Arquitetura e Organização de Computadores
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- Adelino Lemos Delgado
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1 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO Arquitetura e Organização de Computadores Memória Externa II Prof. Sílvio Fernandes
2 Parâmetros de Desempenho Tempo de Busca Seek Time (Ts) Tempo gasto para se posicionar a cabeça 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 Tempo de busca médio nos discos rígidos modernos é abaixo de 10 ms 2
3 Parâmetros de Desempenho Atraso Rotacional ou latência rotacional Tempo gasto até que o início do setor esteja sobre a cabeça Associado ao movimento do disco Latência média corresponde a meio disco 1Hz = 60 rpm Lat. rot.média 1 rpm = 1/60 Hz 0,5 RPM RPM 0,5 seg /(60 ) min 3
4 Parâmetros de Desempenho Atraso Rotacional Exemplo #01 Disco girando a 3600 rpm 1 Hz = 60 rpm X = 3600 rpm 60 x = 3600 rpm X = 3600 / 60 = 60 Hz 1 Hz = 1 rotação/s 60 Hz = 60 rotações/s 60 rot/1 s = 1 rot/ x s 60 x = 1 X = 1/60 s = 0,016 s É o mesmo que 60 / 3600 = 0,016 1 revolução a cada 16,7 ms Atraso rotacional médio = 0,5 * 16,7 ms = 8,3 ms 4
5 Parâmetros de Desempenho Atraso Rotacional 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 50 ms 5
6 Parâmetros de Desempenho Tempo de Transferência dos Dados (T) r T b* N onde: T: tempo de transferência dos dados b: n o de Bytes transferidos r: quantidade de tempo (em segundos) para 1 rotação N: n o de Bytes na trilha T s : é o tempo médio de busca Tempo Total de Acesso Médio (T a ) 1 Ta Ts r b* 2 r N 6
7 Comparação de Desempenho Considerando-se uma unidade de disco com os seguintes parâmetros: Tempo médio de busca: 4 ms Velocidade de rotação: rpm = 4 ms Setor de 512 B 500 setores por trilha Deseja-se calcular o tempo de acesso total médio a um arquivo de 1,28 MBytes que ocupa setores do disco 7
8 Comparação de Desempenho 1ª Hipótese: organização sequencial O arquivo ocupa todos os setores de 5 trilhas adjacentes (5 trilhas x 500 setores/trilha = 2500 setores) Tempo médio de busca: 4ms Atraso rotacional médio: 2 ms 0,5*(60/15000) = 0,002 s Leitura de 500 setores: 4 ms (500*512) * (0,004/(500*512)) = 0,004 s 8
9 Comparação de Desempenho 1ª Hipótese: organização sequencial O arquivo ocupa todos os setores de 5 trilhas adjacentes (5 trilhas x 500 setores/trilha = 2500 setores) Ta para a 1ª trilha: Ta1 = 4 ms + 2 ms + 4 ms = 10 ms Ta para as demais trilhas: Ta2 = 2 ms + 4 ms = 6 ms Para ler o arquivo inteiro, tem-se: Ta = Ta1 + (4 x Ta2)= x 6 Ta = 34 ms = 0,034 s 9
10 Comparação de Desempenho 2ª Hipótese: organização aleatória Todos os setores ocupados pelo arquivo se encontram espalhados aleatoriamente no disco Ta para cada setor: T = 512 * (4/(500*512)) = 0,008 ms Ta 1 = 4 ms + 2 ms + 0,008 ms = 6,008 ms Para ler o arquivo inteiro, tem-se: Ta = 2500 x Ta 1 = 2500 x 6,008 ms Ta = ms = 15,02 s 10
11 RAID RAID = Redundant Array of Independent Disks Estratégia criada por pesquisadores de Berkeley Termo oposto ao SLED (Single Large Expensive Disk) RAID, anteriormente, significava Redundant Array of Inexpensive Disks Há vários tipos de RAID, promovendo vantagens como: Redundância Aumento na taxa de transferência Aumento na taxa de processamento de solicitações 11
12 RAID Seis níveis de uso comum Conjunto dos principais discos vistos como uma única unidade lógica pelo S/O. Dados distribuídos pelas unidades físicas. Pode usar capacidade redundante. Pode usar capacidade redundante para armazenar informação de paridade. 12
13 RAID 13
14 RAID 0 (Espalhamento de Dados) Não redundante. Dados espalhados por todos os discos. Dados intercalados (striped) Mapeamento Round Robin. 14
15 RAID 0 (Espalhamento de Dados) Taxa de transferência ALTA Taxa de processamento de solicitações ALTA NENHUMA redundância Tira 0 Tira 1 Tira 2 Tira 3 Tira 4 Tira 5 Tira 6 Tira 7 Tira 8 Tira 9 Tira 10 Tira 11 Tira 12 Tira 13 Tira 14 Tira 15 15
