存貯系統(tǒng)io

1、高等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),（第十講）,2011年05月23日,程 旭,存貯系統(tǒng)和I/O,動(dòng)機(jī): 誰(shuí)關(guān)心I/O?,CPU性能: 每年增長(zhǎng)60%I/O系統(tǒng)的性能受到機(jī)械延遲的限制(磁盤I/O)每年改進(jìn) 性能改進(jìn) 5倍 (損失50%)10% IO & 100x CPU => 性能改進(jìn)10倍 (損失90%) I/O瓶頸： 縮小程序執(zhí)行中 CPU部分的時(shí)間削減快速CPU的潛在性能Reliability 可靠性

2、Scalability 可擴(kuò)展性Availability 可用性Dependability 可信性,,,,,,,,,,,,,,,,,,Graphics,Exp BusXface,BaseI/O,LAN,SCSI,,,,,,,,,,ProcessorCache/DRAMController,Audio,MotionVideo,Cache,PCI Bus,ISA/EISA - MicroChannel,Add-in bo

3、ard,,Bridge Architecture,個(gè)人計(jì)算機(jī)剖視,,,Network,,,,,,I/O系統(tǒng),,,Processor,Cache,Memory - I/O Bus,MainMemory,I/OController,,,,,,,I/OController,,I/OController,,Graphics,,,,,,,interrupts,工藝發(fā)展趨勢(shì),現(xiàn)在，磁盤容量每18月翻一番 1990年之前，每36月翻一番,

4、當(dāng)今：處理器性能 每18月 翻一番當(dāng)今：存儲(chǔ)器大小每18月翻一番(三年四倍)當(dāng)今：磁盤容量每18月翻一番磁盤定位速率 (尋道 + 旋轉(zhuǎn)) 每十年翻一番！,I/O Gap,存貯技術(shù)的驅(qū)動(dòng)力,主流計(jì)算模式的驅(qū)動(dòng)五十年代: 批處理 到 在線處理 的轉(zhuǎn)變九十年代: 集中處理 到 普及計(jì)算 的轉(zhuǎn)變計(jì)算機(jī)無(wú)處不在：電話、電子書籍、汽車、攝像機(jī) 全球性光纖網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)存貯工業(yè)的成效：嵌入式存貯更小、更便宜、更可靠、更低

5、功耗數(shù)據(jù)使用高容量、層次式管理存儲(chǔ)系統(tǒng),歷史回顧,1956 IBM Ramac ~ 七十年代早期 Winchester針對(duì)大型機(jī)開發(fā)，專用接口在大小上不斷縮?。?7 in. 至 14 in.七十年代5.25英寸軟盤出現(xiàn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)磁盤接口ST506, SASI, SMD, ESDI八十年代早期個(gè)人計(jì)算機(jī)和第一代工作站八十年代中期Client/server計(jì)算 基于文件服務(wù)器的集中存儲(chǔ)加速磁盤的小型化： 8英寸

6、至 5.25英寸巨大的磁盤驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)成為現(xiàn)實(shí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)： SCSI、IPI、IDE在PC市場(chǎng)，采用5.25英寸驅(qū)動(dòng)器，專用接口壽終正寢,磁盤的歷史,數(shù)據(jù)密度兆位/平方英寸,顯示的容量單位兆字節(jié),1973:1. 7兆位/平方英寸140 兆字節(jié),1979:7. 7兆位/平方英寸2,300兆字節(jié),source: New York Times, 2/23/98, page C3, Wakers of disk drive

7、s crowd even more data into even smaller spaces,歷史回顧,八十年代末/九十年代初：膝上機(jī)、筆記本電腦(掌上機(jī))3.5英寸、 2.5英寸(1.8英寸)大小 加上 容量 驅(qū)動(dòng) 市場(chǎng)，而非性能目前，帶寬改進(jìn)：40%/年來(lái)自DRAM、PCMCIA卡中flash RAM的挑戰(zhàn) 仍然太貴，Intel承諾降低成本但還沒有兌現(xiàn)每立方英寸上兆字節(jié)，還不能另人滿意光盤性能尚不理想，但有小的生存

8、空間(CD ROM),磁盤歷史（緒）,1989:63 Mbit/sq. in60,000 MBytes,1997:1450 Mbit/sq. in2300 MBytes,source: New York Times, 2/23/98, page C3, Wakers of disk drives crowd even more data into even smaller spaces,1997:3090 Mbit/sq.

