（计算机系统结构专业论文）并行存储系统的集成技术研究.pdf

华中理工大学博士学位论文 摘要 系统集成充分利用了各种成熟的精湛技术，具有开发周期短，技术更新速度快等特点， 因而成为各个领域的研究热点。随着存储系统结构的高速发展，系统集成已成为并行存储体 系结构的重要实现方法 7 本文以系统集成为手段深入研究了并行存储系统的集成技术，主 要包括：硬件集成方法；系统开发平台选抒原则；i o 调度策略；系统容错与修复：异构接 口协议转换。在继承前人i ：作的基础上，经过跃期的理论研究和产品开发实践取得了一些 成果。 f 通过分析备部件的性能，总结山备部件之间产生性能不平衡的可能性和解决办法。提出 了以性能平衡为目标的硬什集成方法。研究了符类操作系统的特点和存储系统对操作系统的 性能要求t 经过理论分析和人撼实验，总结山以实时性、安全性、保密性、可裁剪性等为选 择原! l l l j 。 深入研究了存储系统调度方法及其性能影响，总结出：当i o 负载变化较大时常规控 制方法不能发挥系统f i 句潜在优势。提出了一种合并l ，o 操作的控制方法，实现了磁盘驱动器 命令队列上i o 命令数量最小化，使应用请求的旋转延迟降低到最小值。并通过实验测试证 实了该方法的止确性和有效性。在研究c a c h e 设计方法和替换算法的基础上，给山了存储系 统c a c h e 结构、容鼍、数据块人小设计方法。根据数据的局部性和相关性原理，提出了预腾 空和纵横l r u 替换算法，有效地改善了系统的i ，o 访问时问和数传率。 分析了磁盘阵列在降级模式卜的i ：作性能，提山了“改进延迟修复”方法和“实时响应 修复”方法，从而实现了快速修复与及时响廊并存的性能要求。 最厉，提山了一种协议变换的新方法，它可以实现士机通过s c s i 适配器向e f d e ( i d e ) 磁盘阵列进行l ，o 请求。该方法也可以实现由f c 构成的通道异构的磁盘阵列。用这种方法 构造的磁盘阵列性能价格比高t ：s c s i 磁盘阵列。 以上所提 l | 的创新思想币l 方法已片j 丁集成s c s l 磁 ；| ：阵列系统丰集成e i d e ( i d e ) 磁盘 阵列系统，系统性能达到了国际同类产铺的同等水平。广一一了一一 关键词：系统集戚性能均痴b s p ，l ，0 调j z 替换算法，容露乌修协议适i 本且_ 的研究丁作受到同家自然科学堆 ；= ( 6 9 7 7 3 0 4 6 和6 9 9 7 3 ( ) 1 7 ) 和围防顶研项目( 9 6 j 1 6 2 2j w 0 5 2 0 和 9 8 j 1 5l ij w 0 5 2 0 ) 资叻 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t + s y s t e mi n t e g r a t i o nh a sb e c o m es t u d yh o t s p o ti ne v e r yn e l d ，b e c a u s ei th t a k e nf u i ia d v 卸t a g e o ft h eb e s t 醐dr i p et e c h n 0 1 0 9 y a n dd e v e l o p m e n t p e r j o di ss h o n ，t e c h n i q u eu p d a t ei sf a s t b ym e 硼s o fi h em e i h o do fs y s t e m n l e g r a t i o n ，t h e i n t e g r a t i o ni e c h n o i o g yf o rap a r a i l e is t o r a g es y s t e mi s d e e p l ys t u d j e di nt h i sl h e s i s t h em a i nc o n t e m sa r ea sf 0 1 1 0 w s ：t h eh a r d w a r es y s t e mi n t e g r a t i o n m e t h o d ；l h es e l e c t i o n l n d a m e 九t a i so rd e v e i o p m e n p l a l f o i - m ；j os c h e d u i i n gs t r a l e g y ；t o i e r a t ef a u l t a n dr e b u - l d ：h e t e r o g e n e o u sp r o t o c o lc o n v e r s i o n b a s e do np r e v i o u sw o r k ，s o m er e s u n s 甜ea c h i e v e d t h r o u g ht h et h e o r e t i cw o r ka n d h ep r a c t j c ei nd e v e l o p m e n tt h ep r o d u c tf o rl o n gt j m e t h l o u g ha n a