Leksioni IX Arkiteture Kompjuteri

7/17/2019 Leksioni IX Arkiteture Kompjuteri

http://slidepdf.com/reader/full/leksioni-ix-arkiteture-kompjuteri 1/42

Paisjet I/O

Leksioni IX



Hyrje

Paisjet I/O mund te karakterizohen nga Sjellja: input, output, storage

Partneri i komunikimit: njeriu ose makina

Sasia te te dhenave ne sec: byte/sek, transferime/sek

Buset e lidhjes se I/O



Karakteristikat e sistemit I/O

Siguria eshte e rendesishme Sidomos per paisjet e ruajtjes se informacionit

Njesite matese te performances Latency (response time)

Throughput (bandwidth)

Desktopet dhe sistemet embedded Kryesisht te interesuar ne response time dhe

diversitetin e paisjeve

Serverat Kryesisht te interesuara ne throughput dhe ne

zgjerueshmeri



Siguria

Gabim: deshtim i nje

komponenti Mund ose jo te coje

ne deshtimin esistemit

Kryerja e sherbimitSherbimi realizohet

sic u kerkua

Nderprerja e sherbimitDevijimi nga sherbimi

i duhur

DeshtimRikthim



Njesite e sigurise

Besueshmeria: mean time to failure (MTTF)

Nderprerja e sherbimit: mean time to repair(MTTR)

Mean time between failures

MTBF = MTTF + MTTR

Disponueshmeria = MTTF / (MTTF + MTTR)

Permiresimi i disponueshmerise

Rritja e MTTF: shmangia e gabimeve, toleranca ndajdeshtimit, parashikimi i gabimeve

Reduktimi i MTTR: Permiresim i proceseve dheveglave per parashikim dhe riparim



Disk Storage

Jo volatile, disk magnetik ne rrotullim



Sektoret e diskut dhe aksesi

Cdo sektor ruan Id e sektorit

Te dhenat (512 byte, 4096 byte)

Kodet e korigjimit te gabimit (ECC) Te perdorura per te fshehur defektet ose gabimet ne ruajtje

Fusha sinkronizimi dhe hapsira

Aksesi ne nje sektor perfshin Vonesen ne rradhe nese ka kerkesa te tjera

Seek: levizja e kokes

Vonesa e rrotullimit

Transferimi i te dhenave

Vonesa e kontrollerit



Aksesi ne disk shembull

Kemi 512B sektor, 15,000rpm, 4ms seek time

mesatare, 100MB/s shpejtesi transferimi,0.2ms vonesa e kontrollerit, disku eshte i lire

Koha mesatare e leximit 4ms seek time

+ ½ / (15,000/60) = 2ms vones e rrotullimit+ 512 / 100MB/s = 0.005ms koha etransferimit

+ 0.2ms vonesa e kontrollerit= 6.2ms

Nese “seek time” mesatar eshte 1ms Koha mesatare e leximit eshte = 3.2ms

P bl t f



Probleme te performances se

diskut Prodhuesit percaktojne seek time mesatar

Ne varesi te gjithe vonesave te mundshme

Lokalitati dhe skedulimi i SO ben qe te kemi seek timeakoma me te vogel

Kontrolleri i diskut alokon sektoret fizike ne disk I prezanton sektoret llogjike hostit

SCSI, ATA, SATA

Disqet e ngurte perfshijne edhe cache

Ngarkojne parakohe sektoret qe mendohen teaksesohen

Shmangin vonesat qe lidhen me leximin



Memoria flash

Jo volatile e ndertuar me gjysempercjellesa 100× – 1000× me e shpejte se disku

Me e vogel, konsum me i ulet, me rezistente

Por me shume $/GB (ndermjet diskut dhe DRAM)



Tipet e flashit

Flash NOR : qeliza e bitit si nje porte NOR

Akseset read/write jane random

Perdoret si memorie e instruksioneve ne sistemetembedded

Flash NAND : qeliza e bitit si nje porte NAND

Dendesitet me i larte (bit/sip.), por akses nje bllok ne kohe Me e lire per GB

Perdoret per memorie, si storage per paisje te ndryshme,…

Bitet e flashit demtohen mbas nje numri te caktuar aksesesh Jo e pershtatshme per RAM