9、in8100 MBytes,Areal Density,Bits recorded along a trackMetric is Bits Per Inch (BPI)Number of tracks per surfaceMetric is Tracks Per Inch (TPI)Care about bit density per unit areaMetric is Bits Per Square InchCal

10、led Areal DensityAreal Density = BPI x TPI,九十年代初的數(shù)據(jù)存貯技術(shù),CapBPITPIBPI*TPIData Xfer AccessTechnology(MB)(Million)(KByte/s) TimeConventional Tape:Cartridge (.25")15012000104 1.2 92minutesIBM 3

11、490 (.5")8002286038 0.93000secondsHelical Scan Tape:Video (8mm)4600432001638 71 49245 secsDAT (4mm)1300610001870114 18320 secsMagnetic & Optical Disk:Hard Disk (5.25") 120033

12、5281880 63300018 msIBM 3390 (10.5") 3800279402235 62425020 msSony MO (5.25")6402413018796454 88100 ms,,存儲(chǔ)所有我們已讀（寫）、 聽（說(shuō)）、看的信息,人類數(shù)據(jù)類型 /小時(shí)/天 (/4年)/一生 閱讀文字（含少量圖片）200 K

13、 2 -10 M/G60-300 G以120wpm說(shuō) 43 K 0.5 M/G 15 G以1KBps說(shuō) 3.6 M 40 M/G1.2 T50Kb/s POTS的視頻 22 M.25 G/T 25 T200Kb/s VHS質(zhì)量的視頻 90 M1 G/T100 T 4.3Mb/s HDTV/DVD視頻 1.8 G20 G/T 1 P,KiloMegaGig

14、aTeraPetaExaZettaYotta,一部小說(shuō),1封信,美國(guó)國(guó)會(huì)圖書館 (文字),所有磁帶,1部電影,美國(guó)國(guó)會(huì)圖書館 (圖像),所有相片,美國(guó)國(guó)會(huì)圖書館 (聲音+電影),現(xiàn)在的所有信息,所有磁盤,未來(lái)磁盤容量和性能,Continued advance in capacity (60%/yr) and bandwidth (40%/yr)Slow improvement in seek, rotation (8%/yr

15、)Time to read whole disk YearSequentiallyRandomly (1 sector/seek)1990 4 minutes6 hours200012 minutes 1 week(!)200656 minutes 3 weeks (SCSI)2006 171 minutes 7 weeks (SATA),存貯設(shè)備: 磁盤,,

16、,,,,,,,,扇區(qū)（Sector）,,磁道（Track）,,,,柱面（Cylinder）,,,,,,,,磁頭（Head）,,盤片（Platter）,用途 長(zhǎng)期、非易失的存貯在存貯層次中，大容量、廉價(jià)、較慢的級(jí)別特性 尋道時(shí)間(平均8 ms左右)定位延遲（positional latency）旋轉(zhuǎn)延遲（rotational latency）傳輸率大約每毫秒一個(gè)扇區(qū) (5-15 MB/s)成塊容量Giga

17、bytes三年四倍,7200 RPM = 120 RPS => 8 ms per rev ave rot. latency = 4 ms128 sectors per track => 0.25 ms per sector1 KB per sector => 16 MB / s,響應(yīng)時(shí)間 = 排隊(duì) + 控制器 + 尋道 + 旋轉(zhuǎn) + 傳輸,,,服務(wù)時(shí)間,磁盤面密度：Disk Areal Density

18、,Bits recorded along a trackMetric is Bits Per Inch (BPI)Number of tracks per surfaceMetric is Tracks Per Inch (TPI)Disk designs brag about bit density per unit areaMetric is Bits Per Square Inch: Areal Density = B

