高等计算机系统结构 (2).pdf

北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 高等计算机系统结构高等计算机系统结构高等计算机系统结构高等计算机系统结构 第七讲 2005年11月28日 程 旭 存贮系统 I O系统存贮系统 I O系统 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 动机 谁关心I O 动机 谁关心I O CPU性能性能 每年增长每年增长60 I O系统的性能受到机械延迟的限制系统的性能受到机械延迟的限制 磁盘磁盘I O 每年改进每年改进 性能改进性能改进 5倍倍 损失损失50 10 IO 3 ms 1 2 rotation 11 platters 22 surfaces 15 110 cylinders 7 Gbit sq in areal den 17 watts idle 0 1 ms controller time 5 3 ms avg seek 50 to 29 MB s internal source 2 14 00 Latency Queuing Time Controller time Seek Time Rotation Time Size Bandwidth per access per byte Sector Track Cylinder Head PlatterArmTrack Buffer 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 Disk Performance ExampleDisk Performance Example Calculate time to read 1 sector 512B for UltraStar 72 using advertised performance sector is on outer track Disk latency average seek time average rotational delay transfer time controller overhead 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 10 0 15 ms 8 55 ms 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 Areal DensityAreal Density Bits recorded along a track Metric is Bits Per Inch BPI Number of tracks per surface Metric is Tracks Per Inch TPI Care about bit density per unit area Metric is Bits Per Square Inch Called Areal Density Areal Density BPI x TPI 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 Areal DensityAreal Density YearAreal Density 19731 7 19797 7 198963 19973090 200017100 1 10 100 1000 10000 100000 1970198019902000 Year Areal Densi Areal Density BPI x TPI Change slope 30 yr to 60 yr about 1991 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 1 inch disk drive 1 inch disk drive 2000 IBM MicroDrive 1 7 x 1 4 x 0 2 1 GB 3600 RPM 5 MB s 15 ms seek Digital camera PalmPC 2005 MicroDrive 5GB 2006 9 GB 50 MB s It does find a niche in a successful product Past trends do continue 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 小尺寸磁盘的优势小尺寸磁盘的优势 低成本低成本 MB 高高MB 大小 高 大小 高MB 瓦特 低成本 瓦特 低成本 驱动器驱动器 成本和环境情况成本和环境情况 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 磁带与磁盘磁带与磁盘 纵向磁带使用与磁盘相同的工艺技术 同样的密度改进纵向磁带使用与磁盘相同的工艺技术 同样的密度改进 磁盘的磁头在磁盘表面上方 而磁带在表面上 接触 磁盘的磁头在磁盘表面上方 而磁带在表面上 接触 磁盘固定 磁带可移动磁盘固定 磁带可移动 内在的成本内在的成本 性能 依赖于 其几何形状 性能 依赖于 其几何形状 具有一定缝隙固定的旋转盘片具有一定缝隙固定的旋转盘片 随机访问 限制尺寸 随机访问 限制尺寸 1 media reader 与与 可移动的长带 缠绕在线轴上可移动的长带 缠绕在线轴上 顺序访问 无限 长度 顺序访问 无限 长度 multiple reader 新工艺技术趋势新工艺技术趋势 螺旋扫描螺旋扫描 录像带录像带 数字录音带数字录音带 与磁带成一定角度旋转磁头来改进密度与磁带成一定角度旋转磁头来改进密度 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 当前磁带的缺陷当前磁带的缺陷 磁带磨损磁带磨损 螺旋式磁带上百次纵向磁带上千次螺旋式磁带上百次纵向磁带上千次 磁头磨损磁头磨损 螺旋式螺旋式 2000小时小时 两者都必须考虑 经济两者都必须考虑 经济 可靠可靠 缠绕 退带 装带 旋转次数多 并不是必然如此 只是目前为止尚没有进一步市 场需求 缠绕 退带 装带 旋转次数多 并不是必然如此 只是目前为止尚没有进一步市 场需求 针对归档需求设计针对归档需求设计 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 What about FLASHWhat about FLASH Compact Flash Cards Intel Strata Flash 16 Mb in 1 square cm 6 mm thick 100 000 write erase cycles Standby current 100uA write 