Memoria externa

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Published on March 20, 2014

Author: marcosgarcia61

Source: slideshare.net

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MEMORIA EXTERNA Marcos Andres Garcia Carreño Id: 309504 Arquitectura de computadores

Memoria externa Es el componente más importante de la memoria externa, para conseguir mayores prestaciones y disponibilidad se posee la tecnología RAID de discos. RAID se refiere a una familia de técnicas para utilizar varios discos como un conjunto de dispositivos de almacenamiento de datos es paralelo.

Discos magnéticos • Es un plato circular construido con un material no magnético llamado sustrato cubierto por un material magnetizable. Recientemente se han usado sustrato de cristal que tienen una serie de ventajas: • Mejora la uniformidad de la superficie magnética para aumentar fiabilidad del disco. • Reducción de los defectos en la superficie lo cual ayuda en reducir errores de lectura/Escritura. • Capacidad para soportar grabaciones de gran proximidad. • Mejor rigidez para reducir la dinámica del disco. • Mayor capacidad de resistir golpes.

Mecanismo de lectura y escritura magnética Los datos se graban y se recuperan del disco a través de una bobina llamada cabeza, normalmente hay 2 cabezas, una para escritura y otra para lectura. Durante esta operación la cabeza se mantiene fija mientras el plato rota debajo de ella. • Escritura: un flujo eléctrico atraviesa una bobina y crea un campo magnético, se envían pulsos eléctricos a la cabeza de escritura y se graban los patrones magnéticos bajo ella. Con patrones diferentes para corrientes positivas y negativas. La cabeza de lectura está hecha de un material magnetizable y posee forma de donut rectangular con un agujero a lo largo de un lado y varias vueltas de cable conductor a lo largo del lado opuesto. • Lectura: es parecida al método de escritura, por lo que en algunos casos se puede usar la misma cabeza para ambos normalmente en disquetes y discos duros antiguos.

Organización y formato de los datos Los datos se organizan en un conjunto de anillos concéntricos en el plato llamados pistas el cual es igual de ancho que la cabeza y tiende a ver cientos de ellos. Los datos se transfieren desde el disco en sectores, normalmente cientos por pista que pueden ser variables o fijas. En la mayoría de sistemas actuales se utilizan sectores de longitud fija de 512 bytes por sector, para evitar imposiciones de posición ilógica los sectores se separan con intrapistas (intersectores) vacías. Se incrementa el número de bits de la información grabada en los segmentos del disco. La información se escanea a la misma velocidad rotando el disco a una velocidad fija conocida como velocidad angular contante. Para aumentar la capacidad los discos duros modernos utilizan un método conocido como grabación en varias zonas en la que la superficie se divide en varias zonas concéntricas. Las zonas más alejadas del centro poseen más bits, esto permite capacidad de almacenamiento mayor. El disco se graba con un formato que contiene algunos datos extra usados solos accesibles por el controlador del disco y no accesibles al usuario

Características físicas • Movimiento de cabeza: en caso de ser fija poseen 2 cabezas en las cuales una de lectura y escritura y en caso de ser móvil solo posee una. • Portabilidad de los discos: los no extraíbles deben permanecer montados en la unidad del disco, y los extraíbles pueden ser quitados y sustituidos. • Caras: una cara solo posee una superficie magnetizable, mientras existen las de dos superficies magnetizables. • Platos: pueden ser de 1 plato o varios apilados. • Mecanismo de la cabeza: pueden ser de contacto fija, separación fija o separación aerodinamica

RAID La estrategia RAID remplaza una unidad de disco de gran capacidad por unidades de disco de menor capacidad y distribuye los datos de forma que se puedan habilitar accesos simultáneos a los datos de varias unidades mejorando las prestaciones de E/S y permitiendo más fácil el aumento de capacidad. El uso de varios dispositivos y permitir que varias cabezas y actuadores operen simultáneamente, consigan mayores velocidad en E/S, de transferencia e incrementa probabilidad de fallo. Para compensar esto utiliza información de paridad almacenada que permite la recuperación de datos perdidos debido a un fallo de disco.

Nivel 0 Raid • No es un verdadero miembro de la familia RAID porque no incluye redundancia para mejorar prestaciones. Pero hay algunas aplicaciones como algunas ejecuciones en supercomputadores en los que las prestaciones y la capacidad son la preocupación primaria y un costo bajo. • Los datos del usuario y del sistema están distribuidos a lo largo de todos los discos del conjunto. Los datos son organizados en forma de tiras de datos a través de los discos disponibles. Todos los datos del disco y del usuario están almacenados en un disco lógico, el cual se divide en tiras que pueden ser bloques físicos, sectores u alguna otra unidad. Las tiras se proyectan cíclicamente.

Raid 0 para alta capacidad de transferencia de datos Las prestaciones de cualquiera de los niveles RAID dependen críticamente de los patrones de petición del sistema anfitrión y de la distribución de los datos. Estas emisiones pueden ser más claramente direccionadas en RAID 0, donde el impacto de la redundancia no interfiere con el análisis. Primero, consideremos el uso de RAID 0 para lograr una velocidad de transferencia de datos alta. Se deben cumplir dos requisitos para que las aplicaciones tengan una velocidad de transferencia alta. Primero, debe existir una capacidad de transferencia alta en todo el camino entre la memoria del anfitrión y las unidades de disco individuales. Esto incluye controladores de buses internos, buses de E/S del anfitrión, adaptadores de E/S, y buses de memoria del anfitrión.

