Aula 4 Dispositivos de Armazenamento Anderson L. S. Moreira anderson.moreira@recife.ifpe.edu.br http://dase.ifpe.edu.br/~alsm 1
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Introdução Dispositivos de armazenamento em disco (HDD, disquetes, CD- ROM, BD-ROM, etc) são meios permanentes de armazenamento e recuperação de dados; Unidades acionadoras de discos (device drivers) são periféricos de E/S; Geralmente as mídias mais caras tendem a ser as mais rápidas e também as de menor capacidade, exceto se forem algum lançamento, como no caso do Blu-ray.
Exemplos Fita magnética Mídia muito popular para cópias de segurança de dados, os chamados backups; Normalmente as fitas saem de fábrica ainda virgens, ou seja, como são fitas de plástico flexível recobertas de íons de um óxido que seja composto com ferro ou com cromo, uma vez ordenados, estes armazenam informações tanto analógicas quanto digitais; Essas fitas saem de fábrica com os íons desordenados na forma como foram aplicados no material, daí serem chamadas virgens. Quando formatados e sem dados ganham ordenamento.
Exemplos Discos Magnéticos Essa categoria conta com uma subdivisão especial, têm-se os Discos Fixos ou discos rígidos porque seu material interno normalmente é alumínio; Outra categoria são os discos flexíveis, os populares disquetes, são tidos como flexíveis porque são feitos do mesmo material da fita magnética. Disco Rígido São componentes internos do computador formados por uma série de discos empilhados sobre o mesmo eixo. Cada disco aceita gravações em ambas as faces, normalmente são feitos em duas camadas, onde a primeira é conhecida como substrato, normalmente alumínio, e a segunda, de material magnético para poder receber as gravações.
Exemplos Disco Rígido (continuação) A camada magnética é extremamente fina, e deve ser recoberta por uma finíssima camada protetora, que oferece alguma proteção contra pequenos impactos; O braço que movimenta as cabeças que fazem leituras e escritas no disco move-se a uma distância inferior a espessura de um fio de cabelo da superfície do disco. Este por sua vez gira muito rápido, a caixa onde tudo está montado é fechada; Isso garante uma pequena flutuação dos íons que contêm os dados gravados, portanto, as cabeças não chegam a tocar efetivamente no disco.
Exemplos Disco Rígido (continuação) Os discos são montados em um eixo também feito de alumínio, que deve ser sólido o suficiente para evitar qualquer vibração dos discos, mesmo a altas rotações. Finalmente, o motor de rotação é responsável por manter uma velocidade constante; Enquanto o disco rígido está desligado, as cabeças de leitura ficam numa posição de descanso, longe dos discos magnéticos. Elas só saem dessa posição quando os discos já estão girando à velocidade máxima; Para prevenir acidentes, as cabeças de leitura voltam à posição de descanso sempre que não há dados sendo acessados, apesar dos discos continuarem girando. Vibrações, faltas de energia durante acessos, transportar o computador funcionando mesmo que por uma distância muito pequena são fatores que contribuem para o surgimento de defeitos, pois são situações onde as cabeças estão se movimentando sobre o disco e podem tocá-lo provocando arranhões irreparáveis em sua superfície.
Exemplos
Exemplos Atuador eletromagnético (voice coil) Muito mais rápido e confiável que os modelos antigos. Recolhem automaticamente as cabeças e não requer manutenção; Necessita de uma realimentação (servo controle) a fim de permitir seu posicionamento preciso na superfície magnética Tipos de servo motores: Cunha (edge): a informação é gravada uma vez a cada trilha e permite que o atuador realimente-se uma vez a cada rotação; Embutido: a informação é gravada antes de cada setor e permite várias realimentações a cada rotação; Dedicado: um dos lados (superfície) de um dos discos é totalmente utilizado para continuamente disponibilizar a informação de posicionamento. (atuais)
Exemplos DISCOS ÓPTICOS A gravação de um CD dá-se em forma de espiral, começando do centro para a borda; Um laser de alta potência faz pequenos sulcos na espiral conhecidos como PITs. Os locais onde a espiral não é marcada pelos pits são conhecidos como LANDs; Existem diversos formatos de gravação de CDs, os mais populares são o CD de áudio, que segue o chamado padrão RED BOOK; tem-se ainda o CD de dados padrão YELLOW BOOK, que não aceita multisessão, ou seja, a gravação tem que acontecer de uma vez só. Além desses, outros padrões são bastante populares tais como: o GREEN BOOK, que criou o CD interativo; o ORANGE BOOK, criou o cd multisessão, aquele que pode ser gravado aos poucos e também passou a ser possível usar o CD regravável e finalmente o WHITE BOOK, que tornou possível gravar VCD.
