計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第6章輸入輸出系統(tǒng).ppt

計算機系統(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)是計算機系統(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)的特點集中反映在異步性、實時性和與設(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)傳輸匹配實時性處理機必須實時地按照不同設(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、實時性及與設(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，有層次地實現(xiàn)I/O設(shè)備自治控制和對I/O設(shè)備進行分類處理，并針對不同的設(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，就是指能為多個功能部件服務(wù)的一組信息傳輸線，它是計算機中系統(tǒng)與系統(tǒng)之間或者各部件之間進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,通道處理機是一個獨立于CPU的專門I/O控制的處理機，控制設(shè)備與內(nèi)存直接進行數(shù)據(jù)交換。有自己的通道命令，可由CPU執(zhí)行相應(yīng)指令來啟動通道，并在操作結(jié)束時向CPU發(fā)出中斷信號。,通道處理機,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)束時要進行的操作；（8）將外圍設(shè)備的中斷請求和通道本身的中斷請求，按序及時報告CPU,通道處理機,通道的工作過程,通道處理機,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,字節(jié)多路通道,通道處理機,選擇通道,通道處理機,通道中的數(shù)據(jù)傳送過程字節(jié)多路通道連接P臺設(shè)備，每臺設(shè)備都傳送n個字節(jié)：TS：設(shè)備選擇時間。TD：傳送一個字節(jié)的時間。Ti：第i個數(shù)據(jù)的傳輸，i=1，2，n?？偣菜枰臅r間：TBYTE=（TS+TD）Pn,通道處理機,選擇通道連接P臺設(shè)備，每臺設(shè)備都傳送n個字節(jié)：TS：設(shè)備選擇時間。TD：通道傳送傳送一個字節(jié)的時間。總共所需要的時間：,通道處理機,數(shù)組多路通道連接P臺設(shè)備，每臺設(shè)備都傳送n個字節(jié)：TS：設(shè)備選擇時間。k：一個數(shù)據(jù)塊中的字節(jié)個數(shù)。TD：通道傳送傳送一個字節(jié)的時間。K:數(shù)據(jù)庫的大小。Ti：通道傳送第i次數(shù)據(jù)塊所用的時間，其中i=1，2，n/k?？偣菜枰臅r間：TBLOCK=,通道處理機,通道流量分析,通道處理機,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,外圍處理機,輸入/輸出處理機是能夠獨立承擔(dān)輸入/輸出工作的處理機。輸入/輸出處理機又稱為外圍處理機、I/O處理機、IOP、PPU,外圍處理機,輸入/輸出處理機的作用,外圍處理機,輸入/輸出處理機的種類共享主存儲器的輸入/輸出處理機和不共享主存儲器的輸入/輸出處理機合用同一個運算部件和指令控制部件的輸入/輸出處理機和獨立運算部件和指令控制部件的輸入/輸出處理機,外圍處理機,輸入/輸出處理機的組織形式多個輸入/輸出處理機從功能分工以輸入/輸出處理機作為主處理機采用與主處理機相同型號的處理機作為輸入/輸出處理機采用廉價的微處理機來專門承擔(dān)輸入/輸出任務(wù),外圍處理機,輸入輸出處理機實例,I/O性能評測,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)從某個初始參考點開始一直連續(xù)提供服務(wù)的能力，它通常用平均無故障時間（MeanTimeToFailure，MTTF）來衡量。系統(tǒng)中斷服務(wù)的時間用平均修復(fù)時間（MeanTimeToRepair，MTTR）來衡量。,I/O性能評測,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)正常工作的時間在連續(xù)兩次正常服務(wù)間隔時間中所占的比率。可用性=MTTF+MTTR通?？