chap6-輸入輸出系統(tǒng)

6.1引言6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備6.3可靠性、可用性和可信性6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

6.6I/O系統(tǒng)性能分析

6.7I/O與操作系統(tǒng)第六章輸入/輸出系統(tǒng)6.1引言

1.輸入/輸出系統(tǒng)簡(jiǎn)稱I/O系統(tǒng)

包括：

2.I/O系統(tǒng)的重要性◆完成與外部系統(tǒng)的信息交換，是VonNeumann

結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的重要組成部分之一?！艉饬恐笜?biāo)

I/O設(shè)備

I/O設(shè)備與處理機(jī)的連接第六章輸入/輸出系統(tǒng)

響應(yīng)時(shí)間（ResponseTime）

可靠性（Reliability）6.1.1I/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?！舳噙M(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?！暨M(jìn)程切換時(shí)可能需要增加I/O操作。6.1引言◆可切換的進(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引言

例6.1假設(shè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的I/O處理占10％，當(dāng)其CPU性能改進(jìn)，而I/O性能保持不變時(shí)，系統(tǒng)總體性能會(huì)出現(xiàn)什么變化？

解：假設(shè)原來(lái)的程序執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)單位時(shí)間。如果CPU的性能提高10倍，程序的計(jì)算（包含I/O處理）時(shí)間為：

(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引言即整機(jī)性能只能提高約5倍，差不多有50％的CPU性能浪費(fèi)在I/O上。如果CPU性能提高100倍，程序的計(jì)算時(shí)間為：

(1-10%)/100+10%=0.109而整機(jī)性能只能提高約10倍，表示有90％的性能浪費(fèi)在沒(méi)有改進(jìn)的I/O上了。6.1引言6.1.2I/O系統(tǒng)的可靠性◆處理器性能已經(jīng)很高，人們更加關(guān)注系統(tǒng) 可靠性。◆可信性是存儲(chǔ)的基礎(chǔ)可靠性可用性可信性6.1引言6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備

1.各種外部存儲(chǔ)器的相似之處◆記錄原理類似；◆作為計(jì)算機(jī)部件，均包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；◆作為存儲(chǔ)設(shè)備，均包括控制器及接口邏輯；◆均采用了自同步技術(shù)、定位和校正技術(shù)以及相 似的讀寫(xiě)系統(tǒng)。2.目前常用的存儲(chǔ)設(shè)備主要有磁盤(pán)、磁帶、光盤(pán)等第六章輸入/輸出系統(tǒng)6.2.1磁盤(pán)設(shè)備1.磁盤(pán)占據(jù)著非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的主宰地位◆它是存儲(chǔ)層次中主存的下一級(jí)存儲(chǔ)層次，是 虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)；◆它是操作系統(tǒng)和所有應(yīng)用程序的駐留介質(zhì)。2.分類◆軟盤(pán)◆硬盤(pán)（主要介紹）6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備3.磁盤(pán)的結(jié)構(gòu)組成

磁盤(pán)的盤(pán)片、磁道和扇區(qū)◆盤(pán)片盤(pán)片的數(shù)量：1～12片轉(zhuǎn)速：3600～15000轉(zhuǎn)盤(pán)徑：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◆扇區(qū)：每道100～500個(gè)6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備盤(pán)片磁道扇間空隙扇區(qū)6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備4.磁盤(pán)的性能(1)訪問(wèn)時(shí)間

磁盤(pán)的工作過(guò)程：磁頭首先移動(dòng)到目標(biāo)磁道上使期望的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下讀取扇區(qū)中的數(shù)據(jù)工作均在磁盤(pán)控制器的控制下完成磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間=尋道時(shí)間+旋轉(zhuǎn)時(shí)間+傳輸時(shí)間+控制器開(kāi)銷6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備(2)磁盤(pán)容量磁盤(pán)容量與盤(pán)片數(shù)量和單碟容量有關(guān)。

◆受工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的限制，硬盤(pán)中能安裝的盤(pán)片數(shù) 目有限：3～4片

◆提高單碟容量的途徑有兩個(gè)：提高道密度和提高位密度目前的單碟容量幾乎都在20GB以上，主流3.5英寸硬盤(pán)的單碟容量已經(jīng)達(dá)到了80GB。6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備(3)數(shù)據(jù)傳輸率◆數(shù)據(jù)訪問(wèn)過(guò)程從盤(pán)面上讀出的數(shù)據(jù)首先要送到磁盤(pán)緩沖存儲(chǔ)器，再?gòu)木彌_存儲(chǔ)器經(jīng)過(guò)接口送到主機(jī)?！敉獠總鬏斅释话l(fā)數(shù)據(jù)傳輸率計(jì)算機(jī)通過(guò)磁盤(pán)接口從硬盤(pán)的緩存中將數(shù)

據(jù)讀出，交給相應(yīng)的控制器的速度。外部數(shù)據(jù)傳輸率和磁盤(pán)的接口有關(guān)6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備◆內(nèi)部傳輸率硬盤(pán)持續(xù)傳輸率硬盤(pán)將數(shù)據(jù)從盤(pán)片上讀取出，交給硬盤(pán)上的緩沖存儲(chǔ)器的速度；內(nèi)部傳輸率等于磁頭相對(duì)磁盤(pán)的線速度與磁 盤(pán)位密度之積?！籼岣邇?nèi)部傳輸率提高轉(zhuǎn)速提高記錄密度：局部響應(yīng)最大似然PRML技術(shù)6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備(4)磁盤(pán)Cache◆可以彌補(bǔ)磁盤(pán)和主存之間的速度差距◆利用被訪問(wèn)數(shù)據(jù)的局部性原理時(shí)間局部性空間局部性◆磁盤(pán)Cache的管理和實(shí)現(xiàn)一般由硬件和軟件共同完成6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備◆磁盤(pán)容量的提高通常用面密度來(lái)衡量

