第6章输入输出系统

1、计算机体系结构 chapter6.1第第6 6章章 输入输出系统输入输出系统6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 存储设备的种类存储设备的种类6.3 6.3 总线总线6.4 I/O6.4 I/O与操作系统与操作系统6.5 I/O 6.5 I/O 系统设计系统设计计算机体系结构 Chapter6.26.1 6.1 概述概述I/OI/O指处理器和存储器以外的部件指处理器和存储器以外的部件Disk,tape,LAN,WANDisk,tape,LAN,WAN等等过去的状况过去的状况性能在人们心目中不是很关心性能在人们心目中不是很关心特点：特点：外部的，非优先的，不常用的外部的，非优先的，不常用的，慢

2、速的，慢速的例外情况：例外情况：swapswap区区结论：不重视结论：不重视I/OI/O性能性能计算机体系结构 Chapter6.3目前目前新的应用不断出现，特别是多媒体应用新的应用不断出现，特别是多媒体应用I/OI/O设备种类繁多设备种类繁多网络技术，通信技术的发展网络技术，通信技术的发展结果：结果：系统总线的性能直接关系到系统整体性能系统总线的性能直接关系到系统整体性能不同机器配置构成是不同的不同机器配置构成是不同的即使是即使是PCPC也略有不同（价格，功耗）也略有不同（价格，功耗）计算机体系结构 Chapter6.4系统性能和系统性能和CPUCPU性能性能性能指标性能指标吞吐率吞吐率响应

3、时间响应时间当任务都在当任务都在memory中时，主要关注中时，主要关注CPU性能性能当任务很大或任务访问的数据很大时，并分布当任务很大或任务访问的数据很大时，并分布在多个文件时，如在多个文件时，如OLTP,数据库应用等，数据库应用等，I/O性性能十分重要能十分重要计算机体系结构 Chapter6.5 影响系统性能的因素影响系统性能的因素 CPU, Compiler, OS, Cache, Main Memory MemoryI/O bus I/O控制器或控制器或I/O通道通道 I/O驱动程序和中断处理程序驱动程序和中断处理程序 I/O设备设备-自动化程度，内部缓冲大小，设备控制参数对响应时间

4、和吞自动化程度，内部缓冲大小，设备控制参数对响应时间和吞吐率的影响吐率的影响 I/O系统性能参数系统性能参数 连接特性：哪些连接特性：哪些I/0设备可以和计算机系统连接设备可以和计算机系统连接 I/O系统的容量：系统的容量：I/O系统容纳的系统容纳的I/O设备数设备数 衡量衡量I/O系统性能的另一种方法系统性能的另一种方法 考虑考虑I/O操作对操作对CPU的打扰情况：即考察某个进程执行时，由于其的打扰情况：即考察某个进程执行时，由于其他进程的他进程的I/O操作，使得该进程的执行时间增加了多少操作，使得该进程的执行时间增加了多少计算机体系结构 Chapter6.6典型的系统典型的系统计算机体系结

5、构 Chapter6.7关键是系统性能的平衡关键是系统性能的平衡 Amdahl定律定律 I/O操作与操作与CPU执行重叠执行重叠 TimeWorkload = Timecpu + TimeI/O Timeoverlap 响应时间与吞吐率的关系响应时间与吞吐率的关系计算机体系结构 Chapter6.8I/OI/O系统的可靠性、可用性和可信性系统的可靠性、可用性和可信性 系统的可靠性（系统的可靠性（reliability） 指系统从某个初始参考点开始一直连续提供服务的能力指系统从某个初始参考点开始一直连续提供服务的能力 通常用平均无故障时间通常用平均无故障时间MTTF(Mean Time To F

6、ailure)来度量来度量 系统中断服务的时间用平均修复时间系统中断服务的时间用平均修复时间MTTR（Mean Time To Repair)来度来度量量 系统失效率：系统失效率： MTTF的倒数的倒数 如果系统中每个模块的生存期服从指数分布，则系统整体失效率是各部件如果系统中每个模块的生存期服从指数分布，则系统整体失效率是各部件的失效率之和的失效率之和 系统的可用性（系统的可用性（availability） 指系统正常工作的时间在连续两次正常服务间隔时间中所占的比率指系统正常工作的时间在连续两次正常服务间隔时间中所占的比率 可用性可用性 = MTTF / (MTTF + MTTR) 平均故障

