2 Στοιχεία Hardware H/Υ Αρχιτεκτονική Υπολογιστικού Συστήματος Ιεραρχία μνήμης Μαγνητικοί δίσκοι Οπτικοί δίσκοι Λογική – Φυσική Εγγραφή Απομoνωτικές Μνήμες (Buffers)

Αρχιτεκτονική ενός υπολογιστικού συστήματος

Αρχιτεκτονική ενός υπολογιστικού συστήματος Η επικοινωνία μεταξύ της κύριας μνήμης και των βραδύτερων δευτερευουσών μνημών γίνεται: στα μεγάλα συστήματα με το κανάλι (channel ή I/O processor), στα μικρά συστήματα με το δίαυλο (bus) δεδομένων. Σκοπός είναι η εξομάλυνση του ρυθμού μεταφοράς δεδομένων.

Αρχιτεκτονική ενός υπολογιστικού συστήματος Το κανάλι έχει δική του μνήμη, ενώ η βασική του λειτουργία είναι η μετατροπή των λέξεων της κύριας μνήμης σε bytes και το αντίστροφο. Υπάρχουν δύο ειδών κανάλια: Επιλεκτικό κανάλι που εκτελεί πλήρως το πρόγραμμα που αφορά μια συσκευή πριν να αρχίσει να εκτελεί το πρόγραμμα μιας άλλης. Πολυπλεκτικό κανάλι που εκτελεί ταυτόχρονα τα προγράμματα πολλών δευτερευουσών συσκευών.

Κεφάλαιο 2: Μέσα Αποθήκευσης Ιεραρχία Μνήμης Καταχωρητές (CPU registers) Κρυφή μνήμη (cache memory, SRAM) Προσωρινή αποθήκευση εντολών και δεδομένων που επεξεργάζεται η ΚΜΕ (CPU) – τοπικότητα. Κύρια μνήμη (main memory, DRAM) Μνήμη flash (EEPROM-USB) Electrically Erasable Programmable – ROM. Προγραμματίζεται και διαγράφεται πολλές φορές με ηλεκτρικούς παλμούς.

Ιεραρχία Μνήμης Μαγνητικός δίσκος (magnetic disk, floppy-hard) Αποθήκευση και Προσπέλαση Δεδομένων με βάση την ανάλογη πόλωση του μαγνητικού υλικού (0 ή 1) Οπτικός δίσκος (optical disk, CD-DVD) Αποθήκευση και Προσπέλαση Δεδομένων με δέσμη laser. Μαγνητική ταινία (magnetic tape) Για Αποθήκευση ιστορικών και εφεδρικών αρχείων

Κεφάλαιο 2: Μέσα Αποθήκευσης Βασικά Κριτήρια Μέγεθος – χωρητικότητα (capacity) [σε bytes] Ταχύτητα – χρόνος προσπέλασης (access time) Κόστος – ανά μονάδα δεδομένων Αξιοπιστία – συχνότητα εμφάνισης βλαβών στο μέσο αποθήκευσης Πρωτεύουσα αποθήκευση – DRAM , Cache Δευτερεύουσα αποθήκευση – Δίσκος, Flash Τριτεύουσα αποθήκευση – Μαγνητική Ταινία, Οπτικός Δίσκος

Βασικά Κριτήρια Ευμετάβλητη Αποθήκευση (Volatile Storage) Το περιεχόμενο χάνεται σε περίπτωση απώλειας ισχύος. Μόνιμη Aποθήκευση (non - Volatile Storage) Το περιεχόμενο διατηρείται σε περίπτωση απώλειας ισχύος.

Κεφάλαιο 2: Μέσα Αποθήκευσης Μαγνητικός Δίσκος Το 1956 η IBM κατασκεύασε τον πρώτο δίσκο με την ονομασία RAMAC (random access method for accounting and control) με χωρητικότητα 5 MBytes. Ο RAMAC ήταν αρκετά μεγαλύτερος σε μέγεθος σε σχέση με τους σύγχρονους δίσκους, διότι η σύγχρονη τεχνολογία επιτρέπει την αύξηση του αριθμού των bits που μπορούν να κωδικοποιηθούν ανά μονάδα μαγνη-τικής επιφάνειας, με αποτέλεσμα να αυξάνει η πυκνό-τητα αποθήκευσης (storage density) των δίσκων. Ωστόσο, αν και οι σημερινοί δίσκοι είναι ταχύτεροι, μικρότεροι και αποθηκεύουν περισσότερα δεδομένα, στηρίζονται στις ίδιες τεχνολογικές αρχές που βασίστηκε και ο RAMAC.

Μαγνητικός Δίσκος Με τη μορφοποίηση (format) του Δίσκου από το Λειτουργικό Σύστημα, οι άτρακτοι (tracks) υποδιαιρούνται σε σταθερό αριθμό τομέων (sectors). Κάθε τομέας αποθηκεύει μια ενότητα (block) ή σελίδα (page) δεδομένων.

