Calcolatori Elettronici

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1 Calcolatori Elettronici Dispositivi di I/O Francesco Lo Presti Rielaborate da Salvatore Tucci

2 Organizzazione di un Calcolatore I/O 1

3 Dispositivi di I/O!! Un dispositivo di I/O è costituito da due componenti:!! Il dispositivo fisico effettivo: disco, stampante, mouse, video,!! Il device controller (o interfaccia) che gestisce tutte le operazioni che il dispositivo è in grado di svolgere!! Il device controller è collegato attraverso il bus di sistema con CPU e memoria principale I/O 2

4 Device Controller!! I Device Controller sono sottosistemi specializzati nel controllo dei dispositivi periferici!! Svolgono funzioni di "! Controllo e temporizzazione delle operazioni "! Comunicazione con il Processore e con i Dispositivi fisici "! Individuazione Errori!! Scambio informazioni con il processore per mezzo di registri di I/O "! I/O Isolato! Istruzione privilegiate IN/ OUT "! I/O Mappato in Memoria! Istruzioni load/store! Ciascun registro di I/O e mappato su di un indirizzo di memoria I/O 3

5 Dispositivi di I/O!! I dispositivi di I/O hanno caratteristiche molto diverse tra loro, classificabili in base a:!! Comportamento!! Controparte (Partner)!! Tasso di trasferimento dati Dispositivo Comportamento Partner Data rate (KB/sec) Tastiera input umano 0.01 Mouse input umano 0.02 Stampante Laser output umano Scheda Grafica output umano 60, Network/LAN input o output macchina Floppy disk storage macchina I/O 4 Disco Magnetico storage macchina 2, ,000.00

6 Prestazioni ed I/O!! Le Prestazioni Complessive di un Sistema Dipendono!! Dalle prestazioni dei device e dei relativi controller!! Dalla connessione tra i device e il resto del sistema!! Dalle Gerarchie di Memoria!! Dal Sistema Operativo!! Misure di Prestazione dell I/O 1.! I/O bandwidth (throughput) 1.! quantita di dati che possono essere trasferiti tra il sottostistema di I/O ed il processore/memoria per unita di tempo 2.! Quante operazioni di I/O possono essere completate per unita di tempo? 2.! Tempo di risposta I/O (latenza) il tempo richiesto per il completamento di una operazione di input/output I/O 5

7 Disco Magnetico!! Costituito da un insieme di piatti rotanti (da 1 a 4)!! Piatti rivestiti di una superficie magnetica!! Esiste una testina (bobina) per ogni faccia!! Generalmente piatti a doppia faccia Testina Motore per la rotazione dei dischi!! Le testine di facce diverse sono collegate tra di loro e si muovono contemporaneamente!! Velocità di rotazione costante (tra i 5400 e i RPM) I/O 6

8 L!organizzazione dei dati sul disco Platters Tracks Platter Sectors!! Suddivisione della superficie del disco in anelli concentrici, detti tracce!! Registrazione seriale su tracce concentriche!! tracce!! Tracce adiacenti separate da spazi!! Ciascuna traccia è divisa in settori Track!! Il settore è la più piccola unità che può essere trasferita (scritta o letta)!! Centinaia di settori per traccia, generalmente di lunghezza fissa (ad es., 512 byte, tendenza a portarla a 4K byte) I/O 7

9 Prestazioni degli Hard Disk!! Latenza per read/write 1.! Tempo di seek (seek time): tempo per muovere la testina sulla traccia corretta!! Da 3 a 14 ms (può diminuire del 75% se si usano delle ottimizzazioni) 2.! Tempo di rotazione (rotational latency): tempo per raggiungere il settore da trasferire (in media tempo richiesto per 1/2 rotazione del disco)!! Tempo di rotazione = 0.5/Numero di giri al minuto!! Ex, Numero di giri al minuto = 7200! Tempo di rotazione = (0.5/(7200/60)) 1000= 4.2 ms 3.! Tempo di trasferimento (transfer time): tempo per trasferire un blocco di bit!! Da 30 a 80 MB/sec (fino a 320 MB/sec se il controllore del disco ha una cache built-in) 4.! Tempo per il controller: tempo per le operazioni del disk controller!! 0.2ms I/O 8

