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Administración de I/O y Scheduling de disco

Capítulo 11

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Categorías de dispositivos de I/O

• Leíbles por humanos– Usados para comunicación con el usuario

– Impresoras, teclados, terminales, etc

• Leíbles por máquinas– Usados para comunicación con equipos electrónicos

– Discos, floppies, sensores, etc

• De comunicación – Usados para comunicación con dispositivos remotos

– Modems, tarjeta de red, etc

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Diferencias entre dispositivos de I/O

• Tasa de transferencia de datos– Puede existir varios órdenes de magnitud de diferencia

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Diferencias (cont)

• Aplicación– Un disco usado para almacenar los archivos de los usuarios requiere del sistemas

de archivos

– Un disco usado para almacenar páginas de memoria virtual y realizar swap-in y swap-out requiere hardware y software apropiado

• Complejidad de control

• Unidad de transferencia– flujo de caracteres o bloques

• Representación de datos; esquemas de codificación

• Condiciones de error

La diversidad de dispositivos de I/O y sus diferencias hacen difícil la tarea de proveer una solución uniforme y consistente

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Tres formas básicas de realizar I/O• I/O Programado

– El procesador emite el comando de I/O, en favor de un proceso, al módulo de de I/O

– luego el proceso espera (busy waiting) hasta que la operación de I/O termine

• I/O basado en interrupciones– El procesador emite el comando de I/O al igual que I/O programado– Luego el procesador continua ejecutando instrucciones del mismo u otro proceso– Cuando la operación de I/O termina, el módulo de I/O envía una interrupción al

procesador para que éste avise al proceso

• Acceso Directo a Memoria (DMA)– El procesador instruye al módulo de DMA que transfiera uno o más bloques de

datos – El módulo de DMA controla completamente la transferencia de datos entre el

dispositivo de I/O y la memoria principal, sin intervención del procesador– Finalmente, el módulo DMA interrumpe al procesador cuando la transferencia está

lista

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Relaciones entre las técnicas

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Evolución de la función de I/O• Procesador controla directamente al dispositivo• Controlador o módulo de I/O

– Procesador usa I/O programado sin interrupciones– Procesador no maneja los detalles de los dispositivos externos

• Controlador o módulo I/O con interrupciones– Procesador no necesita esperar en busy-waiting hasta que la operación termine

• DMA– Se transfieren bloques de datos entre dispositivo y memoria sin involucrar al

procesador– El procesador se involucra sólo al principio y al final de la trasnferencia

• Módulo I/O es un procesador separado (I/O channel)– Ejecuta instrucciones en memoria principal– Permite manejar una secuencia de operaciones de I/O sin la intervención del

procesador

• Procesador I/O (I/O processor)– Módulo I/O tiene memoria local y es en realidad un computador

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DMA

• Procesador delega las operaciones de I/O al módulo de DMA

• Módulo DMA transfiere bloques de datos directamente desde o hacia la memoria principal

• Cuando la transferencia termina, envía una interrupción al procesador

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Configuraciones DMA

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Configuraciones DMA

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Buffering de I/O

• Considere el siguiente escenario– Un proceso requiere leer un bloque de datos y almacenarlos en su espacio de

direcciones (por ejemplo, un arreglo)

– ¿Qué pasa si el SO decide suspender el proceso mientras se realiza la operación de lectura?

– Es necesario que ciertas páginas permanezcan lock incluso si el proceso es suspendido

– Note que también seria posible que ocurriera deadlock

• I/O buffering consiste en realizar lectura de datos anticipadamente y realizar operaciones de escritura no inmediatamente después del requerimiento mismo.

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Tipos de dispositivos de I/O• Orientado al bloque

– Información es almacenada en bloques de tamaño fijo– La transferencia es de un bloque a la vez

• Orientado al flujo (Stream)– Transfiere información como un flujo de bytes– Usado por impresoras, terminales, puertos de comunicación, etc

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Buffer simple

• SO asigna un buffer en memoria principal (un área de memoria) para un requerimiento de I/O

• Buffering orientado al bloque– Transferencia se realiza a un buffer del sistema

– Luego, el bloque es movido al espacio de direcciones del proceso

– Otro bloque es leído inmediatamente en el buffer del sistema; read ahead

• Note que el proceso puede suspenderse o bloquearse porque la transferencia se hace en memoria del sistema y no espacio del usuario

