Arquitetura de Computadores - Sistemas de Memória Externa por Helcio Wagner da Silva
Discos Magnéticos • Os discos são feitos de material plástico ou metálico, coberto por material magnetizante • Os cabeçotes são, na verdade, bobinas • Escrita
B
i
i Bit “1” gravado B
– Correntes em sentidos opostos criam padrões magnéticos distintos – Esses padrões são usados para se representar “1”s e “0”s
i
i
Bit “0” gravado 2
Discos Magnéticos B
i
i
• Leitura – Baseia-se no fato de que um campo magnético que se move em relação a uma bobina induz uma corrente nessa bobina
Bit “1” lido
B
i
i Bit “0” lido 3
Layout do Disco Magnético • Um disco é dividido em trilhas concêntricas • Essas trilhas são divididas em setores – tal como uma pizza é dividida em fatias • Um setor é a menor unidade de endereçamento do disco • O tamanho de um setor é de 512 Bytes – Se um arquivo tiver 30 Bytes, ocupará 1 setor
• Um conjunto de trilhas na mesma posição em discos diferentes constitui um cilindro 4
Layout do Disco Magnético
5
Layout do Disco Magnético • Há entre 500 a 2.000 trilhas por superfície • Simplificação dos circuitos eletrônicos faz com que cada trilha armazene a mesma quantidade de bits – A densidade (no de bits/cm) aumenta da trilha mais externa para a trilha mais interna
• Espaços entre trilhas minimizam a ocorrência de erros devido – mau alinhamento do cabeçote – interferência entre campos magnéticos adjacentes 6
Clusters • O disco agrupa os setores numa entidade chamada cluster • O cluster é a menor unidade de espaço alocável em disco • Quanto maior a capacidade do disco, maior será o tamanho do cluster – i.e., mais setores serão chamados a formá-lo • Não importa quão pequeno seja um arquivo, ele sempre usará um cluster inteiro para ser armazenado 7
Clusters ESPAÇO MÍNIMO OCUPADO POR UM ARQUIVO NO DISCO Bytes por setor
No de setores por cluster
Espaço mínimo ocupado por um arquivo (KB)
1,44 (disquete)
512
1
0.5
Até 256
512
8
4
De 256 a 512
512
16
8
De 512 a 1024
512
32
16
Acima de 1024
512
64
32
Capacidade do Disco (MB)
• Exemplo: arquivo de 290 B armazenado num disco que possui clusters formados por 16 setores – Tamanho do cluster (em B): 16 x 512 B = 8.182 B – 7.892 B não serão utilizados nem estarão disponíveis para armazenar outro arquivo 8
Layout do Disco Magnético Setor 0 Espaço 1
Bytes
Bytes
17
Setor 1
ID 0
Espaço 2
Dados 0
Espaço 3
7
41
515
20
Espaço 1
17
ID 1
Espaço 2
7
41
Dados 1
Espaço 3
515
20
Byte SYNCH
No da Trilha
No do Cabeçote
No do Setor
CRC
Byte SYNCH
Dados
CRC
1
2
1
1
2
1
512
2
(Seagate ST 506) 9
Características Físicas • Movimento do cabeçote – Cabeçote fixo • 1 por trilha
– Cabeçote móvel • 1 por superfície
• Transportabilidade do disco – Disco não-removível – Disco removível
• Lados utilizados – Disco de lado único – Disco de lado duplo
• Número de pratos – Prato único – Múltiplos pratos
• Mecanismo de cabeçote – Contato (disquete) – Espaço fixo – Espaço aerodinâmico 10
Parâmetros de Desempenho • Tempo de Busca – Seek Time (Ts) – Tempo gasto para se posicionar o cabeçote na trilha – Associado ao movimento do braço mecânico – Não é verdadeiramente uma função linear do número de trilhas a percorrer – Ainda assim, pode ser aproximada por uma função linear
• Ts = m × n + s onde: – Ts: tempo de busca – m: constante que depende da unidade de disco – s: tempo de partida
• Exemplos: – Disco #01 • m = 0,3 ms • s= 20 ms
– Disco #02 • m = 0,1 ms • s = 3 ms 11
Parâmetros de Desempenho • Atraso Rotacional – Tempo gasto até que o início do setor esteja sobre o cabeçote – Associado ao movimento do disco
• Exemplo #01 – Disco girando a 3600 rpm • 1 revolução a cada 16,7 ms • Atraso rotacional médio = 8,3 ms
• Exemplo #02 – Disco flexível girando a 300 rpm • Atraso rotacional médio é de 100 ms
• Exemplo #03 – Disco flexível girando a 600 rpm • Atraso rotacional médio é de 200 ms
12
Parâmetros de Desempenho • Tempo de Transferência dos Dados (T)
b T= rN onde: – – – –
T: tempo de transferência dos dados b: no de Bytes transferidos r: velocidade de rotação (em rpm) N: no de Bytes na trilha
• Tempo Total de Acesso Médio (Ta)
1 b Ta = Ts + + 2r rN 13
Comparação de Desempenho • Considerando-se uma unidade de disco com os seguintes parâmetros: – Ts = 20 ms – T = 1 MB/s – Setor de 512 B – 32 setores por trilha – Velocidade de rotação de 3.600 rpm
