Arquitectura de Computadores

Transcripción

1 Arquitectura de Computadores Tema 14 Sistema de E/S Eduardo Daniel Cohen 1

2 Temas a Tratar Rol del Sistema Operativo Delegación de la responsabilidad de E/S del CPU Medidas de Performance en I/O Discos Magnéticos. Discos de Estado Sólido. Síntesis 2

3 En Perspectiva: En donde estamos? Tema del día: Entrada / Salida Processor Control Memory Input Datapath Output 3

4 Responsabilidades del Sistema Operativo El Sistema Operativo actúa como la interface entre: El Hardware de E/S y el programa que requiere una Operación de E/S. Tres Características del Sistema de E/S: Multiprogramación: E/S es compartido por varios programas. Los dispositivos de E/S usan en general interrupciones para comunicar al CPU información de las operaciones de E/S. - El SO debe hacerse cargo de manejar las interrupciones, ya que se ejecutan en modo supervisor. El control de bajo nivel de E/S es complejo: - Maneja un conjunto de eventos concurrentes. - Los requisitos para un adecuado control de los dispositivos son muy específicos para cada uno. 4

5 Requisitos para el Sistema Operativo Protección de Recursos compartidos de E/S. Garantiza que un programa de usuario solo acceda a los recursos a que tiene derecho. Abstracción en el uso de Dispositivos de E/S: Provee rutinas que manejan la operación de bajo nivel de los dispositivos. Manejo de Interrupciones generadas por Dispositivos E/S. Acceso equitativo a los recursos compartidos de E/S. Todos los programas de Usuarios deben tener buen servicio. Organizar los accesos para mejorar la productividad total del sistema. 5

6 SO y Sistema de E/S Requisitos de Comunicación El SO debe evitar que: El programa de Usuario se comunique directamente con el dispositivo de E/S. Si los programas de Usuario pudieran realizar E/S directamente: Imposible brindar protección a los recursos de E/S compartidos. Se requieren tres tipos de comunicación: 1. El SO debe ser capaz de dar órdenes al dispositivo de E/S. 2. El dispositivo de E/S debe ser capaz de informar al SO cuando haya cumplido una orden o haya aparecido un error. 3. Se deben transferir datos entre Memoria y el dispositivo de E/S. 6

7 1. Comunicación del SO con el Sistema de E/S. Dos métodos para direccionar un dispositivo E/S.: 1. Instrucciones especiales de E/S especifican: Identificación del Dispositivo y comando. ID del Dispositivo: Líneas de direcciones con líneas de control. Palabra de Comando: se envía en gral por las líneas de Datos. Ventaja: Instrucciones válidas solo en Modo Supervisor. 2. E/S Mapeada en Memoria: Se asignan áreas del espacio de direcciones a dispositivos de E/S. Accesos a estas direcciones se interpretan como comandos por los dispositivos de E/S. Los programas de usuario no tienen acceso directo a estas áreas: - El mecanismo de Mem. Virtual permite no asignarlas a usuarios. 7

8 2. Comunicación del Dispositivo E/S con el SO. El SO debe ser notificado cuando: Una Operación de E/S haya finalizado. Se haya producido un error durante la operación de E/S. Dos Alternativas de realización: 1. Programa Principal - Encuestas: - Cada dispositivo se asocia a un registro de Estado (STATUS) mapeado en memoria o en E/S. - El dispositivo de E/S pone información en un registro STATUS. - Periodicamente el SO chequea STATUS. 2. Interrupciones de E/S: - El dispositivo interrumpe al programa. - El servicio de la interrupción toma la información del Disp. 8

9 2.1 Programa Principal - Encuestas Memoria Fin Data? no Ventaja: si Simple: El CPU tiene el control y realiza el trabajo. Desventaja: CPU Interfase E/S Dispositivo Datos listos? si Leer Datos Guardar Datos Sobrecarga: Polling puede consumir mucho tiempo del CPU 9 no Lazo de Espera no es eficiente a menos que el dispositivo sea muy rápido Pero el chequeo se puede intercalar entre instrucciones de cálculo del programa

10 2.2 Interrupciones CPU Memoria Interfase E/S Ventaja: Dispositivo El programa principal sólo se detiene cuando se produce la transferencia. Desventaja: se necesita Hw especial para: Solicitar la Interrupción (Interfase Dispositivo E/S) Detectar la Interrupción (CPU) Salvar los estados adecuados para poder continuar el programa (CPU) 10

