ARQUITETURA DE COMPUTADORESUNIDADES DE MEMÓRIA

Prof: Leandro Coelho

Leandro.coelho@unifacs.br

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Plano de Aula

� Memória Interna� Registradores

� Cache� L1

� L2

� Principal (RAM)

� Memória Externa� Secundária

� Persistente

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Plano de Aula

� Começaremos o estudo da memória externa, com o dispositivo mais importante, o disco magnético.� Os discos magnéticos constituem a base da memória

externa de quase todos os sistemas de computação.

� Em seguida discutiremos:� RAID (redudant array of independent disks – agrupamento

redundantes de discos independentes).

� Memória externa óptica.

� Fitas magnéticas.

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Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Disco Magnético (HD)� Um disco magnético é um prato circular construído de

metal coberto por um material magnetizável;

� Os dados são gravados e depois se recuperam através de uma bobina chamada cabeça (leitura e gravação);

� O mecanismo de escrita é baseado no campo magnético produzido pelo fluxo elétrico que atravessa a bobina;

� O mecanismo de leitura é baseado na corrente elétrica que atravessa a bobina, produzida por um campo magnético que se move em relação a bobina.

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Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Disco Magnético (HD)

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Pratos

Cabeça

Atuador

BraçoMotor

Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Organização Física� Os pratos são os discos onde os dados são

armazenados. � Eles são feitos de alumínio (ou de um tipo de cristal)

recoberto por um material magnético e por uma camada de material protetor.

� Quanto mais trabalhado for o material magnético (ou seja, quanto mais denso), maior é a capacidade de armazenamento do disco. � HDs com grande capacidade contam com mais de um prato,

um sobre o outro.

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Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Organização Física� Eles ficam posicionados sob um motor responsável por

fazê-los girar. � 5.400 rpm

� 7.200 rpm

� 10.000 rpm

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Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Organização Física� Cabeça / Cabeçote

� Um dispositivo muito pequeno de leitura e gravação.

� Trata-se de um item de tamanho reduzido que contém uma bobina que utiliza impulsos magnéticos para manipular as moléculas da superfície do disco, e assim gravar dados.

� Há uma cabeça para cada lado dos discos.

� Esse item é localizado na ponta de um dispositivo denominado braço, que tem a função de posicionar os cabeçotes sob a superfície dos pratos.

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� Organização Física� Atuador:

� Também chamado de voice coil

� É responsável por mover o braço sob a superfície dos pratos, e assim permitir que as cabeças façam o seu trabalho. Para que a movimentação ocorra, o atuador contém em seu interior uma bobina que é "induzida" por imãs.

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� Disco Magnético (HD)� Organização dos dados

� A cabeça é um dispositivo relativamente pequeno, capaz de ler e escrever em uma zona do prato que roda sob ela;

� Os dados se organizam em um conjunto de anéis Concêntricos no prato, chamados de pistas ou trilhas.

� Cada pista possui a mesma largura da cabeça.

� Cada trilha é dividida em trechos regulares chamados de setores.

� Ao conjunto posicional de cabeças em uma determinada trilha do disco, chama-se cilindro.

� Posição das cabeças sobre as mesmas trilhas de seus respectivos discos

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� Disco Magnético (HD)� Organização dos dados

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Cilindros

Trilhas

Sectores

Bytes

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� Disco Magnético (HD)� Organização dos dados

� Internamente pode ser dividido ....

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1

23

Bandas de separação de pistas : minimiza os erros por desalinhamento ou interferência do campo magnético.

Pista (Trilhas): é armazenado o mesmo número de bits em cada pista. A densidade, em bits por polegada linear, aumenta segundo se avança da pista mais externa a mais interna.

Setores: os dados se transferem até e desde o disco em blocos. Os dados se armazenam em regiões do tamanho de um bloco conhecidas como setores.

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� Disco Magnético (HD)� Organização dos dados

� Como se identificam as posições dos setores dentro de uma pista dada?

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Mediante dados de controle gravados no disco, que indicam a pista, o princípio e o fim de cada setor.

