Almacenamiento Tabla de Contenido

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1 Almacenamiento Tabla de Contenido Cintas Magnéticas:... 3 Discos Duros... 5 Construcción y Operación:... 5 Platos:... 5 Cabezas de lectura/escritura... 6 Circuitería... 7 Codificación y decodificación:... 7 Geometría del Disco:... 9 Tracks, sectores y cilindros... 9 Interleaving Formateo: Desempeño: Factores internos vs. externos relacionados con el desempeño Ejercicios: Discos Ópticos (CD / DVD): Construcción: Material y estructura Operación Codificación CR-R CD-RW DVD Capacidad Formatos: Longitud del espiral: DVD-9 / DVD DVD-Audio DVD-Video Tecnologías e Alto Nivel RAID RAID RAID RAID RAID RAID RAID RAID RAID Ejercicios NAS/DAS/SAN Solucionario Ejercicios: Almacenamiento Magnético:

2 Almacenamiento Óptico

3 Las siguientes notas son generadas a partir de adaptaciones, traducciones y copias textuales de diferentes sitios de Internet Cintas Magnéticas: Medio de almacenamiento no volátil Cinta plástica con un recubrimiento magnético Usada para Audio, Video y Datos En datos usado por primera vez en el UNIVAC I ( Eckert-Mauchly): Ancho de 12,7mm, 128 bytes por pulgada en 8 tracks. Velocidad lineal de 100 in/seg Vel. Transferencia de bytes/seg. (con bloques intermedio de separación la velocidad efectiva es de 7200 bytes/seg) Tiempo de latencia alto para acceso aleatorio (en promedio debe rebobinar la mitad de la cinta para llegar al bloque deseado) Se manejan índices para marcar la ubicación de un archivo en la cinta o bloques de marcación que indican el contenido de un bloque. Evolucionó a DDS/DAT (Digital Data Store/Digital Audio Tape) (Organización lineal de la cinta no permite ancho de banda ni capacidad necesario para video. Se requiere muy alta velocidad y cintas muy largas. Surge Grabación por Helical Scan o stripping: ) Grabación por Helical Scan: Cabeza rotatoria y traces en diagonal. Requiere mecanismo de transporte complejo pero no exige mucho de la cinta. La cabeza rota a 30 metros/seg y la cinta viaja a 1 in/seg comparado a 100 ips de cinta lineal. 3

4 Media Storage Capacity (GB) Transfer Rate (MB/s) Price Band (GBP) DAT - DDS <5K DAT - DDS <5K DAT - DDS <5K DAT - DDS <5K Exabyte 2.3/5/7 0.2/1 <5K Exabyte - Mammoth 20 3 <5K Exabyte - Mammoth II <5K Sony AIT /35 3 <5K Sony AIT <5K 4

5 Metrum K D1 40/100 16/ K Original D2 25/75/ K DD /150/ K Redwood (D3) 10/25/ K DTF K DTF K Discos Duros Construcción y Operación: Platos: Un disco duro se compone de uno o más discos o platos. Cada plato se compone de una capa rígida (de ahí el nombre de disco duro) que conforma el cuerpo del plato y de un recubrimiento magnético que registra los impulsos magnéticos que representan los datos. El cuerpo del plato debe ser rígido, fácil de trabajar, liviano, estable, magnéticamente inerte, barato y de amplia disponibilidad. Por todo esto es frecuente que se emplee una aleación de aluminio para su fabricación. No obstante, debido a las exigencias que crean las mayores velocidades de rotación de los discos modernos (requiriendo superficies más planas) se están evaluando nuevas posibilidades como vidrio, compuestos de vidrio/cerámica o aleaciones de magnesio. El recubrimiento magnético o substrato, es la capa sobre la que se escriben los datos. Normalmente su espesor es de unos pocos millonésimos de pulgada. Antiguamente esta capa era de óxido de hierro. Este material es muy barato pero presenta varias desventajas: se daña fácilmente al contacto con las cabezas y solo permite densidades de grabación muy bajas. Los discos actuales usan una muy delgada película magnética que mediante técnicas especiales se adhiere al cuerpo del plato. Esta película es más delgada, liviana y resistente que el óxido de hierro. En la actualidad IBM está investigando nuevas tecnologías que permitirían reemplazar la película magnética por una solución química que contiene moléculas orgánicas a la que se adhieren partículas de hierro y de platino. Al hacer estolas partículas de hierro y platino se 5

6 organizan en cristales, cada uno de los cuales puede almacenar una carga magnética, aumentando así la densidad de grabación en un factor de hasta 100. El tamaño de los platos de un disco duro (llamado form factor) es el factor determinante del tamaño de una unidad de disco duro. Los primeros platos tenían un form factor de 5.25 in. Hoy el tamaño más común es de 3.5in. En los laptops el form factor es de 1.0in. 1.8in y 2.5in. La tendencia actual, por razones de desempeño, es la de disminuir el tamaño de los platos pese a que intuitivamente, al disminuir el tamaño del plato se disminuye la superficie magnética y por tanto la capacidad de almacenamiento. Esta afirmación no es del todo cierta ya que la tecnología ha permitido que el bit area (cantidad de bits incluidos en un área determinada) de los platos crezca muy rápidamente compensando así el área que se pierde al reducir el tamaño del disco. Las razones que apoyan la reducción de tamaño son las siguientes: - Aumento de Rigidez: Entre más rígido un disco, más tolerante es a resistir choques y vibraciones. Igualmente permite que el disco gire a mayor velocidad. Reducir el diámetro de un disco a la mitad cuadriplica su rigidez. - Facilidad de Fabricación: La uniformidad y planicie de un disco es fundamental en la determinación de su nivel de calidad. Las imperfecciones conducen a perdidas potenciales de información debido a que las cabezas del disco entran en contacto con la superficie de este. Garantizar la uniformidad es más sencillo en discos pequeños que en discos grandes. - Reducción de peso: Entre más ligero un disco, más fácil es aumentar su velocidad de giro con motores menos poderosos. La velocidad de giro es un factor muy importante en el desempeño de un disco. - Consumo de Energía: El consumo de un PC es cada vez más importante y hay muchos esfuerzos para reducirlo (disipación de calor, computación móvil). Por la reducción de peso se pueden usar motores menos poderosos que consumen menos energía. - Disminución de ruido y calor: Consecuencia de todo lo anterior - Disminución de Seek time: Al reducir el tamaño, se reduce la distancia que debe recorrer la cabeza al hacer lecturas aleatorias. Al pasar de 3.75in a 3.5in, se paso de velocidades de 7200RPM a 10000RMP. Seagate logró velocidades de 15000RPM con discos de 2.5in. Cabezas de lectura/escritura Las cabezas de lectura/escritura son la interfase entre el medio físico magnético y los componentes electrónicos que componen el resto del disco duro. Las cabezas hacen el trabajo de convertir los bits a impulsos magnéticos y de almacenados, así como el proceso contrario cuando se trata de leer la información. 6

7 Las cabezas son un componente crítico al determinar el desempeño de un disco duro, puesto que ellas juegan un rol muy importante en el almacenamiento y lectura de la información. Usualmente son uno de los componentes más costosos de un disco duro y es una de las partes que más rápido debe evolucionar para soportar, las cada vez más exigentes especificaciones que se dan, para soportar mayores velocidades de lectura y escritura. Para permitir la lectura/escritura a lo largo de la superficie del disco, las cabezas se montan sobre unas partes llamadas brazos (aras) que pueden desplazar las cabezas a lo ancho del disco para realizar las operaciones de lectura/escritura en el punto deseado. Circuitería Los primeros discos duros eran unidades brutas, en el sentido de que toda la lógica de control se ubicaba en el controlador al interior del PC. Los discos tenían un poco inteligencia que les permitía hacer acciones muy sencillas. Esto hacía que los controladores fueran muy generales y no podían diseñarse de manera específica para sacar provecho de una determinada unidad de disco. Los primeros discos eran muy similares entre si de manera que esto era aceptable. A medida que se introdujeron nuevas unidades al mercado con mejores características y velocidades, este diseño se hizo impráctico y tomó sentido mover estas funcionalidades a la unidad de disco propiamente dicha. Cuando se dio este cambio, los discos que respondían a este diseño se llamaron IDE (Integrated Drive Electronics). Hoy día, dado que todos los discos duros tienen la electrónica de control embebida en la unidad, este nombre no tiene mayor sentido aunque se sigue utilizando. Un nombre más correcto es el de interfase AT o ATA (AT Attachment). La electrónica al interior del disco contiene un microprocesador, memoria interna y alguna circuitería adicional que controla lo que ocurre al interior del drive. La circuitería de control cumple entre otra las siguientes funciones: - Controlar la velocidad de rotación de motor - Controlar el movimiento del brazo a las posiciones deseadas - Controlar las operaciones de lectura/escritura - Controlar el caché interno del disco Teniendo en cuenta que la mayoría de funciones son de control, a esta electrónica se le llama el Controlador del disco Codificación y decodificación: La información digital es codificada en unos y ceros. Los discos almacenan la información como pulsos magnéticos registrados sobre el substrato magnético. La información digital 7

