Sistemas de Almacenamiento Digital: Discos Duros, Unidades Ópticas y Sistemas de Archivos

Introducción al Almacenamiento de Información

El tratamiento de la información es fundamental, pero requiere un sistema de almacenamiento adecuado. Es necesario acudir a sistemas capaces de guardar la información, aunque sea durante un tiempo limitado.

La evolución de estos sistemas ha estado dirigida principalmente por dos parámetros clave: capacidad de almacenamiento y velocidad de acceso.

Discos Duros (HDD - Hard Disk Drive)

La memoria del sistema (RAM) es válida como almacenamiento temporal mientras el equipo está en ejecución, pero su volatilidad la hace inadecuada para la permanencia de los datos a largo plazo. Surge aquí la necesidad de los discos duros.

Se trata de elementos herméticos y solo en casos muy puntuales merece la pena intentar una reparación. Han evolucionado optimizando sus principales parámetros: tiempo de acceso y capacidad. Son la respuesta a la necesidad de almacenamiento persistente.

Velocidad

La velocidad es una de las principales exigencias. Los tiempos de acceso son cada vez más cortos (típicamente entre 8 y 10 milisegundos), un factor crucial a mejorar. Un parámetro clave para la reducción de estos tiempos es el aumento de la velocidad de rotación de los platos.

Fiabilidad

La fiabilidad se mide comúnmente en MTBF (Mean Time Between Failures), que indica el tiempo medio entre fallos, expresado en miles de horas. En el campo de la fiabilidad, surge una tecnología de software llamada S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology), que proporciona reportes y monitorización del estado del disco en tiempo real.

Funcionamiento Básico

Consisten en platos circulares cubiertos por un sustrato magnetizable, encerrados dentro de una carcasa hermética. Las cabezas lectoras/escritoras sobrevuelan los platos a una distancia mínima, llegando incluso a rozarlos en ocasiones (durante el apagado o en modelos antiguos). Esto no suele ser un problema debido a una sustancia superdeslizante o a mecanismos de aparcamiento de cabezales que evitan que el contacto sea nocivo durante el funcionamiento normal.

Componentes y Control

Una mayor duración de los componentes reduce los puntos de fallo. El disco dispone en su parte inferior de una placa electrónica llamada controladora, que realiza funciones como la conversión paralelo-serie para la escritura y serie-paralelo para la lectura (en interfaces antiguas como PATA/IDE). Además, controla la posición precisa de las cabezas sobre las pistas y asegura una velocidad de rotación constante del motor.

Latencia Rotacional

Es el tiempo que tarda la sección deseada del disco (sector) en pasar por debajo de la cabeza lectora/escritora una vez que esta se ha posicionado en la pista correcta. Depende directamente de la velocidad de giro. Las velocidades de rotación típicas van de 7.500 a 10.000 RPM (revoluciones por minuto) en discos de consumo y servidores, aunque existieron modelos más lentos y más rápidos.

Interfaz de Datos (Ejemplo: PATA/IDE)

La interfaz PATA (Parallel ATA), también conocida como IDE, utilizaba cables planos de 40 u 80 hilos y conectores de 40 pines. El pin 1 se identifica comúnmente por una marca o el hilo de color rojo en el borde del cable.

Organización Lógica

Los datos en un disco duro se organizan lógicamente en cilindros, cabezas y sectores.

Unidades Ópticas: CD/DVD

Se convirtieron rápidamente en un elemento indispensable en los sistemas informáticos para la distribución de software, música, vídeo y almacenamiento de datos. Un CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) aprovecha un sistema óptico para almacenar y leer datos. Un DVD (Digital Versatile Disc) es, en esencia, un CD optimizado con mejoras específicas que permiten una mayor capacidad.

Los datos se graban como pits (muescas microscópicas) y lands (superficies planas) en las pistas espirales del disco.

Funcionamiento

En esencia, la interpretación de los ceros y unos binarios se realiza mediante el reflejo (o la falta de él) de un haz de luz láser sobre la superficie del disco. El sistema detecta si la luz se refleja (land) o se dispersa (pit), interpretándolo como un 1 o un 0. De forma similar a un disco duro, cuenta con una cabeza lectora móvil (que contiene el láser y el fotosensor) y un motor para la rotación del disco.