7、间隔时间平均故障间隔时间MTBF = MTTF + MTTR 系统的可信性（系统的可信性（dependability） 指服务质量，即在多大程度上可以合理地认为服务是可靠的指服务质量，即在多大程度上可以合理地认为服务是可靠的 可信性可信性 与可靠性和可用性不同，它是不可度量的与可靠性和可用性不同，它是不可度量的计算机体系结构 Chapter6.9例题例题 假设磁盘子系统的组成部件和它们的假设磁盘子系统的组成部件和它们的MTTF如下：如下：（1）磁盘子系统由）磁盘子系统由10个磁盘构成，每个磁盘的个磁盘构成，每个磁盘的MTTF 为为1000000个小时个小时（2）1个个SCSI控制器，其控制器，

8、其MTTF为为500000小时小时（3）1个不间断电源，其个不间断电源，其MTTF为为200000小时小时（4）1个风扇，其个风扇，其MTTF为为200000小时小时（5）1根根SCSI连线，其连线，其MTTF为为1000000小时小时 假定每个部件的生存期服从指数分布，同时假定各部件的假定每个部件的生存期服从指数分布，同时假定各部件的故障是相互独立的，求整个系统的故障是相互独立的，求整个系统的MTTF。计算机体系结构 Chapter6.10I/OI/O系统设计需考虑的主要问题系统设计需考虑的主要问题I/O设备的类型设备的类型Size, Bandwidth, 传送方式传送方式使用频度使用频度延

9、迟还是立即进行延迟还是立即进行存储器和存储器和I/O总线总线设备控制器是如何工作的设备控制器是如何工作的计算机体系结构 Chapter6.11一些典型的一些典型的I/OI/O设备设备计算机体系结构 Chapter6.126.2 6.2 存储设备的种类存储设备的种类磁盘设备磁盘设备磁盘磁盘半导体盘半导体盘盘阵列盘阵列磁带设备磁带设备光盘设备光盘设备计算机体系结构 Chapter6.13Disk Figure of Merit: Areal DensityDisk Figure of Merit: Areal Density Bits recorded along a track Metric i

10、s Bits Per Inch (BPI) Number of tracks per surface Metric is Tracks Per Inch (TPI) Disk designs brag about bit density per unit area Metric is Bits Per Square Inch: Areal Density = BPI x TPI计算机体系结构 Chapter6.14磁盘磁盘结构磁盘磁盘结构计算机体系结构 Chapter6.15磁盘磁盘性能（磁盘磁盘性能（1/3)1/3)访问磁盘时间访问磁盘时间 为为:排队时间寻道时间旋转时间传输时间控制器开销排

11、队时间寻道时间旋转时间传输时间控制器开销寻道时间寻道时间 若要读写扇区，磁盘控制器首先发出命令，将磁头移动到包含有若要读写扇区，磁盘控制器首先发出命令，将磁头移动到包含有所需数据的磁道上，这个过程称为所需数据的磁道上，这个过程称为“寻道寻道”，所需要的时间叫做，所需要的时间叫做“寻道时间寻道时间”。 最小寻道时间，最大寻道时间（实际测量）最小寻道时间，最大寻道时间（实际测量） 平均寻道时间（统计结果）平均寻道时间（统计结果）旋转时间旋转时间 所需扇区转到磁头下所需要的时间。大部分磁盘的转速在所需扇区转到磁头下所需要的时间。大部分磁盘的转速在3600 rpm 到到 12000rpm。平均延迟是磁

12、盘旋转半圈的时间。即平均延迟是磁盘旋转半圈的时间。即 TAR = 0.5r /转速转速计算机体系结构 Chapter6.16磁盘磁盘性能（磁盘磁盘性能（2/3)2/3) 传输时间传输时间:指在磁头下传输一个数据块所花费的指在磁头下传输一个数据块所花费的时间。与传输时间对应的重要时间。与传输时间对应的重要I/O参数为数据参数为数据传输率。现在磁盘驱动器上都有用半导体存储传输率。现在磁盘驱动器上都有用半导体存储器组成的数据缓冲器器组成的数据缓冲器，从盘面上读出的数据先从盘面上读出的数据先送到缓冲器，再从缓冲器经过接口送主机。数送到缓冲器，再从缓冲器经过接口送主机。数据传输率有两种据传输率有两种 内

