chap6-输入输出系统

6.1引言6.2外部存储设备6.3可靠性、可用性和可信性6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

6.6I/O系统性能分析

6.7I/O与操作系统第六章输入/输出系统6.1引言

1.输入/输出系统简称I/O系统

包括：

2.I/O系统的重要性◆完成与外部系统的信息交换，是VonNeumann

结构计算机的重要组成部分之一。◆衡量指标

I/O设备

I/O设备与处理机的连接第六章输入/输出系统

响应时间（ResponseTime）

可靠性（Reliability）6.1.1I/O系统性能与CPU性能误区：使用多进程技术可以忽略I/O性能对系统性

能的影响。◆多进程技术只能够提高系统吞吐率，并不能

够减少系统响应时间。◆进程切换时可能需要增加I/O操作。6.1引言◆可切换的进程数量有限，当I/O处理较慢时， 仍然会导致CPU处于空闲状态。6.1引言

例6.1假设一台计算机的I/O处理占10％，当其CPU性能改进，而I/O性能保持不变时，系统总体性能会出现什么变化？

解：假设原来的程序执行时间为1个单位时间。如果CPU的性能提高10倍，程序的计算（包含I/O处理）时间为：

(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引言即整机性能只能提高约5倍，差不多有50％的CPU性能浪费在I/O上。如果CPU性能提高100倍，程序的计算时间为：

(1-10%)/100+10%=0.109而整机性能只能提高约10倍，表示有90％的性能浪费在没有改进的I/O上了。6.1引言6.1.2I/O系统的可靠性◆处理器性能已经很高，人们更加关注系统 可靠性。◆可信性是存储的基础可靠性可用性可信性6.1引言6.2外部存储设备

1.各种外部存储器的相似之处◆记录原理类似；◆作为计算机部件，均包括驱动机构；◆作为存储设备，均包括控制器及接口逻辑；◆均采用了自同步技术、定位和校正技术以及相 似的读写系统。2.目前常用的存储设备主要有磁盘、磁带、光盘等第六章输入/输出系统6.2.1磁盘设备1.磁盘占据着非挥发性存储器的主宰地位◆它是存储层次中主存的下一级存储层次，是 虚拟存储器技术的物质基础；◆它是操作系统和所有应用程序的驻留介质。2.分类◆软盘◆硬盘（主要介绍）6.2外部存储设备3.磁盘的结构组成

磁盘的盘片、磁道和扇区◆盘片盘片的数量：1～12片转速：3600～15000转盘径：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◆扇区：每道100～500个6.2外部存储设备盘片磁道扇间空隙扇区6.2外部存储设备4.磁盘的性能(1)访问时间

磁盘的工作过程：磁头首先移动到目标磁道上使期望的扇区旋转到磁头下读取扇区中的数据工作均在磁盘控制器的控制下完成磁盘访问时间=寻道时间+旋转时间+传输时间+控制器开销6.2外部存储设备(2)磁盘容量磁盘容量与盘片数量和单碟容量有关。

◆受工业标准的限制，硬盘中能安装的盘片数 目有限：3～4片

◆提高单碟容量的途径有两个：提高道密度和提高位密度目前的单碟容量几乎都在20GB以上，主流3.5英寸硬盘的单碟容量已经达到了80GB。6.2外部存储设备(3)数据传输率◆数据访问过程从盘面上读出的数据首先要送到磁盘缓冲存储器，再从缓冲存储器经过接口送到主机。◆外部传输率突发数据传输率计算机通过磁盘接口从硬盘的缓存中将数

据读出，交给相应的控制器的速度。外部数据传输率和磁盘的接口有关6.2外部存储设备◆内部传输率硬盘持续传输率硬盘将数据从盘片上读取出，交给硬盘上的缓冲存储器的速度；内部传输率等于磁头相对磁盘的线速度与磁 盘位密度之积。◆提高内部传输率提高转速提高记录密度：局部响应最大似然PRML技术6.2外部存储设备(4)磁盘Cache◆可以弥补磁盘和主存之间的速度差距◆利用被访问数据的局部性原理时间局部性空间局部性◆磁盘Cache的管理和实现一般由硬件和软件共同完成6.2外部存储设备◆磁盘容量的提高通常用面密度来衡量

