計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 蘭州大學(xué) chapt6課件

第6章計(jì)算機(jī)輸入/輸出系統(tǒng)1.引言2.輸入/輸出設(shè)備類型3.I/O子系統(tǒng)的控制方式4.總線

5.I/O子系統(tǒng)性能測量

6.總結(jié)

本章要點(diǎn)：介紹輸入/輸出設(shè)備類型、輸入/輸出子系統(tǒng)的控制方法、總線、輸入/輸出子系統(tǒng)性能測量冗余磁盤陣列(RAID)技術(shù)。1.

引言計(jì)算機(jī)輸入/輸出系統(tǒng)（通稱I/O系統(tǒng)），擔(dān)負(fù)著計(jì)算機(jī)與外界交換信息的任務(wù)。早在馮·諾依曼時(shí)代就被作為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分。然而許多年以來，I/O系統(tǒng)沒有得到足夠的重視，它只是被作為“外圍”設(shè)備看待。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者們重視的是用戶程序運(yùn)行的CPU時(shí)間，而I/O系統(tǒng)在程序執(zhí)行所化的時(shí)間無論是多是少，都作為一種額外的開銷而被忽略了。實(shí)際上，I/O系統(tǒng)的速度也是重要的。對(duì)用戶而言，他們感受的不是單純的CPU時(shí)間，而是程序的執(zhí)行時(shí)間（executiontime)。I/O系統(tǒng)的速度對(duì)整個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間有重要影響。假設(shè)某計(jì)算機(jī)CPU處理的時(shí)間占總處理時(shí)間的90%，而I/O處理時(shí)間僅占總處理時(shí)間的10%，根據(jù)Amdahl定理，即使CPU的處理速度提高10倍，而I/O系統(tǒng)的速度沒有提高，則程序總的處理速度（執(zhí)行時(shí)間的倒數(shù)）只能提高：

1/(0.1+0.9/10)=1/(0.1+0.09)=1/0.19≈5倍也就是說，此時(shí)有一半的CPU速度提高被浪費(fèi)了。即使CPU處理速度提高了100倍，在同樣的情況下，總的性能也僅能提高：

1/（0.1+0.1/100）=1/（0.1+0.009）≈10倍可見，I/O系統(tǒng)的速度的重要性。

1.

引言在單進(jìn)程操作系統(tǒng)中是這樣，同樣在多進(jìn)程的操作系統(tǒng)中，I/O也同樣重要。在多進(jìn)程的操作系統(tǒng)中，雖然可以通過合適的進(jìn)程調(diào)度可使CPU不是空下來等待I/O系統(tǒng)工作的結(jié)束，而是繼續(xù)執(zhí)行其它進(jìn)程，這樣I/O速度的快慢就無關(guān)輕重了。然而事實(shí)并非如此。

首先，這種方法雖能維持整個(gè)操作系統(tǒng)中吞吐量不變，提高CPU的利用率，但對(duì)于用戶來說，仍然存在沒有解決執(zhí)行時(shí)間延長的問題，他仍然必須等待I/O操作結(jié)束；由于進(jìn)程切換帶來的開銷，他的進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間甚至?xí)L。

其次，在大多數(shù)桌面操作系統(tǒng)的PC機(jī)和工作站上，并沒有很多的進(jìn)程可以進(jìn)行這種共享，從而使CPU的空閑成為不可避免。

另外，多進(jìn)程操作系統(tǒng)中，一般都使用盤交換區(qū)和虛擬內(nèi)存技術(shù)已容納好幾個(gè)進(jìn)程，而這兩項(xiàng)技術(shù)的性能都依賴于I/O系統(tǒng)，依賴于外部存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度。由此可知，I/O系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的重要性。1.

引言2.

輸入輸出設(shè)備類型

數(shù)據(jù)表示設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備

存儲(chǔ)設(shè)備

廉價(jià)磁盤冗余陣列輸入/輸出（簡稱I/O）設(shè)備可分為三大類：數(shù)據(jù)表示設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備。這類I/O設(shè)備的主要功能是在計(jì)算機(jī)處理器和用戶之間傳遞信息。主要包括顯示器、鍵盤等人-機(jī)交互設(shè)備，也包括一些用于控制其它電子設(shè)備的信號(hào)輸出輸入設(shè)備。這些設(shè)備通常為計(jì)算機(jī)提供其運(yùn)行時(shí)所需的大部分輸入信息，同時(shí)輸出計(jì)算機(jī)運(yùn)行的最后結(jié)果，并反饋給用戶。2.1數(shù)據(jù)表示設(shè)備表6-1常見數(shù)據(jù)表I/O設(shè)備及其數(shù)據(jù)庫隨著計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的數(shù)據(jù)表示方法，這些新的表示技術(shù)包括高速圖形顯示、視頻顯示，聲音輸入/輸出。為了減輕對(duì)設(shè)備的壓力，通常采用數(shù)據(jù)壓縮的方法，使數(shù)據(jù)量下降，但也產(chǎn)生了解壓縮的問題。這些新的數(shù)據(jù)表示方法不僅對(duì)I/O系統(tǒng)提出了很高的要求，對(duì)處理器的速度也提出了新的要求。同時(shí)，這些新的技術(shù)也擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)輸入/輸出設(shè)備的范疇，促進(jìn)了I/O系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。表6-2多媒體數(shù)據(jù)表示設(shè)備的參數(shù)一覽表2.1數(shù)據(jù)表示設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備的功能是在處理器間傳遞數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備的種類繁多。⑴按連接處理器的距離分，有：

MPP網(wǎng)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)等；⑵按采用的通訊介質(zhì)分，有：銅線電信號(hào)設(shè)備和光纖設(shè)備；⑶按所采用的控制技術(shù)分，有：以太網(wǎng)、ATM網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)等。隨著計(jì)算機(jī)向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算技術(shù)的產(chǎn)生，這類設(shè)備的地位正在變得日益重要。

2.2網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備

存儲(chǔ)設(shè)備是指外存儲(chǔ)器。它的功能是作為計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的一部分，存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)處理時(shí)所需信息。這類設(shè)備由于經(jīng)常與處理器協(xié)同工作而顯得地位格外重要，作為海量的非易失外存設(shè)備，這類I/O設(shè)備一方面擔(dān)負(fù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)后備數(shù)據(jù)的任務(wù)，一方面還往往作為虛存或操作系統(tǒng)交換區(qū)的一部分，直接參與計(jì)算機(jī)的處理。計(jì)算機(jī)外存儲(chǔ)器一般有磁盤、光盤、磁帶。2.3存儲(chǔ)設(shè)備磁盤分為軟盤和硬盤。磁道(track)：磁盤的表面沿直線方向劃分為不同的同心圓。柱面(cylinder)：在硬盤機(jī)中，磁盤片連在一起，把各面的同一磁道連起來。每條磁道按切線方向劃分為幾十個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)是磁盤存儲(chǔ)信息的最小單位，一般有扇區(qū)號(hào)、分隔用的空白區(qū)、扇區(qū)數(shù)據(jù)信息組成。通常，所有的磁道扇區(qū)數(shù)是一樣的，外圈的磁道扇區(qū)密度小，數(shù)據(jù)存放可靠，而內(nèi)圈磁道短，故數(shù)據(jù)容易出差錯(cuò)。所以，可采用“常位密度”的存儲(chǔ)方式：在外圈長磁道上放更多的扇區(qū)，這樣就使整個(gè)磁盤上扇區(qū)的密度也就是數(shù)據(jù)的密度一致，增加了可靠性。在對(duì)磁道進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫是，首先磁頭臂要移到指定的位置，這個(gè)操作稱為尋道，該操作所需時(shí)間稱為尋道時(shí)間，尋道時(shí)間與磁頭時(shí)間有關(guān)。在磁頭移動(dòng)到指定磁道后，讀寫數(shù)據(jù)還需等待磁盤旋轉(zhuǎn)到指定的扇區(qū)，這個(gè)操作所需時(shí)間稱為旋轉(zhuǎn)時(shí)間，大多數(shù)的磁盤旋轉(zhuǎn)時(shí)間為3600r/s,平均旋轉(zhuǎn)延遲是指磁盤旋轉(zhuǎn)半圈的時(shí)間,為0.5*60/(3600)=8.3(ms)。2.3存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸所需時(shí)間稱為傳輸時(shí)間。磁盤從收到讀盤命令到啟動(dòng)磁盤臂移動(dòng)之間的時(shí)間稱為控制時(shí)間，它包括了等待上一次讀寫磁盤結(jié)束的時(shí)間，稱做排隊(duì)時(shí)間(queuingdelay)。將控制時(shí)間、尋道時(shí)間、轉(zhuǎn)旋延遲和傳輸時(shí)間加起來，才是一次讀寫磁盤所需的總時(shí)間——存取時(shí)間(accesstime)。在磁盤和計(jì)算機(jī)之間，有一個(gè)叫磁盤控制器(diskcontroller)的部件負(fù)責(zé)控制磁盤的數(shù)據(jù)傳輸。磁盤發(fā)展追求提高存儲(chǔ)密度，降低成本和提高速度。存儲(chǔ)密度的度量指標(biāo)是盤片的面密度(areadensity)，單位為每平方英寸的位數(shù)，于是有面密度=每英寸磁道數(shù)*每英寸道數(shù)，其中，每英寸半徑上磁道數(shù)又稱道密度，單位為TPI(trackperinch)；每英寸磁道上存儲(chǔ)的位數(shù)又稱位密度，單位為BPI(bitperinch)。磁盤的存取時(shí)間比DRAM慢100000倍，從而在現(xiàn)今計(jì)算機(jī)的主存和次級(jí)存儲(chǔ)器間造成了巨大的存取時(shí)間缺口。2.3存儲(chǔ)設(shè)備光盤光盤存儲(chǔ)容量大，成本低，存放期限長，存儲(chǔ)密度高。光盤分為只讀型(CD-ROM)、WORM(一次寫多次讀)型和可擦寫型。只讀型用于軟件開發(fā)，可擦寫型只能用于數(shù)據(jù)備份，不能作為次級(jí)存儲(chǔ)器。磁帶磁帶與磁盤很相似，不同之處是磁盤在一個(gè)有限大小的面積上進(jìn)行讀寫，存取速度快；而磁帶存儲(chǔ)面積是個(gè)“無限”的帶，只能串行存取，速度慢，容量大，常作為磁盤的后備介質(zhì)使用。磁帶容易纏斷和斷裂，可采用螺旋掃描帶(helicalscantapes)技術(shù)解決：讓磁帶以一固定速度旋轉(zhuǎn)，而沿著磁道的對(duì)斜線，用一個(gè)轉(zhuǎn)的比磁帶快的多的讀寫頭記錄數(shù)據(jù)。2.3存儲(chǔ)設(shè)備廉價(jià)磁盤冗余陣列（RedundantArray

