Memórias secundárias

Ano lectivo 2011/2012

Fundamento e Arquitectura de Computadores Prof. Avelino Pereira

Tiago Leite | nº 26 | 10ºITM.1

MEMÓRIAS SECUNDÁRIAS


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Conteúdo

Introdução ....................................................................................................................................3

O que é uma memória de secundária? ....................................................................................3

Dispositivos abordados neste trabalho .................................................................................3

O disco rígido ...............................................................................................................................4

O que é?...................................................................................................................................4

Anatomia ..................................................................................................................................4

Placa controladora e invólucro .............................................................................................4

Por dentro: debaixo da placa controladora ...........................................................................5

O ‘coração’ do disco: pratos e cabeças ................................................................................6

Armazenamento dos dados ......................................................................................................6

Estrutura física......................................................................................................................6

Formatação ..........................................................................................................................6

Método de armazenamento de dados ..................................................................................7

Desempenho ........................................................................................................................7

Capacidade ..........................................................................................................................7

O CD ............................................................................................................................................8

O que é?...................................................................................................................................8

Capacidade ..............................................................................................................................8

Composição .............................................................................................................................8

Armazenamento dos dados ......................................................................................................9

A ‘espiral’ ..............................................................................................................................9

Os sulcos ..............................................................................................................................9

Leitura dos dados ...................................................................................................................10

Componentes do leitor .......................................................................................................10

Como é que leitura é possível? ..........................................................................................10

Formatos de dados de um CD ...............................................................................................11

Cuidados a ter ........................................................................................................................11

As memórias flash ......................................................................................................................11

O que são? .............................................................................................................................11

Modo de funcionamento .........................................................................................................11

Os SSDs.................................................................................................................................12

Vantagens ..........................................................................................................................12

Desvantagens ....................................................................................................................12

Conclusão ..................................................................................................................................13

Bibliografia..................................................................................................................................13


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Introdução

Neste trabalho, como proposto, irei abordar as principais memórias secundárias

utilizadas num computador actualmente.

O que é uma memória de secundária?

A memória secundária – também conhecida por memória de massa - que permite

armazenar grandes quantidades de informações a longo prazo, incluindo o arranque

do computador. A memória de massa corresponde aos dispositivos de

armazenamento magnéticos, como o disco rígido e as disquetes, os dispositivos de

armazenamento óptico, como o CD ou o DVD, e nos dispositivos de armazenamento

do estado sólido, como as pens e os Solid State Drives.

Dispositivos abordados neste trabalho

Disco rígido

CDs

Memórias flash

1 - Disco rígido, drive de DVDs (derivado do CD) e pen drive (baseada em memórias flash)


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O disco rígido

O que é?

Os discos rígidos apareceram nos anos 50. Começaram como grandes discos de

cerca de 50 cm de diâmetro com pouca capacidade de memória. Originalmente, eles

eram chamados de "discos fixos" ou "winchesters" (um

nome usado para um produto popular da IBM). Mais

tarde, ficaram conhecidos como "discos rígidos" para

distingui-los das disquetes ou floppy disks – que eram

‘literalmente’ discos flexíveis.

É composto por pequenas superfícies com forma de

discos em aço magnetizado que rodam a alta velocidade – normalmente entre

5200RPM e as 10000RPM nos dias de hoje – chamados de discos ou prato; utilizando

o mesmo princípio de gravação de dados como as antigas cassetes de áudio, mas de

uma maneira mais avançada e cuidada, para armazenar os dados. Com isto, o disco

rígido tem os benefícios do armazenamento magnético - pode ser facilmente apagado

e regravado, e a informação permanece guardada durante bastantes anos.

O disco rígido é também uma memória não-volátil - as informações não são perdidas

quando o computador é desligado – e é o principal meio de armazenamento de dados

em massa – ou seja, em grande quantidade – nos computadores actuais (e em outros

dispositivos, como é o caso de alguns tablets, dos iPods Classic e das consolas de

jogos modernas); permitindo-nos armazenar os nossos documentos, programas e o

nosso sistema operativo.

