計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：第六章 輸入輸出系統(tǒng)

1、第六章 輸入輸出系統(tǒng)主要介紹： 存儲輸入輸出系統(tǒng)； 磁盤存儲設(shè)備； 總線； 通道及通道處理機 I/O系統(tǒng)的設(shè)計第六章 輸入輸出系統(tǒng) 概述 輸入/輸出系統(tǒng)，又稱I/O系統(tǒng)，包括I/O設(shè)備和I/O設(shè)備與處理機的連接，是Von Neumann結(jié)構(gòu)計算機的四大組成部分之一?？煞譃榇鎯/O系統(tǒng)和通信I/O系統(tǒng)。本章只討論存儲I/O系統(tǒng)。 第六章 輸入輸出系統(tǒng) 功能1.對指定外部設(shè)備進行編址；2.連接好主存與指定外部設(shè)備之間的信息通路；3.完成在指定外部設(shè)備編址區(qū)和操作系統(tǒng)指定的主存之間進行所要求的信息傳輸；4.對所傳輸?shù)男畔⑦M行格式變換與校驗；5.外部設(shè)備之間的協(xié)調(diào)工作目的： 解決慢速的I/O系統(tǒng)與高

2、速的CPU的匹配問題 Amdahl定律的用例： 例6.1（P223）第六章 輸入輸出系統(tǒng)-概述有關(guān)問題：（1）I/O系統(tǒng)日益成為計算機系統(tǒng)性能的瓶頸；（2）計算機系統(tǒng)的差距主要是I/O系統(tǒng)的差距；（3）I/O系統(tǒng)的三個標(biāo)準(zhǔn)：成本、性能、容量；（4） 定量指標(biāo)：可連接性、容量、吞吐率、響應(yīng)時間（5）定性指標(biāo)：可連接性、可靠性、可用性、可行性第六章 輸入輸出系統(tǒng) 性能響應(yīng)時間： I/O處理時間+CPU處理時間(P222)連接特性：可連接設(shè)備種類 (P223)容量：可連接設(shè)備數(shù)量 (P223)吞吐率：單位時間內(nèi)I/O信息量 (P223)可靠性：持續(xù)服務(wù)能力 (P223)可用性：MTTF/(MTTF+

3、MTTR) (P223)可信性：服務(wù)質(zhì)量QoS (P223)第六章 輸入輸出系統(tǒng) 可靠性措施有效構(gòu)建方法：在系統(tǒng)構(gòu)建階段消除故障隱患 (P224)糾錯方法：在系統(tǒng)構(gòu)建中設(shè)置容錯和糾錯方法 (P224)第六章 輸入輸出系統(tǒng)故障、錯誤和失效故障：不正確引起故障錯誤：故障引起錯誤失效：錯誤引起失效故障原因： 1）硬件故障：設(shè)備失效產(chǎn)生的故障 2）設(shè)計故障：大部分是軟件引起的 3）操作故障：操作失誤引起的 4）環(huán)境故障：外界因素引起的第六章 輸入輸出系統(tǒng)故障、錯誤和失效的關(guān)系一個故障可能會導(dǎo)致一個或多個錯誤錯誤有潛在狀態(tài)和有效狀態(tài)；潛在狀態(tài)錯誤可被激活為有效狀態(tài)錯誤；有效狀態(tài)錯誤具有可逆性和傳遞性；如

4、果錯誤影響到部件正常服務(wù)時，部件就發(fā)生了失效；系統(tǒng)中所有部件的故障、錯誤和失效都存在這種關(guān)系第六章 輸入輸出系統(tǒng) 存儲設(shè)備-磁盤磁盤設(shè)備磁盤是最主要的后備存儲器，因為：（1）是虛擬存儲器技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，執(zhí)行程序時，磁盤作為交換緩沖區(qū)。（2）關(guān)機時，磁盤作為操作系統(tǒng)和所有應(yīng)用程序的非易失性駐留介質(zhì)。第六章 輸入輸出系統(tǒng) 存儲設(shè)備-磁盤一些概念：磁盤片轉(zhuǎn)速磁道扇區(qū)磁道間隙和扇區(qū)間隙磁頭臂和磁頭第六章 輸入輸出系統(tǒng)存儲設(shè)備磁盤性能公式： 訪問磁盤時間=尋道時間+旋轉(zhuǎn)時間+傳輸時間+控制器開銷（1）尋道時間：若要讀寫扇區(qū)磁盤控制器首先發(fā)出命令，將磁頭移動到包含有所需數(shù)據(jù)的磁道上，這個過程稱為“尋道”，

