Arhitektura i Organizacija računara

Jos jcdtu izuzetnJ knjigJ profcsorJl\mcnbauma. RJcUtLlr se posmatra bo hijerarhip u koJOJ st

JU -;v.1kon1 nivou obJvljJ neka dohro dctlnts,ln~l funkLij,l. Det:tljno su r:1zn1otreni nivoi digita1nc logikc. nukroarhitekture, arhitcktun: skup.1 instrukcija, oper.1tivnog srsktnJ i J.')t'tnblcrskog Jl'Zlk,L Dat je pregkd I'ltonje arhitekttu-e r.t(·uu,\ra. s poscbnin1 u~vrtorn ru Sirok spcktJr cLlnaSnjih raL:uIULl. Kroz celu knjigu \ll k:to priJJH?ri kori;Ccni S,lvrcnll'Ili proceson- Pentiutn 4 i Ultr.tSPAIZ.C Ill, Lw i Intel ~IJ51, kuj1 nijc nov, .1h jt inoko rJsprmtr.111JC11 zbog niske Ltl1e i obiljll''oOrlllLl

.')(II')~

1

ZJ 'lllllllhr:lllJl' IZ\T;.JV,l11}t pmgr:mu

{\lie-!

Predavaci mogu da traze nastavni materijal od izdavaca, na adresi www.prenhall.com/tanenbaum 0 autoru s.-Lilll'llluu11l jl' prufL''olH LH."ll\Llr.'.Lih \LtllLllU UnJ\"l'rLitctll \"riJC ll Alll~(t'rd.t!llll, ~dl Vc..'l~ J(l gollin.t prcd.tje pr'-·dlllL"tc 17 nbLt'>Li oq.::;.lllLLlLIJC r:ll:utLtra, opcrJtlvnlh "istL'lll,l i 111rc~'.l N.1ptc.,~u1 je 1 _:) hL''itSt'kLl knj1 .'>ll tl'iVO_pli hru_11ll' iLl~',T,Hk .ISt.lLlj:Kije /\l J'v\ 1 dn1~1h :'\trul'ndt ur~~.l111Z.1CIJ.l. (1.11l.IL' """·1j.1c·Ijc .ACiVI, 1mtitut.1 llL;F. 1 Hoi.!lhhk,· kr.Ji],·nh· .tk.1dL'1lli]C n.1Llk.1 /\ndrt'\\'

ILIJlll'tiln'>tl.

Nivo assmblerskog jezika

NIVO

operativnog s1stema

Povezite se s Mikro knjigom www.mk.co.yu Pogledajte nasa najnovija izdanja i narucite ih preko lnterneta.i

www.mk.eo.yu/forum Prikljucite se nasem forumu; nasi urednici i saradnici odgovorice na vasa pitanja.

www.mk.eo.yu/recnik Nadite termine iz razlicitih oblasti racunarske tehnike i informatike u nasem recniku na Webu.

www.mk.eo.yu/bilten Prijavite se da biste primali obavestenja o nasim novim izdanjima i popustima.

www.mikro.co.yu Posetite Web prezentaciju naseg casopisa Mikro.

il ~

t

~l)'~i ~-:~~;· .

~\;c

' ,.

j ;{)

''-I ,--,)--:)/

'/...;;~.:

Ostali Tanenbaumovi bestseleri Racunarske mre:Zc, 4. izd:mje

KfbMIA CA CO-om

(Computer Networks) c:etvrto izdanjc ovog klasicnog bestsckra idealan je uvocl u Janasnje. a i buduc'c mrde. Detaljno jc objasnjcna struktura savremenih mrcza. Poccv ud fizickog shJja, svc do najviscg sloja aplikacija, obradcne ~u mnogc vaLnc teme. ukljucujuc'i be1icnu komunikaeiju, opticka vlakna, protukole sluja vcze podataka. Ethernet. algoritme za usmer:.~vanje. performanse rnrda. bezbeclnost. DNS. clektronsku postu, USENET vesti, Web i multimediju. Temcljno su opisani i TCP/lP i Internet.

ARHITEKTURA I ORGANIZACIJA RACUNARA Prevod petog izdanja

Operativni sistcmi: projcktovanjc i rcalizacija, 2. izdanjc (Operating S\·stems: Design and lmplementnlion) Ova pupularna knjiga. pis;u1a u saradnji sa Alhcrtom S. Woodhulllllll, jedina je koja obuhvata i principc uperativnih sistema i primenu till principa na realm~ .sisteme. U njoj su detaljno opisani svi klasicni operativni sistcmi. Kao ilustracija principa korisc'en jc MINX- UN!X-u slican operativni sistern zasnovan na POS!X-u. koji je namcnjen za PC racunarc i dostupan wima. Uz knjigu se Jobije i CD s potpunim sistcmorn !'vllN X. zajedno sa izvomim kodom. Listing izvornog koda prilo7en je u dodatku na kraju knjige i detaljno je uhjasnjen u Lckstu.

