Sistem Penyimpanan dan I/O
Sistem penyimpanan dan I/O menghubungkan prosesor dan memori ke dunia luar dan ke data persisten, meliputi bus dan interkoneksi, penyimpanan disk dan flash, redundansi untuk keandalan, serta mekanisme yang memindahkan data secara efisien antara perangkat dan memori.
Definition
Sistem penyimpanan dan I/O adalah mekanisme perangkat keras dan arsitektur di mana komputer mentransfer data ke dan dari perangkat periferal dan menyimpannya secara persisten, termasuk interkoneksi, pengontrol, media penyimpanan, serta teknik keandalan dan virtualisasi yang terlibat.
Scope
Area ini mencakup bagaimana komputer berkomunikasi dengan periferal dan menyimpan data secara permanen: arsitektur dan bus I/O, transfer berbasis interupsi dan DMA, perangkat penyimpanan sekunder (disk magnetik dan solid-state drive), keandalan penyimpanan melalui redundansi seperti RAID, dan virtualisasi I/O. Ini membahas mekanisme perangkat keras dan arsitektur input/output dan persistensi. Ini tidak termasuk abstraksi perangkat lunak sistem berkas (sistem operasi) dan cache on-chip serta memori utama (hierarki memori dan cache), meskipun bekerja erat dengan keduanya.
Sub-topics
Core questions
- Bagaimana perangkat terhubung ke prosesor dan memori melalui bus dan interkoneksi?
- Bagaimana data ditransfer secara efisien menggunakan interupsi dan akses memori langsung daripada polling sibuk?
- Apa karakteristik kinerja dan keandalan penyimpanan magnetik dan solid-state?
- Bagaimana redundansi seperti RAID menukar kapasitas dengan keandalan dan kinerja?
- Bagaimana I/O divirtualisasikan dan dibagikan dengan aman di antara mesin virtual dan proses?
Key concepts
- Bus dan interkoneksi I/O
- I/O berbasis interupsi
- akses memori langsung (DMA)
- disk magnetik dan SSD
- pengontrol perangkat
- RAID dan redundansi
- keandalan penyimpanan dan MTTF
- virtualisasi I/O
- throughput dan latensi
- I/O yang dipetakan memori
Key theories
- Susunan redundan dari disk murah (RAID)
- Menggabungkan banyak disk komoditas dengan striping data dan paritas atau mirroring menghasilkan penyimpanan yang lebih besar, lebih cepat, dan lebih andal daripada satu disk; tingkat RAID memformalkan pertukaran antara kapasitas, kinerja, dan toleransi kesalahan.
- Transfer I/O yang terpisah
- Akses memori langsung dan I/O berbasis interupsi memungkinkan perangkat mentransfer data ke dan dari memori tanpa keterlibatan prosesor yang berkelanjutan, menumpuk I/O dengan komputasi dan meningkatkan throughput sistem secara keseluruhan.
Mechanisms
Periferal terhubung ke sistem melalui bus dan pengontrol serta memberi sinyal kepada prosesor dengan interupsi. Data dalam jumlah besar dipindahkan oleh akses memori langsung (direct memory access), yang mentransfer blok antara perangkat dan memori tanpa keterlibatan prosesor per kata. Penyimpanan sekunder menyimpan data secara persisten pada disk magnetik atau flash, dan susunan perangkat menggunakan striping, mirroring, dan paritas (RAID) untuk meningkatkan kinerja dan menoleransi kegagalan. Lapisan virtualisasi memultipleks perangkat-perangkat ini di antara tamu.
Clinical relevance
Penyimpanan dan I/O sering kali menentukan kinerja dan ketahanan sistem ujung-ke-ujung: basis data, server berkas, dan aplikasi intensif data sering kali dibatasi oleh throughput dan latensi penyimpanan daripada komputasi. RAID dan skema redundansi terkait melindungi dari kegagalan perangkat di pusat data, dan virtualisasi I/O yang efisien sangat penting untuk komputasi awan di mana banyak penyewa berbagi perangkat keras fisik.
History
Mesin-mesin awal menggunakan I/O terprogram dan saluran khusus; I/O berbasis interupsi dan akses memori langsung muncul untuk menumpuk I/O dengan komputasi. Disk magnetik mendominasi penyimpanan sekunder selama beberapa dekade, dan proposal RAID tahun 1988 oleh Patterson, Gibson, dan Katz menetapkan redundansi sebagai teknik keandalan standar. Solid-state drive berbasis flash kemudian membentuk kembali hierarki penyimpanan, dan virtualisasi I/O menjadi pusat perhatian dengan munculnya komputasi awan.
Debates
- Penyimpanan terdisagregasi versus lokal
- Ada diskusi yang sedang berlangsung mengenai apakah penyimpanan harus terpasang secara lokal ke komputasi atau terdisagregasi melalui jaringan cepat; disagregasi meningkatkan pemanfaatan dan fleksibilitas di pusat data tetapi menambah latensi dan bergantung pada interkoneksi berkinerja tinggi.
Key figures
- David A. Patterson
- Garth Gibson
- Randy H. Katz
- John L. Hennessy
Related topics
Seminal works
- hennessy2019
- patterson1988raid
- silberschatz2018
Frequently asked questions
- Apa itu akses memori langsung dan mengapa itu berguna?
- Akses memori langsung (DMA) memungkinkan perangkat mentransfer blok data ke atau dari memori utama tanpa prosesor menyalin setiap kata. Ini membebaskan prosesor untuk melakukan pekerjaan lain selama transfer, menumpuk I/O dengan komputasi dan sangat meningkatkan throughput untuk pergerakan data dalam jumlah besar.
- Apakah RAID menjamin data saya aman?
- Tidak. RAID meningkatkan ketersediaan dan menoleransi kegagalan perangkat tertentu dengan menyimpan informasi redundan, tetapi itu bukan cadangan: itu tidak melindungi dari penghapusan yang tidak disengaja, korupsi, kegagalan multi-perangkat di luar toleransinya, atau bencana tingkat situs, sehingga cadangan terpisah tetap diperlukan.