أنظمة التخزين والإدخال/الإخراج

تربط أنظمة التخزين والإدخال/الإخراج المعالج والذاكرة بالعالم الخارجي وبالبيانات الدائمة، وتشمل الحافلات (buses) والموصلات البينية (interconnects)، وتخزين الأقراص والذاكرة الوميضية (flash storage)، والتكرار للموثوقية، والآليات التي تنقل البيانات بكفاءة بين الأجهزة والذاكرة.

Definition

أنظمة التخزين والإدخال/الإخراج هي الآليات المادية والمعمارية التي ينقل بها الكمبيوتر البيانات من وإلى الأجهزة الطرفية ويخزنها بشكل دائم، بما في ذلك الموصلات البينية، ووحدات التحكم، ووسائط التخزين، وتقنيات الموثوقية والمحاكاة الافتراضية المعنية.

Scope

يغطي هذا المجال كيفية تواصل أجهزة الكمبيوتر مع الأجهزة الطرفية وتخزين البيانات بشكل دائم: بنية الإدخال/الإخراج والحافلات، والنقل المعتمد على المقاطعة (interrupt-driven) والوصول المباشر للذاكرة (DMA)، وأجهزة التخزين الثانوية (الأقراص المغناطيسية ومحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة)، وموثوقية التخزين من خلال التكرار مثل RAID، ومحاكاة الإدخال/الإخراج الافتراضية (I/O virtualization). يتناول الآليات المادية والمعمارية للإدخال/الإخراج والديمومة. يستثني تجريد برمجيات نظام الملفات (أنظمة التشغيل) والذاكرات المخبأة على الرقاقة (on-chip caches) والذاكرة الرئيسية (تسلسل الذاكرة والذاكرات المخبأة)، على الرغم من أنه يعمل بشكل وثيق مع كليهما.

Sub-topics

• هندسة الإدخال/الإخراج والحافلات
• المحاكاة الافتراضية للمدخلات/المخرجات والوصول المباشر للذاكرة
• RAID وموثوقية التخزين
• أجهزة التخزين الثانوية

Core questions

• كيف يتم توصيل الأجهزة بالمعالج والذاكرة عبر الحافلات والموصلات البينية؟
• كيف يتم نقل البيانات بكفاءة باستخدام المقاطعات والوصول المباشر للذاكرة بدلاً من الاستقصاء المشغول (busy polling)؟
• ما هي خصائص الأداء والموثوقية للتخزين المغناطيسي وذو الحالة الصلبة؟
• كيف يوازن التكرار مثل RAID بين السعة والموثوقية والأداء؟
• كيف يتم محاكاة الإدخال/الإخراج افتراضيًا ومشاركته بأمان بين الأجهزة الافتراضية والعمليات؟

Key concepts

• حافلات وموصلات الإدخال/الإخراج البينية
• الإدخال/الإخراج المعتمد على المقاطعة
• الوصول المباشر للذاكرة (DMA)
• القرص المغناطيسي ومحرك الأقراص ذو الحالة الصلبة (SSD)
• وحدات التحكم في الأجهزة
• RAID والتكرار
• موثوقية التخزين ومتوسط الوقت حتى الفشل (MTTF)
• محاكاة الإدخال/الإخراج الافتراضية
• الإنتاجية وزمن الوصول
• الإدخال/الإخراج المعين بالذاكرة (memory-mapped I/O)

Key theories

مصفوفات متكررة من الأقراص غير المكلفة (RAID)

يؤدي الجمع بين العديد من الأقراص التجارية مع تجزئة البيانات والتكافؤ أو النسخ المتطابق إلى تخزين أكبر وأسرع وأكثر موثوقية من القرص الواحد؛ وتضفي مستويات RAID طابعًا رسميًا على المفاضلات بين السعة والأداء وتحمل الأخطاء.

نقل الإدخال/الإخراج المفصول

يتيح الوصول المباشر للذاكرة والإدخال/الإخراج المعتمد على المقاطعة للأجهزة نقل البيانات من وإلى الذاكرة دون تدخل مستمر من المعالج، مما يؤدي إلى تداخل الإدخال/الإخراج مع الحوسبة وتحسين إنتاجية النظام بشكل عام.

