El documento clasifica y describe los diferentes medios físicos de almacenamiento, incluyendo la memoria cache, RAM, memoria flash, discos magnéticos, almacenamiento óptico y cintas magnéticas. Explica la jerarquía de almacenamiento desde el almacenamiento primario más rápido hasta el terciario más lento. También describe el mecanismo y mediciones de rendimiento de los discos magnéticos, así como técnicas para optimizar el acceso a los bloques de disco.

1. Miguel Orquera

2. CLASIFICACION DE LOS
MEDIOS FISICOS DE
ALMACENAMIENTO

 Velocidad con la cual puede ser accesada.
 Costo por unidad de dato.
 Seguridad
 Pérdida de datos por fallas de energía o caída del sistema
 Falla física de un medio de almacenamiento.
 Puede diferenciarse el almacenamiento entre:
 Almacenamiento Volátil: pierde su contenido cuando se
corta la energía.
 Almacenamiento no volátil:
 Su contenido persiste aún cuando se corta la energía.
 Incluye almacenamiento secundario y terciario, y memoria
RAM con baterías.

3. MEDIOS FISICOS DE
ALMACENAMIENTO

 Cache – El mas rápido y costoso medio de
almacenamiento; volátil; manejado por el sistema de
hardware del computador.
 Memoria Principal:
 Rápido acceso (70 a 100 nanosegundos; 1 nanosegundo = 10–9
segundos)
 Generalmente muy pequeña (y muy cara) para almacenar la
base de datos entera.
 Actualmente se usa una capacidad de sobre varios Gigas.
 Su capacidad va en aumento y su costo por byte va disminuyendo
en forma constante y rápida. (un factor de 2 cada 2 a 3 años)
 Volátil — El contenido de la memoria principal se pierde
cuando se corta la energía o el sistema cae.

4. MEDIOS FISICOS DE
ALMACENAMIENTO (CONT.)

 Memoria Flash
 Los datos sobreviven a fallas de energía.
 La lecturas son tan rápidas como la memoria Ram (100
nanosegundos).
 La escritura es lenta (4 - 10 microsegundos), el borrado
es mas lento ya que se borra todo en banco de
memoria.
 El costo por unidad de almacenamiento es similar al
de la memoria Ram.
 Ampliamente usados en cámaras digitales y
computadores de bolsillo.
 También conocidos como EEPROM (Electrically
Erasable Programmable Read-Only Memory)

5. MEDIOS FISICOS DE
ALMACENAMIENTO (CONT.)

 Discos magnéticos
 Los datos son almacenados sobre la superficie de discos, y la
lectura y escritura se realiza magnéticamente.
 Principal medio de almacenamiento de datos a largo plazo;
típicamente almacena una base de datos entera.
 Para accesar a los datos deben ser movidos desde disco a memoria
principal, y deben ser escritos nuevamente para almacenarlos.
 Su acceso es mucho mas lento que a la memoria principal.
 Acceso directo – es posible leer datos desde disco en cualquier
orden a diferencia de las cintas magnéticas.
 Actual capacidad sobre 1 TB.
 Mucha mas grande capacidad y menor costo por byte que la memoria
Ram.
 Crecimiento rápido y constante con el mejoramiento de la tecnología
(factor de 2 a 3 cada 2 años).
 Sobrevive a las fallas de energía y caídas del sistema.
 Los daños en el disco pueden destruir a los datos, pero es raro.

6. MEDIOS FISICOS DE
ALMACENAMIENTO (CONT.)

 Almacenamiento óptico
 No volátil, datos son leídos ópticamente desde disco utilizando
un láser.
 CD-ROM (700 MB), DVD (4.7 a 8.5 GB por cara, hasta 17 GB en
DVD doble cara) y blu-ray (25GB los de simple cara y 50 GB los
de doble cara son los mas populares.
 Los discos ópticos Write-one, read-many (WORM) son usados
para almacenamiento de archivos (CD-R and DVD-R).
 Versiones de escritura múltiple también están disponibles (CD-
RW, DVD-RW, y DVD-RAM)
 Lectura y escritura es mas lenta que los discos magnéticos.
 Las cajas de CDs, contienen varias unidades de discos y
muchos discos, y un mecanismo para carga y descarga
automática de discos, usados para almacenar grandes
volúmenes de información.

