Tema 3. Estructura física y lógica del Disco Duro

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1 1.-FUNCIÓN DE UN DISCO DURO ESTRUCTURA FÍSICA Elementos de un disco duro Funcionamiento de una unidad de disco duro Estructura física: cabezas, cilindros y sectores ESTRUCTURA LÓGICA PARTICIONES Tipos de particiones Particiones primarias y particiones lógicas Estructura lógica de las particiones SECUENCIA DE ARRANQUE DE UN ORDENADOR SECTORES DEL DISCO CRÍTICOS DURANTE EL ARRANQUE Sector de inicio del Disco duro Código arranque maestro Tabla de particiones Tabla de partición extendida GESTORES DE ARRANQUE Módulo : Implantación de Sistemas Operativos 1

2 1.-FUNCIÓN DE UN DISCO DURO Un disco duro es un dispositivo que permite el almacenamiento y recuperación de grandes cantidades de información. Los discos duros forman el principal elemento de la memoria secundaria de un ordenador, llamada así en oposición a la memoria principal o memoria RAM (Random Access Memory, memoria de acceso aleatorio). Tanto los discos duros como la memoria principal son memorias de trabajo, sin embargo, presentan importantes diferencias: la memoria principal es volátil (su contenido se borra al apagar el ordenador), muy rápida (ya que se trata de componentes electrónicos) pero de capacidad reducida. La memoria secundaria, en cambio, es no volátil, menos rápida (componentes mecánicos) y de gran capacidad. La memoria principal contiene los datos s en cada momento por el ordenador pero debe recurrir a la memoria secundaria cuando necesite recuperar nuevos datos o almacenar de forma permanente los que hayan variado. 2. ESTRUCTURA FÍSICA 2.1 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). 2.2 Funcionamiento de una unidad de disco duro Veamos cuáles son los mecanismos que permiten a la unidad acceder a la totalidad de los datos almacenados en los platos. En primer lugar, cada superficie magnética tiene asignado uno de los cabezales de lectura/escritura de la unidad. Por tanto, habrá tantos cabezales como caras tenga el disco duro y, como cada plato tiene dos caras, este número equivale al doble de platos de la pila. El conjunto de cabezales se desplazan linealmente desde el exterior hasta el interior de la pila de platos mediante un brazo mecánico que los transporta. Para que los cabezales tengan acceso a la totalidad de los datos, es necesario que la pila de discos gire. Este giro se realiza a velocidad constante y no cesa mientras esté encendido el ordenador. Con las unidades de CD-ROM ocurre algo similar, sin embargo en este caso la Módulo : Implantación de Sistemas Operativos 2

3 velocidad de giro no es constante y depende de la distancia al centro del dato que se esté leyendo. Cada vez que se realiza una operación de lectura en el disco duro, éste tiene que realizar las siguientes tareas: Desplazar los cabezales de lectura/escritura buscando la pista correspondiente. El tiempo que tarda el brazo en encontrar la pista se denomina tiempo "seek", de posicionamiento. Esperar a que el bloque se sitúe frente a la cabeza de lectura /escritura. El tiempo que dura esta búsqueda secuencial es el tiempo de latencia. Transmitir el bloque deseado (tiempo de transmisión) Estructura física: cabezas, cilindros y sectores Cada una de las dos superficies magnéticas de cada plato se denomina cara. El número total de caras de un disco duro coincide con el de cabezas. Cada una de estas caras se divide en anillos concéntricos llamados pistas. Finalmente cada pista se divide en sectores. El termino cilindro se utiliza para referirse a la misma pista de todos los discos de una pila. Los sectores son las unidades mínimas de información que puede leer y escribir un disco duro. Generalmente cada sector tiene 512 bytes. La capacidad de un disco está determinada por: Nº cabezas, cilindros y sectores. Nº sectores = Nº caras * Nº pistas/cara * Nº de sectores/pista Capacidad = Nº cabezas * Nº de cilindros * Nº sectores/pista * 512 byte por sector Módulo : Implantación de Sistemas Operativos 3

4 Las cabezas y los cilindros comienzan a enumerarse desde el 0 y los sectores por el 1, ya que el sector 0 esta reservado para el arranque. En esta imagen se puede observar la numeración de un Disco Duro con una geometría de 255 cilindro y 63 sectores/pista. 3. ESTRUCTURA LÓGICA La estructura lógica de un disco duro está formada por: El sector de arranque Espacio particionado Espacio sin particionar A) Sector de arranque o MBR : Primer sector de todo disco duro (cabeza 0, cilindro 0, sector 1). En él se almacena la tabla de particiones y un pequeño programa de inicialización,. 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. B) El espacio particionado es el espacio del disco que ha sido asignado a alguna partición. C) El espacio no particionado, es espacio no accesible del disco ya que todavía no ha sido asignado a ninguna partición. A continuación se muestra un ejemplo de un disco duro con espacio particionado (2 particiones primarias y 2 lógicas) y espacio todavía sin particionar. El caso más sencillo consiste en un sector de arranque que contenga una tabla de particiones con una sola partición y que esta partición ocupe la totalidad del espacio restante del disco. Módulo : Implantación de Sistemas Operativos 4

