MI1022806 2020 1 AULA09
Memória Externa
São todas as memórias que não fazem parte dos principais circuitos do computador. Normalmente, não vêm inboard (fixos na placa-mãe). Memórias externas são também chamadas de memórias auxiliares (external memory') e que podem se valer de meios magnéticos externos à CPU, como fitas, disquetes, discos zip e CD-Rom's para armazenar informações, as quais não são possíveis serem gravados na memória principal, pelo fato da mesma ser volátil.
Esses meios ficam ligados indiretamente à CPU e podem ser rapidamente acessados por eles, operam com velocidade menor do que a RAM, porém, têm uma capacidade de armazenamento infinitamente maior, não são voláteis e podem ser desconectados fisicamente do computador e transportados para outro local, sem que seja causados prejuízo nas informações armazenadas.
Os tipos de memórias auxiliares (secundárias) mais comumente utilizados são: disquetes, discos rígidos, cartuchos e fitas. Não esquecendo dos pendrivers e SSDs.
Memórias magnéticas
Memórias magnéticas tem um papel de destaque no mundo da tecnologia.
Os HDs são o exemplo clássico, ainda em pleno uso e bastante comuns.
Dentre as diversas tecnologias de memórias e armazenamento, o uso de um meio magnético sempre foi um conceito importante. Além dos HDs, outras mídias que se baseiam em armazenamento magnético são os Floppy Discs e as fitas K7 e VHS, todos já em desuso.
A grande vantagem das memórias magnéticas é, além de serem não-voláteis, o seu preço, bem menor do que outras tecnologias de armazenamento.
A principal desvantagem é a velocidade, bem menor do que memórias RAM, por exemplo.
Princípio de funcionamento
O princípio de funcionamento das memórias magnéticas é relativamente simples.
Consiste em utilizar um meio magnetizável, no qual diferentes micro-regiões possam ser polarizadas de forma diferente.
Assim, cada bit 0 ou 1 é representado por uma orientação magnética diferente.
O processo de escrita basicamente consiste na polarização dessas regiões, de acordo com o padrão de 0s e 1s a serem armazenados.
A leitura, grosso modo, é a operação de detectar a orientação magnética de cada setor, para determinar cada bit de informação.
Em geral, uma cabeça de leitura-escrita é usada para fazer essas operações ao mover-se pela superfície do material magnético.
Diferentes tecnologias e dispositivos variam em como a cabeça de leitura percorre a superfície da mídia e como as regiões são organizadas, mas o princípio é o mesmo.
Novas tecnologias
A maioria dos discos rígidos encontrados no mercado hoje utiliza um tipo de tecnologia de gravação chamada longitudinal, ilustrada na figura acima, onde os bits são gravados na superfície magnética lado a lado.
Este tipo de tecnologia de gravação vem sendo utilizado desde o lançamento dos primeiros discos rígidos.
No entanto, um novo tipo de tecnologia de gravação, chamada perpendicular, vem sendo utilizada pelos discos rígidos mais novos e que permite uma maior densidade de gravação de dados do que a tecnologia longitudinal.
Já na tecnologia de gravação perpendicular, as partículas magnéticas estão alinhadas verticalmente (perpendicularmente) na superfície do disco, como na figura acima.
Existem também novas tecnologias de mídia magnética que estão sendo pesquisadas e que têm potencial para se tornar a base para novos dispositivos de memória magnética.
A primeira é a MELRAM – Magnetoeletric RAM, que tem sido estudada por centros de pesquisa como o MIPT – Moscow Institute of Physics and Technology e University of Valenciennes (França).
Cada célula de memória MELRAM é constituída de um material piezoelétrico e uma estrutura de camadas de alta magnetoelasticidade, o que significa que sua magnetização depende da tensão mecânica aplicada a ela.
Assim, aplicando-se um sinal elétrico na camada piezoelétrica, gera-se deformações mecânicas que polarizam a camada magnetoelástica.
O que permite a utilização desse conjunto como memória é o fato de sua estrutura ser anisotrópica, ou seja, é organizada de forma diferente dependendo do eixo de referência na sua estrutura.
Devido a isso, cada célula pode ser magnetizada ao longo de duas direções, que são os 0s e 1s usados para armazenar informação.
As memórias MELRAM são um avanço principalmente em relação à redução do consumo de energia a cada operação de leitura/escrita.
