计算机体系结构读书笔记

《高级计算机系统结构》

读书笔记

所在学院：

姓名：

学号：

2019年12月20日

写在前面的：这里是第六章的读书笔记

Storage Systems存储系统

1.介绍

1）为什么I/O是计算机体系结构中的一部分？

I/O很容易以被专注于CPU的人忽略，然而输入/输出是计算机体系结构中一个很重要的部分。

CPU时间：是指一段程序在CPU上面运行消耗的时间，也是内核时间；

响应时间：用户输入命令和结果输出之间的时间。

CPU的设计设关注于CPU时间，而用户真正在意的是响应时间，响应时间用来衡量计算机的性能似乎更为合理。而事实上，一味盲目地提高CPU的速度而忽略I/O速度，会阻碍CPU性能的释放，比如：CPU提速10倍，而I/O速度不变，根据Amdahl定律，计算机将只能提速5倍，剩下的5倍是浪费掉了。由于受到I/O速度的限制，用户不必去买更快的CPU。而大部分计算机都是单用户单处理器，因此I/O的速率会对计算机的速度产生很大的影响。

2.存储器设备的类型

2.1磁盘

1）磁盘在计算机中的作用

·长期非易事文件存储

·虚拟内存

2）磁盘的结构

磁盘是由许多个盘片组成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。每一个盘片都有两个盘面，即上、下两个盘面，都可以用来存储数据。每一个有效盘面都有一个盘面号。在硬磁盘系统中，盘面号又叫磁头号，因为每一个有效盘面都有一个对应的读写磁头。下图显示的是一个盘面，盘面中一圈圈灰色同心圆为一条条磁道，从圆心向外画直线，可以将磁道划分为若干个弧段，每个磁道上一个弧段被称之为一个扇区（图示绿色部分）。扇区是磁盘的最小组成单元，通常是512字节。（由于不断提高磁盘的大小，部分厂商设定每个扇区的大小是4096字节）。

所以读取磁盘必须要获取这块待读扇区对应的柱面号(cylinder)、磁头号(head)、扇区号(sector)。

3）重要指标

寻道时间：把磁头从当前位置移动到指定的磁道所需要的时间。

通常表示为：T=m*n+s

平均旋转时间：欲访问扇区旋转到磁头下面所需要的时间，通常可以认为是半周旋转时间。多数磁盘转速为3600RPM，所以平均旋转时间为：0.5

3600RPM

传输时间：把数据从磁盘读出或向磁盘写入所需要的时间

4）磁盘访问时间

磁盘访问时间=寻道时间+旋转时间+传输时间

5）磁盘的未来

磁盘业一直致力于提高磁盘的容量，容量的提高通常用存储密度表示，单位是每平方英寸的比特数：

存储密度=（结点数据本身所占的存储量）/（结点结构所占的存储总量）存储密度每三年翻一翻，存储密度的上升，对应成本的下降，因此，硬盘的价格越来越低，体积变小。

磁盘比DRAM便宜的多，但DRAM的速度比磁盘快得多

2.2用DRAMs作为磁盘

1）SSD和ES

a．SSD有DRAM和电池组成，使系统不易失，ES是一种只允许块传输到主存储器或从主存储器传输数据的大存储器。

b. SSD的作用类似于软件控制的缓存（在块传输期间，CPU暂停），而ssd涉及操作系统，就像从磁盘传输一样。

c. 与主存储器和ES不同，ssd可以由多个cpu共享，因为它们作为单独的单元工作。

优点：ssd和ES具有非易失性、寻道时间短、电位转移率高、可靠性高等优点。缺点：ssd和ES的缺点是成本，每兆字节成本至少是磁盘成本的50倍。

2.3光盘

CDROM是可移动的，制造成本低廉，但它是一种只读介质。

2.4磁带和自动磁带库

磁带成为磁盘备份的首选技术

3.连接I/O设备和CPU/内存的总线

1）总线的定义及优缺点

定义：总线是各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，计算机有运算器，控制器，存储器，输入输出设备这五大组件，所以总线就是用来连接这些组件的导线。

