Sistemi Operativi - 11: Memoria di massa

Parte V: Gestione della memoria di massa

• La parte V si occupa della gestione della memoria di massa.
• La parte VI riguarda il File System.

Parte VI: File System

• La memoria di massa (capitolo 11) è trattata.
• L'interfaccia del File System (capitolo 13).
• La realizzazione del File System (capitolo 14).

11 Memoria di massa (memoria secondaria)

• Struttura del disco rigido (hard disk).
• Scheduling del disco rigido.
• Gestione dell'area di swap.
• Sistemi RAID
• Memorie a stato solido.

11.1.1 Struttura del disco rigido

• Un hard disk (HD) è costituito da una serie di dischi (piatti) sovrapposti.
• I piatti hanno un diametro compreso tra 4,5 e 9 cm.
• Ogni piatto è suddiviso in tracce circolari concentriche.
• Ogni traccia è suddivisa in settori.
• L'insieme di tracce nella stessa posizione su diversi piatti definisce il cilindro.
• Un braccio del disco supporta una testina di lettura/scrittura per ogni piatto.
• Le testine si muovono tutte insieme, spostandosi su vari settori del piatto corrispondente.
• Il funzionamento è simile al braccio di un giradischi.
• Lo schema dell'hard disk con testine mobili è mostrato nelle figure 11.1 e 11.2.

11.1.1 Struttura del disco rigido (cont.)

• I settori sono le unità minime di memorizzazione delle informazioni.
• Fino al 2010, la dimensione standard era di 512 byte, ma ora molti produttori usano settori fino a 4 KB.
• Ogni settore memorizza un blocco di dati.
• I piatti ruotano tutti insieme, con velocità comprese tra 5400 e 15000 RPM (giri al minuto).
• Una testina può leggere/scrivere un settore solo quando questo si trova esattamente sotto la testina stessa.
• Il tempo di accesso ad un settore dipende da due componenti principali:
  • Seek time (tempo di posizionamento): tempo impiegato per spostare la testina sulla traccia con il settore richiesto.
  • Rotational latency (latenza rotazionale): tempo richiesto per il piatto con il settore interessato che ruoti portando il settore sotto la testina.
• I tempi di accesso sono sempre dell'ordine di qualche millisecondo.

11.1.5 Mappatura degli indirizzi

• Un hard disk può essere visto come un array unidimensionale di blocchi logici di 512 (e più di recente 4096) byte, la più piccola unità di trasferimento dati.
• Ogni settore contiene un blocco logico.
• L'array unidimensionale di blocchi logici è tradotto in settori del disco sequenzialmente.
• Il settore 0 rappresenta il primo settore della traccia più esterna del primo piatto.
• I settori successivi sono numerati consecutivamente.
• La mappatura blocchi logici → settore disco è complicata dai difetti di fabbricazione e dalle diverse lunghezze delle tracce.
• Il numero di settori per traccia non è costante; è maggiore nelle tracce più esterne.

11.2 Scheduling dei dischi rigidi

• Il sistema operativo (SO) riceve richieste di accesso a dati sul disco e deve organizzarle per ottimizzare le prestazioni.
• Il SO non può influenzare la latenza rotazionale del disco, che è mediamente pari a 1,5 volte il tempo di una rotazione completa.
• Il SO può minimizzare il seek time medio riordinando le richieste in modo che le testine si debbano muovere il meno possibile.
• Vi sono diversi algoritmi di scheduling, come ad esempio FCFS e C-SCAN.

11.2.1 Scheduling FCFS

• Coda delle richieste: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
• In tutto la testina attraversa 640 tracce.
• Invece di trattare 122-14-124, era meglio fare 122-124-14.

11.2.3 C-SCAN (Circular SCAN)

• Fornisce tempi di attesa più uniformi rispetto ad altri algoritmi, ma non garantisce il minimo tempo medio di attesa.
• La testina si muove da un estremo all'altro del piatto servendo le richieste.
• Quando raggiunge l'estremità ritorna immediatamente all'inizio senza servire richieste.
• Tratta i settori/cilindri come una lista circolare.

11.5.1 Formattazione del disco

• Un disco, prima dell'uso, necessita di una formattazione a basso livello (formattazione fisica).
• Questa formattazione (di solito fatta dal produttore dell'HD) assegna un numero ad ogni settore e predispone uno spazio per il codice di correzione degli errori.
• Durante la formattazione fisica, si può scegliere la dimensione dei blocchi fisici (512/4096 byte per settore).

11.5.1 Formattazione dell'HD (cont.)

• Il SO esegue una formattazione logica per creare e gestire il file system.
• Si crea l'elenco dei blocchi liberi e una directory iniziale.
• Si riservano aree per il SO, come il boot block (blocco di avviamento) e l'area che contiene gli attributi dei file.

11.5.1 Il blocco di avviamento (boot block)

• Il boot block contiene il codice necessario per avviare il sistema operativo.
• All'accensione, un piccolo programma nella ROM istruisce il controller del disco per caricare il boot block nella RAM.
• Il controllo passa al codice del boot block, che carica l'intero sistema operativo dal disco.

11.6 Gestione dell'area di swap

• L'area di swap è l'area riservata dal SO durante la formattazione logica dell'HD.
• Può essere gestita come un file grande all'interno del file system (come in Windows, nel file pagefile.sys).
• In alternativa, può essere una partizione separata dell'HD, trattata con strategie di allocazione diverse per massimizzare la velocità di accesso.
• L'allocazione dei blocchi può essere contigua per evitare la ricerca dei blocchi liberi in memoria secondaria.