i y s i s0 nt h ep e r f o r m a n c eo fc o m p o n e n t s ，t h ep r o b a b i l i t ya n dw a ys o l v e do ft h e p e r f o r m a n c eu n b a l a n c eb e t w e e nc o m p o n e n t sa r e c o n c i u d e d a n di h eh a r d w a r es y s t e ms t r u c t u r e m e t h o db a s e do np e r f o r m a n c eb a i a n c e sp r o p o s e d a ti h es a m el i m e ，s t u d yo nt h ec h a r a c l e r i s l i co f o p e r a l i n gs y s t e m sa n dt h ep e r f o r m a n c ed e m 卸d r e q u i r e db ys t o r a g es y s t e m 、a n da c c or d l n gt ot h e o r e l i ca 1 1 a i y s j s 卸dag r e a td e a lo fe x p e f i m e n t s ，他 f u n d a m e n t a l ss e i e c t e di sc o n c i u d e d ，w h i c hj sr e a ii i m e ，s e c u r i t y e a s ym o d i f y i n ga n da d d i n gs o f t w a r e f u n c t i o n a n ds oo n t h e s c h e d u l i n gm e i h o do r s i o r a g es y s l e n la n dt h ee f e c to np e r f o m l a n c e a r ed e e p l ys t u d i e d ，a n d t h er e s u lc sa r ef 0 | l o w ：w h e ni ow o r k l o a dg r e a t l yc h a n g e s ，t h ec o n v e n l i o n a jc o n t r 0 im e t h o dc a nn o t b r i n g i n i o p i a yp o l e n t i a lp r e d o m i n a n c e 1 1 1 ec o n t r o | l n e t h o do fc o m b i n a t i o ni ，o 叩e r a i j o n i m p l e m e n l st h a ii h en u m b e ro r i ，oc o m m a n d si nc o n l m a n dq u e u eo f d i s kd r i v ei sm i n i m i z e d ，s ot h a t t h er o l a t ；o n a l | a i e n c yi sr e d u c e dt om i n l m u m t h ec o r r e c i n e s sa n dv a l i d i t yo f t h i sc o n t r o im e t h o da r e p r o v e db ye x p e r i l n e n t a l t e s i a tt h es a m el i m e ，t h m l i g hs t u d yt h ed e s i g nm e t l l o da n dr e p l a c e a i g o t h m so fc a c h e ，i h ed e s i g nn l e t h o d r o ri h es t o r a g es y s t c mc a c h el s g v e n ，w h i c h n c l u d e s ： c o n n g u r a “o nd e s i g n ，c a p a c i l yd e s i g n ，a n ds ir i p i n gs i z ed e s i g n a c c o r d i n gt oi o c a ia n dr e la l v i i yo f l h ed a t a ，t h ep r e - w r i t eb a c kr e p l a c ea l g o 订t 1 1 ma n d1 1 1 el r uj nl e n 酎ha n db r e a d t ha r ep r o p o s e d ，t h e y e 仃e c l i v e l yi m p r o v el oa c c e s st _ i n ea n d d a t at r a n s f e