Unidad 5 Sistema de archivos. 2 may Introducción acceso concurrente archivos: persistentes 5.1 Concepto. 5.2 Noción de archivo real y virtual.

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1 1 Unidad 5 Sistema de archivos. 2 may Introducción Todas las aplicaciones computarizadas necesitan almacenar y recuperar la información: Superando las limitaciones del almacenamiento real. Trascendiendo a la duración de los procesos que los utilizan o generan. Independizando a la información de los procesos permitiendo el acceso a la misma a través de varios procesos. Las condiciones esenciales para el almacenamiento de la información a largo plazo son: Debe ser posible almacenar una cantidad muy grande de información. La información debe sobrevivir a la conclusión del proceso que la utiliza. Debe ser posible que varios procesos tengan acceso concurrente a la información. La solución es el almacenamiento de la información en discos y otros medios externos en unidades llamadas archivos: Los archivos deben ser persistentes, es decir que no deben verse afectados por la creación o terminación de un proceso. Los archivos son una colección de datos con nombre. Pueden ser manipulados como una unidad por operaciones como: open, close, create, destroy, copy, rename, list. Los elementos de datos individuales dentro del archivo pueden ser manipulados por operaciones como: read, write, update, insert, delete. El Sistema de Archivos es la parte del sistema de administración del almacenamiento responsable, principalmente, de la administración de los archivos del almacenamiento secundario. Es la parte del S. O. que permite compartir controladamente la información de los archivos. 5.1 Concepto. Un Archivo es un conjunto de registros relacionados. El Sistema de Archivos es un componente importante de un S. O. y suele contener : Métodos de acceso relacionados con la manera de acceder a los datos almacenados en archivos. Administración de archivos referida a la provisión de mecanismos para que los archivos sean almacenados, referenciados, compartidos y asegurados. Administración del almacenamiento auxiliar para la asignación de espacio a los archivos en los dispositivos de almacenamiento secundario. Integridad del archivo para garantizar la integridad de la información del archivo. El sistema de archivos está relacionado especialmente con la administración del espacio de almacenamiento secundario, fundamentalmente con el almacenamiento de disco. Una forma de organización de un sistema de archivos puede ser la siguiente: Se utiliza una raíz para indicar en qué parte del disco comienza el directorio raíz. El directorio raíz apunta a los directorios de usuarios. Un directorio de usuario contiene una entrada para cada uno de los archivos del usuario. Cada entrada de archivo apunta al lugar del disco donde está almacenado el archivo referenciado. Los nombres de archivos solo necesitan ser únicos dentro de un directorio de usuario dado. El nombre del sistema para un archivo dado debe ser único para el sistema de archivos. En sistemas de archivo jerárquicos el nombre del sistema para un archivo suele estar formado como el nombre de la trayectoria del directorio raíz al archivo. 5.2 Noción de archivo real y virtual. La mayoría de usuarios de computadoras comprenderán con mucha facilidad el término archivo relacionándolo directamente con ejemplos tales como los archivos de texto que se pueden generar con cualquier procesador de texto. Una característica de este tipo de archivos es que a mayor texto que almacena el archivo, mayor es el espacio en disco que consume dicho archivo. Por ejemplo, una línea corta de texto

