Technische Informatik II

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1 Institut für Technische Informatik und Kommunikationsnetze Technische Informatik II Übung 3: Input / Output Hinweis: Weitere Aufgaben zu diesem Thema finden sie in den Begleitbüchern zur Vorlesung. Aufgabe 1: Interrupt-System a) Eine bestimmte CPU führe beim Auftreten eines Interrupts folgende Aktionen aus: Sichern der Rücksprungadresse (alter Inhalt des Programmzählers) Sichern des Programmstatusworts (alter Inhalt des PSW-Registers) Sichern von weiteren 16 Registerinhalten (allgemeine Register) Jede Sicherung eines Registerinhalts benötigt einen Buszyklus, da die Sicherung selbst auf dem Stack erfolgt, der einen Teil des Hauptspeichers darstellt. Am Ende des Interrupt-Handlers (Interrupt Service Routine, ISR) ist ein Wiederherstellen der alten Registerinhalte (inkl. PC und PSW) nötig, was genau gleich lange dauert wie das Sichern. Wieviele Interrupts könnten maximal pro Sekunde verarbeitet werden unter der Annahme, dass der Bus mit einer Taktfrequenz von 100 MHz arbeitet und der Interrupt-Handler ausser für das Sichern der Register keine Zeit benötigt? Eine Sicherung benötigt total 18 Buszyklen, eine Wiederherstellung genau gleich viel. Der Zeitbedarf ist also total: ns = 360 ns = 0.36 µs. 1 Damit sind maximal 0.36 µs = Interrupts/Sekunde verarbeitbar. b) Ein Drucker arbeitet mit einer Druckgeschwindigkeit von 16 Seiten pro Minute. Die Geschwindigkeit der Textausgabe auf den Drucker ist von der Anzahl der zu druckenden Zeichen pro Seite abhängig. Eine Seite enthält 90 Zeilen zu 70 Zeichen. In welchen Zeitabständen finden die Zeichenausgaben statt? 16 Seiten pro Minute = Seiten/s 90 Zeilen zu 70 Zeichen = 6300 Zeichen pro Seite Anzahl Zeichen pro Sekunde: = Zeitabstand zwischen zwei Zeichenausgaben: 1680 = 595 µs.

2 c) Wir gehen von der Situation aus Teilaufgabe b) aus. Zur Beurteilung der Eignung der drei möglichen Ein-/Ausgabearten (polling, interrupt-gesteuert, DMA) soll die prozentuale CPU- Auslastung zu Hilfe gezogen werden. Es gelten folgende Rechenzeitbedarfe (teilweise abhängig vom eingesetzten E/A-Verfahren): Die Ausgabe eines einzelnen Zeichens benötigt Rechenoperationen von der Dauer von 15 µs (ausser bei DMA). Die Aktivierung des Interrupt-Handlers benötigt pro Interrupt 5 µs. Die Programmierung eines DMA-Kontrollers (einmal pro Druckseite) benötigt 200 µs (der Zeitbedarf für den abschliessenden Interrupt und seine Behandlung sei darin inbegriffen). Die Datenbereitstellungszeit für die DMA-Ausgabe beträgt 1 µs pro Zeichen. Bestimmen Sie die resultierenden CPU-Auslastungen während einer Druckausgabe und beurteilen Sie die Eignung der drei möglichen Ein-/Ausgabearten (polling, interrupt-gesteuert und DMA) für diesen Einsatzzweck. Polling E/A: CPU-Auslastung = 100% (busy waits!). Interrupt-gesteuert: Zeitbedarf pro Sekunde: 1680 (15 + 5) µs = µs damit CPU-Auslastung = 3.4%. DMA: Zeitanteil DMA-Controllerprogr. pro Sekunde: µs = 53 µs Zeitbedarf für Einzeltransfers: µs = 1680 µs Zeitbedarf total: 53 µs µs = 1733 µs damit CPU-Auslastung = 0.17%. Beurteilung: Auf Polling basierte E/A würde den Rechner für den Benutzer unangenehm lange blockieren und wäre daher eine schlechte Wahl. Die Interrupt-gesteuerte E/A ist akzeptabel und gut denkbar. Der Einsatz von DMA würde die CPU am wenigsten belasten und damit die freie verfügbare Rechenleistung maximieren. 2

