Lezione 15 Dischi Magnetici http://www.dii.unisi.it/~giorgi/didattica/calel All figures from Computer Organization and Design: The Hardware/Software Approach, Second Edition, by David Patterson and John Hennessy, are copyrighted material. (COPYRIGHT 1998 MORGAN KAUFMANN PUBLISHES, INC. ALL RIGHTS RESERVED.) Figures may be reproduced only for classroom or personal educational use in conjunction with the book and only when the above copyright line is included. They may not be otherwise reproduced, distributed, or incorporated into other works without the prior written consent of the publisher. Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 1 Other material is adapted from CS61C,CS152 Copyright (C) 2000 UCB Visione generale: dove siamo adesso? Argomento di questa lezione il sistema di I/O Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 2
Esempi di dispositivi di I/O Dispositivo Comportamento Partner Data Rate (KB/sec) Keyboard Input Uomo 0.01 Mouse Input Uomo 0.02 Line Printer Output Uomo 1.00 Floppy disk Memoria Macchina 50.00 Laser Printer Output Uomo 100.00 Optical Disk Memoria Macchina 500.00 Magnetic Disk Memoria Macchina 5,000.00 Network-LAN Input/Output Macchina 20 1,000.0 Graphics Display Output Uomo 30,000.00 Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 3 Obiettivi di progetto nel sottosistema di I/O Prestazioni Espandibilita Resistenza ai malfunzionamenti Processor interrupts Memory - I/O Bus Main Memory I/O Controller I/O Controller I/O Controller Disk Disk Graphics Network Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 4
Performance del sistema di I/O Le performance del sistema di I/O dipendono da vari aspetti del sistema ( limitate dall anello più debole della catena ) La CPU Il sistema di memoria Il sistema di interconnessione (BUS) Il controller I/O Il dispositivo di I/O La velocità del software di I/O (Sistema operativo) L'efficienza dell'uso del software dei dispositivi di I/O Due principali metriche per valutare le performance Throughput: I/O bandwidth (Data Rate o I/O Rate) Tempo di risposta: Latenza Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 5 Modello semplice Producer-Server Producer Throughput: Queue Server Numero di task completati dal server nell unità di tempo Per avere il massimo throughput: - Il server non dovrebbe mai essere inattivo - La coda non dovrebbe mai essere vuota Tempo di risposta: Inizia quando un task è posizionato nella coda Finisce quando il task è completato dal server Per minimizzare il tempo di risposta: - La coda dovrebbe essere vuota - Il server sarà inattivo Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 6
Modello di performance semplice Producer-Server Request Rate Service Rate λ μ Producer Queue Server Valutazione della lunghezza della coda: Utilizzo = U = Request Rate / Service Rate = λ / μ Lunghezza Media della Coda = U / (1 - U) Tasso di richiesta Tasso di servizio Lunghezza media della coda Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 7 Throughput e Tempo di risposta Tempo di risposta (ms) 300 200 100 20% 40% 60% 80% 100% Percentuale del massimo throughput Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 8
Ottimizzazioni Queue Server Producer Queue Server In generale il throughput può essere incrementato: Aumentando l hardware Riducendo la latenza relativa alla fase di load Il Tempo di risposta è più difficile da ridurre: Il limite massimo teorico è dato dalla velocità della luce (ma siamo lontani!) Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 9 I/O Benchmarks per Dischi Magnetici Applicazioni di supercomputing: Problemi scientifici di larga scala grandi file Una grande lettura e molte piccole scritture per salvare i calcoli Data Rate: MB/secondo tra memoria e disco Processi transazionali: Esempi: Sistemi di prenotazioni di linea aerea e ATM bancari Piccoli cambiamenti su software condiviso su larga scala I/O Rate: No. accessi al disco / secondo (dato il limite massimo della latenza) File system: Misure sui file di sistema UNIX in un ambiente ingegneristico - 80% degli accessi sono verso file più piccoli di 10 KB - 90% di tutti gli accessi ai file sono verso dati con indirizzi sequenziali sul disco - 67% degli accessi sono letture, il 27% scritture ed il 6% letture-scritture I/O Rate: No. accessi al disco / secondo Latenza: Tempo di risposta Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 10
