Input / Output. Struttura del Computer. M. Dominoni A.A. 2003/ componenti strutturali:

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1 Input / Output M. Dominoni A.A. 2003/2004 Input/Output A.A. 2003/ Struttura del Computer 4 componenti strutturali: CPU: controlla le operazioni del computer Memoria Centrale: immagazinamento dati e codice I/O: muove dati tra il computer e l esterno Interconnesione del sistema: qualche meccanismo che permette la comunicazione tra CPU, Memoria e I/O Input/Output A.A. 2003/2004 2

2 Input/Output Oltre ai componenti processore e memoria, il terzo elemento chiave di un computer e un insieme di moduli di I/O Ogni modulo e interconnesso con il processore e la memoria e controlla uno o piu componenti esterni Il modulo I/O interagisce con il resto del computer per mezzo delle tecniche di: I/O programmato I/O ad interrupt DMA - Direct Memomy Access Input/Output A.A. 2003/ Interfaccia tra Processore e Periferiche Design dello I/O influenzato da molti fattori (espandibilita, affidabilita ) Prestazioni: latenza di accesso throughput connessione tra i dispositivi e il sistema gerarchia di memoria sistema operativo Una moltitudi di utenti diversi (ex: banche, supercomputer, fisici, ) Processor Interrupts Cache Memory I/O bus Main memory I/O controller I/O controller I/O controller Disk Disk Graphics output Network Input/Output A.A. 2003/2004 4

3 Impatto dell I/O sulle prestazioni del sistema: Esempio Benchmark eseguito in 100 s: 90% CPU, 10% I/O Ogni anno prestazione CPU migliora del 50% mentre I/O non cambia Quanto migliora la prestazione del sistema in 5 anni? Tempo di esecuzione = tempo CPU + tempo I/O Input/Output A.A. 2003/ Esempio cont Anno CPU I/O Totale I/O % 0 90 s 10 s 100 s 10% 1 60 s (90/1.5) 10 s 70 s 14% 2 40 s (60/1.5) 10 s 50 s 20% 3 27 s (40/1.5) 10 s 37 s 27% 4 18 s (27/1.5) 10 s 28 s 36% 5 12 s (18/1.5) 10 s 22 s 45% Miglioramento di prestazioni dopo 5 anni: CPU = 90/12 = 7.5 Sistema = 100/22 = 4.5 Input/Output A.A. 2003/2004 6

4 Tendenze tecnologiche Logica: DRAM: Dischi: Capacita Velocita (latenza) 2x in 3 anni 2x in 3 anni 4x in 3 anni 2x in 10 anni 4x in 3 anni 2x in 10 anni DRAM anno Size Cycle Time Kb 250 ns Kb 220 ns Mb 190 ns 1000:1! Mb 165 ns 2:1! Mb 145 ns Mb 120 ns Input/Output A.A. 2003/ Problema reale? Differenza di prestazioni tra processore e DRAM (latenza) 1000 Legge di Moore Proc 60%/anno. (2X/1.5anni) CPU 100 Processore-memoria Performance Gap: (cresce 50% / anno) 10 1 DRAM DRAM 9%/anno. (2X/10 anni) Prestazioni Anno Input/Output A.A. 2003/2004 8

5 Prestazioni di I/O Ampiezza di banda di I/O può essere misurata in due modi differenti: Quanti dati possiamo muovere attraverso il sistema in un certo tempo data rate Quante operazioni di I/O possiamo fare per unità di tempo I/O rate Quale dei due modi sia quello giusto dipende dalla particolare applicazione Input/Output A.A. 2003/ Prestazioni di I/O - Supercomputer Batch job (esecuzione in code) Pochi accessi a grossi file in lettura e scrittura all inizio e alla fine Durante l esecuzione scittura di snapshot per fissare lo stato di esecuzione a quell istante in caso di crash del sistema Misura di I/O = misura di throughput = numero di byte per secondo trasferiti tra memoria principale e dischi Input/Output A.A. 2003/