Exemplos DISCOS ÓPTICOS (continuação...) A mudança principal do DVD em relação ao CD é a proximidade dos pits que é maior. Com os dados gravados em densidade maior pode-se ter mais capacidade com o mesmo diâmetro de disco (em torno de 5 polegadas); Enquanto a capacidade de um CD está em torno de 700MB, os DVDs variam de 4,3GB até 17GB dependendo da tecnologia empregada na confecção da mídia. Também estão disponíveis os mini-dvds. Com capacidade em torno de 1,2GB, são o formato preferido pelas câmeras filmadoras que usam DVD como mídia de gravação. Porém seu uso também está condicionado à existência do sulco interno na gaveta do aparelho reprodutor ou do drive.
Exemplos Esquema de gravação de um CD/DVD Fonte: próprio autor
Exemplos Blu-ray Os fabricantes conseguiram uma densidade de gravação ainda maior nessa nova mídia que funciona com um laser de cor azul (daí o nome de blu-ray); A capacidade de armazenamento subiu para algo entre 25GB e 50GB. Além de um enorme espaço para backup, essa mídia torna possível a gravação de filmes com ainda mais realismo em relação ao DVD; Portanto, essa mídia tende a ser um substituto natural do DVD para os próximos anos.
Estrutura básica Discos possuem como meio de leitura e escrita as cabeças de leitura magnética; Nada mais é que um eletroímã de grande precisão, desloca-se a uma distância mínima sobre a superfície magnética em rotação, num movimento semelhante ao da agulha de um antigo toca discos; Porém não tem contato com o disco como nos toca fitas. Os movimentos são lineares e discretos extremamente curtos; Em disquetes utilizam motores de passo e em discos rígidos voice coil;
Estrutura
Estrutura básica Cada passo discreto avançado pela cabeça determina uma trilha na superfície magnética, onde dados podem ser escritos e recuperados; Se o disco apresentar mais que uma superfície e correspondente mais que uma cabeça, em cada superfície determina-se uma trilha; Todas as cabeças são montadas sobre o mesmo braço e movem-se todas juntas. Recebe o nome disso de cilindro; Como uma trilha pode armazenar quantidades grandes de dados, estas são divididas em setores; Um setor pode conter um número variável de dados, embora a quantidade mais utilizada seja a de 512 bytes por setor.
