ED2-Aula2-ArmazExterno-ConcBásicos

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Farid Nourani
Aula 2: Armazenamento Externo – Conceitos Básicos
2S - 2020
ED-IIED-II
Questões relevantes
 Velocidade com que os dados podem ser acessados;
 Custo por unidade de dado;
 Confiabilidade
◦ Perda de dados em falha de energia ou do sistema;
◦ Falha física do dispositivo de armazenamento;
 Diferenciar o armazenamento em:
◦ Armazenamento Volátil: 
 Os dados se perdem quando o equipamento é desligado
◦ Armazenamento Não-Volátil: 
 Os dados persistem quando o equipamento é desligado
 Inclui o armazenamento Secundário e Terciário
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Cache
◦ Mais rápida e mais cara forma de armazenamento;
◦ Gerenciado por hardware;
◦ Volátil. 
 Memória Principal
◦ Acesso rápido (10 a100 nanosegundos – nanosegundo = 10–9 segundos)
◦ Geralmente muito limitado (ou muito caro) para armazenar um 
conjunto grande de dados (um arquivo ou uma base de dados);
 Atualmente se usa amplamente capacidades de poucos Gigabytes;
 A capacidade tem aumentado e o custo por byte tem caído, constante 
e rapidamente (aproximadamente fator de 2 a cada 2 ou 3 anos).
◦ Volátil.
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Memória Flash
◦ Armazenamento não volátil (dados persistentes).
◦ Permite “regravação” de dados (gravar/apagar)
 Suporta um número limitado de “regravações” (10K – 1M de ciclos de 
gravar/apagar).
◦ Leitura tão rápida quanto à memória principal;
◦ Gravação porém é lenta (alguns micro segundos), apagar dados é 
mais lenta ainda;
◦ Custo por unidade de armazenamento similar à mem. principal;
◦ Vastamente usado em dispositivos embarcados como câmeras 
digitais;
◦ É um tipo EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only 
Memory)
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Disco Magnético
◦ Armazenamento não volátil (dados persistentes);
◦ Dados são armazenados na superfície de um disco giratório, que 
permite leitura/gravação magnética;
◦ Acesso direto – permite ler um dado em qualquer ordem;
◦ Meio primário para o armazenamento de dados a longo prazo; 
normalmente armazena banco de dados inteiro;
◦ Acesso extremamente mais lento comparado com a memória 
principal (~10 milisegundos );
◦ Os dados armazenados devem ser transferidos do disco para a 
memória principal para acesso e depois escritos de volta ao 
disco para armazenamento;
◦ Capacidade de armazenamento elevada – atualmente pode 
atingir centenas de Gigabytes;
 Cresce constante e rapidamente com avanços tecnológicos (fator de 2 a 3 a 
cada 2 anos).
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II Armazenamento: Conceitos Básicos
 Discos Ópticos
◦ Armazenamento não volátil (dados persistentes).
◦ Os dados são lidos a partir de um disco giratório por meio 
óptico, usando um feixe de laser; 
◦ Leituras e Gravações são mais lentas do que em discos 
magnéticos; 
◦ Formatos mais populares: CD-ROM (640MB) e DVD (4.7 a 17 GB);
 WORM (Write-One, Read-Many): usados para arquivar dados (CD-R, DVD-R, 
DVD+R)
 Disponível também em versões Regraváveis (CD-RW, 
DVD-RW, DVD+RW, e DVD-RAM)
◦ Juke-box systems - Grande número de discos removíveis, com 
poucas unidades de leitura (drivers) e um mecanismo automático para 
montagem/desmontagem de discos, permitindo armazenamento de 
grande volumes de dados.
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ED-IIED-II Armazenamento: Conceitos Básicos
 Fitas Magnéticas
◦ Armazenamento não volátil (dados persistentes);
◦ Usados primordialmente para arquivamento de dados e para 
cópias de segurança (backup) de dados dos discos magnéticos;
◦ Os dados são gravados/lidos na superfície magnética de um 
rolo de fita de nylon; 
◦ Acesso Sequencial – mais lento do que discos magnéticos; 
◦ Alta capacidade de armazenamento (40 a 300GB);
◦ Armazenamento de baixo custo – uma fita tem baixo custo e 
pode ser removida da unidade de fita (driver), mas uma 
unidade de fita tem custo elevado;
◦ Tape juke-boxes: armazenamento massivo de dados
 Centenas de terabytes (1 terabyte = 109 bytes) a até petabytes 
(1 petabyte = 1012 bytes).