5 4. PARTICIONES Cada disco duro constituye una unidad física distinta. Sin embargo, los sistemas operativos no trabajan con unidades físicas directamente sino con entidades lógicas o volúmenes. Dentro de una misma unidad física de disco duro puede haber varios volúmenes. Cada una de ellos, constituye una partición del disco duro. Esto quiere decir que podemos dividir un disco duro en, por ejemplo, dos particiones y trabajar de la misma manera que si tuviésemos dos discos duros Características 1ª) Las particiones son divisiones de tamaño fijo del disco duro 2ª) Las particiones ocupan un grupo de cilindros contiguos del disco duro (mayor seguridad 3ª) Cada partición del disco duro tiene implantado un sistema de archivos o datos. 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. Considérese el caso de un ordenador que es compartido por dos usuarios y, con objeto de lograr una mejor organización y seguridad de sus datos deciden utilizar particiones separadas. Instalación de más de un sistema operativo. Debido a que cada sistema operativo requiere (como norma general) una partición propia para trabajar, si queremos instalar dos sistemas operativos a la vez en el mismo disco duro (por ejemplo, Windows 98 y Linux), será necesario particionar el disco. 4.1.Tipos de particiones Las particiones pueden ser de dos tipos: primarias o lógicas. Las particiones lógicas se definen dentro de una partición primaria especial denominada partición extendida. En un disco duro sólo pueden existir 4 particiones primarias (incluida la partición extendida, si existe). Las particiones existentes deben inscribirse en una tabla de particiones de 4 entradas situada en el primer sector de todo disco duro. Módulo : Implantación de Sistemas Operativos 5

6 De estas 4 entradas de la tabla puede que no esté utilizada ninguna (disco duro sin particionar, tal y como viene de fábrica) o que estén utilizadas una, dos, tres o las cuatro entradas. Es necesario que en la tabla de particiones figure una de ellas como partición activa. La partición activa es aquella a la que el programa de inicialización (Master Boot) cede el control al arrancar. El sistema operativo de la partición activa será el que se cargue al arrancar desde el disco duro. Más adelante veremos distintas formas de elegir el sistema operativo que queremos arrancar, en caso de tener varios instalados, sin variar la partición activa en cada momento. Conclusiones: Para que un disco duro sea utilizable debe tener al menos una partición primaria Para que un disco duro sea arrancable debe tener activada una de las particiones y un sistema operativo instalado en ella. Esto quiere decir que el proceso de instalación de un sistema operativo en un ordenador consta : o o o o De la creación de su partición correspondiente Instalación del sistema operativo (formateo de la partición y copia de archivos) Activación de la misma. Un disco duro no arrancará si no se ha definido una partición activa o si, habiéndose definido, la partición no es arrancable (no contiene un sistema operativo). es posible crear más de cuatro particiones primarias. Este límite, ciertamente pequeño, se logra subsanar mediante la creación de una partición extendida (como máximo una). Esta partición ocupa, al igual que el resto de las particiones primarias, una de las cuatro entradas posibles de la tabla de particiones. Dentro de una partición extendida se pueden definir particiones lógicas sin límite. El espacio de la partición extendida puede estar ocupado en su totalidad por particiones lógicas o bien, tener espacio libre sin particionar. En la tabla de particiones del Master Boot Record debe existir una entrada con una partición extendida (la cual no tiene sentido activar). 4.2.Particiones primarias y particiones lógicas 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. Lo anterior nos da una idea de qué tipo de partición utilizar para cada necesidad. La mayoría de los sistemas operativos deben instalarse en particiones primarias, ya que de otra manera no podrían arrancar. El resto de particiones que no contengan un sistema operativo, es más conveniente crearlas como particiones lógicas. Por dos razones: primera, no se malgastan entradas de la tabla de particiones del disco duro y, segunda, se evitan problemas para acceder Módulo : Implantación de Sistemas Operativos 6

