Indice1. Orígenes de los discos magnéticos 2. Disco Rígido 3. Lectura Y Grabación 4. Organización por clusters y Sl
1. Orígenes de los discos magnéticos
Desde la creación de los dispositivos de almacenamiento de información hasta la actualidad ha habido un largo proceso de evolución, desde las tarjetas perforadas, pasando por la cinta perforada, la cinta magnética, Ferrita, tambor magnético y llegando finalmente al disco magnético. El primer dispositivo de almacenamiento de información fue la tarjeta perforada de Babagge, pero este tenía un inconveniente que consistía en que no era reutilizable, su sucesor (sin contar la cinta perforada, etc.) fue la cinta magnética que podía ser reutilizada pero no era de acceso aleatorio (para leer un bit se debían leer todos los anteriores), finalmente, se supero este problema con la aparición de los discos magnéticos, que permiten su reutilización y acceder a cualquier dato sin tener que leer los anteriores.
Características generales de los discos magnéticos Se considera un dispositivo de almacenamiento de información magnético todo aquel que se base en las propiedades magnéticas de algunos materiales. Un disco magnético esta constituido por un superficie metálica, en el caso de los hard disks o plástica en el caso de los floppy disks, recubierta por un capa de un material magnetizable, los datos se almacenan cambiando el sentido del campo magnético de dicha sustancia, y una cabeza de lectura y grabación por cada superficie de disco (actualmente los discos duros vienen en paquetes de varios platos), esta cabeza esta conformada por un electroimán que puede inducir un campo magnético o detectar el sentido del cambio magnético. La cabeza se mueve radialmente mientras que el disco gira en un sentido. La información se almacena en pistas concéntricas que a su vez se dividen en sectores que a su vez se dividen en bloques.
Los discos pueden estar grabados en codificaciones diferentes: FM: Modulación de frecuencia MFM: Modulación de frecuencia modificada MF2M: Modulación de frecuencia doblemente modificada
Dependiendo de la codificación con la que haya sido grabado el disco será de alta o baja densidad. Será de alta si fue grabado en MFM o MF2M y baja si fue grabado en FM. Al guardar datos en un disco magnético, los bits se pueden orientar horizontal o verticalmente, es decir, grabarlos en la misma pista en el mismo plato o grabarlos en pistas de distintos platos, esto solo es posible en los discos rígidos ya que son los únicos que consisten en paquetes de varios platos.
Cuanto más lejos este la pista del centro la densidad de grabación será menor, asimismo, cuanto más cerca del centro este una pista la densidad de grabación será menor, esto quiere decir que en las pistas exteriores los bits estarán más dispersos y en las pistas interiores más apiñados, pero esto no influye en la capacidad del disco. Para aumentar la capacidad del disco, hablando de densidad, se debería aumentar la densidad radial, es decir las pistas por pulgada.
La unidad funcional de lectura o escritura es el sector. Entre sector y sector existen unas separaciones llamadas "gaps". Para poder localizar un dato se debe conocer el plato, la cara, el cilindro (conjunto de pistas concéntricas que ocupan la misma posición en cada plato) y el sector.
El tiempo que toma leer un dato en n disco magnético tiene dos componentes. El tiempo de posicionamiento, el intervalo de tiempo que toma posicionar la cabeza sobre la pista correspondiente y el tiempo de latencia, el tiempo que tarda el disco en ubicar el sector debajo de la cabeza.
Los discos rígidos giran a tal velocidad que si tan solo una pequeña partícula de polvo colisionará con la cabeza al estar en la superficie del disco dañaría severamente la cabeza y el plato. Este problema fue solucionado con la tecnología Winchester que consistía en platos herméticamente cerrados. En los discos flexibles las fallas son mucho más frecuentes ya que la cabeza para leer presiona contra la superficie.
Existen dos tipos de unidades de cabeza de lectura/escritura para discos rígidos. Un tipo de cabeza consiste en un conjunto de cabezas con un sistema de movimiento individual para cada cara permitiendo acceder a distintas pistas simultáneamente. El otro tipo consiste en un conjunto de cabezas (una por cada cara) que se mueven al unísono, pudiendo acceder a una sola pista a la vez. Aunque el primer tipo es mucho más rápido que el segundo, dicho mecanismo es también mucho más costoso y este hecho causó que se dejaran de fabricar.
