Hd’s e armazenamento

Fundamentos de Hardware
HD’s e Armazenamento
Prof. Washington Batista

HD’s e Armazenamento
• Sem dúvida, o disco rígido foi um dos componentes que mais
evoluiu na história da informática. O primeiro disco rígido (o
IBM 350) foi construído em 1956 e era formado por um
conjunto de nada menos que 50 discos de 24 polegadas de
diâmetro, com uma capacidade total de 4.36 MB.
• Características:
1,70 mt de altura
Quase 1.000 kg
Conhecido como “unidade de disco”
Custo: 35 mil dólares

Como um HD funciona
• Disco rígido ou disco duro, no Brasil popularmente também
HD é a parte do computador onde são armazenadas as
informações, ou seja, é a "memória permanente"
propriamente dita. É caracterizado como memória física,
não-volátil, que é aquela na qual as informações não são
perdidas quando o computador é desligado.

Como um HD funciona
• O disco é constituído de ligas de vidro ou materias híbridos
de vidro e cerâmica, e precisa ser completamente plano,
pois, o mesmo gira a grandes velocidades e as cabeças de
leitura trabalham extremamente próximas da superfície
magnética, logo, qualquer variação seria fatal.
• Para atingir a perfeição necessária, o disco é polido em uma
sala limpa, até que se torne perfeitamente plano. Vem então
a parte final, que é a colocação da superfície magnética nos
dois lados do disco.

Como um HD funciona
Os discos são montados em um eixo feito de
alumínio, que deve ser sólido o suficiente
para evitar qualquer vibração dos discos,
mesmo a altas rotações.
No caso de HDs com vários discos, eles são
separados usando espaçadores, novamente
feitos de ligas de alumínio.
Finalmente, temos o motor de rotação,
responsável por manter uma rotação
constante.

Como um HD funciona
• Velocidade dos discos:
• 3.600 RPM;
• 5.400 RPM;
• 7.200 RPM ou
• 10.000 RPM.
• Para ler e gravar dados no disco, são usadas cabeças de leitura
eletromagnéticas (heads) que são presas a um braço móvel(arm), o
que permite seu acesso a todo o disco.

Principais componentes de um HD

Ao ler um arquivo, a controladora posiciona a cabeça de leitura sobre a trilha
onde está o primeiro setor referente a ele e espera que o disco gire até o
setor correto.
Este tempo inicial, necessário para iniciar a leitura, é chamado de tempo de
acesso, e mesmo os HDs atuais de 7.200 RPM fica em torno de 12 ms.
• O HD é relativamente rápido ao ler setores seqüenciais, mas ao ler vários
pequenos arquivos espalhados pelo HD, o desempenho pode “despencar”.
• Desfragmentadores: São softwares que que procuram reorganizar a ordem
dos arquivos, de forma que eles sejam gravados em setores contínuos.

Como um HD funciona
O HD possui duas cabeças de leitura para cada disco (uma
para cada face), de forma que um HD com 4 discos utilizaria
8 cabeças de leitura, presas ao mesmo braço móvel.
Embora usar mais discos permita construir HDs de maior
capacidade, não é comum que os fabricantes utilizem mais
de 4, pois a partir daí torna-se muito difícil (e caro)
produzir componentes com a precisão necessária para
manter todos os discos alinhados.

A placa controladora
• A placa lógica, ou placa controladora, é a parte "pensante"
do HD. Com exceção dela, o HD é um dispositivo
relativamente simples, composto por uma série de
dispositivos mecânicos.
• É a controladora que faz a interface com a placa-mãe,
controla a rotação do motor e o movimento das cabeças de
leitura, de forma que elas leiam os setores corretos, faz a
verificação das leituras, de forma a identificar erros (e se
possível corrigi-los, usando os bits de ECC disponíveis em
cada setor), atualiza e usa sempre que possível os dados
armazenados no cache de disco.

