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Almacenamiento de los Computadores 2007
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Almacenamiento Primario y Secundario de los Ordenadores
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Almacenamiento de los Computadores
2007
Federico AlvarezBernardo Firpo
Abstract
En este informe tratamos de resumir todo lo que respecta al Almacenamiento Primario y Secundario de los Computadores.
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Indice
INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................4
CARACTERÍSTICAS................................................................................................................................................4JERARQUÍA DE LA MEMORIA.......................................................................................................................5TECNOLOGÍA.........................................................................................................................................................6
ALMACENAMIENTO PRIMARIO.......................................................................................................................7
MEMORIA PRINCIPAL - SEMICONDUCTORA.........................................................................................................8MEMORIA RAM....................................................................................................................................................9
La RAM dinámica............................................................................................................................................9La RAM estática............................................................................................................................................11
MEMORIA ROM..................................................................................................................................................12MEMORIA CACHE...............................................................................................................................................12MEMORIA VIRTUAL............................................................................................................................................15
ALMACENAMIENTO SECUNDARIO.............................................................................................................16
DISCOS MAGNÉTICOS.........................................................................................................................................16Definiciones y características.......................................................................................................................17Organización de datos...................................................................................................................................17Características físicas de los discos..............................................................................................................17Tiempos de acceso al disco...........................................................................................................................18Tasa de Transferencia...................................................................................................................................19RAID Redundant Array of Independent Disk................................................................................................19Discos duros..................................................................................................................................................20Discos Flexibles.............................................................................................................................................23Reel to Reel....................................................................................................................................................25Cartridge.......................................................................................................................................................25
DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO ÓPTICO...................................................................................................26Características..............................................................................................................................................26CD ROMS......................................................................................................................................................27Discos WORM (CD-R)..................................................................................................................................27Discos Ópticos Re-grabables........................................................................................................................28DVD...............................................................................................................................................................29Controladores de los dispositivos de almacenamiento.................................................................................29CDROM.........................................................................................................................................................30
DISPOSITIVOS REMOVIBLES................................................................................................................................31Zip (Iomega) - 100 MB..................................................................................................................................31SuperDisk LS-120 - 120 MB (Imation/Panasonic)........................................................................................31EZFlyer (SyQuest) - 230 MB.........................................................................................................................31Magneto-ópticos de 3,5" y de 5,25" - 128 MB a 1,3 GB y 4,6 GB................................................................31Jaz (Iomega) - 1 GB ó 2 GB..........................................................................................................................31Cintas magnéticas de datos - hasta más de 4 GB.........................................................................................32
Bibliografía............................................................................................................................................................33
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Introducción
El almacenamiento de datos es una parte crítica en la función de la computadora.La memoria en un sistema tiene que ser construida de alguna manera que pueda representar datos binarios, ya que funciona mediante ellos.
Características
Cuando hablamos de la rapidez de memoria, hablamos de la demora entre que se recibe una instrucción de lectura para una dirección particular en la memoria, y cuando la información esta disponible como output desde esa memoria. A esto se le puede llamar como Tiempo de Acceso.
La memoria volátil depende de un continuo abastecimiento de energía para mantener la información, si la energía se pierde la información también. RAM es un ejemplo de la memoria volátil, mientras que el disco duro de memoria no-volátil. Los puntos magnetizados en el disco mantienen la información sin tener que recurrir a la energía para hacerlo. También hay ROM en la computadora que es no-volátil.
La Capacidad está dada por: nº de bits, bytes o palabras en un modulo.
Unidad de transferencia (unidad direccionable) : RAM = 1 palabra (El tamaño puede ser de 8, 16, 32 bits) Disco = 1 bloque
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JERARQUÍA DE LA MEMORIA
Los datos y instrucciones requeridos para la inmediata manipulación por el CPU son guardados en los registros - áreas pequeñas de memoria accedida muy rápidamente sin el CPU.
La memoria Cache que se encuentra entre los registros y RAM contienen instrucciones/datos que el controlador del cache predice que serán necesarias.
Las instrucciones corrientes de programas y sus datos son guardados en la memoria de acceso rápido, RAM.
Programas y datos no usados corrientemente (o que no caben en la memoria 1º) son guardados en almacenamientos 2º de acceso lento, en disco, cinta, o CD-ROM.
La memoria cache y la virtual son usadas para mejorar la performance del costo/beneficio de la jerarquía de la memoria.
El Caching mejora la velocidad de acceso de la memoria a el almacenamiento 1º y 2º, prediciendo la siguiente instrucción/dato requerido, almacenándolo en la memoria mas rápida.
La memoria virtual aumenta la capacidad primaria de memoria mientras disminuye el costo usando la memoria 2º como si fuera RAM.
Una pequeña cantidad de datos en los registros10 – 100 1000 en cacheMillones de datos en RAMBillones a trillones de datos en almacenamientos secundarios
El sistema tratara de mantener los datos que serán usados próximamente en la memoria más rápida. De esto se encarga los componentes del sistema como el modulo de manejo de la memoria del sistema operativo junto con los componentes del hardware como el controlador de cache. El propósito de la jerarquía de memoria es reducir el costo total manteniendo un nivel aceptable de performance y capacidad
Mientras se baja en la jerarquía: costo por BIT disminuye capacidad aumenta Tiempo de acceso aumenta frecuencia de acceso por el CPU disminuye
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Tecnología
La memoria Semiconductora usa el mismo tipo de tecnología que usan los microprocesadores. Los bits son guardados en transistores, que actúan como switches eléctricos en miniatura. Hay diferentes tipos de tecnología de memoria semiconductora, incluyendo estática y dinámica RAM.
La memoria magnética representa datos binarios con diferentes patrones de magnetización.
La memoria Óptica almacena información digital usando series de hoyos, o puntos levantados, en la superficie.
