6.1引言6.2外部存儲設備6.3可靠性、可用性和可信性6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

6.6I/O系統性能分析

6.7I/O與操作系統第六章輸入/輸出系統6.1引言

1.輸入/輸出系統簡稱I/O系統

包括：

2.I/O系統的重要性◆完成與外部系統的信息交換，是VonNeumann

結構計算機的重要組成部分之一。◆衡量指標

I/O設備

I/O設備與處理機的連接第六章輸入/輸出系統

響應時間（ResponseTime）

可靠性（Reliability）6.1.1I/O系統性能與CPU性能誤區：使用多進程技術可以忽略I/O性能對系統性

能的影響。◆多進程技術只能夠提高系統吞吐率，并不能

夠減少系統響應時間。◆進程切換時可能需要增加I/O操作。6.1引言◆可切換的進程數量有限，當I/O處理較慢時， 仍然會導致CPU處于空閑狀態。6.1引言

例6.1假設一臺計算機的I/O處理占10％，當其CPU性能改進，而I/O性能保持不變時，系統總體性能會出現什么變化？

解：假設原來的程序執行時間為1個單位時間。如果CPU的性能提高10倍，程序的計算（包含I/O處理）時間為：

(1-10%)/10+10%=0.19如果CPU的性能提高10倍如果CPU的性能提高100倍6.1引言即整機性能只能提高約5倍，差不多有50％的CPU性能浪費在I/O上。如果CPU性能提高100倍，程序的計算時間為：

(1-10%)/100+10%=0.109而整機性能只能提高約10倍，表示有90％的性能浪費在沒有改進的I/O上了。6.1引言6.1.2I/O系統的可靠性◆處理器性能已經很高，人們更加關注系統 可靠性。◆可信性是存儲的基礎可靠性可用性可信性6.1引言6.2外部存儲設備

1.各種外部存儲器的相似之處◆記錄原理類似；◆作為計算機部件，均包括驅動機構；◆作為存儲設備，均包括控制器及接口邏輯；◆均采用了自同步技術、定位和校正技術以及相 似的讀寫系統。2.目前常用的存儲設備主要有磁盤、磁帶、光盤等第六章輸入/輸出系統6.2.1磁盤設備1.磁盤占據著非揮發性存儲器的主宰地位◆它是存儲層次中主存的下一級存儲層次，是 虛擬存儲器技術的物質基礎；◆它是操作系統和所有應用程序的駐留介質。2.分類◆軟盤◆硬盤（主要介紹）6.2外部存儲設備3.磁盤的結構組成

磁盤的盤片、磁道和扇區◆盤片盤片的數量：1～12片轉速：3600～15000轉盤徑：1.0英寸(25.4厘米)～3.5英寸(8.9厘米)◆磁道和柱面：每面5000～30000道◆扇區：每道100～500個6.2外部存儲設備盤片磁道扇間空隙扇區6.2外部存儲設備4.磁盤的性能(1)訪問時間

磁盤的工作過程：磁頭首先移動到目標磁道上使期望的扇區旋轉到磁頭下讀取扇區中的數據工作均在磁盤控制器的控制下完成磁盤訪問時間=尋道時間+旋轉時間+傳輸時間+控制器開銷6.2外部存儲設備(2)磁盤容量磁盤容量與盤片數量和單碟容量有關。

◆受工業標準的限制，硬盤中能安裝的盤片數 目有限：3～4片

◆提高單碟容量的途徑有兩個：提高道密度和提高位密度目前的單碟容量幾乎都在20GB以上，主流3.5英寸硬盤的單碟容量已經達到了80GB。6.2外部存儲設備(3)數據傳輸率◆數據訪問過程從盤面上讀出的數據首先要送到磁盤緩沖存儲器，再從緩沖存儲器經過接口送到主機。◆外部傳輸率突發數據傳輸率計算機通過磁盤接口從硬盤的緩存中將數

據讀出，交給相應的控制器的速度。外部數據傳輸率和磁盤的接口有關6.2外部存儲設備◆內部傳輸率硬盤持續傳輸率硬盤將數據從盤片上讀取出，交給硬盤上的緩沖存儲器的速度；內部傳輸率等于磁頭相對磁盤的線速度與磁 盤位密度之積。◆提高內部傳輸率提高轉速提高記錄密度：局部響應最大似然PRML技術6.2外部存儲設備(4)磁盤Cache◆可以彌補磁盤和主存之間的速度差距◆利用被訪問數據的局部性原理時間局部性空間局部性◆磁盤Cache的管理和實現一般由硬件和軟件共同完成6.2外部存儲設備◆磁盤容量的提高通常用面密度來衡量