Nivel 1 de RAID RAID 1se diferencia de los niveles 2 a 5 en cómo se consigue la redundancia. En estos otros esquemas RAID, se usan algunas formas de cálculo de paridad para introducir redundancias; en RAID 1, la redundancia se logra con el sencillo recurso de duplicar todos los datos. Según muestra la figura 5.6b, se hace una distribución de datos, como en el RAID 0. Pero en este caso, cada franja lógica se proyecta en dos discos físicos separados, de forma que cada disco del conjunto tiene un disco espejo que contiene los mismos datos.

En la organización RAID 1 hay una serie de aspectos positivos: • Una petición de lectura puede ser servida por cualquiera de los discos que contienen los datos perdidos; cualquiera de ellos implica un tiempo de búsqueda mínimo más la latencia rotacional. • Una petición de escritura requiere que las dos tiras correspondientes se actualicen, y esto se puede hacer en paralelo. Entonces, el resultado de la escritura viene determinado por la menos rápido de las dos escrituras (es decir, la que conlleva el mayor tiempo de búsqueda mas la latencia rotacional). Sin embargo, en RAID 1 no hay “penalización en la escritura”. Los niveles RAID del 2 al 5 implican el uso de bits de paridad. Por tanto, cuando se actualiza una única tira, el software de gestión del conjunto debe calcular y actualizar primero los bits de paridad, así como actualizar la tira en cuestión. • La recuperación tras un fallo es sencilla. Cuando una unidad falla, se puede acceder a los datos desde la segunda unidad. • La principal desventaja es el coste: requiere el doble del espacio de disco del disco lógico que puede soportar. Debido a esto, una configuración RAID 1 posiblemente está limitada a unidades que almacenan el software del sistema y los datos, y otros ficheros altamente críticos. En estos casos, RAID proporciona una copia de seguridad en tiempo real de todos los datos, de forma que, en caso de fallo de disco, todos los datos críticos están inmediatamente disponibles. • En un entorno orientado a transacciones, RAID 1 puede conseguir altas velocidades de petición de E/S si la mayor parte de las peticiones son lecturas. En esta situación, las prestaciones de RAID 1 son próximas al doble de las de RAID 0. Sin embargo, si una parte importante de las peticiones de E/S son peticiones de escritura, entonces la ganancia en prestaciones sobre RAID 0 puede no ser significativa. RAID 1 puede también proporcionar una mejora en las prestaciones de RAID 0 en aplicaciones de transferencia intensiva de datos con un alto porcentaje de lecturas. Se produce una mejora, si la aplicación puede dividir cada petición de lectura de forma que ambos miembros del disco participen.

Discos duros de estado solido

SSD versus disco duro Durante años, la solución para el almacenamiento masivo de datos en una computadora ha sido un disco duro. Éste guarda los archivos del sistema operativo instalado, la música, los videos, etcétera, dependiendo de platos giratorios que mantienen la información y son leídos por un cabezal muy al estilo tornamesa. Pero los SSD funcionan diferente. Asimilándose a una memoria RAM, estas nuevas unidades de almacenamiento intercambian el disco giratorio por pequeños chips de memoria flash para entregar capacidad, siendo innecesario un cabezal para leer datos ya que todo se hace electrónicamente mediante una controladora. Esto le permite al SSD no tener partes móviles, es decir, no poseer piezas que se están moviendo físicamente como un disco que gira junto a un cabezal que busca sectores, permitiendo que la nueva tecnología sea de menor tamaño físico y presente una serie de otras ventajas que la colocan por sobre el disco duro tradicional.

Ventajas del SSD(solid-state drive) • Al estar conformado por memorias flash que son semiconductores de estado sólido, veremos algunas ventajas que podemos ilustrar de la siguiente forma: imaginen la competencia entre un lector de CDs y un pendrive o memoria flash extraíble. Acá es lo mismo, pues se cambia el modelo de almacenamiento desde discos que giran a chips sólidos electrónicos. • Por eso, la ventaja más evidente es la resistencia a golpes y maltratos, ya que al no haber partes móviles, la unidad es menos delicada. Por mucho tiempo vimos en los discos duros sistemas de protección de caídas, las que frenaban al disco duro si es que venía una caída fuerte. Ahora eso ya no es necesario, pues al igual que un pendrive, por dentro no hay nada que se mueva y pueda ser dañado. • Pero la ventaja más importante viene por el lado del rendimiento. Los discos duros son tecnología vieja, tal como un CD lo es a un pendrive, ya que los chips de memoria facultan al computador para acceder de manera más veloz a la información, lo que se hace a la velocidad que permiten los semiconductores y la controladora. En cambio, en un disco duro el plato giraba y el cabezal tenía que ubicar el archivo físicamente, demorando la tarea. • Así, vemos que un disco duro moderno alcanza velocidades de escritura y lectura de datos cercanas a los 100MB/seg, en un disco que gira a 5400RPM o 7200RPM. Por otro lado, un SSD promedio alcanza fácilmente los 500MB/seg.Esto afecta directamente al usuario, ya que a mayor velocidad de los datos en un PC, más rápido se cargan los programas y se inicia el sistema operativo. • Los tiempos de acceso también mejoran en un SSD respecto a un disco duro. Porque al depender únicamente de la velocidad del semiconductor, un SSD demora cerca de 0,08ms en encontrar la información que busca y comenzar la transferencia, mientras que el tiempo promedio en que un disco duro tarda en hacer lo mismo es de 12ms. Así, otra ventaja de los SSD es su reducido tiempo de respuesta para llevar a cabo órdenes. • Con un SSD también disfrutamos de un menor ruido, ya que no hay cabezal leyendo y escribiendo datos en un plato, al mismo tiempo que la ausencia de dicha labor y los motores asociados disminuye el consumo energético del dispositivo, mientras que se reduce la temperatura a la que funciona y se eliminan las vibraciones.