rr a i e a c c o r d i n gt oa n a l y s i sn l ep e r f o r m a n c eo fd i s ka r r a ys y s i e mi nd e g r a d em o d e ，t h ej m p r o v e d t h i sr e s c a r c hw o r kw a ss u p p o n e db yt h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n au n d c rg r a n t6 9 7 7 3 0 4 6a n d d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hf o u n d a l i o no f c h i n au n d e g r a n i9 6 1 1 622j w 0 5 2 0a n d9 8 j 1 5l ij w 0 5 2 0 华中理工大学博士学位论文 d e l a yr e b u i l d ”m e t h o da n d t h e “r e a l - t i m er e s p o n s e ”m e t h o da r ep r o p o s e d ，t h e r e b y ii ti sp o s s i b l em a t t h eh o s tc o u l do b t a i nf a s t e rr e s p o n s es p e e dw h e nr e b u i l dw o r ki sp r o c e s s i n g f i n a l l y ，am e t h o do fp r o t o c 0 1c o n v e r s i o nj sp r o p o s e d ，i lm a yj mp l e m e n tl h a tah o s ts e n dl ，o r e q u e s t sb yas c s ia d a p t e r f oa ne i d ed i s ka r r a y s i ta l s oc a ni m p i e m e n tc h a n n e lh e t e r o g e n e o u s d i s ka lr a y s ，i nw 1 1 i c hf ci sa st h eh o s ic h a n n e ia n ds c s ii sa st h ed i s kd v ec h a n n e l t h et e s tr e s u l t s s h o wt h a tr a t i oo f p e r f o r m a n c ea n dp r i c ei sh i g l l er c f l a n “1 el a l i oo f s c s id i s ka r r a ys - a 1 1n e wi n n o v a t i v ei d e a l sa n dm e t h o d sa b o v ea r el i s e di ni h e i n t e g r a t e ds c s ld i s ka r r a y s s y s t e ma n de 1 d e ( i d e ) d i s ka r r a y ss y s t e m ，s y s t e mp e r f o r m a n c ea c h i e v ec o e q u a l 1 e v e lw | 1 1 1 c o n g e f l e r i cp r o m l c l i n | h ew o r i d k e y w o r d s ：s y s t e mi n c e g r a t i o n ， p e r f b r m a n c e b a i a n c e ，b s r i o s c h e d u l i n g ，r e p i a c e m e n t a l g o r i i h m s ，1 0 i e r a i ef a u l ia n dr e b u i | d ，p r o t o c o ia d a p l a i l o n 华中理工大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 典型的并行分布存储系统 在存储层次结构系统中，最早使用并行存储技术的是多体并行主存储器。随后，为了缓 解外存储系统与c p u 速度不匹配造成的“瓶颈”问题，世界上许多研究机构开展了有关并行、 分布式存储系统结构与组成原理等方面的研究。研究l 作主要集中在两个方面，一是采用多 通道、多存储设备的升行存储结构f 2 1 f ”，这种结构开发了设备问的并行性，从而提高了外存 储系统的性能：另外是将网络技术引入存储系统，实现存储系统( 包括并行存储系统) 与用 户的直接通讯，从而打i 宽了i o 带宽，实现数据的高速传输。同时利用网络的可扩展性可以 “无限地”扩展存储容罩。