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Funcionamiento electromecánico de los discos rígidos

Los discos rígidos son dispositivos electromecánicos de alta precisión. Constan de un grupo de platos en los que se graba la información en forma magnética. Estos platos giran a una velocidad constante dada por un motor de platos o spindle motor. La velocidad en los discos rígidos de PC van de 3600 a 10000 RPM.

Los platos son de aluminio y manganeso recubiertos por una capa magnética de cobalto y fósforo y un lubricante. Esto es una simplificación y en realidad los platos tienen entre cinco y siete capas de diferentes aleaciones que son propiedad intelectual de cada fabricante de medios. Hay que tener en cuenta que no necesariamente cada fabricante de discos produce sus propios medios.

Los primeros discos tenían una coercitividad de 500 ó 600 Oe. En tanto que los medios que se utilizan actualmente tienen una coercitividad de 3000 o 4000 Oe. Esto implica que el tamaño de los dominios magnéticos que se orientan en uno u otro sentido para de esta manera memorizar un estado lógico pueden ser más pequeños. Se lo puede entender con analogía al tamaño del grano en una película fotográfica o el tamaño del pixel en un monitor. La mayor coercitividad permite grabar los tracks de un disco más cercanos uno del otro sin pérdida de información.

La información es leída a través de cabezales magnéticos que sobrevuelan la superficie de los platos a una distancia del orden de los 30 nanómetros. La velocidad de los mismos en relación a los platos es de aproximadamente 30 metros / segundo. Los platos y el conjunto de cabezales se encuentran en un gabinete cerrado llamado burbuja que no tiene contacto con el exterior. Es importante la aislación absoluta de los mecanismos con respecto al exterior debido a que el polvillo del ambiente puede producir daños en cabezales y medios. Este es un gran problema para los diseñadores de medios de almacenamiento removible. Algunos modelos de discos tienen orificios en su burbuja. Detrás de estos encontramos un pequeño filtro de clase 100. Esto se implementa para equiparar la presión atmosférica interna con la externa. Téngase en cuenta que siempre que un disco esté en funcionamiento va a tener una presión muy positiva con respecto a la presión atmosférica, de modo que el flujo de aire (en caso de que tenga lugar) se efectúa hacia fuera. Esta presión (generada por el flujo de aire que producen los platos al girar) permite que los cabezales vuelen. En cuanto más pequeña sea la distancia de vuelo mayores densidades (información sobre unidad de superficie) se podrán obtener. La altura de vuelo se regula por el tamaño de los cabezales. Hay que tener en cuenta por último que la distancia real entre la capa magnética del plato y la capa magnética del cabezal es mayor a la distancia física entre cabezal y plato debido a las múltiples capas que componen uno y otro elemento.

Cada cabezal tiene dos bobinados, uno de lectura y uno de escritura. Es importante notar que a diferencia de otros dispositivos de cintas, aquí no existe cabezal de borrado. La única forma de borrar es escribiendo encima. Esto tiene consecuencias en el campo de la protección de información, confidencialidad, recuperación de información, etc.

No nos extenderemos aquí acerca de la construcción de los cabezales y las diferentes tecnologías. Actualmente se emplean diversos tipos de cabezales llamados MR por magneto resistivos. Sólo el cabezal de lectura es MR, el de escritura sigue siendo de película delgada o thin film. El rol de la tecnología MR es una de las claves de los actuales niveles de densidad de información alcanzados.

Sabemos que los platos tienen vías (tracks) concéntricas donde se registra la información. Los mismos se enumeran desde el cero hasta n. Cada track está dividido en sectores circulares. Los cabezales leen un solo track a la vez, de modo que para leer un sector (típicamente de 512 Bytes cada uno) el cabezal deberá hacer una búsqueda (seek) hasta el track correspondiente y esperar a que el sector deseado se ubique bajo el cabezal por efecto de la rotación de los platos. A este tiempo se lo llama tiempo de latencia y estadísticamente se puede decir que es de la mitad del tiempo que tarda el plato en dar una vuelta completa.

