El disco duro Sistemas de archivos

Formato de discoUnidad 5

Definiciones

El disco duro tiene 3 características principales:

Es un dispositivo magnético que almacena todos los programas y datos de la computadora.

Su capacidad de almacenamiento se mide en gigabytes (GB) y es mayor que la de un disquete (disco flexible).

Suelen estar integrados en la placa base donde se pueden conectar más de uno, aunque también hay discos duros externos que se conectan al PC mediante un conector USB.

Disco Duro (Hard Disk)

Un sistema de archivos es un método para el almacenamiento y organización de archivos de computadora y los datos que estos contienen.

Los sistemas de archivos son usados en dispositivos de almacenamiento como discos duros y CD-ROM e involucran el mantenimiento de la localización física de los archivos.

Sistema de archivos

En general, los sistemas operativos tienen su propio sistema de archivos. Pueden ser representados de forma textual (ej.: el shell del DOS) o gráficamente (ej.: explorador de archivos en Windows) utilizando un gestor de archivos.

Los sistemas de archivos pueden ser representados en 3 categorías:

Sistemas de archivos de disco Sistemas de archivos de red Sistemas de archivos de propósito especial

Es un conjunto de operaciones informáticas, independientes entre sí, físicas o lógicas, que permiten restablecer un disco duro, una partición del mismo o cualquier otro dispositivo de almacenamiento de datos a su estado original, u óptimo para ser reutilizado o reescrito con nueva información.

Esta operación puede borrar, aunque no de forma definitiva, los datos contenidos en él.

Formateo de disco

Tipos de formato de un disco:

Formato de bajo nivel o formato físico: es el que define el tamaño de los sectores, así como su ubicación en los discos. Es un tipo de formateo que se hace a través de unos programas específicos, generalmente proporcionados como utilidades por los propios fabricantes del disco. Una vez realizado un formateo físico es totalmente imposible recuperar nada de lo que hubiera en el disco anteriormente.

Formato de alto nivel o formato lógico: implanta un sistema de archivos que asigna sectores a archivos. En los discos duros, para que puedan convivir distintos sistemas de archivos, antes de realizar un formato lógico hay que dividir el disco en particiones; más tarde, cada partición se formatea por separado.

Construcción y partes del disco duro

Para explicar la construcción y partes del disco duro, lo vamos a hacer atendiendo a su

Constitución física

Formato del disco físico

Formato del disco lógico

Estructura del disco duro atendiendo a su construcción física

Elementos de un disco duro

Un disco duro forma una caja herméticamente cerrada que contiene dos elementos no intercambiables: la unidad de lectura y escritura y el disco como tal.

La unidad es un conjunto de componentes electrónicos y mecánicos que hacen posible el almacenamiento y recuperación de los datos en el disco.

El disco es, en realidad, una pila de discos, llamados platos, que almacenan información magnéticamente. Cada uno de los platos tiene dos superficies magnéticas: la superior y la inferior. Estas superficies magnéticas están formadas por millones de pequeños elementos capaces de ser magnetizados positiva o negativamente. De esta manera, se representan los dos posibles valores que forman un bit de información (un cero o un uno). Ocho bits contiguos constituyen un byte (un carácter).

Estructura del disco duro atendiendo a su formato del disco físico

Un disco duro contra de las siguientes estructuras:

Platos: También llamados discos. Estos discos están elaborados de aluminio o vidrio recubiertos en su superficie por un material ferromagnético apilados alrededor de un eje que gira gracias a un motor, a una velocidad muy rápida. El diámetro de los platos oscila entre los 5cm y 13 cm.

Cabezal de lectura/escritura: Es la parte del disco duro que lee y escribe los datos del disco. La mayoría de los discos duros incluyen una cabeza de lectura/escritura a cada lado del plato o disco, pero hay algunos discos de alto desempeño tienen dos o mas cabezas sobre cada que tienen dos o más cabezas sobre cada superficie esto de manera que cada cabeza atienda la mitad del disco reduciendo la distancia del desplazamiento radial.

