计算机系统结构第6章输入输出系统.ppt
计算机系统结构,第六章输入输出系统,输入输出系统概述,输入/输出系统是计算机系统中最具多样性和复杂性的部分。输入/输出系统的复杂性一般隐藏在操作系统之中。输入/输出系统的特点集中反映在异步性、实时性和与设备无关性上。,输入输出系统概述,异步性 数据缓冲 数据传输匹配实时性处理机必须实时地按照不同设备所要求的传送方式和传送速率为输入/输出设备服务 与设备无关性为了能够适应各种外设的要求，需要制定统一的独立于具体设备的接口标准，包括物理接口和软件接口，使得应用程序可以依据这一接口访问或支持各种I/O设备。,输入输出系统概述,解决I/O 系统的异步性、实时性及与设备无关性的问题的基本方法是采用层次结构组织I/O 设备，有层次地实现I/O 设备自治控制和对I/O 设备进行分类处理，并针对不同的设备采用不同的输入/输出方式。,基本的输入/输出方式,程序直接控制的输入/输出方式 中断方式DMA方式,总 线,总线，就是指能为多个功能部件服务的一组信息传输线，它是计算机中系统与系统之间或者各部件之间进行信息传送的公共通路。总线和与其相配合的附属控制电路统称为总线系统。专用总线和非专用总线,总 线,基于PCI总线的I/O系统 基于通道总线的I/O系统结构,总 线,同步通信和异步通信 总线的连接方式 双总线结构 三总线结构,通道处理机,通道处理机是一个独立于CPU的专门I/O控制的处理机，控制设备与内存直接进行数据交换。有自己的通道命令，可由CPU执行相应指令来启动通道，并在操作结束时向CPU发出中断信号。,通道处理机,三种基本输入/输出方式存在的问题 CPU 的输入/输出负担很重通道的主要功能（1）接受CPU 的指令，按指令要求与指定的外围设备进行通信；（2）从内存读取属于该通道的指令，执行通道程序；（3）检查外围设备的工作状态，是正常还是故障；（4）组织外围设备和内存之间进行数据传送，并根据需要提供数据缓存的空间，以及提供数据存入内存的地址和传送的数据量；（5）在数据传输过程中完成必要的格式转换；（6）从外围设备得到设备的状态信息，形成并保存为通道本身的状态信息，根据要求将这些状态信息送到内存的指定单元，供CPU 使用；（7）指定传送工作结束时要进行的操作；（8）将外围设备的中断请求和通道本身的中断请求，按序及时报告CPU,通道处理机,通道的工作过程,通道处理机,通道的种类 字节多路通道 选择通道 数组多路通道,通道处理机,字节多路通道,通道处理机,选择通道,通道处理机,通道中的数据传送过程字节多路通道连接P 台设备，每台设备都传送n 个字节：TS：设备选择时间。TD：传送一个字节的时间。Ti：第i个数据的传输，i=1，2，n。总共所需要的时间：TBYTE=（TS+TD）Pn,通道处理机,选择通道连接P台设备，每台设备都传送n个字节：TS：设备选择时间。TD：通道传送传送一个字节的时间。总共所需要的时间：,通道处理机,数组多路通道连接P台设备，每台设备都传送n个字节：TS：设备选择时间。k：一个数据块中的字节个数。TD：通道传送传送一个字节的时间。K:数据库的大小。Ti：通道传送第i次数据块所用的时间，其中i=1，2，n/k。总共所需要的时间：TBLOCK=,通道处理机,通道流量分析,通道处理机,为了保证通道能够正常工作，不丢失数据，各种通道的实际流量应该不大于通道的最大流量，即满足下列不等式关系：,通道处理机,外围处理机,输入/输出处理机是能够独立承担输入/输出工作的处理机。输入/输出处理机又称为外围处理机、I/O处理机、IOP、PPU,外围处理机,输入/输出处理机的作用,外围处理机,输入/输出处理机的种类共享主存储器的输入/输出处理机 和不共享主存储器的输入/输出处理机合用同一个运算部件和指令控制部件的输入/输出处理机 和独立运算部件和指令控制部件的输入/输出处理机,外围处理机,输入/输出处理机的组织形式 多个输入/输出处理机从功能分工 以输入/输出处理机作为主处理机 采用与主处理机相同型号的处理机作为输入/输出处理机 采用廉价的微处理机来专门承担输入/输出任务,外围处理机,输入输出处理机实例,I/O性能评测,I/O系统的可靠性、可用性和可信性 反映外设可靠性能的参数有：可靠性（reliability）、可用性（availability）和可信性（dependability）。系统的可靠性是指系统从某个初始参考点开始一直连续提供服务的能力，它通常用平均无故障时间（Mean Time To Failure，MTTF）来衡量。系统中断服务的时间用平均修复时间（Mean Time To Repair，MTTR）来衡量。