Arquitectura de Computadores

1. Instituto Tecnológico de Costa Rica I – Semestre 2012 Arquitectura de Computadores Sistema de Entrada y Salida

2. Objetivos • Conocer los elementos básicos del sistema de entrada/salida (parte I) • Estructura típica de interfaz de E/S • Tipos de dispositivos de E/S • Discos magnéticos (parte I) • Definiciones • Características • Generalidades • Buses de interconexión (parte II)

3. Introducción • La Entrada/Salida (E/S) es una unidad básica de un sistema computador a través de la que se realiza la comunicación con el exterior. • Cargar programas, introducción de datos para ser procesados, visualizar resultados... • Tradicionalmente ignorada a favor del diseño de la CPU Injusto y erróneo • La CPU es más interesante y “académica” • Los “benchmarks” destacan más el papel de las CPU’s.

4. Introducción • Las E/S tiene un impacto muy significativo tanto en el rendimiento como en el coste del sistema • El diseño de la E/S, además del rendimiento, ha de contemplar aspectos de expansibilidad y recuperación ante fallos. • Conforme las CPU's son más rápidas, tanto las máquinas grandes como pequeñas usan los mismos microprocesadores siendo entonces la memoria y las E/S una característica diferenciadora de las mismas. • El éxito de aplicaciones recientes (multimedia, internet,...) fuertemente relacionadas con el ancho de banda de la E/S. • Las máquinas interactúan con las personas a través de su sistema de E/S. • Medida del rendimiento • Difícil de medir y depende con frecuencia del entorno o aplicación • Medidas: Productividad (operaciones E/S / seg., Transacciones/seg), tiempo de respuesta

5. Elementos Básicos del Sistema de E/S • Interfaz o controlador del periférico • Sistema mixto hardware/software que permite la comunicación entre la CPU/memoria y el periférico • Periférico • Dispositivo hardware (electrónico, mecánico u óptico) que posibilita la comunicación con el exterior. Puede ser de almacenamiento o de E/S de datos.

6. Estructura Típica de un Controlador de E/S

7. Controlador de E/S • Registros para la entrada y salida de datos • Registro de control y estado • Funciones del controlador: • Adaptación de longitud y formato de los datos. • Adaptación de señales eléctricas para la conexión de uno o varios periféricos • Adaptación de los tiempos de transferencia de CPU y periférico.

8. Operación de E/S • Comprobar si el dispositivo está listo (leer registro de estado) • Enviar parámetros de la operación (registro de control) • Transferir el dato (registro de datos) • Terminación (registro de control)

9. Tipos de Periféricos • Características útiles para la clasificación de los periféricos: • Comportamiento • Compañero • Frecuencia de datos

10. Características • Comportamiento • Entrada (teclado, ratón,...) • Salida (impresora, pantalla, ...) • Lectura y escritura o almacenamiento (discos y cintas magnéticas) • Compañero (según quien introduzca o lea los datos en el otro extremo del periférico) • Máquina • Humano • Frecuencia de datos • Frecuencia máxima a la que pueden ser transferidos datos entre procesador y periférico o entre memoria y periférico.

11. Características

12. Discos Magnéticos • Características • Almacenamiento no volátil • Altas capacidades de almacenamiento, barato y relativa lentitud. • Nivel más bajo de la jerarquía de memoria • Tipos de discos • Flexibles (¿se utilizan en la actualidad?) • Duros

13. Discos Magnéticos • Organización del disco duro • Plato: cada uno de los discos que hay dentro del disco duro. • Cara: cada uno de los dos lados de un plato. • Cabeza: número de cabezales. • Pistas: una circunferencia dentro de una cara; la pista 0 está en el borde exterior. • Cilindro: conjunto de varias pistas; son todas las circunferencias que están alineadas verticalmente (una de cada cara).