Anatomia

NOTA: Abrir um disco rígido sem as ferramentas apropriadas e sem ser em vácuo

inutiliza a muito curto prazo o disco rígido. A menos que se trate de um disco

danificado ou de tal modo obsoleto e inutilizado, não tente recriar as imagens abaixo.

Placa controladora e invólucro

O disco rígido encontra-se alojado numa caixa de alumínio selada – chamada de Hard

Drive Assembly, por vezes com uma atmosfera interior a condições de baixa pressão –

contendo no seu exterior apenas 4 elementos chave:

Buracos de montagem – furos existentes para que o disco possa ser

aparafusado ao chassis do computador;

2 - Disco rígido moderno aberto


5

Ligação de dados – interface que varia em

tamanho conforme o tipo e formato de controlador

utilizado; tem como função ligar o disco rígido à

placa mãe para a troca de dados – actualmente a

mais recente é a SATA III (Serial Advanced

Technology Attachment, 3ª revisão) que permite

transferências de dados até 6Gbits/segundo;

Ligação de alimentação – liga o disco rígido à

fonte de alimentação do computador de maneira a

obter a energia necessária para o seu

funcionamento;

Jumpers de configuração - configuram o modo como a placa mãe reconhece

os reconhece, podendo configurá-los como "primário" ou "secundário", ou

mesmo limitar a sua capacidade e área de acesso.

Aberto esse invólucro é possível ver a placa

controladora responsável pelo controlo da leitura e

escrita no disco rígido; assim como o controlo do motor e

da cabeças de leitura do disco rígido.

Esta placa é também responsável por transformar a

informação magnética do disco rígido, transformando-a

em impulsos eléctricos interpretados pelo computador

como bits – processo de leitura ou read – e por

transformar os bits em informação magnética – processo

de escrita ou read.

Por dentro: debaixo da placa controladora

Por baixo da placa controladora, no interior do disco rígido, encontram-se as partes

físicas e móveis responsável pelo armazenamento da informação:

Os pratos ou discos - pequenas superfícies com forma de discos em aço

magnetizado que rodam a alta velocidade – normalmente entre 5200RPM e as

10000RPM nos dias de hoje durante o funcionamento – e são fabricados com

um nível de incrível, sendo um espelho

perfeito;

Os braços – servem de suporte às cabeças de

escrita/leitura - controlados pelo mecanismo

visível no canto superior esquerdo da imagem

ao lado. As cabeças de leitura/escrita não

tocam os pratos, no entanto, encontram-se

muito perto destes, realizando movimentos

extremamente rápidos, leves e precisos. Os

braços são capazes de levar as cabeças de

escrita escrita/leitura do exterior dos pratos até ao seu cubo e voltar mais de 50

vezes num segundo!

3 - Hard Drive Assembly

4 - Hard Drive Assembly aberto (à esquerda) e placa controladora (à direita)

5 - Disco rigido aberto com os pratos e cabeças expostos


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O ‘coração’ do disco: pratos e cabeças

Ao fim de aumentar a capacidades dos discos

rígidos, os fabricantes utilizam mais que um prato

nos discos rígidos. No caso do disco presente nas

imagens ao longo desta parte do trabalho, o disco

possuí 6 cabeças de leitura/escrita e 3 pratos,

sendo que normalmente cada disco tem duas

cabeças por cada prato.

O mecanismo que move os braços tem de ser bastante

preciso e rápido, sendo que deve ser um motor de

elevada velocidade linear. Como tal, muitos fabricantes

utilizam a mesma abordagem que é utilizada pelos

fabricantes de altifalantes para moverem o cone da coluna

– uma bobina electromagnética.

Armazenamento dos dados

Estrutura física

Os dados são armazenados na superfície de um prato

em sectores e faixas. As pistas são círculos

concêntricos, e os sectores são a ‘divisão’ desses

círculos.

Na imagem 8 é possível observar a amarelo a pista 0 e a

azul um dos sectores da pista 6 de um prato de um disco

rígido.

