ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10: ΕΙΣΟΔΟΣ/ΕΞΟΔΟΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ

Transcript

1 ΗΜΥ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10: ΕΙΣΟΔΟΣ/ΕΞΟΔΟΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Διδάσκουσα: ΜΑΡΙΑ Κ. ΜΙΧΑΗΛ Επίκουρη Καθηγήτρια, ΗΜΜΥ [Προσαρµογή από Computer Architecture, Hennessy & Patterson, 2005, UCB] Επ: Κύρια Μέρη Υπολογιστή Processor Devices Control Memory Output Datapath Input Secondary Memory (Disk) Main Memory Cache ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.2 1

2 Traditionally Traditionally, I/O involves video/audio (screen, speakers, microphone), data input (scanner, keyboard, mouse), data output (printer) But ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.3 What happens when ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.4 2

3 Disk-based storage in computers! q Memory/storage hierarchy" Combining many technologies to balance costs/benefits" Recall the memory hierarchy and virtual memory lectures" q Persistence" Storing data for lengthy periods of time" - DRAM/SRAM is volatile : contents lost if power lost" - Disks are non-volatile : contents survive power outages" To be useful, it must also be possible to find it again later" - this brings in many interesting data organization, consistency, and management issues" ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.5 Storage (HDD Hard Disk Drive) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.6 3

4 Inside a magnetic hard disk ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.7 What s Inside A Disk Drive?! Arm Spindle Platters Actuator Electronics SCSI connector Image courtesy of Seagate Technology ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.8 4

5 Disk Electronics! Just like a small computer processor, memory, network interface Connect to disk Control processor Cache memory Control ASIC Connect to motor ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.9 Disk Geometry! q Disks contain platters: metal disks, each with two surfaces coated with magnetic material on each side q Each surface organized in concentric rings called tracks (there are usually 10,000-50,000 tracks per surface) q Each track consists of sectors separated by gaps (usual sector size is 512 bytes, sectors per track) tracks! surface! track k! gaps! spindle! platter! sectors! ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.10 5

6 Disk Operation (Single-Platter View)! " The disk surface! spins at a fixed! rotational rate! The read/write head! is attached to the end! of the arm and flies over! the disk surface on! a thin cushion of air! spindle! spindle! spindle! spindle! By moving radially, the arm can position the read/write head over any track! ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.11 Disk Geometry (Muliple-Platter View)! Aligned tracks form a cylinder" cylinder k surface 0! surface 1! surface 2! surface 3! surface 4! surface 5! platter 0! platter 1! platter 2! spindle! ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.12 6

7 Disk Operation (Multi-Platter View)! Cylinder operation q there are multiple read/write heads (2 per platter) q all heads are connected together q à same tracks in different platters (= cylinder) are accessed simultaneously read/write heads! move in unison! from cylinder to cylinder! arm! spindle! ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.13 Disk Capacity (Χωρητικότητα)! Capacity: maximum number of bits that can be stored. n Vendors express capacity in units of gigabytes (GB), where 1 GB = 10 9, or terabytes (TB, ) Capacity is determined by these technology factors: n Recording density (bits/in): number of bits that can be squeezed into a 1 inch segment of a track. n Track density (tracks/in): number of tracks that can be squeezed into a 1 inch radial segment. n Areal density (bits/in 2 ): product of recording and track density. ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.14 7

8 Computing Disk Capacity! Capacity = (# bytes/sector) x (avg. # sectors/track) x (# tracks/surface) x (# surfaces/platter) x (# platters/disk) Example: n 512 bytes/sector n 300 sectors/track (on average) n 20,000 tracks/surface n 2 surfaces/platter n 5 platters/disk Capacity = 512 x 300 x x 2 x 5 = 30,720,000,000 = GB ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.15 Disk Operation (Multi-Platter View)! Read/Write Head Arm Upper Surface Platter Lower Surface Cylinder Track Sector Actuator ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.16 8

9 Πώς δουλεύει ο δίσκος q 3 βήµατα για ανάκτηση δεδοµένων (1 sector): Το Head εντοπίζει το track (seek) - Seek Time ο χρόνος που χρειάζεται να βρει το track Το cylinder (οι δίσκοι) γυρνάει για να φέρει το κατάλληλο sector στο head - Rotational Latency ο χρόνος που χρειάζεται για να περιστραφεί (spin) στο sector όπου βρίσκονται τα δεδοµένα - RPM (Rotations Per Minute) οι δίσκοι γυρνάνε µε κάποια ταχύτητα (RPM), συνήθως 5,400 15,000 rpm Μεταφορά δεδοµένων Transfer Time ο χρόνος που χρειάζεται για να µεταφερθεί ένα µπλοκ δεδοµένων ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.17 Disk Drive Seek and Rotation ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.18 9

10 Disk Drive Seek and Rotation Step 1: Seek to the Desired Track Time = Seek Time ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.19 Disk Drive Seek and Rotation Step 2: Wait for Sector to Rotate Time = Rotational Latency ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.20 10