面密度为单位面积可以记录的数据位数

面密度＝磁盘面的道密度×磁道的位密度◆容量不断提升，每位价格不断下降。5.磁盘的发展6.2外部存储设备图6.1磁盘价格的变化6.2外部存储设备◆

“访问时间差距”问题

磁盘的性能价格比高于主存，但访问速度却要低得多，换句话说，性能价格比与速度要求差距太大。6.2外部存储设备图6.2磁盘和半导体存储器之间的访问时间差距6.2外部存储设备6.2.2Flash存储器◆工作原理同E2PROM，容量比E2PROM大。◆与磁盘相比的主要特点：功耗小（≤50mw）

尺寸小提供与DRAM相仿的访问速度价格高◆Flash存储器的组织与其存储位元有关6.2外部存储设备6.2.3磁带设备

磁盘和磁带在性能价格比上的差异主要取决于它们的机械构成。◆磁盘盘片具有有限的存储面积，并且存储介 质被封装在每个读部件内，提供ms级的随机 访问；◆磁带绕在可转动轴上，一个读部件可以使用 多盘磁带(没有长度限制)，但磁带需要顺序 访问，每次访问都可能需要较长的反绕、6.2外部存储设备退出和加载时间，等待时间较长(数秒)。1.磁带◆优点：容量大、技术成熟、单位价格低◆缺点：访问时间较长◆用途：磁带成为磁盘的备份技术◆发展采用数据压缩技术，提高记录密度和数据传输率；6.2外部存储设备采用螺旋扫描技术，提高性能价格比和可靠性；采用自动管理磁带的大容量磁带库。2.螺旋扫描技术◆螺旋扫描磁带（HelicalScanTapes）1963

年被索尼（SONY）公司首次使用◆主要特点磁带运动方向与磁记录方向成一定角度；磁鼓高速旋转，其它部件低速运转；具有较高的记录密度和数据传输率；6.2外部存储设备可以解决磁带线速度不稳定，抖动和易磨损等问题。3.自动磁带库◆通过机械手自动地安装和更换磁带，相当于又提供了一个新的存储器层次。◆优点：自动换带，加载速度快；单位数据的价格低；通过加大规模，进一步降低成本。◆缺点：带宽较低；可靠性差。6.2外部存储设备6.2.4光盘设备◆使用激光作为读出数据手段的设备，无论使用磁记录介质还是使用光记录介质。◆分类：

只读光盘（如CD-ROM、DVD-ROM等）

可写光盘（如CD-R、MO等）一次性写光盘CD-R或WORM可多次写光盘CD-RW或称为WMRM6.2外部存储设备1.光盘塔◆光盘塔实际上是多个CD-ROM放在一起，再加上相应的控制器和网络连接设备，构成一个网络存储设备。

◆许多光盘机通过标准接口(如SCSI)电缆连 接起来，一根典型的SCSI接口电缆可以连 接7台光盘机，用软件控制读写其中某一台◆优点：结构简单、造价低；读取光盘速度快。◆缺点：容量较小；手动换盘。6.2外部存储设备2.光盘库◆光盘库是一种能自动把机框中存放的许多片光盘选出并装入光盘机进行读写的设备。◆优点：存储量大，光盘自动更换。◆缺点：机械结构比较复杂，装卸光盘较慢。 只能同时支持几张光盘的在线访问。6.2外部存储设备3.光盘阵列◆阵列技术：将数据分布到多个光盘机中，并对数据的冗余信息加以存储。◆光盘阵列技术需要考虑一些特殊的问题光盘具有盘片可换的问题阵列管理软件的设计问题实现光盘阵列快速响应的关键技术之一