ofInexpensiveDisk）的基本思想是使用多個(gè)磁盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并行的讀寫，提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬。為了提高數(shù)據(jù)的可靠性，數(shù)據(jù)是冗余存儲(chǔ)的。具有容量大，數(shù)據(jù)傳輸快，功耗低，體積小，成本低。RAID中的數(shù)據(jù)并行存儲(chǔ)造作對(duì)CPU是透明的。多個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器在邏輯上構(gòu)成一個(gè)磁盤，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布在各磁盤上的操作有磁盤控制器完成。見圖6-2。

在圖6-2中，控制處理器是RAID的控制中心，接收和分析主機(jī)操作命令，調(diào)度和管理磁盤陣列數(shù)據(jù)通道，組織和執(zhí)行設(shè)備命令等?？刂铺幚砥鬟\(yùn)行一個(gè)控制軟件，執(zhí)行初始化、接口規(guī)范處理、命令序列優(yōu)化處理、地址轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通道管理等功能。數(shù)據(jù)通道在控制處理器控制下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分配與集中、緩沖、奇偶校驗(yàn)等?？刂平涌谑顷嚵信c主機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和磁盤陣列的通信、數(shù)據(jù)傳送和控制信號(hào)的傳遞；設(shè)備接口是直接連磁盤驅(qū)動(dòng)器的接口。

2.4廉價(jià)磁盤冗余陣列（RAID)圖6-2RAID結(jié)構(gòu)圖2.4廉價(jià)磁盤冗余陣列（RAID)控制接口控制處理器設(shè)備接口設(shè)備接口數(shù)據(jù)通路設(shè)備接口主機(jī)總線表6-3RAID的分級(jí)實(shí)現(xiàn)的可靠性RAID有幾種實(shí)現(xiàn)功能，分成六個(gè)級(jí)別，分別稱RAID1-RAID6，表6-3列出了非冗余磁盤陣列(RAID0)和各RAID級(jí)別的實(shí)現(xiàn)特性。2.4廉價(jià)磁盤冗余陣列（RAID)

程序控制

I/O處理器3.

I/O子系統(tǒng)的控制方式CPUMI/O圖6-4(a)I/O系統(tǒng)的三種管理方式數(shù)據(jù)3.1程序控制

程序控制

在早期，計(jì)算機(jī)I/O子系統(tǒng)的控制直接由CPU來完成，如圖6-4(a)，由CPU執(zhí)行啟動(dòng)，測試I/O設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種方式不需專門的硬件，簡單的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都用這種方式。但I(xiàn)/O設(shè)備的工作速度比CPU慢的多，CPU多數(shù)時(shí)間是在等待，效率較低。3.1程序控制中斷驅(qū)動(dòng)的I/O控制在程序控制方式（又稱輪詢方式）中，計(jì)算機(jī)CPU周期性的進(jìn)入I/O控制操作處理外設(shè)的I/O事務(wù)，而不管該外設(shè)此時(shí)是否需要進(jìn)行I/O處理。而CPU一旦進(jìn)入I/O控制操作就不能作其它工作，從而大大降低了CPU效率。為此，采用中斷驅(qū)動(dòng)的I/O控制，如圖6-4(b)，只有在I/O設(shè)備需要CPU的控制操作時(shí)，才向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，使其轉(zhuǎn)向?yàn)镮/O系統(tǒng)服務(wù)，而平時(shí)CPU可以處理其它工作。中斷處理時(shí)CPU與I/O間傳遞數(shù)據(jù)速度還不夠快。CPUMI/O圖6-4(b)I/O系統(tǒng)的三種管理方式數(shù)據(jù)中斷信號(hào)中斷方式不僅提高了CPU的效率，而且使CPU可同時(shí)控制多個(gè)I/O設(shè)備，但中斷方式仍然需要CPU的干預(yù)，并且中斷方式是作為程序控制方式的“改進(jìn)”出現(xiàn)的，但如果I/O設(shè)備的速度足夠快，采用中斷方式時(shí)I/O設(shè)備就會(huì)不停地向CPU發(fā)出中斷，此時(shí)，中斷引起的保存現(xiàn)場等開銷就會(huì)很嚴(yán)重，反而不如有程序控制CPU輪詢操作好，因此，采用中斷還是程序輪詢方式控制CPU與I/O設(shè)備的速度有關(guān)。3.1程序控制CPUMDMA控制器I/O直接存儲(chǔ)器訪問”（directmemoryaccess，DMA）

中斷方式和程序方式必須借助CPU完成I/O設(shè)備的控制方式。為了減輕CPU的負(fù)擔(dān)，采用一個(gè)名為“直接存儲(chǔ)器訪問”的部件協(xié)助CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸方面的操作，如圖6-4(c)。在CPU完成必要的I/O控制之后，不是由CPU來傳遞I/O數(shù)據(jù)，而由DMA根據(jù)CPU傳遞的參數(shù)（起始地址、長度等），直接在I/O設(shè)備與存儲(chǔ)器之間快速傳遞大量數(shù)據(jù)，傳完之后再通過中段通知CPU。圖6-4(c)I/O系統(tǒng)的三種管理方式3.1程序控制DMA管理的I/O系統(tǒng)的主要問題是在傳送時(shí)仍占用總線，會(huì)與CPU產(chǎn)生爭用，此外仍需CPU完成一些控制工作。為此，使用一個(gè)叫I/O處理器（I/Oprocessor）或稱I/O通道（I/Ochannel）的設(shè)備來代替CPU來控制I/O設(shè)備。這樣的I/O子系統(tǒng)有更強(qiáng)的功能，它執(zhí)行自己的程序，除了完成數(shù)據(jù)傳送外還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的變換、裝配校驗(yàn)等工作，使CPU進(jìn)一步擺脫輸入輸出操作的負(fù)擔(dān)。I/O通道管理I/O總線，這是將I/O設(shè)備與I/O處理器連起來的總線，而計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線則是另一條在一個(gè)總線控制器控制下的高速同步總線。當(dāng)I/O處理器要傳數(shù)據(jù)到內(nèi)存時(shí)，它的總線控制器發(fā)送使用內(nèi)部總線請(qǐng)求，由其統(tǒng)一安排對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線的使用。I/O處理器一般就是一個(gè)通用處理器，與計(jì)算機(jī)的通用處理器CPU協(xié)同工作，但也可以是專門為I/O設(shè)備設(shè)計(jì)的專用處理器。有時(shí)，把多進(jìn)程操作系統(tǒng)里的I/O管理進(jìn)程也成為軟件意義上的I/O處理器。為適應(yīng)兼容性方面的要求，這樣的軟件處理器通常分為幾個(gè)層次如用戶界面層、設(shè)備無關(guān)層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)器中斷處理等。3.2I/O處理器PMI/O通道I/OI/O總線主控控制I/O總線圖6-5I/O通道結(jié)構(gòu)圖在這里我們看一下硬件通道的情況，圖6-5是典型的具有通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，這種結(jié)構(gòu)圖正如我們前面所講的有兩種總線：存儲(chǔ)總線(內(nèi)部總線）和通道總線（I/O總線）。一條通道總線可以連幾個(gè)設(shè)備控制器，一個(gè)設(shè)備控制器也可一連幾個(gè)設(shè)備。從邏輯結(jié)構(gòu)講，有了I/O通道后，I/O設(shè)備連接可以分為四層：

