Systemy operacyjne Studia podyplomowe 2015-2016

Systemy operacyjne
Studia podyplomowe 2015-2016
Wydział Informatyki PB
dr inż. Marcin Czajkowski
Struktury pamięci masowej
Plan wykładu
• Pamięć RAM i ROM, pamięć podręczna (cache) i masowa
• Dostęp do dysku
• Macierze RAID
• System plików
Pamięć RAM
• Pamięć RAM – (ang. Random Access Memory – pamięć o dostępie swobodnym)
pamięć używana do ładowania programów oraz wszystkich danych wprowadzanych
za pomocą klawiatury lub innych urządzeń wejściowych przez użytkownika. Każde
wyłączenie zasilania komputera powoduje jej wyczyszczenie (usunięcie z niej
wszystkich informacji). Oznacza to, że jest to pamięć ulotna
Rodzaje ROM
• Pamięć ROM – (ang. Read Only Memory - pamięć tylko do odczytu)
pamięć nieulotna, w której umieszcza się informacje stałe. W pamięci ROM
zapisywane są fabrycznie wszystkie procedury potrzebne do uruchomienia
komputera i jego obsługi. Procedury te są zapisane w BIOS-ie. Pamięć ROM jest
programowana przez producenta w trakcie procesu produkcyjnego
Pamięć ROM
• PROM – (ang. Programmable ROM) - pamięć programowana przez przepalenie
cieniutkich drucików wbudowanych w strukturę (tzw. "przepalanie połączeń" jest to zapis jednokrotny)
• EPROM – (ang. Erasable Programmable ROM) - pamięć, którą możemy zapisać za
pomocą sygnałów elektrycznych, zaś kasowanie odbywa się poprzez naświetlanie
ultrafioletem
• EEPROM – (ang. Electrically Erasable Programmable ROM) - pamięć kasowana i
programowana sygnałami elektrycznymi. Najpopularniejszy jej rodzaj: pamięć
flash - nazwa wzięła się od szybkości zapisu (rzędu nanosekund)
Pamięć podręczna (cache)
• Pamięć dodatkowa (cache) - dodatkowa pamięć, która jest schowkiem danych
podręcznych dla procesora. Najczęściej przechowywane są w niej dane używane
do obliczeń, co przyczynia się do zwiększenia prędkości pracy komputera
Pamięć Masowa - wprowadzenie
• Pamięci masowe - pamięci trwałe, do długotrwałego przechowywania danych na
nich zapisanych. Należą do nich:
• Nośniki magnetyczne: dyski twarde, dyskietki, pamięć taśmowa (taśmy)
• Nośniki optyczne: wszystkie rodzaje płyt np. CD-R, DVD-RW, BD_ROM itd.
• Pamięć półprzewodnikowa (flash): karty pamięci, dyski SSD, pamięć USB
Pamięć Masowa – nośniki magnetyczne
Struktura dysku:
• Dane przechowywane są na powierzchniach
• Maksimum dwie powierzchnie na talerzu.
• Co najmniej jeden talerz
• Dane znajdują się na koncentrycznych ścieżkach.
• Ścieżki podzielone są na sektory
• Odpowiednie ścieżki na wszystkich powierzchniach tworzą cylinder
• Dane są zapisywane i odczytywane przez głowice.
• Głowice przesuwane są przez napęd krokowy
• Wszystkie głowice przesuwane są jednocześnie
• Dysk z wymiennym lub niewymiennym nośnikiem
Pamięć Masowa – porównanie nośników mag.
Dyskietka vs mały dysk twardy
Pamięć Masowa – napędy optyczne
• Płyta CD-R ma 4 warstwy:
•
•
•
•
Poliwęglanowa warstwa ochronna w postaci plastikowego krążka (A)
Warstwy organicznego barwnika, który ulega stopieniu w momencie zapisu (B)
Warstwy odbijającej złotej lub aluminiowej (C)
Warstwy ochronnej z lakieru (D)
• Płyta CD-RW
• Ptk. (B) zamiast barwnika ma światłoczułą warstwę, która pod wpływem
silnego światła staje się matowa (nie odbija światła i zwraca „zero”)
lub półprzezroczysta (odbija światło od warstwy i zwraca „jeden”
• Płyty DVD – ok 7 krotna większa gęstość zapisu
• Płyty dwuwarstwowe
• Laser może mieć różne długości fal lub kątów nachylenia
Pamięć półprzewodnikowa
• Zalety (dotyczy wszystkich flash tj. SSD, pendrive i kart pamięci)
•
•
•
•
Brak ruchomych części
Zdecydowanie krótszy czas dostępu do danych
Cichsze i odporniejsze na uszkodzenia mechaniczne (np. wstrząsy/upadek)
Większa niezawodność i odporność
• Wady:
• Zdecydowanie droższe
• Brak możliwości zmieniania/nadpisania istniejących plików!!!