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ED-IIED-II
 Armazenamento Primário
◦ Acesso mais rápido 
◦ Volátil
Ex: Memória Cache e Memória Principal
 Armazenamento Secundário
◦ Conhecido também como armazenamento on-line 
◦ Tempo de acesso razoavelmente rápido
◦ Não-Volátil
Ex: Memória Flash e Discos Magnéticos
 Armazenamento Terciário
◦ Conhecido também como armazenamento off-line 
◦ Tempo de acesso lento
◦ Não-Volátil
Ex: Discos Ópticos e Fitas Magnéticas
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II Armazenamento: Conceitos Básicos
A
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1º 
2º 
3º 
Aumenta
custo e
velocidade,
Diminui
capacidade
Diminui
custo e
velocidade,
Aumenta
capacidade
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ED-IIED-II
 Armazenamento Primário 
Inclui dispositivos de armazenamento que podem 
ser operadas diretamente pela unidade central de 
processamento (CPU) do computador. 
 Armazenamento Secundário e Terciário 
Inclui dispositivos de armazenamento que NÃO
podem ser operadas diretamente pela CPU 
(precisam de operações de I/O).
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 Armazenamento Primário (Interno)
◦ Registradores
◦ Memória Cache (SRAM Static Random Access Memory) 
◦ Memória Principal (DRAM Dynamic Random Access Memory)
 Armazenamento Secundário (Externo)
◦ Discos Magnéticos
◦ Memória Flash
◦ Armazenamento On-Line
 Armazenamento Terciário (Externo)
◦ Discos Ópticos (CD-ROM, DVD)
◦ Fitas Magnéticas
◦ Cartão Perfurada; Papel
◦ Armazenamento Off-Line
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Armazenamento: Conceitos Básicos
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 RAM (Random Access Memory)
A Memória de Acesso Aleatório é um tipo de 
armazenamento amplamente usado como memória 
principal de um sistema de computador. RAM é o 
tipo de memória que um computador usa para 
abrir programas e executar aplicativos. A RAM 
também é conhecida como memória do sistema e é 
usada para armazenar informações temporárias. As 
informações desaparecem da memória quando o 
sistema é desligado. 
Existem dois tipos de RAM: DRAM e SRAM.
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 DRAM (Dynamic RAM)
RAM Dinâmica é um tipo de RAM amplamente utilizado 
como memória principal de um sistema de computador. 
Cada célula de memória é composta de duas partes: um 
transistor e um capacitor. A DRAM armazena cada bit de 
informação em um capacitor separado dentro de um 
circuito integrado. O capacitor pode ser carregado ou 
descarregado, sendo esses dois estados usados para 
representar os dois valores de um bit, convencionalmente 
chamados 0 e 1. Uma célula de armazenamento DRAM é 
considerada dinâmica, pois precisa ser atualizada ou 
receber uma nova carga eletrônica a cada poucos 
milissegundos para compensar as perdas de carga do 
capacitor.
Armazenamento: Conceitos Básicos
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 SRAM (Static RAM)
RAM Estática é um tipo de RAM que retém bits de dados 
em sua memória enquanto a energia estiver sendo 
fornecida. Ele usa uma tecnologia completamente 
diferente da DRAM. Na RAM Estática, uma forma de 
flip-flop, que usa 4 ou 6 transistores, armazena cada 
bit de memória e nunca precisa ser atualizada.
Isso torna a RAM Estática bem mais rápida que a RAM 
Dinâmica. No entanto, como possui mais partes, uma 
célula de memória estática ocupa muito mais espaço 
em um chip do que uma célula de memória dinâmica. 
Portanto, permite menos capacidade de memória por 
chip e isso torna a RAM Estática muito mais cara.
Armazenamento: Conceitos Básicos
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 DRAM x SRAM
A RAM Estática é rápida e cara, enquanto que 
a RAM Dinâmica é menos cara e mais lenta.
Portanto, a RAM Estática é usada para criar o 
cache sensível à velocidade da CPU (CPU's speed-
sensitive cache), enquanto a RAM Dinâmica forma 
o maior espaço de RAM do sistema.
