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1、北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室计算机组织与系统结构计算机组织与系统结构I/O System and BusesI/O System and Buses（第二十讲 ）2003.12.252003.12.25程 旭程 旭输入/输出系统与总线输入/输出系统与总线北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室本讲提纲本讲提纲?I/O性能与测度性能与测度?I/O设备的特性设备的特性?磁盘磁盘?总线引论总线引论?总线类型和总线操作总线类型和总线操作?总线仲裁和如何设计总线仲裁器总线仲裁和如何设计总线仲裁器北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室本将内容的地位？本将内容的地位？Control
2、DatapathMemoryProcessor InputOutput?本讲主题：本讲主题： I/O系统系统ControlDatapathMemoryProcessor InputOutput网络网络北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室3MHIGH DENSITYGraphicsGraphicsExp Bus XfaceExp Bus XfaceBase I/OBase I/OLANLANSCSISCSIDRAMVRAMVRAMProcessor Cache/DRAM ControllerProcessor Cache/DRAM ControllerAudioAudioMotion V
3、ideoMotion VideoVRAMVRAMDRAMDRAMCacheCacheVRAMVRAMDRAMDRAMPCI BusISA/EISA - MicroChannelAdd-in boardBridge Architecture个人计算机剖视个人计算机剖视北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室动机: 谁关心I/O?动机: 谁关心I/O?CPU性能性能: 每年增长每年增长60% ?I/O系统的性能受到机械延迟的限制系统的性能受到机械延迟的限制(磁盘磁盘I/O) 每年改进每年改进 性能改进性能改进 5倍倍 (损失损失50%) 10% IO & 100x CPU = 性能改进性能改进
4、10倍倍 (损失损失90%) ? I/O瓶颈： 缩小程序执行中瓶颈： 缩小程序执行中 CPU部分的时间 削减快速部分的时间 削减快速CPU的潜在性能的潜在性能北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室I/O 系统设计的论题I/O 系统设计的论题?性能性能 ?可扩展性（可扩展性（Expandability）?失效时，可用性失效时，可用性NetworkDiskProcessorCacheMemory - I/O BusMain MemoryI/O ControllerDiskI/O ControllerI/O ControllerGraphicsinterruptsinterrupts北京大学计
5、算机科学技术系计算机系统结构教研室I/O 系统性能I/O 系统性能 ?I/O 系统的性能与系统的许多部分有关系统的性能与系统的许多部分有关 (受制于最弱的环节）：受制于最弱的环节）： ?CPU ?存储系统存储系统 ? 内部和外部内部和外部cache ? 主存主存 ?底层互联（总线）底层互联（总线） ?I/O控制器控制器 ?I/O设备设备 ?I/O软件的速度软件的速度 (操作系统操作系统) ?软件使用软件使用I/O设备的效率设备的效率?两种通用的性能指标：两种通用的性能指标： ?吞吐率：吞吐率：I/O带宽带宽 ?响应时间：时延响应时间：时延北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室简化的生产者
6、-消费者模型简化的生产者-消费者模型?吞吐率：吞吐率： ?消费者在单位之间内完成的任务数目消费者在单位之间内完成的任务数目 ?为了达到最高可能的吞吐率：为了达到最高可能的吞吐率： ? 消费者从不停顿消费者从不停顿 ? 队列从不为空队列从不为空?响应时间：响应时间： ?从 某一任务进入队列开始从 某一任务进入队列开始 ?到 该任务被消费者完成为止到 该任务被消费者完成为止?为了最小化响应时间：为了最小化响应时间： ? 队列应该为空队列应该为空 ? 服务者应该空闲服务者应该空闲生产者生产者消费者消费者队列队列北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室吞吐率 与 响应时间吞吐率 与 响应时间20%
7、40%60%80%100%响应时间响应时间 (ms)100200300最大吞吐率的百分比最大吞吐率的百分比北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室增大吞吐率增大吞吐率?通常，可以采用以下方法改进吞吐率：通常，可以采用以下方法改进吞吐率： ?在瓶颈问题上，增加硬件在瓶颈问题上，增加硬件 ?减少负载相关时延减少负载相关时延?相对而言，响应时间难以减少：相对而言，响应时间难以减少： ?最终受制于光速！最终受制于光速！ (但目前，距离光速的限制还很远！但目前，距离光速的限制还很远！)生产者生产者消费者消费者队列队列队列队列消费者消费者北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室评价磁盘性能的I/O
8、基准程序评价磁盘性能的I/O基准程序?超级计算机应用程序：超级计算机应用程序： ?大规模科学计算问题大规模科学计算问题?事务处理事务处理 ?例如：航空订票系统 和 银行的例如：航空订票系统 和 银行的ATM?文件系统文件系统 ?例如，例如，UNIX文件系统文件系统北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室超级计算机I/O超级计算机I/O?超级计算机超级计算机I/O主要表现为：主要表现为：?访问磁盘上的大型文件访问磁盘上的大型文件?超级计算机超级计算机I/O包括一次大规模的读操作（读入数据）包括一次大规模的读操作（读入数据）?多次将计算状态写回磁盘多次将计算状态写回磁盘?超级计算机超级计算机I
