Memoria esterna - dischi, RAID e memorie ottiche

Disco magnetico

• Piatti rotanti ricoperti di materiale magnetico; ogni piatto ha due facce, ognuna con una testina di lettura/scrittura montata su un braccio. Le testine sono tutte sullo stesso braccio e si muovono insieme. Nella tecnologia Winchester la testina "vola" a pochissima distanza dalla superficie, senza toccarla, in un contenitore sigillato.
• Ogni faccia è divisa in tracce concentriche, ogni traccia in settori (unità minima di lettura/scrittura, tipicamente 512 byte o 4 KB). La formattazione aggiunge a ogni settore intestazione, sincronizzazione e codici di controllo.
• Cilindro: l'insieme delle tracce nella stessa posizione su tutte le facce. Dati su un cilindro si leggono senza spostare il braccio, e con le testine in parallelo.

Formula (capacità di un disco). Capacità = facce × tracce per faccia × settori per traccia × byte per settore.

Esempio. $2$ facce, $1000$ tracce per faccia, $100$ settori per traccia e $512$ byte per settore danno $2\cdot1000\cdot100\cdot512=102\,400\,000$ byte.

Tempo di accesso

Formula (tempo di accesso al disco)

$$T_{accesso} = T_{seek} + T_{latenza} + T_{trasf}$$

• Posizionamento (seek): portare la testina sulla traccia; dato del disco (valore medio).
• Latenza rotazionale: attesa che il settore passi sotto la testina; in media mezzo giro: $$T_{latenza} = \frac{1}{2} \cdot \frac{60}{\text{giri al minuto}} \cdot 1000 \ \text{ms}$$
• Trasferimento di $D$ byte su una traccia di $N$ byte (frazione di giro): $$T_{trasf} = \frac{D}{N} \cdot T_{giro}$$

Esempio. A $7200$ giri/min la latenza rotazionale media è $\tfrac12\cdot\tfrac{60}{7200}\cdot1000=4{,}17$ ms.

Esempio: 7200 giri/min → $T_{giro} = 60/7200$ s $= 8{,}33$ ms, latenza $4{,}17$ ms. Con tracce da 256 KB, trasferire 64 KB richiede $\frac{64}{256} \cdot 8{,}33 = 2{,}08$ ms. Con seek 8,5 ms: $T = 8{,}5 + 4{,}17 + 2{,}08 = 14{,}75$ ms. Se gli stessi dati sono distribuiti su un cilindro di 8 facce lette in parallelo, il trasferimento si divide per 8: $T = 12{,}93$ ms. Svolto in Esercizio 17 · tempo di accesso su traccia e su cilindro a 7200 giri.

Il posizionamento e la latenza dominano: leggere dati contigui è molto più efficiente che leggerli sparsi.

Scheduling delle richieste

Con più richieste in coda, l'ordine in cui servirle cambia lo spostamento totale del braccio.

Definizione (scheduling del disco: FCFS, SSTF e ascensore)

Algoritmo	Regola	Caratteristiche
FCFS (FIFO)	ordine di arrivo	equo, spesso il più lento
SSTF (shortest seek time first)	la richiesta più vicina al cilindro attuale	spostamento minimo, ma può far attendere a lungo le richieste lontane e fa molte inversioni
ascensore (SCAN)	continua nella direzione corrente servendo le richieste che incontra, inverte quando non ce ne sono più	poche inversioni del braccio (meno usura meccanica), buone prestazioni

Esempio. Con la testina sul cilindro $50$ e richieste $90,52,10,55$ (in ordine di arrivo) FCFS percorre $40+38+42+45=165$ cilindri, SSTF ($52,55,90,10$) percorre $2+3+35+80=120$.

Esempio numerico in Esercizio 14 · algoritmi di scheduling del disco.

RAID

Redundant Array of Independent Disks: più dischi visti dal sistema operativo come uno solo, per prestazioni (accessi paralleli) e affidabilità (ridondanza).

Proprietà (parità e ricostruzione nel RAID). La parità permette la ricostruzione: se un disco si guasta, ogni suo blocco è lo XOR dei blocchi corrispondenti degli altri dischi.

Esempio. Con blocchi $1010$, $0110$, $1111$ la parità è $0011$; se il secondo disco si guasta, $0110=1010\oplus1111\oplus0011$.

SSD

Memoria flash (vedi Memoria principale a semiconduttoreCella di memoria e operazioni; RAM dinamica (condensatore, refresh) e statica (flip-flop), confronto; ROM, PROM, EPROM, EEPROM e flash; organizzazione dei chip e dei moduli con calcolo di linee di indirizzo e numero di chip; DRAM sincrona e DDR; errori e codici di correzione.Memoria principale a semiconduttore →): nessuna parte meccanica, quindi niente posizionamento né latenza rotazionale; accesso in decine di µs. Le celle sopportano un numero limitato di cancellazioni: il controllore distribuisce le scritture (wear leveling).

Memorie ottiche e nastri

• CD-ROM: una sola traccia a spirale; i dati sono incisi come pit (avvallamenti) e land (zone piane) e letti da un laser dalla variazione della luce riflessa; velocità lineare costante (il disco gira più piano verso l'esterno); circa 650–700 MB. CD-R scrivibili una volta, CD-RW riscrivibili.
• DVD: laser a lunghezza d'onda minore, tracce più fitte, più strati e due facce: da 4,7 a 17 GB. Blu-ray: fino a 25 GB per strato.
• Nastro magnetico: accesso sequenziale, costo per bit bassissimo; usato per archivi e backup.

Errori tipici

• Usare il tempo di un giro intero come latenza: la latenza media è mezzo giro.
• Dimenticare di convertire i giri al minuto in giri al secondo (diviso 60).
• Usare $10^9$ invece di $2^{30}$ per i GB nei conti sulle tracce: negli esercizi le capacità sono potenze di 2.