計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：第6章 輸入輸出系統(tǒng)

1、6.1I/O系統(tǒng)性能與CPU性能6.2I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性6.3廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID6.4總線6.5通道處理機(jī)6.6I/O與操作系統(tǒng)第6章 輸入/輸出系統(tǒng)6.1 I/O系統(tǒng)性能與CPU性能輸入/輸出系統(tǒng)簡稱I/O系統(tǒng)，包括：I/O設(shè)備I/O設(shè)備與處理機(jī)的連接I/O軟件I/O系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分完成計(jì)算機(jī)與外界的信息交換給計(jì)算機(jī)提供大容量的外部存儲(chǔ)器 按照主要完成的工作進(jìn)行分類：存儲(chǔ)I/O系統(tǒng)（本章內(nèi)容） 通信I/O系統(tǒng)6.1 I/O系統(tǒng)性能與CPU性能人們對(duì)I/O系統(tǒng)的作用和性能沒有給予足夠的重視人們更多地關(guān)注：CPU的性能 許多人甚至認(rèn)為CPU的速度就是計(jì)算

2、機(jī)的速度。I/O設(shè)備通常被稱為外圍設(shè)備。 （外圍的就似乎沒那么重要了） 系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間(衡量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)更好的指標(biāo))從用戶輸入命令開始，到得到結(jié)果所花費(fèi)的時(shí)間。由兩部分構(gòu)成：I/O系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間CPU的處理時(shí)間 6.1 I/O系統(tǒng)性能與CPU性能誤區(qū)：使用多進(jìn)程技術(shù)可以忽略I/O性能對(duì)系統(tǒng)性能的影響多進(jìn)程技術(shù)只能夠提高系統(tǒng)吞吐率，并不能夠減 少系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。進(jìn)程切換時(shí)可能需要增加I/O操作?？汕袚Q的進(jìn)程數(shù)量有限，當(dāng)I/O處理較慢時(shí)，仍 然會(huì)導(dǎo)致CPU處于空閑狀態(tài)。 6.1 I/O系統(tǒng)性能與CPU性能例6.1 假設(shè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的I/O處理時(shí)間占響應(yīng)時(shí)間的10%，當(dāng)I/O性能保持不變，而對(duì)CPU

3、的性能分別提高10倍和100倍時(shí)，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總體性能會(huì)發(fā)生什么樣的變化？ 解 假設(shè)改進(jìn)前程序的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)單位時(shí)間。 如果CPU的性能提高10倍，程序的執(zhí)行時(shí)間減少為： (110%) / 10 + 10% = 0.19 即整機(jī)性能只能提高到原來的約5倍，約50%的CPU性能被浪費(fèi)在I/O處理上。 如果CPU的性能提高100倍，程序的執(zhí)行時(shí)間減少為： (1 10%) / 100 + 10% = 0.109 整機(jī)性能只能提高約10倍，約90%的性能被浪費(fèi)在沒有改進(jìn)的I/O處理上。 6.1 I/O系統(tǒng)性能與CPU性能評(píng)價(jià)I/O系統(tǒng)性能的參數(shù)主要有：連接特性（哪些I/O設(shè)備可以和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接

4、）I/O系統(tǒng)的容量（I/O系統(tǒng)可以容納的I/O設(shè)備數(shù)）響應(yīng)時(shí)間和吞吐率等另一種衡量I/O系統(tǒng)性能的方法：考慮I/O操作對(duì)CPU的打擾情況。即考查某個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行時(shí)，由于其他進(jìn)程的I/O操作，使得該進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間增加了多少。 處理器性能已經(jīng)很高，人們更加關(guān)注系統(tǒng)可靠性。反映外設(shè)可靠性能的參數(shù)有：可靠性（Reliability）可用性（Availability）可信性（Dependability）系統(tǒng)的可靠性：系統(tǒng)從某個(gè)初始參考點(diǎn)開始一直連續(xù)提供服務(wù)的能力。用平均無故障時(shí)間MTTF來衡量。 （Mean Time To Failure） 6.2 I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性6.2 I/O系統(tǒng)的可

