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[Tutorial] Los aceleradores de PC de Windows Vista

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Extreme Level

viper713

entradas: 1374

12:57 08/12/2007

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Los aceleradores de PC de Windows Vista

Windows Vista incorpora tres tecnologías denominadas conjuntamente Windows PC Accelerators, que apuntan a mejorar la performance y la agilidad de respuesta de las PCs.
Estas tecnologías son Windows SuperFetch, Windows ReadyBoost y Windows ReadyDrive.

En esta primera parte del tutorial se analizan en detalle las características del Windows SuperTech.

Si bien existen muchos factores que influyen en la velocidad de respuesta y performance de una PC, las investigaciones de Microsoft revelan que la paginación por demanda –un método para implementar memoria virtual que implica intercambiar páginas de datos entre la memoria principal y el almacenamiento en disco a medida que se hace necesario– es un factor determinante de la baja performance. La paginación por demanda genera muchas solicitudes al disco y crea un patrón de uso que se asemeja al acceso aleatorio al disco, con largas latencias causadas por las búsquedas en el disco.

Si bien las latencias asociadas con este proceso de paginación pueden ser el resultado de una limitada cantidad de memoria, por lo general son consecuencia de un contenido de memoria no optimizado. Los Windows PC Accelerators limitan las latencias asociadas con la paginación por demanda en dos formas: proveen lógica de administración para analizar patrones de uso y optimizar activamente el contenido de la memoria y soportan diversas formas de almacenamiento flash no volátil en el hardware de la PC para proveer caché de disco de alta performance. Si bien no es tan veloz como la memoria DRAM, la memoria flash no volátil supera ampliamente al almacenamiento magnético cuando se trata de acceso aleatorio.
El siguiente cuadro permite comparar los tiempos de latencia de la memoria DRAM, la memoria flash y el almacenamiento en disco:
Tipo de memoria — Latencia (milisegundos)
Memoria DRAM —— 0,0001
Memoria Flash ——- 0,5 – 1
Medio magnético —- 0,5 – 24

Windows SuperFetch
SuperFetch es el administrador de memoria de Windows Vista. Analiza los patrones de uso de la memoria para determinar el contenido óptimo de memoria para cada usuario y trabaja continuamente para mantener ese contenido en memoria para el usuario. En esto se diferencia de la técnica de prefetch utilizada en Windows XP, la cual precarga datos en memoria sin analizar los patrones de uso.

SuperFetch también reconoce automáticamente y utiliza cualquier capacidad brindada por los medios de almacenamiento con capacidad para ReadyBoost y ReadyDrive para cacheo de memoria de alta performance.

La administración de memoria antes de Vista
Históricamente, los sistemas de administración de memoria han sido diseñados para mitigar el hecho de que los programas frecuentemente solicitaban más memoria de la que el sistema operativo podía ofrecer. El sistema operativo usaba algoritmos de administración de memoria para mitigar los efectos de ejecutar con poca memoria disponible. Cuando una máquina se quedaba sin memoria física disponible, el sistema operativo liberaba memoria copiando a disco la información que no estaba en uso, a través de un archivo de paginación (pagefile). Esto permitía que el sistema operativo le otorgara la capacidad de memoria física a un programa activo, sin perder la posibilidad de recuperar la información desde el archivo de paginación cuando el usuario la solicitara. Este modelo se llama de paginación por demanda.

Carga proactiva de la memoria usando SuperFetch
La memoria cada vez más económica, junto con los programas de aplicación cada vez más exigentes, favorecieron el desarrollo de grandes capacidades de memoria física en las PCs actuales. Si bien es posible utilizar toda la memoria física de las PCs, es más común que se cuente con una cantidad significativa de memoria no utilizada. El desafío para Windows Vista fue cómo ser más proactivo y eficiente acerca de la administración de memoria.

SuperFetch utiliza un algoritmo de seguimiento liviano y sofisticado para determinar qué páginas son utilizadas con mayor frecuencia por el usuario. A medida que el usuario lleva a cabo sus tareas cotidianas, SuperFetch construye una historia de qué información tiene más probabilidades de ser utilizada. Para construir una lista de páginas efectiva, SuperFetch efectúa el seguimiento de varios aspectos de la sesión de trabajo del usuario, incluyendo la aplicación de primer plano, la hora del día, el día de la semana e incluso si el usuario está usando la PC o no.

