Memoria Secondaria e Terziaria

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1 Memoria Secondaria e Terziaria

2 Memoria secondaria e terziaria Struttura dei dispositivi di memoria Struttura dei dischi Scheduling del disco Gestione dell unità a disco Gestione dell area di swap Struttura RAID Realizzazione della memoria stabile Memoria terziaria 12.2

3 Struttura dei dispositivi di memorizzazione 1 I dischi magnetici rappresentano il mezzo fondamentale per la memorizzazione di massa negli attuali sistemi di calcolo I dischi ruotano ad una velocità compresa tra i 4200 e i giri al minuto La velocità di trasferimento è la velocità con cui i dati fluiscono dall unità a disco alla RAM Il tempo di posizionamento è il tempo necessario a spostare il braccio del disco in corrispondenza del cilindro desiderato (seek time) più il tempo necessario affinché il settore desiderato si porti sotto la testina (latenza di rotazione) Il crollo della testina, normalmente sospesa su un cuscinetto d aria di pochi micron (10 6 m), corrisponde all impatto della stessa sulla superficie del disco Molto male di solito comporta la necessità di sostituire l unità a disco 12.3

4 Struttura dei dispositivi di memorizzazione 2 L unità a disco è connessa al calcolatore per mezzo del bus di I/O Diversi tipi: EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics), ATA (Advanced Technology Attachment), SATA (Serial ATA), USB (Universal Serial Bus), Fiber Channel, SCSI (Small Computer System Interface) Il trasferimento di dati in un bus è eseguito da speciali unità di elaborazione, dette controllori: gli adattatori sono i controllori posti all estremità del bus relativa al calcolatore, i controllori dei dischi sono incorporati in ciascuna unità a disco 12.4

5 Struttura dei dispositivi di memorizzazione 3 Per eseguire un operazione di I/O, si inserisce il comando opportuno nell adattatore, generalmente mediante porte di I/O mappate in memoria L adattatore invia il comando al controllore del disco, che agisce sugli elementi elettromeccanici dell unita per portare a termine il comando Il trasferimento dei dati nell unità a disco avviene tra la superficie del disco e la cache incorporata nel controllore Il trasferimento dei dati tra la cache e l adattatore avviene alla velocità propria dei dispositivi elettronici 12.5

6 Schema funzionale di un disco 12.6

7 Nomenclatura Piatto un disco rigido si compone di uno o più dischi paralleli, in cui ogni superficie, detta piatto e identificata da un numero univoco, è destinata alla memorizzazione dei dati Traccia ogni piatto si compone di numerosi anelli concentrici, detti tracce, ciascuno identificato da un numero univoco Cilindro l insieme di tracce poste alla stessa distanza dal centro e relative a tutti i dischi; corrisponde a tutte le tracce con lo stesso numero, ma giacenti su piatti diversi Settore ogni piatto è suddiviso in settori circolari, ovvero in spicchi uguali, ciascuno identificato da un numero univoco Blocco l insieme dei settori posti nella stessa posizione in tutti i piatti Testina su ogni piatto è presente una testina di lettura/ scrittura; la posizione di tale testina è solidale con tutte le altre sui diversi piatti: se una testina è posizionata sopra una traccia, tutte le testine saranno posizionate sul cilindro a cui la traccia appartiene 12.7

8 Struttura dei dispositivi di memorizzazione 4 Nastri magnetici Sono stati i primi supporti di memorizzazione secondaria (Relativamente) permanenti e capaci di memorizzare grandi quantità di dati Tempo d accesso molto elevato Tempo d accesso diretto circa 1000 volte superiore rispetto all accesso a disco Principalmente utilizzati per backup, registrazione di dati poco usati e trasferimento di informazioni tra diversi sistemi di calcolo Il nastro è avvolto in bobine e scorre su una testina di lettura/scrittura: raggiunta la posizione desiderata, velocità di trasferimento paragonabile a quella delle unità a disco 12.8