CPU—通道處理器—設(shè)備控制器—設(shè)備3.2I/O處理器

對(duì)于同一系列的機(jī)器，通道與設(shè)備控制器間有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口，設(shè)備控制器與具體設(shè)備間有專用接口，大中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般都接有多個(gè)通道，對(duì)不同類型的I/O設(shè)備可進(jìn)行分類管理。存儲(chǔ)管理部件（對(duì)應(yīng)圖6-5中的總線適配器）是存儲(chǔ)總線的控制部件，它的主要任務(wù)是根據(jù)事先確定的優(yōu)先次序（由硬件設(shè)定或軟件決定）決定下個(gè)周期由哪個(gè)部件使用存儲(chǔ)總線。由于大多數(shù)I/O設(shè)備讀寫信號(hào)有實(shí)時(shí)性，不及時(shí)處理將丟失數(shù)據(jù)，所以通道的優(yōu)先權(quán)較高，而高速設(shè)備通道的優(yōu)先權(quán)高于一般設(shè)備的通道優(yōu)先權(quán)。

通道的基本功能是執(zhí)行通道命令，組織外圍設(shè)備和內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，按I/O指令要求啟動(dòng)I/O設(shè)備，向CPU報(bào)告中斷等，具體是：接收CPU的I/O指令，按指令要求與指定的I/O設(shè)備進(jìn)行通訊。從內(nèi)存選取屬于通道程序的通道指令，經(jīng)譯碼后向設(shè)備控制器和設(shè)備發(fā)送各種命令，組織外圍設(shè)備和內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞并根據(jù)需要給數(shù)據(jù)提供中間緩存的空間，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，并從外圍設(shè)備得到設(shè)備的狀態(tài)信息，形成并保存通道本身的狀態(tài)信息，根據(jù)要求將這些狀態(tài)信息送到內(nèi)存指定單元供CPU使用，將外圍設(shè)備的中斷請(qǐng)求和通道本身的中斷請(qǐng)求按次序報(bào)告給CPU。3.2I/O處理器CPU對(duì)通道的管理通過I/O指令和處理來自通道的中斷來實(shí)現(xiàn)。一般把CPU運(yùn)行操作系統(tǒng)的核心，管理程序的狀態(tài)稱管態(tài)，而把CPU執(zhí)行目標(biāo)程序的狀態(tài)稱目態(tài)。一般多用戶操作系統(tǒng)只允許在管態(tài)下對(duì)通道進(jìn)行操作，以使I/O資源能為各用戶共享，并保證操作系統(tǒng)安全。通道通過指令使用設(shè)備控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送操作，并以通道狀態(tài)字（channelstateword，CSW）接收設(shè)備狀態(tài)器反映的I/O設(shè)備狀態(tài)，因此設(shè)備控制器是通道對(duì)I/O設(shè)備實(shí)現(xiàn)傳輸控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它的任務(wù)是接收通道指令，控制I/O設(shè)備完成要求的操作，向通道反映I/O設(shè)備的狀態(tài)；將各種I/O設(shè)備的不同信號(hào)轉(zhuǎn)為通道能識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)等。根據(jù)通道工作的方式，通道分為選擇通道，數(shù)組多路通道，字節(jié)多路通道和通道適配器四種。3.2I/O處理器選擇通道又稱高速通道，它的特點(diǎn)是可連接多個(gè)設(shè)備，但這些設(shè)備不能同時(shí)工作，選擇通道一次只能選擇一個(gè)設(shè)備進(jìn)行工作，這種通道主要連接高速設(shè)備，如磁盤、磁帶等，信息以成組方式高速傳輸。數(shù)組多路通道：在設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)設(shè)備只為該設(shè)備服務(wù)；當(dāng)設(shè)備進(jìn)行尋址等控制性機(jī)械動(dòng)作時(shí)，通道暫時(shí)斷開與該設(shè)備的連接，為其它設(shè)備去服務(wù)。它既保留了選擇通道高速傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，有充分利用了機(jī)械輔助操作的時(shí)間間隔為其它設(shè)備服務(wù)，使通道的效率充分得到發(fā)揮，在實(shí)際系統(tǒng)中得到較多應(yīng)用。

字節(jié)多路通道用于連接低速設(shè)備，如紙帶輸入機(jī)、打印機(jī)等，這些低速設(shè)備的傳輸速率低，例如紙帶輸入機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸率是1000字節(jié)/s，字節(jié)間的傳輸間隔是1ms，而通道從設(shè)備接收或者發(fā)送一個(gè)字節(jié)只有不到1ms，因此通道在字節(jié)間有很多空閑時(shí)間，字節(jié)多路通道可以用這段空閑時(shí)間為其它設(shè)備服務(wù)。3.2I/O處理器字節(jié)多路通和數(shù)組多路通道都是分時(shí)復(fù)用通道。在一段時(shí)間內(nèi)能交替執(zhí)行多個(gè)設(shè)備的通道程序，使這些設(shè)備同時(shí)工作。但它們的不同之處:第一，數(shù)組多路通道雖然允許多個(gè)設(shè)備同時(shí)工作，但只允許一個(gè)設(shè)備進(jìn)行傳輸型操作，而其它設(shè)備只能進(jìn)行控制型操作；字節(jié)多路通道不僅允許多個(gè)設(shè)備同時(shí)工作，而且允許它們同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。其二，數(shù)組多路通道與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送的基本單位是數(shù)據(jù)塊，而字節(jié)多路通道與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送的基本單位是字節(jié)，通道為一個(gè)設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)以后，又可以為另一個(gè)設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)，因此各設(shè)備與通道間的數(shù)據(jù)傳送以字節(jié)為單位交替進(jìn)行。在某些系統(tǒng)中，除配置上述三類型的通道外，還配置通道適配器，這是一種將通道與某些設(shè)備控制器結(jié)合在一起的專用性質(zhì)的通道，它與某些特定類型設(shè)備連接，它的邏輯設(shè)計(jì)是針對(duì)專用設(shè)備的，適配器與設(shè)備間有專用接口線。3.2I/O處理器4.總線

總線分類與選擇

總線標(biāo)準(zhǔn)總線（bus）是計(jì)算機(jī)各部分之間聯(lián)系通訊的紐帶，它把計(jì)算機(jī)各子系統(tǒng)連接在一起，總線可以容易地接納計(jì)算機(jī)的新部件，并且成本較低?？偩€的主要問題是它有通訊瓶頸，當(dāng)幾個(gè)部件爭用時(shí)，總線會(huì)使計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)的性能下降，所以，總線的設(shè)計(jì)是很重要的。4.1總線分類與選擇總線的分類總線可以有幾種分類方式，按允許的數(shù)據(jù)傳送方向分：單向傳輸總線和雙向傳輸總線。雙向傳輸總線又可以分為半雙工和全雙工的。按用途分：專用總線和共享總線。按數(shù)據(jù)線的寬度分：8位、16位、32位和64位總線等。傳統(tǒng)上最常見的分類：存儲(chǔ)器總線和I/O總線。與存儲(chǔ)器總線相比，I/O總線相對(duì)更長，可連接更多設(shè)備，適應(yīng)更多的數(shù)據(jù)寬度，通常還有一定的標(biāo)準(zhǔn)。而存儲(chǔ)器總線所連接的設(shè)備一般在設(shè)計(jì)時(shí)確定，可以進(jìn)行專用的優(yōu)化設(shè)計(jì)。總線傳輸周期一個(gè)總線周期可分為兩個(gè)階段：地址傳送階段和數(shù)據(jù)傳送階段?？偩€傳輸一般可分為兩種類型：“讀”操作，這時(shí)數(shù)據(jù)從內(nèi)存流向I/O設(shè)備或CPU；“寫”操作，這時(shí)數(shù)據(jù)從CPU及I/O設(shè)備流向內(nèi)存

。在“讀”操作時(shí)，I/O設(shè)備或CPU先送出地址信號(hào)和控制信號(hào)，內(nèi)存根據(jù)這些相應(yīng)的數(shù)據(jù)送到總線；