Impulsor del 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.

Pistas: La superficie de un disco esta dividida en unos elementos llamadas pistas concéntricas, donde se almacena la información. Las pistas están numeradas desde la parte exterior comenzando por el 0. Las cabezas se mueven entre la pista 0 a la pista más interna. En el dibujo está indicado con el color rosa y la letra A.

Cilindro: Es el conjunto de pistas concéntricas de cada cara de cada plato, los cuales están 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 están alineadas unas con otras, la controladora de disco duro puede escribir en todas las pistas del cilindro sin mover el rotor. Cada pista esta formada por uno o más clústers.

Sector: es la unidad básica de almacenamiento de datos sobre los discos duros. Los discos duros almacenan los datos en pedazos gruesos llamados sectores, la mayoría de los discos duros usan sectores de 512 bytes cada uno. En el dibujo está indicado con el color azul y la letra B.

Clúster: es un conjunto contiguo de sectores que componen la unidad más pequeña de almacenamiento de un disco. Los archivos se almacenan en uno o varios clústeres, dependiendo de su tamaño de unidad de asignación. En el dibujo está indicado con el color verde y la letra D.

Partes del disco duro atendiendo a su formato del disco lógicoDentro del disco se encuentran:

La estructura lógica de un disco duro está formada por:

El Master Boot Record (en el sector de arranque), que contiene la tabla de particiones.

Las particiones, necesarias para poder colocar los sistemas de archivos.

Sector de arranque (Master Boot Record)

Espacio particionado Espacio sin particionar

Sector de arranque: es el primer sector de todo disco duro (cabeza 0, cilindro 0, sector 1). En él se almacena la tabla de particiones y un pequeño programa master de inicialización, llamado también Master Boot. Este programa es el encargado de leer la tabla de particiones y ceder el control al sector de arranque de la partición activa. Si no existiese partición activa, mostraría un mensaje de error.

Espacio particionado: es el espacio del disco que ha sido asignado a alguna partición.

Espacio no particionado: es espacio no accesible del disco ya que todavía no ha sido asignado a ninguna partición.

Estructura lógica del disco duro

Tipos de formato que se le asignan a un disco duro

Cada disco duro constituye una unidad física distinta. Sin embargo, los sistemas operativos no trabajan con unidades físicas directamente sino con unidades lógicas. Dentro de una misma unidad física de disco duro puede haber varias unidades lógicas. Cada una de estas unidades lógicas constituye una partición del disco duro. Esto quiere decir que podemos dividir un disco duro en, por ejemplo, dos particiones (dos unidades lógicas dentro de una misma unidad física) y trabajar de la misma manera que si tuviésemos dos discos duros (una unidad lógica para cada unidad física).

Las particiones

Como mínimo, es necesario crear una partición para cada disco duro. Esta partición puede contener la totalidad del espacio del disco duro o sólo una parte. Las razones que nos pueden llevar a crear más de una partición por disco se suelen reducir a tres.

Razones organizativas Instalación de más de un

sistema operativo Razones de eficiencia

Las particiones pueden ser de dos tipos: primarias lógicas

Las particiones lógicas se definen dentro de una partición primaria especial denominada partición extendida.

Ambos tipos de particiones generan las correspondientes unidades lógicas del ordenador. Sin embargo, hay una diferencia importante: sólo las particiones primarias se pueden activar. Además, algunos sistemas operativos no pueden acceder a particiones primarias distintas a la suya.

Tipos de particiones

Particiones primarias En un disco duro sólo pueden existir 4 particiones primarias. Las particiones existentes deben inscribirse en una tabla de particiones de 4 entradas situada en el primer sector de todo disco duro. Por lo menos una de las 4 entradas tiene que figurar como partición activa. Por tanto, para que un disco duro sea utilizable y arrancable, debe tener al menos una partición primaria y también una partición activada con un sistema operativo instalado en ella.

Partición activa: aquella a la que el programa de inicialización (Master Boot) cede el control al arrancar.

Particiones extendidas Teniendo en cuenta lo dicho anteriormente, no es posible crear más de cuatro particiones primarias.

