计算机体系结构（国防科大）-第六章-输入输出系统

1 存储设备

分类：

• 磁盘：磁盘访问时间 = 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间 + 控制器时间。
• Flash存储器
• 固态盘（SSDs）：有限擦写次数。
• 磁带：对磁带而言，最大的优点是容量极大、技术成熟、单位价格低廉 。最大的缺点是访问时间较长。这种差异恰好使得磁带成为磁盘的备份技术。
  • 螺旋扫描磁带：使磁带保持同样的线速度（解决了线速度不稳定问题），这种技术以20到50的倍数增加记录密度，螺旋扫描磁带目前已被普遍使用在视频录像设备中，大大降低了磁带和读部件的开销。
  • 自带磁带库：通过机械手自动地安装和更换磁带，相当于又提供了一个新的存储器层次，这种自动化的磁带库可在无人工干预的情况下，十几秒内访问几TB的信息。
• 光盘：
  • CD-ROM：只读类光盘，全称：光学紧密盘
  • CD-R(CD-Recordable)，可记录光盘，也称WORM盘
  • WMRM(Write Many Read Many)盘，采用磁光（MO）存储技术。
  • 光盘机组合：
    • 光盘库（自动换盘机，即Jukebox）：自动把机框中存放的许多片光盘选出并装入光盘机进行读写的设备。
    • 光盘塔（DC-ROM Tower）：CD-ROM+控制器+网络连接设备，构成网络存储设备。
    • 光盘阵列（CD-ROM Array）

2 I/O系统分析与评价、RAID

2.1 I/O系统性能的标准：

• I/O系统的容量
• 响应时间
• 吞吐率

2.2 I/O系统的响应时间和吞吐率的计算：

• 排队论
  • M/M/1排队系统
  • M/M/m排队系统
• 黑箱（Black Box）

M/M/1排队系统概念：

• 到达时间是泊松过程（Poisson process）；
• 服务时间是指数分布（exponentially distributed）；
• 只有一部服务器（server）
• 队列长度无限制
• 可加入队列的人数为无限

这种模型是一种出生-死亡过程，此随机过程中的每一个状态代表模型中人数的数目。因为模型的队列长度无限且参与人数亦无限，故此状态数目亦为无限。例如状态0表示模型闲置、状态1表示模型有一人在接受服务、状态2表示模型有二人（一人正接受服务、一人在等候），如此类推。
此模型中，出生率（即加入队列的速率）λ在各状态中均相同，死亡率（即完成服务离开队列的速率）μ亦在各状态中相同（除了状态0，因其不可能有人离开队列）。故此，在任何状态下，只有两种事情可能发生：

• 有人加入队列。如果模型在状态k，它会以速率λ进入状态k + 1。
• 有人离开队列。如果模型在状态k（k不等于0），它会以速率μ进入状态k − 1。

由此可见，模型的隐定条件为λ < μ。如果死亡率小于出生率，则队列中的平均人数为无限大，故此这种系统没有平衡点。
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M/M/m排队系统概念

2.3 Little 定律：

内容：系统中的平均任务数 = 到达率 × 平均响应时间
作用：为精益生产指明了方向，如何有效地缩短生命周期？一个方向是提高产能，从而降低生产节拍；另一个方向就是压缩存货数量。然而，提高意味着很大的投入，另外，生产能力的提升虽然可以缩短生命周期，但是，生产力提升总有个限度，我们无法容忍生产能力远远超过市场的需求。一般来说，每个公司在一定时期内的生产能力是大致不变的，而从长远来看，各公司也会力图使自己公司的产能与市场相吻合。因此，有效地缩短生命周期的方法就是压缩在制品数量。

2.4 I/O基准测试程序：TPC-C测试程序

2.5 I/O系统的可靠性、可用性和可信性

故障分类：

• 暂时性
• 间歇性
• 永久性

提高可靠性：

• 故障避免
• 故障容忍：冗余
• 错误消除：验证
• 错误预报

RAID（Redundant Arrays of Independent Disks，RAID，磁盘冗余整列）:

