30 de Maio de Aula 21

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1 30 de Maio de Entradas e saídas de dados I Aula 21

2 Estrutura desta aula Sistemas de entradas/saídas de dados (I/O) Desempenho: throughput vs latência Anatomia dos discos rígidos Barramentos Tipos de barramentos Barramentos síncronos e assíncronos Arbitragem Ref: Hennessy e Pattersson, 7.1 a de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/05 2-Aula 21

3 Sêrro Carlos S Problemas Desempenho Capacidade de expansão Fiabilidade (em caso de falha num componente redundância) 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/05 3-Aula 21

4 Sêrro Carlos S Desempenho das aplicações Tempo de I/O constante 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/05 4-Aula 21

5 Sêrro Carlos S Dispositivos de I/O 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/05 5-Aula 21

6 Desempenho do sistema de I/O Desempenho e fiabilidade do sistema de I/O depende de muitos aspectos (limitados pelo elo mais fraco): A CPU o Sistema de memória: Caches internas e externas Memória central as ligações que servem de suporte aos subsistemas (barramentos) o controlador de I/O os dispositivos de I/O o desempenho do software de I/O (Sistema Operativo) a eficiência do software na utilização dos dispositivos de I/O Duas métricas: Throughput: largura de banda de I/O Tempo de resposta: latências 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/05 6-Aula 21

7 Sêrro Carlos S Um disco por dentro 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/05 7-Aula 21

8 Disco rígido Objectivo: Memória não volátil Grande, barata, mas lenta Nível mais baixo na hierarquia de memória Magnético ou óptico: Usam um ou mais pratos em rotação, cobertos nas duas faces por uma substância magnética ou perfurados por laser Usa uma cabeça móvel de leitura/escrita para aceder ao disco Vantagens do disco duro em relação ao floppy: Suporte de metal ou de vidro Densidade muito elevada porque pode ser controlada no fabrico com elevada precisão Taxa de transferência elevada porque o prato roda muito rapidamente (10 a rot num SCSI) Pode ter mais do que um prato 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/05 8-Aula 21

9 Sêrro Carlos S Mais de perto 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/05 9-Aula 21

10 Sêrro Carlos S Organização (1) 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

11 Organização (2) Números típicos (dependem do tamanho do disco) 500 a 2000 pistas por superfície (um lado de um prato) 38 a 128 sectores por pista Um sector é a unidade mais pequena de leitura e de escrita Tradicionalmente, todas as pistas possuem o mesmo número de sectores Densidade constante: pistas externas com mais sectores Recentemente opta-se pela outra hipótese: tamanho constante por bit gravado a velocidade de rotação varia com a posição da pista 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

12 Sêrro Carlos S Organização (3) 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

13 Desempenho de um disco (1) Tempo de seek (procura) Desloca a cabeça para a pista 5 a 10 ms típicos Depende do número de pistas e da velocidade de procura Tempo médio de seek = tempo para todos as procuras possíveis / número de procuras possíveis Tempo médio de seek típico = 25% a 33%, devido à localidade espacial e temporal Latência de rotação Depende da velocidade de rotação e da distância da cabeça ao sector pretendido Para os drives actuais = a RPM Aproximadamente 12 ms a 5 ms Latência de rotação média = ½ x latência de rotação Porquê? 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

14 Desempenho de um disco (2) Tempo de transferência Tempo para transferir um sector Depende da velocidade de rotação da densidade de gravação da taxa de transferência (largura de banda) da dimensão do pedido Para drives típicos - 10 a 40 MBytes/segundo Latência do controlador overhead devido à electrónica também permite prefetching e caching 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

15 Desempenho de um disco (3) Prefetching Geralmente é feita a leitura de uma pista inteira de cada vez Admite que o pedido para o próximo sector virá a seguir Caching Quantidade d limitada i de caching entre pedidos preferência ao prefetching 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

16 Desempenho de um disco (4) Tempo médio de acesso = tempo de seek + tempo de rotação + tempo de transferência + tempo devido ao overhead do controlador Distância média dum sector à cabeça 1/2 do tempo de rotação rot/minuto 166,67 rot/seg 1 rot = 1/166,67 seg 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

