Wykład 14. Zagadnienia związane z systemem IO



Podobne dokumenty
Zagadnienia związane z systemem IO

Architektura komputerów

Wstęp do informatyki. Interfejsy, urządzenia we/wy i komunikacja. Linie magistrali

Architektura komputerów. Układy wejścia-wyjścia komputera

Architektura komputerów

Macierze RAID MARCEL GAŃCZARCZYK 2TI 1

Pamięci masowe. ATA (Advanced Technology Attachments)

Wybrane bloki i magistrale komputerów osobistych (PC) Opracował: Grzegorz Cygan 2010 r. CEZ Stalowa Wola

Architektura komputerów

Urządzenia wejścia-wyjścia

Architektura komputerów

Cele RAID. RAID z ang. Redundant Array of Independent Disks, Nadmiarowa macierz niezależnych dysków.

Zaliczenie Termin zaliczenia: Sala IE 415 Termin poprawkowy: > (informacja na stronie:

Technologie informacyjne - wykład 2 -

Wykład 2. Temat: (Nie)zawodność sprzętu komputerowego. Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna. Przedmiot:

RAID 1. str w przypadku różnych szybkości cała macierz będzie pracowała z maksymalną prędkością najwolniejszego dysku

Standard transmisji równoległej LPT Centronics

Architektura komputerów

Działanie systemu operacyjnego

Technologia informacyjna. Urządzenia techniki komputerowej

Architektura komputerów

dr inż. Jarosław Forenc

Struktura systemów komputerowych

Urządzenia zewnętrzne

LEKCJA TEMAT: Zasada działania komputera.

Architektura komputera

ZASADY PRZECHOWYWANIA DANYCH

Działanie systemu operacyjnego

Mikroprocesor Operacje wejścia / wyjścia

Podstawy Informatyki DMA - Układ bezpośredniego dostępu do pamięci

Architektura systemów komputerowych. Przerwania, pamięć, magistrale i urządzenia

Twardy dysk. -urządzenie pamięci masowej

Magistrala. Magistrala (ang. Bus) służy do przekazywania danych, adresów czy instrukcji sterujących w różne miejsca systemu komputerowego.

Urządzenia wej.-wyj. Plan (1) Plan (2)

Urządzenia wej.-wyj.

Urządzenia wej.-wyj. Plan (1) Plan (2) Rodzaje urządzeń wejściawyjścia

Architektura komputerów

Architektura systemu komputerowego. Działanie systemu komputerowego. Przerwania. Obsługa przerwań (Interrupt Handling)

Działanie systemu operacyjnego

Architektura systemu komputerowego

Struktura i funkcjonowanie komputera pamięć komputerowa, hierarchia pamięci pamięć podręczna. System operacyjny. Zarządzanie procesami

Architektura Systemów Komputerowych. Bezpośredni dostęp do pamięci Realizacja zależności czasowych

Programowanie Niskopoziomowe

Interfejsy systemów pomiarowych

Architektura komputerów

Systemy wejścia-wyjścia. wyjścia

Magistrala systemowa (System Bus)

Architektura systemów informatycznych

Wykład 9 Struktury pamięci masowej

System pamięci. Pamięć wirtualna

Interfejs urządzeń peryferyjnych

Dyski z interfejsem SCSI.

Pamięci zewnętrzne Dysk magnetyczny:

Wydajność systemów a organizacja pamięci, czyli dlaczego jednak nie jest aż tak źle. Krzysztof Banaś, Obliczenia wysokiej wydajności.

Systemy operacyjne. dr inż. Marcin Czajkowski. Studia podyplomowe Wydział Informatyki PB

Działanie systemu operacyjnego

Organizacja typowego mikroprocesora

Architektura komputera. Cezary Bolek. Uniwersytet Łódzki. Wydział Zarządzania. Katedra Informatyki. System komputerowy

Systemy Operacyjne i Sieci Komputerowe

ARCHITEKTURA PROCESORA,

Protokoły obsługi dysków. AHCI ( z ang. Advanced Host Controller Interface), NVMe ( z ang. Non-Volatile Memory express)

WPROWADZENIE Mikrosterownik mikrokontrolery

dr inż. Jarosław Forenc

dr inż. Jarosław Forenc Dotyczy jednostek operacyjnych i ich połączeń stanowiących realizację specyfikacji typu architektury