Dischi magnetici Obiettivi: Dispositivo di memorizzazione di lunga durata, non volatile Grande, economico e lento Nei livelli più bassi della gerarchia di memoria I due principali tipi: Dischi removibili (floppy e ottici) Hard disk Entrambi i tipi di dischi: Si basano su un piatto rotante ricoperto con una superficie magnetica Usano una testina di lettura/scrittura mobile per accedere al disco Vantaggi degli hard disk rispetto ai floppy disk I piatti sono più rigidi (metallo o vetro) quindi posso essere più larghi Maggiore densità perché possono essere controllati in modo più preciso Data-rate più elevato perché ruotano più velocemente Possono avere più di un piatto Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 11 Un disco magnetico: testina, braccio, attuatore fuso braccio testina attuatore piatti (12) Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 12
Terminologia del Disco braccio testina settore traccia più interna traccia più esterna attuatore piatti Vari piatti con l informazione salvata magneticamente su entrambe le superfici (di solito) I bit sono memorizzati in tracce, che a loro volta sono divise in settori (es: 512 Byte) L attuatore: muove la testina (posizionata all estremità di ogni braccio una per ogni superficie) sulla traccia ( seek ) seleziona la superficie attende che il settore ruoti sotto la testina quindi legge o scrive Cilindro: tutte le tracce sotto le testine Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 13 Performance del Disco traccia più esterna piatti traccia più interna settore testina fuso braccio attuatore Latenza del disco = Tempo di seek + Tempo di rotazione + Tempo di trasferimento + Overhead del controller Tempo di seek dipende dal numero di tracce su cui si deve muovere il braccio (seek speed of disk) Tempo di rotazione dipende dalla velocità con cui ruota il disco e da quanto lontano è il settore dalla testina Tempo di trasferimento dipende dalla larghezza di banda del disco (densità di bit) e della dimensione della richiesta Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 14
Numeri tipici dei un disco magnetico Latenza di rotazione: Molti dischi ruotano ad una velocità da 3600 a 7200 RPM Approssimativamente impiegano dai 16 ms agli 8 ms per rivoluzione, rispettivamente In media la latenza per accedere all informazione desiderata è metà del tempo che il disco impiega per una rivoluzione completa: - 3600 RPM 8 ms di latenza - 7200 RPM 4 ms di latenza Il tempo di trasferimento è funzione di: La dimensione del trasferimento (di solito un singolo settore): 1KB / settore La velocità di rotazione: 3600 RPM o 7200 RPM La densità di registrazione: numero di bit presenti in un pollice di una traccia Il diametro del disco: di solito varia da 2.5 inch a 5.25 inch - Valori tipici 2-12 MB/sec Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 15 Performance del disco A che distanza in media si trova il settore dalla testina? 1/2 tempo di una rotazione - 7200 RPM (Revolution Per Minute) 120 Rev/sec - 1 rotazione = 1/120 sec 8.33 ms - 1/2 rotazione 4.16 ms Qual è il numero medio di tracce che si deve scorrere? Somma di tutte le possibili distanze di seek di tutte le possibili tracce / # possibile - Si assume che la distanza di seek sia casuale Si fa riferimento ai benchmark standard per i dischi Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 16
Data rate: tracce interne e tracce esterne Per mantenere le cose semplici, originariamente si è mantenuto lo stesso numero di settori per qualsiasi traccia Poiché le tracce più esterne sono più lunghe, la loro densità di bit è minore (bit/inch) Concorrenza Si è deciso di mantenere lo stesso BPI (Bit Per Inch) per tutte le tracce ( constant bit density ) Maggiore capacità di memoria per i dischi Più settori nella traccia verso il bordo Poiché il disco ruota a velocità costante, le tracce più esterne hanno un data rate più veloce La larghezza di banda delle tracce esterne è 1.7 volte (1.7X) maggiore di quella delle tracce interne Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 17 Hardware del Disco Geometria fisica di un disco con due zone Una possibile geometria virtuale per questo disco Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 18