11 q Χαρακτηριστικά Μαγνητικού Δίσκου Στοιχεία Ανάγνωσης/Εγγραφής 1. Χρόνος Έρευνας (Seek time): τοποθέτηση κεφαλής πάνω στο σωστό αυλάκι (track) (3 to 14 ms avg) Controller + Cache Track Sector Cylinder - Λόγω τοπικότητας, ο πραγµατικός µέσο χρόνος έρευνας µπορεί να είναι γύρω στο 25% µε 33% του δηλωµένου. Platter Head 2. Χρόνος/Αναµονή περιστροφής (Rotational latency): ο χρόνος που ο επιθυµητός τοµέας (sector) χρειάζεται για να περιστραφεί κάτω από την κεφαλή (½ του 1/RPM µετατρέπεται σε ms) - από 0.5/5400RPM = 5.6ms µέχρι 0.5/15000RPM = 2.0ms 3. Χρόνος Μεταφοράς(Transfer time): µεταφορά ενός block of bits (ενός ή περισσότερου τοµέα) κάτω από την κεφαλή στο disk controller s cache (30 µε 80 MB/s είναι η συνηθισµένη ροή) - Το disk controller s cache εκµεταλλεύεται την τοπικότητα χώρου στης προσπέλασης δίσκου cache transfer rates are much faster (e.g., 320 MB/s) 4. Χρόνος Ελέγχου (Controller time): ο χρόνος που χρειάζεται το disk controller για να τροχοδροµήσει µια I/O προσπέλαση στο δίσκο (συνήθως <.2 ms) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.21 Disk Access Time! Average time to access a specific sector approximated by: n Taccess = Tavg seek + Tavg rotation + Tavg transfer Seek time (Tavg seek) n Time to position heads over cylinder containing target sector n Typical Tavg seek = 3-5 ms Rotational latency (Tavg rotation) n Time waiting for first bit of target sector to pass under r/w head n Tavg rotation = 1/2 x 1/RPMs x 60 sec/1 min n e.g., 3ms for 10,000 RPM disk Transfer time (Tavg transfer) n Time to read the bits in the target sector n Tavg transfer = 1/RPM x 1/(avg # sectors/track) x 60 secs/1 min n e.g., 0.006ms for 10,000 RPM disk with 1,000 sectors/track n given 512-byte sectors, ~85 MB/s data transfer rate ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.22 11

12 Disk Performance q Getting First Byte Seek + Rotational latency = 7,000 19,000 µsec q Getting Successive Bytes ~ 0.06 µsec each - roughly 100,000 times faster than getting the first byte! q Optimizing Performance: Large block transfers are more efficient Try to do other things while waiting for first byte - switch context to other computing task - processor is interrupted when transfer completes ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.23 Τυπικός Χρόνος Προσπέλασης Δίσκου q Ο µέσος χρόνος για ανάγνωση/εγγραφή ενός 512B sector για ένα δίσκο στα 10,000RPM µε µέσο χρόνο έρευνας 6ms, 50MB/sec ροή δεδοµένων, και 0.2ms χρόνο controller Avg disk read/write = 6.0ms + 0.5/(10000RPM/(60sec/minute) )+ 0.5KB/(50MB/sec) + 0.2ms = = 9.21ms Αν ο πραγµατικός χρόνος έρευνας είναι 25% του δοσµένου, τότε Avg disk read/write = = 4.71ms q Ο χρόνος περιστροφής είναι συνήθως το µεγαλύτερο µέρος του χρόνου προσπέλασης ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.24 12

13 Disk storage as array of blocks! OS s view of storage device (as exposed by SCSI or IDE/ATA protocols) n n n Common logical block size: 512 bytes! Number of blocks: device capacity / block size! Common OS-to-storage requests defined by few fields! n R/W, block #, # of blocks, memory source/dest! ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.25 Logical Disk Blocks! q Modern disks present a simpler abstract view of the complex sector geometry:" The set of available sectors is modeled as a sequence of b-sized logical blocks (0, 1, 2,...)" q Mapping between logical blocks and actual (physical) sectors" Maintained by hardware/firmware device called disk controller! Converts requests for logical blocks into (surface, track, sector) triples" q Allows controller to set aside spare cylinders for each zone" Accounts for the difference in formatted capacity and maximum capacity " ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.26 13

14 Page Faults! A page fault is caused by a reference to a VM word that is not in physical (main) memory n Example: An instruction references a word contained in VP 3, a miss that triggers a page fault exception Physical memory! Virtual address! Physical page! (DRAM)! ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.27 number or! Valid! disk address! PTE 0! 0! null! 1! 1! 0! 1! 0! null! 0! PTE 7! 1! Memory resident! page table! (DRAM)! VP 1! VP 2! VP 7! VP 4! Virtual memory! (disk)! VP 1! VP 2! VP 3! VP 4! VP 6! VP 7! PP 0! PP 3! Page Faults! A page fault is caused by a reference to a VM word that is not in physical (main) memory n Example: An instruction references logical a word block contained number in VP 3, can a miss be that triggers a page fault exception remembered in page table to identify disk location for pages not resident in Physical memory! Virtual address! Physical page! main memory (DRAM)! number or! VP 1! Valid! disk address! PP 0! VP 2! PTE 0! 0! null! 1! 1! 0! 1! 0! 0! PTE 7! 1! ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.28 null! Memory resident! page table! (DRAM)! VP 7! VP 4! Virtual memory! (disk)! VP 1! VP 2! VP 3! VP 4! VP 6! VP 7! PP 3! 14

15 Looking back at the hardware! CPU chip! register file! ALU! bus interface! main! memory! ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.29 Connecting I/O devices: the I/O Bus! CPU chip! register file! ALU! system bus! memory bus! bus interface! I/O! bridge! main! memory! USB! controller! graphics! adapter! I/O bus! disk! controller! Expansion slots for! other devices such! as network adapters!! mouse!keyboard! monitor! disk! ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.30 15

