第6章計算機輸入/輸出系統(tǒng)1.引言2.輸入/輸出設(shè)備類型3.I/O子系統(tǒng)的控制方式4.總線

5.I/O子系統(tǒng)性能測量

6.總結(jié)

本章要點：介紹輸入/輸出設(shè)備類型、輸入/輸出子系統(tǒng)的控制方法、總線、輸入/輸出子系統(tǒng)性能測量冗余磁盤陣列(RAID)技術(shù)。1.

引言計算機輸入/輸出系統(tǒng)（通稱I/O系統(tǒng)），擔負著計算機與外界交換信息的任務(wù)。早在馮·諾依曼時代就被作為計算機體系結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分。然而許多年以來，I/O系統(tǒng)沒有得到足夠的重視，它只是被作為“外圍”設(shè)備看待。計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計者們重視的是用戶程序運行的CPU時間，而I/O系統(tǒng)在程序執(zhí)行所化的時間無論是多是少，都作為一種額外的開銷而被忽略了。實際上，I/O系統(tǒng)的速度也是重要的。對用戶而言，他們感受的不是單純的CPU時間，而是程序的執(zhí)行時間（executiontime)。I/O系統(tǒng)的速度對整個程序的執(zhí)行時間有重要影響。假設(shè)某計算機CPU處理的時間占總處理時間的90%，而I/O處理時間僅占總處理時間的10%，根據(jù)Amdahl定理，即使CPU的處理速度提高10倍，而I/O系統(tǒng)的速度沒有提高，則程序總的處理速度（執(zhí)行時間的倒數(shù)）只能提高：

1/(0.1+0.9/10)=1/(0.1+0.09)=1/0.19≈5倍也就是說，此時有一半的CPU速度提高被浪費了。即使CPU處理速度提高了100倍，在同樣的情況下，總的性能也僅能提高：

1/（0.1+0.1/100）=1/（0.1+0.009）≈10倍可見，I/O系統(tǒng)的速度的重要性。

1.

引言在單進程操作系統(tǒng)中是這樣，同樣在多進程的操作系統(tǒng)中，I/O也同樣重要。在多進程的操作系統(tǒng)中，雖然可以通過合適的進程調(diào)度可使CPU不是空下來等待I/O系統(tǒng)工作的結(jié)束，而是繼續(xù)執(zhí)行其它進程，這樣I/O速度的快慢就無關(guān)輕重了。然而事實并非如此。

首先，這種方法雖能維持整個操作系統(tǒng)中吞吐量不變，提高CPU的利用率，但對于用戶來說，仍然存在沒有解決執(zhí)行時間延長的問題，他仍然必須等待I/O操作結(jié)束；由于進程切換帶來的開銷，他的進程運行時間甚至會更長。

其次，在大多數(shù)桌面操作系統(tǒng)的PC機和工作站上，并沒有很多的進程可以進行這種共享，從而使CPU的空閑成為不可避免。

另外，多進程操作系統(tǒng)中，一般都使用盤交換區(qū)和虛擬內(nèi)存技術(shù)已容納好幾個進程，而這兩項技術(shù)的性能都依賴于I/O系統(tǒng)，依賴于外部存儲系統(tǒng)的速度。由此可知，I/O系統(tǒng)在計算機體系結(jié)構(gòu)中的重要性。1.

引言2.

輸入輸出設(shè)備類型

數(shù)據(jù)表示設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備

存儲設(shè)備

廉價磁盤冗余陣列輸入/輸出（簡稱I/O）設(shè)備可分為三大類：數(shù)據(jù)表示設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、存儲設(shè)備。這類I/O設(shè)備的主要功能是在計算機處理器和用戶之間傳遞信息。主要包括顯示器、鍵盤等人-機交互設(shè)備，也包括一些用于控制其它電子設(shè)備的信號輸出輸入設(shè)備。這些設(shè)備通常為計算機提供其運行時所需的大部分輸入信息，同時輸出計算機運行的最后結(jié)果，并反饋給用戶。2.1數(shù)據(jù)表示設(shè)備表6-1常見數(shù)據(jù)表I/O設(shè)備及其數(shù)據(jù)庫隨著計算機多媒體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的數(shù)據(jù)表示方法，這些新的表示技術(shù)包括高速圖形顯示、視頻顯示，聲音輸入/輸出。為了減輕對設(shè)備的壓力，通常采用數(shù)據(jù)壓縮的方法，使數(shù)據(jù)量下降，但也產(chǎn)生了解壓縮的問題。這些新的數(shù)據(jù)表示方法不僅對I/O系統(tǒng)提出了很高的要求，對處理器的速度也提出了新的要求。同時，這些新的技術(shù)也擴展了計算機輸入/輸出設(shè)備的范疇，促進了I/O系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。表6-2多媒體數(shù)據(jù)表示設(shè)備的參數(shù)一覽表2.1數(shù)據(jù)表示設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備的功能是在處理器間傳遞數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備的種類繁多。⑴按連接處理器的距離分，有：

MPP網(wǎng)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)等；⑵按采用的通訊介質(zhì)分，有：銅線電信號設(shè)備和光纖設(shè)備；⑶按所采用的控制技術(shù)分，有：以太網(wǎng)、ATM網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)等。隨著計算機向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)并行計算技術(shù)的產(chǎn)生，這類設(shè)備的地位正在變得日益重要。

2.2網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備

存儲設(shè)備是指外存儲器。它的功能是作為計算機存儲器層次結(jié)構(gòu)的一部分，存儲計算機處理時所需信息。這類設(shè)備由于經(jīng)常與處理器協(xié)同工作而顯得地位格外重要，作為海量的非易失外存設(shè)備，這類I/O設(shè)備一方面擔負存儲計算機后備數(shù)據(jù)的任務(wù)，一方面還往往作為虛存或操作系統(tǒng)交換區(qū)的一部分，直接參與計算機的處理。計算機外存儲器一般有磁盤、光盤、磁帶。2.3存儲設(shè)備磁盤分為軟盤和硬盤。磁道(track)：磁盤的表面沿直線方向劃分為不同的同心圓。柱面(cylinder)：在硬盤機中，磁盤片連在一起，把各面的同一磁道連起來。每條磁道按切線方向劃分為幾十個扇區(qū)，扇區(qū)是磁盤存儲信息的最小單位，一般有扇區(qū)號、分隔用的空白區(qū)、扇區(qū)數(shù)據(jù)信息組成。通常，所有的磁道扇區(qū)數(shù)是一樣的，外圈的磁道扇區(qū)密度小，數(shù)據(jù)存放可靠，而內(nèi)圈磁道短，故數(shù)據(jù)容易出差錯。所以，可采用“常位密度”的存儲方式：在外圈長磁道上放更多的扇區(qū)，這樣就使整個磁盤上扇區(qū)的密度也就是數(shù)據(jù)的密度一致，增加了可靠性。在對磁道進行數(shù)據(jù)讀寫是，首先磁頭臂要移到指定的位置，這個操作稱為尋道，該操作所需時間稱為尋道時間，尋道時間與磁頭時間有關(guān)。在磁頭移動到指定磁道后，讀寫數(shù)據(jù)還需等待磁盤旋轉(zhuǎn)到指定的扇區(qū)，這個操作所需時間稱為旋轉(zhuǎn)時間，大多數(shù)的磁盤旋轉(zhuǎn)時間為3600r/s,平均旋轉(zhuǎn)延遲是指磁盤旋轉(zhuǎn)半圈的時間,為0.5*60/(3600)=8.3(ms)。2.3存儲設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸所需時間稱為傳輸時間。磁盤從收到讀盤命令到啟動磁盤臂移動之間的時間稱為控制時間，它包括了等待上一次讀寫磁盤結(jié)束的時間，稱做排隊時間(queuingdelay)。將控制時間、尋道時間、轉(zhuǎn)旋延遲和傳輸時間加起來，才是一次讀寫磁盤所需的總時間——存取時間(accesstime)。在磁盤和計算機之間，有一個叫磁盤控制器(diskcontroller)的部件負責控制磁盤的數(shù)據(jù)傳輸。磁盤發(fā)展追求提高存儲密度，降低成本和提高速度。存儲密度的度量指標是盤片的面密度(areadensity)，單位為每平方英寸的位數(shù)，于是有面密度=每英寸磁道數(shù)*每英寸道數(shù)，其中，每英寸半徑上磁道數(shù)又稱道密度，單位為TPI(trackperinch)；每英寸磁道上存儲的位數(shù)又稱位密度，單位為BPI(bitperinch)。磁盤的存取時間比DRAM慢100000倍，從而在現(xiàn)今計算機的主存和次級存儲器間造成了巨大的存取時間缺口。2.3存儲設(shè)備光盤光盤存儲容量大，成本低，存放期限長，存儲密度高。光盤分為只讀型(CD-ROM)、WORM(一次寫多次讀)型和可擦寫型。只讀型用于軟件開發(fā)，可擦寫型只能用于數(shù)據(jù)備份，不能作為次級存儲器。磁帶磁帶與磁盤很相似，不同之處是磁盤在一個有限大小的面積上進行讀寫，存取速度快；而磁帶存儲面積是個“無限”的帶，只能串行存取，速度慢，容量大，常作為磁盤的后備介質(zhì)使用。磁帶容易纏斷和斷裂，可采用螺旋掃描帶(helicalscantapes)技術(shù)解決：讓磁帶以一固定速度旋轉(zhuǎn)，而沿著磁道的對斜線，用一個轉(zhuǎn)的比磁帶快的多的讀寫頭記錄數(shù)據(jù)。2.3存儲設(shè)備廉價磁盤冗余陣列（RedundantArray