目前，典型的并行分布式存储系统有：冗余磁；i ；c 阵列( 月e 加出州 爿，丁口”矽加如p p ”出”fd 括b r a i d ) ；附网存储系统( n e l w o r k a t t a c h e ds t o r a g e 。n a s ) ；存 储局域网络( s t o r a g ea r e an e t w or k s a n ) ：高性能存储系统( h i g hp e r f o r m a n c es t o r a g e s y s t e m ，h p s s ) ；以及存储器簇( s t o r a g ec i u s i e r ) 等。 冗余磁盘阵列采用多通道、多存储设备的并行结构来提高外存储系统的吞吐量和数传 率i ”。1 9 8 8 年，美国加州大学b e r k e i e y 分校的p a n e r s o n 等人提出在磁盘阵列中引入冗余机制， 提山了廉价磁盘冗余阵列跚6 酮( r e d u n d a n ta r r a y so fi n e x p e n s j v ed i s k s ) 这一概念。后来改称为 独立磁柱冗余阵列咖8 州( 胎d 州幽川爿州矿如却鲫如删d 括b r a i d ) 。r a i d 采用数据分块 技术和冗余机制，通过分块将数据分布到多个磁盘驱动器上，使得多个磁盘驱动器可以并行 操作，多个独立的请求可被一组磁盘驱动器并行服务，从而减小了i ，o 请求的排队时间，提 高了吞吐鬣；人块数据的请求可被多个磁 ；【驱动器共同服务，从而提高了数据传输率。冗余 机制的引入，可使系统容忍单个磁j l ；【驱动器损坏，外在单盘受损的情况下继续服务用户请求， 极人地提高了磁 ；| ：系统的可靠性和可用性。 附网存储l 1 0 1 的基本思想是将存储设备直接连接到网络上，此时存储设备不再是连接在计 算机上作为它的一部分供网络。1 + 作站用户访问的辅助存储设备，它将存储设备访问弄1 旨理从 服务器中分离山来，使得程序运行和文什存取不发生处理器资源争用，因而能得到快速服务。 附网存储设备连接在局域网( 典犁的是以太网) 上并被指定一个i p 地址( i n i e m e tp m t o c o i a d d r e s s ) ，所有文什请求均由主服务器映射到n a s 文什服务器。n a s 软件用于配置和映射文 华中理工大学博士学位论文 件位置到附网设备上。n a s 软件通常处理一些网络协议，包括m c r o s o f t 的i p xf i n t e m e m o r k p a c k e te x c h a n g e ) 和n e t b e u l ( n e tb 1 0 se x t e n d e du s e ri n t e r f a c e ) ，n o v e n e t w a r e 的i p x ，以 及s u nm i c r o s y s t e m s 的网络文什系统( n e t w o r kf es y s t e m ，n f s ) 。附网存储是存储系统朝 着存储局域网络发展的一个步骤。 存储局域网i i ”是一种高速的专用网络( 或子网) ，它将各种数据存储设备和相应的数据 服务器互联起来，并允许所有_ l j 户通过服务器进行访问。它通常是一个企业所有资源网络的 一部分，与其它诸如i b ms ，3 9 0 主机一类的计算资源组成群机结构，但也使用异步传输模式 ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，a t m ) 或同步光纤网( s y n c h r o n o u s0p i c a ln e t w o r k ，s o n e t ) 扩展成远程定位，用于数据备份或存档。也有人将s a n 看成是一种被扩展了的共享存储总 线，s a n 释放( r e i e a s e ) 了存储设备，使它不p j 属于某个特定的服务器总线，s a n 通过网络处 理器赢接连接在网络上，结果使得网上的所有服务器可以访问所有的存储设备，如图1 1 所 示。s a n 支持磁盘镜像备份硐i 恢复，数据存档和恢复，设备之间的数据移动，以及网上不同 服务器之间的数据共享。 图l ls a n 结构示意图 高性能存储系统【哪川是一种为高性能计算机、传统的超级计算机和工作站机群提供可扩 展的并行存储管理系统，它是特地为需要在网上进行火块文件和大量数据移动而设计的，例 如在网络上移动大型科学计算数据，视频文件等。它由并行处理计算机、超级计算机、高端 ( h i g h e n d ) ：作站机群，和附网存储设备组成。h p s s 支持每秒大于1 g b 的数传率h p s s 2 华中理工大学博士学位论文 使用“数据搬移器( d a t am o v e r s ) ”技术，可以发送非常大的数据流。 存储器簇1 1 弧”、辄”1 是指将多个存储设备或存储子系统用互联网连接起来。统一调度，协 调处理，以实现数据的超大容量存储和高速传输的分布存储系统。它可归并为两大类。一类 是在p cc l u s t e r 或w o r k s t a t i o nc i u s t e r 中将分散的存储设备或子系统，用局域网连接，按r a i d 控制和管理，形成一个物理载体分散、存取调度集中的存储系统，它依附在p cc l u s t e r 或工 作站网中，如图i 2 所示。