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Dispositivos de AlmacenamientoJorge Juan Chico jjchico@dte.us.es , Julián Viejo Cortés julian@dte.us.es . 2012, 2014, 2019Departamento de Tecnología Electrónica – Universidad de SevillaUsted es libre de copiar, distribuir y comunicar públicamente la obra y de hacer obras derivadas siempre que se cite la fuente y se respetenlas condiciones de la licencia Attribution-Share alike de Creative Commons.Puede consultar el texto completo de la licencia en http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/
Objetivos Conocer dónde se almacena la información en un ordenador.Comprender la necesidad de tener distintos tipos de dispositivos dealmacenamiento.Comprender la operación de los distintos tipos de dispositivos dealmacenamiento.Hacer cálculos básicos sobre el rendimiento de dispositivos dealmacenamiento.CRC - Departamento de Tecnología Electrónica2/38
Contenidos JerarquíaMemoria internaMemoria externaDiscos magnéticosOtros dispositivosSistemas de archivosCRC - Departamento de Tecnología Electrónica3/38
Clasificación de la memoria Conservación de la información–– Tipo de acceso–– No volátil: conserva la información sin suministro de energía.Volátil: la información se borrar al interrumpirse el suministro de energía.Aleatorio: se puede acceder a cualquier dato almacenado con la mismaeficacia.Secuencial: hay que recorrer el medio para acceder a un determinado dato.Tecnología de fabricación y operación––––Semiconductores/estado sólido: circuitos electrónicos.Magnética: magnetización de materiales ferromagnéticos y detección delcampo.Óptica: reflexión o alteración de haces de luz (laser).Otros.CRC - Departamento de Tecnología Electrónica4/38
Almacenamiento. Ubicación Registros de la CPU–– Memoria Interna (o Memoria Principal)––– usados como argumentos en las operaciones lógicas, aritméticas, etc.almacenamiento más próximo a la CPU y de acceso más rápido.accesible directamente por la CPU (instrucciones de acceso a memoria)acceso rápidomedio semiconductor (circuito electrónico)Memoria externa (o Memoria Secundaria)–––acceso indirecto: primero hay que transferir los datos a la memoria principalaccesible mediante dispositivos de entrada/salidadiferentes medios: discos magnéticos, medios ópticos, memoriasemiconductora no volátil, etc.CRC - Departamento de Tecnología Electrónica5/38
Almacenamiento. ontroladorredCRC - Departamento de Tecnología Electrónica6/38
Almacenamiento. Jerarquía No hay un solo tipo de memoria que cumpla todos los requisitos:combinación de diversas tecnologías.menor costemayor capacidadcircuitos electrónicosregistros CPUmemoria semiconductoramemoria internadiscos magn. o mem.semiconductora (SSD)memoria externacintas magn., sistemasexternos, "la nube".almacenamiento masivomayor tiempoaccesoCRC - Departamento de Tecnología Electrónica7/38
Memoria internaMemoria ROM (Read-Only Memory)––ROM– sólo lectura o lectura preferenteno volátilprogramas y datos de inicio (BIOS)RAM (Random-Access Memory)–––lectura/escrituravolátilprogramas y datos generalesRAMCRC - Departamento de Tecnología Electrónica8/38
Tipos de ROM(memoria semiconductora no volátil) ROM: Read-Only Memory–El contenido de la memoria se decide al fabricar la memoria.–Una vez fabricada, la memoria sólo puede “leerse” y es no volátil.PROM: Programmable ROM–– EPROM: Eraseable and Programmable ROM––– Programable una vez tras la fabricación mediante fusibles o anti-fusibles.Hay que sustituir el componente para cambiar la programación.Borrable mediante luz ultravioleta.Programable eléctricamente.Hay que desmontar el componente para volverlo a programar.EEPROM: Electrically Eraseable and Programmable ROM–––Borrable y programable eléctricamente.Se puede re-programar in-situ sin desmontar el componente.Ejemplo: memoria FlashCRC - Departamento de Tecnología Electrónica9/38
