Arquitectura de Computadores II Clases #10

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1 Arquitectura de Computadores II Clases # Facultad de Ingeniería Universidad de la República Instituto de Computación Curso 29 Veremos E/S avanzada DMA Procesadores de E/S Periféricos Interfaces de alta velocidad Almacenamiento

2 E/S: características generales Conexión de memoria y E/S Buses del sistema Direccionamiento E/S aislada E/S mapeada en Memoria Estructuras de Control de E/S Polling Interrupciones Técnicas para leer un bloque de datos de entrada 2

3 Transferencia de datos basada en interrupciones Memoria CPU C. E/S () Int. de E/S (2) salvar PC add sub and or nop programa de usuario Ejemplo transferencias de bytes, vel de transf. del dispositivo = MBytes/s => bytes = µseg dispositivo (3) Dirección del servicio de Int. transferencias x µsecs = ms =. segundos de CPU C/int (contexto + handler) = µseg interrupciones =. segundos de CPU 2x overhead en las interrupciones! (4) read store... rti memoria rutina de servicio de la Int. Una posible solución: Direct Memory Access E/S programada y por interrupciones requieren la intervención activa de la CPU Limita la velocidad de transferencia CPU queda atada a la E/S Alternativa DMA Módulo adicional (hardware) en el bus El controlador de DMA sustituye a la CPU en tareas de E/S 3

4 Direct Memory Access: Cómo funciona? La CPU programa el controlador de DMA: Lectura/Escritura Dirección del dispositivo Dirección de comienzo del bloque de memoria Cantidad de datos a transferir La CPU hace otra tarea mientras el controlador de DMA se encarga de la transferencia El controlador de DMA interrumpe cuando finaliza Robo de ciclos del DMA Por cada palabra transferida, el DMA se adueña del bus No es una interrupción (no hay que cambiar de contexto) La CPU queda suspendida antes de acceder al bus Ej. Antes de leer o escribir en memoria Enlentece la CPU, pero no tanto como si hiciera la transferencia Breakpoints del DMA e Interrupciones durante el Ciclo de Instrucción 4

5 Direct Memory Access: Conexión al bus (i) Como afecta el cache al DMA? Buses? Un solo Bus, controlador de DMA desacoplado Cada transferencia usa el bus dos veces E/S a DMA, DMA a memoria CPU suspendida dos veces! Direct Memory Access: Conexión al bus (ii) Un solo Bus, controlador de DMA integrado con E/S El controlador puede soportar más de un dispositivo Cada transferencia usa el bus una sola vez DMA a memoria CPU suspendida una sola vez 5

6 Direct Memory Access: Conexión al bus (iii) Bus de E/S separado Permite escalar el DMA El bus soporta todos los dispositivos que usan el DMA Cada transferencia usa el bus una sola vez DMA a memoria CPU suspendida una sola vez Ejemplo: controlador DMA Intel 8237 Interfaz con DRAM y familia 8x86 Cuando el módulo de DMA necesita el bus manda señal HOLD al procesador CPU responde con HLDA (hold acknowledge) Módulo DMA puede usar el bus Ej. transferencia de datos de memoria a disco. El dispositivo requiere servicio del DMA mediante DREQ (DMA request) 2. DMA pide el bus mediante HRQ (hold request), 3. CPU finaliza el ciclo de bus actual (no necesariamente la instrucción) y entrega el bus mediante HDLA (hold acknowledge). HOLD se mantiene activo durante el servicio del DMA 4. DMA activa DACK (DMA acknowledge) para que el dispositivo inicia la transferencia 5. DMA arranca la transferencia poniendo la dirección del primer byte en el bus de direcciones y activando MEMR; luego activa IOW para escribir al periférico. El DMA decrementa en countador E incrementa el puntero de direcciones hasta que el contador llega a cero 6. DMA desactiva HRQ, y devuelve el bus a la CPU 6

7 DMA Intel 8237: uso del bus Direct Memory Access: Ejemplo En el ejemplo anterior: transferencias x µsecs = ms =. segundos de CPU secuencia de Inicialización del DMA = 5 µsec interrupción = µseg.5 segundos de CPU! (más el robo de ciclos) Mas eficiente para transferir bloques de datos contiguos! 7

