chap6输入输出系统
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【操作系统】输入输出系统
【操作系统】输入输出系统六、输入输出系统前言I/O系统是OS的重要组成部分，用于管理诸如打印机和扫描仪等I/O设备，以及用于存储数据，如磁盘驱动器和磁带机等各种存储设备。
由于I/O系统所含设备类型繁多，差异又非常大，致使I/O系统成为操作系统中最繁杂且与硬件最紧密相关的部分。
1.I/O系统的功能、模型和接口1.1 I/O系统的基本功能为了满足系统和用户的要求，I/O系统应具有下述几方面的基本功能，其中，第一、二方面的功能是为了方便用户使用I/O设备；第三、四方面的功能是用于提高CPU和I/O设备的利用率；第五、六方面的功能是为用户在共享设备时提供方便，以保证系统能有条不紊的运行，当系统发生错误时能及时发现错误，甚至能自动修正错误。
1.隐藏物理设备的细节2.与设备的无关性3.提供处理机和I/O设备的利用率4.对I/O设备进行控制5.确保对设备的正确共享6.错误处理1.2 I/O系统的层次结构和模型1.I/O软件的层次结构通常把I/O软件组织成四个层次，如下图，各层次及功能如下，图中的箭头表示I/O的控制流：(1) 用户层I/O软件，实现与用户交互的接口，用户可直接调用该层所提供的、与I/O操作有关的库函数对设备进行操作。
(2) 设备独立性软件，用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。
(3) 设备驱动程序，与硬件直接相关，用于具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作的驱动程序。
(4) 中断处理程序，用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完毕再恢复被中断进程的现场后，返回到被中断的进程。
2.I/O系统中各种模块之间的层次视图1.3 I/O系统接口1.块接口块设备接口是块设备管理程序与高层之间的接口。
该接口反映了大部分磁盘存储器和光盘存储器的本质特征，用于控制该类设备的输入或输出。
电子科大_信号与系统课件chap6
Bode Plots：Log-Frequency——Log-Magnitude
H j sin
H j
log H j
16
Chapter 6 Example
Time and Frequency Characterization
dyt yt xt
dt
H j 1/
H
i
j
2tg
1
2
1
i /i /i 2
3
H j Hi j i1
/i f / fi
Let
Figure 6.5
f1 f2
50Hz 150Hz
f3 300Hz
1 2
Chapter 6
Time and Frequency Characterization of Signals and Systems
1
Chapter 6
Time and Frequency Characterization
Time-Domain:
yt xt ht
Frequency-Domain:
Magnitude : | X ( j1, j2 ) | Magnitude :| X ( j1, j2 ) | 1
Phase : X ( j1, j2 ) 0
Phase : X ( j1, j2 )
8
Chapter 6
Time and Frequency Characterization
x
t1 , t2
e j1t1 e j2t2 dt1dt2
输入输出系统
第七章 输入输出系统
输入输出系统
1
考纲要求
1 I/O系统基本概念 2 外部设备
输入设备：键盘、鼠标 输出设备：显示器、打印机 外存储器：硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器 3 I/O接口（I/O控制器） I/O接口的功能和基本结构 I/O端口及其编址 4 I/O方式 程序查询方式 程序中断方式：中断的基本概念；中断响应过程；中断处理过程；多重中 断和中断屏蔽的概念。 DMA方式 ：DMA控制器的组成；DMA传送过程 通道方式
CPU 做其他事情
I/O 设备工作
准备就绪 中断请求 CPU 读 I/O 状态
I/O CPU
检查状态
出错
未错
从 I/O 接口中读一个字到CPU
I/O CPU
从 CPU 向主存写入一个字
CPU 主存
否 完成否？
是 输入输出系统
12
3. DMA 方式
主存和 I/O 之间有一条直接数据通道
与主机交换信息：不中断现行程序
由键盘和显示器组成