“寫”操作類似，只是CPU或I/O外設(shè)必須在送出地址、控制信號(hào)的同時(shí)把數(shù)據(jù)送出。為了解決總線上各設(shè)備（CPU，內(nèi)存與I/O設(shè)備）的速率匹配，一般還得引入一個(gè)“等待”信號(hào)?？偩€傳輸周期示意圖詳見圖6-6。4.1總線分類與選擇時(shí)鐘地址數(shù)據(jù)讀信號(hào)等待信號(hào)圖6-6典型的總線讀周期圖示4.1總線分類與選擇4.1總線分類與選擇總線存在的問題總線仲裁：對(duì)于復(fù)雜的一些總線，可能有幾個(gè)總線主設(shè)備存在，它們都可以啟動(dòng)總線操作。由于同一時(shí)間只能有一個(gè)主設(shè)備使用總線，就產(chǎn)生了總線仲裁問題。為了實(shí)現(xiàn)仲裁，可以用集中式控制（仲裁部件是一個(gè)專門部件）或者分布式控制（各總線設(shè)備自行控制決定使用總線）的方法，一般都有一個(gè)固定的優(yōu)先級(jí)順序，保證總線使用的公平和高效率。總線傳輸方式：一般有兩種方法，單數(shù)據(jù)傳遞和塊傳遞。在單數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)中，一個(gè)總線主設(shè)備向總線仲裁器發(fā)一個(gè)請(qǐng)求，然后在整個(gè)傳輸操作期間獨(dú)占總線。塊傳遞又稱作連接/解除連接技術(shù)或流水線總線或分組交換總線。圖6-7是采用分離操作技術(shù)后總線操作示意圖。同步問題：即總線信號(hào)和總線時(shí)鐘的關(guān)系。有三種方式：同步、半同步和異步。同步總線表示各信號(hào)必須按一個(gè)固定的時(shí)刻發(fā)出，異步總線表示信號(hào)的發(fā)出時(shí)刻是任意的，半同步是以上兩種方式的混合，它的信號(hào)必須和時(shí)鐘有一定的關(guān)系。三種方式各有優(yōu)劣。地址數(shù)據(jù)等待采用分離傳輸技術(shù)，讀操作被分為一個(gè)輸出地址的讀請(qǐng)求操作和一個(gè)傳遞數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器應(yīng)答操作，這些操作都加上標(biāo)識(shí)，以便通訊雙方能知道誰是誰，當(dāng)內(nèi)存正在執(zhí)行前一個(gè)讀操作時(shí)，總線上就能為下一個(gè)讀操作準(zhǔn)備好地址，從而使得數(shù)據(jù)讀出與地址輸入能交叉進(jìn)行，提高了總線帶寬。但與簡單的單數(shù)據(jù)讀出比較，分離操作總線的時(shí)延較大。4.1總線分類與選擇圖6-7分離操作總線的操作周期示意圖4.1總線分類與選擇

同步方式，數(shù)據(jù)的傳輸在一個(gè)共同的時(shí)鐘控制下進(jìn)行，總線的操作有固定的時(shí)序，設(shè)備不需判斷下一步應(yīng)采取什么動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)簡單，成本低，速度也較快。主要有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是所有的設(shè)備只能按一個(gè)速度工作，即所有設(shè)備都按最慢設(shè)備速度工作；二是同步總線長度受到限制，太長容易發(fā)生時(shí)鐘變形。

異步方式下，總線操作時(shí)序不是固定的，每個(gè)操作步驟由一個(gè)信號(hào)來標(biāo)識(shí)，根據(jù)控制信號(hào)間的時(shí)序關(guān)系，異步方式又可以分為互鎖的和非互鎖的?；ユi方式采用握手協(xié)議來協(xié)調(diào)動(dòng)作。缺點(diǎn)是控制比較復(fù)雜，對(duì)噪聲較敏感。異步方式可以連接更多種類的設(shè)備，可使用任意長度總線而無時(shí)鐘變形或同步問題。它在每次傳輸前都要有控制信號(hào)，增加了開銷，所以選擇同步方式還是異步方式的關(guān)鍵就在于：連接距離、設(shè)備數(shù)和所需帶寬。

半同步方式是上述兩種方式的折衷方案。系統(tǒng)也有一個(gè)集中的時(shí)鐘，控制信號(hào)的出現(xiàn)受時(shí)鐘信號(hào)的支配，各信號(hào)間的間隔是時(shí)鐘周期的整數(shù)倍，相當(dāng)于在同步總線中增加了等待協(xié)議，從而避免了同步總線中在操作速度不確定時(shí)的性能下降。半同步方式實(shí)際上是將時(shí)間量規(guī)范化的異步方式，也是實(shí)際常用的一種異步方式，且半同步方式具有同步方式受信號(hào)噪音影響小的優(yōu)點(diǎn)。長時(shí)鐘變形短同步方式更好異步方式更好相近I/O設(shè)備速度相差大圖6-9異步和同步方式比較4.1總線分類與選擇

4.2總線標(biāo)準(zhǔn)I/O系統(tǒng)中，I/O設(shè)備的數(shù)量和種類是不斷變化的，為了適應(yīng)這種變化，I/O設(shè)備接口和總線設(shè)計(jì)者必須遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行總線和I/O設(shè)備接口設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)是一些指導(dǎo)互聯(lián)的規(guī)范，可以讓兩方面的設(shè)計(jì)者分別工作，而又能設(shè)計(jì)出互相兼容的裝置。4.2總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)形成的三種途徑:1.由某些計(jì)算機(jī)廠家首先提出，隨后逐漸被其它計(jì)算機(jī)廠商使用而形成的所謂事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的（factostandards），如IBMPC-AT總線、DEC、PDP-11Unibus和Qbus等。2.如果總線足夠成功，由總線專利創(chuàng)始人提出建議，將其總線規(guī)范由專家給予技術(shù)評(píng)價(jià)和修改，進(jìn)而被標(biāo)準(zhǔn)化組織如CNSI或IEEE采用而納入國家或國際標(biāo)準(zhǔn)，如Intel的Multibus5100總線。3.由專家小組在標(biāo)準(zhǔn)化組織的主持下從事開發(fā)和制定總線標(biāo)準(zhǔn)的工作，標(biāo)準(zhǔn)以一種自上而下的方式普及，如FutmeBus，F(xiàn)ootBus及著名的PCI等。4.2總線標(biāo)準(zhǔn)EISA總線

EISA總線是在IBM-PC上的ISA總線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的32位總線（時(shí)鐘頻率33MHz）。ISA總線也稱AT總線，是IBM為PC/XT設(shè)計(jì)的總線標(biāo)準(zhǔn)，原先寬度16位，時(shí)鐘頻率8.33MHz。EISA在ISA的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了DMA通道、多處理器方式的裁決、共享中斷和配置管理功能。增加了塊DMA方式，允許8個(gè)DMA控制器按指定優(yōu)先級(jí)占用DMA設(shè)備，從而可允許多用戶操作。EISA還提供了中斷共享功能，允許用戶配置各個(gè)設(shè)備共享一個(gè)中斷。4.2總線標(biāo)準(zhǔn)SCSI

總線

SCSI（smallcomputersysteminterface小型計(jì)算機(jī)接口）是一種來源于數(shù)組多種通道的I/O總線，它最初是用于大中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的，后來才一直到小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上。

SCSI是磁盤存儲(chǔ)設(shè)備的接口，具有靈活性、設(shè)備獨(dú)立性等特點(diǎn)，在磁帶設(shè)備、打印設(shè)備、光盤設(shè)備等I/O設(shè)備接口中得到普遍應(yīng)用，并發(fā)展到許多新的I/O設(shè)備和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)工業(yè)控制等領(lǐng)域。采用SCSI總線，主機(jī)通過適配器以SCSI總線連接。SCSI可連接多個(gè)適配器和多個(gè)外設(shè)控制器，每個(gè)外設(shè)控制器可控制一個(gè)或多個(gè)外設(shè)，控制器與外設(shè)之間的通訊接口是設(shè)備級(jí)的局部輸入輸出接口（圖6-10）。4.2總線標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)1SCSI

總線適配器主機(jī)2外設(shè)控制器外設(shè)控制器外設(shè)控制器外設(shè)1外設(shè)2外設(shè)3外設(shè)i外設(shè)j

外設(shè)n適配器圖6-10SCSI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)SCSI

總線SCSI總線可以連接多種設(shè)備級(jí)局部輸入輸出接口，具備與設(shè)備無關(guān)的高級(jí)命令系統(tǒng)，SCSI通過一種分層管理來實(shí)現(xiàn)這種獨(dú)立與具體外設(shè)的特性（圖6-11）。SCSI總線有異步和同步數(shù)據(jù)傳輸方式，SCSI－1的8位數(shù)據(jù)線可使通常使用的異部傳輸方式能實(shí)現(xiàn)最大1.5MB/s的傳輸速率，在同步方式下的傳輸速率可達(dá)4MB/s。SCSI設(shè)備之間通常采用消息系統(tǒng)，“消息”是主設(shè)備和從設(shè)備見的“會(huì)話語言”，SCSI將每個(gè)設(shè)備都賦一個(gè)標(biāo)示號(hào)，從0~7共8個(gè)，標(biāo)識(shí)號(hào)大的設(shè)備享有高的優(yōu)先權(quán)，并采用菊花鏈方式互連。4.2總線標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)適配器控制器外設(shè)（系統(tǒng)總線）MultiBus-I,IIVMEBusSTDBusIBM-PCBus（I/O總線）SCSIIPI-3QIC-2（設(shè)備級(jí)總線）ST506/412ESDISMDIPI-2QIC-36圖6-11SCSI系統(tǒng)層次圖4.2總線標(biāo)準(zhǔn)4.2總線標(biāo)準(zhǔn)PCI

