Conceptos Clave de Almacenamiento y Operaciones de E/S

Componentes y Operaciones de Disco Duro

• Cilindro (de un disco duro): Conjunto de pistas en un disco que están directamente encima o debajo de ellas mismas (equidistan del centro).
• Índice (de un archivo de datos): Estructura de datos que mejora la velocidad de las operaciones en una base de datos. Utiliza un identificador único para cada fila de una tabla, permitiendo un acceso rápido a los registros. Se usa en campos donde se realizan búsquedas frecuentes.
• Seek time: Tiempo que tarda el mecanismo en posicionarse en el cilindro adecuado para escribir o leer datos.

Interrupciones y su Gestión

• Interrupt: Señal emitida por hardware o software al procesador, indicando un evento que requiere atención inmediata. Alerta al procesador sobre una condición de alta prioridad que interrumpe la ejecución actual. El procesador responde suspendiendo sus actividades, guardando su estado y ejecutando un «interrupt handler» para lidiar con el evento.
• Ciclo de Interrupción:
  • El programa capta y ejecuta la instrucción.
  • Si las interrupciones están habilitadas, suspende la ejecución y guarda el estado.
  • Carga el PC con la dirección de inicio de una rutina de gestión de interrupción.
  • Ejecuta las instrucciones de interrupción y, al finalizar, vuelve al ciclo anterior en el punto donde se dejó.
  • Aunque implica más instrucciones, el tiempo de ejecución es menor que sin interrupciones.
• Interrupciones Múltiples:
  • Opción 1: Inhabilitar la captación de interrupciones tras la primera. Una vez procesada, se habilitan las restantes y se ejecutan secuencialmente.
  • Opción 2: Priorizar interrupciones. La de mayor prioridad impide la ejecución de las demás. Ejemplo: Impresora (1), Disco (2), Comunicación (3). Una interrupción de Comunicación (3) pausaría una de Impresora (1) y el programa principal.

Compresión de Datos

• Compresión: Codificación de información utilizando menos bits que la representación original.
• Métodos:
  • Estadísticos (Aritméticos): Los caracteres más frecuentes se guardan con menos bits, y los menos frecuentes con más, reduciendo el total de bits. Similar a la codificación ASCII.
  • Diccionario: No se detalla en el texto original, pero generalmente implica reemplazar secuencias repetidas de datos con códigos más cortos.

Técnicas de Búsqueda y Organización de Datos

• Indexing: Tipo de búsqueda que utiliza índices para otorgar múltiples claves a un mismo dato. Permite ubicar datos rápidamente sin revisar todas las filas de una tabla. Cuando el índice es muy grande, se usan Hashing o B-Trees.
• Índices Selectivos: Permiten posicionar un índice y guardar mucha información referente a esa clave. Ejemplo: buscar películas vistas por una persona en 2015. Ventajas: búsqueda rápida. Desventajas: inserción lenta, programación compleja, eliminación costosa.
• Hashing: Función que transforma una clave en una dirección. Minimiza los tiempos de búsqueda. Ventajas: inserción rápida, menos complicado de programar. Desventajas: búsqueda lenta, posible desbalanceo.
• B-Trees: Estructura de datos de árbol que mantiene los datos ordenados y permite búsquedas, accesos secuenciales, inserciones y eliminaciones en tiempo logarítmico. Un nodo puede tener más de dos hijos.
• Búsqueda Binaria: Utiliza un valor de referencia. Si el tamaño del archivo se duplica, el tiempo de búsqueda aumenta en 1.
• Keysorting: Guarda datos grandes en claves (ej. nombre con RRN). Lee archivos secuencialmente, busca datos aleatoriamente y escribe en ese orden.

RAID (Redundant Array of Independent Disks)

• RAID: Conjunto de unidades físicas de disco vistas por el sistema operativo como una unidad lógica. Los datos se distribuyen entre las unidades.
• Niveles:
  • Nivel 0: Datos distribuidos en tiras a través de los discos.
  • Nivel 1: Redundancia mediante duplicación de datos.
  • Nivel 2: Acceso paralelo. Todos los discos participan en cada petición de E/S.
  • Nivel 3: Un solo disco redundante. Acceso paralelo.
  • Nivel 4: Acceso independiente. Tiras grandes.
  • Nivel 5: Distribuye tiras de paridad en todos los discos.
  • Nivel 6: Dos cálculos de paridad. Alta disponibilidad de datos.

Buses

• Bus: Camino de comunicación entre dos o más dispositivos. Constituido por varias líneas para señales binarias.
• Estructura del Bus: 50-100 líneas: datos, direcciones y control.
• Tipos de Buses:
  • Dedicados: Líneas asignadas permanentemente a una función. Ventaja: alto rendimiento. Desventaja: tamaño y costo.
  • Multiplexado: Mismas líneas para diferentes usos. Ventaja: menos líneas. Desventaja: circuitos complejos.
• Método de Arbitraje:
  • Centralizado: Un dispositivo controla la asignación de tiempos.
  • Distribuido: Sin controlador central.
• Temporización:
  • Síncrona: Eventos determinados por un reloj.
  • Asíncrona: Eventos dependen de eventos previos.