Desventajas de un SSD • Suena todo maravilloso con una unidad de estado sólido, ¿pero hay desventajas? Como pasa en la vida, las cosas buenas cuestan caro, por lo que asoma como principal desventaja de los SSD su elevado precio en relación a los discos duros tradicionales. 500GB de capacidad en un SSD actualmente cuestan entre USD$400 y USD$500 en Estados Unidos, mientras que un disco duro de igual capacidad se encuentra por USD$60. Y eso que las memorias bajaron considerablemente de precio en los últimos meses. • Es por eso que en general las computadoras pre-ensambladas (como notebooks) que traen SSD también vienen con poca capacidad de almacenamiento, siendo posible encontrar equipos económicos con 500GB en disco duro, así como equipos costosos con 128GB pero de SSD, por lo que el tema del espacio debe ser considerado si se opta por utilizar una unidad de estado sólido. • Por otro lado, cuando comenzaron a ser comercializados estos productos eran asociados a otros problemas que hoy ya están en el pasado. Primero, la degradación de los chips de memoria reducía el rendimiento de las unidades después de mucho tiempo de uso. Apareció entonces la tecnología TRIM que al ser integrada en el producto, mejoró esta situación y permitió que dicho problema hoy quede en el olvido.

Tipos de SSD • SATA: Es el puerto más común por el que hoy también se conectan los discos duros. En su versión para PC de escritorio, consta de un delgado cable que va de la unidad a la placa madre. Existe además mSATA, que sólo otorga el puerto para conectar directamente, sirviendo para notebooks y portátiles. • PCI Express: Utilizado comúnmente por las tarjetas de video en una computadora de escritorio, este puerto es de alta velocidad para modelos de rendimiento profesional que rondan los 1000MB/seg o 2000MB/seg, siendo grandes tarjetas (en la foto) que abren una nueva categoría de SSD para usuarios exigentes y que poseen mucho dinero, ya que son costosas.PD: Samsung está comenzando a fabricar pequeños SSD PCI Express para notebooks en forma masiva, así que ojo. • Por otro lado, podemos diferenciar los SSD según el tipo de memoria utilizado: • Memoria NAND Flash: Las de uso más común, son un chip de silicio que también se utiliza en pendrives y posee una memoria no volátil, es decir, incluso cuando no posee energía es capaz de guardar los datos que tiene grabados. • Memoria DRAM: Más costosos y menos comunes, los módulos de memoria DRAM son los mismos que se utilizan en las memorias RAM, permitiendo una mayor velocidad y tiempos de respuesta menores. Son poco adecuados para SSD de uso cotidiano ya que requieren de electricidad continua para "recordar" los datos que tienen grabados, sin embargo, ofrecen un rendimiento excepcional.

• Single Level Cell (SLC): Cuando se obtiene una oblea de silicio y se corta para obtener un único chip de memoria, nacen las unidades SLC. Al ser simples, son las más rápidas y de menor consumo energético, aunque son las más costosas de fabricar de todas. Se pueden escribir sólo en dos estados (bloque vacío o bloque lleno) y de ahí vienen sus propiedades positivas. • Multi-Level Cell (MLC): Cuando se apilan varias capas de una oblea de silicio, obtenemos un chips de memoria flash NAND. Es de la uso más común porque son más densas y se consigue mayor capacidad en el mismo espacio, significando además un precio más reducido (tres veces más económico que SLC). Sin embargo, los chips son más lentos y menos longevos que los SLC. Se escriben en cuatro estados (en la imagen). • Triple Level Cell (TLC): Los más económicos de todos: valen un 30% menos que los MLC. Son de gran densidad y por ende, se puede obtener gran capacidad de almacenamiento digital en poco espacio físico y se escriben en ocho estados, viniendo de allí su economía. Pero son más lentos que los MLC y tienen un tiempo de vida menor, ya que permiten sólo entre 1.000 y 5.000 ciclos de escritura y lectura hasta quedar inservibles (SLC: 100.000 ciclos, MLC: 10.000 ciclos).

GRACIAS

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