完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制
3. 汉字处理 汉字输入、汉字存储、汉字输出
五、多媒体技术
1. 什么是多媒体
2. 多媒体计算机的关键技术
输入输出系统
19
7.3 I/O 接 口
一、概述
为什么要设置接口？ 1. 实现设备的选择 2. 实现数据缓冲达到速度匹配 3. 实现数据串 并格式转换 4. 实现电平转换 5. 传送控制命令 6. 反映设备的状态（忙、就绪、中断请求）
输入输出系统
20
二、接口的功能和组成
1. 总线连接方式的 I/O 接口电路
(1) 设备选择线
外部设备
外部设备大致分三类
输入输出系统
1
考纲要求
1 I/O系统基本概念 2 外部设备
输入设备：键盘、鼠标 输出设备：显示器、打印机 外存储器：硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器 3 I/O接口（I/O控制器） I/O接口的功能和基本结构 I/O端口及其编址 4 I/O方式 程序查询方式 程序中断方式：中断的基本概念；中断响应过程；中断处理过程；多重中 断和中断屏蔽的概念。 DMA方式 ：DMA控制器的组成；DMA传送过程 通道方式
CPU 做其他事情
I/O 设备工作
准备就绪 中断请求 CPU 读 I/O 状态
I/O CPU
检查状态
出错
未错
从 I/O 接口中读一个字到CPU
I/O CPU
从 CPU 向主存写入一个字
CPU 主存
否 完成否？
是 输入输出系统
12
3. DMA 方式
主存和 I/O 之间有一条直接数据通道
与主机交换信息：不中断现行程序
由键盘和显示器组成
完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制
3. 汉字处理 汉字输入、汉字存储、汉字输出
五、多媒体技术
1. 什么是多媒体
2. 多媒体计算机的关键技术
输入输出系统
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7.3 I/O 接 口
一、概述
为什么要设置接口？ 1. 实现设备的选择 2. 实现数据缓冲达到速度匹配 3. 实现数据串 并格式转换 4. 实现电平转换 5. 传送控制命令 6. 反映设备的状态（忙、就绪、中断请求）
输入输出系统
20
二、接口的功能和组成
1. 总线连接方式的 I/O 接口电路
(1) 设备选择线
外部设备
外部设备大致分三类
6输入输出系统
计算机组成原理
6.4.1 程序直接控制传送方式
1. 基本概念
CPU执行一段I/O程序实现与外设之间数据传送。 该方式是进行数据交换的最简单的控制方法。 （1）无条件传送：只有在外设总处于准备好状态采用。 （2）程序查询方式 优点：较好协调主机与外设之间的时间差异，所 用硬件少。 缺点：主机与外设只能串行工作；主机一个时间 段只能与一个外设进行通讯；CPU效率低。
第 6章 输入输出系统
内容要求： （一） I/O 系统基本概念
（二） 外部设备 1. 输入设备：键盘、鼠标 2. 输出设备：显示器、打印机 3. 外存储器：硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器 （三） I/O 接口（ I/O 控制器） 1. I/O 接口的功能和基本结构 2. I/O 端口及其编址 （四） I/O 方式 1. 程序查询方式 2. 程序中断方式 中断的基本概念；中断响应过程；中断处理过程；多重中断 和中断屏蔽的概念。 3. DMA 方式 DMA 控制器的组成；DMA 传送过程。
可通过屏蔽字屏蔽该 类请求；关中断时不 响应该类请求。
该类请求与屏蔽字无 关；请求的响应与开/ 关中断无关。
由软件提供服务程序 由硬件提供服务程序入口地址 入口地址
6. 中断系统的组成 中断系统：实现中断功能的软、硬件系统总称。
中断系统的硬、软界面
(4) 向量中断与非向量中断
(1)软件： 服务程序、中断向量表 (2)硬件
3. 具有通道结构的阶段 4. 具有 I/O 处理机的阶段
DMA 方式
计算机组成原理
6.2 外部设备 7.5 I/O设备概述
外围设备： 主机（主板及内存）以外的设备，也称外部设备。 辅助（外）存储器也属于外设。
外设向多样化、智能化、功能复合化、高可靠性的方向发展。
输入输出系统(IO系统)
27
28
2）获取总线过程 ①有部件请求时，请求信号送C； ②收到请求后，将当前计数器的计数 值，通过L条代码线同时送到各部件； ③若与此计数值编号相同的部件已提 出请求，则该部件建立忙电平，C收 到忙电平后，停止向下计数，表示该 部件接管总线。