總線PCI（peripheralcomponentinterconnect,外圍部件互連總線）是1992年以Inter公司為首的一個(gè)聯(lián)合體設(shè)計(jì)的總線，這是一種同步I/O總線，數(shù)據(jù)線32位，可擴(kuò)充到64位，傳送最高速度為133M/s，適于圖形顯示等要求高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場合。該總線支持自動(dòng)配置，不需設(shè)置開關(guān)及跳線，有即插即用（plus＆play）特性。4.2總線標(biāo)準(zhǔn)在PCI總線系統(tǒng)中，總線分為外部總線，PCI總線和I/O總線三層次。在PCI總線上可連接顯示器、存儲(chǔ)器和網(wǎng)格控制器等，PCI總線通過PCI橋與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)總線相連接，因此擴(kuò)展能力很強(qiáng)，可支持需要對(duì)主存或相互之間進(jìn)行快速訪問的多種適配器，并允許CPU以全速訪問。在PCI總線中，將主設(shè)備和從設(shè)備統(tǒng)稱中介（Agents)，所有總線上的數(shù)據(jù)傳輸都采用突發(fā)方式傳輸(或稱高速傳輸)。突發(fā)的長度可以任意，由主從設(shè)備自行商定。每次突發(fā)方式的傳送由以下兩個(gè)階段組成：1.地址階段，輸出地址和傳輸類型。2.數(shù)據(jù)階段，如果從設(shè)備和當(dāng)前主設(shè)備都能進(jìn)行零等待傳輸，則進(jìn)入數(shù)據(jù)階段在每個(gè)后續(xù)的數(shù)據(jù)階段都將傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)（32/64位）。于是一個(gè)PCI總線操作就由一個(gè)地址階段和其后的一個(gè)或幾個(gè)數(shù)據(jù)階段組成，一個(gè)地址階段的持續(xù)期是一個(gè)PCI時(shí)鐘信號(hào)周期，數(shù)據(jù)階段的數(shù)量則取決與突發(fā)傳輸中的數(shù)據(jù)傳輸量，每個(gè)數(shù)據(jù)階段傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)，一個(gè)數(shù)據(jù)階段至少由一個(gè)時(shí)鐘周期組成，在一個(gè)數(shù)據(jù)階段中可插入等待狀態(tài)。在地址階段中，主設(shè)備制定了從設(shè)備和傳輸操作類型，這些信息分別通過發(fā)放PCI地址碼和命令類型字來表示。各設(shè)備在收到這些信息后，先判斷自身是否是被呼叫的從設(shè)備，如果是，對(duì)命令進(jìn)行譯碼，并發(fā)出一個(gè)PCI信號(hào)作為對(duì)該操作的應(yīng)答，然后開始數(shù)據(jù)階段，如果主設(shè)備收不到這樣一個(gè)信號(hào)，在過了一個(gè)預(yù)定時(shí)間后就終止操作。4.2總線標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)階段中，主設(shè)備和從設(shè)備間相互傳遞數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)階段長度由“命令/字節(jié)”使總線信號(hào)決定，這些信號(hào)由主設(shè)備在數(shù)據(jù)階段發(fā)出并使之有效（即所謂激活），PCI總線為主設(shè)備和從設(shè)備都定義了表示就緒的信號(hào)線，如果未就緒，還能在該數(shù)據(jù)階段擴(kuò)展一個(gè)時(shí)鐘周期，主設(shè)備通過一個(gè)成幀信號(hào)——FRAME來標(biāo)識(shí)整個(gè)突發(fā)方式傳輸?shù)某掷m(xù)期。這個(gè)PCI信號(hào)在地址階段開始時(shí)發(fā)出，保持有效到最后一個(gè)數(shù)據(jù)階段，當(dāng)它復(fù)位后，就表示突發(fā)傳輸?shù)淖詈笠淮螖?shù)據(jù)傳輸正在進(jìn)行之中，緊接著驅(qū)動(dòng)就緒信號(hào)表示以準(zhǔn)備好最后一次數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)最后一次數(shù)據(jù)傳輸完成后，主設(shè)備通過取消就緒信號(hào)使PCI總線恢復(fù)空閑。4.2總線標(biāo)準(zhǔn)4.2總線標(biāo)準(zhǔn)

PCI總線信號(hào)線由地址和數(shù)據(jù)線、接口控制線、仲裁線、系統(tǒng)線，還有中斷請(qǐng)求線、邊界掃描線信號(hào)、高速緩存支持、出錯(cuò)報(bào)告、接口控制等可選信號(hào)線組成。系統(tǒng)信號(hào)是時(shí)鐘信號(hào)CLK和復(fù)位線RST，CLK信號(hào)是總線上所有設(shè)備的一個(gè)輸入信號(hào)，為系統(tǒng)提供定時(shí)，RST信號(hào)使其它信號(hào)線處于三態(tài)。4.2總線標(biāo)準(zhǔn)IPI總線

IPI（intelligentperipheralinterface智能外圍接口）是一種智能化的I/O接口總線，它的層次結(jié)構(gòu)使得它的智能化程序可以按需要選擇。根據(jù)現(xiàn)有ANSI協(xié)議，它被定義成4層，但實(shí)際上還可擴(kuò)充，其層次結(jié)構(gòu)如圖6-12。IPI有三個(gè)特點(diǎn)：一是具有高級(jí)命令結(jié)構(gòu)，一個(gè)主機(jī)可以配置最多8個(gè)外設(shè)，按需要可以選擇0~3級(jí)不同的智能。二是傳輸速率高，它是一種并行接口，數(shù)據(jù)總線寬度為16位，定義最高傳輸速率達(dá)10MB/s，總線寬度和數(shù)據(jù)速度還在不斷的提高。三是有設(shè)備獨(dú)立性，可以同時(shí)控制多種輸入輸出設(shè)備，而且設(shè)備的更新不用更換硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件。圖6-12IPI層次圖4.2總線標(biāo)準(zhǔn)4.2總線標(biāo)準(zhǔn)

IPI體系結(jié)構(gòu)可以分為三級(jí)：主級(jí)－從級(jí)－設(shè)備級(jí)，其關(guān)系是主級(jí)控制著從級(jí)，從級(jí)按主級(jí)的要求用邏輯地址和設(shè)備命令來管理設(shè)備。在IPI體系結(jié)構(gòu)中，主機(jī)是主級(jí)，IPI子系統(tǒng)是從級(jí)，在IPI子系統(tǒng)內(nèi)部，IPI的從級(jí)還可以再用IPI構(gòu)成多級(jí)IPI結(jié)構(gòu)，IPI采用6根控制信號(hào)線和兩組9位數(shù)據(jù)線，控制信號(hào)線中5根用于主級(jí)到從級(jí)的命令，可表示25~32種總線狀態(tài)，一根用于從級(jí)到主級(jí)的響應(yīng)。兩組數(shù)據(jù)線分別叫A總線和B總線，各由8位數(shù)據(jù)加1位奇偶校驗(yàn)組成，它們有兩種工作方式：半雙工、全雙工。半雙工工作方式中A總線傳送主級(jí)到從級(jí)的控制信息，B總線進(jìn)行從級(jí)到主級(jí)的傳送，全雙工工作方式中A,B兩總線共同并行進(jìn)行16位數(shù)據(jù)傳輸，傳送的具體方向有控制信號(hào)決定。表6-3一些I/O總線性能一覽表4.2總線標(biāo)準(zhǔn)5.