14. Discos Magnéticos • Organización del disco duro • Sector : cada una de las divisiones de una pista. • El tamaño del sector no es fijo, siendo el estándar actual 512 bytes, aunque próximamente serán 4 KiB. • Antiguamente el número de sectores por pista era fijo, lo cual desaprovechaba el espacio significativamente, ya que en las pistas exteriores pueden almacenarse más sectores que en las interiores. • El primer sistema de direccionamiento que se usó fue el CHS (cilindro-cabeza-sector), ya que con estos tres valores se puede situar un dato cualquiera del disco. Más adelante se creó otro sistema más sencillo: LBA (direccionamiento lógico de bloques), que consiste en dividir el disco entero en sectores y asignar a cada uno un único número. Éste es el que actualmente se usa.

15. Organización del disco duro

16. Organización del disco duro

17. Discos Magnéticos • Acceso a los datos. Pasos necesarios: • Posicionar el cabezal sobre la pista (tiempo de posicionado o seek) • Esperar que el disco rote y el sector deseado llegue a la cabeza de lectura/escritura (latencia rotacional) • Tiempo para transferir un bloque (sector) de bits (tiempo de transferencia)

18. Características de los Discos • Tiempo de posicionado • Tiempo para posicionar la cabeza sobre la pista deseada • Latencia rotacional • Tiempo necesario para que el sector deseado pase por debajo de la cabeza una vez está posicionada en la pista correcta (latencia media: tiempo para girar 0.5 vuelta) • Tiempo de transferencia • Tiempo para la transferencia de un bloque de bits (un sector). • Tiempo de controlador • Tiempo que añade el controlador del dispositivo para realizar la E/S. • Tiempo de espera, si existen otros procesos accediendo al disco

19. Características de los Discos • Valores típicos • Latencia rotacional • Velocidad de giro : 3600 - 7200 rpm • 16 - 8 ms por revolución o vuelta • Latencia rotacional media (0.5 vuelta): 8 ms (3600 rpm) - 4ms (7200 rpm). • Tiempo de transferencia depende de: • Tamaño del sector, Velocidad de giro, Densidad de almacenamiento, Diámetro de los discos • Valores típicos de velocidad de transferencia: 2 - 15 MB/seg • Usando cache de disco se aumenta la velocidad de transferencia hasta los 40 MB/sg o más.

20. Tiempo de Acceso al Disco • Ejemplo • Tamaño del sector: 512 bytes • Velocidad: 5400 rpm • Tiempo de posicionado: 12 ms • Velocidad de transferencia: 4 MB/seg • Tiempo de controlador: 1 ms

21. ¿Tiempo de acceso al disco? • TACC= T. posicionado + latencia rotacional + T. de transferencia + T. Controlador • TACC= 12 ms + 0.5*60/5400 + 512/ (4*1024*1024) + 1 • TACC= 12 ms + 5.5 ms + 0.1 ms + 1 ms = 18.6 ms • EXTENSIÓN: Normalmente las pistas exteriores se graban con densidad menor. • Densidad de bits constante → se graban más sectores en las pistas exteriores. • Si número de bits/pulgada es cte → implica leer y escribir a velocidad variable → necesaria interfaz inteligente.

22. Tipos de conexión • IDEIntegrated Drive Electronics ("Dispositivo electrónico integrado") o ATA (AdvancedTechnologyAttachment), controla los dispositivos de almacenamiento masivo de datos, como los discos duros y ATAPI (AdvancedTechnologyAttachmentPacket Interface) • Hasta aproximadamente el 2004, el estándar principal por su versatilidad y asequibilidad. • Son planos, anchos y alargados.

23. Tipos de conexión • SCSI • Acrónimo inglés de Small ComputersSystem Interface (Interfaz de Sistema para Pequeñas Computadoras), es una interfaz estándar para la transferencia de datos entre distintos dispositivos del bus de la computadora. • Algunos profesionales lo castellanizan como escasi o escosi, por la pronunciación en inglés de su sigla, otros por el contrario prefieren deletrearlo. • Preparadas para discos duros de gran capacidad de almacenamiento y velocidad de rotación. • Se presentan bajo tres especificaciones: SCSI Estándar (Standard SCSI), SCSI Rápido (Fast SCSI) y SCSI Ancho-Rápido (Fast-Wide SCSI). • Su tiempo medio de acceso puede llegar a 7 milisegundos y su velocidad de transmisión secuencial de información puede alcanzar teóricamente los 5 Mbps en los discos SCSI Estándares, los 10 Mbps en los discos SCSI Rápidos y los 20 Mbps en los discos SCSI Anchos-Rápidos (SCSI-2). • A diferencia de los discos IDE, pueden trabajar asincrónicamente con relación al microprocesador, lo que posibilita una mayor velocidad de transferencia.