Wear leveling: i zhvendos te dhenat ne blloqet me pak teperdorura



Nderlidhja e komponenteve

Ka nevoje per nderlidhje midis CPU-se, memories, kontrollerave I/O

Bus: kanal komunikimi i perbashket Nje grup linjash paralele qe sherbejne per te

dhena dhe per sinkronizimin e transferimeve Mund te kthehet ne bottleneck

Performanca kufizohet nga faktore fizike Gjatesia e linjes, numri i lidhjeve

Alternativa e fundit: lidhje seriale mecelesa me shpejtesi te larte Si rrjetat e kompjuterave



Tipet e buseve

Busi Procesor-Memorie I Shkurter, me shpejtesi te larte

Projektimi perputhet me organizimin ememoires

Buset I/O

Me te gjate, lejojne lidhje te shumfishta

Specifikohen nga standarte per

interoperatibilitetin

Lidhen me busin procesor memorie nepermjetnje “ure”



Sinjalet ne bus dhe sinkronizimi

Linjat e te dhenave Mbajne adresa dhe te dhena

Te multipleksuara ose te ndara

Linjat e kontrollit Percaktojne tipin e te dhenave, sinkronizojne

transaksionet

Sinkron

Perdor nje sinjal ore per busin Asinkron

Perdor linjat e kontrollit REQ/ACK per te kryerkoordinimin (handshaking)



Shembuj busesh I/O

Firewire USB 2.0 PCI Express Serial ATA Serial

AttachedSCSI

Perdorimi I jashtem I jashtem I brendshem I brendshem I jashtem

Paisje perkanal

63 127 1 1 4

Gjersia ekom.

4 2 2/lane 4 4

Bandwidthmax.

50MB/s ose100MB/s

0.2MB/s,1.5MB/s, ose60MB/s, ose625 MB/s

250MB/s/lane1×, 2×, 4×,8×, 16×, 32×

300MB/s ose375 MB/s,ose 750 MB/s

300MB/s

Hotpluggable

Po Po Varet Po Po

Gjat. Max. 4.5m 5m 0.5m 1m 8m

Standarti IEEE 1394 USBImplementers

Forum

PCI-SIG SATA-IO INCITS TCT10



Sistemi I/O ne PC x86



Menaxhimi i I/O

I/O menaxhohen nga SO Programe te shumta ndajne burimet I/O

Ka nevoje per mbrojtje dhe renditje te akseseve

I/O shkaktojne interrupte asinkrone

I njejti mekanizem si perjashtimet



Komandat I/O

Paisjet I/O menaxhohen nga kontrollleri Transferon te dhena nga/drejt paisjes

Sinkronizon veprimet me software-in

Regjistrat e komandes Shkaktojne kryerjen e nje detyre nga paisja

Regjistrat e gjendjes Tregon se cfare po ben paisja dhe nese ka ndonje

gabim apo jo

Regjistrat e te dhenave Shkrim: transferon te dhenat tek paisja

Lexim: transferon te dhenat nga paisja



I/O Register Mapping Paisje te lidhura me memorien (Memory mapped

I/O) Regjistrat adresohen ne te njejten hapsire si

memoria

Dekoderi i adreses ben dallimin

SO perdor mekanizmat e perkthimit te adresesper ti bere ato te aksesueshme vetem nga kerneli

Instruksione I/O

Instruksione te vecante per aksesimin eregjistrave I/O

Mund te ekzekutohen vetem ne menyren kernel

Shembull: x86



Polling

Periodikisht kontrollohet regjistri i gjendjesse I/O

Nese paisja eshte gati, kryet operacioni

Nese ka gabim, merren masa

E zakonshme ne sisteme embedded tevogla dhe me performance te ulet

Kohet e parashikueshme

Kosto e HW e ulet

Ne sisteme te tjere, humbet koha e CPU



Interruptet

Kur paisja eshte gati ose ndodh nje gabim Kontrolleri ngre nje interrupt ndaj CPU