2 2 ocupa menos espacio en disco que esa misma línea copiada cien veces. Sin embargo al hablar de archivos virtuales las cosas son diferentes, pues este tipo de archivos no consumen espacio en el disco duro, sino que se almacenan en la memoria volátil, es decir aquel tipo de memoria cuya información se pierde al interrumpirse el flujo de corriente eléctrica, esto es, la memoria RAM. 5.3 Componentes de un sistema de archivos. Los componentes del sistema de archivos y de programación permiten interactuar con los recursos del sistema de archivos y de directorio y provocar eventos en intervalos programados. Las instancias del componente File System Watcher permiten inspeccionar cambios en los directorios y archivos y reaccionar cuando se producen. El componente Timer permite configurar programaciones simples de producción de eventos y ejecutar el procesamiento asociado. 5.4 Organización lógica y física. Un sistema de archivos garantiza la organización lógica de los datos en los discos duros y proporciona al sistema operativo las rutinas necesarias para que puedan ser accedidos, modificados y eliminados. Cualquier sistema operativo suele tener soporte para varios sistemas de archivos, aunque sólo sea en modo lectura. Los sistemas de archivos de la familia Microsoft que podemos encontrarnos son: FAT (FAT16 y FAT32) y NTFS (NTFS4, NTFS5). NTFS (New Technology File System) fue diseñado para NT e incorporaba un sistema de seguridad integrado que nos permitía asignar permisos a archivos y directorios a nivel de usuarios y grupos. Definiciones relacionadas con un sistema de archivo: Unidad física: El propio disco duro, sin más. Unidad lógica: Fragmento que se comporta como una partición y que está dentro de una partición extendida. Partición: Puede ser el total del tamaño del disco o una parte. Partición primaria: Partición que el sistema marca como bootable o arrancable. Partición extendida: partición que no es de inicio y que a su vez puede contener unidades lógicas. Sólo puede haber una por disco. RAID (matriz redundante de discos independientes): Utilizar varias unidades físicas en una matriz para ofrecer mayor tamaño, tolerancia a fallos y mayor rendimiento. Hay varios niveles, RAID-0, RAID-1, RAID-5, etc. La numeración no indica mejor rendimiento o tolerancia a fallos, tan solo diferencias de métodos. En esta parte vamos a usar el término organización de archivos para referirnos a la estructura lógica de los registros determinada por la manera en que se accede a ellos. La organización física del archivo en almacenamiento secundario depende de la estrategia de agrupación y de la estrategia de asignación de archivos. Para seleccionar una organización de archivos hay diversos criterios que son importantes: Acceso Rápido para recuperar la información Fácil actualización Economía de almacenamiento Mantenimiento simple Fiabilidad para asegurar la confianza de los datos La prioridad relativa de estos criterios va a depender de las aplicaciones que va a usar el archivo. La mayor parte de las estructuras empleadas en los sistemas reales se encuadran en una de estas categorías o puede implementarse como una combinación de estas.

3 3 3 may Directorios Generalmente son utilizados por los S. O. para llevar un registro de los archivos. En muchos sistemas son a su vez también archivos. Sistemas Jerárquicos de Directorios El directorio contiene un conjunto de datos por cada archivo referenciado: Nombre, atributos, direcciones en disco donde se almacenan los datos. Otra posibilidad es que cada entrada del directorio contenga: El nombre del archivo, Un apuntador a otra estructura de datos donde se encuentran los atributos y las direcciones en disco. Al abrir un archivo el S. O.: Busca en su directorio el nombre del archivo. Extrae los atributos y direcciones en disco. Graba esta información en una tabla de memoria real. Todas las referencias subsecuentes al archivo utilizarán la información de la memoria principal. El número y organización de directorios varía de sistema en sistema: Directorio único: el sistema tiene un solo directorio con todos los archivos de todos los usuarios: Un directorio por usuario: el sistema habilita un solo directorio por cada usuario. Un árbol de directorios por usuario: el sistema permite que cada usuario tenga tantos directorios como necesite, respetando una jerarquía general.

4 4 Acceso físico Discos La Unidad de Disco Duro o Disco Rígido ("Hard Disc Drive" o HDD) es llamada simplemente "disco duro" o "disco rígido", aunque en su interior contenga uno o varios discos magnéticos apilados. Un disco duro es un dispositivo de almacenamiento no volátil, que conserva la información aun con la pérdida de energía, que emplea un sistema de grabación magnética digital; es donde en la mayoría de los casos se encuentra almacenado el sistema operativo de la computadora. Dentro de la carcasa hay una serie de platos metálicos apilados girando a gran velocidad. Sobre los platos se sitúan los cabezales encargados de leer o escribir los impulsos magnéticos. Hay distintos estándares para comunicar un disco duro con la computadora; las interfaces más comunes son Integrated Drive Electronics (IDE, también llamado ATA), SCSI generalmente usado en servidores, SATA, este último estandarizado en el año 2004 y FC exclusivo para servidores. SAN (Storage Area Network) red de área de almacenamiento, es una red concebida para conectar servidores, matrices (arrays) de discos y librerías de soporte. Principalmente, está basada en tecnología fibre channel y más recientemente en iscsi. Su función es la de conectar de manera rápida, segura y fiable los distintos elementos que la conforman. Tal y como sale de fábrica, el disco duro no puede ser utilizado por un sistema operativo. Antes se deben definir en él un formato de bajo nivel, una o más particiones y luego hemos de darles un formato que pueda ser entendido por nuestro sistema. También existe otro tipo de discos denominados de estado sólido que utilizan cierto tipo de memorias construidas con semiconductores para almacenar la información. El uso de esta clase de discos generalmente se limitaba a las supercomputadoras, por su elevado precio, aunque hoy en día ya se puede encontrar en el mercado unidades mucho más económicas de baja capacidad (hasta 128 GB) para el uso en computadoras personales (sobre todo portátiles). Las siguientes son las principales ventajas con respecto del uso de la memoria principal como almacenamiento : Mucha mayor capacidad de espacio de almacenamiento. Menor precio por bit. La información no se pierde al apagar la computadora. Un uso inapropiado de los discos puede generar ineficiencia, en especial en sistemas con multiprogramación.