I/O子系統(tǒng)性能測量

引言

I/O性能預(yù)測

I/O系統(tǒng)性能測量I/O的性能和CPU的性能是不一樣的，這主要有兩個(gè)原因：一是I/O設(shè)備的多樣性，有許多相互間完全不同的I/O設(shè)備；二是數(shù)量的不確定性，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以同時(shí)連接多個(gè)I/O設(shè)備。5.1引言I/O性能的兩種測量方法：⑴用CPU性能標(biāo)志響應(yīng)時(shí)間(responsetime，也稱時(shí)延(latency))和吞吐量(throughput，也稱I/O帶寬(I/Oband-width))來測量。⑵I/O處理使用CPU的時(shí)間，進(jìn)行I/O控制和傳輸都要占用CPU時(shí)間，處理I/O中斷也要占用CPU時(shí)間，從而將影響CPU處理其它事物。生產(chǎn)者服務(wù)者圖6-13生產(chǎn)者—服務(wù)者模型隊(duì)列I/O系統(tǒng)可看作為一個(gè)生產(chǎn)—服務(wù)模型，如圖6-13所示。生產(chǎn)者產(chǎn)生待處理的任務(wù)放入任務(wù)隊(duì)列中，而服務(wù)器從任務(wù)隊(duì)列中取出任務(wù)并處理之。但在I/O系統(tǒng)中，這兩個(gè)性能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的要求是很不一致的，響應(yīng)時(shí)間是任務(wù)放入任務(wù)隊(duì)列到服務(wù)器完成處理的時(shí)間，所以任務(wù)隊(duì)列越短，任務(wù)在任務(wù)隊(duì)列中停留時(shí)間就越短，相應(yīng)地響應(yīng)時(shí)間也越短。而吞吐量是單位時(shí)間內(nèi)服務(wù)者所處理的平均任務(wù)數(shù)，故而要求任務(wù)隊(duì)列盡量不能空。顯然這兩個(gè)要求是互相矛盾的。5.1引言圖6-14時(shí)間與吞吐量的關(guān)系圖5.1引言占總吞吐量的百分比響應(yīng)時(shí)間（ms）圖6-14畫出了響應(yīng)時(shí)間與吞吐量之間的關(guān)系。從圖中可以看到，響應(yīng)時(shí)間短一點(diǎn)，對(duì)吞吐量的影響就很大，故而同時(shí)提高兩個(gè)指標(biāo)是很困難的一件事。圖6-15人機(jī)交互情況下一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況分析051015時(shí)間（s）輸入時(shí)間系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間思考時(shí)間圖形負(fù)載，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間1.0秒傳統(tǒng)交互負(fù)載，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間1.0秒5.1引言由圖6-15中可以看出，減少系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不僅減少了作業(yè)時(shí)間中的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間部分，同時(shí)將提高系統(tǒng)的產(chǎn)出量，將系統(tǒng)時(shí)間減少9.7s后，傳統(tǒng)交互負(fù)載的作業(yè)時(shí)間下降了4.9s，即下降了34%，圖形處理的作業(yè)時(shí)間下降了2s，下降10%，這樣的結(jié)果是由人的一個(gè)特點(diǎn)引起的：人在響應(yīng)快時(shí)，本身的思考也快。5.1引言無論怎樣解釋這種現(xiàn)象，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)出量的影響很大是一個(gè)事實(shí)。實(shí)際上，當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間降至1s以下時(shí)，產(chǎn)出量呈現(xiàn)非線性的飛速增長，圖6-16比較了新手、一般工程人員和計(jì)算機(jī)專業(yè)人員在圖形顯示器上進(jìn)行物理設(shè)計(jì)時(shí)的產(chǎn)出量隨系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的變化曲線。在圖中可以看到，在響應(yīng)速度快的系統(tǒng)上工作的初學(xué)者和一般工程人員的產(chǎn)出量比在響應(yīng)時(shí)間慢的系統(tǒng)上工作的專家的產(chǎn)出量要高，隨著響應(yīng)時(shí)間的縮短，所有人的產(chǎn)出量都會(huì)大幅提高，所以響應(yīng)時(shí)間的縮短，在與吞吐量的比較中應(yīng)占有更重要的地位，畢竟人是計(jì)算機(jī)的主宰。人的特性更為重要。圖6-16新手、一般工程人員和計(jì)算機(jī)專業(yè)人員在圖形顯示器上進(jìn)行物理設(shè)計(jì)時(shí)的產(chǎn)出量隨系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的變化曲線05001000150020002500300035004000450050000.260.310.370.50.7711.5系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間（秒）用戶工作效率（每小時(shí)完成的操作）新手工程師專家5.1引言5.2I/O性能預(yù)測這一節(jié)中，我們將討論如何從理論上預(yù)測和計(jì)算I/O的性能，在設(shè)計(jì)I/O系統(tǒng)時(shí)，I/O系統(tǒng)的系統(tǒng)是無法用測量得到的，于是理論預(yù)測就成為設(shè)計(jì)I/O系統(tǒng)時(shí)的一個(gè)重要步驟。我們先從一個(gè)黑箱模型開始，在這個(gè)模型中，一個(gè)I/O系統(tǒng)被看作是一個(gè)黑箱，如圖6-17所示，CPU向這個(gè)黑箱發(fā)出I/O任務(wù)請(qǐng)求，由黑箱處理后，任務(wù)再離開黑箱。圖6-17I/O系統(tǒng)的黑箱模型離開到來5.2I/O性能預(yù)測這里我們只研究系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，即系統(tǒng)運(yùn)行足夠長的時(shí)間后，達(dá)到一種狀態(tài)，此時(shí)的到達(dá)速率和離去速率應(yīng)該相等，這時(shí)可用Little定律描述這一狀態(tài)，其表達(dá)形式為：系統(tǒng)中的平均任務(wù)數(shù)＝到達(dá)速率×平均響應(yīng)時(shí)間圖6-18I/O系統(tǒng)的真實(shí)模型到來服務(wù)排隊(duì)I/O控制器及設(shè)備5.2I/O性能預(yù)測Little定律

這里我們只研究系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，即系統(tǒng)運(yùn)行足夠長時(shí)間后，達(dá)到的一種狀態(tài)。此時(shí)任務(wù)的到達(dá)速率和離去速率應(yīng)該相等，這時(shí)可用Little定律描述這一狀態(tài)：

系統(tǒng)中的平均任務(wù)數(shù)=達(dá)到速率×平均響應(yīng)時(shí)間

Lsys=R×Tsys5.2I/O性能預(yù)測系統(tǒng)利用率

為了評(píng)估一個(gè)I/O系統(tǒng)忙閑程度，我們引入一個(gè)叫系統(tǒng)利用率（systemutilization，以U表示）的概念，它的計(jì)算公式為

U=R/服務(wù)速率系統(tǒng)利用率的值域在0到1之間，否則就意味著到達(dá)I/O系統(tǒng)的任務(wù)比I/O系統(tǒng)所處理的要多，違反了前面說的平衡狀態(tài)條件，系統(tǒng)利用率有時(shí)也稱為通訊密度。5.2I/O性能預(yù)測[例6-1]設(shè)一個(gè)單磁盤的I/O系統(tǒng)每秒接收到10個(gè)I/O請(qǐng)求，而磁盤處理每個(gè)任務(wù)平均約需50ms。I/O系統(tǒng)的利用率是多少？解：服務(wù)速度＝1／服務(wù)時(shí)間＝20I/O任務(wù)／s(簡稱IOPS)則 系統(tǒng)利用率＝到達(dá)速率／服務(wù)速率＝0.5由Little定律得： 隊(duì)列長度＝到達(dá)速率×等待（排隊(duì)）時(shí)間 服務(wù)長度＝到達(dá)速率×服務(wù)時(shí)間[例6-2]設(shè)完成一個(gè)磁盤I/O請(qǐng)求的平均時(shí)間為50ms，磁盤收到的I/O請(qǐng)求為200IOPS，在服務(wù)器磁盤中的平均I/O請(qǐng)求個(gè)數(shù)是多少？解：服務(wù)長度＝到達(dá)速率×服務(wù)時(shí)間＝105.2I/O性能預(yù)測

如何從隊(duì)列中取出任務(wù)稱為隊(duì)列規(guī)則(queueprinciple)，最簡單常用的規(guī)則為先進(jìn)先出規(guī)則(first-in-first-out,FIFO)，如果用先進(jìn)先出方法，我們可以得到下式

系統(tǒng)時(shí)間=隊(duì)列長度×服務(wù)時(shí)間+新任務(wù)到達(dá)后完成目前任務(wù)的平均時(shí)間上式中最后一項(xiàng)計(jì)算起來并不像想象中那么簡單，新任務(wù)可以在任一時(shí)刻到達(dá)，也沒有辦法估計(jì)一個(gè)特定的任務(wù)要在系統(tǒng)中停留多少時(shí)間，為此，先介紹一些概率論的基礎(chǔ)知識(shí)。描述隨機(jī)變量概率分布的一種方法是直方圖(histogram)。它將一定范圍內(nèi)的取值劃為一個(gè)桶(bucket)，將每個(gè)桶中取值概率相加，然后將其用不同長度的柱(column)表示，但它只適用于離散型的隨機(jī)變量，對(duì)于連續(xù)隨機(jī)變量的概率分布，必須用等值線上的連續(xù)曲線才能精確表示。5.2I/O性能預(yù)測平均服務(wù)時(shí)間=(f1×T1+f2×T2+…+fn×Tn)／∑fi這里Ti————任務(wù)i的服務(wù)時(shí)間，

fi————其概率。為表示實(shí)際值與平均值的偏離程度，可以用標(biāo)準(zhǔn)差或方差，后者是前者的平方。這里我們用方差，計(jì)算公式為

方差=∑(fi×(Ti－平均服務(wù)時(shí)間)2)／∑fi方差的缺點(diǎn)是其所使用的單位所造成的，由于它的單位是原單位的二次方，給使用和換算帶來一定困難，為了防止這個(gè)問題，常用一個(gè)叫協(xié)方差的量來計(jì)算。常簡寫為C表示