8 Procesadores de Entrada/Salida (i) Sofisticación de los dispositivos de E/S Ej. placa de gráficos 3D CPU requiere transferencia al controlador de E/S El controlador de E/S es capaz de ejecutar instrucciones especializadas Es un computador en si mismo Procesador Puede tener memoria local Canales Procesadores La velocidad mejora Descarga de la CPU El procesador dedicado es más veloz () Procesadores de Entrada/Salida (ii) CPU IOP bus de memoria Mem principal CPU IOP (3) (4) (2) bus E/S D D2... Dn manda instrucción al IOP interrumpe cuando completa memoria Transferencias entre el dispositivo y memoria son controladas por el IOP directamente El IOP roba ciclos de memoria que hacer dispositivo destino donde están los comandos OP disp. Dirección se buscan los comandos en memoria OP Addr Cnt Otros donde poner los datos cuanto 8

9 Relación con la Arquitectura del Procesador Los Caches requeridos para la performance del procesador causan problemas a la E/S Vaciado es caro, la E/S ensucia el cache Existe una solución desarrollada para multiprocesadores con memoria compartida: "snooping" La Memoria Virtual frustra el DMA La inclusión de Procesadores de E/S tiene consecuencias visibles al programador Altera la arquitectura! (ISA) Debe mantenerse a futuro Qué pasa si las CPUs mejoran su performance más rápido que los IOP? Interfaces de alta velocidad El objetivo es conectar dispositivos a alta velocidad Históricamente: Procesador/memoria/buses dedicados Ethernet, ATM (WAN) Evolución Ethernet: Gbps, Gbps Extensiones de IP/Ethernet para SANs (Storage Area Networks) iscsi i Fibre Channel Otras tecnologías Myrinet, bonding: usada en clusters HPC FireWire InfiniBand 9

10 IEEE 394 FireWire Bus serial de alta performance Rápido Bajo costo Fácil de implementar También usado en cámaras digitales, VCRs y TV Tasas de tranferencia desde 25 a 4Mbps Similar a USB. Veamos USB 2. (2) llega a 48 Mbps. USB 2. host-based FireWire peer-to-peer FireWire IEEE 394b: tasas > 8 Mbps, fibra óptica IEEE 394 FireWire: Configuración Daisy chain Hasta 63 dispositivos en cada puerto Hasta 22 buses usando puentes Configuración automática No se necesitan terminadores de bus Soporta estructura de árbol

11 InfiniBand (i) Especificación de E/S para servidores high end Unión de Future I/O (Cisco, HP, Compaq, IBM) y Next Generation I/O (Intel) Version publicada en 2, Implementación futura Arquitectura y especificación para flujo de datos entre la CPU y dispositivos de E/S inteligentes Reemplazo de PCI en servidores Existen adaptadores Infiniband<->PCI-X Compite con (y es capaz de transportar) Gigabit Ethernet Fibre Channel InfiniBand (ii) Almacenamiento remoto, conectividad entre servidores La idea es interconectar servidores, almacenamiento y dispositivos remotos a un switch común Mayor densidad de servidores Data center escalable Nodos independientes se pueden agregar en demanda Distancias de la E/S al servidor 7m en cobre 3m fibra multimodo km fibra monomodo Hasta 3 Gbps

12 InfiniBand: I/O Area Network Convergencia de clusters, redes y almacenamiento (SANs) en una sola switch fabric IAN (I/O Area Network) Se usa básicamente en clusters HPC InfiniBand Switch Fabric 2

13 Interfaces de alta velocidad: una observación final En las últimas décadas la performance de las interfaces de alta velocidad ha crecido en varios órdenes de magnitud Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Gbit Ethernet, Infiniband, etc etc. Pero la performance de E/S no ha crecido comparativamente! Qué pasa? Desde los 8 s de usa TCP/IP, casi sin cambios ni optimizaciones! Qué hacer? Tipos de Memoria Externa Discos Magnéticos RAID Removible Discos Ópticos CD-ROM CD-Recordable (CD-R) CD-R/W DVD Cinta Magnética 3