面密度為單位面積可以記錄的數據位數

面密度＝磁盤面的道密度×磁道的位密度◆容量不斷提升，每位價格不斷下降。5.磁盤的發展6.2外部存儲設備圖6.1磁盤價格的變化6.2外部存儲設備◆

“訪問時間差距”問題

磁盤的性能價格比高于主存，但訪問速度卻要低得多，換句話說，性能價格比與速度要求差距太大。6.2外部存儲設備圖6.2磁盤和半導體存儲器之間的訪問時間差距6.2外部存儲設備6.2.2Flash存儲器◆工作原理同E2PROM，容量比E2PROM大。◆與磁盤相比的主要特點：功耗小（≤50mw）

尺寸小提供與DRAM相仿的訪問速度價格高◆Flash存儲器的組織與其存儲位元有關6.2外部存儲設備6.2.3磁帶設備

磁盤和磁帶在性能價格比上的差異主要取決于它們的機械構成。◆磁盤盤片具有有限的存儲面積，并且存儲介 質被封裝在每個讀部件內，提供ms級的隨機 訪問；◆磁帶繞在可轉動軸上，一個讀部件可以使用 多盤磁帶(沒有長度限制)，但磁帶需要順序 訪問，每次訪問都可能需要較長的反繞、6.2外部存儲設備退出和加載時間，等待時間較長(數秒)。1.磁帶◆優點：容量大、技術成熟、單位價格低◆缺點：訪問時間較長◆用途：磁帶成為磁盤的備份技術◆發展采用數據壓縮技術，提高記錄密度和數據傳輸率；6.2外部存儲設備采用螺旋掃描技術，提高性能價格比和可靠性；采用自動管理磁帶的大容量磁帶庫。2.螺旋掃描技術◆螺旋掃描磁帶（HelicalScanTapes）1963

年被索尼（SONY）公司首次使用◆主要特點磁帶運動方向與磁記錄方向成一定角度；磁鼓高速旋轉，其它部件低速運轉；具有較高的記錄密度和數據傳輸率；6.2外部存儲設備可以解決磁帶線速度不穩定，抖動和易磨損等問題。3.自動磁帶庫◆通過機械手自動地安裝和更換磁帶，相當于又提供了一個新的存儲器層次。◆優點：自動換帶，加載速度快；單位數據的價格低；通過加大規模，進一步降低成本。◆缺點：帶寬較低；可靠性差。6.2外部存儲設備6.2.4光盤設備◆使用激光作為讀出數據手段的設備，無論使用磁記錄介質還是使用光記錄介質。◆分類：

只讀光盤（如CD-ROM、DVD-ROM等）

可寫光盤（如CD-R、MO等）一次性寫光盤CD-R或WORM可多次寫光盤CD-RW或稱為WMRM6.2外部存儲設備1.光盤塔◆光盤塔實際上是多個CD-ROM放在一起，再加上相應的控制器和網絡連接設備，構成一個網絡存儲設備。

◆許多光盤機通過標準接口(如SCSI)電纜連 接起來，一根典型的SCSI接口電纜可以連 接7臺光盤機，用軟件控制讀寫其中某一臺◆優點：結構簡單、造價低；讀取光盤速度快。◆缺點：容量較小；手動換盤。6.2外部存儲設備2.光盤庫◆光盤庫是一種能自動把機框中存放的許多片光盤選出并裝入光盤機進行讀寫的設備。◆優點：存儲量大，光盤自動更換。◆缺點：機械結構比較復雜，裝卸光盤較慢。 只能同時支持幾張光盤的在線訪問。6.2外部存儲設備3.光盤陣列◆陣列技術：將數據分布到多個光盤機中，并對數據的冗余信息加以存儲。◆光盤陣列技術需要考慮一些特殊的問題光盤具有盤片可換的問題陣列管理軟件的設計問題實現光盤陣列快速響應的關鍵技術之一

