Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 6: Hệ thống lưu trữ và các thiết bị Xuất/Nhập khác

Nội dung text: Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 6: Hệ thống lưu trữ và các thiết bị Xuất/Nhập khác

1. Dẫn nhập  Đặc tính của các thiết bị ngoại vi thể hiện:  Hành vi (chức năng): Nhập (I), Xuất (O), Lưu trữ (storage)  Đối tượng tương tác: Người sử dụng hoặc máy  Tốc độ truyền: bytes/sec, transfers/sec  Kết nối tuyến I/O BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 2
2. Độ tin cậy (Dependability) Dịch vụ hoàn tất Cung cấp dịch vụ như đã đặc tả  Lỗi: một bộ phận nào đó sinh lỗi của nó Phục hồi lại Lỗi  Có & có thể không dẫn đến lỗi hệ thống Ngắt quãng dịch vụ Sai lệch với dịch vụ đã đặc tả BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 4
3. Lưu trữ trên đĩa  Nonvolatile (không tự biến mất), nhiều đĩa từ tính quay quanh 1 trục sectors BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 6
4. Ví dụ: Truy cập đĩa  Giả sử  Sector có 512Bytes, tốc độ quay 15,000rpm, thời gian dò tìm 4ms, tốc độ truyền 100MB/s, Phí tổn đ/khiển 0.2ms, idle disk  Thời gian đọc trung bình  4ms dò tìm + ½ / (15,000/60) = 2ms rotational latency + 512 / 100MB/s = 0.005ms thời gian truyền + 0.2ms trễ do bộ đ/khiển = 6.2ms  Thời gian thực tế = 25% của nhà sản xuất  1ms+2ms+0.005ms+0.2ms = 3.2ms BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 8
5. Lưu trữ Flash  Nonvolatile, lưu trữ bán dẫn  100× – 1000× nhanh hơn đĩa  Nhỏ hơn, tốn ít năng lương tiêu thụ, ổn định hơn  Tuy nhiên đắt hơn $/GB (giữa đĩa và DRAM) BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 10
6. Thành phần kết nối  Cần kết nối giữa các bộ phận như  CPU, bộ nhớ, Điều khiển I/O  Tuyến “Bus”: chia sẻ kênh truyền  Bao gồm nhóm các đường dây song song truyền dữ liệu và đồng bộ truyền dữ liệu  Hiện tượng cổ chai  Hiệu suất bị ảnh hưởng bởi các yếu tố vật lý như  Độ dài đường truyền, số kết nối  Phương án hiện nay: kết nối tuần tự tốc BK độ cao: giống mạng TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 12
7. Tín hiệu và Đồng bộ tuyến Bus  Đường dữ liệu (Data lines)  Địa chỉ & dữ liệu  Riêng biệt hoặc trộn lẫn  Đường điều khiển  Thể hiện loại dữ liệu trên đường truyền, đồng bộ các giao dịch  Đồng bộ  Sử dụng đồng hồ tuyến bus (tấn số thấp hơn)  Bất đồng bộ  Sử dụng cơ chế bắt tay (request/acknowledge) BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 14
8. Hệ thống x86 PC I/O BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 16
9. Các lệnh I/O  Thiết bị I/O devices được quản lý bằng phần cứng điều khiển I/O  Vận chuyển dữ liệu (từ I/O hay đến I/O)  Các tác vụ đồng bộ với phần mềm  Thanh ghi lệnh (Command registers)  Ra lệnh thiết bị thực hiện  Thanh ghi trạng thái (Status registers)  Mô tả trạng thái tức thời của thiết bị  Thanh ghi dữ liệu (Data registers)  Ghi (write): chuyển dữ liệu đến thiết bị  Đọc (read): chuyển dữ liệu từ thiết bị BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 18
10. Cơ chế Dò quét (polling)  Kiểm tra thanh ghi trạng thái liên tục  Nếu thiết bị sẵn sàng, thực hiện tác vụ I/O  Nếu lỗi, thực hiện biện pháp giải quyết  Thông dụng trong các hệ thống nhỏ hoặc các hệ thống nhúng không đòi hỏi hiệu suất cao, do:  Thời gian xử lý dễ tiên đoán trước  Giá thành phần cứng thấp  Trong các hệ thống khác: phí thời gian CPU (busy for waiting) BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 20