Estrutura básica Fonte: próprio autor
Estrutura básica Os dados binários são armazenados em meio magnético rearranjando-se os domínios magnéticos de forma a refletir os dados; Na operação de escrita, a passagem de corrente pela cabeça gera um campo magnético que é armazenado no meio; Na operação de leitura, variações no campo geram uma corrente na cabeça, indicando assim, pela presença ou ausência de transições magnéticas, qual informações foi originalmente escrita. Domínios magnéticos S S N N S S N S N N S Forma de onda de escrita Forma de onda de leitura
Estrutura básica
Estrutura básica Em qualquer forma de sinalização binária, a informação de tempo é fundamental; Nas operações descritas no slide anterior, o tempo exato em que as operações ocorrem é crítico; Caso de erro: Uma seqüência de 10 zeros poderia ser erroneamente interpretada como 9 ou 11 do mesmo tipo. Para evitar esse tipo de problema utiliza-se um sinal de relógio de sincronismo, que é combinado com o sinal de dados e armazenado junto na forma de um único sinal; Podem ser de três tipos as codificações: Codificação FM Codificação MFM Codificação RLL
Estrutura básica tipo de codificação Codificação FM (Freqüência Modulada): Foi utilizada até o fim da década de 70. Reservava um igual número de transições tanto para dados como para relógio. Cada transição de relógio era seguida de um bit de dado, havendo uma transição para representar 1 e nenhuma transição para representar 0. Tipo de dado Codificação 1 TT 0 TN Codificação MFM (Freqüência Modulada Modificada): foi desenvolvida para enxugar o modelo FM. Assim conseguia armazenar mais dados na mesma área. Diminui o número de transições de relógio. Só armazena transições de relógio quando um bit em zero é seguido de um outro em zero. Em todos os outros não é requerida. Bit de Dado Codificação 1 NT 0 precedido de 0 TN 0 precedido de 1 NN
Estrutura básica tipo de codificação Codificação RLL (Comprimento de Tiragem Limitada): Esquema utilizado atualmente. Permite armazenar 50% a mais de informação em um disco que a codificação MFM e 150% a mais que a FM. Grupo de bits são combinados para gerar padrões específicos de transições de fluxo; A codificação pode apresentar variações baseadas no menor e maior número de transições de dados permitidas entre duas transições de fluxo. Assim: FM = RLL 0,1 MFM = RLL 1,3 As RLL podem ser do tipo RLL 2,7; RLL 3,9; RLL 1,7.
Estrutura básica tipo de codificação Observe a tabela de acordo com a RLL 2,7 Bits de Dados Codificação 10 NTNN 11 TNNN 000 NNNTNN 010 TNNTNN 011 NNTNNN 0010 NNTNNTNN 0011 NNNNTNNN
Estrutura básica tipo de codificação Uma descrição gráfica pode ser descrita como Observe que a taxa é a mesma nos três casos, mas a densidade de informações é diferente.isso favorece que o armazenamento MFM é o dobro do FM e o RLL é o triplo do FM. Observe que os dados e o código de sincronismo do relógio ( c ) ocorrem no mesmo sinal.
Estrutura básica tipo de codificação Enquanto um setor apresenta tipicamente 512 bytes de dados, no disco armazena-se mais bytes; Cada setor de dados é precedido de seu endereço, assim sendo um setor pode ser dito que contém dois campos, o de identificação e o de dados; Cada um desses dois campos é precedido de 13 bytes em zero, a fim de permitir o sincronismo do relógio;
Estrutura física Discos e disquetes são organizados em cilindros, trilhas e setores; Para que um determinado dado seja localizado esses itens devem ser numerados; O número de cilindro começa com zero e cresce em direção ao centro do disco; O número de cabeça (trilha) começa com zero. Existem tantas cabeças quanto superfícies magnetizadas no meio; O número de setor é reiniciado em cada trilha e começa com um (1) e não com zero. Qualquer posição no disco pode ser determinada pela tupla: (c;t;s) onde, c cilindro, t trilha e s setor. Essa dupla é o endereço físico e é usada pela BIOS, para acessa dados em disco.
Exercício 1. Como é a forma de endereçamento de disco dos sistemas DOS? 2. Quais as principais funções da BIOS? 3. O que pode ser referenciado pela BIOS?
Localização (revisão) A numeração de cilindros (c), trilhas (t) e setores (s) é essencial por causa da localização; O número de cilindro começa com zero e cresce em direção ao centro do disco; O número da trilha (cabeça) começa com zero; O número do setor é reiniciado em cada trilha e começa em um (não em zero!!); Esse três números são a localização física e utilizado pela BIOS.