另一类是将附网存储漫需通过局域网连接形成一个集中的海量 存储系统。它可作为高性能计算机或工作站的存储子系统，如图1 3 所示。存储器簇在结构 上具有许多优点：( 1 ) 构成存储器簇的存储器采朋网络互联，具有良好的可扩展性，其容量 和带宽将随节点的增加而同步增加；( 2 ) 数据由丁分敞存放在所有节点上，有利于系统并行 访问；( 3 ) 每一：竹点有独立控制器，系统可根据i o 分布自动进行负载均衡雨l 智能调度。 圈1 3 磁盘阵列簇 华中理工大学博士学位论文 1 2 存储系统的性能 存储系统的性能指标主要用访问时间、i ，o 响应时间、数传率和吞吐量表示。访问时间 是指存储器接收到主机数据请求并开始运行，到存储器完成所有数据请求所花费的时间：访 问时间直接由存储设备本身的性能决定。i ，o 吞吐量有时又称为i ，o 带宽，指单位时间内完成 的平均i o 任务数。i o 响应时间有时叉称为延迟，是指主机i o 请求发生到i ，o 服务完成所 需要的时间。 磁盘存储器的访问时间( a c c e s st i m e ) 包括寻道时间、旋转延迟、数据传输时间等。磁 盘寻道是一个机械运动过程它与磁头的运行距离、运动方向( 向内或向外) 、伺服信息的 类型、头臂纲 ， ：的质量、驱动功率、以及环境冈素等有关。通过改进伺服及其控制方法m 】， 比如混合使用专_ j 面伺服利嵌入伺服，使其同时具有高精度和快速寻道的优点，还可以使用 数字伺服控制9 l 、自适应控制等先进的控制方法，降低寻道时间。目前s c s i 磁盘驱动器的 平均寻道时问晟小只有3 9 m s ，道- 道寻道时间为o5 m s ；i d e 磁盘驱动器的平均寻道时间也 从原来的儿十、十儿毫秒发展到现在的5 8 m s 左右1 2 0 1 。磁盘旋转速度从两方面限制了磁盘存 储器的性能：其一是旋转延迟，另一个是读写速度。即读写数据的频率。磁j j ：的旋转速度已 经从8 0 年代的3 6 0 0 r p m 提高到5 4 0 0 r p m ，7 2 0 0 r p m ，1 0 0 0 0 r p m ，目前已经出现了1 5 0 0 0 r p m 的磁盘驱动器。磁糯旋转速度的提高，使得磁盘的平均旋转延迟大约只有2 5 m s 。与寻道时 间相比，相当于跨越数十个柱面。磁盘请求服务时问中，旋转延迟占了很大的比例，减少旋 转延迟的最赢接的办法就是进一步提高旋转速度，但旋转速度过高将导致发热量和磨损的增 加。由丁受到机械部什的限制，磁= | ； 数据访问时间平均每年只提高7 1 0 。进一步改善磁盘 访问时间的另一种方法就是使川有效的磁盘调度策略，即将多个请求重新安排物理数据的存 取秩序。传统的磁拥调度算法【2 。l f 2 2 2 3 1 1 2 4 】都假设所有的磁盘驱动器具有相同的特性，利用简 单的磁盘请求服务模型来估计符个请求的机械延迟，其调度原则是使平均机械延迟最小。有 些调度算法以最小化寻道时间为目标，而另一些算法则是以最小化平均访问时间( 寻道时间 加旋转延迟) 为目标。最短寻道时间优先( s h o r t e s ts e e kt i m ef i r s ts s t f ) 算法、扫描( s c a n ) 算法1 2 4 1 都是以磁盘平均寻道时间最短为目标。而最短访问时间优先( s h o r t e s ta c c e s st j m ef j r s t ， s a f t ) 算法【2 6 1 是以最小化磁盘访问时间为目标。 对_ 丁目前流行的磁盘驱动器来说，寻道时间越来越小于旋转延迟，因此旋转延迟的减少 成为研究的重点。优化访问时间( o p l i m a la c c e s st 油e ，o a t ) 算法要求合并一次请求队列 中所有可能合并的请求，然屙，对这些请求执行一次优化调度，从而达到减少旋转延迟的目 4 华中理工大学博士学位论文 的。不幸的是，不存在这样一种有效优化调度，冈为这是一种众所周知的遍历( t r a v e l i n g s a i e s m a np r o b l e m ) 问题t 它的解决方法是一个n p 难度问题 2 6 】。所以，o a t 算法常常只是作 为衡量一种算法性能好坏的依据。最短访问时间优先( s h o r l e s ta c c e s st i m ef i r s t ，s a f t ) 算法是 一种接近o a t 的调度算法它使用“贪婪”调度，并将访问时间而不是寻道距离作为调度参 数，所以说它实际上是s s t f 算法的另一种实现。 随着应甩系统的不断扩大承i 发展，产生了许多时问关键性磁盘i 船调度算法( 郾实时磁 盘调度算法) ，如最甲截j r 时间优先( e a r l i e s td e a d n ef i r s t ，e d f ) 算法，优先级扫描 ( p r i o r i t ys c a n ，p s c a n ) 算法，可行时限扫描( f e a s i b l ed e a d i i n es c a n ，f d s c a n ) 算 法优先级倒置1 3 0 】( p r j o r i i y l n v e r s i o n ，p i ) 算法，最短寻道和最早截止期排序1 3 。