5 5 4 may Hardware de Discos Los discos están organizados en cilindros, pistas y sectores. Pistas = Tracks Una pista es un anillo circular sobre un lado del disco. Cada pista tiene un número. El diagrama muestra 3 pistas. Sectores Se llama sector de un disco a una parte en forma de cuña del mismo. Cada sector está numerado. Un sector de pista es el área de intersección entre una pista Y un sector. (Área amarilla) Clusters Un cluster es un conjunto de sectores de pista, desde 2 a 32 o más, dependiendo del esquema de formateo que se use. El esquema más común para PC determina la cantidad de sectores de pista por cada cluster sobre la base de la capacidad del disco. Un disco rígido de 120 gigabytes tendrá el doble de clusters que un disco rígido de 50 GB. 1 cluster es el mínimo espacio usado para cualquier lectura o escritura. Por esta causa es frecuente que quede mucho espacio perdido (slack space), no usado a continuación del cluster de datos almacenado allí. La única manera de reducir la cantidad de espacio perdido es reduciendo el tamaño de cada cluster cambiando el método de formateo. Usted podría tener más pistas en el disco o además más sectores por pista, o podría reducir el número de pistas y sectores por cluster.

6 6 Cilindros Un cilindro es un juego de pistas similares en todos los platos Sobre un disco rígido, un cilindro está integrado por todas las pistas del mismo y de todos los discos metálicos que componen al disco rígido. Si se coloca uno encima de otro obtiene un cuerpo que semeja la forma de una lata sin tapa ni fondo - un cilindro. El número típico de sectores por pista varía entre 8 y 32 (o más). Todos los sectores tienen igual número de bytes. Los sectores cercanos a la orilla del disco serán mayores físicamente que los cercanos al centro. Apareció la tecnología ZBR (grabación de bits por zonas) que aumenta el número de sectores en las pistas exteriores, y usa más eficientemente el disco duro. ZBR es la sigla de Zone Bit Recording, que es un método de formatear las pistas del disco duro, de tal manera que las pistas exteriores puedan contener más sectores que las interiores. Antiguamente, las pistas se dividían en un número igual de sectores, pero considerando que las pistas de un disco duro son circunferencias concéntricas, éstas tienen mayor longitud mientras más nos alejemos del centro y obviamente se desaprovecha el espacio sobre todo en las pistas exteriores del plato. Así, esta tecnología agrupa las pistas en zonas según su distancia hasta el centro del disco, asignándole a cada zona un número de sectores por pista. Si nos movemos desde el centro hacia fuera, cada zona tendrá más sectores por pista que la anterior. Conseguimos así un uso más eficiente de la superficie del disco duro y además, como ventaja colateral, aumentará la tasa de transferencia mientras más nos alejemos del centro, ya que el cabezal del disco duro leerá más cantidad de datos por giro del plato. El primer sistema de direccionamiento que se usó fue el CHS (cilindro-cabeza-sector), ya que con estos tres valores se puede situar un dato cualquiera del disco. Más adelante se creó otro sistema más sencillo: LBA (direccionamiento lógico de bloques), que consiste en dividir el disco entero en sectores y asignar a cada uno un único número. Este es el que actualmente se usa. LBA es un método de direccionamiento particularmente simple. Los bloques son numerados según un índice, siendo el primer bloque LBA=0, el segundo LBA=1, y así sucesivamente. Este método sucede a otros sistemas anteriores que exponían los detalles físicos de las unidades de almacenamiento al software directamente, con los riesgos que ello conlleva. El pionero de estos sistemas fue CHS (cylinder-head-sector), donde se les asignaba una dirección a cada bloque mediante una tupla que definía el cilindro, el cabezal y el sector en que se encontraba. Este sistema no funcionaba bien en dispositivos que no fueran discos duros, como las cintas de datos, por lo que no era muy usado en esos casos. Tipos de Conexión Si hablamos de disco rígido podemos citar a los distintos tipos de conexión que poseen los mismos con la tarjeta madre, es decir pueden ser SATA, IDE o SCSI: IDE: Integrated Device Electronics ("Dispositivo con electrónica integrada") o ATA (Advanced Technology Attachment), controla los dispositivos de almacenamiento masivo de datos, como los discos duros y ATAPI (Advanced Technology Attachment Packet Interface) Hasta hace poco, el estándar principal por su versatilidad y relación calidad/precio. SCSI: Small Computer System Interface. Son discos duros de gran capacidad de almacenamiento (desde 5 GB hasta 23 GB). Se presentan bajo tres especificaciones: SCSI Estándar (Standard SCSI), SCSI Rápido (Fast SCSI) y SCSI Ancho-Rápido (Fast-Wide SCSI). Su tiempo medio de acceso puede llegar a 7 mseg y su velocidad de transmisión secuencial de información puede alcanzar teóricamente los 5 Mbps en los discos SCSI Estándares, los 10 Mbps en los discos SCSI Rápidos y los 20 Mbps en los discos SCSI Anchos-Rápidos (SCSI-2). Un controlador SCSI puede manejar hasta 7 discos duros SCSI (o 7 periféricos SCSI). A diferencia de los discos IDE, pueden trabajar asíncronicamente con relación al microprocesador, lo que los vuelve más rápidos. SATA (Serial ATA): Nuevo estándar de conexión que utiliza un bus serie para la transmisión de datos. Notablemente más rápido y eficiente que IDE. En la actualidad hay dos versiones, SATA 1 de hasta 1,5 Gigabits por segundo (150 MB/s) y SATA 2 de hasta 3,0 Gb/s (300 MB/s) de velocidad de transferencia.