Localização O setor lógico zero corresponde ao setor da BIOS, ou seja, cilindro 0, trilha 0 e setor 1; Antigamente esse setor ocupava apenas 16 bits depois passou a ter 32 bits; No geral: bps: quantidade de bytes armazenados em um setor (512); spt: número de setores por trilha; ncb: quantidades de faces em um disco; ncl: quantidade de cilindros do disco. Dessa forma podemos intuir as seguintes fórmulas:
Fórmulas de localização Setores em uma trilha = spt Setores em um cilindro = spt x ncb Setores em um disco = spt x ncb x ncl Bytes em um disco = spt x ncb x ncl x bps Para leitura e escrita em setores da BIOS, utiliza-se a interrupção INT13H com os seguintes parâmetros: AH: 2 para leitura e 3 para escrita; AL: número de setores a serem lidos/escritos; ES:RX: endereço a ser lido na memória; CH: 8 bits menos significativos em um disco;
Fórmulas de localização CL: 2 bits mais significativos do cilindro e 6 bits de setor; DH: número de trilha (cabeça); DL: número do drive; CF = 0 indica operação sem erros, CF = 1 indica erro. Na BIOS um disco rígido limita-se a 1024 cilindros, 256 trilhas e 64 setores. Exercício rápido: Considerando bps=512, qual o número de Kbytes em um disco? Na restrição da BIOS, qual o número de bytes máximo que podemos ter?
Organização lógica Um disco possui a seguinte subdivisão: Setor lógico 0 Área reservada Tabela de alocação de arquivos (FAT) (2 cópias) Diretório raíz Área de arquivos Último setor lógico (arquivos e subdiretórios) O setor de boot é obrigatório em todo disco
Setor de boot O setor de boot é o primeiro setor da área reservada; Seu endereço DOS é o endereço lógico 0; Ele contém o bloco de parâmetros para a BIOS (BPB BIOS Parameter Block), que descreve a partição do disco; Contém um programa que inicia a carga do Sistema Operacional chamado de bootstrap. O bootstrap pode existir ou não, caso exista ele é indicado pela assinatura 55H e AAH ;************************************** [BITS 16] ORG 0 INT 0x18 TIMES 510-($-$$) DB 0 DW 0xAA55 ;**************************************
Setor de boot
Cluster É a menor quantidade de área alocada pelo sistema na área de disco; Sempre que o sistema de arquivos precisa de espaço na área de dados para criar um arquivo ou sub-diretório este sempre usa um número inteiro de cluster; O número de setores por cluster é sempre uma potência de dois; Cluster pequeno = grande fragmentação de dados (fragmentação externa); Cluster grande = espaço ociosos em disco, pois os arquivos ocupam pouco espaço do cluster (fragmentação interna);
Tabela de alocação de arquivos (FAT) A idéia é dividir tudo em cluster. Arquivos são alocados nessa área um cluster de cada vez; A FAT é usada para encadear todo os clusters em um arquivo; Uma entrada na FAT é usada para cada arquivos e contém: Um ponteiro para um cluster. As entradas 0 e 1 na FAT são reservadas (FAT ID), assim cluster 0 e 1 não existem; Os ponteiros podem ser de 12 ou 16 bits; Obedecem a seguinte regra: Ponteiro com valor 0 indica cluster livre; Ponteiro com FF7H indica cluster ruim; Ponteiro maior que FF7H indica fim de arquivo; Ponteiros com valores diferentes com os acima indicam próximo cluster ocupado pelo arquivo em questão
Tabela de alocação de arquivos (FAT)
MBR (Master Boot Record) O MBR é a ID da tabela de partição; Ocupam apenas um setor de uma trilha, o restante dos setores desta trilha não são ocupados, permanecendo vazios, servindo como área de proteção do MBR; É nesta mesma área que alguns vírus (Vírus de Boot) se alojam; Como dito, no disco rígido existe um setor chamado Trilha 0, geralmente (só em 99.999% das vezes) está gravado o MBR; É encontrada informações tipo: como está dividido o disco (no sentido lógico), a ID de cada tabela de partição do disco, qual que dará o boot etc... O MBR é lido pelo BIOS, que interpreta a informação e em seguida ocorre o bootstrap que lê as informações de como funciona o sistema de arquivos e efetua o carregamento do Sistema Operacional.
Exercícios 1. Procure informações a respeito dos sistemas de arquivos EXT3 e NTFS.
Bibliografia Pessoais, Raul Weber, 2ª edição;, Andrew S. Tannembaum, 8ª edição; Fundamentos de, Saib e Weber, 4ª edição;
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