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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),第六章輸入輸出系統(tǒng),輸入輸出系統(tǒng)概述,輸入/輸出系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最具多樣性和復(fù)雜性的部分。輸入/輸出系統(tǒng)的復(fù)雜性一般隱藏在操作系統(tǒng)之中。輸入/輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)集中反映在異步性、實(shí)時(shí)性和與設(shè)備無關(guān)性上。,輸入輸出系統(tǒng)概述,異步性數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)傳輸匹配實(shí)時(shí)性處理機(jī)必須實(shí)時(shí)地按照不同設(shè)備所要求的傳送方式和傳送速率為輸入/輸出設(shè)備服務(wù)與設(shè)備無關(guān)性為了能夠適應(yīng)各種外設(shè)的要求，需要制定統(tǒng)一的獨(dú)立于具體設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)，包括物理接口和軟件接口，使得應(yīng)用程序可以依據(jù)這一接口訪問或支持各種I/O設(shè)備。,輸入輸出系統(tǒng)概述,解決I/O系統(tǒng)的異步性、實(shí)時(shí)性及與設(shè)備無關(guān)性的問題的基本方法是采用層次結(jié)構(gòu)組織I/O設(shè)備，有層次地實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備自治控制和對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行分類處理，并針對(duì)不同的設(shè)備采用不同的輸入/輸出方式。,基本的輸入/輸出方式,程序直接控制的輸入/輸出方式中斷方式DMA方式,總線,總線，就是指能為多個(gè)功能部件服務(wù)的一組信息傳輸線，它是計(jì)算機(jī)中系統(tǒng)與系統(tǒng)之間或者各部件之間進(jìn)行信息傳送的公共通路?？偩€和與其相配合的附屬控制電路統(tǒng)稱為總線系統(tǒng)。專用總線和非專用總線,總線,基于PCI總線的I/O系統(tǒng)基于通道總線的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu),總線,同步通信和異步通信總線的連接方式雙總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu),通道處理機(jī),通道處理機(jī)是一個(gè)獨(dú)立于CPU的專門I/O控制的處理機(jī)，控制設(shè)備與內(nèi)存直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。有自己的通道命令，可由CPU執(zhí)行相應(yīng)指令來啟動(dòng)通道，并在操作結(jié)束時(shí)向CPU發(fā)出中斷信號(hào)。,通道處理機(jī),三種基本輸入/輸出方式存在的問題CPU的輸入/輸出負(fù)擔(dān)很重通道的主要功能（1）接受CPU的指令，按指令要求與指定的外圍設(shè)備進(jìn)行通信；（2）從內(nèi)存讀取屬于該通道的指令，執(zhí)行通道程序；（3）檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，是正常還是故障；（4）組織外圍設(shè)備和內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并根據(jù)需要提供數(shù)據(jù)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；（5）在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成必要的格式轉(zhuǎn)換；（6）從外圍設(shè)備得到設(shè)備的狀態(tài)信息，形成并保存為通道本身的狀態(tài)信息，根據(jù)要求將這些狀態(tài)信息送到內(nèi)存的指定單元，供CPU使用；（7）指定傳送工作結(jié)束時(shí)要進(jìn)行的操作；（8）將外圍設(shè)備的中斷請求和通道本身的中斷請求，按序及時(shí)報(bào)告CPU,通道處理機(jī),通道的工作過程,通道處理機(jī),通道的種類字節(jié)多路通道選擇通道數(shù)組多路通道,通道處理機(jī),字節(jié)多路通道,通道處理機(jī),選擇通道,通道處理機(jī),通道中的數(shù)據(jù)傳送過程字節(jié)多路通道連接P臺(tái)設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備都傳送n個(gè)字節(jié)：TS：設(shè)備選擇時(shí)間。TD：傳送一個(gè)字節(jié)的時(shí)間。