DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO AULA 11 Arquitetura de Computadores Gil Eduardo de Andrade O conteúdo deste documento é baseado no livro Princípios Básicos de Arquitetura e Organização de Computadores Linda Null e Julia Labur. INTRODUÇÃO Um dispositivo de armazenamento possui a capacidade de gravar/armazenar informações que podem ser recuperadas posteriormente. Dispositivos que apenas armazenam dados são denominados mídias de armazenamento, dispositivos que processam informações podem tanto acessar uma mídia de gravação portátil, como também podem ter um componente permanente que armazena e obtém dados. TECNOLOGIA DE DISCOS MAGNÉTICOS No período anterior a invenção da tecnologia de unidades de disco, meios sequenciais como cartões perfurados ou fita de papel eram os únicos tipos de armazenamentos durável disponíveis. Se houvesse a necessidade de ler um que estava gravado no final de um rolo de fita, todo o volume dessa precisaria ser lido, um registro de cada vez. Leitoras lentas e pequenos sistemas de memória tornavam esse processo extramente demorado. Além disso, fitas e cartões não eram apenas lentos, mas também possuíam uma pequena vida útil, se degradando muito rapidamente. Fitas de papel muitas vezes se esticavam, rompendo-se, e as fitas magnéticas estavam sujeitas a um manejo inadequado por parte dos operados. Na década de 50, mais especificamente em 1956, a IBM mudou o mundo da computação, quando anunciou o primeiro computador comercial baseado em disco, denominado RAMAC Método de Acesso Aleatório de Cálculo e Controle. Pelos padrões de hoje, o disco desta máquina pioneira seria incompreensivelmente grande (24 polegadas 60 cm) e lento (1 segundo tempo de acesso). Em contraste, no início de 2000, a IBM iniciou a comercialização de uma unidade de disco de alta capacidade para uso em computadores portáteis e câmeras digitais. Estes discos tinham uma polegada (2,5 cm) de diâmetro, capacidade de 1 gigabyte (GB) e seu tempo de acesso médio era de 15 milissegundos. Unidade de disco são chamadas de dispositivos de acesso randômico (algumas vezes direto) porque cada unidade de armazenamento, o setor, possui um endereço único que pode ser acessado independentemente dos setores ao seu redor. Os setores são divisões de círculos denominados trilhas. Na maioria dos sistemas, cada trilha contém exatamente o mesmo número de setores. Cada setor contém o mesmo número de bytes. Alguns fabricantes colocam mais bytes em seus discos utilizando todos os setores aproximadamente do mesmo tamanho, colocando mais setores nas
trilhas externas do que nas internas. Isto é denominado bits por zona. A gravação de bits por zona raramente é usada porque requer controles eletrônicos da unidade mais sofisticados dos que os sistemas tradicionais. As trilhas dos discos são numeradas consecutivamente, iniciando pela trilha 0, na borda mais externa do disco. Os setores, entretanto, podem não estar em ordem consecutiva ao redor do perímetro de uma trilha. Unidade de Disco Rígido HD Discos rígidos (HD Hard Disk) possuem circuitos de controle e um ou mais discos de metal chamados de pratos, sobre os quais uma fina película de material magnetizável é colocada. Os pratos de discos são empilhados em uma haste (pino), que é movimentado por um motor localizado dentro da caixa do disco. Os discos podem ter movimentações na casa de 15.000 rotações por minuto (rpm), sendo as velocidades mais comuns 5400 RPM e 7200 RPM. Os cabeçotes de leitura/escrita são normalmente montados em um braço atuador giratório que é posicionado em seu local próprio por campos magnéticos induzidos por bobinas que cercam o eixo do braço. Quando o atuador é energizado, todo o conjunto de cabeçotes de leitura/escrita se move em direção ao centro do disco, ou dele se distancia. Geralmente existe um cabeçote de leitura/escrita por superfície usável do disco, eles nunca tocam a superfície do disco, ao invés disso eles flutuam acima dessa superfície em um colchão de ar de poucos microns de espessura. Quando disco é desligado os cabeçotes se recolhem para um lugar seguro. Isto é chamado de estacionar os cabeçotes. Se um cabeçote de leitura/escrita tocar a superfície do disco, muito provavelmente este estará inutilizável. Esta condição é chamada de quebra do cabeçote. O tempo de posicionamento é o tempo que um braço de disco leva para se posicionar sobre a trilha desejada, ele não inclui o tempo que leva para o cabeçote ler o diretório do disco. O diretório do disco mapeia a informação lógica de um arquivo, por exemplo, documento.doc, para um endereço físico de setor, como cilindro 7, superfície 3, setor 72. Algumas unidades de disco de alto desempenho praticamente eliminam o tempo de posicionamento fornecendo um cabeçote de leitura/escrita para cada trilha de cada superfície usável do disco. Sem braços móveis no sistema, a única demora para