第六章计算机输入输出系统

第六章计算机输入输出系统6-1第六章计算机输入输出系统6.1引言计算机输入输出系统(通称I/O系统)担负着计算机与外界交换信息的任务，早在冯.诺依曼时代就被作为计算机体系结构的一个重要组成部分。然而，许多年以来，I/O系统没有得到足够的重视，它只是被作为外围设备看待。计算机体系结构设计者们重视的是用户程序运行的CPU时间，而I/O系统在程序执行所花的时间无论是多是少，都作为一种额外的开销而被忽略了。但实际上I/O系统的速度是重要的，对用户而言，他们感受的不是单纯的CPU时间，而是程序的执行时间(Executiontime)，I/O系统的速度对整个程序的执行时间有重要影响，我们假设某计算机CPU处理的时间占总处理时间的90%，而I/O处理时间仅占总处理时间的10%，根据Amdahl定理，即使CPU的处理速度提高10倍，而I/O系统的速度没有提高，则程序总的处理速度(执行时间的倒数)只能提高1/(0.1+0.9/10)=1/(0.1+0.09)=1/0.19≈5倍，也就是说，有一半的CPU速度提高被浪费了。即使CPU处理速度提高100倍，在同样的情况，总的性能也仅能提高1/(0.1+0.1/100=1/(0.1+0.009)≈10倍，我们可以清楚地看到，这已经是总的处理速度提高的上限了，无论再使用什么办法，使CPU与I/O系统并行工作也好，再提高CPU速度也好，都不可能使总的处理速度提高了。如果I/O系统的速度停滞不前，在计算机体系机构方面的任何其它改进工作都将是徒劳的。但这只是单进程操作系统的情况，也许有人会这样说，在多进程操作系统中，通过合适的进程调度可使CPU不是空下来等待I/O系统工作的结束，而是继续执行其它进程，这样I/O速度的快慢就无关轻重了。然而事实并非如此。首先，这种方法虽能维持整个操作系统中吞吐量不变，提高CPU的利用率。但对于用户来说，仍然没有解决执行时间延长的问题，他仍然必须等待I/O操作结束，甚至，由于进程切换带来的开销，他的程序运行时间反而会更长、更费时，在大多数桌面系统的PC机和工作站上，并没有很多的进程可以进行这种时间共享，从而使CPU的空闲成为不可避免。另外，多进程操作系统中，一般都必须使用盘交换区和虚拟内存技术以容纳好几个进程，而这两项技术的性能，深深地依赖于I/O系统，依赖于外部存储系统的速度。第六章计算机输入输出系统6-2在计算机技术突飞猛进的今天，I/O系统的重要性正与日俱增，除了存储系统(StorageSystem)的重要性已经为人所知之外，随着计算机网络化和网络并行计算技术的发展，网络I/O的性能提高也正成为一个引人注目的研究焦点，在第十章将介绍这方面的研究，此外，一直为人们所忽视，并被看作低速设备的数据表示系统(datapresentation)，也由于多媒体技术的兴起，而有了新的研究课题。6.2输入/输出设备类型I/O设备可分为三大类：6.2.1数据表示设备这类I/O设备的主要功能是在计算机处理器和用户之间传递信息，它主要包括显示器，键盘等人-机交互设备，但也有一些用于控制其它电子设备的信号输出输入设备可归入此类。这些设备通常为计算机提供其运行时所需的大部分输入信息，同时输出计算机运行的最后结果，并反馈给用户。图6.1引出了一些最常用的数据表示设备和它们的数据速率(datarate)。设备传感器键盘通讯线CRT显示器行式打印机磁带机数据速率1B/s-1kB/s10B/s30B/s---200kB/s2kB/s1.8kB/s0.5-2MB/s图6.1常见数据表I/O设备及其数据率以前，数据表示设备常被认为是非常慢速的设备，但随着计算机多媒体技术的发展，许多新的数据表示方法出现了，如图6.2，它们要求很高的速度，并对时延有着很高的要求，这些新的表示技术包括高速图形显示及视频显示，声音输入/输出。要达到满意的输出结果，需要计算数量庞大的数据，以至于不得不设计专用的处理器来处理诸如色彩显示，三维造型的动画这样一些图形的数据来源，而视频显示的主要问题来自于它的实时显示要求，因为视频显示两帧之间的时间不能大于1/30秒，否则会产生闪烁感。