較大的緩存和優化的調度策略6.2外部存儲設備6.3可靠性、可用性和可信性◆反映存儲外設可靠性能的參數可靠性（Reliability）

可用性（Availability）

可信性（Dependability）◆與可靠性相關的三個術語故障（fault）

錯誤（error）

失效（failure）第六章輸入/輸出系統1.故障、錯誤和失效之間的關系(1)一個故障可能會導致一個或者多個錯誤；(2)錯誤通常具有以下特性◆錯誤在潛在狀態和有效狀態間相互轉換；◆潛在的錯誤可能通過激活而有效；◆有效錯誤的影響可以傳遞，引起新的錯誤。(3)如果錯誤影響到部件正常的服務時，部件就發生了失效；(4)系統中的所有部件的故障、錯誤和失效均存在這樣的關系。6.3可靠性、可用性和可信性2.故障的分類(1)按故障產生的原因分◆硬件故障：設備失效產生的故障◆設計故障◆操作故障：由于用戶操作的失誤引起的故障◆環境故障(2)按故障出現的周期分◆暫時性故障◆間歇性故障◆永久性故障6.3可靠性、可用性和可信性3.系統可靠性◆系統從初始狀態開始一直提供服務的能力◆用平均無故障時間MTTF來衡量4.系統可用性◆系統正常工作時間在連續兩次正常服務間隔時 間中所占的比率◆用MTTF/MTBF（平均失效間隔時間）來衡量5.系統可信性◆多大程度上可以合理地認為服務是可靠的◆可信性不可度量6.3可靠性、可用性和可信性例6.2假設磁盤子系統的組成部件和它們的MTTF如下：(1)磁盤子系統由10個磁盤構成，每個磁盤的MTTF為1000000小時；(2)1個SCSI控制器，其MTTF為500000小時；(3)1個不間斷電源，其MTTF為200000小時；(4)1個風扇，其MTTF為200000小時；(5)1根SCSI連線，其MTTF為1000000小時；6.3可靠性、可用性和可信性假定每個部件的正常工作時間服從指數分布,即部件的工作時間與故障出現的概率無關；同時假定各部件的故障相互獨立，試計算整個系統的MTTF。解：整個系統的失效率為：100000023100000012000001200000150000011000000110=++++×＝系統失效率6.3可靠性、可用性和可信性系統的MTTF為系統失效率的倒數，即：小時＝43500231000000MTTF=大約為5年。6.3可靠性、可用性和可信性6.提高系統可靠性的方法◆有效構建方法◆糾錯方法

具體的說，可分為:故障避免技術故障容忍技術錯誤消除技術錯誤預報技術6.3可靠性、可用性和可信性6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

◆廉價磁盤冗余陣列

RedundantArrayofInexpensiveDisks◆獨立磁盤冗余陣列

RedundantArrayofIndependentDisks◆簡稱盤陣列技術 1988年，Patterson教授首先提出。 ◆優點容量大、速度快、可靠性高、造價低廉第六章輸入/輸出系統1.各級RAID的結構特點RAID級數據磁盤數可正常工作的最多失效盤數檢測磁盤數0非冗余8001鏡像8182存儲器式ECC8143位交叉奇偶校驗8114塊交叉奇偶校驗8115塊交叉分布奇偶校驗8116P+Q冗余8227Cache+異步8222.各級RAID的共性◆

RAID由一組物理磁盤驅動器組成，操作系統視之為一個邏輯驅動器；◆數據分布在一組物理磁盤上；◆冗余信息被存儲在冗余磁盤空間中，保證磁 盤在萬一損壞時可以恢復數據；◆其中第2、3個特性在不同的RAID級別中的表 現不同，RAID0不支持第3個特性。6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

3.有關RAID的幾個問題(1)關鍵問題：如何發現磁盤的失效

磁盤技術提供了故障檢測操作的信息。(2)設計的另一個問題

如何減少平均修復時間MTTR

典型的做法：在系統中增加熱備份盤

(3)熱切換技術與熱備份盤相關的一種技術6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

6.4.1RAID0◆數據分塊，即把數據分布在多個盤上。◆非冗余陣列、無冗余信息。◆嚴格地說，它不屬于RAID系列。MNOetc...IJKLEFGHABCD6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

