Cap. 6 - Dispositivos de armazenamento de dados

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1 Cap. 6 - Dispositivos de armazenamento de dados Arquitectura de Computadores 2010/2011 Licenciatura em Informática de Gestão Dora Melo (Responsável) Originais cedidos gentilmente por António Trigo (2009/2010) Instituto Superior de Contabilidade e Administração de Coimbra Dora Melo (2010/2011) 1 / 45

2 1 Introdução 2 Dispositivos magnéticos Discos r ígidos Barramentos RAID Disquetes e discos Zip 3 Dispositivos ópticos CD DVD 4 Dispositivos de memória flash Dora Melo (2010/2011) 2 / 45

3 Introdução Porquê da utilização da expressão dispositivos de armazenamento de dados? O tipo de dispositivos analisados neste cap ítulo, ao contrário das memórias (com excepção para as ROM) têm a capacidade de guardar a informação sem estarem ligados à corrente eléctrica, ou seja, são dispositivos de memória não volátil. Dora Melo (2010/2011) 3 / 45

4 Discos rígidos Fotografia de um disco rígido Dora Melo (2010/2011) 4 / 45

5 Discos rígidos Caracter ísticas mecânicas Compostos por discos individuais, designados pratos (platters), que possuem um motor no eixo que os faz rodar (spindell motor); Pratos são feitos em alumínio e são revestidos por uma camada magnética; Cabeças (heads) de leitura/escrita acoplados a braços (arms), que por sua vez são controlados por um servomotor (actuator); Cada prato tem associado duas cabeças de leitura/escrita; As cabeças de leitura/escrita flutuam/sobrevoam a superf ície dos pratos, operando a uma distância de 0,1 µm ou 0,2 µm e nunca tocam a superf ície dos pratos; Possuem ainda uma placa controladora integrada (logic board). Dora Melo (2010/2011) 5 / 45

6 Discos rígidos Codificação dos dados Os dados são armazenados em minúsculos campos magnéticos, tal e qual como se fossem ímans N-S alinhados uns com uns outros, mas dispostos segundo orientações diferentes; Cada um destes campos pode mudar de polaridade, segundo um processo de inversão de fluxo, sendo que a direcção da inversão de fluxo determina o valor lógico definido nesse campo magnético (0 ou 1); Este processo de inversão de fluxo é efectuado pelas cabeças de leitura/escrita quando efectuam uma escrita; Na leitura as cabeças percorrem da esquerda para a direita os minúsculos campos magnéticos e atribuem às diferentes orientações de inversão de fluxo valores lógicos de acordo com essas inversões. Dora Melo (2010/2011) 6 / 45

7 Discos rígidos Geometria Determina a forma organizada como o disco r ígido armazena a informação; Tem a ver com três números referentes a três valores especiais: Número de cabeças; Número de cilindros Cada prato do disco r ígido é composto por circunferências concêntricas designadas de pistas/trilhas; Um cilindro é o conjunto de pistas que estão no mesmo enfiamento vistas de cima; Número de sectores Os sectores são a unidade mais pequena de armazenamento, com cerca de 512 bytes, em que cada pista/trilha está dividida; Estes três valores são designados de CHS, que são as iniciais, em inglês, de cada um destes números: C - Cylinder; H - Head; e S - Sectors. Dora Melo (2010/2011) 7 / 45

8 Discos rígidos Fotografia da geometria de disco r ígido Dora Melo (2010/2011) 8 / 45

9 Discos rígidos Geometria f ísica/lógica As rotinas do BIOS criadas inicialmente pela IBM só previam discos com a capacidade de 528 milhões de bytes (C = 1024; H = 16 e S = 63); Para além desta questão o fabrico de discos com 8 pratos é muito mais dispendioso do que o fabrico de discos com menos pratos; Assim, surgiu a necessidade de criar uma geometria que enganasse o BIOS do PC, o que levou a criação de uma nova geometria, designada de geometria lógica, que define valores de CHS, diferentes dos reais (geometria f ísica); Quando os dados são enviados para o disco, os circuitos integrados acoplados encarregam-se de fazer a tradução de geometria lógica para geometria f ísica; Dora Melo (2010/2011) 9 / 45