5、所需的時間稱為“尋道時間”。 廠家參數(shù)有：最小尋道時間、最大尋道時間、平均尋道時間。第六章 輸入輸出系統(tǒng)存儲設(shè)備（2）旋轉(zhuǎn)時間：所需扇區(qū)轉(zhuǎn)到磁頭之下所需的時間稱為旋轉(zhuǎn)時間。（3）傳輸時間：在磁頭下傳輸一個數(shù)據(jù)塊（通常是一個扇區(qū)）所花的時間。（4）控制器開銷：控制磁盤及磁盤與主存之間的數(shù)據(jù)傳輸，因此需要一部分時間。第六章 輸入輸出系統(tǒng) 存儲設(shè)備-磁盤冗余陣列磁盤陣列：使用多個磁盤的組合來代替一個大容量的磁盤磁盤陣列的并行性： 1）多個獨立的請求可以有多個獨立的磁盤并行處理； 2）如果一個請求需要訪問多個塊，就可以有多個磁盤來并行處理第六章 輸入輸出系統(tǒng) 存儲設(shè)備-磁盤冗余陣列磁盤陣列的特征： 1

6、）數(shù)據(jù)交叉存儲的粒度； 2）冗余數(shù)據(jù)的計算方法及存儲方式需要解決的問題： 1）如何計算冗余信息； 2）如何把冗余信息分布到磁盤陣列中 （集中式和分布式）； 3）校驗方式 第六章 輸入輸出系統(tǒng) 存儲設(shè)備-磁盤冗余陣列磁盤陣列（RAID）（1）RAID0：數(shù)據(jù)分塊，把數(shù)據(jù)分布在多個盤上，無冗余信息。data0data1data2data3data4data5data6data7data8data9data10data11data12data13data14data15第六章 輸入輸出系統(tǒng)存儲設(shè)備-磁盤冗余陣列磁盤陣列（RAID）（2）RAID1：鏡像磁盤，使用雙備份磁盤。data0data4dat

7、a8data12data1data5data9data13data2data6data10data14data3data7data11data15data0data4data8data12data1data5data9data13data2data6data10data14data3data7data11data15第六章 輸入輸出系統(tǒng)存儲設(shè)備-磁盤冗余陣列磁盤陣列（RAID）（3）RAID2：位交叉式海明編碼陣列。a0b0c0d0a1b1c1d1a2b2c2d2a3b3c3d3f0(a)f0(b)f0(c)f0(d)f1(a)f1(b)f1(c)f1(d)f2(a)f2(b)f2(c)f2(

8、d)第六章 輸入輸出系統(tǒng)存儲設(shè)備-磁盤冗余陣列磁盤陣列（RAID）（4）RAID3：位交叉奇偶校驗磁盤陣列。將磁盤分組，讀寫要訪問組中所有盤，每組中有一個盤作為校驗盤。a0b0c0d0a1b1c1d1a2b2c2d2a3b3c3d3P(a)P(b)P(c)P(d)第六章 輸入輸出系統(tǒng)存儲設(shè)備-磁盤冗余陣列磁盤陣列（RAID）（5）RAID4：塊交叉奇偶校驗磁盤陣列。數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤，冗余的奇偶校驗信息存在一臺專用盤上。block0block4block8block12block1block5block9block13block2block6block10block14block3bl