ofInexpensiveDisk）的基本思想是使用多個磁盤存儲數(shù)據(jù)，并行的讀寫，提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬。為了提高數(shù)據(jù)的可靠性，數(shù)據(jù)是冗余存儲的。具有容量大，數(shù)據(jù)傳輸快，功耗低，體積小，成本低。RAID中的數(shù)據(jù)并行存儲造作對CPU是透明的。多個磁盤驅(qū)動器在邏輯上構(gòu)成一個磁盤，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布在各磁盤上的操作有磁盤控制器完成。見圖6-2。

在圖6-2中，控制處理器是RAID的控制中心，接收和分析主機操作命令，調(diào)度和管理磁盤陣列數(shù)據(jù)通道，組織和執(zhí)行設(shè)備命令等。控制處理器運行一個控制軟件，執(zhí)行初始化、接口規(guī)范處理、命令序列優(yōu)化處理、地址轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通道管理等功能。數(shù)據(jù)通道在控制處理器控制下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分配與集中、緩沖、奇偶校驗等。控制接口是陣列與主機接口，實現(xiàn)主機和磁盤陣列的通信、數(shù)據(jù)傳送和控制信號的傳遞；設(shè)備接口是直接連磁盤驅(qū)動器的接口。

2.4廉價磁盤冗余陣列（RAID)圖6-2RAID結(jié)構(gòu)圖2.4廉價磁盤冗余陣列（RAID)控制接口控制處理器設(shè)備接口設(shè)備接口數(shù)據(jù)通路設(shè)備接口主機總線表6-3RAID的分級實現(xiàn)的可靠性RAID有幾種實現(xiàn)功能，分成六個級別，分別稱RAID1-RAID6，表6-3列出了非冗余磁盤陣列(RAID0)和各RAID級別的實現(xiàn)特性。2.4廉價磁盤冗余陣列（RAID)

程序控制

I/O處理器3.

I/O子系統(tǒng)的控制方式CPUMI/O圖6-4(a)I/O系統(tǒng)的三種管理方式數(shù)據(jù)3.1程序控制

程序控制

在早期，計算機I/O子系統(tǒng)的控制直接由CPU來完成，如圖6-4(a)，由CPU執(zhí)行啟動，測試I/O設(shè)備，進行數(shù)據(jù)傳輸。這種方式不需專門的硬件，簡單的計算機系統(tǒng)都用這種方式。但I/O設(shè)備的工作速度比CPU慢的多，CPU多數(shù)時間是在等待，效率較低。3.1程序控制中斷驅(qū)動的I/O控制在程序控制方式（又稱輪詢方式）中，計算機CPU周期性的進入I/O控制操作處理外設(shè)的I/O事務(wù)，而不管該外設(shè)此時是否需要進行I/O處理。而CPU一旦進入I/O控制操作就不能作其它工作，從而大大降低了CPU效率。為此，采用中斷驅(qū)動的I/O控制，如圖6-4(b)，只有在I/O設(shè)備需要CPU的控制操作時，才向CPU發(fā)出中斷請求，使其轉(zhuǎn)向為I/O系統(tǒng)服務(wù)，而平時CPU可以處理其它工作。中斷處理時CPU與I/O間傳遞數(shù)據(jù)速度還不夠快。CPUMI/O圖6-4(b)I/O系統(tǒng)的三種管理方式數(shù)據(jù)中斷信號中斷方式不僅提高了CPU的效率，而且使CPU可同時控制多個I/O設(shè)備，但中斷方式仍然需要CPU的干預(yù)，并且中斷方式是作為程序控制方式的“改進”出現(xiàn)的，但如果I/O設(shè)備的速度足夠快，采用中斷方式時I/O設(shè)備就會不停地向CPU發(fā)出中斷，此時，中斷引起的保存現(xiàn)場等開銷就會很嚴重，反而不如有程序控制CPU輪詢操作好，因此，采用中斷還是程序輪詢方式控制CPU與I/O設(shè)備的速度有關(guān)。3.1程序控制CPUMDMA控制器I/O直接存儲器訪問”（directmemoryaccess，DMA）

中斷方式和程序方式必須借助CPU完成I/O設(shè)備的控制方式。為了減輕CPU的負擔，采用一個名為“直接存儲器訪問”的部件協(xié)助CPU進行數(shù)據(jù)傳輸方面的操作，如圖6-4(c)。在CPU完成必要的I/O控制之后，不是由CPU來傳遞I/O數(shù)據(jù)，而由DMA根據(jù)CPU傳遞的參數(shù)（起始地址、長度等），直接在I/O設(shè)備與存儲器之間快速傳遞大量數(shù)據(jù)，傳完之后再通過中段通知CPU。圖6-4(c)I/O系統(tǒng)的三種管理方式3.1程序控制DMA管理的I/O系統(tǒng)的主要問題是在傳送時仍占用總線，會與CPU產(chǎn)生爭用，此外仍需CPU完成一些控制工作。為此，使用一個叫I/O處理器（I/Oprocessor）或稱I/O通道（I/Ochannel）的設(shè)備來代替CPU來控制I/O設(shè)備。這樣的I/O子系統(tǒng)有更強的功能，它執(zhí)行自己的程序，除了完成數(shù)據(jù)傳送外還可以進行數(shù)據(jù)的變換、裝配校驗等工作，使CPU進一步擺脫輸入輸出操作的負擔。I/O通道管理I/O總線，這是將I/O設(shè)備與I/O處理器連起來的總線，而計算機內(nèi)部總線則是另一條在一個總線控制器控制下的高速同步總線。當I/O處理器要傳數(shù)據(jù)到內(nèi)存時，它的總線控制器發(fā)送使用內(nèi)部總線請求，由其統(tǒng)一安排對計算機內(nèi)部總線的使用。I/O處理器一般就是一個通用處理器，與計算機的通用處理器CPU協(xié)同工作，但也可以是專門為I/O設(shè)備設(shè)計的專用處理器。有時，把多進程操作系統(tǒng)里的I/O管理進程也成為軟件意義上的I/O處理器。為適應(yīng)兼容性方面的要求，這樣的軟件處理器通常分為幾個層次如用戶界面層、設(shè)備無關(guān)層、設(shè)備驅(qū)動器中斷處理等。3.2I/O處理器PMI/O通道I/OI/O總線主控控制I/O總線圖6-5I/O通道結(jié)構(gòu)圖在這里我們看一下硬件通道的情況，圖6-5是典型的具有通道的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，這種結(jié)構(gòu)圖正如我們前面所講的有兩種總線：存儲總線(內(nèi)部總線）和通道總線（I/O總線）。一條通道總線可以連幾個設(shè)備控制器，一個設(shè)備控制器也可一連幾個設(shè)備。從邏輯結(jié)構(gòu)講，有了I/O通道后，I/O設(shè)備連接可以分為四層：