16 Reading from disk (1)! CPU chip! " register file! ALU! CPU initiates a disk read by writing a READ command, logical block number, number of blocks, and destination memory address to a port (address) associated with disk controller! bus interface! main! memory! I/O bus! USB! controller! mouse!keyboard! graphics! adapter! monitor! disk! controller! disk! ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.31 Reading from disk (2)! CPU chip! register file! ALU! Disk controller reads the sectors and performs a direct memory access (DMA) transfer into main memory! bus interface! main! memory! I/O bus! USB! controller! mouse!keyboard! graphics! adapter! monitor! disk! controller! disk! ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.32 16

17 Reading from disk (3)! CPU chip! register file! ALU! When the DMA transfer completes, the disk controller notifies the CPU with an interrupt (i.e., asserts a special interrupt pin on the CPU)! bus interface! main! memory! I/O bus! USB! controller! mouse!keyboard! graphics! adapter! monitor! disk! controller! disk! ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.33 Περιληπτικά q Σκοπός Sector Μακροπρόθεσµη αποθήκευση δεδοµένων χωρίς ηλεκτρ. ενέργεια Χαµηλότερο επίπεδο στην ιεραρχία - Πιο αργό, µεγάλο, χαµηλό κόστος Track q Γενική Δοµή Ένας περιστρεφόµενος δίσκος µε µαγνητική επιφάνεια Κινούµενο κεφάλι για ανάγνωση/εγγραφή q Συνήθεις Παράµετροι 1 µε 4 (1 ή 2 επιφάνειες) πιάτα ανά δίσκο, 1 µε 5.25 διάµετρο (οι 3.5 µονιµοποιήθηκαν το 2004) Ταχύτητα ροπής από 5,400 έως και 15,000 RPM (~18000 σήµερα) 10,000 µε 50,000 tracks ανά επιφάνεια - Κύλινδρος-cylinder όλα τα tracks κάτω από το κεφάλι σε µια δεδοµένη στιγµή σε όλες τις επιφάνειες. 100 µε 500 sectors ανά track - Το πιο µικρό κοµµάτι ανάγνωσης/εγγραφής (συνήθως 512B) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.34 17

18 Παραδείγµατα Δίσκων ( Characteristic Seagate ST37 Seagate ST32 Seagate ST94 Disk diameter (inches) Capacity (GB) # of surfaces (heads) Rotation speed (RPM) 15,000 7,200 5,400 Transfer rate (MB/sec) Minimum seek (ms) 0.2r-0.4w 1.0r-1.2w 1.5r-2.0w Average seek (ms) 3.6r-3.9w 8.5r-9.5w 12r-14w MTTF (hours@25 o C) 1,200, , ,000 Dimensions (inches) 1 x4 x5.8 1 x4 x x2.7 x3.9 GB/cu.inch Power: op/idle/sb (watts) 20?/12/- 12/8/1 2.4/1/0.4 GB/watt Weight (pounds) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.35 Χρόνος Προσπέλασης & Εύρος - Ορόσηµα CDC Wren SG ST41 SG ST15 SG ST39 SG ST37 RSpeed (RPM) Year Capacity (Gbytes) Diameter (inches) Interface ST-412 SCSI SCSI SCSI SCSI Bandwidth (MB/s) Latency (msec) Patterson, CACM Vol 47, #10, 2004 q Ο χρόνος προσπέλασης (latency) είναι ο µέσος χρόνος έρευνας (seek) συν τον χρόνο περιστροφής (rotation) q Το εύρος του δίσκου (bandwidth) είναι ο ψηλότερος αριθµός formatted data από το δίσκο (όχι από το cache). ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.36 18

19 Χρόνος Προσπέλασης & Εύρος: Βελτιώσεις q Ενώ το εύρος του δίσκου διπλασιάζεται (bandwidth doubles) η καθυστέρηση (latency) βελτιώνεται µεταξύ 1.2 µε 1.4 φορές Bandwidth (MB/s) Latency (msec) Year of Introduction ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.37 Σηµ.: Απαιτήσεις Εύρους και Χρόνου για Πολυµέσα q Bandwidth requirements Απαιτήσεις Εύρους High quality video (Υψηλής Ευκρίνειας) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.38 - Digital data = (30 frames/s) (640 x 480 pixels) (24-b color/pixel) = 221 Mb/s ( MB/s) High quality audio - Digital data = (44,100 audio samples/s) (16-b audio samples) (2 audio channels for stereo) = 1.4 Mb/s (0.175 MB/s) Η συµπίεση µειώνει (reduces) τις απαιτήσεις εύρους σε µεγάλο βαθµό q Θέµατα ανταπόκρισης (χρόνος latency) Πόσο ευαίσθητα είναι τα µάτια (αυτιά) σε µεταβολές σε video (audio) rates; Πώς εγγυόµαστε σταθερό ρυθµό παράδοσης δεδοµένων; Πόσο σηµαντικός είναι ο συγχρονισµός της εικόνας και του ήχου (audio and video streams); 15 to 20 ms early to 30 to 40 ms late is tolerable 19

