线
基于通道总线的I/O系 统结构
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总
同步通信和异步通信 总线的连接方式 双总线结构
线
三总线结构
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通道处理机
通道处理机是一个独立于CPU的专门I/O控制 的处理机，控制设备与内存直接进行数据交 换。 有自己的通道命令，可由CPU执行相应指令 来启动通道，并在操作结束时向CPU发出中 断信号。
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独立磁盘冗余阵列RAID
RAID的关键技术是对多台磁盘机进行数据的 同步控制 冗余纠错与容错能力对提高磁盘系统的平均 无故障时间非常重要 RAID的一个主要措施是建立起热备份（hot spare）的冗余磁盘 从RAID 0到RAID 6这7种基本的RAID级别。 不同RAID级别代表着不同的存储性能、数据 安全性和存储成本
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独立磁盘冗余阵列RAID
RAID 各级别的比较
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通道处理机
三种基本输入/输出方式存在的问题
CPU 的输入/输出负担很重
通道的主要功能
（1）接受CPU 的指令，按指令要求与指定的外围设备进行通信； （2）从内存读取属于该通道的指令，执行通道程序； （3）检查外围设备的工作状态，是正常还是故障； （4）组织外围设备和内存之间进行数据传送，并根据需要提供数据缓存 的空间，以及提供数据存入内存的地址和传送的数据量； （5）在数据传输过程中完成必要的格式转换； （6）从外围设备得到设备的状态信息，形成并保存为通道本身的状态信 息，根据要求将这些状态信息送到内存的指定单元，供CPU 使用； （7）指定传送工作结束时要进行的操作； （8）将外围设备的中断请求和通道本身的中断请求，按序及时报告CPU
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计算机系统结构
第六章 输入输出系统
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输入输出系统概述
输入/输出系统是计算机系统中最具多样性和 复杂性的部分 。 输入/输出系统的复杂性一般隐藏在操作系统 之中。 输入/输出系统的特点集中反映在异步性、实 时性和与设备无关性上。
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计算机系统结构-王雁东
外围处理机
输入/输出处理机的组织形式
多个输入/输出处理机从功能分工 以输入/输出处理机作为主处理机 采用与主处理机相同型号的处理机作为输入/输出处理机 采用廉价的微处理机来专门承担输入/输出任务
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外围处理机
输入输出处理机实例
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I/O性能评测
I/O系统的可靠性、可用性和可信性
反映外设可靠性能的参数有：可靠性（reliability） 、可用性（availability）和可信性（dependability ）。 系统的可靠性是指系统从某个初始参考点开始一直连 续提供服务的能力，它通常用平均无故障时间（Mea n Time To Failure，MTTF）来衡量。 系统中断服务的时间用平均修复时间（Mean Time T o Repair，MTTR）来衡量。
中断方式 DMA方式
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总
线
总线，就是指能为多个功能部件服务的一组信息传输线 ，它是计算机中系统与系统之间或者各部件之间进行信息 传送的公共通路。总线和与其相配合的附属控制电路统称 为总线系统。 专用总线和非专用总线
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总
基于PCI总线的I/O系统
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M TTF
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I/O性能评测
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I/O性能评测
I/O子系统性能衡量
衡量的标准包括：计算机上能连接什么样的I/O设备 ，能连接多少I/O设备。此外，衡量输入/输出设备特 性的指标还有访问时间、数据传送时间和出错率。
队列 生产者 服务器
简单的生产者—服务器模型
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I/O性能评测
并行I/O基本原理
在串行I/O无法满足性能需求的情况，通过多个I/O 通道并行访问多个磁盘的方法就成了很自然的想法 ，即并行I/O技术
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I/O性能评测
排队论简介
基于I/O事件的可能性特征以及I/O资源的共享性，我们可以给出一系 列 的简单法则来计算整个I/O系统的响应时间和吞吐率。这部分的研 究称为排队论（queuing theory）。
字节多路通道连接P 台设备，每台设备都传送n 个字节：
TS：设备选择时间。TD：传送一个字节的时间。 Ti：第i个数据的传输，i=1，2，…，n。 总共所需要的时间：TBYTE =（TS+TD）·P·n
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通道处理机
