Arquitectura del Computador

NDICE:

Introduccin.

1. Disco Duro.

1.1 Definicin.

1.2 Composicin Mecnica de un Disco Duro.

1.2.1 Piezas de un Disco Duro.

1.2.1.1 Platos.

1.2.1.2 Cabezal de Lectura/Escritura.

1.2.1.3 Impulsor d Cabezal.

1.2.1.4 Pistas.

1.2.1.5 Cilindro.

1.2.1.6 Sectores.

1.2.1.7 Clster.

1.3 Estructura lgica de un disco duro.

1.3.1 Sector de Arranque.

1.3.2 Espacio Particionado.

1.3.3 Espacio sin Particional.

1.4 Caractersticas del desempeo de un disco duro.

1.4.1 Capacidad de almacenamiento.

1.4.2 Velocidad de Rotacin.

1.4.3 Tiempo de Acceso.

1.4.3.1 Tiempo de Busqueda.

1.4.3.2 Latencia.

1.4.3.3 Command Overhead.

1.4.4 Tasa de Transferencia de Datos.

1.4.5 Memoria Cache.

2. Registro de Arranque Principal.

2.1.1 MBR y Arranque del sistema (MBR).

2.1.2 MBR e Identificacin de los Discos.

3. Funcionamiento de la RAM.

4. Proceso de Grabacin en un Disco Duro.

4.1 Procedimiento FM y MFM.

4.2 Procedimiento RLL.

4.3 Factor de Intercalado.

Conclusin.

Introduccin.

Siempre que se enciende el computador, los discos sobre los que se almacenan

los datos giran a una gran velocidad (a menos que disminuyan su potencia para

ahorrar electricidad).

Los discos duros de hoy, con capacidad de almacenar multigigabytes

mantienen el mnimo principio de una cabeza de Lectura/Escritura suspendida

sobre una su perficie magntica que gira velozmente con precisin

microscpica.

Pero hay un aspecto de los discos duros que probablemente permanecer igual.

A diferencia de otros componentes de la PC que obedecen a los comandos del

software, el disco duro hace ruidos c uando emprende su trabajo. Estos ruidos son

recordatorio de que es uno de los pocos componentes de una PC que tiene

carcter mecnico y electrnico al mismo tiempo

Los discos duros pertenecen a la llamada memoria secundaria o

almacenamiento secundario. Al disco duro se le conoce con gran cantidad de

denominaciones como disco duro, rgido (frente a los discos flexibles o por su

fabricacin a base de una capa rgida de aluminio), fijo (por su situacin en el

ordenador de manera permanente). Estas denominacion es aunque son las

habituales no son exactas ya que existen discos de iguales prestaciones pero son

flexibles, o bien removibles o transportables, u otras marcas diferentes fabricantes

de cabezas.

Las capacidades de los discos duros varan desde 10 Mb. hast a varios Gb. en

minis y grandes ordenadores. Para conectar un disco duro a un ordenador es

necesario disponer de una tarjeta controladora. La velocidad de acceso

depende en gran parte de la tecnologa del propio disco duro y de la tarjeta

controladora asoc iada a l disco duro.

Estos estn compuestos por varios platos, es decir varios discos de material

magntico montados sobre un eje central sobre el que se mueven. Para leer y

escribir datos en estos platos se usan las cabezas de lectura/escritura que

mediant e un proceso electromagntico codifican / decodifican la informacin

que han de leer o escribir. La cabeza de lectura/escritura en un disco duro est

muy cerca de la superficie, de forma que casi vuela sobre ella, sobre el colchn

de aire formado por su pr opio movimiento. Debido a esto, estn cerrados

hermticamente, porque cualquier partcula de polvo puede daarlos.

1. Disco Duro.

1.1. Definicin.

El termino duro se usa para distinguirlo de los discos blancos o tambin

llamados floppies. Se denomina disco duro al dispositivo encargado de

almacenar y recuperar grandes gran cantidad de informacin en el

computador. Los discos duros son el principal elemento de la memoria

secundaria de un ordenador. Es un disco magntico, que contiene varios

discos o pla tos donde cada plato requiere de dos cabezas de

lectura/escritura una para cada lado. Todas las cabezas de lectura/escritura

se conectan a un solo brazo de acceso para que no puedan moverse

independientemente.

Los discos duros estn protegidos por una caja sellada y no suelen extraerse

de los receptculos de la unidad.