10 Discos rígidos Capacidade Capacidade = C H S 512bytes C - número de cilindros; H - número de cabeças; S - número de sectores; Dora Melo (2010/2011) 10 / 45

11 Discos rígidos Caracter ísticas f ísicas mais importantes Barramento/Interface, identifica o barramento ou interface suportada pelo disco r ígido; Capacidade (GB), representa a quantidade de dados que podem ser armazenados. Os fabricantes de discos r ígidos utilizam normalmente a notação decimal em vez da notação binária para o cálculo da capacidade dos discos rígidos, em que 1 GB = 10 9 bytes, enquanto que na notação binária é igual a 1 GB = 2 30 bytes. Densidade superficial máxima (Gbits/in), define o número de bits por unidade de área que um disco pode conter. Uma maior densidade significa uma maior largura de banda teórica interna para o disco rígido, já que, a uma mesma velocidade rotacional, as cabeças conseguem ler mais bits; Dora Melo (2010/2011) 11 / 45

12 Discos rígidos Caracter ísticas de desempenho mais importantes Buffer de dados (ou cache interna) é utilizado para as transferências do disco para o PC; Velocidade rotacional, representa o número de rotações por minuto que os pratos atingem; Latência média (rotational delay), é metade do tempo de uma rotação dos pratos e representa o tempo médio que uma operação de leitura/escrita terá de esperar até que o sector se situe por baixo ou por cima das cabeças; Tempo de procura (seek time), é o tempo que decorre desde que os braços das cabeças se começam a movimentar para aceder a uma pista para o início de operação de leitura/escrita; Dora Melo (2010/2011) 12 / 45

13 Discos rígidos Caracter ísticas de desempenho mais importantes Tempo de leitura de um sector (transfer time), tempo de leitura de um sector, enquanto unidade m ínima (depende da velocidade de rotação); T leitura de um sector = b rn T medio acesso = T procura + Latencia = T procura r b - número de bytes a transferir; N - número de bytes numa pista; r - rotações por segundo Dora Melo (2010/2011) 13 / 45

14 Discos rígidos Caracter ísticas de desempenho mais importantes Exerc ício - a importância da desfragmentação Considere um disco de rpm com 500 sectores por pista de 512 bytes com as seguintes caracter ísticas: Tempo de procura Latência Tempo de leitura de 1 sector 4 ms 2 ms ms Quanto tempo demora a ler um ficheiro que ocupa 2500 sectores nos seguintes casos: a) Os sectores estão seguidos no disco? Resposta: 4 + 5*( * 500) b) Os sectores estão dispersos aleatoriamente pelo disco? Resposta: 2500 * ( ) Dora Melo (2010/2011) 14 / 45

15 Barramentos Parallel Advanced Technology Attachment (PATA) Também conhecido por Integrated Drive Electronics (IDE) ou simplesmente ATA Barramento de 16 bits que surgiu como o barramento de ligação ao barramento PC/AT Modos de operação: Programmed I/O (PIO), primeiro modo de transferência de dados entre o disco e a memória, controlado pelo processador; DMA, com base no chip/controlador Direct Memory Access (DMA), que permite a transferência de dados de e para a memória sem a intervenção do processador; Ultra DMA (UDMA), também conhecido por bus-mastering utiliza o barramento PCI e requer que a ponte norte seja compat ível com este modo; UDMA transfere dados duas vezes por ciclo do clock. Versão mais recente: UDMA/133, a 133 MB/s; Configurações master/slave. Dora Melo (2010/2011) 15 / 45

16 Barramentos Serial Advanced Technology Attachment (SATA) Criado para substituir o barramento PATA. Principais objectivos: Reduzir o número de pinos/canais (2); Níveis de tensão mais baixos; Maior desempenho; Conectores e cabos mais finos e flexíveis; Mais dedicado a sistemas de armazenamento de dados internos ao PC; Fácil instalação e configuração (sem jumpers e terminadores externos); Só um controlador por dispositivo. Utiliza a comuniação série sobre dois pares de condutores (TX e RX); Frequência de operação: 1,5 GHz; Transferências de 1,5GBps e 3,0Gbps. Dora Melo (2010/2011) 16 / 45

