Fundamentos de E/S y Gestión de Almacenamiento en Sistemas Operativos

Este documento explora los mecanismos esenciales de Entrada/Salida (E/S) y la gestión de almacenamiento en sistemas operativos, detallando desde la interacción del procesador con los dispositivos hasta la estructura y optimización de los discos duros.

E/S por Interrupciones

• El procesador envía la orden de E/S al controlador y no espera a que este se encuentre listo, sino que se dedica a hacer otras tareas hasta que llega una interrupción del dispositivo indicando que este se encuentra listo, momento en que el procesador realiza la transferencia de datos al dispositivo.
• De esta manera, el procesador puede atender a otro proceso mientras se realiza la E/S del proceso actual.
• El Sistema Operativo (SO) asigna a cada dispositivo de E/S un número de interrupción. En caso de activarse simultáneamente varias interrupciones, se atienden según su prioridad.

E/S con Acceso Directo a Memoria (DMA)

• En las dos técnicas anteriores, el procesador es el que hace la transferencia.
• En este caso, es el controlador el que hace la transferencia de datos entre el dispositivo y la RAM e interrumpe a la CPU solo cuando haya terminado la operación completa de E/S.
• La CPU solo se ve involucrada al inicio y al final.
• Requiere una memoria dentro del controlador para superar problemas de velocidad.
• Supone una mejora significativa frente a las técnicas anteriores.

Componentes de un Disco Duro

• Unidad de discos (platos)
• Material de soporte
• Cabezal de lectura/escritura
• Motor de accionamiento del eje o de rotación de la unidad
• Motor de impulsos o de posicionamiento de los cabezales
• Tarjeta controladora
• Pistas, sectores, cilindros (componentes lógicos)

Organización Lógica del Disco Duro

• El disco está organizado en platos, y estos a su vez se dividen en círculos concéntricos denominados pistas.
• Los cabezales se mueven desde la pista más externa a la más interna.
• Las pistas están formadas por sectores.

Cálculo de la Capacidad del Disco

La capacidad total de un disco duro se calcula mediante la siguiente fórmula:

Número de caras * Número de pistas * Número de sectores * Número de bytes por sector

Tiempos de Acceso en Discos Duros

Para entender el rendimiento de un disco duro, es crucial conocer los diferentes tiempos involucrados en el acceso a los datos:

Tiempo de Búsqueda

Es el tiempo que se tarda en mover los cabezales de lectura/escritura de una pista a otra.

Tiempo de Latencia

Es el tiempo medio que tardan los datos en llegar debajo del cabezal una vez que este se ha posicionado en la pista.

Tiempo de Acceso Total

El tiempo de acceso total (t_acceso) se calcula como la suma de:

• t_posicionamiento (tiempo de búsqueda)
• t_latencia
• t_transferencia

Es decir: t_acceso = t_posicionamiento + t_latencia + t_transferencia

El tiempo de transferencia para un sector depende directamente de la velocidad rotacional del disco (medida en RPM) y del tamaño del sector.

Otros factores que influyen significativamente incluyen:

• El tiempo de respuesta de la interfaz controladora (por ejemplo, IDE, SCSI).
• La existencia de una memoria caché en la controladora.
• La velocidad del bus al cual la interfaz se conecta.

Planificación de Disco

Es el método mediante el cual el Sistema Operativo (SO) decide el orden en que se van a enviar las peticiones de lectura y escritura al disco.

Su objetivo principal es reducir los tiempos de acceso en las operaciones de lectura y escritura de datos.

Algoritmos de Planificación

• FCFS (First-Come, First-Served)
• SSTF (Shortest Seek Time First)
• SCAN (Elevator Algorithm)
• C-SCAN (Circular SCAN)
• LOOK
• C-LOOK