13、部传输率：从盘面内部传输率：从盘面缓冲器缓冲器 外部传输率：从缓冲器外部传输率：从缓冲器主机主机计算机体系结构 Chapter6.17磁盘磁盘性能（磁盘磁盘性能（3/3)3/3)控制器时间：控制器在执行控制器时间：控制器在执行I/O访问时的额访问时的额外开销外开销等待磁盘空闲的时间等待磁盘空闲的时间(排队时间排队时间)磁盘成本：每兆字节的成本磁盘成本：每兆字节的成本计算机体系结构 Chapter6.18磁盘磁盘半导体盘半导体盘按磁盘访问方式工作的按磁盘访问方式工作的DRAM阵列阵列固态盘：固态盘：DRAM加一个保持系统数据的电池加一个保持系统数据的电池构成构成扩充存储器：只支持块传送的大容量存

14、储器扩充存储器：只支持块传送的大容量存储器中的区域中的区域计算机体系结构 Chapter6.19Future Disk Size and PerformanceFuture Disk Size and Performance Continued advance in capacity (60%/yr) and bandwidth (40%/yr) Slow improvement in seek, rotation (8%/yr) Time to read whole disk YearSequentiallyRandomly (1 sector/seek)1990 4 minutes6 ho

15、urs200012 minutes 1 week(!)200656 minutes 3 weeks (SCSI)2006 171 minutes 7 weeks (SATA)计算机体系结构 Chapter6.20Use Arrays of Small Disks?Use Arrays of Small Disks?14”10”5.25”3.5”3.5”Disk Array: 1 disk designConventional: 4 disk designsLow EndHigh End Katz and Patterson asked in 1987: “Can smaller disks b

16、e used to close gap in performance between disks and CPUs?”计算机体系结构 Chapter6.21Replace Small Number of Large Disks Replace Small Number of Large Disks with Large Number of Small Disks! with Large Number of Small Disks! (1988 Disks)(1988 Disks)Capacity Volume PowerData Rate I/O Rate MTTF CostIBM 3390K

17、20 GBytes97 cu. ft.3 KW15 MB/s600 I/Os/s250 KHrs$250KIBM 3.5 0061320 MBytes0.1 cu. ft.11 W1.5 MB/s55 I/Os/s50 KHrs$2Kx7023 GBytes11 cu. ft.1 KW120 MB/s3900 IOs/s? Hrs$150KDisk Arrays have potential for large data and I/O rates, high MB per cu. ft., high MB per KW, but what about reliability?9X3X8X6X

18、计算机体系结构 Chapter6.22Array ReliabilityArray Reliability Reliability of N disks = Reliability of 1 Disk N50,000 Hours 70 disks = 700 hours Disk system MTTF: Drops from 6 years to 1 month! Arrays (without redundancy) too unreliable to be useful!Hot spares support reconstruction in parallel with access:

19、very high media availability can be achieved计算机体系结构 Chapter6.23磁盘磁盘冗余阵列磁盘磁盘冗余阵列 RAIDRAID(Rapid Array of Inexpensive Disks)(Rapid Array of Inexpensive Disks) 容量大，速度快，可靠性高，造价低廉的存储技术容量大，速度快，可靠性高，造价低廉的存储技术 通过把多个磁盘组织在一起作为一个逻辑卷提供磁盘跨通过把多个磁盘组织在一起作为一个逻辑卷提供磁盘跨越功能越功能 通过把数据分成多个数据块，并行写入通过把数据分成多个数据块，并行写入/读出多个磁盘读出

20、多个磁盘，以提高访问磁盘的速度，以提高访问磁盘的速度 通过镜像或数据校验操作提供容错能力通过镜像或数据校验操作提供容错能力 根据实际情况选择适当的根据实际情况选择适当的RAID级别，可以满足用户对级别，可以满足用户对存储系统可用性、性能和容量的要求存储系统可用性、性能和容量的要求计算机体系结构 Chapter6.24RAIDRAID级别级别数组种类英文简述硬盘容错吗?N颗硬盘可用容量RAID level 0Stripe / SpanNoNRAID level 1MirrorYesN2RAID level 3Parallel with Parity YesN1RAID level 4Parall

