5.4. Características de rendimiento del disco duro

Las características de rendimiento del disco duro se presentaron en la Sección 4.2.4; esta sección discute esta materia en más detalle. Es importante que los administradores de sistemas entiendan esto, puesto que sin un conocimiento básico sobre cómo operan los discos duros, es posible hacer cambios inconscientemente a la configuración de su sistema que podrían impactar negativamente su rendimiento.

El tiempo que toma una unidad de disco en responder a una petición completa de E/S depende de dos cosas:

Las secciones siguientes exploran en más profundidad estos aspectos del rendimiento del disco duro.

5.4.1. Limitaciones mecánicas/eléctricas

Puesto que los discos duros son dispositivos electromecánicos, están sujetos a varias limitaciones en su velocidad y rendimiento. Cada petición de E/S requiere que los diferentes componentes de su disco funcionen juntos para satisfacer la petición. Puesto que cada uno de estos componentes tiene diferentes características de rendimiento, el rendimiento general del disco duro está determinado por la suma del rendimiento de los componentes individuales.

Sin embargo, los componentes electrónicos son al menos un orden de magnitud más rápidos que sus componentes mecánicos. Por lo tanto, son los componentes mecánicos los que tienen el mayor impacto en el rendimiento general del disco duro.

SugerenciaSugerencia
 

La forma más efectiva de mejorar el rendimiento del disco duro es reduciendo la actividad mecánica de la unidad tanto como sea posible.

El tiempo de acceso promedio de una unidad de disco duro promedio es de aproximadamente 8.5 milisegundos. Las secciones siguientes desglosan este número en más detalle, mostrando como cada componente impacta el rendimiento general del disco.

5.4.1.1. Tiempo de procesamiento de comandos

Todos los discos duros de hoy tienen sistemas computarizados sofisticados embebidos que controlan su operación. Estos sistemas de computación realizan las tareas siguientes:

  • Se relacionan con el mundo externo a través de la interfaz del disco duro

  • Controlan la operación del resto de los componentes del disco duro, recuperandose de cualquier condición de error que pueda surgir

  • Procesan los datos leídos y escritos a la media de almacenamiento

Aún cuando los microprocesadores utilizados en los discos duros son relativamente poderosos, las tareas asignadas a ellos toman tiempo en llevarse a cabo. En promedio, este tiempo está en el rango de los .003 milisegundos.

5.4.1.2. Datos de cabezas leídas/escritas

Los cabezales de lectura/escritura del disco duro solamente funcionan cuando los platos del disco duro sobre los cuales estos "vuelan" estan girando. Debido a que es el movimiento de la media debajo de los cabezales lo que permite que los datos se lean o escriban, el tiempo que toma para que la media que contiene los sectores deseados pase completamente debajo del cabezal es el único determinante de la contribución del cabezal al tiempo total de acceso.

5.4.1.3. Latencia rotacional

Puesto que los platos del disco están en contínuo movimiento, cuando llega la petición de E/S es muy poco probable que el plato se encuentre en el punto exacto en su rotación necesario para acceder el sector deseado. Por lo tanto, aún si el resto de la unidad está lista para acceder al sector, es necesario esperar mientras el plato está rotando, trayendo el sector deseado en posición bajo el cabezal de lectura/escritura.

Esta es la razón por la cual los discos duros de alto rendimiento típicamente giran sus platos de disco a altas velocidades. Hoy en día, las velocidades de 15,000 RPM están reservadas para unidades de más alto rendimiento, mientras que las de 5,400 RPM se consideran adecuadas solamente para discos a nivel de entrada de datos. Esto promedia 3 milisgundos para una unidad de 10,000 RPM.

5.4.1.4. Movimiento del brazo de acceso

Si existe un componente en los discos duros que se puede considerar como el talón de Aquiles, este es el brazo de acceso. La razón para esto es que el brazo de acceso se debe mover muy rápidamente y con gran precisión sobre relativamente largas distancias. Además, el movimiento del brazo de acceso no es continuo — debe acelerar rápidamente a medida que se acerca al cilindro deseado y luego desacelerar igualmente rápido para evitar disparar demasiado. Por lo tanto, el brazo de acceso debe ser resistente (para sobrevivir las violentas fuerzas provocadas por los rápidos movimientos) pero también ligero (así hay menos masa que acelerar/desacelerar).

Es difícil lograr estos objetivos conflictivos, un hecho que se demuestra por la cantidad de tiempo que se toma el brazo de acceso cuando se compara con el tiempo tomado por los otros componentes. Por lo tanto, el movimiento del brazo de acceso es el principal determinante del rendimiento general del disco duro, con un promedio de 5.5 milisegundos.