9 Struttura del disco 1 CLV (Constant Linear Velocity): densità dei bit per traccia uniforme Tracce più lontane dal centro del disco sono più lunghe e contengono un maggior numero di settori (fino al 40% in più rispetto alle tracce vicine al centro di rotazione) La velocità di rotazione aumenta spostandosi verso l interno (v r), per mantenere costante la velocità lineare e, quindi, la quantità di dati che passano sotto le testine nell unità di tempo CD e DVD Talvolta, si ha un unica traccia a spirale 12.9

10 Struttura del disco 2 CAV (Constant Angular Velocity): velocità di rotazione costante La densità dei bit decresce dalle tracce interne alle più esterne per mantenere costante la quantità di dati che passano sotto le testine nell unità di tempo Dischi magnetici La capacità di memorizzazione del disco cresce in conseguenza allo sviluppo tecnologico Centinaia di settori (di capacità 1024/2048/4096 byte) per traccia Decine di migliaia di cilindri 12.10

11 Struttura del disco 3 I dischi vengono indirizzati come giganteschi vettori monodimensionali di blocchi logici, dove il blocco logico rappresenta la minima unità di trasferimento L array di blocchi logici viene mappato sequenzialmente nei settori del disco: Il settore 0 è il primo settore della prima traccia del cilindro più esterno La corrispondenza prosegue ordinatamente lungo la prima traccia, quindi lungo le rimanenti tracce del primo cilindro, e così via, di cilindro in cilindro, dall esterno verso l interno 12.11

12 Scheduling del disco 1 Il SO è responsabile dell uso efficiente dell hardware: per i dischi ciò significa garantire tempi di accesso contenuti e ampiezze di banda elevate Il tempo di accesso al disco si può scindere in due componenti principali: Tempo di ricerca (seek time ) è il tempo impiegato per spostare la testina sul cilindro che contiene il settore desiderato Latenza di rotazione (rotational latency ) è il tempo necessario perché il disco ruoti fino a portare il settore desiderato sotto la testina Per migliorare le prestazioni si può intervenire solo sul tempo di ricerca e si tenta quindi di minimizzarlo Seek time distanza di spostamento fra le tracce 12.12

13 Scheduling del disco 2 L ampiezza di banda del disco è il numero totale di byte trasferiti, diviso per il tempo trascorso fra la prima richiesta e il completamento dell ultimo trasferimento Quando un processo deve effettuare un operazione di I/O relativa ad un unità a disco, effettua una chiamata al SO La richiesta di servizio contiene: Specifica del tipo di operazione (immissione/emissione di dati) Indirizzo su disco relativamente al quale effettuare il trasferimento Indirizzo nella memoria relativamente al quale effettuare il trasferimento Numero di byte da trasferire 12.13

14 Scheduling del disco 3 Una richiesta di accesso al disco può venire soddisfatta immediatamente se unità a disco e controller sono disponibili; altrimenti la richiesta deve essere aggiunta alla coda delle richieste inevase per quella unità Il SO ha l opportunità di scegliere quale delle richieste inevase servire per prima: uso di un algoritmo di scheduling del disco Gli algoritmi di scheduling del disco verranno testati sulla coda di richieste per i cilindri (0 199): 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 La testina dell unità a disco è inizialmente posizionata sul cilindro

15 FCFS FCFS First Come First Served è un algoritmo intrinsecamente equo Si produce un movimento totale della testina pari a 640 cilindri Si possono produrre grandi oscillazioni 12.15

16 SSTF Seleziona la richiesta con il minor tempo di seek a partire dalla posizione corrente della testina SSTF Shortest Seek Time First è una forma di SJF; può causare l attesa indefinita di alcune richieste Si ha un movimento totale pari a 236 cilindri SSTF non è ottimo: spostandosi dal cilindro 53 al 37, e poi al 14, prima di invertire la marcia per servire le altre richieste, si riduce la distanza a 208 cilindri 12.16