Κεφάλαιο 2: Μέσα Αποθήκευσης Μαγνητικός Δίσκος Η επικοινωνία μεταξύ μαγνητικού δίσκου και CPU επιτυγχάνεται με τη βοήθεια του ελεγκτή (controller). Ο ελεγκτής είναι υπεύθυνος για την ανάγνωση και την αποθήκευση των δεδομένων. Επίσης, είναι υπεύθυνος για τη διαχείριση των κατεστραμμένων τομέων (bad sectors). Η επικοινωνία μεταξύ δίσκου και CPU γίνεται σε διακριτά στάδια ως εξής:

Κεφάλαιο 2: Μέσα Αποθήκευσης Μαγνητικός Δίσκος Φάση αναζήτησης (seek), Tseek: μετακίνηση των κεφαλών επάνω από την κατάλληλη τροχιά. Φάση περιστροφικής καθυστέρησης (rotational latency), Trot: αναμονή μέχρι ο κατάλληλος τομέας περάσει κάτω από την κεφαλή. Φάση Μεταφοράς (transfer) δεδομένων, Ttrans: η κεφαλή διαβάζει ή γράφει δεδομένα. Ισχύει: Ttotal = Tseek + Τrot + Τtrans

Μαγνητικός Δίσκος Ο δίσκος συνοδεύεται και από μία ενδιάμεση από-μονωτική μνήμη (buffer) για την προσωρινή τοποθέτηση των δεδομένων για μελλοντική ανάγνωση. Σημαντικοί παράμετροι για την αξιοπιστία του δίσκου είναι: μέσος χρόνος μεταξύ των βλαβών (MTBF – Mean Time Between Failures) – Το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο διαδοχικών δυσλειτουργιών του δίσκου, και μέσος χρόνος για αποκατάσταση (MTTR – Mean Time to Repair) – Το χρονικό διάστημα που απαιτείται για την αντικατάσταση του Δίσκου και την επαναφορά των δεδομένων.

CD (Compact Disk - 700 Mbytes) Οπτικός Δίσκος CD (Compact Disk - 700 Mbytes) DVD (Digital Versatile Disk – 27 Gbytes) Ο οπτικός δίσκος (optical disk) χρησιμοποιείται κυρίως για την αποθήκευση προγραμμάτων, αρχείων κειμένου, πολυμεσικών αρχείων (ήχου, μουσικής, εικόνων, ταινιών). Χρησιμοποιούνται επίσης και ως ένας εύκολος τρόπος παραγωγής αντιγράφων ασφαλείας. Δεν συνιστάται για αποθήκευση δεδομένων on-line εφαρμογών.

Οπτικός Δίσκος Διακρίνουμε δύο τύπους: Άλλη διάκριση δίσκων: WORM: write-once read-many [μια εγγραφή – πολλές αναγνώσεις] Rewritable: write-many read-many [Επανεγγράψιμοι] Άλλη διάκριση δίσκων: CAV : constant angular velocity – Μαγνητικοί Δίσκοι (ΜΔ) CLV : constant linear velocity – Οπτικοί Δίσκοι (ΟΔ) Οι οπτικοί δίσκοι περιστρέφονται με σταθερή γραμμική ταχύτητα που είναι συνάρτηση της θέσης του δίσκου, στην οποία προσπελαύνουμε. Στους ΟΔ η πυκνότητα αποθήκευσης δεδομένων είναι σταθερή, ενώ στους ΜΔ έχουμε διαφορετική πυκνότητα στις διάφορες θέσεις του δίσκου.

Κεφάλαιο 2: Μέσα Αποθήκευσης Οπτικός Δίσκος Τα δεδομένα αποθηκεύονται σε σπειροειδή τροχιά από το κέντρο του δίσκου προς τα έξω. Η μορφοποίηση θεωρείται με βάση μία ακτίνα του δίσκου, οπότε μία νοερή άτρακτος βρίσκεται μεταξύ δύο διαδοχικών τομών ακτίνας και σπειροειδούς ατράκτου.

Κεφάλαιο 2: Μέσα Αποθήκευσης Οπτικός Δίσκος Βασικά χαρακτηριστικά της απόδοσης είναι ο χρόνος προσπέλασης και η ταχύτητα μεταφοράς. Συνήθως μετράται με έναν αριθμό, πχ 52Χ, που δηλώνει ότι ένας συγκεκριμένος δίσκος είναι 52 φορές γρηγορότερος από ένα δίσκο αναφοράς. Συστοιχία οπτικών δίσκων (jukebox) είναι μία συσκευή με πολλούς οπτικούς δίσκους που εναλλάσ-σονται με ρομποτικούς μηχανισμούς ανάλογα με τη ζήτηση σε μεγάλες ψηφιακές βιβλιοθήκες. Σημαντικός είναι ο χρόνος εναλλαγής δίσκων στο πλατώ.