45mA Compact Flash 256MB 120 512MB 542 Transfer 3 5MB s IBM Microdrive 1G 370 Standby current 20mA write 250mA Efficiency advertised in wats MB VS Disks Nearly instant standby wake up time Random access to data stored Tolerant to shock and vibration 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 Current Drawbacks to TapeCurrent Drawbacks to Tape Tape wear out Helical 100s of passes to 1000s for longitudinal Head wear out 2000 hours for helical Both must be accounted for in economic reliability model Bits stretch Readers must be compatible with multiple generations of media Long rewind eject load spin up times not inherent just no need in marketplace Designed for archival 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 Automated Cartridge System StorageTek Powderhorn 9310 Automated Cartridge System StorageTek Powderhorn 9310 6000 x 50 GB 9830 tapes 300 TBytes in 2000 uncompressed Library of Congress all information in the world in 1992 ASCII of all books 30 TB Exchange up to 450 tapes per hour 8 secs tape 1 7 to 7 7 Mbyte sec per reader up to 10 readers 7 7 feet 10 7 feet 8200 pounds 1 1 kilowatts 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 Library vs StorageLibrary vs Storage Getting books today as quaint as the way I learned to program punch cards batch processing wander thru shelves anticipatory purchasing Cost 1 per book to check out 30 for a catalogue entry 30 of all books never checked out Write only journals Digital library can transform campuses 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 Whither tape Whither tape Investment in research 90 of disks shipped in PCs 100 of PCs have disks 0 of tape readers shipped in PCs 0 of PCs have disks Before N disks tape today N tapes disk 40 GB DLT tape uncompressed 80 to 192 GB 3 5 disk uncompressed Cost per GB In past 10X to 100X tape cartridge vs disk Jan 2001 40 GB for 53 DLT cartridge 2800 for reader 1 33 GB cartridge 2 03 GB 100 cartridges 1 reader 10995 for 1 reader 15 tape autoloader 10 50 GB Jan 2001 80 GB for 244 IDE 5400 RPM 3 05 GB Will GB tape v disk cross in 2001 2002 2003 Storage field is based on tape backup what should we do Discussion if time permits 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 磁盘I O性能磁盘I O性能 响应时间响应时间 排队排队 设备服务时间设备服务时间 100 响应时间响应时间 ms 吞吐率 总带宽百分比 吞吐率 总带宽百分比 0 100 200 300 0 处理器处理器 队列队列 I O控制控制设备设备 度量 响应时间 吞吐率 度量 响应时间 吞吐率 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 响应时间 与 服务能力响应时间 与 服务能力 当响应时间从当响应时间从1 0秒减小到秒减小到0 3秒后 事务处理时间会发生什么变 化 秒后 事务处理时间会发生什么变 化 键盘 键盘 4 0秒报交 秒报交 9 4秒思考秒思考 图形 图形 0 25秒报交 秒报交 1 6秒思考秒思考 交互式环境交互式环境 每次交互 或 事务处理 每次交互 或 事务处理 transaction 由 由3 部分组成 部分组成 报交时间 报交时间 Entry Time 用户输入命令的时间 用户输入命令的时间 系统响应时间 系统响应时间 System Response Time 用户报交和系统应答之间 的时间 用户报交和系统应答之间 的时间 思考时间 思考时间 Think Time 从系统应答到用户开始下一命令之间的时间 从系统应答到用户开始下一命令之间的时间 第一次事务 第二次事务 第一次事务 第二次事务 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 Time 0 005 0010 0015 