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SISTEMAS OPERACIONAIS Ramiro Córdova Júnior Memória de massa em sistemas operacionais Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: „„ Definir o funcionamento das interfaces de discos. „„ Identificar...

SISTEMAS OPERACIONAIS Ramiro Córdova Júnior Memória de massa em sistemas operacionais Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: „„ Definir o funcionamento das interfaces de discos. „„ Identificar os diversos tipos de RAID. „„ Descrever o funcionamento da paridade em sistemas RAID. Introdução Os dispositivos de armazenamento em massa são essenciais ao funciona- mento de um sistema operacional. Esses dispositivos são responsáveis por armazenar os dados permanentes, ou seja, os que devem estar sempre disponíveis no computador. Existem diversas tecnologias que permitem realizar a comunicação entre os discos e a placa-mãe e também o ge- renciamento dessas comunicações. Neste capítulo você vai conhecer as tecnologias mais comuns rela- cionadas a discos, bem como entender os tipos de arranjos RAID e seus níveis. O esquema de paridade que garante a integridade dos dados nos arranjos RAID também será abordado durante a descrição dos níveis. Funcionamento das interfaces de discos O armazenamento de dados em discos conhecidos como Disco Rígido ou Hard Disk (HD) é bastante utilizado em computadores para guardar desde arquivos pessoais até arquivos com informações de mais baixo nível, utilizados para o funcionamento do sistema operacional. A gravação dos dados no disco se dá por um campo magnético que se cria entre os pratos (discos). Um HD é um tipo de memória "não volátil". Isso significa, que mesmo se a energia do computador for desligada, os dados permanecerão no disco. 2 Memória de massa em sistemas operacionais Os HDs têm grande variedade em sua capacidade de armazenamento, medida em gigabytes e terabytes. Discos rígidos de 500 GB, por exemplo, são comuns em muitos computadores atuais. A média da música de quatro minutos no iTunes é de aproximadamente 4 MB. Como existem 1.000 megabytes em 1 gigabyte, isso significa que um computador com um disco rígido de 500 GB pode armazenar cerca de 250.000 músicas. Internamente um HD é constituído de pratos circulares chamados de discos, onde os dados são armazenados. Com a utilização de um braço atuador, que fica entre os pratos que compõem o disco, os dados são escritos e lidos. Os discos ficam em rotação constante enquanto estiverem energizados. A Figura 1 apresenta a estrutura interna de um HD. Figura 1. Estrutura interna de um HD. Fonte: Microcamp Tecnologia (2013, documento on-line). Outra tecnologia utilizada para armazenamento de dados em massa, que vem se consolidando no mercado, é a dos discos SSD (Solid State Drive). Diferentemente de um HD, os discos SSDs não possuem nada mecânico, pois os dados são armazenados em chips de memória flash. Esta tecnologia proporciona mais rapidez no acesso aos dados e é menos propensa a falhas  Memória de massa em sistemas operacionais 3 pelo fato de não possuir peças que se movimentam. Como os discos SSDs são uma tecnologia recente, o valor dos discos é mais elevado em comparação com os HDs. A Figura 2 apresenta uma comparação entre a estrutura de um HD e um disco SSD. Figura 2. Comparação de um HD e um disco SSD. Fonte: Recomendações de notebooks (2015, documento on-line). Os HDs necessitam de uma interface que controle a comunicação entre o disco e a placa-mãe. As interfaces mais conhecidas são: „„ IDE (Integrated Drive Electronics); „„ SCSI (Small Computer System Interface); „„ SATA (Serial Attachment). A IDE é uma interface utilizada em discos rígidos e unidades de CD ou DVD. Seu funcionamento é baseado no padrão de barramento de 16 bits IBM PC Industry Architecture (ISA), mas é usada também em computadores que usam outros padrões de barramento. O IDE foi adotado como padrão pelo American National Standards Institute (ANSI) em novembro de 1990. Nos computadores atuais, o controlador IDE é geralmente embutido na placa-mãe. No passado, os controladores eram dispositivos externos e separados, o que reduzia os problemas relacionados aos controladores integrados. 