Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 6: Hệ thống lưu trữ và các thiết bị Xuất/Nhập khác - Nguyễn Thanh Sơn
Computer Architecture
Computer Science & Engineering
Chương 6
Hệ thống lưu trữ và các
thiết bị Xuất/Nhập khác
BK
TP.HCM
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
2
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Đặc tính của hệ thống I/O
Tính ổn định (Dependability) rất quan
trọng:
Đặc biệt các thiết bị lưu trữ
Đại lượng đo hiệu suất
Thời gian đáp ứng (Latency=response time)
Hiệu suất đầu ra (Throughput=bandwidth)
Hệ thống để bàn & nhúng
Quan tâm chủ yếu là thời gian đáp ứng & đa dạng
thiết bị
Hệ thống máy chủ (Servers)
Chủ yếu là hiệu suất đầu ra & khả năng mở rộng
BK
TP.HCM
3
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Độ tin cậy (Dependability)
Dịch vụ hoàn tất
Cung cấp dịch vụ như đã
đặc tả
Lỗi: một bộ phận nào
ỗi của bộ
phận
Lỗi
Phục hồi lại
Có & có thể không
dẫn đến lỗi hệ thống
Ngắt qu
Sai lệch với dịch vụ
đã đặc tả
BK
TP.HCM
4
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Đo độ tin cậy
Mức tin cậy (reliability): thời gian trung bình cho
đến khi có lỗi (MTTF=Mean Time To Failure))
Ngắt dịch vụ: Thời gian trung bình khắc phục lỗi
(MTTR= Mean Time to repaire)
Thời gian trung bình giữa 2 lần lỗi
MTBF = MTTF + MTTR (Mean time between failures)
Tính sẵn sàng (Availability) =
MTTF / (MTTF + MTTR)
Cải thiện tính sẵn sàng
Tăng MTTF: tránh lỗi, dự phòng, tiên đoán lỗi
Giảm MTTR: cải thiện công cụ & tiến trình tìm và sửa
lỗi
BK
TP.HCM
5
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Lưu trữ trên đĩa
Nonvolatile (không tự biến mất), nhiều đĩa từ tính quay
quanh 1 trục
sectors
BK
TP.HCM
6
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Sector & Truy cập
Mỗi sector là đơn vị khối chứa các thông tin
Chỉ số nhận dạng Sector
Dữ liệu (512 bytes, hướng 4096 bytes per sector)
Mã sửa lỗi (ECC)
Trường đồng bộ & Khoảng trống phân cách
Truy cập 1 sector bao gồm:
Trễ hàng vì có nhiều yêu cầu đồng thời
Tìm rãnh (Seek): Dịch chuyển đầu từ
Rotational latency
Vận chuyển dữ liệu (Data transfer)
Phí tổn mạch điều khiển (Controller overhead)
BK
TP.HCM
7
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
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
8
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Các vấn đề Hiệu suất đĩa
Nhà sản xuất cho biết thời gian dò tìm trung bình
Dựa trên mọi trường hợp dò tìm có thể
Tính cục bộ & định thời OS sẽ có số liệu thực tế nhỏ
hơn
Mạch điều khiển sẽ xác định vị trí vật lý trên đĩa
Máy tính làm việc vói giá trị luận lý
SCSI, ATA, SATA
Tăng hiệu xuất bằng Cache
Truy cập sẵn
Tránh dò tìm và trễ vòng quay
BK
TP.HCM
9
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
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
10
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Các loại bộ nhớ Flash
NOR flash: bit nhớ giống cổng NOR
Truy cập ngẫu nhiên
Dùng nhớ lệnh trong hệ tống nhúng
NAND flash: bit nhớ giống cổng NAND
Mật độ cao (bits/area), truy cập khối mỗi lần
Rẻ hơn
Dùng trong USB keys, media storage, …
Sau khoảng 1000 lần truy xuất: có vấn đề
Không thể dùng thay thế RAM hoặc đĩa
Khắc phục vấn đề: ánh xạ lại
BK
TP.HCM
11
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
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
độ cao: giống mạng
BK
TP.HCM
12
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Tuyến “Bus” các loại
Hai tuyến chính
Tuyến Bus ProcessorMemory
Khoảng cách gần (ngắn), tốc độ cao
Thiết kế phù hợp với tổ chức bộ nhớ
Tuyến bus I/O
Khoảng cách xa hơn, nhiều điểm tiếp nối
Chuẩn hóa để dễ sử dụng
Nối với tuyến bus “processor-memory” qua
cầu nối (Bridge)
BK
TP.HCM
13
4/5/2019
Khoa Khoa học & kỹ thuật Máy tính
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
14
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Một số ví dụ Bus I/O chuẩn
Firewire
USB 2.0
PCI Express
Serial ATA
Serial
Attached
SCSI
Intended use External
External
127
Internal
1
Internal
1
External
4
Devices per 63
channel
Data width
4
4
Peak
bandwidth
50MB/s or
100MB/s
0.2MB/s,
1.5MB/s, or
60MB/s
250MB/s/lane 300MB/s
1 , 2 , 4 ,
8 , 16 , 32
300MB/s
Hot
pluggable
Yes
Yes
Depends
Yes
Yes
8m
Max length
Standard
4.5m
m
IEEE 1394
USB
Implementers
Forum
PCI-SIG
SATA-IO
INCITS TC
T10
BK
TP.HCM
15
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Quản lý I/O
I/O được quản lý trực tiếp bởi OS
Nhiều chương trình đồng thời cùng chia sẻ
chung các thiết bị I/O
Cần được bảo vệ và định thời
I/O tạo ngắt quãng bất đồng bộ
Giống cơ chế ngoại lệ
Lập trình I/O ít phức tạp (Device Driver)
OS tạo các dịch vụ trên I/O để các chương
trình gọi các dịch vụ thông qua OS
BK
TP.HCM
17
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
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
18
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Truy xuất các thanh ghi I/O
Ánh xạ như địa chỉ bộ nhớ (Memory mapped)
Thanh ghi được địa chỉ hóa như không gian bộ nhớ
Giải mã địa chỉ sẽ tự phân biệt
OS thực hiện cơ chế chuyển đổi địa chỉ sao cho chỉ
có OS mới truy cập được
Lệnh I/O chuyên biệt
Tồn tại các lệnh chuyên biệt để truy xuất các thanh
ghi I/O
Chỉ thực thi trong (kernel mode)
Ví dụ: x86
BK
TP.HCM
19
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
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
20
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Tải về để xem bản đầy đủ
41 trang
16441
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 6: Hệ thống lưu trữ và các thiết bị Xuất/Nhập khác - Nguyễn Thanh Sơn", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_kien_truc_may_tinh_chuong_6_he_thong_luu_tru_va_ca.pdf