1 ( s h o r t e s ts e e k a n de a r l i e s td e a d n eb yo r d e r i f l g ，s s e d o ) 算法，最短寻道和最早截止期优先计算( s h o r t e s t s e e ka n de a r e s td e a d n eb yv a h j e ，s s e d v ) 算法。 e d f 是实时i o 调度算法中最简单的一种，它以时限作为调度的依据，优先服务截止时 间短的请求。p s c a n 将请求按优先级分组，组问采 日优先级调度，组内按s c a n 算法调度。 f d s c a n 由具有最小可行时限的请求的位置决定s c a n 的方向，并服务这个方向的请求， 它忽略了在扫描过程中响应其它请求的开销，因此不能保证时限最终能得到满足，有可能请 求得到服务时，它的时限早已过了。p i 算法将请求只分成高低两种优先级，优先服务高优先 级的请求。s s e d o 和s s e d v 是e d f 和s s t f 算法的组合，它们将队列中的请求按时限排序， 且队列内有一个涧度窗口。如果窗口的人小为，则队列的前个请求具有最小的时限。在 s s e d 0 的队列窗口中，每个请求有个权值，且顺序递增。每个请求的优先级是磁头当前位 置与请求访问位置之间的距离和它的权值的乘积。调度时，调度器从队列窗口中选择优先级 值最小的请求来执行。如果有多个请求具有相同的优先级，则具有最早时限的请求优先得到 调度。显然，每个请求的优先级不是固定不变的，而是随着磁头的运动而变化。 s s e d v 与s s e d o 的不同处就是优先级的计算方法。s s e d v 的优先级计算公式为： 只= 口d ，+ ( i 日) + ， ( 1 2 1 ) 其中是请求i 的时限与当前时间的差值：西是磁头当前所在位置与请求所访问位置之间 的距离；口是调度参数。s s e d o 和s s e d v 比其它实时磁j i ；l ：调度算法的性能要好，且容易实现， 其中s s e d v 的性能更好。 i o 响应时间包括排队等待时间，i ，o 服务时间，和磁盘适配器接口传输时间。因而降低 响应时问的最有效的方法就是使用资源重复技术，采j 玎多个并行存储设备同时服务多个i ，o 华中理工大学博士学位论文 任务，以减少排队等待时间。并行存储结构在降低单个i o 请求响应时间的同时也提高了l o 吞吐量。在传统i o 系统中，获得较高的i o 吞吐罱的同时，i ，o 响应时间也相应地增长。当 i 0 系统提供最小响应时间时，系统的i ，o 吞吐量只有1 1 ，而当系统吞吐景达到1 0 0 时， 响应时间为最小响应时间的7 倍f 3 2 l 。并行存储器结构将数据分布在各个设备上，使得多个l ，o 任务同时得到服务，有效地提高i o 响廊速度和吞吐罱。 1 3 系统集成最适宜的系统组成方法 所谓集成就是将许多离散的器件或部件组成一个可以完成一定功能的有效系统m j ，在信 息技术领域，对于集成有几种提法： 1 )在产品开发过程中，集成就是将分别制造的元、部件或子系统组合在一起的一个过 程。例如电路集成流水线生产部什的产品集成，等等。 2 )集成是一种行为，通过附加技术将许多不同厂商的产品按满足一定的使用要求合成 为一个稳定l ：作的系统。典型的例子就是系统集成。 3 )在行销市场，捉到部什或产品是集成的是指它们适合以下一种或几种情况： a ) 它们共享某对象集( 这是最松散的集成形式) b ) 它们遵守同个标准或标准协议集 c ) 它们共享相同的代码，例如低级程序接口 系统集成( s y s t e mi n t e g r a i i o n ，s i ) 是计算机体系结构的实现方法之一。较为完整的说法 是：系统集成就是根据应用要求首先将现有的硬件成品部件集成一个硬件系统，采用和设计 相应的软件系统，使整个系统能平稳有效地工作。在我国。系统集成的发展比较迅速前景 很乐观。起初，几家做硬件的大型厂商以附带额外业务的形式采用堆箱子的方法，简单地堆 成一个系统。后来，在硬件集成系统上开发和研制某些附加硬件。系统软件和应用软件，使 集成的系统更加完善。与其它形式的研究相比，系统集成由于采用已有的精湛、成熟的产品， 因而开发周期短，更新速度快，性能价格比高。系统集成已经不是简单地堆积而成的硬件和 软件系统它需要研究以f 主要问题： 1 ) 硬件集成系统各个环节的性能平衡设计。硬件系统搀体性能取决于系统中性能 最差的部件m l 。在计算机系统中，对丁同一种系统结构，可以采用多种不同的 性能各异的部件组成，因此可能出现部件之间的性能不平衡，导致系统性能下降。 因而要使各个环节达到负载平衡，必须精心设计。 2 )软件开发平台的选用、裁剪、和设计。集成系统驱动软件涉及到操作系统内核操 6 华中理工大学博士学位论文 作系统的开销直接影响着集成系统的性能。