Αρχιτεκτονική Υπολογιστών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Υποσύστημα εισόδου εξόδου Διδάσκων: Επίκουρος Καθηγητής Αριστείδης Ευθυμίου

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 ΜΥΥ- 402 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Υπο- σύστημα εισόδου- εξόδου (Ι/Ο) Αρης Ευθυμίου

4 Το σημερινό μάθημα! Αξιοπιστία ορισμός μέτρα! Μαγνητικός/σκληρός δίσκος! Μνήμη flash! Συστοιχία δίσκων: RAID 2

5 Αξιοπιστία - εισαγωγή! Μέχρι πρόσφατα τα Ο.Κ. ήταν εξαιρετικά αξιόπιστα πολύ πιο πιθανό να «χαλάσει» ενας δίσκος από έναν επεξεργαστή! Από την τεχνολογία 65nm και μετά εμφανίζονται συχνότερα παροδικά σφάλματα (transient faults) μόνιμα σφάλματα (permanent faults)! Τα περισσότερα σφάλματα αφορούν ένα εξάρτημα σε διάφορετικα επίπεδα αφαίρεσης πλήρης αστοχία μιας ολόκληρης μονάδας - > σφάλμα ενός εξαρτήματος στη μονάδα υψηλότερου επιπέδου 3

6 Ορισμός αξιοπιστίας! Ξεκινάμε με τον ορισμό της αστοχίας (failure)! Service Level Agreement (SLA) ή Service Level Objecsves (SLO) «συμβόλαιο» που καθορίζει ακριβώς την υπηρεσία που παρέχεται! Καθορίζονται 2 καταστάσεις: 1. Service accomplishment, η υπηρεσία είναι όπως ορίζεται από την SLA 2. Service interrupson, αλλιώς! Αστοχία (failure): μετάβαση από την κατάσταση 1 στην 2! Αποκατάσταση (restorason): μετάβαση από την 2 στην 1 4

7 Αξιοπιστία (reliability)! Ενα μέτρο της συνεχούς εκπλήρωσης υπηρεσίας (service accomplishment) ισοδύναμα χρόνος μέχρι μία αστοχία, από κάποιο χρονικό σημείο αναφοράς Mean sme to failure (MTTF)! Παρόμοιο μέτρο: annual failure rate (AFR) ποσοστό συσκευών που αστοχούν σε ένα χρόνο 5

8 Αλλα σχετικά μέτρα! Διακοπή λειτουργίας Mean sme to repair (MTTR)! Πολύ συχνά χρησιμοποιείται το μέτρο: Mean sme between failures (MTBF) = MTTF + MTTR! Διαθεσιμότητα MTTF / MTBF 6

9 Βελτίωση αξιοπιστίας! Αποφυγή σφαλμάτων (avoidance) π.χ. χρησιμοποίηση καλύτερων υλικών! Ανοχή σφαλμάτων (tolerance) το σύστημα λειτουργεί ακόμη και όταν κάποια εξαρτήματα έχουν σφάλμα συνήθως με πλεονασμό (redundancy) π.χ. εφεδρικά εξαρτήματα! Πρόβλεψη σφαλμάτων (predicson) με σκοπό την αντικατάσταση του εξαρτήματος πρίν παρουσιάσει σφάλμα 7

10 Σκληρός δίσκος! «Μόνιμη» (non- volasle) αποθήκευση από τους σημαντικότερους ρόλους του υποσυστήματος I/O επιπλέον χρησιμοποιείται για αποθήκευση σελίδων που δεν χωρούν στην κύρια μνήμη! Το πιο συνηθισμένο μέσο είναι ο σκληρός δίσκος hard disk drive (HDD)! Ηλεκτρο- μηχανική συσκευή μαγνητική αποθήκευση 8

