PDF de programación - 9. Rendimiento del Sub-Sistema de E/S (Discos)

Evaluación y Afinamiento de Sistemas Computacionales

Apuntes de Clases

9. Rendimiento del Sub-Sistema de E/S (Discos)
El subsistema de E/S es el área más “lenta” del
sistema computacional, por lo cual su rendimiento
afecta de forma importante el desempeño de la
memoria virtual, los procesos con I/O intensivo, etc.
En términos generales, se desea optimizar:

• El caudal de acceso por proceso.
• El caudal de todo el I/O del sistema.
• La eficiencia de almacenamiento.

Como buenos objetivos de rendimiento, estos no son
necesariamente realizables simultáneamente, y en
algunos casos se contraponen.
El acceso a disco desde el punto de vista de los
usuarios puede tener una estructura secuencial, pero
para el sistema como un todo, este es distribuido en
diferentes discos y zonas dentro de los mismos.
Así, el criterio más importante será aquel que mejor
adecúe al sistema a
la
organización.
Si procesos importantes realizan accesos secuenciales
y éstos son una fracción importante del caudal total de
disco, optimizar el caudal por proceso es el criterio
más adecuado.

las necesidades de

© MARIO DROGUETT C.

ESCUELA DE INGENIERÍA

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-1

Apuntes de Clases

Evaluación y Afinamiento de Sistemas Computacionales
Si el mix de I/O es variado, se puede optimizar el
caudal total... o definir sistemas de archivo para cada
tipo de trabajo.
La eficiencia de almacenamiento es, por otro lado,
incompatible con el caudal de I/O.
En general, a mayor eficiencia de almacenamiento
menor caudal de I/O. Nuevamente, podemos definir
sistemas de archivos para cada objetivo.

9.1 Dispositivos de Almacenamiento
El almacenamiento requiere el uso de uno o más
dispositivos de control de periféricos, y de dispositivos
de almacenamiento conectados a ellos. Es así que la
disquetera es conectada a través de un FDC (Floppy
Disk Controller), que en general está integrado en un
MIOC (Multy Input Output Controller).
Todos estos dispositivos son accedidos a través del
BIOS (Basic Input Output Services) que provee la
placa madre del equipo (a través de su ROM), los
cuales
la ROM del controlador
respectivo.
El Sistema Operativo puede proveer soporte de más
alto nivel a estos servicios,
reemplazarlos o
extenderlos. El siguiente esquema presenta una visión
global del IO de un sistema:

interactúan con

© MARIO DROGUETT C.

ESCUELA DE INGENIERÍA

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-2

Evaluación y Afinamiento de Sistemas Computacionales

Apuntes de Clases

A continuación revisaremos parte de la tecnología de
Discos Duros disponible actualmente en el mercado,
incluyendo
de
almacenamiento.

controladores

y

sistemas

9.1.1 Controladores
En la tecnología de controladores de dispositivos
revisaremos tres tipos principales: IDE, EIDE y SCSI.

9.1.1.1 IDE
El controlador IDE permite utilizar sobre el mismo BUS
hasta dos dispositivos, en un esquema Maestro -
Esclavo. Bajo este sistema sólo un disco accede al par
BUS Controlador (técnicamente se habla de Canal) en
un instante de tiempo, y para acceder, el disco
maestro debe ceder el canal al esclavo. IDE sólo
soporta Discos.

© MARIO DROGUETT C.

ESCUELA DE INGENIERÍA

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-3

Evaluación y Afinamiento de Sistemas Computacionales
Se conecta en BUSES ISA o EISA, por lo cual puede
llegar a operar en 32 bits, a 8 MHz. Entregando tasas
de transferencia de hasta 4 Mbyte por segundo.

Apuntes de Clases

Maestro

Esclavo

IDE

ISA o EISA

9.1.1.2 EIDE
Este controlador incluye 2 Canales, su arquitectura
provee soporte para 4 dispositivos, 2 en cada canal en
un esquema Maestro - Esclavo.
Se conecta en BUS LOCAL (VESA o PCI) lo que
permite un acceso a 32 bits (hasta 64 en PCI) de alta
velocidad.
Su tasa de transferencia alcanza hasta 16 Mbyte por
segundo. Provee PIO/DMA (Physical Input Output /
Direct Memory Access) para accesos masivos a alta
velocidad. Los dispositivos pueden ser IDE o EIDE.
EIDE soporta sólo Discos.

© MARIO DROGUETT C.

ESCUELA DE INGENIERÍA

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-4

Evaluación y Afinamiento de Sistemas Computacionales

Apuntes de Clases

Maestro

Esclavo

Maestro

Esclavo

EIDE

ISA, EISA,
VESA o PCI

9.1.1.3 SCSI
SCSI (Small Component System Interface) opera en
un canal base sobre el cual pueden existir hasta 7
dispositivos (el controlador es uno de los dispositivos
del canal).
Existen múltiples variaciones sobre un patrón base,
como características de los proveedores, por ejemplo,
existen controladores bi canal que soportan hasta 13
dispositivos (el mismo controlador es dispositivo en
ambos canales. Las tasas de transferencia van desde
los 1.5 Mbyte/s a los 20 Mbyte/s.
El controlador SCSI soporta disqueteras, CD ROMS,
Arreglos de Discos, SCANNERS, Unidades de
Respaldo (DAT, CARTRIDGE, Etc.), y Discos con
interfaz SCSI.