協(xié)方差（C）=方差／平均服務(wù)時(shí)間25.2I/O性能預(yù)測平均停留服務(wù)時(shí)間＝1/2×平均服務(wù)時(shí)間×（1+C）[例6-3]以平均服務(wù)時(shí)間，服務(wù)器利用率,協(xié)方差計(jì)算新任務(wù)在隊(duì)列中的平均等待時(shí)間。解：Tq=Lq×

Tsvr+服務(wù)器利用率×平均停留服務(wù)時(shí)間Tq=服務(wù)器利用率×(1/2×Tsvr×(1+C))+(R×Tsvr)×TqTq=服務(wù)器利用率×(1/2×Tsvr×(1+C))+服務(wù)器利用率×TqTq－服務(wù)器利用率×Tq=服務(wù)器利用率×(1/2×Tsvr×(1+C))Tq=(服務(wù)器利用率×Tsvr×(1+C))/(2×(1－服務(wù)器利用率))設(shè)各任務(wù)為指數(shù)分布，則C=1，上式可簡化成

Tq=服務(wù)器利用率/(1－服務(wù)器利用率)5.2I/O性能預(yù)測上面的公式都是基于應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個(gè)領(lǐng)域叫排隊(duì)論（queuingtheory），排隊(duì)論推導(dǎo)的結(jié)果一般只能逼近所需的結(jié)果，而不能得到真實(shí)的預(yù)測，因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)要比理論模型復(fù)雜得多。和計(jì)算機(jī)科學(xué)中常用到的一些方法不同，它認(rèn)為事件間是彼此獨(dú)立的，過去事件和現(xiàn)在事件之間沒有聯(lián)系，而計(jì)算機(jī)中常用的一些理論則以過去和現(xiàn)在有關(guān)為基礎(chǔ)，比如Cache或虛存中內(nèi)容更新的一些算法（LRU），都是如此。排隊(duì)論的應(yīng)用通常以模型和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，先建立模型，再進(jìn)行試驗(yàn)。如果結(jié)果是對(duì)的，就用這個(gè)模型來進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測。5.2I/O性能預(yù)測我們總結(jié)一直所用的排隊(duì)模型，并有以下假設(shè)：⑴系統(tǒng)是穩(wěn)定的；⑵兩個(gè)相繼請(qǐng)求到來之間的時(shí)間稱間隔時(shí)間（intervaltimes）服從指數(shù)分布；⑶請(qǐng)求的個(gè)數(shù)是無限的（在排隊(duì)論中叫無限人口模型infinitepopulationmodel）；⑷服務(wù)器在為前一個(gè)請(qǐng)求服務(wù)后能立即為下一個(gè)請(qǐng)求服務(wù)；⑸隊(duì)列的長度是無限的，遵守先入先出原則；⑹隊(duì)列中所有任務(wù)都必須完成。

這樣的隊(duì)列在排隊(duì)論中稱M/G/1模型，各字母含義為

M：為無記憶，任務(wù)請(qǐng)求服從指數(shù)分布；

G：普通服務(wù)分布，非指數(shù)分布；

1：服務(wù)器只有一個(gè)。5.2I/O性能預(yù)測

如果時(shí)間間隔服從指數(shù)分布，模型就成為M/M/1，這個(gè)模型就是上例中簡化后的最后結(jié)果，它是一個(gè)最簡單的模型，使用廣泛。指數(shù)分布假設(shè)在排隊(duì)論中使用很廣，理由有兩個(gè)：

⑴一是許多計(jì)算機(jī)中的隨機(jī)事件服從指數(shù)分布，從而使用它是較準(zhǔn)確的；

⑵另外一個(gè)原因則是計(jì)算簡單。下面給出幾個(gè)例子：5.2I/O性能預(yù)測[例6-4]設(shè)一個(gè)處理器以10IOPS速率發(fā)請(qǐng)求，它們都服從指數(shù)分布，平均磁盤服務(wù)時(shí)間為20ms，問：1.磁盤平均利用率為多少？2.平均用在排隊(duì)上的時(shí)間為多少？3.90％的排隊(duì)時(shí)間小于多少？4.包括排隊(duì)時(shí)間和磁盤服務(wù)時(shí)間在內(nèi)，磁盤的平均響應(yīng)時(shí)間是多少？解：1.服務(wù)器利用率=到達(dá)速率/服務(wù)速率=10/(1/0.02)=0.22.平均排隊(duì)時(shí)間=平均服務(wù)時(shí)間×服務(wù)器利用率/(1－服務(wù)器利用率)=20×0.2/(1－0.2)=5(ms)3.從表6-4中查到，90％的排隊(duì)時(shí)間小于平均排隊(duì)時(shí)間的2.3倍，即2.3×5=11.5(ms)4.平均排隊(duì)時(shí)間+平均服務(wù)時(shí)間=5+20=25(ms)5.2I/O性能預(yù)測5.3I/O系統(tǒng)性能測量在上一節(jié)中，我們討論了對(duì)I／O系統(tǒng)性能的預(yù)測，但僅有預(yù)測是不夠的，實(shí)際測量能為我們提供I／O系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)值，并為預(yù)測模型提供檢驗(yàn)，幫助建立預(yù)測模型的和選擇參數(shù)進(jìn)行性能測量的方法一般是采用基準(zhǔn)測試程序(benchmark)。這是一些專門為檢驗(yàn)性能編寫的小程序，可以測量I/O的基本性能，下面介紹用于測量磁盤系統(tǒng)性能的三種基準(zhǔn)測試程序。5.3I/O系統(tǒng)性能測量事務(wù)處理基準(zhǔn)測試程序

事務(wù)處理或在線事務(wù)處理（transactionprocessingTP;on_linetransactionprocessingOLip）用來測量數(shù)據(jù)庫的I/O性能。由于要處理的工作通常包括對(duì)一些共享數(shù)據(jù)的存取和保護(hù)，所以它更注重的是I/O速率，也就是單位時(shí)間內(nèi)磁盤存取的次數(shù)，而不是數(shù)據(jù)速率。此外，TP系統(tǒng)還必須有在系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性的功能。此外，TP系統(tǒng)還必須有在系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性的功能。比如，一個(gè)銀行的計(jì)算機(jī)在客戶提錢時(shí)崩潰了，TP系統(tǒng)就必須保證客戶拿走的錢與銀行帳戶上的錢是一致的。5.3I/O系統(tǒng)性能測量由幾十個(gè)成員組成的TP協(xié)會(huì)（TPcommunity,TPC）推出了一種事務(wù)處理基準(zhǔn)程序DebitCredit，這個(gè)軟件模擬銀行柜員的工作，測量系統(tǒng)的事務(wù)處理能力。模擬銀行客戶的存取操作，并以一個(gè)叫做每秒執(zhí)行事務(wù)數(shù)（transactionspersecond,TPS）的單位進(jìn)行計(jì)量。TPC共同推出四種基準(zhǔn)測試程序，TPC-A和TPC-B，在它們的基礎(chǔ)之上發(fā)展出模擬復(fù)雜查詢處理的基準(zhǔn)測試程序TPC-C和模擬決策支持的TPC-D。根據(jù)TP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈巧程度，每次事務(wù)進(jìn)行2～10次磁盤存取，花掉5000～20000條CPU指令執(zhí)行的時(shí)間，這主要取決于TP系統(tǒng)軟件的效率，另外還取決于有多少磁盤存取能轉(zhuǎn)換為對(duì)主存的存取。所以TPC軟機(jī)不僅測量了計(jì)算機(jī)的I/O性能，也測量了用到的數(shù)據(jù)庫TP軟件。TPC主要測的是在90％事務(wù)的響應(yīng)時(shí)間不超過兩秒的情況下的峰值TPS指標(biāo)，基準(zhǔn)測試程序還要求當(dāng)TPS增加時(shí)，模擬的柜員數(shù)和記帳文件大小也應(yīng)增加，如表6-5所示。這樣做的目的是保證基準(zhǔn)測試程序確定測量I/O指標(biāo)，否則在柜員很少或記帳文件很小的情況下，數(shù)據(jù)會(huì)直接在內(nèi)存的磁盤緩沖區(qū)內(nèi)讀寫，從而得到很高的虛假TPS值。5.3I/O系統(tǒng)性能測量TPC-A和TPC-B的另一個(gè)引人注目的優(yōu)點(diǎn)是它能比較兩臺(tái)不同配置的計(jì)算機(jī)的性能，除了報(bào)告TPS之外，基準(zhǔn)測試程序也報(bào)告每個(gè)TPS的成本。5.3I/O系統(tǒng)性能測量表6-5模擬的柜員數(shù)和記帳文件大小關(guān)系5.3I/O系統(tǒng)性能測量系統(tǒng)文件服務(wù)器(system-levelfileserver,SFS)基準(zhǔn)測試程序

SPEC基準(zhǔn)測試程序是以測量處理器性能而聞名的，但是它也測試其它方面的指標(biāo)。1990年，七家公司聯(lián)合推出一種綜合基準(zhǔn)測試程序叫SFS，用來測量運(yùn)行SUNMicrosystems