Organização dos discos
Para organizar o processo de gravação e leitura dos dados, a
superfície dos discos é dividida em trilhas e setores.
As trilhas são círculos concêntricos, que começam no final do
disco e vão se tornando menores conforme se aproximam do
centro, e cada uma recebe um número de endereçamento, que
permite sua localização.
A trilha mais externa recebe o número 0 e as seguintes
recebem os números 1, 2, 3, e assim por diante.
As trilhas se dividem em setores, que são pequenos trechos
de 512 bytes cada um, onde são armazenados os dados.

• As cabeças de leitura estão presas no mesmo braço
móvel e não possuem movimento independente, portanto,
todas as cabeças de leitura sempre estarão na mesma
trilha de seus respectivos discos, deixamos de chamá-
las de trilhas e passamos a usar o termo "cilindro".

Um cilindro nada mais
é do que o conjunto de
trilhas com o mesmo
número nos vários
discos.

Correção de erros e badblocks
• Por melhor que seja sua qualidade, nenhuma mídia
magnética é 100% confiável (como pode confirmar
quem já teve o desprazer de trabalhar com
disquetes).
• Pequenas falhas na superfície da mídia podem levar a
erros de leitura.

• Caso seja verificado um erro, os bytes de ECC são
usados para tentar corrigir o problema, na qual, a
maioria dos casos é eficiente.
• Estes erros transitórios, que são corrigidos com a
ajuda dos códigos ECC são chamados de "soft
errors" e não causam nenhum efeito colateral além
de um delay de alguns milissegundos na leitura.

• Em um HD, cada setor armazena, 512 bytes de dados
e alguns bytes contendo os códigos ECC;
• Os bytes de ECC são criados pela placa lógica;
• Ao ler um setor a cabeça de leitura lê também os
códigos de ECC, que visam apenas verificar se os
dados que estão sendo lidos são os mesmos que
foram gravados

• Badblocks: São defeitos físicos na mídia magnética, onde
não é mais possível gravar dados.
• O jeito é marcar os badblocks, de forma que eles não
sejam mais usados.
• Os HDs atuais são capazes de marcar automaticamente os
setores defeituosos.
• A própria controladora faz isso, independentemente do
sistema operacional.

• Existe uma área reservada no início do disco chamada
"defect map" (mapa de defeitos) com alguns milhares de
setores que ficam reservados para alocação posterior.
• Sempre que a controladora do HD encontra um erro ao ler
ou gravar num determinado setor, ela remapeia o setor
defeituoso, substituindo-o pelo endereço de um setor
"bom", dentro do defect map.
• Como a alocação é feita pela própria controladora, o HD
continua parecendo intacto para o sistema operacional.

Parâmetros de desempenho
• Tempo de Busca (Seek Time)
O tempo de busca indica o tempo que a cabeça de
leitura demora para ir de uma trilha à outra do disco,
ou seja, indica a performance do actuator usado no
HD.
O tempo de busca é importante, pois ele é o fator que
mais influencia no tempo de acesso e
consequentemente na performance geral do HD.

• Tempo de Latência (Latency Time)
Dentro do disco rígido, os discos magnéticos giram
continuamente. Por isso, dificilmente os setores a
serem lidos estarão sob a cabeça de leitura/gravação
no exato momento de executar a operação.
No pior dos casos, pode ser necessária uma volta
completa do disco até o setor desejado passar
novamente sob a cabeça de leitura.

• Tempo de Acesso (Access Time)
O tempo de acesso é a combinação do tempo de busca
e do tempo de latência, o tempo médio necessário para
realizar um acesso a um setor aleatório do HD.
Assim que o comando é processado, a cabeça de
leitura é movida para a trilha especificada (tempo de
busca) e aguarda até que a rotação dos discos a faça
passar pelo setor especificado (tempo de latência).

• NCQ
• A grande maioria dos HDs SATA atuais suporta
o NCQ, onde a controladora utiliza o tempo
ocioso, entre uma leitura e outra, para estudar e
reorganizar a ordem das leituras seguintes, de
forma que elas possam ser executadas na ordem
em que seja necessário o menor movimento
possível dos discos.