Andrew S. Tanenbaum Univcr::.itcr Vrije Am.\·te n!wn, H o!ondiju Prc\·eo

Dejan Smiljanic

Savremcni opc1·~ttivni sistcmi, 2. izdanjc Uv!odcm Opemting Systems) U ovum iscrpnom delu detaijno su obradeni principi savrernenih operativnih sistema. a ilustrovani su brojnirn prirncrima iz prakse. U prvih pet puglavlja (posk uvuclnog). aulor sc bavi osnuvnim pojmovima: procesima i nitima. kruznim blokadama. upravljanjem memorijum. ulanw-izlaznim operacijama i sistcmima clatotcka. U narednih scst pnglavlja obratluje ';lo,'cni.JC tcme: multimedijske sisteme. \·i~epmccsorske sistcme. be1bednost itd. Na kraju detaljno analizira dva konkrctna operativna sistema: UNIX/Linux i \Vinduws 2000.

Distrihuirani sistemi: principii modcli (Distributed Systems: Prillciplcs and Paradigllls) Ova nova knjiga, ko.JU je autor napisao Lajednu 'i Maartenorn \an Steenom. ohuhvata principc i modele savremcnih distribuiranih sistema. U prvnm delu se detaljno govori o principima komuniciranja. procesima. imenovanju. sinhronizovanju, closkdnosti i replikuvanju. otpornosti na greskc i bezbednosti. Autori 1.atirn u drugum delu razmatraju ra1.licite modele distribuiranih siskma. kao slll su objektno zasnm ani sistemi. distribuirani sistcmi datott:ka, si::.tcmi zasnovani na Jokumcntirna i sistemi ;asnovani na kunrdinaciji. Detaljnu se razmatraju i brojni primeri.

--·----·-''i

-~---

-1 . \' I1 .-.::.11r:·1. x:- \\- tsyo ~ -l ~----I

i1

1/,'-m. .,. ,

I__

! ·-

6p.

L p. )I . \

'

. ,...,

-~---

:. '\ i

-·-··

--i

I

! I

--·----~

t

I

!')

! ';: . ~-\J~: ~:.: L

Arhitcktura i organizadja raCunara, prevnd 5. iLdanja Darkn MilutinoviC

Reccnzent Glavni urednik

Olga Milanku Stel;..~

Redaktori

SpasiC i SncZana I3isemC

Vc~na

Lektor i korektor

DukiC

Tehnicki urcdnik

Milica Decansk:i

Realizacija knrica Prclom teksta i obrada slika

Sanja TasiC

NataSa Pavlov Milica DeCanski N;HdSa Pavlov

IzUavaC

Mikrn knjiga, Beograd

Direktor

Dragan Tanasko')ki

Stampa

Puhlikum, l3eograJ

Po.\'\'ec'eno Su::.wzi. Burha;i i Marvinu, kao i uspomeni na Brama i Sviti rr

Ako imate pllanja iii komentare, iii ako Zditc da dubijetc besplatan k.ata!(Jg, piStte n:..tm ili se javite: Mikrn k.njiga Jcvrej'b hh 7XIIOO Hanja Luka

Mikro knji2!a P. fah 20-87 JJ()}(J Beograd tel: llii/JS-10-54-1 p1 sma@l:li k roknj 1 y,l. co .yu

tel: 1!51/220-%0 pl smalar:·i krPknJ 1yn ba

Mtkru knjiga Mabimirska 13 I 0000 Zag rc h tel: 01/23-14-023 pi sma@rni kroknJ i ga hr

