Arquitetura de Computadores

(1)

Arquitetura de Computadores

- Sistemas de Memória Externa

por

(2)

Discos Magnéticos

• Os discos são feitos de

material

plástico

ou

metálico,

coberto

por

material magnetizante

• Os

cabeçotes

são,

na

verdade, bobinas

i B i

verdade, bobinas

• Escrita

– Correntes em sentidos opostos criam padrões magnéticos distintos

– Esses padrões são usados para se representar “1”s e “0”s Bit “1” gravado i B i Bit “0” gravado

(3)

Discos Magnéticos

• Leitura

–

Baseia-se no fato de que

i B

i

–

Baseia-se no fato de que

um

campo

magnético

que se move em relação

a uma bobina induz uma

corrente nessa bobina

Bit “1” lido

Bit “0” lido

i B

(4)

Layout do Disco Magnético

• Um disco é dividido em trilhas concêntricas

• Essas trilhas são divididas em setores – tal

como uma pizza é dividida em fatias

• Um

setor

é

a

menor

unidade

de

• Um

setor

é

a

menor

unidade

de

endereçamento do disco

• O tamanho de um setor é de 512 Bytes

–

Se um arquivo tiver 30 Bytes, ocupará 1 setor

• Um conjunto de trilhas na mesma posição em

discos diferentes constitui um cilindro

(5)

(6)

Layout do Disco Magnético

• Há entre 500 a 2.000 trilhas por superfície

• Simplificação dos circuitos eletrônicos faz com

que cada trilha armazene a mesma quantidade

de bits

A densidade (n

o

_{de bits/cm) aumenta da trilha mais}

–

A densidade (n

o

_{de bits/cm) aumenta da trilha mais}

externa para a trilha mais interna

• Espaços entre trilhas minimizam a ocorrência de

erros devido

–

mau alinhamento do cabeçote

(7)

Clusters

• O disco agrupa os setores numa entidade

chamada cluster

• O cluster é a menor unidade de espaço alocável

em disco

Quanto maior a capacidade do disco, maior será

• Quanto maior a capacidade do disco, maior será

o tamanho do cluster – i.e., mais setores serão

chamados a formá-lo

• Não importa quão pequeno seja um arquivo, ele

sempre usará um cluster inteiro para ser

armazenado

(8)

Clusters

ESPAÇO MÍNIMO OCUPADO POR UM ARQUIVO NO DISCO

Capacidade do

Disco (MB) Bytes por setor

No _{de setores por} cluster Espaço mínimo ocupado por um arquivo (KB) 1,44 (disquete) 512 1 0.5 Até 256 512 8 4 Até 256 512 8 4 De 256 a 512 512 16 8 De 512 a 1024 512 32 16 Acima de 1024 512 64 32

• Exemplo: arquivo de 290 B armazenado num disco que possui clusters formados por 16 setores

– Tamanho do cluster (em B): 16 x 512 B = 8.182 B

– 7.892 B não serão utilizados nem estarão disponíveis para armazenar outro arquivo

(9)

Layout do Disco Magnético

Espaço 2 ID 0 Espaço 1 Dados 0 Espaço 3 Espaço 2 ID 1 Espaço 1 Dados 1 Espaço 3 Setor 0 Setor 1 Bytes 17 7 41 515 20 17 7 41 515 20 Byte SYNCH No _da Trilha No _do Cabeçote No _do Setor CRC Byte SYNCH Dados CRC Bytes 17 7 41 515 20 17 7 41 515 20 Bytes 1 2 1 1 2 1 512 2 (Seagate ST 506)

(10)

Características Físicas

• Movimento do cabeçote

– Cabeçote fixo • 1 por trilha – Cabeçote móvel • 1 por superfície

• Lados utilizados

– Disco de lado único

– Disco de lado duplo

• Número de pratos

– Prato único • 1 por superfície

• Transportabilidade do disco

– Disco não-removível – Disco removível – Prato único – Múltiplos pratos

• Mecanismo de cabeçote

– Contato (disquete) – Espaço fixo – Espaço aerodinâmico

(11)

Parâmetros de Desempenho

• Tempo de Busca – Seek

Time

_(Ts)

– Tempo gasto para se posicionar o cabeçote na trilha – Associado ao movimento

• onde:

– Ts_{: tempo de busca}

– m_{: constante que depende}

da unidade de disco

s

n

m

T

_s

=

×

+

– 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 da unidade de disco – s_{: tempo de partida}

• Exemplos:

– Disco #01 • m _{= 0,3 ms} • s_{= 20 ms} – Disco #02 • m _{= 0,1 ms} • s _{= 3 ms}

(12)

Parâmetros de Desempenho

• Atraso Rotacional

–

Tempo gasto até que o

início do setor esteja

sobre o cabeçote

–

Associado ao movimento

• Exemplo #02

–

Disco flexível girando a

300 rpm

• Atraso rotacional médio é de 100 ms

• Exemplo #03

–

Associado ao movimento

do disco

• Exemplo #01

–

Disco girando a 3600

rpm

• 1 revolução a cada 16,7 ms

• Atraso rotacional médio = 8,3 ms

• Exemplo #03

–

Disco flexível girando a

600 rpm

• Atraso rotacional médio é de 200 ms

(13)