5、靠性、可用性和可信性MTTF的倒數(shù)就是系統(tǒng)的失效率。如果系統(tǒng)中每個(gè)模塊的生存期服從指數(shù)分布，則系統(tǒng)整體的失效率是各部件的失效率之和。系統(tǒng)的可用性：系統(tǒng)正常工作的時(shí)間在連續(xù)兩次正常服務(wù)間隔時(shí)間中所占的比率。MTTF+MTTR：平均失效間隔時(shí)間MTBF（Mean Time Between Failure）系統(tǒng)的可信性：服務(wù)的質(zhì)量。即在多大程度上可以合理地認(rèn)為服務(wù)是可靠的。（不可以度量）6.2 I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性例6.2 假設(shè)磁盤子系統(tǒng)的組成部件和它們的MTTF如下：（1）磁盤子系統(tǒng)由10個(gè)磁盤構(gòu)成，每個(gè)磁盤的MTTF為1000000小時(shí)；（2）1個(gè)SCSI控制器，其MTTF為500

6、000小時(shí)；（3）1個(gè)不間斷電源，其MTTF為200000小時(shí)；（4）1個(gè)風(fēng)扇，其MTTF為200000小時(shí)；（5）1根SCSI連線，其MTTF為1000000小時(shí)。 假定每個(gè)部件的生存期服從指數(shù)分布，同時(shí)假定各部件的故障是相互獨(dú)立的，求整個(gè)系統(tǒng)的MTTF。6.2 I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性 解 整個(gè)系統(tǒng)的失效率為： 系統(tǒng)的MTTF為系統(tǒng)失效率的倒數(shù)，即： 即將近5年。 6.2 I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性提高系統(tǒng)組成部件可靠性的方法 有效構(gòu)建方法（valid construction） 在構(gòu)建系統(tǒng)的過程中消除故障隱患，這樣建立起來的系統(tǒng)就不會(huì)出現(xiàn)故障。糾錯(cuò)方法（error co

7、rrection） 在系統(tǒng)構(gòu)建中采用容錯(cuò)的方法。這樣即使出現(xiàn)故障，也可以通過容錯(cuò)信息保證系統(tǒng)正常工作。 磁盤陣列DA（Disk Array）：使用多個(gè)磁盤（包括驅(qū)動(dòng)器）的組合來代替一個(gè)大容量的磁盤。多個(gè)磁盤并行工作。以條帶為單位把數(shù)據(jù)均勻地分布到多個(gè)磁盤上。 （交叉存放）條帶存放可以使多個(gè)數(shù)據(jù)讀/寫請求并行地被處理，從而提高總的I/O性能。這里并行性有兩方面的含義： 6.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID6.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID多個(gè)獨(dú)立的請求可以由多個(gè)盤來并行地處理。 減少了I/O請求的排隊(duì)等待時(shí)間 如果一個(gè)請求訪問多個(gè)塊，就可以由多個(gè)盤合作來并行處理。 提高了單個(gè)請求的數(shù)據(jù)傳輸率問題：陣列

8、中磁盤數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致磁盤陣列可靠性的下降。 如果使用了N個(gè)磁盤構(gòu)成磁盤陣列，那么整個(gè)陣列的可靠性將降低為單個(gè)磁盤的1/N。解決方法：在磁盤陣列中設(shè)置冗余信息盤 當(dāng)單個(gè)磁盤失效時(shí)，丟失的信息可以通過冗余盤中的信息重新構(gòu)建。 6.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID廉價(jià)磁盤冗余陣列RAIDRedundant Arrays of Inexpensive Disks1988年，Patterson教授首先提出磁盤冗余陣列RAIDRedundant Arrays of Independent Disks 簡稱磁盤陣列技術(shù)DA大多數(shù)磁盤陣列的組成可以用兩個(gè)特征來區(qū)分：冗余數(shù)據(jù)的計(jì)算方法以及在磁盤陣列中的存放方式