1.2. Composicin Mecnica de un Disco Duro.

El disco duro est compuesto por varios discos o platos apilados distantes de

una carcasa impermeable al aire y al polvo .

1.2.1. Piezas de un Disco Duro.

Platos o discos donde se graban los datos.

El cabezal de lectura/escritura.

El impulsor de cabezal (motor).

Electroimn que es el que mueve el cabezal.

Un circuito electrnico de control lo cual contiene, la interfaz con el

ordenador, memoria cach.

Una caja que protege al disco duro de la suciedad o polvo del medio.

Una bolsita desecante con lo cual se evita la humedad.

Tornillos que son especiales.

1.2.1.1. Platos.

Tambin llamados discos. Estos discos estn elaborados de aluminio o

vidrio recubiertos en su su perficie por un material ferromagntico

apilados alrededor de un eje que gira gracias a un motor, a una

velocidad muy rpida. El dimetro de los platos oscila entre los 5cm y

13 cm.

1.2.1.2. Cabezal de Lectura/Escritura.

Es la parte del disco duro que lee y escri be los datos del disco. La

mayora de los discos duros incluyen una cabeza de lectura/escritura a

cada lado del plato o disco, pero hay algunos discos de alto

desempeo tienen dos o ms cabezas sobre cada que tienen dos o

ms cabezas sobre cada superficie esto de manera que cada cabeza

atienda la mitad del disco reduciendo la distancia del desplazamiento

radial.

1.2.1.3. Impulsor d Cabezal.

Es un motor que mueve los cabezales sobre el disco hasta llegar a la

pista adecuada, donde esperan que los sectores correspondientes

giren bajo ellos para ejecutar de manera efectiva la lectura/escritura.

1.2.1.4. Pistas.

La superficie de un disco est dividida en unos elementos llamadas

pistas concntricas, donde se almacena la informacin. Las pistas

estn numeradas desde la parte exterior comenzando por el 0. Las

cabezas se mueven entre la pista 0 a la pista ms interna.

1.2.1.5. Cilindro.

Es el conjunto de pistas concntricas de cada cara de cada plato, los

cuales estn situadas unas encima de las otras. Lo que se logra con esto

es que la cabeza no tiene que moverse para poder acceder a las

diferentes pistas de un mismo cilindro. Dado que las cabezas de

lectura/escritura estn alineadas unas con otras, la controladora de

disco duro puede escribir en todas las pistas d el cilindro si n mover el

rotor.

Cada pista est formada por uno o ms cluster.

1.2.1.6. Sectores.

Las pistas estn divididas en sectores, el nmero de sectores es variable.

Un sector es la unidad bsica de almacenamiento de datos sobre los

discos duros. Los discos duros almacenan los datos en pedazos gruesos

llamados sectores, la mayora de los discos duros usan sectores de 512

bytes cada uno. Comnmente es la controladora del disco duro quien

determina el tamao de un sector en el momento en que el disco es

formateado, e n cambio en algunos modelos de disco duro se permite

especificar el tamao de un sector.

1.2.1.7. Clster.

Es un grupo de sectores, cuyo tamao depende de la capacidad del

disco.

1.3. Estructura lgica de un disco duro.

La estructura lgica de un disco duro est formado por:

Sector de arranque.

Espacio particionado.

Espacio sin particional.

1.3.1. Sector de Arranque.

Es el primer sector de un disco duro en l se almacena la tabla de

particiones y un programa pequeo llamado Master Boot. Este programa

se encarga de lee r la tabla de particiones y ceder el control al sector de

arranque de la particin activa, en caso de que no existiese particin

activa mostrara un mensaje de error.

1.3.2. Espacio Particionado.

Es el espacio del disco que ha sido asignado a alguna particin.

1.3.3. Espacio sin Particional.

Es el espacio del disco que no ha sido asignado a ninguna particin.

1.4. Caractersticas del desempeo de un disco duro.

Los fabricantes de discos duros miden la velocidad en trminos de tiempo de

bsqueda, tiempo de acceso, latencia y tasa de transferencia de datos.

1.4.1. Capacidad de almacenamiento.

Se refiere a la cantidad de informacin que se pueda almacenar o grabar

en un disco duro. Su medida en la actualidad en GB aunque tambin en

TB.