29
④若与此计数值相同编号的部件未 提出请求，等待一个计数脉冲周 期 后 ， 计 数 器 将 进 行 +1 计 数 ， 此 时C又将下一个计数值又同时发往 各部件，余类推。
独立线数
最长响应 时间
3
log2n+2 2×n+1
=8
=129
(1+n) t (1+n) t 2t
=65t =65t
2× N +1=17
t + N × t=9t
41
三、总线通信技术 获得了总线使用权后，才开始考虑
数据信息的传递。 有两大类通信： 同步通信（以块为单位），异步通
信（以字符为单位）。
42
30
3）特点： ①各部件使用总线的优先级可随计数器 的工作方式的改变而改变，灵活性强。 Ⅰ）计数器每次都从0开始计数，低编号 部件级别高； Ⅱ）计数器采用循环计数时，各部件机会 均等。 ②可靠性高，但所需独立线数较多： 2+log2n
31
最长响应延时计算 部件请求到发出代码的延时为一个时钟周
期，收到代码到建立忙电平的延时也为 一个时钟周期。设初始计数值为0，且只 有Un-1提出请求，时钟频率为100MHZ。 最长延时： （1+n）时钟周期=（1+n）*10ns
由于与计算机连接部件的速度有高， 有低，采用异步通信比较普遍。
异步通信又分单向、双向，单向分 源控式和目控式，双向又分非互 锁和互锁。
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2）获取总线过程 ①有部件请求时，请求信号送C； ②收到请求后，将当前计数器的计数 值，通过L条代码线同时送到各部件； ③若与此计数值编号相同的部件已提 出请求，则该部件建立忙电平，C收 到忙电平后，停止向下计数，表示该 部件接管总线。
29
④若与此计数值相同编号的部件未 提出请求，等待一个计数脉冲周 期 后 ， 计 数 器 将 进 行 +1 计 数 ， 此 时C又将下一个计数值又同时发往 各部件，余类推。
独立线数
最长响应 时间
3
log2n+2 2×n+1
=8
=129
(1+n) t (1+n) t 2t
=65t =65t
2× N +1=17
t + N × t=9t
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三、总线通信技术 获得了总线使用权后，才开始考虑
数据信息的传递。 有两大类通信： 同步通信（以块为单位），异步通
信（以字符为单位）。
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3）特点： ①各部件使用总线的优先级可随计数器 的工作方式的改变而改变，灵活性强。 Ⅰ）计数器每次都从0开始计数，低编号 部件级别高； Ⅱ）计数器采用循环计数时，各部件机会 均等。 ②可靠性高，但所需独立线数较多： 2+log2n
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最长响应延时计算 部件请求到发出代码的延时为一个时钟周
期，收到代码到建立忙电平的延时也为 一个时钟周期。设初始计数值为0，且只 有Un-1提出请求，时钟频率为100MHZ。 最长延时： （1+n）时钟周期=（1+n）*10ns
由于与计算机连接部件的速度有高， 有低，采用异步通信比较普遍。
异步通信又分单向、双向，单向分 源控式和目控式，双向又分非互 锁和互锁。
输入输出系统
12.08.2020
9
6.1 I/O系统的硬件结构
时钟软件的任务： 维护日期和时间； 防止进程运行时间超过允许界限； 对CPU使用进行记账； 处理用户进程提出的时间闹钟系统调用； 对系统某些部分提供监视定时器； 支持直方图监视和统计信息搜索。
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10
6.1 I/O系统的硬件结构
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12
6.1 I/O系统的硬件结构
例 MS-DOS中，系统配置文件config.sys中，使用DEVICE 命令把特定的设备驱动程序安装，格式为：
DEVICE＝C:\CD-ROM\IDE\SONYIDE.SYS
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4
6.1 I/O系统的硬件结构
3.按资源分配角度分类
独占设备：一段时间内只允许一个用户使用的设备， 一旦分配给某个进程使用，就为其独占，直到运行 完成，才释放给OS。否则，不能保证信息的完整和 连续性。是排它性使用。