梢杂闷骄чg隔時間（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?？尚判耘c可靠性和可用性不同，它是不可以度量的。,I/O性能評測,I/O性能評測,I/O子系統(tǒng)性能衡量衡量的標(biāo)準(zhǔn)包括：計算機上能連接什么樣的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)還有訪問時間、數(shù)據(jù)傳送時間和出錯率。簡單的生產(chǎn)者服務(wù)器模型,I/O性能評測,吞吐率與響應(yīng)時間吞吐率少量提高會引起響應(yīng)時間快速增長；相反，響應(yīng)時間少量縮短會引起吞吐率快速降低。,I/O性能評測,I/O子系統(tǒng)的設(shè)計在設(shè)計I/O子系統(tǒng)時，必須綜合考慮各種設(shè)計目標(biāo)：性能、成本、可擴展性等。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。對于低成本系統(tǒng)，則著重考慮成本。,I/O性能評測,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I/O通道并行訪問多個磁盤的方法就成了很自然的想法，即并行I/O技術(shù),I/O性能評測,排隊論簡介基于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算整個I/O系統(tǒng)的響應(yīng)時間和吞吐率。這部分的研究稱為排隊論（queuingtheory）。把I/O系統(tǒng)視為黑盒,I/O性能評測,Little定律系統(tǒng)平均任務(wù)數(shù)到達速率平均響應(yīng)時間,I/O性能評測,I/O性能評測,獨立磁盤冗余陣列RAID,RAID是“RedundantArrayofIndependentDisk”的縮寫，中文意思是獨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的采用為存儲系統(tǒng)帶來巨大利益，其中提高傳輸速率和提供容錯功能是最大的優(yōu)點,獨立磁盤冗余陣列RAID,RAID的關(guān)鍵技術(shù)是對多臺磁盤機進行數(shù)據(jù)的同步控制冗余糾錯與容錯能力對提高磁盤系統(tǒng)的平均無故障時間非常重要RAID的一個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級別。不同RAID級別代表著不同的存儲性能、數(shù)據(jù)安全性和存儲成本,獨立磁盤冗余陣列RAID,RAID系統(tǒng)分級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磁盤上，允許并發(fā)讀/寫操作。,獨立磁盤冗余陣列RAID,RAIDl：鏡像磁盤冗余陣列,獨立磁盤冗余陣列RAID,RAID2：采用漢明碼糾錯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)置了幾個磁盤存放漢明碼糾錯信息，訪問時進行按位的出錯校驗。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：采用奇偶校驗冗余的磁盤陣列RAID3存在的最大一個不足是校驗盤很容易成為整個系統(tǒng)的瓶頸。對于那些經(jīng)常需要執(zhí)行大量寫入操作的應(yīng)用來說，校驗盤的負(fù)載將會很大，無法滿足程序的運行速度，從而導(dǎo)致整個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。,獨立磁盤冗余陣列RAID,獨立磁盤冗余陣列RAID,RAID4：獨立傳送磁盤陣列與RAID3不同之處是它將數(shù)據(jù)按塊而不是按位交叉存儲在多個磁盤上，且校驗數(shù)據(jù)以塊為單位存放在一個校驗盤上。RAID5：另一種獨立傳送磁盤陣列與RAID4不同的是，奇偶校驗信息本身被拆分并依次存儲在每個盤上，避免了把所有奇偶信息存儲在一個獨立的奇偶盤上而導(dǎo)致的瓶頸。,獨立磁盤冗余陣列RAID,獨立磁盤冗余陣列RAID,RAID6：高效容錯的磁盤陣列采用兩級數(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，其最大特點是能實現(xiàn)兩個磁盤容錯，即有兩個磁盤出故障時仍能正常工作。,獨立磁盤冗余陣列RAID,還有一些基本RAID級別的組合形式，如RAIDl0、RAID0l、RAID50RAIDl0是先組織成鏡像備份的RAIDl，再將兩個RAIDl組織成擴展容量的RAID0。RAID01則先組織成RAID0，再組成RAIDl。,獨立磁盤冗余陣列RAID,獨立磁盤冗余陣列RAID,RAID各級別的比較,