1.4.2. Velocidad de Rotacin.

Es la velocidad a la que giran los platos del disco cuya regla es que a

mayor velocidad de rotacin mayor ser la transferencia de datos, pero a

su vez ser mayor ruido y tambin mayor calor generado por el disco. La

velocidad de rotacin se mide en revoluciones por minuto (RPM).

1.4.3. Tiempo de Acceso.

Es el tiempo medio necesario que tarda la cabeza del disco en acceder

a los datos. E s la suma de varias velocidades.

El tiempo que tarda el disco en cambiar de una cabeza a otra cuando

busca datos.

El tiempo que tarda la cabeza lectora en buscar la pista con los datos

saltando de una en otra.

El tiempo que tarda la cabeza en buscar el sector correcto en la pista.

Por lo tanto el tiempo de acceso es la combinacin de tres factores.

1.4.3.1. Tiempo de Bsqueda.

Es el intervalo tiempo que le toma a las cabezas de lectura/escritura

moverse desde su posicin actual hasta la pista donde est localizada

la informacin deseada. Como la pista deseada puede estar

localizada en el otro lado del disco o en una pista adyacente, el tie mpo

de bsqueda vara en cada bsqueda.

Un tiempo de bsqueda bajo es algo muy importante para un buen

rendimiento del disco duro.

1.4.3.2. Latencia.

Cada pista de un disco duro contiene mltiples sectores, una vez que

la cabeza de lectura/escritura encuentra la pista correcta las cabezas

permanece en el lugar inactivo hasta que el sector pasa por debajo de

ellas, este tiempo de espera se llama latencia. La latencia promedio es

el tiempo para que el disco una vez que est en la pista correcta

encuentre el secto r deseado, es decir, es el tiempo que tarda el disco

en dar media vuelta.

1.4.3.3. Command Overhead.

Es el tiempo que le toma a la controladora procesar un requerimiento

de datos.

1.4.4. Tasa de Transferencia de Datos.

Esta medida indica la cantidad de datos que un disco puede leer o escribir

en la parte ms exterior del disco en un periodo de un segundo.

1.4.5. Memoria Cache.

Es una memoria que va incluida en la controladora del disco duro, de

modo que todos los datos que se leen y escriben en el disco duro se

almacenan primeramente en esta memoria.

2. Ramac 305.

Ramac 305. ("Random Access Memory ACcounting System"). "Sistema de

Contabilidad con Memoria de Acceso Aleatorio"

La historia del disco duro se inicia en mayo de 1955 donde IBM lanz el primer

disco duro llamado RAMAC ("Acceso aleatorio con mtodo de contabilidad y

control").

Caractersticas de Ramac 305:

Fue el primer ordenador comercial que utilizaba disco duro de cabeza

mvil (unidad de disco magntico) como almacenamiento secundario.

El primer RAMAC destinado a ser usado en la industria del automvil

estadounidense fue instalado en la Chrysler's MOPAR Division en 1957.

Sustituy a un gigantesco fichero que era parte del sistema de

procesamiento para el control de inventario y pedidos de piezas de

MOPA R.

Fue uno de los ltimos ordenadores de tubo de vaco construidos por IBM.

El sistema de disco IBM 350 almacenaba cinco millones de caracteres de

siete bits (aproximadamente 4,2 MiB).

Tena cincuenta discos de veinticuatro pulgadas de dimetro.

Dos brazo s independientes se desplazaban verticalmente seleccionar un

disco y horizontalmente para seleccionar una pista de grabacin, todo

para control de servomecanismos.

El tiempo medio de posicionamiento en un registro era de seiscientos

milisegundos.

El 305 era un ordenador decimal (BCD) de longitud de "palabra" variable

orientado a carcter, con una memoria de tambor que giraba a 600

revoluciones por minuto y que almacenaba 3200 caracteres

alfanumricos.

Para almacenamiento temporal durante la transferencia d e datos

utilizaba un buffer de 100 caracteres en memoria de ferrita.

Cada carcter constaba de siete bits, y estaba compuesto por dos bits de

zona ("X" y "O"), cuatro bits BCD para el valor del dgito y un bit de paridad

("R") con el formato siguiente: X 0 1 2 3 4 8 R

Las instrucciones slo podan almacenarse en veinte pistas de la memoria

de tambor y eran de longitud fija (diez caracteres), con el formato

siguiente: T1 A1 B1 T1 T2 A2 B2 M N P Q

3. Registro de Arranque Principal (MBR).

Un registro de arranque principal, conocido tambin como registr de arranque

maestro o por su nombre en ingls master boot record (abreviado MBR) es el

primer sector ("sector cero") de un dispositivo de almacenamiento de datos,

como un disco duro. A veces, se emplea par a el arranque del sistema operativo

con bootstrap, otras veces es usado para almacenar una tabla de particiones y,

en ocasiones, se usa slo para identificar un dispositivo de disco individual.

