Tecnologías RAID, Dispositivos Ópticos y Sistemas Gráficos: Avances y Características

Tecnología RAID

• RAID 4: Los niveles 4 y 5 de RAID usan una técnica de acceso independiente. Cada disco del conjunto opera de forma independiente, por lo que peticiones de E/S separadas se atienden en paralelo. En ambos casos, las tiras de datos usadas son relativamente grandes y se calcula una tira de paridad, bit a bit, a partir de las correspondientes tiras de cada disco de datos (paridad en bloques). En RAID 4, los bits de paridad se almacenan en la tira correspondiente en un disco de paridad (que constituye un cuello de botella).
• RAID 5: Similar a RAID 4, pero distribuyendo las tiras de paridad a lo largo de todos los discos. Típicamente con un esquema cíclico. Se elimina el cuello de botella de RAID 4.
• RAID 6: En el esquema de nivel 6, se realizan dos cálculos de paridad distintos, que se almacenan en bloques diferentes. Para un conjunto cuyos datos requieran N discos, se utilizarán N+2. Los datos se pueden recuperar incluso ante el fallo de dos discos a la vez.
• RAID 0+1 y 1+0: Más fiable, cada uno es espejo del otro.

Resumen de RAID

a) Respecto a la fiabilidad:

• RAID 0 no tiene redundancia, no es realmente RAID.
• RAID 1 duplica toda la información (espejo).
• Resto de niveles RAID: mayor fiabilidad mediante esquema de detección de errores sin necesidad de duplicar la información, menor cantidad de información redundante que en RAID 1 y menor fiabilidad que RAID 1, pero mejor relación seguridad/precio.
• RAID 2, 3, 4: información redundante en un único disco.
• RAID 5, 6: información redundante distribuida en todos los discos.

b) Respecto al rendimiento:

• RAID 2 y 3: una única operación de E/S que accede en paralelo a todos los discos, tiras muy pequeñas, incrementamos la velocidad de transferencia (baja latencia) de cada operación.
• RAID 4, 5, 6: varias operaciones de E/S concurrentes, tiras de mayor tamaño y aumentamos el número de operaciones por segundo.

Dispositivos Ópticos

Surgen en 1983 con la aparición del disco compacto (CD) digital de audio (originalmente de hasta 74 minutos). Su éxito posibilita el desarrollo de la tecnología de discos compactos de memoria óptica de bajo coste.

CD-ROM: Disco compacto de solo lectura basado en la tecnología del CD-Audio. La información digital (datos o audio hasta 640 MB originalmente) se graba como una serie de hoyos microscópicos en una superficie reflectante. Esta capa se encuentra protegida por una fina película de laca transparente. A partir de un disco maestro, grabado mediante un láser de alta intensidad, se realizan copias mediante un proceso de estampación. La información del disco se recupera mediante un láser de baja potencia situado en la unidad lectora (150 KB/s 1X). Para maximizar la capacidad del disco, inicialmente se utilizó una rotación del disco con velocidad lineal constante (CLV). Sin embargo, la continua necesidad de aumentar la velocidad de rotación para lograr mayores tasas de transferencia hace que, desde los dispositivos 12X, se emplee velocidad angular constante (CAV) como en dispositivos magnéticos. También existen soluciones híbridas.

• Ventaja sobre otros medios magnéticos: el coste.
• Inconveniente: solo lectura y mayor tiempo de acceso.

Revisiones posteriores del formato: CD-R o WORM y CD-RW.

Evolución de los medios ópticos: DVD, inicialmente solo lectura. Mismo tamaño que un CD, pero mucha más capacidad (4.7 GB/capa) gracias a un láser con menor longitud de onda que permite enfocar la luz en puntos más pequeños, hoyos más pequeños, pistas menos separadas y uso de varias capas de grabación por cara. Evolución: DVD-R, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+R, DVD+RW.

El Sistema Gráfico

En la actualidad, todos los sistemas gráficos están basados en píxeles. Una imagen se genera como un array o ristra de píxeles. La secuencia de píxeles se almacena en una región de la memoria denominada frame buffer. Se define la profundidad del frame buffer como el número de bits usados para almacenar la información de cada píxel. Determina el máximo número de colores distintos posibles. La resolución del frame buffer, número total de píxeles, determina el detalle de la imagen final.

Representación del Color

El color con el que percibimos las cosas no es más que el resultado de la interacción de la luz con el medio. La luz es una forma de radiación electromagnética (un color se puede definir con una función C(λ)). Un monitor capaz de representar todos los colores posibles está fuera de las posibilidades actuales. Como el ojo humano no es capaz de distinguir más que un número limitado de colores (unos 10.000.000), se usa la teoría de los tres colores.

• Modelo de color aditivo: Se considera que un color está formado por la combinación o suma de 3 colores primarios, ajustando la intensidad de cada uno de ellos individualmente. Usando como colores primarios el rojo (R), verde (G) y azul (B), se alcanza un número de colores representables cercano al distinguido por el ojo humano: modelo RGB, usado en monitores (C = T1R + T2G + T3B).
• Modelo de color sustractivo: Usado en impresión. Se comienza con una superficie blanca, a la que se le restan los 3 colores primarios. Normalmente se usan cian (C), magenta (M) y amarillo (Y): modelo CMY.

