Sistemas de Almacenamiento y E/S
Los sistemas de almacenamiento y E/S conectan el procesador y la memoria con el mundo exterior y con datos persistentes, abarcando buses e interconexiones, almacenamiento en disco y flash, redundancia para la fiabilidad y los mecanismos que mueven datos de manera eficiente entre dispositivos y memoria.
Definition
Los sistemas de almacenamiento y E/S son los mecanismos de hardware y arquitectónicos mediante los cuales una computadora transfiere datos hacia y desde dispositivos periféricos y los almacena de forma persistente, incluyendo las interconexiones, controladores, medios de almacenamiento y las técnicas de fiabilidad y virtualización involucradas.
Scope
Esta área cubre cómo las computadoras se comunican con los periféricos y almacenan datos de forma duradera: arquitectura de E/S y buses, transferencia impulsada por interrupciones y DMA, dispositivos de almacenamiento secundario (discos magnéticos y unidades de estado sólido), fiabilidad del almacenamiento mediante redundancia como RAID, y virtualización de E/S. Trata los mecanismos de hardware y arquitectónicos de entrada/salida y persistencia. Excluye la abstracción de software del sistema de archivos (sistemas operativos) y las cachés en chip y la memoria principal (jerarquía de memoria y cachés), aunque trabaja en estrecha colaboración con ambos.
Sub-topics
Core questions
- ¿Cómo se conectan los dispositivos al procesador y la memoria a través de buses e interconexiones?
- ¿Cómo se transfieren los datos de manera eficiente utilizando interrupciones y acceso directo a memoria en lugar de sondeo ocupado?
- ¿Cuáles son las características de rendimiento y fiabilidad del almacenamiento magnético y de estado sólido?
- ¿Cómo la redundancia, como RAID, intercambia capacidad por fiabilidad y rendimiento?
- ¿Cómo se virtualiza y comparte la E/S de forma segura entre máquinas virtuales y procesos?
Key concepts
- Buses e interconexiones de E/S
- E/S impulsada por interrupciones
- Acceso directo a memoria (DMA)
- Disco magnético y SSD
- Controladores de dispositivos
- RAID y redundancia
- Fiabilidad del almacenamiento y MTTF
- Virtualización de E/S
- Rendimiento y latencia
- E/S mapeada en memoria
Key theories
- Arreglos redundantes de discos económicos (RAID)
- La combinación de muchos discos comerciales con striping de datos y paridad o mirroring produce un almacenamiento que es más grande, más rápido y más fiable que un solo disco; los niveles RAID formalizan las compensaciones entre capacidad, rendimiento y tolerancia a fallos.
- Transferencia de E/S desacoplada
- El acceso directo a memoria y la E/S impulsada por interrupciones permiten que los dispositivos transfieran datos hacia y desde la memoria sin la participación continua del procesador, superponiendo la E/S con la computación y mejorando el rendimiento general del sistema.
Mechanisms
Los periféricos se conectan al sistema a través de buses y controladores y señalan al procesador con interrupciones. Los datos a granel se mueven mediante acceso directo a memoria, que transfiere bloques entre un dispositivo y la memoria sin la intervención del procesador palabra por palabra. El almacenamiento secundario almacena datos de forma persistente en discos magnéticos o flash, y los arreglos de dispositivos utilizan striping, mirroring y paridad (RAID) para mejorar el rendimiento y tolerar fallos. Las capas de virtualización multiplexan estos dispositivos entre los invitados.
Clinical relevance
El almacenamiento y la E/S a menudo determinan el rendimiento y la durabilidad del sistema de extremo a extremo: las bases de datos, los servidores de archivos y las aplicaciones intensivas en datos con frecuencia están limitados por el rendimiento y la latencia del almacenamiento en lugar de por la computación. RAID y los esquemas de redundancia relacionados protegen contra fallos de dispositivos en los centros de datos, y una virtualización de E/S eficiente es esencial para la computación en la nube, donde muchos inquilinos comparten hardware físico.
History
Las primeras máquinas utilizaban E/S programada y canales dedicados; la E/S impulsada por interrupciones y el acceso directo a memoria surgieron para superponer la E/S con la computación. Los discos magnéticos dominaron el almacenamiento secundario durante décadas, y la propuesta RAID de 1988 de Patterson, Gibson y Katz estableció la redundancia como una técnica de fiabilidad estándar. Las unidades de estado sólido basadas en flash posteriormente remodelaron la jerarquía de almacenamiento, y la virtualización de E/S se volvió central con el auge de la computación en la nube.
Debates
- Almacenamiento desagregado versus local
- Existe una discusión continua sobre si el almacenamiento debe conectarse localmente a la computación o desagregarse a través de redes rápidas; la desagregación mejora la utilización y la flexibilidad en los centros de datos, pero añade latencia y depende de interconexiones de alto rendimiento.
Key figures
- David A. Patterson
- Garth Gibson
- Randy H. Katz
- John L. Hennessy
Related topics
Seminal works
- hennessy2019
- patterson1988raid
- silberschatz2018
Frequently asked questions
- ¿Qué es el acceso directo a memoria y por qué es útil?
- El acceso directo a memoria (DMA) permite que un dispositivo transfiera bloques de datos hacia o desde la memoria principal sin que el procesador copie cada palabra. Esto libera al procesador para realizar otras tareas durante la transferencia, superponiendo la E/S con la computación y mejorando en gran medida el rendimiento para el movimiento de datos a granel.
- ¿RAID garantiza que mis datos estén seguros?
- No. RAID mejora la disponibilidad y tolera ciertos fallos de dispositivos al almacenar información redundante, pero no es una copia de seguridad: no protege contra la eliminación accidental, la corrupción, los fallos de múltiples dispositivos más allá de su tolerancia o los desastres a nivel de sitio, por lo que las copias de seguridad separadas siguen siendo necesarias.