19、PI x TPI,1 inch disk drive!,2000 IBM MicroDrive: 1.7” x 1.4” x 0.2” 1 GB, 3600 RPM, 5 MB/s, 15 ms seekDigital camera, PalmPC?2006 MicroDrive?9 GB, 50 MB/s! Assuming it finds a niche in a successful productAssum

20、ing past trends continue,磁帶與磁盤,縱向磁帶使用與磁盤相同的工藝技術(shù)；同樣的密度改進(jìn) 磁盤的磁頭在磁盤表面上方，而磁帶在表面上（接觸） 磁盤固定、磁帶可移動(dòng)內(nèi)在的成本-性能 依賴于 其幾何形狀： 具有一定縫隙固定的旋轉(zhuǎn)盤片 (隨機(jī)訪問(wèn)、限制尺寸、1 media / reader)與 可移動(dòng)的長(zhǎng)帶、纏繞在線軸上 (順序訪問(wèn)、“無(wú)限”長(zhǎng)度、multiple / reader)

21、新工藝技術(shù)趨勢(shì) 螺旋掃描(錄像帶, 數(shù)字錄音帶) 與磁帶成一定角度旋轉(zhuǎn)磁頭來(lái)改進(jìn)密度,當(dāng)前磁帶的缺陷,磁帶磨損螺旋式磁帶上百次縱向磁帶上千次 磁頭磨損 螺旋式 2000小時(shí)兩者都必須考慮 經(jīng)濟(jì)/可靠 纏繞、退帶、裝帶、旋轉(zhuǎn)次數(shù)多 并不是必然如此，只是目前為止尚沒有進(jìn)一步市場(chǎng)需求針對(duì)歸檔需求設(shè)計(jì),Current Drawbacks to Tape,Tape wear out:Helical 1

22、00s of passes to 1000s for longitudinal Head wear out: 2000 hours for helicalBoth must be accounted for in economic / reliability modelBits stretchReaders must be compatible with multiple generations of mediaLong r

23、ewind, eject, load, spin-up times; not inherent, just no need in marketplace Designed for archival,Automated Cartridge System: StorageTek Powderhorn 9310,6000 x 50 GB 9830 tapes = 300 TBytes in 2000 (uncompressed)

24、Library of Congress: all information in the world; in 1992, ASCII of all books = 30 TBExchange up to 450 tapes per hour (8 secs/tape)1.7 to 7.7 Mbyte/sec per reader, up to 10 readers,,7.7 feet,,10.7 feet,8200 pounds,1

25、.1 kilowatts,Flash: The future of disks?,Advent of digital cameras, mp3 players, has driven market for low-cost non-volatile flash memoryOther promising technologies in development: phase-change RAM, magnetic RAM (core

26、returns!), but flash has big leadIn 2007, several announcements of flash-based disk replacement for laptops/serversSanDisk, Samsung, I/O fusion, …Flash drive advantages:Lower power (no moving parts)Much faster seek

27、time, 100X IOs per second (no moving parts)Greater reliability (no moving parts)Lower noise (no moving parts)Flash disadvantagesCost (20-100x disk cost/GB)Slow writes with current design (competitive with disks)wri

28、te endurance - not an issue for most applications since use write-leveling to spread wear around blocks on chipPotential benefit of flash hidden behind standard disk interfaceScope for massive rethinking of storage arc

29、hitecture if non-volatile moves into memory hierarchy and accessed via processor loads/stores not seek/read/write,名詞解釋：Dependability,Dependability – The quality of delivered service such that reliance can justifiably be

30、placed on this service.FailureErrorFaultServiceSpecified serviceDelivered serviceService accomplishmentService interruption,名詞解釋,Reliability – A measure of the continuous service accomplishment (or, equivalently

31、, of the time to failure) from a reference initial instant.MTTF – mean time to failureMTTR- mean time to repaireAvailability – A measure of the service accomplishment with respect to the alternation between the two st