面密度為單位面積可以記錄的數(shù)據(jù)位數(shù)

面密度＝磁盤(pán)面的道密度×磁道的位密度◆容量不斷提升，每位價(jià)格不斷下降。5.磁盤(pán)的發(fā)展6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備圖6.1磁盤(pán)價(jià)格的變化6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備◆

“訪問(wèn)時(shí)間差距”問(wèn)題

磁盤(pán)的性能價(jià)格比高于主存，但訪問(wèn)速度卻要低得多，換句話說(shuō)，性能價(jià)格比與速度要求差距太大。6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備圖6.2磁盤(pán)和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器之間的訪問(wèn)時(shí)間差距6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備6.2.2Flash存儲(chǔ)器◆工作原理同E2PROM，容量比E2PROM大?！襞c磁盤(pán)相比的主要特點(diǎn)：功耗小（≤50mw）

尺寸小提供與DRAM相仿的訪問(wèn)速度價(jià)格高◆Flash存儲(chǔ)器的組織與其存儲(chǔ)位元有關(guān)6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備6.2.3磁帶設(shè)備

磁盤(pán)和磁帶在性能價(jià)格比上的差異主要取決于它們的機(jī)械構(gòu)成。◆磁盤(pán)盤(pán)片具有有限的存儲(chǔ)面積，并且存儲(chǔ)介 質(zhì)被封裝在每個(gè)讀部件內(nèi)，提供ms級(jí)的隨機(jī) 訪問(wèn)；◆磁帶繞在可轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，一個(gè)讀部件可以使用 多盤(pán)磁帶(沒(méi)有長(zhǎng)度限制)，但磁帶需要順序 訪問(wèn)，每次訪問(wèn)都可能需要較長(zhǎng)的反繞、6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備退出和加載時(shí)間，等待時(shí)間較長(zhǎng)(數(shù)秒)。1.磁帶◆優(yōu)點(diǎn)：容量大、技術(shù)成熟、單位價(jià)格低◆缺點(diǎn)：訪問(wèn)時(shí)間較長(zhǎng)◆用途：磁帶成為磁盤(pán)的備份技術(shù)◆發(fā)展采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，提高記錄密度和數(shù)據(jù)傳輸率；6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備采用螺旋掃描技術(shù)，提高性能價(jià)格比和可靠性；采用自動(dòng)管理磁帶的大容量磁帶庫(kù)。2.螺旋掃描技術(shù)◆螺旋掃描磁帶（HelicalScanTapes）1963

年被索尼（SONY）公司首次使用◆主要特點(diǎn)磁帶運(yùn)動(dòng)方向與磁記錄方向成一定角度；磁鼓高速旋轉(zhuǎn)，其它部件低速運(yùn)轉(zhuǎn)；具有較高的記錄密度和數(shù)據(jù)傳輸率；6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備可以解決磁帶線速度不穩(wěn)定，抖動(dòng)和易磨損等問(wèn)題。3.自動(dòng)磁帶庫(kù)◆通過(guò)機(jī)械手自動(dòng)地安裝和更換磁帶，相當(dāng)于又提供了一個(gè)新的存儲(chǔ)器層次?！魞?yōu)點(diǎn)：自動(dòng)換帶，加載速度快；單位數(shù)據(jù)的價(jià)格低；通過(guò)加大規(guī)模，進(jìn)一步降低成本?！羧秉c(diǎn)：帶寬較低；可靠性差。6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備6.2.4光盤(pán)設(shè)備◆使用激光作為讀出數(shù)據(jù)手段的設(shè)備，無(wú)論使用磁記錄介質(zhì)還是使用光記錄介質(zhì)。◆分類：

只讀光盤(pán)（如CD-ROM、DVD-ROM等）

可寫(xiě)光盤(pán)（如CD-R、MO等）一次性寫(xiě)光盤(pán)CD-R或WORM可多次寫(xiě)光盤(pán)CD-RW或稱為WMRM6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備1.光盤(pán)塔◆光盤(pán)塔實(shí)際上是多個(gè)CD-ROM放在一起，再加上相應(yīng)的控制器和網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備。

◆許多光盤(pán)機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口(如SCSI)電纜連 接起來(lái)，一根典型的SCSI接口電纜可以連 接7臺(tái)光盤(pán)機(jī)，用軟件控制讀寫(xiě)其中某一臺(tái)◆優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低；讀取光盤(pán)速度快?！羧秉c(diǎn)：容量較??；手動(dòng)換盤(pán)。6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備2.光盤(pán)庫(kù)◆光盤(pán)庫(kù)是一種能自動(dòng)把機(jī)框中存放的許多片光盤(pán)選出并裝入光盤(pán)機(jī)進(jìn)行讀寫(xiě)的設(shè)備。◆優(yōu)點(diǎn)：存儲(chǔ)量大，光盤(pán)自動(dòng)更換?！羧秉c(diǎn)：機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，裝卸光盤(pán)較慢。 只能同時(shí)支持幾張光盤(pán)的在線訪問(wèn)。6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備3.光盤(pán)陣列◆陣列技術(shù)：將數(shù)據(jù)分布到多個(gè)光盤(pán)機(jī)中，并對(duì)數(shù)據(jù)的冗余信息加以存儲(chǔ)?！艄獗P(pán)陣列技術(shù)需要考慮一些特殊的問(wèn)題光盤(pán)具有盤(pán)片可換的問(wèn)題陣列管理軟件的設(shè)計(jì)問(wèn)題實(shí)現(xiàn)光盤(pán)陣列快速響應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)之一

較大的緩存和優(yōu)化的調(diào)度策略6.2外部存儲(chǔ)設(shè)備6.3可靠性、可用性和可信性◆反映存儲(chǔ)外設(shè)可靠性能的參數(shù)可靠性（Reliability）