acessar dados é causada pelo retardo rotacional. O retardo rotacional é o tempo que leva para o setor requerido se posicionar sob o cabeçote de leitura/escrita. A soma do retardo rotacional e do tempo de posicionamento é conhecida como tempo de acesso. Adicionando o tempo de acesso com o tempo necessário para ler os dados do disco, temos a quantidade conhecida como tempo de transferência, o qual, obviamente, depende de como os dados são lidos. Durante uma leitura de dados, as trilhas mais externas estão menos susceptíveis a erros de leitura, devido a baixa densidade de bits por medida de área, ao contrário do que acontece em trilhas mais internas (mais densas). Para assegurar melhor confiabilidade, os diretórios de disco podem ser colocados nas trilhas mais externa, trilha 0. Isto significa que, para cada acesso, o braço tem que voltar para a trilha 0 e depois retornar para a trilha de dados requerida, o que
implica em um baixo desempenho, pelo grande arco que é necessário ser feito pelos braços de acesso. Contudo melhorias na tecnologia de gravação e nos algoritmos de correção de erros permitem que o diretório seja colocado na posição que lhe dá a melhor performance: na trilha central. Isto reduz substancialmente o movimento do braço, dando a melhor vazão possível. Considerando o disco apresentado na imagem anterior, imaginemos que o mesmo contém 48.000 trilhas por superfície (são 8 superfícies) e cada trilha possui 746 setores. Isso significa que existem mais de 286 milhões de setores no disco. Uma tabela de alocação que relaciona o estado de cada setor (sendo o estado gravado em 1 byte) consumiria mais de 200 megabytes do espaço do disco. Na verdade o grande problema não seria gastar um grande espaço de armazenamento mas sim ler esta estrutura de dados todas vez que necessitássemos verificar o estado de um setor, já que esse processo consumiria uma quantidade de tempo excessiva. Por essa razão, sistemas operacionais endereçam setores em grupos, chamados blocos ou clusters, para simplificar o gerenciamento de arquivos. O número de setores por bloco determina o tamanho da tabela de alocação. Quanto menor for o tamanho do bloco (cluster) de alocação, menos espaço perdido existe quando um arquivo não ocupa todo o bloco; entranto, tamanhos menores de blocos (clusters) tornam maiores e mais lentas as tabelas de alocação. Discos Flexíveis (floppy) Os discos flexíveis são organizados da mesma maneira que os discos rígidos, com trilhas e setores endereçáveis. Eles são frequentemente chamados de discos flexíveis porque a cobertura magnética fica sobre um substrato flexível. As suas densidades de dados e velocidade rotacional 300 ou 360 RPM são limitadas pelo fato de que não podem ser selados da mesma maneira que discos rígidos, já que os cabeçotes de leitura/escrita deles devem tocar sua superfície magnética. Considerando um disquete de 3.5'', 1.44MB, cada setor do disquete contém 512 bytes de dados. Existem 18 setores por trilha e 80 trilhas por lado. Sendo assim um disco de 1.44MB contém 18 x 80 x 2 = 2880 setores. Sendo assim uma tabela de alocação do tipo FAT para disco flexível, por exemplo, precisaria de 12 bits para apontar um grupo, esse modo de organização é conhecido como FAT12. Para um maior entendimento, considere as entradas na FAT dadas na imagem abaixo, sabendo que a FAT possui uma entrada para cada grupo no disco, supondo que nosso arquivo ocupa quatro setores, iniciando do 121. Quando lemos este arquivo, acontece o seguinte: 1. O diretório do disco é lido para encontrar o grupo inicial (121). O primeiro grupo é lido para recuperar a primeira parte do arquivo. 2. Para encontrar o restante do arquivo, a entrada na FAT na posição 121 é lida, dando o próximo grupo do arquivo e a entrada FAT (124). 3. O grupo 124 e a entrada na FAT para o grupo 124 são lidos. A entrada FAT aponta para os próximos dados no setor 126. 4. O setor de dados 126 e a entrada na FAT 126 são lidos. A entrada na FAT aponta para os próximos dados no setor 122. 5. O setor de dados 122 e a entrada na FAT 122 são lidos. Ao ver o marcador <EOF> para o próximo setor de dados, o sistema sabe que ele obteve o último setor do arquivo. O sistema FAT é muito útil para sistemas flexíveis pelo fato do desempenho não ser de grande preocupação para disquetes e também pelo fato de possuírem capacidades padrões,