Este límite se logra subsanar mediante la creación de una partición extendida (como máximo una).

Esta partición ocupa una de las cuatro entradas posibles de la tabla de particiones. Dentro de una partición extendida se pueden definir particiones lógicas sin límite.

Particiones lógicasSe trata de particiones dentro de la partición extendida, por lo que tan sólo se pueden utilizar como unidades o particiones de almacenamiento, puesto que no son unidades bootables.

Podemos crear tantas unidades lógicas como queramos, ya que no hay un límite en este sentido.

Software Existen varias aplicaciones o programas que se pueden instalar en el ordenador para hacer particiones. Hoy en día, con la cantidad de páginas web de descargas, estos programas se pueden conseguir gratis. Entre otras:

EaseUS Partition Master Gparted Live Partition Logic Cute Partition Manager

Test Disk eXtended FDisk Ranish Partition Manager SwissKnife

Funcionamiento de un disco duro convencional

El disco duro SSD (Solid State Disk) utiliza, como su propio nombre indica, memoria compuesta por semiconductores también conocida como de estado sólido.

Se trata de una evolución de los discos duros convencionales, los cuales están compuestos de varios platos, sobre los que se graba la información usando campos magnéticos. Para acceder a los datos, al igual que ocurre en un tocadiscos, se utilizan varias cabezas lectoras.

Definición

Este modo de funcionamiento hace que un disco duro convencional tenga varios inconvenientes, casi siempre relacionados con tener elementos móviles en su interior:

Tiempos de lectura/escritura diferidos. Los discos tienen que dar vueltas para funcionar. Necesitaras esperar a que se produzca esa rotación y llegue al lugar adecuado antes de empezar a trabajar con los datos.

Fiabilidad. El tener partes móviles hace que sea más sencillo que pueda sufrir problemas si el equipo se mueve. Esto que en un PC de sobremesa no es problema se convierte en un tema clave en los equipos portátiles que están más expuestos a golpes y vibraciones.

Los SSD vienen a solucionar estos problemas al no contener elementos mecánicos en su interior.

Los SSD normales incluyen dos zonas de memoria, una en la que se guarda la información y otra que actúa de cache muy parecida a la memoria RAM. Esta última al ser más rápida ayuda a acelerar los accesos a los datos.

Ventajas y desventajas de los discos SSD

Ventajas Inconvenientes

Rapidez. Tanto en la búsqueda de los datos como en las lecturas posteriores.

Mayor resistencia. Al no tener componentes móviles responden mejor tanto a la vibración como a los golpes.

Menor consumo. Esto los hace que se conviertan en ideales para dispositivos portátiles.

Menor ruido. Otra ventaja más de no tener partes móviles.

Son caros. Tecnología joven. Al tratarse de

un invento nuevo, tiene que pasar un tiempo para que se le saque el máximo provecho.

Adaptación de los sistemas operativos. Los fabricantes deben mejorar tanto el hardware como el software que acompaña a los SSD.

Sistemas de archivos

Tabla de asignación de archivos, comúnmente conocido como FAT (file allocation table), es un sistema de archivos, relativamente sencillo desarrollado para MS-DOS, así como el sistemas de archivos principal.

Es una lista de valores digitales que describe la asignación de los clústers de una partición. De hecho, cada célula de la tabla de asignación corresponde a un clúster. Cada célula contiene un número que indica si un archivo está utilizando el clúster. De ser así, indica la ubicación del siguiente clúster en el archivo. De esta forma, se obtiene una cadena FAT, la cual es una lista vinculada de referencias que apunta a los clústers sucesivos hasta el final del archivo.

Tabla de asignación de archivos Definición

Cada entrada FAT (file allocation table) tiene una extensión de 16 ó 32 bits (FAT16 o FAT32). Las primeras dos entradas almacenan información acerca de la tabla misma, mientras que las entradas siguientes hacen referencia a los clústers. Algunas entradas pueden contener valores que indiquen el estado del clúster específico.