17 Organização (4) Exemplo: BARRACUDA ,6 GB, 3.5 polegadas 12 pratos / 24 superfícies cilindros RPM; (4,2 ms de latência média) 7,4/8,2 ms de tempo de procura (r/w) 64 a 35 MB/s (interno) 0,1 ms tempo do controlador 10,3 watts (em repouso) 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

18 Sêrro Carlos S Largura de banda 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

19 Sêrro Carlos S Latência 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

20 Sêrro Carlos S Barramentos Um barramento é Um link de comunicação partilhado Um conjunto de fios usados para ligar múltiplos subsistemas Um barramento é também uma ferramenta de estruturação de sistemas complexos 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

21 Sêrro Carlos S Exemplo: Pentium II Xeon 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

22 Vantagens dos barramentos Processador Dispositivo I/O Dispositivo I/O Dispositivo I/O Memória Versatilidade: Novos dispositivos de I/O podem ser facilmente adicionados Os periféricos podem ser transferidos entre sistemas que usam o mesmo standard de barramento Ausência de ligação ponto a ponto que pode ser mal utilizada Baixo custo: Um conjunto de fios partilhado por vários dispositivos 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

23 Desvantagens dos barramentos Dispositivo Dispositivo Dispositivo Processador I/O I/O I/O Memória Cria um bottleneck na comunicação A largura de banda do barramento pode limitar o throughput máximo de I/O A velocidade máxima de transferência pelo barramento é fortemente limitada por o comprimento do barramento o número de dispositivos ligados ao barramento a necessidade de ligar um conjunto de dispositivos com Latências muito variadas Taxas de transferência de dados muito variáveis impossibilidade de utilização simultânea de vários dispositivos 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

24 Organização geral Linhas de controlo Linhas de dados Linhas de controlo: Sinais i que pedem o controlo do barramento ( request ) e sinais que concedem esse controlo ( acknowledgment ou grant ) Indicam o tipo de informação que está nas linhas de dados Linhas de dados Transportam informação entre uma fonte e um destino, em cada transacção: Dado e endereço Comandos complexos 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

25 Master vs Slave Master Master envia comando Dado transferido numa das dirececções Slave Uma transacção no barramento é composta por 2 partes: Envio do comando (e do endereço) pedido (request) Transferência do dado acção O Master é o dispositivo que inicia a transacção: Enviando o comando (e o endereço do slave) O Slave é o dispositivo que responde ao endereço: Enviando o dado para o master se o master pedir um dado Recebendo o dado do master se o master pretender enviar um dado 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

26 Tipos de barramentos (1) Barramento CPU-Memória Curtos e rápidos Proprietários Apenas para transacções com a Memória maximizam a largura de banda processador memória Optimizados para transferência de blocos para/da cache 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

27 Tipos de barramentos (2) Barramento I/O Padronizados pela indústria (SCSI, PCI) Mais diversidade Mais compridos e lentos Ligam ao backplane ou ao barramento CPU-Memória 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

28 Tipos de barramentos (3) Adaptadores/Pontes Ligações de um barramento a outro barramento Backplane Padronizado d ou proprietário i Ligação no chassis Permite coexistência entre CPU, memória e dispositivos de I/O 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

29 Sistema com um backplane Processor Backplane Memory Dispositivos I/O Um único barramento (the backplane bus) usado para: Comunicação entre o processador e a memória Comunicação entre os dispositivos de I/O e a memória Vantagens: simples e pouco dispendioso Desvantagens: lento (o barramento pode tronar-se o maior bottleneck do sistema) Exemplo: IBM PC - AT 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

30 Sistema com 2 barramentos Processor Processor Memory Bus Bus Bus Bus Adaptor Adaptor Adaptor I/O Bus I/O Bus I/O Bus Memory Os barramentos de I/O ligam-se ao barramento processador-memória através de adaptadores: Barramento processador-memória: r móri essencialmente nt para o tráfego entre a CPU e a memória Barramentos de I/O: fornecem slots de expansão para dispositivos de I/O Apple Macintosh-II NuBus: Processador, memória, e alguns dispositivos i i de I/O (seleccionados) Barramento SCCI: os restantes dispositivos de I/O 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