3 Aufgabe 2: Zugriffszeit Plattenspeicher Sie arbeiten als Ingenieur in einem Rechenzentrum. Sie erhalten den Auftrag, das Verhalten eines Programmes zu untersuchen. Das Programm speichert jeweils einen zusammenhängenden Datenblock von Bytes an einer beliebigen Stelle der Festplatte ab. Das Programm läuft auf einem Server, welcher Festplatten der folgenden Spezifikation verwendet: Umdrehungen: rpm Mittlere Suchzeit pro Spur: t s = 2 ms Sektorgrösse: 512 Bytes Sektoren pro Spur: 160 Die Harddisk besitzt einen einzigen Lesekopf. Annahme: Die Formel T = t s + t r 2 + k m t r zur Berechnung der Zugriffszeiten für das Lesen sei auch für das Schreiben von Daten gültig. a) Berechnen Sie die mittlere Rotationsverzögerung (average rotational delay) dieser Festplatte in ms. t d = t r 2 = = s = 2 ms 2 b) Berechnen Sie die durchschnittliche Gesamtzeit T, welche gebraucht wird, um einen Datenblock von Bytes (zusammenhänged) zu speichern. T = t s + t r 2 + k m t r [ms] m = = Bytes k = Bytes t r = 4 ms t s = 2 ms T = = 6 ms. 3

4 c) Wieviele ganze Datenblöcke kann das Programm pro Sekunde speichern? N = Abrunden, ergibt 166 Datenblöcke. = d) Ihre Firma ist in den Medien wegen eines zu grossen Stromverbrauchs des Rechenzentrums in die Kritik geraten. Ihr Chef hat an einer Konferenz über Green Computing gehört, dass der Energieverbrauch eines Servers durch Senkung der Drehzahl der Festplatte reduziert werden kann. Das Programm wurde zu diesem Zwecke überarbeitet und schreibt nun nur noch 50 Datenblöcke pro Sekunde auf die Festplatte. Berechnen Sie die minimale Drehzahl U min der Festplatte, welche das Programm benötigt. T = t s + t r 2 + k m t r [ms] T n = 1 50 s = 1000 ( 50 1 (T n t s ) = t r 2 + k ) = t r m ms = 20 ms ( (T n t s ) = t r t r = (20 2) = 18 ms U = = rpm. 18 ) = t r e) Die Drehzahl der Festplatte wurde auf das Minimum aus Teilaufgabe d) reduziert. Die Logdaten des Programmes belegen, dass das Programm nicht fehlerfrei funktioniert. Leider liegt nur der Mittelwert der Schreibzugriffe bei 50 Datenblöcke pro Sekunde. Das Programm muss aber zu gewissen Zeiten bis zu 140 Datenblöcke pro Sekunde auf die Festplatte schreiben. Ein Ingenieur ihrer Gruppe entwickelt eine Blackbox, welche die Maximalrate von 140 auf maximal Y Blöcke pro Sekunde reduziert. Was könnte sich in dieser Blackbox befinden? Buffer, Cache. Finden Sie die optimale Konfiguration des Parameters Y und der Drehzahl der Festplatte U um die Gesamtleistung des Systems P min zu minimieren unter der Bedingung, dass das Programm fehlerfrei funktioniert. Annahmen: Die mittlere Suchzeit pro Spur kann vernachlässigt werden. 4

5 Der Leistungsverbrauch der Festplatte kann mit der Formel P h [W] = U U 10 7 [ W/rpm 2 ] + 10 [W] berechnet werden. Der Parameter U entspricht der Drehzahl der Festplatte in rpm. Der Leistungsverbrauch der Blackbox kann mit der Formel berechnet werden. Y < 140 P b [W] = (140 Y ) [W/(Datenblöcke pro s)] Ergebnis: Y = 100 [Datenblöcke pro s] U = 6000 [rpm] P min = [W]. P t (Y ) = P h (Y ) + P b (Y ) Y = 1 T = 1 t r t r = 60 U Y = U 60 U = 60 Y P h = U2 Y = P t = Y Y 2 P t (Y ) Ableiten nach Y und Null setzen = 7200 Y 10 7 Y = = P t = = W