21、el with ParityYesN1RAID level 5Striped with Rotating ParityYesN1RAID level 0+1Mirror + StripeYesN2计算机体系结构 Chapter6.25RAID 0RAID 0 无冗余。整个逻辑盘的数据被分条分布在多个物理盘上，无冗余。整个逻辑盘的数据被分条分布在多个物理盘上，可以并行读可以并行读/写，提供最快的速度，至少两个盘。写，提供最快的速度，至少两个盘。 可靠性差可靠性差计算机体系结构 Chapter6.26RAID 1RAID 1 镜像：把一个磁盘的数据镜像到另一个磁盘上镜像：把一个磁盘的数据镜像到另一

22、个磁盘上 每个盘是另一个盘的校验盘，所写的文件在两个盘上，一每个盘是另一个盘的校验盘，所写的文件在两个盘上，一旦一个失效，可以从另一个盘上恢复。盘利用率为旦一个失效，可以从另一个盘上恢复。盘利用率为50计算机体系结构 Chapter6.27RAID 0+1RAID 0+1 把把RAID 0和和RAID 1技术结合起来，数据除分布在多个盘上技术结合起来，数据除分布在多个盘上外，每个盘都有其物理镜像盘，提供全冗余能力，允许一外，每个盘都有其物理镜像盘，提供全冗余能力，允许一个以下磁盘故障，而不影响可用性，并具有快速读写能力个以下磁盘故障，而不影响可用性，并具有快速读写能力，要求至少，要求至少4个硬

23、盘，才能做个硬盘，才能做RAID 0+1计算机体系结构 Chapter6.28RAID 2RAID 2 位交叉式海明编码阵列（存储器式位交叉式海明编码阵列（存储器式ECC)。原理上比较优越原理上比较优越，但冗余开销太大，未被广泛使用，但冗余开销太大，未被广泛使用 所需的冗余盘的个数为所需的冗余盘的个数为log2m级，级，m是数据盘的个数，即数是数据盘的个数，即数据字的位数据字的位数 Overhead Cost 20%40% Useable Storage Capacity 71%83% 虽然在分级上有这一级，但实际上没有商业化的产品虽然在分级上有这一级，但实际上没有商业化的产品计算机体系结构

24、Chapter6.29RAID 3 RAID 3 ，RAID 4RAID 4 两种方式类似，数据是以位或字节（两种方式类似，数据是以位或字节（RAID3) ,或以块（或以块（RAID4）为单位交叉方式存储为单位交叉方式存储计算机体系结构 Chapter6.30RAID3 vs. RAID 4RAID3 vs. RAID 4 RAID 3 带有一个专门的校验盘来存储校验信息带有一个专门的校验盘来存储校验信息 当一个成员盘故障时，控制器可以从校验盘重新恢复当一个成员盘故障时，控制器可以从校验盘重新恢复/生成丢失的数据，要求至少三块盘生成丢失的数据，要求至少三块盘 我们需权衡，从故障恢复的时间和成本

25、我们需权衡，从故障恢复的时间和成本 校验校验 所有磁盘块的和所有磁盘块的和 写操作时，必须存取所有盘，这可能是性能瓶颈写操作时，必须存取所有盘，这可能是性能瓶颈 RAID 4 与与RAID 3类似，但校验和仅是针对一块类似，但校验和仅是针对一块 因此，只需对目标盘和校验盘存取因此，只需对目标盘和校验盘存取 问题是并发写时，校验盘是性能的瓶颈问题是并发写时，校验盘是性能的瓶颈计算机体系结构 Chapter6.31RAID 5RAID 5 数据以块交叉的方式存于各盘，但无专用的校验盘，而是数据以块交叉的方式存于各盘，但无专用的校验盘，而是将冗余的奇偶校验信息均匀地分布在所有磁盘上将冗余的奇偶校验信