较大的缓存和优化的调度策略6.2外部存储设备6.3可靠性、可用性和可信性◆反映存储外设可靠性能的参数可靠性（Reliability）

可用性（Availability）

可信性（Dependability）◆与可靠性相关的三个术语故障（fault）

错误（error）

失效（failure）第六章输入/输出系统1.故障、错误和失效之间的关系(1)一个故障可能会导致一个或者多个错误；(2)错误通常具有以下特性◆错误在潜在状态和有效状态间相互转换；◆潜在的错误可能通过激活而有效；◆有效错误的影响可以传递，引起新的错误。(3)如果错误影响到部件正常的服务时，部件就发生了失效；(4)系统中的所有部件的故障、错误和失效均存在这样的关系。6.3可靠性、可用性和可信性2.故障的分类(1)按故障产生的原因分◆硬件故障：设备失效产生的故障◆设计故障◆操作故障：由于用户操作的失误引起的故障◆环境故障(2)按故障出现的周期分◆暂时性故障◆间歇性故障◆永久性故障6.3可靠性、可用性和可信性3.系统可靠性◆系统从初始状态开始一直提供服务的能力◆用平均无故障时间MTTF来衡量4.系统可用性◆系统正常工作时间在连续两次正常服务间隔时 间中所占的比率◆用MTTF/MTBF（平均失效间隔时间）来衡量5.系统可信性◆多大程度上可以合理地认为服务是可靠的◆可信性不可度量6.3可靠性、可用性和可信性例6.2假设磁盘子系统的组成部件和它们的MTTF如下：(1)磁盘子系统由10个磁盘构成，每个磁盘的MTTF为1000000小时；(2)1个SCSI控制器，其MTTF为500000小时；(3)1个不间断电源，其MTTF为200000小时；(4)1个风扇，其MTTF为200000小时；(5)1根SCSI连线，其MTTF为1000000小时；6.3可靠性、可用性和可信性假定每个部件的正常工作时间服从指数分布,即部件的工作时间与故障出现的概率无关；同时假定各部件的故障相互独立，试计算整个系统的MTTF。解：整个系统的失效率为：100000023100000012000001200000150000011000000110=++++×＝系统失效率6.3可靠性、可用性和可信性系统的MTTF为系统失效率的倒数，即：小时＝43500231000000MTTF=大约为5年。6.3可靠性、可用性和可信性6.提高系统可靠性的方法◆有效构建方法◆纠错方法

具体的说，可分为:故障避免技术故障容忍技术错误消除技术错误预报技术6.3可靠性、可用性和可信性6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

◆廉价磁盘冗余阵列

RedundantArrayofInexpensiveDisks◆独立磁盘冗余阵列

RedundantArrayofIndependentDisks◆简称盘阵列技术 1988年，Patterson教授首先提出。 ◆优点容量大、速度快、可靠性高、造价低廉第六章输入/输出系统1.各级RAID的结构特点RAID级数据磁盘数可正常工作的最多失效盘数检测磁盘数0非冗余8001镜像8182存储器式ECC8143位交叉奇偶校验8114块交叉奇偶校验8115块交叉分布奇偶校验8116P+Q冗余8227Cache+异步8222.各级RAID的共性◆

RAID由一组物理磁盘驱动器组成，操作系统视之为一个逻辑驱动器；◆数据分布在一组物理磁盘上；◆冗余信息被存储在冗余磁盘空间中，保证磁 盘在万一损坏时可以恢复数据；◆其中第2、3个特性在不同的RAID级别中的表 现不同，RAID0不支持第3个特性。6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

3.有关RAID的几个问题(1)关键问题：如何发现磁盘的失效

磁盘技术提供了故障检测操作的信息。(2)设计的另一个问题

如何减少平均修复时间MTTR

典型的做法：在系统中增加热备份盘

(3)热切换技术与热备份盘相关的一种技术6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

6.4.1RAID0◆数据分块，即把数据分布在多个盘上。◆非冗余阵列、无冗余信息。◆严格地说，它不属于RAID系列。MNOetc...IJKLEFGHABCD6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