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 Variedades de DRAM
◦ FPM RAM (Fast Page Mode RAM )
◦ EDO DRAM (Extended Data Output DRAM )
◦ BEDO DRAM (Burse Extended DataOutput DRAM )
◦ SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory)
Armazenamento: Conceitos Básicos
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 Variedades de DRAM
FPM RAM
Fast Page Mode RAM é um tipo de DRAM que 
permite acesso mais rápido aos dados na mesma 
linha ou página. Às vezes, é chamado de 
memória de página (page mode memory) e funciona 
eliminando a necessidade de um endereço de 
linha, se os dados estiverem localizados na linha 
acessada anteriormente.
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Variedades de DRAM
EDO DRAM
Extended Data Output DRAM é mais rápida que a 
DRAM convencional. Diferente da DRAM 
convencional, que pode acessar apenas um bloco 
de dados por vez, a EDO DRAM pode começar a 
buscar o próximo bloco de memória ao mesmo 
tempo em que envia o bloco anterior à CPU.
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 Variedades de DRAM
BEDO DRAM
Burst Extended Data Output DRAM é um tipo de DRAM 
que pode enviar dados de volta ao computador a partir 
de uma operação de leitura, ao mesmo tempo em que 
lê o endereço dos próximos dados a serem enviados. 
Além disso, depois de ler o endereço, ele é capaz de 
enviar os dados de volta em três ciclos sucessivos de 
clock, sem a coordenação de clock (ou seja, as três 
saídas sucessivas parecem ser enviadas da RAM em 
uma explosão repentina). Funciona bem com 
microprocessadores que operam até 66 MHz.
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 Variedades de DRAM
SDRAM
DRAM Síncrona é um tipo de DRAM sincronizado 
com o barramento do sistema e pode operar em 
velocidades de clock muito mais altas que a memória 
convencional. É capaz de rodar a 133 MHz, cerca de 
três vezes mais rápida que a RAM convencional de 
FPM e duas vezes mais rápida que a EDO DRAM e a 
BEDO DRAM. A SDRAM está substituindo a EDO 
DRAM em muitos computadores mais novos.
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Discos X RAM
 Tempo de acesso:
◦ HD: alguns milissegundos ~ 10ms;
◦ RAM: alguns nanossegundos ~ 10ns...40ns;
◦ Ordem de grandeza da diferença entre os tempos de 
acesso é aproximadamente 250.000 (HD é 1/4 de 
milhão mais lento);
 Suponha que o acesso à RAM equivale a buscar uma 
informação no índice de um livro que está em suas mãos, e 
que essa operação consome 20 segundos, o acesso a disco 
seria equivalente a mandar buscar a mesma informação em 
uma biblioteca que levaria quase 58 dias para retornar a 
informação (~ 5.000.000 segundos)!!!
Porque?
Armazenamento: Conceitos Básicos
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 Discos X RAM
RAM Discos (HD)
Custo Alto Baixo
Tempo de 
Acesso
Baixo Alto
Capacidade Baixa Alto
Princípio Elétrico Magnético
Persistência Volátil Não-volátil
Acesso Aleatório Aleatório
Organização Células Trilhas/Setores
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II Armazenamento: Conceitos Básicos
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 Cabeça de Leitura-Gravação (Read-Write head)
◦ Posicionado muito próximo à superfície do disco (quase encostando nela);
◦ Lê ou grava magneticamente as informações codificadas nesta superfície;
◦ Normalmente existem de 1 a 5 discos em uma unidade de disco e no braço do 
disco existe uma cabeça de leitura/gravação para cada superfície de cada disco.
 A superfície do disco é dividido em Trilhas circulares (tracks)
◦ Mais de 50K-100K trilhas por disco nos HDs mais comuns.
 Cada trilha é dividido em setores 
◦ Um setor é a menor unidade de dado que pode ser lida ou gravada;
◦ Tamanho típico de um setor é de 512 bytes;
◦ Quantidade típica de setores por trilha: 500 (nas trilhas internas) a 1000 (nas 
trilhas externas).
 Para ler/gravar um setor
◦ O braço do disco se movimenta para posicionar a cabeça de leitura na trilha 
correta;
◦ O disco gira continuamente; os dados são lidos/gravados a medida que os 
setores passam por baixo da cabeça de leitura/gravação.
 Cilindro
◦ Consiste do conjunto das trilhas que estão no mesmo raio em todos os discos; 
(Cilindro i consiste dos iésimos trilhas de todos os discos).
