Periféricos de computadores

Periféricos de computadores João Canas Ferreira Arquitectura de Computadores FEUP/LEIC Contém figuras de Computer Organization and Design (cap. 8), D. Patterson & J. Hennessey, 3 a. ed., Elsevier Tópicos 1 Periféricos: aspectos gerais 2 Discos magnéticos 3 Comunicação entre CPU e periféricos 4 Desempenho de subsistemas de E/S ArqComp: Periféricos de computadores 2/37 2007-05-19

1 Periféricos: aspectos gerais 2 Discos magnéticos 3 Comunicação entre CPU e periféricos 4 Desempenho de subsistemas de E/S ArqComp: Periféricos de computadores 3/37 2007-05-19 3

Subsistema de entrada/saída de dados Todos os componentes usados para transferir dados de/para o subsistema CPU + Memória são designados como periféricos. Periféricos típicos são: 1. teclado, rato, monitor; 2. discos magnéticos, discos ópticos; 3. dispositivos de ligação a redes; 4. impressoras, scanners, etc. Alguns critérios de qualidade: 1. fiabilidade: medida do tempo de funcionamente até falhar; 2. disponibilidade: medida do tempo em que o sistema está operacional; 3. expansibilidade. Desempenho depende de muitos factores: características do dispositivo, sistema operativo, método de comunicação com o resto do sistema. ArqComp: Periféricos de computadores 4/37 2007-05-19 4

Classificação de periféricos A diversidade de periféricos é enorme. Uma classificação simples utiliza os seguintes três critérios: Comportamento: 1. Entrada (leitura única); 2. Saída (escrita única, sem leitura); 3. Armazenamento (leitura e escrita, geralmente mais que uma vez). Tipo de cliente/fornecedor: Humano ou máquina. Taxa de dados: taxa máxima de transferência de dados para CPU ou memória. Exemplo: Teclado dispositivo de entrada, usado por humano taxa máxima de dados de 10 bytes/segundo. ArqComp: Periféricos de computadores 5/37 2007-05-19 5

CPU e periféricos: exemplo ArqComp: Periféricos de computadores 6/37 2007-05-19 6

Critérios de desempenho Os critérios de desempenho dependem muito da aplicação. Exemplo: largura de banda de E/S (medida de débito) pode ser considerada de duas maneiras diferentes: Que quantidade de dados passa pelo sistema por unidade de tempo? (unidade: B/s) Quantas operações de E/S podem ser executadas por unidade de tempo? Aplicações de multimédia, com transferências de ficheiros longos, estão no primeiro caso. Recepção de reservas (transacções pequenas) está no 2 o caso. Noutras aplicações, interessa o tempo de resposta (medida de latência, que pode ser dependente da largura de banda da comunicação). Exemplo: computador desktop. Existem aplicações em que interessam ambos os parâmetros: Multibanco, servidores Web. ArqComp: Periféricos de computadores 7/37 2007-05-19 7

Disco magnético: vista interna ArqComp: Periféricos de computadores 9/37 2007-05-19 9

Discos magnéticos variados ArqComp: Periféricos de computadores 10/37 2007-05-19 10

Características de um disco magnético Sistema de armazenamento não-volátil. Conjunto de discos (de metal) rotativos com eixo comum: 5400 15000 RPM. Cada disco tem 2 superfícies de gravação cobertas com material magnético. Cada superfície está dividida em círculos concêntricos: as pistas. Cada pista está dividida em sectores (tradicionalmente de 512 bytes, mais recentemente 4096 bytes). Todas as pistas que estão simultaneamente sob as cabeças de leitura constituem um cilindro (vertical). Em cada pista, a informação está organizada em: n o de sector, espaço livre, informação do sector, espaço livre, n o de sector, espaço livre, etc. Actualmente, o número de sectores varia com a posição da pista: pistas exteriores têm mais sectores. A densidade (bits por unidade de área) tem vindo a aumentar: 100% ao ano entre 1997 e 2001; 40% ao ano actualmente. Em 2001: 20 10 9 bits/polˆ2 (comercial), 60 10 9 bits/polˆ2 (lab); A escrita ou leitura são efectuadas por cabeças de escrita/leitura ligadas a um braço. Todas as cabeças de leitura se movimentam simultaneamente: todas estão sobre o mesmo sector da mesma pista (mas de superfícies diferentes). A capacidade é indicada em potências de 10: 1 MB = 10 6 bytes. ArqComp: Periféricos de computadores 11/37 2007-05-19 11