7 7 Un disco duro suele tener: Platos en donde se graban los datos, Cabezal de lectura/escritura, Motor que hace girar los platos, Electroimán que mueve el cabezal, Circuito electrónico de control, que incluye: interfaz con la computadora, memoria caché, Bolsita desecante (gel de sílice) para evitar la humedad, Caja, que ha de proteger de la suciedad. Tornillos, a menudo tipo Torx. Un controlador puede realizar búsquedas en una o más unidades al mismo tiempo: Son las búsquedas traslapadas. Mientras el controlador y el software esperan el fin de una búsqueda en una unidad, el controlador puede iniciar una búsqueda en otra. Muchos controladores pueden: Leer o escribir en una unidad. Buscar en otra. Los controladores no pueden leer o escribir en dos unidades al mismo tiempo. La capacidad de búsquedas traslapadas puede reducir considerablemente el tiempo promedio de acceso. Estructura lógica Dentro del disco se encuentran: El Master Boot Record (en el sector de arranque), que contiene la tabla de particiones. Las particiones, necesarias para poder colocar los sistemas de archivos.

8 8 9 may 5.5 Mecanismos de acceso a los archivos. Diseño de un sistema de archivos Se consideran aspectos como: La forma de almacenamiento de archivos y directorios. La administración del espacio en disco. La forma de hacerlo de manera eficiente y confiable. Se deben tener presentes problemas como la fragmentación del espacio en disco: Ocasiona problemas de desempeño al hacer que los archivos se desperdiguen a través de bloques muy dispersos. Una técnica para aliviar este problema consiste en realizar periódicamente: o Compactación : reorganizar los archivos expresa o automáticamente. o Recolección de basura o residuos. Implantación de Archivos El aspecto clave de la implantación del almacenamiento de archivos es el registro de los bloques asociados a cada archivo. Algunos de los métodos utilizados son los siguientes: Asignación contigua o adyacente: o o Los archivos son asignados a áreas contiguas de almacenamiento secundario. Las principales ventajas son: Facilidad de implantación, ya que sólo se precisa el número del bloque de inicio para localizar un archivo. Rendimiento excelente respecto de la e / s. o Los principales defectos son: Se debe conocer el tamaño máximo del archivo al crearlo. Produce una gran fragmentación de los discos. Asignación no contigua: Son esquemas de almacenamiento más dinámicos: o o o Asignación encadenada orientada hacia el sector: El disco se considera compuesto de sectores individuales. Los archivos constan de varios sectores que pueden estar dispersos por todo el disco. Los sectores que pertenecen a un archivo común contienen apuntadores de uno a otro formando una lista encadenada. Una lista de espacio libre contiene entradas para todos los sectores libres del disco. Las ampliaciones o reducciones en el tamaño de los archivos se resuelven actualizando la lista de espacio libre y no hay necesidad de compactación. desventajas: Por la dispersión en el disco, la recuperación de registros lógicamente contiguos puede significar largas búsquedas. El mantenimiento de la estructura de listas encadenadas significa una sobrecarga en tiempo de ejecución. Los apuntadores de la lista consumen espacio en disco. Asignación por bloques: Es más eficiente y reduce la sobrecarga en ejecución. Es una mezcla de los métodos de asignación contigua y no contigua. Se asignan bloques de sectores contiguos y no sectores individuales. El sistema trata de asignar nuevos bloques a un archivo eligiendo bloques libres lo más próximos a los bloques del archivo existentes. Las formas más comunes son: Encadenamiento de bloques. Encadenamiento de bloques de índice. Encadenamiento de bloques o lista ligada: Las entradas en el directorio de usuarios apuntan al primer bloque de cada archivo.