Por tanto, no disco se grava com um formato que contém alguns dados extras usados somente pelo disco e não acessível ao usuário.

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� Disco Magnético (HD)� Organização dos dados

� Como se identificam as posições dos setores dentro de uma pista dada?

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No exemplo, cada pista contém 30 setores de tamanho fixo de 600 bytescada um.

Cada setor contém 512 bytes de dados mais informações de controle útil ao controlador de disco.

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� Organização Física� Características dos sistemas de disco

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� Deslocamento de cabeças� Cabeça móvel (uma por superfície)

� Transportabilidade de disco� Disco fixo

� Disco removível

� Superfícies� Superfície única

� Superfície dupla

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� Organização Física� Cabeça / Cabeçote

� Disco com vários cilindros� Algumas unidades de disco

acomodam múltiplos pratos empilhados verticalmente.

� São usados braços múltiplos.

� Os pratos são agrupados em unidades denominadas pacotes de disco.

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� Parâmetros de desempenho de discos� Detalhes de uma operação de E/S (HD) dependem:

� do sistema de computação;

� do sistema operacional;

� do hardware usado no canal de E/ S; e

� no controlador de disco.

� O diagrama de tempo de uma operação de E/S:

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Espera por dispositivo

Espera por

canal BuscaAtraso

rotacionalTransferência de

dados

Dispositivo ocupado

Tempo de uma operação de E/S em um disco.

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� Parâmetros de desempenho de discos� Quando uma unidade de disco está em operação, o

disco gira a uma velocidade constante.

� Para ler ou escrever um valor, o cabeçote deve ser posicionado sobre a trilha desejada e no início do setor desejado da trilha.

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� Parâmetros de desempenho de discos� A seleção da trilha requer a movimentação do

cabeçote, em um sistema de cabeçote móvel, ou a seleção eletrônica de um dos cabeçotes, em um sistema de cabeçote fixo.

� Em ambos os sistemas, uma vez selecionada a trilha, o controlador de disco espera que o disco gire até que o setor desejado esteja alinhado com o cabeçote.

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� Parâmetros de desempenho de discos� Em um sistema de cabeçote móvel, o tempo para

posicionar o cabeçote na trilha é denominado tempo de busca (seek time).

� O tempo decorrido até que o início do setor esteja sob o cabeçote é denominado atraso rotacional ou latência rotacional.

� A soma do tempo de busca, se houver, com o atraso rotacional é denominada tempo de acesso, isto é, o tempo requerido para atingir a posição em que deve ser feita a leitura ou a escrita.

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� Parâmetros de desempenho de discos

tempo de acesso = tempo de busca + atraso rotacional

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� Parâmetros de desempenho de discos� Uma vez que o cabeçote esteja na posição correta, a

operação de leitura ou escrita é feita à medida que o setor se move sob o cabeçote; � Operação corresponde à transferência de dados.

� Além do tempo de acesso e do tempo de transferência, existem normalmente vários atrasos associados a uma operação de E/S em um disco.

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� Parâmetros de desempenho de discos� Quando um processo faz uma requisição de E/S, ela

deve primeiro esperar em uma fila até que o dispositivo esteja disponível. � O dispositivo é então alocado para o processo.

� Se o dispositivo compartilha um canal de E/S ou um conjunto de canais de E/S com outras unidades de disco, pode haver uma espera adicional para que o canal fique disponível. � Quando isso ocorre, a operação de busca da trilha pode

ser iniciada.

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� Parâmetros de desempenho de discos� Tempo de busca

� O tempo de busca é o tempo necessário para mover o braço do disco até a trilha desejada.

� Ele é difícil de ser medido.

� Constitui-se de dois componentes principais: � Tempo inicial de partida e o

� Tempo requerido para percorrer as trilhas depois que o braço de acesso está pronto para se movimentar.

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� Parâmetros de desempenho de discos� Tempo de busca

� O tempo de percurso, infelizmente, não é uma função linear do número de trilhas percorridas.