阵列管理条带0条带1条带1条带2条带3条带4条带5条带6条带7条带8条带9条带10条带11条带0条带2条带3条带4条带5条带6条带7条带8条带9条带10条带11逻辑盘物理盘0物理盘1物理盘2物理盘3◆

RAID0中的数据映射6.4.2RAID1

亦称镜像盘，使用双备份磁盘。每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写到另一个冗余盘，形成信息的两份复制品。GGHHEEFFCCDDAABB==6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

1.RAID1的特点◆读性能好

RAID1的性能能够达到RAID0性能的两倍。◆写性能由写性能最差的磁盘决定。相对以后 各级RAID来说，RAID1的写速度较快。◆可靠性很高◆最昂贵的解决方法，物理磁盘空间是逻辑磁 盘空间的两倍。6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

2.RAID1中的镜像和分块如何相互作用？◆

RAID0+1

先分块后镜像MNOetc...IJKLEFGHABCDMNOetc...IJKLEFGHABCD6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

◆

RAID1+0

先镜像后分块NJFBOKGCetc...LHDMIEANJFBOKGCetc...LHDMIEA6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

6.4.3RAID21.位交叉式海明编码阵列2.各个数据盘上的相应位计算海明校验码，编码位被存放在多个校验（Ecc）磁盘的对应位上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3Ecc/AxEcc/BxEcc/CxEcc/DxEcc/AyEcc/ByEcc/CyEcc/DyEcc/AzEcc/BzEcc/CzEcc/Dz6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

3.RAID2特点◆并行存取，各个驱动器同步工作。◆使用海明编码来进行错误检测和纠正，数据 传输率高。◆需要多个磁盘来存放海明校验码信息，冗余 磁盘数量与数据磁盘数量的对数成正比。◆是一种在多磁盘易出错环境中的有效选择。 并未被广泛应用，目前还没有商业化产品。6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

6.4.4RAID31.位交叉奇偶校验盘阵列2.单盘容错并行传输：数据以位或字节交叉存储，奇偶校验信息存储在一台专用盘上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3A校验码B校验码C校验码D校验码校验码产生器位或字节6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

3.RAID3特点◆将磁盘分组，读写要访问组中所有盘，每 组中有一个盘作为校验盘。◆校验盘一般采用奇偶校验。◆简单理解：先将分布在各个数据盘上的一 组数据加起来，将和存放在冗余盘上。一 旦某一个盘出错，只要将冗余盘上的和减 去所有正确盘上的数据，得到的差就是出 错的盘上的数据。◆缺点：恢复时间较长。6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

4.RAID3读写特点假定：有4个数据盘和一个冗余盘◆读出数据，一共需要5次磁盘读操作；◆写数据需要3次磁盘读和2次磁盘写操作。D0'D0D1D2D3PD1D2D3P'D0'读操作读操作读操作写操作写操作异或6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

6.4.5RAID41.专用奇偶校验独立存取盘阵列2.数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘，奇偶校验信息存在一台专用盘上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3A校验码B校验码C校验码D校验码校验码产生器数据块6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

3.RAID4特点◆冗余代价与RAID3相同◆访问数据的方法与RAID3不同

在RAID3中，一次磁盘访问将对磁盘阵列 中的所有磁盘进行操作。

RAID4出现的原因：希望使用较少的磁盘参与操作，以使磁盘阵列可以并行进行多个数据的磁盘操作。6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

4.RAID4读写特点假定:有4个数据盘和一个冗余盘◆读出数据，对两个磁盘的两次读操作；◆写数据需要2次磁盘读和2次磁盘写操作。D0'D0D1D2D3PD1D2D3P'D0'读操作读操作写操作写操作异或异或6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

6.4.6RAID51.块交叉分布式奇偶校验盘阵列2.数据以块交叉的方式存于各盘，无专用冗余盘，奇偶校验信息均匀分布在所有磁盘上。6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

C4D44校验码E4A3C3D3A2B2D2A1B1C1A0B0C0D00校验码1校验码2校验码3校验码校验码产生器E1E2E3B46.4廉价磁盘冗余阵列RAID

