Overview

复习

• 操作系统
  • 状态机的管理者
  • 对象 + API

本次课回答的问题

• Q1: 状态机的状态是如何存储的？
• Q2: 更多的持久状态是如何存储的？

本次课主要内容

• 1-bit 的存储方式
• Volatile/non-volatile storage

计算机需要存储 “当前状态”

机器指令模型 (Instruction Set Architecture) 只有 “两种” 状态

• 寄存器: rax, rbx, ..., cr3, ...
• 物理内存

存储 “当前状态” 的需求

• 可以寻址
  • 根据编号读写数据
• 访问速度尽可能快
  • 甚至不惜规定状态在掉电后丢失
    • 机械玩具就没有这个烦恼
  • 也因此有了 memory hierarchy

“当前状态” 的存储

Delay line: 绳子

• 因为信号衰减，需要持续放大

Magnetic core: 磁铁

• segfault.c: “Segmentation fault (core dumped)”
  • ulimit -c 可以修改 core file size (默认为 0)
  • /proc/sys/kernel/core_pattern 指定了 core dump 文件格式
• Non-volatile memory!

SRAM/DRAM: Flip-Flop 和电容

• 今天的实现方案

开始持久化之旅

Persistence: “A firm or obstinate continuance in a course of action in spite of difficulty or opposition.”

除了 “当前状态”，我们希望更大、更多的数据能 “留下来” (并且被操作系统有效地管理起来)

持久化的第一课：持久存储介质

• 构成一切文件的基础
  • 逻辑上是一个 bit/byte array
  • 根据局部性原理，允许我们按 “大块” 读写
• 评价方法：价格、容量、速度、可靠性
  • 再次见证人类文明的高光时刻！

“持久化” 可能没有想象的那么困难

更进一步：用铁磁体的 “磁化方向” 表示 1-Bit 信息

• 读取：放大感应电流
• 写入：电磁铁磁化磁针

磁带 (Magnetic Tape, 1928)

1D 存储设备

• 把 Bits “卷起来”
  • 纸带上均匀粘上铁磁性颗粒
• 只需要一个机械部件 (转动) 定位

磁带：作为存储设备的分析

分析

• 价格
  • 非常低 - 都是廉价的材料
• 容量
  • 非常高
• 读写速度
  • 顺序读取：勉强 - 需要等待定位
  • 随机读取：几乎完全不行
• 可靠性
  • 存在机械部件、需要保存的环境苛刻

今天的应用场景

• 冷数据的存档和备份

磁鼓 (Magnetic Drum, 1932)

1D → 1.5D (1D x n)

• 用旋转的二维平面存储数据
  • 无法内卷，容量变小
• 读写延迟不会超过旋转周期
  • 随机读写速度大幅提升

磁盘 (Hard Disk, 1956)

1D → 2.5D (2D x n)

• 在二维平面上放置许多磁带

磁盘 (cont'd)

克服许多工程挑战

磁盘：作为存储设备的分析

分析

• 价格
  • 低 - 密度越高，成本越低
• 容量
  • 高 (2.5D) - 平面上可以有数万个磁道
• 读写速度
  • 顺序读取：较高
  • 随机读取：勉强
• 可靠性
  • 存在机械部件，磁头划伤盘片导致数据损坏

今天的应用场景

• 计算机系统的主力数据存储 (海量数据：便宜才是王道)

磁盘：性能调优

为了读/写一个扇区

1. 读写头需要到对应的磁道
   • 7200rpm → 120rps → “寻道” 时间 8.3ms
2. 转轴将盘片旋转到读写头的位置
   • 读写头移动时间通常也需要几个 ms

通过缓存/调度等缓解

• 例如著名的 “电梯” 调度算法
• 现代 HDD 都有很好的 firmware 管理磁盘 I/O 调度
  • /sys/block/[dev]/queue
  • [mq-deadline] none (读优先；但写也不至于饿死)

软盘 (Floppy Disk, 1971)

把读写头和盘片分开——实现数据移动

• 计算机上的软盘驱动器 (drive) + 可移动的盘片
  • 8" (1971), 5.25" (1975), 3.5" (1981)
    • 最初的软盘成本很低，就是个纸壳子
    • 3.5 英寸软盘为了提高可靠性，已经是 “硬” 的了

软盘：作为存储设备的分析

分析

• 价格
  • 低 - 塑料、盘片和一些小材料
• 容量
  • 低 (暴露的存储介质，密度受限)
• 读写速度
  • 顺序/随机读取：低
• 可靠性
  • 低 (暴露的存储介质)

今天的应用场景

• 躺在博物馆供人参观
• 彻底被 USB Flash Disk 杀死

坑：天然容易 “阅读” 的数据存储

Compact Disk (CD, 1980)

在反射平面 (1) 上挖上粗糙的坑 (0)

• 激光扫过表面，就能读出坑的信息来
  • 飞利浦 (碟片) 和索尼 (数字音频) 发明
  • ~700 MiB，在当时是非常巨大的容量

CD-RW

能否克服只读的限制？

• 方法 1
  • 用激光器烧出一个坑来 (“刻盘”)
  • 使用持久化数据结构 (append-only)

• 方法 2：改变材料的反光特性
  • PCM (Phase-change Material)
  • How do rewriteable CDs work?