Constituição de um disco magnético ArqComp: Periféricos de computadores 12/37 2007-05-19 12

Tempos de operação Tempo de acesso soma dos três tempos mencionados a seguir; Tempo de busca tempo que demora a pôr o braço no cilindro pretendido. Fabricantes especificam os tempos máximo, mínimo, médio (soma dos tempos de todas as buscas possíveis/n o de buscas possíveis). Latência de rotação tempo que o sector pretendido demora a surgir debaixo do braço após cabeça chegar ao cilindro: 5.6 ms 2.0 ms. Tempo de transferência tempo que demora a transferir um sector já posicionado sob a cabeça: 30 80 MB/s (SATA: > 125 MB/s) Alguns controladores de disco têm uma cache: 320 MB/s. Tempo de transferência reduz-se 40% ao ano; Tempo de acesso reduz-se 10% ao ano. ArqComp: Periféricos de computadores 13/37 2007-05-19 13

Proximidade dos acessos O princípio da proximidade também vale para acessos a disco: na prática, o tempo de busca médio é muito inferior ao especificado pelos fabricantes. Gráficos mostram a percentagem de acessos com buscas de comprimento entre os dois valores do eixo dos YY. Exemplo (gráfico da esquerda): 8% dos acessos envolveu uma distância de busca entre 16 e 30 cilindros. Linha 0 é um caso especial: acessos no mesmo cilindro. ArqComp: Periféricos de computadores 14/37 2007-05-19 14

Cálculo do tempo de leitura Objectivo: determinar o tempo médio para ler/escrever um sector de 512 bytes de um disco de 10000 RPM. Tempo médio de busca é de 6 ms, taxa de transferência de 50 MB/s. O controlador tem um overhead de 0.2 ms. Tempo médio de busca: 6 ms Latência de rotação (em segundos): 0.5 10000/60 = 0.003 Tempo de transferência (em segundos): 0.5 KB 50 MB = 0.5 50 10 3 = 0.00001 Controlador acrescenta sempre 0.2 ms por transferência. Total = 6.0 + 3.0 + 0.01 + 0.2 = 9.2 ms Se o tempo médio de busca for apenas 25% do especificado: Total = 1.5 + 3.0 + 0.01 + 0.2 = 4.7 ms ArqComp: Periféricos de computadores 15/37 2007-05-19 15

Disponibilidade e fiabilidade Medida de fiabilidade: MTTF (mean time to failure), tempo médio até falhar. Exemplo: o mesmo fabricante vende modelos com MTTF: 1200000 h, 600000 h e 330000 h (a 25 o C). Medida de interrupção de serviço: MTTR (mean time to repair), tempo médio de reparação. Tempo médio entre avarias MTBF(mean time between failures): MTTF + MTTR. Medida de disponibilidade: Como aumentar MTTF? disponibilidade = MTTF MTBF = MTTF (MTTF + MTTR) Aumentar a tolerância a falhas através do uso controlado de redundância. Por exemplo, fazer acessos simultâneos a dois discos, de forma a que cada um seja sempre uma cópia do outro. RAID: Redundant Array of Inexpensive Disks ArqComp: Periféricos de computadores 16/37 2007-05-19 16

Barramentos (1/2) Infra-estrutura de comunicação: barramento. Meio de comunicação partilhado que usa um conjunto de linhas comuns para ligar múltiplos subsistemas. Vantagens: Versatilidade (é fácil adicionar mais subsistemas) Baixo custo Desvantagens: Possível estrangulamento da comunicação Projecto delicado devido a limitações físicas. Barramentos são compostos por linhas de dados e linhas de controlo. Linhas de controlo: são usadas para efectuar pedidos e para especificar o tipo de dados. Linhas de dados: transmitir dados, endereços e parâmetros de comandos complexos. ArqComp: Periféricos de computadores 18/37 2007-05-19 18