Autnri;nvan prcvod \a cnglcskog jczika knjigc Structured Computer Orp-anization. 5th edition. Cnpyright (i) 2007 :\'likro J...njiga. Sv.1 prava LaJrLana. Nije doLvoljcnn da nijedan cleo ove knjige hudc rcpwduko\ an ili emitovan na hilo knii naCin. ckktron~hi ili rnchaniC:ki. ukljuCujuL:i fotokopiranje. snimanje i!i hilu h.oj1 drugi sistem La bele/:r:n.Jc. bez prcthoJne pismene doz\ole iLd:nal:a. Authori7ctl translation !rom the English language edition. entitled Strurtured Computer Organization. 5th edition by T.lncnht~lllll. r\ndrc\V S .. publi~hcd by 1-'e;trson Educati1H1, Inc.. publi~hing as Prentice Hall PTR, Copyright ti'l 2tHIIl. All nght." re:-.crvctl. No p;1rt of thi." hooh. may be reproJun'd or transmitted in any forlll or hy any means, electronic or mechanicaL includint! ph1Hncopying.. rccordint!, or by any information storage retrieval system,

v..ithout penni:-.,i.\illl ..,-:rub.t klasilikaL·ija '.bna\nji 11 ra_'unara prika;ar::tj.: na ,;l!ci 1-LJ.

~ia_ __________-_--_=j~~~i~ru~-~_:=~--=-~I~;ir;er p~~e~e -===--=~=] Za j~:?dr:otV~ll1t racine~ .'dlag". Ovakva popularno.c,t ra:.tc sama nd sehe. R:.vvojni ini:enjcri koy rack na ugr~idenim sislt'lllima cesto bimju cip c()5[upravo t:hc)g njegliVC ra~\·i"l)',tl'ailjenusti, da bi. na pri11lt?I'. isprobali novu tdmologiju kojom ~e skdi cncrgij~, (J\Lmin et al., ::'003) iii otp,,rnust na gre~ke (Lima et al..200::'). Na lnternet11 se mozc pronaci mnogo inhJrmacija u cipu 8051. Dobra poLtzna adresaje H'\m:8U5/.,·onl. Pored toga. o njemu ~c j,,::, uvek pi;u ~njige tAyala, 200--1-; C:alcutt et al., 200--1-; Mac Kenzie et al., 2005 i l\Lwd1 ·~t ell .. 2UU5 1.

45

l.S METRICKE JEDINICE Da bismo i;.begli zabunu, treba jasno i glasno rec'i da sc u ovoj knjizi. kao i inace u racunarstvu, koristc mctrickc jcdi nice (umesto tradiciona1nih anglosaksonskih jeclinica u stilu arsin-livra-pinta-dan hoda). Osnuvni pn:hksi metrickih jcdinica prikazani su na slici 1-15. Oni sc obicno skracuju na pllcctno s1ovo, iza koga sledi vc1iko slovo zajcdinicu ako je ona vcea od 1 (KB. MB ild.). Od ovoga se (iz istorijskih raz1oga) izuzima kb/s (kilobiti u sekuncli). Tako K,;;msknust. u ovoj knjizi cemo koristiti sirnbo1e KB, iVlB. (~B i TB 1.a 2 10 ::.:o.2' 0 i 2-1 11 bctjt•.JVa. a simhole kb/s, Mb/s, Gb/s i Th/s za 103 ,1 d', lOY i I{) i 2 hitmC·cti tako slo c'cmo ih red11111 analizirati.

15. U jcdnum trcnutku tranzistor na mikroprocesuru imao je precnik od 0, I milrometara. Prema Mooreuvom /akonu, koliki ce biti tran;:i.,;tor na nwdt:lu iz sledccc gC>dinc·> izmi~lio racunar poccu Jc apriia 1973. godinc. a sudio je Earl Larson. On jc prcd sobom imao prijavu o kr;enJU p~ttentnih prava kclju jc pndnela kompanija SpeiTY I\ and. naslcdniJ.. palcnata La EN Ir\C. Njeno stanovi~tc jc bilo da svako ku pravi racunar trcba da joj isplat i nadoknatlu jcr t'na ;JtJ:.eduje kljucnc p:ttentt:. Tnkom sudcnjajc izneto prcko 30.000 dol-;aza. Dokumcntacija proccsa ima!a jc vise ud 20.000 stranica. Proucite pazljivo ••vaj o;lucaj slul.eci ->c ohimnim inforniacijama o njcmu kojc postoje na lnternetu i · napisitc i1.vcstaj o njCgovim tchnid..im aspcktima. Sta su tacno Eckert i Mauchky p;~tcntirali i DL~tu jc sudija stck:10 uti:,:tk da se nJihov sistcm zasniva na Atanasuffljcvom radu''

16. Pravni spur o tome ku je

na st\aranjc sc~vrcmcnog racunarskug hardvcra, ukratko opisite njihuv dop1inos i obr-tzlohtc zasto ste ih odabrali.