Interrupti eshte si nje perjashtim Por jo i sinkronizuar ne lidhje me ekzekutimin

e instruksionit Mund te thirret menaxheri ndermjet

instruksioneve Informacioni i shakkut shpesh identifikon

paisjen

Interrupte me prioritet Paisje qe kerkojne vemendje me te larte

marrin prioritet me te larte



Transferimi i te dhenave nga I/O

Paisjet I/O qe punojne me polling ose interrupte

CPU transferon te dhena midis memories dhepaisjes I/O

Nje proces qe konsumon shume kohe per paisjet

e shpejta Direct memory access (DMA)

SO jep adresen e fillimit te memories

Kontrolleri I/O transferon nga/drejt memories ne

menyre autonome

Kontrolleri ngre nje interrupt ne perfundim ose nerast gabimi



Nderveprimi DMA/Cache

Nese DMA shkruan ne nje bllok te memories qeeshte ne Cache

Kopja ne Cache behet e paperdorshme

Nese Cache me politiken wite-back ka nje bllok

“dirty”, dhe DMA lexon ate bllok nga memoria Lexon te dhena te vjeteruara

Duhet te sigurojme koherencen e cache-se

Shkarkkoi blloqet nga cache nese do te perdoren perDMA

Ose perdor per I/O blloqe memorie qe nuk mund tehidhen ne Cache



Nderveprimi DMA/MV

SO perdor adresat virtuale per memorien Blloqet DMA mund te mos jene ne adresa

fizike te njespasnjeshme

Duhet DMA te perdore adresa virtuale? Duhet qe kontrolleri me perpara te beje

perkthimin

Nese DMA perdor adrese fizike Duhet te ndaje transferimet ne pjese me

madhesine e nje faqeje

Ose te lidhe transferime te ndryshme

Ose te alokohen faqe te vazhdueshme fizike

per DMA



Matja e performances I/O

Performanca e I/O varet nga

Hardware: CPU, memoria, kontrollerat, buset

Software: sistemi operativ, sistemi i menaxhimit tebazes se te dhenave, aplikacioni

Ngarkesa e punes: frekuenca e kerkesave dhetipi

Projektimi i sistemit I/O duhet te marre parasysh dymetrika: koha epergjigjes dhe throughput

Matjet e throughputit mund te behen me nje kohepergjigje te kufizuar



Performanca I/O vs. CPU Ligji Amdahlit

Nuk duhet nenvleresuar performanca e sistemitI/O per sa kohe qe paralelizmi rrit performancen eperpunimit

Shembull

Nje benchmark kerkon 90s kohe CPU, 10s koheI/O Dyfishimi i nurmit te CPU-ve/2 vjet

I/O e pandryshuarViti Koha CPU Koha I/O Koha e

nevojshme

% Koha I/O

tani 90s 10s 100s 10%

+2 45s 10s 55s 18%

+4 23s 10s 33s 31%

+6 11s 10s 21s 47%



RAID Redundant Array of Inexpensive (Independent)

Disks Perdor disa disqe te vegjel (c.f. one large disk) Paralelizmi rrit performancen Disqe ekstra per te ruajtur informacion

kontrolli Krijon nje sistem ruajtje tolerant ndaj deshtimit

Vecanterisht nese disqet qe deshtojne mundte zevendesohen automatikisht (“hotswapped”)

RAID 0 Jo redundance (“Ndihme”?)

Thjesht shperndan te dhenat ne disa disqe

Por permireson performancen



RAID 1 & 2

RAID 1: Pasqyrimi(Mirroring)

N + N disqe, replikim i te dhenave

Shkruhen te dhenat si tek disku i informacionitashtu edhe tek ai pasqyre

Ne rast te deshtimit te nje disku lexo nga pasqyra

RAID 2: Error correcting code (ECC)

N + E disqe (p.sh., 10 + 4)

