Este documento describe la estructura y funcionamiento de los discos duros y los algoritmos de planificación de E/S de disco. Explica que los discos duros almacenan datos de forma no volátil y son accesibles a nivel de bloques. Describe la organización física y lógica de los discos, incluidos parámetros como cilindros, pistas y sectores. Finalmente, compara algoritmos comunes de planificación como FIFO, SSTF, SCAN y CSCAN, explicando sus objetivos y cómo asignan las solicitudes

1. Asignatura Arquitectura de Computadores I
Planificación del Disco
Ing. Bárbara Briceño
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2. ENTRADA SALIDA A DISCO
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3. Discos
• Dispositivos para para almacenamiento no volátil.
• Plataforma para el sistema de intercambio que usa el
gestor de memoria virtual.
• Son dispositivos electromecánicos (HARD DISK) u
optomecánicos (CD-ROM y DVD), se acceden a nivel de
bloques por el sistema de archivos
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4. Estructura
• El sistema de almacenamiento secundario se usa para
guardar los programas y datos en dispositivos rápidos, de
forma que sean fácilmente accesibles a las aplicaciones a
través del sistema de archivos. En la jerarquía de E/S se
colocan justo debajo de la memoria RAM.
• Hay dos elementos involucrados en este sistema:
– Discos. El almacenamiento secundario se lleva a cabo
casi exclusivamente sobre discos, por lo que es
interesante conocer su estructura y cómo se gestionan.
– Manejadores de disco. Controlan todas las
operaciones que se hacen sobre los discos, entre las
que son especialmente importantes las cuestiones de
planificación de peticiones a disco.
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5. Estructura del sistema de E/S en LINUX
In te rfa z d e lla m a d a s a l s is te m a
S is te m a d e fic h e ro s v irtu a l
S is te m a d e fic h e ro s
C aché de
p á g in a s d e
m e m o ria
C o n tro la d o r d e l
d is p o s itiv o
[a lto n iv e l]
C a c h é d e b lo q u e s
G e s to r d e p e tic io n e s a lo s d is c o s
P la n ific a d o r d e lo s d is c o s
C o n tro la d o r d e d is p o s itiv o s
[b a jo n iv e l]
S is t e m a d e A lm a c e n a m ie n t o S e c u n d a rio
Controlador ≠ Manejador
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6. Estructura de un manejador de disco
P la n ific a d o r
M a n e ja d o r
d e C D _RO M
M a n e ja d o r d e d is c o
M a n e ja d o r
M a n e ja d o r
SC SI
ID E
…
M a n e ja d o r
d e flo p p y
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7. Manejadores de disco
Funciones principales:
1. Proceso de la petición de E/S de bloques.
2. Traducción del formato lógico a mandatos del controlador.
3. Insertar la petición en la cola del dispositivo, llevando a
cabo la política de planificación de disco pertinente (FIFO,
SJF, SCAN, CSCAN, EDF, etc.).
4. Enviar los mandatos al controlador, programando la DMA.
5. Bloqueo en espera de la interrupción de E/S.
6. Comprobación del estado de la operación cuando llega la
interrupción.
7. Gestionar los errores, si existen, y resolverlos si es
posible.
8. Indicación del estado de terminación al nivel superior del
sistema de E/S.
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8. Clasificación de Discos
• Pueden ser según la interfaz de su controlador:
– Dispositivos SCSI (Small Computer System Interface).
– Dispositivos IDE (Integrated Drive Electronics).
• Según su tecnología de fabricación:
– Discos duros (Winchester).
– Discos ópticos.
– Discos extraíbles.
• Independientemente del tipo al que pertenezcan, las
estructuras física y lógica de todos los discos son muy
similares, como se muestra a continuación.
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9. SCSI e IDE
IDE - Integrated Drive Electronics (Electrónica Integrada de Unidad).
• Reúne 25 a 35 sectores en una pista.
• Coloca la unidad y el controlador juntos.
• Se conectan directamente en la placa madre.
• No se le puede dar mantenimiento mediante programas.
• No se puede conectar +2 DD.
SCSI – Small Computer System Interface (Interfaz de Sistemas Pequeños de
Computo).
• Se puede conectar hasta ocho diferentes tipos (Id0 a Id7).
• Es el único modo de conectar varios DES consistentemente
• Son de > capacidad que los IDE.
• Tienen precios altos y se dificulta su instalación.
• Cada periférico SCSI tiene inteligencia propia, a diferencia
de los puertos serie y paralelo.
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10. Característica de los DD
• Un DD es un DES de gran capacidad compuesto de
superficies magnetizadas y cabezas lectoras.
• Las superficies están divididas en cilindros (pistas) y
sectores por pista. El tamaño del sector es 512 bytes.
• Capacidad del disco:
Capacidad = cilindros * pistas * sectores * tamaño sector
discos
Pistas = tracks
sectores
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11. Estructura Física del DD
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12. Ejemplo de disco duro
SEAGATE Barracuda ATA II ST330630A
Parámetro
Capacidad:
Cilindros:
Cabezas:
Sectores:
Velocidad:
T. Búsqueda:
Latencia:
Memoria:
Valor
1 0.2 GB
1023
256
83
7200 RPM
8,5 mseg.