26、息均匀地分布在所有磁盘上 校验盘不再写在同一盘上校验盘不再写在同一盘上 可能会减少写冲突可能会减少写冲突 因此在连续写情况下有较高的性能因此在连续写情况下有较高的性能计算机体系结构 Chapter6.32RAID 4 vs. RAID 5RAID 4 vs. RAID 5计算机体系结构 Chapter6.33实现盘阵列的方式实现盘阵列的方式软件方式软件方式阵列卡方式阵列卡方式子系统方式子系统方式计算机体系结构 Chapter6.346.3 6.3 总线总线 总线的概念总线的概念 共享的通信链路共享的通信链路 由一组线连接多个子系统由一组线连接多个子系统 是构成大而复杂系统的基本工具是构成大而复

27、杂系统的基本工具 总线的主要特点总线的主要特点 多样性多样性 新的设备很容易添加到系统中。由于采用相同的总线标准，不同计算机上新的设备很容易添加到系统中。由于采用相同的总线标准，不同计算机上的外设可以互换的外设可以互换 低成本：多台设备共享一组线低成本：多台设备共享一组线 总线的主要缺点总线的主要缺点 由于其独占性，造成通信瓶颈：总线的带宽限制了最大的由于其独占性，造成通信瓶颈：总线的带宽限制了最大的I/O吞吐量吞吐量 总线的速度受限于总线的长度，总线上设备的数量以及所需支持的设备的总线的速度受限于总线的长度，总线上设备的数量以及所需支持的设备的种类种类 这些设备可能延迟各不相同，数据传输率也

28、不相同这些设备可能延迟各不相同，数据传输率也不相同计算机体系结构 Chapter6.35计算机体系结构 Chapter6.366.3.16.3.1总线的基本组成总线的基本组成 控制线控制线 服务请求与确认信号服务请求与确认信号 指示数据线上信息的类型指示数据线上信息的类型 数据线：源设备与目的设备之间的信息交换数据线：源设备与目的设备之间的信息交换 数据和地址数据和地址 复杂的命令复杂的命令Data LinesControl Lines计算机体系结构 Chapter6.37主设备和从设备主设备和从设备 总线事务包括两部分总线事务包括两部分 发出命令（和地址）请求发出命令（和地址）请求 传送数据

29、传送数据 实际操作实际操作 主设备指启动事务发送命令和地址的设备主设备指启动事务发送命令和地址的设备 从设备是响应主设备请求，发送数据给主设备或从主设备从设备是响应主设备请求，发送数据给主设备或从主设备接收数据的设备接收数据的设备BusMasterBusSlaveMaster issues commandData can go either way计算机体系结构 Chapter6.386.3.26.3.2总线的类型总线的类型 Processor-Memory Bus (design specific) 短而高速短而高速 仅需匹配存储系统，使仅需匹配存储系统，使memory-to-process

30、or 的带宽最大的带宽最大 直接连到直接连到CPU 优化优化Cache块的传送块的传送 I/O Bus (industry standard) 通常比较长，较慢通常比较长，较慢 需要适应较大范围的需要适应较大范围的I/O设备（设备（I/O设备种类多）设备种类多） 一般连接到一般连接到processor-memory bus 或或 backplane bus Backplane Bus (standard or proprietary) Backplane: 机箱内组件间的互连方式机箱内组件间的互连方式 可以将可以将processors, memory和和 I/O devices 连接在一起连接

31、在一起 低成本：一条总线连接所有设备低成本：一条总线连接所有设备 Serial Buses (wholescale move to serial interconnects)计算机体系结构 Chapter6.39例如例如 Pentium System OrganizationPentium System OrganizationProcessor/MemoryBusPCI BusI/O Busses计算机体系结构 Chapter6.40计算机系统的单总线结构：计算机系统的单总线结构：Backplane BusBackplane Bus 一条总线用于一条总线用于CPU-Memory, I/O之间

32、，以及之间，以及I/O-Memory之之间的通信间的通信 优点：简单，便宜优点：简单，便宜 缺点：慢，总线是性能瓶颈缺点：慢，总线是性能瓶颈 例如：例如：IBM PC-ATProcessorMemoryI/O DevicesBackplane Bus计算机体系结构 Chapter6.41双总线结构双总线结构 I/O BUS通过通过Bus Adaptor连到连到Processor-Memory Bus Processor-Memory Bus主要进行主要进行CPU-Memory之间的数据传送之间的数据传送 I/O Buses: 提供提供I/O扩展槽扩展槽 如如Apple Macintosh-II