Ndahen te dhenat ne nivel biti ne N disqe Gjenero informacion ECC me E-bit

Shume kompleks, nuk perdoret ne praktike



ne nivel biti

N + 1 disqe

Te dhenat shperndahen ne N disqe ne nivelbyte

Disku shtese ruan informacionin e paritetit

Leximet

Lexo te gjitha disqet

Shkrimet

Gjenero paritetin e ri dhe update te gjitha disqet Ne rast deshtimi

Perdor paritetin per te rindertuar te dhenat ehumbura

Nuk erdoret shume



ne nivel blloku

N + 1 disqe

Te dhenat shperndahen ne N disqe ne nivel blloku

Disku shtese ruan paritetin e blloqe

Leximi

Lexohet vetem disku qe ka bllokun e kerkuar Shkrimi

Lexohet disku qe permban bllokun e modifikuar dhe disku iparitetit

Llogaritet pariteti i ri, shkruhen disku i te dhenave dhe disku i

paritetit

Ne rast deshtimi Perdor paritetin per te rindertuar te dhenat

Nuk perdoret gjeresisht



RAID 3 vs RAID 4



RAID 5: Pariteti i shperndare N + 1 disqe

Si RAID 4, por blloqet e paritetit jane teshperndara ne disqe te ndryshme Shmang mundesine qe disku i paritetit te behet

faktor bllokues

Perdoret gjeresisht



RAID 6: Redundanca P + Q

N + 2 disqe

Si RAID 5, por me shume paritet

Me teper tolerance ndaj deshtimit duke rriturredundancen





Projektimi i sistemit I/O

Kenaqja e kerkesave ne vonese

Per operacione ne kohe reale

Maksimizimi i throughputit

Gjej “lidhjen me te dobet” (lowest-bandwidth)

Konfiguroje per te vepruar me bandwidth maksimal Balanco komponentet e mbetur ne sistem



Kompjuterat Server

Aplikacionet gjithnje e meshumeekzekutohen ne servera

Web search, office apps, virtual worlds, …

Kjo kerkon dhoma te medha kuperqendrohen shume komp. Server

Disa procesore, lidhje ne rrjet, vendruajtjemasive e te dhenave

Kufizime ne hapsire dhe ne fuqi

Paisjet server te ndertuara per “rack” 19”racks

Lartesia shumefish i 1.75” (1U)



Rack-Mounted Servers

Sun Fire x4150 1U server



Sun Fire x4150 1U server

4berthama

secili

16 x 4GB =64GB DRAM



I/O

Sistemi Sun Fire x4150 Ngarkesa: Lexime 64KB

Cdo operacion I/O kerkon 200,000 instruksione perdoruesdhe 100,000 instruksione te SO

Cdo CPU: 109 instruksione/sec

FSB: 10.6 GB/sec max. DRAM DDR2 667MHz: 5.336 GB/sec

PCI-E 8× bus: 8 × 250MB/sec = 2GB/sec

Disqet: 15,000 rpm, 2.9ms avg. seek time, 112MB/sec

transfer rate Cfare shpejtesie komunikimi me I/O mund te

realizohet? Per lexime random dhe per lexime sekuenciale



Shembull projektimi(vazhd)

Shpejtesia e op. I/O per CPU-te

Per berthame: 109/(100,000 + 200,000) = 3,333

8 berthama: 26,667 op/sec

Lexime random, shpejtasia I/O per disqet

Supozojme “seek time” eshte mesatarja/4 Koha/op = seek + latency + transfer

= 2.9ms/4 + 4ms/2 + 64KB/(112MB/s) = 3.3ms

303 op/sec per disk, 2424 op/sec per 8 disqe

Leximet sekuenciale 112MB/s / 64KB = 1750 op/sec per disk

14,000 op/sec per 8 disqe

S ( )



Shembull projektimi(vazhd)

Shpejtesia I/O per PCI-E 2GB/sec / 64KB = 31,250 op/sec

Shpejtesia I/O per DRAM 5.336 GB/sec / 64KB = 83,375 op/sec

Shpejtesia I/O per FSB Supozojme se mund te mbeshtesim gjysmen e

shpejtesise max.

5.3 GB/sec / 64KB = 81,540 op/sec per FSB

163,080 op/sec for 2 FSB

Pika me e dobet: disqet 2424 op/sec random, 14,000 op/sec sekuenciale

P f di



Perfundime

Matja e performances Throughput, response time

Siguria dhe kosto eshte e rendesishme

Buset perdoren per te lidhur CPU,

memorien, kontrollerat I/O Polling, interrupte, DMA

RAID

Permiresojne performancen dhe sigurine

Documents

Leksioni IX Arkiteture Kompjuteri