陣列管理條帶0條帶1條帶1條帶2條帶3條帶4條帶5條帶6條帶7條帶8條帶9條帶10條帶11條帶0條帶2條帶3條帶4條帶5條帶6條帶7條帶8條帶9條帶10條帶11邏輯盤物理盤0物理盤1物理盤2物理盤3◆

RAID0中的數據映射6.4.2RAID1

亦稱鏡像盤，使用雙備份磁盤。每當數據寫入一個磁盤時，將該數據也寫到另一個冗余盤，形成信息的兩份復制品。GGHHEEFFCCDDAABB==6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

1.RAID1的特點◆讀性能好

RAID1的性能能夠達到RAID0性能的兩倍。◆寫性能由寫性能最差的磁盤決定。相對以后 各級RAID來說，RAID1的寫速度較快。◆可靠性很高◆最昂貴的解決方法，物理磁盤空間是邏輯磁 盤空間的兩倍。6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

2.RAID1中的鏡像和分塊如何相互作用？◆

RAID0+1

先分塊后鏡像MNOetc...IJKLEFGHABCDMNOetc...IJKLEFGHABCD6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

◆

RAID1+0

先鏡像后分塊NJFBOKGCetc...LHDMIEANJFBOKGCetc...LHDMIEA6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

6.4.3RAID21.位交叉式海明編碼陣列2.各個數據盤上的相應位計算海明校驗碼，編碼位被存放在多個校驗（Ecc）磁盤的對應位上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3Ecc/AxEcc/BxEcc/CxEcc/DxEcc/AyEcc/ByEcc/CyEcc/DyEcc/AzEcc/BzEcc/CzEcc/Dz6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

3.RAID2特點◆并行存取，各個驅動器同步工作。◆使用海明編碼來進行錯誤檢測和糾正，數據 傳輸率高。◆需要多個磁盤來存放海明校驗碼信息，冗余 磁盤數量與數據磁盤數量的對數成正比。◆是一種在多磁盤易出錯環境中的有效選擇。 并未被廣泛應用，目前還沒有商業化產品。6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

6.4.4RAID31.位交叉奇偶校驗盤陣列2.單盤容錯并行傳輸：數據以位或字節交叉存儲，奇偶校驗信息存儲在一臺專用盤上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3A校驗碼B校驗碼C校驗碼D校驗碼校驗碼產生器位或字節6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

3.RAID3特點◆將磁盤分組，讀寫要訪問組中所有盤，每 組中有一個盤作為校驗盤。◆校驗盤一般采用奇偶校驗。◆簡單理解：先將分布在各個數據盤上的一 組數據加起來，將和存放在冗余盤上。一 旦某一個盤出錯，只要將冗余盤上的和減 去所有正確盤上的數據，得到的差就是出 錯的盤上的數據。◆缺點：恢復時間較長。6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

4.RAID3讀寫特點假定：有4個數據盤和一個冗余盤◆讀出數據，一共需要5次磁盤讀操作；◆寫數據需要3次磁盤讀和2次磁盤寫操作。D0'D0D1D2D3PD1D2D3P'D0'讀操作讀操作讀操作寫操作寫操作異或6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

6.4.5RAID41.專用奇偶校驗獨立存取盤陣列2.數據以塊（塊大小可變）交叉的方式存于各盤，奇偶校驗信息存在一臺專用盤上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3A校驗碼B校驗碼C校驗碼D校驗碼校驗碼產生器數據塊6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

3.RAID4特點◆冗余代價與RAID3相同◆訪問數據的方法與RAID3不同

在RAID3中，一次磁盤訪問將對磁盤陣列 中的所有磁盤進行操作。

RAID4出現的原因：希望使用較少的磁盤參與操作，以使磁盤陣列可以并行進行多個數據的磁盤操作。6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

4.RAID4讀寫特點假定:有4個數據盤和一個冗余盤◆讀出數據，對兩個磁盤的兩次讀操作；◆寫數據需要2次磁盤讀和2次磁盤寫操作。D0'D0D1D2D3PD1D2D3P'D0'讀操作讀操作寫操作寫操作異或異或6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

6.4.6RAID51.塊交叉分布式奇偶校驗盤陣列2.數據以塊交叉的方式存于各盤，無專用冗余盤，奇偶校驗信息均勻分布在所有磁盤上。6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

