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輸入輸出系統ppt

這是輸入輸出系統ppt,包括了概述,存儲設備的種類,總線,I/O與操作系統,I/O 系統設計等內容,歡迎點擊下載。

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第6章 輸入輸出系統 6.1 概述 I/O指處理器和存儲器以外的部件 Disk,tape,LAN,WAN等 過去的狀況 性能在人們心目中不是很關心 特點:外部的,非優先的,不常用的,慢速的 例外情況:swap區 結論:不重視I/O性能 目前 新的應用不斷出現,特別是多媒體應用 I/O設備種類繁多 網絡技術,通信技術的發展 結果:系統總線的性能直接關系到系統整體性能 不同機器配置構成是不同的 即使是PC也略有不同(價格,功耗) 系統性能和CPU性能 性能指標 吞吐率 響應時間 當任務都在memory中時,主要關注CPU性能 當任務很大或任務訪問的數據很大時,并分布在多個文件時,如OLTP,數據庫應用等,I/O性能十分重要 影響系統性能的因素 CPU, Compiler, OS, Cache, Main Memory Memory-I/O bus I/O控制器或I/O通道 I/O驅動程序和中斷處理程序 I/O設備 自動化程度,內部緩沖大小,設備控制參數對響應時間和吞吐率的影響 I/O系統性能參數 連接特性:哪些I/0設備可以和計算機系統連接 I/O系統的容量:I/O系統容納的I/O設備數 衡量I/O系統性能的另一種方法 考慮I/O操作對CPU的打擾情況:即考察某個進程執行時,由于其他進程的I/O操作,使得該進程的執行時間增加了多少 典型的系統 關鍵是系統性能的平衡 Amdahl定律 I/O操作與CPU執行重疊 TimeWorkload = Timecpu + TimeI/O – Timeoverlap 響應時間與吞吐率的關系 I/O系統的可靠性、可用性和可信性 系統的可靠性(reliability) 指系統從某個初始參考點開始一直連續提供服務的能力 通常用平均無故障時間MTTF(Mean Time To Failure)來度量 系統中斷服務的時間用平均修復時間MTTR(Mean Time To Repair)來度量 系統失效率: MTTF的倒數 如果系統中每個模塊的生存期服從指數分布,則系統整體失效率是各部件的失效率之和 系統的可用性(availability) 指系統正常工作的時間在連續兩次正常服務間隔時間中所占的比率 可用性 = MTTF / (MTTF + MTTR) 平均故障間隔時間MTBF = MTTF + MTTR 系統的可信性(dependability) 指服務質量,即在多大程度上可以合理地認為服務是可靠的 可信性 與可靠性和可用性不同,它是不可度量的 例題 假設磁盤子系統的組成部件和它們的MTTF如下: (1)磁盤子系統由10個磁盤構成,每個磁盤的MTTF 為1000000個小時 (2)1個SCSI控制器,其MTTF為500000小時 (3)1個不間斷電源,其MTTF為200000小時 (4)1個風扇,其MTTF為200000小時 (5)1根SCSI連線,其MTTF為1000000小時 假定每個部件的生存期服從指數分布,同時假定各部件的故障是相互獨立的,求整個系統的MTTF。 I/O系統設計需考慮的主要問題 I/O設備的類型 Size, Bandwidth, 傳送方式 使用頻度 延遲還是立即進行 存儲器和I/O總線 設備控制器是如何工作的 一些典型的I/O設備 6.2 存儲設備的種類 磁盤設備 磁盤 半導體盤 盤陣列 磁帶設備 光盤設備 Disk Figure of Merit: Areal Density Bits recorded along a track Metric is Bits Per Inch (BPI) Number of tracks per surface Metric is Tracks Per Inch (TPI) Disk designs brag about bit density per unit area Metric is Bits Per Square Inch: Areal Density = BPI x TPI 磁盤-磁盤結構 磁盤-磁盤性能(1/3) 訪問磁盤時間 為: 排隊時間+尋道時間+旋轉時間+傳輸時間+控制器開銷 尋道時間 若要讀寫扇區,磁盤控制器首先發出命令,將磁頭移動到包含有所需數據的磁道上,這個過程稱為“尋道”,所需要的時間叫做“尋道時間”。 