9、ock7block11block15P(03)P(47)P(811)P(1215)第六章 輸入輸出系統(tǒng)存儲設(shè)備-磁盤冗余陣列磁盤陣列（RAID）（6）RAID5：塊交叉分布式奇偶校驗磁盤陣列。數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤，冗余的奇偶校驗信息均勻地分布在所有磁盤上。block7block0block4block8block12block1block5block9P(1215)block2block6P(811)block13block3P(47)block10block14P(03)block11block15P(1619)block16block17block18block19第六章 輸入輸出系

10、統(tǒng)存儲設(shè)備-磁盤冗余陣列磁盤陣列（RAID）（7）RAID6：雙維奇偶校驗獨立存取磁盤陣列。數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤，冗余的奇偶校驗信息均勻地分布在所有磁盤上。并且每次寫入數(shù)據(jù)都要訪問一個數(shù)據(jù)盤和兩個校驗盤，容忍雙盤出錯。block0block4block8block12block1block5block9P(1215)block2block6P(811)Q(1215)block3P(47)Q(811)block13P(1619)Q(1619)block16block17P(03)Q(47)block10block14block18Q(03)block7block11block15block

11、19第六章 輸入輸出系統(tǒng)存儲設(shè)備-磁盤冗余陣列磁盤陣列（RAID）（8）RAID10（ RAID1+0 ）： 先鏡像（ RAID1）后條帶（RAID0）（9）RAID01（ RAID0+1 ）： 先條帶（RAID0）后鏡像（ RAID1）第六章 輸入輸出系統(tǒng)總線 總線是一種統(tǒng)一的接口，它將許多子系統(tǒng)連接起來，例如：存儲器、CPU、I/O設(shè)備等。總線是多個子系統(tǒng)之間共享的通信連路。 總線的優(yōu)點：低成本和多樣性。 總線的缺點：必須獨占，信息交換的瓶頸，限制了系統(tǒng)中總的I/O通信量。第六章 輸入輸出系統(tǒng)總線總線分類1.按用途來分：CPU存儲器總線、I/O總線。(P234-235)2.按設(shè)備定時方式分

12、：同步總線和異步總線。 (P235)第六章 輸入輸出系統(tǒng)總線同步定時方式和異步定時方式的優(yōu)缺點： 同步總線很少甚至不需要附加邏輯電路來決定下一步的動作，所以快且便宜。主要缺點是：一是在總線上所有操作都要以同樣的時鐘速率進行；二是時鐘長時間傳輸會發(fā)生漂移，所以總線距離短。 異步總線沒有統(tǒng)一的時鐘，總線上的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備采用握手協(xié)議?？梢詽M足大量不同類型設(shè)備的連接，傳輸距離較長。第六章 輸入輸出系統(tǒng)總線設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備數(shù)據(jù)和地址時鐘簡單同步總線示意圖由于總線是共享的，所以總線必須有仲裁器，仲裁總線上設(shè)備對總線使用的請求。通過仲裁，分配總線使用權(quán)。只有獲得總線使用權(quán)的設(shè)備才能夠在總線上傳送信息。

13、第六章 輸入輸出系統(tǒng)總線同步總線時序第六章 輸入輸出系統(tǒng)總線異步總線時序第六章 輸入輸出系統(tǒng)總線總線使用時鐘地址數(shù)據(jù)讀等待典型的總線讀操作第六章 輸入輸出系統(tǒng)總線總線的三個常用的參數(shù)：（1）Tp:總線信號傳輸延遲。在總線上的每一個設(shè)備都取得和識別一個信號需要的最大時間。（2）Tsk：響應(yīng)其他設(shè)備的最大時間，這個參數(shù)在同步總線中是一個重要參數(shù)。（3）Top：設(shè)備的操作時間。第六章 輸入輸出系統(tǒng)總線選擇高性能低價格總線寬度獨立的地址和數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用數(shù)據(jù)和地址總線數(shù)據(jù)總線寬度越寬越快（64/128位）越窄越便宜傳輸塊大小塊越大總線開銷越小每次傳送單字總線主設(shè)備多個（需要仲裁）單個（無需仲裁）分離處