可用性（Availability）

可信性（Dependability）◆與可靠性相關(guān)的三個(gè)術(shù)語(yǔ)故障（fault）

錯(cuò)誤（error）

失效（failure）第六章輸入/輸出系統(tǒng)1.故障、錯(cuò)誤和失效之間的關(guān)系(1)一個(gè)故障可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)或者多個(gè)錯(cuò)誤；(2)錯(cuò)誤通常具有以下特性◆錯(cuò)誤在潛在狀態(tài)和有效狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)換；◆潛在的錯(cuò)誤可能通過(guò)激活而有效；◆有效錯(cuò)誤的影響可以傳遞，引起新的錯(cuò)誤。(3)如果錯(cuò)誤影響到部件正常的服務(wù)時(shí)，部件就發(fā)生了失效；(4)系統(tǒng)中的所有部件的故障、錯(cuò)誤和失效均存在這樣的關(guān)系。6.3可靠性、可用性和可信性2.故障的分類(1)按故障產(chǎn)生的原因分◆硬件故障：設(shè)備失效產(chǎn)生的故障◆設(shè)計(jì)故障◆操作故障：由于用戶操作的失誤引起的故障◆環(huán)境故障(2)按故障出現(xiàn)的周期分◆暫時(shí)性故障◆間歇性故障◆永久性故障6.3可靠性、可用性和可信性3.系統(tǒng)可靠性◆系統(tǒng)從初始狀態(tài)開(kāi)始一直提供服務(wù)的能力◆用平均無(wú)故障時(shí)間MTTF來(lái)衡量4.系統(tǒng)可用性◆系統(tǒng)正常工作時(shí)間在連續(xù)兩次正常服務(wù)間隔時(shí) 間中所占的比率◆用MTTF/MTBF（平均失效間隔時(shí)間）來(lái)衡量5.系統(tǒng)可信性◆多大程度上可以合理地認(rèn)為服務(wù)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假設(shè)磁盤(pán)子系統(tǒng)的組成部件和它們的MTTF如下：(1)磁盤(pán)子系統(tǒng)由10個(gè)磁盤(pán)構(gòu)成，每個(gè)磁盤(pán)的MTTF為1000000小時(shí)；(2)1個(gè)SCSI控制器，其MTTF為500000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)；6.3可靠性、可用性和可信性假定每個(gè)部件的正常工作時(shí)間服從指數(shù)分布,即部件的工作時(shí)間與故障出現(xiàn)的概率無(wú)關(guān)；同時(shí)假定各部件的故障相互獨(dú)立，試計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的MTTF。解：整個(gè)系統(tǒng)的失效率為：100000023100000012000001200000150000011000000110=++++×＝系統(tǒng)失效率6.3可靠性、可用性和可信性系統(tǒng)的MTTF為系統(tǒng)失效率的倒數(shù)，即：小時(shí)＝43500231000000MTTF=大約為5年。6.3可靠性、可用性和可信性6.提高系統(tǒng)可靠性的方法◆有效構(gòu)建方法◆糾錯(cuò)方法

具體的說(shuō)，可分為:故障避免技術(shù)故障容忍技術(shù)錯(cuò)誤消除技術(shù)錯(cuò)誤預(yù)報(bào)技術(shù)6.3可靠性、可用性和可信性6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

◆廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列

RedundantArrayofInexpensiveDisks◆獨(dú)立磁盤(pán)冗余陣列

RedundantArrayofIndependentDisks◆簡(jiǎn)稱盤(pán)陣列技術(shù) 1988年，Patterson教授首先提出。 ◆優(yōu)點(diǎn)容量大、速度快、可靠性高、造價(jià)低廉第六章輸入/輸出系統(tǒng)1.各級(jí)RAID的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)RAID級(jí)數(shù)據(jù)磁盤(pán)數(shù)可正常工作的最多失效盤(pán)數(shù)檢測(cè)磁盤(pán)數(shù)0非冗余8001鏡像8182存儲(chǔ)器式ECC8143位交叉奇偶校驗(yàn)8114塊交叉奇偶校驗(yàn)8115塊交叉分布奇偶校驗(yàn)8116P+Q冗余8227Cache+異步8222.各級(jí)RAID的共性◆

RAID由一組物理磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器組成，操作系統(tǒng)視之為一個(gè)邏輯驅(qū)動(dòng)器；◆數(shù)據(jù)分布在一組物理磁盤(pán)上；◆冗余信息被存儲(chǔ)在冗余磁盤(pán)空間中，保證磁 盤(pán)在萬(wàn)一損壞時(shí)可以恢復(fù)數(shù)據(jù)；◆其中第2、3個(gè)特性在不同的RAID級(jí)別中的表 現(xiàn)不同，RAID0不支持第3個(gè)特性。6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

3.有關(guān)RAID的幾個(gè)問(wèn)題(1)關(guān)鍵問(wèn)題：如何發(fā)現(xiàn)磁盤(pán)的失效

磁盤(pán)技術(shù)提供了故障檢測(cè)操作的信息。(2)設(shè)計(jì)的另一個(gè)問(wèn)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(pán)

(3)熱切換技術(shù)與熱備份盤(pán)相關(guān)的一種技術(shù)6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

6.4.1RAID0◆數(shù)據(jù)分塊，即把數(shù)據(jù)分布在多個(gè)盤(pán)上?！舴侨哂嚓嚵小o(wú)冗余信息。◆嚴(yán)格地說(shuō)，它不屬于RAID系列。MNOetc...IJKLEFGHABCD6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