最小尋道時間,最大尋道時間(實際測量) 平均尋道時間(統計結果) 旋轉時間 所需扇區轉到磁頭下所需要的時間。大部分磁盤的轉速在3600 rpm 到 12000rpm。平均延遲是磁盤旋轉半圈的時間。即 TAR = 0.5r /轉速 磁盤-磁盤性能(2/3) 傳輸時間:指在磁頭下傳輸一個數據塊所花費的時間。與傳輸時間對應的重要I/O參數為數據傳輸率。現在磁盤驅動器上都有用半導體存儲器組成的數據緩沖器,從盤面上讀出的數據先送到緩沖器,再從緩沖器經過接口送主機。數據傳輸率有兩種 內部傳輸率:從盤面->緩沖器 外部傳輸率:從緩沖器->主機 磁盤-磁盤性能(3/3) 控制器時間:控制器在執行I/O訪問時的額外開銷 等待磁盤空閑的時間(排隊時間) 磁盤成本:每兆字節的成本 磁盤-半導體盤 按磁盤訪問方式工作的DRAM陣列 固態盤:DRAM加一個保持系統數據的電池構成 擴充存儲器:只支持塊傳送的大容量存儲器中的區域 Future Disk Size and Performance Continued advance in capacity (60%/yr) and bandwidth (40%/yr) Slow improvement in seek, rotation (8%/yr) Time to read whole disk Year Sequentially Randomly (1 sector/seek) 1990 4 minutes 6 hours 2000 12 minutes 1 week(!) 2006 56 minutes 3 weeks (SCSI) 2006 171 minutes 7 weeks (SATA) Use Arrays of Small Disks? Replace Small Number of Large Disks with Large Number of Small Disks! (1988 Disks) Array Reliability 磁盤-磁盤冗余陣列 RAID (Rapid Array of Inexpensive Disks) 容量大,速度快,可靠性高,造價低廉的存儲技術 通過把多個磁盤組織在一起作為一個邏輯卷提供磁盤跨越功能 通過把數據分成多個數據塊,并行寫入/讀出多個磁盤,以提高訪問磁盤的速度 通過鏡像或數據校驗操作提供容錯能力 根據實際情況選擇適當的RAID級別,可以滿足用戶對存儲系統可用性、性能和容量的要求 RAID級別 RAID 0 無冗余。整個邏輯盤的數據被分條分布在多個物理盤上,可以并行讀/寫,提供最快的速度,至少兩個盤。 可靠性差 RAID 1 鏡像:把一個磁盤的數據鏡像到另一個磁盤上 每個盤是另一個盤的校驗盤,所寫的文件在兩個盤上,一旦一個失效,可以從另一個盤上恢復。盤利用率為50% RAID 0+1 把RAID 0和RAID 1技術結合起來,數據除分布在多個盤上外,每個盤都有其物理鏡像盤,提供全冗余能力,允許一個以下磁盤故障,而不影響可用性,并具有快速讀寫能力,要求至少4個硬盤,才能做RAID 0+1 RAID 2 位交叉式海明編碼陣列(存儲器式ECC)。原理上比較優越,但冗余開銷太大,未被廣泛使用 所需的冗余盤的個數為log2m級,m是數據盤的個數,即數據字的位數 Overhead Cost 20%~40% Useable Storage Capacity 71%~83% 雖然在分級上有這一級,但實際上沒有商業化的產品 RAID 3 ,RAID 4 兩種方式類似,數據是以位或字節(RAID3) ,或以塊(RAID4)為單位交叉方式存儲 RAID3 vs. RAID 4 RAID 3 帶有一個專門的校驗盤來存儲校驗信息 當一個成員盤故障時,控制器可以從校驗盤重新恢復/生成丟失的數據,要求至少三塊盤 我們需權衡,從故障恢復的時間和成本 校驗 = 所有磁盤塊的和 寫操作時,必須存取所有盤,這可能是性能瓶頸 RAID 4 與RAID 3類似,但校驗和僅是針對一塊 因此,只需對目標盤和校驗盤存取 問題是并發寫時,校驗盤是性能的瓶頸 RAID 5 數據以塊交叉的方式存于各盤,但無專用的校驗盤,而是將冗余的奇偶校驗信息均勻地分布在所有磁盤上 校驗盤不再寫在同一盤上 可能會減少寫沖突 因此在連續寫情況下有較高的性能 RAID 4 vs. RAID 5 實現盤陣列的方式 軟件方式 陣列卡方式 子系統方式 6.3 總線 總線的概念 共享的通信鏈路 由一組線連接多個子系統 是構成大而復雜系統的基本工具 總線的主要特點 多樣性 新的設備很容易添加到系統中。