Ti：第i個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸，i=1，2，…，n?？偣菜枰臅r(shí)間：TBYTE=（TS+TD）Pn,通道處理機(jī),選擇通道連接P臺(tái)設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備都傳送n個(gè)字節(jié)：TS：設(shè)備選擇時(shí)間。TD：通道傳送傳送一個(gè)字節(jié)的時(shí)間?？偣菜枰臅r(shí)間：,通道處理機(jī),數(shù)組多路通道連接P臺(tái)設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備都傳送n個(gè)字節(jié)：TS：設(shè)備選擇時(shí)間。k：一個(gè)數(shù)據(jù)塊中的字節(jié)個(gè)數(shù)。TD：通道傳送傳送一個(gè)字節(jié)的時(shí)間。K:數(shù)據(jù)庫的大小。Ti：通道傳送第i次數(shù)據(jù)塊所用的時(shí)間，其中i=1，2，…，n/k?？偣菜枰臅r(shí)間：TBLOCK=,通道處理機(jī),通道流量分析,通道處理機(jī),為了保證通道能夠正常工作，不丟失數(shù)據(jù)，各種通道的實(shí)際流量應(yīng)該不大于通道的最大流量，即滿足下列不等式關(guān)系：,通道處理機(jī),外圍處理機(jī),輸入/輸出處理機(jī)是能夠獨(dú)立承擔(dān)輸入/輸出工作的處理機(jī)。輸入/輸出處理機(jī)又稱為外圍處理機(jī)、I/O處理機(jī)、IOP、PPU,外圍處理機(jī),輸入/輸出處理機(jī)的作用,外圍處理機(jī),輸入/輸出處理機(jī)的種類共享主存儲(chǔ)器的輸入/輸出處理機(jī)和不共享主存儲(chǔ)器的輸入/輸出處理機(jī)合用同一個(gè)運(yùn)算部件和指令控制部件的輸入/輸出處理機(jī)和獨(dú)立運(yùn)算部件和指令控制部件的輸入/輸出處理機(jī),外圍處理機(jī),輸入/輸出處理機(jī)的組織形式多個(gè)輸入/輸出處理機(jī)從功能分工以輸入/輸出處理機(jī)作為主處理機(jī)采用與主處理機(jī)相同型號(hào)的處理機(jī)作為輸入/輸出處理機(jī)采用廉價(jià)的微處理機(jī)來專門承擔(dān)輸入/輸出任務(wù),外圍處理機(jī),輸入輸出處理機(jī)實(shí)例,I/O性能評(píng)測,I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性反映外設(shè)可靠性能的參數(shù)有：可靠性（reliability）、可用性（availability）和可信性（dependability）。系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)從某個(gè)初始參考點(diǎn)開始一直連續(xù)提供服務(wù)的能力，它通常用平均無故障時(shí)間（MeanTimeToFailure，MTTF）來衡量。系統(tǒng)中斷服務(wù)的時(shí)間用平均修復(fù)時(shí)間（MeanTimeToRepair，MTTR）來衡量。,I/O性能評(píng)測,I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性系統(tǒng)的可用性是指系統(tǒng)正常工作的時(shí)間在連續(xù)兩次正常服務(wù)間隔時(shí)間中所占的比率?？捎眯?MTTF+MTTR通?？梢杂闷骄чg隔時(shí)間（MeanTimeBetweenFailure，MTBF）來代替。系統(tǒng)的可信性是指服務(wù)的質(zhì)量，即在多大程度上可以合理地認(rèn)為服務(wù)是可靠的。可信性與可靠性和可用性不同，它是不可以度量的。,,I/O性能評(píng)測,I/O性能評(píng)測,I/O子系統(tǒng)性能衡量衡量的標(biāo)準(zhǔn)包括：計(jì)算機(jī)上能連接什么樣的I/O設(shè)備，能連接多少I/O設(shè)備。此外，衡量輸入/輸出設(shè)備特性的指標(biāo)還有訪問時(shí)間、數(shù)據(jù)傳送時(shí)間和出錯(cuò)率。簡單的生產(chǎn)者—服務(wù)器模型,I/O性能評(píng)測,吞吐率與響應(yīng)時(shí)間吞吐率少量提高會(huì)引起響應(yīng)時(shí)間快速增長；相反，響應(yīng)時(shí)間少量縮短會(huì)引起吞吐率快速降低。,I/O性能評(píng)測,I/O子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)I/O子系統(tǒng)時(shí)，必須綜合考慮各種設(shè)計(jì)目標(biāo)：性能、成本、可擴(kuò)展性等。性能和成本是考慮的主要因素。測量性能的指標(biāo)是每秒傳送的兆字節(jié)數(shù)或每秒I/O操作數(shù)，取決于應(yīng)用的要求。對(duì)于高性能的系統(tǒng)，主要是設(shè)法提高I/O設(shè)備的速度、數(shù)據(jù)傳送的速度等。