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6
6.1 I/O系统的硬件结构
4.按传输数据数量分类
字符设备。每次传输数据以字节为单位的设备称为 字符设备，如打印机、终端、键盘等；
块设备。以数据块为单位进行传输的设备称为块设 备，如磁盘、磁带等高速外存储器等。
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6.1 I/O系统的硬件结构
6.1.2 I/O设备的物理特性
作的能力不仅影响计算机的通用性和可扩充性，而且也成为计
算机系统的综合处理能力和性能价格比的重要因素。
1.I/O控制方式
（1）循环I/O测试方式。循环I/O测试方式是一种用程序直接控 制I/O操作的方式。计算机的I/O测试指令，通过测试一台设 备的忙/闲标志，决定主存和外设之间是否要传输一个字符或 一个字。这种方式下，中央处理机花费大量时间在等待输入、 输出的循环检测上。
《输入输出系统》PPT课件
端口地址译码电路对地址总线上的外设地址进行译 码，用以决定是否选中设备自身。
供选电路由于接口的功能和结构有很大的区别，因 此各接口电路中可能选择使用中断控制逻辑、定时 器、计数器、移位器等器件。
h
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第8章 输入输出系统
二、I/O接口的组成
I/O接口组成框图
数据总 线
CPU
WR RD M/IO INTR
2、外设的分类
3 、外设的编址方式
h
3
1、外设的特点
第8章 输入输出系统
外设具有工作速度差异大、结构原理差异大、 时序独立、异步性明显等特点，处理的信息从 数据格式到逻辑时序一般不可能直接与CPU兼 容。
计算机与I/O设备间的连接与信息交换不能直 接进行，而必须设计一个“接口电路”作为两 者之间的桥梁，使CPU和外设协调工作，这种 I/O接口电路又叫“I/O适配器”（I/O Adapter）。
h
11
第8章 输入输出系统
二、外设与CPU的连接
外设接口通过总线与CPU连接。
CPU
接口
……
接口
DB AB CB
主存
外设
外设
CPU访问外设的实质是访问外设接口中的寄存器(端口)。
相比存储器的访问，CPU访问外设的过程是完全等同的， 不同的是所发送的读写信号有区别。
h
12
三、I/O指令格式
第8章 输入输出系统
第8章 输入输出系统
h
15
第8章 输入输出系统
一、I/O接口的功能
I/O接口的功能如下：
实现数据缓冲 执行CPU的命令 返回外设的状态 设备选择。 实现数据格式的转换 实现信号的转换 中断管理功能
h
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供选电路由于接口的功能和结构有很大的区别，因 此各接口电路中可能选择使用中断控制逻辑、定时 器、计数器、移位器等器件。
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第8章 输入输出系统
二、I/O接口的组成
I/O接口组成框图
数据总 线
CPU
WR RD M/IO INTR
2、外设的分类
3 、外设的编址方式
h
3
1、外设的特点
第8章 输入输出系统
外设具有工作速度差异大、结构原理差异大、 时序独立、异步性明显等特点，处理的信息从 数据格式到逻辑时序一般不可能直接与CPU兼 容。
计算机与I/O设备间的连接与信息交换不能直 接进行，而必须设计一个“接口电路”作为两 者之间的桥梁，使CPU和外设协调工作，这种 I/O接口电路又叫“I/O适配器”（I/O Adapter）。
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第8章 输入输出系统
二、外设与CPU的连接
外设接口通过总线与CPU连接。
CPU
接口
……
接口
DB AB CB
主存
外设
外设
CPU访问外设的实质是访问外设接口中的寄存器(端口)。
相比存储器的访问，CPU访问外设的过程是完全等同的， 不同的是所发送的读写信号有区别。
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三、I/O指令格式
第8章 输入输出系统
第8章 输入输出系统
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第8章 输入输出系统
一、I/O接口的功能
I/O接口的功能如下：