7. MEDIOS FISICOS DE
ALMACENAMIENTO (CONT.)

 Almacenamiento en Cinta
 no-volátil, usado principalmente para respaldos (para
recuperación de datos cuando se daña el disco), y para
archivar datos.
 Acceso secuencial – mucho mas lento que un disco
 Alta capacidad (disponibles cintas de una capacidad entre
40 a 300 GB).
 Las cintas pueden ser removidas de su drive los costos
de almacenamiento son mucho mas baratos que un disco
pero su drive es caro.
 Las cajas de cintas están disponibles para almacenar
cantidades masivas de datos.
 Cientos of terabytes (1 terabyte = 109 bytes) o aún pentabytes (1
petabyte = 1012 bytes)

8. JERARQUIA DE
ALMACENAMIENTO


9. JERARQUIA DE
ALMACENAMIENTO (CONT.)

 Almacenamiento primario: Medios rápidos pero
volátiles (cache, main memory).
 Almacenamiento secundario: siguiente nivel en la
jerarquía, no-volátil, tiempo de acceso
moderadamente rápido.
 También llamado almacenamiento en línea.
 Estos son: memoria flash y discos magnéticos.
 Almacenamiento terciario: El mas bajo nivel en la
jerarquía, no-volátil, tiempo de acceso lento.
 También llamado almacenamiento fuera de línea.
 Estos son: cintas magnéticas y almacenamiento óptico.

10. MECANISMO DEL DISCO
DURO


11. DISCOS MAGNETICOS

 Cabeza de lectura-escritura
 Su posición es muy cercana a la superficie del disco (casi tocándole)
 Lee y escribe información magnéticamente codificada.
 La superficie del disco se divide en pistas circulares.
 Entre 50.000 y 100.000 pistas por plato es lo usual.
 Cada pista está dividida en sectores.
 Un sector es la unidad mas pequeña de datos que puede ser leída o escrita.
 Típicamente el tamaño de un sector es de 512 bytes.
 Sectores por pista: 500 (en pista internas) a 1000 (en pistas externas)
 Para lectura/escritura de un sector
 El brazo del disco se mueve hasta colocar la cabeza lectora sobre la pista
correcta.
 Los platos giran continuamente; los datos son leídos o escritos cuando un sector
pasa bajo la cabeza.
 Montaje de las cabezas
 Varios platos se colocan sobre un mismo eje (típicamente de 2 a 5)
 Una cabeza por superficie de cada plato, montados sobre un brazo común.
 Cilindro i está formado por las i-ésimas pistas de todos los platos.

12. DISCOS MAGNETICOS

 Las primeras generaciones de discos eran susceptibles a caídas de
las cabezas.
 Los primeros discos tenían sus superficies recubiertas de óxido
metálico que podía desintegrarse ante una caída de la cabeza, dañando
todo el disco.
 Las actuales versiones de discos son menos susceptibles a esos daños,
aunque sectores individuales pueden se dañados.
 Controlador de disco – Es la interfaz entre el sistema informático y el
hardware.
 Acepta comandos de alto nivel para leer o escribir un sector
 Inicia acciones como mover el brazo del disco a al pista correcta, y leer
o escribir los datos
 Calcula y añade checksums a cada sector para verificar que los datos
han sido leídos correctamente.
 Si los datos están corruptos, es muy probable que el checksum almacenado
no concuerde con el recalculado.
 Asegura escrituras exitosas volviendo a leer un sector después de escribirlo.
 Ejecuta una reasignación de datos ubicados en sectores dañados.

13. SUBSISTEMA DE
DISCO

Varios discos son conectados a un sistema de computación a través de un
controlador.
Algunas funciones del controlador (checksum, reasignación de sectores
dañados) a menudo se implementan en cada disco individual, lo que
reduce la carga al controlador.
Familias de Interfaces de disco estandar:
•Rango de estándares ATA (AT adaptor).
•Rango de estándares SCSI (Small Computer System Interconnect).
Hay varios tipos de cada estándar (difieren en su velocidad y capacidad).