Um sector contém um número fixo de bytes - por

exemplo, 256 ou 512. Normalmente, quer a nível do

hardware em si – próprio disco – ou a nível do sistema

operativo, os sectores são agrupados em clusters.

Formatação

Para o disco rígido, existem 2 processos de formatação, sendo realizados pela ordem

que estão descritos:

Formatação de baixo nível: estabelece as pistas e sectores no prato. Os pontos

iniciais e finais de cada sector são gravados no prato. Este processo prepara a

unidade para manter blocos de bytes;

Formatação de alto nível de formatação: escreve as estruturas de

armazenamento de ficheiros, como a tabela de alocação de arquivos, para os

6 - Aproximação aos braços e às cabeças de leitura/esrita do disco rígido

7 - Aproximação do motor das cabeças de leitura/escrita

8 - Esquema da organização dos dados nos pratos


7

sectores. Em suma, este processo prepara a unidade para que um sistema

operativo possa armazenar dados na mesma.

Método de armazenamento de dados

Os dados são armazenados no disco na forma de ficheiros. Um ficheiro é

simplesmente uma colecção nomeada de bytes.

Os bytes podem ser códigos ASCII – já falados na aula - para os caracteres de um

ficheiro de texto, assim como podem também ser as instruções de um programa –

como o Microsoft Word utilizado na redacção deste trabalho - para o computador para

executar ou poderiam ainda ser as cores dos pixéis de uma imagem GIF.

O conteúdo do ficheiro não altera a sua ‘forma’, pois independentemente da

informação que este pretenda guardar, é sempre uma sequência localizada de bytes.

Quando um programa em execução necessita das informações contidas num ficheiro,

este é lido e enviado bit a bit de volta ao processador, para que este a possa

processar.

Desempenho

Existem duas boas maneiras de medir o desempenho de um disco rígido:

Taxa de transferência - A taxa de transferência é a quantidade de informação

por segundo que a unidade pode transferir. Normalmente é dividida em taxa de

leitura e taxa de escrita, já que estas operações têm eficiências diferentes, já

que a leitura é efectuada muito mais rapidamente do que a escrita;

Tempo de procura - O tempo de procura é a quantidade de tempo entre o

momento em que o pedido da informação é realizado e o início da operação.

Valores abaixo dos 15 milissegundos são perfeitamente comuns.

Capacidade

O outro parâmetro importante é a capacidade da unidade, que é o número de bytes

que ele pode conter. Um computador de secretária hoje terá um disco rígido com uma

capacidade no entre os 250GB e 4000GB.

A capacidade de armazenamento de um disco é calculada pela seguinte fórmula:

Cabeças x pistas x sectores / pista x bytes / sector = capacidade em bytes


8

O CD

O que é?

O CD - abreviatura de Compact Disc, "disco compacto" em

português - é um dos mais populares meios de armazenamento

e partilha de dados digitais, principalmente de música

comercializada e softwares de computador. São de barato e de

fácil fabrico, daí serem tão comuns e possuírem um preço tão

baixo.

Os DVDs, Bluerays e HD-DVDs funcionam de forma muito

próxima aos CDs, e como tal falarei apenas do CD neste

trabalho.

Capacidade

Um CD pode armazena cerca de 75 minutos de música – dados analógicos -, o que

equivale a 780MB de dados digitais quando convertido utilizando a seguinte fórmula:

44.100 Amostras / canal / segundo x 2 bytes /amostra x 2 canais x 74 minutos x

60 segundos / minuto = 783.216.000 bytes

Para um CD conseguir armazenar esta quantidade de informação numa superfície

pequena, faz com o que tamanho físico dos bytes seja bastante pequeno, algo que

veremos mais à frente.

Composição

Ao contrário dos discos rígidos, os CDs têm uma estrutura e uma construção bastante

mais simples. Um CD tem cerca de 1.2 mm de espessura, essencialmente composto

por uma peça de plástico policarbonato transparente moldada por injecção.