11 Το εσωτερικό ενός δίσκου Spindle Arm Head 9

12 Τμήματα δίσκου Arm Head Sector Platter Inner Track Outer Track Actuator! Η πληροφορία αποθηκεύεται μαγνητικά και στις δύο πλευρές των δίκων (pla ers)! Πληροφορία εγγράφεται σε τροχιές/ίχνη (track) που χωρίζονται σε τομείς (sector) συνήθως sector = 512 Bytes! Κεφαλές (heads), βραχίονες (arm) σε κάθε πλευρά κινούνται όλοι μαζί μαζί κίλυνδρος(cylinder): οι τροχιές όλων των επιφανειών σε ίση απόσταση από το κέντρο! Zone bit recording: πυκνότητα bit στο μαγνητικό υλικό σταθερή εξωτερικά track έχουν περισσότερους sectors από εσωτερικά 10

13 Προσπέλαση στο δίσκο! Διαδικασία προσπέλασης δεδομένων έχει 3 στάδια καθε ένα έχει και τον αντίστοιχο χρόνο/καθυστέρηση 1. Τοποθέτηση κεφαλής πάνω από τη σωστή τροχιά ονομάζεται αναζήτηση (seek) 2. Περιστροφή μέχρι η κεφαλή να είναι πάνω από το σωστό τομέα 3. Προσπέλαση (ανάγνωση/εγγραφή) και μεταφορά δεδομένων! Χρόνος προσπέλασης = άθροισμα των χρόνων των παραπάνων σταδίων + χρόνος ελεγκτή δίσκου + χρόνος αναμονής 11

14 Χρόνος αναζήτησης! Εξαρτάται από την προηγούμενη θέση της κεφαλής! Οι κατασκευαστές αναφέρουν ελάχιστη, μέγιστη τιμή ελάχιστη: ms! Μέσος χρόνος αναζήτησης κατασκευαστές: ο χρόνος όλων των δυνατών αναζητήσεων / αριθμός των αναζητήσεων 3 13 ms! Πραγματικός μέσος χρόνος αναζήτησης 25%- 33% του μέσου χρόνου που δίνουν οι κατασκευαστές λόγω τοπικότητας αναφορών δίσκου οφείλεται σε σειριακή προσπέλαση μεγάλων αρχείων και χρονοπρογραμματισμό από το Λ.Σ. ή τον ελεγκτή δίσκου 12

15 Χρόνος περιστροφής! Αγγλικός όρος: rotasonal latency/delay! Εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής περιστροφές ανά λεπτό! Ακριβής χρόνος εξαρτάται από τη θέση της κεφαλής! Υποθέτουμε ότι χρειάζεται μισή περιστροφή κατα μέσο όρο 0.5/5400 = 5.6ms 0.5/15000 = 2ms 13

16 Χρόνος μεταφοράς! Συχνά ονομάζεται disk to buffer rate! Εξαρτάται από ταχύτητα περιστροφής μέγεθος τομέα πυκνότητα αποθήκευσης στη μαγνητική επιφάνεια! Ενδεικτικές τιμές: ΜBytes/s! Πραγματικοί χρόνοι μεταφοράς είναι συχνά μεγαλύτεροι εσωτερικά οι δίσκοι χρησιμοποιούν cache SATA3 υποστηρίζει μέχρι 600ΜBytes/s 14

17 Μνήμη Flash! Ανταγωνιστική τεχνολογία για μόνιμη αποθήκευση solid state drive (SSD) μεγάλη αγορά μικρών, φορητών συσκευών «πληρώνει» το υψηλό κόστος ανάπτυξης! φορές ταχύτερη από μαγνητικό δίσκο! Καλύτερη ενεργειακή απόδοση! Ανθεκτικότητα σε κραδασμούς! Αρκετά μεγαλύτερο κόστος ανά bit σε σχέση με το σκληρό δίσκο 15

18 Βασική λειτουργία flash! NMOS τρανζίστορ με 2 πύλες, μία επάνω από την άλλη! Η ενδιάμεση πύλη (float gate) είναι ασύνδετη και «παγιδεύει» ηλεκτρόνια! Αν η float gate έχει φορτίο, ανεβάζει την τάση κατωφλίου του NMOS! Μεταβάλοντας την τάση στην επάνω πύλη (control gate), μπορεί κανείς να «διαβάσει» αν η κάτω πύλη έχει φορτίο ή όχι 16