实现数据缓冲 执行CPU的命令 返回外设的状态 设备选择。 实现数据格式的转换 实现信号的转换 中断管理功能
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操作系统-输入输出系统
➢ 特点：
➢ 数据传输的基本单位是数据块，在主机与 I/O设备之间每次至少传递一个数据块；
➢ 所传送的数据块是从设备直接送入内存；
➢ 在传送一个或多个数据块的开始和结束才需 CPU干预，传送过程是在控制器的控制下完 成
DMA方式
向I/O控制器 发布读块命令
CPU→DMA CPU做其它事
读DMA 控制 器的状态
➢ 与设备的无关性 ➢ 提高处理机和I/O设备的利用率 ➢ 对I/O设备进行控制 ➢ 确保对设备的正确共享 ➢ 错误处理
I/O系统的功能、模型和接口
➢ I/O系统的层次结构和模型
➢ I/O系统的层次结构
I/O系统的功能、模型和接口
➢ I/O系统的层次结构和模型
➢ I/O系统中各种模块之间的层次视图
I/O设备的控制方式
➢ I/O通道控制方式
➢ 与DMA方式的区别
➢ 通道控制方式与DMA方式相类似，也是一 种内存和设备直接进行数据交换的方式。与 DMA方式不同的是，在通道控制方式中， 数据传送方向、存放数据的内存始址及传送 的数据块长度均由一个专门负责输入/输出 的硬件——通道来控制。
➢ 另外，DMA方式每台设备至少需要一个 DMA控制器，而通道控制方式中，一个通 道可控制多台设备与内存进行数据交换
➢ PCI(Peripheral Component Interface)总 线
中断机构和中断处理程序
➢ 中断简介
➢ 中断和陷入： ➢ 中断：外部设备引起 ➢ 陷入：CPU内部事件引起
➢ 中断向量表和优先级 ➢ 对多中断源的处理方式
➢ 屏蔽（禁止）中断 ➢ 嵌套中断
中断机构和中断处理程序
➢ 中断处理程序
数据 状态 控制
I/O设备和设备控制器
➢ 数据传输的基本单位是数据块，在主机与 I/O设备之间每次至少传递一个数据块；
➢ 所传送的数据块是从设备直接送入内存；
➢ 在传送一个或多个数据块的开始和结束才需 CPU干预，传送过程是在控制器的控制下完 成
DMA方式
向I/O控制器 发布读块命令
CPU→DMA CPU做其它事
读DMA 控制 器的状态
➢ 与设备的无关性 ➢ 提高处理机和I/O设备的利用率 ➢ 对I/O设备进行控制 ➢ 确保对设备的正确共享 ➢ 错误处理
I/O系统的功能、模型和接口
➢ I/O系统的层次结构和模型
➢ I/O系统的层次结构
I/O系统的功能、模型和接口
➢ I/O系统的层次结构和模型
➢ I/O系统中各种模块之间的层次视图
I/O设备的控制方式
➢ I/O通道控制方式
➢ 与DMA方式的区别
➢ 通道控制方式与DMA方式相类似，也是一 种内存和设备直接进行数据交换的方式。与 DMA方式不同的是，在通道控制方式中， 数据传送方向、存放数据的内存始址及传送 的数据块长度均由一个专门负责输入/输出 的硬件——通道来控制。
➢ 另外，DMA方式每台设备至少需要一个 DMA控制器，而通道控制方式中，一个通 道可控制多台设备与内存进行数据交换
➢ PCI(Peripheral Component Interface)总 线
中断机构和中断处理程序
➢ 中断简介
➢ 中断和陷入： ➢ 中断：外部设备引起 ➢ 陷入：CPU内部事件引起
➢ 中断向量表和优先级 ➢ 对多中断源的处理方式
➢ 屏蔽（禁止）中断 ➢ 嵌套中断
中断机构和中断处理程序
➢ 中断处理程序
数据 状态 控制
I/O设备和设备控制器
第4章输入输出系统
4.2 中断系统
4.2.1 中断源的组织 4.2.2 中断系统的软硬件分配 4.2.3 中断源的识别方法 4.2.4 中断现场的保存和恢复 4.2.5 中断屏蔽
4.2.1 中断源的组织
中断系统需要硬件和软件共同来实现. 引起中断的各种事件称为中断源. 中断系统的复杂性实际上主要是由中断源的多样性引
起的. 中断源可以来自系统外部,也可以来自机器内部,甚至
处理机本身. 中断可以是硬件引起的,也可以是软件引起的. 把各种各样的中断源分类、分级组织好,是中断系统
的关键之一.
1.中断源的种类 <1>由外围设备引起的中断.低速外围设备每传送一个字节申
请一次中断；高速外围设备的前、后处理. <2>由处理机本身产生的中断.如算术溢出,除数为零,数据校
中断请求 主程序
2、 3 级 4级
中断服务程序 1级 2级 3级 4级
1级
时间 t 按照中断优先级响应中断请求的例子
4.2.2 中断系统的软硬件分配
有些功能必须用硬件实现,有的功能必须用软件实现, 而大部分功能既可以用硬件实现,也可以用软件实 现.
