输入/输出和存储系统

计算机：存取数据

I/O及其性能

一个性能不佳的I/O系统可能会导致连锁反应（ripple effect），并拖累整个计算机系统

阿姆达尔定律

当使用最多的部件提升时，计算机系统性能得到最大的提升

$$ S=\frac{1}{(1-f)+\frac{f}k} $$

S代表系统整体性能的加速比，f表示由较快部件完成的部分，k表示新部件的加速比（k>1，加速前比加速后）

eg：

对于一个计算机系统，我们可以花10000元使CPU快50%，也可以花7000元使硬盘快150%；处理器70%的时间运行CPU，30%的时间等待硬盘

对于CPU：S=1.30

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每1%的提升花费333元

对于硬盘：S=1.22

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每1%的提升花费318元

I/O体系结构

将I/O定义为一个子系统部件，它在由CPU和主存储器组成的主机系统与外围设备之间移动编码数据

包括：

  • 用于I/O功能的主存储器模块
  • 提供将数据从系统中移入或移出所需要的总线通道
  • 主机和外围设备中的控制模块
  • 连接外部组件的接口，如键盘和磁盘
  • 连接主机系统及其外围设备之间的电缆或其他通信链路

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I/O控制方法

尝试将各种I/O设备和总线连接不可行（控制方式和传输模式差异大），因此使用专用的I/O模块作为CPU和外围设备之间接口

I/O模块能够控制设备的操作、数据缓冲、执行错误检测、与CPU通信。控制方法有

  • <u>程序控制I/O</u>（轮询polled I/O）：为每个I/O设备维护一个寄存器，每个寄存器持续被轮询来检测到达的数据
  • <u>中断驱动I/O</u>：允许CPU在I/O未被请求前做其他事

中断信号在取指-译码-执行周期的开始检测

INT：interrupt INTA：interrupt acknowledgement

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中断服务程序ISR：

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  • <u>存储器映射I/O</u>：I/O设备和内存共享相同地址空间，I/O可以像内存一样取出和传入数据，极大地简化了系统设计
  • <u>直接存储器存取</u>（DMA，direct memory access）：将I/O处理装载到一个特殊用途的芯片

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DMA和CPU共享数据总线，同一时间只能一个设备控制总线，称为总线主控设备；DMA优先级比CPU高，DMA会利用CPU使用的存储器周期来完成I/O操作，称为周期窃取

  • <u>通道控制I/O</u>：使用专门的I/O处理器

由一些小的CPU来控制——I/O processor（IOP），具有算术逻辑指令和分支转移指令的能力

IOP功能：

  • 协商协议
  • 发出各种设备命令
  • 将存储代码转换为内存代码
  • 独立于主机CPU来传输多个完整的文件或文件组

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字符I/O和块I/O

字符I/O一次处理一个字节/字符（鼠标键盘，键盘通常链接一个中断驱动I/O系统）

块I/O一次处理字节组（磁盘、磁带等，通常使用DMA或通道I/O连接系统）

I/O总线操作

总线访问的请求必须要仲裁，总线控制线在需要时激活设备，错误时发出信号，必要时重置设备

数据线数目是总线宽度（width of the bus）

Timing diagram-时序图

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数据传输模式

分为串行和并行传输模式

和并行相比，串行：

  • 需要更少导体
  • 受信号衰减影响小
  • 可以传输数据更远更快

磁盘技术

磁盘提供大容量的耐用存储，可以很快地被访问

磁盘驱动器被称为随机/直接存储设备（random access storage device）：数据块可以根据在磁盘的位置进行访问

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磁道从外向里从0开始编号，数据块驻留在扇区中

硬盘驱动器

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  • 磁盘碟片（platter）堆叠在转轴（spindle）上
  • 一组梳状的读写头安装在一个旋转的磁盘驱动臂上
  • 旋转的磁盘形成一个圆柱面