选择通道
连接P台设备，每台设备都传送n个字节：
TS：设备选择时间。 TD：通道传送传送一个字节的时间。 总共所需要的时间：
输入输出系统概述
异步性
数据缓冲 数据传输匹配
实时性
处理机必须实时地按照不同设备所要求的传送方式和传 送速率为输入/输出设备服务
与设备无关性
为了能够适应各种外设的要求，需要制定统一的独立于 具体设备的接口标准，包括物理接口和软件接口，使得 应用程序可以依据这一接口访问或支持各种I/O设备。
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I/O性能评测
I/O系统的可靠性、可用性和可信性
系统的可用性是指系统正常工作的时间在连续两次 正常服务间隔时间中所占的比率。
可用性= M TTF M TTR
MTTF+MTTR 通常可以用平均失效间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）来代替。 系统的可信性是指服务的质量，即在多大程度上可以 合理地认为服务是可靠的。可信性与可靠性和可用性 不同，它是不可以度量的。
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独立磁盘冗余阵列RAID
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独立磁盘冗余阵列RAID
RAID 6：高效容错的磁盘阵列
采用两级数据冗余和新的数据编码以解决数据恢复问题，其最大特 点是能实现两个磁盘容错，即有两个磁盘出故障时仍能正常工作。
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独立磁盘冗余阵列RAID
RAID 2：采用汉明码纠错冗余的磁盘阵列
它将数据按位交叉，分别写入不同的磁盘中，成倍地提高了数据传 输速率。阵列中专门设置了几个磁盘存放汉明码纠错信息，访问时 进行按位的出错校验。它比镜像磁盘阵列的冗余度小，但增加了汉 明码的编码和解码开销，一般适合大量顺序数据访问。
RAID 3：采用奇偶校验冗余的磁盘阵列
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通道处理机
通道的工作过程
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通道处理机
通道的种类
字节多路通道 选择通道 数组多路通道
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通道处理机
字节多路通道
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通道处理机
选择通道
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通道处理机
通道中的数据传送过程
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通道处理机
数组多路通道
连接P台设备，每台设备都传送n个字节：
TS：设备选择时间。k：一个数据块中的字节个数。 TD：通道传送传送一个字节的时间。 K: 数据库的大小。 Ti：通道传送第i次数据块所用的时间，其中i=1，2，…，n/k。 总共所需要的时间： TBLOCK=
还有一些基本RAID级别的组合形式，如RAID l0、RAID 0l、RAID 50 RAID l0是先组织成镜像备份的RAID l，再将 两个RAID l组织成扩展容量的RAID 0。RAID 01则先组织成RAID 0，再组成RAID l。
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独立磁盘冗余阵列RAID
I/O性能评测
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I/O性能评测
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独立磁盘冗余阵列RAID
RAID是“Redundant Array of Independent Disk”的缩写，中文意思是独立冗余磁盘阵列 冗余磁盘阵列技术诞生于1987年，由美国加 州大学伯克利分校提出 RAID的采用为存储系统带来巨大利益，其中 提高传输速率和提供容错功能是最大的优点
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通道处理机
通道流量分析
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通道处理机
为了保证通道能够正常工作，不丢失数据，各种通 道的实际流量应该不大于通道的最大流量，即满足 下列不等式关系：
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通道处理机
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外围处理机
输入/输出处理机是能够独立承担输入/输出工 作的处理机。 输入/输出处理机又称为外围处理机、I/O处理 机、IOP、PPU
RAID 3 存在的最大一个不足是校验盘很容易成为整个系统的瓶颈 。对于那些经常需要执行大量写入操作的应用来说，校验盘的负载 将会很大，无法满足程序的运行速度，从而导致整个RAID 系统性 能的下降。因此，RAID 3 更适合于那些写操作较少、读操作较多 的应用环境，例如数据库和Web 服务器等。
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到达
离开
把I/O系统视为黑盒
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I/O性能评测
Little定律 系统平均任务数＝到达速率×平均响应时间
系统平均任务数 Time 总和 Time 观察