32、ate of accomplishment and interruption.MTBF – mean time between failuresAvailability = MTTF/MTBF,小尺寸磁盤的優(yōu)勢(shì),低 成本/MB高 MB/大小高M(jìn)B/瓦特低 成本/驅(qū)動(dòng)器,成本和環(huán)境情況,磁盤陣列的制造上優(yōu)勢(shì),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,14,10,5.25,3.5,3.5,磁盤陣列：1種磁盤設(shè)

33、計(jì),常規(guī)：4種磁盤設(shè)計(jì),,低端,高端,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Katz and Patterson asked in 1987: “Can smaller disks be used to close gap in performance between disks and CPUs?”,用大量小容量磁盤 替代 少量 大容量磁盤! (1988磁盤),數(shù)據(jù)容量

34、 大小功耗數(shù)據(jù)傳輸率 I/O傳輸率平均無(wú)故障時(shí)間成本,IBM 3390 (K)20 GBytes97 cu. ft.3 KW15 MB/s600 I/Os/s250 KHrs$250K,IBM 3.5" 0061320 MBytes0.1 cu. ft.11 W1.5 MB/s55 I/Os/s50 KHrs$2K,x7023 GBytes

35、11 cu. ft.1 KW120 MB/s3900 IOs/s??? Hrs$150K,,,,磁盤陣列的潛力,高 數(shù)據(jù) 和 I/O 速率高 MB/立方英尺，高 MB/KW可靠性?,,,,磁盤陣列的可靠性,N個(gè)磁盤的可靠性 = 1個(gè)磁盤的可靠性 ? N50,000小時(shí) ? 70 磁盤 = 700 小時(shí) 磁盤系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間：從 6 年 跌至 1個(gè)月！ 沒有冗余的陣列 在使用中 太不

36、可靠！,可與訪問(wèn)過(guò)程 并行 進(jìn)行重構(gòu)的熱備份：可以達(dá)到很高的媒體可用性,冗余存盤陣列 （RAID),文件分布到多個(gè)磁盤上數(shù)據(jù)冗余 達(dá)到 高數(shù)據(jù)可用性,如果磁盤出錯(cuò)就利用陣列上存儲(chǔ)的冗余數(shù)據(jù)來(lái)重建它的內(nèi)容,需要更多的額外容量來(lái)存儲(chǔ)冗余數(shù)據(jù)需要更多的額外帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)修改,,,Mirroring/Shadowing (高容量耗損)Horizontal Hamming Codes (過(guò)度耗費(fèi))Parity & R

37、eed-Solomon CodesFailure Prediction (無(wú)容量開銷!)VaxSimPlus --技術(shù)上有爭(zhēng)議,關(guān)鍵技術(shù):,,,,,,冗余磁盤陣列RAID 1: 磁盤鏡像/影像,,,,,,,,,,,,,,,,,,,每個(gè)磁盤都完全復(fù)制到它的“影子” 可以達(dá)到非常高的可用性完成寫操作需要犧牲帶寬: 邏輯寫 = 兩次物理寫對(duì)于讀操作,可以進(jìn)行優(yōu)化代價(jià)很高的一種解決方案：100%的容

38、量開銷,面向：高 I/O速率、高可用性的環(huán)境,,,,,恢復(fù)組,,,冗余磁盤陣列RAID 3: 位交織奇偶校驗(yàn)磁盤,,P,100100111100110110010011. . .,邏輯記錄,10010011,11001101,10010011,00110000,,,條狀物理記錄,,在恢復(fù)組上進(jìn)行奇偶計(jì)算 以防 硬盤失效 在上述配置中，維存儲(chǔ)奇偶位需要增加33%

39、的容量開銷 更寬的陣列將相對(duì)降低容量開銷、降低預(yù)想的可用性、增加數(shù)據(jù)重建時(shí)間盤臂邏輯上同步、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)同步 邏輯上是一個(gè)單一高容量的、高傳輸率的磁盤,面向高帶寬應(yīng)用：科學(xué)計(jì)算、圖像處理,,,冗余磁盤陣列RAID 5+:塊交織分布奇偶校驗(yàn)磁盤,,一次邏輯寫變成四次物理I/O由于交叉奇偶位存放，因而可以進(jìn)行獨(dú)立寫操作在數(shù)據(jù)重建中，為數(shù)據(jù)保護(hù)采用Reed-SolomonCodes ("Q&quo