16 RAID 0 (Espalhamento de Dados) O disco lógico é dividido em tiras (strips) que podem ser blocos físicos, setores físicos ou outra unidades Um conjunto de strips logicamente consecutivos é conhecido como um spripe 16
17 RAID 0 (Espalhamento de Dados) Disco lógico Tira 0 Tira 1 Tira 2 Tira 3 Tira 4 Tira 5 Tira 6 Tira 7 Tira 8 Tira 9 Tira 10 Tira 11 Tira 12 Tira 13 Tira 14 Tira 15 Disco Físico 0 Tira 0 Tira 4 Tira 8 Tira 12 Disco Físico 1 Tira 1 Tira 5 Tira 9 Tira 13 Software de gerência do arranjo Disco Físico 2 Tira 2 Tira 6 Tira 10 Tira 14 Disco Físico 3 Tira 3 Tira 7 Tira 11 Tira 15 17
18 RAID 1 (Replicação de Dados) Redundância TOTAL Taxa de processamento de solicitações ACEITÁVEL Somente em leituras pode ser percebido algum ganho Taxa de transferência ALTA Maior custo da categoria Tira 0 Tira 0 Tira 0 Tira 0 Tira 1 Tira 2 Tira 1 Tira 2 Tira 1 Tira 2... Tira 1 Tira 2 Tira 3 Tira 3 Tira 3 Tira 3 18
19 RAID 2 (Redundância via Código de Hamming) Discos acessados paralelamente Taxa de processamento de solicitações BAIXA Tiras muito pequenas (palavra ou Byte) Taxa de transferência ACEITÁVEL Múltiplos discos de paridade armazenam correção de erro via código de Hamming em posições correspondentes. Custo ainda proibitivo b 0 b 1 b 2 b 3 f 0 (b) f 1 (b) f 2 (b) 19
20 RAID 3 (Redundância via Paridade) Semelhante a RAID 2 Somente um disco redundante, não importa o tamanho do array Bit de paridade simples para cada conjunto de bits correspondentes Dados sobre unidade com defeito podem ser reconstruídos a partir de dados sobreviventes e informação de paridade 20
21 RAID 3 (Redundância via Paridade) Discos acessados paralelamente Taxa de processamento de solicitações BAIXA Tiras muito pequenas (palavra ou Byte) Taxa de transferência ACEITÁVEL Redundância através de bits de paridade Custo aceitável b 0 b 1 b 2 b 3 P(b) 21
22 RAID 3 (Redundância via Paridade) P(b) = b 0 xor b 1 xor b 2 xor b 3 P(b) xor b 1 xor P(b) = b 0 xor b 1 xor b 2 xor b 3 xor P(b) xor b 1 b 1 = b 0 xor b 2 xor b 3 xor P(b) EM PANE! b 0 b 1 b 2 b 3 P(b) (OPERAÇÃO EM MODO REDUZIDO) b 0 b 1 b 2 b 3 =? b 0 b 1 b 2 b 3 SW de gerência do arranjo 22
23 RAID 4 (Paridade de Bloco) Discos acessados independentemente Taxa de processamento de solicitações ALTA Blocos relativamente grandes Taxa de transferência ACEITÁVEL Bloco 0 Bloco 1 Bloco 2 Bloco 3 P(0-3) Bloco 4 Bloco 5 Bloco 6 Bloco 7 P(4-7) Bloco 8 Bloco 9 Bloco 10 Bloco 11 P(8-11) Bloco 12 Bloco 13 Bloco 14 Bloco 15 P(12-15) 23
24 RAID 4 (Paridade de Bloco) P(8-11) = B8 xor B9 xor B10 xor B11 P(8-11) = B8 xor B9 xor B10 xor B11 xor B9 xor B9 P(8-11) = B9 xor P(8-11) xor B9 P(4-7) = B4 xor B5 xor B6 xor B7 P(4-7) = B4 xor B5 xor B6 xor B7 xor B7 xor B7 P(4-7) = B7 xor P(4-7) xor B7 B0 B1 B2 B3 P(0-3) B4 B5 B6 B7 P(4-7) B8 B9 B10 B11 P(8-11) B12 B13 B14 B15 P(12-15) B9 B7 P(8-11) B9 B7 SW de gerência do arranjo P(4-7) (PENALIDADE DE ESCRITA) 24
25 RAID 5 (Paridade Distribuída) Como RAID 4 Paridade espalhada por todos os discos Alocação round-robin para stripe de paridade Evita gargalo do RAID 4 no disco de paridade Normalmente usado em servidores de rede 25
26 RAID 5 (Paridade Distribuída) Discos acessados independentemente Taxa de processamento de solicitações ALTA Blocos relativamente grandes Taxa de transferência ACEITÁVEL B0 B1 B2 B3 P(0-3) B4 B5 B6 P(4-7) B7 B8 B9 P(8-11) B10 B11 B12 P(12-15) B13 B14 B15 P(16-19) B16 B17 B18 B19 26
27 RAID 5 (Paridade Distribuída) P(8-11) = B8 xor B9 xor B10 xor B11 P(8-11) = B8 xor B9 xor B10 xor B11 xor B9 xor B9 P(8-11) = B9 xor P(8-11) xor B9 P(4-7) = B4 xor B5 xor B6 xor B7 P(4-7) = B4 xor B5 xor B6 xor B7 xor B7 xor B7 P(4-7) = B7 xor P(4-7) xor B7 B0 B1 B2 B3 P(0-3) B4 B5 B6 P(4-7) B7 B8 B9 P(8-11) B10 B11 B12 P(12-15) B13 B14 B15 P(16-19) B16 B17 B18 B19 B9 P(8-11) P(4-7) B7 B9 B7 SW de gerência do arranjo 27