Memoria interna. RAMhttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two 8 GB DDR4-2133 ECC 1.2 V RDIMMs (straightened).jpgCRC - Departamento de Tecnología Electrónica10/38
Memoria internaEvolución de la velocidadCRC - Departamento de Tecnología Electrónica11/38
Memoria ria principalprincipalMemoria de alta velocidad situada entre la CPU yla memoria principalGuarda los datos más recientes y que seránaccedidos por la CPU con mayor probabilidad.Se base en el "principio de localidad": losdatos/instrucciones accedidos recientementetienen mayor probabilidad de ser accedidos en elfuturo.Permite que la CPU opera a su velocidad máxima.Puede haber varios niveles de caché: L1, L2,L3, .CRC - Departamento de Tecnología Electrónica12/38
Memoria externa Proporcional almacenamiento no volátil de gran capacidadTiempos de acceso mucho mayores que a la memoria internaVarios tipos de medios y tecnología:–Medios magnéticos –Medios ópticos –Alteración del campo magnético en una superficie ferromagnética.Cambios de reflectividad en una superficie reflectante. Detección mediante láser.Semiconductores Uso de memorias semiconductoras no volátiles (Flash).CRC - Departamento de Tecnología Electrónica13/38
Memoria externa. Ejemplos Discos magnéticos–– Almacenamiento de estados sólido (SSD)–– Basados en memorias no volátiles (Flash).Están sustituyendo a los discos magnéticos como memoria secundaria.Cintas magnéticas– Gran capacidad, alta velocidad, acceso casi-aleatorio, muy fiable.Históricamente, principal sistema de memoria secundaria.Sistema tradicional de copias de seguridad a bajo coste.Discos ópticos: CD/DVD/Bluray––Capacidad moderada, velocidad media, acceso casi-aleatorio.Distribución de programas y datos a bajo coste.CRC - Departamento de Tecnología Electrónica14/38
Discos magnéticos Hard disk drive (Wikipedia)Vídeos–Hard drive Teardown–Cómo funciona un Disco Duro–How a Hard Disk Drive WorksCRC - Departamento de Tecnología Electrónica15/38
Discos magnéticosCRC - Departamento de Tecnología Electrónica16/38
Discos magnéticos Cada sector se localiza con 3parámetros:––– Direccionamiento ilindro Cabeza Sector.svgCilindro (C): proporciona la posiciónradial de las cabezas. El conjunto decabezas se desplaza el cilindroseleccionado.Cabeza (H - Head): activa unacabeza de lectura/escritura.Selecciona una cara concreta.Sector (S): selecciona un sectordentro de una pista. El sector se leeal pasar por debajo de la cabeza delectura/escritura.Cada sector tiene un número únicoLa electrónica en el disco traduce ladirección LBA a CHSCRC - Departamento de Tecnología Electrónica17/38
Discos magnéticos. Sectorcola bloque de datos almacenadosCola:– contiene información de localización y estado del sectorDatos:– cabeceraCabecera:– datoscódigo de detección y corrección de errores (CRC)Archivos–los archivos empleados por el Sistema Operativo se construyen a base delistas de sectores distribuidos por el disco de forma más o menos ordenada.CRC - Departamento de Tecnología Electrónica18/38
Discos magnéticos. Propiedades Tiempo medio de acceso–– Velocidad de transferencia máxima (burst rate)–– tiempo medio que se tarde en mover las cabezas y rotar el disco hastacomenzar a leer un sector 10msvelocidad de lectura de datos cuando se lee un sectordepende de la velocidad de rotación, el número de sectores en una pista y eltamaño del sectorVelocidad de transferencia media–––velocidad de lectura de datos media considerando tiempos empleados encambiar de un sector a otrodisminuye cuando aumenta la “fragmentación” 20-200 MB/sCRC - Departamento de Tecnología Electrónica19/38
Almacenamiento de estado sólido (SSD) Memoria semiconductora no volátil (Flash)––––––muy alta velocidad de accesocapacidad media, pero en aumentoalto coste, pero en descensoalmacenamiento temporal portátil (pen-drive)memoria secundaria en dispositivos portátiles (teléfonos, etc.)sustituyendo rápidamente a los discos :Super Talent 2.5in SATA SSD ile:Ssd 960.jpgCRC - Departamento de Tecnología Electrónica20/38