17 SCAN Il braccio della testina si muove da un estremo all altro del disco, servendo sequenzialmente le richieste; giunto ad un estremo inverte la direzione di marcia e, conseguentemente, l ordine di servizio È chiamato anche algoritmo dell ascensore Si ha un movimento totale pari a 236 cilindri 12.17

18 C SCAN Garantisce un tempo di attesa più uniforme rispetto a SCAN La testina si muove da un estremo all altro del disco servendo sequenzialmente le richieste Quando raggiunge l ultimo cilindro ritorna immediatamente all inizio del disco, senza servire richieste durante il viaggio di ritorno Considera i cilindri come organizzati secondo una lista circolare, con l ultimo cilindro adiacente al primo Si ha un movimento totale pari a 383 cilindri 12.18

19 C SCAN (Cont.) 12.19

20 C LOOK Versione ottimizzata (e normalmente implementata) di C SCAN Il braccio serve l ultima richiesta in una direzione e poi inverte il movimento senza arrivare al termine del disco Si ha un movimento totale pari a 353 cilindri 12.20

21 Scelta di un algoritmo di scheduling SSTF è comune ed ha un comportamento naturale LOOK e C LOOK forniscono prestazioni migliori in sistemi che utilizzano intensamente le unità a disco (minor probabilità di attesa indefinita) Le prestazioni dipendono dal numero e dal tipo di richieste Le richieste di I/O per l unità a disco possono essere influenzate dal metodo di allocazione di file e directory L algoritmo di scheduling del disco dovrebbe rappresentare un modulo separato del SO, facile da rimpiazzare da altro algoritmo qualora mutassero le caratteristiche del sistema di calcolo Sia SSTF che LOOK rappresentano scelte ragionevoli per un implementazione standard 12.21

22 Gestione dell unità a disco Formattazione di basso livello o fisica Si suddivide il disco in settori che possono essere letti e scritti dal controllore del disco Salvataggio su disco di una struttura dati per ogni settore (intestazione/coda/ecc) Per poter impiegare un disco per memorizzare i file, il SO deve mantenere le proprie strutture dati sul disco Si partiziona il disco in uno o più gruppi di cilindri Formattazione logica o creazione di un file system Si impiega l accantonamento dei settori come modalità di gestione dei blocchi difettosi Durante la formattazione fisica si mantiene un gruppo di settori di riserva non visibili al SO Il controllore è istruito per sostituire, dal punto di vista logico, un settore difettoso con uno dei settori di riserva inutilizzati 12.22

23 Gestione dell area di swap La memoria virtuale impiega lo spazio su disco come un estensione della memoria centrale L obiettivo principale nella progettazione e realizzazione dell area di swap è di fornire la migliore produttività per il sistema di memoria virtuale Lo spazio di swap può essere ricavato all interno del normale file system o, più comunemente, si può trovare in una partizione separata del disco 12.23

24 Strutture RAID 1 RAID, Redundant Array of Independent Disks l affidabilità del sistema di memorizzazione viene garantita tramite la ridondanza Inoltre le tecniche per aumentare la velocità di accesso al disco implicano l uso di più dischi cooperanti Il sezionamento del disco o data striping (RAID 0) tratta un gruppo di dischi come un unica unità di memorizzazione: Ogni blocco di dati è suddiviso in sottoblocchi memorizzati su dischi distinti (es.: i bit di ciascun byte possono essere letti in parallelo su 8 dischi) Il tempo di trasferimento per rotazioni sincronizzate diminuisce proporzionalmente al numero dei dischi nella batteria 12.24

25 Strutture RAID 2 Gli schemi RAID migliorano prestazioni ed affidabilità del sistema memorizzando dati ridondanti: Il mirroring o shadowing (RAID 1) conserva duplicati di ciascun disco La struttura a blocchi di parità (RAID 2) utilizza un minor grado di ridondanza, mantenendo buone caratteristiche di affidabilità 12.25