網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS的計(jì)算機(jī)性能。這種基準(zhǔn)測試軟件提供由比例適當(dāng)?shù)淖x寫操作及其它（如文件檢查）操作組合而成的測量程序來測量NFS系統(tǒng)。SFS提供適合于進(jìn)行性能比較的缺省參數(shù)，如所有寫操作的一半在一個(gè)8KB的塊中完成，其余的一半在一些1，2或4KB大小的快中完成；或者讀85％的整塊和15％的零星碎塊等缺省參數(shù)。像TPC-B一樣，SFS按吞吐量大小對(duì)文件系統(tǒng)大小提出要求，如對(duì)一個(gè)能進(jìn)行每秒100次NFS操作的系統(tǒng)，要求其大小必須增加1GB。SFS也像TPC一樣限制了平均相應(yīng)時(shí)間，上限為50ms，SFS但不像TPC，提供了標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一指標(biāo)以便比較不同配置的計(jì)算機(jī)的性能。5.3I/O系統(tǒng)性能測量5.3I/O系統(tǒng)性能測量自擴(kuò)展（self-scaling）的I/O基準(zhǔn)測試程序

自擴(kuò)展的I/O性能分析程序是由Chen和Patterson在1994年提出的，這種自擴(kuò)展基準(zhǔn)測試程序可以根據(jù)所測系統(tǒng)的性能自行改變測量尺度。在前面的TPC-B的SPEC中我們已經(jīng)看到改變測量參數(shù)以適應(yīng)不同尺度的例子，但這種基準(zhǔn)測試程序可以測量參數(shù)變化范圍更廣的系統(tǒng)，因而具有更大的適應(yīng)性。它通過五個(gè)參數(shù)，從不同方面衡量和測試一個(gè)系統(tǒng)，這五個(gè)參數(shù)是：5.3I/O系統(tǒng)性能測量自擴(kuò)展（self-scaling）的I/O基準(zhǔn)測試程序1.存取的獨(dú)立字節(jié)數(shù)：工作負(fù)載所讀寫的獨(dú)立字節(jié)數(shù)(不重復(fù)的)，實(shí)際上，這就是工作負(fù)載存取的數(shù)據(jù)集合大小。2.讀操作占總操作的百分比。3.平均I/O請(qǐng)求大小。從一個(gè)指數(shù)分布是選擇的。4.順序請(qǐng)求所占百分比。如一個(gè)請(qǐng)求與前一個(gè)請(qǐng)求是順序相連的，則稱他們是順序請(qǐng)求。比如在磁盤請(qǐng)求中，有一半的請(qǐng)求與它的前一個(gè)請(qǐng)求在磁盤位置上是相鄰的，就可認(rèn)為順序請(qǐng)求所占百分比是50％。5.進(jìn)程數(shù)。負(fù)載的并行程度，即可同時(shí)執(zhí)行I/O操作的進(jìn)程數(shù)目。5.3I/O系統(tǒng)性能測量基準(zhǔn)測試程序先對(duì)這五個(gè)參數(shù)取一個(gè)對(duì)系統(tǒng)性能來說沒有影響的額定值(nominal)，然后依次固定4個(gè)值，改變一個(gè)值，進(jìn)行測量，但第一個(gè)值不能改變，因?yàn)檫@牽涉到是真的在磁盤上讀寫還是在內(nèi)存文件緩沖區(qū)讀寫的問題，對(duì)系統(tǒng)性能影響很大。故一般由基準(zhǔn)測試程序自動(dòng)選擇兩個(gè)測試值，進(jìn)行測試。5.3I/O系統(tǒng)性能測量

測試的結(jié)果指標(biāo)分別按五個(gè)參數(shù)畫出性能曲線圖，由此就可以了解I/O系統(tǒng)的性能狀況，但這樣的測試也帶來了一個(gè)問題，即難以對(duì)不同I/O系統(tǒng)的性能進(jìn)行公正的比較，因?yàn)楦鱅/O系統(tǒng)的性能指標(biāo)都是由自擴(kuò)展基準(zhǔn)測試程序在不同的負(fù)載下測出的，沒有可比性。所以，在進(jìn)行了測試之后，還必須作第二步工作，即估計(jì)I/O系統(tǒng)在自擴(kuò)展基準(zhǔn)測試程序所未測的負(fù)載之下的性能，估計(jì)的原則是假設(shè)一個(gè)參數(shù)的性能曲線形狀與其他參數(shù)無關(guān)，寫成公式如下：

Perf(X,Y,Z)＝Perf(X額定，Y額定，Z額定，…)×fx(X)×fy(Y)×fz(Z)…其中：Perf(X,Y,Z)為I/O系統(tǒng)在參數(shù)為X,Y,Z時(shí)的性能，X額定，Y額定，Z額定為參數(shù)的一個(gè)初始額定值，

fx(X)為其它參數(shù)不變時(shí)，X參數(shù)的變化影響系統(tǒng)性能的比率，fy(Y),fz(Z)同理。Chen和Patterson聲稱，用這樣的方法估計(jì)，對(duì)大多數(shù)負(fù)載情況誤差不超過10％。引言設(shè)計(jì)一個(gè)I/O系統(tǒng)的中心問題是怎樣在防止造成I/O瓶頸的情況下設(shè)計(jì)一個(gè)符合預(yù)定性能和成本的系統(tǒng)，此外，一個(gè)良好的I/O系統(tǒng)還必須有可擴(kuò)充性，根據(jù)性能要求的不同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)側(cè)重不同的方面，下面列出設(shè)計(jì)I/O系統(tǒng)的六步方案：6.

總結(jié)6.

總結(jié)

1.列出計(jì)算機(jī)將連接的各種I/O設(shè)備，或計(jì)算機(jī)支持的總線標(biāo)準(zhǔn)。2.列出各I/O設(shè)備的物理要求，如體積，功率，接插件，總線槽，擴(kuò)展機(jī)箱等。3.列出各種I/O設(shè)備的成本，包括控制這些I/O設(shè)備的成本。4.記下各種I/O設(shè)備對(duì)CP資源的要求，包括啟動(dòng)，支持到終止一個(gè)I/O設(shè)備的時(shí)間，CPU等待I/O操作所需的時(shí)間，比如等待I/O完成對(duì)內(nèi)存，總線，Cache的使用和從I/O操作中恢復(fù)過來的時(shí)間（比如等待I/O后高速緩沖的刷新（flush））。5.列出I/O設(shè)備對(duì)存儲(chǔ)器和總線資源的需求，即使在CPU不使用存儲(chǔ)器時(shí)，存儲(chǔ)器的容量和帶寬也是有限的。6.最后對(duì)各種組織I/O設(shè)備的方法進(jìn)行綜合分析和測評(píng)，選擇一種合理方案。6.

總結(jié)

性能價(jià)格比是影響I/O系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要因素，衡量性能的參數(shù)可以是每秒傳送的兆字節(jié)數(shù)或每秒I/O操作數(shù)IOPS，可以按具體要求選擇。對(duì)于要求高性能的系統(tǒng)，主要是設(shè)法提高I/O設(shè)備的速度和數(shù)據(jù)傳送的速度等；對(duì)于低成本系統(tǒng)，則著重考慮降低成本。下面舉例說明I/O設(shè)計(jì)的過程。如，按下列條件設(shè)計(jì)一個(gè)I/O系統(tǒng)：6.

總結(jié)一個(gè)500MIPSCPU價(jià)格為$30000。一個(gè)16位寬存儲(chǔ)器，讀出周期100ns。一條20MB/S的I/O總線，可以為20條SCSI-2總線和控制器所用。SCSI-2總線可以具有20MB/s的傳輸率，最多支持15個(gè)磁盤。每個(gè)SCSI-2控制器價(jià)值1500美圓，會(huì)使磁盤I/O增加1ms時(shí)延。操作系統(tǒng)進(jìn)行一次磁盤I/O需要10000條CPU指令。可選用8GB的大硬盤或2GB的小硬盤，每MB價(jià)格$.25。6.

總結(jié)8.磁盤轉(zhuǎn)速7200RB，平均尋道時(shí)間為8ms，傳輸速率為6MB/s。9.要求總外存為200GB。10.I/O傳送平均大小為16KB。評(píng)估在用大磁盤(2GB)和大磁盤(8GB)時(shí)的IOPS，設(shè)每次磁盤I/O開銷包括平均尋道時(shí)間和平均旋轉(zhuǎn)時(shí)延，設(shè)所有的設(shè)備可用到100%的容量，且各磁盤機(jī)上負(fù)載平衡。答：I/O性能由其性能最差的一部分決定，所有我們應(yīng)逐個(gè)檢查I/O性能的各個(gè)方面，再得出最終結(jié)果。6.

總結(jié)讓我們從計(jì)算CPU，主存，I/O總線的IOPS開始

CPU可達(dá)到的最大IPOS=CPU速度(以MIPS計(jì))/每次I/O操作所需指令數(shù)=500MIPS/