由于采用相同的總線標準,不同計算機上的外設可以互換 低成本:多臺設備共享一組線 總線的主要缺點 由于其獨占性,造成通信瓶頸:總線的帶寬限制了最大的I/O吞吐量 總線的速度受限于總線的長度,總線上設備的數量以及所需支持的設備的種類 這些設備可能延遲各不相同,數據傳輸率也不相同 6.3.1總線的基本組成 控制線 服務請求與確認信號 指示數據線上信息的類型 數據線:源設備與目的設備之間的信息交換 數據和地址 復雜的命令 主設備和從設備 總線事務包括兩部分 發出命令(和地址)-請求 傳送數據 -實際操作 主設備指啟動事務發送命令和地址的設備 從設備是響應主設備請求,發送數據給主設備或從主設備接收數據的設備 6.3.2總線的類型 例如 Pentium System Organization 計算機系統的單總線結構:Backplane Bus 一條總線用于CPU-Memory, I/O之間,以及I/O-Memory之間的通信 優點:簡單,便宜 缺點:慢,總線是性能瓶頸 例如:IBM PC-AT 雙總線結構 I/O BUS通過Bus Adaptor連到Processor-Memory Bus Processor-Memory Bus主要進行CPU-Memory之間的數據傳送 I/O Buses: 提供I/O擴展槽 如Apple Macintosh-II NuBus: Processor,Memory以及一些快速I/O設備 SCCI Bus: 其余的I/O設備 三總線結構 加入一些Backplane Bus Processor-Memory Bus僅用于CPU-Memory之間的數據交換 I/O總線連到Backplane Bus Processor-Memory Bus上的通信量進一步減少 The move from Parallel to Serial I/O Main components of Intel Chipset: Pentium 4 Northbridge: Handles memory Graphics Southbridge: I/O PCI bus Disk controllers USB controllers Audio Serial I/O Interrupt controller Timers review 存儲設備 磁盤 磁盤陣列 總線 總線的基本組成 總線的基本類型 總線的定義 6.3.4 總線的定義 問題之一:同步總線和異步總線 同步總線: 總線信號中包含時鐘信號 通信以相對于該時鐘固定的協議進行 優點:控制邏輯簡單,速度快 缺點: 總線上的每一設備必須以相同的時鐘速率運行 為避免時鐘信號扭曲,總線較短 異步總線: 沒有統一的時鐘信號 可以適應多種速度的設備 總線可以較長,不必擔心時鐘扭曲 需要握手協議 典型的同步協議 從設備標識何時數據傳送準備好 然后進行實際的數據傳送 簡單的同步協議 存儲器總線的同步協議要復雜一些 存儲器讀寫數據需要一定的時間 可能需要控制數據傳輸率 異步握手協議-寫事務時序 t0 : 主設備獲得總線控制權,發出地址信號,數據信號以及讀寫信號,等待從設備 t1: 主設備發出請求信號 t2: 從設備發出應答信號,指示接收數據 t3: 主設備釋放請求信號 t4: 從設備釋放應答信號 讀事務時序 t0 : 主設備獲得總線控制權,發出地址信號和讀寫信號,等待從設備 t1: 主設備發出請求信號 t2: 從設備發出應答信號,指示數據傳送準備好 t3: 主設備釋放請求信號,接收數據 t4: 從設備釋放應答信號 問題之二:主設備和從設備 總線事務 仲裁: 確定哪個設備占用總線 總線請求: 請求完成什么操作 響應操作: 響應請求所進行的操作 仲裁:總線的控制權 多個總線主設備時需要仲裁邏輯 菊花鏈方案 優點: 簡單 缺點: 無法保證公平性: 低優先級設備可能永遠得不到總線使用權 使用菊花鏈確認信號也限制了總線的速度 集中式仲裁方式 所有的processor-memory busses 和high-speed I/O busses 都使用這種方式 6.3.5 總線的使用 提高總線帶寬 獨立的地址線和數據線 VS. 