陣列管理?xiàng)l帶0條帶1條帶1條帶2條帶3條帶4條帶5條帶6條帶7條帶8條帶9條帶10條帶11條帶0條帶2條帶3條帶4條帶5條帶6條帶7條帶8條帶9條帶10條帶11邏輯盤(pán)物理盤(pán)0物理盤(pán)1物理盤(pán)2物理盤(pán)3◆

RAID0中的數(shù)據(jù)映射6.4.2RAID1

亦稱鏡像盤(pán)，使用雙備份磁盤(pán)。每當(dāng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入一個(gè)磁盤(pán)時(shí)，將該數(shù)據(jù)也寫(xiě)到另一個(gè)冗余盤(pán)，形成信息的兩份復(fù)制品。GGHHEEFFCCDDAABB==6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

1.RAID1的特點(diǎn)◆讀性能好

RAID1的性能能夠達(dá)到RAID0性能的兩倍。◆寫(xiě)性能由寫(xiě)性能最差的磁盤(pán)決定。相對(duì)以后 各級(jí)RAID來(lái)說(shuō)，RAID1的寫(xiě)速度較快?！艨煽啃院芨摺糇畎嘿F的解決方法，物理磁盤(pán)空間是邏輯磁 盤(pán)空間的兩倍。6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

2.RAID1中的鏡像和分塊如何相互作用？◆

RAID0+1

先分塊后鏡像MNOetc...IJKLEFGHABCDMNOetc...IJKLEFGHABCD6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

◆

RAID1+0

先鏡像后分塊NJFBOKGCetc...LHDMIEANJFBOKGCetc...LHDMIEA6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

6.4.3RAID21.位交叉式海明編碼陣列2.各個(gè)數(shù)據(jù)盤(pán)上的相應(yīng)位計(jì)算海明校驗(yàn)碼，編碼位被存放在多個(gè)校驗(yàn)（Ecc）磁盤(pán)的對(duì)應(yīng)位上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3Ecc/AxEcc/BxEcc/CxEcc/DxEcc/AyEcc/ByEcc/CyEcc/DyEcc/AzEcc/BzEcc/CzEcc/Dz6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

3.RAID2特點(diǎn)◆并行存取，各個(gè)驅(qū)動(dòng)器同步工作?！羰褂煤Ｃ骶幋a來(lái)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正，數(shù)據(jù) 傳輸率高。◆需要多個(gè)磁盤(pán)來(lái)存放海明校驗(yàn)碼信息，冗余 磁盤(pán)數(shù)量與數(shù)據(jù)磁盤(pán)數(shù)量的對(duì)數(shù)成正比?！羰且环N在多磁盤(pán)易出錯(cuò)環(huán)境中的有效選擇。 并未被廣泛應(yīng)用，目前還沒(méi)有商業(yè)化產(chǎn)品。6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

6.4.4RAID31.位交叉奇偶校驗(yàn)盤(pán)陣列2.單盤(pán)容錯(cuò)并行傳輸：數(shù)據(jù)以位或字節(jié)交叉存儲(chǔ)，奇偶校驗(yàn)信息存儲(chǔ)在一臺(tái)專用盤(pán)上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3A校驗(yàn)碼B校驗(yàn)碼C校驗(yàn)碼D校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼產(chǎn)生器位或字節(jié)6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

3.RAID3特點(diǎn)◆將磁盤(pán)分組，讀寫(xiě)要訪問(wèn)組中所有盤(pán)，每 組中有一個(gè)盤(pán)作為校驗(yàn)盤(pán)?！粜ｒ?yàn)盤(pán)一般采用奇偶校驗(yàn)。◆簡(jiǎn)單理解：先將分布在各個(gè)數(shù)據(jù)盤(pán)上的一 組數(shù)據(jù)加起來(lái)，將和存放在冗余盤(pán)上。一 旦某一個(gè)盤(pán)出錯(cuò)，只要將冗余盤(pán)上的和減 去所有正確盤(pán)上的數(shù)據(jù)，得到的差就是出 錯(cuò)的盤(pán)上的數(shù)據(jù)。◆缺點(diǎn)：恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

4.RAID3讀寫(xiě)特點(diǎn)假定：有4個(gè)數(shù)據(jù)盤(pán)和一個(gè)冗余盤(pán)◆讀出數(shù)據(jù)，一共需要5次磁盤(pán)讀操作；◆寫(xiě)數(shù)據(jù)需要3次磁盤(pán)讀和2次磁盤(pán)寫(xiě)操作。D0'D0D1D2D3PD1D2D3P'D0'讀操作讀操作讀操作寫(xiě)操作寫(xiě)操作異或6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

6.4.5RAID41.專用奇偶校驗(yàn)獨(dú)立存取盤(pán)陣列2.數(shù)據(jù)以塊（塊大小可變）交叉的方式存于各盤(pán)，奇偶校驗(yàn)信息存在一臺(tái)專用盤(pán)上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3A校驗(yàn)碼B校驗(yàn)碼C校驗(yàn)碼D校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼產(chǎn)生器數(shù)據(jù)塊6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

3.RAID4特點(diǎn)◆冗余代價(jià)與RAID3相同◆訪問(wèn)數(shù)據(jù)的方法與RAID3不同

在RAID3中，一次磁盤(pán)訪問(wèn)將對(duì)磁盤(pán)陣列 中的所有磁盤(pán)進(jìn)行操作。

RAID4出現(xiàn)的原因：希望使用較少的磁盤(pán)參與操作，以使磁盤(pán)陣列可以并行進(jìn)行多個(gè)數(shù)據(jù)的磁盤(pán)操作。6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

4.RAID4讀寫(xiě)特點(diǎn)假定:有4個(gè)數(shù)據(jù)盤(pán)和一個(gè)冗余盤(pán)◆讀出數(shù)據(jù)，對(duì)兩個(gè)磁盤(pán)的兩次讀操作；◆寫(xiě)數(shù)據(jù)需要2次磁盤(pán)讀和2次磁盤(pán)寫(xiě)操作。D0'D0D1D2D3PD1D2D3P'D0'讀操作讀操作寫(xiě)操作寫(xiě)操作異或異或6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