CPU—通道處理器—設(shè)備控制器—設(shè)備3.2I/O處理器

對于同一系列的機器，通道與設(shè)備控制器間有統(tǒng)一標準接口，設(shè)備控制器與具體設(shè)備間有專用接口，大中型計算機系統(tǒng)一般都接有多個通道，對不同類型的I/O設(shè)備可進行分類管理。存儲管理部件（對應(yīng)圖6-5中的總線適配器）是存儲總線的控制部件，它的主要任務(wù)是根據(jù)事先確定的優(yōu)先次序（由硬件設(shè)定或軟件決定）決定下個周期由哪個部件使用存儲總線。由于大多數(shù)I/O設(shè)備讀寫信號有實時性，不及時處理將丟失數(shù)據(jù)，所以通道的優(yōu)先權(quán)較高，而高速設(shè)備通道的優(yōu)先權(quán)高于一般設(shè)備的通道優(yōu)先權(quán)。

通道的基本功能是執(zhí)行通道命令，組織外圍設(shè)備和內(nèi)存進行數(shù)據(jù)傳輸，按I/O指令要求啟動I/O設(shè)備，向CPU報告中斷等，具體是：接收CPU的I/O指令，按指令要求與指定的I/O設(shè)備進行通訊。從內(nèi)存選取屬于通道程序的通道指令，經(jīng)譯碼后向設(shè)備控制器和設(shè)備發(fā)送各種命令，組織外圍設(shè)備和內(nèi)存進行數(shù)據(jù)傳遞并根據(jù)需要給數(shù)據(jù)提供中間緩存的空間，以及提供數(shù)據(jù)存入內(nèi)存的地址和傳送的數(shù)據(jù)量，并從外圍設(shè)備得到設(shè)備的狀態(tài)信息，形成并保存通道本身的狀態(tài)信息，根據(jù)要求將這些狀態(tài)信息送到內(nèi)存指定單元供CPU使用，將外圍設(shè)備的中斷請求和通道本身的中斷請求按次序報告給CPU。3.2I/O處理器CPU對通道的管理通過I/O指令和處理來自通道的中斷來實現(xiàn)。一般把CPU運行操作系統(tǒng)的核心，管理程序的狀態(tài)稱管態(tài)，而把CPU執(zhí)行目標程序的狀態(tài)稱目態(tài)。一般多用戶操作系統(tǒng)只允許在管態(tài)下對通道進行操作，以使I/O資源能為各用戶共享，并保證操作系統(tǒng)安全。通道通過指令使用設(shè)備控制器進行數(shù)據(jù)傳送操作，并以通道狀態(tài)字（channelstateword，CSW）接收設(shè)備狀態(tài)器反映的I/O設(shè)備狀態(tài)，因此設(shè)備控制器是通道對I/O設(shè)備實現(xiàn)傳輸控制的執(zhí)行機構(gòu)。它的任務(wù)是接收通道指令，控制I/O設(shè)備完成要求的操作，向通道反映I/O設(shè)備的狀態(tài)；將各種I/O設(shè)備的不同信號轉(zhuǎn)為通道能識別的標準信號等。根據(jù)通道工作的方式，通道分為選擇通道，數(shù)組多路通道，字節(jié)多路通道和通道適配器四種。3.2I/O處理器選擇通道又稱高速通道，它的特點是可連接多個設(shè)備，但這些設(shè)備不能同時工作，選擇通道一次只能選擇一個設(shè)備進行工作，這種通道主要連接高速設(shè)備，如磁盤、磁帶等，信息以成組方式高速傳輸。數(shù)組多路通道：在設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送時設(shè)備只為該設(shè)備服務(wù)；當設(shè)備進行尋址等控制性機械動作時，通道暫時斷開與該設(shè)備的連接，為其它設(shè)備去服務(wù)。它既保留了選擇通道高速傳輸數(shù)據(jù)的特點，有充分利用了機械輔助操作的時間間隔為其它設(shè)備服務(wù)，使通道的效率充分得到發(fā)揮，在實際系統(tǒng)中得到較多應(yīng)用。

字節(jié)多路通道用于連接低速設(shè)備，如紙帶輸入機、打印機等，這些低速設(shè)備的傳輸速率低，例如紙帶輸入機的數(shù)據(jù)傳輸率是1000字節(jié)/s，字節(jié)間的傳輸間隔是1ms，而通道從設(shè)備接收或者發(fā)送一個字節(jié)只有不到1ms，因此通道在字節(jié)間有很多空閑時間，字節(jié)多路通道可以用這段空閑時間為其它設(shè)備服務(wù)。3.2I/O處理器字節(jié)多路通和數(shù)組多路通道都是分時復(fù)用通道。在一段時間內(nèi)能交替執(zhí)行多個設(shè)備的通道程序，使這些設(shè)備同時工作。但它們的不同之處:第一，數(shù)組多路通道雖然允許多個設(shè)備同時工作，但只允許一個設(shè)備進行傳輸型操作，而其它設(shè)備只能進行控制型操作；字節(jié)多路通道不僅允許多個設(shè)備同時工作，而且允許它們同時傳輸數(shù)據(jù)。其二，數(shù)組多路通道與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送的基本單位是數(shù)據(jù)塊，而字節(jié)多路通道與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送的基本單位是字節(jié)，通道為一個設(shè)備傳送一個字節(jié)以后，又可以為另一個設(shè)備傳送一個字節(jié)，因此各設(shè)備與通道間的數(shù)據(jù)傳送以字節(jié)為單位交替進行。在某些系統(tǒng)中，除配置上述三類型的通道外，還配置通道適配器，這是一種將通道與某些設(shè)備控制器結(jié)合在一起的專用性質(zhì)的通道，它與某些特定類型設(shè)備連接，它的邏輯設(shè)計是針對專用設(shè)備的，適配器與設(shè)備間有專用接口線。3.2I/O處理器4.總線

總線分類與選擇

總線標準總線（bus）是計算機各部分之間聯(lián)系通訊的紐帶，它把計算機各子系統(tǒng)連接在一起，總線可以容易地接納計算機的新部件，并且成本較低。總線的主要問題是它有通訊瓶頸，當幾個部件爭用時，總線會使計算機子系統(tǒng)的性能下降，所以，總線的設(shè)計是很重要的。4.1總線分類與選擇總線的分類總線可以有幾種分類方式，按允許的數(shù)據(jù)傳送方向分：單向傳輸總線和雙向傳輸總線。雙向傳輸總線又可以分為半雙工和全雙工的。按用途分：專用總線和共享總線。按數(shù)據(jù)線的寬度分：8位、16位、32位和64位總線等。傳統(tǒng)上最常見的分類：存儲器總線和I/O總線。與存儲器總線相比，I/O總線相對更長，可連接更多設(shè)備，適應(yīng)更多的數(shù)據(jù)寬度，通常還有一定的標準。而存儲器總線所連接的設(shè)備一般在設(shè)計時確定，可以進行專用的優(yōu)化設(shè)計。總線傳輸周期一個總線周期可分為兩個階段：地址傳送階段和數(shù)據(jù)傳送階段。總線傳輸一般可分為兩種類型：“讀”操作，這時數(shù)據(jù)從內(nèi)存流向I/O設(shè)備或CPU；“寫”操作，這時數(shù)據(jù)從CPU及I/O設(shè)備流向內(nèi)存