17 Barramentos PATA vs SATA PATA SATA Arquitectura paralela série Nível de tensão 5V 0.24 a 0.6V Número de dispositivos 2 1 Cablagem (comprimentos) 45.72cm 1.32cm Conectores 40/80 pinos 7 pinos Dora Melo (2010/2011) 17 / 45

18 Barramentos Small Computer System Interface/Interconnect (SCSI) Barramento paralelo de 8 (narrow), 16 (wide) ou 32 (very wide) bits; Presente normalmente em servidores; 4 tipos de conectores internos e 4 tipos de conectores externos; Interliga até um máximo de 16 dispositivos seguidos (chain), sendo atribuído a cada um um ID; Cada barramento SCSI necessita de um terminador, actualmente já inclu ídos nos dispositivos a ligar, que têm de ser configurados; Frequência de operação até 160 MHz; Transferências até 640 MB/s. Dora Melo (2010/2011) 18 / 45

19 Barramentos Fibre Channel (FC) É uma tecnologia de redes de computadores de alto-débito usada para armazenamento em rede; Frequentemente usado para ligar discos SCSI a controladoras RAID, e controladoras RAID a uma rede; As grandes vantagens desta tecnologia são: Hot-pluggability - os discos FC podem ser instalados e removidos enquanto o sistema está a operar. Caracter ística crucial em sistemas de alto-débito e disponibilidade (com uptimes próximos de 100%); Não requer adaptadores especiais, que podem ser caros. Velocidade - Bem configurado, o FC é a opção mais rápida (actualmente até 4 Gbps, expans ível até 10 Gbps). FC permite grande integridade de dados em sistemas com múltiplos drives, incluindo Fibre Channel RAID. Cablagem mais longa. Dora Melo (2010/2011) 19 / 45

20 RAID Redundant Array of Independent Disks Em português, Conjunto Redundante de Discos Independentes: É um conjunto de discos interligados que podem ser usados em vários modos de funcionamento para diferentes necessidades; É uma tecnologia que oferece fiabilidade, capacidade, alto desempenho e economia no armazenamento de dados; Tecnologia de ampla utilização (do PC até ao mainframe); O sistema RAID consiste na gestão de um conjunto de discos, aparecendo ao utilizador como um único disco grande; A tecnologia pode ser implementada por hardware ou por software: A implementação mais comum é via hardware em que o SO olha para o sistema RAID como um único disco. As implementações em software são mais complexas e estão dependentes do SO Dora Melo (2010/2011) 20 / 45

21 RAID Funcionalidades Dependendo do modo RAID Em caso de falha, os dados são transferidos para um disco mais próximo, sem que o sistema pare e sem perder dados; Disponibilização mais rápida de dados. Discos são acedidos simultaneamente; A manutenção é mais fácil e evita falhas, pois os discos podem ser substitu ídos enquanto o sistema opera. Dora Melo (2010/2011) 21 / 45

22 RAID Níveis ou modo Existem vários níveis ou modos RAID, sendo que os mais usados são: RAID 0 - Data Stripping; RAID 1 - Data Mirroring; RAID 5; RAID 10 - Stripe of Mirrors; RAID Mirror of Stripes; RAID 50. Dora Melo (2010/2011) 22 / 45

23 RAID RAID 0 - Data Stripping Nesta arquitectura são utilizados 2 ou mais discos r ígidos de forma a criar uma única unidade lógica (a capacidade total é a soma das capacidades dos vários discos). Desta forma, os dados são distribu ídos pelos vários discos, o que permite, em teoria duplicar o desempenho. Dora Melo (2010/2011) 23 / 45

24 RAID RAID 0 - Data Stripping Vantagens: Fácil implementação Aumenta o desempenho na leitura/escrita em disco. Desvantagens: No caso de avaria de um disco a informação será perdida, pois este sistema não é redundante nem tem como objectivo ser tolerante a falhas. Dora Melo (2010/2011) 24 / 45