• 特点：容量大、速度快、可靠性高、造价低廉
• RAID 0：也称数据分块，即把数据分布到多个盘上，实际上是非冗余阵列，无冗余信息。严格地说，它不属于RAID系列。
• RAID 1：镜像盘，使用双备份盘
• RAID 2：位交叉式海明编码阵列
• RAID 3：位交叉奇偶校验盘阵列，是单盘容错并行传输的阵列。即数据以位或字节交叉的方式存于各盘，冗余的奇偶校验信息存储在一台专用盘上。
• RAID 4：块交叉奇偶校验盘阵列，即数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘，冗余的奇偶校验信息存在一台专用盘上。
• RAID 5：块交叉分布式奇偶校验盘阵列，即数据以块交叉的方式存于各盘，但无专用的校验盘，而是把冗余的奇偶校验信息均匀地分布在所有磁盘上。
• RAID 6：双维奇偶校验独立存取盘阵列。即数据以块(块大小可变)交叉的方式存于各盘，冗余的检、纠错信息均匀地分布在所有磁盘上。并且，每次写入数据都要访问一个数据盘和两个校验盘，可容忍双盘出错。

3 总线和通道

总线分类：

• 同步总线：总线上的所有设备通过统一的总线系统时钟进行同步。
• 异步总线：无统一的系统时钟。设备之间的信息传送用总线发送器和接收器控制。在传输时，需要额外开销。

4 I/O与操作系统

4.1 I/O设备编制方式

• 存储器映射I/O
• 独立编制

4.2 I/O设备控制方式

• 程序查询
• 中断
• DMA
  • CPU向DMA控制器发送开始地址、方向；然后，发射“开始”命令。
  • DMA控制器向外设提供握手信号；向存储器提供地址和握手信号。
• I/O处理机等

4.3 通道

功能：

• 接受CPU发来的I/O指令，根据指令要求选择一台指定的外围设备与通道相连接。
• 执行CPU为通道组织的通道程序，从主存中取出通道指令，对通道指令进行译码，并根据需要向被选中的设备控制器发出各种操作命令。
• 给出外围设备的有关地址，即进行读／写操作的数据所在的位置。如，磁盘存储器的柱面号、磁头号、扇区号等。
• 给出主存缓冲区的首地址，这个缓冲区用来暂时存放从外围设备上输入的数据，或者暂时存放将要输出到外围设备中去的数据。
• 控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数，对交换的数据个数进行计数，并判断数据传送工作是否结束。
• 指定传送工作结束时要进行的操作。例如，将外围设备的中断请求及通道的中断请求送往CPU等。
• 检查外围设备的工作状态，是正常或故障。根据需要将设备的状态信息送往主存指定单元保存。
• 在数据传输过程中完成必要的格式变换，例如，把字拆卸为字节，或者把字节装配成字等。

通道种类：

• 字节多路通道：简单的共享通道，为多台低速或中速的外围设备服务。采用分时方式工作。
• 选择通道：为高速外围设备（如磁盘存储器等）服务。在传送数据期间，只能为一台高速外围设备服务，在不同的时间内可以选择不同的设备。
• 数组多路通道：为高速设备服务。各台高速设备重迭操作。

4.4 I/O与Cache的一致性问题

数据不一致问题有两个方面：

• 存储器中可能不是CPU产生的最新数据，所以I/O系统从存储器中取出来使用的是陈旧数据；
• I/O与存储器交换数据之后，在Cache中被CPU使用的可能就是陈旧数据。

对一致性问题的思考：

• 写直达Cache可以保证存储器和Cache有相同的数据；
• 写回Cache则需操作系统帮助进行数据检查。
• 根据I/O使用的存储器地址来清除Cache相应的块，确保I/O使用的数据不在Cache中。
• 地址检查过程也可以使用硬件完成。

4.5 DMA与虚存器

使用物理地址进行DMA，存在以下两个问题：

• 对于超过一页的数据，由于缓冲区使用的页面在物理存储器中不一定是连续的，传输会发生问题。
• DMA正在存储器和帧缓冲器之间传输数据时，操作系统从存储器中移出一些页面(或重新分配)，DMA将会在存储器中错误的页面上传输数据。