4 Memória de massa em sistemas operacionais As placas-mãe mais antigas possuíam apenas uma interface IDE mas, ao longo do tempo, tornou-se padrão o uso de duas interfaces IDE, chama- das de IDE0 e IDE1. Cada interface IDE pode gerenciar dois dispositivos e para diferenciar aqueles conectados à mesma interface, um dos dispositivos era configurado como “master” e o outro como “slave”. Essa configuração geralmente era realizada por meio de jumpers. A Figura 3 apresenta como pode ser realizada a conexão através de um cabo chamado flat cable e ajuda a compreender como essas interfaces se organizam. Figura 3. Conexão de dispositivos IDE. Fonte: Pctechguide.com (2011, documento on-line). A interface de comunicação SCSI foi criada nos anos 1980 e era bastante utilizada em computadores de grande porte, os chamados mainframes. Ao  Memória de massa em sistemas operacionais 5 longo do tempo, a taxa de transferência das interfaces SCSI foi aumentando, permitindo modelos de discos mais velozes que os IDE. As placas de interfaces SCSI possuem um conector externo e dois conectores internos. A Figura 4 apresenta uma placa de interface SCSI. Figura 4. Placa de interface SCSI. Fonte: Tyson e Wilson (2006, documento on-line). As interfaces SATA vem ao longo do tempo substituindo as interfaces IDE, tanto em computadores pessoais quanto nos portáteis. A primeira grande vantagem da SATA em relação ao IDE é referente ao tamanho dos cabos, que eram enormes nos dispositivos IDEs, por apresentarem transferência de dados de forma paralela. Como no SATA tudo é feito em série, um pequeno cabo é capaz de realizar a tarefa. A transferência de dados em um dispositivo SATA também supera os antigos padrões IDE. No novo formato, temos dois tipos de velocidade, que são 150MB/s, no padrão SATA normal, e chegam a 300MB/s nos novos discos denominados SATA II. A Figura 5 apresenta a conexão SATA em um disco. 6 Memória de massa em sistemas operacionais Figura 5. Conexões SATA. Fonte: Koch (2019). Arranjos RAID RAID é uma tecnologia usada para aumentar o desempenho e/ou a confiabi- lidade do armazenamento de dados. A abreviatura significa Redundant Array of Inexpensive Disks. Um sistema RAID consiste em dois ou mais drives trabalhando em paralelo. Esses discos podem ser discos rígidos, mas há uma tendência de também usar a tecnologia para SSDs. Existem diferentes níveis de RAID, cada um otimizado para uma situação específica. No RAID nível 0 (striping) os dados são divididos em blocos que são gravados em todas as unidades da matriz. Usando múltiplos discos (pelo menos dois) ao mesmo tempo, isso oferece um desempenho elevado nas operações de entrada e saída. Esse desempenho pode ser aprimorado ainda mais usando vários controladores RAID. O RAID 0 é ideal para arma- zenamento não crítico de dados que precisam ser lidos/gravados em alta velocidade, como em uma estação de edição de vídeo. A Figura 6 apresenta a organização do RAID 0.  Memória de massa em sistemas operacionais 7 Figura 6. RAID 0. Fonte: Prepressure (2017, documento on-line). Nos arranjos de RAID nível 1, os dados são armazenados duas vezes, sendo gravados na unidade de dados (ou conjunto de unidades de dados) e em uma unidade espelhada (ou conjunto de unidades). Se uma unidade falhar, o controlador usará a unidade de dados ou a unidade espelhada para recuperação de dados e continuará a operação. Para a implementação desse nível, são necessárias duas unidades para uma matriz RAID 1. Esse é ideal para armazenamento de missão crítica, por exemplo, para sistemas contábeis. Também é adequado para pequenos servidores nos quais apenas duas unidades de dados serão usadas. A Figura 7 apresenta o arranjo de discos de RAID 1. 