17. Navcdite tri osobe za kojc mislite da su najvi;c

utic~dc

18. Punll\ ite vd:banjc 17. ali za racunarski solh cr.

:!.1 PROCESORi

Ii .

I

I

Org:1ni/acija racunara s JCdnnsLtvn,;m magistral om prikazanajc na slici 2-1. Pruccsor kugl. Ce!ltrul Pmcessin.~ Unit. CPU) .. muzak" je racunara. Njegova ulogajc da radi' programima 'mc~tenim u 2'-l:tvnoj mcmoriji. preuzimajuci njihove instrukcije. ispitujuc'i ih i iz-vr -~c J11tl('Ut.'e napi-,ati program koji irnitira funkciju procesora -;k:E cb i.l'. r'-it; 1,- pa•-.:r:li;i:t lie' mora da hudc .. hardverski" procesor- kutijica puna ekktron,kih tk!:·\ct iur'ii.:-: pri!:;rama nw/e hiti i neki drugi program koji ce rcdom !'lc'uLim,tti. ~r.ci i in ramo da bi se kasnije vratio u registre, donosi ncpotrebne prohlerne. Zbog toga je najholjc od pocerka imati dovoljan hroj rcgistara.

Paralclna obrada podataka Ciodinarna je poznato cia je pri izvrsavanju instrukcija usko grlo njihovo preuzimanjc iz mcmorije. Da bi se ovaj problem prcvazisao, jos su stari racunari (npr. IBM-ov Stretch, iz 1959) imali rnogucnost da unapred preuzimaju instrukcije iz memorijc, tako da budu pri ruci kacl zatrebaju. lnstrukcijc su cuvane u skupu registara, nazvanom prirucni bafcr (engl. [Jt"ij"ctch buffer). Na taj nacin se instrukcija (kadaje to bilo potrebno) brzo mogla ucitati iz prirucnog bafera, umesto da se clugotrajno ucitava iz memorije. Izvrsenje instrukcijc uz prethoclno preuzimanje deli se na dva deJa: preuzimanje i ·;tvarnn izvrsavanjc. Ova osnovna stratcgija daljc se razraduje k.roz koncept paralclnc uhradc podataka (engl. pipclinin~::): umcsto cla se it:vrsenje instrukcije podeli samo na dva de !a, ono sc cesto deli na dcsetak i vise dclova koji sc na obradu upucuju u istn toliko namenskih komponenata koje svc mogu raditi istovremeno. Slika 2-.:J.(a) prikazujc niz od pet koraka obradc. nazvanih i faze ohradc (engl. stages). U fazi I inslrukcija se preuzima iz mcmorijc u bafer i tamo cuva do upotrebe. U fazi :2 instrukcija ,-,e clckodira i odreduje se njen tip i potrebni operandi. U t~vi 3 operandi "e pronalazc i preuzimaju iz rcgistara ili iz menhlrije. U fazi 4 instrukcija se stvarno izvrsava, tako sto sc operandi najcesce propustaju putanjom podataka sa slike :2-:2. Na kraju, u fazi 5 rczultal ;,e upisuje u odgovarajuci registar. Na slici 2-4-(b) vidimo kako paralelna ohrada podataka racli tokom vremena. Tokom prvog ciklusa radnog takta. S I radi na instrukciji I prcuzimajuci je iz memorije. Tokorn drugog cik.lusa. S2 dekodira insrruk.ciju I. duk istovremeno S I preuzima instrukciju :2. Tokom treceg ciklusa, SJ preuzima operandc za instrukciju I, S2 clekoclira insrrukc:iju :2, aS I preuzima trecu instrukciju. Tok.om cetvrtog ciklusa. S-+ izvrsava instrukciju I. S3 prCLuirna operande za instrukciju 2, S2 dekodira instrukciju 3. a S I preuzima instrukciju-1-. Na kraju, tokom petog cikluo;a. faza S5 zapisujc rezultat izvrsavanja instrukcije I. dok ostale faze rade na instrukcijama koje slecle.

60

Poglavlje 2: Organizacija racunarskih sistema

Sl

S2

S3

S4

S5

Jedin1ca za preuzimanje instrukcija

Jedinica za dekodiranJe instrukc1ja

Jedinica za preu11manje operanada

Jedinica za izvrsavanje mstrukcija

Jedin1ca za zapisivanje rezultata

2, l Procesori

Da biste clobili broj MIPS-ova, podelitc hroj izvrscnih instrukcija u sekundi sa milicn. 9 sto daje ( 10 /7) I 10 6 = 1000/'f ~1IPS-a. Teorijski, brzimt izvrsavanja instrukcip mcgli bismo da izrabvamo i BIPS-ovima (milijardama instrukcija u sekundi), ali posto to niko ne radi, drzacemo se MJPS-ova.