9、數(shù)據(jù)交叉存放的粒度（可以是細(xì)粒度的，也可以是粗粒度的）6.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID細(xì)粒度磁盤陣列是在概念上把數(shù)據(jù)分割成相對(duì)較小的單位交叉存放。 優(yōu)點(diǎn)：所有I/O請求都能夠獲得很高的數(shù)據(jù)傳輸率。缺點(diǎn)：在任何時(shí)間，都只有一個(gè)邏輯上的I/O在處理當(dāng)中，而且所有的磁盤都會(huì)因?yàn)闉槊總€(gè)請求進(jìn)行定位而浪費(fèi)時(shí)間。粗粒度磁盤陣列是把數(shù)據(jù)以相對(duì)較大的單位交叉存放。多個(gè)較小規(guī)模的請求可以同時(shí)得到處理。對(duì)于較大規(guī)模的請求又能獲得較高的傳輸率。6.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID在磁盤陣列中設(shè)置冗余需要解決以下兩個(gè)問題：如何計(jì)算冗余信息?大多都是采用奇偶校驗(yàn)碼；也有采用漢明碼（Hamming code）或Reed-So

10、lomon碼的。 如何把冗余信息分布到磁盤陣列中的各個(gè)盤?有兩種方法：把冗余信息集中存放在少數(shù)的幾個(gè)盤中。把冗余信息均勻地存放到所有的盤中。 （能避免出現(xiàn)熱點(diǎn)問題） RAID級(jí)別 可以容忍的故障個(gè)數(shù)以及當(dāng)數(shù)據(jù)盤為8個(gè)時(shí)，所需要的檢測盤的個(gè)數(shù) 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 公司產(chǎn)品 0 非冗余，條帶存放 0個(gè)故障；0個(gè)檢測盤 沒有空間開銷 沒有糾錯(cuò)能力 廣泛應(yīng)用 1鏡像 1個(gè)故障；8個(gè)檢測盤 不需要計(jì)算奇偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)恢復(fù)快，讀數(shù)據(jù)快。而且其小規(guī)模寫操作比更高級(jí)別的RAID快 檢測空間開銷最大（即需要的檢測盤最多） EMC，HP（Tandem），IBM 2存儲(chǔ)器式ECC 1個(gè)故障；4個(gè)檢測盤 不依靠故障盤進(jìn)行自

11、診斷 檢測空間開銷的級(jí)別是log2m級(jí)（m為數(shù)據(jù)盤的個(gè)數(shù)） 沒有 3 位交叉奇偶校驗(yàn) 1個(gè)故障；1個(gè)檢測盤 檢測空間開銷?。葱枰臋z測盤少），大規(guī)模讀寫操作的帶寬高 對(duì)小規(guī)模、隨機(jī)的讀寫操作沒有提供特別的支持 外存概念 RAID的分級(jí)及其特性 6.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID有關(guān)RAID的幾個(gè)問題關(guān)鍵問題：如何發(fā)現(xiàn)磁盤的故障磁盤技術(shù)提供了故障檢測操作的信息 設(shè)計(jì)的另一個(gè)問題如何減少平均修復(fù)時(shí)間MTTR典型的做法：在系統(tǒng)中增加熱備份盤熱交換技術(shù)與熱備份盤相關(guān)的一種技術(shù)允許系統(tǒng)在不關(guān)機(jī)的情況下更換設(shè)備非冗余陣列，無冗余信息。嚴(yán)格地說，它不屬于RAID系列。把數(shù)據(jù)切分成條帶，以條帶為單位交叉地分布

12、存放到多個(gè)磁盤中。6.3.1 RAID06.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID6.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID亦稱鏡像盤，使用雙備份磁盤。每當(dāng)把數(shù)據(jù)寫入磁盤時(shí)，將該數(shù)據(jù)也寫入其鏡像盤，形成信息的兩個(gè)副本。6.3.2 RAID16.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAIDRAID1的特點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)快速的讀取操作。寫性能由寫性能最差的磁盤決定。相對(duì)以后各級(jí)RAID來說，RAID1的寫速度較快?？煽啃院芨?，數(shù)據(jù)的恢復(fù)很簡單。最昂貴的解決方法，物理磁盤空間是邏輯磁盤空間的兩倍。 6.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID存儲(chǔ)器式的磁盤陣列（按漢明糾錯(cuò)碼的思路構(gòu)建）含4個(gè)數(shù)據(jù)盤的RAID26.3.3 RAID26.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列