NCQ - Native Command Queuing (Comando Nativo de
Enfileiramento)

• CACHE DE DISCO
Permite à controladora executar um conjunto de operações
úteis para melhorar o desempenho.
Geralmente ao ler um arquivo, serão lidos vários setores
seqüenciais.
A forma mais rápida de fazer isso é, fazer com que a cabeça
de leitura leia de uma vez todos os setores da trilha, passe
para a trilha seguinte, passe para a terceira e assim por
diante.

• MTBF e service life
• MTBF significa "Medium Time Between Failures" ou "tempo
médio entre falhas".
• A maioria dos HDs de baixo custo, destinados ao mercado
doméstico, possuem MTBF de 300.000 ou 600.000 horas,
enquanto os modelos high-end, ou destinados a servidores,
normalmente ostentam um MTBF de 1.200.000 horas.

• O service life indica o tempo de vida "recomendado"
pelo fabricante, que normalmente é de 5 anos.
• Como o HD é composto por componentes mecânicos, um
certo desgaste é acumulado durante o uso, culminando
na falha do HD.
• Um service life de 5 anos indica que o HD é projetado
para durar 5 anos e que a grande maioria das unidades
deve realmente resistir ao tempo especificado.

Interfaces/IDE
As interfaces usadas como meio de conexão para os
HDs passaram por um longo caminho evolutivo.
As placas-mãe usadas nos primeiros PCs sequer
possuíam interfaces de disco embutidas.
Naquela época, as interfaces IDE ainda não existiam,
de forma que novas interfaces eram vendidas junto com
os HDs e instaladas em slots ISA disponíveis.

Interfaces/IDE
• Desenvolvido pela Quantum e a Western Digital, os
primeiros HDs e interfaces IDE chegaram ao mercado
em 1986. Em 1990 o padrão foi ratificado pelo
ANSI(American National Standards Institute - "Instituto
Nacional Americano de Padrões") dando origem ao padrão
ATA(Advanced Technology Attachment). Como o nome
"IDE" já estava mais difundido, muita gente continuou
usando o termo "IDE", e outros passaram a usar
"IDE/ATA" ou simplesmente “PATA".

Interfaces/IDE
• Na placa-mãe encontravamos duas portas IDE. Após
a popularização das interfaces SATA, as portas IDE
ainda continuaram sendo incluídas nas placas
recentes (muitas placas passaram a trazer apenas
uma porta IDE) mas estima-se que não demore a
desaparecer completamente.

Interfaces/SATA
• A partir de um certo ponto, ficou claro que o padrão
IDE/ATA estava chegando ao seu limite e que mudanças
mais profundas só poderiam ser feitas com a introdução
de um novo padrão. Surgiu então o SATA (Serial ATA).
• O SATA é um barramento serial, onde é transmitido um
único bit por vez em cada sentido (Full-duplex). Isso
elimina os problemas de sincronização e interferência
encontrados nas interfaces paralelas, permitindo que
sejam usadas freqüências mais altas.

Interfaces/SATA
• Existem três padrões de controladoras SATA, o
• SATA 150 (também chamado de SATA 1.5 Gbit/s ou SATA
1500);
• SATA 300 (SATA 3.0 Gbit/s ou SATA 3000);
• SATA 600 (ou SATA 6.0 Gbit/s);
• Como o SATA utiliza dois canais separados, um para
enviar e outro para receber dados, temos 150 ou 300
MB/s em cada sentido, e não 133 MB/s compartilhados,
como no caso das interfaces ATA/133.

• Os cabos SATA são bem mais práticos que os cabos IDE e não
prejudicam o fluxo de ar dentro do gabinete.
• Os cabos podem ter até um metro de comprimento e cada
porta SATA suporta um único dispositivo, ao contrário do
padrão master/slave do IDE/ATA.
• Por isso, é comum que as placas-mãe ofereçam 4 portas SATA
(ou mais), com apenas as placas de mais baixo custo incluindo
apenas duas.