Cuando la PC posee memoria física libre, SuperFetch coloca las páginas candidatas en la caché de la memoria física, de forma tal que Windows Vista las pueda mover directamente desde allí al conjunto de trabajo, en lugar de leerlas desde el disco. Esto provee los datos cuando el usuario los necesita, haciendo que la PC mejore sus tiempos de respuesta y eliminando las demoras causadas por los accesos a disco.

Para ilustrar la diferencia entre las técnicas de administración de memoria de Windows XP y Windows Vista, considérese el escenario común cuando un usuario regresa a su PC luego del almuerzo.

Mientras el usuario está fuera almorzando, la PC pasa a un estado ocioso, lo cual constituye un momento ideal para realizar tareas de mantenimiento sin interrumpir al usuario. Los programas de mantenimiento necesitan memoria para correr, por lo que el sistema operativo coloca las páginas correspondientes a los programas abiertos del usuario fuera de la memoria física.

SuperFetch sabe qué es lo que el usuario tiende a hacer cuando regresa a su PC luego de un estado ocioso, por lo cual, apenas finalizan las tareas que se realizan en el tiempo ocioso, el sistema operativo puede volver a colocar las páginas de las aplicaciones activas de nuevo en la memoria. Cuando el usuario vuelve a su PC, la máquina se muestra más expeditiva en general.

Consideraciones de implementación
SuperFetch se incluye en todas las versiones de Windows Vista, y los fabricantes de hardware y de PCs no deben tener en cuenta ningún factor particular de diseño para el funcionamiento de esta característica.

Sin embargo, para que puedan aprovecharse al máximo los beneficios que ofrece SuperFetch, las PCs deben incluir tanta memoria principal como sea posible, además de una combinación de almacenamiento con memoria flash compatible con ReadyBoost y un disco rígido compatible con ReadyDrive. En las próximas entregas de este tutorial se analizarán en detalle estas dos funcionalidades de Windows Vista.

Los aceleradores de PC de Windows Vista (2º parte)

En la primera entrega de este tutorial hemos visto una de las tres tecnologías conocidas colectivamente como Windows PC Accelerators, cuyo objetivo común es mejorar la performance y la agilidad de respuesta de las PCs. En esta segunda parte veremos en detalle en qué consiste ReadyBoost, cómo interactúa con los otros aceleradores y qué se requiere para aprovecharlo al máximo.

ReadyBoost soporta el uso de dispositivos de almacenamiento flash no volátil para mejorar la performance del sistema. Los dispositivos mejorados con ReadyBoost proveen espacio dedicado fuera de la memoria principal, donde SuperFetch puede almacenar una parte de la información crucial para la performance, con la finalidad de accederla más velozmente. Si bien no es tan rápida como la memoria principal, la memoria flash no volátil supera significativamente a los discos convencionales en lecturas aleatorias, al evitar las restricciones impuestas por la velocidad de rotación y las latencias de búsqueda. Toda la información almacenada en caché es comprimida con una relación de 2:1 y encriptada mediante el algoritmo AES-128, para garantizar la seguridad de los datos.

Cuando se instalan dispositivos de almacenamiento flash aptos para ReadyBoost en una PC, la opción de Reproducción automática de Windows Vista muestra un cuadro de diálogo al usuario, consultándole si desea utilizarlos con ReadyBoost para mejorar la performance. Si bien pueden utilizarse múltiples dispositivos de almacenamiento flash como discos lógicos, Windows Vista admite solamente uno de los discos lógicos como dispositivo ReadyBoost.

La hoja de propiedades del dispositivo que se presenta al usuario, en caso de aceptar utilizarlo con ReadyBoost, le permite seleccionar un tamaño de caché apropiado para el dispositivo.

Los tamaños de caché pueden variar entre 230 MB y 4 GB. Microsoft recomienda que exista al menos una relación de 1:1 entre el tamaño de caché de ReadyBoost y la capacidad de memoria RAM del equipo. Relaciones mayores, como por ejemplo 3:1, pueden brindar beneficios óptimos de performance.