20 Storage Dependability Reliability Availability q Αξιοπιστία (Reliability) Μέσος χρόνος µέχρι βλάβη -- mean time to failure (MTTF) Μέσος χρόνος επισκευής -- mean time to repair (MTTR) q Διαθεσιµότητα (Availability) Availability = MTTF/(MTTF + MTTR) q Για αύξηση του MTTF, είτε βελτιώνουµε την ποιότητα των υλικών ή σχεδιάζουµε ένα πιο αξιόπιστο σύστηµα που λειτουργεί στην παρουσία βλαβών 1. Αποφυγή Βλάβης (Fault avoidance): αποφυγή βλάβης µέσω καλής κατασκευής 2. Ανοχή Βλάβης (Fault tolerance): χρήση επιπρόσθετων/περιττών συστηµάτων/στοιχείων για λειτουργία στην παρουσία βλάβης Διόρθωση / Εύρεση βλάβης (Fault detection versus fault correction) Μόνιµες / Προσωρινές βλάβες (Permanent faults versus transient faults) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.39 RAIDs: Disk Arrays / Συστήµατα Δίσκων Redundant Array of Inexpensive Disks q Συστήµατα µικρών και φθηνών δίσκων Αύξηση της παραγωγής (throughput) µέσω πολλών δίσκων - Τα δεδοµένα εξαπλώνονται σε πολλούς δίσκους - Πολλαπλές αναφορές σε πολλούς δίσκους την ίδια ώρα (interleaving ή παράλληλα) q Reliability / Αξιοπιστία χαµηλότερη από µονό δίσκο q Μπορεί να βελτιωθεί µέσω χρήσης πολλαπλών δίσκων (RAID) όπου αντιγράφουµε τα δεδοµένα (redundancy) Χαµένα δεδοµένα ανακτώνται από τα αντίγραφα - MTTR (mean time to repair), τάξεως ωρών - MTTF (mean time to failure), τάξεως δεκάδων χρόνων ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.40 20

21 RAIDs: Disk Arrays / Συστήµατα Δίσκων The term "RAID" was first defined by David Patterson, Garth A. Gibson, and Randy Katz at the University of California, Berkeley in 1987 ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.41 RAID: Level 0 (No Redundancy; Striping) blk1 blk2 blk3 blk4 q Πολλαπλοί µικροί δίσκοι αντί ενός Εξάπλωση των block δεδοµένων σε πολλούς δίσκους striping - means that multiple blocks can be accessed in parallel increasing the performance - A 4 disk system gives four times the throughput of a 1 disk system Ίδιο κόστος µε ένα δίσκο (προϋπόθεση ότι το κόστος 4 µικρότερων δίσκων είναι το ίδιο µε τον ένα µεγάλο) q Χωρίς πλεόνασµα Τι γίνεται στην περίπτωση βλάβης; Failure of one or more disks is more likely as the number of disks in the system increases ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.42 21

22 RAID-0 Striping across disks No fault tolerance Use all of the disk space Best Performance Lose one disk and lose the data ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.43 RAID-1 Mirroring provides a copy or mirror Good fault tolerance Disk Space Available = Disk Drives / 2 RAID-1 does not have stripes Disk 1 Disk 1 Mirror ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.44 22

23 RAID: Level 0+1 (Striping with Mirroring) blk1.1 blk1.2 blk1.3 blk1.4 blk1.1 blk1.2 blk1.3 blk1.4 q Βάζει τα πλεονεκτήµατα του RAID 0 και RAID 1 σε ένα,bτα δεδοµένα αντιγράφονται σε 2 µέρη και παράλληλα γράφονται σε πολλούς δίσκους q Διπλάσιος αριθµός δίσκων από το RAID 0 (e.g., 8 smaller disks with second set of 4 duplicating the first set) άρα έχει πάντα δύο αντίγραφα δεδοµένων # redundant disks = # of data disks so twice the cost of one big disk - writes have to be made to both sets of disks, so writes would be only 1/2 the performance of RAID 0 q Τί γίνεται αν ένας δίσκος χαλάσει; redundant (check) data Απλά το σύστηµα φέρνει δεδοµένα από το δίσκο µε το αντίγραφο (If a disk fails, the system just goes to the mirror for the data) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.45 RAID-0+1 (a.k.a. RAID 10) Mirroring with Striping Good fault tolerance Disk Space Available = Disk Drives / 2 1a 1b 2a 2b 3a 2b 4a 2b 5a 3b 7a 4b 7a 4b 8a 4b 9a 5b 10a 6b 11a 6b 12a 6b 13a 6b 14a 8b 15a 8b 16a 8b ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.46 23

24 RAID-1 and RAID-10 I/O Characteristics Logical reads = Physical Reads Logical Writes = Physical Writes x 2 RAID-10 has better read performance can simultaneously read from both disks in the mirrored pair ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.47 RAID: Level 2 (Redundancy via ECC) blk1,b0 1 blk1,b1 q ECC (Κώδικες διόρθωσης λαθών) δίσκοι κρατούν την ισοτιµία δεδοµένων (parity) σε ένα set ξεχωριστών (distinct overlapping) δίσκων # redundant disks = log (total # of data disks) so almost twice the cost of one big disk - writes require computing parity to write to the ECC disks - reads require reading ECC disk and confirming parity q Ανέχεται περιορισµένο αριθµό βλαβών, τα δεδοµένα µπορούν να διορθωθούν βάσει των αποθηκευµένων ισοτιµιών ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.48 blk1,b2 blk1,b3 Checks 4,5,6,7 Checks 2,3,6,7 Checks 1,3,5, ECC disks (even) bit parity ECC (Error correcting codes) disks 4 and 2 point to either data disk 6 or 7, but ECC disk 1 says disk 7 is okay, so disk 6 must be in error 24

