第六章输入输出系统 6.1假设一台计算机的I/0处理占10%,当其CPU性能改进到原来的100倍时,而I/0 性能仅改进为原来的两倍时,系统总体性能会有什么改进? 解:加速比 7.14 10%/2+90%/10 本题再次反映了 Amdahl定律,要改进一个系统的性能要对各方面性能都进行改 进,不然系统中最慢的地方就成为新系统的瓶颈 6.2假设磁盘空闲,这样没有排队延迟:公布的平均寻道时间是9ms,传输速度是4MB/s, 转速是5400r/min,控制器的开销是1ms。问读或写一个512字节的扇区的平均时间 是多少? 解 平均磁盘访问时间 平均寻道时间+平均旋转延迟+传输时间+控制器开销 9ms+-05+305KB 540orm40MBs+1ms=9+56+0.125+1=15725 假设实际测得的寻道时间是公布值的33%,则答案是 3ms+4.2ms+0.1ms+1ms=8.3ms 6.3按表6.2中的数据,问用哪种磁盘最适合于建立1006的镜像盘阵列(RAID1)存 储子系统?又问哪种磁盘最适合于建立100G6B的镜像盘阵列(RAID5)存储子系统? 6.4盘阵列有哪些分级?各有什么特点? RAI亦称数据分块,即把数据分布在多个盘上,实际上是非冗余阵列,无冗余信息。 RAIDⅠ亦称镜像盘,使用双备份磁盘。每当数据写入一个磁盘时,将该数据也写到另 个冗余盘,这样形成信息的两份复制品。如果一个磁盘失效,系统可以到镜 像盘中获得所需要的信息。镜像是最昂贵的解决方法。特点是系统可靠性很高, 但效率很低 RAID2位交叉式海明编码阵列。原理上比较优越,但冗余信息的开销太大,因此未被 广泛应用 RAID3位交叉奇偶校验盘阵列,是单盘容错并行传输的阵列。即数据以位或字节交叉 的方式存于各盘,冗余的奇偶校验信息存储在一台专用盘上。 RAID4专用奇偶校验独立存取盘阵列。即数据以块(块大小可变)交叉的方式存于各盘 冗余的奇偶校验信息存在一台专用盘上。 体系结构6-0
体系结构 6-0 第六章 输入输出系统 6.1 假设一台计算机的 I/O 处理占 10％，当其 CPU 性能改进到原来的 100 倍时，而 I/O 性能仅改进为原来的两倍时，系统总体性能会有什么改进？ 解： 加速比＝ 7.14 10% / 2 90% /10 1 = + 本题再次反映了 Amdahl 定律，要改进一个系统的性能要对各方面性能都进行改 进，不然系统中最慢的地方就成为新系统的瓶颈。 6.2 假设磁盘空闲，这样没有排队延迟；公布的平均寻道时间是 9ms，传输速度是 4MB/s， 转速是 5400r/min，控制器的开销是 1ms。问读或写一个 512 字节的扇区的平均时间 是多少？ 解： 平均磁盘访问时间 = 平均寻道时间 + 平均旋转延迟 + 传输时间 + 控制器开销 15.725m s 1ms 9 5.6 0.125 1 4.0MB/s 0.5KB 5400r/min 0.5 9ms + + + = + + + = 假设实际测得的寻道时间是公布值的 33%，则答案是： 3ms + 4.2ms + 0.1ms + 1ms = 8.3ms 6.3 按表 6.2 中的数据，问用哪种磁盘最适合于建立 100GB 的镜像盘阵列（RAID1）存 储子系统？又问哪种磁盘最适合于建立 100GB 的镜像盘阵列（RAID5）存储子系统？ 6.4 盘阵列有哪些分级？各有什么特点？ RAID0 亦称数据分块，即把数据分布在多个盘上，实际上是非冗余阵列，无冗余信息。 RAID1 亦称镜像盘，使用双备份磁盘。每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写到另 一个冗余盘，这样形成信息的两份复制品。如果一个磁盘失效，系统可以到镜 像盘中获得所需要的信息。镜像是最昂贵的解决方法。特点是系统可靠性很高， 但效率很低。 RAID2 位交叉式海明编码阵列。原理上比较优越，但冗余信息的开销太大，因此未被 广泛应用。 RAID3 位交叉奇偶校验盘阵列，是单盘容错并行传输的阵列。即数据以位或字节交叉 的方式存于各盘，冗余的奇偶校验信息存储在一台专用盘上。 RAID4 专用奇偶校验独立存取盘阵列。即数据以块(块大小可变)交叉的方式存于各盘， 冗余的奇偶校验信息存在一台专用盘上