C4D44校驗碼E4A3C3D3A2B2D2A1B1C1A0B0C0D00校驗碼1校驗碼2校驗碼3校驗碼校驗碼產生器E1E2E3B46.4廉價磁盤冗余陣列RAID

3.RAID4和RAID5中的信息分布6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

6.4.7RAID61.雙維奇偶校驗獨立存取盤陣列2.數據以塊（塊大小可變）交叉方式存于各盤，檢、糾錯信息均勻分布在所有磁盤上。

C2D3D校驗碼C1D2A2D1A1B1A0B0C00校驗碼1校驗碼B校驗碼3校驗碼校驗碼產生器B22校驗碼C校驗碼A校驗碼6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

3.RAID6特點◆寫入數據要訪問1個數據盤和2個冗余盤；◆可容忍雙盤出錯；◆存儲開銷是RAID5的兩倍，RAID6的寫過 程需要6次磁盤操作。6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

6.4.8RAID7◆采用Cache和異步技術的RAID6◆較高的響應速度和傳輸速率C0B0B1A0A1A2實時操作系統A校驗碼B校驗碼C校驗碼B2C1C26.4廉價磁盤冗余陣列RAID

6.4.9RAID的實現與發展1.實現盤陣列的方式主要有三種◆軟件方式：陣列管理軟件由主機來實現 優點：成本低 缺點：過多地占用主機時間，并且帶寬指 標上不去。◆陣列卡方式：把RAID管理軟件固化在I/O控制 卡上，從而可不占用主機時間，一般用于工作 站和PC機。6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

◆子系統方式：這是一種基于通用接口總線 的開放式平臺，可用于各種主機平臺和網 絡系統。2.盤陣列技術研究的主要熱點問題◆新型陣列體系結構；◆

RAID結構與其所記錄文件特性的關系；◆在RAID冗余設計中，綜合平衡性能、可靠性和開銷的問題；◆超大型盤陣列在物理上如何構造和連結的問題。6.4廉價磁盤冗余陣列RAID

6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

1.通過接口將許多子系統連接起來2.接口使用得最多的就是總線3.輸入輸出方式◆直接傳送◆程序查詢◆中斷◆

DMA◆通道第六章輸入/輸出系統6.5.1總線優點：低成本、多樣性缺點：必須獨占使用，造成了設備信息交換的瓶頸，從而限制了系統中總的I/O吞吐量。1.總線的設計6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

選擇高性能低價格總線寬度獨立的地址和數據總線分時復用數據和地址總線數據總線寬度越寬越快（例如：64位）越窄越便宜（例如：8位）傳輸塊大小塊越大總線開銷越小每次傳送單字總線主設備多個（需要仲裁）單個（無需仲裁）分離事務采用不用定時方式同步異步6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

(1)

分離事務總線在有多個主設備時，總線通過數據打包來提高總線帶寬，而不必在整個傳輸過程中都占有總線。地址地址1地址2地址3數據數據0數據1等待等待1完成1

6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

(2)同步總線同步總線上所有設備通過統一的總線系統時鐘進行同步。

優點：成本低，因為它不需要設備之間互相確定時序的邏輯。

缺點：總線操作必須以相同的速度運行。(3)異步總線異步總線上的設備之間沒有統一的系統時鐘，設備自己內部定時。6.5I/O設備與CPU和/存儲器的連接

2.總線標準和實例幾種常用并行I/O總線IDE/UltraATASCSIPCIPCI-X數據寬度16bit8/16bit32/64bit32/64bit時鐘頻率MHz10010（Fast）20（Ultra）40（Ultra2）80（Ultra3）160（Ultra4）33/6666/100/133主設備數量一個多個多個多個峰值帶寬200MB/s320MB/s533MB/s1066MB/s同步方式異步異步同步同步標準無ANSIX3.131無無幾種常用串行I/O總線I2C1-wireRS-232SPI數據寬度（bit）1121信號線數量219/253時鐘頻率（MHz）0.4～10異步0.04或異步異步總線主設備數量多個多個多個多個峰值帶寬（Mb/s）0.4～3.40.0140.1921同步方式異步異步異步異步標準無無EIA,ITU-TV.21無6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