• Deseja-se calcular o tempo de acesso total médio a um arquivo de 128 KB que ocupa 256 setores do disco 14
Comparação de Desempenho • 1ª Hipótese: organização seqüencial – O arquivo ocupa todos os setores de 8 trilhas adjacentes (8 trilhas x 32 setores/trilha = 256 setores) – Ta para a 1ª trilha: • Ta1 = 20,0 ms + 8,3 ms + 16,7 ms = 45,0 ms
– Ta para as demais trilhas: • Ta2 = 8,3 ms + 16,7 ms = 25,0 ms
– Para ler o arquivo inteiro, tem-se: • Ta = Ta1 + 7 x Ta2 = 45 + 7 x 25 → Ta = 220 ms = 0,22 s 15
Comparação de Desempenho • 2ª Hipótese: organização aleatória – Todos os setores ocupados pelo arquivo se encontram espalhados aleatoriamente no disco – Ta para cada setor: • Ta1 = 20,0 ms + 8,3 ms + 0,5 ms = 28,8 ms
– Para ler o arquivo inteiro, tem-se: • Ta = 256 x Ta1 = 256 x 28,8 ms → Ta = 7.373 ms = 7,37 s
16
Discos Ópticos • 1983 → sistema de áudio digital de disco compacto • CD-ROM – Mesmo processo de fabricação do CD de áudio • Disco fabricado em policarbonato, revestido com uma superfície de alto índice de reflexão (Alumínio, tipicamente) • Informações (dados ou músicas) gravadas na superfície como uma série de sulcos microscópicos • Superfície sulcada é protegida contra pó e arranhões por uma cobertura de laca ou verniz clara
– Dispositivo de leitura mais resistente e possui mecanismos de correção de erro 17
Layout do Disco Óptico • Premissa básica – os setores são lidos a uma taxa constante
• CAV (Velocidade Angular Constante) – Quantidade de dados armazenados nas trilhas mais externas é igual a quantidade armazenada nas trilhas mais internas – Disco gira numa velocidade fixa – Desperdício de espaço de armazenamento
• CLV (Velocidade Linear Constante) – Dados distribuídos no disco em setores de mesmo tamanho – Capacidade e atraso rotacional são maiores para as trilhas mais externas – Armazenamento mais eficiente – Necessário ajuste na velocidade – Layout utilizado em CD-ROMs 18
Densidades • Exemplo – Largura de uma trilha aparente: 1.6 μm – Largura útil de gravação, na direção radial: 32,55 mm = 32.550 μm – No de trilhas aparentes = 32.550/1,6 = 20.344 trilhas aparentes – Na verdade, há uma trilha única, com extensão aproximada de 5,27 Km – A uma velocidade linear de 1,2 m/s, tem-se 4.391 s (ou 73,2 min) de gravação/reprodução – Dados são armazenados/lidos a uma taxa de 176,4 KB/s, o que leva a uma capacidade de armazenamento de 774,57 MB (superior a 550 disquetes de 3,25’’) 19
1
1
1
1
1
FF x 10
00
Setor
Modo
00
10
SEC
Bytes 1
MIN
Formato do Bloco
12 Bytes (SYNC)
Dados
4 Bytes (ID)
2048 Bytes
ECC
288 Bytes
2352 Bytes
• Modo 0: campo de dados em branco • Modo 1: ECC + 2.048 Bytes de dados • Modo 2: 2.336 Bytes de dados 20
Outros Tipos de Discos Ópticos • WORM (Escrita Uma Vez, Leitura Múltiplas Vezes) – Pré-formatação • Laser de alta intensidade produz uma série de bolhas no disco
– Escrita • Laser de baixa intensidade pode produzir calor suficiente para romper as bolhas previamente gravadas
– Leitura • Laser de baixa intensidade ilumina a superfície do disco, e as bolhas rompidas fornecem um contraste maior do que a área circundante 21
Outros Tipos de Discos Ópticos • CD-RW (Disco Óptico Apagável) – Usa um material que tem dois índices de reflexão diferentes, em dois estados distintos de fase • Estado amorfo: moléculas exibem uma orientação aleatória e que reflete pouca luz • Estado cristalino: possui uma superfície suave com boa reflexão de luz
– Um feixe de luz laser pode alterar o material de um estado para outro – Material eventualmente perde de maneira permanente essa propriedade 22
Outros Tipos de Discos Ópticos • DVD (Disco de Vídeo Digital) – Um DVD padrão pode conter 4,7 GB por camada • Um DVD de camada dupla pode armazenar 8,5 GB
– Um DVD padrão pode conter um filme de 2,5 h • Um DVD de camada dupla pode armazenar um filme de mais de 4 h de duração
• MO (Disco Magnético-Óptico) – Operação de gravação puramente magnética – Operação de leitura puramente óptica – Apresenta maior longevidade que um disco óptico 23
Fitas Magnéticas • Fita coberta com óxido magnético Trilha 01 Trilha 02 Trilha 03 Trilha 04 Trilha 05 Trilha 06 Trilha 07 Trilha 08 Trilha 09
Registro físico
(bit de paridade)
Espaço entre registros
• Foi o primeiro tipo de memória secundária • Ainda é utilizada como o elemento de menor custo e menor velocidade da hierarquia de memória 24