14、理采用不用定時方式同步異步總線的主要可選特性第六章 輸入輸出系統(tǒng)總線地址地址1地址2地址3數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1等待1完成1等待分離處理：在有多個主設(shè)備時，總線可以通過數(shù)據(jù)打包來提高總線帶寬，這樣就不必在整個傳輸過程中都占有總線。對于讀操作來說：讀操作分為兩部分，一個是包含地址的讀請求，一個是包含數(shù)據(jù)的存儲器應(yīng)答，每個操作都必須標(biāo)記清楚，以便CPU和存儲器可以識別。第六章 輸入輸出系統(tǒng)總線地址數(shù)據(jù)讀/寫請求認(rèn)可主設(shè)備確認(rèn)地址主設(shè)備確認(rèn)數(shù)據(jù)第六章 輸入輸出系統(tǒng)總線設(shè)備的連接 I/O設(shè)備一般連接到I/O總線上。 設(shè)備的連接和工作方式分為：直接傳送、程序查詢、中斷、DMA、I/O處理機等。 I/O設(shè)備的尋

15、址方式：存儲器映射I/O、獨立編址I/O。 I/O設(shè)備都有提供狀態(tài)和控制信息的寄存器。第六章 輸入輸出系統(tǒng)總線 輪詢I/O：CPU需要不斷監(jiān)測狀態(tài)位以確定是否該進行下一個I/O操作。 中斷驅(qū)動I/O：允許CPU在等待I/O設(shè)備操作時運行其它進程。 DMA：允許在沒有CPU干預(yù)的情況下傳輸多個字節(jié)。 I/O處理機：I/O處理機根據(jù)固定的程序或者從操作系統(tǒng)裝入程序來執(zhí)行操作。第六章 輸入輸出系統(tǒng)通道處理機通道的作用和功能 三種基本的I/O方式的兩個缺點：（1）所有外圍設(shè)備的I/O工作全部都要由CPU來承擔(dān)，CPU的I/O負(fù)擔(dān)很重，影響用戶程序的計算。（2）對于大型系統(tǒng)來說，外圍設(shè)備很多，如果為每一

16、臺設(shè)備都配置一個接口，是一種浪費。第六章 輸入輸出系統(tǒng)通道處理機大型計算機系統(tǒng)中I/O系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)：計算機系統(tǒng)通道設(shè)備控制器外圍設(shè)備通道的功能：（1）接受CPU發(fā)來的I/O指令，根據(jù)指令要求選擇一臺指定的外圍設(shè)備與通道相連接；（2）執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序，從主存中取出通道指令，對通道指令進行譯碼，并根據(jù)需要向被選中的設(shè)備控制器發(fā)出各種操作命令；第六章 輸入輸出系統(tǒng)通道處理機（3）給出外圍設(shè)備的有關(guān)地址，即進行讀/寫操作的數(shù)據(jù)所在的位置；（4）給出主存緩沖區(qū)的首地址；（5）控制外圍設(shè)備與主存緩沖區(qū)之間數(shù)據(jù)交換的個數(shù)；（6）指定傳送工作結(jié)束時要進行的操作；（7）檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)是正

17、常還是故障；（8）在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成必要的格式變換。第六章 輸入輸出系統(tǒng)通道處理機通道的工作過程（1）在用戶程序中使用訪管指令進入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道；（2）通道處理機執(zhí)行CPU為其組織的通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)I/O工作；同時CPU返回去執(zhí)行用戶程序。（3）通道程序結(jié)束后向CPU發(fā)出中斷請求。CPU響應(yīng)這個中斷請求后，第二次進入操作系統(tǒng)，調(diào)用管理程序?qū)/O中斷請求進行處理。第六章 輸入輸出系統(tǒng)通道處理機用戶程序訪管入口OC設(shè)備號OC交換長度OC主存起始地址廣義指令和參數(shù)管理程序置通道地址字啟動I/O訪管編制通道程序通道程序斷開通道指令中斷處理程序I/