25 RAID RAID 1 - Data Mirroring Duplicação de discos. (Cada ficheiro é escrito em duas unidades diferentes); Técnica utilizada frequentemente em servidores de armazenamento de ficheiros porque permite redundância. Tal como o RAID 0 são necessários no mínimo dois discos rígidos. Dora Melo (2010/2011) 25 / 45

26 RAID RAID 1 - Data Mirroring Vantagens: Permite um sistema mais fiável visto ser tolerante a falhas. Como é um sistema 100% redundante em caso de falha temos os dados duplicados no disco de mirror. Desvantagens: Menos performance na leitura/escrita a dados. Perca de capacidade de armazenamento visto obter-mos sempre metade do espaço total dos vários discos. Dora Melo (2010/2011) 26 / 45

27 RAID RAID 2,3 e 4 Estes três modos de RAID são similares; Utilizam a paridade ou a correcção de erros com ECC (Error Correction Code); RAID 2, similar ao RAID 4 mas utiliza o ECC em vez da paridade. Permite corrigir erros frequentes de leitura e escrita nos discos a partir dos discos de ECC; RAID 3, idêntico ao RAID 4, possuindo um ou mais discos dedicados ao armazenamento da informação relacionada com a paridade. Exige que os discos estejam sincronizados; RAID 4, utiliza um disco ou mais discos para guardar a paridade, a partir da qual faz a reconstituição dos dados; Estes sistemas de RAID não são utilizados actualmente. Dora Melo (2010/2011) 27 / 45

28 RAID RAID 5 Similar ao RAID 4, mas distribui os bits de paridade por todos os discos; Não tem necessidade de ter discos dedicados à paridade; A paridade relativa a um disco encontra-se distribu ída pelos outros discos. Requer um mínimo de 3 discos; Dora Melo (2010/2011) 28 / 45

29 RAID RAID 5 Independentemente da quantidade de discos usados no array, o espaço dedicado à paridade é equivalente a um dos discos, ou seja, quantos mais discos no array, menor é a proporção de espaço dedicado à paridade; Exemplo: Num sistema com 5 discos de 500GB, teríamos 2TB de espaço disponível e 500GB de espaço dedicado à paridade; Utilizando 8 discos teremos 3.5TB para dados e os mesmos 500 GB para paridade, e assim por diante. Nível mais completo de todos os níveis de redundância na medida em que se um disco falhar, os bits de paridade existentes nos outros discos permitem a recuperação em tempo real de todos os seus dados; Mais ainda, o sistema pode continuar a funcionar normalmente, mesmo sem um dos discos r ígidos. Sistema mais utilizado também conhecido somente por RAID. Dora Melo (2010/2011) 29 / 45

30 RAID RAID 10 ou Stripe of Mirrors Este modo de RAID é a combinação de discos espelhados com a segmentação de dados; São necessários pelo menos 4 discos; Tem o mesmo nível de performance de um RAID 0+1, contudo o nível de segurança em caso de falha (fault tolerance) é maior, pois este nível de RAID a informação só se perde se os dois discos do mesmo grupo falharem; Desvantagem: alto custo de implementação. Dora Melo (2010/2011) 30 / 45

31 RAID RAID Mirror of Stripes O RAID é uma combinação dos níveis 0 (Striping) e 1 (Mirroring), onde os dados são divididos entre os discos para melhorar o rendimento e outros discos para duplicar as informações; São necessários pelo menos 4 discos; Vantagem: excelente em n íveis de performance e segurança; Desvantagem: alto custo de implementação. Dora Melo (2010/2011) 31 / 45

32 RAID RAID 50 O RAID 50 é uma combinação dos níveis 5 e 0; São necessários pelo menos 6 discos; Vantagem: Mais tolerante a falhas que o RAID 5, mas requer o dobro da paridade. Taxas de transferência mais elevadas que o RAID 5. Desvantagem: todos os discos têm de estar sincronizados. Dora Melo (2010/2011) 32 / 45