Memórias RAM magnetoelétricas
A segunda tecnologia emergente são as memórias baseadas em Skyrmions magnéticos, uma novidade ainda em processo de amadurecimento, mas que recentemente teve grandes avanços na ASTAR – Singapore’s Agency for Science, Technology and Research e na NTU – Nanyang Technological University.
É mais simples pensar um Skyrmion em termos de seu funcionamento.
Eles se comportam como partículas magnéticas na escala de nanômetros.
Possuem a capacidade de se organizar em matrizes ou estruturas determinadas e, mais importante, podem ser criados, deletados e movidos, um por um, por meio de correntes elétricas.
Devido à sua topologia, são também chamados de Vórtices magnéticos.
Potenciais memórias baseadas em Skyrmions também são mais eficientes, e representariam um salto em capacidade e estabilidade.
DVD/CD ROM
Os CDs (compact disk) e DVDs são fabricados com uma superfície altamente reflexiva, na qual se armazena os dados através de um feixe laser bastante intenso e focalizado sobre um ponto muito pequeno no disco.
Nestes discos, o laser é projetado em um ângulo não perpendicular à sua superfície, e tem sua trajetória desviada até um sensor, conforme mostra o desenho abaixo:
Durante a gravação, o laser provoca uma depressão que é capaz de provocar a difração da luz nesse ponto da superfície. Variações microscópicas nesta superfície alteram a direção de reflexão do raio ou fazem com que o mesmo não seja refletido, impedindo-o de atingir o sensor.
Com isso reproduz-se uma sequência de estados com/sem luz no sensor, que irá compor a série de "0"s / "1"s do sinal digital.
Assim, os dados digitais (1s e 0s) são armazenados no disco, um bit por vez, fazendo ou não essa depressão no material reflexivo, sendo que a gravação é organizada em uma espiral contínua de pontos de dados.
A precisão do feixe laser permite que uma grande quantidade de dados (maior que 550 Mbytes) seja armazenada num disco de 120 mm.
Para a leitura, um feixe laser bem menos potente é focalizado na superfície do disco, onde em qualquer ponto, a luz refletida é expressa como níveis lógicos 1 ou 0.
Esse arranjo ótico é montado num mecanismo de transporte que se move para frente/trás ao longo do raio do disco, seguindo a espiral de dados à medida que o disco é rotacionado.
Os dados recebidos do sistema ótico vêm uma linha serial de dados, numa taxa constante de bits com rotação do disco controlada.
Se o disco é para reprodução de áudio, a linha de dados é convertida em formato analógico.
Se o disco é usado como memória de leitura, os dados são codificados em bytes paralelos para serem processados num outro circuito digital.
Os discos ópticos podem ser do tipo:
- somente leitura
- gravável somente uma vez
- regravável várias vezes
As variações na superfície do disco diferem conforme seu tipo:
- altos e baixos no relevo da camada refletiva (discos somente leitura) ou
- trechos claros/opacos, em uma camada sobreposta à camada refletiva (discos graváveis / regraváveis).
Altos e baixos desviam, ou não, a luz do laser da direção do sensor: a mesma deixa ou não de atingí-lo.
Trechos opacos/claros impedem, ou não, o laser de atingir a camada refletiva que está por baixo e com isso o raio é refletido com ou não em direção ao sensor.
O desenho abaixo ilustra os 2 tipos de discos e as camadas envolvidas em cada um deles:
Discos somente leitura
a - rótulo (papel ou impresso)
b - camada plástica protetora
c - camada refletiva com superfície contendo altos e baixos relevos
d - camada de policarbonato
Discos graváveis-regraváveis
e - rótulo (papel ou impresso)
f - camada plástica protetora
g - camada refletiva com relevo plano
h - camada dielétrica para dissipar o calor do laser durante a gravação
i- camada gravável-regravável: transparente, pode ter pontos tornados opacos (disco gravável uma única.vez) e vice-versa (discos regraváveis)
j - camada de policarbonato
Com 12cm de diâmetro, 1,2 mm de espessura e um orifício central de 15mm de diâmetro, a trilha em um CD/DVD, em forma de espiral, é lida (e gravada) do centro do disco para sua borda.
No centro, entre outros dados, encontra-se um índice com o conteúdo gravado no disco, a TOC (Table Of Contents).