6 Prestazioni di I/O - Transazioni Applicazioni di processi di transazione (TP) coinvolgono sia: Tempo di risposta che prestazioni basate sul troughput La maggior parte degli accessi di I/O sono piccoli Applicazioni TP sono misurate in numero di accessi al disco per secondo I/O rate contrapposto al data rate precedente Benchmark usati: TPC-C e TPC-D Input/Output A.A. 2003/ I/O: Dispositivi Dispositivi molto diversi comportamento (i.e., input vs. output) partner (chi c e dall altro lato?) data rate Device Behavior Partner Data rate (KB/sec) Keyboard input human 0.01 Mouse input human 0.02 Voice input input human 0.02 Scanner input human Voice output output human 0.60 Line printer output human 1.00 Laser printer output human Graphics display output human 60, Modem input or output machine Network/LAN input or output machine Floppy disk storage machine Optical disk storage machine Magnetic tape storage machine Magnetic disk storage machine , Input/Output A.A. 2003/

7 I/O Esempio: Dischi Per accedere ai dati: ricerca: posizionamento della testina sopra la traccia appropriata (8 to 20 ms -media) latenza di rotazione: attesa per il settore desiderato (.5 / RPM) trasferimento: portare i dati (uno o piu settori) da 2 a 15 MB/sec Platter Track Platters Tracks Sectors Input/Output A.A. 2003/ Esempio: tempo di lettura di un disco Determinare il tempo medio per leggere un settore a 512 byte di un disco a RPM dove: Tempo di ricerca medio = 12 ms Transfer rate = 5MB/s Controller overhead = 2 ms Disco idle all inizio del trasferimento Tempo medio di lettura = tempo di ricerca medio + latenza di rotazione + tempo di trasferimento + controller overhead 12 ms + (0.5/5.400 RPM) KB/ 5MB/s + 2 ms = 12 ms ms ms + 2 ms = 19.7 ms Input/Output A.A. 2003/

8 BUS: Sistema di Interconnesione Un BUS e un canale di comunicazione che collega 2 o piu componenti: e un mezzo di trasmissione condiviso Piu componenti collegati al BUS: il segnale trasmesso da un componente e disponibile per essere ricevuto da tutti gli altri componenti collegati al bus Solo un componente alla volta puo trasmettere sul bus Bus costituito da un insieme separato di linee: le linee possono essere classificate in tre gruppi funzionali: Linee dati Line di indirizzo Linee di controllo Inoltre possono essere presenti linee di potenza per alimentare i moduli connessi Input/Output A.A. 2003/ Esempio: operazione di input Control lines Memory Data lines Processor a. Disks Memory Control lines Data lines Processor b. Disks Input/Output A.A. 2003/

9 Esempio: operazione di output C ontrol lines M e m o r y D a t a lin e s P r o c e s s o r a. D is k s M e m o r y C ontrol lines D a t a lin e s P r o c e s s o r b. D is k s M e m o r y C ontrol lines D a t a lin e s P r o c e s s o r c. D is k s Input/Output A.A. 2003/ Struttura del Bus - cont Linee dati: collettivamente sono chiamate bus dati Esempio: PCI: Ampiezza bus dati: 32 / 64 bit SCSI Ampiezza bus dati: 8-32 bit Input/Output A.A. 2003/

10 Struttura del Bus cont 2 Linee di indirizzo: permettono di designare la sorgente e la destinazione dei dati sul bus dati - puo essere usato il bus dati per trasmettere l indirizzo Linee di controllo: sono usate per controllare l accesso e l uso delle linee dati e di indirizzo Tipiche linee di controllo includono: Memory write Memory read I/O write I/O read Transfer ACK Bus request Bus grant Interrupt Request Interrupt ACK Clock Reset Input/Output A.A. 2003/ Struttura del Bus cont 3 Gerarchia di Bus Processor Backplane bus a. I/O devices Memory Processor Processor-memory bus Memory Bus adapter Bus adapter Bus adapter I/O bus I/O bus I/O bus b. Processor Processor-memory bus Memory Bus adapter Backplane bus Bus adapter I/O bus Bus adapter I/O bus c. Input/Output A.A. 2003/