00 graphics 1 0s graphics 0 3s conventional 1 0s conventional 0 3s entryrespthink 响应时间 与 服务能力 绪 响应时间 与 服务能力 绪 响应时间减少响应时间减少0 7秒可以分别减少事务处理总时间秒可以分别减少事务处理总时间4 9秒秒 34 和和2 0 秒秒 70 提高服务能力提高服务能力 另一方面的考虑 人们对于更快的响应都可以做更多的事 但是对 快速响应领域却比较陌生 另一方面的考虑 人们对于更快的响应都可以做更多的事 但是对 快速响应领域却比较陌生 对较慢的响应很在行对较慢的响应很在行 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 磁盘时间示例磁盘时间示例 磁盘参数 磁盘参数 传输大小 为传输大小 为 8K bytes 广告申称的平均寻道时间 为广告申称的平均寻道时间 为 12 ms 磁盘旋转速度 为磁盘旋转速度 为 7200 RPM 传输速率 为传输速率 为4 MB sec 控制器开销 为控制器开销 为 2 ms 假设磁盘空闲 因而没有排队延迟假设磁盘空闲 因而没有排队延迟 那么 对于一个扇区的平均磁盘访问时间为多少 那么 对于一个扇区的平均磁盘访问时间为多少 平均寻道平均寻道 平均旋转延迟平均旋转延迟 传输时间传输时间 控制器开销控制器开销 12 ms 0 5 7200 RPM 60 8 KB 4 MB s 2 ms 12 4 15 2 2 20 ms 广告中的寻道时间假设没有位置问题 现实中 通常为广告寻道 时间的 广告中的寻道时间假设没有位置问题 现实中 通常为广告寻道 时间的1 4至至1 3 20 ms 12 ms 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 处理器接口处理器接口 处理器接口处理器接口 中断中断 存储器映射存储器映射I O I O控制结构控制结构 轮询 轮询 Polling 中断 中断 Interrupts 直接存储器访问 直接存储器访问 DMA I O控制器控制器 I O处理器处理器 容量 访问时间 带宽容量 访问时间 带宽 互联互联 总线总线 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 I O 接口I O 接口 独立独立I O总线总线 CPU InterfaceInterface PeripheralPeripheral Memory 存储器总线存储器总线 独立的独立的I O指令指令 in out CPU InterfaceInterface PeripheralPeripheral Memory I O和存储器传输的联线不同和存储器传输的联线不同 公共存储器公共存储器 I O总线总线 VME bus Multibus II 40 Mbytes sec 乐观 10 MIPS 处理器 使该总线完全饱和 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 存储器映射 I O存储器映射 I O ROM RAM I O 单存储器单存储器 I O总线 没有独立的 总线 没有独立的I O指令指令 CPU InterfaceInterface PeripheralPeripheral Memory CPU L2 存储器总线存储器总线 MemoryBus Adaptor I O 总线总线 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 可编程I O 轮询 可编程I O 轮询 CPU IOC device Memory 数据是否 准备好 数据是否 准备好 读数据读数据 存数据存数据 yes no done no yes 若忙就循环等待 不能很有效地利用 除非设备非常快 但需要不断检测 若忙就循环等待 不能很有效地利用 除非设备非常快 但需要不断检测 I O I O工作可以分散到 计算代码之中 工作可以分散到 计算代码之中 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 中断驱动数据传输中断驱动数据传输 CPU IOC device Memory add sub and or nop read store rti 存储器存储器 用户程序用户程序 1 I O中断中断 2 保存保存PC 3 中断服务地址中断服务地址 中断 服务 例程 中断 服务 例程 4 设备传输率设备传输率 10 MBytes sec 0 1 x 10 6sec byte 0 1 sec byte 1000 bytes 100 sec 1000次传输次传输 x 100 sec 100 ms 0 1 CPU seconds 用户程序仅在实际传输中才暂停 以每 用户程序仅在实际传输中才暂停 以每1ms一次的速率传输一次的速率传输1000次 次 1000次中断 每次中断 每2微秒一次中断 微秒一次中断 1000次中断服务 每次次中断服务 每次98微秒 微秒 0 1 CPU秒秒 离设备传输率还有很大空间 中断开销的离设备传输率还有很大空间 中断开销的1 2 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 直接存储器访问直接存储器访问 CPU IOC device MemoryDMAC 以每毫秒一次的速率完成以每毫秒一次的速率完成1000次传输的时间 次传输的时间 1 DMA建立时间建立时间50 sec 1 次中断次中断2 sec 1 次中断服务次中断服务48 sec 0 0001 秒的秒的CPU时间时间 CPU向向DMAC发送开始地址 方向 然后 发射 发送开始地址 方向 然后 发射 开始开始 命令 命令 DMAC 向外设控制器提供握手信号 向存储器提供存储地址和握手信号 向外设控制器提供握手信号 向存储器提供存储地址和握手信号 0 ROM RAM Peripherals DMAC n 存储器映射存储器映射 I O 北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室 输入 输出处理器输入 输出处理器 CPU IOP Mem D1 D2 Dn 主存总线主存总线 I O 总线总线 CPU IOP 向向 IOP发射指令 完成后中断 发射指令 完成后中断 1 存储器存储器 2 3 4 设备 与 存储器之间的数据传送由设备 与 存储器之间的数据传送由IOP直接控制直接控制 IOP 偷取 存储器周期偷取 存储器周期 OP Device Address 目标设备 命令在哪里 目标设备 命令在哪里 在存储器中查找命令在存储器中查找命令 OP AddrCntOther 做什么 数据放在哪里 多