25 RAID: Level 3 (Bit-Interleaved Parity) blk1,b0 1 q Το κόστος ψηλότερης διαθεσιµότητας είναι 1/N όπου το N είναι ο αριθµός των δίσκων σε µια οµάδα προστασίας (protection group) # redundant disks = 1 # of protection groups - writes require writing the new data to the data disk as well as computing the parity, meaning reading the other disks, so that the parity disk can be updated q Ανέχεται περιορισµένο ποσοστό βλάβης (limited disk failure) - reads require reading all the operational data disks as well as the parity disk to calculate the missing data that was stored on the failed disk ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.49 blk1,b1 blk1,b2 blk1,b disk fails (odd) bit parity disk RAID: Level 4 (Block-Interleaved Parity) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.50 blk1 blk2 blk3 blk4 block parity disk q Το κόστος ψηλότερης διαθεσιµότητας είναι ακόµα 1/N αλλά η ισοτιµία (parity) αποθηκεύεται σαν blocks συζευγµένα µε sets απο κανονικά data blocks Four times the throughput (striping) # redundant disks = 1 # of protection groups Υποστηρίζει small reads και small writes (reads and writes that go to just one (or a few) data disk in a protection group) - by watching which bits change when writing new information, need only to change the corresponding bits on the parity disk - the parity disk must be updated on every write, so it is a bottleneck for back-to-back writes q Ανέχεται περιορισµένο ποσοστό βλάβης (limited disk failure) 25

26 Small Writes q RAID 3 small writes New D1 data D1 D2 D3 D4 P 3 reads and 2 writes involving all the disks D1 D2 D3 D4 P q RAID 4 small writes New D1 data D1 D2 D3 D4 P 2 reads and 2 writes involving just two disks D1 D2 D3 D4 P ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.51 RAID: Level 5 (Distributed Block-Interleaved Parity) one of these assigned as the block parity disk q Το κόστος ψηλότερης διαθεσιµότητας είναι ακόµα 1/N αλλά το block ισοτιµίας µπορεί να είναι σε οποιονδήποτε δίσκο, άρα δεν έχουν µειονέκτηµα οι εγγραφές Still four times the throughput (striping) # redundant disks = 1 # of protection groups Supports small reads and small writes (reads and writes that go to just one (or a few) data disk in a protection group) Allows multiple simultaneous writes as long as the accompanying parity blocks are not located on the same disk q Ανέχεται περιορισµένο ποσοστό βλάβης (limited disk failure) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.52 26

27 Distributing Parity Blocks RAID 4 RAID P P P P P P P3 13 P q Διασκορπώντας τα blocks ισοτιµίας σε όλους τους δίσκους µερικά small writes γίνονται παράλληλα ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.53 RAID-5 Striping Distributed Parity Disk space = Disk Drives Parity 4 5 Parity 6 7 Parity 8 9 Parity ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.54 27

28 RAID-5 Write Step 1: Data and Parity are Read Parity 4 5 Parity 6 7 Parity 8 9 Parity ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.55 RAID-5 Write Step 2: New Parity is Calculated XOR Engine Calculates parity Parity 4 5 Parity 6 7 Parity 8 9 Parity ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.56 28

29 RAID-5 Write Step 3: Data and Parity are Written Parity 4 5 Parity 6 7 Parity 8 9 Parity ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.57 Επανάληψη q Τέσσερις ορολογίες χρόνου: Seek Time / Χρόνος Έρευνας: advertised to be 3 to 14 ms but lower in real systems Χρόνος περιστροφής: 5.6 ms at 5400 RPM and 2.0 ms at RPM Χρόνος Μεταφοράς: 30 to 80 MB/s Χρόνος ελέγχου (controller): typically less than.2 ms q Τα RAIDS χρησιµοποιούνται για αξιοπιστία και διαθεσιµότητα RAID 0 and RAID 5 widely used in servers, one estimate is that 80% of disks in servers are RAIDs RAID 1 (mirroring) EMC, Tandem, IBM RAID 3 Storage Concepts RAID 4 Network Appliance q Τα RAIDS έχουνε αρκετό πλεόνασµα δεδοµένων για συνεχή λειτουργία, (αλλά όχι hot swapping) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.58 29

30 Review: Major Components of a Computer Processor Devices Control Memory Output Datapath Input q Σηµαντικοί παράµετροι συστήµατος Ι/Ο Απόδοση (Performance) Ικανότητα Επέκτασης (Expandability) Συνέπεια/Αξιοπιστία (Dependability) Κόστος, µέγεθος, βάρος ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.59 Συσκευές Εισόδου και Εξόδου (I/O Devices) q Οι συσκευές I/O διαφέρουν σε µεγάλο βαθµό, ανάλογα µε: Συµπεριφορά (Behavior) είσοδος, έξοδος ή αποθήκευση Συνεργάτης (Partner) άνθρωπος ή µηχανή Ροή Δεδοµένων (Data rate) η µέγιστη ροή µε την οποία µπορούν να µεταφερθούν δεδοµένα µεταξύ της συσκευής Ι/Ο της κυρίως µνήµης ή του επεξεργαστή Device Behavior Partner Data rate (Mb/s) Keyboard input human Mouse input human Laser printer output human Graphics display output human Network/LAN input or output machine Magnetic disk storage machine orders of magnitude range (always in base 10) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.60 30