Barramentos (2/2) Transacção de barramento: sequência de operações do barramento iniciada por um pedido. Pode envolver muitas operações individuais. Barramentos podem ser dividos em: barramentos processador-memória: curtos, de muito alta velocidade, adaptados ao susbsistema de memória; barramentos de E/S: mais compridos, vários tipos de dispositivos com taxas de transferência muito diferentes. Geralmente, não ligam directamente ao CPU. Um barramento síncrono inclui uma linha de relógio e usa um protocolo fixo de comunicação (com tempos relativos ao sinal de relógio do barramento): protocolos tendem a ser rápidos e simples. Desvantagens: todos os dispositivos devem operar à mesma velocidade e os barramentos não podem ser compridos (degradação do sinal de relógio). Muito usados em ligações processador-memória. Um barramento assíncrono não tem um sinal de relógio comum. Adpata-se naturalmente a dispositivos de diferentes velocidades. Desvantagens: A transmissão de informação deve ser coordenada de forma mais complexa (protocolo de handshaking ). Tendência: passar de barramentos com muitas linhas em paralelo para ligações ponto-a-ponto com poucas linhas e dispositivos ligados por comutadores. ArqComp: Periféricos de computadores 19/37 2007-05-19 19

Exemplos de barramentos de E/S Dois barramentos normalizados muito usados. Baseados em comunicação ponto-a-ponto (barramentos série ). ArqComp: Periféricos de computadores 20/37 2007-05-19 20

Protocolo de comunicação: handshaking (1/2) ReadReq: linha controlada pelo dispositivo de E/S. DataRdy: linhas controladas pela memória. Data e Ack : linhas partilhadas, ArqComp: Periféricos de computadores 21/37 2007-05-19 21

Protocolo de comunicação: handshaking (2/2) Exemplo de uma transacção assíncrona: Transferência de posição de memória para dispositivo de E/S: 1. Memória detecta que sinal ReadReq está a 1 : obtém endereço da linha de dados e activa Ack para indicar que foi activada. 2. Dispositivo de E/S detecta Ack e liberta as linhas de dados e ReadReq. 3. Memória detecta ReadReq a 0 e coloca Ack a 0 também. 4. Quando a memória tem os dados prontos a transferir, coloca a informação nas linhas de dados e coloca DataRdy a 1. 5. Dipositivo E/S detecta DataRdy a 1, lê dados do barramento, após o que leva Ack a 1. 6. Memória detecta Ack a 1, pelo que baixa DataRdy e liberta as linhas de dados. 7. Dispositivo de E/S detecta que DataRdy está a 0, e coloca Ack a 0. Pode começar uma nova transacção. ArqComp: Periféricos de computadores 22/37 2007-05-19 22

Sistema baseado num Pentium 4 ArqComp: Periféricos de computadores 23/37 2007-05-19 23

Características de controladores E/S ArqComp: Periféricos de computadores 24/37 2007-05-19 24

Tarefas do sistema operativo Características relavantes do sistema de E/S: Vários programas partilham o sistema de E/S. Sistema de E/S usam (muitas vezes) interrupções para comunicar informação sobre as operações de E/S, levando o CPU a entrar em modo supervisor. O controlo de baixo nível dos dispositivos de E/S é muito complexo porque implica a gestão de muitos eventos simultâneos e porque os requisitos dos dispositivos são muito minuciosos. Tarefas a executar pelo S. O.: Garantir que cada processo apenas acede aos dispositivos (ou às partes dos dispositivos) a que tem direito. Fornecer abstracções que permitam isolar o acesso aos dispositivos dos detalhes de cada um deles. Atender as interrupções geradas pelos dispositivos de E/S. Garantir acesso equitativo e eficiente aos dispositivos. ArqComp: Periféricos de computadores 25/37 2007-05-19 25