。在“讀”操作時，I/O設(shè)備或CPU先送出地址信號和控制信號，內(nèi)存根據(jù)這些相應(yīng)的數(shù)據(jù)送到總線；

“寫”操作類似，只是CPU或I/O外設(shè)必須在送出地址、控制信號的同時把數(shù)據(jù)送出。為了解決總線上各設(shè)備（CPU，內(nèi)存與I/O設(shè)備）的速率匹配，一般還得引入一個“等待”信號。總線傳輸周期示意圖詳見圖6-6。4.1總線分類與選擇時鐘地址數(shù)據(jù)讀信號等待信號圖6-6典型的總線讀周期圖示4.1總線分類與選擇4.1總線分類與選擇總線存在的問題總線仲裁：對于復(fù)雜的一些總線，可能有幾個總線主設(shè)備存在，它們都可以啟動總線操作。由于同一時間只能有一個主設(shè)備使用總線，就產(chǎn)生了總線仲裁問題。為了實現(xiàn)仲裁，可以用集中式控制（仲裁部件是一個專門部件）或者分布式控制（各總線設(shè)備自行控制決定使用總線）的方法，一般都有一個固定的優(yōu)先級順序，保證總線使用的公平和高效率。總線傳輸方式：一般有兩種方法，單數(shù)據(jù)傳遞和塊傳遞。在單數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)中，一個總線主設(shè)備向總線仲裁器發(fā)一個請求，然后在整個傳輸操作期間獨占總線。塊傳遞又稱作連接/解除連接技術(shù)或流水線總線或分組交換總線。圖6-7是采用分離操作技術(shù)后總線操作示意圖。同步問題：即總線信號和總線時鐘的關(guān)系。有三種方式：同步、半同步和異步。同步總線表示各信號必須按一個固定的時刻發(fā)出，異步總線表示信號的發(fā)出時刻是任意的，半同步是以上兩種方式的混合，它的信號必須和時鐘有一定的關(guān)系。三種方式各有優(yōu)劣。地址數(shù)據(jù)等待采用分離傳輸技術(shù)，讀操作被分為一個輸出地址的讀請求操作和一個傳遞數(shù)據(jù)的存儲器應(yīng)答操作，這些操作都加上標識，以便通訊雙方能知道誰是誰，當內(nèi)存正在執(zhí)行前一個讀操作時，總線上就能為下一個讀操作準備好地址，從而使得數(shù)據(jù)讀出與地址輸入能交叉進行，提高了總線帶寬。但與簡單的單數(shù)據(jù)讀出比較，分離操作總線的時延較大。4.1總線分類與選擇圖6-7分離操作總線的操作周期示意圖4.1總線分類與選擇

同步方式，數(shù)據(jù)的傳輸在一個共同的時鐘控制下進行，總線的操作有固定的時序，設(shè)備不需判斷下一步應(yīng)采取什么動作，實現(xiàn)簡單，成本低，速度也較快。主要有兩個缺點：一是所有的設(shè)備只能按一個速度工作，即所有設(shè)備都按最慢設(shè)備速度工作；二是同步總線長度受到限制，太長容易發(fā)生時鐘變形。

異步方式下，總線操作時序不是固定的，每個操作步驟由一個信號來標識，根據(jù)控制信號間的時序關(guān)系，異步方式又可以分為互鎖的和非互鎖的。互鎖方式采用握手協(xié)議來協(xié)調(diào)動作。缺點是控制比較復(fù)雜，對噪聲較敏感。異步方式可以連接更多種類的設(shè)備，可使用任意長度總線而無時鐘變形或同步問題。它在每次傳輸前都要有控制信號，增加了開銷，所以選擇同步方式還是異步方式的關(guān)鍵就在于：連接距離、設(shè)備數(shù)和所需帶寬。

半同步方式是上述兩種方式的折衷方案。系統(tǒng)也有一個集中的時鐘，控制信號的出現(xiàn)受時鐘信號的支配，各信號間的間隔是時鐘周期的整數(shù)倍，相當于在同步總線中增加了等待協(xié)議，從而避免了同步總線中在操作速度不確定時的性能下降。半同步方式實際上是將時間量規(guī)范化的異步方式，也是實際常用的一種異步方式，且半同步方式具有同步方式受信號噪音影響小的優(yōu)點。長時鐘變形短同步方式更好異步方式更好相近I/O設(shè)備速度相差大圖6-9異步和同步方式比較4.1總線分類與選擇

4.2總線標準I/O系統(tǒng)中，I/O設(shè)備的數(shù)量和種類是不斷變化的，為了適應(yīng)這種變化，I/O設(shè)備接口和總線設(shè)計者必須遵循一定的標準進行總線和I/O設(shè)備接口設(shè)計。標準是一些指導(dǎo)互聯(lián)的規(guī)范，可以讓兩方面的設(shè)計者分別工作，而又能設(shè)計出互相兼容的裝置。4.2總線標準總線標準形成的三種途徑:1.由某些計算機廠家首先提出，隨后逐漸被其它計算機廠商使用而形成的所謂事實標準的（factostandards），如IBMPC-AT總線、DEC、PDP-11Unibus和Qbus等。2.如果總線足夠成功，由總線專利創(chuàng)始人提出建議，將其總線規(guī)范由專家給予技術(shù)評價和修改，進而被標準化組織如CNSI或IEEE采用而納入國家或國際標準，如Intel的Multibus5100總線。3.由專家小組在標準化組織的主持下從事開發(fā)和制定總線標準的工作，標準以一種自上而下的方式普及，如FutmeBus，F(xiàn)ootBus及著名的PCI等。4.2總線標準EISA總線

EISA總線是在IBM-PC上的ISA總線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的32位總線（時鐘頻率33MHz）。ISA總線也稱AT總線，是IBM為PC/XT設(shè)計的總線標準，原先寬度16位，時鐘頻率8.33MHz。EISA在ISA的基礎(chǔ)上擴展了DMA通道、多處理器方式的裁決、共享中斷和配置管理功能。增加了塊DMA方式，允許8個DMA控制器按指定優(yōu)先級占用DMA設(shè)備，從而可允許多用戶操作。EISA還提供了中斷共享功能，允許用戶配置各個設(shè)備共享一個中斷。4.2總線標準SCSI

總線

SCSI（smallcomputersysteminterface小型計算機接口）是一種來源于數(shù)組多種通道的I/O總線，它最初是用于大中型計算機系統(tǒng)的，后來才一直到小型微型計算機系統(tǒng)上。

SCSI是磁盤存儲設(shè)備的接口，具有靈活性、設(shè)備獨立性等特點，在磁帶設(shè)備、打印設(shè)備、光盤設(shè)備等I/O設(shè)備接口中得到普遍應(yīng)用，并發(fā)展到許多新的I/O設(shè)備和計算機網(wǎng)絡(luò)、計算機工業(yè)控制等領(lǐng)域。采用SCSI總線，主機通過適配器以SCSI總線連接。SCSI可連接多個適配器和多個外設(shè)控制器，每個外設(shè)控制器可控制一個或多個外設(shè)，控制器與外設(shè)之間的通訊接口是設(shè)備級的局部輸入輸出接口（圖6-10）。4.2總線標準主機1SCSI