� O tempo de busca pode ser aproximado pela seguinte fórmula linear:

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snmTs +×=onde:

Ts = tempo estimado de busca

m = constante que depende da unidade de disco

n = número de trilhas percorridas

s = tempo de partida

• Em um disco rígido barato de um computador pessoal, os valores desses parâmetros são, aproximadamente, m = 0,3 ms e s = 20 ms.

• Em um disco maior e mais caro, podemos ter m = 0,1 ms e s = 3 ms.

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� Parâmetros de desempenho de discos� Atraso rotacional

� Discos giram tipicamente a 3600 rpm.� Assim, o atraso rotacional médio é de 16,7 ms.

� Discos modernos têm uma rotação típica de 7200 rpm.� Assim, o atraso rotacional médio é de 8,3 ms

� Discos flexíveis giram tipicamente com 300 e 600 rpm.� Assim, o atraso rotacional médio é de 200 a 100 ms

� Existem discos com rotação superior a 10.000 rpm.

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( 1 / 7200 ) * 60 * 1000( 1 / 3600 ) * 60 * 1000( 1 / 7200 ) * 60 * 1000

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� Parâmetros de desempenho de discos� Tempo de transferência

� O tempo de transferência do disco depende da sua velocidade de rotação, conforme a seguinte relação:

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rN

bT =

onde:

T = tempo de transferência

b = números de bytes transferidos

N = número de bytes na trilha

r = velocidade de rotação em número de revoluções p or segundo

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� Parâmetros de desempenho de discos� O tempo total de acesso médio pode ser expresso:

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onde:

Ta = tempo total de acesso médio

Ts = tempo médio de busca

b = números de bytes transferidos

N = número de bytes na trilha

r = velocidade de rotação em número de revoluções p or segundo

rN

b

rTT sa ++=

2

1

Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Parâmetros de desempenho de discos� Comparação de tempos de acesso

� Exemplo (PARA 7200rpm):

� Duas diferentes operações de E/S que mostram o perigo de se confiar em valores médios:

� Considere um disco típico com tempo médio de busca anunciado pelo fabricante de 20 ms, taxa de transferência de 1 Mbyte/s e setores de 512 bytes, com 32 setores por trilha. Suponha que desejamos ler um arquivo de 128 Kbytes com 256 setores. Estimamos o tempo total para a transferência.

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Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Parâmetros de desempenho de discos� Comparação de tempos de acesso

� Exemplo:

� Duas diferentes operações de E/S que mostram o perigo de se confiar em valores médios:

� Considere um disco típico com tempo médio de busca anunciado pelo fabricante de 20 ms, taxa de transferência de 1 Mbyte/s e setores de 512 bytes, com 32 setores por trilha. Suponha que desejamos ler um arquivo de 128 Kbytes com 256 setores. Estimamos o tempo total para a transferência.

30

Tempo médio de busca = 20 ms

Rotação do disco = 7200 rpm.

Taxa de transferência = 1 Mbyte/s

Setores de 512 bytes

32 setores por trilha

Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Parâmetros de desempenho de discos� Comparação de tempos de acesso

� Exemplo:

� Duas diferentes operações de E/S que mostram o perigo de se confiar em valores médios:

� Considere um disco típico com tempo médio de busca anunciado pelo fabricante de 20 ms, taxa de transferência de 1 Mbyte/s e setores de 512 bytes, com 32 setores por trilha. Suponha que desejamos ler um arquivo de 128 Kbytes com 256 setores. Estimamos o tempo total para a transferência.

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Tempo médio de busca = 20 ms

Rotação do disco = 7200 rpm.

Taxa de transferência = 1 Mbyte/s

Setores de 512 bytes

32 setores por trilha

Primeiramente, supomos que o arquivo está armazenado no disco da maneira mais compacta possível.

Ou seja, o arquivo ocupa todos os setores de oito trilhas adjacentes (8 trilhas x 32 setores / trilhas = 256 setores).

Essa organização é conhecida como organização seqüencial.

Arquivo de 128 Kbytes.