33、 NuBus: Processor，Memory以及一些快速以及一些快速I/O设备设备 SCCI Bus: 其余的其余的I/O设备设备ProcessorMemoryI/OBusProcessor Memory BusBusAdaptorBusAdaptorBusAdaptorI/OBusI/OBus计算机体系结构 Chapter6.42三总线结构三总线结构 加入一些加入一些Backplane Bus Processor-Memory Bus仅用于仅用于CPU-Memory之间的数据交换之间的数据交换 I/O总线连到总线连到Backplane Bus Processor-Memory Bus上的

34、通信量进一步减少上的通信量进一步减少ProcessorMemoryProcessor Memory BusBusAdaptorBusAdaptorBusAdaptorI/O BusBackplane BusI/O Bus计算机体系结构 Chapter6.43The move from Parallel to Serial I/OThe move from Parallel to Serial I/OCPU I/O IFI/O 1I/O 2Shared Parallel Bus WiresCentral Bus ArbiterCPU I/O IFI/O 1I/O 2Dedicated Point

35、-to-point Serial Links Parallel bus clock rate limited by clock skew across long bus (100MHz) High power to drive large number of loaded bus lines Central bus arbiter adds latency to each transaction, sharing limits throughput Expensive parallel connectors and backplanes/cables (all devices pay cost

36、s) Examples: VMEbus, Sbus, ISA bus, PCI, SCSI, IDE Point-to-point links run at multi-gigabit speed using advanced clock/signal encoding (requires lots of circuitry at each end) Lower power since only one well-behaved load Multiple simultaneous transfers Cheap cables and connectors (trade greater end

37、point transistor cost for lower physical wiring cost), customize bandwidth per device using multiple links in parallel Examples: Ethernet, Infiniband, PCI Express, SATA, USB, Firewire, etc.计算机体系结构 Chapter6.44Main components of Intel Chipset: Main components of Intel Chipset: Pentium 4Pentium 4 North

38、bridge: Handles memory Graphics Southbridge: I/O PCI bus Disk controllers USB controllers Audio Serial I/O Interrupt controller Timers计算机体系结构 Chapter6.45reviewreview 存储设备存储设备 磁盘磁盘 磁盘阵列磁盘阵列 总线总线 总线的基本组成总线的基本组成 总线的基本类型总线的基本类型 总线的定义总线的定义计算机体系结构 Chapter6.466.3.4 6.3.4 总线的定义总线的定义Bunch of WiresPhysical /

39、Mechanical Characteristics the connectorsElectrical SpecificationTiming and Signaling SpecificationTransaction Protocol计算机体系结构 Chapter6.47问题之一：同步总线和异步总线问题之一：同步总线和异步总线 同步总线同步总线: 总线信号中包含时钟信号总线信号中包含时钟信号 通信以相对于该时钟固定的协议进行通信以相对于该时钟固定的协议进行 优点：控制逻辑简单，速度快优点：控制逻辑简单，速度快 缺点：缺点：-总线上的每一设备必须以相同的时钟速率运行总线上的每一设备必须以相同

40、的时钟速率运行-为避免时钟信号扭曲，总线较短为避免时钟信号扭曲，总线较短 异步总线异步总线: 没有统一的时钟信号没有统一的时钟信号 可以适应多种速度的设备可以适应多种速度的设备 总线可以较长，不必担心时钟扭曲总线可以较长，不必担心时钟扭曲 需要握手协议需要握手协议计算机体系结构 Chapter6.48典型的同步协议典型的同步协议BReqBGCmd+AddrR/WAddressData1Data2DataData1Wait 从设备标识何时数据传送准备好从设备标识何时数据传送准备好 然后进行实际的数据传送然后进行实际的数据传送计算机体系结构 Chapter6.49简单的同步协议简单的同步协议BRe

41、qBGCmd+AddrR/WAddressData1Data2Data 存储器总线的同步协议要复杂一些存储器总线的同步协议要复杂一些 存储器读写数据需要一定的时间存储器读写数据需要一定的时间 可能需要控制数据传输率可能需要控制数据传输率计算机体系结构 Chapter6.50异步握手协议异步握手协议- -写事务时序写事务时序AddressDatawriteReqAckMaster Asserts AddressMaster Asserts DataNext AddressWrite Transactiont0 t1 t2 t3 t4 t5 t0 : 主设备获得总线控制权，发出地址信号，数据信号以