14 Recordemos: por qué interesa la E/S? Performance CPU: >6% por año Performance de E/S (discos) limitada por retardos mecánicos < % por año (E/S por segundo) Recordar la Ley de Amdahl: la aceleración del sistema limitada por la parte más lenta! % E/S & x CPU => 5x Performance (se pierde 5%) % E/S & x CPU => x Performance (se pierde 9%) Cuello de botella de la E/S: Disminuye fracción del tiempo de uso de la CPU Disminuye el valor de tener CPUs más rápidas Obs: la gente se preocupa más por almacenar y comunicar información que por el cálculo "Information Technology" vs. "Computer Science" 96s - 98s: Computing Revolution 99s - 2s: Information Age Discos Magnéticos Sustrato cubierto por material magnetizable (p.ej. óxido de hierro) Mecanismos de lectura y escritura Grabado y recuperación mediante una cabeza magnética Puede haber una cabeza de lectura/escritura o separadas Durante la lectura/escritura la cabeza está fija y rotan los platos Escritura Corriente en la cabeza produce un campo magnético Se aplican pulsos de corriente en la cabeza Patrón magnético grabado en la superficie Lectura El campo magnético debido al movimiento relativo a la cabeza induce corriente Actualmente se usan cabezas de lectura magneto-resistivas Permiten mayor frecuencia de operación Mejor densidad de almacenamiento y más velocidad de acceso 4

15 Discos Magnéticos: Escritura inductiva, lectura MR Discos Magnéticos: Formato y organización de los datos Anillos concéntricos o tracks Gaps entre tracks Gap más pequeño -> mayor capacidad Igual cantidad de bits por track (densidad variable) Velocidad angular constante Tracks divididas en sectores Block size mínimo es un sector Puede haber más de un sector por bloque 5

16 Discos Magnéticos: Múltiples platos Una cabeza por lado Cabezas se alinean juntas Traks alineadas n cada plato forman cilindros Los datos son repartidos por cilindro Reduce movimiento de las cabezas Aumenta velocidad (tasa de transferencia) Discos Magnéticos: Cilindros 6

17 Discos Magnéticos: De la vida real Actuador Cabeza { Platos (2) Discos Magnéticos: Performance (i) Disk Latency = Seek Time + Rotation Time + Transfer Time + Controller Overhead Seek Time Situar cabeza en el track correcto Rotation Time Esperar que los datos roten debajo de la cabeza Transfer Time Depende de la tasa de transferencia del disco (ancho de banda, bit density ), tamaño del bloque requerido Parámetros que interesan Capacidad: %/año (2X / año) Tasa de Transferencia (BW): 4%/año (2X / 2 años) Rotation + Seek time: 8%/ year (/2 en años) MB/$: %/año (2X / año) Agrupar funciones en chips + densidad 7

18 Discos Magnéticos: Performance (ii) Estado del Arte: Barracuda GB, 3.5 inch disk 2 platos, 24 superficies 24,247 cilindros 7,2 RPM; (4.2 ms avg. latency) 7.4/8.2 ms avg. seek (r/w) 64 to 35 MB/s (interno). ms controller time.3 watts (idle) Calcular tiempo para leer 64 KB (28 sectores) Disk latency = average seek time + average rotational delay + transfer time + controller overhead = 7.4 ms +.5 * /(72 RPM) + 64 KB / (65 MB/s) +. ms = 7.4 ms +.5 /(72 RPM/(6ms/M)) + 64 KB / (65 KB/ms) +. ms = ms = 2.7 ms Discos Magnéticos: Historia (i) Data density Mbit/sq. in. Capacity of Unit Shown Megabytes 973:. 7 Mbit/sq. in 4 MBytes 979: 7. 7 Mbit/sq. in 2,3 MBytes source: New York Times, 2/23/98, page C3, Makers of disk drives crowd even more data into even smaller spaces 8