Systemy operacyjne. Struktura i zasady budowy. Rozdział 1 Wprowadzenie do systemów komputerowych

Wstęp do informatyki. System komputerowy. Magistrala systemowa. Architektura komputera. Cezary Bolek

Wydajność systemów a organizacja pamięci. Krzysztof Banaś, Obliczenia wysokiej wydajności. 1

Podstawowe zadanie komputera to wykonywanie programu Program składa się z rozkazów przechowywanych w pamięci Rozkazy są przetwarzane w dwu krokach:

URZĄDZENIA WEJŚCIA-WYJŚCIA

Pamięć - parametry. 1. Pojemność 2. Szybkość 3. Koszt 4. Pobór mocy

Architektura Systemów Komputerowych. Transmisja szeregowa danych Standardy magistral szeregowych

Stronicowanie w systemie pamięci wirtualnej

Pamięć wirtualna. Przygotował: Ryszard Kijaka. Wykład 4

Budowa Mikrokomputera

Układy wejścia/wyjścia

Software RAID funkcje dostarcza zaimplementowane oprogramowanie, bez wykorzystania z dedykowanych kontrolerów.

Dodatek B. Zasady komunikacji z otoczeniem w typowych systemach komputerowych

Architektura systemów komputerowych. dr Artur Bartoszewski

dr inż. Jarosław Forenc

Interfejsy. w systemach pomiarowych. Ryszard J. Barczyński, 2016 Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

PAMIĘCI. Część 1. Przygotował: Ryszard Kijanka

Płyta główna (ang. motherboard) najważniejsza płyta drukowana urządzenia elektronicznego, na której zamontowano najważniejsze elementy urządzenia, umo

Interfejsy szeregowe TEO 2009/2010

Architektura komputerów

CompactPCI. PCI Industrial Computers Manufacturers Group (PICMG)

Wykład 4. Interfejsy USB, FireWire

Podstawy techniki cyfrowej Układy wejścia-wyjścia. mgr inż. Bogdan Pietrzak ZSR CKP Świdwin

Architektura mikroprocesorów TEO 2009/2010

Wykład 8. Pamięć wirtualna. Wojciech Kwedlo, Wykład z Systemów Operacyjnych -1- Wydział Informatyki PB

MAGISTRALE ZEWNĘTRZNE, gniazda kart rozszerzeń, w istotnym stopniu wpływają na

Budowa systemów komputerowych

Technika Mikroprocesorowa

Dydaktyka Informatyki budowa i zasady działania komputera

Błąd pamięci karty graficznej lub Uszkodzona lub źle podpięta karta graficzna

Ograniczenia efektywności systemu pamięci

8. MAGISTRALE I GNIAZDA ROZSZERZEŃ. INTERFEJSY ZEWNĘTRZNE.

Architektura harwardzka Architektura i organizacja systemu komputerowego Struktura i funkcjonowanie komputera procesor, rozkazy, przerwania

Podstawy techniki cyfrowej i mikroprocesorowej II. Urządzenia wejścia-wyjścia

SYMBOLE I PIKTOGRAMY ZWIĄZANE Z UTK

Transkrypt:

Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO

Wprowadzenie Urządzenia I/O zróżnicowane ze względu na Zachowanie: wejście, wyjście, magazynowanie Partnera: człowiek lub maszyna Szybkość transferu: bajty na sekundę gigabajty/s Uproszczony obrazek: Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 2

Szybkość transmisji IO Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 3

Charakterystyka systemu IO Nacisk na niezawodność Szczególnie dla urządzeń magazynujących Wskaźniki wydajności Czas reakcji na żądanie (latency) Przepustowość (throughoutput, bandwidth) Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 4

Pamięci dyskowe Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 5

Dostęp do danych na dysku Każdy sektor zawiera: Identyfikator Dane (512 bajtów, propozycja 4096) Dane korekcyjne (ECC) Używane do automatycznej naprawy błędów Pola oddzielające Dostęp do sektora: Oczekiwanie w kolejce (jeśli są inne żądania) Poszukiwanie ścieżki (przesunięcie głowicy) Oczekiwanie na sektor (obrót talerza) Transfer danych Narzut kontrolera Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 6