© MARIO DROGUETT C.

ESCUELA DE INGENIERÍA

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-5

Evaluación y Afinamiento de Sistemas Computacionales
La
las
características de los controladores SCSI.

siguiente

tabla

resume

Apuntes de Clases

principales

Transferencia Otros

Decae al
aumentar
el N de
dispos.

8 Bits
NARROW,
16 Bits
WIDE.

Soporte
para + de 7
dispos. por
canal.

Denominación BUS
SCSI I

8 Bits 1.5 MBYTE/S

SCSI II

8 a 16 10 a 20 MB/S

FAST SCSI II

8 a 16 10 a 20 MB/S

SCSI III

8, 16 y
32 Bits

La siguiente figura presenta un esquema de BUS
SCSI.

© MARIO DROGUETT C.

ESCUELA DE INGENIERÍA

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-6

Evaluación y Afinamiento de Sistemas Computacionales

Apuntes de Clases

Terminador

ID 1

ID 3

ID 5

ID 2

ID 4

ID 6

ID 7

HOST SCSI

ISA, EISA,
VESA o PCI

9.1.2 Discos Magnéticos
La tecnología de discos magnéticos ha tenido poca
variación en los últimos años.
Básicamente, un disco esta formado por uno o más
platos concéntricos sobre un eje común. La superficie
de los platos (de material magnético) es recorrida por
un cabezal de lecto escritura por superficie, los cuales
comparten un brazo de posicionamiento.
La siguiente figura muestra un esquema general de
un disco de múltiples platos.

© MARIO DROGUETT C.

ESCUELA DE INGENIERÍA

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-7

Evaluación y Afinamiento de Sistemas Computacionales

Apuntes de Clases

grupo

de

el

cabezas

Para ubicar un dato, el controlador del disco
determina el cilindro dónde este se encuentra (se
llama cilindro al conjunto de pistas concéntricas a que
accede
lectoras
simultáneamente) y desplaza el brazo de cabezales a
esa posición (SEEK).
Luego, espera a que el disco rote (LATENCIA) hasta
que el dato a leer o escribir pasa bajo el cabezal lector
y finalmente opera el dato.
La organización de la información en el disco se
realiza por cilindros, y cada pista de cada cilindro esta
dividida en sectores. Estos sectores son “numerados”
por “columnas” dentro de cada cilindro.
En un mismo plato cada sector esta separado del
contiguo por un mini sector de control, el cual entrega
al hardware del disco información del sector siguiente.

© MARIO DROGUETT C.

ESCUELA DE INGENIERÍA

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-8

Evaluación y Afinamiento de Sistemas Computacionales

Apuntes de Clases

Sector

Pista

Control

Para afinar el acceso eficiente a las “columnas”
consecutivas en una pista se utiliza el concepto de
“espaciamiento entre sectores”.
Dado que al terminar de leer una columna se requiere
tiempo para la transferencia de dicha información, la
columna inmediatamente siguiente ya habría pasado
bajo la cabeza lectora cuando el hardware del disco
estuviera listo para leerla, así sería necesario esperar
una rotación completa del disco para leer la columna
solicitada.
Esto se controla definiendo el número de sectores
entre columnas consecutivas, de modo
tal de
minimizar la espera por rotación del disco.
La tecnología de discos ópticos y magneto ópticos
opera bajo los mismos supuestos, variando sólo el
medio de almacenamiento. En lugar de material
magnético de baja densidad se utiliza material
magnético de alta densidad activado por laser y/o
marcas de alta densidad sobre una superficie plástica.

© MARIO DROGUETT C.

ESCUELA DE INGENIERÍA

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-9

Evaluación y Afinamiento de Sistemas Computacionales
9.2 Configuración del Hardware de I/O.
La idea general es distribuir el trabajo.

Apuntes de Clases

Si el controlador soporta 2 canales, distribuir los
discos del controlador entre los canales.
Si el I/O es crítico, existen arquitecturas como Multibus
II, VMEbus, UltraFastWideSCSI-II y otras que soportan
más de 40 mb/s. Nuevos controladores basados en
fibra entregan caudales mayores.
Los discos envían hasta 6-3 Mb/s a 8bits, 12-6 Mb/s a
16bits.
Parámetros importantes en los discos son:

Seek Time (mínimo, promedio y máximo)
Rotational speed (3.600 RPM y discos nuevos a
7.200 RPM o más)

© MARIO DROGUETT C.

ESCUELA DE INGENIERÍA

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-10

Evaluación y Afinamiento de Sistemas Computacionales

Raw transfer rate

Apuntes de Clases

Otro punto importante, pero sobre el cual existe muy
poco control es la capacidad y eficiencia del disco por
su formato.

• En términos generales, con respecto al disco, lo
más importante es el seek time y el número de
platos.

9.3 Sistemas RAID
Los sistemas RAID corresponden a un "Arreglo
Redundante de Discos Baratos".
Estos están normalmente basad