Mechanisms

تتصل الأجهزة الطرفية بالنظام عبر الحافلات ووحدات التحكم وتشير إلى المعالج بالمقاطعات. يتم نقل البيانات الكبيرة عن طريق الوصول المباشر للذاكرة، والذي ينقل الكتل بين الجهاز والذاكرة دون تدخل المعالج لكل كلمة. تخزن وسائط التخزين الثانوية البيانات بشكل دائم على الأقراص المغناطيسية أو الذاكرة الوميضية، وتستخدم مصفوفات الأجهزة التجزئة (striping) والنسخ المتطابق (mirroring) والتكافؤ (parity) (RAID) لتحسين الأداء وتحمل الأعطال. تقوم طبقات المحاكاة الافتراضية بمضاعفة هذه الأجهزة بين الضيوف (guests).

Clinical relevance

غالبًا ما تحدد أنظمة التخزين والإدخال/الإخراج أداء النظام ومتانته الشاملين: فغالبًا ما تكون قواعد البيانات وخوادم الملفات والتطبيقات كثيفة البيانات مقيدة بإنتاجية التخزين وزمن الوصول بدلاً من الحوسبة. تحمي RAID ومخططات التكرار ذات الصلة من فشل الأجهزة في مراكز البيانات، وتعد المحاكاة الافتراضية الفعالة للإدخال/الإخراج ضرورية للحوسبة السحابية حيث يتشارك العديد من المستأجرين الأجهزة المادية.

History

استخدمت الآلات المبكرة الإدخال/الإخراج المبرمج والقنوات المخصصة؛ وظهر الإدخال/الإخراج المعتمد على المقاطعة والوصول المباشر للذاكرة لتداخل الإدخال/الإخراج مع الحوسبة. سيطرت الأقراص المغناطيسية على التخزين الثانوي لعقود، وأرسى اقتراح RAID لعام 1988 من قبل باترسون وجيبسون وكاتز التكرار كتقنية موثوقية قياسية. أعادت محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة القائمة على الذاكرة الوميضية لاحقًا تشكيل تسلسل التخزين الهرمي، ونمت المحاكاة الافتراضية للإدخال/الإخراج لتصبح مركزية مع صعود الحوسبة السحابية.

Debates

التخزين المفكك مقابل التخزين المحلي

هناك نقاش مستمر حول ما إذا كان يجب ربط التخزين محليًا بالحوسبة أو تفكيكه عبر الشبكات السريعة؛ فالتفكيك يحسن الاستخدام والمرونة في مراكز البيانات ولكنه يضيف زمن وصول ويعتمد على الموصلات البينية عالية الأداء.

Key figures

• David A. Patterson
• Garth Gibson
• Randy H. Katz
• John L. Hennessy

Seminal works

• hennessy2019
• patterson1988raid
• silberschatz2018

Frequently asked questions

ما هو الوصول المباشر للذاكرة ولماذا هو مفيد؟

يتيح الوصول المباشر للذاكرة (DMA) للجهاز نقل كتل من البيانات إلى أو من الذاكرة الرئيسية دون أن يقوم المعالج بنسخ كل كلمة. وهذا يحرر المعالج للقيام بعمل آخر أثناء النقل، مما يؤدي إلى تداخل الإدخال/الإخراج مع الحوسبة وتحسين الإنتاجية بشكل كبير لحركة البيانات الكبيرة.

هل يضمن RAID أمان بياناتي؟

لا. يحسن RAID التوافر ويتحمل بعض أعطال الأجهزة عن طريق تخزين معلومات زائدة، ولكنه ليس نسخة احتياطية: فهو لا يحمي من الحذف العرضي، أو التلف، أو أعطال الأجهزة المتعددة التي تتجاوز قدرته على التحمل، أو الكوارث على مستوى الموقع، لذا تظل النسخ الاحتياطية المنفصلة ضرورية.