4,16 mseg
2 Mbytes
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13. Estructura lógica de los Discos
• Los DD se manejan como vectores grandes de bloques
lógicos, siendo el bloque la unidad mínima de transferencia
• El vector de bloques lógicos se proyecta sobre los sectores
del disco secuencialmente:
– Sector 0: primer sector de la primera pista del cilindro más externo
– El mapa se hace primero en esa pista, luego en las restantes pistas
de ese cilindro y luego en los restantes cilindros
• El manejador de disco no sabe nada de la organización de
los ficheros, sólo de particiones y bloques.
• En el sector 0 se guarda la tabla de particiones.
• Particiones activas o de sistema: permiten arrancar desde
un sistema operativo.
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14. Tabla de particiones de un disco
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15. Parámetros de ejecución de disco
• Para leer o escribir, la cabeza lectora se debe situar en la
pista deseada y al comienzo del sector deseado
• Tiempo de búsqueda.
– Tiempo que toma para colocar la cabeza en la pista deseada.
• Tiempo de latencia (retardo de giro).
– Tiempo para llegar el inicio del sector a la cabeza lectora
• Tiempo de acceso = T_búsqueda + T_latencia
– El tiempo para entrar posición para leer o escribir.
• Tiempo de transferencia.
– Ocurre cuando el sector deseado se mueve debajo de la cabeza.
TT_acceso = n * T_búsqueda + T_latencia + T_transferencia
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16. Tiempo de transferencia del HD
Espera del
Dispositivo
Espera del
Canal
Tiempo de
Búsqueda
Tiempo de
Latencia
Tiempo de
Transferencia
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17. Parámetros de ejecución de disco
• Velocidad de Rotación: Número de vueltas por minuto
(RPM) que da el disco.
• 3600 rpm = 1 revolución cada 60/3600 segundos
• (16,66 milisegundos)
• Latencia Promedio 8,33 milisegundos
• Tiempo de ½ vuelta -->
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18. Tarea
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19. ALGORTIMOS DE
PLANIFICACION DE DISCO
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20. Planificación de disco
• El SO es responsable de usar el hardware de forma
eficiente.
• El tiempo de acceso tiene dos componentes principales:
– búsqueda: tiempo que tarda el brazo del disco para
mover las cabezas hasta el cilindro que contiene el
sector deseado
– latencia: tiempo de espera adicional para que el disco
gire hasta ponerse sobre el sector deseado
• Objetivo: minimizar el tiempo de búsqueda, que es
directamente proporcional a la distancia de búsqueda
• Ancho de banda: bytes transferidos / tiempo de transferencia
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21. Algoritmos de Planificación
• Variados: FIFO, SCAN, CSCAN, SSF, EDF, ….
• Fundamentales para optimizar el acceso al disco.
• Criterios de planificación:
– Optimizar el tiempo de búsqueda
– Dar servicio determinista
• A continuación se estudian varios ejemplos usando la
siguiente cola de peticiones:
98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
Se asume que las cabezas están en 53
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22. FCFS (FIFO)
queue = 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
head starts at 53
0 1 4
37
53 6567
98
122124
183 199
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23. Shortest Seek First (SSF)
• Primero las peticiones que minimizan el movimiento de
cabezas desde la posición actual
• La política SSTF es una variante de planificación de CPU
con Shortest Job First (primero el más corto)
• Puede causar inanición de algunas peticiones
• Idea: maximizar el ancho de banda del disco
• La ilustración siguiente muestra el movimiento total de las
cabezas del disco: 236 cilindros
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24. SSTF
queue = 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
head starts at 53
0 1 4
37
53 6567
98
122 124
183 199
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25. Ascensor (SCAN)
• El movimiento del brazo empieza siempre en un extremo
del disco y continúa hasta el otro. Allí se cambia el sentido
y se vuelve el otro extremo
• Idea: evitar desplazamientos atrás y adelante
• Problema: puede retrasar mucho el servicio de algunas
peticiones si no se insertan adecuadamente dentro de las
rodajas
• Movimiento total de cabezas en el ejemplo: 208 cilindros
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26. SCAN
queue = 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
head starts at 53
0 1 4
37
53 6567
98
122 124
183 199
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27. Ascensor cíclico (CSCAN)
• Variación del ascensor
• Las cabezas se mueven de un extremo a otro del disco y
luego vuelven al principio
• No se atienden peticiones mientras las cabezas vuelven a
la posición inicial
• Tiempo de espera más uniforme que el ascensor normal
• Trata los cilindros como una lista circular que enlaza el
último cilindro con el primero
• El número es engañoso. Ir del último al primero se hace en
un único movimiento y tarda muy poco
• Se usa frecuentemente
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28. C-SCAN
queue = 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
head starts at 53
0 1 4
37
53 65 67
98
122 124
183 199
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29. Selección de un Algoritmo de Planificación
• SSF es frecuente y parece el más natural
• SCAN y C-SCAN tienen mejor rendimiento para sistemas
que usan mucho el disco
• El rendimiento depende del número y el tipo de peticiones
• Las peticiones al disco pueden depender de la política de
asignación de espacio a los ficheros
• El algoritmo de planificación de disco debe ser escrito
como un módulo separado, para que sea fácil de
reemplazar.
• Algoritmo estándar en casi todos los sistemas: CSCAN
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