3.RAID4和RAID5中的信息分布6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

6.4.7RAID61.双维奇偶校验独立存取盘阵列2.数据以块（块大小可变）交叉方式存于各盘，检、纠错信息均匀分布在所有磁盘上。

C2D3D校验码C1D2A2D1A1B1A0B0C00校验码1校验码B校验码3校验码校验码产生器B22校验码C校验码A校验码6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

3.RAID6特点◆写入数据要访问1个数据盘和2个冗余盘；◆可容忍双盘出错；◆存储开销是RAID5的两倍，RAID6的写过 程需要6次磁盘操作。6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

6.4.8RAID7◆采用Cache和异步技术的RAID6◆较高的响应速度和传输速率C0B0B1A0A1A2实时操作系统A校验码B校验码C校验码B2C1C26.4廉价磁盘冗余阵列RAID

6.4.9RAID的实现与发展1.实现盘阵列的方式主要有三种◆软件方式：阵列管理软件由主机来实现 优点：成本低 缺点：过多地占用主机时间，并且带宽指 标上不去。◆阵列卡方式：把RAID管理软件固化在I/O控制 卡上，从而可不占用主机时间，一般用于工作 站和PC机。6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

◆子系统方式：这是一种基于通用接口总线 的开放式平台，可用于各种主机平台和网 络系统。2.盘阵列技术研究的主要热点问题◆新型阵列体系结构；◆

RAID结构与其所记录文件特性的关系；◆在RAID冗余设计中，综合平衡性能、可靠性和开销的问题；◆超大型盘阵列在物理上如何构造和连结的问题。6.4廉价磁盘冗余阵列RAID

6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

1.通过接口将许多子系统连接起来2.接口使用得最多的就是总线3.输入输出方式◆直接传送◆程序查询◆中断◆

DMA◆通道第六章输入/输出系统6.5.1总线优点：低成本、多样性缺点：必须独占使用，造成了设备信息交换的瓶颈，从而限制了系统中总的I/O吞吐量。1.总线的设计6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

选择高性能低价格总线宽度独立的地址和数据总线分时复用数据和地址总线数据总线宽度越宽越快（例如：64位）越窄越便宜（例如：8位）传输块大小块越大总线开销越小每次传送单字总线主设备多个（需要仲裁）单个（无需仲裁）分离事务采用不用定时方式同步异步6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

(1)

分离事务总线在有多个主设备时，总线通过数据打包来提高总线带宽，而不必在整个传输过程中都占有总线。地址地址1地址2地址3数据数据0数据1等待等待1完成1

6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

(2)同步总线同步总线上所有设备通过统一的总线系统时钟进行同步。

优点：成本低，因为它不需要设备之间互相确定时序的逻辑。

缺点：总线操作必须以相同的速度运行。(3)异步总线异步总线上的设备之间没有统一的系统时钟，设备自己内部定时。6.5I/O设备与CPU和/存储器的连接

2.总线标准和实例几种常用并行I/O总线IDE/UltraATASCSIPCIPCI-X数据宽度16bit8/16bit32/64bit32/64bit时钟频率MHz10010（Fast）20（Ultra）40（Ultra2）80（Ultra3）160（Ultra4）33/6666/100/133主设备数量一个多个多个多个峰值带宽200MB/s320MB/s533MB/s1066MB/s同步方式异步异步同步同步标准无ANSIX3.131无无几种常用串行I/O总线I2C1-wireRS-232SPI数据宽度（bit）1121信号线数量219/253时钟频率（MHz）0.4～10异步0.04或异步异步总线主设备数量多个多个多个多个峰值带宽（Mb/s）0.4～3.40.0140.1921同步方式异步异步异步异步标准无无EIA,ITU-TV.21无6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

几种CPU-存储器互连系统HPHyperPlaneCrossbarIBMSPSUNGigaplane-XB数据宽度(bit)64128128时钟频率(MHz)12011183.3总线的主设备数多个多个多个每端口峰值带宽(MB/s)96017001300总峰值带宽(MB/s)76801420010667同步方式同步同步同步标准无无无6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