18、O中斷響應(yīng)I/O中斷返回第六章 輸入輸出系統(tǒng)通道處理機時間CPU運行用戶程序請求I/O訪管指令CPU運行管理程序編制通道程序通道運行存放在主存中的通道程序組織I/O操作向CPU發(fā)中斷請求響應(yīng)I/O中斷請求登記或處理第六章 輸入輸出系統(tǒng)通道處理機通道種類 字節(jié)多路通道、選擇通道、數(shù)組多路通道。（1）字節(jié)多路通道 共享通道，連接多臺低速或中速外設(shè)。分時為多臺外設(shè)服務(wù)。工作方式有：字節(jié)交叉方式和成組方式。（2）數(shù)組多路通道 連接多臺高速設(shè)備，設(shè)備傳送速率高，但尋址等輔助操作時間很長。一臺高速設(shè)備在傳送數(shù)據(jù)時，可以有多臺高速設(shè)備在進行尋址等輔助操作時間，即多臺高速設(shè)備的輔助操作時間可以重疊。第六章 輸

19、入輸出系統(tǒng)通道處理機（3）選擇通道 為一臺高速外設(shè)服務(wù)，一旦選擇某一設(shè)備，通道就進入忙狀態(tài)，直到該設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸工作結(jié)束為止。它逐個為物理上連接的幾臺高速外圍設(shè)備服務(wù)。第六章 輸入輸出系統(tǒng)通道處理機CPU主存選擇通道通道總線磁盤控制器磁盤控制器磁盤磁盤字節(jié)多路通道通道總線設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備設(shè)備數(shù)組多路通道通道總線設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備設(shè)備第六章 輸入輸出系統(tǒng)通道處理機通道中數(shù)據(jù)傳輸過程一些參數(shù)：（1）TS：設(shè)備選擇時間。（2）TD：傳送一個字節(jié)所用時間。（3）P：在一個通道上連接的設(shè)備臺數(shù)，且它們同時都在工作。（4）n：每一個設(shè)備傳送的字節(jié)個數(shù)，假設(shè)每臺設(shè)備傳送的字節(jié)個數(shù)相等。（5）D

20、ij：第i臺設(shè)備傳送的第j個數(shù)據(jù)（1iP； 1jn）。（6）T：通道完成全部數(shù)據(jù)傳送所需要的時間。第六章 輸入輸出系統(tǒng)通道處理機字節(jié)多路通道的數(shù)據(jù)傳送過程TSTDD11TSTDD21TSTDDp1TSTDD12TSTDD22TSTDDp2TSTDD1nTSTDD2nTSTDDpnT第六章 輸入輸出系統(tǒng)通道處理機字節(jié)多路通道傳輸時間：數(shù)組多路通道傳輸時間： TBLOCK=（TS/k+TD）Pn選擇通道傳輸時間： TSELECT=（TS/n+TD）PnTBYTE=(TS+TD)pn第六章 輸入輸出系統(tǒng)通道處理機通道流量分析：三種通道的最大流量：fMAX_BYTE=1/(TS+TD)fMAX_BLO

21、CK=1/(TS/k+TD)fMAX_SELECT=1/(TS/n+TD)各通道的實際流量：第六章 輸入輸出系統(tǒng)I/O與操作系統(tǒng)I/O和Cache數(shù)據(jù)一致性 數(shù)據(jù)不一致性問題有兩個方面：（1）存儲器中可能不是CPU產(chǎn)生的最新數(shù)據(jù)，所以I/O系統(tǒng)從存儲器中取出來使用的是陳舊數(shù)據(jù)；（寫回法)（2）I/O與存儲器交換數(shù)據(jù)之后，在Cache中被CPU使用的是陳舊數(shù)據(jù)。（繞寫法）第六章 輸入輸出系統(tǒng)I/O與操作系統(tǒng)DMA和虛擬存儲器使用物理地址進行DMA，存在以下兩個問題：（1）對于超過一頁的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，由于緩沖區(qū)使用的頁面在物理存儲器中不一定是連續(xù)的，所以傳輸將會發(fā)生問題；（2）假設(shè)，DMA正在存儲器和幀緩沖器之間傳輸數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)從存儲器中移出一些頁面（或重新分配），DMA將會在存儲器中錯誤的頁面上傳輸數(shù)據(jù)。