RAID5块交叉分布式奇偶校验盘阵列,是旋转奇偶校验独立存取的阵列。即数据以块 交叉的方式存于各盘,但无专用的校验盘,而是把冗余的奇偶校验信息均匀地 分布在所有磁盘上 RAID6双维奇偶校验独立存取盘阵列。即数据以块(块大小可变)交叉的方式存于各盘 冗余的检、纠错信息均匀地分布在所有磁盘上。并且,每次写入数据都要访问 个数据盘和两个校验盘,可容忍双盘出错。 RAID7是采用 Cache和异步技术的RAID6,使响应速度和传输速率有了较大提高 6.5磁带作为海量档案存储设备,平均每个磁带的读者很少。假设一个系统中,磁带读 取速率为9MB/s,更换一个磁带需要30s,请计算10个读者全部读完6000个磁带, 需要多长时间 6.6同步总线和异步总线各有什么优缺点?总线的主要参数有哪些?各是什么含义? 同步总线上所有设备通过统一的总线时钟进行同步。同步总线成本低,因为它 不需要设备之间相互确定时序的逻辑。但是同步总线也有缺点,总线操作必须以相 同的速度运行。由于各种设备都要精确地以公共时钟为定时参考,因此在时钟频率 很高时容易产生时钟相对漂移错误 异步总线上的设备之间没有统一的时钟,设备自己内部定时。设备之间的信息 传送用总线发送器和接收器控制。异步总线容易适应更广泛的设备类型,扩充总线 时不用担心时钟时序和时钟同步问题。但在传输时,异步总线需要额外的同步开销 总线常用的参数有3个: (1)Tp:总线信号传输延迟。即在总线上的每个设备都取到和识别一个信号需要的 最大时间 (2) 响应其它设备的最大时间,这个参数在同步总线中是一个重要的参数。 (3) 设备的操作时间 6.7 6.9在有 Cache的计算机系统中,进行1/0操作时,会产生哪些数据不一致问题?如何 克服? (1)存储器中可能不是CPU产生的最新数据,所以I/0系统从存储器中取出来的 是陈旧数据。 (2)I/0系统与存储器交换数据之后,在 Cache中,被CPU使用的可能就会是陈旧 数据 第一个问题可以用写直达 Cache解决 第二个问题操作系统可以保证I/0操作的数据不在 cache中。如果不能,就 作废 Cache中相应的数据 体系结构6-1
体系结构 6-1 RAID5 块交叉分布式奇偶校验盘阵列，是旋转奇偶校验独立存取的阵列。即数据以块 交叉的方式存于各盘，但无专用的校验盘，而是把冗余的奇偶校验信息均匀地 分布在所有磁盘上。 RAID6 双维奇偶校验独立存取盘阵列。即数据以块(块大小可变)交叉的方式存于各盘， 冗余的检、纠错信息均匀地分布在所有磁盘上。并且，每次写入数据都要访问 一个数据盘和两个校验盘，可容忍双盘出错。 RAID7 是采用 Cache 和异步技术的 RAID6，使响应速度和传输速率有了较大提高。 6.5 磁带作为海量档案存储设备，平均每个磁带的读者很少。假设一个系统中，磁带读 取速率为 9MB/s，更换一个磁带需要 30s，请计算 10 个读者全部读完 6000 个磁带， 需要多长时间？ 6.6 同步总线和异步总线各有什么优缺点？总线的主要参数有哪些？各是什么含义？ 同步总线上所有设备通过统一的总线时钟进行同步。同步总线成本低，因为它 不需要设备之间相互确定时序的逻辑。但是同步总线也有缺点，总线操作必须以相 同的速度运行。由于各种设备都要精确地以公共时钟为定时参考，因此在时钟频率 很高时容易产生时钟相对漂移错误。 异步总线上的设备之间没有统一的时钟，设备自己内部定时。设备之间的信息 传送用总线发送器和接收器控制。异步总线容易适应更广泛的设备类型，扩充总线 时不用担心时钟时序和时钟同步问题。但在传输时，异步总线需要额外的同步开销。 总线常用的参数有 3 个： （1）Tp：总线信号传输延迟。即在总线上的每个设备都取到和识别一个信号需要的 最大时间。 （2）Tsk：响应其它设备的最大时间，这个参数在同步总线中是一个重要的参数。 （3）Top：设备的操作时间。 6.7 6.9 在有 Cache 的计算机系统中，进行 I/O 操作时，会产生哪些数据不一致问题？如何 克服？ （1）存储器中可能不是 CPU 产生的最新数据 ，所以 I/O 系统从存储器中取出来的 是陈旧数据。 （2）I/O 系统与存储器交换数据之后，在 Cache 中，被 CPU 使用的可能就会是陈旧 数据。 第一个问题可以用写直达 Cache 解决。 第二个问题操作系统可以保证 I/O 操作的数据不在 cache 中。如果不能，就 作废 Cache 中相应的数据