10 Prestazioni degli Hard Disk (2)!! Calcolare il tempo medio necessario a leggere o scrivere un settore di 512 byte sapendo che!! Il disco ruota a RPM!! Il tempo medio di seek è 6 ms!! Il transfer rate è di 50 MB/sec!! L!overhead del controller è di 0.2 ms Tempo di seek + tempo medio di rotazione + tempo medio di trasferimento + overhead del controller = = 6 ms + (0.5/(10000/60)) 1000 ms KB/50 MB/ sec ms = ( ) ms= 9.2 ms I/O 9

11 Affidabilità e disponibilità Fallimento (failure) Servizio Servizio accessibile interrotto Ripristino!! Fallimento (failure): il comportamento del servizio non è conforme alle specifiche!! Il fallimento è causato da un errore (error)!! La causa di un errore è un guasto (fault)!! Tempo medio di fallimento (mean time to failure o MTTF)!! Tempo medio che intercorre tra l!istante in cui il servizio è ripristinato ed il fallimento successivo!! Misura l!affidabilità (reliability) del servizio!! Tempo medio di riparazione (mean time to repair o MTTR):!! Tempo medio necessario per ripristinare il servizio I/O 10

12 Affidabilità e disponibilità (2)!! Tempo medio tra due fallimenti (mean time between failures o MTBF)!! Tempo medio tra due fallimenti consecutivi MTBF = MTTF + MTTR!! Disponibilità (availability): misura della fornitura del servizio con l!alternananza tra funzionamento e interruzione Availability = MTTF MTTF + MTTR!! Disponibilità diverso da affidabilità!! Per aumentare il MTTF!! Evitare i guasti!! Tollerare i guasti "! Tolleranza ai guasti: capacità del servizio di non subire fallimenti anche in presenza di guasti "! Occorre introdurre una ridondanza!! Predire i guasti I/O 11

13 RAID!! Le prestazioni dei dischi crescono più lentamente di quelle dei processori!! Accesso ai dischi migliorato di 5/10 volte in 20 anni!! Idea di Patterson et al. nel 1987: usare in parallelo più dischi per aumentare le prestazioni dei dischi!! Problema: un array di dischi (senza ridondanza dei dati) è inaffidabile! Affidabilità di un array da N dischi = Affidabilità di 1 disco/n!! Soluzione: definire un!organizzazione dei dati memorizzati sui dischi in modo da ottenere un!elevata affidabilità (tolleranza ai guasti) replicando i dati sui vari dischi dell!array!! RAID: Redundant Array of Inexpensive (Independent) Disks!! Insieme di dischi a basso costo ma coordinati in azioni comuni per ottenere diversi livelli di tolleranza ai guasti I/O 12

14 RAID 0!! Nessuna ridondanza dei dati!! Solo striping dei dati!! Striping: allocazione di blocchi logicamente sequenziali su dischi diversi per aumentare le prestazioni rispetto a quelle di un singolo disco!! Lettura e scrittura in parallelo di strip (strisce) su dischi diversi!! Non è un vero RAID perché non c!è nessuna ridondanza!! Velocità di trasferimento elevato: strips piccole!! Velocità di richieste I/O alte: strips grandi I/O 13

15 RAID 1!! Mirroring (o shadowing)!! Ciascun disco è completamente replicato su un disco ridondante (mirror), avendo così sempre una copia!! Usa il doppio dei dischi rispetto a RAID 0!! Ottime prestazioni in lettura!! Molte possibilità di bilanciare il carico (es.: leggere dal disco con il minimo tempo di seek)!! Una scrittura logica richiede due scritture fisiche!! E! la soluzione RAID più costosa I/O 14

16 RAID 2 e 3!! Usano tecniche di accesso parallelo!! Dischi sincronizzati in modo che la testina di ciascun disco si trovi sempre nella stessa posizione su ogni disco!! Tutti i dischi dell array partecipano all esecuzione delle richieste in parallelo!! Striping con dimensione stripe ridotta!! Parola, byte!! Velocita di trasferimento elevate!! Velocita di richieste I/O basso I/O 15

17 RAID 2!! Riconoscimento e correzione degli errori!! Resiste a guasti semplici o piu!!! Es. in figura: 4 bit (nibble) più 3 bit (codice di Hamming a 7 bit)!! Guadagna un fattore 4 in lettura e scrittura "! Operazioni in parallelo su tutti i dischi!! Forte overhead (in figura +75%), ~ logaritmo dei dischi!! Ha senso con molti dischi, ad esempio:!! Parola da 32 bit+7 bit di parità! 39 dischi!! Overhead del 22% (=7/32)!! Guadagna un fattore 32 in lettura e scrittura!! In disuso I/O 16

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