6.4.6RAID51.塊交叉分布式奇偶校驗(yàn)盤(pán)陣列2.數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤(pán)，無(wú)專用冗余盤(pán)，奇偶校驗(yàn)信息均勻分布在所有磁盤(pán)上。6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

C4D44校驗(yàn)碼E4A3C3D3A2B2D2A1B1C1A0B0C0D00校驗(yàn)碼1校驗(yàn)碼2校驗(yàn)碼3校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼產(chǎn)生器E1E2E3B46.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

3.RAID4和RAID5中的信息分布6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

6.4.7RAID61.雙維奇偶校驗(yàn)獨(dú)立存取盤(pán)陣列2.數(shù)據(jù)以塊（塊大小可變）交叉方式存于各盤(pán)，檢、糾錯(cuò)信息均勻分布在所有磁盤(pán)上。

C2D3D校驗(yàn)碼C1D2A2D1A1B1A0B0C00校驗(yàn)碼1校驗(yàn)碼B校驗(yàn)碼3校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼產(chǎn)生器B22校驗(yàn)碼C校驗(yàn)碼A校驗(yàn)碼6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

3.RAID6特點(diǎn)◆寫(xiě)入數(shù)據(jù)要訪問(wèn)1個(gè)數(shù)據(jù)盤(pán)和2個(gè)冗余盤(pán)；◆可容忍雙盤(pán)出錯(cuò)；◆存儲(chǔ)開(kāi)銷是RAID5的兩倍，RAID6的寫(xiě)過(guò) 程需要6次磁盤(pán)操作。6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

6.4.8RAID7◆采用Cache和異步技術(shù)的RAID6◆較高的響應(yīng)速度和傳輸速率C0B0B1A0A1A2實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)A校驗(yàn)碼B校驗(yàn)碼C校驗(yàn)碼B2C1C26.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

6.4.9RAID的實(shí)現(xiàn)與發(fā)展1.實(shí)現(xiàn)盤(pán)陣列的方式主要有三種◆軟件方式：陣列管理軟件由主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) 優(yōu)點(diǎn)：成本低 缺點(diǎn)：過(guò)多地占用主機(jī)時(shí)間，并且?guī)捴?標(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)。6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

◆子系統(tǒng)方式：這是一種基于通用接口總線 的開(kāi)放式平臺(tái)，可用于各種主機(jī)平臺(tái)和網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)。2.盤(pán)陣列技術(shù)研究的主要熱點(diǎn)問(wèn)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(kāi)銷的問(wèn)題；◆超大型盤(pán)陣列在物理上如何構(gòu)造和連結(jié)的問(wèn)題。6.4廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID

6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

1.通過(guò)接口將許多子系統(tǒng)連接起來(lái)2.接口使用得最多的就是總線3.輸入輸出方式◆直接傳送◆程序查詢◆中斷◆

DMA◆通道第六章輸入/輸出系統(tǒng)6.5.1總線優(yōu)點(diǎn)：低成本、多樣性缺點(diǎn)：必須獨(dú)占使用，造成了設(shè)備信息交換的瓶頸，從而限制了系統(tǒng)中總的I/O吞吐量。1.總線的設(shè)計(jì)6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

選擇高性能低價(jià)格總線寬度獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用數(shù)據(jù)和地址總線數(shù)據(jù)總線寬度越寬越快（例如：64位）越窄越便宜（例如：8位）傳輸塊大小塊越大總線開(kāi)銷越小每次傳送單字總線主設(shè)備多個(gè)（需要仲裁）單個(gè)（無(wú)需仲裁）分離事務(wù)采用不用定時(shí)方式同步異步6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

(1)

分離事務(wù)總線在有多個(gè)主設(shè)備時(shí)，總線通過(guò)數(shù)據(jù)打包來(lái)提高總線帶寬，而不必在整個(gè)傳輸過(guò)程中都占有總線。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等待等待1完成1

6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

(2)同步總線同步總線上所有設(shè)備通過(guò)統(tǒng)一的總線系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行同步。

優(yōu)點(diǎn)：成本低，因?yàn)樗恍枰O(shè)備之間互相確定時(shí)序的邏輯。

缺點(diǎn)：總線操作必須以相同的速度運(yùn)行。(3)異步總線異步總線上的設(shè)備之間沒(méi)有統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)鐘，設(shè)備自己內(nèi)部定時(shí)。6.5I/O設(shè)備與CPU和/存儲(chǔ)器的連接

2.總線標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)例幾種常用并行I/O總線IDE/UltraATASCSIPCIPCI-X數(shù)據(jù)寬度16bit8/16bit32/64bit32/64bit時(shí)鐘頻率MHz10010（Fast）20（Ultra）40（Ultra2）80（Ultra3）160（Ultra4）33/6666/100/133主設(shè)備數(shù)量一個(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)峰值帶寬200MB/s320MB/s533MB/s1066MB/s同步方式異步異步同步同步標(biāo)準(zhǔn)無(wú)ANSIX3.131無(wú)無(wú)幾種常用串行I/O總線I2C1-wireRS-232SPI數(shù)據(jù)寬度（bit）1121信號(hào)線數(shù)量219/253時(shí)鐘頻率（MHz）0.4～10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（Mb/s）0.4～3.40.0140.1921同步方式異步異步異步異步標(biāo)準(zhǔn)無(wú)無(wú)EIA,ITU-TV.21無(wú)6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