Interfaces/SCSI (Small Computer Systems Interface)
• Foi originalmente definido como uma interface
paralela universal a nível de sistema para conectar
vários dispositivos através de um único cabo, chamado
barramento SCSI.
• Os dispositivos recebem números de identificação
(IDs) que são números de 0 a 7 (nas controladoras de
8 bits) ou de 0 a 15 nas de 16 bits. Um dos IDs
disponíveis é destinado à própria controladora,
deixando 7 ou 15 endereços disponíveis para os
dispositivos.

Interfaces/SCSI
• O ID de cada dispositivo é configurado através de uma
chave ou jumper, ou (nos mais atuais), via software. A
regra básica é que dois dispositivos não podem utilizar o
mesmo endereço, caso contrário você tem um conflito
similar ao que acontece ao tentar instalar dois HDs
jumpeados como master na mesma porta IDE.

Interfaces/SAS
• Com a introdução do Serial ATA, o barramento SCSI
perdeu grande parte de seus atrativos, já que o SATA
oferece uma grande parte das vantagens que antes eram
atribuídas ao SCSI e, ao mesmo tempo, oferece um
sistema de cabeamento mais simples.
• Para preencher a lacuna, surgiu o SAS (Serial Attached
SCSI), um barramento serial, muito similar ao SATA em
diversos aspectos, que adiciona várias possibilidades
interessantes voltadas para o uso em servidores.

Interfaces/SAS
• Assim como o SCSI conviveu com o padrão IDE por mais de
duas décadas, o SAS está destinado a concorrer com o
SATA, com cada um em seu respectivo nicho:
• O SATA nos micros domésticos e servidores de baixo custo.
• O SAS em servidores maiores e estações de trabalho.
• As versões iniciais do SAS suportavam taxas de
transferência de 150 e 300 MB/s, posteriormente foi
introduzido o padrão de 600 MB/s e passou a ser
desenvolvido o padrão seguinte, de 1.2 GB/s.

Interfaces/SAS
• A maior velocidade é necessária, pois o SAS permite
o uso de extensores (expanders), dispositivos que
permitem ligar diversos discos SAS a uma única
porta. Existem dois tipos de extensores SAS.
• “Edge Expanders” que permitem ligar até 128 discos
na mesma porta, e
• “Fanout Expanders” que permitem conectar até 128
Edge Expanders (cada um com seus 128 discos!),
chegando a um limite teórico de até 16.384 discos
por porta SAS.

Maior Velocidade
Fácil Expansão
Hot swap

RAID
• Devido à sua natureza mecânica, o HD é um dos
componentes mais lentos de qualquer PC. Embora o
desempenho venha crescendo a cada nova geração, os
ganhos não têm acompanhado o aumento na capacidade de
armazenamento;
• Ex; HD de 1 TB X HD de 40 GB;
• Ao invés de criar HDs muito rápidos, ou com um número
muito grande de discos, os fabricantes de HDs se
especializaram em fabricar modelos padronizados,
utilizando um único braço de leitura e de 1 a 4 platters,
fabricados em grande quantidade e a um custo
relativamente baixo.

RAID
• Para quem precisa de HDs mais rápidos, ou com uma
capacidade muito maior, a melhor opção é montar um
sistema RAID, onde é possível somar a capacidade e
o desempenho de vários HDs, ou então sacrificar
parte do espaço de armazenamento em troca de mais
confiabilidade.
• O termo RAID significa "Redundant Array of Inexpensive
Disks", indicando justamente o uso de HDs padronizados e
baratos como "blocos de montagem" para a criação de
sistemas que se comportam como um único disco, maior,
mais rápido e/ou mais confiável do que suas peças
individuais.