6.10假设在一个计算机系统中 (1)每页为32KB, Cache块大小为128字节: (2)对应新页的地址不在 Cache中,CPU不访问新页中的数据 (3) Cache中95%的被替换块将再次被读取,并引起一次失效 (4) Cache使用写回方法,平均60%的块修改过 (5)I/0系统缓冲能够存储一个 Cache完整的块(这称为速度匹配缓冲区,使存储器 和I/0的速度得到匹配) (6)访问或失效在所有的 Cache中均匀分布 (7)在CPU和I/0之间,没有其它访问 Cache的干扰 (8)无I/0时,每100万个时钟周期中,有18000次失效 (9)失效开销是40个时钟周期。如果替换块被修改过,则再加上30个周期用于写 回主存 (10)假设机器平均每200万周期处理1页。 分析I/0对于性能的影响有多大? 解:每个主存页有32K/128=256块。 因为是按块传输,所以I/0传输本身并不引起 Cache失效。但是它可能要替换 ache中的有效块。如果这些被替换块中有60%是被修改过的,将需要(256×60%) ×30=4608个时钟周期将这些被修改过的块写回主存 这些被替换出去的块中,有95%的后继需要访问,从而产生95%×256=244次 失效,将再次发生替换。由于这次被替换的244块中数据是从I/0直接写入 Cache 的,因此所有块都为被修改块,需要写回主存(因为CPU不会直接访问从I/0来的 新页中的数据,所以它们不会立即从主存中调入 Cache),需要时间是244×(40+ 30)=17080个时钟周期 没有1/0时,每一页平均使用200万个时钟周期, Cache失效36000次,其中 60%被修改过,所需的处理时间为 (36000×40%)×40+(36000×60%)×(40+30)=2088000(时钟周期) 时钟I/0造成的额外性能损失比例为 (4608+17080)÷(2000000+2088000)=0.53% 即大约产生0.53%的性能损失 体系结构6-2
体系结构 6-2 6.10 假设在一个计算机系统中： (1) 每页为 32KB，Cache 块大小为 128 字节； (2) 对应新页的地址不在 Cache 中，CPU 不访问新页中的数据； (3) Cache 中 95％的被替换块将再次被读取，并引起一次失效； (4) Cache 使用写回方法，平均 60％的块修改过； (5) I/O 系统缓冲能够存储一个 Cache 完整的块（这称为速度匹配缓冲区，使存储器 和 I/O 的速度得到匹配）； (6) 访问或失效在所有的 Cache 中均匀分布； (7) 在 CPU 和 I/O 之间，没有其它访问 Cache 的干扰； (8) 无 I/O 时，每 100 万个时钟周期中，有 18000 次失效； (9) 失效开销是 40 个时钟周期。如果替换块被修改过，则再加上 30 个周期用于写 回主存； (10)假设机器平均每 200 万周期处理 1 页。 分析 I/O 对于性能的影响有多大？ 解：每个主存页有 32K/128＝256 块。 因为是按块传输，所以 I/O 传输本身并不引起 Cache 失效。但是它可能要替换 Cache 中的有效块。如果这些被替换块中有 60％是被修改过的，将需要（256×60％） ×30＝4608 个时钟周期将这些被修改过的块写回主存。 这些被替换出去的块中，有 95％的后继需要访问，从而产生 95％×256＝244 次 失效，将再次发生替换。由于这次被替换的 244 块中数据是从 I/O 直接写入 Cache 的，因此所有块都为被修改块，需要写回主存（因为 CPU 不会直接访问从 I/O 来的 新页中的数据，所以它们不会立即从主存中调入 Cache），需要时间是 244×（40＋ 30）＝17080 个时钟周期。 没有 I/O 时，每一页平均使用 200 万个时钟周期，Cache 失效 36000 次，其中 60％被修改过，所需的处理时间为： （36000×40％）×40＋（36000×60％）×（40＋30）＝2088000（时钟周期） 时钟 I/O 造成的额外性能损失比例为 （4608＋17080）÷（2000000＋2088000）＝0.53％ 即大约产生 0.53％的性能损失