Armazenamento: Conceitos Básicos
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 Controlador do Disco
(Interface entre o Sistema e o hardware da unidade de disco)
◦ Aceita comandos de alto nível para ler ou gravar um setor; 
◦ Inicia ações como mover o braço do disco até a trilha certa 
para realizar a leitura ou gravação efetiva dos dados; 
◦ Calcula e avalia checksums para cada setor, verificando se
o dado é lido de volta corretamente;
 Se o dado é corrompido, certamente o checksum armazenado 
não vai bater com o checksum recalculado;
◦ Garante gravações bem sucedidas através da verificação da 
releitura do setor após a sua gravação;
◦ Realiza o remanejamento dos setores danificados.
Armazenamento: Conceitos Básicos
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 Padrões de Interface (controladores)
◦ ATA (Advanced Technology Attachment) 
(PATA or IDE - Integrated Drive Electronics) 
≃ 66 a 133 MB/s
◦ SATA (Serial ATA) 
≃ 150 a 600 MB/s
◦ SCSI (Small Computer System Interconnect) ) 
≃ 320 MB/s
Existem variações diferentes de cada padrão com 
velocidade e capacidades diferentes.
Armazenamento: Conceitos Básicos
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 Tempo de Acesso – O tempo de acesso é calculado a partir do momento em que 
uma solicitação de leitura ou gravação é emitida até o momento que inicia a 
transferência e consiste em:
◦ Seek Time (tempo de busca) – o tempo necessário para posicionar o braço do 
disco sobre a trilha correta; 
 Tempo de busca médio é 1/2 do tempo de busca do pior caso;
 Será de 1/3 se todas as trilhas tem o mesmo numero de setores, 
desconsiderando o tempo necessário para iniciar e parar o movimento do 
braço;
 Aproximadamente de 4 a 10 milissegundos na maioria dos discos comuns.
◦ Latência Rotacional (Rotational latency or Rotational Delay) – O tempo gasto 
para girar o disco e posicionar o setor correto em baixo da cabeça de leitura; 
 Latência média é 1/2 da latência do pior caso;
 2 a 11 milissegundos em discos comuns (5400 a 15000 r.p.m.).
◦ Taxa de transferência de dados (Data-transfer rate) – a taxa pela qual os dados 
podem ser acessados a partir do disco ou armazenados nele;
 Normalmente de 50 a 200 MB por segundo (mais baixo para trilhas internas), existindo 
máximos em torno de 700MB a 1GB por segundo.;
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Tempo Médio até Falha (Mean time to failure – MTTF)
O tempo médio esperado para o disco funcionar continuamente 
sem nenhuma falha.
◦ Tipicamente de 3 a 5 anos;
◦ Probabilidade de falha dos novos discos é muito baixo, refletindo um 
MTTF teórico de 500.000 a 1.500.000 horas para um disco novo;
 Ou seja, um MTTF de 1.500.000 significa que entre 1000 discos 
relativamente novos, em media, um irá falhar a cada 1500 horas;
◦ MTTF decai com tempo de uso do disco.
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Bloco – uma sequencia contígua de setores de uma única 
trilha. 
◦ Dados são transferidos em blocos entre disco e a memória 
principal; 
◦ O tamanho varia a partir de 512 bytes até vários Kbytes;
 Blocos pequenos: representam mais transferências do disco;
 Blocos grandes: representam maior desperdício de espaço, pois, os 
blocos são parcialmente preenchidos;
 O tamanho típico de blocos atualmente varia de 4 a 16 kilobytes;
 Organização de Arquivo – otimiza o tempo de acesso a blocos 
por organizar os blocos conforme como os dados são acessados 
pela aplicação;
◦ Isto é, armazenar informações correlacionadas em um mesmo cilindro 
ou em cilindros próximos.
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Um setor é a menor porção endereçável de um 
disco.
fread (&c,1,1,fd) - lê 1 byte na posição corrente
 S.O. se encarrega em determinar qual é a superfície, 
a trilha e o setor, onde se encontra esse byte;
 Então, o conteúdo do setor é carregado para uma 
área especial da memória (buffer de E/S) e o byte 
desejado é lido do buffer para a RAM;
 Se o setor procurado já estiver no buffer, o acesso ao 
disco torna-se desnecessário.Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Conjunto de setores logicamente contíguos 
no disco.
 Um arquivo é visto pelo S.O. como um grupo 
de clusters distribuídos no disco:
◦ Arquivos são alocados em um ou mais clusters.
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Sequência de clusters consecutivos no disco, 
alocados para o mesmo arquivo.
 1 seek para recuperar 1 extent.
 A situação ideal é um arquivo ocupar 1 extent:
◦ frequentemente isso não é possível, e o arquivo é 
espalhado em vários extents pelo disco.