幾種CPU-存儲(chǔ)器互連系統(tǒng)HPHyperPlaneCrossbarIBMSPSUNGigaplane-XB數(shù)據(jù)寬度(bit)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(MB/s)96017001300總峰值帶寬(MB/s)76801420010667同步方式同步同步同步標(biāo)準(zhǔn)無(wú)無(wú)無(wú)6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

6.5.2設(shè)備的連接1.典型的總線連接CPUCache主存I/O控制器圖形顯示I/O控制器I/O控制器總線適配器網(wǎng)絡(luò)CPU－主存總線I/O總線6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

2.CPU尋址I/O設(shè)備的方式◆存儲(chǔ)器映射I/O或統(tǒng)一編址◆

I/O設(shè)備單獨(dú)編址無(wú)論選擇哪一種編址方法，每個(gè)I/O設(shè)備都提供狀態(tài)寄存器和控制寄存器。3.設(shè)備的連接和工作方式直接傳送、程序查詢、中斷、DMA、I/O處理機(jī)6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

4.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(wèn)題：◆所有外圍設(shè)備的I/O工作全部都要由CPU來(lái) 承擔(dān)，CPU的I/O負(fù)擔(dān)很重，不能專心于用 戶程序的計(jì)算。◆大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備臺(tái)數(shù)雖然很 多，但是一般并不同時(shí)工作。

解決上述問(wèn)題的方法：采用通道處理機(jī)6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

6.5.3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)：能夠執(zhí)行有限I/O指令，并且能夠被多臺(tái)外圍設(shè)備共享的小型DMA專用處理機(jī)。1.通道的功能6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

(1)接受CPU發(fā)來(lái)的I/O指令，根據(jù)指令要求選擇一臺(tái)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(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。(3)給出外圍設(shè)備的有關(guān)地址，即進(jìn)行讀／寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)所在的位置。

如磁盤(pán)存儲(chǔ)器的柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)等。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

(4)給出主存緩沖區(qū)的首地址，這個(gè)緩沖區(qū)用來(lái)暫時(shí)存放從外圍設(shè)備上輸入的數(shù)據(jù)，或者暫時(shí)存放將要輸出到外圍設(shè)備中去的數(shù)據(jù)。(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(gè)數(shù)，對(duì)交換的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并判斷數(shù)據(jù)傳送工作是否結(jié)束。(6)指定傳送工作結(jié)束時(shí)要進(jìn)行的操作。(7)檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，是正常或故障。根據(jù)需要將設(shè)備的狀態(tài)信息送往主存指定單元保存。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

(8)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中完成必要的格式變換。

例如把字拆卸為字節(jié)，或者把字節(jié)裝配成字2.通道的主要硬件

(1)寄存器部分?jǐn)?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6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

(2)控制部分

分時(shí)控制地址分配數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)裝配拆卸3.通道對(duì)外圍設(shè)備的控制通過(guò)I/O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I/O

接口來(lái)連接。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

4.

工作過(guò)程

(1)在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序，由CPU通過(guò)管理程序組織一個(gè)通道程序，并啟動(dòng)通道。(2)通道處理機(jī)執(zhí)行CPU為它組織的通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)I/O工作。通道處理機(jī)執(zhí)行通道程序是與CPU執(zhí)行用戶程序并行的。(3)通道程序結(jié)束后向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求。CPU響應(yīng)這個(gè)中斷請(qǐng)求后，第二次進(jìn)入操作系統(tǒng)，調(diào)用管理程序?qū)/O中斷請(qǐng)求進(jìn)行處理。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

5.

通道程序、管理程序和用戶程序的執(zhí)行時(shí)間關(guān)系6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

6.通道種類

◆

通道分為三種類型

◆

三種類型的通道與CPU、設(shè)備控制器和外圍設(shè)備

的連接關(guān)系

字節(jié)多路通道選擇通道數(shù)組多路通道

6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

(1)字節(jié)多路通道

◆為多臺(tái)低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)；

◆采用分時(shí)方式工作，依靠它與CPU之間的高 速數(shù)據(jù)通路分時(shí)為多臺(tái)設(shè)備服務(wù)。(2)選擇通道◆為多臺(tái)高速外圍設(shè)備服務(wù)；◆傳送數(shù)據(jù)期間，通道只能為一臺(tái)高速外圍設(shè) 備服務(wù)，在不同時(shí)間內(nèi)可以選擇不同設(shè)備。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

(3)數(shù)組多路通道 ◆數(shù)組多路通道適于為高速設(shè)備服務(wù)； ◆每次選擇一個(gè)高速設(shè)備后傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊， 并輪流為多臺(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個(gè)高 速外圍設(shè)備服務(wù)，是因?yàn)檫@些高速外圍設(shè) 備并不能在整個(gè)數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)間內(nèi)單獨(dú)利用通道的全部傳輸能力。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

7.通道中的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程

(1)

字節(jié)多路通道的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程

通道每連接一個(gè)外圍設(shè)備，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)。(2)

數(shù)組多路通道的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程每連接一臺(tái)高速設(shè)備，傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，傳送完成后，又與另一臺(tái)高速設(shè)備連接，再傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

(3)選擇通道的工作過(guò)程每連接一個(gè)外圍設(shè)備，就把這個(gè)設(shè)備的

n個(gè)字節(jié)全部傳送完成，然后再與另一臺(tái)設(shè)備相連接。8.通道中數(shù)據(jù)的傳送過(guò)程與流量分析

動(dòng)畫(huà)演示

6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

(1)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)能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量，一般用字節(jié)個(gè)數(shù)來(lái)表示。又稱為通道吞吐率，通道數(shù)據(jù)傳輸率等。(2)通道最大流量一個(gè)通道在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下的流量。(3)流量計(jì)算公式6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

TS：設(shè)備選擇時(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)塊中的包含的字節(jié)數(shù)。在一般情況下，k<n。對(duì)于磁盤(pán)、磁帶等磁表面存儲(chǔ)器，通常k=512。T：通道完成全部數(shù)據(jù)傳送工作所需時(shí)間。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