11.6 Gestione dell'area di Swap(cont.)

• È preferibile sovradimensionare l'area di swap per garantire la disponibilità immediata di spazio libero.
• In Solaris, si consiglia di usare un'area di swap pari alla differenza tra spazio di indirizzamento logico e fisico.
• Linux suggerisce un'area di swap doppia rispetto alla RAM.
• Per sistemi multipli, si può prevedere un'area di swap per ciascun disco per bilanciare il carico di lavoro.

11.8 Sistemi RAID

• Un HD (o SSD) è più lento del processore e della RAM.
• Il guasto di un hard disk è potenzialmente dannoso e può compromettere tutti i dati.
• Un sistema RAID è una configurazione di memoria secondaria che aumenta le prestazioni e l'affidabilità di più hard disk.
• In generale, il sistema RAID viene usato in settori dove la sicurezza dei dati è fondamentale (es: finanza, banche)

11.8 Sistemi RAID (cont.)

• Il concetto di RAID è stato introdotto nel 1988 da Patterson, Gibson e Katz.
• L'acronimo originale era Redundant Array of Inexpensive Disks (RAID), successivamente ridefinito come Redundant Array of Independent Disks (RAID).
• Il concetto è simile alla contrapposizione RISC/CISC.
• Un sistema RAID è composto da più dischi (un array di dischi) e viene gestito in modo da essere visto come un unico dispositivo dal sistema operativo.

11.8 Sistemi RAID (cont.)

• L'idea centrale di un sistema RAID si basa su:
  • Distribuire l'informazione su più dischi per parallelizzare l'accesso e migliorare le prestazioni.
  • Duplicare l'informazione su più dischi per permettere il recupero in caso di guasto di uno dei dischi.

11.8 Sistemi RAID (cont.)

• Esistono diversi livelli RAID, con funzionalità e prestazioni differenti.
• I livelli più utilizzati sono RAID 0, RAID 1, RAID 01, RAID 4 e RAID 5.
• RAID 0: non implementa alcuna ridondanza e utilizza lo striping per migliorare le prestazioni ma con un'affidabilità minore.
• RAID 1: implementa la mirroring, duplicando i dati su più dischi per una maggiore affidabilità.
• RAID 0+1 (o 01): combina striping e mirroring.
• Raid 5: combina lo striping con una parità distribuita

11.8.x RAID Livello 0 (block striping)

• I dischi sono uniti a formare un array.
• I dati sono separati e distribuiti tra tutti i dischi.
• Il RAID livello zero non implementa alcuna ridondanza o duplicazione dei dati.
• Maggiore velocità rispetto ai sistemi non RAID
• Minor affidabilità

11.8.x RAID Livello 1 (mirroring)

• Ogni blocco di dati su un disco viene duplicato su un altro disco.
• Il risultato è maggiore affidabilità.
• Il costo del livello 1 è maggiore visto che ogni dato è presente su due dispositivi di memorizzazione.
• In caso di guasto su uno dei dispositivi si può recuperare lo stesso dato dall'altro disco identico

11.8.x RAID Livello 0+1 (o 01) (striping+mirroring)

• Combinazione di RAID livello 0 e RAID livello 1.
• Migliora sia le prestazioni grazie allo striping che l'affidabilità grazie al mirroring.
• Maggiori costi rispetto a RAID 0 and RAID 1

11.8.x RAID Livello 4 (striping con parità)

• Si usa lo striping a livello di blocco e si calcola uno strip di parità per ogni strip di dati.
• Un disco memorizza gli strip di parità che si trovano nelle medesime posizioni degli altri dischi

11.8.x RAID Livello 5 (striping con parità distribuita)

• Funziona come RAID 4 ma il carico sul disco di parità viene distribuito.
• Questo rende più complessa la ricostruzione del contenuto se un disco si rompe.
• Fornisce una buona combinazione di prestazioni, affidabilità e capacità di memorizzazione

11.8.x RAID Livello 6 (striping + doppia parità distribuita)

• L'ultimo livello RAID può resistere al guasto di due dischi contemporaneamente, ma richiede un disco in più, e maggiore overhead computazionale.
• Questa soluzione è poco utilizzata perché i guasti di due dischi contemporaneamente sono molto rari.

11.1.2 Memorie a stato solido

• Sono memorie permanenti e riscrivibili, basate sulla tecnologia flash.
• Organizzate in pagine da 2 a 16 KB.
• Ogni scrittura o lettura coinvolge un'intera pagina.
• Hanno una limitazione di riscritture per pagina (circa 100.000).
• Le pagine prima di essere riscritte devono essere cancellate. Le operazioni di scrittura sono più lente delle operazioni di lettura.
• Usate come memorie di massa in dispositivi mobili (smartphones, tablet) e spesso come integrazione dei dischi rigidi nei computer portatili.

11.1.2 Memorie a stato solido (cont.)

• Possono sostituire in parte o in toto i dischi rigidi, migliorandone le prestazioni per una maggiore velocità, compattezza e minore consumo energetico.
• Possono essere utilizzate come memoria di sola lettura, memoria di sola scrittura, o memoria di sola lettura e scrittura a seconda dei casi.

11.1.2 Costi delle memorie

• I costi delle memorie a stato solido sono significativamente maggiori di quelle tradizionali (circa 2$/GB per le memorie a stato solido contro 0,09$ per i dischi rigidi).
• La velocità delle memorie a stato solido supera di molto i dischi rigidi, ma rimane simile alla memoria RAM,

Per chi vuole approfondire

• Sezione 11.6: gestione dell'area di swap.
• Sezione 11.7: connessione dei dispositivi di memorizzazione.

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