Almacenamiento. Tasa de e 1-16GB/sCPU3SATA2(300MB/s)SATA3(600MB/s)M.2NVME 200GB/s200MB/s500MB/s3GB/sDatos 2019/20CRC - Departamento de Tecnología Electrónica21/38
Cintas magnéticas Gran capacidad, acceso secuencial, bajo coste.Sistema tradicional de copias de seguridad locales.Uso residual en la imedia.org/wiki/File:Control Data ds tape drive 01.jpgCRC - Departamento de Tecnología Electrónica22/38
Discos ópticos Basados en la alteración de la reflexión de las superficiesCaracterísticas generales––Capacidad moderada, velocidad media, acceso casi-aleatorio.Bajo coste de fabricación: ––– Distribución de programas, documentación, copias temporales, etc.Poco fiable para copias de seguridad.Importante papel en el mundo de los VideojuegosEn decadencia en la actualidad.Evolución:–Compact Disk (CD) –Digital Versatile Disk (DVD) –Distribución de música digital (primer formato de uso masivo)Distribución de datos y almacenamiento externo.Distribución de vídeo digital (primer formato de uso masivo)Diseñado junto con varios formatos de audio/vídeo digitalHD-DVD/Bluray/Ultra HD Bluray Distribución de vídeo en alta definición.Diseñados junto con varios formatos de audio/vídeo digitalCRC - Departamento de Tecnología Electrónica23/38
CD-ROM/R/RW–––Una única pista en espiral(5km)20000 pistas aparentesDisco original audio: –CD-R –1.2 m/s73 min774.57 MB176.4 B/s(650MB efect.)Versión grabableCD-RW Versión re-grabableCRC - Departamento de Tecnología Electrónica24/38
Comparación CD-DVD-HD edia/File:Comparison CD DVD HDDVD BD.svgCRC - Departamento de Tecnología Electrónica25/38
Comparación CD-DVD-HD DVD-BlurayFormatoCapas CapacidadAudioVídeoVeloc.CD1650-700MiB74-80m 80m (VCD)0,15-10,5MiB/sDVD14,7GB65-500m 57m (SD)1,4-30MB/sDVD DL28,5GB- 114m (SD)1,4-30MB/sHD DVD115GB- 55m (HD)9-18MB/sHD DVD DL230GB- 110m (HD)9-18MB/sBluray125GB- 62m (HD)4,5-72MB/sBluray DL250GB- 124m (HD)4,5-72MB/s50-100GB- 81-104m (UHD)?Ultra HD BlurayVCD: calidad similar a VHS/BETA (240 líneas)SD: Definición estándar. TV tradicional (576/480 líneas)HD: Alta definición (720-1080 líneas)UHD: Ultra alta definición 4k (2160 líneas) : Duración mínima a la máxima calidad.CRC - Departamento de Tecnología Electrónica26/38
CD/DVD-ROMCRC - Departamento de Tecnología Electrónica27/38
CD/DVD-RCRC - Departamento de Tecnología Electrónica28/38
CD/DVD-RWCRC - Departamento de Tecnología Electrónica29/38
Dispositivos de bloques La mayoría de dispositivos de almacenamiento se comportan comolistas de bloques de datos numerados (dispositivos de bloques).Tamaño de bloque:–– Tamaño físico: 512/4096BTamaño lógico: 512B en la mayoría de los casos (compatibilidad).Los dispositivos pueden particionarse, definiendo zonas contiguas deldisco como dispositivos de bloques independientes.Hay varios esquemas de particionado:––MBR: sistema tradicional en la familia IBM-PC (limitaciones)GPT: nuevo sistema para dispositivos modernos (gran tamaño)CRC - Departamento de Tecnología Electrónica30/38
Esquema de particionado MBR/dev/sda0163/2048 MBRMaster Boot Record (MBR). Sector 0––boot area. boot sector –– boot sector 4 particiones primariasmás particiones dentro de particionesextendidasBoot area–part1(/dev/sda1)part2(/dev/sda2)Código cargador del sistema (etapa 1)Tabla de particionesCódigo cargador del sistema (etapa 2)Cargador S.O.Tamaño variableCada partición tiene un sector de arranquepropioTabla de particiones––Nº de bloque “lógico” de inicio y fin de cadapartición.Es importante que cada partición comienceen un bloque “físico” del dispositivo.CRC - Departamento de Tecnología Electrónica31/38