8 que se graba sobre el disco debe entonces convertirse en información magnética y cuando se lee debe convertirse nuevamente en información digital. Este trabajo es hecho por el controlador que existe dentro del disco. La información grabada sobre el disco, consiste de secuencias de campos magnéticos muy pequeños. Como es sabido un imán tiene dos polos, norte y sur, y la energía magnética fluye del polo norte al polo sur. La información se codifica entonces colocando cada campo magnético de manera que a medida que el disco gire, bien sea el polo norte llegue a la cabeza primero que el polo sur o que el polo sur llegue primero que el polo norte. Si bien es simple hacer coincidir la información digital de 0 y 1 a campos magnéticos N-S y S-N, la realidad es mucho más compleja ya que una correspondencia 1 a 1 no es posible y se requieren técnicas especiales para garantizar que la información es escrita y leída correctamente. Algunos aspectos que hacen que no sea sencillo obtener esta correspondencia son: - Polaridad de campos vs. reverso de flujos: Las cabezas de lectura/escritura no miden la polaridad de los campos magnéticos sino cambios en el flujo que ocurren cuando la cabeza pasa de un área con polaridad norte sur, a una con polaridad sur-norte o viceversa. (los cambios de flujo son más fáciles de medir). Cuando hay un cambio de flujo, se produce una onda que puede ser detectada y medida. - Sincronización: Es necesario que exista algún mecanismo que permita saber donde empieza y donde termina un bit. Esto es particularmente complejo en secuencias repetitivas de un mismo bit (por ejemplo, si hay 1000 ceros consecutivos, cómo se determina dónde empieza y dónde termina el bit 787 en la secuencia?) - Separación entre campos: Si se requiere grabar 1000 campos magnéticos consecutivos, no basta con ubicarlos uno a continuación del otro, ya que los campos magnéticos son aditivos y se crearía un solo campo magnético 1000 veces el tamaño y fuerza de cada uno de los campos individuales. Se requiere un espaciamiento entre uno y otro. La línea superior ilustra una secuencia de bits a escribir. La línea de la mitad muestra como se magnetizan los campos en diferentes direcciones al grabar en disco. La línea inferior muestra como el flujo pasa de voltajes 8

9 positivos a negativos cuando se lee el disco. Geometría del Disco: Un disco duro, dependiendo del diseño, puede tener uno o más platos. Los discos de los PC de hogar pueden tener entre 1 y 5 platos. Los discos de servidores de alto nivel pueden tener hasta 12 platos por disco. Los platos dentro del disco se conectan a través de un eje central común, formando una sola unidad en la que todos los discos giran al tiempo como un solo cuerpo impulsados por un motor. Los platos se separan unos de otros por medio de anillos de separación que se intercalan entre los platos. Cada plato tiene dos superficies capaces de almacenar datos. Cada superficie tiene una cabeza de lectura y escritura. Normalmente ambas caras son usadas aunque no siempre es así (en discos antiguos algunas caras se usaban para almacenar información operacional del disco o por razones comerciales para crear distinciones de capacidades en familias de discos) Los discos con muchos platos son más difíciles de diseñar debido al incremento de peso del conjunto de discos, la necesidad de alinear perfectamente todos los discos y la mayor dificultad para controlar el ruido y la vibración. El mayor peso afecta el tiempo que requieren los comandos para iniciar y detener el giro del disco. Gracias al aumento de del bit density en los platos se ha podido reducir el número de platos y cabezas sin sacrificar capacidad de almacenamiento. Tracks, sectores y cilindros A fin de organizar el almacenamiento y lectura de los datos, los platos tienen una estructura determinada. Cada plato se divide en pistas o tracks (cientos de miles de ellos) organizados de manera concéntrica al eje del disco. Cada uno de estos tracks se divide en unidades más pequeñas llamadas sectores. Un sector es la más pequeña unidad de información direccionable en un disco y, normalmente, equivale a 512 bytes de información. Los discos modernos logran almacenar varios miles de sectores por track. Los primeros discos mantenían el mismo número de sectores por track. Los discos actuales mantienen un número variable de sectores por track (los tracks más externos almacenan más sectores que los internos) 9

10 Disco con 20 tracks concéntricos y 16 sectores por track Como se mencionó anteriormente un disco duro usualmente esta construido a partir de platos, cada uno de los cuales tiene dos cabezas para grabar y escribir, una para la cara superior y otra para la cara inferior del plato. Las cabezas se ensamblan conjuntamente en un solo cuerpo. Esto significa que todas las cabezas se mueven hacia adentro y hacia fuera del disco conjuntamente, de manera que cada cabeza está siempre físicamente en el mismo track del plato correspondiente. Debido a esta causa, la localización de las cabezas no se determina con un número de track sino con un número de cilindro. Un cilindro es el conjunto de todos los tracks ubicados en el sitio en el que se encuentra la cabeza en un instante de tiempo determinado. Así, si un disco tiene 4 platos, tendrá entonces 8 cabezas y el cilindro número 720 estará compuesto por el conjunto de los 8 tracks (uno por cada plato y superficie) ubicados en el track 720. El nombre viene de que esta estructura se puede visualizar como un cilindro esquelético dado que cada uno de los tracks tienen el mismo tamaño en cada uno de los platos y a que los tracks están uno sobre el otro. 10

11 . La dirección de un sector específico en el disco se hace entonces indicando el cilindro, cabeza y sector (CHS por las siglas en inglés) La densidad de tracks de un disco se refiere a cuan cerca está un track del track vecino sobre la misma superficie de un plato. Todos los platos tienen la misma densidad de tracks, y como es apenas obvio, a mayor densidad de tracks, mayor cantidad de información se puede guardar en el disco. Suponiendo que un disco tiene un área usable de 1.2in y tracks por superficie, la densidad es de tracks por in (TPI). Por otro lado, la densidad lineal o densidad de grabación (recording density) se refiere a cuan cerca está un bit de otro a lo largo de un track. Así, si en una pulgada de un track se pueden grabar bits de información, la densidad lineal será de bpi (bits por pulgada). En los primeros discos se grababan todos los tracks a la misma densidad lineal, determinada por el la máxima densidad del track más interno, es decir los tracks externos almacenaban bits más gordos que los internos. Teniendo en cuenta que la longitud de cada track es diferente según su posición en el plato, en los discos modernos los tracks no se graban con la misma densidad lineal. Dado que los tracks externos son más largos que los internos, los externos pueden almacenar más información que los internos. Esta técnica es llamada Grabación Zonificada de Bits (Zoned Bit Recording - ZBR). En está técnica, los tracks se dividen en zonas definidas por su distancia desde el centro y a cada zona se le asigna un número de sectores por track como lo ilustra la siguiente figura: 11

