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Discos magnéticos / ópticos

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Apresentação em tema: "Discos magnéticos / ópticos"— Transcrição da apresentação:

1 Discos magnéticos / ópticos
Armazenamento Secundário Modelo de Von Neumann Periféricos de Entrada/Saída UC UAL Registradores Memória UCP Memória Principal/Primária RAM/DRAM/SDRAM não voláteis normalmente magnéticas muito lentas (em relação à mem. principal – solução: caché) Abordagem nessa aula: Discos Magnéticos Interfaces R.A.I.D. caché Hierarquia de memória Memória Secundária Discos magnéticos / ópticos Memória Terciária Fitas/cartuchos magnéticos

2 memory bus (barramento de memória)
cache L1 cache L2 UCP Memória Adaptador de barramento I/O bus (barramento de E/S) Controlador de barramento universal Controlador de disco Controlador de vídeo Controlador de teclado Interface Paralela Interface Serial

3 Discos Magnéticos e Interfaces

4 Discos Magnéticos e Interfaces
Pratos Trilhas Setores Prato Trilha

5 Discos Magnéticos e Interfaces
Parâmetros de desempenho: - tempo médio de busca - atraso rotacional ou latência de rotação - tempo de transferência - sobretaxa de transferência - atraso em fila Parâmetros de confiabilidade: - MTBF = MTTF - taxa de erros de leitura de bit recuperáveis - taxa de erros de leitura de bit irrecuperáveis

6 Discos Magnéticos e Interfaces
Especificações técnicas de confiabilidade de discos magnéticos. (Seagate, 2002)

7 Discos Magnéticos e Interfaces
Mecanismos de Detecção e Predicção de Erros: - CRC (Cyclic Redundancy Check) - S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technologies) Interfaces: - IDE/ATA vs SCSI - Alternativas: - USB - Firewire IEEE-1394 - Canais de fibra (fiber channel) - Serial ATA

8 Topologia das Interfaces (SCSI)
Controladora de E/S barramento PCI canal 0 Controladora SCSI ID0 ID1 ID2 ID16 canal 1 ID0 ID1 ID2 ID16

9 Tabela de versões da interface SCSI (DOMINGUEZ; COLLIGAN, 1999)
Padrão SCSI Qtde de discos suportados Tamanho máximo de cabo Velocidade do barramento Largura de barramento Taxa de transf. SCSI-1 8 6 m 5 MHz 5MB/s Fast SCSI 3 m 10 MHz 10 MB/s SCSI-2 5 MB/s Fast/Wide Scsi-2 16 20 MB/s Ultra SCSI 1,5 m 20 MHz Ultra/Wide SCSI 40 MB/s Ultra2 SCSI (LVD) 12 m 40 MHz 80 MB/s Ultra3/160 SCSI 160 MB/s

10 Controlador Serial ATA
Topologia das Interfaces (ATA / SATA) Controlador ATA Canal ATA Secundário Mestre Escravo Canal ATA Primário 16 linhas de dados (paralela) até 133MB/s (DMA modo 6) 2 devices por canal/cabo 40 pinos cabo de dados 4 pinos cabo de alimentação SATA Port 4 linhas de dados (serial Tx e Rx) 1,5Gb/s diferential NRZ serial stream 1 device por SATA port 7 pinos conector de dados 15 pinos conector de alimentação Especificação em : Controlador Serial ATA SATA Drive SATA Port SATA Drive

11 Tabela de versões da interface ATA (DOMINGUEZ; COLLIGAN, 1999)
Modo de Transferência de Dados Taxa máxima de Transferência de Dados Pinos por Conector Quantidade de Condutores Versão ATA PIO Modo 0 3,33 MB/s 40 ATA-1 PIO Modo 1 5,22 MB/s PIO Modo 2 8,33 MB/s PIO Modo 3 11,1 MB/s Fast ATA PIO Modo 4 16,7 MB/s ATA-3 DMA Modo 1 DMA Modo 1 (Multiword) 13,3 MB/s ATA-2 DMA Modo 2 (Multiword) 16,6MB/s Ultra ATA DMA Modo 2 33,3 MB/s ATA-4 Ultra ATA DMA Modo 3 44,4 MB/s 80 ATA-5 Ultra ATA DMA Modo 4 66,6 MB/s Ultra ATA 100 DMA Modo 5 99,9 MB/s Ultra ATA 133 DMA Modo 6 133 MB/s 40 80 ATA-5

12 Topologia das Interfaces (Fiber Channel)
Ponto a Ponto Servidor Discos Rx Tx Loop Arbitrário Servidor Comutador Servidores Matrizes de Disco Comutação de Malha

13 A Importância do Armazenamento
Secundário (COURTRIGHT, 1997) processor-centric data-centric

14 Fragmentação de Dados 64KBytes 16KBytes

15 Fragmentação de Dados 1 Disco lógico de 63 GB
Matriz de 7x9GB de discos físicos 1 Disco lógico de 63 GB

16 Fragmentação de Dados - Kim e Salem, 1984 - alto desempenho
- paralelismo de instruções de E/S independentes - instruções de E/S abrangendo dados fragmentados em múltiplos discos - baixa confiabilidade