13、RAIDRAID2的特點(diǎn)每個(gè)數(shù)據(jù)盤存放所有數(shù)據(jù)字的一位 （位交叉存放）各個(gè)數(shù)據(jù)盤上的相應(yīng)位計(jì)算漢明校驗(yàn)碼，編碼位被存放在多個(gè)校驗(yàn)（ECC）磁盤的對(duì)應(yīng)位上。冗余盤是用來存放漢明碼的，其個(gè)數(shù)為log2m級(jí)。 m：數(shù)據(jù)盤的個(gè)數(shù)（也就是數(shù)據(jù)字的位數(shù)）并未被廣泛應(yīng)用，目前還沒有商業(yè)化產(chǎn)品。6.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID位交叉奇偶校驗(yàn)盤陣列6.3.4 RAID36.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAIDRAID3的特點(diǎn)采用奇偶校驗(yàn)寫數(shù)據(jù)時(shí)為每行數(shù)據(jù)形成奇偶校驗(yàn)位并寫入校驗(yàn)盤讀出數(shù)據(jù)時(shí)如果控制器發(fā)現(xiàn)某個(gè)磁盤出故障，就可以根據(jù)故障盤以外的所有其他盤中的正確信息恢復(fù)故障盤中的數(shù)據(jù)。（通過異或運(yùn)算實(shí)現(xiàn)） 細(xì)粒度的磁盤陣列

14、，即采用的條帶寬度較小。 （可以是1個(gè)字節(jié)或1位）只需要一個(gè)校驗(yàn)盤，校驗(yàn)空間開銷比較小。 6.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID塊交叉奇偶校驗(yàn)磁盤陣列 采用比較大的條帶，以塊為單位進(jìn)行交叉存放和計(jì)算奇偶校驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：能同時(shí)處理多個(gè)小規(guī)模訪問請求6.3.5 RAID46.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAIDRAID4讀寫特點(diǎn)讀取操作每次只需訪問數(shù)據(jù)所在的磁盤。僅在該磁盤出現(xiàn)故障時(shí)，才會(huì)去讀校驗(yàn)盤，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的重建。寫入操作假定:有4個(gè)數(shù)據(jù)盤和一個(gè)冗余盤。寫數(shù)據(jù)需要2次磁盤讀和2次磁盤寫操作。6.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAIDRAID4能有效地處理小規(guī)模訪問，快速處理大規(guī)模訪問，校驗(yàn)空間開銷比較小。6.3 廉價(jià)

15、磁盤冗余陣列RAID塊交叉分布奇偶校驗(yàn)磁盤陣列 數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤，無專用冗余盤，奇偶校驗(yàn)信息均勻分布在所有磁盤上。 6.3.6 RAID56.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAIDPQ雙校驗(yàn)磁盤陣列 特點(diǎn)校驗(yàn)空間開銷是RAID5的兩倍 容忍兩個(gè)磁盤出錯(cuò) 6.3.7 RAID66.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAIDRAID10又稱為RAID1+0 先進(jìn)行鏡像（RAID1），再進(jìn)行條帶存放（RAID0） 6.3.8 RAID10與RAID016.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAIDRAID01又稱為RAID0+1先進(jìn)行條帶存放（RAID0），再進(jìn)行鏡像（RAID1） 6.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID實(shí)現(xiàn)盤陣列的

16、方式主要有三種：軟件方式：陣列管理軟件由主機(jī)來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)：成本低缺點(diǎn)：過多地占用主機(jī)時(shí)間，且?guī)捴笜?biāo)上不去。陣列卡方式：把RAID管理軟件固化在I/O控制卡上，從而可不占用主機(jī)時(shí)間，一般用于工作站和PC機(jī)。子系統(tǒng)方式：一種基于通用接口總線的開放式平臺(tái)，可用于各種主機(jī)平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。6.3.9 RAID的實(shí)現(xiàn)與發(fā)展6.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID磁盤陣列技術(shù)研究的主要熱點(diǎn)問題新型陣列體系結(jié)構(gòu)；RAID結(jié)構(gòu)與其所記錄文件特性的關(guān)系；在RAID冗余設(shè)計(jì)中，綜合平衡性能、可靠性和開銷的問題；超大型磁盤陣列在物理上如何構(gòu)造和連接。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)之間可以通過總線互相連接。優(yōu)點(diǎn)：成本低、多樣性主要

