caras (8 platos), cada cara tiene 1000 pistas (que conforman los 1000 cilindros), por tanto:

número de pistas totales

=16\ caras\ *\ 1000\ pistas=16000\ pistas

en todo el disco duro (16 caras).

Cada pista contiene 128 sectores, por tanto:

total de sectores en el disco duro

=128\ *\ 16000\ =\ 2.048.000\ sectores

Cada sector contiene 4000 bytes, por tanto,

total de bytes en el disco duro

=\ 2.048.000\ *\ 4000\ =\ 8.192.000.000\ Bytes\ =\ 8,19\ GB

$Capacidad\ =\ {\begin{bmatrix}n{\acute {u}}mero\ platos*2\\n{\acute {u}}mero\ cabezas\\n{\acute {u}}mero\ caras\end{bmatrix}}*\ n{\acute {u}}mero\ de\ sectores*{\begin{bmatrix}n{\acute {u}}mero\ cilindros\\n{\acute {u}}mero\ pistas\ en\ cada\ cara\ \end{bmatrix}}*\ tama{\tilde {n}}o\ del\ sector$

Características

Con la tecnología NCQ se accede a los sectores con un menor número de rotaciones, y por tanto, se obtiene un menor tiempo de latencia medio

Las características que se deben tener en cuenta en un disco duro son:

Tiempo medio de búsqueda (milisegundos): Tiempo medio que tarda la cabeza en situarse en la pista deseada; es la mitad del tiempo empleado por la cabeza en ir desde la pista más periférica hasta la más central del disco.

Velocidad de rotación (RPM): Revoluciones por minuto de los platos. A mayor velocidad de rotación, menor latencia media.

Latencia media (milisegundos): Tiempo medio que tarda la cabeza en situarse en el sector deseado; es la mitad del tiempo empleado en una rotación completa del disco.

Tiempo medio de acceso(milisegundos): es la suma del Tiempo medio de búsqueda (situarse en la pista) + la Latencia media (situarse en el sector).

Tasa de transferencia (MB/s): Velocidad a la que el disco puede transferir la información a la computadora una vez que el cabezal está situado en la pista y sector correctos. Puede ser velocidad sostenida o de pico (a través del buffer). Tipos:
- Tasa de transferencia de lectura, en este caso se trata de la velocidad a la que transfiere un fichero desde el disco magnético a cualquier programa. Por ejemplo: ver una película alojada en un disco magnético.
- Tasa de transferencia de escritura, en este caso se trata de la velocidad a la que transfiere un fichero desde cualquier programa al disco magnético. En este caso, suele ser más baja puesto que después de escribir los datos, se suelen comprobar si están bien escritos. Por ejemplo: al guardar datos desde el Writer u otro programa al disco magnético.

Tiempo de lectura/escritura: Tiempo medio que tarda el disco en leer o escribir nueva información. Depende de la cantidad de información que se quiere leer o escribir.

Buffer: Es una memoria de tipo electrónico dentro del disco duro que almacena los datos recién leídos y/o escritos, reduce el uso del disco y las lecturas o escrituras repetitivas de datos y favorece la rapidez de acceso a los datos. Se puede aplicar la tecnología NCQ que permite a la unidad determinar el orden óptimo en que se debe recuperar las solicitudes pendientes. Esto puede, como en la imagen, permitir que la unidad cumpla con todas las solicitudes en un menor número de rotaciones y por lo tanto en menos tiempo.

Interfaz: Medio de comunicación entre el disco duro y la computadora. Según la interfaz y su versión, puede variar mucho la tasa de transferencia máxima del interfaz. Puede ser IDE/ATA, SCSI, SATA, USB, Firewire, Serial Attached SCSI.

LA TASA MÁXIMA DE TRANSFERENCIA SOSTENIDA SE SUELE CONFUNDIR CON LA TASA MÁXIMA DE TRANSFERENCIA DE LA INTERFAZ (solo la electrónica del disco) muchos comerciantes incluyen esta tasa (del interfaz) en lugar de la la tasa de transferencia sostenida del disco (la real). Muchas tiendas muestran erróneamente las velocidades de transmisión de datos. Muestran la velocidad que les interesa (~~6Gb/s~~). en TOM's HARDWARE podemos ver la velocidad de transferencia de datos REAL sostenida (127.1MB/s).

Problemas típicos

Se utiliza el Sistema Internacional de Unidades (o SI) pues es usado en las especificaciones de las fichas técnicas de discos de almacenamiento.

Cambio de unidades

Tenemos una interface de disco a 6Gb/s. ¿Cuántos MB/s serán?

Como 1 byte = 8 bits, entonces 1 gigabit(Gb) es 1 gigabyte(GB) / 8; resultando 6Gb/s = 0.75GB/s.

Con regla de tres:

De bits a Bytes

\left.{\begin{array}{ccc}8bits&\longrightarrow &1Byte\\6Gb&\longrightarrow &X\end{array}}\right\}

X={\cfrac {6Gb\cdot 1B}{8b}}={\cfrac {6}{8}}GByte(GB);

Como 1000MB = 1GB, entonces 0.75 GigaBytes(GB) es 0.75 * 1000 MegaBytes (MB); resultando 6Gb/s = 750 MB/s

De GB a MB

\left.{\begin{array}{ccc}1GB&\longrightarrow &1000MB\\{\cfrac {6}{8}}GB&\longrightarrow &X\end{array}}\right\}

X={\cfrac {{\cfrac {6}{8}}\cdot 1000}{1}}=750MByte(MB);

Tasas de transferencia y tamaños de ficheros

Tenemos un fichero de 1 GB en la memoria RAM y el disco tiene una tasa de transferencia sostenida de 100 MB/s de escritura en disco, 150 MB/s de lectura en disco, una tasa de transferencia de la interfaz de 2GB/s y Tiempo Búsqueda 2ms . ¿Cuánto tiempo tardará en guardarlo (transferirlo) en el disco?