(a)

s1 S2 S3

S4 S5

QJ IT] []] 0 QJ ITJ [}] QJ ITJ QJ

Supcrskalarna arhitektura Ako jeclna linija para1e1ne obrade radi dobro, dve izvcsno rade jos holjc. Jeclna ,Jd moguc'ih konstrukcija procesora s dve linije obrade koja po1azi od slike 2-4, prikazana je na slici 2-5. Zajcdnicka jedinica za preuzimanje prihvata istovremeno par instn;kcija i svaku sme.~ta u njenu 1iniju obrade koja sadrzi i sopstvenu aritrneticko-1ogick.u jedinicu kako hi se omogucila paralelna ohrada. Da bi sc rnogk izvrsavati paralclno. dve instrukcijc se ne smeju sukohljavati oko rcsmsa ( npr. oko rcgistara) i nijcdncwd njih ne sme zavisiti od rczu1tata izvrsavanja druge. Kao i u slucaju jednc linijc pau1elnc obrade podataka. i ovde prevodi1ac (kompajler) mora garantovati bezhedan rad (stu znaci da hardver ne proverava ni~ta i dace dati neispravnc rezultate uko1iko 11strukcije nisu meclusohno kompatihi1ne) iii ce ncki dodatni hardver otkrivali i Jtklanjati sukobe tokom samog izvL~avanja. Iaku se obicnc i1i dHJStruke 1inijc za paralc1nu obradu najcesc'e kmiste u RISC racunarima (proccsor 3fl6 i njegovi prcthudniL·i ill nemaju), lntc1jc L'd proccsora 4:-\6 pocco da uvodi para1dnu ohradu pudataka u ~voje procc-sorc. Pnxcsc!inc) i !lJOg1aJe da i~.vr;i billl kuju Pentiumuvu instrukciJU. fJruga linija s prcliLnm Y \l'tJgi. l' pijwlinc) mogla JC da i!Vrsi :,anm jednustavnc in:-.trukcije s cc1im brojevima (i jednu jcdinu instrukciju s brojcvima u !'ormatu pukn:tnog zarcza- FXCH).

ITJ ITJ [I] [I] [I] 0 ITJ ITJ [I] [}] [Ij [Ij ITJ [}] [Ij ITJ [Ij [Ij ITJ ITJ QJ IT] [I] 0 ITJ

Time(b)

Slika 2-4.

(a)

Para kina ubrada podawka u pet l·aza. (b) Sranje wake faze u funkciji vrelllcna. Prikazanoje dcvcl ciklusa radnog takta.

RazmotritJHl jcdnu analugiju da hi nam paralelna obrada podataka postal a jasnija. Zamislite fahrik.u k.ck..~a u k.ojoj su pecenjc i paknvanje k.eksa razdvojeni. Pretpostavimo da odeljenje za pak.ovanje ima dugacak sto s pokretnom trakom duz koje je rasporedeno pet radnika (jedinice za ohradu). Svakih I 0 s (ciklus radnog taktaL radnik. I stavlja praznu kutiju na traku. Kutija putuje do radnika 2 koji u nju stavlja keks. Ncsto kasnije kutija sti/c do radnika 3 koji je zatvara i umotava. Kuti)a na~tavlja putovanje Jo radnika 4 koji na nju lepi etiketu. Na kraju, radnik 5 skida kutiju s trak.c i stavljajc u veliki kontejncr ;.a isporuku trznom centru. U osnovi, na taj nacin radii paralelna obraJa pudataka: svaka instrukcija (kcks) prolazi kro1. nekoliko faza obrade dok se nc dovrsi njeno izvrsavanje. Vratimo se paralelnoj obradi sa s1ike 2-4 i prelpostavimo da ciklu~ radnog takta racunara trajc 2 ns; onda c'e za potpunu uhradu jedne im,trukcije u pet faz.a biti potrebno 10 ns. Ako il.vrsavanje Jedne instrukcije trajc I0 ns, mog1o hi nam u prvi mah izgledati da racunar moze da radi brzinom od 100 M1PS-a, ali on u stvari radi mnogo brze. Pri svak.om otkucaju radnog takta (2 ns) dovrsava se izvrsavanje jednc nove instrukcije. paje stvarna brzina obrade 500 MIPS-a. Parale1na obrada omoguc'ava kompromis izmec1u vrcmcna potrebnog za izvrsavanjc instrukcije, tLV. kasnjenja (engl. lotenn·) i propusnog opsega pmcesora (engl. processor bandwidth) izraY.enog u MIPS-ovima. Uz Lrajanje ciklusa od 'T ns in uzastopnih faza ohraJe, obrada jedne instrukcije traje nT ns jcr svaka imtrukcija prolazi kroz n faza, ud kojih svaka trajc- Tns. Posto po jedna in~trukcija zavrsava izvrsavanje pri svakorn ot"-ucaju radnog takta, 9 au sckundi ima HP!T otkucaja, broj instrukcija izvr;enih u jcclnoj sekundi jc 10 /T Na primer. ako je T = 2 ns, onda se svake sekunde izvrsava 500 mi1iona instrukcija.