40、t;),,,,,D0,D1,D2,D3,P,D4,D5,D6,P,D7,D8,D9,P,D10,D11,D12,P,D13,D14,D15,P,D16,D17,D18,D19,D20,D21,D22,D23,P,...,...,...,...,...,Disk Columns,增大邏輯磁盤地址,,,,信息條（Stripe）,,信息條單位（Stripe Unit）,,,面向混合應(yīng)用,磁盤陣列的難題: 寫操作少,D

41、0,D1,D2,D3,P,D0',,+,,,,+,,,D0',D1,D2,D3,P',,,新數(shù)據(jù),舊數(shù)據(jù),舊奇偶位,XOR,XOR,(1. 讀),(2. 讀),(3. 寫),(4. 寫),RAID-5: Small Write Algorithm,1次邏輯寫 = 2次物理讀 + 2次物理寫,子系統(tǒng)組成,主機(jī),陣列控制器,單板磁盤控制器,,,,,,,單板磁盤控制器,,,,,,,單板磁盤控制器,,,,,,,單

42、板磁盤控制器,,,,,,,,,,,,,,,,,主機(jī)適配器,,,管理與主機(jī)的接口、DMA,控制、緩沖、奇偶邏輯,物理設(shè)備控制,,,,,,,often piggy-backedin small format devices,條塊化軟件從主機(jī)下載到陣列控制器不修改應(yīng)用程序不降低主機(jī)性能,系統(tǒng)可用性：正交RAID,ArrayController,StringController,StringController,Stri

43、ngController,StringController,StringController,StringController,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,. . .,. . .,. . .,. . .,. . .,. . .,,,數(shù)據(jù)恢復(fù)組：數(shù)據(jù)冗余的單位,冗余支持部件：風(fēng)扇、供電設(shè)施、控制器、電纜,,,端點(diǎn)到端點(diǎn)的數(shù)據(jù)完整性：具有內(nèi)在奇偶保護(hù)的數(shù)據(jù)通路,系統(tǒng)

44、級(jí)可用性,完全雙冗余,I/O控制器,I/O控制器,陣列控制器,陣列控制器,,,,,,,,,. . .,. . .,. . .,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,. . .,,,. . .,,...,恢復(fù)組,目標(biāo)：無(wú)單失效點(diǎn),,,主機(jī),主機(jī),通過(guò)備份的通路，在沒有失效時(shí)可以達(dá)到更高的性能,Berkeley History: RAID-I,RAID-I (1989) Consisted o

45、f a Sun 4/280 workstation with 128 MB of DRAM, four dual-string SCSI controllers, 28 5.25-inch SCSI disks and specialized disk striping softwareToday RAID is $24 billion dollar industry, 80% nonPC disks sold in RAIDs,,,

46、,,,,,,,,,,小結(jié): RAID技術(shù),? Disk Mirroring, Shadowing (RAID 1),Each disk is fully duplicated onto its "shadow" Logical write = two physical writes100% capacity overhead,? Parity Data Bandwidth Array (RAID

47、 3),Parity computed horizontallyLogically a single high data bw disk,? High I/O Rate Parity Array (RAID 5),Interleaved parity blocksIndependent reads and writesLogical write = 2 reads + 2 writes,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

48、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,10010011,11001101,10010011,00110010,10010011,10010011,磁盤I/O性能,響應(yīng)時(shí)間 = 排隊(duì) + 設(shè)備服務(wù)時(shí)間,度量： 響應(yīng)時(shí)間 吞吐率,響應(yīng)時(shí)間 與 服務(wù)能力,當(dāng)響應(yīng)時(shí)間從1.0秒減小到0.3秒后，事務(wù)處理時(shí)間會(huì)發(fā)生什么變化？鍵盤：4.0秒報(bào)交，9.