12 Disco ficticio con formato ZBR variando el número de sectores por track de 9 en el track más interno a 16 en el más externo. Cuando los fabricantes hablan de densidad lineal en un disco ZBR, normalmente lo que especifican es la densidad lineal máxima del disco. Como se mencionó anteriormente, ZBR afecta la tasa de transferencia de información del disco. Debido a que la velocidad angular del disco es constante sin importar el track que se esté leyendo, y a que los tracks externos contienen más datos, en una misma unidad de tiempo se leen más datos cuando la información está en sectores externos que cuando está en sectores internos. La siguiente tabla muestra efecto sobre un disco real, tomada del catálogo de referencia del disco (3.8 GB Quantum Fireball) Zone Tracks in Zone Sectors Per Track Data Transfer Rate (Mbits/s)

13 En conjunto, la densidad lineal y la densidad de tracks de un disco, determinan la densidad de área un disco. En un disco de bpi, con los TPI del ejemplo anterior, la densidad de área máxima es de aproximadamente bits/in 2 (o 5.5 Gbits/in 2.). Los discos de la actualidad tienen densidades superiores a los 10 Gbits/in 2. (en contraste a los Gbits/in 2 de los primeros discos!!!. Otra unidad de área que comúnmente se usa son los Gbits por plato. Esta unidad es útil para comparar discos, siempre y cuando los discos que se comparan tengan el mismo tamaño de plato ( Por qué?) Hay entonces dos maneras de aumentar la densidad de área de un disco: incrementando la densidad lineal o incrementando la densidad de tracks. Típicamente las nuevas generaciones de discos mejoran ambas medidas. Es importante notar que aumentar la densidad de área conduce no sólo a discos con mayor capacidad, sino a discos más rápidos ya que se afectan las dos variables más importantes en el desempeño de un disco: velocidad de posicionamiento y velocidad de transferencia. Este tema se verá más adelante. Es importante mencionar que el BIOS de los PC suponen un número fijo de sectores por track (i.e no soporta ZBR) por lo que se impone la necesidad de hacer transformaciones geométricas (i.e hacer creer al BIOS que el número de sectores es fijo e internamente hacer los ajustes del caso. Esta es otra labor que realiza el controlador de la unidad) Interleaving Una operación muy frecuente en un disco duro, es la de leer o escribir un grupo de sectores de manera consecutiva (Basta pensar que un sector contiene 512 bytes de datos y la mayoría de archivos miden mucho más. Suponiendo que los sectores en un track se enumeraran consecutivamente y que quisiéramos leer los primeros 10 sectores de un determinado track, bajo 13

14 condiciones ideales, el controlador leería el primer sector, luego el segundo y así consecutivamente hasta leer el décimo. No obstante, los sectores físicos en el track están adyacentes unos de otros y no están separados por mucho espacio. Leer sectores consecutivos requiere de una cierta velocidad del controlador. Los discos nunca paran de rotar y, una vez que el controlador termina de leer el sector 1, tiene muy poco tiempo antes de que el sector 2 esté bajo la cabeza de lectura para iniciar su lectura. Muchos controladores antiguos no tenían la suficiente capacidad para hacer esto. De esta manera, una vez leído el sector 1, debían esperar a que el disco diera una rotación completa para iniciar la lectura del segundo y así consecutivamente hasta finalizar la lectura. Para resolver este problema, los controladores implementaban una función llamada interleaving, por medio del cual se ajustaba un factor de interleaving. De esta manera, se creaba una numeración lógica de los sectores que no correspondía con la numeración física. El objetivo era ordenar los sectores de manera que la posición en el track coincidiera con la velocidad del controlador para evitar las rotaciones adicionales. El factor de interleave se expresa como una tasa N:1 en donde n representa cuan distante debe ubicarse un sector con respecto al anterior para que el controlador pueda procesarlos consecutivamente. Dependiendo de la velocidad del controlador se usaban factores de 2:1, 3:1, etc.) A manera de ejemplo, en un disco de 17 sectores y con un factor 2:1 la numeración de los sectores de un track sería: 1, 10, 2, 11, 3, 12, 4, 13, 5, 14, 6, 15, 7, 16, 8, 17, 9. Así, para leer todo el track se requieren dos rotaciones completas del disco versus las 17 que se necesitarían si no se usara esta técnica. Los discos modernos trabajan con un interleave de 1:1. Los controladores modernos son tan rápidos que son capaces de leer sectores consecutivos sin mayor espera. Esto es un ejemplo del aumento de desempeño de los discos modernos. La velocidad de rotación a pasado de 3600 RPM en los primeros discos a 10000RPM en los discos de hoy día en un periodo de unos 15 años (incremento en desempeño del orden de 177%). De otra parte, los procesadores han pasado de velocidades de 4.7Mhz a más de 1Ghz, es decir un incremento de cerca del 20000%. A diferencia del interleaving, cuyo desempeño depende únicamente de factores electrónicos, existen otros aspectos que dependen de factores mecánicos y por ende no son susceptibles de mejorarse tan drásticamente sin cambiar el diseño. Uno de estos factores es el tiempo de cambio de cilindro (cylinder switching time). Para entender este concepto, supongamos que todos los tracks estuvieran alineados en el plato, de manera que el primer sector estuviera siempre alineado en todos los tracks. Para leer sectores consecutivos, como ya se mencionó, un controlador moderno puede leerlos si mayor dificultad a medida que el track se desplaza debajo de la cabeza. El problema resulta cuando se han leído todos los sectores de un track y debe leerse el primer sector del siguiente track. Esta operación requiere que el brazo del disco mueva físicamente la cabeza de lectura al siguiente track en el disco. Un disco moderno requiere del orden de 0.6 ms, para realizar este movimiento, pero a 10000RPM el disco habrá completado cerca del 10% de una vuelta completa. Si los sectores estuvieran alineados, al terminar de mover la cabeza, el primer sector del siguiente track habría pasado hace mucho tiempo por ese sitio y habría que esperar a que termine el 90% faltante de la vuelta actual, con la pérdida de desempeño que esto genera. La solución a este problema, similar a la empleada en el interleaving, es la desplazar el inicio de numeración en sectores adyacentes por un factor que permita compensar este tiempo (esta técnica se conoce como cylinder skew). Así, suponiendo un disco con 450 sectores por track y 10% del tiempo de rotación para cambio de cilindro, al terminar el movimiento de cabeza, habrían pasado 45 sectores después del primer sector del siguiente track. Admitiendo un tiempo para overhead del controlador, los diseñadores desplazarían cada track por un factor cercano a 50 sectores entre tracks adyacentes. Haciendo esto se pueden leer múltiples tracks adyacentes sin prácticamente ninguna pérdida de desempeño por rotaciones innecesarias del plato. 14

15 El mismo problema surge al cambiar de cabeza dentro de un cilindro. Aquí, aunque no hay un movimiento físico, hay un tiempo que se requiere para pasar la lectura de una cabeza a la siguiente, de manera que tiene sentido desplazar el inicio de los sectores dentro del mismo cilindro, de manera que al cambiar de cilindro se compense este tiempo. Esto es llamado head skew e implica un desplazamiento de pocos sectores que en el caso del cilynder skew dada la diferencia de tiempos involucrada. Estos dos diagramas ilustran el concepto de cylinder y head skew. Suponiendo que estos platos giran en sentido en sentido contrario de las manecillas del reloj (visto desde el punto de vista del lector) y que son paltos adyacentes (podrían ser las dos superficies de un mismo plato), los platos presentan un cylinder skew de tres, indicando que los tracks adyacentes tienen un desplazamiento de 3 sectores. Adicionalmente, el disco de la derecha tiene un head skew de 1 relativo al plato de la izquierda. Este es un ejemplo de porque es una buena práctica incluir el controlador dentro del disco. Dadas las características de tiempo de un disco en particular, el diseñador puede incluir todas las características de interleaving y skew necesarias para el disco en particular, en tanto que podría ser muy complejo hacer un controlador que responda a todas las posibles características y requerimientos de desempeño de todos los discos en el mercado, como sería el caso al tener el controlador en el PC. Formateo: Como se mencionó anteriormente, en la mayoría de discos un sector puede almacenar 512 bytes de datos. No obstante, en la realidad cada sector almacena adicional a la información propiamente dicha algunos datos y estructuras de información necesarios para controlar el disco y localizar datos en el. La estructura exacta depende de cada fabricante. No obstante generalmente se incluyen los siguientes datos: 15