Tipos de Unidades y Discos

• Lectores (CD-ROM / DVD-ROM): Solo pueden leer discos pregrabados.
• Grabadoras (CD-R / DVD-R, CD+R / DVD+R): Permiten escribir datos una sola vez en discos grabables compatibles (R - Recordable).
• Regrabadoras (CD-RW / DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM): Permiten escribir y borrar datos múltiples veces en discos regrabables compatibles (RW - ReWritable).

Tecnologías de Capacidad

Existen tecnologías para aumentar la capacidad de almacenamiento:

• Doble Capa (DL - Dual Layer): Utiliza una segunda capa de datos semitransparente sobre la primera en la misma cara del disco, casi duplicando la capacidad.
• Doble Cara (DS - Double Sided): Discos con datos grabados en ambas caras físicas. Requieren extraer y girar el disco manualmente en la mayoría de las unidades.

Sistemas de Archivos

Un sistema de archivos define cómo se organiza, almacena y accede a la información en un dispositivo de almacenamiento. Controla aspectos como los nombres de archivo, los directorios, los permisos y la estructura física de los datos. Algunos tipos históricos y relevantes son:

FAT (File Allocation Table)

Es el sistema de archivos original utilizado por MS-DOS y las primeras versiones de Windows (como Windows 95/98). Fue ampliamente utilizado por su alta compatibilidad entre diferentes sistemas operativos.

• Variantes: FAT12 (disquetes), FAT16 (primeros discos duros), FAT32 (mejoras posteriores).
• FAT16: El tamaño máximo de una partición era generalmente de 2 GB. Los nombres de archivo seguían la convención 8.3 (8 caracteres para el nombre y 3 para la extensión).

VFAT (Virtual FAT)

Introducido con Windows 95, no es un sistema de archivos distinto, sino una extensión sobre FAT (normalmente FAT16). Su principal ventaja fue permitir el uso de nombres de archivo largos (hasta 255 caracteres), manteniendo la compatibilidad con la estructura 8.3 para sistemas operativos más antiguos. Seguía limitado por la capacidad de la partición FAT subyacente.

FAT32

Utiliza 32 bits para las entradas de la tabla de asignación de archivos, lo que permite:

• Particiones mucho más grandes (teóricamente hasta 2 TB, aunque Windows limitaba su creación a 32 GB).
• Uso de clústeres más pequeños que FAT16 en particiones grandes, reduciendo el espacio desperdiciado (*slack space*).
• Soporte para nombres de archivo largos (hasta 255 caracteres).

El primer sistema operativo de Microsoft en implementarlo fue Windows 95 OSR2.

Desventajas:

• Limitación en el tamaño máximo de archivo individual: 4 GB.
• Menos robusto ante errores que sistemas más modernos como NTFS.
• La tabla FAT32 puede ocupar más espacio en memoria que la de FAT16.

NTFS (New Technology File System)

Introducido con Windows NT, es el sistema de archivos estándar en las versiones modernas de Windows (XP, Vista, 7, 8, 10, 11). Ofrece mejoras significativas sobre FAT.

Características Principales:

• Journaling: Creación de registros históricos (log) de transacciones de datos para mejorar la recuperación ante fallos del sistema o de energía.
• Recuperación: Mayor capacidad de recuperación de la consistencia del sistema de archivos ante errores.
• Seguridad: Control de acceso a la información mediante permisos a nivel de archivo y carpeta (Listas de Control de Acceso - ACLs).
• Menor Fragmentación: Técnicas internas para reducir la fragmentación de archivos.
• Soporte para archivos y particiones de gran tamaño (muy superiores a FAT32).
• Compresión y cifrado (EFS) a nivel de sistema de archivos.
• Cuotas de disco, enlaces duros, puntos de montaje, etc.

Desventajas (históricas o relativas):

• Mayor sobrecarga (ocupación de espacio adicional para metadatos) en discos muy pequeños (menos relevante hoy en día).
• Compatibilidad limitada con sistemas operativos más antiguos o diferentes a Windows (aunque ha mejorado significativamente con controladores de terceros y soporte nativo en Linux/macOS).