Estas dos ultimas son utilizadas para el almacenamiento secundario.
Semiconductor Memory Magnetic Optical
RAM ROM
Hard DiskFloppy
DiskTape
CD-R WORM CD-ROM DVD
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Almacenamiento Primario
La tecnología ha afectado de diferente manera al procesador y a la memoria. Los avances tecnológicos han supuesto un aumento importante de la densidad de las memorias pasando de memorias de 16 bits en 1965 a memorias de 16 Mbits en 1995. Este aumento en la densidad de componentes, no se ha visto correspondido con incrementos espectaculares en los tiempos de acceso.
Los tiempos de acceso se ven multiplicados por un factor de 1,07 cada año, mientras que las velocidades de los procesadores se ven multiplicadas por un factor de 1,55. Entonces la barrera que separa los rendimientos del procesador de las velocidades de la memoria es cada vez sea mayor.
Una de las técnicas habituales para minimizar este problema es utilizar memorias principales entrelazadas. Sin embargo la densidad de las memorias RAM está creciendo más rápidamente que la necesidad de memoria de los usuarios. Esto nos lleva a una disminución de módulos de memoria en los computadores y por lo tanto disminuye la capacidad de entrelazamiento.
Otra técnica posible es aumentar el ancho de bus, pero esto encarece mucho los sistemas.
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Memoria Principal - Semiconductora
La memoria primaria incluye cache & lo que es acceso aleatorio Tipos incluidos:
RAM ROM PROM EPROM (óptimamente borrable) EEPROM (electrónicamente borrable)
Las señales de control, se reciben a través del bus de control:Selección de chip (Chip Select, CS), su activación permite la actividad de la memoriaLectura / Escritura (Read / Write, R/W): ordena la operación realizada, ya sea de escritura o lectura.Habilitación de salida (Output Enable, OE). RAS / CAS: habilitación de dirección para memorias DRAM.
El acceso Random (aleatorio) significa que no importa que parte de RAM accedamos, es tan rápido como cualquier otro lugar en RAM – entonces para acceder a la dirección 350 es tan rápido como para acceder a la dirección 4. La memoria es cableada para permitir el acceso inmediato a cualquier lugar en el mismo tiempo.
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Línea de datos
Línea de dirección
DRAM
RASCASR/W
Tres tipos de ciclo:•Ciclo de lectura.•Ciclo de escritura.•Ciclo de refresco: leer la celda antes de que pierda la carga.
Word Line
Bit Line
Memoria RAM
RAM tiene dos subcategorías - Estática y Dinámica RAM. ¡AMBAS son volátiles!
La RAM dinámica.
La carga debe ser continuamente refrescada para mantener la información.
Es usada por la mayoría de la memoria primaria, la cantidad de datos por chip ha aumentado rápidamente. Dynamic RAM usa capacitares que gradualmente se descargan, mientras que la static RAM no usa ningún capacitor.
La memoria CMOS (complementario metal oxido semiconductor) es usado para mantener los cambios de la configuración que la computadora necesita para siempre tener acceso, pero que no siempre es apropiado guardar la información en memoria permanentemente escrita como la BIOS. La información es mantenida por una batería que provee una pequeña cantidad de energía. Como ejemplo, la configuración del disco duro puede requerir cambios.
Esta guardada en el chip CMOS, y es accedido usando un programa setup que esta guardado en ROM BIOS. La cantidad de información por chip era de 64K hace 6-7 años. Ahora 64 MB, 128 & 256 MB son comunes, y 1Gigabyte esta apareciendo. Hay muchos tipos diferentes de RAM disponibles y hay mucha innovación.
La memoria de antes indica la velocidad con los últimos 2 dígitos del chip del número de parte, a veces 60ns o 70ns. SDRAM indica la velocidad en megahertz correspondiente a la máxima velocidad de recepción del bus que puede enfrentarse.
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Tipos de DRAM
DRAM SDRAM (Synchronus DRAM)
En lugar de ser una memoria asíncrona como el resto, esta intercambia datos con el procesador, sincronizada por una señal de reloj externa. Incluye un módulo SRAM que recoge la dirección y la orden y responde después de un cierto número de ciclos de reloj. Entre tanto el procesador puede ir realizando otra tarea.
FPM DRAM EDO DRAM PC133 SDRAM DDR DRAM 1T-SRAM Direct RDRAM
EDRAM (Enhanced-DRAM) Incluye una pequeña memoria SRAM que almacena la última fila seleccionada de modo que si el siguiente acceso se realiza en la misma fila, solo se debe acceder a la rápida SRAM. Además permite realizar una lectura simultáneamente con el actualizar o con una escritura.
CDRAM (Cache-DRAM) Cuenta con una memoria cache SRAM que almacena varias filas, siendo más efectiva para los accesos aleatorios de memoria que la anterior.
RDRAM (Rambus-DRAM) Se cambia la interfaz entre la DRAM y el procesador, sustituyendo las líneas de selección de fila y de columna por un bus que permite otros accesos mientras se da servicio a un acceso, usando transferencias de ciclo partido.
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La RAM estática
Memorias RAM estáticas (SRAM): sus celdas están formadas biestables D.
Es más cara, pero no necesita ser actualizada, es más rápida. La capacidad de datos en un chip es mucho mas chica (~256 k).SRAM es usualmente usada para la memoria cache, por su más rápido tiempo de acceso.
La diferencia entre la volatilidad de la memoria y la necesidad de la RAM de ser actualizada debe ser explicada.
SRAM es actualmente 3 veces más rápido que RAM. SRAM = 12 nanoseg. SDRAM = 40 nseg. (3/1/1/1/1) 1 ns = 10 to –9secs2 ns = 600 mhz Pulso del reloj para tiempo de espera 0
Dado que todas las estrategias disminuyen los tiempos de acceso pero no achican las diferencias entre procesador y memoria principal de manera significativa, se suele aprovechar el principio de localidad de los programas para introducir una memoria SRAM entre el procesador y la memoria DRAM lo que produce bueno resultados. Esta memoria se llama cache.