26 Strutture RAID 3 Alcuni livelli RAID RAID (0 + 1) 12.26

27 Realizzazione della memoria stabile Per realizzare una memoria stabile: Si replicano le informazioni in più dispositivi di memoria non volatile con modalità di malfunzionamento indipendenti Si aggiornano le informazioni in modo controllato, per assicurare il ripristino dei dati dopo ogni malfunzionamento, anche se avvenuto durante il trasferimento o durante l eventuale recupero degli stessi da un malfunzionamento precedente 12.27

28 Dispositivi di memorizzazione terziaria La caratteristica fondamentale della memorizzazione terziaria è il basso costo Generalmente, viene effettuata su mezzi rimovibili, ad esempio CD, DVD, supporti magnetici, memorie flash (EEPROM) con interfaccia USB 12.28

29 Nastri Un nastro può contenere più dati di un disco, ed il costo di memorizzazione a bit è inferiore Il nastro è un mezzo conveniente per effettuare copie di backup e per la memorizzazione di enormi moli di dati Le grandi stazioni di registrazione a nastri usano di solito meccanismi automatici per la movimentazione dei nastri dalle unità agli appositi contenitori dell archivio Un file non attualmente utilizzato, residente su disco, può essere archiviato su nastro in maniera economicamente vantaggiosa, salvo recuperarlo e reinstallarlo su disco quando necessario 12.29

30 Dischi ottici 1 I dischi ottici sono realizzati con materiali speciali che si alterano quando colpiti da un raggio laser Sui dischi di lettura/scrittura i dati possono essere modificati più e più volte (dischi a cambio di fase) Il processo di registrazione avviene mediante la trasformazione di piccole regioni della lega metallica dallo stato cristallino allo stato amorfo attraverso l innalzamento della temperatura sopra il punto di fusione e poi raffreddando velocemente Il cambiamento di fase del materiale comporta il cambiamento locale di riflettività In particolare, una regione amorfa presenta bassa riflettività, mentre una regione cristallina presenta alta riflettività La lettura avviene mediante impulsi laser di bassa potenza 12.30

31 Dischi ottici 2 I dischi WORM (Write Once, Read Many Times) si possono scrivere una sola volta La tecnologia originale per dischi WORM consiste nell inserire una pellicola di alluminio tra due piatti di plastica o di vetro (o un pigmento polimerico) Per scrivere un bit, l unità usa un raggio laser per praticare un piccolo foro nell alluminio (o opacizzare il pigmento): l informazione può venir distrutta ma non alterata Sono durevoli e affidabili I dischi a sola lettura, come CD ROM e DVD, sono commercializzati con un contenuto preregistrato 12.31

32 Memorie flash 1 Sono memorie a stato solido (EEPROM) In una memoria flash le informazioni vengono registrate in un array di Floating Gate MOSFET, una tipologia di transistor ad effetto di campo in grado di mantenere la carica elettrica per un tempo lungo Ogni transistor costituisce una cella di memoria che conserva il valore di un bit (effetto tunnel) Le nuove flash utilizzano celle multilivello che permettono di registrare il valore di più bit attraverso un solo transistor Le memorie flash non presentano parti mobili e quindi sono resistenti alle sollecitazioni ed agli urti Sono leggere e di dimensioni ridotte Sono facilmente trasportabili, in virtù del fatto che non richiedono alimentazione elettrica per conservare i dati e poiché occupano poco spazio 12.32

33 Memorie flash 2 Le memorie flash si stanno recentemente imponendo anche come memorie secondarie, nei cosiddetti dischi a stato solido (SSD) Il termine disco è, tuttavia, improprio perché all interno dell SSD non c'è nessun disco, né di tipo magnetico né di altro tipo La maggior parte degli SSD utilizza la tecnologia delle memorie flash NAND, che garantisce uniformità sia nella distribuzione dei dati che nell usura delle unità Non richiedono parti meccaniche e magnetiche (dischi, motori e testine), portando notevoli vantaggi alla sicurezza dei dati ed alla velocità di accesso 12.33