6 Aufgabe 3: RAID a) Sie möchten einen Block auf einem RAID-Array speichern. Überlegen Sie sich für jeden der RAID-Level 0, 1, 5 und 6: Wie viele verschiedene Festplatten Sie minimal und maximal benötigen? Wie viel Speicherplatz insgesamt belegt wird? Wie hoch die Ausfalltoleranz ist? Wie sie die Lese- und Schreibgeschwindigkeiten (tief, normal, hoch) beurteilen. Stellen Sie die Ergebnisse in einer Tabelle dar! RAID- Level Minimale Anzahl Festplatten Benötigter Speicherplatz in Blöcken pro Datenblock Ausfalltoleranz Lesegeschwindigkeit Schreibgeschwindigkeit RAID0 2 1 tief (Totalverlust beim Defekt einzelner Platte) Hoch Hoch RAID Platte darf ausfallen Hoch Normal RAID5 3 RAID n 1 (1 Daten + 1 n 1 Parity) 1 Platte darf ausfallen Hoch Normal n 2 (1 Daten + 2 n 2 Parity) 2 Platten dürfen ausfallen Normal Normal b) Einige Hersteller bieten über die erwähnten Standards weitere inoffizielle RAID-Level und RAID-ähnliche Konfigurationen an. Beispiele sind RAID50, 51 sowie JBOD. Machen Sie eine Internet-Recherche und beantworten Sie folgende Fragen: Beschreiben Sie die drei Erweiterungen. Worin besteht der jeweilige Mehrwert? Finden Sie noch weitere hersteller-spezifische RAID-Level? RAID50: z.b. ØØÔ»» ºÛ Ô ºÓÖ»Û»Ê Á Ê Á ¼ Ein RAID0-Array, welches aus mehreren striped RAID5 gebildet wird. RAID51: Spiegelung zweier RAID5 Arrays in der Art eines RAID1-Systems. JBOD: Just a Bunch of Disks, ein Bündel Fesplatten ohne RAID. Zwei weitere inoffizielle Standards sind beispielsweise RAID30 und RAID45: RAID30 wurde ursprünglich von AMI entwickelt. Es stellt eine Stripe-Variante von RAID3 dar (das heisst ein RAID0 welches mehrere RAID3 zusammenfasst). Ein RAID30-Verbund benötigt mindestens sechs Festplatten (zwei Legs mit je drei Festplatten). Es darf eine Festplatte in jedem Leg ausfallen. z.b. ØØÔ»» ºÛ Ô ºÓÖ»Û»Ê Á Ê Á Ein RAID45-Verbund fasst, ähnlich dem RAID 55, mehrere RAID4 mit einem RAID5 zusammen. Man benötigt hierfür mindestens 3 RAID4 Legs zu je 3 Festplatten und damit 6

7 9 Festplatten. Bei 9 Festplatten sind nur 4 Festplatten nutzbar, das Verhältnis verbessert sich allerdings mit der Anzahl der verwendeten Festplatten. RAID45 wird daher nur in grossen Festplattenverbünden eingesetzt. Die Datensicherheit ist sehr hoch, da mindestens drei beliebige Festplatten, zusätzlich eine Festplatten in jedem Leg und dazu noch ein komplettes Leg ausfallen dürfen. Aufgabe 4: Disk Scheduling Strategien In der Vorlesung haben Sie verschiedene Disk Scheduling Strategien kennengelernt. a) Angenommen, die mittlere Länge der Auftragswarteschlange sei klein, d.h., sie enthält 0 oder 1 Element. Wie verhalten sich die Verfahren FCFS, SCAN und SSTF in diesem Fall? SCAN/C-SCAN bewegen den Arm jeweils über die gesamten Plattenlänge. Wenn die beiden sehr häufig referenzierten Regionen nicht am Plattenrand befinden, entsteht durch die zusätzliche Suchzeit eine unnötige Verzögerung. b) Angenommen, auf einer Festplatte gebe es 2 sehr häufig referenzierte Regionen, welche weit auseinanderliegen. Vergleichen Sie die Verfahren FCFS, SSTF und SCAN/CSCAN. SSTF (Shortest Seek Time First) minimiert grundsätzlich die Suchzeit und ist daher für dieses Szenario optimal. 7