總線適配器主機2外設(shè)控制器外設(shè)控制器外設(shè)控制器外設(shè)1外設(shè)2外設(shè)3外設(shè)i外設(shè)j

外設(shè)n適配器圖6-10SCSI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)SCSI

總線SCSI總線可以連接多種設(shè)備級局部輸入輸出接口，具備與設(shè)備無關(guān)的高級命令系統(tǒng)，SCSI通過一種分層管理來實現(xiàn)這種獨立與具體外設(shè)的特性（圖6-11）。SCSI總線有異步和同步數(shù)據(jù)傳輸方式，SCSI－1的8位數(shù)據(jù)線可使通常使用的異部傳輸方式能實現(xiàn)最大1.5MB/s的傳輸速率，在同步方式下的傳輸速率可達4MB/s。SCSI設(shè)備之間通常采用消息系統(tǒng)，“消息”是主設(shè)備和從設(shè)備見的“會話語言”，SCSI將每個設(shè)備都賦一個標示號，從0~7共8個，標識號大的設(shè)備享有高的優(yōu)先權(quán)，并采用菊花鏈方式互連。4.2總線標準主機適配器控制器外設(shè)（系統(tǒng)總線）MultiBus-I,IIVMEBusSTDBusIBM-PCBus（I/O總線）SCSIIPI-3QIC-2（設(shè)備級總線）ST506/412ESDISMDIPI-2QIC-36圖6-11SCSI系統(tǒng)層次圖4.2總線標準4.2總線標準PCI

總線PCI（peripheralcomponentinterconnect,外圍部件互連總線）是1992年以Inter公司為首的一個聯(lián)合體設(shè)計的總線，這是一種同步I/O總線，數(shù)據(jù)線32位，可擴充到64位，傳送最高速度為133M/s，適于圖形顯示等要求高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場合。該總線支持自動配置，不需設(shè)置開關(guān)及跳線，有即插即用（plus＆play）特性。4.2總線標準在PCI總線系統(tǒng)中，總線分為外部總線，PCI總線和I/O總線三層次。在PCI總線上可連接顯示器、存儲器和網(wǎng)格控制器等，PCI總線通過PCI橋與計算機存儲總線相連接，因此擴展能力很強，可支持需要對主存或相互之間進行快速訪問的多種適配器，并允許CPU以全速訪問。在PCI總線中，將主設(shè)備和從設(shè)備統(tǒng)稱中介（Agents)，所有總線上的數(shù)據(jù)傳輸都采用突發(fā)方式傳輸(或稱高速傳輸)。突發(fā)的長度可以任意，由主從設(shè)備自行商定。每次突發(fā)方式的傳送由以下兩個階段組成：1.地址階段，輸出地址和傳輸類型。2.數(shù)據(jù)階段，如果從設(shè)備和當前主設(shè)備都能進行零等待傳輸，則進入數(shù)據(jù)階段在每個后續(xù)的數(shù)據(jù)階段都將傳輸一個數(shù)據(jù)（32/64位）。于是一個PCI總線操作就由一個地址階段和其后的一個或幾個數(shù)據(jù)階段組成，一個地址階段的持續(xù)期是一個PCI時鐘信號周期，數(shù)據(jù)階段的數(shù)量則取決與突發(fā)傳輸中的數(shù)據(jù)傳輸量，每個數(shù)據(jù)階段傳輸一個數(shù)據(jù)，一個數(shù)據(jù)階段至少由一個時鐘周期組成，在一個數(shù)據(jù)階段中可插入等待狀態(tài)。在地址階段中，主設(shè)備制定了從設(shè)備和傳輸操作類型，這些信息分別通過發(fā)放PCI地址碼和命令類型字來表示。各設(shè)備在收到這些信息后，先判斷自身是否是被呼叫的從設(shè)備，如果是，對命令進行譯碼，并發(fā)出一個PCI信號作為對該操作的應(yīng)答，然后開始數(shù)據(jù)階段，如果主設(shè)備收不到這樣一個信號，在過了一個預(yù)定時間后就終止操作。4.2總線標準在數(shù)據(jù)階段中，主設(shè)備和從設(shè)備間相互傳遞數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)階段長度由“命令/字節(jié)”使總線信號決定，這些信號由主設(shè)備在數(shù)據(jù)階段發(fā)出并使之有效（即所謂激活），PCI總線為主設(shè)備和從設(shè)備都定義了表示就緒的信號線，如果未就緒，還能在該數(shù)據(jù)階段擴展一個時鐘周期，主設(shè)備通過一個成幀信號——FRAME來標識整個突發(fā)方式傳輸?shù)某掷m(xù)期。這個PCI信號在地址階段開始時發(fā)出，保持有效到最后一個數(shù)據(jù)階段，當它復(fù)位后，就表示突發(fā)傳輸?shù)淖詈笠淮螖?shù)據(jù)傳輸正在進行之中，緊接著驅(qū)動就緒信號表示以準備好最后一次數(shù)據(jù)傳輸，當最后一次數(shù)據(jù)傳輸完成后，主設(shè)備通過取消就緒信號使PCI總線恢復(fù)空閑。4.2總線標準4.2總線標準

PCI總線信號線由地址和數(shù)據(jù)線、接口控制線、仲裁線、系統(tǒng)線，還有中斷請求線、邊界掃描線信號、高速緩存支持、出錯報告、接口控制等可選信號線組成。系統(tǒng)信號是時鐘信號CLK和復(fù)位線RST，CLK信號是總線上所有設(shè)備的一個輸入信號，為系統(tǒng)提供定時，RST信號使其它信號線處于三態(tài)。4.2總線標準IPI總線

IPI（intelligentperipheralinterface智能外圍接口）是一種智能化的I/O接口總線，它的層次結(jié)構(gòu)使得它的智能化程序可以按需要選擇。根據(jù)現(xiàn)有ANSI協(xié)議，它被定義成4層，但實際上還可擴充，其層次結(jié)構(gòu)如圖6-12。IPI有三個特點：一是具有高級命令結(jié)構(gòu)，一個主機可以配置最多8個外設(shè)，按需要可以選擇0~3級不同的智能。二是傳輸速率高，它是一種并行接口，數(shù)據(jù)總線寬度為16位，定義最高傳輸速率達10MB/s，總線寬度和數(shù)據(jù)速度還在不斷的提高。三是有設(shè)備獨立性，可以同時控制多種輸入輸出設(shè)備，而且設(shè)備的更新不用更換硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件。圖6-12IPI層次圖4.2總線標準4.2總線標準

IPI體系結(jié)構(gòu)可以分為三級：主級－從級－設(shè)備級，其關(guān)系是主級控制著從級，從級按主級的要求用邏輯地址和設(shè)備命令來管理設(shè)備。在IPI體系結(jié)構(gòu)中，主機是主級，IPI子系統(tǒng)是從級，在IPI子系統(tǒng)內(nèi)部，IPI的從級還可以再用IPI構(gòu)成多級IPI結(jié)構(gòu)，IPI采用6根控制信號線和兩組9位數(shù)據(jù)線，控制信號線中5根用于主級到從級的命令，可表示25~32種總線狀態(tài)，一根用于從級到主級的響應(yīng)。兩組數(shù)據(jù)線分別叫A總線和B總線，各由8位數(shù)據(jù)加1位奇偶校驗組成，它們有兩種工作方式：半雙工、全雙工。半雙工工作方式中A總線傳送主級到從級的控制信息，B總線進行從級到主級的傳送，全雙工工作方式中A,B兩總線共同并行進行16位數(shù)據(jù)傳輸，傳送的具體方向有控制信號決定。表6-3一些I/O總線性能一覽表4.2總線標準5.