34 Dischi a stato solido Più in dettaglio Gli SSD stanno diventando sempre più diffusi Un SSD agisce come un disco rigido e, in base alla tecnologia di memorizzazione utilizzata, può essere volatile o non volatile La tecnologia di memorizzazione incide inoltre sulle prestazioni I dischi a stato solido non volatili presentano le stesse caratteristiche dei dischi rigidi tradizionali, ma sono più affidabili, perché non hanno parti mobili, e più veloci, perché non hanno tempo di ricerca né di latenza Richiedono meno energia Sono più costosi ed hanno, ad oggi, un ciclo di vita ridotto rispetto ai dischi magnetici 12.34

35 Compiti del sistema operativo I compiti principali del SO sono la gestione dei dispositivi fisici e la presentazione di una macchina virtuale astratta per le applicazioni utente Il SO realizza due astrazioni concernenti i dischi: Un dispositivo di basso livello, costituito da un array di blocchi di dati Il file system, in relazione al quale il SO accoda e organizza le richieste provenienti da diverse applicazioni 12.35

36 Interfaccia per le applicazioni La maggior parte dei SO gestisce i dischi rimovibili come i dischi fissi: un nuovo supporto viene formattato e un file system vuoto viene generato sul disco I nastri rappresentano invece un mezzo di memorizzazione di basso livello e le applicazioni non aprono un file ma l intero nastro in genere, l unità a nastro è riservata per un applicazione alla volta Poiché il SO non fornisce i servizi connessi al file system, è l applicazione che deve stabilire come usare l array di blocchi Dato che ogni applicazione stabilisce i propri criteri di organizzazione del nastro, un nastro contenente dati può essere generalmente utilizzato solo dal programma che lo ha creato 12.36

37 Gestione gerarchica della memoria Un sistema di gestione gerarchica della memoria estende la gerarchia di memorizzazione oltre la memoria centrale e secondaria fino ad includere i dispositivi di memoria terziaria, di solito realizzati da un jukebox di nastri o dischi rimovibili La tecnica più comune per estendere la gerarchia di memorizzazione fino alla memoria terziaria consiste nell ampliare il file system I file piccoli ed usati di frequente rimangono sui dischi magnetici I file vecchi, ingombranti e raramente necessari si archiviano nel jukebox L HSM (Hierarchical Storage Management ) si applica per i supercalcolatori per gestire grandi quantità di dati usati sporadicamente o periodicamente 12.37

38 Prestazioni 1 La velocità della memoria terziaria è definita da due fattori: ampiezza di banda e latenza L ampiezza di banda è la velocità media di trasferimento per grossi volumi di dati (rapporto fra il numero di byte e il tempo di trasferimento) Velocità di trasferimento nel momento in cui i dati stanno effettivamente fluendo 12.38

39 Prestazioni 2 La latenza di accesso è il tempo necessario a localizzare un dato Tempo di accesso a disco posizionamento del braccio della testina sul cilindro selezionato ed attesa di latenza rotazionale (< 35 millisecondi) Un accesso diretto a nastro richiede lo svolgimento o il riavvolgimento della bobina finché il blocco richiesto raggiunge la testina (decine o centinaia di secondi) In generale, l accesso diretto a nastro è oltre mille volte più lento dell accesso diretto a disco 12.39

40 Prestazioni 3 Il basso costo della memoria terziaria deriva dall avere un gran numero di supporti (economici) che condividono poche (costose) unità di lettura/scrittura Un archivio di supporti rimovibili è tuttavia adatto alla registrazione di dati usati raramente, perché il numero di richieste di I/O soddisfacibili per ogni ora d uso è relativamente basso 12.40