11 Comparación: Polling Vs. Interrupciones Polling es más rápido: El compilador sabe qué registros se usan en la encuesta, no necesita guardar y recuperar registros (al menos no tantos). Se evita otras sobrecargas por interrupciones (vaciado de pipeline, prioridades, etc). Polling es más lento: La sobrecarga por operaciones de polling ocurre haya o no operaciones de I/0. Un dispositivo podría esperar mucho tiempo antes de su servicio (varios dispositivos, o cálculo entre chequeos). Cuándo usar uno u otro? Compromiso: - Eventos frecuentes/regulares son buenos para polling, (así se sabe cuándo y cada cuánto chequear). - Para Eventos de frecuencia irregular, es mejor Interrupciones. 11

12 2.3. Transferencia de Datos. Polling o Interrupciones son aptos para conocer el estado de Dispositivos de E/S. Para enviar datos, hay que evitar que el CPU pierda tiempo y performance en programa de usuario. Conviene que el dispositivo envíe los datos directamente a memoria vía DMA. Repasar Curso Sistemas con µprocesadores y µcontroladores. 12

13 Delegación de funciones de E/S al DMA Direct Memory Access Control (DMAC): Externo al CPU. Actúa como master del Bus. Transfiere bloques de datos a M sin intervención del CPU. CPU envía dirección inicial, ID dispositivo, longitud del bloque a DMAC y le dice que comience. CPU Ancho de Banda del bus debe aguantar los requerimientos del CPU y de los ciclos de I/O, sino alguien saldrá perjudicado Se dice que el DMA roba ciclos del bus. DMAC viene en general en IOC Memory DMAC IOC device DMAC provee las señales de handshaking a los controladores de los periféricos (IOC), y también direcciones y señales de control de M. Interrumpe al CPU cuando termina. 13

14 Delegación de funciones de E/S al IOP (procesador de E/S) CPU Mem IOP Bus Mem-CPU D1 D2... (1) CPU emite una instrucción que informa al IOP el dispositivo y el lugar en M donde están los comandos. I/O bus Dn Dispositivo Dirección Prog I/O (1) Emite Instrucción al IOP CPU IOP (3) Memoria (3) El IOP controla directamente las Transferencias entre Disp y Mem IOP roba ciclos al Bus CPU-M. OP Device Address (4) IOP interrumpe al CPU al terminar (2) (2) IOP busca sus comandos en Mem. Qué hacer OP Addr Cnt Other donde poner datos Cuántos Pedidos Especiales 14

15 Consideraciones de diseño del sistema de E/S. Performance Escalabilidad Tolerancia a Fallos. CPU interrupciones Cache Memory - I/O Bus Memoria Controlador E/S Controlador E/S Controlador E/S Disco Disco Gráficos Network 15

16 Performance del Sistema de E/S La performance del Sistema de E/S depende de varios aspectos: CPU. Sistema de Memoria: - Caches - Memoria Principal. Interconexión (buses) Controladores de E/S. Dispositivos de E/S. Velocidad del SW de E/S. Eficiencia con que el SW usa los dispositivos de E/S. Dos métricas comunes de performance: Productividad: Ancho de Banda de E/S. Tiempo de Respuesta: Latencia 16

17 Modelo Productor-Servidor Productor Cola Productividad: Número de tareas que realiza el Servidor en la unidad de tiempo. Para obtener la máxima productividad: - El servidor no debería detenerse nunca. - La cola no debería estar vacía nunca. Tiempo de Respuesta: Comienza cuando una tarea se pone en la cola. Finaliza cuando el servidor la termina. Para minimizar el tiempo de respuesta: - La cola debería estar vacía. - El servidor debería estar inactivo. Servidor 17

18 Productividad Vs. Tiempo de Respuesta Tiempo de Respuesta (ms) % 40% 60% 80% 100% Porcentaje sobre máxima productividad En general se trata de que ningún recurso compartido esté ocupado más del 70-80% del tiempo. 18

19 Mejora de Productividad Queue Server Producer Queue Server En general la productividad puede mejorarse: Agregando más Hw al Sistema. El tiempo de respuesta es mucho más difícil de reducir: Está limitado por la tecnología. 19

20 E/S para Procesamiento de Transacciones Procesamiento de Transacciones: Gran cantidad de pequeños cambios a una gran base de datos compartida. Requerimientos: Productividad y Tiempo de Respuesta son importantes. Buena tolerancia a fallos. La métrica que cuenta como productividad es: Número de accesos a disco / segundo. (transfer time despreciable). Benchmarks: Típicamente una transacción ocupa: Entre 2 a 10 accesos a disco. Entre a instrucciones del CPU por cada acceso a disco. 20