128 Kbytes * 1024 = 131072 bytes

131072 bytes / 512 = 256 setores

32 trilhas por Setor ���� 8

Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Parâmetros de desempenho de discos� Comparação de tempos de acesso

� Exemplo:

� Duas diferentes operações de E/S que mostram o perigo de se confiar em valores médios:

� Considere um disco típico com tempo médio de busca anunciado pelo fabricante de 20 ms, taxa de transferência de 1 Mbyte/s e setores de 512 bytes, com 32 setores por trilha. Suponha que desejamos ler um arquivo de 128 Kbytes com 256 setores. Estimamos o tempo total para a transferência.

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Tempo médio de busca = 20 ms

Rotação do disco = 7200 rpm.

Taxa de transferência = 1 Mbyte/s

Setores de 512 bytes

32 setores por trilha

Tempo de acesso à primeira trilha é assim calculado:

Tempo médio de busca 20,0 ms

Atraso rotacional + 8,3 ms

Leitura de 32 setores 15,6 ms

Tempo para a leitura da primeira trilha 43,9 ms

Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Parâmetros de desempenho de discos� Comparação de tempos de acesso

� Exemplo:

� Duas diferentes operações de E/S que mostram o perigo de se confiar em valores médios:

� Considere um disco típico com tempo médio de busca anunciado pelo fabricante de 20 ms, taxa de transferência de 1 Mbyte/s e setores de 512 bytes, com 32 setores por trilha. Suponha que desejamos ler um arquivo de 128 Kbytes com 256 setores. Estimamos o tempo total para a transferência.

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Tempo médio de busca = 20 ms

Rotação do disco = 7200 rpm.

Taxa de transferência = 1 Mbyte/s

Setores de 512 bytes

32 setores por trilha

Tempo de acesso à primeira trilha é assim calculado:

Tempo médio de busca 20,0 ms

Atraso rotacional + 8,3 ms

Leitura de 32 setores 15,6 ms

Tempo para a leitura da primeira trilha 43,9 ms

(1/7200)*60*1000

32 setores * 512 bytes = 16384 bytes

1 Mbyte/s = 1048576 byte/s

16384bytes/1048576byte/s=0,015625s

0,015625s * 1000 = 15,62 ms

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Tempo médio de busca = 20 ms

Rotação do disco = 7200 rpm.

Taxa de transferência = 1 Mbyte/s

Setores de 512 bytes

32 setores por trilha

Tempo para a leitura da primeira trilha 43,9 msz

Suponha que as trilhas restantes possam ser lidas essencialmentesem tempo de busca. Ou seja, a operação de E/ S pode acompanhar a velocidade de fluxo do disco.

Precisamos então lidar apenas com o atraso rotacional para cada trilha subseqüente. Dessa maneira, cada trilha sucessiva élida em 8,3 + 15,6 = 23,9 ms.

Tempo de acesso à primeira trilha é assim calculado:

Tempo médio de busca 20,0 ms

Atraso rotacional + 8,3 ms

Leitura de 32 setores 15,6 ms

Tempo para a leitura da primeira trilha 43,9 ms

Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

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Tempo médio de busca = 20 ms

Rotação do disco = 7200 rpm.

Taxa de transferência = 1 Mbyte/s

Setores de 512 bytes

32 setores por trilha

Tempo para a leitura da primeira trilha 43,9 msz

Suponha que as trilhas restantes possam ser lidas essencialmentesem tempo de busca. Ou seja, a operação de E/ S pode acompanhar a velocidade de fluxo do disco.

Precisamos então lidar apenas com o atraso rotacional para cada trilha subseqüente. Dessa maneira, cada trilha sucessiva élida em 8,3 + 15,6 = 23,9 ms.

Para ler o arquivo inteiro, temos:

Tempo total = 43,9 + 7 x 23,9 = 221,1 ms = 0,21 s

Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Parâmetros de desempenho de discos� Comparação de tempos de acesso

� Exemplo:

� Duas diferentes operações de E/S que mostram o perigo de se confiar em valores médios:

� Considere um disco típico com tempo médio de busca anunciado pelo fabricante de 20 ms, taxa de transferência de 1 Mbyte/s e setores de 512 bytes, com 32 setores por trilha. Suponha que desejamos ler um arquivo de 128 Kbytes com 256 setores. Estimamos o tempo total para a transferência.