为了减轻对设备的压力，通常都采用数据压缩的方法，使数据量下降，但也产生了解压缩的问题。声音是又一种数据量很大的数据表示方式，它的实时输出和识别也是很费时的，这些新的数据表示方法不仅对I/O系统提出了很高的要求，对处理器的速度也提出了新的要求。同时这样新的技术也扩展了计算机输第六章计算机输入输出系统6-3入/输出设备的范畴，促进了I/O系统技术的发展。多媒体数据表示设备图形视频声音数据速率1MB/s100MB/s64kB/s最大允许时延1-5秒约20毫秒50-300毫秒图6.2多媒体数据表示设备的参数一览6.2.2网络通讯设备网络通讯设备的功能是在处理器间传递数据。网络通讯设备的种类繁多，按连接处理器的距离分，可分为MPP网，局域网，广域网等；按采用的通讯介质分，又可分成铜线电信号设备和光纤设备等，按所采用的控制技术分，还可以分成以太网、ATM网，令牌环网等，随着计算机向网络化发展和网络并行计算技术的产生，这类设备的地位正在变得日益重要，第十章网络并行计算体系结构中将对这类设备作详细介绍。6.2.3存贮设备这里存贮设备是指外存贮器，它的功能是作为计算机存贮器层次结构的一部分，存贮计算机处理时所需信息。这类设备由于经常与处理器协同工作而显得地位格外重要，作为海量的非易失的外存贮设备，这类I/O设备一方面担负存贮计算机后备数据的任务，一方面还往往作为虚存或操作系统交换区的一部分，直接参与计算机的处理。计算机外存贮器一般有以下几种：磁盘磁盘从60年代起一直是计算机的重要外存设备。它分为软盘和硬盘两种，软盘可灵活装卸，便于携带和交换，价格低廉但存储容量小，传输率低，使用寿命也短。硬盘是固定式的密封盘片(Platter)组，由金属基片两面涂上或镀上磁性记录介质组成。盘片以每分钟3600转的速度旋转，磁头臂带着读写磁头在磁盘上作径向运动，写入或读取磁盘上信息，盘片大小以英寸计，从1.3英寸到8英寸不等，通常，硬盘越大则性能越好，越小则价格越低。磁盘的表面沿直线方向划分为不同的同心圆，称为磁道(track)，一般硬盘每面有500到2500个磁道。在硬盘机中，磁盘片连在一起，读写磁盘各面信息的磁头也连在一块运动，从而每次读写磁头都停在各面的同一磁道上，故而也把各面的同一磁第六章计算机输入输出系统6-4道连起来叫作柱面(Cylinder)。每条磁道再按切线方向划为几十个扇区(sector)，扇区是磁盘存贮信息的最小单位，扇区一般由扇区号，分隔用的空白区(gap)，扇区数据信息三部分组成，扇区间也有用于分隔的空白区。通常，所有的磁道上的扇区数是一样的，所以处在外圈的磁道扇区密度小，数据也就存放得可靠些，而内圈的磁道短，存放的数据却不比外圈少，往往容易出错些。为了克服这个缺陷，可以使用一种叫常位密度(constantbitdensity)的存储方式：在外圈长磁道上放更多的扇区。这样就使整个磁盘上扇区的密度也就是数据的密度一致，增加了可靠性。SCSI硬盘接口中就用了这种方法。在对磁道进行数据读写时，首先磁头臂要移到指定的位置，这个操作称为寻道(seek)，该操作所需的时间称为寻道时间(seektime)。寻道时间与磁头移动量有关，一般厂商给出最小值，最大值和均值三种参数。平均值是各种可能的寻道所需时间的平均，范围在12毫秒到20毫秒之间，实际值还与操作系统有关。在磁头移动到指定磁道上后，读写数据还需等待磁盘旋转到指定的扇区。这个操作所需的时间称为旋转延迟(rotationlatency)大多数硬盘的旋转时间为每分钟3600转，平均旋转延迟是指磁盘旋转半圈的时间，等于0.5×0.6/3600秒=8.3毫秒。数据传输所需时间称为传输时间(transfertime)，它与数据量、磁盘转速及记录密度有关，还与连接磁盘与计算机的传输线带宽有关系。