diferentemente dos discos fixos, para os quais o aumento de capacidade é praticamente diário. Para utilização de grupos de diretórios em discos rígidos a utilização de FATs de 16 e 32 bits são mais adequadas. TECNOLOGIA DE DISCOS ÓTICOS Sistemas óticos de armazenamento oferecem armazenamento de dados (praticamente) ilimitado a um custo que é competitivo com o da fita. Discos óticos vêm em diversos formatos, sendo o formato mais popular CD-ROM (compact disc-read onle memory), que pode conter mais de 0,5 GB de dados. CD-ROMs são um meio somente de leitura, tornando-se ideais para distribuição de software e de dados. Discos CR-R (CD-recordable) e CD-RW (CD-rewtitable) são dispositivos de armazenamento ótico usados para guardar dados a longo prazo. Bibliotecas de armazenamento robotizadas, chamadas de caixas de música (jukeboxes) óticas, fornecem inúmeros discos óticos. Jukeboxes podem armazenar de dezenas a centenas de discos, com capacidades totais de 50 GB a 1200GB e até mesmo acima disso. Fabricantes de discos óticos sustentam que discos óticos, diferentemente de meio magnético, podem ser armazenados por 100 anos sem degradação notável. CD-ROM Os CD-ROMs são discos de policarbonato (plástico) com 120 milímetros (4,8 polegadas) de diâmetro sobre os quais é aplicado um filme refletivo de alumínio. O filme de alumínio é selado com uma camada protetora de acrílico para evitar corrosão. A camada de alumínio reflete a luz emitida por um diodo de laser verde situado sob o disco. A luz refletida passa através de um prisma, que a desvia para o fotodetector. O fotodetector converte os pulsos de luz em sinais elétricos, que são enviados a um decodificador eletrônico na unidade. Os CD-ROMs são escritos a partir do centro em em direção à borda externa usando uma única linha de saliências em espiral no policarbonato. Estas saliências são chamados de caroços (pits) porque se parecem com caroços quando vistos na superfície de cima do CD. Espaços lineares entre caroços são chamados de solos. Os caroços, por sua saliência, interferem na reflexão do feixe de laser de tal maneira que a luz que reflete da saliência cancela exatamente a luz incidente do laser, isso resulta em pulsos de luz e escuridão, qual são interpretados pelos circuitos de unidade como dígitos binários (as bordas dos caroços correspondem a 1s binários). Interior de uma unidade de CD-ROM Diferentemente de armazenamento magnético, as trilhas do centro do disco possuem a mesma densidade de bits que as trilhas da borda externa do disco. CD-ROMs foram projetados para armazenar música e outros sinais sequenciais de áudio. Os dados são armazenados em
porções de 2352 bytes, chamados setores, que ficam ao longo do comprimento da trilha. Setores são constituídos por 98 unidades primitivas de 588 bits chamadas de quadros de canal. Espiral da trilha e ampliação da trilha de um CD-ROM DVD-ROM Discos digitais versáteis ou DVDs (antes chamados de discos digitais de vídeo), podem ser pensados como CDs de densidade quádrupla. A rotação de DVDs é cerca de três vezes a velocidade de CDs. Os caroços de DVDs são aproximadamente da metade do tamanho dos caroços dos CDs. Assim como os CDs eles possuem unidades que são graváveis e unidades que são regraváveis. Ao contrário dos CDs eles podem apresentar apenas um lado ou dois lados, assim como apenas uma camada ou duas camadas. DVDs de uma camada e um lado podem armazenar 4,78 GB, e DVDs de dupla camada e dois lados podem acomodar 17 GB de dados. O DVD supera os CD em vários aspectos, um dos mais importantes é que o DVD usa um laser de menor tamanho, isso permite que o espaço utilizado por um único bit seja mais curto, o menor caroços em um DVD possui 0,4 mícron, enquanto em um CD é de 0,83 mícron. Trilhas em DVDs podem ser colocadas colocadas bem juntas, isso significa que a trilha em esperial de um DVD é mais longa. Para fins de comparação, o tamanho da trilha de um CD se fosse desenrolada de sua espiral é de cerca de 8 Km, já a trilha do DVD se alongaria por cerca de 11,8 Km.
Uma segunda grande melhoria é que o formato da trilha do DVD é muito mais simples do que o formato de uma trilha de CD. Além disso, o DVD tem um algorítimo de correção de erros mais eficiente do que o CD. A correção de erros em DVD fornece uma proteção maior usando um número bastante reduzido de bits redundantes do que a do CD. Com sua maior densidade de dados e melhores tempos de acesso, o DVD deve se tornar um meio ideal para armazenamento e recuperação de dados a longo prazo. Métodos de Gravação em Discos Ópticos Diversas tecnologias são usadas para permitir a gravação em CDs e DVDs. O método mais barato e mais difundido usa tintura sensível ao calor. A tintura é colocada entre o substrato de policarbonato (plástico) e a camada refletiva no CD. Quando atingida pela luz emitida pelo laser, esta tintura cria um caroço no substrato de policarbonato. Este caroço afeta as propriedades óticas da camada refletiva. Meios óticos regraváveis, tais como o CD-RW, substituem as camadas de tintura e de cobertura refletiva de um disco CD-R por uma liga metálica com elementos como índio, telúrio, antimônio e prata. Essa camada quando aquecida, aproximadamente a 500º, pelo laser sofre uma alteração molecular, tornando-se menos refletiva. A cobertura retorna a seu estado refletivo original quando aquecida a 200º, permitindo assim que os dados sejam alterados qualquer número e vezes.