Cada página de datos en la caché ReadyBoost es una copia de una página en disco. Si el dispositivo es quitado de la computadora, no se pierde información, pero el equipo pierde la mejora de performance y el sistema vuelve a dirigir las requisiciones de memoria al disco rígido.

Beneficios clave
Los dispositivos mejorados para ReadyBoost aceleran el lanzamiento de programas usados frecuentemente, al igual que la apertura de archivos y configuraciones accedidos con frecuencia.

Los dispositivos de almacenamiento con memoria flash incorporada, optimizados para ReadyBoost, al no ser quitados del sistema en forma rutinaria, pueden configurarse para ofrecer una performance mejorada inmediatamente después de que el equipo vuelve de un estado de hibernación. Los dispositivos integrados mejorados para ReadyBoost mantienen la información aún a través de transiciones en el estado de la alimentación eléctrica, y pueden por lo tanto proveer acceso más veloz a los datos que de otra forma requerirían acceder al disco rígido.

Consideraciones de implementación
Los ensambladores y fabricantes de hardware interesados en implementar o desarrollar dispositivos de almacenamiento flash mejorados para ReadyBoost deben tener en cuenta las siguientes consideraciones de implementación:

* Formatos y buses soportados: ReadyBoost soporta discos flash USB, tarjetas Secure Digital, tarjetas CompactFlash, dispositivos MemoryStick sobre PCI, junto con los buses PCIe y SSA, lo cual incluye a la mayoría de los lectores internos de tarjetas en los equipos móviles. ReadyBoost no admite tarjetas conectadas a lectores USB externos o dispositivos conectados a los buses USB 1.0 o USB 1.1.

En general, cualquier dispositivo de almacenamiento flash que exponga un volumen ante Windows y alcance ciertos límites mínimos de performance estará soportado por ReadyBoost.

En particular, los dispositivos flash USB mejorados para ReadyBoost deben cumplir los siguientes requerimientos:

- las unidades flash USB, al igual que los controladores de host en donde se conectan, deben usar el estándar USB 2.0.
- las unidades flash USB deben tener al menos 230 MB de espacio libre.

* Performance flash: los dispositivos de almacenamiento flash deben alcanzar ciertos requerimientos mínimos de performance para ser compatibles con ReadyBoost, lo cual incluye un rendimiento de 2,5 MB/seg. para lecturas aleatorias de 4 K y 1,75 MB/seg. para escrituras aleatorias de 512 K.

Mayores requerimientos de performance deben satisfacerse para que un dispositivo pueda designarse como “mejorado para ReadyBoost”: 5 MB/seg. para lecturas aleatorias de 4 K y 3 MB/seg. para escrituras aleatorias de 512 K. Microsoft recomienda que los usuarios empleen dispositivos mejorados para ReadyBoost para aprovechar plenamente los beneficios ofrecidos por esta tecnología.

* Capacidad flash: ReadyBoost puede soportar dispositivos con tamaños de caché de entre 230 MB y 4 GB. Microsoft recomienda que exista una relación de al menos 1:1 entre el tamaño de caché ReadyBoost y la capacidad de la memoria RAM del equipo. Mayores relaciones, de hasta 3:1, permiten obtener beneficios óptimos de performance.

* Deterioro de la memoria flash: algunas clases de memorias RAM no volátiles, como por ejemplo NAND, están calificadas para un número limitado de ciclos de escritura-borrado antes de que comiencen a producirse fallas en celdas individuales. Para limitar las posibilidades de fallas en las celdas, la tecnología ReadyBoost fue diseñada para administrar cuidadosamente cuándo se escribe en la caché. Los testeos iniciales de dispositivos mejorados para ReadyBoost indican que los usuarios pueden utilizarlos durante muchos años bajo condiciones normales de trabajo. El tiempo de vida real de cada dispositivo variará dependiendo de la capacidad y del fabricante de cada dispositivo.