I/O子系統(tǒng)性能測量

引言

I/O性能預(yù)測

I/O系統(tǒng)性能測量I/O的性能和CPU的性能是不一樣的，這主要有兩個原因：一是I/O設(shè)備的多樣性，有許多相互間完全不同的I/O設(shè)備；二是數(shù)量的不確定性，一臺計算機可以同時連接多個I/O設(shè)備。5.1引言I/O性能的兩種測量方法：⑴用CPU性能標志響應(yīng)時間(responsetime，也稱時延(latency))和吞吐量(throughput，也稱I/O帶寬(I/Oband-width))來測量。⑵I/O處理使用CPU的時間，進行I/O控制和傳輸都要占用CPU時間，處理I/O中斷也要占用CPU時間，從而將影響CPU處理其它事物。生產(chǎn)者服務(wù)者圖6-13生產(chǎn)者—服務(wù)者模型隊列I/O系統(tǒng)可看作為一個生產(chǎn)—服務(wù)模型，如圖6-13所示。生產(chǎn)者產(chǎn)生待處理的任務(wù)放入任務(wù)隊列中，而服務(wù)器從任務(wù)隊列中取出任務(wù)并處理之。但在I/O系統(tǒng)中，這兩個性能指標對系統(tǒng)的要求是很不一致的，響應(yīng)時間是任務(wù)放入任務(wù)隊列到服務(wù)器完成處理的時間，所以任務(wù)隊列越短，任務(wù)在任務(wù)隊列中停留時間就越短，相應(yīng)地響應(yīng)時間也越短。而吞吐量是單位時間內(nèi)服務(wù)者所處理的平均任務(wù)數(shù)，故而要求任務(wù)隊列盡量不能空。顯然這兩個要求是互相矛盾的。5.1引言圖6-14時間與吞吐量的關(guān)系圖5.1引言占總吞吐量的百分比響應(yīng)時間（ms）圖6-14畫出了響應(yīng)時間與吞吐量之間的關(guān)系。從圖中可以看到，響應(yīng)時間短一點，對吞吐量的影響就很大，故而同時提高兩個指標是很困難的一件事。圖6-15人機交互情況下一個系統(tǒng)運行情況分析051015時間（s）輸入時間系統(tǒng)響應(yīng)時間思考時間圖形負載，系統(tǒng)響應(yīng)時間1.0秒傳統(tǒng)交互負載，系統(tǒng)響應(yīng)時間1.0秒5.1引言由圖6-15中可以看出，減少系統(tǒng)響應(yīng)時間不僅減少了作業(yè)時間中的系統(tǒng)響應(yīng)時間部分，同時將提高系統(tǒng)的產(chǎn)出量，將系統(tǒng)時間減少9.7s后，傳統(tǒng)交互負載的作業(yè)時間下降了4.9s，即下降了34%，圖形處理的作業(yè)時間下降了2s，下降10%，這樣的結(jié)果是由人的一個特點引起的：人在響應(yīng)快時，本身的思考也快。5.1引言無論怎樣解釋這種現(xiàn)象，系統(tǒng)響應(yīng)時間對產(chǎn)出量的影響很大是一個事實。實際上，當計算機系統(tǒng)響應(yīng)時間降至1s以下時，產(chǎn)出量呈現(xiàn)非線性的飛速增長，圖6-16比較了新手、一般工程人員和計算機專業(yè)人員在圖形顯示器上進行物理設(shè)計時的產(chǎn)出量隨系統(tǒng)響應(yīng)時間的變化曲線。在圖中可以看到，在響應(yīng)速度快的系統(tǒng)上工作的初學者和一般工程人員的產(chǎn)出量比在響應(yīng)時間慢的系統(tǒng)上工作的專家的產(chǎn)出量要高，隨著響應(yīng)時間的縮短，所有人的產(chǎn)出量都會大幅提高，所以響應(yīng)時間的縮短，在與吞吐量的比較中應(yīng)占有更重要的地位，畢竟人是計算機的主宰。人的特性更為重要。圖6-16新手、一般工程人員和計算機專業(yè)人員在圖形顯示器上進行物理設(shè)計時的產(chǎn)出量隨系統(tǒng)響應(yīng)時間的變化曲線05001000150020002500300035004000450050000.260.310.370.50.7711.5系統(tǒng)響應(yīng)時間（秒）用戶工作效率（每小時完成的操作）新手工程師專家5.1引言5.2I/O性能預(yù)測這一節(jié)中，我們將討論如何從理論上預(yù)測和計算I/O的性能，在設(shè)計I/O系統(tǒng)時，I/O系統(tǒng)的系統(tǒng)是無法用測量得到的，于是理論預(yù)測就成為設(shè)計I/O系統(tǒng)時的一個重要步驟。我們先從一個黑箱模型開始，在這個模型中，一個I/O系統(tǒng)被看作是一個黑箱，如圖6-17所示，CPU向這個黑箱發(fā)出I/O任務(wù)請求，由黑箱處理后，任務(wù)再離開黑箱。圖6-17I/O系統(tǒng)的黑箱模型離開到來5.2I/O性能預(yù)測這里我們只研究系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，即系統(tǒng)運行足夠長的時間后，達到一種狀態(tài)，此時的到達速率和離去速率應(yīng)該相等，這時可用Little定律描述這一狀態(tài)，其表達形式為：系統(tǒng)中的平均任務(wù)數(shù)＝到達速率×平均響應(yīng)時間圖6-18I/O系統(tǒng)的真實模型到來服務(wù)排隊I/O控制器及設(shè)備5.2I/O性能預(yù)測Little定律

這里我們只研究系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，即系統(tǒng)運行足夠長時間后，達到的一種狀態(tài)。此時任務(wù)的到達速率和離去速率應(yīng)該相等，這時可用Little定律描述這一狀態(tài)：

系統(tǒng)中的平均任務(wù)數(shù)=達到速率×平均響應(yīng)時間

Lsys=R×Tsys5.2I/O性能預(yù)測系統(tǒng)利用率

為了評估一個I/O系統(tǒng)忙閑程度，我們引入一個叫系統(tǒng)利用率（systemutilization，以U表示）的概念，它的計算公式為

U=R/服務(wù)速率系統(tǒng)利用率的值域在0到1之間，否則就意味著到達I/O系統(tǒng)的任務(wù)比I/O系統(tǒng)所處理的要多，違反了前面說的平衡狀態(tài)條件，系統(tǒng)利用率有時也稱為通訊密度。5.2I/O性能預(yù)測[例6-1]設(shè)一個單磁盤的I/O系統(tǒng)每秒接收到10個I/O請求，而磁盤處理每個任務(wù)平均約需50ms。I/O系統(tǒng)的利用率是多少？解：服務(wù)速度＝1／服務(wù)時間＝20I/O任務(wù)／s(簡稱IOPS)則 系統(tǒng)利用率＝到達速率／服務(wù)速率＝0.5由Little定律得： 隊列長度＝到達速率×等待（排隊）時間 服務(wù)長度＝到達速率×服務(wù)時間[例6-2]設(shè)完成一個磁盤I/O請求的平均時間為50ms，磁盤收到的I/O請求為200IOPS，在服務(wù)器磁盤中的平均I/O請求個數(shù)是多少？解：服務(wù)長度＝到達速率×服務(wù)時間＝105.2I/O性能預(yù)測

如何從隊列中取出任務(wù)稱為隊列規(guī)則(queueprinciple)，最簡單常用的規(guī)則為先進先出規(guī)則(first-in-first-out,FIFO)，如果用先進先出方法，我們可以得到下式

系統(tǒng)時間=隊列長度×服務(wù)時間+新任務(wù)到達后完成目前任務(wù)的平均時間上式中最后一項計算起來并不像想象中那么簡單，新任務(wù)可以在任一時刻到達，也沒有辦法估計一個特定的任務(wù)要在系統(tǒng)中停留多少時間，為此，先介紹一些概率論的基礎(chǔ)知識。描述隨機變量概率分布的一種方法是直方圖(histogram)。它將一定范圍內(nèi)的取值劃為一個桶(bucket)，將每個桶中取值概率相加，然后將其用不同長度的柱(column)表示，但它只適用于離散型的隨機變量，對于連續(xù)隨機變量的概率分布，必須用等值線上的連續(xù)曲線才能精確表示。5.2I/O性能預(yù)測平均服務(wù)時間=(f1×T1+f2×T2+…+fn×Tn)／∑fi這里Ti————任務(wù)i的服務(wù)時間，

fi————其概率。為表示實際值與平均值的偏離程度，可以用標準差或方差，后者是前者的平方。這里我們用方差，計算公式為

方差=∑(fi×(Ti－平均服務(wù)時間)2)／∑fi方差的缺點是其所使用的單位所造成的，由于它的單位是原單位的二次方，給使用和換算帶來一定困難，為了防止這個問題，常用一個叫協(xié)方差的量來計算。常簡寫為C表示