17、缺點(diǎn)：它是由不同的外設(shè)分時(shí)共享的，形成了信息交換的瓶頸，從而限制了系統(tǒng)中總的I/O吞吐量。6.4 總 線6.4 總 線總線設(shè)計(jì)存在很多技術(shù)難點(diǎn)一個(gè)重要原因：總線上信息傳送的速度極大地受限于各種物理因素。如總線的長度、設(shè)備的數(shù)目、信號(hào)的強(qiáng)度等，這些物理因素限制了總線性能的提高。另外，我們一方面要求I/O操作響應(yīng)快，另一方面又要求高吞吐量，這可能造成設(shè)計(jì)需求上的沖突。6.4.1 總線的設(shè)計(jì)6.4 總 線設(shè)計(jì)總線時(shí)需要考慮的一些問題 特性 高性能 低價(jià)格 總線寬度 獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)總線 數(shù)據(jù)和地址分時(shí)共用同一套總線 數(shù)據(jù)總線寬度 越寬越快（例如：64位） 越窄越便宜（例如：8位） 傳輸塊大小 塊越大

18、總線開銷越小 單字傳送更簡單 總線主設(shè)備 多個(gè)（需要仲裁） 單個(gè)（無需仲裁） 分離事務(wù) 采用分離的請求包和應(yīng)答包能提高總線帶寬 不采用持續(xù)連接成本更低，而且延遲更小 定時(shí)方式 同步 異步 6.4 總 線分離事務(wù)總線（又稱：流水總線、懸掛總線、包交換總線）在有多個(gè)主設(shè)備時(shí)，可以通過打包技術(shù)來提高總線帶寬?；舅枷雽⒖偩€事務(wù)分成請求和應(yīng)答兩部分。在請求和應(yīng)答之間的空閑時(shí)間內(nèi)，總線可以供其他的I/O使用，這樣就不必在整個(gè)I/O過程中都獨(dú)占總線。 工作過程的示意圖 6.4 總 線分離事務(wù)總線有較高的帶寬，但是它的數(shù)據(jù)傳送延遲通常比獨(dú)占總線方法大。 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等待等待1

19、 完成1 6.4 總 線同步總線 包含一個(gè)供總線上所有設(shè)備使用的時(shí)鐘，并且這些設(shè)備是基于該時(shí)鐘按照一個(gè)固定的協(xié)議來發(fā)送地址和數(shù)據(jù)的。 優(yōu)點(diǎn)：速度快、成本低。 缺點(diǎn)：總線操作都必須以同樣的時(shí)鐘頻率進(jìn)行。 異步總線 沒有統(tǒng)一的參考時(shí)鐘，每個(gè)設(shè)備都有各自的定時(shí)方法。采用握手協(xié)議 。6.4 總 線I/O總線標(biāo)準(zhǔn)：定義如何將設(shè)備與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接的文檔。常見I/O總線的一些典型特征 6.4.2 總線標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)例IDE / Ultra ATA SCSI PCI PCI-X 數(shù)據(jù)寬度（b） 16 8/1632/6432/64時(shí)鐘頻率（MHz） 10010（Fast）20（Ultra）40（Ultra2）80（U

20、ltra3）160（Ultra4） 33/6666/100/133總線主設(shè)備數(shù)量 1個(gè) 多個(gè) 多個(gè) 多個(gè) 峰值帶寬（MBps） 2003205331066同步方式 異步 異步 同步 同步 標(biāo)準(zhǔn) 無 ANSI X3.131 無 無 幾種常用并行I/O總線 6.4 總 線在嵌入式系統(tǒng)中使用較多的4種串行I/O總線的一些典型特征 I2C 1-wire RS-232 SPI 數(shù)據(jù)寬度（b） 1121信號(hào)線數(shù)量 219/253時(shí)鐘頻率（MHz） 0.410 異步 0.04或異步 異步 總線主設(shè)備數(shù)量 多個(gè) 多個(gè) 多個(gè) 多個(gè) 峰值帶寬（Mbps） 0.43.4 0.014 0.192 1同步方式 異步 異

21、步 異步 異步 標(biāo)準(zhǔn) 無 無 EIA, ITU-T V.21 無 6.4 總 線在服務(wù)器系統(tǒng)中使用的CPU-存儲(chǔ)器互連系統(tǒng) HP HyperPlane Crossbar IBM SP SUN Gigaplane-XB 數(shù)據(jù)寬度（b） 64128128時(shí)鐘頻率（MHz） 12011183.3 總線的主設(shè)備數(shù) 多個(gè) 多個(gè) 多個(gè) 每端口峰值帶寬（MBps） 96017001300總峰值帶寬（MBps） 76801420010667同步方式 同步 同步 同步 標(biāo)準(zhǔn) 無 無 無 6.4 總 線I/O總線的物理連接方式有兩種選擇連接到存儲(chǔ)器上 更常見連接到Cache上I/O總線連接到存儲(chǔ)器總線上的方式一種

