DISCOS

Hardware de disco
Los discos son de varios tipos. Los más comunes son los discos magnéticos (discos duros y flexibles).
Se caracterizan por el hecho de que las operaciones de lectura y escritura son igual de rápidas, lo que
los hace ideales como memoria secundaria (como paginación o sistemas de archivos, por ejemplo).
Algunas veces se utilizan arreglos de estos discos para ofrecer un almacenamiento altamente confiable.
Para la distribución de programas, datos y películas, son también importantes varios tipos de discos
ópticos (CD-ROMs, CD-grabable y DVD). En las siguientes secciones describiremos primero el
hardware y luego el software para estos dispositivos.

Discos magnéticos
Los discos magnéticos se organizan en cilindros, cada uno de los cuales contiene tantas pistas como
cabezas apiladas en forma vertical. Las pistas se dividen en sectores. El número de sectores alrededor
de la circunferencia es por lo general de 8 a 32 en los discos flexibles, y hasta varios cientos
en los discos duros. El número de cabezas varía entre 1 y 16.
Los discos antiguos tienen pocos componentes electrónicos y sólo producen un flujo de bits serial
simple. En estos discos el controlador realiza la mayor parte del trabajo. En otros discos, en especial
los discos IDE (Electrónica de Unidad Integrada) y SATA (ATA Serial), la unidad de
disco contiene un microcontrolador que realiza un trabajo considerable y permite al controlador real
emitir un conjunto de comandos de nivel superior. A menudo el controlador coloca las pistas en caché,
reasigna los bloques defectuosos y mucho más.

Una característica de dispositivo que tiene implicaciones importantes para el software controlador

del disco es la posibilidad de que un controlador realice búsquedas en dos o más unidades al

mismo tiempo. Éstas se conocen como búsquedas traslapadas. Mientras el controlador y el software

esperan a que se complete una búsqueda en una unidad, el controlador puede iniciar una búsqueda

en otra unidad.

En la figura 5-18 se comparan los parámetros del medio de almacenamiento estándar para la

IBM PC original con los parámetros de un disco fabricado 20 años después, para mostrar cuánto

han cambiado los discos en 20 años. Es interesante observar que no todos los parámetros han mejorado

tanto. El tiempo de búsqueda promedio es siete veces mejor de lo que era antes, la velocidad

de transferencia es 1300 veces mejor, mientras que la capacidad aumentó por un factor de 50,000. Este patrón está relacionado con las mejoras relativamente graduales en las piezas móviles,

y densidades de bits mucho mayores en las superficies de grabación.

Algo que debemos tener en cuenta al analizar las especificaciones de los discos duros modernos

es que la geometría especificada y utilizada por el controlador es casi siempre distinta a la del

formato físico. En los discos antiguos, el número de sectores por pista era el mismo para todos los

cilindros. Los discos modernos se dividen en zonas, con más sectores en las zonas exteriores que

en las interiores. La figura 5-19(a) ilustra un pequeño disco con dos zonas. La zona exterior tiene

32 sectores por pista; la interior tiene 16 sectores por pista. Un disco real, como el WD 18300, tiene

por lo general 16 o más zonas, y el número de sectores se incrementa aproximadamente 4% por

zona, a medida que se avanza desde la zona más interior hasta la más exterior.

RAID

Como hemos visto, el procesamiento en paralelo se utiliza cada vez más para agilizar el rendimiento

de la CPU. Con el paso de los años, a varias personas se les ha ocurrido que la E/S en paralelo

podría ser una buena idea también. En su artículo de 1988, Patterson y colaboradores sugirieron

seis organizaciones de discos específicas que se podrían utilizar para mejorar el rendimiento del disco,

su confiabilidad o ambas características (Patterson y colaboradores, 1988). Estas ideas fueron

adoptadas de inmediato por la industria y han conllevado a una nueva clase de dispositivo de E/S conocido

como RAID. Patterson y sus colaboradores definieron RAID como Arreglo Redundante de

Discos Económicos (Redundant Array of Inexpensive Disks), pero la industria redefinió la I para que

indicara “Independiente” en vez de “económico” (¿tal vez para que pudieran cobrar más?). Como

también se necesitaba un villano (como en RISC contra CISC, también debido a Patterson), el tipo

malo aquí era SLED (Single Large Expensive Disk, Un solo disco grande y costoso).

La idea básica detrás de un RAID es instalar una caja llena de discos a un lado de la computadora

(que por lo general es un servidor grande), reemplazar la tarjeta controladora de discos con

un controlador RAID, copiar los datos al RAID y después continuar la operación normal. En otras

palabras, un RAID se debe ver como un SLED para el sistema operativo, pero con mejor rendimiento

y confiabilidad. Como los discos SCSI tienen un buen rendimiento, bajo costo y la capacidad

de tener hasta siete unidades en un solo controlador (15 para SCSI amplio), es natural que

la mayoría de los RAIDs consistan en un controlador RAID SCSI más una caja de discos SCSI

que el sistema operativo considere como un solo disco grande. De esta forma no se requieren cambios

en el software para utilizar el RAID; un gran punto de venta para muchos administradores de

sistemas.