Actualmente los discos rígidos vienen formateo físico o de bajo nivel realizado por el fabricante, cada cara tiene un número de pistas y sectores predeterminado. Lo que se denomina formateo físico o de alto nivel es realizado por el usuario mediante el comando format este crea en el disco el área de sistema, el registro de arranque (boot sector), la FAT (File Alocation Table) y el directorio raíz (root directory). Las diferencias con los discos floppy es que estos últimos son formateados física y lógicamente en un solo paso, y que un disco flexible no se puede particionar.
Un disco rígido comienza a girar cuando se enciende el sistema y no se detiene hasta que se apague, cuando esto sucede, la cabeza se mueve hacia la pista más exterior donde se posa al dejar de girar el disco.
Tipos de discos magnéticos Dentro de los discos magnéticos existen varios tipos diferentes: Discos flexibles Discos intercambiables Discos fijos Discos con tecnología Winchester
El cuerpo del disco esta construido en los discos rígidos por aluminio o cristal cerámico. Las pistas son circulares y cada una de estas esta dividida en sectores. Cuando un disco rígido graba lo que hace es: Mueve los brazos hacia el sector que desea, y luego a través de una bobina y de un núcleo ferromagnetico que poseen los cabezales genera un campo magnético de polaridad reversible s-n o n-s que imanta la pista.
La distancia entre el cabezal y un disco es demasiada pequeña. Una bobina de alambre arrollada sobre el cabezal genera dicho campo magnético al circular por ella una corriente eléctrica. Las pistas de un disco son escritas o leídas por el mismo cabezal. El cabezal queda quieto siempre gira el disco. Cuando se mueve el brazo de la cara de arriba también se mueve el brazo de la cara de abajo hacia la misma pista. Solo una cabeza se puede usar por vez.
Según como este cada partícula magnetizada ( N-S , S-N ) dependerá si hay un 0 o 1. El proceso de lectura es inverso al de escritura, va girando y a medida que encuentra cambio de polarización cambia la corriente que mandara. Ej : N – S , N – S , S – N , S – N es 0,0,1,1.
Al moverse las dos cabezas juntas se logra leer o escribir mas rápido ya que el cabezal se posicionan en el mismo lugar de distintas caras y sin moverse el brazo (que es lento porque es mecánico ) lee o escribe mas datos en el mismo tiempo. Las pistas o cilindros se enumeran del exterior para el centro. No se dice pista 20 si no pista del cilindro 20. Para leer algún dato debe usarse tres números: El del sector, el de la cabeza y el del cilindro. Todas las pistas de un disco guardan la misma cantidad de bits y tienen la misma numero de sectores. En las pistas mas internas los bits están mas apretados que en las externas. Ya que en las externas en diámetro es mayor.
Formateo Cuando compramos un diskette este viene en blanco, nosotros debemos formatearlo u organizarlo. Esto quiere decir que debemos generar los sectores que conforman cada pista con su información e información identificatoria de comienzo y final, y entre ambas el campo reservado para Los datos a escribir.
Luego del comienzo a cada sector se graba el numero de CHS que lo identifica para poder acceder al mismo. Esta grabación inicial se lo denomina "formateo físico" luego del cual se efectúa el "formateo lógico" , que implica escribir en el campo de datos de ciertos sectores, información exclusiva para el uso del sistema operativo. (tabla de particiones, subrrutina de booteo, datos del disco, Fat y directorio raiz).
En el formateo "físico" o de bajo nivel se generan los sectores de cada una de las pistas. Para cada sector de la cabeza escribe los números de CHS (cilindro, Head y Sector ) que sirven para localizarlo e identificarlo, luego reserva un lugar de 512 bytes cuyo contenido se establecerá cuando se escriba el sector.