7 a estos datos desde los sistemas operativos instalados. Las particiones lógicas son los lugares ideales para contener las unidades que deben ser visibles desde todos los sistemas operativos. Algunos sistemas operativos presumen de poder ser instalados en particiones lógicas (Windows NT), sin embargo, esto no es del todo cierto: necesitan instalar un pequeño programa en una partición primaria que sea capaz de cederles el control. 4.3.Estructura lógica de las particiones Dependiendo del sistema de archivos en cada partición, su estructura lógica será distinta. Todas las particiones tienen un sector de arranque (el primero de la partición) con información relativa a la partición. Si la partición tiene instalado un sistema operativo, este sector se encargará de arrancarlo. Si no hubiese ningún sistema operativo (como es el caso de una partición para datos) y se intentara arrancar, mostraría un mensaje de error. Para que sea posible trabajar en una partición es necesario asignarle previamente un sistema de archivos. Esta operación se denomina dar formato a una partición. Generalmente cada sistema de archivos ha sido diseñado para obtener el mejor rendimiento con un sistema operativo concreto 5. SECUENCIA DE ARRANQUE DE UN ORDENADOR Todos los ordenadores disponen de un pequeño programa almacenado en memoria ROM (Read Only Memory), memoria de sólo lectura), encargado de tomar el control del ordenador en el momento de encenderlo. Lo primero que hace el programa de arranque es un breve chequeo de los componentes hardware. Si todo está en orden, intenta el arranque desde la primera unidad física indicada en la secuencia de arranque. Si el intento es fallido, repite la operación con la segunda unidad de la lista y así hasta que encuentre una unidad arrancable. Si no existiese ninguna, el programa de arranque mostraría una advertencia. Esta secuencia de arranque se define en el programa de configuración del ordenador (también llamado Setup, Lo usual es acceder a este programa pulsando la tecla Suprimir mientras se chequea la memoria RAM, sin embargo su forma de empleo depende del modelo del ordenador. Suponiendo que arrancamos desde el disco duro, el programa de arranque de la ROM cederá el control a su programa de inicialización (código de arranque maestro )). Este programa buscará en la tabla de particiones la partición activa y le cederá el control a su sector de arranque. El programa contenido en el sector de arranque de la partición activa procederá al arranque del sistema operativo. Módulo : Implantación de Sistemas Operativos 7

8 6.SECTORES DEL DISCO CRÍTICOS DURANTE EL ARRANQUE Los dos sectores fundamentales para iniciar el equipo son. MBR: Registro del Código de arranque maestro (Master Boot Record Registro de inicio principal) que se encuentra en el sector 0 del cilindro 0 cabeza 0, es el primer sector del disco duro. El gestor de arranque de los S.O. Se encuentra en el sector de inicio de la/s partición/es activa/s ( el sector 1 de cada una de ellas ). Ambos sectores contienen código que se ejecuta y los datos necesarios para ejecutar el código. 6.1.Sector de inicio del Disco duro. Contiene las estructuras de datos más importante que contiene el disco 1) Una cantidad de código ejecutable: Código de arranque maestro 2) La tabla de particiones Código arranque maestro El código Maestro de inicio realiza las siguientes tareas: Examina la tabla de partición en busca de la partición activa Busca el sector de inicio de la partición activa Carga una copia del sector de inicio de la partición activa en memoria Transfiere el control al código que se puede ejecutar en el sector de inicio. Si el código maestro de inicio no puede finalizar estas funciones, el sistema mostrará uno de los siguientes mensajes de error: Tabla de partición no válida Error al cargar el Sistema operativo Falta del sistema operativo El Contenido del sector de inicio es el siguiente : 446 bytes: Para el código ejecutable del programa. 16 bytes: Primera entrada en la tabla de particiones. 16 bytes: Segunda entrada en la tabla de particiones. 16 bytes: Tercera entrada en la tabla de particiones. 16 bytes: Cuarta entrada en la tabla de particiones. 2 bytes: Con el contenido AA55 hexadecimal. Es la marca de que existe dicho sector de particiones y es la que verifica la BIOS para comprobar la presencia del MBR. Módulo : Implantación de Sistemas Operativos 8

9 Tabla de particiones La tabla de partición es una estructura de datos de 64 bytes que se utiliza para identificar el tipo y la ubicación de las particiones en un disco duro. Se ajusta a una disposición estándar que es independiente al sistema operativo. Cada partición tiene una entrada de 16 bytes de longitud. (máximo 4 entradas) Elementos de cada entrada de la tabla de particiones. Campo Función Tamaño Indica si es una partición activa. Solo una partición primaria 1 BYTE puede tener activado este campo. Indicador de inicio 00 = no activa. 80 = Partición de Boot Id. Del sistema Define el tipo del sistema de archivos como FAT16, FAT32 o NTFS que se utilizó para dar formato al volumen. Identifica una partición extendida 1 BYTE Inicio de partición: Cilindro Cabeza Sector Se les conoce como campos CHS. Estos campos son esenciales para iniciar el equipo. El código maestro de inicio utiliza estos campos para buscar y cargar el sector de inicio de la partición activa. Los campos CHS de las particiones que no son activas, apuntan a los sectores de inicio de la partición. Como cada sector es de 512 bytes, la capacidad máxima del 3 BYTE: cilindro (10 bits) 1 BYTE cabeza 6 bit s ector Módulo : Implantación de Sistemas Operativos 9