11 Struttura del Bus cont 4 Bus classificati in tre tipi: Bus processore memoria: sono spesso specifici (proprietari) Sono corti, ad alta velocità Massimizzano l ampiezza di banda tra cpu e mem Bus di I/O: Sono lunghi molti dispositivi attaccati Ampio intervallo di ampiezza di banda dei dispositivi Bus di backplane Questi due ultimi tipi di bus sono spesso standard Input/Output A.A. 2003/ Struttura del Bus cont 5 Bus Sincrono: include un clock nelle linee di controllo ed un protocollo prestabilito per la comunicazione Adatto per bus molto veloci due principali svantaggi: Tutti i device sul bus devono funzionare allo stesso clock Se sono particolarmente veloci non possono essere molto lunghi Esempio: bus processore- memoria Input/Output A.A. 2003/

12 Struttura del Bus cont 6 Bus Asincrono: Puo accogliere una grande varieta di device (con clock diversi) Non ci sono problemi di lunghezza Per coordinare la trasmissione dei dati si usa un protocollo di handshaking : Consiste in una serie di passi in cui sender e receiver procedono al successivo passo solo se entrambe le parti concordano Bus asincrono scala meglio con I cambiaenti tecnologici e supporta una ampia varietà di dispositivi e velocità Bus di I/O sono spesso asincroni Input/Output A.A. 2003/ Struttura del Bus cont 7 Esempio di funzionamento del bus asincrono: ReadReq 1 Data Ack DataRdy Input/Output A.A. 2003/

13 Bus sincrono: esempio ciclo clock = 50 ns (20 MHz) Ogni trasmissione richiede 1 ciclo di clock Bus dati = 32 bit Trovare l ampiezza dati per una lettura di una word da una memoria da 200 ns 1. Invio dell indirizzo di memoria = 50 ns 2. Lettura della memoria = 200 ns 3. Invio dei dati al dispositivo = 50 ns tempo totale = 300 ns Ampiezza di banda = 4 byte/300 ns = 13.3 MB/s Input/Output A.A. 2003/ Bus asincrono: esempio Handshake = 40 ns Step 1 = 40 ns Step 2, 3, 4 = max(3x40 ns, 200 ns) Step 5, 6, 7 = 3x40 ns Tempo totale = 360 ns Ampiezza di banda = 4 byte/ 360 ns = 11.1 MB/s Input/Output A.A. 2003/

14 Bus - Sommario Link di comunicazione condivisa (una o piu linee) Difficolta di disegno: puo essere un collo di bottiglia lunghezza del bus numero dei dispositivi buffer per una maggiore ampiezza di banda aumentano la latenza connessione a dispositivi differenti costo Tipi di bus: processore-memoria (corto, alta velocita, specifico) backplane (alta velocita, spesso standard -> PCI) I/O (lungo, differenti dispositivi, standard -> SCSI) Sincrono vs. Asincrono uso di un clock e di un protocollo sincono, veloce e piccolo ma ogni dispositivo deve operare alla stessa velocita non si usa un clock -> invece si usa il protocollo di handshaking Input/Output A.A. 2003/ Bus master slave Accesso al Bus Bus request lines Memory Bus Processor a. Disks Memory Bus request lines Bus Processor b. Disks Memory Bus request lines Bus Processor c. Disks Input/Output A.A. 2003/

15 Bus Arbitration Bus Arbitration: decidere quale bus master puo iniziare ad usare il bus Gli schemi di arbitrato devono bilanciare due fattori nel decidere quale device ha accesso al bus: Priorita sul bus: I device con maggiore priorita devono potere accedere prima al bus Ogni device sul bus deve potere accedere Input/Output A.A. 2003/ Bus Arbitration cont 2 Arbitrato si puo dividere in quattro classi generali: Arbitrato centralizzato, parallelo: esempio bus PCI un arbitro centralizzato sceglie tra I device che devono accedere al bus e notifica al prescelto che e stato nominato bus master Lo svantaggio e che richiede un arbitro centralizzato che puo divenire il collo di bottiglia Input/Output A.A. 2003/