33 RAID Animação exemplificativa dos vários tipos de RAID Clique no link abaixo para aceder Dora Melo (2010/2011) 33 / 45

34 Disquetes e discos Zip Disquetes e discos Zip As disquetes utilizam tecnologias de armazenamento similares às dos discos r ígidos, apresentando-se no formato 3,5 e com capacidades de 720kB, 1.44 MB e 2.88 MB; Até há uma década atrás eram o meio preferencial para distribuição de software, armazenamento de dados e aplicações, dispositivos de arranque de sistemas, transferência de dados entre PCs, etc.; Actualmente, pela sua lentidão e custo/mb relativamente elevado, as disquetes não são mais utilizadas como memória secundária. Com caracter ísticas de funcionamento similares às das disquetes em termos de geometria e funcionamento genérico, os discos Zip são ligeiramente maiores que as disquetes de 3,5, tendo capacidades de 100, 350 e 750 MB. Dora Melo (2010/2011) 34 / 45

35 CD CD - Compact Disc Criado há 20 anos com o principal objectivo de substituir os discos de vinil; Disco de 12 cm de diâmetro, com cerca de 1.2 mm de espessura, com várias camadas de materiais diferentes: plástico; alum ínio e acr ílico; Em termos de geometria os CDs possuem uma única pista, que começa a partir do centro do disco, em forma de espiral; As depressões (áreas queimadas) no substrato são chamadas de pits; As áreas entre os pits que não foram queimados são chamadas de lands; Os pits e os lands são escritos em uma única espiral contínua, começando próximo ao buraco do CD. Dora Melo (2010/2011) 35 / 45

36 CD Reprodução de um CD Na reprodução do CD um dispositivo óptico gera um feixe de laser altamente preciso que é movimentado por um motor para percorrer a trilha, iniciando próximo ao centro indo até a borda; Os CDs são iluminados por luz infravermelha com 0,78 mícron de comprimento de onda que incide sobre os pits e lands; A luz reflectida no pit em conjunto com a luz reflectida na superf ície é absorvida e retorna menos luz para o dispositivo fotodetector do CD player do que a luz que sai de um land; Entretanto, em vez de usar o pit para 0 e o land para 1, usa-se a transição de pit-land ou land-pit para representar o bit 1 e a ausência dessa transição de 0. Dora Melo (2010/2011) 36 / 45

37 CD Formatos, capacidades e velocidades CD-ROM (CD Read Only Memory) CD-R (Recorded) CD-RW (ReWritable) Capacidades: 650, 700, 800 e 900MB As velocidades dos leitores/gravadores vêm expressas em múltiplos de 150KB/s, ou seja, um leitor/gravador CD a 50x significa que tem uma taxa de transferência 50 x 150KB/s = 7500KB/s; Nos gravadores de CDs são apresentados três valores (exemplo: 12x/10x/32x) em que o primeiro valor indica a velocidade de gravação, o segundo a de regravação e o terceiro a de leitura. Dora Melo (2010/2011) 37 / 45

38 DVD DVD - Digital Versatile Disk Originalmente uma abreviatura para Digital Video Disk, mas agora oficialmente, Digital Versatile Disk; Os DVDs usam o mesmo design dos CDs, com discos de 120mm de policarbonato contendo pits e lands e que são iluminados por um díodo a laser e lidos por um fotodetector; A novidade está no uso de: Pits menores (0,4 m ícron); Uma pista espiral mais apertada (0,74 m ícron); Um laser vermelho e mais fino (0,65 mícron). Estas inovações fizeram com que a capacidade aumentasse 7x, alcançando a marca de 4,7GB; Um drive de DVD com velocidade de 1x opera a 1,4MB/s. Dora Melo (2010/2011) 38 / 45