31 I/O -- Μέτρηση Απόδοσης q Εύρος (I/O bandwidth) (throughput) ποσότητα πληροφοριών που εισέρχεται (ή εξέρχεται) και επικοινωνεί µέσω µιας διασύνδεσης (π.χ. ένας δίαυλος) µε επεξεργαστή/µνήµη, ανά µονάδα χρόνου 1. Πόσα δεδοµένα µπορούµε να µεταφέρουµε µέσω του συστήµατος κατά τη διάρκεια κάποιου χρονικού διαστήµατος; 2. Πόσες Ι/Ο πράξεις µπορούν να γίνουν ανά µονάδα χρόνου; q Χρόνος Ανταπόκρισης (I/O response time) (latency) ο συνολικός χρόνος διεκπεραίωσης ενός Ι/Ο αιτήµατος Ιδιαίτερα σηµαντική παράµετρος σε συστήµατα πραγµατικού χρόνου (real-time systems) q Πολλές εφαρµογές απαιτούν και ψηλό εύρος και χαµηλό χρόνο ανταπόκρισης ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.61 A Typical I/O System Processor Interrupts Cache Memory - I/O Bus Main Memory I/O Controller I/O Controller I/O Controller Disk Disk Graphics Network ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.62 31

32 Απόδοση Συστήµατος I/O q Σχεδιασµός ενός συστήµατος Ι/Ο για συγκεκριµένο εύρος και χρόνο ανταπόκρισης περιλαµβάνει: 1. Καθορισµό του αδύναµου κρίκου στο σύστηµα I/O η µονάδα που περιορίζει το σύστηµα The processor and memory system? The underlying interconnection (e.g., bus)? The I/O controllers? The I/O devices themselves? 2. (Ανά)διάταξη του αδύναµου κρίκου για εκπλήρωση απαιτήσεων εύρους και χρόνου ανταπόκρισης 3. Καθορισµός απαιτήσεων για υπόλοιπες µονάδες και (ανα)διάταξη τους για υποστήριξη των καινούριων παραµέτρων (latency and/or bandwidth) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.63 I/O System Performance Example q A disk workload consisting of 64KB reads and writes where the user program executes 200,000 instructions per disk I/O operation and a processor that sustains 3 billion instr/s and averages 100,000 OS instructions to handle a disk I/O operation The maximum disk I/O rate (# I/O s/sec) of the processor is Instr execution rate 3 x = = 10,000 disk I/O s/s Instr per I/O ( ) x 10 3 a memory-i/o bus that sustains a transfer rate of 1000 MB/s Each disk I/O reads/writes 64 KB so the maximum I/O rate of the bus is Bus bandwidth 1000 x = = 15,625 I/O s/s Bytes per I/O 64 x 10 3 SCSI disk I/O controllers with a DMA transfer rate of 320 MB/s that can accommodate up to 7 disks per controller disk drives with a read/write bandwidth of 75 MB/s and an average seek plus rotational latency of 6 ms what is the maximum sustainable I/O rate and what is the number of disks and SCSI controllers required to achieve that rate? ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.64 32

33 Disk I/O System Example Processor 10,000 I/O s/s Cache Memory - I/O Bus 15,625 I/O s/s 320 MB/s Main Memory I/O Controller I/O Controller Disk Disk Disk Disk 75 MB/s Up to 7 ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.65 Παράδειγµα Απόδοσης Συστήµατος I/O, Συν. So the processor is the bottleneck, not the bus disk drives with a read/write bandwidth of 75 MB/s and an average seek plus rotational latency of 6 ms Disk I/O read/write time = seek + rotational time + transfer time = 6ms + 64KB/(75MB/s) = 6.9ms Thus each disk can complete 1 I/O operation in 6.9ms à in 1 sec (1000ms) it will complete 1000ms/6.9ms = 144 I/O s per sec. To saturate the processor requires 10,000 I/O s per second or 10,000/144 = 69 disks To calculate the number of SCSI disk controllers, we need to know the average transfer rate per disk to ensure we can put the maximum of 7 disks per SCSI controller and that a disk controller won t saturate the memory-i/o bus during a DMA transfer Disk transfer rate = (transfer size)/(transfer time) = 64KB/6.9ms = 9.56 MB/s Thus 7 disks won t saturate either the SCSI controller (with a maximum transfer rate of 320 MB/s) or the memory-i/o bus (1000 MB/s). This means we will need 69/7 or 10 SCSI controllers. ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.66 33

34 Σύστηµα διασύνδεσης I/O Προβλήµατα q Ένας δίαυλος (bus) είναι κοινό µέσο επικοινωνίας (a single set of wires used to connect multiple subsystems) που χρειάζεται να υποστηρίζει ένα εύρος ποικίλων καθυστερήσεων (latencies) και διάφορα µεγέθη ροής δεδοµένων Πλεονεκτήµατα (advantages) - Versatile / Ευελιξία new devices can be added easily and can be moved between computer systems that use the same bus standard - Low cost / Χαµηλό Κόστος a single set of wires is shared in multiple ways Μειονεκτήµατα (disadvantages) - Creates a communication bottleneck bus bandwidth limits the maximum I/O throughput (το εύρος περιορίζει την παραγωγή) q H µέγιστη ταχύτητα του διαύλου περιορίζεται από Το µήκος (length of the bus) Τον αριθµό ενεργών συσκευών (number of devices on the bus) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.67 Χαρακτηριστικά Διαύλων Bus Master Control lines: Master initiates requests Data lines: Data can go either way Bus Slave q Control lines / Γραµµές Ελέγχου Signal requests and acknowledgments Indicate what type of information is on the data lines q Data lines / Γραµµές Δεδοµένων Data, addresses, and complex commands q Η συναλλαγή (Bus transaction) αποτελείται από Master issuing the command (and address) request Slave receiving (or sending) the data action Defined by what the transaction does to memory - Input inputs data from the I/O device to the memory - Output outputs data from the memory to the I/O device ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.68 34