挖坑的技术进展

CD (740 MB)

• 780nm 红外激光

DVD (4.7 GB)

• 635nm 红色激光

Blue Ray (100 GB)

• 405nm 蓝紫色激光

光盘：作为存储设备的分析

分析

• 价格
  • 很低 (而且很容易通过 “压盘” 复制)
• 容量
  • 高
• 读写速度
  • 顺序读取速度高；随机读取勉强
  • 写入速度低 (挖坑容易填坑难)
• 可靠性
  • 高

今天的应用场景

• 数字媒体的分发 (即将被互联网 “按需分发” 淘汰)

“挖坑”：不止是数据存储

Solid State Drive (1991)

之前的持久存储介质都有致命的缺陷

• 磁：机械部件导致 ms 级延迟
• 坑 (光): 一旦挖坑，填坑很困难 (CD 是只读的)

最后还得靠电 (电路) 解决问题

• Flash Memory “闪存”
  • Floating gate 的充电/放电实现 1-bit 信息的存储

Flash Memory: 几乎全是优点

分析

• 价格
  • 低 (大规模集成电路，便宜)
• 容量
  • 高 (3D 空间里每个 $(x, y, z)$ 都是一个 bit)
• 读写速度
  • 高 (直接通过电路读写)
    • 不讲道理的特性：容量越大，速度越快 (电路级并行)
    • 快到淘汰了旧的 SATA 接口标准 (NVMe)
• 可靠性
  • 高 (没有机械部件，随便摔)

但有一个意想不到的缺点 (大家知道是什么吗？)

USB Flash Disk (1999)

优盘容量大、速度快、相当便宜

• 很快就取代了软盘，成为了人手 $n$ 个的存储介质
  • Compact Flash (CF, 1994)
  • USB Flash Disk (1999, “朗科”)

NAND Wear-Out 的解决：软件定义磁盘

每一个 SSD 里都藏了一个完整的计算机系统

• FTL: Flash Translation Layer
  • “Wear Leveling”: 软件管理那些可能出问题的 blocks
  • 像是 managed runtime (with garbage collection)
    • 请阅读教科书

优盘和 SSD 的区别

优盘, SD 卡, SSD 都是 NAND Flash

• 但软件/硬件系统的复杂程度不同，效率/寿命也不同
  • 典型的 SSD
    • CPU, on-chip RAM, 缓存, store buffer, 操作系统 ...
    • 寿命: ~1 PiB 数据写入 (~1,000 年寿命)
  • SD 卡
    • SDHC 标准未规定
      • 黑心商家一定会偷工减料 (毕竟接口完全一样)
    • 但良心厂家依然有 ARM 芯片

一定不要用便宜的优盘保存重要数据

• × 宝 9.9 包邮的优盘，芯片一毛钱都能省……

FTL: 性能、可靠性、安全性的难题

大家可记得修电脑引发的血案？

• 首先，(快速) 格式化是没用的
  • (M5 会告诉你这一点)
• 在你理解了 FTL 之后
  • 即便格式化后写入数据 (不写满)
    • 同一个 logic block 被覆盖，physical block 依然存储了数据 (copy-on-write)
    • 需要文件系统加密

另一个 memory system 相关的安全问题

• Row Hammer (TCAD'19)
  • 更重的负载可能会 “干扰” 临近的 DRAM Cells

SSD 的可靠性：另一个故事

什么？硬件里的软件？

• 其实非常复杂：算法, cache; store buffer; ...

谁写出来的？那可得有 bug 啊！

• 让我们好好构造疯狂的 workloads，把它弄挂吧！
  • Understanding the robustness of SSDs under power fault (FAST'13)

有趣的故事：结果

这篇 paper 促进了硬件厂商对 FTL 的大幅改进

• 在 2015 年之后出产的产品，已经几乎无法找到这样的问题了 (cool!)

总结

本次课回答的问题

• Q: 状态机的状态和持久的状态是如何存储的？

Take-away messages

• 1-Bit 信息的存储
  • 磁 (磁带、磁盘)、坑 (光盘)、电 (Flash SSD)
  • 构成性格各异的存储设备
• 重新思考 “状态的存储”
  • NVM 来了：主存的机器状态不会断电丢失
    • 但寄存器/缓存依然是 volatile 的
  • 计算机系统是否会经历彻底的 “重新设计”？
    • Operating system implications of fast, cheap, non-volatile memory (HotOS'13)