• El SO administra los buffers asignados a los procesos

• T: tiempo para leer un bloque• C: tiempo de cómputo entre lecturas• M: tiempo para mover datos desde memoria del sistema a memoria usuario

• T+C versus max{C,T} + M

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Buffer doble• Se utilizan dos buffers de sistema

• Mientras se transfiere data desde o hacia uno de los buffers, el SO transfiere datos desde o hacia el otro buffer

• En este caso tiempo de ejecucion es max{C, T]

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Buffer circular• Se utilizan más de dos buffers

• Cada buffer es una unidad en un buffer circular

• Es útil cuando el proceso realiza muchas y continuas operaciones de I/O

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Scheduling de discoParámetros de rendimiento

• Para leer o escribir, la cabeza lectora del disco debe estar posicionada en la pista deseada y al comienzo del sector apropiado

• Seek time (tiempo de búsqueda)– Tiempo necesario para posicionar la cabeza en la pista deseada

• Latencia rotacional (o demora rotacional)– Tiempo que demora hasta que la cabeza se posiciona en el sector deseado

• Tiempo de acceso– suma seek time y latencia rotacional; tiempo total antes de comenzar a leer o

escribir

• La transferencia de datos ocurre a medida que el sector se mueve debajo de la cabeza

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Parámetros (cont)

• Demora rotacional– Tiempos típicos velocidad rotacional entre 3600 rpm hasta 15000 rpm.

– En discos con 15000 rpm, tenemos una revolución por 4 ms

– En promedio, demora rotacional será 2 ms

– En floppies, la demora promedio es entre 100 y 50 ms

• Tiempo de transferencia– T = b/ (r N)

– b: número de bytes a transferir

– N: número de bytes en la pista

– r: velocidad rotacional, en revoluciones por segundo

– Tiempo total de acceso = Ts + 1/(2r) + b/(rN)

– Ts, seek time

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Ejemplo comparativo

• Considere un disco con los siguientes parámetros– Tiempo seek promedio 4ms

– Velocidad rotacional 7500 rpm

– Sectores de 512 bytes, y 500 sectores por pista

• Suponga que se desea transferir 2500 sectores, es decir 1.28 Mbytes

• Primero suponga que el archivo ocupa todos los sectores en 5 pistas consecutivas (organización secuencial).

• Entonces, el tiempo para leer la primera pista– Seek promedio = 4 ms

– Demora rotacional promedio = 4 ms

– Lectura de 500 sectores = 8 ms

– Total 16 ms

• Las otras pistas se leen sin seek time, es deir 4 + 8

• Tiempo total = 16 + 4*12 = 64 ms = 0.064 segundos

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Ejemplo (cont)

• Ahora asuma acceso random– Tiempo seek = 4 ms

– Demora rotacional = 4 ms

– Lectura de 1 sector = 0.016 ms

– Lectura de 2500 sectores = 2500*8.016 = 20.04 segundos

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Scheduling de discoPolíticas

• Tiempo seek es la razón principal del rendimiento pobre en el ejemplo anterior

• Recordar que para cada unidad de I/O, el SO mantiene una cola de requerimientos de I/O (de distintos procesos)

• En el caso de discos, estos requerimientos vienen con el número de pista(s) que se necesitan leer.

• Si las pistas se visitan aleatoreamente, el rendimiento será el peor

• Para las siguentes políticas, asumiremos la siguiente cola de disco:– 55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184

• Y la cabeza lectora está inicialmente sobre la pista 100

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FIFO• Los requerimientos se sirven en el orden de llegada (secuencialmente)

• Dependiendo de los requerimientos encolados, FIFO puede comportarse como una lectura random

• 55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184

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Prioridad

• La meta no es optimizar uso de disco

• Lecturas pequeñas podrían tener más prioridad que lecturas masivas

• Esto significaría un buen tiempo de respuesta a aplicaciones interactivas

• No es una política recomendada para sistemas de base de datos

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Tiempo servicio más corto primero (SSTF)• Selecciona el requerimiento de disco que requiere el menor movimiento del brazo

desde su posición actual

• Es decir, minimiza el tiempo seek

• Note que este algoritmo no garantiza que el tiempo promedio de seek sobre un conjunto de operaciones de I/O sea mínimo

• 55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184

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SCAN• El brazo se mueve sólo en una dirección, satisfaciendo todos los requerimientos de

acuerdo al movimiento hasta llegar a la última pista

• Luego, el brazo barre el disco en la otra dirección

• ¿Cuáles pistas se favorecen?