Como 1000MB = 1GB, el fichero tendrá un tamaño de 1 * 1000 = 1000MB

Por tanto solo nos queda saber el tiempo, velocidad transferencia = tamaño fichero / tiempo; por tanto, 100 = 1000 / tiempo; despejando vemos que tiempo = 1000 / 100 = 10 segundos(s)

Con regla de tres:

\left.{\begin{array}{ccc}100MB&\longrightarrow &1s\\1000MB&\longrightarrow &X\end{array}}\right\}

X={\cfrac {1s\cdot 1000MB}{100MB}}=10\;segundos

Tenemos un fichero de 1 GB en el disco que queremos volcar en la memoria RAM, tiene una tasa de transferencia sostenida de 100 MB/s de escritura en disco, 150 MB/s de lectura en disco y una tasa de transferencia de la interfaz de 2GB/s . ¿Cuánto tiempo tardará en transferirlo a la memoria RAM del computador?

Como 1000MB = 1GB, el fichero tendrá un tamaño de 1 * 1000 = 1000MB

Por tanto solo nos queda saber el tiempo, velocidad transferencia = tamaño fichero / tiempo; por tanto, 150 = 1000/tiempo; despejando vemos que tiempo = 1000/150 = 6.66 segundos(s)

Con regla de tres:

\left.{\begin{array}{ccc}150MB&\longrightarrow &1s\\1000MB&\longrightarrow &X\end{array}}\right\}

X={\cfrac {1s\cdot 1000MB}{150MB}}=6.66\;segundos

Cambio de unidades

Tenemos un disco que gira a 22500 revoluciones en 180 segundos. ¿Cuál es su velocidad de rotación en RPM?

\left.{\begin{array}{ccc}3minutos(=180s)&\longrightarrow &22500rev\\1minuto&\longrightarrow &X\end{array}}\right\}

X={\cfrac {1\cdot 22500}{3}}=7500\;RPM

Cálculo de latencia media

Tenemos disco que gira a 7500RPM. ¿Cuál es su latencia media?

Primero: calculamos el tiempo que tardará una vuelta:

\left.{\begin{array}{ccc}7500rev&\longrightarrow &60s(1min)\\1rev&\longrightarrow &Latencia\end{array}}\right\}

Latencia={\cfrac {1rev\cdot 60s}{7500rev}}=0,008s=8ms;

Segundo: calculamos la latencia media:

LatenciaMedia={\cfrac {Latencia}{2}}=0,004s=4ms;

Cálculo del tiempo de búsqueda medio

Tenemos disco cuya cabeza tarda 0.002 segundos en ir de la pista más alejada a la más cercana al eje. ¿Cuál es su tiempo medio de búsqueda?

Calculamos el tiempo que tardará una vuelta:

TiempoMedioBusqueda={\cfrac {0,002}{2}}=0,001s=1ms;

Cálculo del Tiempo de Acceso

De los problemas anteriores, extrae el tiempo medio de acceso si fuera el mismo disco

Simplemente se suman los tiempos medios:

Tiempo Medio Acceso = Latencia Media + Tiempo Medio Búsqueda

Tiempo Medio Acceso = 0.004 + 0.001 s = 0.005 s = 5 ms;

Cálculo del Tiempo Total de la transferencia

De los problemas anteriores, extrae el total de la transferencia del archivo

Simplemente se suman los tiempos medios:

Tiempo Transferencia Total = Tiempo Transferencia Fichero + Latencia Media + Tiempo Medio Búsqueda = 10 + 0.004 + 0.001 s = 10.005 s;

Factores de Forma más usados

El "factor de forma" de los discos duros, heredó sus dimensiones de las disqueteras (existen dos tipos). Pueden ser montados en los mismos chasis.

3,5 pulgadas es el más usado para las cajas de computadores tipo y servidores actuales.
2,5 pulgadas es frecuentemente usado por los discos duros de los portátiles. Hay que tener cuidado con la altura de los discos pues en algunos portátiles no caben. Se recomendaría leer en el libro de instrucciones las dimensiones exactas que soporta el portátil o quitar el disco instalado y medir su altura.

Web comparativa de rendimientos de discos duros magnéticos

En la web Pass Mark, podemos ver los rendimientos de los discos duros magnéticos de distinto factor de forma. Miles de usuarios mediante aportaciones desinteresadas con un software de prueba colaboran en el test. Otra web UserBenchmark realiza una comparativa similar Resulta interesante consultarla antes de adquirir un disco duro, aunque conviene consultar la fecha. Hay que tener en cuenta que no figuran todos los modelos.

Fabricantes de discos duros

Western Digital que compró la división de almacenamiento de Hitachi (2012) y Samsung (2011), HGST (2015), Seagate, Quantum Corp., Maxtor.
Toshiba que compró la división de almacenamiento de Fujitsu.

↑ [1]Seagate: Transición a las unidades de disco duro con sectores de Advanced Format de 4KB

[1] [1]Seagate: Transición a las unidades de disco duro con sectores de Advanced Format de 4KB

[1]