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Flip – Flop (Lacht)
Memorias RAM estáticas
Memoria ROM
Es de acceso aleatorio, pero es de solo lectura y no volátil. Generalmente el contenido de ROM no puede ser alterado, aunque ciertos tipos de ROM pueden ser alterados bajo ciertas condiciones. Es más simple y menos costosa que RAM.
La utiliza el sistema operativo en algunas partes muy bajas de su nivel del OS , como la ROM BIOS.
PROM y EPROM pueden ser cambiadas, pero el tipo varia acorde a la frecuencia de cambio.
PROM es programada una vez y después es de solo lectura.
EPROM & EEPROM pueden ser reprogramadas muchas veces. (Ej memoria flash)
Memoria Cache
El problema de la gran diferencia entre las velocidades del microprocesador y las velocidades de acceso a la memoria principal, provoca que en muchas ocasiones el procesador este inactivo, lo que produce una disminución en el rendimiento.
Hay varias soluciones a este problema, pero la mas interesante es la utilización de una memoria interpuesta entre el microprocesador y la memoria principal que permita aprovechar la localidad que aparece en la ejecución de los programas para aumentar el rendimiento del sistema; la memoria debe ser pequeña y rápida para que se acerque a las velocidades de procesamiento. Actualmente esta técnica es muy usada.
En 1965, Wilkes introdujo el concepto de memoria cache y tiempo después, en 1968 el modelo 360/85 la incluía en su arquitectura. El primer microprocesador con la memoria cache en el interior del chip fue el Motorola 68020. Después aparecieron computadoras con dos niveles de cache uno interno y otro externo como por ejemplo el SUN 3/250 en 1986 y caches separadas para datos e instrucciones (4D/240 de Silicón en 1988).
El tiempo medio de acceso a la memoria se toma en función del tiempo de acceso a la memoria cache, la tasa de fallos, y las penalizaciones por fallos. El aumento del grado de asociatividad y del tamaño de la cache disminuyen la tasa de fallos, pero pueden repercutir negativamente incrementando el tiempo de acceso a memoria cache al aumentar la complejidad de la lógica de control.
Por otro lado, el aumento del tamaño del bloque disminuye la tasa de fallos, pero puede llegar a aumentar la penalización de cada fallo. En el diseño se debe encontrar un compromiso entre todos estos factores.
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El CPU debe acceder a la memoria en todos los ciclos de instrucciones para traer la instrucción y a veces ir a buscar uno o más operandos.
La ejecución de la instrucción del CPU es limitada por el tiempo de ciclo de la memoria. La velocidad de la memoria no esta al día con la velocidad del procesador.
Una solución es el uso de WAIT states durante el ciclo de instrucción, donde CPU espera a que la memoria responda. Otra es proveer una memoria rápida y chica entre el CPU y la memoria principal, conocida como memoria CACHE.
La mejora en la performance de usar cache es que la memoria más rápida es usada para implementarlo.
Es importante ver que cache no es simplemente un buffer para guardar datos o instrucciones temporales. La Cache necesita ser manejada por un procesador inteligente si se quiere tener una mejor performance y evitar la perdida de datos.
Memoria Cache contiene una copia de los datos/programas usados frecuentemente en la memoria principal. Cuando el CPU intenta leer una palabra en la memoria, el controlador de cache verifica si la palabra esta en cache.
Si esta presente entonces es entregada al CPU (llamado como hit); sino (miss) toma bloques desde la memoria principal y los carga en cache.
El radio de Hit son los hits en todas las consultas
El principio es guardar lo que vamos a necesitar cerca- en la memoria rápida local, y revisamos esta memoria primero. Cuando la información o la instrucción requerida no es encontrada en cache y debe ser buscada en la memoria principal, es copiada en cache también los lugares del CPU que pueden ser requeridos pronto.
Si el radio de hit es alto, es bueno para la performance. Si es bajo, significa que al buscar en cache y no encontrar, todo el proceso se hace mas lento. Una gran ayuda par el trabajo es el correcto diseño de los algoritmos que serán usados para manejar el cache.
Elementos del diseño de cache: Tamaño de cache Algoritmos de sustitución - Ej. LRU Políticas de escritura (write through versus write back) Nº de niveles
es manejado por el controlador (hardware). El cache de la memoria secundaria (disco) puede ser implementado en el
software como parte del O/S o como hardware. Muy importante en archivos & servidores de bases de datos.
Un factor limitante en el tamaño es el costo – la memoria usada para cache es tecnología cara.
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Otro aspecto del diseño del cache es la función de mapeo, que se refiere al problema de como mapeamos la larga área de memoria principal en la pequeña área de cache disponible.
El algoritmo de sustitución decide que bloque de archivos vamos a manejar o cuando traemos uno nuevo. ¿Que criterio podemos usar? FIFO (first in first out), and LRU (least recently used), LFU (least frequently used) o random (aleatorio)
La política de escritura determina cuando un cambio en la información en cache es instantáneamente escrita también en la copia de la memoria principal, o solamente escrita cuando la información va a ser movida y reemplazada por otra. Si un bloque en cache es reemplazado, el sistema tendrá que considerar donde a cambiado - ¿es diferente al bloque principal en la memoria principal?
También que pasa si otros dispositivos tienen acceso directo a la memoria y leyeron o escribieron información ahí sin acceder a cache Para eliminar estos problemas, el sistema puede usar write-through donde los cambios siempre son hechos inmediatamente en la memoria principal.
