Arquitetura de Computadores Armazenamento Secundário

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1 Memória Secundária Arquitetura de Computadores Armazenamento Secundário Memória de grande capacidade (dezenas de Gigabytes). Armazenamento massivo. Implementada em meio magnético (hard disk, fitas magnéticas) ou ótico (CD-ROM, DVD-ROM, Bluray). Armazena programas e dados não processados correntemente, mas que poderão eventualmente ser utilizados. (freqüência de acesso pequena). Memória lenta e barata. Tempo de acesso da ordem de milissegundos. Pode também ser utilizada para emular memória principal, aumentando o espaço de endereçamento disponível através de técnicas de memória virtual. Disco Magnético Dados representados como pontos magnetizados na superfície de um disco rotativo. Pontos no disco convertidos em impulsos elétricos. Tipos principais: Discos flexíveis Discos rígidos Discos Flexíveis Produzidos com Mylar flexível e revestidos com óxido de ferro. Possuem a proteção de uma jaqueta de plástico rígido. Um disquete de 3,5 polegadas contém 1,44 MB de dados. Variações de alta capacidade: O HiFD, da Sony, contém 200 MB. O SuperDisk, da Imation, está disponível nas versões de 120 e 240 MB. O Zip drive, da Iomega, está disponível nas versões de 100, 250 e 750 MB. Discos Flexíveis Discos Rígidos Lâmina rígida revestida com óxido magnético: Diversas lâminas podem ser combinadas em uma única pilha de discos (disk pack). Unidade de disco um dispositivo que possibilita recuperar dados para serem lidos ou escritos em disco. Unidade de disco para computadores pessoais alojada no gabinete do computador. Grandes sistemas computadorizados podem ter diversas unidades de disco externas. 1

2 Lendo e Escrevendo Dados O braço de acesso movimenta a cabeça de leitura/gravação sobre uma localização em particular. A cabeça de leitura /gravação paira alguns milionésimos de polegada acima da lâmina. Se a cabeça tocar a lâmina, haverá um crash, e dados serão destruídos. Dados podem ser destruídos se a cabeça entrar em contato com uma mínima matéria estranha na superfície do disco. Lendo e Escrevendo Dados Pilha de Discos (Disk Packs) Pilha de Discos (Disk Packs) Cada lâmina tem seu próprio braço de acesso com uma cabeça de leitura/gravação. A maioria das pilhas de discos (disk packs) combina lâminas, braços de acesso e cabeça de leitura/gravação. Discos Rígidos para Computadores Pessoais Módulos lacrados que são montados em um compartimento de 3, 5 polegadas. Capacidade em gigabytes. O acesso a arquivos é muito mais rápido do que o acesso a arquivos em disquetes. Alguns contêm cartuchos removíveis. Unidade Jaz, da Iomega Discos Rígidos para Computadores Pessoais 2

3 Organização dos dados Trilha Setor Cluster Cilindro Trilha A porção circular da superfície do disco que passa sob a cabeça de leitura/gravação. Um disco flexível tem 80 trilhas em cada superfície. O disco rígido pode ter ou mais trilhas em cada superfície de cada lâmina. Setor Cada trilha é dividida em setores que contêm um número fixo de bytes. Tipicamente, 512 bytes por setor. A gravação por zonas atribui mais setores às trilhas que estão nas zonas externas do que àquelas que estão nas zonas internas. Usa o espaço de armazenamento de maneira mais completa. Setor Setor Cluster Um número fixo de setores adjacentes tratados como uma unidade de armazenamento. Tipicamente, de dois a oito setores, dependendo do sistema operacional. 3

4 Cilindro Cilindro A trilha sobre cada superfície, que está sob a cabeça de leitura/gravação, em determinada posição das cabeças de leitura/gravação. Quando o arquivo é maior do que a capacidade de uma única trilha, o sistema operacional armazena-o em trilhas que fazem parte do mesmo cilindro. Velocidade de Acesso a Disco Tempo de acesso o tempo necessário para acessar dados no disco. Três fatores: Tempo de busca Comutação de cabeças Retardo rotacional Assim que os dados são encontrados, o passo seguinte é a transferência de dados. Tempo de Busca Tempo necessário para que o braço de acesso se posicione sobre uma trilha em particular. Todos os braços de acesso se movem como uma unidade. Todos se posicionam simultaneamente sobre um conjunto de trilhas que compõe um cilindro. Comutação de Cabeças A ativação de uma cabeça de leitura/ gravação em particular sobre uma trilha em particular. Todos os braços de acesso se movem juntos, mas somente uma cabeça de leitura/ gravação pode operar em determinado momento. Retardo Rotacional O tempo necessário para que os dados desejados na trilha passem sob a cabeça de leitura e gravação. Em média, a metade do tempo para uma revolução completa do disco. 4