En la actualidad la inmensa mayoría de los discos emplean un mecanismo para mover los cabezales que se llama rotary voice coil. Se trata de una bobina que se mueve dentro de un campo magnético fijo al ritmo de la energización que se le aplica (a la manera de un parlante de audio, que traduce energía eléctrica en movimiento del cono). La principal ventaja del rotary voice coil sobre el voice coil y el stepper motor es la precisión de posicionamiento y el bajo costo de fabricación. El voice coil hace entrar los cabezales en forma totalmente radial a los platos en tanto que el rotary voice coil los hace entrar en forma de arco. Esto trae ciertas complicaciones en el diseño de los cabezales debido a que entre el track más externo y el más interno hay un ángulo (valor constante para cada modelo de disco) de unos 20 grados que deberá ser proporcional al offset o desplazamiento que deben mantener los bobinados de lectura y escritura dentro de cada cabeza.

El stepper motor (similar al de las disketteras) mencionado más arriba fue en su momento una alternativa al voice coil por ser mucho más económico pero cayó en desuso cuando se necesitó más velocidad y mayor precisión en medios con mayor cantidad de tracks por pulgada (TPIs). De esta época son los discos que recomendaban ser instalados en posiciones bien definidas. Actualmente con la tecnología que se usa no hay recomendaciones explícitas al respecto pero siempre se recomienda instalar los discos en forma horizontal con la plaqueta hacia abajo o sobre uno de los laterales longitudinales a 90 grados del piso. No en otra posición.

Servomecanismo de lazo cerrado para posicionamiento de cabezales (búsqueda de track y seguimiento de track)

Los primeros discos de PCs, al igual que los discos de mainframes, contaban con una superficie que venía de fábrica grabada con una señal de servo. Dicha señal era la entrada a un sistema de realimentación de lazo cerrado que permitía la búsqueda de tracks a lo largo de las superficies. Esto fue un gran avance en comparación con drives anteriores que hacían el posicionamiento a través de una reglita (fija) que era seguida por un sensor (movil) en el voice coil (en forma análoga al mecanismo que utilizan las actuales impresoras de chorro de tinta para posicionar el carro con el cabezal de impresión). La superficie de servo dedicada permitió mayores densidades debido a que el servo estaba grabado de una forma muy parecida a la de la información real.

Los diseñadores de discos, presionados por lograr mayores densidades, no podían permitirse toda una superficie sin datos, de modo que el servo se incorporó a los platos con datos. Esto se llamó embedded servo o servo «incorporado». La naturaleza de las señales de servo se aproximaron aún más a las de datos: a partir de aquí los mismos cabezales que leen datos leen también servo, solo que a diferentes frecuencias. Es decir que habrá un circuito encargado de multiplexar servo a una frecuencia determinada. Obviamente la electrónica se complica, porque ahora necesitamos una etapa adicional que discrimine lo que es servo y lo que es data, pero se simplifica la mecánica y se logra mayor capacidad por drive. (Podemos pensar en la analogía con un sistema de televisión en el que por un cable recibimos señal de video compuesta. Los circuitos deben discriminar lo que son pulsos de sincronismo horizontal y vertical, audio y señal de video).

En el caso de los discos el amplificador de lectura y escritura que se encuentra en el conjunto de los cabezales, dentro de la burbuja, amplificará por igual los pulsos de servo (con período constante) y las señales de datos. Cada cabezal es una señal de datos en serie. La circuitería posterior lo que hace es discriminar los datos del servo y pasar los datos a paralelo (integrando la información obtenida de cada cabezal).

La última evolución que sufrió el sistema de servo de los discos se llama «Idless» o «no ID». En este tipo de arquitectura seguimos teniendo servo incorporado pero se simplifica la cantidad de información de identificación que es necesaria para ubicar cada sector. Digamos, sin profundizar demasiado, que cuando el disco se haya inicializado se habrá generado en ram un mapa del disco que hace aún más «de acceso aleatorio» el disco debido a que no hay que leer los ID de los sectores antes de leerlos. Esto permite también quitarle toda criticidad al problema del offset entre cabezal de lectura y de escritura y habilita a mayores densidades de track. Esta es la arquitectura que se emplea en la mayoría de los discos en uso actualmente.