O disco pode ser dividido em 4 camadas:

A primeira que consiste no rótulo, recebendo também o nome de camada

adesiva;

A segunda é uma camada de acrílico, que contém os dados propriamente

ditos;

A terceira é uma camada reflexiva composta de alumínio;

E finalmente uma quarta, chamada de camada plástica, feita de policarbonato.

9 - Fotografia de um CD gravável


9

As cores prata que vemos no CD são o resultado da soma das camadas de gravação

e reflexão. Se pudéssemos fazer um corte transversal num CD e observar as suas

camadas, o resultado seria algo como a figura acima.

No entanto, num CD-R a composição das camadas é diferente para que este possa

ser gravado num ambiente caseiro sem ferramentas especializadas muito avançadas.

Armazenamento dos dados

A ‘espiral’

O CD possui uma pista de dados – tal com existe nos discos

rígidos - em espiral, de dentro para fora da sua superfície.

Graças a isto, isto, significa que o CD pode variar de tamanho (e

até e formar) e mesmo assim funcionar – por exemplo, existem

CDs no formato de cartões-de-visita que aguentam até 2MB de

dados até que a espiral seja interrompida.

Esta espiral tem um tamanho incrivelmente pequeno – cerca de

0.5 micrómetros de largura com uma distância entre linhas de

1.6 micrómetros. Para quem não sabe, um micrómetro é um

milionésimo de um milímetro!

Os sulcos

Esta espiral é composta por pequenos sulcos na camada de acrílico do CD. Cada um

destes sulcos corresponde um bit – 0 ou 1 – podendo assim serem armazenados

dados num CD. Cada sulco tem cerca de 0.5 micrómetros de largura, 0.83

micrómetros de comprimento e 125 manómetros de altura.

12 - Representação dos sulcos na superfície de um CD

10 - Esquema de um corte transversal de um CD

11 - Esquema do formato da 'espiral'


10

Leitura dos dados

Para podermos ler a informação guardada em CDs, precisamente de um componente

de elevada precisão que consiga ler e posteriormente descodificar os sulcos – o leitor

de CDs.

Componentes do leitor

O leitor é composto por 4 componentes essenciais:

Um motor para girar o disco; é controlado com precisão para girar entre 200 e

500 RPM, dependendo do local da pista a ser lido;

Um laser e um sistema de lentes que focalizam e lêem os sulcos do CD.

Um mecanismo responsável por mover o conjunto do laser para que seu feixe

possa acompanhar a pista espiral, sendo capaz de mover o laser em

deslocamentos precisos na ordem de 1 micrómetro.

13 - Fotografia dos principais componentes do leitor de CDs

Como é que leitura é possível?

A leitura dos dados é possível quando a superfície da espiral é varrida pelo laser, que

emite luz infravermelha. Essa luz é reflectida pela superfície do disco e captada pelo

sistema de lentes para um sensor. Esse sensor envia ao controlador do leitor a

sequência de pontos claros e escuros, que são convertidos em 0 e 1 - os bits que

compõe os ficheiros.

Para isto ser possível, é necessário que o laser esteja permanentemente alinhado com

a pista espiral, começando de dentro para fora. É necessário também controlar

cuidadosamente a rotação do CD para que os sulcos se desloquem sobre o feixe laser

a uma velocidade constante para que a leitura seja possível e constante.


11

Formatos de dados de um CD

Há diversos formatos usados para armazenar dados em um CD, alguns bastante

abrangentes e completamente caídos em desuso. Os dois mais comuns são

actualmente o CD-DA para áudio e o CD-ROM para dados.

Cuidados a ter

Visto a leitura dos CDs ser um processo baseado na luz e reflexão – ou seja, na óptica

– qualquer arranhão ou borrão num CD pode fazer com que os dados sejam lidos

incorrectamente, o chamado burst error ou erro de rajada. Como tal, os CDs devem

der manuseados com cuidado e guardados em locais limpos e macios.

As memórias flash

O que são?