La otra solución es usar write-back donde un bit indica un cambio en una palabra e archive, y accede a la memoria principal solo mediante cache. Write-through es más común porque es requerido un circuito complejo.
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Memoria Virtual
Es el uso de almacenamiento externo (generalmente discos) para aumentar la cantidad de RAM aparente disponible.
Muchos procesos pueden ser cargados en la memoria concurrentemente, y programas individuales parecen tener mucha RAM disponible para ellos.
El procesador y el O/S trabajan juntos para usar efectivamente la memoria virtual (Ej. Muchos procesadores tienen registros especializados para mantener las pistas del mapeo de la memoria virtual).
Se usan técnicas para asegurarse que en la memoria principal solo se almacenan datos e instrucciones que serán necesitadas próximamente, y para maximizar los recursos disponibles para los programas que se están corriendo. El resto de los datos y el código de los programas pueden ser dejados en el disco hasta que son requeridos.
Esto se logra dividiendo el programa y los datos en páginas y dejando una parte de almacenamiento secundario para guardar las páginas no usadas. Esta parte del almacenamiento secundario es la memoria virtual, conocida también como el espacio swap.
Aparece como una solución a los programas largos que no entraban en memoria. Entonces sin que el usuario se de cuenta, el programa se divide en bloques que van de la memoria 2º a la 1º y viceversa según las necesidades del programa.
Fue utilizada por primera vez en el computador ATLAS, y los primeros PC’s comerciales que la usaron fueron los IBM/360.En el año 1974 la familia IBM/370 hace uso de el mecanismo de TLB (Translation Lookaside Buffer) que traduce las direcciones.
También permite la multiprogramación. Es muy querida por los programadores ya que les facilita la tarea.
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ALMACENAMIENTO SECUNDARIO
Como vimos anteriormente la memoria primaria es donde almacenamos programas y datos mientras están es uso, pero necesitamos un almacenamiento secundario que sea leible, accesible, barato y también permanente.
El almacenamiento secundario guarda programas y datos que no pueden ser directamente accedidos por el CPU. Tienen mayor capacidad, pero el tiempo de acceso es mucho más lento que RAM.
El almacenamiento 2º provee una barata y no volátil, alta capacidad de almacenamiento.
Dos clases de almacenamiento 2º:
1. Acceso Directo (ej. Disco magnético)Soporta acceso secuencial o aleatorio. Puede ir directo al bloque requerido.2. Acceso Secuencial (ej. Cinta magnética)Solo soporta acceso de tipo secuencial.Empieza en un punto y se mueve bloque por bloque hasta que alcanza el deseado.
Discos Magnéticos
La tecnología magnética se usa desde hace decenas de años, tanto en el campo digital como en el analógico. Consiste en aplicar campos magnéticos a ciertos materiales cuyas partículas reaccionan, generalmente orientándose en unas determinadas posiciones que conservan tras dejar de aplicarse el campo magnético. Esas posiciones representan los datos.
Existen muchos dispositivos magnéticos; casetes, antiguas cintas de música, Zip y Jaz, disqueteras, discos duros y otros similares. Todos se parecen en ser dispositivos de lectura/escritura, su precio es razonablemente bajo por MB y en que son bastante delicados.
Les afectan las altas y bajas temperaturas, la humedad, los golpes y sobre todo los campos magnéticos.
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Definiciones y características
Son almacenamientos exteriores rápidos, tienen forma circular y son fabricados de metal o plástico recubierto de material magnético. Los datos se escriben / leen mediante un rollo conductor llamado cabeza.
El mecanismo de escritura se basa en los campos magnéticos producidos por el flujo de corriente en el rollo conductor generando patrones magnéticos en la superficie del disco.
El mecanismo de lectura se basa en que los cambios de campo magnético producen cambios de corriente eléctrica en la cabeza.DASD’s, Dispositivos de almacenamiento de acceso directo (Direct Access storage devices) de 2 tipos básicos – discos floppy y discos duros. Algunos discos duros son portátiles (removibles).
Organización de datos
Organizados en Pistas, los datos forman anillos concéntricos de información. Éstas contienen la misma cantidad de información, implicando que la densidad de las pistas interiores es mayor que la de las exteriores. Las pistas se separan por espacios llamados Inter. track gap.
Como los datos se transfieren por bloques a la CPU conviene que los datos también se almacenen por bloques en el disco. Cada pista se divide en zonas llamada sectores, dividiéndose las pistas entre 10 y 100 sectores. Estos pueden ser de longitud fija o variable. Los sectores se separan por espacios llamados Inter. record gap.
Características físicas de los discos
El cabezal puede ser móvil o fijo. En los cabezales fijos existe una cabeza de lectura / escritura por cada pista, y los de cabeza móvil solo tiene un transductor que debe ser colocado sobre la pista a la que se desea acceder.
Hay tres mecanismos de cabeza: la cabeza se encuentra a distancia fija de la superficie, la cabeza esta en contacto con la superficie (floppy) y de cabeza móvil.
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Cuanta más cantidad de información se desea almacenar en el disco, más estrechas deben ser las pistas, y a la vez, más estrechos los cabezales. Si los cabezales son muy estrechos deben estar muy próximos a la superficie para generar y sentir los campos.
Tiempos de acceso al disco
Para leer o escribir la cabeza debe encontrar primero la posición inicial de la operación. La selección de pista implica movimiento de cabeza y por lo tanto el tiempo de búsqueda. Una vez alcanzada la pista se debe buscar el sector, lo que supone una latencia de rotación. Se define el tiempo de acceso como el tiempo de búsqueda más latencia de rotación.