9 9 Cada bloque de longitud fija que forman un archivo contiene dos partes: Un bloque de datos y un apuntador al bloque siguiente. Cada bloque contiene varios sectores. Localizar un registro determinado requiere: Buscar en la cadena de bloques hasta encontrar el bloque apropiado. Buscar en el bloque hasta encontrar el registro. El examen de la cadena desde el principio puede ser lento ya que debe realizarse de bloque en bloque, y pueden estar dispersos por todo el disco. La inserción y el retiro son inmediatos, dado que se deben modificar los apuntadores del bloque precedente. Se pueden usar listas de encadenamiento doble, hacia adelante y hacia atrás, con lo que se facilita la búsqueda (ver Figura 4.4). o Encadenamiento de bloques de índices: Los apuntadores son colocados en varios bloques de índices separados: Cada bloque de índices contiene un número fijo de elementos. Cada entrada contiene un identificador de registros y un apuntador a ese registro. Si es necesario utilizar más de un bloque de índices para describir un archivo, se encadena una serie de bloques de índices. La gran ventaja es que la búsqueda puede realizarse en los propios bloques de índices. Los bloques de índices pueden mantenerse juntos en el almacenamiento secundario para acortar la búsqueda, pero para mejor desempeño podrían mantenerse en el almacenamiento primario. La principal desventaja es que las inserciones pueden requerir la reconstrucción completa de los bloques de índices: Una posibilidad es dejar vacía una parte de los bloques de índices para facilitar inserciones futuras y retardar las reconstrucciones. Es suficiente que el dato del directorio contenga el número de bloque inicial para localizar todos los bloques restantes, sin importar el tamaño del archivo (ver Figura 4.5).

10 10

11 11 10 may Implantación de Directorios La principal función del sistema de directorios es asociar el nombre del archivo con la información necesaria para localizar los datos. La posición de almacenamiento de los atributos puede ser en forma directa dentro del dato del directorio. Tipos de métodos de acceso: Método de Acceso Secuencial: El acceso secuencial significa que un grupo de elementos es accedido en un predeterminado orden secuencial. El acceso secuencial es a veces la única forma de acceder a los datos, por ejemplo en una cinta de casete. También puede ser el método de acceso elegido, para simplemente procesar una secuencia de datos en orden. Método de Acceso Secuencial Indexado: Método común de acceso a disco que almacena datos en forma secuencial, al tiempo que mantiene un índice de campos claves para todos los registros en el archivo para acceso directo. El orden secuencial sería el más comúnmente usado para el procesamiento por lotes y la impresión (número de cuenta, nombre, etc.). Método de Acceso Indexado: Pendiente la definición. Método de Acceso Hashed: Pendiente la definición. Otras Definiciones. Archivos Secuenciales La forma más común de estructura de archivo es el archivo secuencial. En este tipo de archivo, un formato fijo es usado para los registros. Todos los registros tienen el mismo tamaño, constan del mismo número de campos de tamaño fijo en un orden particular. Como se conocen la longitud y la posición de cada campo, solamente los valores de los campos necesitan almacenarse; el nombre del campo y longitud de cada campo son atributos de la estructura de archivos. Un campo particular, generalmente el primero de cada registro se conoce como el campo clave. El campo clave identifica unívocamente al registro. Así, los valores de la clave para registros diferentes son siempre diferentes. Los archivos secuenciales son típicamente utilizados en aplicaciones de proceso de lotes Y son óptimos para dichas aplicaciones si se procesan todos los registros. La organización secuencial de archivos es la única que es fácil de usar tanto en disco como en cinta. Para las aplicaciones interactivas que incluyen peticiones o actualizaciones de registros individuales, los archivos secuenciales ofrecen un rendimiento pobre. Normalmente un archivo secuencial se almacena en bloques, en un orden secuencial simple de los registros. La organización física del archivo en una cinta o disco se corresponde exactamente con la ubicación lógica del archivo. En este caso, el procedimiento para ubicar los nuevos registros es un archivo de pila separado, llamado archivo de registro (log file) o archivo de transacciones. Periódicamente, se realiza una actualización por lotes que mezcla el archivo de registro con el archivo maestro para producir un nuevo archivo en secuencia correcta de claves. Archivos Secuenciales indexados Un método popular para superar las desventajas de los archivos secuenciales es el del archivo secuencial indexado. El archivo secuencial indexado mantiene las características básicas de los archivos secuenciales: los registros están organizados en una secuencia basada en un campo. Dos características se añaden: un índice del archivo para soportar los accesos aleatorios y un archivo de desbordamiento (overflow). El índice provee una capacidad de búsqueda para llegar rápidamente a las proximidades de un registro deseado. El archivo de desbordamiento (overflow) es similar al archivo de registro usado en un archivo secuencial, pero está integrado de forma que los registros del archivo de desbordamiento se ubican en la dirección de un puntero desde su registro precedente. En la estructura secuencial indexada más simple, se usa un solo nivel de indexación. El índice, en este caso, es un archivo secuencial simple. Cada registro del archivo índice tiene dos campos: un campo clave, que es el mismo que el campo clave del archivo principal y un puntero al archivo principal. Para encontrar un campo específico se busca en el índice hasta encontrar el valor mayor de la clave que es igual o precede al valor deseado de la clave. La búsqueda continúa en el archivo principal a partir de la posición indicada por el puntero. Archivos Indexados Los archivos secuenciales indexados retienen la limitación del archivo secuencial: la eficacia en el procesamiento se limita al basado en un único campo del archivo. Cuando es necesario buscar un registro

