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 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 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。

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 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

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 通道的主要功能

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 通道中的数据传送过程 字节多路通道 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）·P·n

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：

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。

I/O性能评测 I/O系统的可靠性、可用性和可信性 可用性= 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。 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。 生产者 服务器 队列

I/O性能评测 吞吐率与响应时间

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 到达 离开

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

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

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 RAID 3：采用奇偶校验冗余的磁盘阵列

独立磁盘冗余阵列RAID RAID 4：独立传送磁盘阵列 RAID 5：另一种独立传送磁盘阵列

独立磁盘冗余阵列RAID RAID 6：高效容错的磁盘阵列

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