El formateo físico es cuando el sistema operativo asigna cuanto mide cada sector. Cuando se realiza el formateo lógico se escriben un pequeño numero de sectores con la información que conforma el "área de sistema", este comprende las siguientes estructuras. * Tabla de particiones que permite dividir el disco en particiones ósea partes menores. * Sector de arranque "Boot" esta en el primer sector de cada disco rígido. * Tabla para determinar los clusters de un archivo FAT: Esta en el sector que le sigue al sector de arranque. * Directorio raíz: Esta en sectores que le siguen a la fat.
La tabla de particiones del disco aparece una sola vez en la primera partición, Sectores de booteo, Tablas fat y directorio raíz aparecen en cada partición. El DOS divide los archivos en una cadena de bloques de igual tamaño llamados "Clusters", la Fat es el mapa del área de datos que tiene el dos, en este aparecen numerados los clusters que se pueden usar, indicando para cada uno si esta ocupado o si esta disponible. También dado el numero de un cluster ocupado por un archivo la fat indica cual es el numero del cluster siguiente que el dos le adjudico a ese archivo.
El directorio raíz sirve para saber si un archivo o subdirectorio esta o no almacenado. También indica sus atributos : protegido contra escritura, oculto, lectura/escritura, etc. Tamaño del archivo y fecha de creación. También proporciona al sistema operativo, el numero del primer cluster del archivo buscado, para entrar a la fat y determinar cuales son los clusters que componen ese archivo.
Depende del tamaño de la partición o del disco entero va a variar el tamaño del cluster o cantidad de sectores consecutivos. Ej: Una partición de 128 MB y hasta 255 MB tiene clusters de 4 KB y 8 sectores consecutivos. Esto sirve si uno tiene un archivo de 15 Kb y lo tiene que dividir en sectores de 2Kb necesita 8 clusters si el cluster tendria 8 Kb habría que dividirlo en 2 clusters, esto implica que menos veces tiene que buscar donde esta el sector.
Características propias de disquetes? Como están construidos, protegidos, y se accede a los discos flexibles? Un disco flexible "floppy" consiste en un disco de material plástico, cubierto con una capa de material magnetizable en ambas caras. Están contenidos en un sobre que sirve para protegerlo de polvo, ralladuras, huellas digitales y golpes. Los disquetes son removibles de la disquetera en las que están insertados. Cuando un disquete se introduce en una disquetera, puede ser accedido en cualquiera de las dos caras por la correspondiente cabeza, pero una sola cara será leída o escrita por vez. Mientras no se de una orden de lectura escritura, el disquete no gira y las cabezas no tocan sus caras. Si tal orden ocurre, luego de una espera de casi medio segundo, para que tome velocidad, el disco gira. Solo gira mientras lee o escribe, rozando entonces cada cabeza la pista accedida. Esto, mas las partículas de polvo siempre presentes, hace que la vida útil de un disco flexible común sea corta en comparación con la de un disco rígido.
Se estima que la información almacenada en un disquete puede mantenerse con seguridad en el mismo durante 3 o 4 años, siendo conveniente re-escribirla una vez por año, pues la magnetización de las pistas se va debilitando con el tiempo. Los disquetes de 5 / ¼ pulgadas conocidas como floppys están contenidos en un sobre cuyo interior esta recubierto por una capa de teflon para disminuir los efectos del rozamiento. El sobre presenta aberturas para diferentes fines. Las aberturas de lectura / escritura permiten que, dentro de la disquetera la cabeza correspondiente a cada cara pueda acceder a cualquier pista de la misma. El agujero central servirá para que en la disquetera un eje lo tome y lo haga girar. Si se cubre con cinta adhesiva la mueca de protección contra escritura, no pueden grabarse nuevos datos en los archivos almacenados por accidente o error. En estas condiciones el disquete solo puede ser leído.
Al girar un disquete, cada vez que coincide un agujero existente en el mismo con otro agujero "índice" del sobre, es indicación de comienzo de cualquier pista que se quiera leer o escribir. El disquete 3 ½ pulgadas esta dentro de un sobre de plástico rígido que lo protege mejor del polvo, humo, etc. Este en su parte superior tiene un obturador con resorte, que dentro de la disquetera, se abre para que las 2 cabezas accedan al disco flexible.