16 - ID: Sirve para marcar el número del sector y su ubicación. Igualmente puede incluir información de estado que permite que indicar que un sector está defectuoso. - Campos de Sincronización: Usados internamente por el controlador para guiar el proceso de lectura. - Datos: La información almacenada - ECC: Información adicional para garantizar la integridad de los datos - Espacios: Espacios creados para separar un sector del siguiente. La cantidad de información adicional que se usa es importante porque afecta la capacidad de almacenamiento del disco. Los fabricantes tratan entonces de minimizar la información adicional que se almacena en el disco. El término eficiencia de formateo se refiere al porcentaje de bits en el disco que se emplean para datos. El formateo es un proceso por medio del cual se crean en el disco las diferentes estructuras necesarias. Hay varios tipos de formateo. - Formateo de bajo nivel: Es el verdadero proceso de formateo de un disco. Crea todas las estructuras (tracks, sectores, información de control) en el disco. - Particionamiento: Este proceso permite partir un disco en partes que se convierten en diferentes volúmenes (letras de disco). Esta relacionado con funciones del sistema operativo. - Formateo de Alto nivel. Es un paso final de formateo y es también adelantado por el sistema operativo. Define las estructuras lógicas en la partición y graba los archivos necesarios para la operación del sistema operativo. Desempeño: Inicialmente, el disco duro solo se veía como un lugar en donde se almacenaban cosas y no se miraba con detalle la manera como afecta el desempeño del PC. Al pasar los años ésta visón ha cambiado dramáticamente y el desempeño del disco duro se mira con mucho detalle porque, como se verá más adelante, tiene una gran influencia sobre el desempeño general del PC. Solo para tener un factor de referencia basta mencionar que en el tiempo que gasta hacer una operación de acceso aleatorio al disco duro, la CPU puede ejecutar cerca de un millón de instrucciones!! Factores internos vs. externos relacionados con el desempeño Las operaciones de lectura y escritura se pueden dividir en dos partes. Para una escritura, se deben obtener datos del sistema y luego escribirlos en los sectores que corresponda en el disco. En una lectura, la información se debe leer del disco y luego se debe transmitir al sistema. Claramente el disco duro es solamente responsable de la mitad que le corresponde en cada operación. Algunos de los aspectos que afectan el desempeño están relacionados a características del PC que no corresponden a aspectos específicos del disco duro. Los 16

17 aspectos que son responsabilidad directa del disco duro son llamados factores internos. Los que son principalmente dependientes del resto del sistema son factores externos. Distinguir entre los factores internos y externos es muy importante ya que los cuellos de botellas que se presentan en materia de desempeño, pueden originarse en el disco o en cualquiera de las otras partes del sistema relacionadas con la operación de entrada/salida (la interfase, el sistema, el bus, la CPU, los drivers, el sistema de archivos, etc.). Si, por ejemplo, el cuello de botella reside en el bus del sistema, un disco de mayor velocidad no va a resolver el problema de desempeño. En algunos casos, los cuellos de botella pueden cambiar de ser causados principalmente por factores internos a ser causados por factores externos, dependiendo del tipo de trabajo que se está ejecutando en el PC. Igualmente, el hacer cambios en el sistema puede hacer que el factor cambie de interno a externo. Por ejemplo, si uno tiene un disco de alta velocidad conectado a través de una interfaz lenta, la interfaz puede ser el cuello de botella. Al cambiar la conexión a una interfaz más lenta, el cuello de botella puede pasar a ser el disco. En muchos casos, el desempeño externo puede mejorarse haciendo cambios que no implican ningún costo. Factores Internos: El trabajo interno de un disco puede dividirse en dos partes: encontrar la ubicación correcta en el disco y después leer o escribir la información. El primero se llama posicionamiento y el segundo transferencia. Ambos son de importancia en el desempeño de un disco. A continuación se muestran las principales especificaciones de un disco duro que afectan su desempeño, ya sea en posicionamiento o en transferencia: a. Velocidad de Rotación: Como se mencionó anteriormente, los platos de un disco duro giran simultáneamente impulsados por un motor. La velocidad de giro siempre se especifica en RPM. Las velocidades típicas oscilan entre 4200RPM hasta 15000RPM siendo 5400RPM a 10000RPM las velocidades típicas en PC de escritorio. La velocidad de rotación afecta dos aspectos importantes en la medida de desempeño de un disco: La latencia rotacional y la tasa de transferencia interna (aspectos que se estudiarán más adelante, el primero relacionado con posicionamiento y el segundo con transferencia). Otros aspectos relacionados con la velocidad de giro son el tamaño y numero de platos en el disco y la densidad de área (normalmente lo discos más rápidos requieren densidades de área menores). Entre más rápido gire el disco aparecen más factores críticos que deben considerarse: por ejemplo el ruido y la vibración son mayores y se requieren mejores mecanismos de enfriamiento. b. Densidad de Area: Como se mencionó anteriormente, este término hace referencia a la cantidad de datos que pueden almacenarse en un área determinada del disco duro. La unidad de medida más usual es Gbits/in 2. En ocasiones se expresa como la medida de los dos actores que la componen (track density y densidad lineal). La densidad de área esta estrechamente ligada con la tasa de transferencia del disco. A mayor densidad de área, mayor tasa de transferencia. No obstante, las mejoras en la tasa de transferencia se deben a incrementos en densidad lineal y no a aumentos a densidad de tracks ( Por qué?). Así por ejemplo, si un disco A tiene una densidad 17

18 de área 5% menor que la de un disco B, pero su densidad lineal es un 10% mayor, tendrá una mayor tasa de transferencia que la del disco B. Desde el punto de vista de posicionamiento, tanto la densidad lineal como la densidad de tracks impactan en el desempeño del disco, ya que se reduce la distancia que deben moverse las cabezas para encontrar archivos en el disco. No obstante, las mejoras que se pueden lograr a este respecto son mínimas comparadas con las que se dan por este mismo aspecto en la tasa de transferencia. c. Seek Time: El seek time mide el tiempo que requieren las cabezas del disco para moverse de un track a otro. Es una de las métricas más comunes al evaluar un disco, ya que es una de las que más afecta el desempeño general del disco desde el punto de vista de posicionamiento. Moverse de un track a otro requiere que el brazo del disco mueva físicamente las cabezas, lo cual implica un proceso mecánico que requiere un cierto tiempo. El tiempo requerido para moverse entre dos tracks depende de la distancia entre los tracks. Sin embargo, hay un overhead causado por la operación misma y por tanto no es una relación lineal (no requiere el doble de tiempo pasar del track 1 al 3 que moverse del 1 al 2). El seek time normalmente se expresa en milisegundos. En los discos modernos el seek time promedio está entre los 8 a 10 ms. Este tiempo, en términos de un PC moderno es una enorme cantidad si se considera que los tiempos de acceso a la memoria son medidos en nanosegundos (orden de magnitud un millos de veces inferior con respecto al seek time). Por esta razón, incluso mejoras pequeñas en este tiempo pueden causar mejoras importantes en el desempeño general de un PC. Es común que los fabricantes especifiquen tres medidas relacionadas: seek time promedio: Es el tiempo promedio para mover la cabeza entre dos tracks elegidos aleatoriamente. Seek time track-to-track: es el tiempo necesario para mover la cabeza entre tracks adyacentes y seek time full stroke que es el tiempo requerido para mover la cabeza del track más interno al más externo (típicamente entre 15 y 20 ms) d. Settle Time: Es otro parámetro relacionado con posicionamiento y se refiere al tiempo de estabilización de la cabeza una vez ha terminado una operación de seek. Es del orden de 0.1 ms e. Command overhead time: Es el tiempo que transcurre desde que se envía un comando al disco hasta que se comienza a ejecutar. Podría llamársele tiempo de reacción. En los discos modernos es del orden de 0.5 ms. f. Latencia: Dado que el giro de los platos no está sincronizado con el proceso que mueve las cabezas del disco al cilindro requerido en una operación de lectura escritura de acceso aleatorio, cuando las cabezas llegan al cilindro requerido, el sector buscado puede estar en cualquier parte del track (adelante o atrás de la cabeza). De esta manera, el disco debe esperar hasta que el sector requerido llegue a la cabeza del disco. Este tiempo es llamado latencia rotacional y está directamente relacionado con la velocidad de rotación del disco. Dado que cuando las cabezas llegan al cilindro el sector puede estar en cualquier parte hacia adelante o hacia atrás de la cabeza, la medición de este factor supone que en promedio hay que esperar medio giro del disco para encontrar el sector esperado y por ende se calcula como el tiempo requerido para que el disco de media vuelta. De esta manera se expresa como 1 / (Velocidad Rotación / 60)) * 0.5 * La siguiente tabla muestra como varía este tiempo en función de la velocidad de rotación del disco. Al igual que el 18

