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.

Capacità = facce × tracce per faccia × settori per traccia × byte per settore.

Tempo di accesso

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

• 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: 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.

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).

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

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.