Comandos de E/S Para executar uma transferência de E/S, o CPU deve seleccionar o dispositivo e transmitir um ou mais comandos. Método 1: dispositivos mapeados em memória Uma secção do espaço de endereçamento é associada a um dispositivo: leituras e escritas para esses endereços são interpretadas como comandos. O sistema de memória ignora os acessos, mas o controlador do dispositivo detecta-os e actua em concordância. O acesso aos dispositivos é controlado: os dispositivos apenas surgem no espaço de endereçamento do sistema operativo (e não dos processos individuais). Os dispositivos usam os endereços para determinar o tipo de comando. A família MIPS usa esta abordagem. (E o nanomips também... ) Método 2: instruções especiais de I/O Alguns processadores têm instruções especiais de E/S que permitem especificar o número do dispositivo e os dados a enviar/receber. A arquitectura IA-32 da Intel (386, Pentium, etc.) usa esta abordagem. ArqComp: Periféricos de computadores 26/37 2007-05-19 26

Comunicação com o processador Existem duas abordagens à estratégia de comunicação entre CPU e periféricos: Varrimento (polling) O CPU verifica periodicamente o estado do periférico. O dispositivo simplesmente coloca a informação apropriada num registo, que é acedido pelo CPU. Vantagem: simplicidade. Desvantagem: pode desperdiçar tempo de CPU significativo. O processador pode aceder muitas vezes ao dispositivo, apenas para constatar que este ainda não está pronto. Interrupções Quando o dispositivo termina uma tarefa, envia uma interrupção ao CPU (activando uma linha pré-definida). As interrupções são assíncronas em relação à execução de instruções: uma interrupção não está associada à execução de uma instrução e não implica o protelamento/suspensão da execução da instrução. O CPU apenas necessita de verificar se existe uma interrupção pendente quando inicia a execução de uma nova instrução. Uma interrupção pode vir acompanhada de informação adicional (por exemplo, a identidade do dispostivo que a gerou ou a sua prioridade). ArqComp: Periféricos de computadores 27/37 2007-05-19 27

Tratamento de interrupções...... sw CPU $fp, 24($sp) addu $fp, $sp, 32 move $t0, $a0 sw $t0, 20($sp) sub $a0, $t0, 1 jal rotina move $t1, $v0 lw $t0, 20($sp) sw $t1, 16($sp) sub $a0, $t0, 2 jal rotina move $t2, $v0 lw $t1, 16($sp) add $v0, $t1, $t2... # tratmento da interrupção.text 0x80000080 mfc0 $k0, $13 mfc0 $k1, $14 andi $k0, $k0, 0x003c... jr $k1 1. execução normal 3. atendimento da interrupção 2. interrupção Periférico 4. retomar a execução normal CPU ACK (interrupção atendida) INTR periférico ArqComp: Periféricos de computadores 28/37 2007-05-19 28

Transferências memória dispositivos E/S: DMA A transferência de dados entre um dispositivo de E/S e memória ocorre tipicamente em duas etapas: 1. transferência do dispositivo de E/S para o CPU; 2. transferência do CPU para memória. Em transferências por DMA (Direct Memory Access), os dados são transferidos directamente do dispositivi para a memória. DMA é realizado por um controlador dedicado, que pode trabalhar de maneira independente do processador central. 1. CPU prepara a transferência DMA: identificação do dispositivo, operação a efectuar, endereço de memória inicial, n o de bytes a transferir. 2. Controlador de DMA efectua a transferência, enquanto CPU prossegue com as respectivas actividades. 3. Após terminar a transferência, o controlador de DMA envia uma interrupção ao CPU. ArqComp: Periféricos de computadores 29/37 2007-05-19 29

Sistema com DMA IO_read_or_write MEM_read_or_write endereços dados CPU Memória RAM pedido de transferência de A Periférico A Periférico B Controlador DMA activar periféricoa pedido de transferência de B fim de operação (interrupção) activar periférico B pedido de controlo do barramento autorização ArqComp: Periféricos de computadores 30/37 2007-05-19 30

Impacto de E/S sobre o desempenho Um programa demora 100 s a terminar. Desse tempo, 90 s são de tempo de CPU. Assuma que o desempenho de CPU melhora 50% por ano durante cinco anos, enquanto o sistema de E/S permanece igual. Ao fim de cinco anos, quanto mais rápido é o programa? Tempo de E/S = 100-90 = 10 s Tabela para cinco anos (valores arredondado à unidade): Ano CPU (s) E/S (s) Total (s) % E/S 0 90 10 100 10 1 90/1.5 = 60 10 70 14 2 60/1.5 = 40 10 50 20 3 40/1.5 = 27 10 37 27 4 27/1.5 = 18 10 28 36 5 18/1.5 = 12 10 22 45 Melhoria de desempenho do CPU: 90/12 = 7.5 Melhoria de desempenho total: 100/22 = 4.5 ArqComp: Periféricos de computadores 32/37 2007-05-19 32