21 E/S para Servidores de Archivo y Web. Gran cantidad de acceso a archivos a través de una red. SPECSFS para medición performance Server File Services. SPECWeb Acceso a páginas estáticas y Dinámicas. Métrica Principal: tasa de acceso a archivos y latencia. 21

22 Discos Magnéticos Propósito: Almacenamiento no volátil de largo alcance. Grande, barato y lento Registros Cache Memoria Disco Mínimo nivel en la jerarquía de Memoria. Detalles Constructivos: Placa rotatoria recubierta de una superficie magnética. Se usa una cabeza móvil de lectura/escritura para acceder al disco. Las placas son rígidas ( metal o vidrio) - Alta densidad, porque pueden ser controladas muy precisamente. - Alta tasa de transferencia porque pueden rotar muy rápido. - Pueden incorporar más de una placa (de 2 a 4). 22

23 Proceso de Lectura / Escritura Grabación Longitudinal Tecnología clásica a hoy. Problema: superposición de imanes con mayor densidad Grabación Perpendicular Superfice del Disco Nueva Tecnología: Permite mayor densidad de grabación y discos de

24 Distribución de Sectores en el Disco. Cada anillo en la figura es una pista Una pista está dividida en sectores Un sector contiene un número fijo de bytes (ej. 4KB) Pistas externas poseen más sectores densidad de grabación casi constante. Cilindro: pistas equidistantes del centro (en cada superficie). 24

25 Brazo Cabeza de lectura / escritura Seek: Búsqueda. Se mueve el brazo para que las cabezas alcancen la pista deseada. Latencia Circular: Se espera a que el sector llegue debajo del cabezal. Seek time: tiempo promedio para mover el brazo de una pista a otra. Latency time: Tiempo para media vuelta en promedio. Transfer time: Tiempo para leer un sector. 25

26 Formato Típico de un Sector L o c a t i o n a n d s y n c h r o n i z a t i o n i n f o r m a t i o n 1 0 B y t e s ( h e a d e r ) Data Util 4 KB E C C i n f o r m a t i o n 1 2 B y t e s O n e s e c t o r Un sector tiene un encabezado, datos, y código de corrección de errores El encabezado se usa para sincronizar la lectura y contiene la dirección del sector. Al final hay un código de detección / corrección de errores. 26

27 Características de los Discos Magnéticos Seek Time promedio que reporta el fabricante: Tipicamente en el rango de 8,5 a 12 ms. (Suma de tiempos de todos los posicionamientos) / (Cantidad total de posicionamientos posibles) Debido a la localidad de los accesos, el tiempo promedio real es menor: De 25% a 33% del valor anunciado por el fabricante. Cache de disco propietario (no hay una organización standard) reducen sustancialmente el tiempo de acceso. Si hay un hit se paga el tiempo de acceso a la electrónica del dispositivo, como en todo cache. Para los fallos se paga el acceso mecánico al disco. 27

28 Números Típicos para Discos Rígidos Latencia Rotacional: a RPM Aprox. 4 a 11 ms por rotación. En promedio el sector estará en la mitad de camino: 2 a 5,5 ms Tiempo de Transferencia depende de: Cantidad de Información (normalmente un sector): 4 KB / sector Densidad de grabación y Velocidad de Rotación. Valores típicos: 44 a 125 MB por segundo Tasa Pico detransf = revs seg Capacidad = Data bytes sect. prom sector pista sectors rev pistas superficie bytes sector # de superficies 28

29 Disco de 1 pulgada Hitachi 2007 Desarrollado para - Videocámaras - I-Pod. 20GB, 5-10MB/s 42.8 x 36.4 x 5 mm

30 Performance de E/S en Discos Request Rate Service Rate CPU λ Cola µ Controlador de Disco Disk Cola Disk Access Time = Seek time + Rotational Latency + Transfer time + Tiempo del Controlador + Retardo de la Cola Longitud Promedio de la Cola: Utilización = U = Tasa de Pedidos / Tasa de Servicios Longitud Media de la Cola = U / (1 - U) Contr. de disco Cuando Tasa de Pedidos Tasa de Servicios - Longitud Media de la Cola Infinito Disk 30