6.5.2设备的连接1.典型的总线连接CPUCache主存I/O控制器图形显示I/O控制器I/O控制器总线适配器网络CPU－主存总线I/O总线6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

2.CPU寻址I/O设备的方式◆存储器映射I/O或统一编址◆

I/O设备单独编址无论选择哪一种编址方法，每个I/O设备都提供状态寄存器和控制寄存器。3.设备的连接和工作方式直接传送、程序查询、中断、DMA、I/O处理机6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

4.程序控制、中断和DMA方式管理外围设备会引起两个问题：◆所有外围设备的I/O工作全部都要由CPU来 承担，CPU的I/O负担很重，不能专心于用 户程序的计算。◆大型计算机系统中的外围设备台数虽然很 多，但是一般并不同时工作。

解决上述问题的方法：采用通道处理机6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

6.5.3通道通道处理机能够负担外围设备的大部分I/O工作。通道处理机：能够执行有限I/O指令，并且能够被多台外围设备共享的小型DMA专用处理机。1.通道的功能6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

(1)接受CPU发来的I/O指令，根据指令要求选择一台指定的外围设备与通道相连接。(2)执行CPU为通道组织的通道程序，从主存中取出通道指令，对通道指令进行译码，并根据需要向被选中的设备控制器发出各种操作命令。(3)给出外围设备的有关地址，即进行读／写操作的数据所在的位置。

如磁盘存储器的柱面号、磁头号、扇区号等。6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

(4)给出主存缓冲区的首地址，这个缓冲区用来暂时存放从外围设备上输入的数据，或者暂时存放将要输出到外围设备中去的数据。(5)控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数，对交换的数据个数进行计数，并判断数据传送工作是否结束。(6)指定传送工作结束时要进行的操作。(7)检查外围设备的工作状态，是正常或故障。根据需要将设备的状态信息送往主存指定单元保存。6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

(8)在数据传输过程中完成必要的格式变换。

例如把字拆卸为字节，或者把字节装配成字2.通道的主要硬件

(1)寄存器部分数据缓冲寄存器主存地址计数器传输字节数计数器通道命令字寄存器通道状态字寄存器6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

(2)控制部分

分时控制地址分配数据传送数据装配拆卸3.通道对外围设备的控制通过I/O接口和设备控制器进行

通道与设备控制器之间一般采用标准的I/O

接口来连接。6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

4.

工作过程

(1)在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道。(2)通道处理机执行CPU为它组织的通道程序，完成指定的数据I/O工作。通道处理机执行通道程序是与CPU执行用户程序并行的。(3)通道程序结束后向CPU发中断请求。CPU响应这个中断请求后，第二次进入操作系统，调用管理程序对I/O中断请求进行处理。6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

5.

通道程序、管理程序和用户程序的执行时间关系6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

6.通道种类

◆

通道分为三种类型

◆

三种类型的通道与CPU、设备控制器和外围设备

的连接关系

字节多路通道选择通道数组多路通道

6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

(1)字节多路通道

◆为多台低速或中速的外围设备服务；

◆采用分时方式工作，依靠它与CPU之间的高 速数据通路分时为多台设备服务。(2)选择通道◆为多台高速外围设备服务；◆传送数据期间，通道只能为一台高速外围设 备服务，在不同时间内可以选择不同设备。6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

(3)数组多路通道 ◆数组多路通道适于为高速设备服务； ◆每次选择一个高速设备后传送一个数据块， 并轮流为多台外围设备服务；◆数组多路通道之所以能够并行地为多个高 速外围设备服务，是因为这些高速外围设 备并不能在整个数据输入输出时间内单独利用通道的全部传输能力。6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

7.通道中的数据传送过程

(1)

字节多路通道的数据传送过程

通道每连接一个外围设备，只传送一个字节，然后又与另一台设备连接，并传送一个字节。(2)

数组多路通道的数据传送过程每连接一台高速设备，传送一个数据块，传送完成后，又与另一台高速设备连接，再传送一个数据块。6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