,I/O性能评测,I/O系统的可靠性、可用性和可信性 系统的可用性是指系统正常工作的时间在连续两次正常服务间隔时间中所占的比率。可用性=MTTF+MTTR 通常可以用平均失效间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）来代替。系统的可信性是指服务的质量，即在多大程度上可以合理地认为服务是可靠的。可信性与可靠性和可用性不同，它是不可以度量的。,I/O性能评测,I/O性能评测,I/O子系统性能衡量 衡量的标准包括：计算机上能连接什么样的I/O设备，能连接多少I/O设备。此外，衡量输入/输出设备特性的指标还有访问时间、数据传送时间和出错率。简单的生产者服务器模型,I/O性能评测,吞吐率与响应时间 吞吐率少量提高会引起响应时间快速增长；相反，响应时间少量缩短会引起吞吐率快速降低。,I/O性能评测,I/O子系统的设计 在设计I/O子系统时，必须综合考虑各种设计目标：性能、成本、可扩展性等。性能和成本是考虑的主要因素。测量性能的指标是每秒传送的兆字节数或每秒I/O操作数，取决于应用的要求。对于高性能的系统，主要是设法提高I/O设备的速度、数据传送的速度等。对于低成本系统，则着重考虑成本。,I/O性能评测,并行I/O基本原理 在串行I/O无法满足性能需求的情况，通过多个I/O通道并行访问多个磁盘的方法就成了很自然的想法，即并行I/O技术,I/O性能评测,排队论简介 基于I/O事件的可能性特征以及I/O资源的共享性，我们可以给出一系列 的简单法则来计算整个I/O系统的响应时间和吞吐率。这部分的研究称为排队论（queuing theory）。把I/O系统视为黑盒,I/O性能评测,Little定律 系统平均任务数到达速率平均响应时间,I/O性能评测,I/O性能评测,独立磁盘冗余阵列RAID,RAID是“Redundant Array of Independent Disk”的缩写，中文意思是独立冗余磁盘阵列 冗余磁盘阵列技术诞生于1987年，由美国加州大学伯克利分校提出 RAID的采用为存储系统带来巨大利益，其中提高传输速率和提供容错功能是最大的优点,独立磁盘冗余阵列RAID,RAID的关键技术是对多台磁盘机进行数据的同步控制 冗余纠错与容错能力对提高磁盘系统的平均无故障时间非常重要 RAID的一个主要措施是建立起热备份（hot spare）的冗余磁盘 从RAID 0到RAID 6这7种基本的RAID级别。不同RAID级别代表着不同的存储性能、数据安全性和存储成本,独立磁盘冗余阵列RAID,RAID系统分级 RAID 0：非冗余的磁盘阵列 RAID 0 把数据经过条带化均布在多个磁盘上，允许并发读/写操作。,独立磁盘冗余阵列RAID,RAID l：镜像磁盘冗余阵列,独立磁盘冗余阵列RAID,RAID 2：采用汉明码纠错冗余的磁盘阵列 它将数据按位交叉，分别写入不同的磁盘中，成倍地提高了数据传输速率。阵列中专门设置了几个磁盘存放汉明码纠错信息，访问时进行按位的出错校验。它比镜像磁盘阵列的冗余度小，但增加了汉明码的编码和解码开销，一般适合大量顺序数据访问。RAID 3：采用奇偶校验冗余的磁盘阵列 RAID 3 存在的最大一个不足是校验盘很容易成为整个系统的瓶颈。对于那些经常需要执行大量写入操作的应用来说，校验盘的负载将会很大，无法满足程序的运行速度，从而导致整个RAID 系统性能的下降。因此，RAID 3 更适合于那些写操作较少、读操作较多的应用环境，例如数据库和Web 服务器等。,独立磁盘冗余阵列RAID,独立磁盘冗余阵列RAID,RAID 4：独立传送磁盘阵列 与 RAID 3 不同之处是它将数据按块而不是按位交叉存储在多个磁盘上，且校验数据以块为单位存放在一个校验盘上。RAID 5：另一种独立传送磁盘阵列 与RAID 4 不同的是，奇偶校验信息本身被拆分并依次存储在每个盘上，避免了把所有奇偶信息存储在一个独立的奇偶盘上而导致的瓶颈。,独立磁盘冗余阵列RAID,独立磁盘冗余阵列RAID,RAID 6：高效容错的磁盘阵列 采用两级数据冗余和新的数据编码以解决数据恢复问题，其最大特点是能实现两个磁盘容错，即有两个磁盘出故障时仍能正常工作。,独立磁盘冗余阵列RAID,还有一些基本RAID级别的组合形式，如RAID l0、RAID 0l、RAID 50 RAID l0是先组织成镜像备份的RAID l，再将两个RAID l组织成扩展容量的RAID 0。RAID 01则先组织成RAID 0，再组成RAID l。,独立磁盘冗余阵列RAID,独立磁盘冗余阵列RAID,RAID 各级别的比较,