幾種CPU-存儲器互連系統HPHyperPlaneCrossbarIBMSPSUNGigaplane-XB數據寬度(bit)64128128時鐘頻率(MHz)12011183.3總線的主設備數多個多個多個每端口峰值帶寬(MB/s)96017001300總峰值帶寬(MB/s)76801420010667同步方式同步同步同步標準無無無6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

6.5.2設備的連接1.典型的總線連接CPUCache主存I/O控制器圖形顯示I/O控制器I/O控制器總線適配器網絡CPU－主存總線I/O總線6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

2.CPU尋址I/O設備的方式◆存儲器映射I/O或統一編址◆

I/O設備單獨編址無論選擇哪一種編址方法，每個I/O設備都提供狀態寄存器和控制寄存器。3.設備的連接和工作方式直接傳送、程序查詢、中斷、DMA、I/O處理機6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

4.程序控制、中斷和DMA方式管理外圍設備會引起兩個問題：◆所有外圍設備的I/O工作全部都要由CPU來 承擔，CPU的I/O負擔很重，不能專心于用 戶程序的計算。◆大型計算機系統中的外圍設備臺數雖然很 多，但是一般并不同時工作。

解決上述問題的方法：采用通道處理機6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

6.5.3通道通道處理機能夠負擔外圍設備的大部分I/O工作。通道處理機：能夠執行有限I/O指令，并且能夠被多臺外圍設備共享的小型DMA專用處理機。1.通道的功能6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

(1)接受CPU發來的I/O指令，根據指令要求選擇一臺指定的外圍設備與通道相連接。(2)執行CPU為通道組織的通道程序，從主存中取出通道指令，對通道指令進行譯碼，并根據需要向被選中的設備控制器發出各種操作命令。(3)給出外圍設備的有關地址，即進行讀／寫操作的數據所在的位置。

如磁盤存儲器的柱面號、磁頭號、扇區號等。6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

(4)給出主存緩沖區的首地址，這個緩沖區用來暫時存放從外圍設備上輸入的數據，或者暫時存放將要輸出到外圍設備中去的數據。(5)控制外圍設備與主存緩沖區之間數據交換的個數，對交換的數據個數進行計數，并判斷數據傳送工作是否結束。(6)指定傳送工作結束時要進行的操作。(7)檢查外圍設備的工作狀態，是正常或故障。根據需要將設備的狀態信息送往主存指定單元保存。6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

(8)在數據傳輸過程中完成必要的格式變換。

例如把字拆卸為字節，或者把字節裝配成字2.通道的主要硬件

(1)寄存器部分數據緩沖寄存器主存地址計數器傳輸字節數計數器通道命令字寄存器通道狀態字寄存器6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

(2)控制部分

分時控制地址分配數據傳送數據裝配拆卸3.通道對外圍設備的控制通過I/O接口和設備控制器進行

通道與設備控制器之間一般采用標準的I/O

接口來連接。6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

4.

工作過程

(1)在用戶程序中使用訪管指令進入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道。(2)通道處理機執行CPU為它組織的通道程序，完成指定的數據I/O工作。通道處理機執行通道程序是與CPU執行用戶程序并行的。(3)通道程序結束后向CPU發中斷請求。CPU響應這個中斷請求后，第二次進入操作系統，調用管理程序對I/O中斷請求進行處理。6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

5.

通道程序、管理程序和用戶程序的執行時間關系6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

6.通道種類

◆

通道分為三種類型

◆

三種類型的通道與CPU、設備控制器和外圍設備

的連接關系

字節多路通道選擇通道數組多路通道

6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

(1)字節多路通道

◆為多臺低速或中速的外圍設備服務；

◆采用分時方式工作，依靠它與CPU之間的高 速數據通路分時為多臺設備服務。(2)選擇通道◆為多臺高速外圍設備服務；◆傳送數據期間，通道只能為一臺高速外圍設 備服務，在不同時間內可以選擇不同設備。6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

(3)數組多路通道 ◆數組多路通道適于為高速設備服務； ◆每次選擇一個高速設備后傳送一個數據塊， 并輪流為多臺外圍設備服務；◆數組多路通道之所以能夠并行地為多個高 速外圍設備服務，是因為這些高速外圍設 備并不能在整個數據輸入輸出時間內單獨利用通道的全部傳輸能力。6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

7.通道中的數據傳送過程

(1)