Discos Magnéticos y Ópticos

• Disco Magnético: Plato circular con material magnetizable.
• Lectura/Escritura Magnética: Bobina (cabeza) para grabar y recuperar datos.
• Organización de Datos: Pistas (anillos concéntricos).
• Características: Cabeza fija/móvil, portabilidad, caras, platos, mecanismo de cabeza.
• Discos Compactos: CD-ROM, CD grabable, CD regrabable.
• Disco Digital Versátil (DVD): Gran capacidad.

Cintas Magnéticas

• Cinta Magnética: Primer tipo de memoria secundaria. Acceso secuencial rápido.
• Cintas de 9 pistas: Bloques de datos separados por Gaps. Un frame es 1 bit en un track.
• Discos vs Cintas: Discos para almacenamiento secundario, cintas para backups/almacenamiento terciario.

Otros Conceptos

• Clusters: Número de sectores continuos.
• Tiempo de Acceso de un Sector: Tiempo de movimiento del brazo + tiempo de rotación + tiempo de transferencia.
• Técnicas para Reducir el Tiempo de Transferencia: Multiprocessing, Disk Striping, RAID, Disk Cache.
• Compresión de Datos (Técnicas): Notación compacta, Run-length, Código Huffman y de longitud variable (Morse).

Módulos de E/S y Dispositivos Externos

• Módulo de E/S: Interfaz entre procesador/memoria y dispositivos periféricos.
• Dispositivos Externos: Conectados al computador mediante un módulo de E/S. Periféricos.
• Clasificación de Dispositivos Externos: Interacción con humanos, máquinas, comunicación.
• Componentes de un Dispositivo Externo: Datos, señales de estado, lógica de control, transductor.
• Teclado/Monitor: Código IRA.
• Funcionamiento de E/S: Procesador puede acceder a dispositivos de E/S como a memoria. Direct Memory Access (DMA).
• Funciones de un Módulo de E/S: Control y temporización, comunicación con procesador/dispositivos, almacenamiento temporal, detección de errores.
• Órdenes de E/S: Control, Test, Lectura, Escritura.
• Instrucciones de E/S: Asignado en memoria, aislado.
• Canales y Procesadores de E/S: Ejecutan instrucciones de E/S. Tipos: selector, multiplexor.

Preguntas y Respuestas

1. ¿En qué consiste el hashing para organizar un archivo en disco magnético? ¿Cómo se implementa? Explique sus ventajas y desventajas.

   Hashing es una función que transforma una llave (como un nombre) en una dirección para almacenar información, minimizando los tiempos de búsqueda.

2. ¿Cuáles son las 3 modalidades para manejar operaciones de entrada/salida en un computador? Explique sus ventajas y desventajas.
   • E/S Programada: El CPU intercambia datos con el módulo de E/S. Desventaja: El CPU espera al módulo de E/S.
   • E/S Mediante Interrupciones: El módulo de E/S interrumpe al CPU. Ventaja: Más eficiente. Desventaja: El CPU debe comprobar el estado del módulo.
   • DMA (Direct Memory Access): El controlador transfiere datos sin intervención del CPU. Ventaja: No necesita intervención del CPU.
3. ¿Qué es un B-Tree? ¿Qué ventajas presenta respecto a un árbol binario tradicional?

   Estructura de datos de árbol que mantiene datos ordenados. Permite búsquedas, inserciones y eliminaciones en tiempo logarítmico. Un nodo puede tener más de dos hijos. A diferencia de los árboles binarios tradicionales, los B-trees pueden tener más de una clave y más de dos hijos por nodo, lo que optimiza las operaciones de búsqueda, aunque la eliminación puede ser más compleja.

4. Diferencia entre un B-tree y un árbol binario tradicional

   En los árboles binarios, cada nodo tiene una clave y máximo dos hijos. En los B-trees, un nodo puede tener múltiples claves y más de dos hijos. La búsqueda es más lenta en el árbol binario, pero la eliminación es más compleja en un B-tree.

5. ¿En qué consiste el indexing y como se implementa? Explique sus ventajas y desventajas.

   Indexing permite ordenar un archivo sin reorganizarlo y proporciona múltiples rutas de acceso. Mejora la velocidad de recuperación de datos en una base de datos, a costa de escrituras adicionales y más espacio de almacenamiento.

6. ¿Relación entre RPM y Rotational Delay?

   Rotational Delay es el tiempo que tarda un área del disco en rotar a una posición accesible. A mayor RPM, menor Rotational Delay.

7. ¿Cuáles son los seek time más representativos?

   El seek time mide el tiempo que tarda el cabezal en viajar al track del disco donde se leerá o escribirá la data.