61

Sl

~--

. :;

L

Jedmica za dekoCira_ n,ie instrukC!Jn

II i

.. -

,.

~~

:1~

-~"'

rl

,Jt:n:n1ca . 1 za preiJ?!rlai1J8

Jedin 1ca

j

[

za

I

I

J

. kGila . 1nstru

Siiha 2-5. 1ho~rt uka

S.J

p~:tufc,trukih. Da hi ~e postiglo ubr;anje ocl pedesct. sto iii vise puta. jedino rdenje jc pravljenje racunara s vise pnJCCStJra, pa ccmu se sada osvrnuti i na takve racunare .

S5 Jedinica za zapisivanjr; rezultilta

Slika 2-6. Superskalarni pmce'or s pet funkcionalnih jedinica.

I

IL

Rarunske opcracijc nad matricama l'vlcttu prohlcmima iz oblasti li7.ickih nauka i inzcnjLTStva znatan bruj otpada na matricc ili na neki drugi vid visnkourcdcnc strukture podataka. (:estu sc ista vrsta proral:una istovremeno izvudi ·' mnogo skupova podataka. R.egularnost slrukturc ovih programa cini ih posebm> pogodnim J:a ubrzavanje kroz paralclnu iJ:vrsavanje. Zasad se zna za dve mctst da hi ga re~a\ak .,Jedece generaL·i.iL'. EIDE c!iskovi i kontroleri pobulj~avani sui na druge nacine. Na primer. E!DE klllltroleri su mogli imati elva kanala. svaki sa svujim primarnim i sL·kundarnim di,k,nn. U tak voj organi;.aciji moglo se koristiti najvise cctiri di~;ka jednom kuntrolcru. Kontroleri su podrzavali i CD i DVD uredaje. a brzina preno~a Jt.' poveC:;ma 'a 4 na I 0.6 7 i\1!3/s. Kako -,e razvijala tehrwlogija proi;.vodnje diskova, tako jc unapr,,div:m i ElDE :-.tandard. ali je iz nekog razloga naslednik EIDL standurcb f1CJ/V~II1 .\TA-3 1.AT Attachment. AT dodatak ). \ aljda i1 poca,ti prema IB~l-ov om r~J(un:tru PC! AT 1gdc JC AT skracenica za tada naprednu tehnologiju- engl. Adrunn'rl f[ d'nnlogr l b-hitnog proce-;ura na 8 iV!Hll. Standardje u sledcc'em i.tdanjunazvan AT\Pf--4tATA Packet Interface. paketni ATA interfcj,;). a hr;ina pretl\lSa je j)(lVeL'kki od nwguc'ih SL'SI pararnetara .