字節多路通道的數據傳送過程

通道每連接一個外圍設備，只傳送一個字節，然后又與另一臺設備連接，并傳送一個字節。(2)

數組多路通道的數據傳送過程每連接一臺高速設備，傳送一個數據塊，傳送完成后，又與另一臺高速設備連接，再傳送一個數據塊。6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

(3)選擇通道的工作過程每連接一個外圍設備，就把這個設備的

n個字節全部傳送完成，然后再與另一臺設備相連接。8.通道中數據的傳送過程與流量分析

動畫演示

6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

(1)通道流量一個通道在數據傳送期間，單位時間內能夠傳送的最大數據量，一般用字節個數來表示。又稱為通道吞吐率，通道數據傳輸率等。(2)通道最大流量一個通道在滿負荷工作狀態下的流量。(3)流量計算公式6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

TS：設備選擇時間。

TD：傳送一個字節所用的時間。

p： 在一個通道上連接的設備臺數，且這些設備同時都在工作。

n:每臺設備傳送的字節數，這里假設每臺設備傳送的字節數都相同。

k：數組多路通道傳輸的一個數據塊中的包含的字節數。在一般情況下，k<n。對于磁盤、磁帶等磁表面存儲器，通常k=512。T：通道完成全部數據傳送工作所需時間。6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

◆流量計算公式

字節多路通道選擇通道數組多路通道6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

◆

最大流量字節多路通道

選擇通道數組多路通道6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

◆實際流量小于最大流量 字節多路通道 選擇通道 數組多路通道6.5I/O設備與CPU和存儲器的連接

6.6I/O系統性能分析

6.6.1I/O性能與系統響應時間1.I/O系統的性能分析模型模擬和實際測量的方法來衡量。◆對I/O系統建立模型后，可以使用排隊理論進 行分析。◆設計出來的I/O系統還可以通過基準測試程序 進行實際測量。第六章輸入/輸出系統2.衡量I/O系統的性能的標準◆

I/O系統的多樣性：哪些I/O設備可以和計算 機系統相連接。◆

I/O系統的容量：I/O系統可以容納多少I/O

設備。◆

I/O吞吐量有時也被稱為I/O帶寬。◆

I/O響應時間有時被稱為響應延遲。6.6I/O系統性能分析

3.一個簡單的生產服務模型生產者服務員隊列6.6I/O系統性能分析

4.吞吐量和響應時間

0501001502002503000%20%40%60%80%100%實際吞吐量/最大吞吐量響應時間（ms）6.6I/O系統性能分析

獲得較大吞吐率和較小響應時間是相互矛盾的，如何進行折衷是計算機體系結構要研究的問題。

051015圖形系統（0.3s）圖形系統（1s）鍵盤系統（0.3s）鍵盤系統（1s）時間（s）進入時間系統響應時間思考時間

鍵盤輸入系統和圖形輸入系統的事務處理時間6.6I/O系統性能分析

計算機的一次事務處理的時間被分為三個部分：

進入時間：用戶輸入命令的時間。

系統響應時間：用戶輸入命令后到計算機的響應結果被顯示出來的時間間隔。(3)思考時間：系統響應后到用戶開始輸入下一條命令的時間間隔。研究表明:用戶的工作效率與事務處理時間成反比，可以用單位時間內處理的事務數量來衡量工作效率。6.6I/O系統性能分析

6.6.2Little定律1.黑箱（BlackBox）黑箱到達任務離開任務穩定狀態：系統的輸入速率=輸出速率2.Little定律系統中的平均任務數＝到達率×平均響應時間6.6I/O系統性能分析

3.證明

假定對一個系統測量時間:Tobserve

統計在此期間:完成的任務數:Ntasks

每個任務的實際完成時間將這些時間求和得到Taccumulated6.6I/O系統性能分析

Little定律：系統中的平均任務數為到達率與平 均響應時間的乘積。observedaccumulateTT=平均任務數tasksdaccumulateNT=平均響應時間observetasksTN=任務到達率observetaskstasksdaccumulateobservedaccumulateTNNTTT=6.6I/O系統性能分析

6.6.3M/M/1排隊系統1.簡單的排隊系統I/O控制器及外設隊列服務員任務到達假定I/O請求的到達時間和服務員的服務時間服從指數分布。6.6I/O系統性能分析