• Aktualizacja wymaga stworzenia kopii zapasowej (strata pamięci)
• Kasowanie znacznie dłuższe niż zapis/odczyt gdyż dokonuje się gdy blok pamięci jest wolny od innych plików (ew. przenoszenie)
• Ilość cyklów zapisów danych ograniczona (5-100 tysięcy) zaś odczyt dowolny
Pamięć flash – ciekawostki
• Prędkości pamięci USB:
• Przykładowo najnowsze USB 3.1 (2 gen.) przegra 50 GB dysk Blu-Ray w 38 sekund
• Dostęp do danych – stronicowanie pamięci
Planowanie dostępu do dysku
• Czas dostępu do danych na dysku zależy od trzech składowych:
• czasu potrzebnego na ustawienie głowicy nad odpowiednią ścieżką,
nazywanego czasem przeszukiwania (ang. seek time),
• czasu oczekiwania na pojawienie się pod głowicą odpowiedniego sektora
nazywanego czasem oczekiwania (ang. latency time)
• czasu poświęconego na transfer informacji, nazywanego czasem przesłania.
Najbardziej znaczącą (i jedyną na którą możemy mieć wpływ) jest składowa
związana z czasem przeszukiwania. Metody dostępu pozwalają zminimalizować
ten czas.
Metody przeszukiwania
• FCFS – odpowiednik FIFO (słabe rezultaty, długie poszukiwania i może
popsuć głowicę)
• SSTF (shortest seek-time-first) wybieramy te zlecenia, które położone
są na ścieżce najbliżej bieżącego położenia głowicy (może zagładzać)
• SCAN – jednostajne poruszanie się po całej głowicy i co wpadnie to
jest realizowane (jak dojdzie do końca talerza to zmienia kierunek)
• Inne: C-SCAN, LOOK, C-LOOK, kolejki sektorów
• Więcej info – wykład oryginalny
Efektywność i niezawodność (macierze RAID)
• Wydajność procesorów wzrasta wykładniczo.
• W przypadku dysków nie jest to prawdą.
• Czas dostępu jest ograniczony przez mechanikę dysku
• Niezawodność dysków nie jest wysoka.
• Nic dziwnego, dysk ma miliony sektorów.
• Rozwiązanie: wykorzystaj kilka dysków
• Dane przesyłane równolegle z wielu dysków
• Dane zapamiętane w paskach (ang. Stripe).
• Bit parzystości na dodatkowym dysku.
• Technika nosi nazwę RAID (ang. redudant array of independent drives).
Typy macierzy RAID
• raid 0 podział bloków na paski rozmieszczone na kilku dyskach
• raid 1 podział na paski i zdublowanie każdego dysku
• raid 2 podział odbywa się na poziomie bajtów; na każdym dysku zapisywany jest jeden bit słowa
opatrzonego kodem detekcyjno-korekcyjnym Hamminga; wymaga dużej liczby dysków i
synchronizacji ich głowic,
• raid 3 uproszczona wersja RAID 2, w której do każdego słowa dołączany jest bit parzystości,
zapisywany na wyznaczonym do tego dysku,
• raid 4 jak wyżej, ale parzystość jest obliczana na poziomie pasków, nie wymaga synchronizacji,
• raid 5 paski parzystości nie są przechowywane na pojedynczym dysku, a zapisywane z przeplotem
(ang. interleaving), czyli rozproszone po wszystkich dyskach macierzy.
Niektóre poziomy macierzy RAID mogą być ze sobą kombinowane.
• Więcej info – wykład oryginalny
Jednostki pamięci
• Bit - (ang. binary digit - cyfra dwójkowa) najmniejsza jednostka
(porcja) informacji. Może zawierać jedną z dwóch wartości: 0 lub 1
• Bajt - (ang. byte) liczba złożona z 8 bitów. Oznaczana symbolem B
•
•
•
•
•
•
•
Do wyrażenia dużych pojemności pamięci używamy wielokrotności jednostki bajt (B):
1 kB (kilobajt) = 1024 B
1 MB (megabajt) = 1024 kB
1 GB (gigabajt) = 1024 MB
1 TB (terabajt) = 1024 GB
1 PB (petabajt) = 1024 TB
1 EB (exabajt) = 1024 PB
Jednostki transmisji danych
• Bit na sekundę - jednostką przesyłania danych jest bit na sekundę. Zapisywana
najczęściej jako bps (ang. bit per second) lub b/s
• Do wyrażenia dużych szybkości transmisji używamy wielokrotności jednostki bps:
• kb/s (kbps) - kilobity na sekundę
• Mb/s (Mbps) - megabity na sekundę
• Gb/s (Gbps) - gigabity na sekundę
• Jeżeli prędkość przesyłu jest podana w bajtach, należy ją podzielić przez 8
• np. 256 kb/s = 32 kB/s