CD-ROMs

En años recientes se han empezado a utilizar los discos ópticos (en contraste a los magnéticos). Estos

discos tienen densidades de grabación mucho más altas que los discos magnéticos convencionales.

Los discos ópticos se desarrollaron en un principio para grabar programas de televisión, pero

se les puede dar un uso más estético como dispositivos de almacenamiento de computadora. Debido

a su capacidad potencialmente enorme, los discos ópticos han sido tema de una gran cantidad de

investigación y han pasado por una evolución increíblemente rápida.

Los discos ópticos de primera generación fueron inventados por el conglomerado de electrónica

holandés Philips, para contener películas. Tenían 30 centímetros de diámetro y se comercializaron

bajo el nombre LaserVision, pero no tuvieron mucha popularidad, excepto en Japón.

En 1980, Philips y Sony desarrollaron el CD (Disco Compacto), que sustituyó rápidamente al

disco de vinilo de 33 1/3 RPM que se utilizaba para música (excepto entre los conocedores, que

aún preferían el vinilo). Los detalles técnicos precisos para el CD se publicaron en un Estándar Internacional

oficial (IS 10149) conocido popularmente como el Libro rojo debido al color de su

portada (los Estándares Internacionales son emitidos por la Organización Internacional de Estándares,

que es la contraparte internacional de los grupos de estándares nacionales como ANSI, DIN,

etc. Cada uno tiene un número IS). El punto de publicar las especificaciones de los discos y las

unidades como un estándar internacional tiene como fin permitir que los CDs de distintas compañías

disqueras y los reproductores de distintos fabricantes electrónicos puedan funcionar en conjunto.

Todos los CDs tienen 120 mm de diámetro y 1.2 mm de grosor, con un hoyo de 15 mm en

medio. El CD de audio fue el primer medio de almacenamiento digital masivo en el mercado. Se

supone que deben durar 100 años. Por favor consulte de nuevo en el 2080 para saber cómo le fue

al primer lote.

Un CD se prepara en varios pasos. El primero consiste en utilizar un láser infrarrojo de alto poder

para quemar hoyos de 0.8 micrones de diámetro en un disco maestro con cubierta de vidrio. A

partir de este disco maestro se fabrica un molde, con protuberancias en lugar de los hoyos del láser.

En este molde se inyecta resina de policarbonato fundido para formar un CD con el mismo patrón

de hoyos que el disco maestro de vidrio. Después se deposita una capa muy delgada de aluminio

reflectivo en el policarbonato, cubierta por una laca protectora y finalmente una etiqueta. Las depresiones

en el sustrato de policarbonato se llaman hoyos (pits); las áreas no quemadas entre los hoyos

se llaman áreas lisas (lands).

Cuando se reproduce, un diodo láser de baja energía emite luz infrarroja con una longitud de onda

de 0.78 micrones sobre los hoyos y áreas lisas a medida que van pasando. El láser está del lado del

policarbonato, por lo que los hoyos salen hacia el láser como protuberancias en la superficie de área

lisa. Como los hoyos tienen una altura de un cuarto de la longitud de onda de la luz del láser, la luz

que se refleja de un hoyo está desfasada por media longitud de onda con la luz que se refleja de la superficie

circundante. Como resultado, las dos partes interfieren en forma destructiva y devuelven menos

luz al fotodetector del reproductor que la luz que rebota de un área lisa. Así es como el reproductor

puede diferenciar un hoyo de un área lisa. Aunque podría parecer más simple utilizar un hoyo para

grabar un 0 y un área lisa para grabar un 1, es más confiable utilizar una transición de hoyo a área lisa

o de área lisa a un hoyo para un 1 y su ausencia como un 0, por lo que se utiliza este esquema.

Los hoyos y las áreas lisas se escriben en una sola espiral continua, que empieza cerca del hoyo

y recorre una distancia de 32 mm hacia el borde. La espiral realiza 22,188 revoluciones alrededor

del disco (aproximadamente 600 por milímetro). Si se desenredara, tendría 5.6 km de largo. 

Para reproducir la música a una velocidad uniforme, es necesario un flujo continuo de hoyos y

áreas a una velocidad lineal constante. En consecuencia, la velocidad de rotación del CD se debe

reducir en forma continua a medida que la cabeza de lectura se desplaza desde la parte interna del

CD hacia la parte externa. En el interior la velocidad de rotación es de 530 RPM para lograr la velocidad

de flujo continuo deseada de 120 cm/seg; en el exterior tiene que reducirse a 200 RMP para

proporcionar la misma velocidad lineal en la cabeza. Una unidad de velocidad lineal constante

es muy distinta a una unidad de disco magnético, que opera a una velocidad angular constante, sin

importar dónde se encuentre la cabeza en un momento dado. Además, 530 RPM están muy lejos de

las 3600 a 7200 RPM a las que giran la mayoría de los discos magnéticos.