此外，还需要在操作系统中设计专用于 集成系统的t a r g e t 和i n i t i a t o r 设备驱动程序以及板支持软件包( b o a r d s u p p o r t p a c k a g e s ，b s p ) ，b s p 实际上是一组功能程序集，包括硬件初始化程序和各种设备 的驱动程序，这些设备包括定时器、以太网控制器、串口控制器、s c s i 控制器等等。 3 )系统调度与管理。通过优化调度管理将设备极大限度地高速运行起来以满足用户性 能要求。在计算机系统中，c a c h e 是降低存取延迟、提高响应时问的主要措施l ，”， 它常常被用在两个访问速度差别较大的部仆之间，以隐藏慢速部什的延迟，提高系 统整体性能1 2 7 】l ”】。因而c a c h e 的管理和调皮便成为研究的焦点之一。 4 )容错与修复。通过使川信息冗余技术来提离存储系统的有效性，使得系统能在降级 模式下上作，并且支持在线修复，将系统“尽快”恢复到正常模式。 5 )不同接口协议之间的协议转换。一般情况f ，集成系统部件的接口都采用相同或兼 容的接口协议，因而一种协议的操作命令能够被其它接口设备识别并执行：但是， 当部件接口异构时，例如，如果集成系统中主机发出的是s c s l 命令，而最后响应s c s i 命令的操作部件是a t a 接口部f l ：，显然a 1 舱接口部件不能赢接执行s c s i 命令：那 么就需要进行协议转换，将一种协议( 例如s c s i 坍议) 的操作命令转换成另一种 协议( 例如a 1 、a 协议) 可识别的操作形式。 1 4 集成存储系统的计算机资源及其性能发展 存储系统的殴讨目标在于最人限度地消除、隐藏或减少存储系统与处理器之间的速度 差异。集成存储系统是使用现有的p c 机主板、c p u 、内存、磁盘或光盘驱动器、总线适配 器、计算机系统接口等组成的存储系统，各部什的性能发展宣接影响着集成存储系统的性能 发展。 1 4 1 微处理器及存储器的性能发展【3 2 】例，。删l 0 1 集成电路的发展实现了将c p u 的所有元件放在同一块芯片上，它就是微处理器。自1 9 7 1 年第一块微处理器诞生以后，它的处理速度、功能以惊人的速度向前发展。制造商通过缩小 硅片中形成晶体管电路的尺寸不断推出新一代芯片，格登摩尔在2 0 世纪6 0 年代中期就发 现，制造商通过每年缩小硅片中形成晶体管细线尺寸的l o 一2 5 ，使得每3 年就推出新一代 的芯片，新一代芯片的晶体管数是上一代的四倍，1 9 8 6 年以前，微处理器的性能每年增长 华中理工大学博士学位论文 3 5 t 从1 9 8 7 年开始每年增长5 5 ，到1 9 9 9 年底，c p u 芯片主频达到井超过5 5 0 m h z 。 表1 1 揭示出i n t e l 微处理器的惊人发展速度f 】7 l 。 表1 1 l n i e l 微处理器 集成电路技术的发展也使存储系统发生了巨大的变化，存储器的容量、访问时间得到改 善，而且其价格不断下降。2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代，所有计算机的存储器都是由微小的磁 铁体环做成的，每个体环直径为0 0 6 2 5 英寸，存储一位数据，所以存储器的体积大，价格也 昂贵。磁芯的磁化速度非常快，但是读出是破坏性的，读磁芯操作会将存储的数据擦除，因 而每次读完后必须立即恢复数据。到了1 9 7 0 年，f a i r c l l j l d 生产山第一个半导体存储器，它在 容量、存取速度等方面都比磁芯快得多，只是它的价格却比磁芯要贵得多。但是，这个半导 体存储器的山现标忠着存储器巨人发展的开始。到了1 9 7 4 年，每一位半导体内存的价格低 于磁芯，从此以后，存储器的价格就持续f 跌，物理存储密度也相应地提高，存储器的性能 价格比得到不断改善，如表1 2 所示。存储器的存储密度每年增长6 0 ，存取时间每3 年改 善2 2 ，即每年改善7 。与此同时，在1 9 9 0 年以前，磁盘存储密度每年提高2 5 ，之后每 年提高5 0 ，每3 年提高4 倍，但磁捅：访问时间每l o 年仅降低1 3 。 表1 2d r m 发展 行选通时问( r a s ) 年代芯片容量漂怒速的漂盎速的列建恶罗间时间周期 1 9 8 06 4 k b i i1 8 0 n s1 5 0 n s7 5 n s 2 5 1 9 8 32 5 6 k b l t1 5 0 n s1 2 0 n s5 0 n s2 2 1 9 8 6l m b i t1 2 0 n s1 0 0 1 1 s2 5 n s1 9 1 9 8 94 m b “1 0 0 n s8 0 n s2 0 n s1 6 1 9 9 21 6 m b j t8 0 n s6 0 n s1 5 n s1 2 1 9 9 56 4 m b “6 5 n s5 0 n s1 0 n s9 ( g 华中理工大学博士学位论文 1 4 2 接口技术及其发展 在微机系统中，i ，o 系统相对而言要简单得多，图1 4 所示为微型计算机系统的外存接口。 控制器与存储设备之间的接口叫设备级接口，主机利主机适配器之间的接口采用微型计算机 系统总线，主机适配器和控制器之间的接口属丁系统级接口。在许多微型计算机系统中主 机和外设之间的接口就是外设控制器，集适配器和控制器于一体。 