Disco Velocidad de Rotación
Tiempo de Búsqueda promedio
Latencia de RotacionPromedio
Floppy disk 360 rpm. 95 msecs 83 msecs
disco duro 4.3 GB
5400 rpm 10.5 msecs 5.5 msecs
disco duro 20 GB
7200 rpm 8.5 msecs 4.2 msecs
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Tasa de Transferencia
La tasa de transferencia de datos depende de la velocidad a la cual la información es accedida, luego movida a través del controlador del disco a la memoria/cpu.Los recientes discos duros tienen on-board cache => transferencia puede hacerse desde el cache del disco a la memoria, mas bien que de disco a memoria.
RAID Redundant Array of Independent Disk
Otro obstáculo con el que se encuentra un diseñador de computadores es la lentitud de acceso a las memorias secundarias. Este problema se puede solucionar utilizando la estructura RAID.
Consiste en un arrays de discos que operan independientemente y en paralelo. Al haber múltiples discos puede haber múltiples peticiones de entrada / salida. Una petición se puede realizar en paralelos si el bloque que se desea acceder se distribuye a lo largo de todos los discos.
Hay que tener en cuenta que un conjunto de discos son vistos por el sistema operativo como un único disco lógico, que los datos se distribuyen a través del array de discos y que la capacidad redundante de los discos se utiliza para almacenar paridad de información. Las dos primeras características son las que determina los diferentes tipos de RAIDS.
El Objetivo de los RAIDS es acortar distancias entre la velocidad del procesador y la velocidad electrodinámica de los discos. Las estrategias de implementación usadas son la sustitución de un disco de gran tamaño por varios de tamaño menor, la distribución de datos de manera que se pueda acceder simultáneamente a varios discos mejorando el rendimiento deEntrada /salida.
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Discos duros
Se pueden distinguir a grandes rasgos en un disco duro, Platters (Discos), Cabezales (Heads), Eje Motor y Actuador.
Los Platers son discos de vidrio o cerámica recubiertos por óxido de hierro o aluminio, los cabezales escriben y leen la superficie de los patters, el motor le proporciona una velocidad dada, mientas que el actuador dirige a los cabezales por medio de un electroimán (solenoide de núcleo férreo).
Los discos duros usualmente tienen múltiples fuentes con R/W heads en cada superficie. Un grupo de pistas alineadas verticalmente es llamado cylinder (cilindro)Para acceder a la información, se debe especificar el cilindro y los nos del sector. Siempre read/write min. de 1 sector.
El nº de capas en el disco duro varia, el mecanismo head puede ser movido o arreglado, pero solamente una head esta en uso en un tiempo.
El disco debe ser formateado de acuerdo al sistema operativo, para lograr una operación de lectura/escritura, es necesario especificar el cilindro y una head (una pista particular), junto al numero del sector, el numero de bytes que van a ser transmitidos, la dirección de memoria para leer/guardar los bytes de/donde.
Las transferencias de disco siempre empiezan en el comienzo del sector, y siempre tienen el tamaño de al menos un sector.
El cabezal actualmente flota debajo de la superficie – la brecha es mucho más pequeña que un cabello humano, y aun mas pequeña que una partícula de humo, es por esto que es necesario excluir contaminantes ya que fácilmente pueden provocar el choque de heads.
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La interfaz de conexión. Antiguamente se usaban diversos tipos, como MFM, RLL o ESDI, aunque en la actualidad sólo se emplean dos: IDE y SCSI
Discos duros IDE
El IDE (más correctamente ATA) es el que mas se usa gracias a su precio y sus características. Los IDE se distribuyen en canales, hay un máximo de 2 dispositivos por canal; en el IDE inicial sólo se disponía de un canal, entonces se usaban dos dispositivos IDE.
El estándar IDE fue ampliado por la norma ATA-2 y se le llama EIDE (Enhanced IDE o IDE mejorado). Estos sistemas tienen 2 canales IDE, primario y secundario, entonces pueden aceptar hasta 4 dispositivos, y no tienen porqué ser discos duros mientras sean conectores ATAPI; por ejemplo, los CD-ROMs.
En cada canal IDE debe haber un dispositivo Maestro y otro Esclavo. En cada uno de los canales IDE debe haber un dispositivo Maestro (master) y otro Esclavo (slave). El maestro es el 1º y el esclavo el 2º.
Los dispositivos IDE o EIDE como discos duros o CD-ROMs tienen unos microinterruptores (jumpers), localizados casi siempre en la parte posterior o inferior de los mismos, que permiten seleccionar su carácter de maestro, esclavo o incluso otras posibilidades como "maestro sin esclavo".
Otros avances en velocidad vienen de los modos de acceso:
Modo de acceso Transferencia máxima teórica
Comentario
PIO-0 3,3 MB/s En discos muy antiguos, de 100 MB o menos
PIO-1 5,2 MB/s En discos antiguos, de capacidad menor de unos 400 MB
PIO-2 8,3 MB/s
PIO-3 11,1 MB/s Típicos en discos de capacidad entre unos 400 MB y 2 GB
PIO-4 16,6 MB/s
DMA-1 multiword 13,3 MB/s Modos de utilidad dudosa, ya que su
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velocidad no es mayor que en el modo PIO-4
DMA-2 multiword o DMA/16
16,6 MB/s
UltraDMA (DMA33 o UltraDMA modo 2)
33,3 MB/s El estándar hasta hace muy poco
UltraDMA66 (ATA66 o UltraDMA modo 4)
66,6 MB/s El estándar actual; utiliza un cable de 40 pines y 80 conductores
Estas cifras de transferencia máxima teóricas, no son las que se pueden alcanzar físicamente. Los 66,6 MB/s son imposibles de alcanzar para cualquier disco duro actual. Realmente llegar a 25 MB/s con un disco duro UltraDMA es muy difícil de conseguir, las cifras normales de transferencia máxima andan entre los 10 a 20 MB/s.
Los modos PIO se habilitan generalmente mediante la BIOS y dan pocos problemas.