49、4秒思考圖形：0.25秒報(bào)交，1.6秒思考,交互式環(huán)境 每次交互 或 事務(wù)處理（transaction）由 3 部分組成：報(bào)交時(shí)間（Entry Time）：用戶輸入命令的時(shí)間系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間（System Response Time）： 用戶報(bào)交和系統(tǒng)應(yīng)答之間的時(shí)間思考時(shí)間（Think Time）： 從系統(tǒng)應(yīng)答到用戶開始下一命令之間的時(shí)間,,第一次事務(wù),第二次事務(wù),響應(yīng)時(shí)間 與 服務(wù)能力（緒）,響應(yīng)時(shí)間減少0.7秒可以分別減少事

50、務(wù)處理總時(shí)間4.9秒(34%)和2.0 秒 (70%) => 提高服務(wù)能力另一方面的考慮：人們對(duì)于更快的響應(yīng)都可以做更多的事，但是對(duì)快速響應(yīng)領(lǐng)域卻比較陌生 = 對(duì)較慢的響應(yīng)很在行,磁盤時(shí)間示例,磁盤參數(shù)：傳輸大小 為 8K bytes廣告申稱的平均尋道時(shí)間 為 12 ms磁盤旋轉(zhuǎn)速度 為7200 RPM傳輸速率 為4 MB/sec控制器開銷 為 2 ms假設(shè)磁盤空閑，因而沒有排隊(duì)延遲那么，對(duì)于一個(gè)扇區(qū)的平均磁盤

51、訪問(wèn)時(shí)間為多少？平均尋道 + 平均旋轉(zhuǎn)延遲 + 傳輸時(shí)間 + 控制器開銷12 ms + 0.5/(7200 RPM/60) + 8 KB/4 MB/s + 2 ms12 + 4.15 + 2 + 2 = 20 ms廣告中的尋道時(shí)間假設(shè)沒有位置問(wèn)題：現(xiàn)實(shí)中，通常為廣告尋道時(shí)間的1/4至1/3：20 ms => 12 ms,處理器接口,處理器接口中斷存儲(chǔ)器映射I/O I/O控制結(jié)構(gòu)輪詢（Polling）中斷（

52、Interrupts）直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（DMA）I/O控制器I/O處理器容量、訪問(wèn)時(shí)間、帶寬 互聯(lián)總線,I/O 接口,獨(dú)立I/O總線,CPU,,,Interface,Interface,,,Peripheral,,Peripheral,,,,Memory,,存儲(chǔ)器總線,獨(dú)立的I/O指令 (in,out),CPU,,,Interface,Interface,,,Peripheral,,Peripheral,,Memor

53、y,,I/O和存儲(chǔ)器傳輸?shù)穆?lián)線不同,公共存儲(chǔ)器& I/O總線,VME busMultibus-II,40 Mbytes/sec（樂(lè)觀）10 MIPS 處理器使該總線完全飽和!,,,,存儲(chǔ)器映射 I/O,,,,,ROM,RAM,I/O,可編程I/O (輪詢）,CPU,,,IOC,,device,,Memory,,數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好?,讀數(shù)據(jù),存數(shù)據(jù),,,,,,,,,yes,no,done?,,no,yes,若忙就循環(huán)等

54、待不能很有效地利用除非設(shè)備非?？?！,但需要不斷檢測(cè) I/O I/O工作可以分散到計(jì)算代碼之中,中斷驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸,CPU,,,IOC,,device,,Memory,,,,addsubandornop,,,,,,,readstore...rti,,,,,,存儲(chǔ)器,用戶程序,,,,,,,,,(1) I/O中斷,,(2) 保存PC,,(3) 中斷服務(wù)地址,,中斷服務(wù)例程,,,,,,(4),設(shè)備傳輸率 = 10 MB

55、ytes/sec => 0 .1 x 10-6 sec/byte => 0.1 ?sec/byte => 1000 bytes = 100 ?sec1000次傳輸 x 100 ?sec = 100 ms = 0.1 CPU seconds,用戶程序僅在實(shí)際傳輸中才暫停以每1ms一次的速率傳輸10