12 12 basándose en algún otro atributo distinto del campo clave ambas formas de archivo secuencial no son adecuadas. En algunas aplicaciones esta flexibilidad es deseable. Para alcanzar esta flexibilidad, se necesita una estructura que utilice múltiples índices, uno para cada tipo de campo que pueda ser objeto de la búsqueda. Se suelen utilizar dos tipos de índices. Un índice exhaustivo contiene una entrada para cada registro del archivo principal. Otro índice parcial contendrá entradas a los registros donde esté el campo de interés. Con registros de longitud variable, algunos registros no contendrán todos los campos. Los archivos indexados son muy utilizados en aplicaciones donde es crítica la oportunidad de la información y donde los datos son rara vez procesados de forma exhaustiva. Archivos Directos o de Dispersión (Hashed) Los archivos directos explotan la capacidad de los discos para acceder directamente a cualquier bloque de dirección conocida. Como en los archivos secuenciales y secuenciales indexados, se requiere un campo clave en cada registro. Sin embargo, aquí no hay concepto de ordenamiento secuencial.

13 13 11 may 5.6 Manejo de espacio en memoria secundaria. Administración del Espacio en Disco Existen dos estrategias generales para almacenar un archivo de n bytes: Asignar n bytes consecutivos de espacio en el disco: o Tiene el problema de que si un archivo crece será muy probable que deba desplazarse en el disco, lo que puede afectar seriamente al rendimiento. Dividir el archivo en cierto número de bloques (no necesariamente) adyacentes: o Generalmente los sistemas de archivos utilizan esta estrategia con bloques de tamaño fijo. Tamaño del bloque: Dada la forma en que están organizados los bloques, el sector, la pista y el cilindro son los candidatos obvios como unidades de asignación. Si se tiene una unidad de asignación grande, como un cilindro, esto significa que cada archivo, inclusive uno pequeño, ocupará todo un cilindro; con esto se desperdicia espacio de almacenamiento en disco. Si se utiliza una unidad de asignación pequeña, como un sector, implica que cada archivo constará de muchos sectores; con esto su lectura generará muchas operaciones de e / s afectando el desempeño. Lo anterior indica que la eficiencia en tiempo y espacio tienen un conflicto inherente. Generalmente se utilizan como solución bloques de 1/2 k, 1k, 2k o 4k. (ver Figura 4.8). Hay que recordar que el tiempo de lectura de un bloque de disco es la suma de los tiempos de: Búsqueda, rotacional y Transferencia. Disk quotas: Para evitar que los usuarios se apropien de un espacio excesivo en disco, los S. O. multiusuario proporcionan un mecanismo para establecer las cuotas en el disco. Un administrador del sistema asigna a cada usuario una proporción máxima de archivos y bloques. El S. O. garantiza que los usuarios no excedan sus cuotas. Operación de Almacenamiento de Disco de Cabeza Móvil Los datos se graban en una serie de discos magnéticos o platos. El eje común de los discos gira a una velocidad del orden de las 4,000 o más revoluciones por minuto.