22、典型的組織結(jié)構(gòu) 6.4.3 與CPU的連接CPUCache主存I/O控制器圖形輸出I/O控制器總線適配器網(wǎng)絡(luò)CPU主存總線I/O總線總線適配器AGP總線PCI總線 I/O控制器I/O控制器總線適配器磁盤磁盤CD6.4 總 線CPU對(duì)I/O設(shè)備的編址有兩種方式存儲(chǔ)器映射I/O（也稱為統(tǒng)一編址）將一部分存儲(chǔ)器地址空間分配給I/O設(shè)備，用load指令和store指令對(duì)這些地址進(jìn)行讀寫將引起I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。將一部分存儲(chǔ)空間留出用于設(shè)備控制，對(duì)這一部分地址空間進(jìn)行讀寫就是向設(shè)備發(fā)出控制命令。給I/O設(shè)備獨(dú)立編址需要在CPU中設(shè)置專用的I/O指令來訪問I/O設(shè)備。CPU需要發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號(hào)來表示所訪

23、問的地址是I/O設(shè)備的地址。6.4 總 線CPU與外部設(shè)備進(jìn)行輸入/輸出的方式可分為4種程序查詢中斷DMA通道 通道處理機(jī)能夠負(fù)擔(dān)外圍設(shè)備的大部分I/O工作。通道處理機(jī)（簡稱通道）：專門負(fù)責(zé)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入/輸出工作。通道處理機(jī)只能執(zhí)行有限的一組輸入/輸出指令。I/O處理機(jī)(外圍處理機(jī))：負(fù)責(zé)I/O工作的通用微處理機(jī)。6.5 通道處理機(jī)6.5 通道處理機(jī)程序控制、中斷和DMA方式管理外圍設(shè)備會(huì)引起兩個(gè)問題：所有外設(shè)的輸入/輸出工作均由CPU承擔(dān)，CPU的計(jì)算工作經(jīng)常被打斷而去處理輸入/輸出的事務(wù)，不能充分發(fā)揮CPU的計(jì)算能力。 大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外設(shè)雖然很多，但同時(shí)工作的機(jī)會(huì)不是很多。解決上

24、述問題的方法：采用通道處理機(jī) 6.5.1 通道的作用和功能6.5 通道處理機(jī)一個(gè)典型的由主機(jī)、通道、設(shè)備控制器、外設(shè)構(gòu)成的4級(jí)層次結(jié)構(gòu)的輸入/輸出系統(tǒng)。6.5 通道處理機(jī)通道的功能 接收CPU發(fā)來的I/O指令，并根據(jù)指令要求選擇指定的外設(shè)與通道相連接。執(zhí)行通道程序 從主存中逐條取出通道指令，對(duì)通道指令進(jìn)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。給出外設(shè)中要進(jìn)行讀/寫操作的數(shù)據(jù)所在的地址如磁盤存儲(chǔ)器的柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)等。 給出主存緩沖區(qū)的首地址該緩沖區(qū)存放從外設(shè)輸入的數(shù)據(jù)或者將要輸出到外設(shè)中去的數(shù)據(jù)。6.5 通道處理機(jī)控制外設(shè)與主存緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳送的長度對(duì)傳送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)進(jìn)

25、行計(jì)數(shù)，并判斷數(shù)據(jù)傳送是否結(jié)束。指定傳送工作結(jié)束時(shí)要進(jìn)行的操作例如：將外設(shè)的中斷請求及通道的中斷請求送往CPU等。檢查外設(shè)的工作狀態(tài)是否正常，并將該狀態(tài)信息送往主存指定單元保存。在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成必要的格式變換例如：把字拆分為字節(jié)，或者把字節(jié)裝配成字等。 6.5 通道處理機(jī)通道的主要硬件寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器主存地址計(jì)數(shù)器傳輸字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器通道命令字寄存器通道狀態(tài)字寄存器控制邏輯分時(shí)控制地址分配數(shù)據(jù)傳送、裝配和拆分等6.5 通道處理機(jī)通道對(duì)外設(shè)的控制通過輸入/輸出接口和設(shè)備控制器進(jìn)行通道與設(shè)備控制器之間一般采用標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出接口來連接。通道通過標(biāo)準(zhǔn)接口把操作命令送到設(shè)備控制器，設(shè)備控制器解釋并

