chap6-输入输出系统

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1、计算机系统结构第六章输入输出系统秦杰郑丽萍张庆辉河南工业大学信息学院2006年2月6.1引言6.2外部存储设备6.3可靠性、可用性和可信性6.4廉价磁盘冗余阵列RAID6.5I/O设备与CPU和存储器的连接6.6I/O系统性能分析6.7I/O与操作系统第六章输入/输出系统6.1引言1.输入/输出系统简称I/O系统包括：2.I/O系统的重要性◆完成与外部系统的信息交换，是VonNeumann结构计算机的重要组成部分之一。◆衡量指标I/O设备I/O设备与处理机的连接第六章输入/输出系统响应时间（ResponseTime）可靠性（Reliab

2、ility）6.1.1I/O系统性能与CPU性能误区：使用多进程技术可以忽略I/O性能对系统性能的影响。◆多进程技术只能够提高系统吞吐率，并不能够减少系统响应时间。◆进程切换时可能需要增加I/O操作。6.1引言◆可切换的进程数量有限，当I/O处理较慢时，仍然会导致CPU处于空闲状态。6.1引言例6.1假设一台计算机的I/O处理占10％，当其CPU性能改进，而I/O性能保持不变时，系统总体性能会出现什么变化？解：假设原来的程序执行时间为1个单位时间。如果CPU的性能提高10倍，程序的计算（包含I/O处理）时间为：(1-10%)/10+

3、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引言即整机性能只能提高约5倍，差不多有50％的CPU性能浪费在I/O上。如果CPU性能提高100倍，程序的计算时间为：(1-10%)/100+10%=0.109而整机性能只能提高约10倍，表示有90％的性能浪费在没有改进的I/O上了。6.1引言6.1.2I/O系统的可靠性◆处理器性能已经很高，人们更加关注系统可靠性。◆可信性是存储的基础可靠性可用性可信性6.1引言6.2外部存储设备1.各种外部存储器的相似之处◆记录原理类似；◆作为计算机部件，均包括驱动机构；◆作

4、为存储设备，均包括控制器及接口逻辑；◆均采用了自同步技术、定位和校正技术以及相似的读写系统。2.目前常用的存储设备主要有磁盘、磁带、光盘等第六章输入/输出系统6.2.1磁盘设备1.磁盘占据着非挥发性存储器的主宰地位◆它是存储层次中主存的下一级存储层次，是虚拟存储器技术的物质基础；◆它是操作系统和所有应用程序的驻留介质。2.分类◆软盘◆硬盘（主要介绍）6.2外部存储设备3.磁盘的结构组成磁盘的盘片、磁道和扇区◆盘片盘片的数量：1～12片转速：3600～15000转盘径：1.0英寸(25.4厘米)～3.5英寸(8.9厘米)◆磁道和柱面：每面

5、5000～30000道◆扇区：每道100～500个6.2外部存储设备盘片磁道扇间空隙扇区6.2外部存储设备4.磁盘的性能(1)访问时间磁盘的工作过程：磁头首先移动到目标磁道上使期望的扇区旋转到磁头下读取扇区中的数据工作均在磁盘控制器的控制下完成磁盘访问时间=寻道时间+旋转时间+传输时间+控制器开销6.2外部存储设备(2)磁盘容量磁盘容量与盘片数量和单碟容量有关。◆受工业标准的限制，硬盘中能安装的盘片数目有限：3～4片◆提高单碟容量的途径有两个：提高道密度和提高位密度目前的单碟容量几乎都在20GB以上，主流3.5英寸硬盘的单碟容量已经达到

6、了80GB。6.2外部存储设备(3)数据传输率◆数据访问过程从盘面上读出的数据首先要送到磁盘缓冲存储器，再从缓冲存储器经过接口送到主机。◆外部传输率突发数据传输率计算机通过磁盘接口从硬盘的缓存中将数据读出，交给相应的控制器的速度。外部数据传输率和磁盘的接口有关6.2外部存储设备◆内部传输率硬盘持续传输率硬盘将数据从盘片上读取出，交给硬盘上的缓冲存储器的速度；内部传输率等于磁头相对磁盘的线速度与磁盘位密度之积。◆提高内部传输率提高转速提高记录密度：局部响应最大似然PRML技术6.2外部存储设备(4)磁盘Cache◆可以弥补磁盘和主存之间

7、的速度差距◆利用被访问数据的局部性原理时间局部性空间局部性◆磁盘Cache的管理和实现一般由硬件和软件共同完成6.2外部存储设备◆磁盘容量的提高通常用面密度来衡量面密度为单位面积可以记录的数据位数面密度＝磁盘面的道密度×磁道的位密度◆容量不断提升，每位价格不断下降。5.磁盘的发展6.2外部存储设备图6.1磁盘价格的变化6.2外部存储设备◆“访问时间差距”问题磁盘的性能价格比高于主存，但访问速度却要低得多，换句话说，性能价格比与速度要求差距太大。6.2外部存储设备图6.2磁盘和半导体存储器之间的访问时间差距6.2外部存储设备6.2.2Fl

8、ash存储器◆工作原理同E2PROM，容量比E2PROM大。◆与磁盘相比的主要特点：功耗小（≤50mw）尺寸小提供与DRAM相仿的访问速度价格高◆Flash存储器的组织与其存储位元有关6.2外部存储设备6.