Sistemas Operacionais

Si t

O

i

i

F

RGS

Sistemas Operacionais

c

a

-U

F

Entrada/Saída

Disco magnético

o

rmáti

c

Disco magnético

d

e Inf

o

tituto

d

Ins

t

Aula 23

Introdução

ç



Disco magnético talvez seja o mais importante dispositivo de E/S

 Gerência de memória (área de swap) Si t d i ( i di tó i )  Sistema de arquivos (arquivos + diretórios)



Prós e contras:

 Meio barato de armazenamento permanente

U

FRGS

 Meio barato de armazenamento permanente

 Se comparado com processador e memória apresenta uma velocidade de acesso muito lenta

rmática

-U



Necessidade:

 Otimizar o desempenho do disco visando aumentar a sua largura de banda, i é id d d b f id d

u

to de

Info isso é, quantidade de bytes transferidos por segundo.

1 /201 6 Instit u Sistemas Operacionais I 2 16/1 1

Disco magnético ou disco rígido

g

g

Visão Lógica cilindro

Cabeçote eixo setor Cabeçote r/w U FRGS _Braço Fisicamente: 2 pratos, 4 cabeçotes rmática -U trilha Braço móvel u to de Info trilha

IBM Model DKLA-24320 8944 ili d

1

/201

6

Zonas: Cilindros que possuem mesmo número de setores

Instit

u _{8944 cilindros}

15 cabeçotes 63 setores por trilha

Velocidade linear constante

16/1

1

Formatação de disco: física e lógica

ç

g



Formatação física

 Realizada pelo fabricante do disco

N l t f it id útil d di  Normalmente feita apenas uma vez na vida útil do disco  Consiste em criar setores e trilhas na superfície magnética

Nos setores são colocados informações de identificação

U

FRGS

Nos setores são colocados informações de identificação Assinala os badblocks



Formatação lógica

rmática

-U

ç

g

 Realizada através de comandos do sistema operacional  Cria uma organização de blocos e sua estrutura gerencial

u

to de

Info Sistema de arquivos

 Um disco pode ser formatado logicamente várias vezes

1 /2016 Instit u 4 16/1 1

Acesso a dados



Menor unidade de transferência é um bloco (n setores)



Acessar dado implica localizar trilha, superfície e setor



Dois métodos:

 Método CHS (Cylinder, Head, Sector)

U

FRGS

 Método LBA (Linear Block Addressage)

Tradução do L-CHS (Logical) para P-CHS (Physical)



Discos modernos endereçam blocos sequencialmente

rmática

-U _

Discos modernos endereçam blocos sequencialmente

 Conversão de um bloco para sua localização física

Não é um mapeamento direto por haver setores fisicamente defeituosos e

u

to de

Info

Não é um mapeamento direto por haver setores fisicamente defeituosos e pelo número de setores por trilha não ser constante

 Feito de forma transparente pela controladora de disco

1 /201 6 Instit u Sistemas Operacionais I 5 16/1 1

Fatores de desempenho do disco

p



Fornecido em MB/sec (largura de banda)



Aspectos mecânicos

 Para ler/escrever dados é necessário que o cabeçote de leitura e escrita esteja posicionado na trilha e no ínicio do setor desejados

 Envolve três tempos: busca (seek), latência rotacional e transferência

U

FRGS

p ( )



Aspectos do sistema operacional

 Escalonamento de requisições ao disco

rmática

-U

 Emprego de caches de E/S

 Política de alocação do espaço em disco Mét d tí d d i d d

u

to de

Info Métodos contíguo, encadeado ou indexado

1 /201 6 Instit u Sistemas Operacionais I 6 16/1 1

Tempo de acesso ao disco

p

Trilha Tempo de transferência Tempo de busca (seek) Setor transferência Cabeçote leitura/escrita

t_acesso= t_busca+ t_latência+ t_transf.