◆流量計(jì)算公式

字節(jié)多路通道選擇通道數(shù)組多路通道6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

◆

最大流量字節(jié)多路通道

選擇通道數(shù)組多路通道6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

◆實(shí)際流量小于最大流量 字節(jié)多路通道 選擇通道 數(shù)組多路通道6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

6.6I/O系統(tǒng)性能分析

6.6.1I/O性能與系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間1.I/O系統(tǒng)的性能分析模型模擬和實(shí)際測(cè)量的方法來(lái)衡量。◆對(duì)I/O系統(tǒng)建立模型后，可以使用排隊(duì)理論進(jìn) 行分析?！粼O(shè)計(jì)出來(lái)的I/O系統(tǒng)還可以通過(guò)基準(zhǔn)測(cè)試程序 進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。第六章輸入/輸出系統(tǒng)2.衡量I/O系統(tǒng)的性能的標(biāo)準(zhǔn)◆

I/O系統(tǒng)的多樣性：哪些I/O設(shè)備可以和計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)相連接。◆

I/O系統(tǒng)的容量：I/O系統(tǒng)可以容納多少I(mǎi)/O

設(shè)備。◆

I/O吞吐量有時(shí)也被稱為I/O帶寬。◆

I/O響應(yīng)時(shí)間有時(shí)被稱為響應(yīng)延遲。6.6I/O系統(tǒng)性能分析

3.一個(gè)簡(jiǎn)單的生產(chǎn)服務(wù)模型生產(chǎn)者服務(wù)員隊(duì)列6.6I/O系統(tǒng)性能分析

4.吞吐量和響應(yīng)時(shí)間

0501001502002503000%20%40%60%80%100%實(shí)際吞吐量/最大吞吐量響應(yīng)時(shí)間（ms）6.6I/O系統(tǒng)性能分析

獲得較大吞吐率和較小響應(yīng)時(shí)間是相互矛盾的，如何進(jìn)行折衷是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)要研究的問(wèn)題。

051015圖形系統(tǒng)（0.3s）圖形系統(tǒng)（1s）鍵盤(pán)系統(tǒng)（0.3s）鍵盤(pán)系統(tǒng)（1s）時(shí)間（s）進(jìn)入時(shí)間系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間思考時(shí)間

鍵盤(pán)輸入系統(tǒng)和圖形輸入系統(tǒng)的事務(wù)處理時(shí)間6.6I/O系統(tǒng)性能分析

計(jì)算機(jī)的一次事務(wù)處理的時(shí)間被分為三個(gè)部分：

進(jìn)入時(shí)間：用戶輸入命令的時(shí)間。

系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間：用戶輸入命令后到計(jì)算機(jī)的響應(yīng)結(jié)果被顯示出來(lái)的時(shí)間間隔。(3)思考時(shí)間：系統(tǒng)響應(yīng)后到用戶開(kāi)始輸入下一條命令的時(shí)間間隔。研究表明:用戶的工作效率與事務(wù)處理時(shí)間成反比，可以用單位時(shí)間內(nèi)處理的事務(wù)數(shù)量來(lái)衡量工作效率。6.6I/O系統(tǒng)性能分析

6.6.2Little定律1.黑箱（BlackBox）黑箱到達(dá)任務(wù)離開(kāi)任務(wù)穩(wěn)定狀態(tài)：系統(tǒng)的輸入速率=輸出速率2.Little定律系統(tǒng)中的平均任務(wù)數(shù)＝到達(dá)率×平均響應(yīng)時(shí)間6.6I/O系統(tǒng)性能分析

3.證明

假定對(duì)一個(gè)系統(tǒng)測(cè)量時(shí)間:Tobserve

統(tǒng)計(jì)在此期間:完成的任務(wù)數(shù):Ntasks

每個(gè)任務(wù)的實(shí)際完成時(shí)間將這些時(shí)間求和得到Taccumulated6.6I/O系統(tǒng)性能分析

Little定律：系統(tǒng)中的平均任務(wù)數(shù)為到達(dá)率與平 均響應(yīng)時(shí)間的乘積。observedaccumulateTT=平均任務(wù)數(shù)tasksdaccumulateNT=平均響應(yīng)時(shí)間observetasksTN=任務(wù)到達(dá)率observetaskstasksdaccumulateobservedaccumulateTNNTTT=6.6I/O系統(tǒng)性能分析

6.6.3M/M/1排隊(duì)系統(tǒng)1.簡(jiǎn)單的排隊(duì)系統(tǒng)I/O控制器及外設(shè)隊(duì)列服務(wù)員任務(wù)到達(dá)假定I/O請(qǐng)求的到達(dá)時(shí)間和服務(wù)員的服務(wù)時(shí)間服從指數(shù)分布。6.6I/O系統(tǒng)性能分析

2.排隊(duì)系統(tǒng)參數(shù)

S：任務(wù)的平均服務(wù)時(shí)間：任務(wù)的服務(wù)速率，=1/SW：平均排隊(duì)延遲

R：平均響應(yīng)時(shí)間；R=S+W：任務(wù)的到達(dá)率：服務(wù)員利用率（服務(wù)強(qiáng)度），=/

ns：正在服務(wù)的平均任務(wù)數(shù)6.6I/O系統(tǒng)性能分析

nq：隊(duì)列的平均長(zhǎng)度n：平均任務(wù)數(shù)，n=ns+nq；n=×Rm：服務(wù)員個(gè)數(shù)3.M/M/1排隊(duì)系統(tǒng)的一般假設(shè)◆系統(tǒng)為一個(gè)平衡系統(tǒng)；◆連續(xù)兩個(gè)到達(dá)請(qǐng)求的間隔時(shí)間服從指數(shù)分 布，其均值為平均到達(dá)時(shí)間；◆請(qǐng)求的個(gè)數(shù)不受限制；6.6I/O系統(tǒng)性能分析