10 Fin de partición: Cabeza Cilindro Sector disco que describe la tabla de partición se calcula de la siguiente forma: Capacidad máxima = * cilindros *cabezas *sectores por pista tamaño sector 2 10 * 2 8 * 2 6 7,8GB = 1024 * 256 * 63 * 512 Antes de introducir el direccionamiento de bloque lógico o LBA, la partición no podía exceder de 7,8 GB. 3 BYTE: cilindro (10 bits) 1 BYTE cabeza 6 bit s ector Sectores relativos (*) Número de sectores entre el MBR y el 1er sector de la partición 4 BYTES Sectores totales (*) Número de sectores en la partición 4 BYTES (* )Utilizados actualmente por los sistemas operativ. Los campos tienen una longitud de 32 bits, proporcionan 8 bits más que el esquema CHS (10+8+6) esto permite definir todos las particiones que contienen 2 32 sectores. Con un tamaño estándar de 512 bytes los 32 bits que se emplean para representar los campos sectores relativos y sectores finales se traducen en un tamaño máximo de partición de 2 terabytes ( bytes) Tabla de partición extendida Su función es localizar cada unidad lógica que componga la partición extendida. Existe un registro de inicio extendido (EBR) para la partición extendida y para cada unidad lógica dentro de la partición extendida con 4 entradas. Funcionamiento: Cuando existe una partición extendida en un disco duro, en la tabla de particiones existe una entrada que apunta a la partición extendida que a su vez es una nueva tabla de particiones (EBR)con cuatro entradas, de las que se utilizan solo dos. La primera entrada apunta a su propio sector de inicio La segunda apunta al registro de inicio extendido (EBR) de la siguiente unidad lógica. Si ya no existen más unidades lógicas no se empleará la segunda entrada y se registrará como ceros. Como se muestra en la figura2, los EBR de las unidades lógicas en la partición extendida son una lista vinculada. Módulo : Implantación de Sistemas Operativos 10

11 Detalle de un disco básico con cuatro particiones Cód ig o d e in icio m aest r o Disco Partición primaria uno Partición primaria dos Partición primaria tres Partición extendida Registro de inicio maestro Tabla de partición Registro de inicio extendido Registro de inicio extendido 1 ª ) en t r ad a d e la t ab la d e p ar t ición 2 ª ) en t r ad a d e la t ab la d e p ar t ición 3 ª ) en t r ad a d e la t ab la d e p ar t ición 4 ª ) en t r ad a d e la t ab la d e p ar t ición 0 x 5 5 AA Sect or d e in icio D at os Sect or d e in icio D at os Sect or d e in icio D at os Tab la d e p ar t ición ex t en d id a 0 x 5 5 AA Sect or d e in icio D at os Tab la d e p ar t ición ex t en d id a 0 x 5 5 AA Sect or d e in icio Volumen lógico Volumen lógico D at os Figura 1 Módulo : Implantación de Sistemas Operativos 11

12 Detalle de una partición extendida Partición extendida 1 entrada de la tabla de partición extendida Actual Primer volumen lógico 2 entrada de la tabla de partición extendida 3 entrada de la tabla de partición extendida 4 entrada de la tabla de partición extendida Final del marcador del sector (palabra de firma) Siguiente 0x55AA Sector de inicio Tabla de partición extendida Registro de inicio extendido Datos Actual Siguiente Segundo Volumen lógico 0x55AA Sector de inicio Datos Último Volumen lógico Actual 0x55AA Sector de inicio Datos Figura 2 Módulo : Implantación de Sistemas Operativos 12

13 7. GESTORES DE ARRANQUE Hemos visto el funcionamiento habitual del arranque de un ordenador. Sería conveniente, tener varios S.O. Y poder elegir mediante un menú el sistema operativo deseado. Aquí entran los gestores de arranque. Existen varios gestores de aranque : LILO, GRUB, MBRmenu, Gag Estos gestores, sustituyen al cargador del MBR, y en vez de ejecutar el sector de arranque de la partición activa, carga el sector de arranque de la partición que le digamos (mediante un menú). Módulo : Implantación de Sistemas Operativos 13

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