寻道时间（seek time）：磁盘驱动臂定位到指定磁道上所需的时间（不包括磁头读取磁盘目录的时间）

旋转延迟（rotational delay）：读写头定位到指定扇区上方所需要的时间

存取时间 = 寻道时间 + 旋转延迟

传输时间 = 存取时间 + 实际读取数据所需要的时间

反应时间是旋转速度（rotational speed：5400rpm，revolution per min每分钟转圈数）的直接函数，用来衡量目标扇区移动到读写头下方位置所需要的时间总量

计算公式：$(\frac{60s}{磁盘旋转速度}\times \frac{1000ms}s)/2$

平均失效时间（mean time to failure，MTTF）

固态硬盘

磁盘主要优点是便宜

磁盘缺点：

  • 检索数据比从主存中检索数据需要更长时间
  • 磁盘易碎
  • 移动部件易受磨损和破坏

解决方案：使用非易失性（non-volatile）RAM替换硬盘

固态硬盘（SSD，solid state drive）由微控制器和闪存组成，访问时间和传输速率比传统磁盘驱动器快100倍，但仍比RAM慢10万倍

不可恢复的误码率（unrecoverable bit error ratio，UBER）：数据错误的数量除以在整个使用期间模逆所得的读取的总位数，磁盘可靠性的度量

百万兆字节（TBW，terabyte written）：，是磁盘耐久度的度量

光盘

光盘提供非常廉价的大存储容量

只读光盘驱动器（CD-ROM）、DVD（多功能数码光盘）、WORM（一些多读技术）

CD-ROM

  • 数据记录在螺旋状的轨迹中
  • 01记录对应凹坑和平台
  • 一个轨道很长
  • 有两级错误检测和校正功能
  • CD-ROM可以装最多650MB的数据

DVD

  • 是CD密度的四倍
  • DVD可以装最多17GB的数据
  • DVD使用更短的激光（650nm），而CD-ROM使用（780nm），这使DVD能够使轨道缠绕更密集

蓝光光盘

  • 使用波长更小的蓝光：蓝光和HD-DVD（最终蓝光胜出，依托索尼的影响）
  • 最大可装25GB的数据

磁带（magnetic tape）

早期：11MB

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现代：GB，分为蛇形（serpentine）扫描和螺旋（helical）扫描

数字线性磁带（DLT，digital line tape）和1/4in盒式（QIC）使用蛇形扫描

数字音频带（DAT，digital audio tape）使用螺旋扫描

<u>蛇形扫描</u>

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<u>螺旋扫描</u>

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LTO：线性磁带开放协议

RAID

独立磁盘冗余阵列，redundant array of independent disks

RAID-0：磁盘跨区，提高性能，但是不提供冗余（缺乏可靠性）

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RAID-1：也称磁盘映像（两组磁盘拥有相同数据），提供冗余和高性能（但贵）

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RAID-2：在每个条带中只写入一位数据，而不是在任意大小块中写入数据，分为数据驱动器和汉明驱动器（提供错误检测，存放纠错信息），由于从多个磁盘取处和存储数据且计算汉明码，性能很差，成本较高

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RAID-3：和RAID-2一样每次分配一个比特位，但只是用一个驱动器来保存一个简单的奇偶校验位（每位的异或结果），不适合商用，但还可以

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RAID-4：和RAID-3相似，但是每次写入数据到统一大小的条带中

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RAID-5：RAID-4+分布奇偶校验（经常用在商业系统）

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RAID-6：前面的RAID一次最多允许一个磁盘出错，RAID-6使用两层错误检测（里德-所罗门和奇偶校验），可以容忍两个磁盘出错，属于写密集型

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RAID DP：采用一对奇偶校验块，和RAID-6一样可以容忍两个磁盘的丢失（比RAID-5性能差一些）

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数据存储的未来

  • 生物材料
  • 碳纳米管
  • 全息系统
  • 忆阻器
  • 微机电装置
最后修改：2022 年 05 月 14 日
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