恰当分配中断系统的软硬件功能,是中断系统最关键 问题
4.1.2 输入输出系统的组织方式
1. 自治控制 输入输出系统是独立于CPU之外的自治系统 处理机与外围设备之间要有恰当的分工 2. 层次结构 最内层是输入输出处理机、输入输出通道等 中间层是标准接口. 标准接口通过设备控制器与输入输出设备连接 3. 分类组织 面向字符的设备,如字符终端、打字机等 面向数据块的设备,如磁盘、磁带、光盘等.
2.中断输入输出方式 定义：当出现来自系统外部,机器内部,甚至处理机本身的任何
例外的,或者虽然是事先安排的,但出现在现行程序的什么地 方是事先不知道的事件时,CPU暂停执行现行程序,转去处理 这些事件,等处理完成后再返回来继续执行原先的程序. 特点： <1>CPU与外围设备能够并行工作. <2>能够处理例外事件. <3>数据的输入和输出都要经过CPU. <4>用于连接低速外围设备.
输入输出系统(IO系统)
22
1
集中式串行链接控制
1）结构示意图(设有n个部件，编号U0…Un-1)。 请求线：单向； 向 忙线：单向； 响应线：单
23
2）获取总线过程 ①当部件请求时，请求信号送集中控制器 C。
② C收到请求后，从响应线上发出响应 电平。（总线空闲时，即未建忙电平） ③若 Uo 已提出请求时，由 Uo 建立忙电平， 同时响应电平停止前进，Uo接管总线。 ④若Uo未提出请求时，响应电平穿过Uo 而送到U1，余类推。
③通道指令功能简单，使用面窄，与 CPU 共 用一个主存，还不是独立的I/O处理机。
9
2）外围处理机方式（PPU）
用一个功能较弱的计算机管理 I/O ，彻 底解放CPU，硬件结构最复杂。 能称为I/O系统的必要条件：
①要有软件和硬件；
②软件要由硬件装置本身执行。因此只 有通道，外围处理机才能称I/O系统。
13
总线
CPU总线
CPU
存储器
高速I/O
一般I/O
14
3）三总线：在双总线的基础上增 加一组存贮器到高速I/O的总线， 要求存贮器是多体结构。
15
总线
CPU总线
高速I/O总线
CPU
存储器
高速I/O
一般I/O
16
2 按是否专用来分 1）专用总线：随部件数（n）的增 加，专用总线急剧增加： l=n*(n-1)/2 n=4时， l =6 ； n=5时 l =10
45
1 .单向源控式异步通信
1）通信示意图
源发数据 源发数据准备 （选通信号） 目接收数据
t1 t2 t3
通过n 条数据线 一条控制线 n条数据线
46
2)特点 ①结构简单，控制方便。 ②源不知目此时是否需要数据 ③源更不知目是否可靠受到数据。
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第六章
输入输出系统
6.2 存储设备
6.2.1 磁盘设备
目前常用的存储设备主要有磁盘、磁带、光盘等。 目前常用的存储设备主要有磁盘、磁带、光盘等 磁盘 1. 磁盘 (1) 磁盘的盘片、磁道和扇区 磁盘的盘片、磁道和 盘片
第六章
输入输出系统
盘片 扇区
扇间空隙
磁道
第六章
(2) 磁盘性能公式
输入输出系统
每MB磁盘价格($)
1.00E+05 1.00E+04 1.00E+03 1.00E+02 1.00E+01
半导体存储器 SRAM芯片 DRAM板 DRAM芯片 磁盘
访问时间差距
磁盘
1.00E+00 1.00E 1.00E 1.00E 1.00E 1.00E 1.00E 1.00E 1.00E 1.00E 1.00E +00 +01 +02 +03 +04 +05 +06 +07 +08 +09 访问时间(ns)
假设实际测得的寻道时间是公布值的33%，则答案是： 假设实际测得的寻道时间是公布值的33%，则答案是： 33% 3ms + 4.2ms + 0.1ms + 1ms = 8.3ms
希捷公司三种磁盘的特性参数
特性 磁盘直径(英寸 磁盘直径 英寸) 英寸 格式化后容量(MB) 格式化后容量 盘面数 MTBF(小时 小时) 小时 转速(rpm) 转速 内部传输速度(Mb/s) 内部传输速度 外部接口 外部传输率(MB/s) 外部传输率 最小寻道时间(磁道间 最小寻道时间 磁道间)(ms) 磁道间 平均寻道时间+旋转时间 平均寻道时间 旋转时间(ms) 旋转时间 电源/机箱 瓦 电源 机箱(瓦) 机箱 MB/瓦 瓦 体积(立方英寸 体积 立方英寸) 立方英寸 MB/立方英寸 立方英寸 Seagate ST423451 5.25 23,200 28 500,000 5400 86~124 快速SCSI-2(8-16位) 位 快速 20~40 0.9 11 26 892 322 72 Seagate ST19171 3.50 9,100 20 1,000,000 7200 80~124 快速SCSI-2(8-16位) 位 快速 20~40 0.6 9 13 700 37 246 Seagate ST92255 2.50 2,250 10 300,000 4500 可达60.8 可达 快速ATA 快速 可达16.6 可达 4 14 2.6 865 8 273