Los modos DMA aventajan a los anteriores ya que le dan al chipset parte del trabajo de la transferencia de datos, liberando así al microprocesador, la tecnología SCSI utiliza algo parecido también. Pero para activar esta característica, bus mastering, se requiere utilizar los drivers adecuados y puede dar problemas con el CD-ROM, por lo que en realidad el único modo útil es el UltraDMA. El activar o no esta característica es opcional.
Discos duros SCSI
La ventaja de estos discos es que la transferencia de datos es más constante y casi independiente de la carga de trabajo del microprocesador. Su mecánica puede ser idéntica a la de uno IDE (misma velocidad de rotación, mismo tiempo medio de acceso.)
Entonces los discos duros SCSI tienen una ventaja apreciable en computadoras con mucho trabajo, como servidores, ordenadores para CAD o vídeo, o cuando se realiza multitarea de forma intensiva, mientras que si queremos es llevar a cabo pocos o un solo proceso la diferencia de rendimiento con un disco UltraDMA no se percibe.
En estos discos SCSI resulta raro llegar a los 20 MB/s de transferencia teórica del modo Ultra SCSI, y ni de lejos a los 80 MB/s del modo Ultra-2 Wide SCSI, pero sí a cifras quizá alcanzables pero nunca superables por un disco IDE. Los discos SCSI son una opción profesional, con precio y rendimientos elevados, por lo que los fabricantes siempre escogen este tipo de interfaz para sus discos de mayor capacidad y velocidad.
Tipo de norma SCSI Transferencia máxima con 8 Transferencia máxima con 16
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bits bits (modos Wide)
SCSI-1 5 MB/s No aplicable
SCSI-2 o Fast SCSI 10 MB/s 20 MB/s
Ultra SCSI o Fast-20 20 MB/s 40 MB/s
Ultra-2 SCSI o Fast-40 40 MB/s 80 MB/s
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Performance del disco
La velocidad del disco duro es muy importante ya que los modernos O/S los usan como una extensión del RAM (memoria virtual).Esto puede causar una degradación en la performance ya que los discos duros son ~ 106 veces mas lentos que RAM.2 medidas de la performance del hard drive:
– Access time (tiempo de acceso)– data transfer rate (tasa de transferencia de datos)
Discos Flexibles
Los discos flexibles, conocidos como discos floppy o disquetes, están constituidos por una superficie de plástico flexible cubierta por un material magnético como el óxido de hierro. Aun cuando en muchos sistemas se utilice una sola cara de la superficie del disco, ambas caras se cubren con el mismo material para evitar deformaciones.
El tiempo de acceso es, en general, mayor que el de un disco rígido debido a que los discos flexibles no pueden girar a tanta velocidad como los discos rígidos. La velocidad de rotación de un mecanismo típico de disco flexible es de solo 300 RPM, y puede variar en la medida en que la cabeza se mueve de una pista a otra, para optimizar las velocidades de transferencia de la información.
Estas velocidades de rotación, bajas, implican que los tiempos de acceso de este tipo de discos están en el orden de los 250 a 300 ms, o sea alrededor de 10 veces mas lentos que los discos rígidos. Sus capacidades varían, pero pueden llegar hasta 1,44 MB.
Los discos flexibles son económicos debido a que pueden extraerse de la unidad que los gobierna y a su tamaño reducido. La cabeza funciona en contacto con la superficie, y si bien esto no significa un problema de daño por aterrizaje, sí desgasta la cabeza y el medio magnético. Por tal razón, este tipo de disco solo gira cuando se lo accede.
En los principios de la utilización de discos flexibles, estos eran envasados en envoltorios de material plástico flexible y delgado, lo que dio origen al nombre de “floppies”. En la actualidad, las superficies flexibles se envasan en plástico rígido, y se las denominan “disquetes”.
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Tienen la desventaja de que son muy poco fiables a largo plazo ya que campos magnéticos, calor, frío, humedad, golpes y polvo le afectan.
5¼" 3½"
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Reel to Reel
La densidad común es de 6250 capas/inchLa cinta suele ser de oxido de hiero o cromo
. Los datos almacenan un carácter por vez en pistas paralelas Usualmente 8 data bits, mas 1 parity bit (= 1 frame) Datos read/written en bloquees de tamaños variables
Cartridge
Una cinta cartridge es un paquete cerrado. Several rollers guide the passage of tape. Hay 2 ruedas, a supply and a takeup reel. They are in common use as backup media for workstations and for network drives. 1/4” cartridges tienen 120 o 250 MB, que es comúnmente suficiente para respaldar datos de una pequeña network.
La tasa de transferencia de alrededor de 20kb/sec es bastante lenta, pero los respaldos son hechos a veces automáticamente y después cuando la velocidad no importa demasiado.
Cartridge usa data streaming, sin intervalos, y la información es escrita a lo largo de una sola pista y después es devuelto en una pista diferente. La cinta todavía dividida en bloques, con un tamaño habitual de 512 bytes. Las cintas DAT son candidatas para las cintas de audio digitales. Actualmente usan un método diferente de grabación llamado <helical scan>, que mejora la velocidad y la densidad de los datos. Se escriben los datos en bandas diagonales más que en líneas. DAT viene en formato de 4 o 8 Mm., con cada cinta conteniendo alrededor de 4 GB y 12GB descomprimido. La velocidad de datos es aproximadamente de 60-100kb/sec.
Cartridge son usadas comúnmente parar PC’s, servidores, minicomputadoras.
Dos Tecnologías básicas (pero muchas variaciones incompatibles) Data streaming ej. QIC, DLT guarda datos en pistas lineares, sin
intervalos. Helical scan recording ej. DAT, DDS guarda datos en bandas
diagonales.