Modello di performance del Disco: trend Capacità + 100% / anno (2X / 1anno) Tasso di trasferimento (BW) + 40% / anno (2X / 2anni) Tempo di rotazione + Tempo di seek - 8% / anno (0.5X / 10anni) Costo (MB/$) > 100% / anno (2X / <1.5anni) Pochi circuiti integrati + densità di area Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 19 Esempi di dischi magnetici Caratteristica IBM 3090 IBM UltraStar Integral 1820 Diametro del disco 10.88inch 3.50inch 1.80inch Capacità dati form. 22,700MB 4,300MB 21MB MTTF 50,000ore 1,000,000ore 100,000ore Numero di bracci/box 12 1 1 Velocità di rotazione 3,600RPM 7,200RPM 3,800RPM Transfer rate 4.2 MB/sec 9-12 MB/sec 1.9 MB/sec Power/box 2,900W 13W 2W MB/watt 8 102 10.5 Volume 2747l 3.7l 0.57l MB/feet 3 234 33000 1050 Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 20
Pamametri dei dischi per l originale floppy disk IBM e un hard disk Western Digital WD 18300 Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 21 Stato dell arte: Ultrastar 72ZX braccio buffer tracce per access per byte testina traccia Latenza = settore cilindro piatto Tempo di coda + Tempo del controller + Tempo di seek + Tempo di rotazione + Dimensione / Larghezza di banda Disco da 73.4 GB, 3.5 inch 2 /MB (11/02 0.1 /MB ) 10,000 RPM; 3 ms = 1/2 rotation 11 piatti, 22 facce 15,110 cilindri 7 Gbit/sq.in. Densità di area 17 watts (inattivo) 0.1 ms tempo del controller 5.3 ms tempo di seek medio da 50 a 29 MB/s (interno) Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 22
Esempio di performance del disco (in seguito sarà ottimizzato) Calcolare il tempo per leggere 1 settore (512B) in un hard disk UltraStar 72 utilizzando le caratteristiche pubblicizzate (slide precedente); considerare un settore nella traccia più esterna Latenza = Tempo medio di seek + ritardo rotazionale medio + tempo di trasferimento + overhead del controller = 5.3 ms + 0.5 * 1/(10000 RPM) + 0.5 KB / (50 MB/s) + 0.15 ms = 5.3 ms + 0.5 /(10000 RPM/(60000ms/M)) + 0.5 KB / (50 KB/ms) + 0.15 ms = 5.3 + 3.0 + 0.01 + 0.1 ms = 8.41 ms Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 23 Densità di area Bit memorizzati in una traccia La metrica è il Bits Per Inch (BPI) Numero di tracce per superficie La metrica è la Tracks Per Inch (TPI) Attenzione alla bit density per unità di area La metrica è la Bits Per square Inch E chiamata anche Areal Density Areal density = BPI X TPI Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 24
Storia dei dischi (IBM) Densità dei dati Mbit/sq.in. Capacità MB 1973: 1.7 Mbit/sq.in 140 MBytes 1979: 7.7 Mbit/sq.in 2300 MBytes Fonte: New York Times, 2/23/98, page C3, Makers of disk drives crowd even more data into even smaller spaces Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 25 Storia dei dischi 1989: 63 Mbit/sq.in 60000 MBytes 1997: 1450 Mbit/sq.in 1600 MBytes 1997: 3090 Mbit/sq.in 8100 MBytes Fonte: New York Times, 2/23/98, page C3, Makers of disk drives crowd even more data into even smaller spaces Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 26
Areal density 100000 10000 Year 1973 1979 Areal Density 1,7 7,7 Areal Density 1000 100 1989 63 10 1997 3090 2000 17100 1 1970 1980 1990 2000 Anno Areal Density = BPI X TPI Cambio di pendenza (circa nel 1991): 30%/anno 60%/anno Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 27 Prospettiva Storica Il mercato è guidato dal fattore di forma e dalla capacità più che dalla performance Anni 70: Mainframe dischi con diametro da 14 inch Anni 80: Minicomputer, Server dischi con diametro da 8, 5.25 Ultimi anni 80/primi anni 90: Pizzabox PC dischi da 2.5inch Laptop, notebook dischi da 2.5 inch I palmtop non usano dischi, per questo non esistono dischi da 1.8 inch Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 28
Disk drive da 1 inch 2000: IBM MicroDrive: 1.7 x 1.4 x 0.2 1 GB, 3600 RPM, 5 MB/s, 15 ms seek Digital camera, PalmPC? 2006 MicroDrive? 9 GB, 50 MB/s! Con queste premesse si propone come un prodotto di successo Si suppone che continui il trend degli anni scorsi Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 29 Organizzazione dei dati e formattazione Anelli concentrici o tracce Gap tra le tracce Per incrementare la capacità si devono ridurre i gap Stesso numero di bit per traccia (variable packing density) Velocità angolare costante Tracce divise in settori La dimensione minima del blocco è un settore Può esserci più di un settore per blocco Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 30