U

FRGS

Tempo de latênica

rmática

-U _{•Tempo para posicionar}

o cabeçote no início do bloco a ser lido/escrito •Função da taxa de

•Tempo para a leitura/escrita efetiva dos dados

•Função da quantidade de dados •Tempo para posicionar o

cabeçote na trilha desejada •Função do deslocamento do cabeçote u to de Info 1 /2016 •Função da taxa de

rotação do disco acessados (r/w) e da rotação

C t í ti l i t â i cabeçote C t í ti ló i d di (f t ã i t d Instit u 16/1

1 _{Características exclusivamente mecânicas Características lógicas do disco (formatação, sistemas de}

arquivos, tamanho do bloco) e mecânicas

Tempo de busca (seek)

p

(

)



Influenciado pelo tempo de acionamento, aceleração e

deslocamento do cabeçote até a trilha desejada



Não é linear em função do número do trilhas

 Tempo de identificação da trilha (confirmação)

N lid d i t

t ê

t

d

k

U

FRGS



Na realidade existem três tempos de seek

 seek time: tempo de deslocamento até uma determinada trilha

 head switch time: tempo para acionar o cabeçote de leitura/escrita

rmática

-U  head switch time: tempo para acionar o cabeçote de leitura/escrita

 cylinder time: tempo de deslocamento da trilha i para a trilha i+1



Tempo médio de seek

u

to de

Info

e po éd o de see

 Dado fornecido pelo fabricante e.g.; 5 a 10 ms 1 /2016 Instit u 16/1 1

Tempo de latência rotacional

p



Definido pela velocidade de rotação do motor

 Discos rígidos 5400 RPM, 7200 RPM, 10000 RPM e 15000 RPM



Considera-se o tempo médio

 Não se sabe a posição relativa do cabeçote com a do setor a ser lido  Metade do tempo de uma rotação

U

FRGS

 Metade do tempo de uma rotação

e.g.: 3 ms para um disco de 10000 rpm ( 6 ms uma rotação )

rmática

-U



Disco exemplo:

 512 bytes por setor, 5400 RPM (latência rotacional de 5.55 ms), single track

u

to de

Info (4-5.5 ms read; 4-6.5 ms write), seek time (13 -16 ms read, 14-17 ms write)

1 /201 6 Instit u Sistemas Operacionais I 9 16/1 1

Tempo de transferência

p



Depende da velocidade de rotação do disco e da quantidade de

bytes a serem lidos ou escritos



Expresso por:

b = número de bytes a serem transferidos N = número de bytes em uma trilha R = número de rotações por minuto (RPM)

u

to de

Info

R = número de rotações por minuto (RPM) r = número de rotações por segundo (RPS)

1 /201 6 Instit u Sistemas Operacionais I 10 16/1 1

Exemplo: disco IBM deskstart 180 GXP

p

 Bytes per sector: 512 bytes

 Data zones: 27

 Sector per track: 536 to 1092

 Seek time

 Track to track: 1.1 ms

 Average: 8 5 ms

 Sector per track: 536 to 1092

 Platters: 3

 Tracks per cylinder: 6

 Average: 8.5 ms  Full stroke: 15 ms  Latency time: 4.7 ms U FRGS p y  Cylinders: 70.553  Sectors (total): 361.882.080 y  Buffer size: 8 MB  Rotation speed: 7200 RPM rmática -U

 Total size: 185.283.264.960 bytes

u to de Info 1 /2016 Instit u 16/1 1

Exemplo de tempo de transferência

p

p



Ler completamente, de forma randômica, um arquivo de dados de

160 Kbytes, armazenado em disco com:

C t í ti fí i T 10 10000 RPM (l tê i t 3 )  Características físicas: Tbusca= 10 ms, 10000 RPM (latência rot. = 3 ms)

 Formatação física: 512 bytes por setor, 320 setores por trilha  Formatação lógica: 1 bloco é formado por um setor (512 bytes)

U

FRGS

Formatação lógica: 1 bloco é formado por um setor (512 bytes)

Caso I: Acesso sequencial (16 KB corresponde a 320 setores)

rmática -U Tacesso= 10 ms + 3 ms + 6ms = 19 ms = 0,019s C II A dô i (l it b bl ) u to de

Info Caso II: Acesso randômico (leitura na base um bloco por vez)

Implica realizar 320 posicionamentos do cabeçote

T = 320 x (10 ms + 3 ms + (512/(320*512) * 6 ms)) = 4166 ms = 4 16s 1 /2016 Instit u T_acesso 320 x (10 ms + 3 ms + (512/(320 512) 6 ms)) 4166 ms 4,16s 16/1 1

Estratégias para melhorar o desempenho do disco

g

p

p



Mecânicas

 Trocar o disco por um de melhor desempenho

t d b i l id d t ã e.g.: menor tempo de busca, maior velocidade rotação  Adicionar mais discos físicos ao sistema