Source Reel Take-Up Reel
Read-Write - Head
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Dispositivos de Almacenamiento Óptico
La tecnología óptica de almacenamiento por láser es bastante más reciente, originalmente hechos para guardar datos de música a comienzos de la década de 1.980. Los fundamentos técnicos que se utilizan son relativamente sencillos de entender: un haz láser va leyendo (o escribiendo) microscópicos agujeros en la superficie de un disco de material plástico, recubiertos a su vez por una capa transparente para su protección del polvo.
Características
Proveen un almacenamiento barato, confortable, de alta capacidad y de larga duración
El método es muy similar al usado en los antiguos discos de vinilo, nada más que la información está guardada en formato digital.
Graban los datos usando cambios a la alta superficie reflexiva correspondiendo a los binarios 1 y 0, que son como valles y cumbres.
Para leer datos, los láser de bajo poder escasean cada punto, produciendo
fuertes (1) o bajas (0) reflexiones de luz. Cuando el láser encuentra tierra, la luz es reflejada de vuelta al detector.
Cuando encuentra un foso la luz se hace difusa, y no es reflejada. Son muy fiables: No se ven afectados por los campos magnéticos, apenas les
afectan la humedad y el calor y pueden aguantar golpes importantes (siempre que su superficie esté protegida)
Crear los dispositivos grabadores a un precio razonable, una velocidad no tan elevada como la de algunos dispositivos magnéticos y deben ser cuidadas del polvo son los problemas que presenta.
El almacenamiento secundario esta disponible en muchos formatos diferentes:
CD-ROM WORM (se graba una vez, se le muchas) Discos ópticos re-grabables DVD
La alta capacidad y portabilidad de los CD`s hicieron que la gente hiciera de su uso muy común como forma de respaldo y de archivo, pero necesitaban grabarlo con una tecnología no muy cara en su casa. Así fue que una vez que el CD de escritura estuvo en uso surgió la lógica necesidad de un disco re-usable, los discos re-gravables.
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CD ROMS
La tecnología de CD-ROM fue desarrollada en 1976 entre Philips y Sony juntos. En 1984 el primer CD de audio estuvo disponible, en estos CD`s solo un lado del disco es usado. El CD-ROM usa láser de alto poder para quemar pitas en la superficie del disco, utilizando CLV (velocidad constante linear) que es utilizada porque los bits son empaquetados en las pistas con la misma densidad desde adentro hacia afuera.
Sin embargo, el disco va a girar mas rápido gracias a una revolución par alas pistas de adentro. Por lo tanto un motor de velocidad variable es usado, así el disco da vueltas más rápido en las pistas de afuera para mantener la tasa de transferencia constante.
Esto no es igual en los discos magnéticos, que usan CAV (velocidad angular constante) con diferentes densidades de datos dependiendo de la pista que se use.La capacidad del disco es actualmente cercana a 550MB, a menos que la corrección de errores sea apagada. Esto es posible para los datos como los de audio donde cada bit no es necesariamente critico, en otras informaciones más comunes un 1 o 0 que este mal puede ser muy importante y la corrección de errores debe ser utilizada, reduciendo la capacidad del disco.
Los CD’s tienen una densidad de datos de 10,000 pitas/cm., usando una pista en espiral de 5 Km. de largo, dividida en bloques de igual longitud. El tiempo de acceso es bastante lento, 100-250 msecs.La velocidad de transferencia ha tenido muchos cambios rápidos en los últimos años. Las viejas tasas de 150 kb/sec son ahora expresadas en múltiples 4, 8, 16, 24, 32, 40, X, etc. Pueden usar los controladores estándar SCSI o IDE.
Discos WORM (CD-R)
La tecnología del disco WORM permite escribir en un área del disco solo una vez pero puede realizar múltiples y separadas grabaciones al mismo. Esto significa que estos discos, con una capacidad muy grande, y con una Buena retención de los datos, pueden ser usados para el archivo y la grabación de datos importantes. Los WORM de antes solían codificar la información quemando agujeros con láser; actualmente es almacenada en el disco utilizando ampollas levantadas en vez de los pits causados por el láser en los CD-ROM`s.
Otra versión del disco WORM hace uso de una capa de tinta que cambia sus propiedades reflexivas.
Para grabar un WORM se necesitan aprox. 30 min. Puede ser difícil de grabar con éxito ya que la información fluye constantemente mientras se graba un bloque. El disco WORM utilice CAV en vez de CLV utilizada en CD-ROM.
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Fueron diseñados para ser mas baratos con mas capacidad de respaldo y de archivos (650MB- 100’s GB).Las pistas son concéntricas.
Discos Ópticos Re-grabables
Dos Tecnologías Básicas:
Los discos Magneto-ópticos
Usan una combinación de tecnología magnética y óptica. La superficie es magnetizada a altas temperaturas, luego enfriada y polarity changes read by láser as data. La aleación usada responde al magnetismo despues que es calentada.
Los Láser son utilizados para calendar el material, luego la tecnología magnética es utilizada para escribir la información. Deben ser borrados antes de ser regrabados. Es una Tecnología cara Combina las ventajas ópticas de alta capacidad, bajo costo y fácil removilidad con la ventaja de lectura/escritura de los discos magnéticos. Estos discos tienen un tiempo de acceso de alrededor de 30msecs, y una tasa de transferencia de 1MB/sec.
Cambios de Fase
Utilizada en los recientes discos regrabables, La estructura cristalina de la superficie cambia a/desde reflectiva cuando es alcanzada por el láser.El material eventualmente se deteriora (comúnmente después de ~ 100,000 read/write ciclos).
La capacidad ser utilizada como archivo es cuestionable ya que es afectado por la humedad. Tiempo de vida: ~30 años. , ¿Es suficiente?Los cambios químicos son actualmente una alteración de la estructura cristalina del material. La estructura mas cristalina refleja la luz mientras que la menos cristalina la hace difusa, con estos dos estados correspondientes a los binarios 1 y 0.