• 55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184

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C-SCAN (scan circular)• Restringe el barrido sólo en una dirección, sin revertir cuando se llega al final

• Cuando se llega al final, el brazo retorna al principio y comienza nuevamente su barrido

• 55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184

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Comparación

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Comparación

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RAID

• Redundant Array of Independent Disks

• Un conjunto de discos físicos es visto por el SO como un sólo disco lógico

• Los datos se almacenan en forma distribuida en el arreglo de discos lo cual permite lectura paralela de distintos discos

• Además, se utiliza la capacidad redundante para almacenar información de paridad, la cual garantiza la recuperación de información en caso de falla de uno de los discos

• Existen 7 niveles RAID, de 0 a 6

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RAID 0 (sin redundancia)

• Los datos estan organizados en los discos en strips, los cuales se distribuyen round-robin en los discos físicos

• El disco lógico también está dividido en strips

• Suponga que tenemos n discos físicos, luego los primeros n strips se mapean consecutivamente en los n discos. Este conjunto de strips forma un stripe

• Provee la transferencia más alta, pero no es tolerante a fallos

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RAID 1 (espejo)

• Se provee tolerancia a fallos mediante la simple replicación de los datos

• Cada disco físico tiene su disco espejo que replica los datos

• Note que cada vez que se requiere agregar un disco para aumentar la capacidad de almacenamiento, se necesita de otro disco para la duplicación

• Muy costoso para sistemas muy grandes (mucha información)

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RAID 2 (redundancia mediante código de Hamming)

• Típicamente, la información se distribuye al nivel de bits o bytes.

• Por ejemplo, 32 discos serían necesarios para un sistema cuya palabra es de 32 bits. En este caso, cada strip es de 1 bit

• Se usa el código detector y corrector de Hamming para calcular un código de error, el cual se almacena en discos adicionales.

• Cuando se lee una palabra, se calcula su código y se compara con el almacenado; si hay una diferencia de un bit, entonces se puede corregir.

• Si hay diferencias en más de un bit, se puede detectar

• RAID 2 no se usa en la práctica

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RAID 3 (bit de paridad)

• Similar a RAID 2, pero utiliza un bit de paridad y no un código de error.

• Luego, en caso que un disco falle, se lee el disco de paridad y se regenera el dato

• Por ejemplo, si hay 4 discos de datos (0, 1, 2, 3), el bit de paridad se calcula

• Luego si falla la unidad 1, recuperamos la información sumando

• A cada lado de la ecuación anterior

)(0)(1)(2)(3)(4 iXiXiXiXiX

)(1)(4 iXiX

)(0)(2)(3)(4)(1 iXiXiXiXiX

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RAID 4 (bloque de paridad)

• En RAID 4 los strips son relativamente grandes (no bits como en RAID 2 y 3) y se usa un bloque de paridad bit a bit del mismo tamaño que los strips

• Además, las unidades se operan independientemente, con lo que pueden atender varias solicitudes de I/O en paralelo

• RAID 4 involucra un penalty cuando la solicitud es pequeña

• Suponga que el requerimiento de escritura es sólo para el strip en disco 1. Se puede demostrar que

• Donde el símbolo prima significa el strip después de la escritura. Por lo tanto, una escritura de un strip, requiere dos lecturas (en paralelo) y una escritura

• Si la solicitud involucra todos los strips, entonces se requiere solo una escritura en paralelo

)´(1)(1)(4)´(4 iXiXiXiX

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RAID 5 (bloque de paridad distribuido)

• La única diferencia con RAID 4, es que en RAID 5, el bloque de paridad se distribuye en todos los disco, por ejemplo en forma round-robin

• Note que:– Los datos también están distribuidos en round-robin

– Aún necesitamos de un disco adicional al de la necesaria para almacenar los datos

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RAID 6 (dual redundancy)

• Se utilizan dos algoritmos de cálculo de paridad: uno calcula los bits con el algoritmo del OR exclusivo, y el otro es uno provisto por el proveedor.

• Luego, se mantienen dos bloques de paridad (distribuidos como en RAID 5)

• Esto permite que se puedan recuperar los datos aun cuando fallen dos unidades

• Un arreglo RAID 6 de N discos de datos requiere N+2 discos en total