5 Cache de Disco Cache de disco uma área especial da memória. Quando a unidade de disco lê dados do disco, ela lê dados adjacentes e os armazena na memória. Quando é emitida a instrução de leitura seguinte, a unidade verifica primeiro se os dados desejados estão na cache de disco. Similar à memória cache Transferência de Dados O processo de transferir dados entre sua localizaçao na trilha do disco e a memória. Medidas de desempenho Tempo médio de acesso: Aproximadamente, 10 milissegundos (10 milésimos de segundo). Pode ser melhorado através de cache de disco. Taxa de transferência de dados quão rapidamente dados podem ser transferidos ao serem localizados. Expressa em termos de megabytes por segundo. Transferência de Dados O processador tem, de alguma forma, conseguir ordenar as transferências de dados entre os discos e a memória Os comandos ATA representam a especificação dessas ordens de transferência e controle Modos de transferência: Transferência programada (Modos PIO): A CPU está diretamente envolvida nas transferências Transferência direta para memória (Modos DMA e UltraDMA): As transferências de dados são geridas por um controlador especial Padrões de Controle para Dispositivos de Armazenamento Secundário PATA Parallel Advanced Technology Attachment SATA Serial Advanced Technology Attachment SCSI - Small Computer System Interface PATA Éum padrão para interligar dispositivos de armazenamento, como discos rígidos e drives de CD-ROMs, no interior de computadores pessoais. A evolução do padrão fez com que se reunissem em si várias tecnologias antecessoras, como: (E)IDE - (Extended) Integrated Drive Electronics ATAPI - Advanced Technology Attachment Packet Interface UDMA - Ultra DMA Com a introdução do Serial ATA em 2003, o padrão ATA original foi renomeado para Parallel ATA (ATA Paralelo, ou PATA). Este padrão apenas suporta cabos até 19 polegadas (450 mm), embora possam ser adquiridos cabos de maior comprimento, e é a forma menos dispendiosa e mais comum para este efeito. PATA 5

6 PATA Especificações ATA/ATAPI Utilizar um conjunto de condutores paralelos, enviando os comandos e dados em paralelo. Largura-de-Banda: máximo de 133 MB/s (ATA- 7). Ligação em paralelo Tensão de funcionamento alta(» 5.0V) Conectores complexos (80 pinos) Não é 100% Plug-and-plag (s/ jumpers, configurações master/slave) Não permite Hot-Swap SATA Serial ATA, SATA ou S-ATA é uma tecnologia de transferência de dados entre um computador e dispositivos de armazenamento em massa (mass storage devices) como unidades de disco rígido e drives ópticos. É o sucessor da tecnologia que foi renomeada para PATA (Parallel ATA) para se diferenciar de SATA. Diferentemente dos discos rígidos IDE / PATA, que transmitem os dados através de cabos de quarenta ou oitenta fios paralelos, o que resulta num cabo enorme, os discos rígidos SATA transferem os dados em série, usando cabos com 7 fios. SATA SATA Em vez de utilizar um conjunto de condutores paralelos, os comandos e dados são enviados e recebidos em série. Utiliza o mesmo conjunto de comandos (ATA) Largura-de-Banda: 150 MB/s (SATA I) e 300MB/s (SATA II) Ligação ponto-a-ponto, série (2 pares de cobre) Tensão de funcionamento mais baixa (» 0.6V) Conectores simples (7 pinos) Plug-and-plag (s/ jumpers, configurações master/slave) Hot-Swapable SATA Padrão Frequência Bits/Clock Velocidade Máxima SATA I 1500 MHz MB/s SATA II 3000 MHz MB/s 6