8 8
2 2
2 2
第六章
输入输出系统
① RAID0 数据分块，即把数据分布在多个盘上。 数据分块，即把数据分布在多个盘上。 非冗余阵列、 非冗余阵列、无冗余信息 严格地说,它不属于RAID系列。 严格地说,它不属于RAID系列。 RAID系列 ② RAID1 亦称镜像盘，使用双备份磁盘。 亦称镜像盘，使用双备份磁盘。 每当数据写入一个磁盘时， 每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写到 另一个冗余盘，形成信息的两份复制品。 另一个冗余盘，形成信息的两份复制品。 特点：昂贵、系统可靠性高、 特点：昂贵、系统可靠性高、效率低
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③ RAID2
输入输出系统
位交叉式海明编码阵列。 位交叉式海明编码阵列。 特点: 原理上比较优越，但冗余信息的开销太大。 特点: 原理上比较优越，但冗余信息的开销太大。 ④ RAID3 位交叉奇偶校验盘阵列，是单盘容错并行传 位交叉奇偶校验盘阵列， 输的阵列。 输的阵列。
◆
数据以位或字节交叉的方式存于各盘， 数据以位或字节交叉的方式存于各盘，冗余 位或字节交叉的方式存于各盘 的奇偶校验信息存储在一台专用盘上。 的奇偶校验信息存储在一台专用盘上。 将磁盘分组，读写要访问组中所有盘， 将磁盘分组，读写要访问组中所有盘，每组 中有一个盘作为校验盘。 中有一个盘作为校验盘。
第六章
⑤ 磁盘成本
◆
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磁盘的成本取决于许多因素
◆
电源及电缆 降低成本的两种方法
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磁头 磁盘片 磁盘的机械部分 控制电路
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增大单片或者单盘的容量 提高产量
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◆
磁表面记录密度：磁盘记录数据的密度，既每 磁表面记录密度：磁盘记录数据的密度， 平方英寸上的位数 。
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成本 性能 容量
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假设一台计算机的I/O处理占10 I/O处理占10％ 例6.1 假设一台计算机的I/O处理占10％，当其 CPU性能改进 性能改进， I/O性能保持不变时 性能保持不变时， CPU性能改进，而I/O性能保持不变时，系统总体性 能会出现什么变化？ 能会出现什么变化？
第六章
② 旋转时间
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所需扇区转到磁头之下所需要的时间。 所需扇区转到磁头之下所需要的时间。 ③ 传输时间 在磁头下传输一个数据块( 在磁头下传输一个数据块(通常是一个扇 区)所需花的时间。 所需花的时间。 它由以下几个因数决定： 它由以下几个因数决定：
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块的大小 旋转速度 磁道记录密度 连接磁盘电子器件的速度
• •
如果CPU的性能提高10倍 如果CPU的性能提高10倍 CPU的性能提高10 如果CPU的性能提高100倍 如果CPU的性能提高100倍 CPU的性能提高100
解：假设原来的程序执行时间为1个单位时间。 假设原来的程序执行时间为1 单位时间。 如果CPU的性能提高10 CPU的性能提高10倍 程序的计算（包含I/O I/O处 如果CPU的性能提高10倍，程序的计算（包含I/O处 时间为： 理）时间为： (1 - 10%)/10 + 10% = 0.19