优点：共享通信链路，低成本（一组总线以多种方式共享），多功能。

缺点：总线的主要缺点是它造成了通信瓶颈，可能限制了最大I/O吞吐量

2）总线的设计规则

3）总线标准

大多数计算机系统上的I/O设备的数量和种类都不是固定的，这使得客户可以根据自己的需要定制计算机。使计算机设计人员和I/O设备设计人员能够独立工作的标准在确定总线的选择方面起着很大的作用。实际上，I/O总线标准是定义如何连接它们。

表3-2 五种I/O总线的特征总结(前两个从CPU内存总线开始，演变为I/O总线)

表3-3 CPU-内存总线

4）存储设备与CPU的连接

两种选择，要么连接到内存，要么连接到缓存。

①将I/O总线连接到内存总线的情况

一个典型的做法I/O总线是内存总线，这意味着总线上的I/O命令可能会干扰CPU指令获取。

CPU如何处理它需要发送或接收数据的I/O设备？

最常见的做法称为内存映射I/O。在这种方案中，地址空间的一部分被分配给I/O设备。对这些地址的读取和写入可能会导致数据传输；I/O空间的一部分也可能预留给设备控制，因此对设备的命令只是访问那些已存储的地址。另一种做法是在CPU中使用专用的I/O操作码。在这种情况下，CPU发送一个信号，表明这个地址是用于I/O设备的。带有I/O指令的计算机的例子是Intel 80x86和IBM 370计算机。I/O操作码越来越受欢迎。无论选择哪种寻址方式，每个I/O 设备都有寄存器来提供状态和控制信息。通过加载并存储在内存映射的I/O或通

过特殊指令，CPU设置标志以确定I/O设备将执行的操作。

②将I/O总线直接连接到缓存

优点：由于中断驱动的I/O使CPU不再等待每一个I/O事件，但仍有许多CPU周期用于传输数据。由于I/O事件经常涉及块传输，直接内存访问（DMA）硬件被应用到到许多计算机系统中，以允许在不受CPU干预的情况下传输字数。DMA是一种专门的处理器，它在CPU执行其他任务的同时，在存储器和I/O设备之间传输数据。DMA是CPU外部的，充当总线上的主控。CPU首先设置DMA寄存器，其中包含内存地址和要传输的字节数。一旦DMA传输完成，控制器就会中断CPU。提高DMA设备的智能性可以进一步减轻CPU的负担。称为I/O处理器（或I/O控制器或通道控制器）的设备可以从固定程序或操作系统下载的程序运行。操作系统通常建立一个I/O控制块队列，其中包含数据位置（源和目标）和数据大小等信息。然后，I/O处理器从队列中获取项目，执行请求的所有操作，并在I/O控制块中指定的任务完成时发送单个中断。虽然LPI 1行打印机会导致4800个中断打印60行80字符的页面，但I/O处理器可以节省4799个中断。I/O处理器类似于多处理器，因为它们有助于在计算机系统中同时执行多个进程。

缺点：I/O处理器的通用性不如cpu，因为它们有专门的任务，因此并行性也受到很大的限制。此外，I/O处理器通常不会像CPU那样更改信息，而只是将信息从一个地方移动到另一个地方。

4.I/O性能指标

1）传统性能指标

响应时间：也称为延迟，即I/O的响应时间，是操作系统从内核发出一个I/O请求到接收到I/O响应的时间，因此，I/O reponse time除了包括磁盘获取数据的时间，还包括了操作系统以及存储系统内部I/O等待的时间；

I/O吞吐量：也称为I/O带宽，服务器在一段时间内完成任务书的平均值。这个指标衡量标识了最大数据传输量;这个值在顺序访问或者大数据量访问的情况下会比较重要。尤其是在大数据读写的时候，吞吐量一般受限于一些比较固定的因素，如网络带宽、I/O传输接口的带宽、硬盘接口带宽等，一般它的值就等于上面几个地方中某一个的瓶颈；

这样为了获得尽可能高的吞吐量，服务器不应该空闲，因此缓冲区不应该为空。另一方面，响应时间计算在缓冲区中花费的时间，因此缓冲区为空会使响应时间最小化

I/O对CPU执行的干扰：传输数据可能会干扰另一个进程的执行。处理I/O 中断也会产生开销。我们关心的是，由于另一个进程的I/O，一个进程需要多多少个时钟周期；

2）排队理论预测存储子系统性能：