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Tempo médio de busca = 20 ms

Rotação do disco = 7200 rpm.

Taxa de transferência = 1 Mbyte/s

Setores de 512 bytes

32 setores por trilha

Agora calculamos o tempo necessário para ler os mesmos dados, usando acesso aleatório em vez de acesso seqüencial, isto é, supondo que os setores são distribuídos aleatoriamente pelo disco. Para cada setor, temos:

Tempo médio de busca 20,0 ms

Atraso rotacional 8,3 ms

Leitura de um setor 0,5 ms

28,8 ms

Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Parâmetros de desempenho de discos� Comparação de tempos de acesso

� Exemplo:

� Duas diferentes operações de E/S que mostram o perigo de se confiar em valores médios:

� Considere um disco típico com tempo médio de busca anunciado pelo fabricante de 20 ms, taxa de transferência de 1 Mbyte/s e setores de 512 bytes, com 32 setores por trilha. Suponha que desejamos ler um arquivo de 128 Kbytes com 256 setores. Estimamos o tempo total para a transferência.

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Tempo médio de busca = 20 ms

Rotação do disco = 7200 rpm.

Taxa de transferência = 1 Mbyte/s

Setores de 512 bytes

32 setores por trilha

Agora calculamos o tempo necessário para ler os mesmos dados, usando acesso aleatório em vez de acesso seqüencial, isto é, supondo que os setores são distribuídos aleatoriamente pelo disco. Para cada setor, temos:

Tempo médio de busca 20,0 ms

Atraso rotacional 8,3 ms

Leitura de um setor 0,5 ms

28,8 ms

Tempo total = 256 x 28,8 = 7373 ms = 7,37s

1 setores * 512 bytes = 512 bytes

1 Mbyte/s = 1048576 byte/s

512bytes/1048576byte/s=0,00048828

0,00048828 s * 1000 = 0,5 ms

Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Resumindo...

� Calculando com arquivo ocupando todos os setores de oito trilhas adjacentes (8 trilhas x 32 setores / trilhas = 256 setores) - organização seqüencial:

� Tempo total = 0,21s

� Calculando o tempo necessário para ler os mesmos dados, usando acesso aleatório, isto é, supondo que os setores são distribuídos aleatoriamente pelo disco.

� Tempo total = 7,37s

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Tempo médio de busca = 20 ms

Rotação do disco = 7200 rpm.

Taxa de transferência = 1 Mbyte/s

Setores de 512 bytes

32 setores por trilha

Agora calculamos o tempo necessário para ler os mesmos dados, usando acesso aleatório em vez de acesso seqüencial, isto é, supondo que os setores são distribuídos aleatoriamente pelo disco. Para cada setor, temos:

Tempo médio de busca 20,0 ms

Atraso rotacional 8,3 ms

Leitura de um setor 0,5 ms

28,8 ms

Tempo total = 256 x 28,8 = 7373 ms = 7,37s

1 setores * 512 bytes = 512 bytes

1 Mbyte/s = 1048576 byte/s

512bytes/1048576byte/s=0,00048828

0,00048828 s * 1000 = 0,5 ms

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� Resumindo...

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Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Concluindo� A ordem em que os setores são obtidos no disco tem

efeito significativo sobre o desempenho de E/S.

� No caso de acessos a arquivos em que a leitura ou a escrita é feita em múltiplos setores, é possível ter algum controle sobre o modo como os setores de dados são organizados no disco.

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Arquitetura de ComputadoresMemória Externa

� Concluindo� Em um ambiente de multiprogramação, mesmo no caso

de acesso a um único arquivo, existirão diversas requisições de E/S competindo por um mesmo disco.

� Vale a pena examinar como o desempenho de operações de E/S pode ser melhorado em relação ao desempenho obtido quando o acesso ao disco épuramente aleatório.

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