31 Ejemplo: Cálcular tiempo de Acceso Sectores de 4 KB, rota a RPM, seek time (fábrica) es 4 ms, tasa de transferencia: 100 MB/seg, sobrecarga del controlador: 0,2 ms, la cola está vacía, por tanto no hay tiempo de espera. posee igual cantidad de sectores por pista? Tiempo de Acceso = Seek time + Rotational Latency + Transfer time + tiempo del Controlador + Retardo de la cola Tiempo de Acceso = 4 ms + 0.5/15000 RPM + 4 KB/100 MB/s + 0,2 ms Tiempo de Acceso = 4 ms + 2 ms ms + 0,2 ms = 6,24 ms Si el seek time real fuese 1/4 de lo que dice la fábrica, entonces t a = 3.24 ms. La latencia de rotación puede ser menor al 50% si se tiene en cuenta la localidad de referencia y más si se lee anticipadamente en un cache del controlador. 31

32 Confiabilidad y Disponibilidad Confiabilidad: Tiempo hasta que se produce una caída de servicio. MTTF: mean time to failure de discos (se mide con n discos y se calcula pero se expresa en horas por marketing), es mejor AFR (porcentaje de fallas anual). Disponibilidad: Porcentaje de tiempo que el sistema está disponible. MTTR: Tiempo medio de la reparación. D = MTTF / (MTTF + MTTR). Disponibilidad se mejora: Mejorando Confiabilidad - Agregando Hw Redundante. Ej: agregar ECC (error correction code) a la memoria. - Mantenimiento Preventivo. - Disminuyendo Fallas. Mejora de las condiciones de trabajo (temperatura, tensión cte., ). Fabricando componentes más confiables. Diseñando con menos componentes Bajando MTTR. - Sistemas automáticos de diagnóstico, por ej. 32

33 Características Típicas: Seagate ST NS Diámetro: 3,5 Capacidad Formateado: 1000 GB Superficies: 4 (en general no vienen hoy más de 4). Rotación: 7200 rpm latencia: 4,2 ms. Cache Interno (propietario): 32 MB. Tasa de Transferencia sostenida: 105 MB/seg Seek Time. Mínimo 0,8 1 ms, Promedio: 8,5 9,5 ms. Precio en USA (2008) u$s 75 U$S 0,075/GB. Consumo 91 GB/Watt. (Activo, parado, dormido: 11/8/1 W). MTTF horas (136 años) a 25 C. AFR = 0,73% 33

34 Arreglos de Discos - RAID Nueva organización: Discos pequeños y baratos Mejora productividad con varios drives Los datos se distribuyen en distintos discos Accesos múltiples a varios discos en paralelo! La probabilidad de fallas es mayor que con un único disco: Pero se puede mejorar la confiabilidad agregando discos redundantes: en caso de fallos, se puede reconstruir la información a partir de la redundante. 34

35 Ver Oferta Amazon Disco 2 TB. WD Green 2 TB Desktop Hard Drive: 3.5 Inch, SATA III, 64 MB Cache - WD20EZRX By WESTERN DIGITAL 4.6 out of 5 stars List Price:$139.99Price:$98.31 & FREE Shipping. Ships from and sold by Amazon.com. Gift-wrap available. Want it Tuesday, June 4? Order within 23 hrs 55 mins and choose One-Day Shipping at checkout. Details WD Green hard drives reduce power consumption by up to 40% and offer best-inclass acoustics and operating temperature and 3rd generation SATA interface. IntelliPower - A fine-tuned balance of spin speed, transfer rate and caching algorithms designed to deliver both significant power savings and solid performance. IntelliSeek - Calculates optimum seek speeds to lower power consumption, noise, and vibration. 2TB capacity holds up to 400,000 digital photos, 500,000 MP3 files, and 240 hours of HD video. 2 year limited warranty. 35

36 Memoria Flash Ej. ipod Memoria Flash E/S D. Cohen UNT Arq. de Computadoras Controlador Flash 36

37 Memoria Flash" Empleado masivamente en dispositivos embebidos Cámaras fotográficas. Pen Drives. Teléfono Celular. Microcontroladores. MP3 s MP4 s Economía de escala. Reemplazará al disco? 37

38 Principios de Funcionamiento Vg" Vd" I n+ ds dielectric! dielectric! n+ Vs" Dos compuertas. Pero la del medio no se conecta. p- V 1. Los electrones situados en la compuerta g Ids flotante pueden quedar allí por muchos años V 2. 10,000 electrones en la compuerta flotante corren s el umbral del transistor a 2V. Compuerta Flotante. 3. En un arreglo flash, los transistores corridos guardan 0, los otros guardan V d