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DVD
Una versión más moderna del almacenamiento en discos ópticos está constituida por los discos digitales versátiles (DVD). Se han creado normas industriales para DVD para audio, video y para almacenamiento de información DVD-ROM y DVD-RAM.
Cuando se utiliza una única cara de un DVD, su capacidad de almacenamiento puede llegar a los 4,7 GB. Las mencionadas normas incluyen la posibilidad de almacenar información sobre ambas caras, en dos capas por cara, dando una capacidad total de almacenamiento de 17 GB. La tecnología de los DVD es un paso importante en la evolución a partir del CD, y no una tecnología totalmente nueva; de hecho, el reproductor de DVD es puede reproducir también discos compactos y CD-ROM.
Controladores de los dispositivos de almacenamiento
Un controlador de disco puede ser una tarjeta de add-in o puede estar incorporado al disco. El trabajo del controlador es decodificar las señales desde/hacia el disco durante la lectura/ escritura.
El controlador debe también leer las direcciones lógicas a las físicas en un disco, lleva a cabo la función de detectar errores en los datos y generalmente debe controlar las actividades de lectura/escritura. Su función es la de traducir los comandos del CPU en formato especifico del dispositivo
La interfase necesita ser construida como un Standard ya que hay muchos fabricantes de controladores y de discos. El Standard describe el lenguaje que el controlador utiliza para comunicarse con los dispositivos, como también las conexiones no físicas, y el significado de las señales en varias pins.
Conecta el dispositivo al bus e implementa la interfase estándar del bus:
Los discos EIDE (Enhanced Integrated Drive Electrónica) tienen una tasa de throughput de 10-15 Mbits/sec transfer. Generalmente tienen 1/2 - 1 Mb on board RAM para el buffering de datos. SCSI (Small Computer System Interface) tiene 4-16 Mb on board RAM y es capaz de 40-80 mbytes/sec throughput). Un controlador SCSI puede controlar múltiples dispositivos (~50) pero son mas caros.
Ambos EIDE y SCSI son dispositivos complejos con procesador on-board, capaces de controlar un largo rango de dispositivos – discos, cintas, CD, DVD.
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CDROM
Están fabricados con resina poli-carbonatos recubierta de una superficie muy reflexiva como el aluminio. La información se guarda mediante pequeños agujeros en la superficie del disco. Hay que proteger su superficie para evitar el deterioro. La lectura se hace mediante un láser de baja potencia que recoge la variación de intensidad del rayo láser mediante un foto censor y se convierte a señal digital.
La información se organiza de dos formas diferentes:
-CAV (Constant Angular Velocity), es una organización similar a los discos magnéticos. Existe la misma cantidad de información en todos los sectores y tiene una velocidad de giro constante. -CLV (Constant Linear Velocity) la densidad de información constante en todos los sectores, por lo tanto hay que variar la velocidad de giro para realizar la lectura, gira más lentamente en los exteriores.
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Dispositivos removibles
Son los que no aparecen de manera estándar en la configuración de un PC... al menos por ahora, Se denominan removibles porque graban la información en soportes (discos o cartuchos) que se pueden extraer.
Zip (Iomega) - 100 MB
Dispositivos magnéticos con una capacidad sin compresión de 100 MB.Velocidad de transferencia de datos muy menor a la de un disco duro actual.
SuperDisk LS-120 - 120 MB (Imation/Panasonic)
Tiene conexión IDE, puerto paralelo o USB Si la BIOS de su placa lo permite puede configurar la versión IDE incluso como unidad de arranque.Es compatible con disquetes 3,5", pero es menos aceptado que el ZIP
EZFlyer (SyQuest) - 230 MB
Disco duro removible.Tremendamente veloz: hasta 2 MB/s y menos de 20 ms de tiempo de acceso para la versión SCSI.
Magneto-ópticos de 3,5" y de 5,25" - 128 MB a 1,3 GB y 4,6 GB
Son dispositivos que reúnen lo mejor de ambas tecnologías para ofrecer un producto con un bajo precio por MB almacenado, es rápido, transportable y perdurable, ya que almacenan sus datos prácticamente para siempre, sin afectarles lo más mínimo los campos magnéticos (ni el polvo, calor, humedad), a la vez que permite rescribir sus datos tantas veces como se quiera.Sus únicos problemas son el precio de la unidad lectora-grabadora y su escaso conocimiento.
Jaz (Iomega) - 1 GB ó 2 GB
Internamente casi un disco duro al que sólo le falta el elemento lector-grabador del mismo.No es tan resistente como un magneto-óptico y sus cartuchos son relativamente caros
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Cintas magnéticas de datos - hasta más de 4 GB
Las cintas magnéticas de datos o streamers tienen muchos problemas como dispositivo de almacenaje de datos: son muy lentas (típicamente menos de 250 Kb/s), los datos se almacenan secuencialmente, entonces e si quiere recuperar un archivo que se encuentra a la mitad de la cinta deberá esperar varias decenas de segundos hasta que la cinta llegue a esa zona; y además, los datos no están muy seguros, ya que como dispositivos magnéticos les afectan muchas cosas, además del propio desgaste de las cintas.
Se fabrican porque son muy baratas. Sólo son prácticas para realizar backups masivos o selectivos del disco duro.
Las cintas DAT (Digital Audio Tape) son diferentes tanto en velocidad como en precio. El acceso sigue siendo secuencial, pero la transferencia de datos continua (lectura o escritura) puede llegar a superar 1 MB/s, lo que justifica que todas utilicen interfaz SCSI. Pero son caras.
Las cintas comprimen los datos al hacer los backups en el orden del 2:1.
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Bibliografía
Principios de arquitectura de computadoras: Miles J. Murdocca – Vincent P.Heuring
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