Atendimento simultâneo de mais de uma requisição

U

FRGS

Atendimento simultâneo de mais de uma requisição



Software (sistema operacional)

 Otimizar o atendimento a requisições

rmática

-U q ç

Escalonamento do disco

 Empregar cache do subsistema de E/S

Tópico a ser visto

u

to de

Info O acesso aos dados é feito em memória

 Utilizar o sistema de arquivos adequado (alocação de espaço em disco) Minimiza deslocamentos 1 /201 6 Instit u _Minimiza deslocamentos Sistemas Operacionais I 13 16/1 1

Escalonamento do disco

Problema:

 Requisições proveem de diferentes processos e são geradas mais rapidamente do que são atendidas → fila de requisições

rapidamente do que são atendidas fila de requisições

Atendimento pode “quebrar” a ordem de acesso a um arquivo mesmo com um bom mapeamento físico

Solução:

U

FRGS



Solução:

 Reordenar as requisições na fila de pendentes para otimizar o tempo de busca (seek) e latência rotacional

rmática

-U



Objetivos:

 Aumentar a taxa de transferência (rendimento)  Red ir o tempo médio de resposta

u

to de

Info

 Reduzir o tempo médio de resposta

 Ser justo no atender a requisições dos processos (variância)

1 /201 6 Instit u Sistemas Operacionais I 14 16/1 1

Políticas de escalonamento do disco



Otimização de busca

 FIFO ou FCFS

SSTF (Sh t t S k Ti Fi t)  SSTF (Shortest Seek Time First)  Scan (elevador) e suas variações



Otimização rotacional

U

FRGS



Otimização rotacional

 SLTF (Shortest Latency Time First)  SPTF (Shortest Positioning Time First)

rmática -U ( g ) u to de Info 1 /2016 Instit u 16/1 1

First Come, First Served (FCFS)

,

(

)



As requisições são atendidas na sua ordem de chegada

• Prós:

• Simples de executar

U

FRGS

• Justo: requisições são atendidas na ordem

• Contras:

rmática

-U Contras:

• Padrão de busca aleatório (movimentação mecânica)

u

to de

Info _{Cabeçote percorre 640 trilhas} • Comportamento ruim sob carga

altas (fila de requisição grande)

1 /201 6 Instit u 16/1 1

Shortest Seek Time First (SSTF)

(

)



Seleciona a requisição com o menor tempo de seek em relação a

posição atual do cabeçote de leitura/escrita

• Prós:

• Redução do tempo de busca (maior di t )

U

FRGS

rendimento)

• Tempo médio tende a ser mais baixo • Contra:

rmática

-U Contra:

• Não garante justiça ( ”fura” a fila ) • Postergação indefinida

u

to de

Info • Variância alta (ruim para sistema

interativos, aceitável para sistemas batch)

Cabeçote percorre 236 trilhas

1 /201 6 Instit u Sistemas Operacionais I 17 batch) 16/1 1

Scan (elevador)

(

)



Atende requisições em uma direção

 Muda de direção ao atingir os cilindros mais interno ou mais externo D fi i ã d di ã f i l (fi ité i SSTF)

 Definição da direção preferencial (fixa ou critério SSTF) • Prós

Of b t édi d

U

FRGS

• Oferece bons tempos médios de resposta

• Bom rendimento

rmática

-U

• Contra

• Na inversão de sentido tende haver i i õ já t ilh

u

to de

Info _{Cabeçote percorre 208 trilhas} poucas requisições já que as trilhas _{foram recentemente visitadas}

1

/201

6

Se uma requisição chega logo na frente da direção do

Instit

u

Sistemas Operacionais I 18

16/1

1 _{cabeçote ela é atendida na sequência, senão tem que}

esperar a volta.

C-SCAN



Variação do algoritmo de SCAN com as requisições sendo atendidas

apenas em um sentido da varredura

C f t l it d i tid l d i d i ã ã  Compensa o fato que na leitura nos dois sentidos, logo depois da inversão não

há quase requisições para atender

 Uniformiza o tempo de espera das requisições

U

FRGS

p p q ç



Ao final da varredura o cabeçote é reposicionado no início do disco

 Fornece uma visão lógica onde o disco é tratado como uma fila circular

rmática

-U



Outra variação: escalonamento LOOK

 O braço não vai até o final do disco, mas sim até a posição da trilha mais

d i i id d d

u

to de

Info extrema correspondente a requisição no sentido da varredura

1 /2016 Instit u 16/1 1

Otimização rotacional: estratégias combinadas

ç

g

Di i t d k tá d d d d

 Discos mais novos o tempo de seek está na ordem de grandeza da

latência rotacional

 SLTF – Shortest Latency Time First

 Reordena o atendimento de requisições de um mesmo cilindro em função do atraso rotacional mais curto.