17 R. A. I. D. - David Patterson, Universidade Berkeley - Califórnia - acrônimo de “Redundant Array of Inexpensive Disks” Matrizes Redundantes de Discos de Baixo Custo

18 RAIDs Originais - RAID nível 1 - Espelhamento
- RAID nível 2 - Código de Hamming - RAID nível 3 - Paridade N+1 - Entrelaçamento nível de byte - RAID nível 4 - Paridade N+1 - Entrelaçamento nível de bloco - RAID nível 5 - Paridade N+1 Distribuída - Entrelaçamento nível de bloco

19 RAID nível 1 - Espelhamento
Bit Dados 1 Bit Dados 2 Bit Dados 3 Bit Dados 4 DISCO 0 Bit Verificação 1 Bit Verificação 2 Bit Verificação 3 Bit Verificação 4 DISCO 1 DADOS ESPELHADOS

20 RAID nível 1 - Espelhamento
- Palavra código: 2 bits – 1 dado e 1 verificação - alto custo - Sobretaxa = 100% - alto desempenho leitura - acesso simultâneo em ambos discos política de escolha do disco a ser acessado pela estimativa do tempo de busca para cada instrução de leitura - alta confiabilidade – simplicidade na implementação

21 RAID nível 2 – Código de Hamming
A-D0-3 = Bits de dados ECC A-Dx, ECC A-Dy, ECC A-Dz = paridades dos subconjuntos de A-D0-3 A0 A1 A2 A3 ECC Ax ECC Ay ECC Az B0 B1 B2 B3 ECC Bx ECC By ECC Bz C0 C1 C2 C3 ECC Cx ECC Cy ECC Cz D0 D1 D2 D3 ECC Dx ECC Dy ECC Dz

22 Código de Hamming b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b1, b2 e b4 = verificação
b3, b5, b6 e b7 = dados (1011) Palavra Código b1 b2 b4 b5 b6 b3 b7 b1 b2 b4 1 1

23 Soma-se os índices para
Código de Hamming Detecção e Correção de Erro Leitura errada do bit 5 b1 e b4 não conferem. Soma-se os índices para detectar o bit errado b5 1

24 RAID nível 2 – Código de Hamming
Tamanho msg em bits (m) Núm. de bits de redundância (r) Tam. da palavra código em bits (n) Percentual de sobretaxa 4 3 7 75 8 12 50 16 5 21 31 32 6 38 19 64 71 11 128 136 256 9 265 512 10 522 2 1024 1035 1

25 RAID nível 3 - Paridade N+1 Entrelaçamento nível de byte
... DISCO 0 B2 B5 B8 B11 DISCO 1 B3 B6 B9 B12 DISCO 2 P(B1,B2,B3) P(B4,B5,B6) P(B7,B8,B9) P(B10,B11,B12) DISCO 3 bn = bits de dados P(bx,by,bz) = paridade de bx, by e bz

26 RAID nível 3 - Paridade N+1 Entrelaçamento nível de byte
- Palavra Código: N+1 bits – paridade par ou XOR dos N bits - mínimo de 3 discos - Confiabilidade: detecção simples de erro por paridade - baixo custo – Sobretaxa = 1/N-1 - Stripe = 1 byte - alto desempenho em pequenas leituras - baixo desempenho em grandes leituras/escritas

27 RAID nível 4 - Paridade N+1 Entrelaçamento nível de bloco
... B511 B512 B513 B514 B1023 B1024 B1025 B1026 B1535 P(B0,B512,B1024) P(B1,B513,B1025) P(B2,B514,B1026) P(B511,B1023,B1535 K K K P(K0,K1,K2) K3 K4 K5 P(K3,K4,K5) K6 K7 K8 P(K6,K7,K8) DISCO DISCO DISCO DISCO 3 Bn = byte de dados P(Bx,By,Bz) = paridade de Bx, By e Bz Kn = Blocos de dados de 512 Bytes P(Kx,Ky,Kz) = bloco de paridade de Kx, Ky e Kz

28 RAID nível 4 - Paridade N+1 Entrelaçamento nível de bloco
- custo e confiabilidade idem RAID 3 - bom desempenho em grandes leituras - baixo desempenho em escrita - gargalo: disco de paridade - operações RMW

29 RAID nível 5 - Paridade N+1 distribuída Entrelaçamento nível de bloco
K6 K7 K8 P(K6,K7,K8) K9 K10 K11 P(K9,K10,K11) DISCO DISCO DISCO DISCO 3 K0 K1 K2 P(K0,K1,K2) K3 K4 K5 P(K3,K4,K5) Bn = byte de dados P(Bx,By,Bz) = paridade de Bx, By e Bz Kn = Blocos de dados de 512 Bytes P(Kx,Ky,Kz) = bloco de paridade de Kx, Ky e Kz

30 RAID nível 5 - Paridade N+1 distribuída Entrelaçamento nível de bloco
- custo e confiabilidade idem RAIDs 3 e 4 - baixo desempenho em pequenas escritas - desempenho aceitável para grandes escritas - paridade distribuída