16 Bus Arbitration cont 3 Daisy Chain: Vantaggio semplicita Svantaggio: non assicura l accesso a tutti Highest priority Lowest priority Device 1 Device 2 Device n Bus arbiter Grant Grant Grant Release Request Input/Output A.A. 2003/ Bus Arbitration cont 4 Arbitrato distribuito per auto-selezione: tutti device sul bus inviano una richiesta di accesso indicando la relativa priorita : non c e bisogno di un arbitro centralizzato esempio NuBus su Apple Macintosh II Arbitrato distribuito per analisi di collisione: ogni device sul bus richiede accesso multiple richieste simultanee generano collisione Ethernet usa questo schema Input/Output A.A. 2003/

17 Punti Importanti Bus Arbitration: daisy chain Arbitrato centralizzato (richiede un arbitro) => PCI Auto-selezione => NuBus usato in Macintosh collision detection => Ethernet Sistema operativo: Polling Interrupt DMA Input/Output A.A. 2003/ CPU vs I/O CPU deve inviare un comando ad un dispositivo di I/O ci sono due metodi di indirizzamento Memory mapped I/O I/O isolato Alternativa all I/O memory mapped e l uso dedicato di istruzioni di I/O nel processore specificano sia il dispositivo che il comando Input/Output A.A. 2003/

18 Memory mapped I/O una porzione dello spazio di indirizzamento e assegnata ai dispositivi di I/O l accesso al dispositivo di I/O avviene in maniera analoga all accesso in memori Esempio: operazione di scrittura puo essere usata per per inviare dati al dispositivo di I/O che saranno interpretati come comandi il sistema di memoria ignora l operazione perche l indirizzo indica una porzione dello spazio di memoria dedicata all I/O. Il controllore del dispositivo vede la richiesta, registra i dati che invia al dispositivo come comandi. L indirizzo codifica sia l identità del dispositivo che il tipo di trasmissione tra CPU e dispositivo stesso. Input/Output A.A. 2003/ Schema a Blocchi di un dispositivo esterno Input/Output A.A. 2003/

19 Schema a blocchi di un modulo di I/O Input/Output A.A. 2003/ I/O -1 Tre tecniche possibili per le operazioni di I/O: I/O Programmato I/O ad Interrupt Direct Memory Access (DMA) Input/Output A.A. 2003/

20 I/O Programmato Dati sono scambiati tra la CPU e il modulo I/O CPU esegue un programma che le assegna il controllo diretto sulla operazione di I/O: Stato del dispositivo Read e Write command Trasferimento di dati Polling: e il modo piu semplice con cui il device comunica con il processore I/O device mette le informazioni in uno registro di stato e il processore deve venire ad ottenere l informazione Il controllo e completamente del processore Lo svantaggio di questa tecnica e quello di sprecare un gran numero di cicli del processore: CPU e molto piu veloce delle periferiche di I/O Input/Output A.A. 2003/ I/O programmato cont 2 CPU a 500MHz Numero di cicli per operazione di polling 400 Mouse: campionato 30 volte al secondo cicli di clock per secondo per polling=30x400= Frazione di cicli di clock consumata: 12K/500M=0,002% Floppy che trasferisce dati in unita di 16 bit a 50kB/s Frazione del processore consumata=2% Disco che trasferisce a 4MB/s Frazione del processore consumata=20% Input/Output A.A. 2003/

21 Ciclo di istruzione con Interrupt Input/Output A.A. 2003/ I/O ad interrupt CPU trasmette il comando al modulo di I/O e passa a fare altro Il modulo I/O interrompe la CPU con una richiesta di servizio quando e pronto a scambiare I dati La CPU esegue il trasferimento di dati e ritorna ai processi in corso I/O ad interrupt e piu efficiente di quello programmato: elimina la necessita dell attesa della CPU. E comunque un metodo che consuma ancora molta CPU: ogni word di dati che e trasferita dalla memoria al modulo di I/O e viceversa deve passare attraverso la CPU Input/Output A.A. 2003/

