计算机体系结构读书笔记

《高级计算机系统结构》

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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：

3）测量实际系统的性能

事务处理基准（TP）：主要与I/O速率有关：每秒访问磁盘的次数，与数据速率相反，以每秒数据字节数来度量。TP通常涉及对来自多个终端的大量共享信息的更改，TP系统保证在发生故障时的正确行为。

规范系统级文件服务器（SFS）基准：规范基准测试工作以其对处理器性能的描述而闻名，但它也扩展到其他领域。与TPC-B一样，SFS根据报告的吞吐量来扩展文件系统的大小：对于每秒100个NFS操作，容量必须增加1 GB。

自缩放l/O基准：第一步是一个自伸缩基准，它根据被测系统的性能特征自动动态地调整其工作负载的几个方面。这种标度比TPC-B和SFS中的标度更为普遍，因为这里的标度根据被测系统的特性而不仅仅是一个，改变了五个参数。基准首先根据系统的性能为五个参数中的每一个选择一个标称值。然后依次改变每个参数，而其他四个参数保持其固定的标称值。自伸缩基准测试增加了我们对系统的理解，并随着技术的进步而扩展工作负载以保持相关性。然而，它使比较两个系统的结果的任务复杂化。使用这个基准评估了第6.8节中的系统。

5.可靠性可用性和RAIO

虽然吞吐量和响应时间在处理器设计中有相似之处，但在存储中可靠性比在处理器中受到更多的关注。

可靠性：可靠性描述的是是否有任何损坏。

可用性：可用性描述的是对用户来说是否可以使用。

因此，添加硬件可以提高可用性（例如，内存上的ECC），但不能提高可靠性（DRAM仍然损坏）。只有通过改善环境条件、使用更可靠的组件进行构建或使用更少的组件进行构建，才能提高可靠性。

磁盘阵列：提高存储系统可用性和性能的一项创新是磁盘阵列。由于每兆字节的价格与磁盘大小无关，因此，通过拥有多个磁盘驱动器和多个磁盘臂，可以提高潜在的吞吐量。阵列的缺点是，随着设备的增多，可靠性下降：N个设备通

常具有l/N单个设备的可靠性。当每个磁盘都有相同的故障率时，虽然磁盘阵列永远不会比较小数量的较大磁盘更可靠，但是可以通过添加冗余磁盘来提高可用性。如果单个磁盘发生故障，则可以从冗余信息中重建丢失的信息。唯一的危险是在一个磁盘发生故障和被替换之间发生另一个磁盘故障（称为平均修复时间或MTTR）。由于磁盘的平均故障时间（MTTF）为5年或5年以上，并且MTTR是以小时为单位测量的，因此冗余可以使100个磁盘的可用性远远高于单个磁盘。这些系统已经被简称为RAID，代表廉价磁盘的冗余阵列。有几种冗余方法具有不同的开销和性能。

RAID1：每当数据写入一个磁盘时，该数据也会写入一个冗余磁盘，因此始终有两个信息副本。

RAID3：使用一个专门的磁盘存放所有的校验数据，而在剩余的磁盘中创建带区集分散数据的读写操作

RAID5：可以计算出任何一个带有区校验块的存放位置，这样就可以确定任何对校验块进行的读写操作都会在所有的TRAID5磁盘中进行均衡，从而消除了产生瓶颈的可能。

6.跨邻域问题：与操作系统的接口

1）缓存导致操作系统出现陈旧数据问题

缓存意味着可能有两个数据副本，一个用于缓存和主内存，而虚拟内存可以产生三个用于缓存、内存和磁盘的副本。操作系统或硬件必须确保CPU读取最近输入的数据，并且I/O在存在缓存和虚拟内存的情况下输出正确的数据。是否出现陈旧数据问题在一定程度上取决于I/O连接到计算机的位置。陈旧数据问题有两部分：I/O系统在输出时看到陈旧的数据，因为内存不是最新的；在I/O系统更新内存后，CPU在输入时看到缓存中的陈旧数据。

第一个难题是，如果存在高速缓存且I/O连接到内存，如何输出正确的数据。直写缓存通过确保内存与缓存具有相同的数据来解决这个问题。写回缓存要求操作系统刷新输出地址，以确保它们不在缓存中。这种刷新需要时间，即使数据不在缓存中，因为地址检查是连续的。或者，硬件可以在输出期间检查缓存标记，

以查看它们是否在写回缓存中，并且仅当输出尝试读取缓存中的数据时才与缓存交互。第二个问题是确保缓存在输入后不会有过时的数据。操作系统可以保证输入数据区域不可能在缓存中。如果不能保证这一点，操作系统将刷新输入地址，以确保它们不在缓存中。同样，无论输入地址是否在缓存中，这都需要时间。和以前一样，可以添加额外的硬件来检查输入期间的标记，如果有冲突，则使数据无效。

2）DMA和虚拟内存

DMA是Direct Memory Access,直接存储器访问。DMA的出现就是为了解决批量数据的输入/输出问题。DMA是指外部设备不通过CPU而直接与系统内存交换数据的接口技术。这样数据的传送速度就取决于存储器和外设的工作速度。