14 14 Se lee o escribe mediante una serie de cabezas de lectura - escritura (ver Figura 5.4]): Se dispone de una por cada superficie de disco. Solo puede acceder a datos inmediatamente adyacentes a ella: o La parte de la superficie del disco de donde se leerá (o sobre la que se grabará) debe rotar hasta o situarse inmediatamente debajo (o arriba) de la cabeza de lectura - escritura. El tiempo de rotación desde la posición actual hasta la adyacente al cabezal se llama tiempo de latencia. Todas las cabezas de lectura - escritura están montadas sobre una barra o conjunto de brazo móvil: Puede moverse hacia adentro o hacia afuera, en lo que se denomina operación de búsqueda. Para una posición dada, la serie de pistas accesibles forman un cilindro vertical. A los tiempos de búsqueda y de latencia se debe agregar el tiempo de transmisión propiamente dicha (ver Figura 5.5).

15 15 El tiempo total de acceso a un registro particular: Involucra movimientos mecánicos. Generalmente es del orden de centésimas de segundo, aunque el tiempo de latencia sea de algunas milésimas de segundo (7 a 12 aproximadamente).

16 16 16 may Por qué es Necesaria la Planificación de Discos En los sistemas de multiprogramación muchos procesos pueden estar generando peticiones de e / s sobre discos: La generación de peticiones puede ser mucho más rápida que la atención de las mismas: o o Se construyen líneas de espera para cada dispositivo. Para reducir el tiempo de búsqueda de registros se ordena la lista de peticiones: esto se denomina planificación de disco. La planificación de disco implica: Un examen cuidadoso de las peticiones pendientes para determinar la forma más eficiente de servirlas. Un análisis de las relaciones posicionales entre las peticiones en espera. Un reordenamiento de la cola de peticiones para servirlas minimizando los movimientos mecánicos. Los tipos más comunes de planificación son: Optimización de la búsqueda. Optimización rotacional (latencia). Generalmente los tiempos de búsqueda superan a los de latencia, aunque la diferencia tiende a disminuir. Bajo condiciones de carga ligera (promedio bajo de longitud de la cola), es aceptable el desempeño del método FCFS (primero en llegar, primero en ser servido). Bajo condiciones de carga media o pesada, es recomendable un algoritmo de planificación de las colas de requerimientos. Características Deseables de las Políticas de Planificación de Discos Criterios: Capacidad de ejecución. Media del tiempo de respuesta. Varianza de los tiempos de respuesta (predecibilidad). Objetivos: maximizar la capacidad de ejecución Maximizar el número de peticiones servidas por unidad de tiempo. Minimizar la media del tiempo de respuesta. Mejorar el rendimiento global, quizás a costa de las peticiones individuales. La planificación suele mejorar la imagen total al tiempo que reduce los niveles de servicio de ciertas peticiones: Se mide utilizando la varianza de los tiempos de respuesta. La varianza es un término estadístico que indica hasta qué punto tienden a desviarse del promedio de todos los elementos los elementos individuales. A menor varianza mayor predecibilidad. Se desea una política de planificación que minimice la varianza, es decir que maximice la predecibilidad. No debe haber peticiones que puedan experimentar niveles de servicio erráticos. Justicia Estrategias de búsqueda en disco (algoritmos de planificación) En la mayoría de los discos, el tiempo de búsqueda supera al de retraso rotacional y al de transferencia, debido a ello, la reducción del tiempo promedio de búsqueda puede mejorar en gran medida el rendimiento del sistema. En los sistemas multiprogramados son varios los procesos activos en un momento dado, y pueden producirse peticiones simultáneas de acceso a disco. Si mientras se hace un acceso llegan más peticiones, el sistema deberá mantenerlas en una lista de espera. Al terminar la petición que se atendía, el disco estará libre y el sistema determinará el orden de atención de las peticiones pendientes, minimizando el desplazamiento del brazo y el tiempo de servicio.