56、00次： 1000次中斷（每2微秒一次中斷） 1000次中斷服務(wù)（每次98微秒） = 0.1 CPU秒,離設(shè)備傳輸率還有很大空間！中斷開銷的1/2,直接存儲(chǔ)器訪問(wèn),CPU,,,IOC,,device,,Memory,,DMAC,,以每毫秒一次的速率完成1000次傳輸?shù)臅r(shí)間：,1 DMA建立時(shí)間 50 ?sec1 次中斷 2 ?sec1 次中斷服務(wù)48 ?sec0.0001 秒的CPU時(shí)間,CPU向

57、DMAC發(fā)送開始地址、方向 ；然后，發(fā)射“開始”命令。,DMAC向外設(shè)控制器提供握手信號(hào)，向存儲(chǔ)器提供存儲(chǔ)地址和握手信號(hào),,,,,0,ROM,,RAM,,Peripherals,DMAC,n,存儲(chǔ)器映射 I/O,輸入/輸出處理器,CPU,IOP,Mem,D1,D2,Dn,,,,,,,,,,. . .,主存總線,I/O總線,CPUIOP,,,向 IOP發(fā)射指令完成后中斷,(1),存儲(chǔ)器,,,(2),(3),,,(4)

58、,設(shè)備 與 存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送由IOP直接控制IOP 偷取 存儲(chǔ)器周期,,OP Device Address,,,目標(biāo)設(shè)備,命令在哪里,,,在存儲(chǔ)器中查找命令,,OP Addr Cnt Other,,,,做什么,數(shù)據(jù)放在哪里,多少,特殊請(qǐng)求,,,,,與處理器體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系,I/O 指令已經(jīng)基本消失了中斷向量 被 跳轉(zhuǎn)表（jump tables）替代PC <- M [ 中斷向量地址 + 中斷號(hào) ]

59、PC <- 中斷向量地址 + 中斷號(hào)中斷：堆棧 被 窗口寄存器 所替代中斷處理程序保存寄存器，并且重新使能更高優(yōu)先級(jí)的中斷的請(qǐng)求中斷類型的數(shù)量不斷減少；中斷處理程序必須詢問(wèn)中斷控制器,與處理器體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系（緒）,提高處理器性能增設(shè)的cache對(duì)I/O提出新的問(wèn)題沖洗CACHE非常費(fèi)時(shí)，而I/O可能污染cache可以從共享存儲(chǔ)多處理器的“監(jiān)聽(snooping)”策略借鑒解決方案虛擬存儲(chǔ)器 對(duì) DMA 提出新問(wèn)題一

60、些Load/store結(jié)構(gòu)可能要求原子性操作 裝入鎖定（load locked）、條件存儲(chǔ)（store conditional）處理器難以進(jìn)行 上下文切換（context switch）,網(wǎng)絡(luò)附屬存貯,磁盤大小逐步縮小,網(wǎng)絡(luò)帶寬逐步增加,網(wǎng)絡(luò)文件服務(wù),在高速網(wǎng)絡(luò)上的高性能存貯服務(wù),,14" ?10" ? 8" ? 5.25" ? 3.5" ? 2.5" ? 1.8&qu

61、ot; ? 1.3" ?. . .基于磁盤陣列的高帶寬磁盤系統(tǒng),,3 Mb/s ? 10Mb/s ? 50 Mb/s ? 100 Mb/s ? 1 Gb/s ? 10 Gb/s網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)高帶寬傳輸能力,網(wǎng)絡(luò)提供了更好的物理和邏輯接口：獨(dú)立的CPU 和存貯系統(tǒng)！,,支持遠(yuǎn)程文件訪問(wèn)的操作系統(tǒng) 結(jié)構(gòu),互聯(lián)的發(fā)展趨勢(shì),,網(wǎng)絡(luò),>1000 m,10 - 100 Mb/s,high (>ms),low,Exten

62、sive CRC,,通道,10 - 100 m,40 - 1000 Mb/s,medium,medium,Byte Parity,,底板,1 m,320 - 1000+ Mb/s,low (<µs),high,Byte Parity,,距離,帶寬,延遲,可靠性,,,互聯(lián) = 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中部件間的連接高速硬件接口 + 邏輯協(xié)議網(wǎng)絡(luò)、通道、底板,存儲(chǔ)器映射通路寬集中式仲裁,基于消息通路窄分布式仲裁,,底板的體系結(jié)