24. Tipos de conexión • SCSI • Preparadas para discos duros de gran capacidad de almacenamiento y velocidad de rotación. • Se presentan bajo tres especificaciones: SCSI Estándar (Standard SCSI), SCSI Rápido (Fast SCSI) y SCSI Ancho-Rápido (Fast-Wide SCSI).

25. Tipos de conexión • SCSI – ¿Actualmente? • Aunque se sigue utilizando en servidores, muchas compañías ofrecen configuraciones RAID basadas en HD’s SATA como opciones de menor costo.

26. Tipos de conexión • SATA • El más novedoso de los estándares de conexión, utiliza un bus serie para la transmisión de datos. • Notablemente más rápido y eficiente que IDE. • Existen tres versiones: • SATA 1 con velocidad de transferencia de hasta 150 MB/s (hoy día descatalogado), • SATA 2 de hasta 300 MB/s, el más extendido en la actualidad; • y por último SATA 3 de hasta 600 MB/s el cual se está empezando a hacer hueco en el mercado. • Físicamente es mucho más pequeño y cómodo que los IDE, además de permitir conexión en caliente.

27. Tipos de conexión • SAS • (Serial Attached SCSI): Interfaz de transferencia de datos en serie, sucesor del SCSI paralelo, aunque sigue utilizando comandos SCSI para interaccionar con los dispositivos SAS. • Aumenta la velocidad y permite la conexión y desconexión en caliente. • Una de las principales características es que aumenta la velocidad de transferencia al aumentar el número de dispositivos conectados, es decir, puede gestionar una tasa de transferencia constante para cada dispositivo conectado, además de terminar con la limitación de 16 dispositivos existente en SCSI (se prevé que la tecnología SAS irá reemplazando a su predecesora SCSI.

28. Tipos de conexión • SAS • Además, el conector es el mismo que en la interfaz SATA y permite utilizar estos discos duros, para aplicaciones con menos necesidad de velocidad, ahorrando costes. Por lo tanto, las unidades SATA pueden ser utilizadas por controladoras SAS pero no a la inversa, una controladora SATA no reconoce discos SAS.

29. Tendencia • Unidad de estado sólido • Una unidad de estado sólido o SSD (Solid-State Drive) es un dispositivo de almacenamiento de datos que usa una memoria no volátil, como la memoria flash, o una memoria volátil como la SDRAM, para almacenar datos, en lugar de los platos giratorios magnéticos encontrados en los discos duros convencionales. • En comparación con los discos duros tradicionales, las unidades de estado sólido son menos susceptibles a golpes, son prácticamente inaudibles y tienen un menor tiempo de acceso y de latencia. • Los SSD hacen uso de la misma interfaz que los discos duros, y por tanto son fácilmente intercambiables sin tener que recurrir a adaptadores o tarjetas de expansión para compatibilizarlos con el equipo.

30. Tendencia • Unidad de estado sólido Tarjeta Estado Sólido (SSD) de un Asus Eee Pc 901 de 8 Gb (Mini PCI Express)

31. Tendencia • Unidades híbridas • Son aquellas que combinan las ventajas de las unidades mecánicas convencionales con las de las unidades de estado sólido. • Consisten en acoplar un conjunto de unidades de memoria flash dentro de la unidad mecánica, utilizando el área de estado sólido para el almacenamiento dinámico de datos de uso frecuente (determinado por el software de la unidad) y el área mecánica para el almacenamiento masivo de datos. • Con esto se logra un rendimiento cercano al de unidades de estado sólido a un costo sustancialmente menor.

32. Tendencia • Unidades híbridas • En el mercado actual (2011-2012), Seagate ofrece su modelo "Momentus XT" con esta tecnología.

33. Próxima clase… • Buses: Conexión de Dispositivos de E/S al Procesador y Memoria • Sistemas RAID • …