19 Discos Magnéticos: Historia (ii) 989: 63 Mbit/sq. in 6, MBytes 997: 45 Mbit/sq. in 23 MBytes 997: 39 Mbit/sq. in 8 MBytes source: New York Times, 2/23/98, page C3, Makers of disk drives crowd even mroe data into even smaller spaces Discos Magnéticos: Historia (iii) 2 IBM MicroDrive.7 x.4 x.2 GB, 36 RPM, 5 MB/s, 5 ms seek Cámaras digitales, PalmPC? 29 MicroDrive 3-8 GB, MB/s (se pronosticaba 9GB y 5MB/s) Flash Cards Almacenamiento de decenas de MBs Random access a los datos Wake-up time instantáneo desde standby Tolerante a choques y vibraciones 28/29: Apple y Dell -> notebooks con disco de estado sólido de hasta 256 GB. Experimentales de TB! 9

20 Discos Magnéticos: Historia (iv) -> 25 Travelstar C4K6 Slim hard disk drives Capacidad: 6, 2, 3, 2 (GB), 42 RPM Interface transfer rate (MB/sec, max): Ultra DMA mode-5 Tamaño (mm): 8. x 54 x 7, Peso (g): 6 Aplicaciones: Digital video camera (DVC) Portable digital audio / video (MP3, PMP) -> ipod Portable digital video (PMP) Handheld navigation Hitachi Microdrive 3K8 digital media hard disk drives Capacidad: 8 GB, 36 RPM Interface transfer rate (MB/sec, max) 33 Ultra DMA mode-2 Tamaño (mm): 5 x 4 x 3, Peso (g): 3 Aplicaciones: teléfonos móviles, Portable Digital Audio (MP3), Fotografía Digital Array de discos pequeños? Katz & Patterson, 987: podemos usar discos pequeños para cerrar la brecha de performance con la CPU? Conventional: 4 disk designs Low End 4 High End Disk Array: disk design 3.5 2

21 Array de discos pequeños? (Discos de 988) Capacity Volume Power Data Rate I/O Rate MTTF Cost IBM 339K 2 GBytes 97 cu. ft. 3 KW 5 MB/s 6 I/Os/s 25 KHrs $25K IBM 3.5" 6 32 MBytes. cu. ft. W.5 MB/s 55 I/Os/s 5 KHrs $2K x7 23 GBytes cu. ft. KW 2 MB/s 39 IOs/s??? Hrs $5K Interesante pero que pasa con la confiabilidad? Confiabilidad de N discos = Confiabilidad de Disco N 5, Horas 7 discos = 7 horas -> MTTF baja de 6 años a mes! Arrays (sin redundancia) muy poco confiables. 9X 3X 8X 6X RAID Redundant Array of Independent (Inexpensive) Disks Conjunto de discos físicos vistos como un solo volumen lógico por el Sistema Operativo Datos distribuidos en los discos físicos Se usa capacidad redundante para almacenar información de paridad Los archivos se parten en múltiples discos Redundancia -> alta disponibilidad Disponibilidad: se mantiene el servicio al usuario aunque algunos componentes fallen Discos fallan Información se reconstruye a partir de la redundancia almacenada en el array Penalización de capacidad x redundancia Penalización de Ancho de Banda para actualizar información redundante 2

22 RAID No tiene redundancia Datos distribuidos en todos los discos Stripping Round Robin Mejora velocidad Es probable que requerimientos múltiples no estén en el mismo disco Búsqueda en paralelo Conjunto de datos repartido en muchos discos Data Mapping en RAID 22

23 RAID RAID : Discos espejados ( mirrored ) Los datos son distribuidos en los discos 2 copias de cada tira de datos en discos separados Se puede leer de cualquiera Se escribe en ambos Sacrificio de Ancho de banda Escritura Lógica = dos escrituras físicas Recuperación es simple Cambiar disco fallado y re-mirror No hay down time Caro! Obs: la figura es RAID + RAID 2 Discos sincronizados Stripes muy pequeños Por ej. byte/word Corrección de errores se calcula usando bits correspondientes en los discos Múltiples discos de paridad almacenan código de Hamming para la corrección de errores Mucha redundancia # discos redundantes proporcional a logaritmo del # discos de datos Caro No se usa 23