As trilhas são gravadas muito próximas umas das outras: em um CD de áudio comum, a cada milímetro em seu diâmetro existem quase 600 voltas da espiral (mais de 22.000 voltas no CD inteiro).
A camada refletiva dos CDs/DVDs graváveis-regraváveis é calibrada para o tipo de laser utilizado em drives de CD de microcomputadores, o que pode acarretar eventuais problemas de incompatibilidade com alguns equipamentos (CD players antigos por exemplo).
O desenho laser/sensor acima ilustra o princípio básico de funcionamento do disco óptico.
A luz do laser é focalizada através de um conjunto de lentes sobre a superfície do disco a ser lida, com precisão de microns - milésimos de milímetro. O servo-mecanismo eletrônico mantém o conjunto permanentemente focalizado na superfície do disco, acompanhando a trilha-guia ali existente: se o laser se desvia da trilha, a luz refletida torna-se muito fraca, sinalizando ao mecanismo a necessidade de ajuste de posição (é comum o emprego de 3 fachos distintos do laser para esta finalidade).
Os pontos altos e baixos no relevo (ou claros / opacos nos discos graváveis e/ou regraváveis) fazem com que a luz do laser seja refletida de modo diferente de volta para baixo, com total intensidade (nos "vales") ou não (nos "picos" - porque não possuem exatamente a forma plana como na ilustração simplificada, refletindo a luz para os lados - e nos pontos opacos - por serem menos refletivos).
Em seu caminho de volta, essa luz refletida encontra um bloco especial de prisma (pelo qual já havia passado no trajeto de ida), onde ocorre uma reflexão para a lateral do conjunto.
No percurso desta lateral é localizado o sensor (fotocélula), que irá converter as variações luminosas em pulsos elétricos, do tipo "0"s / "1"s. Reflexões fracas ou inexistentes são convertidas para "0"s e reflexões totais, para "1"s. A sequência de "0"s e "1"s irá compor o sinal digital. Em um CD-Áudio são lidos cerca de 44.000 pulsos por segundo.
O sistema é capaz de recuperar-se automaticamente de alguns erros de leitura: pequenos riscos, manchas e poeira ou mesmo vibrações no conjunto podem impedir a leitura de determinados segmentos do disco.
No entanto, sendo trechos pequenos, a informação ali armazenada pode ser recuperada através de cálculos matemáticos efetuados pelo circuito eletrônico, que emprega algoritmos como o CIRC (Cross-Interleaved Reed-Solomon Code).
Diferenças entre CD, DVD e Blu-Ray
DVDs comuns armazenam até 7 vezes mais dados do que CDs comuns, possuindo as mesmas dimensões.
Para conseguir isso, sua trilha é mais estreita, com um pouco menos da metade da largura da trilha do CD, assim como são menores também as dimensões de seus pontos que refletem o laser.
Além disso, menos áreas são desperdiçadas (reservadas para o processo de correção de erros) em relação aos CDs, porque nos DVDs estes processos de correção são melhores e mais eficientes. Se fosse possível "desenrolar" e "esticar" sua trilha, a mesma, para um DVD comum, ocuparia cerca de 12 km de extensão.
nquanto a resolução horizontal de uma imagem gravada nos antigos formatos VHS é de 240 linhas, no formato DVD a mesma atinge 400 a 500 linhas.
Existe uma versão maior dos discos ópticos (30cm ao invés dos 12cm de diâmetro): trata-se do Laser Disc, LD, que no entanto é analógico e não digital. Este formato, que entrou em desuso com o advento do DVD-Vídeo, assim como este, permite a reprodução de cenas a partir de qualquer ponto do disco, assim como efeitos do tipo congelamento por exemplo.
Existe também uma versão menor dos discos ópticos (8cm ao invés dos 12cm de diâmetro): em vários CD/DVD players existe uma depressão com este diâmetro na bandeja de alimentação do drive, para este formato de disco. Algumas câmeras de vídeo utilizam discos DVD-RAM deste tipo.
Existe um disco óptico ainda menor, com menos de 7cm de diâmetro, atualmente em desuso: o MiniDisc, ou MD.
Em um cartucho (estojo protetor dentro do qual vai o disco) de 7cm x 7cm, existem MDs que funcionam de maneira idêntica ao CD-Áudio e existem MDs que são regraváveis.
Estes últimos funcionam através de um processo denominado magneto-ótico.