26、執(zhí)行這些通道命令，完成命令指定的操作。設(shè)備控制器能夠記錄外設(shè)的狀態(tài)，并把狀態(tài)信息送往通道和CPU。 6.5 通道處理機(jī)通道完成一次數(shù)據(jù)輸入/輸出的工作過程在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序，由管理程序生成一個(gè)通道程序，并啟動(dòng)通道。用戶在目標(biāo)程序中設(shè)置一條廣義指令，通過調(diào)用操作系統(tǒng)的管理程序來實(shí)現(xiàn)。管理程序根據(jù)廣義指令提供的參數(shù)來編制通道程序。 啟動(dòng)輸入/輸出設(shè)備指令是一條主要的輸入/輸出指令，屬于特權(quán)指令。工作流程 6.5.2 通道的工作過程6.5 通道處理機(jī)6.5 通道處理機(jī)通道處理機(jī)執(zhí)行通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)輸入/輸出工作。 通道處理機(jī)執(zhí)行通道程序與CPU執(zhí)行用戶程序是并行的。 通道程

27、序結(jié)束后向CPU發(fā)中斷請求。CPU執(zhí)行程序和通道執(zhí)行通道程序的時(shí)間關(guān)系 6.5 通道處理機(jī)6.5 通道處理機(jī)根據(jù)信息傳送方式的不同，將通道分為三種類型字節(jié)多路通道選擇通道數(shù)組多路通道三種類型的通道與CPU、設(shè)備控制器和外設(shè)的連接關(guān)系 6.5.3 通道的種類6.5 通道處理機(jī)6.5 通道處理機(jī)字節(jié)多路通道 為多臺(tái)低速或中速的外設(shè)服務(wù)。以字節(jié)交叉的方式分時(shí)輪流地為它們服務(wù)。字節(jié)多路通道可以包含多個(gè)子通道，每個(gè)子通道連接一臺(tái)設(shè)備控制器。選擇通道 為多臺(tái)高速外圍設(shè)備服務(wù)。 在一段時(shí)間內(nèi)只為一臺(tái)高速外設(shè)獨(dú)占使用。選擇通道的硬件 5個(gè)寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器、設(shè)備地址寄存器、主存地址計(jì)數(shù)器、交換字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器、

28、設(shè)備狀態(tài)/控制寄存器 格式變換部件用于在主存和設(shè)備之間進(jìn)行字與字節(jié)的拆分和裝配通道控制部件6.5 通道處理機(jī)6.5 通道處理機(jī)6.5 通道處理機(jī)數(shù)組多路通道 適用于高速設(shè)備。每次選擇一個(gè)高速設(shè)備后傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，輪流為多臺(tái)外圍設(shè)備服務(wù)。數(shù)組多路通道之所以能夠并行地為多臺(tái)高速設(shè)備服務(wù)，是因?yàn)殡m然其所連設(shè)備的傳輸速率很高，但尋址等輔助操作時(shí)間很長。 從磁盤存儲(chǔ)器讀出文件的的過程分為三步： 定位、找扇區(qū)、讀出數(shù)據(jù)數(shù)組多路通道的實(shí)際工作方式是： 在為一臺(tái)高速設(shè)備傳送數(shù)據(jù)的同時(shí)，有多臺(tái)高速設(shè)備可以在定位或者在找扇區(qū)。 與選擇通道相比，數(shù)組多路通道的數(shù)據(jù)傳輸率和通道的硬件利用率都很高，控制硬件的復(fù)雜度也高