8 Memória de massa em sistemas operacionais Figura 7. Arranjo de discos RAID 1. Fonte: Prepressure (2017, documento on-line). O arranjo de RAID 2 é similar ao RAID 0 e atualmente esta tecnologia é obsoleta. O RAID 3 divide os dados, a nível de bytes, entre vários discos. A paridade é gravada em um disco separado. Para o uso desse nível, o hardware deve possuir esse tipo de suporte implementado. Se um drive falhar, o controlador apenas finge que todos os seus bits são “zeros”. Se uma palavra apresentar erro de paridade, o bit que vem do drive extinto deve ter sido um “um”, portanto, é corrigido. Isso aumenta a confiabilidade dos dados gravados. Ou seja, se algum dos discos avariar, a paridade pode ser imediatamente utilizada para reconstituir seu conteúdo. O RAID 4 é semelhante ao RAID 3, mas utiliza bloco de dados maiores. O RAID 5 é o nível mais comum de RAID seguro. Requer pelo menos três unidades, mas pode trabalhar com até 16. Os blocos de dados são distribuídos pelas unidades. Em uma delas, é gravada uma soma de verificação de paridade de todos os dados. Os dados de paridade não são gravados em uma unidade fixa, mas espalhados em todas as unidades, como mostra a Figura 8. Usando os dados de paridade, o computador pode recalcular os dados de um dos outros blocos de dados, caso esses dados não estejam mais disponíveis. Isso significa  Memória de massa em sistemas operacionais 9 que um arranjo RAID 5 pode suportar uma única falha de unidade sem perder ou acessar dados. Embora o RAID 5 possa ser alcançado via software, um controlador de hardware é recomendado. Muitas vezes, a memória cache extra é usada nesses controladores para melhorar o desempenho de gravação. O RAID 5 é ideal para servidores de arquivos e aplicativos que possuem um número limitado de unidades de dados. Figura 8. RAID 5. Fonte: Prepressure (2017, documento on-line). O RAID 6 é similar ao RAID 5, mas os dados de paridade são gravados em duas unidades. Isso significa que requer pelo menos quatro unidades e pode suportar duas unidades falhando simultaneamente. As chances de duas unidades falharem exatamente no mesmo momento é muito pequena. No entanto, se uma unidade em um sistema RAID 5 falhar e for substituída por uma nova, serão necessárias várias horas, às vezes até mais de um dia, para reconstruí-la. Se outra unidade falhar durante esse período, todos os dados serão perdidos. Com o RAID 6, o arranjo RAID se mantém funcionando até mesmo com a segunda falha. A Figura 9 apresenta o arranjo RAID 6. 10 Memória de massa em sistemas operacionais Figura 9. RAID 6. Fonte: Prepressure (2017, documento on-line). Também é possível combinar as vantagens (e desvantagens) do RAID 0 e do RAID 1 (conhecido como RAID 10) em um único arranjo. Esta é uma configuração RAID aninhada ou híbrida, e fornece segurança espelhando todos os dados nas unidades secundárias enquanto usa a distribuição em cada conjunto de unidades para acelerar as transferências de dados. Se algo der errado com um dos discos em uma configuração RAID 10, o tempo de reconstrução dos dados será muito rápido, já que é necessário apenas copiar todos os dados espelhados para uma nova unidade. Isso pode ser feito em apenas 30 minutos para unidades de 1 TB. Porém, um fator negativo para RAID 10 é que metade da capacidade de armazenamento vai para o espelhamento. Portanto, em comparação com grandes arranjos RAID 5 ou RAID 6, essa é uma maneira cara de ter redundância. A Figura 10 apresenta o arranjo RAID 10.  Memória de massa em sistemas operacionais 11 Figura 10. RAID 10. Fonte: Prepressure (2017, documento on-line). KOCH, T. How to assemble a desktop PC. DocBox, 2019. Disponível em:. Acesso em: 11 jan. 2019. MICROCAMP TECNOLOGIA. Conheça a anatomia de um disco rígido. 26 set. 2013. Dispo- nível em:. Acesso em: 17 dez. 2018. PCTECHGUIDE.COM. ideconfig.gif. 2011. Disponível em:. Acesso em: 17 dez. 2018. PREPRESSURE. RAID. 17 jan. 2017. Disponível em:. Acesso em: 17 dez. 2018. 12 Memória de massa em sistemas operacionais RECOMENDAÇÕES DE NOTEBOOKS. SSD é o melhor upgrade para os notebooks. 01 jun. 2015. Disponível em:. Acesso em: 17 dez. 2018. TYSON, J.; WILSON, T. V. How SCSI Works. 2006. Disponível em:. Acesso em: 17 dez. 2018. Leituras recomendadas MACÊDO, D. RAID: conceito e tipos. 13 jun. 2012. Disponível em:. Acesso em: 17 dez. 2018. MARKMAN, N. What are the functions of a hard drive? 2018. Disponível em:. Acesso em: 17 dez. 2018. VASCONCELOS, L. Hardware na prática. 4. ed. Rio de Janeiro: LVC, 2014. Conteúdo: