Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 6: Hệ thống lưu trữ và các thiết bị xuất/nhập khác

ật Máy tính 3
 Độ tin cậy (Dependability)
 Dịch vụ hoàn tất
 Cung cấp dịch vụ như đã
 đặc tả
  Lỗi: một bộ phận nào 
 đó sinh lỗi của bộ 
 Phục hồi lại Lỗi phận
  Có & có thể không 
 dẫn đến lỗi hệ thống
 Ngắt quãng dịch vụ
 Sai lệch với dịch vụ
 đã đặc tả
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 4
 Đo độ tin cậy
  Mức tin cậy (reliability): thời gian trung bình cho 
 đến khi có lỗi (MTTF=Mean Time To Failure))
  Ngắt dịch vụ: Thời gian trung bình khắc phục lỗi 
 (MTTR= Mean Time to repaire)
  Thời gian trung bình giữa 2 lần lỗi
  MTBF = MTTF + MTTR (Mean time between failures)
  Tính sẵn sàng (Availability) = 
 MTTF / (MTTF + MTTR)
  Cải thiện tính sẵn sàng
  Tăng MTTF: tránh lỗi, dự phòng, tiên đoán lỗi
  Giảm MTTR: cải thiện công cụ & tiến trình tìm và sửa 
 BK lỗi
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 5
 Lưu trữ trên đĩa
  Nonvolatile (không tự biến mất), nhiều đĩa từ tính quay 
 quanh 1 trục
 sectors
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 6
 Sector & Truy cập
  Mỗi sector là đơn vị khối chứa các thông tin
  Chỉ số nhận dạng Sector
  Dữ liệu (512 bytes, hướng 4096 bytes per sector)
  Mã sửa lỗi (ECC)
  Trường đồng bộ & Khoảng trống phân cách
  Truy cập 1 sector bao gồm:
  Trễ hàng vì có nhiều yêu cầu đồng thời
  Tìm rãnh (Seek): Dịch chuyển đầu từ
  Rotational latency
  Vận chuyển dữ liệu (Data transfer)
  Phí tổn mạch điều khiển (Controller overhead)
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 7
 Ví dụ: Truy cập đĩa
  Giả sử
  Sector có 512Bytes, tốc độ quay 15,000rpm, 
 thời gian dò tìm 4ms, tốc độ truyền 100MB/s, 
 Phí tổn đ/khiển 0.2ms, idle disk
  Thời gian đọc trung bình
  4ms dò tìm
 + ½ / (15,000/60) = 2ms rotational latency
 + 512 / 100MB/s = 0.005ms thời gian truyền
 + 0.2ms trễ do bộ đ/khiển
 = 6.2ms
  Thời gian thực tế = 25% của nhà sản xuất
  1ms+2ms+0.005ms+0.2ms = 3.2ms
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 8
 Các vấn đề Hiệu suất đĩa
  Nhà sản xuất cho biết thời gian dò tìm trung bình
  Dựa trên mọi trường hợp dò tìm có thể
  Tính cục bộ & định thời OS sẽ có số liệu thực tế nhỏ 
 hơn
  Mạch điều khiển sẽ xác định vị trí vật lý trên đĩa
  Máy tính làm việc vói giá trị luận lý
  SCSI, ATA, SATA
  Tăng hiệu xuất bằng Cache
  Truy cập sẵn
  Tránh dò tìm và trễ vòng quay
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 9
 Lưu trữ Flash
  Nonvolatile, lưu trữ bán dẫn
  100 – 1000 nhanh hơn đĩa
  Nhỏ hơn, tốn ít năng lương tiêu thụ, ổn định hơn
  Tuy nhiên đắt hơn $/GB (giữa đĩa và DRAM)
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 10
 Các loại bộ nhớ Flash
  NOR flash: bit nhớ giống cổng NOR
  Truy cập ngẫu nhiên
  Dùng nhớ lệnh trong hệ tống nhúng
  NAND flash: bit nhớ giống cổng NAND
  Mật độ cao (bits/area), truy cập khối mỗi lần
  Rẻ hơn
  Dùng trong USB keys, media storage, 
  Sau khoảng 1000 lần truy xuất: có vấn đề
  Không thể dùng thay thế RAM hoặc đĩa
  Khắc phục vấn đề: ánh xạ lại
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 11
 Thành phần kết nối
  Cần kết nối giữa các bộ phận như
  CPU, bộ nhớ, Điều khiển I/O
  Tuyến “Bus”: chia sẻ kênh truyền
  Bao gồm nhóm các đường dây song song 
 truyền dữ liệu và đồng bộ truyền dữ liệu
  Hiện tượng cổ chai
  Hiệu suất bị ảnh hưởng bởi các yếu tố 
 vật lý như
  Độ dài đường truyền, số kết nối
  Phương án hiện nay: kết nối tuần tự tốc 
BK độ cao: giống mạng
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 12
 Tuyến “Bus” các loại
  Hai tuyến chính
  Tuyến Bus Processor Memory
  Khoảng cách gần (ngắn), tốc độ cao
  Thiết kế phù hợp với tổ chức bộ nhớ
  Tuyến bus I/O
  Khoảng cách xa hơn, nhiều điểm tiếp nối
  Chuẩn hóa để dễ sử dụng
  Nối với tuyến bus “processor-memory” qua 
 cầu nối (Bridge)
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & kỹ thuật Máy tính 13
 Tín hiệu và Đồng bộ tuyến Bus
  Đường dữ liệu (Data lines)
  Địa chỉ & dữ liệu
  Riêng biệt hoặc trộn lẫn
  Đường điều khiển
  Thể hiện loại dữ liệu trên đường truyền, đồng 
 bộ các giao dịch
  Đồng bộ
  Sử dụng đồng hồ tuyến bus (tấn số thấp hơn)
  Bất đồng bộ
  Sử dụng cơ chế bắt tay (request/acknowledge)
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 14
 Một số ví dụ Bus I/O chuẩn
 Firewire USB 2.0 PCI Express Serial ATA Serial 
 Attached 
 SCSI
 Intended use External External Internal Internal External
 Devices per 63 127 1 1 4
 channel
 Data width 4 2 2/lane 4 4
 Peak 50MB/s or 0.2MB/s, 250MB/s/lane 300MB/s 300MB/s
 bandwidth 100MB/s 1.5MB/s, or 1 , 2 , 4 , 
 60MB/s 8 , 16 , 32
 Hot Yes Yes Depends Yes Yes
 pluggable
 Max length 4.5m 5m 0.5m 1m 8m
 Standard IEEE 1394 USB PCI-SIG SATA-IO INCITS TC 
 Implementers T10
 Forum
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 15
 Hệ thống x86 PC I/O
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 16
 Quản lý I/O
  I/O được quản lý trực tiếp bởi OS
  Nhiều chương trình đồng thời cùng chia sẻ 
 chung các thiết bị I/O
  Cần được bảo vệ và định thời
  I/O tạo ngắt quãng bất đồng bộ
  Giống cơ chế ngoại lệ
  Lập trình I/O ít phức tạp (Device Driver)
  OS tạo các dịch vụ trên I/O để các chương 
 trình gọi các dịch vụ thông qua OS
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 17
 Các lệnh I/O
  Thiết bị I/O devices được quản lý bằng phần 
 cứng điều khiển I/O
  Vận chuyển dữ liệu (từ I/O hay đến I/O)
  Các tác vụ đồng bộ với phần mềm
  Thanh ghi lệnh (Command registers)
  Ra lệnh thiết bị thực hiện
  Thanh ghi trạng thái (Status registers)
  Mô tả trạng thái tức thời của thiết bị
  Thanh ghi dữ liệu (Data registers)
  Ghi (write): chuyển dữ liệu đến thiết bị
  Đọc (read): chuyển dữ liệu từ thiết bị
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 18
 Truy xuất các thanh ghi I/O 
  Ánh xạ như địa chỉ bộ nhớ (Memory mapped)
  Thanh ghi được địa chỉ hóa như không gian bộ nhớ
  Giải mã địa chỉ sẽ tự phân biệt
  OS thực hiện cơ chế chuyển đổi địa chỉ sao cho chỉ 
 có OS mới truy cập được
  Lệnh I/O chuyên biệt
  Tồn tại các lệnh chuyên biệt để truy xuất các thanh 
 ghi I/O
  Chỉ thực thi trong (kernel mode)
  Ví dụ: x86
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 19
 Cơ chế Dò quét (polling)
  Kiểm tra thanh ghi trạng thái liên tục
  Nếu thiết bị sẵn sàng, thực hiện tác vụ I/O
  Nếu lỗi, thực hiện biện pháp giải quyết
  Thông dụng trong các hệ thống nhỏ hoặc 
 các hệ thống nhúng không đòi hỏi hiệu 
 suất cao, do:
  Thời gian xử lý dễ tiên đoán trước
  Giá thành phần cứng thấp
  Trong các hệ thống khác: phí thời gian 
 CPU (busy for waiting)
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 20
 Ngắt quãng (interrupts)
  Khi thiết bị sẵn sàng hoặc xuất hiện lỗi
  Bộ điều khiển thiết bị ngắt quãng CPU
  Ngắt quãng cũng giống một ngoại lệ
  Nhưng không đồng bộ với lệnh đang thực thi
  Kích khởi bộ xử lý ngắt quãng tại thời điểm giữa 
 các lệnh
  Cung cấp thông tin đến thiết bị tương ứng
  Ngắt quãng có thứ tự ưu tiên
  Khác thiết bị quan trọng có chế độ ưu tiên cao
  Ngắt quãng có ưu tiên cao hơn có thể ngắt ưu tiên 
 thấp hơn
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 21
 Phương thức vận chuyển
  Hoạt động theo cơ chế dò quét & ngắt 
 quãng
  CPU chuyển dữ liệu giữ bộ nhớ và các thanh 
 ghi dữ liệu của I/O
  Tốn thời gian cho các thiết bị tốc độ cao
  Truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA)
  OS cấp địa chỉ bắt đầu trong bộ nhớ
  Điều khiển I/O controller vận chuyển đến/từ 
 bộ nhớ một cách chủ động
  Bô điều khiển I/O ngắt quãng khi hoàn tất hay 
 lỗi xảy ra
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 22
 Đo hiệu xuất I/O
  Hiệu xuất I/O phụ thuộc vào:
  Phần cứng: CPU, bộ nhớ, đ/khiển & buses
  Phần mềm: Hệ điều hành, Hệ quản trị dữ liệu, 
 ứng dụng
  Tải: mức độ yêu cầu truy xuất & mẫu
  Khi thiết kế hệ thống I/O system cần hài 
 hòa “thời gian đáp ứng” & hiệu xuất đầu 
 ra
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 23
 Hiệu xuất giữa I/O & CPU
  Amdahl’s Law
  Không thể bỏ qua hiệu xuất I/O khi gia tăng 
 hiệu xuất tính toán (song song hóa) của CPU
  Ví dụ:
  Đo đạc cho thấy 90s (CPU time), 10s (I/O time)
  Số CPU tăng gấp đôi mỗi năm và I/O không đổi
 Year CPU time I/O time Elapsed time % I/O time
 now 90s 10s 100s 10%
 +2 45s 10s 55s 18%
 +4 23s 10s 33s 31%
 +6 11s 10s 21s 47%
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 24
 RAID=
 (Redundant Array of Inexpensive (Independent) Disks)
  Sử dụng nhiều đĩa nhỏ thay vì 1 đĩa thật lớn
  Song song hóa để cải thiện hiệu suất
  Thêm đĩa để tạo thông tin dự trữ (dư thừa)
  Xây dựng hệ thống lưu trữ với an toàn dữ 
 liệu cao
  Đặc biệt có khả năng thay nóng
  RAID 0
  Không có thông tin dư thừa (“AID”?)
  Thông tin chứa liên tiếp theo mảng trên các đĩa
  Tuy vậy: không tăng hiệu xuất truy cập
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 25
 RAID 1 & 2
  RAID 1: Đối xứng “Mirroring”
  Số đĩa: N + N, sao chép dữ liệu giống nhau
  Dữ liệu đồng thời được ghi trên cả 2 đĩa
  Trong trường hợp lỗi, đọc đĩa đối xứng
  RAID 2: Mã sửa lỗi
  Số đĩa: N + E (e.g., 10 + 4)
  Tách dữ lieeeju ở mức bit trên toàn bộ N
  Tạo E-bit ECC (theo giải thuật)
  Quá phức tạp không dùng trong thực tế
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 26
 RAID 3: Parity mức bit xen kẽ
  Số đĩa: N + 1
  Dữ liệu phân mảnh, chứa trên toàn bộ N 
 đĩa ở mức byte
  Đĩa dư thêm chứa thông tin parity
  Truy cập (đọc): đọc cùng lúc nhiều đĩa
  Truy cập (ghi): tạo parity mới tương ứng 
 và ghi cùng lúc trên nhiều đĩa
  Trường hợp lỗi: dùng thông tin parity để 
 khôi phục dữ liệu bị mất.
  Không thông dụng
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 27
 RAID 4: Parity mức khối xen kẽ
  Số đĩa: N + 1
  Dữ liệu phân mảnh, chứa trên toàn bộ N đĩa ở mức 
 khối
  Đĩa dư thêm chứa thông tin parity cho 1 nhóm khối
  Truy cập (đọc): Chỉ đọc những đĩa chứa khối cần đọc
  Truy cập (ghi):
  Đọc đĩa chứa khối bị thay đổi và đĩa parity
  Tính lại parity mới, cập nhật đĩa chứa dữ liệu và đĩa parity
  Khi có lỗi
  Sử dụng parity để khôi phục dữ liệu lỗi
  Không thông dụng
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 28
 So sánh RAID 3 & RAID 4
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 29
 RAID 5: Parity phân tán
  Số đĩa: N + 1
  Giống RAID 4, nhưng các khối parity phân 
 tán khắp trên các đĩa
  Tránh hiện tượng “cổ chai” với đĩa parity
  Thông dụng
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 30
 RAID 6: P + Q Dư thừa
  Số đĩa: N + 2
  Tương tự RAID 5, nhưng 2 đĩa chứa parity
  Sửa lỗi tốt hơn do có parity dư thừa
  Đa RAID
  Nhiều hệ thống tân tiến sử dụng phương 
 thức dư thừa thông tin để sửa lỗi tương tự 
 với hiệu suất tốt hơn
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 31
 Kết luận về RAID
  RAID cải thiện hiệu suất và tính sẵn 
 sàng
  Tính sẵn sàng cao đòi hỏi “thay nóng”
  Giả sử lỗi đĩa độc lập, không có mối 
 quan hệ
  Khả năng phục hồi thấp
  Tham khảo thêm “Hard Disk 
 Performance, Quality and Reliability”
  
BK x.htm
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 32
 Tiêu chí thiết kế hệ thống I/O
  Thỏa mãn các yêu cầu thời gian đáp ứng
  For time-critical operations
  If system is unloaded
  Add up latency of components
  Maximizing throughput
  Find “weakest link” (lowest-bandwidth component)
  Configure to operate at its maximum bandwidth
  Balance remaining components in the system
  If system is loaded, simple analysis is insufficient
  Need to use queuing models or simulation
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 33
 Máy chủ (Servers)
  Ứng dụng ngày càng được chạy trên 