分時復用地址線和數據線 如果分別有地址線和數據線,地址信號和數據信號可以同時傳送 開銷: (a) 需要更多的信號線, (b) 增加了復雜性 數據總線的寬度: 增加數據總線的寬度,使得可以用較少的總線周期傳送多個字 例如: SPARCstation 20’s memory bus 128位寬 開銷: 需要更多的信號線 塊傳送模式: 允許總線一次傳送多個字 只需要在開始時給出地址信息 傳送完一個字后,不放棄總線占用權,繼續傳送下一個字,直到傳送完一塊 開銷: (a) 增加了復雜性 (b) 請求的響應時間加長 提高總線的吞吐率 仲裁與事務的執行重疊 執行當前事務期間完成下一事務的仲裁 Bus parking 只要沒有其他主設備請求,當前主設備一直占用總線,完成多個事務 包交換總線 地址傳送階段與數據傳送階段完全分開 這兩個階段分別仲裁 地址階段有標識位來標識其對應的數據 以上技術是現代大多數存儲器總線使用的技術 典型的總線-Parallel I/O bus 典型的總線-Serial I/O bus 典型的總線-CPU-memory interconnects 6.4 I/O與操作系統 早期Unix很多使用16位微處理器作為I/O控制器 I/O與Cache的數據一致性問題 3個Copy- cache, memory 和disk 2個陳舊數據問題 I/O系統將數據從memory->I/O,如果沒有從cache寫回 I/O系統將數據從I/O->memory, I/O僅更新了memory, 因此CPU見到的是陳舊數據 解決辦法 第一個問題: cache 寫策略采用write through,否則OS幫助進行數據檢查,如果I/O所訪問的數據塊在cache中,則首先進行寫回操作。 第二個問題:保證輸入后,CPU使用最新數據。(1)通過OS來保證 (2)通過硬件失效該cache塊 DMA和VM 物理地址DMA VS. VDMA 6.5 I/O系統設計 I/O設計的復雜性 I/O設備千差萬別 Latency Bandwidth Block Size I/O系統必須具有良好的可擴充性 性能與價格權衡 其他互相沖突矛盾的因素 I/O系統設計步驟 列出計算機需要連接的I/O設備的類型 列出每種I/O設備的指標,如容量、功耗、接口等 列出每種I/O設備的價格 記錄每個I/O設備對系統資源的要求 列出每種I/O設備所需要的存儲器和I/O總線資源 分析和評價這些I/O設備不同連接方法的性能 例題 如圖 首先看直接將磁盤頁讀入Cache對CPU帶來的影響。假設 每頁為16KB,Cache塊大小為64字節 對應新頁的地址不在Cache中; CPU不訪問新頁中的任何數據 Cache中95%的被替換塊將再次被讀取,并引起一次失效 Cache使用寫回方法,平均50%的塊被修改過; I/O系統緩沖能夠存儲一個Cache完整的塊(稱為速度匹配緩沖區,使存儲器與I/O的速度得到匹配 訪問或失效在所有Cache塊中均勻分布; 在CPU和I/O之間,沒有其他訪問Cache的干擾 無I/O時,每100萬個時鐘周期中,有15000次失效; 失效開銷為30時鐘周期。如果替換塊被修改過,則再加上30個周期用于寫回主存 假設計算機平均每100萬周期處理1頁 分析I/O對于性能的影響 I/O性能標準 數據傳輸率(MB/s),每秒I/O操作次數(IOPS)等 基于以下性能和價格信息: 一個500MIPS的CPU,價格為¥3000; 一個寬度16字節、訪問周期為100ns的存儲器 I/O總線傳輸速度為200MB/s,可接20個SCSI-2總線及控制器 每條SCSI-2總線傳輸率為20MB/s,最多連接15個磁盤 每個SCSI-2控制器價格¥1500,每次磁盤I/O,需要增加1ms的控制器開銷 每次磁盤I/O,操作系統要使用10000條CPU指令 對于8GB的大磁盤或2GB的小磁盤,價格均為¥0.25/MB; 磁盤轉速為7200r/min,平均尋道時間為8ms,傳輸速度為6MB/s; 要求外存容量為200GB 平均每次I/O傳輸16KB 假設每次磁盤訪問都需要平均尋道時間和平均旋轉時間的開銷;所有設備的空間利用率為100%;工作負載在所有磁盤上均勻分布。計算使用2GB小磁盤或8GB大磁盤時,每次IOPS的價格。

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