Estas mejoras hacen que los disquetes de 3/ ½ duren mas que los de 5/ ¼. La protección contra escritura indebida se realiza con otro obturador de 2 posiciones, deslizable por el usuario. ¿Cómo es una pista y un sector de disquete? La unidad funcional de copia o lectura son los sectores. Así cada vez que se copia de un disco a otro una determinada información, esta se copiara sector a sector. Entre sector y sector existen unas separaciones llamadas GAPS que facilitan el movimiento de la cabeza de lectura escritura. El campo de datos es de 512 bytes, y es de donde se lee o escribe datos o información.
¿Cómo se localiza un sector de disco/disquete y por que se dice que es direccionable?Durante una operación de entrada/salida, el controlador de la unidad de disco o de la disquetera debe recibir tres números: el del cilindro que contiene la pista donde esta ese sector, el de la cabeza (head) que accede a esa pista, y el numero de sector dentro de la pista. Dichos números en ingles conforman un CHS.
En cada unidad existe una cabeza de lectura/escritura para cada cara de un disco. El controlador ordenara activar para escritura/lectura solo la cabeza de la cara indicada, y dará la orden de posicionarla sobre el cilindro seleccionado. Al comienzo de cada sector de un disco están escritos dichos tres números de CHS, formando un numero compuesto, que es su "dirección", necesario para localizarlo, direccionarlo o como quiera decirse. Por esto se dice que un disco/disquete es de acceso direccionable.
¿ Que son los tiempos de posicionamiento, latencia y acceso en un disco o disquete? Para acceder a un sector que esta en una cara de un disco, primero el cabezal debe trasladarse hasta el cilindro que contiene la pista donde se encuentra dicho sector, y luego debe esperarse que al girar el disco ese sector quede debajo de la cabeza. Por lo tanto, deben tener lugar dos tiempos: 1.El brazo con la cabeza correspondiente a esa cara se sitúa en pocos milisegundos directamente sobre el cilindro seleccionado, o sea sobre la pista del cilindro correspondiente a esa cara. 2.Una vez que la cabeza se posiciono sobre dicha pista, los sectores de esta desfilaran debajo de esa cabeza. Cada uno es leído hasta encontrar aquel cuyo numero coincida con el enviado a la controladora, en cuyo caso su campo de datos será escrito o leído. Este se denomina tiempo de latencia.
Como funciona una unidad de disco de 3’5 pulgadas
- Cuando inserta un disco de 3’5 pulgadas en la unidad, este presiona contra un sistema de palancas. Una palanca abre la protección metálica para exponer la galleta, el disco cubierto a cada lado por un material magnético que permite registrar información.
- Otro movimiento de palancas y engranajes mueven dos cabezas de lectura / escritura hasta que casi tocan el disco por ambos lados. Las cabezas, que son electroimanes minúsculos utilizan impulsos magnéticos para cambiar la orientación de las partículas metálicas incorporadas en el revestimiento del disco.
- La tarjeta de circuito impreso de la unidad de disco recibe señales de la placa controladora incluyendo instrucciones e información para escribir en el disco. La tarjeta de circuito impreso traduce las intrusiones en señales que controlan el movimiento del disco y de las cabezas de lectura y escritura
- Si las señales incluyen instrucciones para escribir la información en el disco, la tarjeta de circuito impreso chequea primero para que no es visible ninguna luz a través de una pequeña ventana de protección en una esquina del alojamiento del disco. Si la ventana esta abierta y el rayo de un diodo emisor de luz puede ser detectado por un fotodiodo, la unidad sabe que el disco esta protegido contra escritura y rehusa registrar nueva información.
- Un motor localizado debajo del disco gira un eje que ajusta una muesca en el conector del disco, causando el giro de este
- Un motor mueve un segundo eje que tiene un corte longitudinal en forma de espiral. Un brazo añadido a las cabezas de lectura / escritura queda dentro queda dentro del eje longitudinal en espiral. Cuando el eje vuelve, el brazo se muevo hacia atrás y hacia delante, según la ubicación de las cabezas de lectura / escritura sobre el disco.
- Cuando las cabezas están en la posición correcta, los mismos impulsos eléctricos crean un campo magnético en una de las cabezas para escribir la información ya sea en la superficie inferior o superior del disco. Cuando las cabezas están leyendo información, reaccionan ante campos magnéticos generados por las partículas metálicas en el disco.