39 Compuerta Flotante: Movimiento de electrones Alta tensión en Fuente (Vd) inyecta electrones En la compuerta flotante Vd" n+ Vg" dielectric! dielectric! p- Tensión alta Vg quita electrones de la compuert flotante túnel. Vs" n+ 1. Inyección de electrones y efecto túnel produce pequeñas corrientes, y las escrituras son lentas. 2. Altas tensiones dañan la compuerta flotante. Demasiadas escrituras arruinan un bit. 39

40 Flash: Reemplazo de Disco Presenta memoria al sistema como grupos de páginas. Formato de Página:" 2048 Bytes" +" 64 Bytes" (user data)" 1GB Flash: 512K pages" 2GB Flash: 1M pages" 4GB Flash: 2M pages" Chip recuerda por 10 años. (meta data)" Registra blocks" no usables" 40

41 Escritura de una Página " Un block contiene 64 páginas:" 1GB Flash: 8K blocks" 2GB Flash: 16K blocks" 4GB Flash: 32K blocks" Para escribir una página:" 1. Borrar todas las páginas en el block (no se puede borrar una página sola). " Tiempo: 1,500,000 ns" 2. Escribir cada página individualmente, una a una. " Tiempo: 200,000 ns/ pág." Vida útil del block: 100,000 ciclos lectura / escritura." 41

42 Escritura en Flash Es importante mantener una cantidad pareja de ciclos de escritura en toda la memoria. Para que unos sectores no se arruinen antes que otros Y prolongar la vida útil de la Flash en su conjunto. En general, al escribir se lo hace en otra parte, y no se borra lo que estaba, sino su referencia en directorio. Se puede recuperar la información. Ventajas para errores. Desventajas para seguridad. Soporte TRIM. Borra sectores cuando el disco no trabaja. Se gana tiempo, pues cuando se necesita escribir sectores, se evita tener que borrarlos. 42

43 Qué pone Apple en sus IPods? Toshiba flash 1, 2GB shuffle, E/S D. Cohen Samsung flash 4, 8GB nano, Toshiba 1.8-inch HDD Toshiba flash 80, 160GB 8, 16, 32GB classic, UNT Arq. de Computadoras touch 43

44 Disco Estado Sólido en Argentina 2011 Disco Normal: Seek Time: 8,5 ms puede reducirse un 25% con localidad. Consumo 91 GB/Watt. (Activo, parado, dormido: 11/8/1 W). Latencia de Rotación: 2 a 5,5 ms correspondientes a 5400 RPM y RPM respectivamente. Transfer Rate: 50 a 150 MB por segundo 44

45 Disco Estado Sólido en Argentina HD 200GB TOSHIBA 4200 SATA NOTEBOOK U$S Argentina

46 2014 Oferta Amazon 512 GB. ADATA USA XPG SX GB 2.5- Inch SATAIII Internal Solid Sate Drive ASX910S3-512GM-C by ADATA Price:$ Capacity: 512 GB 552 and 530MB/sec (read/write) With 4K, random write speeds up to 85,000 IOPS LSI SandForce 2281 controller and the latest optimized firmware Five Year Warranty RAID Compatible 10 veces más caro!!! 46

47 Costos Disco Flash Amazon GB U$S 185. HD 2TB U$S 80 Costo/bit flash = 18,5 c/b HD. 47

48 Podrá Flash M. reemplazar a un disco? Ventajas FLASH. No es mecánica. - Resiste mejor a golpes. - No requiere mover brazos ni disco. Menor consumo. Más rápida en lecturas, similar en escrituras (cortas). - Tiempos de transferencia menores a Disco Magnético. Desventajas FLASH. Número limitado de ciclos de escritura. - Controlador equilibra el uso en toda la flash. - Cache con Write Back para reducir escrituras. De 10 a 20 veces más cara que el Disco magnético (USA 2011). Ideal en aplicaciones portátiles. Ya hay laptops con disco FLASH. Todavía más caras. 48

49 Resumen: Benchmarks de E/S: Procesamiento de Transacciones: Tasa de accesos a I/O. Sistema de Archivos y Servicios Web: lo principal es tasa de acceso a archivos. Teoría de Colas Latencia Vs. Productividad (70%) Mayor Productividad más. Disponibilidad y Confiabilidad Mejor Disponibilidad más y menos Mejor Confiabilidad más mejores... 49

50 Resumen: Tres componentes del tiempo de Acceso a Disco: Seek Time: 8,5 ms puede reducirse un 25% con localidad. Latencia de Rotación: 2 a 5,5 ms correspondientes a 5400 RPM y RPM respectivamente. Transfer Rate: 50 a 100 MB por segundo.flash Memory un contendiente serio del Disco Magnético. Resistencia a golpes. Menor consumo. Más rápido para lectura. 50