29、。6.5 通道處理機(jī)通道流量一個(gè)通道在數(shù)據(jù)傳送期間，單位時(shí)間內(nèi)能夠傳送的數(shù)據(jù)量。所用單位一般為Bps。又稱為通道吞吐率、通道數(shù)據(jù)傳輸率等。通道最大流量 通道在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下的流量 。6.5.4 通道中的數(shù)據(jù)傳送過程與流量分析6.5 通道處理機(jī)參數(shù)的定義 TS：設(shè)備選擇時(shí)間。從通道響應(yīng)設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)傳送請求開始，到通道實(shí)際為這臺(tái)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間。TD：傳送一個(gè)字節(jié)所用的時(shí)間。p：在一個(gè)通道上連接的設(shè)備臺(tái)數(shù)，且這些設(shè)備同時(shí)都在工作。n：每臺(tái)設(shè)備傳送的字節(jié)數(shù)，這里假設(shè)每臺(tái)設(shè)備傳送的字節(jié)數(shù)都相同。k：數(shù)組多路通道傳輸?shù)囊粋€(gè)數(shù)據(jù)塊中包含的字節(jié)數(shù)。在一般情況下，kn。對(duì)于磁盤、磁帶等磁表面存儲(chǔ)器

30、，通常k=512。T：通道完成全部數(shù)據(jù)傳送工作所需要的時(shí)間。6.5 通道處理機(jī)字節(jié)多路通道 數(shù)據(jù)傳送過程 通道每連接一臺(tái)個(gè)外設(shè)，只傳送一個(gè)字節(jié)，然后又與另一臺(tái)設(shè)備連接，并傳送一個(gè)字節(jié)。p臺(tái)設(shè)備每臺(tái)傳送n個(gè)數(shù)據(jù)總共所需的時(shí)間為6.5 通道處理機(jī)最大流量實(shí)際流量是連接在這個(gè)通道上的所有設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸率之和。fi：第i臺(tái)設(shè)備的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸率 6.5 通道處理機(jī)選擇通道 在一段時(shí)間內(nèi)只能單獨(dú)為一臺(tái)高速外設(shè)服務(wù)，當(dāng)這臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送工作全部完成后，通道才能為另一臺(tái)設(shè)備服務(wù)。 工作過程其中：Di表示通道正在為第i臺(tái)設(shè)備服務(wù) TD1 = TD2 = = TDn = TD 6.5 通道處理機(jī)p臺(tái)設(shè)備每臺(tái)傳送n

31、個(gè)數(shù)據(jù)總共所需的時(shí)間 最大流量 6.5 通道處理機(jī)數(shù)組多路通道 工作過程p臺(tái)設(shè)備每臺(tái)傳送n個(gè)數(shù)據(jù)總共所需的時(shí)間為：6.5 通道處理機(jī)最大流量選擇通道和數(shù)組多路通道的實(shí)際流量就是連接在這個(gè)通道上的所有設(shè)備中數(shù)據(jù)流量最大的那一個(gè) 。6.5 通道處理機(jī)各種通道的實(shí)際流量應(yīng)該不大于通道的最大流量兩邊的差值越小，通道的利用率就越高。當(dāng)兩邊相等時(shí)，通道處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)。 設(shè)計(jì)I/O系統(tǒng)需要注意操作系統(tǒng)的因素。在用硬件實(shí)現(xiàn)的I/O技術(shù)中，由操作系統(tǒng)來決定哪些會(huì)實(shí)際被采用。 I/O操作主要是在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間進(jìn)行，所以操作系統(tǒng)必須保證這些I/O操作的安全性。 6.6 I/O與操作系統(tǒng)6.6 I/O與操作系統(tǒng)DMA是使用虛擬地址還是物理地址？使用物理地址進(jìn)行DMA傳輸，存在以下兩個(gè)問題：對(duì)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(chǔ)器中不一定是連續(xù)的，所以傳輸可能會(huì)發(fā)生問題。 如果DMA正在存儲(chǔ)器和緩沖區(qū)之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)從存儲(chǔ)器中移出（或重定位）一些頁面，那么，DMA將會(huì)在存儲(chǔ)器中錯(cuò)誤的物理頁面上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 6.6.1 DMA和虛擬存儲(chǔ)器6.6 I/O與操作系統(tǒng)解決這些問題的方法 使操作系統(tǒng)在I/O的傳輸過程中確保DMA設(shè)備所訪問的頁面都位于物理存儲(chǔ)器中，這些頁面被稱為是釘在了主存中。“虛擬DMA”技術(shù) 允許DMA設(shè)備直接使用虛擬地址，并在DMA期間由硬