31 Sistema com 3 barramentos (e backplane) Processor Processor Memory Bus Memory Backside Cache bus L2 Cache Bus Adaptor Bus Adaptor Bus Adaptor I/O Bus I/O Bus Um pequeno número de backplanes que se ligam ao barramento processador-memória O barramento Processador-memória é usado apenas para o tráfego processador-memória Os barramentos de I/O ligam-se ao backplane Vantagem: carga no barramento do processador vem grandemente reduzida 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

32 O que caracteriza um barramento Protocolo da transacção Temporizações Colecção de fios Especificação eléctrica Características ti físicas e mecânicas (conectores, capacidades, etc.) 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

33 Decisões de projecto Desempenho elevado Baixo desempenho Estrutura Ender. e dados separados Ender. e dados multiplexados Largura banda Grande Pequena Transferência Paralelo/flexível Série Transac. fraccionadas Sim Não Mestre/escravo Múltiplos masters Um só master Tipo de transferência Síncrona Assíncrona 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

34 Barramentos síncronos e assíncronos Barramento síncrono: Inclui um sinal de relógio nas linhas de controlo Protocolo fixo relativamente a esse sinal Vantagens: pouca lógica e muito rápido Desvantagens: Todos os dispositivos de I/O ligados ao barramento devem funcionar à mesma frequência Para impedir clock skew, o barramento deve ser curto se for rápido Barramento assíncrono: Não tem sinal de relógio Pode acomodar uma grande diversidade de dispositivos Pode ver o seu comprimento aumentado sem preocupações de clock skew Necessita de um protocolo de handshaking 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

35 Protocolo síncrono simples BReq BG R/W Address Cmd+Addr Data Data1 Data2 Tão simples, que até os barramentos processador-memória são mais complexos A memória (slave) pode levar tempo a responder Pode necessitar de controlar a taxa de transferência de dados A transferência é efectuada ao ritmo do relógio 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

36 Protocolo síncrono típico BReq BG R/W Address Cmd+Addr Wait Data Data1 Data1 Data2 O Slave indica ao master quando é que está preparado para transferir os dados A transferência é efectuada aoritmo do relógio 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

37 Transacção de escrita assíncrona Write Transaction Address Data Read BReq Master Asserts Address Master Asserts Data Next Address Ack t0 t1 t2 t3 t4 t5 t0 : O Master obteve controlo do barramento e escreve o endereço, o sentido da transacção (leitura ou escrita) e o dado. Espera um certo tempo (fixo) para que os Slaves descodifiquem o endereço t1: O Master activa a linha BReq t2: O Slave activa Ack, indicando que recebeu o dado t3: O Master liberta (desactiva) Breq t4: O Slave liberta (desactiva) Ack 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

38 Transacção de leitura assíncrona Address Master Asserts Address Next Address Data Slave Data Read BReq Ack t0 t1 t2 t3 t4 t5 t0 : O Master obteve controlo do barramento e escreve o endereço, o sentido da transacção (leitura ou escrita) e o dado. Espera um certo tempo (fixo) para que os Slaves descodifiquem o endereço t1: O Master activa a linha BReq t2: O Slave activa Ack, indicando que está pronto a transmitir o dado t3: O Master liberta Breq, o que significa que recebeu o dado t4: O Slave liberta Ack 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

39 Arbitragem (1) Quando há mais do que um master no barramento, há que prever um esquema de arbitragem Esquema de arbitragem: Um master do barramento que queira utilizá-lo activa o BReq O master não pode usar o barramento antes de o o pedido ser atendido com um sinal BG activado pelo árbitro O master deve assinalar ao árbitro o facto de ter terminado a transacção 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

40 Sêrro Carlos S Arbitragem (2) Os esquemas de arbitragem geralmente tentam balancear dois factores: Prioridade no acesso ao barramento: o dispositivo com mais alta prioridade deve ser servido em primeiro lugar Critério de razoabilidade: o dispositivo de prioridade mais baixa não deve ser excluído do acesso ao barramento 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