Przykład dostępu do dysku Dane 512B sektory, 15,000rpm, 4ms średni czas poszukiwania ścieżki, 100MB/s transfer, 0.2ms narzut kontrolera, brak innych dostępów Średni czas odczytu: 4ms czas poszukiwania sekt. + ½ / (15,000/60) = 2ms oczekiwanie na sektor + 512 / 100MB/s = 0.005ms transfer + 0.2ms narzut kontrolera = 6.2ms Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 7

Kilka uwag o dyskach Producenci podają średni czas poszukiwania Wyliczony na podstawie wszystkich możliwych odwołań W rzeczywistości lokalność i planowanie OS gwarantują mniejsze czasy Dyski dysponują własnymi pamięciami cache Sektory pobierane z,,wyprzedzeniem do cache Odpada czas poszukiwania i oczekiwania na sektor Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 8

Pamięci flash Pamięci półprzewodnikowe 100 1000 mnijeszy czas reakcji niż dysk Mniejsze wymiary i zużycie energii, większa odpornośc na uszkodzenia Ale droższe za GB(pomiędzy dyskiem a RAM) Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 9

Połączenia Musimy połączyć CPU, pamięć, kontrolery I/O Klasycznie: współdzielona magistrala (Bus) Równoległa wiązka przewodów Może stać się wąskim gardłem systemu Fizyczne ograniczenia Długość przewodów, liczba podłączanych urządzeń Tendencja: wiele szybkich (szeregowych) połączeń pomiędzy poszczególnymi urządzeniami Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 10

Równoległe synchroniczne Wiązka przewodów transmituje jednocześnie całe słowo Linie danych, adresowe i sterujące Wszystkie podłączone urządzenia synchronizowane tym samy sygnałem zegarowym (jedna z linii magistrali). Wobec powyższego magistrala nie może być zbyt długa. Ustalony protokół komunikacji, np. odczyt z pamięci: w pierwszym cyklu zegarowym magistrali procesor wysyła sygnał odczytu (linia sterująca) oraz adres w piętnastym cyklu pamięć umieszcza na linii danych zawartość żądanego adresu (pierwsze słowo) Prosta logika sterująca, duża szybkość działania Zazwyczaj magistrala procesor-pamięć -- krótka, operuje na dużej częstotliwości zegara Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 11

Asynchroniczne równoległe Brak synchronizującego sygnału zegarowego Wymagany protokół komunikacji (sygnały na liniach sterujących) Odczyt z pamięci. Linie sterujące: ReadReq, DataRdy, Ack} Urządzenie ustawia ReadReq i adres na linii danych Pamięć po zauważenieu ReadReq ustawia Ack Urządzenie zwalnia linie ReadReq i danych Pamięć umieszcza odczytane dane na linii danych i ustawia DataRdy Urządzenie widząc DataRdy odczytuje dane i potwierdza sygnałem Ack Pamięć, widząc Ack zwalnia DataRdy i linie danych Urządzenie, widząc zero na linii DataRdy zwalnia Ack Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 12

Równoległe a szeregowe Magistrala równoległa: Sygnał rozchodzi się po całym,,drucie'' i stabilizuje Słowo danych przesyłane równolegle po wiązce,,drutów' Magistrala szeregowa,,fala'' sygnałów podąża z ustaloną częstotliwością po jednym,,drucie' Słowo danych wysyłane szeregowo bit po bicie Współczesna tendencja: zastępowanie magistral równoległych magistralami szeregowymi Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 13

Przykłady magistral I/O Firewire USB 2.0 PCI Express Serial ATA Serial Attached SCSI Intended use External External Internal Internal External Devices per channel 63 127 1 1 4 Data width 4 2 2 4 4 Peak bandwidth 50MB/s or 100MB/s 0.2MB/s, 1.5MB/s, or 60MB/s 250MB/s/lane 1, 2, 4, 8, 16, 32 300MB/s 300MB/s Hot pluggable Yes Yes Depends Yes Yes Max length 4.5m 5m 0.5m 1m 8m Standard IEEE 1394 USB Implementers Forum PCI-SIG SATA-IO INCITS TC T10 Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 14