41 Affidabilità I dischi fissi sono più affidabili dei dischi rimovibili e dei nastri, così come è superiore l affidabilità dei dischi ottici rispetto ai vecchi supporti rimovibili magnetici L impatto della testina su un settore del disco fisso generalmente distrugge dati; il guasto di un unità a nastro o di un unità a dischi ottici lascia normalmente intatto il supporto di memorizzazione in uso al momento del guasto 12.41

42 Costi La memoria principale è un supporto molto più costoso del disco Il costo dello spazio disco è superiore a quello dei supporti magnetici a nastro Il supporto a nastro più economico e il disco più economico hanno capacità paragonabili negli anni La memoria terziaria riduce i costi solo se il numero di supporti di memorizzazione supera di molto il numerò di unità di accesso Nella gerarchia delle memorie (dalla memoria primaria alla terziaria) si va da supporti più piccoli e costosi, ma rapidamente accessibili, verso supporti grandi e poco costosi, con basse prestazioni 12.42

43 Costo al MB per DRAM,

44 Costo al MB per dischi magnetici,

45 Costo al MB per unità a nastro,

46 Esercizi Esercizio 1 Un disco ha 40 cilindri. Un operazione di ricerca richiede 6msec per lo spostamento tra un cilindro e l altro, la latenza rotazionale media è di 10msec ed il tempo di trasferimento è di 25msec per blocco. Quanto tempo è necessario per leggere un file costituito da 20 blocchi e memorizzato in modo tale che blocchi logicamente contigui nel file distino mediamente 13 cilindri l uno dall altro sul disco? Quanto tempo è necessario per leggere un file con 100 blocchi mediamente distanti 2 cilindri? Esercizio 2 Al driver di un disco arrivano, nell ordine, richieste per i cilindri 10,22,20,2,40,6,38. Uno spostamento da un traccia a quella adiacente richiede 6msec. Si stabilisca quanto tempo è necessario per servire le richieste con FCFS, SSTF, C LOOK (crescente). Si assuma, per tutti i casi, che il braccio si trovi inizialmente posizionato sul cilindro

47 Esercizi (Cont.) Esercizio 3 Un disco possiede 5000 cilindri, numerati da 0 a Il driver del disco sta attualmente servendo una richiesta al cilindro 153. La coda di richieste in attesa, in ordine FIFO, è: 85,1470,913,1774,948,130. A partire dalla posizione corrente, qual è la distanza totale, indicata in cilindri, che deve percorrere il braccio del disco per soddisfare tutte le richieste in attesa, relativamente a FCFS, SSTF, SCAN (decrescente), C SCAN e C LOOK? Esercizio 4 Al driver di un disco arrivano, nell ordine, richieste per i cilindri 38,23,59,3,63,22,2,11,45, Si utilizzino FCFS, SSTF e SCAN (decrescente) e si stabilisca la distanza totale (in cilindri) percorsa dal braccio del disco per soddisfare tutte le richieste in attesa. Si assuma per tutti i casi, che il braccio si trovi inizialmente posizionato sul cilindro

48 Esercizi (Cont.) Esercizio 5 Un disco ha un tempo di seek di 0,5msec per ogni cilindro attraversato, un tempo di rotazione di 6msec e un tempo di trasferimento dei dati di un settore di 12 microsec. Inoltre, la testina è attualmente posizionata sul cilindro 12. Supponendo che al tempo attuale arrivino contemporaneamente le seguenti richieste di lettura di settori: 5 settori nel cilindro 14 3 settori nel cilindro 11 4 settori nel cilindro 19 1 settore nel cilindro 2 6 settori nel cilindro 31 Calcolare il tempo di completamento delle richieste nel caso in cui venga utilizzato l algoritmo SSTF e l algoritmo dell ascensore (con direzione iniziale verso i cilindri con numerazione crescente)