RAID 0 (Striping) – Técnica de divisão de dados
• O RAID 0 é um "RAID pra inglês ver", onde o objetivo é unicamente
melhorar o desempenho, sacrificando a confiabilidade.
• Ao usar o RAID 0, todos os HDs passam a ser acessados como se
fossem um único drive.
• Ao serem gravados, os arquivos são fragmentados nos vários discos,
permitindo que os fragmentos possam ser lidos e gravados
simultaneamente, com cada HD realizando parte do trabalho.
• Usando RAID 0 a performance fica em um patamar próximo da
velocidade de todos os HDs somada.

• O RAID 0 é possivelmente o mais usado em desktops e também
em alguns servidores de alto desempenho;
• Utilização de HDs idênticos não obrigatória, mas aconselhável;
• Ao utilizar um HD de 500 GB e outro de 300 GB em RAID 0, o
sistema ignora os últimos 200 GB do HD maior;
• Vantagem
• Acesso rápido as informações (até 50% mais rápido).
• Custo baixo para expansão.
• Desvantagens;
• Se um HD pifar, as informações são perdidas;
• Não há paridade.

- Os arquivos são divididos entre os discos;
- Melhor desempenho;
- Não é a melhor maneira de se fazer
redundância

RAID 1 (Mirroring) – Técnica de espelhamento de dados
• Permite usar dois HDs, sendo que o segundo armazenará uma imagem
idêntica do primeiro.
• Na prática, será como se você tivesse apenas um disco rígido
instalado, mas caso o disco titular falhe por qualquer motivo, você
terá uma cópia de segurança armazenada no segundo disco. O
objetivo é aumentar a confiabilidade do sistema.
• Também é possível utilizar RAID 1 com quatro ou mais discos (desde
que seja utilizado sempre um número par). Nesse caso, um dos discos
de cada par é visto pelo sistema como um HD separado e o outro fica
oculto, guardando a cópia atualizada do primeiro. Ao utilizar 4 HDs
de 500 GB em RAID 1, por exemplo, o sistema enxergaria 2 HDs, de
500 GB cada um.

• Usar RAID 1 não proporciona qualquer ganho de desempenho. Pelo
contrário, ele acaba causando uma pequena perda em comparação
com usar um único drive, já que todas as alterações precisam ser
duplicadas e realizadas em ambos os drives.
• Caso um dos HDs titulares falhe, o segundo entra em ação
automaticamente, substituindo-o até que você possa substituir o
drive;
• É um sistema dedicado a aumentar a disponibilidade;
• Segurança nos dados (com relação a possíveis falhas que possam
ocorrer no HD).

- Os arquivos são duplicados entre os discos;
- Consome o dobro de espaço;
- Alta redundância;

RAID 1+0 (Mirroring/striping) – Técnica de espelhamento
e divisão de dados
• Este modo pode ser usado apenas caso você tenha a partir de 4
discos rígidos e o módulo total seja um número par (6, 8, etc.);
• Neste modo, metade dos HDs serão usados em modo striping (RAID
0), enquanto a segunda metade armazena uma cópia dos dados dos
primeiros, assegurando a segurança;
• Este modo é na verdade uma combinação do RAID 0 e RAID 1, daí o
nome;
• O ponto fraco é que você sacrifica metade da capacidade total.
Usando 4 HDs de 500 GB, por exemplo, você fica com apenas 1 TB de
espaço disponível.

RAID 1+0 (Mirroring/striping) – Técnica de espelhamento e
divisão de dados.

RAID 5 (distribuição com paridade)
• Este modo é muito utilizado em servidores com um grande
número de HDs. Ele utiliza um método bastante engenhoso
para criar uma camada de redundância, sacrificando apenas
uma fração do espaço total, ao invés de simplesmente usar
metade dos HDs para armazenar cópias completas, como no
caso do RAID 1.
• O RAID 5 usa um sistema de paridade para manter a
integridade dos dados. Os arquivos são divididos em
fragmentos de tamanho configurável e, para cada grupo de
fragmentos, é gerado um fragmento adicional, contendo
códigos de paridade.