~

86

Poglavlje 2: Organizacija racunarskih sistema

;i

Posto SCSI diskovi imaju vece brzine prenosa. oni su postali standardni diskovi veCine UNIX radnih stanica firmi Sun, HP, SGl i drugih. Oni su takode i standardni diskovi za racunare Macintosh i najsavrsenije lntelove PC racunare, a narocito za mrezne servere. SCSI nije samo interfejs za cvrsti disk. To je i magistrala na koju se mogu prikljuciti SCSI kontroler i jos sedam uredaja (to mogu biti jedan iii vise cvrstih SCSI diskova, CD citaci. CD pisaci, skeneri, jed in ice trake i druge periferijske SCSI kornponente). Svaki SCSI uredaj ima svoj jedinstveni identifikator, od 0 do 7 ( 15 za prosireni SCSI). Svaki urec1aj ima i dva prikljucka: jedan ulazni i jedan izlazni. Kablovi povezuju izlaz jednog uredaja sa ulazom sledeceg u nizu, a svc to izglcda kao niz elektricnih ,svecica" na novogodisnjoj jelki. Poslednji uredaj u nizu mora se blokirati kako uticaj s krajeva SCSI magistrale ne bi ometao druge podatke na njoj. Kontrolcr sc najcesce nalazi na dodatnoj kartici na pocetku niza uredaja. mada standard ne predvida izricito bas takvu konfiguraciju. Kabl za 8-bitni SCSI prikljucak najcesce ima 50 zica. od kojih su 25 uzcmljenja uparena s drugih 25 ziea, cime se odlicno suzhija pojava suma pri obavUanju visokobrzinskih operacija. Od 25 zica. 8 ziea prenosi podatke, I prenosi bit parnosti, 9 su upravljacke. a preostale su predvidene za napajanje iii su rezervisane za buducu upotrcbu. Za sesnaestobitni (i 32-hitni) uredaje, potreban jc jos jedan kabl namenjen prenosenju dodatnih signala. Kablovi mogu biti dugacki vise metara, sto omogucava prikljucivanjc spoljnih uredaja, skenera itd. SCSI kontroleri i periferijski uredaji mogu da rade kao inicijatori iii kao odredista. Kontroler je po pravilu inicijator i izdaje komande diskovima i drugim periferijskim uredajima koji su odredista. Kornande su hlokovi velicine do 16 bajtova koji oclredistima saopstavaju sta trcba cia radc_ Komandc i odgovori na njih razmenjuju se u fazama, pri cemu razliciti upravljacki signali dele pojedine faze i odlucuju ko pristupa magistrali u slucajevima kada vis~: uredaja to istovremeno trazi. Takvo odlucivanje je neophodno jer tchnologija SCSI omogucava svim uredajima da rade istovremeno, sto umnogorne poboljsava performanse u okruzenju s vise aktivnih procesora (npr. na UN I X-u ili u okruzcnju Window sa XPJ. Po standardima !DEi EIDE dozvolj~:no _je da postoji samo _jedan aktivan uredaj u jednom trenutku.

2.3.6 RAID Performanse procesora su poskdt~ih dt:sctak godina eksponencijalno rasle. priblizno >e udvostrucu_juci svakih 18 meseci. Diskovi sc ni'u tako brzo razvijali. Usedamdcsetim godinama proslog vda. srednjc vreme trazcnja podataka na diskovima mini racunara hiloje izmedu50 i 100 ms. Saclaje to vrerne 10 ms. U .,najtehnickijim" oblasti ma industri_je ( rccirno. u industrij i automobi Ia ili aviona) povecanjc performansi od 5 do I 0 puta za dve decenije bila bi udama vest. ali bi u industriji racunara ona vise preclstavljala razing za zabrinutost. Tako je ncsklad izmedu performansi procesora i performansi diskova tokum godina postajao sve veci.