 máy chủ
  Web search, office apps, virtual worlds, 
  Yêu cầu máy chủ làm trung tâm dữ liệu 
 càng lớn
  Đa xử lý, liên kết mạng, lưu trữ “khủng”
  Không gian & năng lượng tiêu thụ hạn chế
  Thiết bị xây dựng trên dạng rack 19” 
 
 BK Dưới dạng nhiều module 1.75” (1U)
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 34
 Rack-Mounted Servers
 Sun Fire x4150 1U server
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 35
 Sun Fire x4150 1U server
4 cores 
 each
 16 x 4GB = 
 64GB DRAM
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật máy tính 36
 Ví dụ: Thiết kế hệ thống I/O
  Giả sử hệ thống Sun Fire x4150 với
  Tải làm việc: đọc các khối đĩa 64KBytes
  Mỗi tác vụ cần 200,000 lệnh ứng dụng & 100,000 lệnh 
 thuộc OS
 9
  Mỗi CPU: 10 lệnh/giây
  FSB: 10.6 GB/giây tốc độ tối đa
  DRAM DDR2 667MHz: 5.336 GB/giây
  PCI-E 8× bus: 8 × 250MB/sec = 2GB/sec
  Đĩa: tốc độ quay 15,000 rpm, thời gian dò 2.9ms, 
 Tốc độ truyền dữ liệu 112MB/giây
  Tốc độ I/O tối đa để đảm bảo yêu cầu trên
  Đọc random và tuần tự
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 37
 Thiết kế hệ thống I/O (tt.)
  Tốc độ I/O với tốc độ xử lý CPUs 
 9
  Mỗi core: 10 /(100,000 + 200,000) = 3,333 tác vụ
  8 cores: 26,667 ops/sec (3,333x8) tác vụ/giây
  Đọc ngẫu nhiên, Tốc độ I/O với đĩa
  Giả sử thời gian dò tìm là 25% theo thông số
  Time/op = seek + latency + transfer
 = 2.9ms/4 + 4ms/2 + 64KB/(112MB/s) = 3.3ms
  Mỗi giây là 1000ms 1000ms/3.3ms = 303 op/s
  303 ops/sec per disk, 2424 ops/sec for 8 disks
  Đọc liên tục: 112MB/s / 64KB = 1750 ops/sec per 
 disk và 14,000 ops/sec for 8 disks
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 38
 Thiết kế hệ thống I/O (tt.)
  PCI-E I/O rate 
  2GB/sec / 64KB = 31,250 ops/sec
  DRAM I/O rate
  5.336 GB/sec / 64KB = 83,375 ops/sec
  FSB I/O rate
  Giả sử ½ peak rate được duy trì
  5.3 GB/sec / 64KB = 81,540 ops/sec per FSB
  163,080 ops/sec for 2 FSBs
  Nơi yếu nhất (weakest link): chính là đĩa
  2424 ops/sec random, 14,000 ops/sec sequential
  Tất cả các bộ phận khác đều thỏa mãn để đáp 
BK ứng đòi hỏi truy xuất đĩa
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 39
 Ví dụ: Tính độ tin cậy đĩa
 Nếu nhà sản xuất cho biết giá trị MTTF là 
 1,200,000 giờ (140 năm)
  Sẽ hiểu rằng nó làm việc cho đến khi đó (140 
 năm)
 Sai: Đó chỉ là thời gian trung bình đến khi lỗi 
 có thể xảy ra
  Phân bố lỗi ?
  Lỗi sẽ ra sao khi có 1000 đĩa?
  Bao nhiêu lỗi xảy ra trong năm
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 40
 Tổng kết chương
  Đo hiệu xuất thiết bị I/O
  Throughput, response time
  Dependability and cost also important
  2 loại tuyến “Buses” kết nối các thành 
 phần CPU, memory, thiết bị đ/khiển I/O
  Cơ chế hoạt động: Polling, interrupts, DMA
  Đo đạc hiệu xuất I/O
  TPC, SPECSFS, SPECWeb
  RAID
  Cải thiện hiệu xuất và độ tin cậy
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 41