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Perda de espaço útil decorrente da 
organização em setores de tamanho fixo.
◦ Temos duas alternativas: 
 1 registro por setor => fragmentação
 Registros ocupando mais de 1 setor => acesso mais 
complexo
 Fragmentação também ocorre organizando 
os arquivos em clusters:
◦ Ex: 1 cluster = 3 setores de 512 bytes, arquivo 
com 100 bytes (quanto espaço se perdeu?)
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Capacidade de um setor:
◦ nº bytes (Ex. 512 bytes).
 Capacidade de uma trilha:
◦ nº de setores/trilha x capacidade do setor.
 Capacidade de um cilindro:
◦ nº de trilhas/cilindro x capacidade da trilha.
 Capacidade de um disco:
◦ nº de cilindros x capacidade do cilindro.
**Capacidade Nominal
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Exemplo:
◦ Queremos armazenar 20.000 registros de tamanho fixo 
num disco de 300 Mbytes que contém: 
 512 bytes/setor
 40 setores/trilha
 11 trilhas/cilindro
 1331 cilindros
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Exemplo:
◦ Queremos armazenar 20.000 registros de tamanho fixo 
num disco de 300 Mbytes que contém: 
 512 bytes/setor
 40 setores/trilha
 11 trilhas/cilindro
 1331 cilindros
◦ Quantos cilindros são necessários, se cada registro tem 
256 bytes ?
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Exemplo:
◦ Queremos armazenar 20.000 registros de tamanho fixo 
num disco de 300 Mbytes que contém: 
 512 bytes/setor
 40 setores/trilha
 11 trilhas/cilindro
 1331 cilindros
◦ Quantos cilindros são necessários, se cada registro tem 
256 bytes ?
 2 registros/setor = 10.000 setores. Se em cada cilindro há 40 x 
11 = 440 setores, então o número de cilindros é 
aproximadamente 10.000/440 = 22.7 cilindros. 
 É provável que um disco tenha essa quantidade de cilindros 
disponível, mas não de forma contígua, então o arquivo pode 
ser espalhando em dezenas, ou centenas, de cilindros. 
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Este custo resulta da combinação de 3 fatores:
1. Tempo de busca (seek): tempo p/ posicionar o braço de 
acesso na posição (trilha/setor) desejada;
2. Delay de rotação: tempo p/ o disco rodar de forma que a 
cabeça de L/E esteja posicionada sobre a posição desejada;
3. Tempo de transferência: tempo p/ transferir os bytes.
 O tempo real de acesso é afetado também por outros 
fatores, além das características físicas do disco:
◦ Distribuição do arquivo no disco;
◦ Modo de acesso (aleatório x sequencial). 
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Movimento de posicionar a cabeça de L/E sobre a 
trilha/setor desejado. 
 É a parte mais expressiva do tempo de acesso.
◦ Depende de quanto o braço precisa se 
movimentar.
◦ Deve ser reduzido ao mínimo.
 O conteúdo de todo um cilindro pode ser lido com 1 
único seek.
 Para cálculos, normalmente se trabalha com o 
tempo de busca médio (tempo de busca para 1/3 
do número de cilindros).
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Por exemplo, para um HD de 5000 rpm, 
normalmente o delay de rotação é de 12ms.
 Na média, considera-se o delay de rotação de 
meia-volta.
 Na prática, esse delay é reduzido quando é 
possível ler/gravar o arquivo em setores da 
mesma trilha e trilhas do mesmo cilindro.
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Tempo transferência = (nº de bytes 
transferidos / nº de bytes por trilha) * tempo 
de rotação.
 Exemplo: disco de 10.000 rpm com 170 
setores por trilha:
◦ Para ler 1 setor: 1/170 de rotação;
◦ 10.000 rpm = 6ms por rotação;
◦ Tempo de transf. para 1 setor = 0,035ms.
Armazenamento: Conceitos Básicos
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ED-IIED-II
 Capítulo 3 do livro (Seção 3.1 – pg. 46 a 64)
M. J. Folk; B. Zoelick; G. Riccardi. File Structures: An Object-
Oriented Approach with C++. 3d Edition, Addison-Wesley, 
1998. 
 Wikipedia – Unidade de disco rígido
https://pt.wikipedia.org/wiki/Unidade_de_disco_r%C3%ADgido
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Armazenamento: Conceitos Básicos
https://pt.wikipedia.org/wiki/Unidade_de_disco_r%C3%ADgido