Typowe połączenia w x86 Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 15

Zarządzanie I/O Zarządzaniem zajmuje się zwykle OS Wiele programów korzysta równolegle z I/O Potrzebna jest ochrona i planowanie Operacje I/O często sterowane przerwaniami (interrupts) Mechanizm podobny do wyjątków (exceptions) Programowanie I/O skomplikowane OS zapewnia programom odpowiedni poziom abstrakcji Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 16

Rozkazy I/O Urządzenia I/O zarządzane przez sprzętowe kontrolery I/O Transfer danych z/do urządzenia Synchronizacja operacji Rejestry rozkazów Wymuszają odpowiednie zachowanie urządzeń I/O Rejestry stanu Co robi urządzenie; sygnalizacja błędów Rejestry danych Zapis: transfer do urządzenia Odczyt: transfer z urządzenia Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 17

Rozkazy I/O c.d. I/O mapowane w pamięci (Memory mapped) Wspólna przestrzeń adresowa dla pamięci i rejestrów kontrolerów; te same rozkazy (lw,sw) OS używa mechanizmu translacji adresów, zapewniając dostęp do I/O tylko dla siebie I/O izolowane Osobne adresy rejestrów I/O Używane tylko przez I/O Przykład: x86 Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 18

Odpytywanie Procesor sprawdza sam rejestr stanu I/O Jeśli urządzenie gotowe, wykonaj operacje Jeśli błąd wykonaj odpowiednią akcję Dobre tylko w nielicznych zastosowaniach Strata czasu procesora Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 19

Mechanizm przerwań Gdy urządzenie jest gotowe lub wystąpił błąd Kontroler zgłasza procesorowi przerwanie Obsługa przerwań podobna do wyjątków Procesor wykonuje odpowiednią procedurę obsługi przerwania Ważniejsze urządzenia mają wyższe priorytety I mogą przerywać procedury obsługi urządzeń o niższym priorytecie Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 20

Transfer danych I/O Odpytywanie i przerwania: CPU steruje transferem między pamięcią a rejestrami I/O Strata czasu procesora Direct memory access (DMA) Procesor (OS) ustala adres i rozmiar transferu Kontroler I/O controller zajmuje się transferem samodzielnie Kontroler zgłasza przerwanie po całym procesie. Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 21

DMA/Cache Jeśli DMA zapisuje do bloku, który jest w cache: Kopia bloku w cache przestaje być aktualna Jeśli mamy strategię,,zapisu po : odczyty DMA mogą sięgać do nieaktualnych bloków Problem spójności danych Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 22

RAID Redundant Array of Inexpensive (Independent) Disks Kilka niedużych dysków (zamiast jednego dużego) Dzięki równoległości odczytów poprawia się wydajność Nadmiarowe dyski poprawiają odporność systemu na błędy RAID 0 Brak nadmiarowości ( AID?) Dane podzielone na paski (np. sektory) rozproszone na dyskach Poprawa wydajności Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 23

RAID 1 & 2 RAID 1: Mirroring N + N dysków, duplikowane dane Dane zapisywane na dysk i jego kopię Jeśli któryś dysk jest uszkodzony czytamy z kopii RAID 2: Error correcting code (ECC) N + E dysków (np., 10 + 4) Małe paski Dane rozdzielone na N dysków E dysków do korekcji błędów (ECC) Nie używane w praktyce Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 24

RAID 3 N + 1 dysków Małe paski (bajty) rozdzielone na N dysków Dodatkowy dysk przechowuje bity parzystości Odczyt Równoległy odczyt z wszystkich dysków Zsychronizowane głowice Zapis Generuj nowe bity parzystości i uaktualnij dyski W przypadku uszkodzenia dysku Bity parzystości używane do rekonstrukcji danych Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 25

RAID 4: N + 1 dysków Duże paski pojedynczy dostęp do jednego paska Dodatkowy dysk: bity parzystości Odczyt Tylko jeden dysk Zapis Dysk z odpowiednim paskiem + bit parzystości Dodatkowy dysk jest wąskim gardłem (przy równoległych zapisach Błąd: Jak w RAID 3 Nie jest powszechnie używany Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 26

RAID 5: N + 1 dysków Jak RAID 4, ale bity parzystości rozproszone na wszystkich dyskach Poprawia obsługę równoległych zapisów Często używany Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 27

RAID 6: Dwa kody korygujące N + 2 disks Jak RAID 5, ale dwa niezależne algorytmy korekcji Wykład 14 Zagadnienia związane z systemem IO 28