Layout dei dati nel disco S3 S4 Settore Gap fra settori S2 S3 S4 S5 Traccia Gap fra tracce S2 S5 S1 S1 S6 S6 S8 S7 S8 S7 Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 31 Formato ST506 (obsoleto!) 17 7 41 515 20 17 7 41 515 20 Bytes Gap1 Id Gap2 Data Gap3 Gap1 Id Gap2 Data Gap3 Sync Byte Track # Head # Sector # CRC Sync Byte Data CRC 1 2 1 1 2 1 512 2 Bytes Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 32
Ricerca del settore Si deve essere in grado di identificare l inizio e la fine della traccia e del settore Formato disco Informazioni aggiuntive non accessibili dall utente Vengono marcate le tracce e i settori Un settore del disco Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 33 Formattazione del disco: cylinder skew Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 34
Formattazione del disco: interleaving No interleaving Single interleaving Double interleaving Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 35 Trattamento degli errori Disco con un settore danneggiato Sostituzione con parti di ricambio per il settore danneggiato Shift di tutti i settori per bypassare il settore danneggiato Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 36
Errore: usare il tempo medio di seek dei data sheet I produttori avevano bisogno di uno standard per un confronto imparziale ( benchmark ) Calcolare tutte le ricerche da tutte le tracce, dividere per il numero di ricerche media La vera media dovrebbe basarsi su come sono disposti sul disco i dati nei quali si fa la ricerca nelle applicazioni reali, e dopo si dovrebbe misurare la performance Di solito si tende a cercare in tracce vicine fra di loro, non su tracce casuali (località degli accessi al disco) Regola pratica: Il tempo medio di seek osservato è tipicamente circa 1/4-1/3 del tempo medio di seek citato dai costruttori (es: 3X-4X più veloce) Ultrastar 72 tempo medio di seek: 5.3ms 1.7ms Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 37 Errore: usare il tranfer rate dei data sheets I produttori citano la velocità di uscita dei dati dalla superficie del disco I settori hanno un errore di rilevazione e un campo di correzione (può essere il 20% della dimensione del settore) ed un numero di settore oltre che i dati Ci sono gap tra i settori nelle tracce Regola pratica: i dischi trasportano circa 3/4 del data rate medio interno (1.3X più lenti) Per esempio: Ultrastar 72 cita: 52-29 MB/s internal media rate c è da aspettarsi invece che si abbia: 37-22 MB/s user data rate Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 38
Esempio di calcolo delle performance di un disco Calcolare il tempo per leggere 1 settore in un disco UltraStar 72, questa volta usando 1/3 del tempo di seek citato, 3/4 della banda interna della traccia più esterna (N.B. il risultato nel caso precedente era 8.55 ms) Latenza = Tempo medio di seek + Ritardo medio rotazionale + tempo di trasferimento + overhead del controller = (0.33 * 5.3 ms) + 0.5 * 1/(10000 RPM) + 0.5 KB / (0.75 * 50 MB/s) + 0.15 ms = 1.77 ms + 0.5 /(10000 RPM/(60000ms/M)) + 0.5 KB / (37 KB/ms) + 0.15 ms = 1.73 + 3.0 + 0.14 + 0.15 ms = 5.02 ms Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 39 Futuro: dimensioni e performance dei dischi Miglioramento continuo della capacità (60%/anno) e della larghezza di banda (40%/anno) Lento miglioramento del tempo di seek e della velocità di rotazione (8%/anno) Tempo per leggere tutto il disco: Anno Accesso sequenziale Accesso Random (1 settore/seek) 1990 4 minuti 6 ore 2000 12 minuti 1 settimana(!) Il fattore di forma 3.5 continuerà ad avere senso nei prossimi 5-7 anni? Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 40
Altri tipi di memorie esterne Dischi magnetici RAID Rimovibili Ottici CD-ROM CD-R (Recordable o Writeble o WORM) CD-R/W DVD (-RW +RW) Nastri magnetici DAT Memory card Memory stick (sony) Smart Media Smart Cards Roberto Giorgi, Universita di Siena, C107L15, Slide 41