 SPTF – Shortest Positioning Time First

U

FRGS

 Reordena requisições considerando a soma do tempo de seek com a latência  Variação: Shortest Access Time First (SATF)

Reordena as requisições considerando a soma do tempo de seek e de

rmática

-U _{transferência} q ç p

 Ambas são implementadas organizando a fila de requisições por blocos (n

setores) de acordo com a política usada (SLTF ou SPTF)

u

to de

Info  Normalmente é feito na controladora do disco, não pelo sistema operacional

1 /2016 Instit u 16/1 1

RAID: Redundant Array of Independent* Disks

y

p



Conjunto de discos rigídos visto pelo sistema operacional como um

único disco lógico



Definição de 5 níveis (original)

 RAID 1, RAID 2, RAID 3, RAID 4 e RAID 5

Diferentes capacidades de desempenho e confiabilidade

U

FRGS

Diferentes capacidades de desempenho e confiabilidade

 Padrões posteriores: níveis RAID 0, RAID 6 e combinações (RAID 1+0 e 0+1)



RAID pode ser implementado por software ou por hardware

rmática

-U 

RAID pode ser implementado por software ou por hardware



Agrupamento de discos (JBOD – Just a bunch of disks)

 Difere de RAID por não prover desempenho e confiabilidade

u

to de

Info

Difere de RAID por não prover desempenho e confiabilidade

*Na proposta original no artigo de David Patterson Garth Gibson e Randy Katz o “I” era de inexpensive

1 /201 6 Instit u Sistemas Operacionais I 21

*Na proposta original, no artigo de David Patterson, Garth Gibson e Randy Katz, o I era de inexpensive.

16/1

1

Implementação de RAID

p

ç



RAID em software:

 Diferentes partições (discos lógicos) compõem um único disco RAID é f it l d i d di ( ft )

 RAID é feito pelo driver de disco (software)

 Normalmente implementa RAID nível 1 e RAID nível 5



RAID em hardware:

U

FRGS



RAID em hardware:

 Diferentes discos físicos são organizados de forma a compor um disco lógico  Organização é configurada e gerenciada pelo controlador de disco RAID

rmática

-U g ç g g p

 Controlador realiza a geração das informações de redundância (firmware)  Implementa todos os níveis de RAID

u to de Info 1 /201 6 Instit u Sistemas Operacionais I 22 16/1 1

RAID: Princípio de funcionamento

p



Dividir os dados de uma operação de E/S em vários discos fazendo

as operações em paralelo

A l lt t d t f ê i  Acelerar o acesso e alta taxa de transferência

 A unidade de divisão é o strip e pode ser setor, bloco ou trilha

U

FRGS strip _disco

rmática

-U



Inserir redundância da informação para obter confiabilidade

registro stripe

p _disco

u

to de

Info  Redundância é inserida em porção de disco (extra) e não em setores como é

o caso dos FEC (Forward Error Correction)

 Não há sobrecusto de tempo porque dados e redundância podem ser

1

/2016

Instit

u Não há sobrecusto de tempo porque dados e redundância podem ser

acessados em paralelo

16/1

1

RAID nível 0



Faz apenas striping



Não inclui redundância



Fornece alta taxa de transferência



Problema é falta de confiabilidade

U FRGS rmática -U u to de Info 1 /2016 Instit u 16/1 1

RAID nível 1



Faz espelhamento (mirroring)



Redundância de 100%



Não melhora a taxa de escrita, apenas a de leitura

 Dados podem ser lidos em paralelos nos diferentes discos

U FRGS rmática -U u to de Info 1 /201 6 Instit u Sistemas Operacionais I 25 16/1 1

RAID nível 2



A unidade de striping é o bit

 Oito superfícies para gravar um byte



Redundância é inserida em unidades adicionais (discos)

 Código de Hamming (detecção e correção de erros)