19 seek time, este tiempo solo es importante cuando se tratan de accesos aleatorios. (i.e no es de mayor importancia en el acceso secuencial de datos). g. Tiempo de Acceso: Este tiempo mide el tiempo total requerido para ubicar una posición del disco al hacer un acceso aleatorio. La fórmula de cálculo puede expresarse como Tiempo de Acceso = Command Overhead Time + Seek Time + Settle Time + Latency. No obstante, en la industria no hay acuerdo sobre su cálculo. Algunos fabricantes incluyen el settle time dentro del seek time. Otros asimilan este tiempo al seek time. h. Tasa media de transferencia: es la velocidad a la que el drive puede leer o escribir bits de la superficie del plato. Normalmente de mide en mega bits por segundo. Los discos modernos tiene tasas de algunos cientos de Mbps. Esta velocidad mide solo lo relacionado con la lectura y escritura física y no tiene en cuenta otros aspectos como posicionamiento, movimiento de cabezas, etc. Dado que muy pocos archivos se ubican sobre un solo track (salvo en archivos de menos de 0.25Mb aprox.) y que en general lo que más afecta las operaciones es el posicionamiento, esta medida no tiene mucha importancia en la práctica. Es más una especificación teórica que muestra la tecnología usada en el drive. Su uso empieza a ser importante en el cálculo de la tasa de transferencia sostenida. Teniendo en cuenta que la densidad no es uniforme en toda la superficie del disco (ver explicación de ZBR) la tasa de transferencia interna es mayor en los sitios con mayor densidad (zonas externas) que en las de menor densidad (zonas internas). Por esta razón el valor de esta tasa se expresa como un rango que indica la menor y mayor tasa de transferencia que se alcanza. Otra razón que hace que sea una medida poco utilizada es que incluye todos los bits leídos (incluidos los de control) y no solo los datos de usuario. i. Head Switch Time: Un cilindro contiene varios tracks, cada uno accedido por su propia cabeza de lectura/escritura. Para mejorar la eficiencia, el disco normalmente usa todos los tracks de un cilindro antes de pasar al siguiente, ahorrando el tiempo que requiere mover las cabezas al siguiente cilindro. Pasar la lectura de una cabeza a otra, no requiere movimientos mecánicos. Es sólo un proceso electrónico que en cualquier caso involucra un tiempo. Este es el head switch time. Normalmente es del orden de 1 a 2 milisegundos y es tan alto (para ser solo un componente electrónico) porque incluye el overhead que involucra el switch: va desde que se detiene la lectura en una cabeza hasta que efectivamente inicia la lectura en la siguiente cabeza. Es un componente importante en la tasa de transferencia sostenida. El head switch time esta principalmente determinado por el controlador del disco y no varía significativamente de modelo a modelo o entre fabricantes. j. Cylinder Switch Time: De manera similar al anterior, el cylinder switch time es el tiempo que transcurre desde que el disco termina una lectura o escritura en un cilindro y necesita pasar al siguiente. Esto normalmente ocurre en lecturas o escrituras de grandes volúmenes de datos, ya que el disco primero lee o escribe todos los tracks de un cilindro antes de pasar al siguiente. La velocidad del cambio de cilindro es mayor que la del cambio de cabezas, ya que involucra un movimiento mecánico. En general toma de 2 a 3 milisegundos. Es de anotar que no es igual al track-to-treack seek time, ya que este último no incluye el overhead desde que se detiene la lectura en un cilindro hasta que inicia en el siguiente. Por esta razón el Cylinder Switch Time es cerca del doble del track-to-track seek time. 19

20 k. Tasa sostenida de transferencia: Es la tasa a la que disco puede transferir datos secuencialmente desde múltiples tracks y cilindros, como es el caso al procesar archivos grandes. Esta es una de las medidas más relevantes para mostrar el desempeño de un drive cuando se trata de archivos grandes. Se basa en la tasa de transferencia interna pero incluye los overheads causados por los switch de cabeza y de cilindro e incluye solo datos de usuario no datos de control de los diferentes sectores. Por ejemplo, almacenar un archivo de 4MB en un disco que tiene 300 sectores por track (i.e más o menos 0.15MB por track), tres platos (i.e seis superficies) tomará aproximadamente 26 tracks del disco sobre 5 cilindros. Leer este archivo secuencialmente requerirá 25 cambios de cabeza y 4 cambios de cilindro. Su cálculo se puede explicar de la siguiente manera. En primer término, se deben leer todos los datos de un cilindro: Datos por cilindro (en bytes)= Número de superficies (ó numero de tracks por cilindro) * sectores por track * 512 Ahora calculamos el tiempo requerido para leer un cilindro. Primero se requiere que el plato de una vuelta completa para leer todo el track. Luego incluimos los cambios de cabeza (que es el número de superficies 1) y finalmente un cambio de cilindro (requerido para pasar al siguiente cilindro): Tiempo de transferencia por cilindro: Numero de superficies * Tiempo de una vuelta + (Numero de Superficies 1)*Head Switch Time + Cylinder Switch Time La manera más sencilla de calcular el tiempo de una vuelta es doblando la latencia del disco. De esta manera calculamos la tasa de transferencia sostenida (STR) como: STR = (Número de superficies * sectores por track * 512) / (2 * Numero de superficies * Latencia + (numero de superficies 1)* Head Switch Time + Cylinder Switch Time) Por ejemplo, en un disco de 452 sectores en la zona más externa a 7200 RPM (i.e latencia de 4.17ms) con un head switch time de 1.5ms y cylinder switch time de 2.0msm con 5 platos (i.e 10 superficies), tendríamos: STR = (10 * 452 * 512) / ( 2 * 10 * (10-1) * ) = 23,399,798 bytes por segundo Es importante tener en cuenta que las lecturas del disco no siempre se darán a esta tasa, debido a que, en primer lugar, el STR depende directamente de la tasa de transferencia media, valor que depende de la parte del disco que se esté leyendo. Adicionalmente hay una gran diferencia entre acceder a un archivo que esté almacenado de manera secuencial y otro que esté segmentado en diferentes partes. Cada fracción en la que se divide el archivo introduce la necesidad de hacer un posicionamiento de las cabezas para buscar el siguiente fragmento, con los tiempos 20

21 que esto requiere. Por ultimo, la tasa de transferencia se ve afectada por overhead introducido por el sistema operativo. Ejercicios: 1. Suponga un disco SCSI II que rota a 7200 RPM, con sectores de 512bytes y que almacena 160 sectores por track. a) Estime la tasa de transferencia de este disco b) Suponga que tiene 7000 cilindros, 20 tracks por cilindro, head switch time 0.5 milliseg, seek entre cilindros adyacentes de 2miliseg. Cuál es la tasa sostenida de transferencia? c) Suponga que el seek time promedio es de 8mseg. Estime la tasa de transferencia para una lectura aleatoria que lee sectores individuales a lo largo del disco 2. Suponga un disco con 512 bytes por sector, espacio entre sectores de 128 bytes, 20 sectores por track, 400 tracks por superficie y 15 discos de doble lado a) Cuál es la capacidad por track y cual es la capacidad útil? b) Cuantos cilindros hay en el disco? 400 pq hay 400 tracks por superficie c) Cuál es la capacidad de un cilindro y cuál es la capacidad útil? d) Si el disco rota a 2400 RPM Cuál es la tasa de transferencia? e) Si el seek time promedio es de 30mseg cuanto tarda la transferencia de un bloque? 3. Suponga un disco que rota a RPM, con una densidad lineal de bits/cm, con un seek promedio de 4ms y un tamaño de sector de 512 bytes (600 incluyendo datos de control) a) Cuánto tarda leer un sector suponiendo que las cabezas ya están posicionadas para iniciar la lectura y que el diámetro del track es de 3cm? b) Cuál es la tasa de transferencia máxima? c) Cuál es la tasa de transferencia para acceso aleatorio? d) Suponga que hay un archivo de 3MB almacenado en ese disco, espaciado sobre diferentes tracks. Cuánto tiempo toma leerlo? 4. Un disco gira a una velocidad de 6000 RPM. Cada pista del disco almacena 320KB. Cual es tasa de transferencia máxima del disco expresado en MBytes/s? 21