協(xié)方差（C）=方差／平均服務(wù)時間25.2I/O性能預(yù)測平均停留服務(wù)時間＝1/2×平均服務(wù)時間×（1+C）[例6-3]以平均服務(wù)時間，服務(wù)器利用率,協(xié)方差計算新任務(wù)在隊列中的平均等待時間。解：Tq=Lq×

Tsvr+服務(wù)器利用率×平均停留服務(wù)時間Tq=服務(wù)器利用率×(1/2×Tsvr×(1+C))+(R×Tsvr)×TqTq=服務(wù)器利用率×(1/2×Tsvr×(1+C))+服務(wù)器利用率×TqTq－服務(wù)器利用率×Tq=服務(wù)器利用率×(1/2×Tsvr×(1+C))Tq=(服務(wù)器利用率×Tsvr×(1+C))/(2×(1－服務(wù)器利用率))設(shè)各任務(wù)為指數(shù)分布，則C=1，上式可簡化成

Tq=服務(wù)器利用率/(1－服務(wù)器利用率)5.2I/O性能預(yù)測上面的公式都是基于應(yīng)用數(shù)學的一個領(lǐng)域叫排隊論（queuingtheory），排隊論推導(dǎo)的結(jié)果一般只能逼近所需的結(jié)果，而不能得到真實的預(yù)測，因為實際系統(tǒng)要比理論模型復(fù)雜得多。和計算機科學中常用到的一些方法不同，它認為事件間是彼此獨立的，過去事件和現(xiàn)在事件之間沒有聯(lián)系，而計算機中常用的一些理論則以過去和現(xiàn)在有關(guān)為基礎(chǔ)，比如Cache或虛存中內(nèi)容更新的一些算法（LRU），都是如此。排隊論的應(yīng)用通常以模型和實驗為基礎(chǔ)，先建立模型，再進行試驗。如果結(jié)果是對的，就用這個模型來進行計算和預(yù)測。5.2I/O性能預(yù)測我們總結(jié)一直所用的排隊模型，并有以下假設(shè)：⑴系統(tǒng)是穩(wěn)定的；⑵兩個相繼請求到來之間的時間稱間隔時間（intervaltimes）服從指數(shù)分布；⑶請求的個數(shù)是無限的（在排隊論中叫無限人口模型infinitepopulationmodel）；⑷服務(wù)器在為前一個請求服務(wù)后能立即為下一個請求服務(wù)；⑸隊列的長度是無限的，遵守先入先出原則；⑹隊列中所有任務(wù)都必須完成。

這樣的隊列在排隊論中稱M/G/1模型，各字母含義為

M：為無記憶，任務(wù)請求服從指數(shù)分布；

G：普通服務(wù)分布，非指數(shù)分布；

1：服務(wù)器只有一個。5.2I/O性能預(yù)測

如果時間間隔服從指數(shù)分布，模型就成為M/M/1，這個模型就是上例中簡化后的最后結(jié)果，它是一個最簡單的模型，使用廣泛。指數(shù)分布假設(shè)在排隊論中使用很廣，理由有兩個：

⑴一是許多計算機中的隨機事件服從指數(shù)分布，從而使用它是較準確的；

⑵另外一個原因則是計算簡單。下面給出幾個例子：5.2I/O性能預(yù)測[例6-4]設(shè)一個處理器以10IOPS速率發(fā)請求，它們都服從指數(shù)分布，平均磁盤服務(wù)時間為20ms，問：1.磁盤平均利用率為多少？2.平均用在排隊上的時間為多少？3.90％的排隊時間小于多少？4.包括排隊時間和磁盤服務(wù)時間在內(nèi)，磁盤的平均響應(yīng)時間是多少？解：1.服務(wù)器利用率=到達速率/服務(wù)速率=10/(1/0.02)=0.22.平均排隊時間=平均服務(wù)時間×服務(wù)器利用率/(1－服務(wù)器利用率)=20×0.2/(1－0.2)=5(ms)3.從表6-4中查到，90％的排隊時間小于平均排隊時間的2.3倍，即2.3×5=11.5(ms)4.平均排隊時間+平均服務(wù)時間=5+20=25(ms)5.2I/O性能預(yù)測5.3I/O系統(tǒng)性能測量在上一節(jié)中，我們討論了對I／O系統(tǒng)性能的預(yù)測，但僅有預(yù)測是不夠的，實際測量能為我們提供I／O系統(tǒng)性能的實驗值，并為預(yù)測模型提供檢驗，幫助建立預(yù)測模型的和選擇參數(shù)進行性能測量的方法一般是采用基準測試程序(benchmark)。這是一些專門為檢驗性能編寫的小程序，可以測量I/O的基本性能，下面介紹用于測量磁盤系統(tǒng)性能的三種基準測試程序。5.3I/O系統(tǒng)性能測量事務(wù)處理基準測試程序

事務(wù)處理或在線事務(wù)處理（transactionprocessingTP;on_linetransactionprocessingOLip）用來測量數(shù)據(jù)庫的I/O性能。由于要處理的工作通常包括對一些共享數(shù)據(jù)的存取和保護，所以它更注重的是I/O速率，也就是單位時間內(nèi)磁盤存取的次數(shù)，而不是數(shù)據(jù)速率。此外，TP系統(tǒng)還必須有在系統(tǒng)出錯時保持數(shù)據(jù)一致性的功能。此外，TP系統(tǒng)還必須有在系統(tǒng)出錯時保持數(shù)據(jù)一致性的功能。比如，一個銀行的計算機在客戶提錢時崩潰了，TP系統(tǒng)就必須保證客戶拿走的錢與銀行帳戶上的錢是一致的。5.3I/O系統(tǒng)性能測量由幾十個成員組成的TP協(xié)會（TPcommunity,TPC）推出了一種事務(wù)處理基準程序DebitCredit，這個軟件模擬銀行柜員的工作，測量系統(tǒng)的事務(wù)處理能力。模擬銀行客戶的存取操作，并以一個叫做每秒執(zhí)行事務(wù)數(shù)（transactionspersecond,TPS）的單位進行計量。TPC共同推出四種基準測試程序，TPC-A和TPC-B，在它們的基礎(chǔ)之上發(fā)展出模擬復(fù)雜查詢處理的基準測試程序TPC-C和模擬決策支持的TPC-D。根據(jù)TP系統(tǒng)設(shè)計的靈巧程度，每次事務(wù)進行2～10次磁盤存取，花掉5000～20000條CPU指令執(zhí)行的時間，這主要取決于TP系統(tǒng)軟件的效率，另外還取決于有多少磁盤存取能轉(zhuǎn)換為對主存的存取。所以TPC軟機不僅測量了計算機的I/O性能，也測量了用到的數(shù)據(jù)庫TP軟件。TPC主要測的是在90％事務(wù)的響應(yīng)時間不超過兩秒的情況下的峰值TPS指標，基準測試程序還要求當TPS增加時，模擬的柜員數(shù)和記帳文件大小也應(yīng)增加，如表6-5所示。這樣做的目的是保證基準測試程序確定測量I/O指標，否則在柜員很少或記帳文件很小的情況下，數(shù)據(jù)會直接在內(nèi)存的磁盤緩沖區(qū)內(nèi)讀寫，從而得到很高的虛假TPS值。5.3I/O系統(tǒng)性能測量TPC-A和TPC-B的另一個引人注目的優(yōu)點是它能比較兩臺不同配置的計算機的性能，除了報告TPS之外，基準測試程序也報告每個TPS的成本。5.3I/O系統(tǒng)性能測量表6-5模擬的柜員數(shù)和記帳文件大小關(guān)系5.3I/O系統(tǒng)性能測量系統(tǒng)文件服務(wù)器(system-levelfileserver,SFS)基準測試程序