39 DVD Formatos, capacidades e velocidades DVD (CD Read Only Memory) DVD-R e DVD+R (Recorded) DVD-RW e DVD+RW (ReWritable) O -R e o +R não tem diferenças significativas, sendo de notar que o -R foi o primeiro formato a existir e que o +R é o mais indicado para guardar dados. Os formatos são incompat íveis, mas como a maior parte dos leitores/gravadores é do tipo ±R/RW não há problema; Capacidades: 1 lado 1 layer: 4,7GB; 1 lado 2 layers (double layer): 8,5GB; 2 lados 1 layer: 9,4GB; 2 lados 2 layers (double layer): 17GB. Dora Melo (2010/2011) 39 / 45

40 Tecnologias das memórias flash As duas tecnologias dominantes no mercado das memórias flash não voláteis são denominadas NOR e NAND. Ambas as tecnologias constituem uma evolução das memórias EEPROMs. A tecnologia NOR permite aceder aos dados da memória de forma aleatória, o que é ideal para armazenar códigos de programas, como sejam, o BIOS das placas-mãe e firmwares de vários dispositivos, que antes eram armazenados em memória ROM ou EPROM. A principal desvantagem é o preço. Dora Melo (2010/2011) 40 / 45

41 Tecnologias das memórias flash (continuação) A tecnologia NAND acede aos dados de forma sequencial (semelhante aos discos r ígidos), conseguindo ultrapassar as memórias NOR no desempenho das operações de leitura, escrita e eliminação. A memória flash do tipo NAND assenta numa geometria física organizada por páginas (2 kb) e blocos (32 a 64 páginas de dados). Nas operações de leitura utiliza-se as páginas como unidade mínima; Já nas operações de eliminação utiliza-se o bloco; A reescrita de dados é impossível (só apagando blocos); Dada a sua natureza sequencial estão optimizadas para a escrita de grandes blocos de dados. A tecnologia NAND é a preferida para a implementação de dispositivos de armazenamento de dados; Dora Melo (2010/2011) 41 / 45

42 USB flash drives Tal como o nome indica são drives do tipo memória flash com interface/barramento USB; A pouca capacidade, portabilidade, rapidez e usabilidade das disquetes, Zips e CDs, contribu íram para o aparecimento das USB flash drives em meados de 2001; A massificação das portas USB nos PCs também contribuiu para facilitar a utilização destes dispositivos; Relativamente às caracter ísticas das pen drives destaca-se: o tipo de barramento/interface que pode ser USB 1.1 (12 Mbps) ou USB 2.0 (480 Mbps) o seu excelente comportamento em relação a factores externos como temperatura e a humidade e finalmente a sua resistência ao choque (1000G) e vibração (15G); Para se ter um termo de comparação, um disco rígido, apresenta os seguintes valores: choque (300G) e vibração (1.04G); Dora Melo (2010/2011) 42 / 45

43 Solid State Disks (SSD) Os SSD são discos rígidos que implementam a tecnologia das memórias flash; O termo disco é um pouco abusivo, pois não se trata de discos mas sim de um conjunto de chips de memória flash; Partilham os mesmos barramentos que os discos r ígidos, como sejam, o IDE, SCSI, SATA e USB; Em comparação com os discos comuns destaca-se os tempos de acesso que são 100x inferiores, já na casa dos 20 µs, o custo/gb mais elevado do SSD, mas cada vez mais próximo dos discos normais. Dora Melo (2010/2011) 43 / 45

44 Cartões de memória flash Dora Melo (2010/2011) 44 / 45

45 Cartões de memória flash Como se pode ver na figura existem imensos tipos de cartões de memória flash, sendo que os mais comuns são: Compact Flash (CF); Multimedia Card (MMC); Memory Stick (MS); Secure Digital (SD); Secure Digital High Capacity (SDHC); Este tipo de cartões tornou-se muito popular como suporte de armazenamento de dispositivos portáteis como sejam as máquinas fotográficas digitais, telemóveis, leitores de MP3, etc. e até de cãmaras de filmar dada a grande capacidade actual destes cartões (os SDHC já atingem os 32GB); Os barramentos mais utilizados nos PCs para as drives para estes tipos de cartão são o IEEE 1394 e o USB. Dora Melo (2010/2011) 45 / 45

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