35 Είδη διαύλων q Επεξεργαστής Μνήµη (proprietary) Short and high speed Matched to the memory system to maximize the memoryprocessor bandwidth Optimized for cache block transfers q Δίαυλος I/O (industry standard, e.g., SCSI, USB, Firewire) Usually is lengthy and slower Needs to accommodate a wide range of I/O devices Connects to the processor-memory bus or backplane bus q Backplane bus (industry standard, e.g., ATA, PCIexpress) The backplane is an interconnection structure within the chassis Used as an intermediary bus connecting I/O busses to the processor-memory bus ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.69 Συγχρονισµένοι και Ασύγχρονοι Δίαυλοι q Synchronous bus (e.g., processor-memory buses) Includes a clock in the control lines and has a fixed protocol for communication that is relative to the clock Advantage: involves very little logic and can run very fast Disadvantages: - Every device communicating on the bus must use same clock rate - To avoid clock skew, they cannot be long if they are fast q Asynchronous bus (e.g., I/O buses) It is not clocked, so requires a handshaking protocol and additional control lines (ReadReq, Ack, DataRdy) Advantages: - Can accommodate a wide range of devices and device speeds - Can be lengthened without worrying about clock skew or synchronization problems Disadvantage: slow(er) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.70 35

36 Asynchronous Bus Handshaking Protocol q Output (read) data from memory to an I/O device ReadReq Data Ack DataRdy 1 addr data 6 7 I/O device signals a request by raising ReadReq and putting the addr on the data lines 1. Memory sees ReadReq, reads addr from data lines, and raises Ack 2. I/O device sees Ack and releases the ReadReq and data lines 3. Memory sees ReadReq go low and drops Ack 4. When memory has data ready, it places it on data lines and raises DataRdy 5. I/O device sees DataRdy, reads the data from data lines, and raises Ack 6. Memory sees Ack, releases the data lines, and drops DataRdy 7. I/O device sees DataRdy go low and drops Ack ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.71 Η ανάγκη για προτεραιότητα στον δίαυλο q Πολλαπλές συσκευές απαιτούν την χρήση του διαύλου την ίδια ώρα. Χρειάζεται κατανοµή προτεραιότητας q Τα σχήµατα προτεραιότητας συνήθως κατανέµουν: Bus priority the highest priority device should be serviced first Fairness even the lowest priority device should never be completely locked out from the bus q Τα σχήµατα προτεραιότητας χωρίζονται σε τέσσερις κατηγορίες: Daisy chain arbitration see next slide Centralized, parallel arbitration see next-next slide Distributed arbitration by self-selection each device wanting the bus places a code indicating its identity on the bus Distributed arbitration by collision detection device uses the bus when its not busy and if a collision happens (because some other device also decides to use the bus) then the device tries again later (Ethernet) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.72 36

37 Daisy Chain Bus Arbitration Device 1 Highest Priority Device 2 Device N Lowest Priority Bus Arbiter Ack Ack Ack Release Request wired-or Data/Addr q Πλεονέκτηµα - Απλότητα q Μειονεκτήµατα: Δεν εξασφαλίζει δίκαιη κατανοµή (fairness) a low-priority device may be locked out indefinitely Αργό the daisy chain grant signal limits the bus speed ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.73 Centralized Parallel Arbitration Device 1 Device 2 Device N Bus Arbiter Ack1 Request1 Request2 RequestN Ack2 AckN Data/Addr q Πλεονεκτήµατα: ευέλικτο, εγγυάται δίκαιη κατανοµή. q Μειονεκτήµατα: πιο περίπλοκα arbiter hardware q Χρήση σε όλους τους διαύλους µνήµης-επεξεργαστή και σε διαύλους ψηλών ταχυτήτων I/O ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.74 37

38 Το Εύρος Διαύλου Εξαρτάται από Αν είναι σύγχρονο ή όχι, και τα χαρακτηριστικά χρόνου του πρωτοκόλλου που ακολουθείται Το πλάτος σε bits του διαύλου Την ποσότητα δεδοµένων που υποστηρίζει (block, word, byte, etc.) Firewire USB 2.0 Type I/O I/O Data lines 4 2 Clocking Asynchronous Asynchronous Max # devices Max length 4.5 meters 5 meters Peak bandwidth 50 MB/s (400 Mbps) 100 MB/s (800 Mbps) 0.2 MB/s (low) 1.5 MB/s (full) 60 MB/s (high) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.75 Example: The Pentium 4 s Buses 2 serial ATAs: 150 MB/s Memory Controller Hub ( Northbridge ) Graphics output: 2.0 GB/s Gbit ethernet: GB/s 2 parallel ATA: 100 MB/s System Bus ( Front Side Bus ): 64b x 800 MHz (6.4GB/s), 533 MHz, or 400 MHz DDR SDRAM Main Memory Hub Bus: 8b x 266 MHz PCI: 32b x 33 MHz 8 USBs: 60 MB/s I/O Controller Hub ( Southbridge ) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.76 38

39 Buses in Transition q Companies are transitioning from synchronous, parallel, wide buses to asynchronous narrow buses Reflection on wires and clock skew makes it difficult to use 16 to 64 parallel wires running at a high clock rate (e.g., ~400 MHz) so companies are transitioning to buses with a few oneway wires running at a very high clock rate (~2 GHz) PCI PCIexpress ATA Serial ATA Total # wires # data wires (2-way) 2 x 4 (1-way) 16 (2-way) 2 x 2 (1-way) Clock (MHz) Peak BW (MB/s) (3 Gbps) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.77 ATA Cable Sizes q Serial ATA cables (red) are much thinner than parallel ATA cables (green) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.78 39