Enquanto muita gente não sabe, actualmente

este tipo de memórias encontram-se em quase

todos os dispositivos electrónicos pois esta

memória está disponível em várias formas e

serve para vários propósitos. Visto ser pequena

e actualmente estar disponível em grandes

capacidades, esta é encontrada embebida em

cartões de memória, leitores de música,

telemóveis e em muitos outros diapositivos.

A memória flash é considerada um dispositivo

de armazenamento de estado sólido, já que não

possui partes móveis – sendo compostas por

transístores, como a memória RAM dos

computadores – e também é do tipo não-volátil

como os CDs e os discos rígidos.

Modo de funcionamento

Sendo semelhantes à memória RAM, permitem múltiplos endereços sejam apagados

ou escritos numa só operação. Trata-se de um chip re-escrevível semelhante à RAM

já abordada na aula mas que ao contrário desta consegue armazenar dados sem estar

ligada a uma fonte de energia.

O conceito base da forma como os ficheiros são armazenados numa memória flash é

o seguinte: quando os dados armazenados vão ser actualizados, o sistema faz uma

cópia deles para um novo bloco de memória, remapeia os endereços do ficheiro e

14 - Dois cartões de memória de elevada capacidade e forma pequena


12

posteriormente apaga o bloco antigo quando possível ou quando este seja necessário

para armazenar informação.

Nos cartões de memória e nas pen drives existem controladores embutidos que gerem

este processo e corrigem e previnem possíveis erros no processo.

Como tal, os dispositivos flash removíveis utilizam o sistema de ficheiros FAT universal

- File Allocation Table de 16 bits -, permitindo assim compatibilidade com uma grande

gama de dispositivos. No entanto, cada vez mais começarm a ser usados sistemas de

ficheiros alternativos, já que o sistema FAT universal possui uma limitação em que um

ficheiro apenas pode ocupar menos de 4GB em memória.

Os SSDs

Os SSDs - State Drive ou Solid State Disk conhecidos –

são uma variante de ‘discos rígidos’ que possuem como

base a mesma tecnologia das pens drivers e cartões de

memórias, recorrendo ao armazenamento em memórias

flash, mas em capacidades superiores e utilizando o form

factor e interfaces utilizada pelos discos mecânicos.

Vantagens

Tempo de acesso reduzido, uma vez que o tempo de acesso à memória flash

do SSD é muito menor do que o tempo de acesso a meios magnéticos ou

ópticos. Outros meios de armazenamento sólidos podem ter características

diferentes de hardware e sofware de diferentes características físicas;

Eliminação de partes móveis eletromecânicas, o que reduz vibrações e os

torna completamente silenciosos;

Por não possuírem partes móveis, são muito mais resistentes que os HDs

comuns a choques e vibrações, o que é extremamente importante nos

computadores portáteis;

Menor peso em relação aos discos rígidos, mesmo os mais portáteis;

Consumo reduzido de energia;

Possibilidade de trabalhar em temperaturas maiores que os HDs comuns -

cerca de 70° C;

Velocidades acima dos 250MB/s na gravação e até 700MB/s nas operações de

leitura.

Desvantagens

Alto custo para o usuário final;

Capacidade de armazenamento inferior aos discos rígidos IDE e SATA de

preço equivalente e até menor.

15- Fotografia de um SSD e respectivo interior


13

Conclusão

Estudado isto, creio que o futuro do armazenamento de informações em massa na

computação está nas memórias flash. São mais rápidas, mais pequenas e de certa

forma mais resistentes que as restante; podendo ser embebidas em qualquer sistema

informático.

Apesar disso hoje não ser possível devido ao preço elevado dessas memórias, o

padrão que já começa a ser visto nos últimos computadores e dispositivos móveis

revela exactamente isso.

16 - As memórias flash estão sempre conosco

Bibliografia

http://electronics.howstuffworks.com

http://computer.howstuffworks.com

http://pt.wikipedia.org/

http://informatica.hsw.uol.com.br/

http://www.tecmundo.com.br/

http://forum.zwame.pt/

http://portal.zwame.pt/

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