Alguns discos ópticos, como o DVD-Vídeo por exemplo, podem ter sua capacidade de armazenamento ampliada através do uso da tecnologia de dupla-camada (Dual Layer ou DL).
Neste sistema, duas camadas refletivas são montadas na estrutura do disco em forma de sanduíche, uma em cima da outra, com uma terceira camada transparente de separação entre elas, como mostra a figura abaixo:
A camada refletiva inferior (denominada L0) na realidade é semi-refletiva, ao invés de totalmente refletiva como a superior (denominada L1), para permitir a passagem da luz do laser através da camada inferior em direção à superior.
O laser que realiza a leitura das informações é inicialmente focalizado na primeira camada.
Após o término da leitura desta, há uma operação de refocalização do laser, que passa a ler a segunda camada, como mostra a figura abaixo:
Laser azul
Todos estes discos utilizam lasers vermelhos, com comprimento de onda entre 780 e 650 nanômetros (1 nanômetro = 1 milímetro dividido por um milhão); no entanto, com o uso de um laser azul-violeta, com comprimento de onda mais curto (400 nm), é possível gravar pontos muito menores nos discos, aumentando assim sua densidade.
A figura abaixo mostra comparativamente o laser vermelho focalizado em um CD, em um DVD-Vídeo (com comprimento de onda menor, ainda na cor vermelha) e o laser azul em disco do tipo Blu-ray:
A camada refletiva, que nos CDs localiza-se no fundo do "sanduíche" de camadas que compõem o disco, no DVD localiza-se no meio deste, mais próxima portanto do conjunto óptico de leitura, para permitir a focalização do raio em pontos menores e assim aumentar a densidade desses pontos, o que se reflete em maior capacidade de armazenamento.
Nos discos que empregam laser azul, como o Blu-ray e o HD-DVD por exemplo, essa densidade é ainda maior, o que exige a maior proximidade da camada refletiva da superfície do disco, ao mesmo tempo em que impede erros de leitura causados por efeitos de refringência do raio.
Essa maior proximidade da camada gravável da superfície exige por outro lado o emprego de uma camada reforçada de proteção abaixo da mesma.
Essas alterações, juntamente com a melhoria da qualidade óptica da camada transparente de proteção citada acima em relação aos outros tipos de discos de laser vermelho, permite o armazenamento muito maior de dados, da ordem de mais de 10Gb por face do disco.
Discos deste tipo com camada dupla podem chegar a armazenar 50Gb por face.
A capacidade maior de armazenamento é exigida por aplicações como HDTV e formatos HD como o HDV.
Como exemplos, tem-se o Blu-ray (que armazena 25Gb em camada simples e 50Gb em camada dupla) e o HD-DVD (15Gb e 30Gb respectivamente).
Os discos ópticos podem ser lidos e gravados, conforme seu tipo, em diferentes velocidades. O disco pode girar mais ou então menos rápido no drive: quanto mais rápido ele gira, mais rápida é a leitura / gravação e mais informações são portanto transferidas do disco ou para o disco em um dado intervalo de tempo.
A menor velocidade de leitura / gravação é de 150Kb/seg. (ou 153.600 bytes/seg, uma vez que 1 Kb corresponde a 1024 bytes) e surgiu como velocidade padrão estabelecida para os discos do tipo CD-Audio. Nestes discos, com capacidade típica de 650Mb podiam ser gravados até 74 minutos de áudio a 150Kb/seg.
Quando surgiram os discos graváveis e os regraváveis, os drives, por tratarem-se de discos destinados originalmente ao armazenamento de dados (e não de música), puderam adotar padrões diferentes, alterando essa velocidade de transferência de informações (também conhecida como bit rate) para valores mais altos.
Para facilitar a comparação entre os diversos drives, foi estabelecida então a notação "1X, 2X, etc...", significando quantas vezes determinado dispositivo era mais rápido do que o drive padrão de 150Kb/seg..
Assim, velocidade 2X corresponde a 300Kb/seg., a 4X ao dobro disso (600Kb/seg.) e assim por diante.
Como os discos CD-Audio são sempre reproduzidos a 1X (seu bit rate é constante) e como nesses discos a densidade (quantidade de pontos refletivos por área) de informação é também constante, o laser de leitura tem que ler a mesma quantidade de dados sempre.