Parâmetros de Desempenho

• Tempo de Transferência dos Dados (T)

onde:

rN

b

T

=

– T: tempo de transferência dos dados

– b: no _{de Bytes transferidos}

– r: velocidade de rotação (em rpm)

– N: no _{de Bytes na trilha}

• Tempo Total de Acesso Médio (T

_a

)

rN

b

r

T

_a

=

_s

+

2

1

(14)

Comparação de Desempenho

• Considerando-se uma unidade de disco com

os seguintes parâmetros:

–

Ts = 20 ms

–

T = 1 MB/s

–

T = 1 MB/s

–

Setor de 512 B

–

32 setores por trilha

–

Velocidade de rotação de 3.600 rpm

• Deseja-se calcular o tempo de acesso total

médio a um arquivo de 128 KB que ocupa 256

setores do disco

(15)

Comparação de Desempenho

• 1ª Hipótese: organização seqüencial

–

O arquivo ocupa todos os setores de 8 trilhas

adjacentes (8 trilhas x 32 setores/trilha = 256

setores)

–

Ta para a 1ª trilha:

• Ta

₁

= 20,0 ms + 8,3 ms + 16,7 ms = 45,0 ms

–

Ta para as demais trilhas:

• Ta

₂

= 8,3 ms + 16,7 ms = 25,0 ms

–

Para ler o arquivo inteiro, tem-se:

(16)

Comparação de Desempenho

• 2ª Hipótese: organização aleatória

–

Todos os setores ocupados pelo arquivo se

encontram espalhados aleatoriamente no disco

–

Ta para cada setor:

–

Ta para cada setor:

• Ta

₁

= 20,0 ms + 8,3 ms + 0,5 ms = 28,8 ms

–

Para ler o arquivo inteiro, tem-se:

(17)

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

(18)

Layout do Disco Óptico

• Premissa básica

– os setores são lidos a uma taxa constante

• CAV (Velocidade Angular Constante)

– Quantidade de dados armazenados nas trilhas mais externas é igual a quantidade armazenada nas trilhas mais internas

– Disco gira numa velocidade fixa – Disco gira numa velocidade fixa

– Desperdício de espaço de armazenamento

• 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 – Layout utilizado em CD-ROMs

(19)

Densidades

• Exemplo

–

Largura de uma trilha aparente: 1.6 μm

–

Largura útil de gravação, na direção radial: 32,55 mm

= 32.550 μm

–

N

o

_{de trilhas aparentes = 32.550/1,6 = 20.344 trilhas}

–

N de trilhas aparentes = 32.550/1,6 = 20.344 trilhas

aparentes

–

Na verdade, há uma trilha única, com extensão

aproximada de 5,27 Km

–

A uma velocidade linear de 1,2 m/s, tem-se 4.391 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 774,57 MB (superior a 550 disquetes de 3,25’’)

(20)

Formato do Bloco

12 Bytes (SYNC) 4 Bytes (ID) 2048 Bytes 288 Bytes 00 FF x 10 00 M IN S E C S e to r M o d o Dados ECC Bytes 1 10 1 1 1 1 1

• Modo 0: campo de dados em branco

• Modo 1: ECC + 2.048 Bytes de dados

• Modo 2: 2.336 Bytes de dados

(21)

Outros Tipos de Discos Ópticos

• WORM (Escrita Uma Vez, Leitura Múltiplas Vezes)

–

Pré-formatação

• Laser de alta intensidade produz uma série de bolhas no disco

–

Escrita

–

Escrita

• Laser de baixa intensidade pode produzir calor suficiente para romper as bolhas previamente gravadas

–

Leitura

• Laser de baixa intensidade ilumina a superfície do disco, e as bolhas rompidas fornecem um contraste maior do que a área circundante

(22)

Outros Tipos de Discos Ópticos

• 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

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

(23)

Outros Tipos de Discos Ópticos

• DVD (Disco de Vídeo Digital)

–

Um DVD padrão pode conter 4,7 GB por camada

• Um DVD de camada dupla pode armazenar 8,5 GB

–

Um DVD padrão pode conter um filme de 2,5 h

• Um DVD de camada dupla pode armazenar um filme de mais

• Um DVD de camada dupla pode armazenar um filme de mais de 4 h de duração

• MO (Disco Magnético-Óptico)

–

Operação de gravação puramente magnética

–

Operação de leitura puramente óptica

(24)

Fitas Magnéticas

• Fita coberta com óxido magnético

Trilha 01 Trilha 02 Trilha 03 Trilha 04 Registro físico Trilha 04 Trilha 05 Trilha 06 Trilha 07 Trilha 08 Trilha 09

Espaço entre registros

(bit de paridade)