41 Arbitragem (3) Os esquemas de arbitragem podem ser divididos em quatro grandes classes: Arbitragem do tipo Daisy chain, em série Arbitragem centralizada, em paralelo Arbitragem distribuída com auto-selecção: quando um dispositivo quer aceder ao barramento, coloca nele um código que o identifica (o seu endereço) Arbitragem distribuída com colisão: quando um dispositivo quer aceder ao barramento, simplesmente coloca o dado no barramento existência de um mecanismo de detecção e de tratamento de possíveis colisões (pedidos simultâneos) 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

42 Arbitragem: acesso ao barramento (1) Bus Master Controlo: o Master inicia os pedidos Dado transferido numa das direcções Bus Slave Um dos aspectos mais importantes no projecto de um barramento: Como permitir que um dispositivo que pretende obter controlo do barramento o pode reservar para efectuar a transacção? Caos evitado por um esquema master-slave: Apenas o master do barramento controla o acesso: Inicia e controla todos os pedidos de acesso ao barramento Um escravo responde ao mestre quando faz um pedido de acesso 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

43 Arbitragem: acesso ao barramento (1) Bus Master Controlo: o Master inicia os pedidos Dado transferido numa das dirececções Bus Slave O sistema mais simples: O processador é o único mestre Todos os pedidos de acesso ao barramento são controlados pelo processador Maior inconveniente: o processador é envolvido em todas as transacções 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

44 Daisy chain (1) Árbitro barramento Disp. 1 Prior. + elevada Disp. 2 Grant Grant Grant Release Request Disp. N Prior. + baixa wired-or 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

45 Daisy chain (2) Disp. 1 Prior. + elevada Disp. 2 Disp. N Prior. + baixa Árbitro barramento Grant Grant Grant Release Request wired-or Vantagem: esquema simples Desvantagens: Não assegura razoabilidade: de: um dispositivo sitiv com prioridade rid de baixa pode ser bloqueado indefinidamente O uso do sinal de Grant limita a velocidade do barramento 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

46 Arbitragem centralizada, paralela (1) Árbitro Grant Dispos. 1 Req Dispos. 2 Dispos. N 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

47 Arbitragem centralizada, paralela (2) Dispos. 1 Dispos. 2 Dispos. N Grant Req Árbitro Usada em todos os barramentos processador-memória e em barramentos de I/O com velocidades d elevadas 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

48 Sêrro Carlos S Arbitragem distribuída 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

49 Aumentar a largura de banda (1) Linhas de endereços e de dados separadas vs endereços e dados multiplexados no tempo: Endereço e dados podem ser transmitidos num único ciclo de acesso ao barramento se as linhas estiverem separadas Custo: (a) mais linhas no barramento, (b) complexidade aumentada Largura do barramento de dados: O aumento da largura do barramento de dados permite a transferência de múltiplas palavras em menos ciclos de acesso ao barramento Exemplo: o barramento CPU-memória da SPARCstation tem 128 bits Custo: mais linhas no barramento 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

50 Aumentar a largura de banda (2) Transferência de blocos: Permite a transferência de múltiplas palavras em ciclos consecutivos Apenas é necessário enviar um endereço no início da transacção O barramento só é libertado depois de a última palavra ter sido transferida Custo: (a) complexidade aumentada (b) diminui o tempo de resposta ao pedido 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

51 Aumentar a taxa de transferência Em barramentos multimaster Arbitragem sobreposta Faz a arbitragem da transacção seguinte na transacção corrente Bus parking Um Master pode agarrar o barramento e executar múltiplas transacções desde que nenhum outro Master efectue um pedido de acesso Sobreposição das fases endereço/dado Já vimos atrás. Necessita de uma das técnicas anteriores Barramento com comutação de pacotes ou fases separadas Fases para o endereço e para o dado completamente separadas Arbitragem separada para cada uma delas A fase para o endereço contém uma etiqueta que é emparelhada com a fase para o dado Características dos barramentos recentes 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21

52 Sêrro Carlos S Pó Próxima aula Polling, interrupções e DMA Arrays de discos RAID 30 de Maio de 2005 Arquitectura de Computadores 2004/ Aula 21