22 Discos Ópticos (CD / DVD): Un CD de 74 minutos permite almacenar hasta bytes 1. Para almacenar esta capacidad de información en la pequeña área que provee la superficie de un CD (radio de 4.8 ), se requiere que el espacio de almacenamiento que ocupe cada byte sea muy pequeño. En esta sección se estudia como funciona una unidad de CD y como logra almacenar tal cantidad de información. Construcción: Material y estructura Una unidad de CD es una lámina de plástico de cerca de 1/400 de pulgada de espesor. Los CDs comerciales son una pieza de poli carbonato plástico moldeado por inyección. Durante la fabricación, en el plástico se imprimen una serie de resaltos microscópicos ordenados en un largo y continuo espiral que conforman el único track del disco. Una vez que se han grabado estos resaltos, se aplica una fina capa de aluminio reflectivo sobre la superficie del CD, cubriendo los resaltos. Luego se aplica una capa de acrílico sobre el aluminio para protegerlo. La siguiente gráfica muestra un corte transversal de un CD: Cross-section of a CD El track en espiral que forman los resaltos, se forma a partir del centro del CD y va creciendo hacia la parte externa del CD como se ilustra en la siguiente figura: Esto explica el porque existen CD de menos de 4.8 (como las tarjetas de presentación que ahora se presentan en mini CDs). Lo que la anterior figura no alcanza a mostrar es lo pequeño que es el espiral, ya que este mide 0.5 micrones de ancho con una separación de 1 44,100 samples/channel/second x 2 bytes/sample x 2 channels x 74 minutes x 60 seconds/minute = 783,216,000 bytes 22

23 1.6 micrones entre una pasada y la siguiente (1 micrón es la millonésima parte de un metro). Los resaltos son aún más pequeños. Los resaltos que se insertan sobre el track en espiral son d forma alargada con un ancho de 0.5 micrones, mínimo 0.83 micrones de largo y 125 nanómetros de alto. La siguiente figura muestra un ejemplo de cómo luciría una pasada del track junto a la siguiente pasada. Estas pequeñas dimensiones de los resaltos hacen que el track en espiral sea muy largo. Si se pudiera estirar el track de un CD, se obtendría una línea recta de 0.5 micrones de ancho y casi 5km de largo. Para leer algo tan extremadamente pequeño se requiere de un mecanismo de alta precisión. Velocidad de la exploración: m/s, equivale aproximadamente a 500 RPM en el interior del disco, y aproximadamente a 200 RPM en el borde exterior, en modo de lectura CLV (Constan lineal velocity, velocidad lineal constante). Distancia entre centros de pistas: 1.6 μm. Ancho de la pista: 0.5 μm. Diámetro del disco: 120 milímetros o 80 milímetros. Grosor del disco: 1.2 milímetros. Radio del área interna del programa: 25 milímetros. Radio del área externa del programa: 58 milímetros. Diámetro de centro del agujero: 15 milímetros Número de Tracks (aproximado) = (58 25) / (1.6)*1000 = pistas Área de grabación: * = 86.05cm2 Operación La unidad de CD tiene por función la de encontrar y leer los datos almacenados en los resaltos del CD. La Unidad consta de tres elementos principales: Motor de la Unidad: Este motor está controlado para que gire a entre 200 y 500 rpm dependiendo de la distancia del track al centro del CD en una zona de lectura específica. Láser y sistema de lentes que enfocan y permiten leer los resaltos 23

24 Mecanismo de desplazamiento, que permite mover los lentes y el láser de manera que el rayo láser pueda seguir el track en espiral. Este sistema debe permitir mover el rayo láser con precisión de micrómetros. El trabajo fundamental de la unidad de CD es el de enfocar el rayo láser sobre el track de resaltos. El rayo, a medida que se desplaza sobre la capa de poli carbonato, se refleja en la capa de aluminio y llega a un dispositivo foto electrónico que detecta cambios en la luz. La parte alta del resalto refleja la luz con un ángulo diferente que la parte baja y el dispositivo fotolectrónico detecta estos cambios de reflectividad. La electrónica de la unidad interpreta estos cambios a fin de poder leer los bits que representan los resaltos. La parte más compleja es la de mantener el rayo láser centrado en el track de datos. Este es el trabajo del sistema de tracking. Este sistema mueve continuamente el láser hacia el exterior de la superficie del CD. A medida que el láser se aleja del centro, los resaltos pasan cada vez más rápido (la velocidad lineal de los resaltos es igual al radio por l a velocidad de giro del CD). Para compensar este efecto, a medida que el láser se mueve hacia el exterior, el motor de giro debe disminuir la velocidad de rotación de manera que los resaltos pasen por el láser a una tasa constante. Codificación A fin de entender como se almacenan los datos en el CD, hay que primero entender las diferentes condiciones que afectan el diseño del esquema de codificación de información. Una lista más o menos completa es la siguiente: Teniendo en cuenta que el láser hace el seguimiento al espiral usando los resaltos, no puede haber zonas extensas en las que no haya resaltos en el track de datos. Para resolver esto, los datos se codifican usando una técnica llamada modulación 8 14 (EFM). Con esta técnica, los bytes de 8 bits se convierten a 14 bits y la técnica garantiza que algunos de ellos serán un 1 (que resulta en un resalto en la superficie). Dado que se requiere que el láser se mueva entre las canciones o archivos almacenados en el CD, se requiere que haya datos codificados dentro de la música indicando al láser dónde va sobre el disco. Esto se resuelve usando datos subcodificados que pueden guardar la posición absoluta y relativa del láser en el track. Igualmente pueden codificar otra información como el título de las canciones. Dado que el láser puede saltarse un resalto, el CD almacena códigos de corrección de error (ECC) para encontrar y corregir estos problemas. Para ello se almacena información adicional en el CD. El almacenamiento de la información se realiza mediante frames. En un CD de audio, un frame puede almacenar 6 muestras de sonido estéreo (2 canales cada uno de 16 bits), es decir 24 bytes (2x2x6 bytes). A los datos anteriores se agrega 8 bytes de corrección de error 2 y un byte para el subcode para un total de 33 bytes. Con el estándar EFM cada byte se graba en 17 bits (14 del EFM propiamente dicho y 3 de separación), para un total de 33*(14+3) = 561 bits. Al final se agrega un paquete de 27 bits de sincronización para un 2 Que garantiza que hay máximo 1 bit por cada 10 8 bits ( de bits). 24