~L

Sckundarna memorija

87

Kao sto smo ranije videli, za poboljsanje performansi proeesora cesto je u pomoc pozivana paralelna obrada podataka. Zato je rnnogima tokom goclina palo na pamet da bi moz.cla imalo smisla paralelno ohavljati i ulazno-izlazne operacije. u svom clanku iz !988. godine, Patterson i njcgovi saradnici predlozili su sest specificnih organizacija diskova koje su mogle clop;-ineti poboljsanju performansi i pouzdanosti (Patterson et al., 1988). Industri_ja je brzo prihvatila te ideje, sto je dovelo do pojave nove klase ulazno-izlaznih uredaja. naz.vanih RAID. Patterson i njegovi saradnici su RAID definisali kao redundantan niz jeftinih diskova (engl. Redundant Array of Inexpensive Disks). ali je u industrijskoj praksi ,,I'' proglaseno za skracenicu ocl reci ,nezavisan" (engl. Independent), mozda zato da bi mogli da koriste skupe cliskove. Posto uz dobrog momka uvck ide i onaj los (kao RISC i CISC, takode prema Pattersonu), los rnomakje ovde nazvan SLED (Single Large Expensive Disk, jeclan velik i skup disk). Osnovna kontiguracija sistema RAID hila bi da se pored racunara (najcesce servera) instalira puna kutija diskova, da st: kontroler diska zameni RAID kontrolerorn. da se podaci kopir~uu na RAID diskove ida se nastavi normalan rad. Drugim recima, sistcrn RAID bi operativnom sistemu trcbalo da izgleda kao i sistem SLED, samo u; boljc pcrformanse i vecu pouzdanost. Posto Sll SCSI diskovi imali dobre performanSC, nisku ccnu i mogucnost da preko is tog kontrolt:ra upravljaju cak sa 7 dodatnih jeclinit:a (iii sa 15 pomocu kontrolera prosirenog SCSI sistema), priroclno je sto Sll se sistcmi RAJD sastojali ocl RAID SCSI kontrolcra i SCSI diskova koji su se operativnom sistemu preclstavljali kao _jedinstvcn veliki disk. Na ovaj nacin nije trebalo nista soft vcrski menjati da bi sc koristio RAID, cime je stecena naklonost brojnih administratora sistema. UZ tO S(O SU St: softvcru prikaziva!i kao jedan disk, podaci Sll hili rasporedeni na sve diskove iz skupa kako bi im sc umogucio paralelan rad. Patterson i saradnici clctinisali su vise scma za raspotn1ivanje poclataka i one su Llanas poznate kao razliciti RAID nivoi (od 0 do 5 ). Osim pomenutih. postoji jos nekoliko rnanje vaznih nivoa o kojima ovdt: necemo govoriti. Izra~: .. nivo" pomalo ~:bunju_je _jer sene radi ni o kakvoj hijnarhi_ji: naprosto, postoji ;est razlicitih organizacionih sema. RAID() prika1an je na slici 2-23(a). Kod njega se virtuelni disk koji RAID simulira 'matn izdeljcnim u scgmente ~a po k sektora, pri cemu sektori od 0 do k- I preclst~t\ ljaju scgmt:nt 0. scktori od k clo 2 k- I segment I itd. Kadaje k = I, svaki segment je ,c,cktor; kadajc k = 2. segment ima dva sektora itd. U organizat:iji RAID 0 segmenti sc redom 1.apisuju na u;.astopnc diskove i tako ukrug, kao sto jc na slici 2-23(a) prikazarw za sistern RAID sa cdiri diska. Raspllln1ivanje puclataka izmedu vise diskova na ovaj nacin zovc sc segmcntiranje (t:ngl. striping). Na primer, ako softver zada komandu za ucitavanjc blllb podataka koji se sastoji od cetiri uzastopna eel a scgm~:nta. RAID kontmln ct: Jc pocleliti na cetiri zasebnc komande. po jcdnu ~:a svaki od cetiri disb i pustiti ih da sc izvrsavaju paralelno. Tako ce se dobiti cetiri paralelnc ulazno-iJhvnt: opcracijc, a soft ver o tom~: nece nista znati.

r=r'Tj' :~T

'·J~

:·

!

SX

2.3 Sekundarna memorija

Poglavlje 2: Organizacija racunarskih sistema

RAID 0 najholje radi s velikim zahtcvirna: sto jc zahtev veei, utoliko holje. Ako jc zahtev veci od proizvoda broja diskova i velicine scgmcnta. neki diskovi ce dobiti vise zahteva- kad zavrse s jcdnim, preci ce na druge. Kontrolcr treba da ispravno rodeli izvorni zahtcv i cla zadaje prave kornancle pravim diskovirna ispravnim redos edom, pa da zatirn na ispravan nacit; prikupi podatke u memoriji. Pcrformansc su

RAID nivoa 0

(a)

odlicne. a implcmentacija jednostavna. RAID 0 najgore radi sa operativnim sistcmima koji po pra\ilu uvck zahtevaju samo jcdan sektor podataka. Sve ce racliti ispravno, ali ncma paralcli,cma, pa nece biti ni puboljsanja performansi. Druga mana ove organiL.acije je tu ~lu je njena pouzdanost potencijalno manja od pouzdanosti sistema SLED. Ako se sistem RAID sastJji od cetiri disk a (waki s prosecnim pcriodom ispravnog rada od 20.000 sati), onda ce u proscku na svakih 5000 sati rada otkazi vati jeclan disk i propadacc svi podaci. SLED disks prusccnim periodom ispravnog rada od 20.000 sati bio hi cetiri puta pouzdaniji. Po;to u prikazanuj organizaciji nema rcdundancijc, ona u stvari nije pravi sistcm

RAID nivoa 1

(b)

lei 8888888:~~~~, ldi8EJE~8

RAID nivoa 3

,;.

(e)

RAID n1voa 4

.f

(f)

89

------'-

RAID nivoa 5

Slika 2-2J. Si,lcill RAID di,kpticki kompalihilni a proizvodili su se od polikarhnnatne ma~c na ''tim ~pric-masinama. ?bog tc ndiukc, pocdi su sc traziti rnotori pn1:nctllji1o,:: hr::inc.