Tratamiento del Color en un Sistema Gráfico

Dos aproximaciones:

1. Modelo RGB: Clásicamente más difícil de implementar que la opción indexada, debido a los mayores requerimientos de memoria. En sistemas actuales, la restricción de la memoria ha dejado de ser un problema. Para cada píxel se guardan las tres componentes RGB. Conceptualmente, equivale a tener un frame buffer separado por cada una de las componentes.
2. Color indexado: Útil cuando se dispone de espacio limitado para el frame buffer. Consiste en escoger una paleta o tabla de colores, es decir, un subconjunto del total de colores disponibles. En los bits almacenados por píxel no indicamos el color del píxel en RGB, sino el índice del color en la paleta de colores con la que se está trabajando.

Dispositivos de Salida

La salida más habitual del sistema gráfico se proporciona a través de un monitor o pantalla (display). Un monitor es un dispositivo periférico por el que se visualizan los datos contenidos en el frame buffer. Los parámetros más frecuentes de un monitor son: resolución (número de píxeles representados en pantalla en sentido horizontal y vertical), tasa de refresco (frecuencia con la que se actualiza el valor de cada píxel en pantalla) y tamaño de punto/píxel (menor tamaño proporciona imágenes más suaves).

• Hasta hace poco tiempo, el tipo de pantalla más común eran las basadas en tubos de rayos catódicos (CRT).
• Inicialmente eran monitores vectoriales: el haz de electrones se dirige solo a las zonas de la pantalla donde ha de dibujarse. Se dibuja un elemento en cada paso: punto, línea o carácter. La imagen se almacena en memoria como una lista de comandos de dibujo (mediante redibujados sucesivos se conserva en pantalla con refresco mínimo de 50 Hz). Gran nitidez en los trazos, pero capacidad de representación muy limitada.
• A partir de los 80: tecnología actual basada en píxeles. Los píxeles del frame buffer se representan como puntos en la superficie de la pantalla, con una tasa de refresco suficiente para evitar parpadeos (entre 50 y 85 Hz). Posibilidad o no de aplicar entrelazado.
• Tres materiales luminosos diferentes que emiten, respectivamente, luz roja, verde y azul (RGB). Se lanzan haces de electrones independientes para cada uno de los tres colores. Dos tecnologías: máscara de sombra y rejilla de apertura.
• En los últimos años se han popularizado las pantallas basadas en cristal líquido, que se basan en varias propiedades que tienen algunos cristales líquidos (cambian la polaridad de la luz que los atraviesa y sus cristales se pueden orientar aplicando un campo eléctrico).

Ventajas principales de las pantallas de cristal líquido: son más finas, ligeras y tienen mucho menor consumo eléctrico.

Tecnologías principales de las pantallas de cristal líquido:

a) Matriz pasiva: Una rejilla conectada a unos circuitos integrados permite seleccionar, de uno en uno, los píxeles para activarlos. En desuso por problemas: tiempo de respuesta (capacidad de refresco) bajo (provocando rastros), contraste pobre provocado por la imprecisión en el control del voltaje y ángulo de visión bastante limitado.

b) Matriz activa: Dotamos de memoria a cada punto añadiéndose un transistor de película fina (TFT), que básicamente consta de un pequeño transistor y un condensador. Conseguimos mantener la carga del píxel entre refrescos. Mayor brillo y suavidad en las imágenes, mayor ángulo de visión y menor tiempo de respuesta que con matriz pasiva, pero también mayor coste.

La Tarjeta Gráfica

Dispositivo que proporciona las capacidades gráficas del sistema. Proporciona la interfaz entre el sistema y la pantalla:

a) Sistema - tarjeta gráfica: ISA, VESA, PCI, AGP, PCI-Express...

b) Tarjeta gráfica - pantalla: salida analógica VGA, salida digital DVI.

• Las tarjetas modernas acaparan cada vez más tareas del proceso de renderizado: incorporan grandes cantidades de memoria e incorporan procesadores (GPU) propios cada vez más potentes.
• La tarjeta gráfica puede trabajar en diferentes modos de vídeo. Los modos de vídeo se pueden dividir principalmente en modos gráficos y modos de texto. En el modo de texto, la salida se compone únicamente de caracteres ASCII, mientras que en un modo gráfico puede ser cualquier imagen de mapa de bits.
• Los diferentes modos de vídeo se diferencian principalmente en la resolución, tasa de refresco y profundidad de color ofrecida. Normalmente, a menores resoluciones, mayor profundidad de color y mayor refresco.
• La información gráfica ha ganado importancia con los años: aumento en demanda de detalle y realismo en aplicaciones en campos como la simulación, videojuegos, animación...
• Graphics render pipeline: Proceso seguido para generar una imagen 2D a partir de: una cámara virtual, un conjunto de fuentes de luz, un conjunto de objetos en 3D (geometría, texturas...).
• Resultado final del proceso de rendering: imagen generada con los objetos en la escena. El resultado obtenido depende de: Posición y forma (geometría de los objetos, la cámara utilizada y las características del entorno) y Apariencia (propiedades de los materiales, fuentes de luz, texturas y modelos de iluminación empleados).
• Pipeline: una cadena con varios pasos independientes. Idea: acelerar producción (n veces con n pasos). El eslabón más lento de la cadena determina la velocidad máxima del pipeline.
• Tres pasos o fases conceptuales diferentes en el pipeline gráfico: aplicación (única puramente software, se genera la geometría para las siguientes fases, detección de colisiones...), geometría (mayoría de operaciones sobre polígonos y vértices, normalmente implementado con el siguiente pipeline. Cada vez una mayor parte de las tareas que componen esta fase están directamente implementadas en el hardware gráfico), raster.
• Velocidad de render (fps) determinada por la tarea/fase más lenta del pipeline.
• Las tarjetas gráficas modernas acaparan cada vez más tareas del proceso de render (incorporan grandes cantidades de memoria, incorporan procesadores (GPU) propios cada vez más potentes).