19 Είδη μνήμης flash! NOR το πρώτο είδος που αναπτύχθηκε επιτρέπει προσπέλαση σε μια ολόκληρη λέξη χρήσιμη για firmware, BIOS, μεγαλύτερο μέγεθος, ακριβότερη! NAND σειριακή προσπέλαση ανά bit η πιο γνωστή κατηγορία! SSD, SD, 17

20 Μνήμη flash φθείρεται! Οι εγγραφές φθείρουν την floasng gate μετά από ένα αριθμό εγγραφών, καταστρέφεται! Eνσωμματωμένος ελεγκτής διανέμει τις εγγραφές σε όλα τα bits της flash ώστε να αποτραπεί το πρόβλημα wear leveling! Πρακτικά, φθορά δεν συμβαίνει ποτέ γιατί το προϊόν αντικαθίσταται νωρίτερα 18

21 Παραλληλισμός και Ι/Ο Τι είναι καλύτερο;! λίγοι μεγάλοι, ακριβοί δίσκοι! πολλοί μικροί, φθηνοί περισσότερες κεφαλές ανάγνωσης περισσότερες ανεξάρτητες προσπελάσεις (I/O rate) μεγαλύτερος ρυθμός δεδομένων (data rate) μικρότεροι δίσκοι πιο συμφέροντες ανα bit από τους μεγάλους! Πρόβλημα: πολύ χειρότερη αξιοπιστία 19

22 Redundant Array of Inexpensive Disks (RAID)! Επιπλέον δίσκοι για πλεονασμό πληροφορίας Ανοχή σφαλμάτων! Πολύ διαδεδομένη τεχνική σε όλους τους servers εμφανίζεται και σε desktop! Πολλές μορφές: RAID 0 RAID 6 20

23 RAID 0! Διαμοιρασμός δεδομένων σε πολλούς δίσκους λέγεται striping! Ταχύτερη προσπέλαση μεγάλων αρχείων παραλληλισμός! Δεν υπάρχει πλεονασμός 21

24 RAID 1! Κάθε δίσκος έχει ένα πλήρες αντίγραφο (mirror)! Διπλασιασμός αριθμού δίσκων Αστοχία ενός δίσκου (από κάθε ζεύγος) γίνεται ανεκτή! Κάθε (λογική) εγγραφή προκαλεί 2 πραγματικές εγγραφές 22

25 RAID3! Byte- Interleaved Parity κάθε συνεχόμενο byte σε διαφορετικό δίσκο επιπλέον δίσκος με πληροφορία πλεονασμού σχετική με μια «σειρά» bytes! Αποκατάσταση απαιτείται ανάγνωση πολλαπλών δίσκων! Μικρές εγγραφές: επανα- υπολογισμός του parity 23

26 RAID5! Υπολογισμός parity ανά block αντί για byte από το RAID4! Καλύτερος τρόπος υπολισμού parity για εγγραφές ταχύτερες εγγραφές! Διανομή των parity block σε όλους τους δίσκους 24

27 RAID6! Διπλό parity (p, q)! Μπορεί να αντιμετωπίσει 2 αστοχίες δίσκων συχνό πρόβλημα σε RAID5 λόγω χρήσης μεγάλων δίσκων: αστοχία δίσκου αντικατάσταση κατά την διαδικασία αποκατάστασης, αστοχία άλλου δίσκου 25

28 Τέλος Ενότητας

29 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

30 Σημειώματα

31 Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0. Έχουν προηγηθεί οι κάτωθι εκδόσεις: Έκδοση 1.0 διαθέσιμη εδώ.

32 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Διδάσκων: Επίκουρος Καθηγητής Αριστείδης Ευθυμίου. «Αρχιτεκτονική Υπολογιστών. Υποσύστημα εισόδου εξόδου». Έκδοση: 1.0. Ιωάννινα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

33 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή, Διεθνής Έκδοση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη. [1]