2.排隊系統參數

S：任務的平均服務時間：任務的服務速率，=1/SW：平均排隊延遲

R：平均響應時間；R=S+W：任務的到達率：服務員利用率（服務強度），=/

ns：正在服務的平均任務數6.6I/O系統性能分析

nq：隊列的平均長度n：平均任務數，n=ns+nq；n=×Rm：服務員個數3.M/M/1排隊系統的一般假設◆系統為一個平衡系統；◆連續兩個到達請求的間隔時間服從指數分 布，其均值為平均到達時間；◆請求的個數不受限制；6.6I/O系統性能分析

◆隊列的長度不受限制，排隊規則為FIFO；◆系統只有一個服務員。4.若M/M/1模型的到達率為，服務率為，1個服務員。相關的分析結論有：◆系統服務強度=/◆系統中沒有任務的概率P0=1-◆系統中有n個任務的概率

Pn=(1-)*n，n=0,1,2,…,6.6I/O系統性能分析

◆系統中平均任務數量E(n)=/(1-)◆隊列中平均任務數E(nq)=2/(1-)◆系統平均響應時間E(R)=(1/)/(1-)◆任務在隊列中的平均等待時間E(W)=r-mr1/16.6I/O系統性能分析

例6.3某處理器每秒發出40次磁盤I/O請求，這些請求服從指數分布。 ①假定磁盤完成這些請求的服務時間服從均值 為20ms的指數分布。試計算磁盤的平均利用 率、請求在隊列中的平均等待時間以及磁盤 請求的平均響應時間。② 假定磁盤完成這些請求的服務時間服從均值 為10ms的指數分布，重新計算。6.6I/O系統性能分析

解①如果磁盤完成這些請求的服務時間服從均值為20ms的指數分布，則磁盤I/O請求的到達率=40(個/s)磁盤完成I/O請求的服務率=1/0.02=50(個/s)磁盤的平均利用率=/=40/50=0.8該系統可以用M/M/1排隊模型的結論，故：平均等待時間==－磁盤利用率磁盤利用率平均服務時間1)s(0808.018.002.0=-6.6I/O系統性能分析

平均響應時間=平均等待時間+平均服務時間=0.08+0.02=0.1(s)即：有80%的響應時間花費在隊列中等待②如果磁盤完成這些請求的服務時間服從均值為

10ms的指數分布，磁盤I/O請求的到達率=40(個/s)完成I/O請求的服務率=1/0.01=100(個/s)磁盤的平均利用率=/=40/100=0.46.6I/O系統性能分析

平均等待時間==平均響應時間=平均等待時間+平均服務時間=0.0067+0.01=0.0167(s)服務速率提高1倍，響應時間減少5/6。－磁盤利用率磁盤利用率平均服務時間1)s(0067.04.014.002.0=-6.6I/O系統性能分析

5.若M/M/m模型將M/M/1模型的服務員修改為m個，相關的分析結論有：◆系統服務強度=/(m*)◆系統中沒有任務的概率

P0=◆系統中有n個任務的概率

Pn=11m1nnm]!n)m()1(!m)m(1[--=?r+r-r+?????íì3r<rmn,!mmPmn,!n)m(Pnm0n06.6I/O系統性能分析

◆隊列中有顧客的概率

Pe=◆系統中平均任務數量E(n)=m+Pe/(1-)◆隊列中平均任務數E(nq)=Pe/(1-)◆系統平均響應時間

E(R)=

◆隊列中的平均等待時間E(W)=Pe/[m(1-)]

0mP)1(!m)m(r-r))1(mP1(1er-+m6.6I/O系統性能分析

例6.4在例6.3的基礎上，給磁盤I/O系統增加一個磁盤，該磁盤是另一個磁盤的鏡像，故訪問可以從任意一個磁盤上得到數據。假定對磁盤的I/O操作均為讀操作，重新計算。解使用兩個磁盤，該系統為M/M/2系統。磁盤I/O請求的到達率=40(個/s)

完成I/O請求的服務率=1/0.02=50(個/s)

磁盤的平均利用率

=(/)/2=0.4該系統可以用M/M/m排隊模型的結論：6.6I/O系統性能分析

系統中沒有任務的概率P0=395.0]8.0533.01[]!n)2()1(!2)2(1[1111nn2?++=r+r-r+-