42、及读写信主设备获得总线控制权，发出地址信号，数据信号以及读写信号，等待从设备号，等待从设备 t1: 主设备发出请求信号主设备发出请求信号 t2: 从设备发出应答信号，指示接收数据从设备发出应答信号，指示接收数据 t3: 主设备释放请求信号主设备释放请求信号 t4: 从设备释放应答信号从设备释放应答信号计算机体系结构 Chapter6.51读事务时序读事务时序 t0 : 主设备获得总线控制权，发出地址信号和读写信号，等待从设备主设备获得总线控制权，发出地址信号和读写信号，等待从设备 t1: 主设备发出请求信号主设备发出请求信号 t2: 从设备发出应答信号，指示数据传送准备好从设备发出应答信号，指

43、示数据传送准备好 t3: 主设备释放请求信号，接收数据主设备释放请求信号，接收数据 t4: 从设备释放应答信号从设备释放应答信号AddressDataReadReqAckMaster Asserts AddressNext Addresst0 t1 t2 t3 t4 t5Slave Data计算机体系结构 Chapter6.52问题之二：主设备和从设备问题之二：主设备和从设备 MasterSlaveControl LinesAddress LinesData Lines总线主设备总线主设备: 具有控制总线，初始化总线事务能力的设备具有控制总线，初始化总线事务能力的设备总线从设备：由总线事务激活

44、的模块总线从设备：由总线事务激活的模块总线通信协议总线通信协议: 说明信息传送过程中发生的事件以及时序要求说明信息传送过程中发生的事件以及时序要求.计算机体系结构 Chapter6.53总线事务总线事务 仲裁仲裁: 确定哪个设备占用总线确定哪个设备占用总线 总线请求总线请求: 请求完成什么操作请求完成什么操作 响应操作响应操作: 响应请求所进行的操作响应请求所进行的操作计算机体系结构 Chapter6.54仲裁：总线的控制权仲裁：总线的控制权BusMasterBusSlaveControl: Master initiates requestsData can go either way 总线设

45、计的最重要的问题之一：总线设计的最重要的问题之一： 希望使用总线的设备如何占用总线希望使用总线的设备如何占用总线 只有总线主设备可以控制访问总线，它初始化事务，并控制所只有总线主设备可以控制访问总线，它初始化事务，并控制所用的总线请求。用的总线请求。 从设备只能响应读写请求从设备只能响应读写请求 最简单的系统最简单的系统 处理器是唯一的总线主设备处理器是唯一的总线主设备 所有的总线请求必须由处理器控制发出所有的总线请求必须由处理器控制发出 主要缺陷：处理器参与每一总线事务主要缺陷：处理器参与每一总线事务计算机体系结构 Chapter6.55多个总线主设备时需要仲裁逻辑多个总线主设备时需要仲裁逻

46、辑 总线仲裁方案总线仲裁方案: 需要使用总线的主设备发出总线请求需要使用总线的主设备发出总线请求 该请求信号未被确认前，主设备不能使用总线该请求信号未被确认前，主设备不能使用总线 一旦得到总线使用权，该设备使用完总线后，必须通知仲裁器一旦得到总线使用权，该设备使用完总线后，必须通知仲裁器 总线仲裁方案通常考虑以下两个因素总线仲裁方案通常考虑以下两个因素: 优先级：高优先级的设备优先使用总线优先级：高优先级的设备优先使用总线 公平性：低优先级的设备不能永远得不到服务公平性：低优先级的设备不能永远得不到服务 总线仲裁方案可以分为四类：总线仲裁方案可以分为四类： 菊花链仲裁方案菊花链仲裁方案 中央控

47、制的并行仲裁方案中央控制的并行仲裁方案 分布式自选方案：希望得到总线的设备将标识该设备的设备码放到总线上分布式自选方案：希望得到总线的设备将标识该设备的设备码放到总线上 分布式冲突检测方案：希望得到总线使用权的设备总是直接使用，发现有冲突时解分布式冲突检测方案：希望得到总线使用权的设备总是直接使用，发现有冲突时解决冲突决冲突计算机体系结构 Chapter6.56菊花链方案菊花链方案BusArbiterDevice 1HighestPriorityDevice NLowestPriorityDevice 2GrantGrantGrantReleaseRequestwired-OR 优点优点: 简