En realidad, cada partición contiene dos copias de la tabla almacenada de manera contigua en el disco, para que pueda recuperarse si la primera copia se corrompe.

FAT

Lo que actualmente conocemos por FAT es realmente FAT16. Es el sistema de archivos introducido por Microsoft en 1987 para dar soporte a los archivos de 16bits, no soportados por versiones anteriores de FAT (FAT12).

Este sistema de archivos tiene una serie muy importante de limitaciones, entre las que destacan el límite máximo de la partición en 2Gb (pero es capaz de gestionar archivos de hasta 4Gb ), el utilizar clúster de 32Kb o de 64Kb y el no admitir nombres largos de archivos, estando estos limitados al formato 8+3 (ocho dígitos de nombre + tres de extensión).

FAT16 y FAT32

En 1996 se introduce el sistema de archivos FAT32, para solucionar en buena parte las deficiencias que presentaba FAT16, pero manteniendo la compatibilidad en modo real con MS-DOS. Entre estas se encuentra la de superar el límite de 2Gb en las particiones, si bien se mantiene el tamaño máximo de archivo, que es de 4Gb.

Para solucionar este problema, FAT32 utiliza un direccionamiento de clúster de 32bits, lo que en teoría podría permitir manejar particiones cercanas a los 2 TB (Terabytes), pero en la práctica Microsoft limitó estas en un primer momento a unos 124Gb, fijando posteriormente el tamaño máximo de una partición en FAT32 en 32Gb.

Estos dos formatos, a pesar de sus inconvenientes, tienen una gran ventaja, y es que son accesibles (cuando menos para lectura) por una gran cantidad de sistemas operativos, entre los que destacan Unix, Linux, Mac OS... Esta compatibilidad es aun mayor en FAT16 que en FAT32.

El sistema de archivos NTFS fue introducido a mediados de 1993.

Utiliza clúster de 4Kb. Esto permite un aprovechamiento del disco mucho mayor que en FAT16 o en FAT32, ya que, por ejemplo, teniendo un fichero de 1Kb, si el tamaño del clúster es de 4Kb estaríamos desperdiciando solo 3Kb, y si el tamaño del clúster fuera de 512bytes, pues utilizaría dos clústers, no existiendo en ese caso ningún desperdicio de espacio.

Pero tiene un inconveniente, y es el de que en ese caso se necesita un espacio del disco bastante grande para guardar la información del formato.

NTFS

Las particiones formateadas en NTFS no son accesibles desde MS-DOS, Windows 95, Windows 98 ni por otros sistemas operativos instalados en discos bajo sistemas FAT16 o FAT32. Linux tiene soporte parcial de escritura y total de lectura para particiones NTFS.

Hay que dejar bien claro el hecho de que no es posible pasar de un formato de nivel superior a uno de nivel inferior sin eliminar la partición y volver a crearla. Podemos pasar mediante software de FAT16 a FAT32, y de este a NTFS, sin pérdida de información ni de nada (teniendo en cuenta siempre los riesgos que un cambio de formato de partición implican), pero no a la inversa.

Límites FAT12 FAT16 FAT32

Tamaño máximo de archivo

32 MB 2 GB 4 GB

Número máximo de archivos

4077 65517 268.435.437

Tamaño máximo del volúmen

32 MB 2 GB 2 TB

¿Están contiguos los clúster que se crean cuando se hace el formato lógico?

Un clúster no es más que un conjunto de varios sectores contiguos del disquete. El tamaño del clúster depende del tamaño de la unidad de disco y varía entre 1 o 2 sectores contiguos para los disquetes y entre 4, 8 o 16 sectores contiguos si se trata de un disco duro.

Los clúster son importantes porque se trata de la unidad mínima de información que el sistema operativo puede usar para guardar datos. Cuando se graba un fichero en el disco, siempre ocupa un número determinado de clústers (como mínimo 1). Por tanto, un fichero que ocupe un pequeño tamaño, por ejemplo 40 bytes, en realidad está gastando mucho más, según el tamaño del clúster.

Para razonar