對(duì)于低成本系統(tǒng)，則著重考慮成本。,I/O性能評(píng)測,并行I/O基本原理在串行I/O無法滿足性能需求的情況，通過多個(gè)I/O通道并行訪問多個(gè)磁盤的方法就成了很自然的想法，即并行I/O技術(shù),I/O性能評(píng)測,排隊(duì)論簡介基于I/O事件的可能性特征以及I/O資源的共享性，我們可以給出一系列的簡單法則來計(jì)算整個(gè)I/O系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和吞吐率。這部分的研究稱為排隊(duì)論（queuingtheory）。把I/O系統(tǒng)視為黑盒,I/O性能評(píng)測,Little定律系統(tǒng)平均任務(wù)數(shù)＝到達(dá)速率平均響應(yīng)時(shí)間,,,,I/O性能評(píng)測,I/O性能評(píng)測,獨(dú)立磁盤冗余陣列RAID,RAID是“RedundantArrayofIndependentDisk”的縮寫，中文意思是獨(dú)立冗余磁盤陣列冗余磁盤陣列技術(shù)誕生于1987年，由美國加州大學(xué)伯克利分校提出RAID的采用為存儲(chǔ)系統(tǒng)帶來巨大利益，其中提高傳輸速率和提供容錯(cuò)功能是最大的優(yōu)點(diǎn),獨(dú)立磁盤冗余陣列RAID,RAID的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)多臺(tái)磁盤機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步控制冗余糾錯(cuò)與容錯(cuò)能力對(duì)提高磁盤系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間非常重要RAID的一個(gè)主要措施是建立起熱備份（hotspare）的冗余磁盤從RAID0到RAID6這7種基本的RAID級(jí)別。不同RAID級(jí)別代表著不同的存儲(chǔ)性能、數(shù)據(jù)安全性和存儲(chǔ)成本,獨(dú)立磁盤冗余陣列RAID,RAID系統(tǒng)分級(jí)RAID0：非冗余的磁盤陣列RAID0把數(shù)據(jù)經(jīng)過條帶化均布在多個(gè)磁盤上，允許并發(fā)讀/寫操作。,獨(dú)立磁盤冗余陣列RAID,RAIDl：鏡像磁盤冗余陣列,獨(dú)立磁盤冗余陣列RAID,RAID2：采用漢明碼糾錯(cuò)冗余的磁盤陣列它將數(shù)據(jù)按位交叉，分別寫入不同的磁盤中，成倍地提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。陣列中專門設(shè)置了幾個(gè)磁盤存放漢明碼糾錯(cuò)信息，訪問時(shí)進(jìn)行按位的出錯(cuò)校驗(yàn)。它比鏡像磁盤陣列的冗余度小，但增加了漢明碼的編碼和解碼開銷，一般適合大量順序數(shù)據(jù)訪問。RAID3：采用奇偶校驗(yàn)冗余的磁盤陣列RAID3存在的最大一個(gè)不足是校驗(yàn)盤很容易成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。對(duì)于那些經(jīng)常需要執(zhí)行大量寫入操作的應(yīng)用來說，校驗(yàn)盤的負(fù)載將會(huì)很大，無法滿足程序的運(yùn)行速度，從而導(dǎo)致整個(gè)RAID系統(tǒng)性能的下降。因此，RAID3更適合于那些寫操作較少、讀操作較多的應(yīng)用環(huán)境，例如數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)器等。,獨(dú)立磁盤冗余陣列RAID,獨(dú)立磁盤冗余陣列RAID,RAID4：獨(dú)立傳送磁盤陣列與RAID3不同之處是它將數(shù)據(jù)按塊而不是按位交叉存儲(chǔ)在多個(gè)磁盤上，且校驗(yàn)數(shù)據(jù)以塊為單位存放在一個(gè)校驗(yàn)盤上。RAID5：另一種獨(dú)立傳送磁盤陣列與RAID4不同的是，奇偶校驗(yàn)信息本身被拆分并依次存儲(chǔ)在每個(gè)盤上，避免了把所有奇偶信息存儲(chǔ)在一個(gè)獨(dú)立的奇偶盤上而導(dǎo)致的瓶頸。,獨(dú)立磁盤冗余陣列RAID,獨(dú)立磁盤冗余陣列RAID,RAID6：高效容錯(cuò)的磁盤陣列采用兩級(jí)數(shù)據(jù)冗余和新的數(shù)據(jù)編碼以解決數(shù)據(jù)恢復(fù)問題，其最大特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)磁盤容錯(cuò)，即有兩個(gè)磁盤出故障時(shí)仍能正常工作。,獨(dú)立磁盤冗余陣列RAID,還有一些基本RAID級(jí)別的組合形式，如RAIDl0、RAID0l、RAID50RAIDl0是先組織成鏡像備份的RAIDl，再將兩個(gè)RAIDl組織成擴(kuò)展容量的RAID0。RAID01則先組織成RAID0，再組成RAIDl。,獨(dú)立磁盤冗余陣列RAID,獨(dú)立磁盤冗余陣列RAID,RAID各級(jí)別的比較,