5.4.2. Cargas y rendimiento de E/S

La otra cosa que controla el rendimiento del disco duro es la carga de E/S a la cual su disco está sujeta. Algunos de los aspectos específicos de la carga de E/S son:

Estos se discuten con más detalles en las secciones siguientes.

5.4.2.1. Lecturas contra Escrituras

Para el disco duro promedio usando media magnética para el almacenamiento de datos, el número de operaciones de lecturas de E/S contra el número de operaciones de escritura de E/S no es de mayor preocupación, pues la lectura y escritura de datos toma la misma cantidad de tiempo[1]. Sin embargo, otras tecnologías de almacenamiento toman diferentes cantidades de tiempo para procesar las lecturas y las escrituras[2].

El impacto de esto es que los dispositivos que toman más tiempo en procesar las operaciones de escritura de E/S (por ejemplo) son capaces de manejar menos escrituras de E/S que lecturas. Véalo de otra forma, una escritura de E/S consume más de la habilidad del dispositivo de procesar las peticiones que una lectura de E/S.

5.4.2.2. Lecturas/Escrituras múltiples

Un disco duro que procesa peticiones de E/S desde múltiples fuentes experimenta una carga diferente que un disco duro que sirve peticiones E/S desde una única fuente. La principal razón para esto se debe al hecho de que múltiples solicitantes tienen el potencial de traer mayores cargas de E/S que soportar en un disco que un simple solicitante de E/S.

Esto se debe a que el solicitante de E/S debe ejecutar cierta cantidad de procesamiento antes de que la E/S tome lugar. Después de todo, el solicitante debe determinar la naturaleza de la petición de E/S antes de llevarla a cabo. Puesto que el procesamiento necesario para determinar esto toma tiempo, hay un límite en la carga de E/S que cualquier solicitante puede generar — solamente un CPU más rápido puede aumentar esto. Esta limitación se vuelve más pronunciada si el solicitante requiere de algún tipo de entrada manual antes de hacer la E/S.

Sin embargo, con múltiples solicitantes, se pueden soportar mayores cargas de E/S. Siempre y cuando se tenga suficiente poder de CPU para soportar el procesamiento necesario para generar las peticiones de E/S, el añadir más solicitantes de E/S también incrementa la carga resultante de E/S.

Sin embargo, hay otro aspecto sobre esto que también tiene una influencia en la carga de E/S resultante. Esto se discute en la sección siguiente.

5.4.2.3. Ubicación de Lecturas/Escrituras

Aún cuando no se limita estríctamente a un ambiente de múltiples solicitudes, este aspecto del rendimiento del disco duro tiende a mostrarse más en tales entornos. El problema es si la petición de E/S que se está haciendo al disco duro es por datos que físicamente están cerca de otros datos que también están siendo solicitados.

La razón de la importancia de esto se hace aparente si se tiene en mente la naturaleza electromecánica del disco duro. El componente más lento de la unidad de disco duro es el brazo de acceso. En consecuencia, si los datos accesados por la petición de E/S entrante no requiere mayor movimiento del brazo de acceso, el disco duro es capaz de servir más peticiones de E/S que si los datos solicitados estuviesen dispersos a lo largo de todo el disco, requiriendo un movimiento intensivo del brazo de acceso.

Esto se puede ilustrar viendo las especificaciones de rendimiento del disco duro. Estas especificaciones a menudo incluyen tiempos de búsquedas de cilindro adyacente (donde el brazo de acceso se mueve solamente una pequeña cantidad - solamente al siguiente cilindro) y tiempos de búsqueda de movimiento completo (donde el brazo de acceso se mueve desde el primer cilindro al último). Por ejemplo, he aquí los tiempos de búsquedas para un disco duro de alto rendimiento:

Cilindro adyacenteMovimiento completo
0.68.2

Tabla 5-4. Tiempos de movimiento al cilindro adyacente y de movimiento completo (en milisegundos)

Notas

[1]

En realidad, esto no es totalmente correcto. Todas las unidades de disco duro incluyen cierta cantidad de memoria caché que se utiliza para mejorar el rendimiento de las lecturas. Sin embargo, cualquier petición de E/S para leer datos se debe eventualmente satisfacer leyendo físicamente los datos desde la media de almacenamiento. Esto significa que, mientras que la caché puede aliviar los problemas de rendimiento de lecturas de E/S, nunca se puede eliminar totalmente el tiempo requerido para leer físicamente los datos desde la media.

[2]

Algunos discos ópticos presentan este comportamiento, debido a las limitaciones físicas de la tecnología utilizada para implementar el almacenamiento óptico de datos.