目前，一般计算机磁盘的传输速度为1MB/s到4MB/s，磁盘从收到读盘命令到启动磁盘臂移动之间的时间称为控制时间(controllertime)，它包括了等待上一次读写磁盘结束的时间，称做排队时间(queuingdelay)。将控制时间，寻道时间，转旋延迟和传输时间加起来，才是一次读写磁盘所需的总时间——存取时间(accesstime)。在磁盘和计算机之间，由一个叫磁盘控制器(diskcontroller)的部件负责控制磁盘的数据传输。前面提到的控制时间实际上就是花在磁盘控制器上的时间。磁盘控制器还完成一些其他的任务，如先读(readahead)，即为了减少每次启动读取的时间，由磁盘控制器在每次读时向前多读几个扇区，以便一旦要读这些扇区时可以快速提供，鉴于数据保存的连续性，这样的方法还是很有效的。磁盘技术的发展方向是提高存储密度，降低成本和提高速度。磁盘的存储密度对提高其容量十分重要，同时密度提高也有利于速度提高。存贮密度的度量指标是盘片的面密度(areadensity)，单位为每平方英寸的位数，用每英寸半径上磁道数乘以每英寸磁道中存储的位数衡量，前者又称道密度，单位为TPI(trackperinch)，后者又称位密度，单位为bpi(bitperinch)，于是有面密度=每英寸磁道数×每英寸道数。磁盘密度的增加速度到1988年止约为29%，即每年增长两倍。但此后每年的增长速第六章计算机输入输出系统6-5度就达到60%，即有三年增长四倍，与DRAM密度的增长大致相当。到1995年，产品化的磁盘最高面密度已达644兆位每平方英寸，实验产品中已有达3000兆位每平方英寸的。在降低成本方面，每兆字节的成本下降得和面密度的增长一样快，在1983年到1995年的十二年间，计算机磁盘的每兆字节价格下降了上百倍，实际上，在1992年至1995年间，磁盘的成本每年下降两倍左右，而以前的几年每年只下降1.3到1.4倍，图6.3画出了每兆字节价格随时间变化的关系。尽管磁盘技术在上述两项指标上取得了不小的进步，但它与DRAM的存取时间上的差异，始终是它作为次级存储器的一个缺憾，它的存取时间尽管比起十几年前已大大缩短，但仍比DRAM慢100,000倍，从而在现今计算机的主存和次级存储器间造成了一个巨大的存取时间缺口(accesstimegap)许多新的设想和技术企图填补这一空缺，但至今还没有成功的例子。图6.3每兆字节PC机磁盘价格随时间变化示意图光盘光盘的优点是存储容量大，成本低，存放期限长，存储密度高。因此近些年得到迅速发展，成为某些领域中磁盘的有力竞争者。光盘的面密度达108位/cm2，道密度1500TPI，其存储密度在现有的外存介质中是很高的。而且由于光盘用激光记录，读写时读写头与介质保持较大距离，不易磨损，故而信息保存寿命较长，目前5.25英寸光盘容量为600MB，平均寻道时间50-100ms，数据传输速率为1MB/s，广泛应用于文献档案的存贮，图书馆管理，多媒体应用等各方面。光盘分为只读型，WORM(一次写多次读)型和可擦写型三种，只读型也称CD-ROM，成本低，但只能进行读出操作，通常用于软件发行。可擦写型可多次写入，但成本较高。且因为光驱读写头份量重，体积大，寻道时间长，再加上可擦写光盘本身技术问题，写入速度很低，因此只能用于数据备份，而不能作为次级存储器，这是光盘一时难以代替磁盘的主要原因。光盘技术应用于磁盘上，产生了磁盘(flopticaldisk)技术，磁光盘便于携带，存储容量大，可与硬盘相比较，存取时间也较短。磁带磁带作为计算机I/O设备的时间与磁盘一样长，磁带和磁盘的存储技术及原理有第六章计算机输入输出系统6-6不少是相似的，磁盘与磁带的不同主要是磁盘在一个有限大小的面积上进行读写，以加快存取速度，而磁带存储面积是个无限的带，虽然在其上只能串行存取，速度慢，但容量可以很大，所以磁带常作为磁盘的后备介质使用。磁带的一个问题是容易缠带或断裂，一种叫螺旋扫描带(helicalscantapes)的技术可以解决这一问题，这项技术是让磁带以一固定速