7 SCSI É um barramento para a ligação de periféricos ao computador, tais como discos rígidos, unidades de CD e scanners que usem esta tecnologia de comunicação. Trata-se de uma tecnologia criada para acelerar a taxa de transferência de dados entre dispositivos de um computador As vantagens do SCSI não se resumem apenas à questão da velocidade, mas também da compatibilidade e estabilidade. Sendo o processador o dispositivo mais rápido do computador, o uso do padrão SCSI permite que essa velocidade seja aproveitada e assim, aumenta-se de forma considerável o desempenho do computador. Isso deixa claro que o SCSI é aplicado principalmente em servidores e em aplicações de missão crítica. SCSI SCSI Os periféricos SCSI podem ser tanto internos quanto externos. Como a placa-mãe normalmente não tem uma interface SCSI embutida, é necessária a instalação de uma placa SCSI para termos este barramento no PC. Esta placa muitas vezes é também chamada"host SCSI. A comunicação entre a placa e o periférico pode ser de 8 bits ou de 16 bits. Para periféricos internos, a comunicação de 8 bits usa um flat-cable de 50 pinos. SCSI A comunicação de 16 bits usa um flat-cable de 68 pinos. A comunicação de 16 bits oferece o dobro do desempenho da comunicação de 8 bits quando operam sob um mesmo clock. A comunicação de 8 bits é também chamada de Narrow SCSI. A comunicação de 16 bits é também chamada de Wide SCSI. É possível instalarmos até sete periféricos em uma placa SCSI de 8 bits e até quinze em uma placa SCSI de 16 bits. SCSI Interface SCSI 1 (8 bits) Fast SCSI (SCSI-2) (8 bits) Fast Wide SCSI (SCSI-2) (16 bits) Ultra SCSI (8 bits) Ultra Wide SCSI (SCSI-3) (16 bits) Ultra2 SCSI (8 bits) Ultra Wide 2 SCSI (16 bits) Ultra3 SCSI ou Ultra160 SCSI Ultra320 SCSI SERIAL ATTACHED SCSI (SAS) Taxa de Transferência / Velocidade 5 MBytes/seg 10 MBytes/seg 20 MBytes/seg 20 MBytes/seg 40 MBytes/seg 40 MBytes/seg 80 MBytes/seg 160 MBytes/seg 320 MBytes/seg 300 ~ 600 MBytes/seg RAID Pode-se ganhar desempenho na leitura e escrita de dados utilizando paralelismo. Patterson sugeriu em um artigo de 1988 seis organizações específicas de disco que podemser usadas para melhorar o desempenho, a confiabilidade do disco, ou ambos Essas idéias foram rapidamente adotadas pela indústria e deram origem a uma nova classe de dispositivos de E/S chamada RAID RAID Redundant Array of Inexpensive Discs (depois Redundant Array of Independent Discs ) SLED Single Larger Expensive Disc 7

8 RAID A idéia fundamental de um RAID é: Instalar uma caixa cheia de discos próxima ao computador, Substituir a placa do controlador de disco por um controlador RAID Copiar os dados para o RAID Continuar a execução normalmente. RAID deveria parecer um SLED para o sistema operacional, mas ter melhor desempenho e melhor confiabilidade. Uma vez que discos SCSI têm bom desempenho é natural que a maioria dos RAlDs consista em um controlador RAID SCSI. RAID Existem 6 tipos de RAID: RAID 0 RAID 1 RAID 2 RAID 3 RAID 4 RAID 0 RAID 0 Consiste em ver o disco virtual simulado pelo RAID como se o mesmo fosse dividido em tiras de k setores cada. Os setores 0 a k - 1 são a tira 1 Os setores k a 2k - 1 são a tira 2 E assim sucessivamente Para k=1, uma tira é igual a um setor e para k=2, uma tira tem 2 setores. As tiras são escritas por alternância circular. RAID 1 RAID 1 Duplica todos os discos. Para uma escrita, cada tira é escrita duas vezes. Para uma leitura, quaisquer daa duas cópias pode ser usuda, distribuindo a carga por mais drives. O desempenho da escrita não ê melhor do que o de um único drive, mas o desempenho de leitura pode ser duas vezes melhor. Tolerante a falhas. 8

9 RAID 2 RAID 2 Diferentemente dos níveis 0 e 1, o RAID 2 trabalha por palavra. Imagine dividir cada byte do disco virtual único em um par de nibbles de 4 bit e acrescentar um código de Hamming para cada um para fomar um palavra de 7 bits. O RAID 2 utilizaria 7 discos sincronizadas para escrever a palavra codificada, utilizando um disco para cada bit. RAID 3 RAID 3 O RAID é uma versão simplificada do RAID 2. Nesse arranjo, um único bit de paridade é computado para cada palavra de dados e escrito em um drive de paridade. Como no RAID 2, os drives devem sincronizados, uma vez que palavras de dados individuais são distribuídas por múltiplos drives RAID 4 RAID 4 O RAID 4 é como o RAID 0, com paridade tira por tira escrita em um drive extra. Por exemplo, se cada tira tiver k bytes de comprimento, todas as tiras passam por uma operação de XOR, resultando em uma tira de paridade de k bytes de comprimento. Se um drive falhar, os bytes perdidos podem ser recalculados com base no drive de paridade. 9

10 RAID 5 RAID 5 Como consequência da carga pesada sobre o drive de paridade no RAID 4, esse drive pode se tornar um gargalo. Esse gargalo é eliminado no RAID 5, distrbuindo os bits de paridade uniformemente por todos os drives, por alternância circular. No evento de uma falha de drive, a reconstrução do drive danificado é um processo complexo. 10