25 total de 588 bits/frame. Por último, la transmisión de datos se hace por bloques (sector), cada uno de los cuales contiene 98 frames, es decir, (24*98=) bytes de datos en total. Un segundo de sonido requiere 44100*2*2 = bytes (2 canales c/u de 16 bits). Por cada trama se escriben 2352 bytes, luego se necesitan / 2352 = 75 bloques por segundo. De los cálculos anteriores se infiere que para almacenar los 783,216,000 bytes que requieren 74 minutos de sonido, se requiere almacenar en realidad (588bits/frame * 98 frames / sector * 75 sectores/seg * 60 seg / min * 74 min / 8bits/byte) = bytes (i.e 67.34% es overhead). El error de 1 bit por cada 10 8 bits si bien no es grave en audio, en datos si lo es, por eso su grabación es más estricta. Por ello, de los 2352 bytes útiles del frame de audio, se reservan 288 para hacer corrección de errores sobre todo el sector, bajando el error a 1 por cada bits. Se reservan 16 bytes adicionales para sincronización y control. Luego en un CD de datos, un sector contiene ( =) 2048 bytes de datos usables, para un total de (2048 bytes/sector * 75 sectores/seg * 60 seg/min * 74 min=) bytes usables (71% de overhead!!) El acceso al disco es random, en donde cada sector tiene una dirección del estilo mm:ss:bb donde mm:ss:bb es el tiempo en minutos y segundos donde esta contenido el bloque. Como en cada segundo hay 75 bloques, bb indica el número del bloque dentro del segundo (esto son parte se los 16 bytes que se reservan para control en el frame. Un byte para mm otro para sss y otro para bb). Como el disco procesa 75 bloques por segundo el throughput es de 75 * 2048 bytes/frame = 150KBps. Como un CD de audio se reproduce a una velocidad tal que se leen 150 KB por segundo. Esta velocidad base se usa como referencia para identificar otros lectores como los del computador, de modo que si un lector indica 24X, significa que lee 24 x 150KB = 3600 KB por segundo. El área del programa es de centímetros cuadrados, de modo que la longitud del espiral grabable será de 86.05/1.6 = 5.3 kilómetros. Con una velocidad de exploración de 1.2 m/s, el tiempo de duración es 74 minutos, o alrededor de 650MB de datos. Si el diámetro del disco en vez de 120 milímetros fuera 115 milímetros, el máximo tiempo de duración habría sido 68 minutos, es decir, seis minutos menos. 25

26 CR-R Funciona igual que el CDROM, solo que cada track está trazado con un pigmento que el haz láser decolora quitando su reflectividad. CD-RW El funcionamiento es similar al del CD. La principal diferencia es que mientras que en el CD la información está permanentemente estampada en el substrato de poli carbonato, en el CD-WR contiene una aleación de plata, indio, antimonio y telurio. Un láser infrarrojo calienta y funde la aleación a 400 grados centígrados, haciéndole perder su estado cristalino (quedando amorfo) o llevado a una temperatura menor devolviéndole el estado cristalino. La reflexión de la luz es diferente en uno u otro estado. Estas propiedades permiten que el disco se reescriba unas 1000 veces. DVD La filosofía nuevamente es similar a la del CD pero trabaja con pistas más angostas, de aproximadamente 0.7 μm., lo que permite aumentar su capacidad hasta 4.38GiB o 7.92GiB en los disco double layer, en los que se agrega una capa adicional de grabación. Para lograr esto: - La densidad de tracks por pulgada se duplica - La longitud de cada resalto es la mitad que en la del CD - La longitud de onda del haz de luz es mucho más pequeña. - El overhead de almacenamiento es mucho menor En los DVD de doble layer, hay una capa debajo de la otra y el haz de luz se proyecta con una potencia más fuerte para llegar a la más profunda que para llegar a la externa. La externa es semi reflectiva en oro y a interna es reflectiva en plata. TABLA COMPARATIVA ENTRE CD-ROM Y EL DVD-ROM CD-ROM DVD-ROM Diámetro del disco 120 mm 120 mm grosor del disco 1.2 mm 1.2 mm Ancho de la pista 1.6 micrones 0.74 micrones Tamaño mínimo de los hoyos (pits) micrones 0.4 micrones 26

27 Longitud de onda del láser nanómetros (infrarrojo) nanómetros (diodo láser rojo) Cantidad de capas (layers) Una Una o dos Cantidad de caras (sides) Una Una o dos Capacidad de datos por capa 682 MB 4.7 GB Capacidad de datos por cara 682 MB 4.7 a 8.5 GB Capacidad total de datos 682 MB 17 GB Velocidad de referencia (1 ) 1.2 metros por segundo metros por segundo Tasa de datos de referencia (1 ) KBps MBps Capacidad Formatos: DVD-5 (Una cara - una capa): 4.38 gig (4.7 GB) de datos, unas 2 horas de vídeo. DVD-9 (Una cara - dos capas): 7.95 gig (8.5 GB), 4 horas. DVD-10 (Dos caras - una capa cada una): 8.75 gig (9.4 GB), 4.5 horas. DVD-14 (Dos caras, una capa en una, doble capa en otra): gig (13.24 GB), alrededor de 6.5 horas. DVD-18 (dos caras / dos capas): gig (17 GB), sobre 8 horas. Longitud del espiral: DVD 5: R externo = 59 mm R interno= 23.6 mm Ancho track = 73 um Longitud = Pi * (R externo 2 R interno 2 ) / ancho track = Pi * ( ) / = mm DVD-9 / 10 2 x Longitud DVD- 5: mm DVD-14 Longitud DVD-5 + longitud DVD- Longitud DVD-9 = mm 27

28 DVD-18 2 x Longitud DVD- 9/10: mm Velocidad La velocidad de transferencia de datos de una unidad DVD está dada en múltiplos de kb/s, lo que significa que una unidad lectora de 16x permite una transferencia de datos de 16 x = kb/s (21,09 MB/s). Como las velocidades de las unidades de CD se dan en múltiplos de 150 kb/s, cada múltiplo de velocidad en DVD equivale a nueve múltiplos de velocidad en CD. En términos de rotación física (revoluciones por minuto), un múltiplo de velocidad en DVD equivale a tres múltiplos de velocidad en CD, así que la cantidad de datos leída durante una rotación es tres veces mayor para el DVD que para el CD, y la unidad de DVD 8x tiene la misma velocidad rotacional que la unidad de CD 24x. DVD-Audio Muestreo: muestras/seg 20 o 24 bits/muestra 5.1 canales En capacidad máxima graba 74 minutos DVD-Video A pesar de tener una gran capacidad de almacenamiento, un video sin compresión no cabría en un solo DVD. Por esta razón, los DVD de video se graban usando un formato conocido como MPEG que, elimina de las imágenes toda la información redundante o irrelevante. Así por ejemplo en dos frames consecutivos se almacena sólo la información que cambia de un frame al siguiente. La resolución típica para un video NTSC es de pixels y para PAL es de pixeles. Se requiere una tasa de transferencia de hasta 9.8 Mbit/s (9800 kbit/s) 3 para video MPEG-2 y hasta de Mbit/s (1856 kbit/s) para video MPEG-1 para poder entregar sonido entre 25 y 29 fps (dependiendo de si es MPEG-1 o MPEG-2 y si es NTSC o PAL), audio en alguno de los siguientes formatos: PCM: 48 khz o 96 khz, 16 bit o 24 bit, 2 a 6 channels, hasta 6144 kbit/s AC-3: 48 khz, 1 a 5.1 (6) canales, hasta 448 kbit/s DTS: 48 khz o 96 khz, 2 to 6.1 canales, Half Rate (768 kbit/s) o Full Rate (1536 kbit/s) 32 subtítulos en diferentes idiomas, 3 Esta tasa por razones prácticas es poco usada. Normalmente se usan tasas de 7'8 a 8'5 Mbps 28

29 Tecnologías e Alto Nivel RAID En informática, el acrónimo RAID (originalmente del inglés Redundant Array of Inexpensive Disks, conjunto redundante de discos baratos, en la actualidad también de Redundant Array of Independent Disks, conjunto redundante de discos independientes ) hace referencia a un sistema de almacenamiento informático que usa múltiples discos duros entre los que distribuye o replica los datos. Dependiendo de su configuración (a la que suele llamarse «nivel»), los beneficios de un RAID respecto a un único disco son uno o varios de los siguientes: mayor integridad, mejor tolerancia a fallos, más throughput (rendimiento) y más capacidad. En sus implementaciones originales, su ventaja clave era la habilidad de combinar varios dispositivos de bajo coste y tecnología más antigua en un conjunto que ofrecía mayor capacidad, fiabilidad, velocidad o una combinación de éstas que un solo dispositivo de última generación y coste más alto. RAID 0 Diagrama de una configuración RAID 0Un RAID 0 (también llamado conjunto dividido o volumen dividido) distribuye los datos equitativamente entre dos o más discos sin información de paridad para proporcionar redundancia, es decir, no ofrece tolerancia al fallo (si ocurriese alguno, la información de los discos se perdería y debería restaurarse desde una copia de seguridad). Es importante señalar que el RAID 0 no era uno de los niveles RAID originales y que no es redundante. El RAID 0 se usa normalmente para incrementar el rendimiento, aunque también puede utilizarse como forma de crear un pequeño número de grandes discos virtuales a partir de un gran número de pequeños discos físicos. 29