17 17 FCFS (First come first served) El criterio más simple, sirve las peticiones según su hora de llegada, de programación sencilla y sin sobrecarga, pero su eficiencia es relativa: SSTF (Shortest seek time first) Se atiende primero la petición más cercana a la última servida, la que quede más cerca. Reduce a la mitad el número de movimientos del brazo en comparación con FCFS. No respeta el orden de llegada de las peticiones a la cola. Tiende a favorecer a las pistas del centro del disco El desplazamiento total es de 232 cilindros, mucho menor que FCFS. Es más eficaz pero se pueden postergar indefinidamente algunas peticiones. Supongamos que hay 2 peticiones pendientes, cilindros 25 y 110, si mientras se atiende la 25 llegan más peticiones cercanas a ella (o menos lejanas a la 110), se atenderán las nuevas peticiones aplazando la 110. Problemas: El ingreso de nuevas solicitudes puede demorar la atención de las más antiguas. Con un disco muy cargado, el brazo tenderá a permanecer a la mitad del disco la mayoría del tiempo, como consecuencia de ello las solicitudes lejanas a la mitad del disco tendrán un mal servicio. Entran en conflicto los objetivos de Tiempo mínimo de respuesta y Justicia.

18 18 La velocidad de servicio variará según que las peticiones posteriores provoquen postergación o no. Esta falta de predicción lo hace poco adecuado para sistemas interactivos y útil en batch

19 19 18 may Algoritmo del elevador o exploración (scan) Es la solución a la postergación de SSTF Se mantiene el movimiento del brazo en la misma dirección, hasta que no tiene más solicitudes pendientes en esa dirección; entonces cambia de dirección. Ocasionalmente es mejor que el algoritmo SSTF pero sin sus inconvenientes. SCAN de N - Pasos El movimiento del brazo es como en SCAN; pero solo da servicio a las peticiones que se encuentran en espera cuando comienza un recorrido particular. Las peticiones que llegan durante un recorrido son agrupadas y ordenadas y serán atendidas durante el recorrido de regreso. C-Scan (Exploración circular) Variante de scan. Atiende peticiones sólo en un sentido, al llegar al último cilindro, regresará al primero sin atender peticiones. El brazo se mueve del cilindro exterior al interior, sirviendo a las peticiones sobre una base de búsqueda más corta. Finalizado el recorrido hacia el interior, salta a la petición más cercana al cilindro exterior y reanuda su desplazamiento hacia el interior. En la práctica, tanto Scan como C-scan no llevarán el brazo hasta los extremos del disco, sino que cambiará de sentido al servir la última petición. Son los más adecuados para discos con mucha carga. Conclusiones Mediante trabajos de simulación y de laboratorio se demostró lo siguiente: La estrategia SCAN es la mejor con carga baja. La estrategia C - SCAN es la mejor con cargas medias y pesadas. La decisión de qué algoritmo aplicar, depende de los objetivos del sistema y la carga del disco. Generalmente, las mejoras tecnológicas de los discos: Acortan los tiempos de búsqueda (seek). No acortan los tiempos de demora rotacional (search).

20 20 En algunos discos, el tiempo promedio de búsqueda ya es menor que el retraso rotacional. El factor dominante será el retraso rotacional, por lo tanto, los algoritmos que optimizan los tiempos de búsqueda (como el algoritmo del elevador) perderán importancia frente a los algoritmos que optimicen el retraso rotacional. Una tecnología importante es la que permite el trabajo conjunto de varios discos. Este diseño se conoce como RAID (Redundant Array of Independent Disks); método de combinación de varios discos duros para formar una única unidad lógica en la que se almacenan los datos de forma redundante. Ofrece mayor tolerancia a fallos y más altos niveles de rendimiento que un sólo disco duro o un grupo de discos duros independientes. Protege los datos contra el fallo de una unidad de disco duro. Si se produce un fallo, RAID mantiene el servidor activo y en funcionamiento hasta que se sustituya la unidad defectuosa. 5.7 Modelo jerárquico. Jerarquía de datos Son niveles de abstracción de cómo organizamos los datos: Bit: elemento de información que permite almacenar 0 o 1. Byte: 8 bits. Representan números en binario (de 0 a 28-1) y caracteres de texto usando códigos (ASCII), es decir, convenios para representar datos alfanuméricos con 8 bits. Campo: secuencia de datos iguales. Registro: compuesto por campos (no necesariamente todos iguales). Fichero o archivo: permite guardar conjuntos de registros. Bases de datos: conjunto de registros a los que se puede acceder usando ciertas claves.

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