RAID 5 (distribuição com paridade)

RAID 6
• O ponto fraco do RAID 5 é que ele suporta a falha de
um único HD.
• Se por ventura um segundo HD falhar antes que o
primeiro seja substituído, ou antes que a controladora
tenha tempo de regravar os dados, você perde tudo,
assim como acontece ao perder um dos HDs num array
RAID 0.

RAID 6
• O RAID 6 é semelhante ao RAID 5, porém usa o
dobro de bits de paridade, garantindo a integridade
dos dados caso até 2 dos HDs falhem ao mesmo
tempo.
• Ao usar 7 HDs de 500 GB em RAID 6, por exemplo,
teríamos 2.5 TB para dados mais 1 TB de códigos de
paridade.

Categorias de RAID.
No RAID via hardware uma controladora realiza todas as
operações, o que inclui a maior parte das controladoras SCSI
e SAS. Esse modo é o ideal tanto do ponto de vista do
desempenho quanto do ponto de vista da compatibilidade e
confiabilidade, já que a própria controladora executa todas as
funções necessárias, de forma independente. O sistema
operacional apenas acessa os dados, como se houvesse um
único HD instalado.

Categorias de RAID.
• No RAID via software, todas as funções são
executadas diretamente pelo sistema operacional e os
HDs são ligados diretamente às interfaces da placa-
mãe. Neste caso, temos um trabalho adicional de
configuração, mas em compensação não é preciso
gastar com uma controladora dedicada. É possível
criar arrays RAID via software tanto no Linux quanto
no Windows.

SSDs e HHDs
• Além da popularização dos pendrives e cartões, a queda no preço
da memória Flash possibilitou o surgimento dos primeiros SSDs
ou "Solid State Disks" de grande capacidade.
• Um SSD é um "HD" que utiliza chips de memória Flash no lugar
de discos magnéticos, é projetado para substituir o HD, sendo
conectados a uma porta SATA ou IDE.

Hybrid Hard Drives
• Todos os HDs atuais incluem uma pequena quantidade de
memória SDRAM, usada como cache de disco. O cache é
bastante rápido, mas é limitado por dois fatores: é muito
pequeno (16 MB na maioria dos HDs atuais) e perde os
dados armazenados quando o micro é desligado.
• Um meio termo entre os SSDs e
os HDs tradicionais são os HHDs
(Hybrid Hard Drives), que são
HDs tradicionais, que incorporam
chips de memória Flash, usados
como um buffer de dados.

O gigabyte de 1 bilhão de bytes
• Nós, como seres humanos, estamos acostumados a
pensar em valores segundo o padrão decimal, por isso
temos muito mais facilidade em lidar com números
múltiplos de 10.
• Os computadores, por outro lado, trabalham
utilizando o sistema binário, ou seja, com potências
do número 2. Um único bit permite duas combinações
possíveis, dois bits permitem 4, oito bits permitem
256, 16 bits permitem 65.536 e assim por diante.

• Diversos dispositivos seguem essa notação binária,
incluindo módulos de memória e CD-ROMs.
• Um módulo de memória de 1 GB possui exatamente
1.073.741.824 bytes, enquanto um CD-ROM de 650 MB
é dividido em 333.000 setores de 2048 bytes cada um,
totalizando 681.984.000 bytes, ou 650.39 MB.

• O ponto de discórdia são os fabricantes de HDs, que
comodamente adotaram o padrão decimal para medir a
capacidade dos seus produtos.
• A discordância começou muito antes do que se imagina, datando
dos primeiros discos fabricados pela IBM. O IBM 350 não
armazenava 5 megabytes, mas sim 5 milhões de caracteres, com
7 bits cada um.
• Concordando ou não, todos os fabricantes acabaram sendo
obrigados a aderir à idéia, já que qualquer fabricante que
preferisse seguir o padrão binário teria a capacidade de seus
produtos "encolhida" em relação à concorrência.
• Querendo ou não, o anúncio de um HD de "1 terabyte" soa
melhor do que o anúncio de um HD de "931 gigabytes binários".

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