Componentes de una unidad de disco flexible
- Mecanismo de sujeción y eyección del sobre protector
- Motor para girar el disco
- Motor "paso a paso" para hacer avanzar de pista en pista (de un cilindro al siguiente) a la armadura que porta las dos cabezas
- Sensores para detectar presencia de disquete, y si esta protegido contra escritura
- Circuitos que constituyen la electrónica de este periférico, para accionar los elementos anteriores, conforme a las señales eléctricas que recibe de la controladora (interfaz) de las disqueteras a través e conductores del bus de conexionado citado
Las señales que llegan de la interfaz a la disquetera ordenan:
- Poner en marcha el motor de giro de la unidad seleccionada
- Posicionar la armadura en un determinado cilindro del disquete
- Seleccionar cual de las dos cabezas se activara
La electrónica puede enviar señales a la interfaz, como:
- Aviso de inicio de pista
- Aviso de escritura protegida
- Aviso que datos leídos son enviados de la interfaz
Si todo esta en orden puede tener lugar la transferencia serie de bits leídos en un sector de un disquete hacia la interfaz (o en sentido contrario en una escritura de un sector) a través de uno de los cables del bus de conexión citado
La interfaz intercambia datos en seria y señales con la electrónica de la unidad de disquete. En una escritura desde memoria y pasando en paralelo a través del bus de datos, llegaran por ADM al port de datos de la interfaz, cada uno de los bytes a escribir. Y en una lectura por dicho port pasaran cada uno de los bytes de datos del sector leído, con un rumbo a la memoria principal, vía el bus. A la controladora le llegan comandos que ordenan escribir o leer un sector, del cual se inician sus números de CHS.
Después de recibir estos comandos, la interfaz realiza las siguientes acciones de control:
- Traduce dichos comandos en señales destinadas a la electrónica de la disquetera. Primero para activar el motor de giro del disquete, y para que el eje del motor "paso a paso" gire n sucesión de ángulos iguales, en correspondencia con los cuales el cabezal pasa de un cilindro a otro, hasta posicionarse en el cilindro ordenado
- Indican a la electrónica de la disquetera el numero de sector buscado. Mientras gira el disquete, una de las dos pistas del cilindro accedido será leída por la cabeza indicada por el comando, hasta localizar el sector buscado. Para la cual, dicha cabeza lee los números identificatorios (CHS) de cada sector que encuentra en la pista que accedió, los cuales son transmitidos a la controladora.
Dado que el campo de datos tiene 512 bytes, puede escribirse un archivo de hasta este tamaño o parte de otro mas grande, pueden escribirse en un sector (no pueden haber mas de un archivo por sector).Para tal fin, los datos a escribir deben llegar a la controladora, debe darse la dirección CHS del sector a escribir y la orden de escritura. La cabeza se posiciona en la pista donde esta el sector a escribir, e ira leyendo el CHS de cada sector hasta que el CHS que lea se el mismo que el de la dirección que se ha dado para que se escriba. El tiempo que tarda desde que se dio la dirección hasta que se la encontró, depende del tiempo de posicionamiento y del tiempo de latencia. En la zona de datos que sigue se escribirán los bits que le envía la controladora, mientras la cabeza pasa por dicha zona. Esto lo hará magnetizando las partículas del material magnetizable para un lado o para otro.
Para leer los datos así escritos, llegaran a la controladora los números de CHS de ese sector, y la orden de lectura. Una vez localizado este sector (de la misma manera que antes), al mismo tiempo que la cabeza lee los datos le envía una copia de estos a la controladora. Aclaración: Ninguna escritura puede destruir o cambiar los números de CHS de un sector escrito en el formateo. La menor cantidad de datos que se puede escribir o leer en un disco es el campo de datos de un sector(512 bytes). Si se requiere leer solo una parte del sector, debe pasar a memoria principal todo el sector donde estos datos están, para que luego el software seleccione los datos buscados.