圳刮一遂p 图1 4 微机系统外存接【j 由于计算机内部总线不同，给控制器生产厂家带来不便，为了达到控制器通用的目的， 人们设想象大型机一样将磁盘控制器从专用型中脱离山来，形成独立的通用型控制器。随着 通用控制器的产生，在控制器与适配器之间发展了系统级接口。 接口的一个重要特征是用串行还是并行方法。在并行接口中，连接l ，o 模块和外设的线 有多根( 例如8 位，16 位，或3 2 位) ，可同时并行传送一个字的所有位。在串行接口 中，只有一根线用于传送数据，每次传送一位数据。通常并行接口用于连接高速外设，如磁 盘、磁带。串行接口用于连接打印机和终端。 计算机系统中的l o 模块和外设的连接可用点对点或多点式，点对点接口在l ，o 模块和 外设之间提供了一条专线，在p c 机或工作站中，键盘、打印机、外部调制解调器一般采 f j 点对点连接，常用e i a 2 3 2 规范l 。多点式支持人嚣的外部设备，如存储设备，多媒体设 备。目前最有影响的外设接口是s c s i 接口和p 1 3 9 4 接口以及光纤通道f c 。 s c s i 接口小犁计算机系统接口i 42 】i43 l 44 儿4 5 】1 4 6 l ( s m a | l c o m p u t e rs y s t e m i n t e r f a c e ，s c s i ) 于1 9 8 4 年在m a c i n t o s l l 机上得到推广+ 。s c s l 接口已用作c d r o m 驱动器、音频设备以及外部大容量存储设备的标准接口。广泛用于m a c i n t o s h 、i m b p c 兼容系统、t 作站、计算机网络系统。s c s i 设备是以菊花链连接的，但s c s i 配置通常称为总线数据以信息包形式传送。 9 雷雷 懈 器；| 靶 蕊一 华中理工大学博士学位论文 最早的s c s l 规范，现在称为s c s i 1 ，是在2 0 世纪8 0 年代初期开发的。当 a n s ix 3 t 9 3 委员会开始着手进行i p i ( i n t e l l l g e n tp e r i p h e r a l i n t e r f 乱e ) 标准的制定的同 时，专门进行磁盘驱动器制造的s h i r g a r la s s o c i a t e s 公司的工程师们看到了灵活的 并行l ，o 总线的前途开始定义了一种他们自己的总线叫做s a s i ( s h u 艰a r t a s s o e i a t e ss y s t e m i n t e r f a c e ) 。s a s i 标准具有总线仲裁、设备选择等功能，各设备 之间不是一种主从关系，它的设计目标是一种智能系统接口。此后，经过对s a s i 标准的不断修改和扩充形成了新的接口标准，它就是s c s i 标准。x 3 t 9 2 委员 会于1 9 8 4 年完成了第一稿s c s i 规范制定 ：作，到19 8 6 年才以大家认同的形式正 式山版，它就是s c s i _ 1 。 s c s l - i 提供了8 位数据线，它以5 m h z 时钟提供高达 5 m b p s 的同步数据传输率和3 m b p s 的异步数据传输率，它主要面向磁盘、磁带 等存储设备，s c s 卜1 具有支持多i o 任务并行操作的特点，允许多达7 个设备以 菊花链连接到主机上。s c s 卜1 的不足之处是扫：定义上有许多模糊，所适用的外设 类型不够广泛。 1 9 9 0 年3 月s c s l - 2 标准规范正式山版，与s c s l - l 相比，s c s i 2 在兼容性、 速度、总线宽度等方面都有很大的改善。f a s ts c s i 2 的同步数据传输率可达 1 0 m b ，s ：w i d es c s i - 2 将8 位并行数据通路扩展到1 6 或3 2 位，同步数据传输率 达到2 0 m b ，s ( 1 6 位) 或4 0 m b ，s ( 3 2 位) 。s c s i 2 标准推出后，s c s l 技术仍在不断 发展，这种趋势推动了新的s c s i 标准的制定，即s c s i 3 标准规范。s c s i 3 已不 是一种单一的标准，而是一个系列标准，其标准集包含了众多的成员，其中包括 s c s i 3 光纤通道协议( x 3 2 6 9 19 9 6 ) 。u l l r as c s i 是在s c s i 3 标准的基础上扩展 总线带宽。并且允许s c s l 进行快速同步传输。当使能打开时，u | l r as c s i 的同步 数据传输率是f a s ts c s l - 2 的两倍，可以达到2 0 m b s ( 8 位数据) 或4 0 m b ，s ( 1 6 数 据) 。u i l r a 2s c s l 在u l l r as c s i 的基础上扩展了s c s l 的性能，8 何数据总线的同 步数据传输率可达到4 0 m b ，s ，1 6 位数据总线的同步数据传输率可达到8 0 m b ，s ： 此外，u l t r a 2s c s i 还定义了一个新的物理接口一一低压差分( l o wv o l l a g e d i f f e r e