虚拟内存是弥补内存不足的问题，虚拟DMA允许DMA使用在DMA期间映射到物理地址的虚拟地址。因此，虚拟内存中的缓冲区必须是连续的，但页面可以分散在物理内存中。如果使用虚拟DMA移动进程，操作系统可以更新DMA 的地址表，或者操作系统可以锁定内存中的页面，直到DMA完成。

7.设计I/O系统

I/O的艺术在于找到一种既能满足成本和设备种类目标，又能避免I/O性能瓶颈的设计。这意味着组件必须在主内存和I/O设备之间保持平衡，因为性能和有效的成本/性能只能与I/O链中最薄弱的环节一样好。思路如下：

1.列出要连接到机器的不同类型的I/O设备，或列出机器将支持的标准总

线。

2.列出每个I/O设备的物理要求。这包括卷、电源、连接器、总线插槽、扩

展柜等。

3.列出每个I/O设备的成本，包括该设备所需的任何控制器的成本部分。

4.记录每个I/O设备的CPU资源需求。这应该包括

·用于启动I/O、支持I/O设备操作（如处理中断）和完成I/O的指令的时钟周期

·n由于等待I/O使用内存、总线或缓存完成而导致CPU时钟暂停

·n从I/O活动（如缓存刷新）恢复的CPU时钟周期

5.列出每个I/O设备的内存和I/O总线资源需求。即使CPU不使用内存，

主存和I/O总线的带宽也是有限的。

6.最后一步是评估组织这些I/O设备的不同方法的性能。虽然可以用排队

论来估计性能，但只能用仿真来正确地评估性能。

然后根据性能和成本选择最优方案。

成本/性能目标影响I/O方案的选择和物理设计。根据应用程序的需要，性能可以测量为每秒兆字节或每秒I/O。对于高性能，唯一的限制应该是I/O设备的速度、I/O设备的数量以及内存和CPU的速度。为了降低成本，唯一的开销应该是I/O设备本身的开销和连接到CPU的开销。当然，成本/性能设计力求两全其美。

另外本节还介绍了几个例子。

8.放在一起：UNIX文件系统

本节比较了1995年使用的几种操作系统和硬件系统的文件系统性能。这个评估证明：I/O性能受到磁盘和操作系统之间的最薄弱环节的限制。硬件决定了潜在的I/O性能，但操作系统决定了潜在的I/O性能有多大。特别是，对于UNIX 系统，文件缓存对I/O性能至关重要。主要的观察结果是UNIX在大型机和小型超级计算机上的文件缓存性能并不优于工作站，而文件缓存策略是最重要的。优化的内存系统可以提高读取性能，但是写操作系统策略可能导致文件缓存性能的数量级差异。

表8-1 1995年使用的几种操作系统和硬件系统的文件系统性能

磁盘子系统性能

许多工作站I/O子系统可以维持高速单个磁盘的性能，RAID磁盘阵列可以提供更高的性能，并且在虚拟机下运行AIX/ESA的3090 6005型计算机上，单个主机磁盘的性能不比许多工作站快。

基本文件缓存性能

对于UNIX系统，I/O性能中最重要的因素不是磁盘的速度或使用效率。操作系统设计人员对性能的关注导致他们进行类似缓存的优化，使用主内存作为磁盘流量的缓存，以提高I/O性能。因为主存比磁盘快得多。文件缓存可以显著提高性能，在每个UNIX操作系统中都可以找到。从文件缓存读取数据的机器比从磁盘读取数据快3到25倍，文件缓存的性能由处理器、缓存、CPU内存总线、主内存和操作系统决定。

硬件决定了潜在的I/O性能，但操作系统决定了潜在性能。

结论：文件缓存策略决定了大多数I/O事件的性能，因此是提高I/O性能

的起点；工作站中的文件缓存性能正在迅速提高；UNIX在大型机和小型超级

计算机上的文件缓存性能并不比在工作站上好；工作站可以利用高性能磁盘；RAID系统可以提供更高的磁盘性能，但无法克服文件缓存策略中的弱点

9.谬论和陷阱

谬论：计算机系统中磁盘的平均寻道时间是寻道气缸数的三分之一。

这种谬误来自于混淆制造商销售磁盘的方式与预期性能，以及错误的假设，即寻道时间在距离上是线性的。经验法则的三分之一距离来自于计算搜索从一个随机位置到另一个随机位置的距离，不包括当前圆柱体，并且假设存在大量圆柱体。

陷阱：将功能从CPU转移到I/O处理器以提高性能。

虽然l/O处理器可以提高性能，但有很多这样的陷阱。计算机家族固有的一个问题是，I/O特性的迁移通常会以程序员可见的方式改变指令集体系结构或系统体系结构，导致所有未来的计算机都必须接受过去有意义的决定。如果CPU 的成本/性能比I/O处理器提高得更快（很可能是这种情况），那么移动该功能可能会导致下一个CPU中的机器变慢。随着CPU的速度越来越快，搜索的CPU 时间变得微不足道。虽然这种策略使早期的机器更快，但是在I/O处理器中使用搜索键操作的程序在今天的机器上运行速度几乎慢了6倍！

总结

通过本章的学习，首先对I/O的重要性有了更深一步的了解，I/O对系统性能和有效性的限制，明白了I/O是计算机体系结构中的一个至关重要的组成部分，扩展了关于I/O基本知识和技术的储备。