14. MEDIDAS DE RENDIMIENTO
DE LOS DISCOS

 Tiempo de acceso – El tiempo desde que se hace una solicitud de
lectura o escritura hasta que comienza la transferencia de datos.
Consiste de:
 Tiempo de búsqueda – tiempo que toma la colocación del brazo del disco
en la pista adecuada.
 El tiempo promedio de búsqueda es la mitad del mayor tiempo de búsqueda.
 4 a 10 milisegundos en un disco típico.
 Latencia rotacional – tiempo que toma al sector que va ha ser accesado,
colocarse bajo la cabeza lectora
 La latencia promedio es la mitad del mayor tiempo de latencia.
 4 a 11 milisegundos en un disco típico (5400 a 15000 r.p.m.)
 Velocidad de transferencia de datos – es la velocidad a la que se
puede recuperar o guardar datos en le disco.
 25 a 100 MB por segundo es típico.
 Varios discos pueden compartir un controlador, por lo tanto, la velocidad
que un controlador puede manejar es también importante.
 E.g. ATA-5: 66 MB/s, Ultra 320SCSI: 320 MB/s
 Fiber Channel: 256 MB/s

15. MEDIDAS DE RENDIMIENTO
DE LOS DISCOS

 Tiempo medio entre fallos (MTTF) – Es tiempo
promedio que se espera que un disco opere sin fallas.
 Típicamente entre 57 a 136 años según los fabricantes,
pero normalmente quedan obsoletos a los cinco años.
 E.g., Un MTTF de 1,200,000 horas significa que dados 1000
discos nuevos, como promedio fallará uno cada 1200 horas.
 MTTF decrece con la edad de los discos.

16. OPTIMIZACION DEL ACCESO
LOS BLOQUES DE DISCO

 Bloque – Una secuencia de sectores contiguos de una misma
pista.
 Los datos son transferidos entre disco y memoria principal en
bloques.
 Su tamaño varía desde 512 bytes a varios Kbytes.
 Bloques mas pequeños: mas transferencias desde disco.
 Bloques mas grandes: mas espacio desperdiciado con bloques
parcialmente llenos.
 El tamaño típico de un bloque actual está entre 4 y 16 Kbytes.
 Planificación del brazo del disco: algoritmos ordenan los
accesos pendientes a las pistas de tal manera que el movimiento
del brazo se minimice.
 Algoritmo del ascensor: mueve el brazo en una dirección (desde
las pistas externas a las internas o viceversa), procesando los
siguientes requerimientos en esa dirección hasta que no haya mas,
entonces invertir la dirección y repetir el proceso.

17. OPTIMIZACION DEL ACCESO
LOS BLOQUES DE DISCO
(Cont.)

 Organización de archivos – optimiza el tiempo de
acceso a los bloques de acuerdo a como se espera que
se accede a los datos.
 Almacena información relacionada en el mismo cilindro o
en cilindros vecinos.
 Con el tiempo los archivos pueden quedar fragmentados
 Si los datos son insertados y borrados continuamente.
 O los bloques libres en el disco están dispersos, y los nuevos
archivos tienen sus bloques dispersos en el disco.
 El acceso secuencial a un archivo fragmentado incrementa el
movimiento del brazo del disco.
 Algunos sistemas tienen opciones para defragmentar los
archivos del disco e incrementar la velocidad de acceso.

18. OPTIMIZACION DEL ACCESO
LOS BLOQUES DE DISCO
(Cont.)

 Memoria intermedia no volátil se sube la velocidad de escritura a disco
escribiendo los bloques en un RAM no volátil para mas tarde pasar esos
bloques a disco, cuando el sistema esté desocupado.
 RAM no volátil: RAM alimentada por baterías
 Aún si la energía falla. Los datos están seguros y serán escritos en disco cuando la
energía retorne.
 El controlador hace la escrituras en disco cuando el disco no tiene otros
requerimientos.
 Las operaciones de BDD que requieren que los datos sean guardados antes de
continuar, pueden seguir que los datos sean escritos en disco.
 Las escrituras pueden ser reordenados para minimizar el movimiento del brazo.
 Disco de Archivo histórico – se provee un disco para la escritura de un
archivo histórico secuencial de bloques actualizados.
 Es similar al RAM no volátil
 La escritura en archivo histórico es muy rápida mientras no se requieran hacer
búsquedas.
 No necesita de un hardware especial
 El sistema de archivos típicamente reordena la escritura de discos para
mejorar el rendimiento.