28 RAID 6 (Redundância Dupla) Dois cálculos de paridade. Armazenado em blocos separados em discos diferentes. Requisito do usuário de N discos precisa de N+2. Alta disponibilidade de dados. Três discos precisam falhar para haver perda de dados. Penalidade de gravação significativa. 28
29 RAID 6 (Redundância Dupla) Redundância ALTA Custo um pouco mais alto Substancial penalidade de escrita B0 B1 B2 B3 P(0-3) Q(0-3) B4 B5 B6 P(4-7) Q(4-7) B7 B8 B9 P(8-11) Q(8-11) B10 B11 B12 P(12-15) Q(12-15) B13 B14 B15 29
30 RAID 30
31 RAID 31
32 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. 32
33 Mecanismo de Leitura Fotosensor examina a superfície em intervalos regulares. Começo ou fim de sulco indicam 1 ; Nenhuma mudança na elevação indica 0. 33
34 Layout do Disco Óptico Premissa básica Os setores são lidos a uma taxa constante. 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 34
35 Densidades Largura de uma trilha aparente: 1.6 μm. Largura útil de gravação, na direção radial: 32,55 mm = μm. N o de trilhas aparentes = /1,6 = aparentes trilhas Na verdade, há uma trilha única, com extensão aproximada de 5,27 Km. A uma velocidade linear de 1,2 m/s, tem-se 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 756,42 MB (superior a 550 disquetes de 3,25 ). 35
36 MIN SEC Setor Modo Formato do Bloco Bytes FF x Dados ECC 12 Bytes (SYNC) 4 Bytes (ID) 2048 Bytes 288 Bytes 2352 Bytes Modo 0: campo de dados em branco Modo 1: ECC Bytes de dados Modo 2: Bytes de dados 36
37 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. 37
38 DVD (Disco de Vídeo Digital) Bits são mais próximos aos outros, quando comparado a um CD. Laser possui comprimento de onda mais curto. Aumento de aproximadamente 7 vezes na capacidade de armazenamento ( 4,7 GB), quando comparado a um CD ( 700 MB). Espaço entre loops na espiral Distância mínima entre buracos CD DVD 1,6 μm 0,74 μm 0,834 μm 0,4 μm 38
39 DVD de Camada Dupla Utiliza uma segunda camada (semi-refletora) de pistas e sulcos, acima da primeira camada (completamente refletora). Laser pode ajustar o foco e atingir cada camada separadamente. Baixa refletividade da segunda camada faz com que a capacidade total ( 8,5 GB) não seja rigorosamente o dobro da anterior. O DVD pode ainda ter dois lados. Enquanto isso, os dados são gravados em apenas um lado do CD. 39
40 40
41 Disco ópticos de alta definição Projetados para vídeos de alta definição. Capacidade muito mais alta que DVD. Laser com comprimento de onda mais curto. Faixa do azul violeta. Sulcos menores. HD-DVD: 15 GB de único lado, única camada. Blue-ray: Camada de dados mais próxima do laser. Foco mais estreito, menos distorção, sulcos menores. 25 GB em única camada. Disponível para apenas leitura (BD-ROM), regravável uma vez (BR-R) e re-regravável (BR-RE). 41
42 Características da memória óptica 42
43 Comparação dos discos ópticos 43
44 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 ( paridade (bit de Registro físico 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 44
45 Fitas Magnéticas A maioria dos sistemas modernos usa a gravação serial em que os dados são dispostos com uma sequência de bits ao longo de cada trilha Gravação serpentinha O 1º conjunto de bits é gravado ao longo de toda a extensão da fita Quando o final é alcançado, as cabeças são reposicionadas para gravar uma nova trilha, e a fita é novamente gravada em sua extensão, agora na direção oposta 45
46 Fitas Magnéticas 46
47 Fitas Magnéticas 47
48 Referências STALLINGS, W. Arquitetura e organização de computadores: projeto para o desempenho. 8. ed. Prentice Hall, DELGADO, J.; RIBEIRO, C. Arquitetura de Computadores. 2 ed. LTC, PATTERSON, D. A. ; HENNESSY, J.L. Organização e projeto de computadores a interface hardware software. 3. ed. Editora Campus,
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