3.1.1. MBR y Arranque del sistema (MBR).

En los ordenadores compat ibles IBM IA-32 que usan el esquema de la Tabla

de Particiones del MBR, el firmware para el arranque (bootstrapping) que

se encuentra en la memoria de solo lectura del BIOS (actualmente usan

memorias flash) carga y ejecuta el master boot record.

Como los p rocesadores del modo real, el cdigo del MBR est compuesto

de instrucciones de lenguaje mquina en modo real.

Ese cdigo pasa, normalmente, el control mediante chain loading al

volume boot record de la particin (primaria) activa, aunque algunos

gestores de arranque reemplazan ese cdigo convencional por el suyo.

El cdigo convencional del MBR espera que se use el esquema de la tabla

de particiones del MBR, y escanea la lista de entradas de particiones

(primarias) en la tabla de particiones buscando una q ue est marcada

con active flag. Luego carga y ejecuta el Volume Boot Record para esa

particin (as que el master boot record, como otros sectores de arranque,

es un blanco para los virus que infectan el sector de arranque).

3.1.2. MBR e Identificacin de los Discos.

Adems del cdigo del arranque y la tabla de particiones, hay un tercer

campo que puede estar contenido en un MBR: la firma del disco (de

Windows NT). Tiene 32 bits para identificar inequvocamente el hardware

de disco (no confundir con la unidad de disco no tienen por qu ser lo

mismo en discos duros extrables).

La firma del disco fue introducida por Windows NT 3.5, pero actualmente

la usan varios sistemas operativos, incluida las versiones de la 2.6 en

adelante del ncleo Linux. Windows NT usa la firma del disco como un

ndice en su registro, donde guarda la relacin entre pa rticiones y letras de

disco.

Tambin lo usa en el fichero boot.ini para indicar las particiones con marca

bootable en Windows NT.4 GNU/Linux usa la firma del disco al arran car

para determinar la posicin del volumen de arranque.

4. Funcionamiento de la RAM.

Random Access Memory, normalmente conocida como Memoria RAM) es un

tipo de dispositivo de almacenamiento de datos. Adopta la forma de circuitos

integrados que permiten que los datos se almacenen y sea accesible a ellos

mediante rdenes.

La RAM es una mem oria voltil, que significa que la informacin o instrucciones

que almacena en ella se pierden en el momento que deja de recibir voltaje. Se

trata de una memoria de semiconductor en la que se puede leer como escribir

informacin. Se utiliza normalmente com o memoria temporal para almacenar

resultados intermedios y datos similares no permanentes. Se dicen de acceso

aleatorio/random o de acceso directo porque los diferentes accesos son

independientemente entre s.

En general, las RAM se dividen en esttic as y dinmicas. Una Memoria RAM

esttica mantiene su contenido mientras est alimentada. En cambio, en una

Memoria RAM dinmica la lectura es destructiva, es decir que la informacin se

pierde al leerla, para evitarlo hay que restaurar la informacin conte nida en sus

celdas, operacin denominada refresco.

Cada celda de la RAM tiene una ubicacin o nombre en una nomenclatura

aceptada por la comunidad cientfica: el sistema hexadecimal. Cada depsito

de un dato en la memoria (operando, resultado, etc.) se u bica por una direccin

en hexadecimal.

5. Proceso de Grabacin en un Disco Duro.

5.1. Procedimiento RLL.

Estos son procedimientos antiguos que ya no se utilizan. Precisamente en los

discos grabados con estos procedimientos, eran en los que podamos

formatear con ayuda de la bios a bajo nivel sin problemas. No se debe hacer

esto nunca en los discos actuales.

5.2. Procedimiento FM y MFM.

El problema fundamental, era que si se escriban muchos unos seguidos o

muchos ceros seguidos (unos y ceros binarios), y cada uno de ellos se

grababa como un cambio de flujo magntico, la electrnica del disco era

incapaz de saber "cuantos" haban sido gra bados ya que por muy exacta

que fuese la electrnico, existe un motor mecnico que hace girar al disco.