11. Phương thức vận chuyển  Hoạt động theo cơ chế dò quét & ngắt quãng  CPU chuyển dữ liệu giữ bộ nhớ và các thanh ghi dữ liệu của I/O  Tốn thời gian cho các thiết bị tốc độ cao  Truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA)  OS cấp địa chỉ bắt đầu trong bộ nhớ  Điều khiển I/O controller vận chuyển đến/từ bộ nhớ một cách chủ động  Bô điều khiển I/O ngắt quãng khi hoàn tất hay lỗi xảy ra BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 22
12. Hiệu xuất giữa I/O & CPU  Amdahl’s Law  Không thể bỏ qua hiệu xuất I/O khi gia tăng hiệu xuất tính toán (song song hóa) của CPU  Ví dụ:  Đo đạc cho thấy 90s (CPU time), 10s (I/O time)  Số CPU tăng gấp đôi mỗi năm và I/O không đổi Year CPU time I/O time Elapsed time % I/O time now 90s 10s 100s 10% +2 45s 10s 55s 18% +4 23s 10s 33s 31% +6 11s 10s 21s 47% BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 24
13. RAID 1 & 2  RAID 1: Đối xứng “Mirroring”  Số đĩa: N + N, sao chép dữ liệu giống nhau  Dữ liệu đồng thời được ghi trên cả 2 đĩa  Trong trường hợp lỗi, đọc đĩa đối xứng  RAID 2: Mã sửa lỗi  Số đĩa: N + E (e.g., 10 + 4)  Tách dữ liệu ở mức bit trên toàn bộ N  Tạo E-bit ECC (theo giải thuật)  Quá phức tạp không dùng trong thực tế BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 26
14. RAID 4: Parity mức khối xen kẽ  Số đĩa: N + 1  Dữ liệu phân mảnh, chứa trên toàn bộ N đĩa ở mức khối  Đĩa dư thêm chứa thông tin parity cho 1 nhóm khối  Truy cập (đọc): Chỉ đọc những đĩa chứa khối cần đọc  Truy cập (ghi):  Đọc đĩa chứa khối bị thay đổi và đĩa parity  Tính lại parity mới, cập nhật đĩa chứa dữ liệu và đĩa parity  Khi có lỗi  Sử dụng parity để khôi phục dữ liệu lỗi  Không thông dụng BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 28
15. RAID 5: Parity phân tán  Số đĩa: N + 1  Giống RAID 4, nhưng các khối parity phân tán khắp trên các đĩa  Tránh hiện tượng “cổ chai” với đĩa parity  Thông dụng BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 30
16. Kết luận về RAID  RAID cải thiện hiệu suất và tính sẵn sàng  Tính sẵn sàng cao đòi hỏi “thay nóng”  Giả sử lỗi đĩa độc lập, không có mối quan hệ  Khả năng phục hồi thấp  Tham khảo thêm “Hard Disk Performance, Quality and Reliability”  BK x.htm TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 32
17. Máy chủ (Servers)  Ứng dụng ngày càng được chạy trên máy chủ  Web search, office apps, virtual worlds,  Yêu cầu máy chủ làm trung tâm dữ liệu càng lớn  Đa xử lý, liên kết mạng, lưu trữ “khủng”  Không gian & năng lượng tiêu thụ hạn chế  Thiết bị xây dựng trên dạng rack 19”  BK Dưới dạng nhiều module 1.75” (1U) TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 34
18. Sun Fire x4150 1U server 4 cores each 16 x 4GB = 64GB DRAM BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật máy tính 36
19. Thiết kế hệ thống I/O (tt.)  Tốc độ I/O với tốc độ xử lý CPUs 9  Mỗi core: 10 /(100,000 + 200,000) = 3,333 tác vụ  8 cores: 26,667 ops/sec (3,333x8) tác vụ/giây  Đọc ngẫu nhiên, Tốc độ I/O với đĩa  Giả sử thời gian dò tìm là 25% theo thông số  Time/op = seek + latency + transfer = 2.9ms/4 + 4ms/2 + 64KB/(112MB/s) = 3.3ms  Mỗi giây là 1000ms 1000ms/3.3ms = 303 op/s  303 ops/sec per disk, 2424 ops/sec for 8 disks  Đọc liên tục: 112MB/s / 64KB = 1750 ops/sec per disk và 14,000 ops/sec for 8 disks BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 38
20. Ví dụ: Tính độ tin cậy đĩa  Nếu nhà sản xuất cho biết giá trị MTTF là 1,200,000 giờ (140 năm)  Sẽ hiểu rằng nó làm việc cho đến khi đó (140 năm)  Sai: Đó chỉ là thời gian trung bình đến khi lỗi có thể xảy ra  Phân bố lỗi ?  Lỗi sẽ ra sao khi có 1000 đĩa?  Bao nhiêu lỗi xảy ra trong năm BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 40