30 El RAID 1 es un sistema apropiado en entornos donde hay requerimientos de desempeño (juegos, edición de video, etc.). RAID 1 Un RAID 1 crea una copia exacta (o espejo) de un conjunto de datos en dos o más discos (array). Esto resulta útil cuando el rendimiento en lectura es más importante que la capacidad y también desde el punto de vista de la seguridad, pues un RAID 0 por ejemplo no es tolerante al fallo de uno de los discos, mientras que un RAID 1 sí, al disponer de la misma información en cada. Un RAID 1 clásico consiste en dos discos en espejo, lo que incrementa exponencialmente la fiabilidad respecto a un solo disco; es decir, la probabilidad de fallo del conjunto es igual al producto de las probabilidades de fallo de cada uno de los discos (pues para que el conjunto falle es necesario que lo hagan todos sus discos). Adicionalmente, dado que todos los datos están en dos o más discos, con hardware habitualmente independiente, el rendimiento de lectura se incrementa aproximadamente como múltiplo linear del número del copias; es decir, un RAID 1 puede estar leyendo simultáneamente dos datos diferentes en dos discos diferentes, por lo que su rendimiento se duplica. Como en el RAID 0, el tiempo medio de lectura se reduce, ya que los sectores a buscar pueden dividirse entre los discos, bajando el tiempo de búsqueda y subiendo la tasa de transferencia, con el único límite de la velocidad soportada por la controladora RAID. Al escribir, el conjunto se comporta como un único disco, dado que los datos deben ser escritos en todos los discos del RAID 1. Por tanto, el rendimiento no mejora. 30

31 El RAID 1 es un sistema apropiado en entornos donde la disponibilidad es crítica 24 horas al día. RAID 2 Un RAID 2 divide los datos a nivel de bits en lugar de a nivel de bloques y usa un código de Hamming para la corrección de errores. Los discos son sincronizados por la controladora para funcionar al unísono. Éste es el único nivel RAID original que actualmente no se usa. Permite tasas de trasferencias extremadamente altas. Teóricamente, un RAID 2 necesitaría 39 discos en un sistema informático moderno: 32 se usarían para almacenar los bits individuales que forman cada palabra y 7 se usarían para la corrección de errores.. RAID 3 Un RAID 3 usa división a nivel de bytes con un disco de paridad dedicado. El RAID 3 se usa rara vez en la práctica. Uno de sus efectos secundarios es que normalmente no puede atender varias peticiones simultáneas, debido a que por definición cualquier simple bloque de datos se dividirá por todos los miembros del conjunto, residiendo la misma dirección dentro de cada uno de ellos. Así, cualquier operación de lectura o escritura exige activar todos los discos del conjunto. 31

32 En el ejemplo del gráfico, una petición del bloque «A» formado por los bytes A1 a A9 requeriría que los tres discos de datos buscaran el comienzo (A1) y devolvieran su contenido. Una petición simultánea del bloque «B» tendría que esperar a que la anterior concluyese. RAID 4 Un RAID 4 usa división a nivel de bloques con un disco de paridad dedicado. El RAID 4 es parecido al RAID 3 excepto porque divide a nivel de bloques en lugar de a nivel de bytes. Esto permite que cada miembro del conjunto funcione independientemente cuando se solicita un único bloque. Si la controladora de disco lo permite, un conjunto RAID 4 puede servir varias peticiones de lectura simultáneamente. En principio también sería posible servir varias peticiones de escritura simultáneamente, pero al estar toda la información de paridad en un solo disco, éste se convertiría en el cuello de botella del conjunto. En el gráfico de ejemplo anterior, una petición del bloque «A1» sería servida por el disco 1. Una petición simultánea del bloque «B1» tendría que esperar, pero una petición de «B2» podría atenderse concurrentemente. RAID 5 Un RAID 5 usa división de datos a nivel de bloques distribuyendo la información de paridad entre todos los discos miembros del conjunto. El RAID 5 ha logrado popularidad gracias a su bajo coste de redundancia. Generalmente, el RAID 5 se implementa con soporte hardware para el cálculo de la paridad. 32

33 En el gráfico de ejemplo anterior, una petición de lectura del bloque «A1» sería servida por el disco 1. Una petición de lectura simultánea del bloque «B1» tendría que esperar, pero una petición de lectura de «B2» podría atenderse concurrentemente. Cada vez que un bloque de datos se escribe en un RAID 5, se genera un bloque de paridad dentro de la misma división (stripe). Un bloque se compone a menudo de muchos sectores consecutivos de disco. Una serie de bloques (un bloque de cada uno de los discos del conjunto) recibe el nombre colectivo de división (stripe). Los bloques de paridad no se leen en las operaciones de lectura de datos, ya que esto sería una sobrecarga innecesaria y disminuiría el rendimiento. Sin embargo, los bloques de paridad se leen cuando la lectura de un sector de datos provoca un error de control de redundancia cíclica (CRC). Las implementaciones RAID 5 presentan un rendimiento malo cuando se someten a cargas de trabajo que incluyen muchas escrituras más pequeñas que el tamaño de una división (stripe). Esto se debe a que la paridad debe ser actualizada para cada escritura, lo que exige realizar secuencias de lectura, modificación y escritura tanto para el bloque de datos como para el de paridad. RAID 0+1 Un RAID 0+1 (también llamado RAID 01, que no debe confundirse con RAID 1) es un RAID usado para replicar y compartir datos entre varios discos. La diferencia entre un RAID 0+1 y un RAID 1+0 es la localización de cada nivel RAID dentro del conjunto final: un RAID 0+1 es un espejo de divisiones. 33

34 Como puede verse en el diagrama, primero se crean dos conjuntos RAID 0 (dividiendo los datos en discos) y luego, sobre los anteriores, se crea un conjunto RAID 1 (realizando un espejo de los anteriores). La ventaja de un RAID 0+1 es que cuando un disco duro falla, los datos perdidos pueden ser copiados del otro conjunto de nivel 0 para reconstruir el conjunto global. Sin embargo, añadir un disco duro adicional en una división, es obligatorio añadir otro al de la otra división para balancear el tamaño del conjunto. Además, el RAID 0+1 no es tan robusto como un RAID 10, no pudiendo tolerar dos fallos simultáneos de discos salvo que sean en la misma división. Es decir, cuando un disco falla, la otra división se convierte en un punto de fallo único. Además, cuando se sustituye el disco que falló, se necesita que todos los discos del conjunto participen en la reconstrucción de los datos. Con la cada vez mayor capacidad de las unidades de discos (liderada por las unidades serial ATA), el riesgo de fallo de los discos es cada vez mayor. Además, las tecnologías de corrección de errores de bit no han sido capaces de mantener el ritmo de rápido incremento de las capacidades de los discos, provocando un mayor riesgo de hallar errores físicos irrecuperables. Dados estos cada vez mayores riesgos del RAID 0+1 (y su vulnerabilidad ante los fallos dobles simultáneos), muchos entornos empresariales críticos están empezando a evaluar configuraciones RAID más tolerantes a fallos que añaden un mecanismo de paridad subyacente. Entre los más prometedores están los enfoques híbridos como el RAID (espejo sobre paridad única) o RAID (espejo sobre paridad dual). RAID 1+0 Un RAID 10, a veces llamado RAID 1+0, es parecido a un RAID 0+1 con la excepción de que los niveles RAID que lo forman se invierte: el RAID 10 es una división de espejos. En cada RAID 1 pueden fallar todos los discos salvo uno sin que se pierdan datos. Sin embargo, si los discos que han fallado no se reemplazan, el restante pasa a ser un punto 34