El procedimiento RLL (Run Length Limited) proyecta las secuencias de bits que

queremos grabar a otro cdigo que es el que se guarda.

El nuevo cdigo gu ardado, debe cumplir que por muchos unos seguidos que

existan (o muchos ceros) deben existir los correspondientes cambios de flujo,

sin que se "amontonen" demasiado.

Se pueden pensar en infinitos patrones de cdigos, segn el grande que sea

el nmero mxim o de ceros consecutivos y lo pequeo que sea su nmero

mnimo. Se utilizan dos mtodos que se denominan RLL 2,7 y RLL 3,9

RLL 2,7 es el mtodo estndar. Este quiere decir que entre dos unos aparecen

en este caso un mnimo de dos y un mximo de 7 ceros.

Tabla de conversin:

Patrn de bits a guardar Cdigo

000 000100

10 0100

010 100100

0010 00100100

11 1000

011 0010000

001 00001000

5.3. Factor de Intercalado (Interleave) .

Hoy en da las controladoras se han convertido en tan rpidas, que se pueden

permitir en un acceso en lectura a un sector, el leer de paso toda la pista

aunque el programa no se lo haya pedido. Y se los guarda en un buffer

(memoria intermedia) interno. De esta manera si el programa vuelve a pedir

el siguiente sector (lo cua l es muy probable), se lo dar inmediatamente.

Decimos que es muy probable, porque recordad que a nivel lgico, se

almacenan "cluster", de 4, 8, 16, 32 Kbs dependiendo de cmo est

particionado nuestro disco. Por tanto, NUNCA le llegar la peticin de un

sector a la controladora, sino que a continuacin le pedir el siguiente sector

y as al menos, hasta completar el tamao del cluster.

Antiguamente, el electrnico de decodificacin era lenta. Por tanto cuando

acababa de leer un sector del disco, empezaba la decodificacin para

dejarlo en el buffer intermedio. Por tanto para leer el siguiente sector del disco,

haba que esperar a que el disco diese una vuelta completa para que ese

siguiente sector pasase otra vez debajo de la cabeza de lectura.

Para evitar estas prdidas de tiempo, apareci el factor de interleave. Es decir

imaginemos que los sectores 1, 2, 3, 4, 5..... As hasta los 32 "por ejemplo" de

una posible pista, en vez de numerarse as, consecutivamente, se numeraban:

1, 16, 2, 17, 3, 18, 4,19.... (Es decir, se "intercalaba" media pista en la otra media.

De esta manera despus de leer el sector nmero "1", mientras pasaba por el

16, le daba tiempo al electrnico a decodificar y dejar en el buffer, terminaba

de pasar el 16 y ya poda leer el 2 porqu e se lo encontraba justo en ese

momento, etc. Esto es lo que se le llamo facto de Interleave 1:2.

Evidentemente, dependiendo del disco, existan factores 1:2, 1:3, etc.

Hoy es da, esto no es necesario. Los factores de "interleave" son de 1:1, lo que

significa que ya no se utiliza el interleaving.

Conclusin.

El futuro de los discos duros con partes mviles pasa por continuar aumentando

la capacidad de los discos duros con mejoras en las tecnologas de grabacin

permitiendo de esta manera un aumento en la densidad de almacenamiento,

la reduccin de tamao y peso, los discos ecolgicos que hacen un uso ms

eficiente de la energa.

Pero donde realmente est el futuro es en los discos SSD (State Solid Drive

Unidad de Estado Slido) siendo muy posible que terminen sustituyendo al disco

duro a medio/largo plazo. Son dispositivos de almacenamiento de datos que

usa memoria no voltil como las memorias Flash para almacenar los datos, en

lugar de los platos giratorios magnticos de los discos duros convencionales.

Entre sus principales ventajas: son muy rpidos ya que no tienen partes mviles,

consumen menos energa, menor ruido, resistente a las cadas, golpesgracias

a carecer de partes mviles, borrado de datos ms seguro Sus desventajas:

vida li mitada a un determinado nmero de ciclos de escritura (1.000.000 -

5.000.000 de ciclos), la capacidad que a da de hoy es menor que en los discos

duros convencionales, y sobre todo su precio, el precio de un disco duro

comn de 500 GB es equivalente al preci o de un SSD de 8 a 16 GB, 50

aproximadamente.