En 1984, Philips y Sony se dieron cuenta del potencial de utilizar CDs para almacenar datos de

computadora, por lo cual publicaron el Libro amarillo que define un estándar preciso para lo que

se conoce ahora como CD-ROMs (Compact disk-read only memory, Disco compacto–memoria

de sólo lectura). Para apoyarse en el mercado de CDs de audio, que para ese entonces ya era considerable,

los CD-ROMs tenían que ser del mismo tamaño físico que los CDs de audio, ser compatibles

en sentido mecánico y óptico con ellos, y se debían producir utilizando las mismas máquinas

de moldeado por inyección de policarbonato. Las consecuencias de esta decisión fueron que no sólo

se requerían motores lentos de velocidad variable, sino también que el costo de fabricación de un

CD-ROM estaría muy por debajo de un dólar en un volumen moderado.

CD-Grabables

En un principio, el equipo necesario para producir un CD-ROM maestro (o CD de audio, para esa

cuestión) era extremadamente costoso. Pero como siempre en la industria de las computadoras, nada

permanece costoso por mucho tiempo. A mediados de la década de 1990, los grabadores de CDs

no más grandes que un reproductor de CD eran un periférico común disponible en la mayoría de las

tiendas de computadoras. Estos dispositivos seguían siendo distintos de los discos magnéticos, porque

una vez que se escribía información en ellos no podía borrarse. Sin embargo, rápidamente encontraron

un nicho como medio de respaldo para discos duros grandes y también permitieron que

individuos o empresas que iniciaban operaciones fabricaran sus propios CD-ROMs de distribución

limitada, o crear CDs maestros para entregarlos a plantas de duplicación de CDs comerciales de alto

volumen. Estas unidades se conocen como CD-Rs (CD-Grabables).

CD-Regrabables

Aunque las personas están acostumbradas a otros medios de escritura de sólo una vez como el papel

y la película fotográfica, hay una demanda por el CD-ROM regrabable. Una tecnología que ahora

está disponible es la del CD-RW (CD-Regrabable), que utiliza medios del mismo tamaño que

el CD-R. Sin embargo, en vez de colorante de cianina o ptalocianina, el CD-RW utiliza una aleación

de plata, indio, antimonio y telurio para la capa de grabación. Esta aleación tiene dos estados

estables: cristalino y amorfo, con distintas reflectividades.

Las unidades de CD-RW utilizan láseres con tres potencias: en la posición de alta energía, el

láser funde la aleación y la convierte del estado cristalino de alta reflectividad al estado amorfo de

baja reflectividad para representar un hoyo; en la posición de energía media, la aleación se funde y

se vuelve a formar en su estado cristalino natural para convertirse en un área lisa nuevamente; en

baja energía se detecta el estado del material (para la lectura), pero no ocurre una transición de

estado.

La razón por la que el CD-RWno ha sustituido al CD-R es que los CD-RWen blanco son más

costosos. Además, para las aplicaciones que consisten en respaldar discos duros, el hecho de que

una vez escrito el CD-R no se pueda borrar accidentalmente es una gran ventaja.

DVD

El formato básico de CD/CD-ROM ha estado en uso desde 1980. La tecnología ha mejorado desde

entonces, por lo que ahora los discos ópticos de mayor capacidad son económicamente viables y

hay una gran demanda por ellos. Hollywood estaría encantado de eliminar las cintas de video análogas

a favor de los discos digitales, ya que los discos tienen una mayor calidad, son más económicos

de fabricar, duran más tiempo, ocupan menos espacio en las repisas de las tiendas de video y

no tienen que rebobinarse. Las empresas de electrónica para el consumidor siempre están buscando

un nuevo producto que tenga un gran éxito, y muchas empresas de computadoras desean agregar

características de multimedia a su software.

El DVD fue ideado por un consorcio de 10 empresas de aparatos electrónicos para el hogar,

siete de ellas japonesas, en estrecha cooperación con los principales estudios de Hollywood (algunos

de los cuales son propiedad de las empresas de electrónica japonesas que están en el consorcio).

Las industrias de las computadoras y las telecomunicaciones no fueron invitadas al picnic, y

el enfoque resultante estuvo en utilizar el DVD para exposiciones de renta y venta de películas. Por

ejemplo, las características estándar incluyen la omisión en tiempo real de escenas sucias (para permitir

que los padres conviertan una película con clasificación NC17 en una segura para los bebés),

sonido de seis canales y soporte para Pan-and-Scan. Esta última característica permite al reproductor

del DVD decidir en forma dinámica cómo cortar los bordes izquierdo y derecho de las película

(cuya proporción de anchura:altura es 3:2) para adaptarlas a los televisores actuales (cuya proporción

de aspecto es 4:3).