体系结构24_输入输出系统（1）

存储设备

磁盘

磁盘始终占据着后备存储器的主宰地位。原因有二：

一是磁盘一直是虚拟存储器技术的物质基础，执行程序时，磁盘用作为交换缓冲区

二是关机时，磁盘作为操作系统和所有应用程序的非易失性的驻留介质

磁盘系统的转速一般在每分钟3600转到15000转之间，即3600rpm ~ 15000rpm

磁道（每个盘片有5000 ~ 30000条磁道）

扇区（每条磁道分为100 ~ 500个扇区）。所有磁道具有相同数目的扇区。

若要读写扇区，磁盘控制器发出命令首先将磁头移动到包含有所需数据的磁道上，这个过程称为“寻道”，所需要的时间叫做“寻道时间”。

最小寻道时间、最大寻道时间和平均寻道时间。常见的平均寻道时间的公布值约为6ms到20ms，实际应用当中的平均寻道时间约为公布值的25%到33%

所需扇区转到磁头之下所需要的时间称为旋转时间。大部分磁盘的转速在3600rpm到10000rpm，平均延迟是磁盘转半圈的时间，所以对大部分磁盘的平均旋转时间Tar为：

传输时间是指在磁头下传输一个数据块（通常是一个扇区）所需花的时间。它由块的大小、旋转速度、磁道记录密度和连接磁盘电子器件的速度确定。

数据传输率有两个：一是从盘面到磁盘内部缓冲存储器的内部传输率；一是从缓冲存储器到主机的外部传输率

内部传输率等于记录的位密度乘以盘面旋转的线速度。外部传输率则与接口有关

控制磁盘及磁盘与主存之间数据传输，需要一系列的控制器和通道来完成。

控制器时间是控制器在执行I/O访问时的额外开销

磁盘访问时间 = 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间 + 控制器时间

磁盘记录数据的密度一般用“磁表面记录密度”来表示，也就是每平方英寸上的位数：

1988年前，每年增长约29%，即3年翻一番；

~1996年后，每年增长60%，即3年翻四番；

~2001年，每年增长100%，2001年实验室中可达每平方英寸600亿位。

Flash存储器与固态硬盘SSD

Flash存储器

固态盘（SSDs）

SSD的优点是：永久性；速度快；高传送率和高可靠性

SSD的最大缺点是：有限擦写次数；成本太高，没MB的价格大约是磁盘价格的５０倍

磁带

磁盘和磁带性能价格比的差异主要取决于它们的机械构成：

　　磁盘盘片具有有限的存储面积，并且存储介质被封装在每个读部件内，提供ｍｓ级的随机访问。

　　磁带绕在可转动轴上，一个读部件可以使用多盘磁带（没有长度限制），但磁带需要顺序访问，每次访问都可能需要较长的反绕、退出和加载时间，等待时间较长（数秒）。

　　对磁带而言，最大的优点是容量极大、技术成熟、单位价格低廉。最大的缺点是访问时间较长。这种差异恰好使得磁带成为磁盘的备份技术。

　　宽０.３８ｃｍ　～　１．２７ｃｍ；长１８３ｍ　～　７３１．５ｍ；（１１０Ｇ以上）

光盘

只读类光盘的全称为光学紧密盘（Optical　Compact　Disk），简称CD－ROM

特点是：

　容量大（６４０M字节）、存储寿命长；

　成本低、读出设备价格便宜；

　便于保管、便于携带等。

最大问题是不能够写入。因此CD－ROM适于作为软件和资料的载体，基本已经替代了几年前广泛使用的软盘。

可写类光盘包括两类：

　　一次性写：称为可记录光盘CD－R（CD－Recordable），又称为WORM盘，出厂时是空白的，用户通过写入设备，将数据写入CD－R中。特性与CD－ROM相当，可以通过普通的CD－ROM读设备读出，因此特别适合于作为数据备案的存储介质

　　多次写：称为WMRM（Write　Many　Read　Many）盘，主要采用磁光（MO）存储技术

　MO光盘的容量更大（有６００MB、１.２GB、２.４GB等规格）、保存和使用都很方便、便于携带，最大的问题是目前盘片和读写设备的价格昂贵，且各厂家的标准不统一，因此不够普及。这种WMRM盘作为大型软件编制、多媒体软件产品研制过程中的备案介质是非常合适的。

光盘机的组合

多台光盘机组合在一起有三种结构：

　　光盘库（也叫自动换盘机，即Jukebox）

　　光盘塔（CD－ROM　Tower）

　　光盘阵列（CD－ROM　Array）

光盘塔实际上是多个CD－ROM放在一起，再加上相应的控制器和网络连接设备，构成一个网络存储设备。

许多光盘机通过标准接口（如SCSI）电缆连接起来，一根很典型的SCSI接口电缆可以连接７台光盘机，用软件控制读写其中某一台。

优点：

　　安装简便；易于管理；使用便利

　　资源共享，远程访问

　　寿命长；结构简单；造价也低

　　读取光盘速度快

缺点：

　　容量较小；光盘塔中光盘机数量受到SCSI设备地址数的限制

光盘库是一种能自动把机框存放的许多片光盘选出并装入光盘机进行读写的设备

　　费用低；可兼容性及低风险；随机存取；存储寿命长、保管容易、占用空间少；具有多媒体功能。

光盘阵列

　从阵列技术的基本原理来说，光盘阵列与磁盘阵列有一定的相似性。但光盘具有盘片可换、每道（柱面）只有一个读写头、寻道时间较长等特点，因此光盘阵列技术又有其特殊性。

I/O系统性能分析与评价

衡量I/O系统性能的标准

　I/O系统的容量

　响应时间

　吞吐率

响应时间和吞吐率之间存在矛盾

　生产服务模型（响应时间和吞吐率之间的计算可以通过这个模型进行）

基于上面的模型我们有下面：

Little定律

I/O系统的响应时间和吞吐率的计算

　　排队论

　　黑箱（Black　Box）

Little定律

　　系统中的平均任务数　＝　到达率　＊　平均响应时间

M／M／１排队系统

Ｉ／Ｏ基准测试程序

　使用I/O基准测试程序来反映响应时间和吞吐率之间的平衡关系

　TPC

　　　事务处理委员会

　　　发布９个事务处理基准测试程序

　　　高端商业应用中，通常采用TPC-C测试程序进行测试

TPC具有一些独特的性质

测试结果中给出系统的价格因素

TPC模拟的是实际系统

　　　测试结果经过TPC审核后才能发布

吞吐率指标受到响应时间的限制

通过独立的机构来维护

I／O系统的可靠性、可用性和可信性

术语

故障（fault）

错误（error）

失效（failure）

故障产生原因

硬件

设计

操作

环境

故障分类

暂时性

间歇性

永久性

存储外设可靠性参数

可靠性

可用性

可信性

提高系统可靠性的方法

故障避免技术：通过合理构建系统来避免故障

故障容忍技术：采取冗余措施

错误消除技术：通过验证，最大限度地减少潜在的错误

错误预报技术：通过分析，预报错误的出现，以便提前采取应对措施。

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