Abordagem ao projecto de um sistema E/S Tarefa típica: projectar sistema de E/S de forma a respeitar restrições de largura de banda para uma certa carga (conjunto de programas a executar). Alternativa: dado um sistema de E/S parcialmente configurado, equilibrar o sistema de forma a obter a maior largura de banda possível. Abordagem geral: 1. Determinar o elo mais fraco no sistema de E/S. 2. Configurar este componente para ter o desempenho pretendido (taxa de transmissão). 3. Determinar os requisitos do resto do sistema e configurar os demais elementos para permitirem obter a taxa de transmissão determinada anteriormente. ArqComp: Periféricos de computadores 33/37 2007-05-19 33

Projecto de um sistema de E/S: especificação (Trata-de de um exemplo muito simplificado. Muitas vezes apenas simulação permite obter resultados suficientemente rigorosos.) Especificação do sistema: 1. CPU capaz de executar 3 10 9 instruções/s. Em média, o S. O. dispende 100000 instruções por operação de E/S. 2. Barramento de acesso a memória com uma taxa de transferência de 1000 MB/s. 3. Controladores de disco SCSI Ultra320 com uma taxa de 320 MB/s e capazes de usar até 7 discos. 4. Discos magnéticos com taxas de transferência de 75 MB/s e um tempo médio conjunto de busca e latência rotacional de 6 ms. A carga (para o sistema de E/S) consiste em leituras de 64 KB (leitura sequencial de sectores de uma mesma pista). Os programas do utilizador gastam 200000 instruções por cada operação de E/S. Objectivo: Determinar a maior taxa sustentável de E/S, bem como o número de discos e de controladores necessários. (Assumir que nunca existem conflitos nos acessos a disco.) ArqComp: Periféricos de computadores 34/37 2007-05-19 34

Projecto de um sistema de E/S: cálculos (I) Os componentes fixos são o CPU e memória. Começar por determinar as restrições impostas por estes componentes. Taxa máxima de E/S do CPU: Taxa de execução de instruções N o de instruções por E/S = 3 10 9 E/S = 10000 (200 + 100) 103 s Barramento de memória (transferências de 64 KB): Largura de banda Bytes por E/S = 1000 106 = 64 10 3 15625 E/S s O CPU é o limitador do desempenho. O sistema deve ser configurado para uma taxa de 10000 operações de E/S por segundo. ArqComp: Periféricos de computadores 35/37 2007-05-19 35

Projecto de um sistema de E/S: cálculos (II) Determinar os restantes requisitos do sistema. Tempo gasto por cada disco numa operação de E/S: Cada disco pode realizar: 64 KB Tempo por E/S = 6 + = 6.9 ms 75 MB/s N o operações de E/S = 1000 6.9 146 E/S Para saturar o CPU são necessárias 10000 operações E/S por segundo. Portanto, o número de discos é: N o de discos = 10000 A taxa de transmissão de um disco é: 146 Tamanho da transferência Tempo de transferência 69 discos 64 KB = 6.9 ms s 9.56 MB/s 7 discos necessitam de 7 9.56 = 66.9 MB/s, o que é menor que 320. Logo, o controlador não é saturado pelos 7 discos. O sistema necessitará de 69/ 7 = 10 controladores. ArqComp: Periféricos de computadores 36/37 2007-05-19 36

Elementos de consulta [Patterson & Hennessy]: Secções 8.1, 8.2 (excepto parte sobre RAID [pág. 575 579 da ed. inglesa]), 8.4 8.6 [Delgado & Ribeiro]: Secções 6.3 6.4 (parcialmente 6.2) [Arroz, Monteiro & Oliveira]: Cap. 14 ArqComp: Periféricos de computadores 37/37 2007-05-19 37