Consideraciones del sistema
ReadyBoost se incluye en todas las versiones de Windows Vista, excepto la versión Starter, y se habilita en forma predeterminada en todas ellas. En el caso de Windows Server (“Longhorn”), se incluye mediante un paquete add-in, y no se encuentra habilitada en forma predeterminada

Los aceleradores de PC de Windows Vista (3º parte)

En esta tercera parte del tutorial sobre las tecnologías llamadas Windows PC Accelerators veremos en qué consiste Windows ReadyDrive, analizando sus beneficios clave, tales como una mayor performance cuando se combina con SuperFetch; una mayor velocidad de booteo y de inicio de aplicaciones; un menor consumo energético, y una mayor vida útil y confiabilidad de las unidades de disco.

ReadyDrive es el software de Windows Vista que soporta a los discos rígidos híbridos (H-HDDs). Un disco híbrido es un disco rígido tradicional que incorpora memoria flash no volátil que actúa como una caché de alta performance para escrituras y lecturas de baja latencia. La caché no volátil (llamada caché NV) provee un mejor tiempo de respuesta al evitar las latencias por rotación y búsqueda de los discos rígidos tradicionales.

El uso de la caché NV también brinda ahorros significativos de energía. Cuando una computadora opera con baterías, un H-HDD puede cumplir requerimientos de lectura/escritura desde la caché NV y mantener la rotación del disco apagada, reduciendo de esta manera el consumo de energía. La rotación del H-HDD se reanuda únicamente cuando el buffer de escritura se llena, o cuando un requerimiento de lectura no puede satisfacerse desde la caché NV, o en cualquier momento en que se le envía al disco un comando ATA de vaciado (flush).

No es necesaria ninguna acción o configuración por parte del usuario para configurar o mantener el contenido de la caché NV. El contenido de la memoria no volátil persiste incluso luego de un corte de alimentación eléctrica, y es vaciado y refrescado en forma oportunista en cualquier momento en que la rotación del disco necesite acelerarse.

Beneficios clave
Performance mejorada: con el espacio dedicado para datos utilizados por SuperFetch, la caché NV integrada en un H-HDD puede mejorar el tiempo de respuesta de un equipo en diversos escenarios de uso. Las ganancias de performance exactas en un escenario en particular dependen de la relevancia de dicho escenario para el usuario, y de la capacidad y performance (tasa de trasnferencia) de la caché NV.

Performance de booteo: ReadyDrive puede acelerar significativamente el proceso de booteo en equipos con un H-HDD. Antes de efectuar el apagado del sistema, ReadyDrive agrega la información requerida anteriormente en el proceso de booteo a la caché NV del H-HDD. Luego, cuando se inicie el sistema, esa información puede accederse rápidamente desde la caché NV mientras el disco rígido gira para recuperar los datos restantes.

La cantidad de información que se accede durante el proceso de booteo es lo suficientemente grande como para que no resulte ni práctico ni necesario agregarla por completo a la caché NV. Si se intenta agregar toda esa información antes de cerrar el sistema, se puede demorar significativamente el proceso de cierre. Además, el disco rígido puede superar a la caché NV en operaciones de E/S secuencial, por lo cual el agregado de sectores que se acceden secuencialmente no necesariamente mejora la performance.

La información que se guarda en la caché NV para optimizar el booteo tiene tres características:

* Una pequeña cantidad de datos se acceden en forma aleatoria y temprana en el proceso de booteo; estos datos se mantienen en la caché NV todo el tiempo.
* Existe una superposición significativa entre los datos que se agregan a la caché NV durante el uso normal y los datos que se acceden durante el booteo, por lo cual la información de uso normal permanece en la caché NV en todo momento.
* Parte de la caché NV es apartada para funcionar como caché de escritura. Antes del cierre del sistema, ReadyDrive utiliza ese espacio para algunos sectores adicionales (hasta 24 MB) que son accedidos durante el proceso de booteo.

Performance de inicio de aplicaciones: ReadyDrive puede acelerar significativamente la performance de inicio de aplicaciones en sistemas equipados con un H-HDD.