22 I/O ad interrupt cont 2 CPU a 500MHz Numero di cicli per operazione di trasferimento 500 Disco trasferisce dati solo per il 5% del tempo Disco che trasferisce a 4MB/s Frazione del processore consumata durante un trasferimento =25% Frazione del processore consumata in media 5% Input/Output A.A. 2003/ I/O ad Interrupt: design 1 Ci sono più moduli I/O: come fa la CPU a determinare quale device ha alzato l interrupt? Ci sono quattro tecniche: 1. Linee di Interrupt multiple 2. Software poll 3. Daisy Chain (hardware poll, vettorizzato) 4. Bus arbitration (vettorizzato) Input/Output A.A. 2003/

23 I/O ad Interrupt: design 1 1. Linee di Interrupt multiple Tra CPU e moduli di I/O Problema: non è pratico dedicare più che poche line del bus o pin della CPU a linee di Interrupt è probabile che su ciascuna linea ci siano più moduli di I/O 2. Software poll CPU intercetta un Interrupt Attiva le routine di servizio di interrupt: viene contattato ogni modulo di I/O per determinare chi ha alzato l Interrupt Problema: è time consuming Input/Output A.A. 2003/ Interrupt vettorizzato - design 2 3. Daisy Chain (hardware poll, vettorizzato) Fornisce un efficiente hardware poll (vedi fig. precedente pg.31) Tutti i moduli I/O condividono la medesima line di Interrupt Quando la CPU sente una richiesta di Interrupt, invia un ACK Il modulo che ha alzato l Interrupt intercetta l ACK e risponde mettendo una word sulle linee dati Word detta vettore contiene o l indirizzo del modulo I/O o qualche elemento di identificazione univoco usato dalla CPU per avviare le appropriate routine di servizio proprie del dispositivo Evitato l uso intermedio di una routine di servizio generica Tecnica chiamata di Interrupt vettorizzato Problema: e possibile che i dispostivi di I/O con priorità più bassa non riescano mai ad essere serviti dalla CPU 4. Bus arbitration (vettorizzato) Modulo I/O deve prima ottenere il controllo del bus prima di potere alzare la linea di Interrupt Solo un modulo alla volta può alzare l Interrupt CPU risponde con ACK Modulo pone il suo vettore sulle linee dati Input/Output A.A. 2003/

24 DMA DMA coinvolge un modulo aggiuntivo sul bus di systema Il modulo DMA e in grado di riprodurre il comportamento della CPU al riguardo riceve il controllo del sistema dalla CPU Quando la CPU vuole leggere o scrivere un blocco di dati invia una istanza al modulo DMA con le seguenti informazioni: Se write o read Indirizzo del dispositivo I/O coinvolto Locazione iniziale della memoria su cui fare read/write Numero di word da leggere/scrivere Quando il trasferimento e completo il modulo DMA invia un segnale di interrupt alla CPU LA CPU E COINVOLTA SOLO ALL INIZIO E ALLA FINE DEL TRASFERIMENTO Input/Output A.A. 2003/ DMA - schema a blocchi Input/Output A.A. 2003/

25 DMA: Configurazioni Alternative Input/Output A.A. 2003/ DMA: overhead Stesso disco e processore degli esempi precedenti CPU: 500MHz Ipotesi: Setup iniziale del DMA = 1000 cicli clock CPU Completamento = 500 ciclo clock CPU Transfer rate: 4MB/s Per ogni trasferimento di 8KB dura 8KB/4MB s = 2 ms Trasferimento DMA: [( )x clock cycle/trasf] / [2ms/trasf] = 750 x 10 3 clock cycle/ s Frazione processore consumata= 750 K/ 500 M = 0,2 % Input/Output A.A. 2003/

26 Le tre tecniche a confronto Input/Output A.A. 2003/