31 RAIDs Derivados - RAID 0 (Sem Redundância)
K8 K10 K11 K12 K13 K15 DISCO DISCO DISCO DISCO 3 K0 K1 K2 K5 K6 K7 K4 K9 K14 K3

32 RAIDs Derivados - Matriz Bi-dimensional de Disco
3 6 D 1 4 7 E 2 5 8 F A B C INFORMAÇÃO VERIFICAÇÃO

33 RAIDs Derivados - Matriz Bi-dimensional de Disco
Discos de Dados (D) Discos de Paridade (P) Total de discos (N) Sobretaxa Sobretaxa Hamming / N 4 8 50% 75% / 7 6 5 11 45% 50% / 12 14 43% 9 15 40% 10 7 17 41% 12 19 37% 31% / 21 25 35 29% 19% / 32 100 20 120 17% 6% / 128 1000 110 1110 10% 1% / 1024

34 ~ Falhas de Sistemas Controladora SCSI MTTF=120.000 horas Alimentação
MTTFs CARACTERÍSTICOS DE ALGUNS COMPONENTES DE SISTEMA ~ Fonte Alimentação AC - MTTF=4.900 horas MTTF= horas Cabo alimentação MTTF= horas Discos Ventilação horas Cabo Scsi MTTF= horas Controladora SCSI MTTF= horas

35 Solução para Tolerância a Falhas de Sistema
Solução: Redundância nos Pontos Críticos de Falha

36 RAIDs Derivados - Ortogonal
Controladores de Barramento ou Cadeia Opção 1 Opção 2

37 RAIDs Derivados - RM-2 (Redundant Matrix)
- possibilita dupla falha simultânea de disco sem perda de dados - utiliza dupla paridade - sobretaxa com redundância = 1/M e N = 2M+1 D0 D1 D2 P12 P23 P30 D3 P01

38 RAIDs Derivados - Dados e Paridade não entrelaçados
C0 C1 C2 C512 C513 C514 P(A512,B512) P(A513,B513) P(A514,B514) B0 B1 B2 B512 B513 B514 P(A0,C512) P(A1,C513) P(A2,C514) A0 A1 A2 A512 A513 A514 P(B0,C0) P(B1,C1) P(B2,C2) DISCO DISCO DISCO 2 idealizado para sistemas de Banco de Dados (Gray et al. apud Gibson, 1991) melhor desempenho em pequenas leituras mesmo custo de N+1, alternativa para mirror não fragmenta os dados: cada disco corresponde a 1 sistema de arquivos

39 RAIDs Derivados - Código Não-Binário
*1 + Modulo 2 *2 Modulo 4 Binário Não-Binário

40 RAIDs Derivados - RAID em Camadas

41 RAIDs Derivados - RAID em Camadas

42 Referências ASHAR, Kanu G. Magnetic Disk Drive Technology: Heads, Media, Channel, Interfaces and Integration. New York, USA: IEEE Press, 1996. CARDENAS, D. Glen; CATENA, Jose-Maria. SCSI vs. IDE. A Complete Assessment. Site ProRec.com, Disponível em <http://www.prorec.com/prorec/articles.nsf/articles/1A37C1C69674D6D D2C39>. Acesso em 13 dez COURTRIGHT, William V. A Transactional Approach to Redundant Disk Array Implementation. A Dissertation submitted to the Department of Electrical and Computer Engineering in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy. Pittsburgh: Carnegie Mellon University, 1997. DOMINGUEZ, Ricardo; COLLIGAN, Tom. SCSI vs. ATA: Interface Comparison. Site da Dell Computer Corporation: Vectors Technology Information Center, Disponível em <http://www.dell.com/us/en/gen/topics/vectors_1999-atascsi.htm>. Acesso em 8 ago FERREIRA, Enderson; ALMEIDA JR, Jorge Rady de. Análise de Confiabilidade de Sistemas Redundantes de Armazenamento em Discos Magnéticos. São Paulo, p. (Mestrado) – EPUSP / PCS GIBSON, Garth A. Redundant Disk Arrays - Reliable, Parallel Secondary Storage. The MIT Press, 1991. GILBERT, H. IDE and SCSI Disks. Das Boot, PC Lube and Tune, Disponível em <http://www.yale.edu/pclt/BOOT/DISKDEV.HTM>. Acesso em 16 jan HWANG, Kai; JIN, Hai; HO, Roy S. C. Orthogonal Striping and Mirroring in Distributed RAID for I/O-Centric Cluster Computing. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 2002. IBM. Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology. How S.M.A.R.T are your hard disk drives? Site da IBM: IBM Personal Systems Group, Disponível em <http://www.pc.ibm.com/us/infobrf/ibsmart.html>. Acesso em 12 dez PATTERSON, David A., CHEN, Peter, GIBSON, Garth, KATZ, Randy H. Introduction to Redundant Arrays of Inexpensive Disks. Berkeley: University of California, 1989. SEAGATE. Especificações Técnicas HDs. Site da Seagate Technology LLC, Disponível em <http://www.seagate.com/cda/products/discsales/index>. Acesso em 18 nov


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