(3)选择通道的工作过程每连接一个外围设备，就把这个设备的

n个字节全部传送完成，然后再与另一台设备相连接。8.通道中数据的传送过程与流量分析

动画演示

6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

(1)通道流量一个通道在数据传送期间，单位时间内能够传送的最大数据量，一般用字节个数来表示。又称为通道吞吐率，通道数据传输率等。(2)通道最大流量一个通道在满负荷工作状态下的流量。(3)流量计算公式6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

TS：设备选择时间。

TD：传送一个字节所用的时间。

p： 在一个通道上连接的设备台数，且这些设备同时都在工作。

n:每台设备传送的字节数，这里假设每台设备传送的字节数都相同。

k：数组多路通道传输的一个数据块中的包含的字节数。在一般情况下，k<n。对于磁盘、磁带等磁表面存储器，通常k=512。T：通道完成全部数据传送工作所需时间。6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

◆流量计算公式

字节多路通道选择通道数组多路通道6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

◆

最大流量字节多路通道

选择通道数组多路通道6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

◆实际流量小于最大流量 字节多路通道 选择通道 数组多路通道6.5I/O设备与CPU和存储器的连接

6.6I/O系统性能分析

6.6.1I/O性能与系统响应时间1.I/O系统的性能分析模型模拟和实际测量的方法来衡量。◆对I/O系统建立模型后，可以使用排队理论进 行分析。◆设计出来的I/O系统还可以通过基准测试程序 进行实际测量。第六章输入/输出系统2.衡量I/O系统的性能的标准◆

I/O系统的多样性：哪些I/O设备可以和计算 机系统相连接。◆

I/O系统的容量：I/O系统可以容纳多少I/O

设备。◆

I/O吞吐量有时也被称为I/O带宽。◆

I/O响应时间有时被称为响应延迟。6.6I/O系统性能分析

3.一个简单的生产服务模型生产者服务员队列6.6I/O系统性能分析

4.吞吐量和响应时间

0501001502002503000%20%40%60%80%100%实际吞吐量/最大吞吐量响应时间（ms）6.6I/O系统性能分析

获得较大吞吐率和较小响应时间是相互矛盾的，如何进行折衷是计算机体系结构要研究的问题。

051015图形系统（0.3s）图形系统（1s）键盘系统（0.3s）键盘系统（1s）时间（s）进入时间系统响应时间思考时间

键盘输入系统和图形输入系统的事务处理时间6.6I/O系统性能分析

计算机的一次事务处理的时间被分为三个部分：

进入时间：用户输入命令的时间。

系统响应时间：用户输入命令后到计算机的响应结果被显示出来的时间间隔。(3)思考时间：系统响应后到用户开始输入下一条命令的时间间隔。研究表明:用户的工作效率与事务处理时间成反比，可以用单位时间内处理的事务数量来衡量工作效率。6.6I/O系统性能分析

6.6.2Little定律1.黑箱（BlackBox）黑箱到达任务离开任务稳定状态：系统的输入速率=输出速率2.Little定律系统中的平均任务数＝到达率×平均响应时间6.6I/O系统性能分析

3.证明

假定对一个系统测量时间:Tobserve

统计在此期间:完成的任务数:Ntasks

每个任务的实际完成时间将这些时间求和得到Taccumulated6.6I/O系统性能分析

Little定律：系统中的平均任务数为到达率与平 均响应时间的乘积。observedaccumulateTT=平均任务数tasksdaccumulateNT=平均响应时间observetasksTN=任务到达率observetaskstasksdaccumulateobservedaccumulateTNNTTT=6.6I/O系统性能分析

6.6.3M/M/1排队系统1.简单的排队系统I/O控制器及外设队列服务员任务到达假定I/O请求的到达时间和服务员的服务时间服从指数分布。6.6I/O系统性能分析