No entanto, se o disco girasse a uma velocidade fixa, a "borda" do disco passaria mais rápido pelo leitor do que sua parte central. Fazendo uma analogia, isso era o que acontecia nos antigos LPs, onde a leitura feita no início do disco possuía maior velocidade de passagem pela agulha do que a feita em seu final - a velocidade de rotação do prato no toca-discos era sempre constante.
No entanto, essa variação não acarretava diferenças acusticamente perceptíveis aos usuários.
Como, conforme visto, nos discos graváveis e regraváveis não há necessidade de manter constante a taxa de bytes lidos por segundo, nesse caso o disco pode girar em velocidade constante.
Por este motivo drives de leitura/gravação desses discos possuem especificações como "12/20", significando que a taxa de bit rate é variável, de 12X na borda do disco a 20X próximo a seu início, na parte central (em discos ópticos a leitura / gravação é feita sempre de dentro para fora do disco).
Estudos apontam para um limite de trabalho de 52X (o que corresponde a cerca de 27.500 rpm) suportado pelo disco, antes que o mesmo sofra danos devido ao grande esforço rotacional - quebras e deformações acarretadas pela vibração e aquecimento. Nessa velocidade é possível transferir até 7,62Mb/seg. de informação.
No entanto, diferentes abordagens tem sido estudadas e testadas, como por exemplo o uso de mais de uma cabeça de leitura no mesmo drive.
Nem todas as mídias graváveis (CD-R / CD-RW por exemplo) podem ser gravadas em qualquer velocidade.
Velocidades maiores exigem estruturas físicas diferentes na montagem da camada gravável no disco.
Desta forma, existem discos que só podem ser gravados em velocidades baixas, de 1X a 4X.
Outros podem ser gravados em velocidades altas, variando de 4X a 10X por exemplo, porém somente em drives capazes de trabalhar também nessas velocidades.
É importante notar, no entanto, que a velocidade de gravação não tem nada a ver com a velocidade de leitura do disco, são operações completamente distintas, que podem-se processar em velocidades distintas.
Para drives de DVDs graváveis os conceitos são semelhantes. Em um drive de DVD, 1X corresponde a uma taxa de transferência de dados semelhante a de um CD a 9X (1.353Kb/seg ou, na notação mais usual, 1,32Mb/seg).
No entanto, isso não significa que o disco DVD gire a uma velocidade 9 vezes maior, pois nos DVDs a densidade de informação armazenada é cerca de 3 vezes maior do que nos CDs - assim, em média essa velocidade de giro é somente cerca de 3 vezes maior.
Assim como nos CDs, a correspondência aplica-se a velocidades maiores: 1X (DVD) = 9X (CD), 2X (DVD) = 18X (CD), 4X (DVD) = 36X (CD) e assim por diante.
Drives de DVD normalmente também lêem CDs; neste caso, a indicação 8X/20X significa que DVDs são lidos na velocidade 8X e CDs na velocidade 20X.
Deve ser observado que para DVD-Vídeo, da mesma forma que ocorre com os CD-Audio, também a velocidade de leitura é constante (1X, padrão DVD), sendo as demais velocidades, maiores, somente empregadas no armazenamento e recuperação de dados (discos DVD-RW por exemplo).
O mesmo limite teórico para velocidade de CDs também aplica-se a DVDs, correspondendo aqui à velocidade 16X, acima da qual poderiam ocorrer danos ao disco.
E, assim como nos CD-Audio, também para DVD-Vídeo, a velocidade angular de giro varia conforme a leitura esteja sendo efetuada mais próximo das bordas ou do centro do disco, para manter a taxa de leitura constante (CLV).
Embora para DVD-Vídeo a velocidade utilizada seja sempre 1X, alguns drives lêem estes discos a velocidades maiores.
Nesse caso, buffers de armazenamento temporário são empregados para armazenar o excesso de informação lida, tendo como vantagem por exemplo favorecer o avanço opcional com imagem mais rápido do que o normal (FF) ou a reprodução constante em caso deinterrupções causadas por vibrações no aparelho.
Memórias Flash
As memórias flash recebem esta denominação por possuírem tempos curtos de apagamento e escrita.
A maioria destas memórias efetua o apagamento em bloco e dura em torno de centenas de ms.
Entretanto, também são encontradas memórias mais recentes que oferecem o modo de apagamento por setor.
Mais informações sobre memória flash.
Referências
https://wiki.sj.ifsc.edu.br/index.php/DI2022802_2020_1_AULA09