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2. 半导体盘 半导体盘是按磁盘访问方式工作的DRAM阵列。 DRAM阵列 (1) 半导体盘是按磁盘访问方式工作的DRAM阵列。 (2) 半导体盘有两种 ◆ 固态盘(SSDs): 由DRAM阵列加上一个保持 固态盘(SSDs) (SSDs): DRAM阵列 阵列加上一个保持 系统存储数据的电池构成。 系统存储数据的电池构成。 ◆ 扩充存储器(ES): 一个只支持块传送的大容 扩充存储器(ES) (ES): 量存储器中的一个区域。 量存储器中的一个区域。 (3) 优点
磁表面记录密度(每平方英寸) 磁表面记录密度(每平方英寸) 表面道密度(每英寸) 道上位密度(每英寸) = 表面道密度(每英寸) × 道上位密度(每英寸)
◆
磁盘价格的变化
▲
在1983年到1995年之间每个PC机磁盘的价格 1983年到1995年之间每个PC机 年到1995年之间每个PC 的变化
第六章
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5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
磁盘价格（＄） （＄）
20MB 80MB 210MB 420MB 1050MB 4030MB
年
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▲
PC机磁盘每兆字节价格的变化 PC机 在1992年和1998年之间，PC机磁盘的每兆字 1992年和1998年之间，PC机 年和1998年之间 节价格降低速率大约是每年2 节价格降低速率大约是每年2倍。
第六章
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6.1 概述 6.2 存储设备 6.3 总线 6.4 通道处理机 6.5 I/O与操作系统
第六章
输入输出系统
6.1 概 述
1. 输入/输出系统简称I/O系统 输入/输出系统简称I/O系统 I/O 包括： 包括：
• •
I/O设备 I/O设备 I/O设备与处理机的连接 I/O设备与处理机的连接
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数据传输率：与传输时间相对应的重要I/O参数 数据传输率：与传输时间相对应的重要I/O参数 I/O 从盘面到缓冲存储器的内部传输率 内部传输率= 记录的位密度× 内部传输率= 记录的位密度×盘面旋转的线速度 从缓冲存储器到主机的外部传输率 ④ 控制器时间 控制器在执行I/O访问时的额外开销。 控制器在执行I/O访问时的额外开销。 I/O访问时的额外开销
◆
Hale Waihona Puke 第六章◆输入输出系统
校验盘一般采用奇偶校验法， 校验盘一般采用奇偶校验法，当一个磁盘出故障 奇偶校验法 时，通过奇偶校验磁盘中的校验和来恢复出错数据。 通过奇偶校验磁盘中的校验和来恢复出错数据。 简单理解为： 简单理解为：先将分布在各个数据盘上的一组数据 加起来，将和存放在冗余盘上。一旦某一个盘出错， 加起来，将和存放在冗余盘上。一旦某一个盘出错， 只要将冗余盘上的和减去所有正确盘上的数据， 只要将冗余盘上的和减去所有正确盘上的数据，得 到的差就是出错的盘上的数据。 到的差就是出错的盘上的数据。
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永久性 速度快 高传送速率 高可靠性
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(4) 最大缺点：成本太高，每兆的价格大约是磁 最大缺点：成本太高， 盘价格的50倍 盘价格的50倍。 50 盘阵列(RAID (RAID) 3. 盘阵列(RAID) 廉价磁盘冗余阵列，简称盘阵列技术。 廉价磁盘冗余阵列，简称盘阵列技术。 盘阵列技术 优点： 优点：
访问磁盘时间 = 寻道时间 + 旋转时间 传输时间+ + 传输时间+ 控制器开销 ① 寻道时间 寻道：磁盘控制器发出命令将磁头移动到包含有 寻道： 所需数据的磁道上的过程。 所需数据的磁道上的过程。 寻道时间：寻道所需要的时间。 寻道时间：寻道所需要的时间。
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最小寻道时间 最大寻道时间 平均寻道时间
每兆字节磁盘价格（＄） （＄）
1000 100 10 1 0.1 0.01 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 年 1998