9、/O包含的输出数量比输入数量更多包含的输出数量比输入数量更多?超级计算机最关注的超级计算机最关注的I/O性能度量是数据吞吐率性能度量是数据吞吐率?在磁盘与内存之间每秒能够传输的字节数在磁盘与内存之间每秒能够传输的字节数北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室事务处理I/O事务处理I/O?事务处理事务处理?对一个大型共享数据进行多次范围的更改对一个大型共享数据进行多次范围的更改?事务处理 需要事务处理 需要?吞吐率和响应时间都很重要吞吐率和响应时间都很重要 ?必须能够很好地处理某些特定类型的失效必须能够很好地处理某些特定类型的失效?事务处理主要关心事务处理主要关心I/O速率速率?每秒访问磁盘
10、的次数每秒访问磁盘的次数 ?在典型的事务处理系统中每次事务包括：在典型的事务处理系统中每次事务包括： ?2至至10次磁盘次磁盘I/O ?每次磁盘每次磁盘I/O需要执行需要执行5000至至20000条条CPU指令指令北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室文件系统I/O文件系统I/O?在某种工程环境对在某种工程环境对UNIX文件系统的系统 度量：文件系统的系统 度量： ? 80%访问的文件大小小于访问的文件大小小于10KB ? 所有文件访问的所有文件访问的90%是针对磁盘上连 续地址的数据进行的是针对磁盘上连 续地址的数据进行的 ? 67%的访问类型是读操作的访问类型是读操作 ? 27%的访
11、问类型是写操作的访问类型是写操作 ? 6%的访问类型是读的访问类型是读-写操作写操作北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室存贮设备: 磁盘存贮设备: 磁盘扇区（扇区（Sector）磁道（磁道（Track）柱面（柱面（Cylinder）磁头（磁头（Head）盘片（盘片（Platter）? 用途用途 ? 长期、非易失的存贮长期、非易失的存贮?在存贮层次中，大容量、廉价、较慢的 级别在存贮层次中，大容量、廉价、较慢的 级别? 特性特性 ? 寻道时间寻道时间(平均平均8 ms左右左右)?定位延迟（定位延迟（positional latency）?旋转延迟（旋转延迟（rotational late
12、ncy）? 传输率传输率 ?大约每毫秒一个扇区大约每毫秒一个扇区 (5-15 MB/s)?成块成块? 容量容量 ?Gigabytes?三年四倍三年四倍7200 RPM = 120 RPS = 8 ms per rev ave rot. latency = 4 ms 128 sectors per track = 0.25 ms per sector 1 KB per sector = 16 MB / s响应时间响应时间 = 排队排队 + 控制器控制器 + 寻道寻道 + 旋转旋转 + 传输传输服务时间服务时间北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室磁盘的组织磁盘的组织?典型数据典型数据 (依
13、赖于磁盘大小依赖于磁盘大小)： ?每面每面500 至至 2,000 磁道磁道 ?每道每道 32 至至 128 扇区扇区? 扇区是可以读写的最小单位扇区是可以读写的最小单位?通常，所有磁道包含相同数量的扇区通常，所有磁道包含相同数量的扇区 ?恒定位密度：在外围磁道可以记录更多的扇区恒定位密度：在外围磁道可以记录更多的扇区 ?最近有所改进：恒定位密度，速度根据磁道位置的不同而不同最近有所改进：恒定位密度，速度根据磁道位置的不同而不同盘片（盘片（Platters）磁道（磁道（Track）扇区（扇区（Sector）北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室磁盘特性磁盘特性?读读/写数据过程包括三个阶
14、段：写数据过程包括三个阶段：?寻道时间：将盘臂定位到正确的磁道上寻道时间：将盘臂定位到正确的磁道上 ?旋转时延：旋转盘片，使得所需的扇区位于读旋转时延：旋转盘片，使得所需的扇区位于读/写磁头下；写磁头下；?传输时间：传输读写磁头下的一块位流（扇区）传输时间：传输读写磁头下的一块位流（扇区）?工业界报告的平均寻道时间：工业界报告的平均寻道时间： ?通常为：通常为：8 ms 至至 12 ms ?(所有可能寻道的时间总和所有可能寻道的时间总和) / (所有可能的寻道情况总数所有可能的寻道情况总数)?由于磁盘访问的局部性，通常实际的寻道时间为：由于磁盘访问的局部性，通常实际的寻道时间为： ?仅为广告数
15、值的仅为广告数值的 25% 至至 33%CylinderSectorTrackHead Platter?柱面：在给定时刻所有盘面的所有位 于磁头下面的磁道所构成的柱面柱面：在给定时刻所有盘面的所有位 于磁头下面的磁道所构成的柱面北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室磁盘设备的术语磁盘设备的术语磁盘延迟磁盘延迟 = 排队时间排队时间 + 控制器时间控制器时间 + 寻道时间寻道时间 + 旋转时间旋转时间 + 传输时间传输时间4K字节数据的传输：字节数据的传输：寻道：寻道：8 ms以下 旋转：以下 旋转：4.2 ms 7200 rpm 传输：传输：1 ms 7200 rpm盘片磁头扇区驱动器驱
16、动臂内磁道 外磁道盘片磁头扇区驱动器驱动臂内磁道 外磁道北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室磁盘的一些典型参数磁盘的一些典型参数 ?旋转时延旋转时延 ?大多数磁盘的转速为大多数磁盘的转速为 3,600 至至 7200 RPM?每转动一周约需要每转动一周约需要 16 ms 至至 8 ms ?每转动半周所需时间为每转动半周所需时间为 8 ms 至至 4 ms?传输时间是下列参数的函数：传输时间是下列参数的函数： ?传输大小传输大小(通常为一个扇区通常为一个扇区)： 1 KB / sector? 旋转速度：旋转速度： 3600 RPM 至至 7200 RPM? 记录密度：一个磁道上每英寸记录的位数记录密度：一个磁道上每英寸记录的位数?直径：通常为直径：通常为 2.5 至至 5.25英寸英寸?典型数值：每秒典型数值：每秒 2 至至 12 MBSectorTrackCylinderHeadPlatter北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室存贮技术的驱动力存贮技术的驱动力?主流计算模式的驱动主流计算模式的驱动 ?五十年代五十