24 RAID 3 RAID 3: Solo un disco redundante por array Se calcula y almacena el bit de paridad en el disco P Los datos del disco fallado se pueden reconstruir a partir de la información sobreviviente y el disco P Lógicamente se dispone de un disco de alta capacidad y alta tasa de transferencia Array ancho reduce costo/capacidad, pero baja la disponibilidad P RAID 4 En RAID 3 cada acceso necesita todos los discos: paridad de bit RAID 4 opera sobre bloques Cada disco puede operar en forma independiente Bueno para pequeñas lecturas Altas tasas de acceso de E/S Penalización de RAID 4: escrituras Cuando se actualiza un bloque, se deben leer todos los bloques de una tira para actualizar el bit de paridad 24

25 RAID 3 & 4 Problema del RAID: Small Writes D' D D D2 D3 P new data RAID-5: Algoritmo para Small Write Logical Write = 2 Physical Reads + 2 Physical Writes + old data XOR (. Read) old (2. Read) parity + XOR (3. Write) (4. Write) D' D D2 D3 P' 25

26 RAID 5 (y 6) Igual a RAID 4 Mejora: paridad repartida en todos los discos Paridad se escribe en round robin Elimina cuello de botella del disco de paridad Comunmente usado en servidores de red RAID 6: doble paridad, no se usa Resumen RAID El objetivo era mejorar la performance, popular gracias a confiabilidad del almacenamiento Disk Mirroring, Shadowing (RAID ) Cada disco es duplicado en su espejo Escritura lógica = dos escrituras físicas % overhead de capacidad Parity Data Bandwidth Array (RAID 3) Cálculo de Paridad horizontal Lógicamente un solo disco de gran ancho de banda High I/O Rate Parity Array (RAID 5) Bloques de Paridad interleaved Lecturas y escrituras independientes Escritura lógica = 2 lecturas + 2 escrituras 26

27 Disponibilidad a nivel del sistema host I/O Controller Fully dual redundant host I/O Controller Array Controller Array Controller Objetivo: evitar punto de falla único... Recovery Group... Con caminos duplicados, se tiene mayor Performance mientras no haya fallas Discos Removibles Pen-drive USB Discos externos USB, Firewire Histórico ZIP Barato Solo MB JAZ No es barato G L-2 (a: drive) También lee 3.5 floppy Lo más usado: CD-R y CD-R/W 27

28 Almacenamiento Óptico: CD-ROM Originalmente para audio 65Mbytes, 7 minutos de audio Polycarbonato revestido de material reflejante, usualmente aluminio Datos se almacenan como huecos Se leen mediante un laser que refleja Densidad y velocidad constante Velocidades del CD-ROM El audio tiene una velocidad única Velocidad lineal constante.2 m/s Track (espiral) tiene 5.27km de largo 439 segundos de audio = 73.2 minutos Otras velocidades se notan como múltiplos Ej. 48x Este número es el máximo 28

29 Otros Almacenamientos Ópticos CD-Recordable (CD-R) WORM Compatible con CD-ROM drives CD-RW Borrable Cada vez más barato Normalmente compatible con CD-ROM drive Funciona porque el material tiene diferente reflectividad en distintas fases DVD La sigla Digital Video Disk Reproductor de películas Digital Versatile Disk Disco genérico para computador DVD - tecnología Multi-capa Alta capacidad (4.7G por capa) Película completa en un disco Compresión MPEG Codificación x región Blu-ray 25GB x capa Video de alta definición, PS3 29

30 Cinta Magnética (i) Acceso serial Lento Barato Respaldo, archivo 7.7 feet 82 pounds,. kilowatts Ejemplo.7 feet Robot de almacenamiento StorageTek Powderhorn 93 6 x 5 GB 983 cintas = 3 TBytes (sin comprimir) Obs: todos los libros de la Biblioteca del Congreso USA son 3 TB ASCII Puede cambiar 45 cintas por hora.7 a 7.7 Mbyte/seg por lectorr, hasta lectores Cinta Magnética (ii) Digital Audio Tape (DAT) Usa cabeza rotativa (como el video) Alta capacidad en cinta pequeña. Originalmente: 4Gbyte sin comprimir 8Gbyte comprrimido Actualmente llega a 2G/4G Respaldo de PCs/servidores 3

31 Próxima clase Rendimiento 3

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