63、構(gòu),差異在不斷縮小: SCSI通道很像一條總線 FutureBus很像通道 (斷接/連接) HIPPI形成高速交換網(wǎng)的聯(lián)路,基于總線的互聯(lián),總線：子系統(tǒng)間的共享通信聯(lián)路低成本：一組線路被多種需要而共享多功能性：易于增加新設(shè)備，甚至可以利用公共總線在多計(jì)算機(jī)之間公用外設(shè)缺點(diǎn)通信瓶頸，可能會(huì)限制最大I/O吞吐率總線速度受限于一些物理因素總線長(zhǎng)度設(shè)備的數(shù)量 (總線負(fù)載)。 一些阻礙專用總線加速比的物理限

64、制。,基于總線的互聯(lián)（續(xù)）,兩種基本總線類型：I/O總線：很長(zhǎng)、互聯(lián)很多類型的設(shè)備、數(shù)據(jù)帶寬的變化范圍大，并且遵從總線標(biāo)準(zhǔn)(有時(shí)，也被稱為一個(gè)“通道（channel）”)CPU的存儲(chǔ)總線：高速、 與存儲(chǔ)系統(tǒng)匹配以獲得最大的存儲(chǔ)器-CPU帶寬，單一設(shè)備(有時(shí)也稱為“backplane”)為降低成本，將低成本 (較舊的) 系統(tǒng)聯(lián)接起來(lái)總線事務(wù)發(fā)送地址，并接收或發(fā)送數(shù)據(jù),總線協(xié)議,,,,,,,,,,,,主設(shè)備,從設(shè)備,控制線,地址線

65、,數(shù)據(jù)線,Multibus: 20根地址線、16根數(shù)據(jù)線、5根控制線，50ns暫停,總線主設(shè)備: 具有控制總線的能力，發(fā)起總線事務(wù)總線從設(shè)備： 被總線事務(wù)激活的模塊總線通信協(xié)議：在傳輸信息中的事件序列的規(guī)范和定時(shí)需求規(guī)范。異步總線傳輸：控制線（請(qǐng)求、應(yīng)答）用于控制事件序列。同步總線傳輸：事件序列與公共時(shí)鐘相符,同步總線協(xié)議,,,地址數(shù)據(jù)讀操作等待,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

66、,,,,,,,,,,,,,,,時(shí)鐘,地址數(shù)據(jù)等待,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,流水化/分離事務(wù)總線協(xié)議（Pipelined/Split transaction Bus Protocol）,,,,,,addr 1,data 0,addr 2,wait 1,,,,,data 1,,,,,addr 3,,,OK 1,,,,,,data 2,,,開始讀操作,,,讀操作完成,,,,異步握手,,,地址數(shù)據(jù)讀

67、請(qǐng)求應(yīng)答,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,主設(shè)備聲明地址,主設(shè)備聲明數(shù)據(jù),下一地址,,,,,,,,,,,,,,,,,,寫事務(wù),,,t0 t1 t2 t3 t4 t5,,,,t0 : 主設(shè)備獲得控制權(quán)，聲明地址、方向和數(shù)據(jù) 等待一定的事件，以便從設(shè)備來(lái)譯碼目標(biāo)t1: 主設(shè)備占用請(qǐng)求線t2: 從設(shè)備發(fā)出應(yīng)答，說(shuō)明已接收到數(shù)據(jù)t3:

68、 主設(shè)備釋放請(qǐng)求線t4: 從設(shè)備釋放應(yīng)答線,4 周期握手,讀事務(wù),,,地址數(shù)據(jù)讀請(qǐng)求應(yīng)答,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,主設(shè)備聲明地址,下一地址,,,,,,,,,,,,,,,,,,,t0 t1 t2 t3 t4 t5,,,,,,,,,時(shí)間復(fù)用總線：地址和數(shù)據(jù)共享連線,t0 : 主設(shè)備獲得控制權(quán)，聲明地址、方向和數(shù)據(jù) 等待一定的事件，