SPEC基準測試程序是以測量處理器性能而聞名的，但是它也測試其它方面的指標。1990年，七家公司聯(lián)合推出一種綜合基準測試程序叫SFS，用來測量運行SUNMicrosystems

網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS的計算機性能。這種基準測試軟件提供由比例適當?shù)淖x寫操作及其它（如文件檢查）操作組合而成的測量程序來測量NFS系統(tǒng)。SFS提供適合于進行性能比較的缺省參數(shù)，如所有寫操作的一半在一個8KB的塊中完成，其余的一半在一些1，2或4KB大小的快中完成；或者讀85％的整塊和15％的零星碎塊等缺省參數(shù)。像TPC-B一樣，SFS按吞吐量大小對文件系統(tǒng)大小提出要求，如對一個能進行每秒100次NFS操作的系統(tǒng)，要求其大小必須增加1GB。SFS也像TPC一樣限制了平均相應(yīng)時間，上限為50ms，SFS但不像TPC，提供了標準化的統(tǒng)一指標以便比較不同配置的計算機的性能。5.3I/O系統(tǒng)性能測量5.3I/O系統(tǒng)性能測量自擴展（self-scaling）的I/O基準測試程序

自擴展的I/O性能分析程序是由Chen和Patterson在1994年提出的，這種自擴展基準測試程序可以根據(jù)所測系統(tǒng)的性能自行改變測量尺度。在前面的TPC-B的SPEC中我們已經(jīng)看到改變測量參數(shù)以適應(yīng)不同尺度的例子，但這種基準測試程序可以測量參數(shù)變化范圍更廣的系統(tǒng)，因而具有更大的適應(yīng)性。它通過五個參數(shù)，從不同方面衡量和測試一個系統(tǒng)，這五個參數(shù)是：5.3I/O系統(tǒng)性能測量自擴展（self-scaling）的I/O基準測試程序1.存取的獨立字節(jié)數(shù)：工作負載所讀寫的獨立字節(jié)數(shù)(不重復(fù)的)，實際上，這就是工作負載存取的數(shù)據(jù)集合大小。2.讀操作占總操作的百分比。3.平均I/O請求大小。從一個指數(shù)分布是選擇的。4.順序請求所占百分比。如一個請求與前一個請求是順序相連的，則稱他們是順序請求。比如在磁盤請求中，有一半的請求與它的前一個請求在磁盤位置上是相鄰的，就可認為順序請求所占百分比是50％。5.進程數(shù)。負載的并行程度，即可同時執(zhí)行I/O操作的進程數(shù)目。5.3I/O系統(tǒng)性能測量基準測試程序先對這五個參數(shù)取一個對系統(tǒng)性能來說沒有影響的額定值(nominal)，然后依次固定4個值，改變一個值，進行測量，但第一個值不能改變，因為這牽涉到是真的在磁盤上讀寫還是在內(nèi)存文件緩沖區(qū)讀寫的問題，對系統(tǒng)性能影響很大。故一般由基準測試程序自動選擇兩個測試值，進行測試。5.3I/O系統(tǒng)性能測量

測試的結(jié)果指標分別按五個參數(shù)畫出性能曲線圖，由此就可以了解I/O系統(tǒng)的性能狀況，但這樣的測試也帶來了一個問題，即難以對不同I/O系統(tǒng)的性能進行公正的比較，因為各I/O系統(tǒng)的性能指標都是由自擴展基準測試程序在不同的負載下測出的，沒有可比性。所以，在進行了測試之后，還必須作第二步工作，即估計I/O系統(tǒng)在自擴展基準測試程序所未測的負載之下的性能，估計的原則是假設(shè)一個參數(shù)的性能曲線形狀與其他參數(shù)無關(guān)，寫成公式如下：

Perf(X,Y,Z)＝Perf(X額定，Y額定，Z額定，…)×fx(X)×fy(Y)×fz(Z)…其中：Perf(X,Y,Z)為I/O系統(tǒng)在參數(shù)為X,Y,Z時的性能，X額定，Y額定，Z額定為參數(shù)的一個初始額定值，

fx(X)為其它參數(shù)不變時，X參數(shù)的變化影響系統(tǒng)性能的比率，fy(Y),fz(Z)同理。Chen和Patterson聲稱，用這樣的方法估計，對大多數(shù)負載情況誤差不超過10％。引言設(shè)計一個I/O系統(tǒng)的中心問題是怎樣在防止造成I/O瓶頸的情況下設(shè)計一個符合預(yù)定性能和成本的系統(tǒng)，此外，一個良好的I/O系統(tǒng)還必須有可擴充性，根據(jù)性能要求的不同，設(shè)計時應(yīng)側(cè)重不同的方面，下面列出設(shè)計I/O系統(tǒng)的六步方案：6.

總結(jié)6.

總結(jié)

1.列出計算機將連接的各種I/O設(shè)備，或計算機支持的總線標準。2.列出各I/O設(shè)備的物理要求，如體積，功率，接插件，總線槽，擴展機箱等。3.列出各種I/O設(shè)備的成本，包括控制這些I/O設(shè)備的成本。4.記下各種I/O設(shè)備對CP資源的要求，包括啟動，支持到終止一個I/O設(shè)備的時間，CPU等待I/O操作所需的時間，比如等待I/O完成對內(nèi)存，總線，Cache的使用和從I/O操作中恢復(fù)過來的時間（比如等待I/O后高速緩沖的刷新（flush））。5.列出I/O設(shè)備對存儲器和總線資源的需求，即使在CPU不使用存儲器時，存儲器的容量和帶寬也是有限的。6.最后對各種組織I/O設(shè)備的方法進行綜合分析和測評，選擇一種合理方案。6.

總結(jié)

性能價格比是影響I/O系統(tǒng)實現(xiàn)的重要因素，衡量性能的參數(shù)可以是每秒傳送的兆字節(jié)數(shù)或每秒I/O操作數(shù)IOPS，可以按具體要求選擇。對于要求高性能的系統(tǒng)，主要是設(shè)法提高I/O設(shè)備的速度和數(shù)據(jù)傳送的速度等；對于低成本系統(tǒng)，則著重考慮降低成本。下面舉例說明I/O設(shè)計的過程。如，按下列條件設(shè)計一個I/O系統(tǒng)：6.

總結(jié)一個500MIPSCPU價格為$30000。一個16位寬存儲器，讀出周期100ns。一條20MB/S的I/O總線，可以為20條SCSI-2總線和控制器所用。SCSI-2總線可以具有20MB/s的傳輸率，最多支持15個磁盤。每個SCSI-2控制器價值1500美圓，會使磁盤I/O增加1ms時延。操作系統(tǒng)進行一次磁盤I/O需要10000條CPU指令。可選用8GB的大硬盤或2GB的小硬盤，每MB價格$.25。6.

總結(jié)8.磁盤轉(zhuǎn)速7200RB，平均尋道時間為8ms，傳輸速率為6MB/s。9.要求總外存為200GB。10.I/O傳送平均大小為16KB。評估在用大磁盤(2GB)和大磁盤(8GB)時的IOPS，設(shè)每次磁盤I/O開銷包括平均尋道時間和平均旋轉(zhuǎn)時延，設(shè)所有的設(shè)備可用到100%的容量，且各磁盤機上負載平衡。答：I/O性能由其性能最差的一部分決定，所有我們應(yīng)逐個檢查I/O性能的各個方面，再得出最終結(jié)果。6.

總結(jié)讓我們從計算CPU，主存，I/O總線的IOPS開始

CPU可達到的最大IPOS=CPU速度(以MIPS計)/每次I/O操作所需指令數(shù)=500MIPS/