U id d d di

d

i

t i

i d

U

FRGS



Unidades de disco devem ser rigorosamente sincronizadas

 Não encontrado em unidades comerciais

1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 (nibble superior apenas)

rmática -U ( p p ) u to de Info 1 /201 6 Instit u Sistemas Operacionais I 26 16/1 1

Discos de paridade (Hamming) Discos de dados

RAID nível 3 e RAID nível 4



O RAID 3 é similar ao RAID 2

 Emprega apenas uma unidade para armazenar a paridade P id d d i l t d f il t h d (XOR)  Paridade pode ser implementada facilmente em hardware (XOR)

Letra W : 0101 0111 Pi= b3xor b2xor b1xor bo

U FRGS 0101 ₀ 0 11 01 11 0111 0₁ rmática -U Paridade u to de

Info 

RAID 4 é similar ao RAID 3

 Usa um bloco de dados como unidade de striping invés de bit O di d id d é l i t

1

/2016

Instit

u

 O disco de paridade é um gargalo no sistema

16/1

1

RAID nível 5



Similar a configuração de RAID 4, mas distribui as paridades entre

os discos, ou seja

Nã f di ti ã t di d d d di d id d  Não faz distinção entre discos de dados e disco de paridade



Permite a recuperação dos dados em caso de falha de disco única

U FRGS Paridade rmática -U u to de Info 1 /2016 Instit u 16/1 1

RAID nível 6



Emprega paridade P+Q

 Permite a reconstrução dos dados na presença de falha dupla de discos N d d é ódi d d t ã ã d

 Na verdade é um código de detecção e correção de erros

U FRGS Paridade rmática -U u to de Info 1 /201 6 Instit u Sistemas Operacionais I 29 16/1 1

Outros tipos de RAID

p



RAID 1+0 (RAID 10)

 Espelha um bloco de dados e realiza o striping



RAID 0+1

 Realiza o strip e depois o espelhamento

U FRGS rmática -U u to de Info 1 /201 6 Instit u Sistemas Operacionais I 30 16/1 1

E, por fim, Backup...

, p

,

p



Cópia de segurança

 Baseado em atributo de arquivamento e/ou datas criação/modificação T bé d i d d ó i ló i ( i ã ó i fí i )  Também denominada de cópia lógica (em oposição a uma cópia física) Inicia em um ou mais diretórios especificados e recursivamente copia

todos os arquivos e diretórios criados/modificados desde uma data base

U FRGS q 

Tipos de backup

Tipos de backup

p

p

 Copia todos os arquivos selecionados para o backup  Desmarca atributo de arquivamentoDesmarca atributo de arquivamento

 Incremental

 Copia todos os arquivos criados ou modificados desde o último backup normal ou incremental

U

FRGS

incremental

 Desmarca atributo de arquivamento

 Recuperação: último normal e todos os incrementais

rmática

-U

 Diferencial

 Copia todos os arquivos criados ou modificados desde o último backup normal ou diferencial

u

to de

Info  Não desmarca atributo de arquivamento

 Recuperação: ultimo normal e último diferencial

1 /2016 Instit u 16/1 1

Acaabooouu... (parte teórica)

(p

)

U

FRGS

rmática

-U



Mas vocês ainda tem trabalho pela frente...

 Prova 3: 23 de novembro de 2016

u

to de

Info  Entrega do trabalho 2: 6 de dezembro de 2016

 Prova de recuperação: 14 de dezembro de 2016

 Demonstração dos trabalhos T1 e T2 em 12 de dezembro 2016

1

/201

6

Instit

u _ Demonstração dos trabalhos T1 e T2 em 12 de dezembro 2016

Sistemas Operacionais I 33

16/1

1

Leituras complementares

p



A. Tanenbaum. Sistemas Operacionais Modernos (3

edição),

Pearson Brasil, 2010.

C ít l 9 ã 3 5  Capítulo 9: seção 3.5



A. Silberchatz, P. Galvin; Sistemas Operacionais. (7

edição).

Campus 2008

U

FRGS

Campus, 2008.

 Capítulo 9: seções 9.5 a 9.9



R Oliveira A Carissimi S Toscani; Sistemas Operacionais Editora

rmática

-U

2

01

6



R. Oliveira, A. Carissimi, S. Toscani; Sistemas Operacionais. Editora

Bookman 4

_{edição, 2010}