48、单简单 缺点缺点: 无法保证公平性无法保证公平性: 低优先级设备可能永远得不到总线使用权低优先级设备可能永远得不到总线使用权 使用菊花链确认信号也限制了总线的速度使用菊花链确认信号也限制了总线的速度计算机体系结构 Chapter6.57集中式仲裁方式集中式仲裁方式BusArbiterDevice 1Device NDevice 2GrantReq 所有的所有的processor-memory busses 和和high-speed I/O busses 都使用这种方式都使用这种方式计算机体系结构 Chapter6.586.3.5 6.3.5 总线的使用总线的使用计算机体系结构 Chapter6

49、.59提高总线带宽提高总线带宽 独立的地址线和数据线独立的地址线和数据线 VS. 分时复用地址线和数据线分时复用地址线和数据线 如果分别有地址线和数据线，地址信号和数据信号可以同时传送如果分别有地址线和数据线，地址信号和数据信号可以同时传送 开销开销: (a) 需要更多的信号线需要更多的信号线, (b) 增加了复杂性增加了复杂性 数据总线的宽度数据总线的宽度: 增加数据总线的宽度，使得可以用较少的总线周期传送多个字增加数据总线的宽度，使得可以用较少的总线周期传送多个字 例如例如: SPARCstation 20s memory bus 128位宽位宽 开销开销: 需要更多的信号线需要更多的信号

50、线 块传送模式块传送模式: 允许总线一次传送多个字允许总线一次传送多个字 只需要在开始时给出地址信息只需要在开始时给出地址信息 传送完一个字后，不放弃总线占用权，继续传送下一个字，直到传送完一块传送完一个字后，不放弃总线占用权，继续传送下一个字，直到传送完一块 开销开销: (a) 增加了复杂性增加了复杂性 (b) 请求的响应时间加长请求的响应时间加长计算机体系结构 Chapter6.60提高总线的吞吐率提高总线的吞吐率 仲裁与事务的执行重叠仲裁与事务的执行重叠 执行当前事务期间完成下一事务的仲裁执行当前事务期间完成下一事务的仲裁 Bus parking 只要没有其他主设备请求，当前主设备一直占

51、用总线，完成多个事务只要没有其他主设备请求，当前主设备一直占用总线，完成多个事务 包交换总线包交换总线 地址传送阶段与数据传送阶段完全分开地址传送阶段与数据传送阶段完全分开 这两个阶段分别仲裁这两个阶段分别仲裁 地址阶段有标识位来标识其对应的数据地址阶段有标识位来标识其对应的数据 以上技术是现代大多数存储器总线使用的技术以上技术是现代大多数存储器总线使用的技术计算机体系结构 Chapter6.61典型的总线典型的总线Parallel I/O busParallel I/O bus计算机体系结构 Chapter6.62典型的总线典型的总线Serial I/O busSerial I/O bus计

52、算机体系结构 Chapter6.63典型的总线典型的总线CPU-memory interconnectsCPU-memory interconnects计算机体系结构 Chapter6.646.4 I/O6.4 I/O与操作系统与操作系统 早期早期Unix很多使用很多使用16位微处理器作为位微处理器作为I/O控制器控制器 I/O与与Cache的数据一致性问题的数据一致性问题 3个个Copy cache, memory 和和disk 2个陈旧数据问题个陈旧数据问题-I/O系统将数据从系统将数据从memory-I/O，如果没有从如果没有从cache写回写回-I/O系统将数据从系统将数据从I/O-memory, I/O仅更新了仅更新了memory, 因此因此CPU见见到的是陈旧数据到的是陈旧数据 解决办法解决办法-第一个问题第一个问题: cache 写策略采用写策略采用write through，否则否则OS帮助进行帮助进行数据检查，如果数据检查，如果I/O所访问的数据块在所访问的数据块在cache中，则首先进行写回操中，则首先进行写回操作。作。-第二个问题：保证输入后，第二个问题：保证输入后，CPU使用最新数据。使用最新数据。(1)通过通过OS来保证来保证（2）通过硬件失效该）通过硬件失效该cache块块 DMA