Sistemas de archivos Sistema de archivos (SA): organización de la información en undispositivo de bloques que permite acceder a la misma a modo dearchivos y carpetas.– Formato lógico (creación del sistema de archivos): proceso queprepara un dispositivo de bloques para ser empleado como un sistemade archivos.–– Principalmente, el SA mantiene y actualiza las listas de bloques donde seencuentra la información de cada archivo.Parte de los bloques se emplean para almacenar información del S.A.:nombres de archivos, bloques que pertenecen a un archivo, etc.Capacidad datos de usuario capacidad nominal del dispositivoEl tamaño de bloque empleado por el sistema de archivos no tiene porqué ser igual al tamaño de bloque lógico o físico del dispositivo–Importante que los bloques del SA estén alineados con los bloques físicosdel dispositivo.CRC - Departamento de Tecnología Electrónica32/38
Sistemas de archivosSistema deArchivosCRC - Departamento de Tecnología Electrónica33/38
Tipos de sistemas de archivos Mundo UNIX/Linux––– Mundo MS-Windows –– UFS: sistema de archivos original de los sistemas UNIX. Basado en“inodos”.ext2/ext3/ext4: sistema de archivos principal usado en GNU/Linux.Otros: reiserfs, xfs, jfs, btrfs, etc.FAT12, FAT16, FAT32 (vfat): Sistema de archivos poco eficiente perosimple empleado por Microsoft, comenzando con MS-DOS. Basado entablas de localización de archivos (FAT).NTFS: Sistema de archivos avanzado de Microsoft empleado a partir deMS-Windows NT.Otros–ISO9660/UDF: Sistemas de archivos usados en CD-ROM y DVDComparación de sistemas de archivosCRC - Departamento de Tecnología Electrónica34/38
Retos de los sistemas de archivos Minimizar la información de gestión (estructuras de datos) necesaria– Seguridad de los datos–– ––Reducir tiempos de accesoAumentar velocidad de transferenciaGestión eficiente del espacio (fragmentación interna)En discos magnéticos––– Recuperación ante fallos eléctricosRedundancia de la información importanteRendimiento– Adaptarse a dispositivos de distinta capacidadLimitar la “fragmentación”: uso de bloques no contiguos por los archivos.Reducir el tiempo de acceso por movimiento mecánico.Optimizar múltiples operaciones de lectura/escrituraEn dispositivos de estado sólido––Prevenir el desgaste prematuro de las memoriasBorrado eficiente de bloques no utilizados (“trimming”)CRC - Departamento de Tecnología Electrónica35/38
Ejemplo: ext2 (simplificado)superblockinode 0inode 1inode 2inode kdata block 0data block 1data block 2data block .wikimedia.org/wiki/File:Ext2-inode.svgCRC - Departamento de Tecnología Electrónica36/38
Operaciones sobre sistemas de archivos Montar/desmontar––– Formatear/crear el SA– Se crean en el medio las estructuras de información de gestión del SA.Comprobar– Montar: operación previa antes de usar el SA. Se carga en memoria lainformación de gestión del SA.Desmontar: se guardan los cambios pendientes en el medio y se“desconecta” el SA del sistema operativo. Necesario antes de apagar elsistema.Linux: al montar, el SA se asocia a una carpeta del árbol de carpetasSe comprueba la coherencia de los datos en el SA archivos. Lacomprobación completa requiere que el SA esté desmontado.Modificaciones varias (casi siempre con el SA desmontado)–––Cambiar el tamaño del SA.Mover/copiar el SA a otro medio o a otra posición.Cambiar parámetros del SA Algunos parámetros sólo pueden definirse al crear el SA.CRC - Departamento de Tecnología Electrónica37/38
Utilidades para SA (Linux) Escritorio–– Discos: gestionar particiones y crear SAGparted: particiones, crear SA, operaciones sobre k: gestionar particionesmount/umount: montar/desmontardf: espacio disponible en los SA montadosdu: espacio ocupado por archivos y carpetasblkid/lsblk: listar dispositivos de bloquesmkfs. tipo : crear SAfsck. tipo : comprobar SAdumpe2fs: obtener información (ext2, ext3, ext4)resize2fs: redimensionar SA (ext2, ext3, ext4)dd: copiar/borrar/etc. dispositivos de bloques completosCRC - Departamento de Tecnología Electrónica38/38
CRC - Departamento de Tecnología Electrónica 2/38 Objetivos Conocer dónde se almacena la información en un ordenador. Comprender la necesidad de tener distintos tipos de dispositivos de almacenamiento. Comprender la operación de los distintos tipos de dispositivos de almacenamiento. Hacer cálculos básicos sobre el rendimiento de dispositivos de