2.排队系统参数

S：任务的平均服务时间：任务的服务速率，=1/SW：平均排队延迟

R：平均响应时间；R=S+W：任务的到达率：服务员利用率（服务强度），=/

ns：正在服务的平均任务数6.6I/O系统性能分析

nq：队列的平均长度n：平均任务数，n=ns+nq；n=×Rm：服务员个数3.M/M/1排队系统的一般假设◆系统为一个平衡系统；◆连续两个到达请求的间隔时间服从指数分 布，其均值为平均到达时间；◆请求的个数不受限制；6.6I/O系统性能分析

◆队列的长度不受限制，排队规则为FIFO；◆系统只有一个服务员。4.若M/M/1模型的到达率为，服务率为，1个服务员。相关的分析结论有：◆系统服务强度=/◆系统中没有任务的概率P0=1-◆系统中有n个任务的概率

Pn=(1-)*n，n=0,1,2,…,6.6I/O系统性能分析

◆系统中平均任务数量E(n)=/(1-)◆队列中平均任务数E(nq)=2/(1-)◆系统平均响应时间E(R)=(1/)/(1-)◆任务在队列中的平均等待时间E(W)=r-mr1/16.6I/O系统性能分析

例6.3某处理器每秒发出40次磁盘I/O请求，这些请求服从指数分布。 ①假定磁盘完成这些请求的服务时间服从均值 为20ms的指数分布。试计算磁盘的平均利用 率、请求在队列中的平均等待时间以及磁盘 请求的平均响应时间。② 假定磁盘完成这些请求的服务时间服从均值 为10ms的指数分布，重新计算。6.6I/O系统性能分析

解①如果磁盘完成这些请求的服务时间服从均值为20ms的指数分布，则磁盘I/O请求的到达率=40(个/s)磁盘完成I/O请求的服务率=1/0.02=50(个/s)磁盘的平均利用率=/=40/50=0.8该系统可以用M/M/1排队模型的结论，故：平均等待时间==－磁盘利用率磁盘利用率平均服务时间1)s(0808.018.002.0=-6.6I/O系统性能分析

平均响应时间=平均等待时间+平均服务时间=0.08+0.02=0.1(s)即：有80%的响应时间花费在队列中等待②如果磁盘完成这些请求的服务时间服从均值为

10ms的指数分布，磁盘I/O请求的到达率=40(个/s)完成I/O请求的服务率=1/0.01=100(个/s)磁盘的平均利用率=/=40/100=0.46.6I/O系统性能分析

平均等待时间==平均响应时间=平均等待时间+平均服务时间=0.0067+0.01=0.0167(s)服务速率提高1倍，响应时间减少5/6。－磁盘利用率磁盘利用率平均服务时间1)s(0067.04.014.002.0=-6.6I/O系统性能分析

5.若M/M/m模型将M/M/1模型的服务员修改为m个，相关的分析结论有：◆系统服务强度=/(m*)◆系统中没有任务的概率

P0=◆系统中有n个任务的概率

Pn=11m1nnm]!n)m()1(!m)m(1[--=år+r-r+ïïîïïíì³r<rmn,!mmPmn,!n)m(Pnm0n06.6I/O系统性能分析

◆队列中有顾客的概率

Pe=◆系统中平均任务数量E(n)=m+Pe/(1-)◆队列中平均任务数E(nq)=Pe/(1-)◆系统平均响应时间

E(R)=

◆队列中的平均等待时间E(W)=Pe/[m(1-)]

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

例6.4在例6.3的基础上，给磁盘I/O系统增加一个磁盘，该磁盘是另一个磁盘的镜像，故访问可以从任意一个磁盘上得到数据。假定对磁盘的I/O操作均为读操作，重新计算。解使用两个磁盘，该系统为M/M/2系统。磁盘I/O请求的到达率=40(个/s)

完成I/O请求的服务率=1/0.02=50(个/s)

磁盘的平均利用率

=(/)/2=0.4该系统可以用M/M/m排队模型的结论：6.6I/O系统性能分析

系统中没有任务的概率P0=395.0]8.0533.01[]!n)2()1(!2)2(1[1111nn2»++=r+r-r+-