6 Storage and Other I/O Topics¶
说明
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- 本文档仅涉及部分内容，仅可用于复习重点知识
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6.1 引言¶
输入与输出系统（I/O）通常把重点放在可信度与成本上，而处理器和内存则把重点放在性能与成本上。I/O 系统还必须考虑设备的可扩展性和多样性
I/O 重要的三类特性：
- 行为（behavior）：输入（只读）、输出（只写，不能被读）或者存储（可以被重读或者重写）
- 合作者（partner）：I/O 设备的另一端是人还是及其，是在输入端输入数据还是在输出端读数据
- 数据速率（data rate）：数据在 I/O 设备与主存或者处理器之间传输的峰值速率（peak rate）。它可用来了解在设计一个 I/O 系统时，设备能产生的最大需求
如何评测 I/O 性能取决于应用：
- 吞吐率（throughout）
- 响应时间（response time）
- 吞吐率和响应时间
6.2 可信度、可靠性和可用性¶
dependability， reliability and availability
- 服务实现（service accomplishment）：按照预定方式提供服务
- 服务中断（service interruption）：提供不同于预定的服务
从 1 到 2 的转换由故障引起，从 2 到 1 的转换称为 恢复（restoration）
可靠性（reliability）：实现连续服务的度量
平均故障时间（MTTF）
平均修理时间（MTTR）
故障之间的平均时间（MTBF）：是 MTTF 和 MTTR 的和
可用性（availability）：服务实现的一个度量
\(Availability = \dfrac{MTTF}{MTTF + MTTR}\)
错误（fault）表示一个部件的故障（failure）
三种提高 MTTF 的途径：
- 错误避免（fault avoidance）：通过结构设计来防止错误的发生
- 错误容忍（fault tolerance）：利用冗余技术允许服务在错误发生时仍能正常地工作，这里的错误主要指的是硬件错误
- 错误预测（fault forecasting）：预测错误的存在和产生，将这种预测使用到硬件错误和软件错误中，可以达到在一个部件出现故障之前替换掉它的目的
缩短 MTTR 可以和增大 MTTF 一样达到提高可用性的目的
6.3 磁盘存储器¶
每一个扇面被分成许多 磁道（track），每个磁道被分成一些记录信息的 扇区（sector）
每个磁盘面的磁头都被连在一起并且一起移动，因此每个磁头会处在每个面的相同磁道上
访问数据三阶段：
寻道（seek）：把磁头定位到正确的磁道上
磁头找到正确磁道的时间被称为 寻道时间（seek time）
等待正确的扇区旋转到读/写磁头下面，这段时间被称为 旋转时间/旋转延时（rotation latency/delay）。取得信息的平均延时是磁盘旋转半周所需的时间
传输数据
传输时间：传输一块数据所需的时间。传输时间是扇区大小、旋转速度和磁道记录密度的函数
磁盘控制器 通常用来具体地控制磁盘以及内存之间地数据传输。这导致磁盘存取时间又多了一项 控制器时间（controller time），它是执行 I/O 存取操作时控制器带来地开销
执行 I/O 操作的平均时间将由这四段时间组成，此外还有因其他程序使用磁盘而带来的等待时间
读磁盘时间
对于一个旋转速度为 15000 RPM 的磁盘，读或者写一个 512 字节的扇区需要多少时间？手册上宣称的平均寻道时间是 4 ms，传输速率是 100 MB/s，控制器开销是 0.2 ms。假设这个磁盘空闲的，也就是没有等待时间
平均磁盘存取时间 = 平均寻道时间 + 平均旋转延迟 + 传输时间 + 控制器开销
\(4\ ms + \dfrac{0.5\ r}{15000\ RPM} + \dfrac{0.5\ KB}{100\ MB/s} + 0.2\ ms = 6.2\ ms\)
RAID¶
说明
此 RAID 部分内容来源：Wu-wu-u's Notebooks - 计算机组成 6 I/O
RAID（Redundant Array of Independent Disks，独立磁盘冗余阵列）是一种将多个物理磁盘组合成一个逻辑单元，以提高数据存储性能和/或提供数据冗余的技术。RAID 通过将数据分布在多个磁盘上来实现这些目标，从而提高了数据的可靠性和读取/写入速度
RAID 0（条带化）¶
特点：将数据分块并分布到多个磁盘上，提供高性能，但没有冗余
优点：读写速度快
缺点：任何一个磁盘故障都会导致数据丢失
RAID 1（镜像）¶
特点：将数据完全复制到两个或多个磁盘上，提供高冗余
优点：数据可靠性高，任何一个磁盘故障不会导致数据丢失
缺点：存储效率低（需要两倍的存储空间）
RAID 3（字节级奇偶校验）¶
特点：RAID 3 是一种使用字节级条带化和专用奇偶校验磁盘的 RAID 级别。它将数据按字节分割，并将每个字节分布到多个磁盘上，同时使用一个专用的磁盘来存储奇偶校验信息
缺点：small write 时，都需要修改 parity 盘，throughput 较差
RAID 5（分布式奇偶校验）¶
特点：RAID5 是一种使用块级条带化和分布式奇偶校验的 RAID 级别。它将数据和奇偶校验信息分布在所有磁盘上，而不是使用一个专用的奇偶校验磁盘
6.4 快闪式存储器¶
- NOR 快闪式存储器
- NAND 快闪式存储器
6.5 连接处理器、内存以及 I/O 设备¶
总线被称划分为
- 处理器-内存总线（processor-memory bus）：比较短，通常是高速总线
- I/O 总线：比较长