Κεφάλαιο 2: Μέσα Αποθήκευσης Λογική Εγγραφή – Φυσική Εγγραφή Η έννοια της εγγραφής, όπως είναι γνωστή από τον προγραμματισμό, στις μαγνητικές ταινίες (ή στους δίσκους) ονομάζεται λογική εγγραφή (logical record) και χαρακτηρίζεται από το αντίστοιχο μήκος. Οι λογικές εγγραφές ομαδοποιούνται σε μικρά σύνολα και αποτελούν μία φυσική εγγραφή (physical record) – ενότητα ή σελίδα με το αντίστοιχο μήκος, η οποία αποθηκεύεται σε ένα τομέα του δίσκου. Επομένως, ένα κενό μεσολαβεί μεταξύ δύο φυσικών εγγραφών.

Κεφάλαιο 2: Μέσα Αποθήκευσης Λογική Εγγραφή – Φυσική Εγγραφή Το πλήθος των λογικών εγγραφών που περιέχεται σε μία φυσική εγγραφή (ενότητα ή σελίδα) λέγεται παράγοντας ομαδοποίησης (blocking factor - Bfr). Η φυσική εγγραφή πρέπει να είναι όσο το δυνατό μεγαλύτερη, ώστε να ελαχιστοποιηθεί το συνολικό μέγεθος των κενών της ταινίας (ή του δίσκου), αλλά ταυτόχρονα πρέπει να χωρά στις απομονωτικές μνήμες.

ΠΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Θεωρείστε ένα αρχείο (πίνακα) με μήκος λογικής εγγραφής 256 bytes. Κάθε ενότητα (block) ή σελίδα στο δίσκο (φυσική εγγραφή) έχει μήκος 512 bytes (Άρα έχουμε 512/256=2. Άρα Bfr=2). Εάν το αρχείο μας έχει 12 λογικές εγγραφές τότε θα χρειαστεί (256×12) / 512 = 6 ενότητες στο δίσκο. Αν υποθέσουμε ότι η φυσική διεύθυνση της πρώτης ενότητας στο δίσκο είναι 10, τότε το αρχείο θα αποθηκευτεί στις ενότητες 10 μέχρι 15 (δηλαδή 10, 11, 12, 13, 14, 15.

Ομαδοποίηση εγγραφών Υποθέτουμε ότι : μονάδα αποθήκευσης είναι ο σκληρός δίσκος, η (λογική) εγγραφή είναι η ελάχιστη λογική μονάδα διακίνησης πληροφορίας, η σελίδα (ή ενότητα) είναι το ελάχιστο φυσικό ποσό δεδομένων που μεταφέρεται μεταξύ του δίσκου και της κύριας μνήμης.

Ομαδοποίηση εγγραφών Παράγοντας ομαδοποίησης (blocking factor - Bfr) είναι ο αριθμός των εγγραφών που χωρούν σε μία σελίδα. Αν υποτεθεί ότι αμελητέο μέγεθος επικεφαλίδας της σελίδας και ότι οι εγγραφές είναι σταθερού μήκους, τότε ο παράγοντας ομαδοποίησης ισούται με: όπου: Β είναι το μέγεθος της σελίδας (σε bytes), R είναι το μέγεθος της εγγραφής (σε bytes)

Ομαδοποίηση εγγραφών Για παράδειγμα: Εάν το μέγεθος μιας σελίδας είναι 4096 bytes και το μέγεθος μιας εγγραφής είναι 256 bytes έχουμε : Bfr = B/R = 4096 /256 = 16 εγγραφές χωρούν σε μια σελίδα.

Διαχείριση απομονωτικής μνήμης Ο σκοπός των απομονωτικών ή ενδιάμεσων μνημών (buffer memories) είναι η ομαλοποίηση της ροής των δεδομένων μεταξύ της γρήγορης κύριας μνήμης και των βραδύτερων περιφερειακών συσκευών, και γενικά διακρίνονται σε δύο τύπους: τις υλικές (hardware buffers), που χρησιμοποιούνται ευρύτατα για τη διαχείριση των ιδιαίτερα αργών περιφερειακών συσκευών, και τις λογισμικές (software buffers), που είναι τμήματα της κύριας μνήμης.

Διαχείριση απομονωτικής μνήμης Οι λογισμικές απο-μονωτικές μνήμες είναι απαραίτητο συστατικό κάθε ΣΔΒΔ. Η απομονωτική μνήμη είναι κομμάτι της κύριας μνήμης όπου τοποθετούνται προσωρινά από το διαχειριστή της απομονωτικής μνήμης τα δεδομένα που έρχονται από το δίσκο μέχρι να γίνει η επεξεργασία τους.