40 I/O και το Λειτουργικό Σύστηµα q The operating system acts as the interface between the I/ O hardware and the program requesting I/O To protect the shared I/O resources, the user program is not allowed to communicate directly with the I/O device q Thus OS must be able to give commands to I/O devices, handle interrupts generated by I/O devices, provide equitable access to the shared I/O resources, and schedule I/O requests to enhance system throughput I/O interrupts result in a transfer of processor control to the supervisor (OS) process ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.79 Communication of I/O Devices and Processor q Πως ο επεξεργαστής κατευθύνει τις συσκευές I/O Ειδικές I/O εντολές ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.80 - Must specify both the device and the command «Τοποθέτηση» (mapping) συσκευών I/O στην µνήµη - Portions of the high-order memory address space are assigned to each I/O device - Read and writes to those memory addresses are interpreted as commands to the I/O devices - Load/stores to the I/O address space can only be done by the OS q Πως µια συσκευή I/O επικοινωνεί µε τον επεξεργαστή Έλεγχος / Polling the processor periodically checks the status of an I/O device to determine its need for service - Processor is totally in control but does all the work - Can waste a lot of processor time due to speed differences Interrupt-driven I/O η συσκευή I/O διακόπτει µε ένα σήµα τον επεξεργαστή ζητώντας προσοχή 40

41 Interrupt-Driven I/O q An I/O interrupt is asynchronous wrt instruction execution Is not associated with any instruction so doesn t prevent any instruction from completing - You can pick your own convenient point to handle the interrupt q With I/O interrupts Need a way to identify the device generating the interrupt Can have different urgencies (so may need to be prioritized) q Advantages of using interrupts Relieves the processor from having to continuously poll for an I/O event; user program progress is only suspended during the actual transfer of I/O data to/from user memory space q Disadvantage special hardware is needed to Cause an interrupt (I/O device) and detect an interrupt and save the necessary information to resume normal processing after servicing the interrupt (processor) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.81 Interrupt-Driven Input Memory Processor Receiver 1. input interrupt add sub and or beq user program Keyboard lbu sb... jr : input interrupt service routine memory ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.82 41

42 Interrupt-Driven Input Processor Memory Receiver Keyboard 1. input interrupt 2.1 save state 2.2 jump to interrupt service routine 2.4 return to user code add sub and or beq lbu sb... jr user program 2.3 service interrupt input interrupt service routine memory ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.83 Interrupt-Driven Output Processor Memory Trnsmttr Display 1.output interrupt 2.1 save state 2.2 jump to interrupt service routine 2.4 return to user code add sub and or beq lbu sb... jr user program 2.3 service interrupt output interrupt service routine memory ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.84 42

43 Direct Memory Access (DMA) Απευθείας Προσπέλαση Μνήµης q Για συσκευές ψηλού εύρους (π.χ. δίσκοι) το interruptdriven I/O θα χρησιµοποιούσε πολλούς κύκλους επεξεργαστή q Απευθείας Προσπέλαση Μνήµης (DMA)-- το I/O controller µεταφέρει δεδοµένα απευθείας (directly) προς/από την µνήµη χωρίς την ανάµειξη του επεξεργαστή 1. The processor initiates the DMA transfer by supplying the I/O device address, the operation to be performed, the memory address destination/ source, the number of bytes to transfer 2. The I/O DMA controller manages the entire transfer (possibly thousand of bytes in length), arbitrating for the bus 3. When the DMA transfer is complete, the I/O controller interrupts the processor to let it know that the transfer is complete q Ένα σύστηµα µπορεί να έχει πολλαπλά DMA processors Αν έχει πολλαπλά Ι/Ο busses à 1 DMA per bus ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.85 Το Πρόβληµα Δεδοµένων µε DMA (Stale data problem / Coherence problem) q Τα συστήµατα µε caches έχουν δύο αντίγραφα δεδοµένων (ένα στο cache και ένα στην κυρίως µνήµη) For a DMA read (from disk to memory) the processor will be using stale data if that location is also in the cache For a DMA write (from memory to disk) and a write-back cache the I/O device will receive stale data if the data is in the cache and has not yet been written back to the memory q Η συµφωνία cache/µνήµης λύνεται µε διάφορους τρόπους: 1. Routing all I/O activity through the cache expensive and a large negative performance impact 2. Having the OS selectively invalidate the cache for an I/O read or force write-backs for an I/O write (flushing) 3. Providing hardware to selectively invalidate or flush the cache need a hardware snooper (µελλοντική διάλεξη) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.86 43

44 ΕΠΟΜΕΝΗ ΔΙΑΛΕΞΗ ΚΑΙ ΚΑΤ ΟΙΚΟΝ ΜΕΛΕΤΗ q ΕΠΟΜΕΝΗ ΕΝΟΤΗΤΑ Interconnection Networks Principles / Δίκτυα Διασύνδεσης q ΚΑΤ ΟΙΚΟΝ ΜΕΛΕΤΗ Κεφάλαιο 6 (θέµατα που είδαµε στις διαλέξεις) Κεφάλαιο 8 Patterson&Hennessy (από το βιβλίο του ΗΜΥ212) ΗΜΥ312 ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ 9-10.Ι/Ο-Αποθήκευση.87 44