◆隊(duì)列的長(zhǎng)度不受限制，排隊(duì)規(guī)則為FIFO；◆系統(tǒng)只有一個(gè)服務(wù)員。4.若M/M/1模型的到達(dá)率為，服務(wù)率為，1個(gè)服務(wù)員。相關(guān)的分析結(jié)論有：◆系統(tǒng)服務(wù)強(qiáng)度=/◆系統(tǒng)中沒(méi)有任務(wù)的概率P0=1-◆系統(tǒng)中有n個(gè)任務(wù)的概率

Pn=(1-)*n，n=0,1,2,…,6.6I/O系統(tǒng)性能分析

◆系統(tǒng)中平均任務(wù)數(shù)量E(n)=/(1-)◆隊(duì)列中平均任務(wù)數(shù)E(nq)=2/(1-)◆系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間E(R)=(1/)/(1-)◆任務(wù)在隊(duì)列中的平均等待時(shí)間E(W)=r-mr1/16.6I/O系統(tǒng)性能分析

例6.3某處理器每秒發(fā)出40次磁盤(pán)I/O請(qǐng)求，這些請(qǐng)求服從指數(shù)分布。 ①假定磁盤(pán)完成這些請(qǐng)求的服務(wù)時(shí)間服從均值 為20ms的指數(shù)分布。試計(jì)算磁盤(pán)的平均利用 率、請(qǐng)求在隊(duì)列中的平均等待時(shí)間以及磁盤(pán) 請(qǐng)求的平均響應(yīng)時(shí)間。② 假定磁盤(pán)完成這些請(qǐng)求的服務(wù)時(shí)間服從均值 為10ms的指數(shù)分布，重新計(jì)算。6.6I/O系統(tǒng)性能分析

解①如果磁盤(pán)完成這些請(qǐng)求的服務(wù)時(shí)間服從均值為20ms的指數(shù)分布，則磁盤(pán)I/O請(qǐng)求的到達(dá)率=40(個(gè)/s)磁盤(pán)完成I/O請(qǐng)求的服務(wù)率=1/0.02=50(個(gè)/s)磁盤(pán)的平均利用率=/=40/50=0.8該系統(tǒng)可以用M/M/1排隊(duì)模型的結(jié)論，故：平均等待時(shí)間==－磁盤(pán)利用率磁盤(pán)利用率平均服務(wù)時(shí)間1)s(0808.018.002.0=-6.6I/O系統(tǒng)性能分析

平均響應(yīng)時(shí)間=平均等待時(shí)間+平均服務(wù)時(shí)間=0.08+0.02=0.1(s)即：有80%的響應(yīng)時(shí)間花費(fèi)在隊(duì)列中等待②如果磁盤(pán)完成這些請(qǐng)求的服務(wù)時(shí)間服從均值為

10ms的指數(shù)分布，磁盤(pán)I/O請(qǐng)求的到達(dá)率=40(個(gè)/s)完成I/O請(qǐng)求的服務(wù)率=1/0.01=100(個(gè)/s)磁盤(pán)的平均利用率=/=40/100=0.46.6I/O系統(tǒng)性能分析

平均等待時(shí)間==平均響應(yīng)時(shí)間=平均等待時(shí)間+平均服務(wù)時(shí)間=0.0067+0.01=0.0167(s)服務(wù)速率提高1倍，響應(yīng)時(shí)間減少5/6。－磁盤(pán)利用率磁盤(pán)利用率平均服務(wù)時(shí)間1)s(0067.04.014.002.0=-6.6I/O系統(tǒng)性能分析

5.若M/M/m模型將M/M/1模型的服務(wù)員修改為m個(gè)，相關(guān)的分析結(jié)論有：◆系統(tǒng)服務(wù)強(qiáng)度=/(m*)◆系統(tǒng)中沒(méi)有任務(wù)的概率

P0=◆系統(tǒng)中有n個(gè)任務(wù)的概率

Pn=11m1nnm]!n)m()1(!m)m(1[--=?r+r-r+?????íì3r<rmn,!mmPmn,!n)m(Pnm0n06.6I/O系統(tǒng)性能分析

◆隊(duì)列中有顧客的概率

Pe=◆系統(tǒng)中平均任務(wù)數(shù)量E(n)=m+Pe/(1-)◆隊(duì)列中平均任務(wù)數(shù)E(nq)=Pe/(1-)◆系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間

E(R)=

◆隊(duì)列中的平均等待時(shí)間E(W)=Pe/[m(1-)]

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

例6.4在例6.3的基礎(chǔ)上，給磁盤(pán)I/O系統(tǒng)增加一個(gè)磁盤(pán)，該磁盤(pán)是另一個(gè)磁盤(pán)的鏡像，故訪問(wèn)可以從任意一個(gè)磁盤(pán)上得到數(shù)據(jù)。假定對(duì)磁盤(pán)的I/O操作均為讀操作，重新計(jì)算。解使用兩個(gè)磁盤(pán)，該系統(tǒng)為M/M/2系統(tǒng)。磁盤(pán)I/O請(qǐng)求的到達(dá)率=40(個(gè)/s)

完成I/O請(qǐng)求的服務(wù)率=1/0.02=50(個(gè)/s)

磁盤(pán)的平均利用率

=(/)/2=0.4該系統(tǒng)可以用M/M/m排隊(duì)模型的結(jié)論：6.6I/O系統(tǒng)性能分析

系統(tǒng)中沒(méi)有任務(wù)的概率P0=395.0]8.0533.01[]!n)2()1(!2)2(1[1111nn2?++=r+r-r+-