Mayor duración de la batería: para la mayoría de las PCs móviles, Windows Vista no representa un cambio apreciable en el consumo energético con respecto a versiones anteriores de Windows. Sin embargo, las PCs equipadas con H-HDDs mejorados para ReadyDrive pueden lograr ahorros de energía significativos. Cuando una PC equipada con un H-HDD opera con baterías, ReadyDrive coloca a WindowsVista en un modo de ahorro de energía llamado Modo de caché NV, el cual detiene la rotación del disco e intenta satisfacer todos los requerimientos de lectura y escritura usando la caché NV. Cuando se trabaja en Modo de caché NV, el consumo de la unidad de disco puede reducirse entre un 70 y un 90 por ciento. Dependiendo del escenario de uso y del porcentaje de tiempo que el disco puede permanecer sin girar, el consumo general del equipo puede reducirse hasta un 12 por ciento. El Modo de caché NV es controlado por las Opciones de Energía en Windows Vista y es habilitado en forma predeterminada siempre que la computadora opera con baterías. Los usuarios pueden cambiar el comportamiento predeterminado a través de las Opciones de Energía, en el Panel de control de Windows Vista.

Mayor robustez y confiabilidad: un estudio de mercado conducido por Gartner Reasearch el año pasado muestra que los componentes más propensos a fallar en computadoras de menos de dos años de antigüedad son las motherboards y los discos rígidos. ReadyDrive mejora la robustez y confiabilidad de las unidades de disco al mantener apagada la rotación del disco y las cabezas de lectura/escritura aparcadas por el mayor tiempo posible.

Debido al menor uso y desgaste del disco y a las temperaturas operativas más bajas, los H-HDDs pueden presentar índices más bajos de tiempo medio entre fallas. Esto se traduce en un reaseguro significativo para los clientes, al igual que menores costos de soporte y garantía para los vendors de PCs.

En la próxima entrega de este tutorial concluiremos el análisis de ReadyDrive y de los Aceleradores de PC de Windows, viendo las consideraciones de implementación de esta tecnología.

Los aceleradores de PC de Windows Vista (4º parte)

Para concluir este tutorial sobre las tecnologías que optimizan el manejo del almacenamiento en Windows Vista, veremos las consideraciones de implementación de Windows ReadyDrive, junto con los requerimientos y recomendaciones de plataforma correspondientes a cada una de las tres tecnologías que conforman el conjunto de aceleradores de PC.

Tanto los ensambladores de PCs como los fabricantes de discos interesados en implementar o desarrollar discos rígidos híbridos (H-HDD) mejorados para ReadyDrive deben estar conscientes de las consideraciones de implementación que se mencionan a continuación.

Nuevo conjunto de comandos ATA
ReadyDrive utiliza un nuevo conjunto de comandos para manejar la caché no volátil (NV), el cual se encuentra estandarizado en la especificación de comandos ATA8-ACS. Este nuevo conjunto de comandos permite a ReadyDrive hacer dos cosas importantes: controlar qué datos están marcados para mantenerse en la caché NV en un momento dado y controlar si la unidad es puesta en modo de caché NV para conservación de energía.

Tamaño de caché NV
Microsoft recomienda usar un tamaño de caché de al menos 128 MB para obtener beneficios de performance en Windows Vista. Para aprovechar la caché NV con el propósito de lanzar programas específicos de OEM y para posibilitar más beneficios de performance, un tamaño de caché NV de entre 256 MB y 1 GB resultará más efectivo.

Cuanto mayor sea el tamaño de la caché NV, mayores beneficios podrá brindar ReadyDrive. Sin embargo, ReadyDrive también soporta tamaños de caché NV tan pequeños como 50 MB. Se estima que con las futuras reducciones de precio de las memorias flash y con su crecientes beneficios en cuestión de performance, los tamaños de caché de 1 GB o más resultarán prácticos y deseables. ReadyDrive puede soportar tamaños de caché NV de hasta 2 TB.

Performance de la caché NV
Los beneficios de performance que puede brindar ReadyDrive dependen en gran forma de la performance subyacente de lectura y escritura de la caché NV. Las bajas latencias y los altos índices de rendimiento de lectura y escritura de la caché NV –particularmente para acceso a direcciones de bloques aleatorias– se traducen en una mejor experiencia para los usuarios finales.