4. Organización por clusters y Sl
El DOS como otros sistemas se desentiende de la ubicación física real de los sectores, o sea no opera con la estructura física o geométrica de un disco. El DOS no tiene en cuenta los números CHS. Simplemente supone que los sectores de un disco forman una sucesión de sectores lógicos (SL) numerados en forma consecutiva empezando del 0, usando un solo numero por cada SL.
Las rutinas del ROM BIOS llamadas por el DOS son las encargadas de hacer la organización lógica que ve el DOS con la organización física del CHS. Por ejemplo , en el caso que SL (0), el CHS es 0-0-1. Luego los sectores siguen en el orden indicado para el cilindro 0, siendo así que SL(71) es el de CHS = 1-1-18. Así se numeran los SL, según los sectores físicos, de pista en pista de cada cilindro y de cilindro en cilindro. El CHS=80-1-18, corresponde a la numeración mas alta que pertenece a SL(28799). Con este método el DOS y otros SO no tienen la seguridad que los sectores de un archivo se encuentren todos en un mismo cilindro, aunque es muy probable que así sea. Esto se desea para tener menos tiempo de acceso, ya que se gana tiempo de latencia y de posicionamiento del cabezal.
El DOS y otros SO, aparte de ver los sectores de manera lógica, dividen los archivos en unidades de igual tamaño llamadas clusters. Un cluster puede estar formado por un sector lógico o agrupar un numero de sectores lógicos de numeración consecutiva (el tamaño de los clusters debe ser siempre iguales entre si en un mismo disco o partición de rígido). En un cluster no se puede almacenar mas de un archivo. Para el DOS un archivo es una cadena de clusters cuyos números pueden ser o no ser consecutivos.
En los disquetes de 5 1/4 con 1.2 MB y en los de 3 1/2 con 1.44 MB un cluster ocupa un sector (512 bytes), mientras que los discos de 5 1/4 de 360 KB y en los de 3 1/2 de 2,88 MB un cluster es 1 KB (2 sectores). Si bien un cluster corresponde a uno o mas sectores físicos, para el DOS corresponde a 1 o mas sectores lógicos numerados consecutivamente. Una razón importante para dividir un archivo en clusters, que agrupen varios sectores, consiste en el ahorro de tiempo de acceso a un disco. Ya que varios sectores consecutivos son un cluster y el cabezal ahorra tiempo de posicionamiento y se reduce el tiempo de latencia.
Encadenacion En Orden De Los Cluester De Un Archivo En La Fat Ejemplo: Se crea un archivo en un directorio el cual ocupa 400 bytes, el DOS le adjudicara un cluster a este archivo suponiendo que un cluster es de 2 K, por lo tanto este archivo pasara a ocupar 2 K. El archivo aparecerá en el directorio con su nueva longitud y su numero del cluster inicial, por ejemplo el 23. Este cluster tendrá la indicación 0000 (significa cluster disponible), que será reemplazada por la indicación FFFF que significa que es el ultimo cluster de este archivo.
Si luego el archivo crece se le asignaran nuevos clusters y solo se actualizara la longitud del archivo en el directorio. La FAT le asignara a este archivo los clusters que encuentre disponibles. Al terminar de escribir en los clusters los datos a escribir, se modificara las indicaciones de todos los clusters recién escritos que deberían tener 0000, cambiándolo por el numero del cluster que le sigue. También se modifica el cluster numero 23 que era el primero y tenia FFFF por el numero del cluster que le sigue. Y por finalizar, el ultimo cluster que tenia 0000 se reemplaza por FFFF para indicar la finalización del archivo. Si posteriormente se quiere acceder a este archivo el proceso es el siguiente:
El SO trae a memoria el directorio raíz y la FAT. Primero el directorio raíz busca el archivo por su nombre para obtener el numero de su primer cluster, en este caso 23. Teniendo este cluster el SO entra en la tabla de la FAT a fin de obtener el próximo cluster y con ese el próximo y así sucesivamente hasta encontrar el cluster que contenga la indicación FFFF. Al tener todos los clusters del archivo el DOS reconstruye la cadena y a través de un simple calculo puede hallar el numero de sector lógico donde empieza cada cluster. Con esto pide leer esos SLs y se obtiene la información pedida.
Autor:
Adrian Saal