Las interfaces de la memoria flash NAND –que es la que más comúnmente se usará para implementar la caché NV– han ido duplicando su performance cada 12 meses, y se espera que continúen haciéndolo. Actualmente es posible comprar memoria flash NAND con acceso mucho más veloz, tanto secuencial como aleatorio, que los discos rígidos para PCs móviles. Las continuas innovaciones en interfaces de memoria flash permitirán mejoras drásticas en performance para la caché NV, permitiendo que ReadyDrive ofrezca beneficios crecientes de rendimiento.

Cuando un H-HDD se instala en una PC, Windows Vista lo reconoce inmediatamente e intenta verificar la performance de la caché NV onboard. Si la caché NV pasa exitosamente la verificación, ReadyDrive habilita el soporte para el H-HDD, y la verificación no se vuelve a realizar.

Si la caché NV no pasa la verificación, el H-HDD es considerado como un disco rígido tradicional, y no se aprovecha ninguno de los beneficios de los H-HDD. En los reinicios subsiguientes, mientras que el H-HDD siga instalado, Windows Vista continuará realizando la verificación.

Antes de que pueda comenzar la verificación, el rotor del disco debe estar ocioso. Windows Vista espera un período de baja actividad que dure al menos cinco minutos, verifica que el disco esté ocioso y que la computadora no esté en modo de uso de la caché NV, y entonces comienza.

La verificación involucra crear un archivo de prueba, colocarlo en la caché NV, enviar una serie de requerimientos de E/S al archivo y monitorear los tiempos de servicio. La serie de requerimientos incluye cuatro tests básicos y 128 requerimientos por test.

Deterioro de la caché NV
La memoria flash NAND tiene una vida útil limitada, medida por una cantidad determinada de ciclos de escritura y borrado antes de que ocurran fallas en celdas individuales. El uso intensivo de la caché NV puede agotar la capacidad disponible con el tiempo. Para evitar que esto suceda, los fabricantes de discos H-HDD deben considerar el uso de algoritmos de nivelación de desgaste que distribuyan el uso de la caché entre todos los bloques flash disponibles para prolongar la vida útil de la caché en su totalidad.

Los algoritmos de ReadyDrive también han sido diseñados para limitar la escritura y borrado del contenido de la caché NV, por lo cual, incluso para los tamaños de caché NV más pequeños, la vida útil de la caché se extiende más allá de la vida útil del dispositivo que la contiene. Las pruebas iniciales de H-HDDs mejorados para ReadyDrive indican que los usuarios pueden esperar muchos años de uso bajo condiciones de uso normales.

Consideraciones para la PC
Windows Vista detecta automáticamente los discos H-HDD y habilita la funcionalidad de ReadyDrive a partir del primer inicio. No se requiere ningún software de sistema adicional o modificaciones de hardware, ni tampoco hace falta el entrenamiento adicional de técnicos en la materia. El H-HDD puede ser quitado del sistema en cualquier momento, y mantendrá un almacenamiento coherente de los datos del usuario y del sistema operativo.

Windows Vista soporta un único H-HDD por PC. El disco H-HDD puede ser instalado en conjunto con o como un reemplazo de un disco móvil estándar PATA o SATA. Sin embargo, el H-HDD debe configurarse como unidad de sistema.

Para optimizar los ahorros de energía, se recomienda que la computadora tenga como mínimo 1 GB de memoria principal, lo cual permite que SuperFetch minimice el número de requerimientos de lectura del disco.

Para optimizar la performance del booteo y del restablecimiento desde un estado de hibernación, el ensamblador de PC debe considerar implementar un BIOS con un POST lo suficientemente rápido (menos de 1 segundo) como para pasar la ejecución al sistema operativo lo antes posible.

ReadyDrive se incluye y habilita en forma predeterminada en todas las ediciones de Windows Vista, excepto Windows Vista Starter Edition.

Si bien ReadyDrive apunta principalmente al mercado de discos rígidos móviles (unidades de 2,5 pulgadas), los discos híbridos para PCs de escritorio (de 3,5 pulgadas) podrán experimentar los mismos beneficios de performance.

Fuente: ITSitio