输入输出系统--_I_O系统性能分析

1、1236.6 I/O系统性能分析 6.6.1 I/O性能与系统响应时间 1. I/O系统的性能分析模型模拟和实际测量的方法来衡量。模型模拟和实际测量的方法来衡量。 对对I/OI/O系统建立模型后，可以使用排队理论进系统建立模型后，可以使用排队理论进 行分析。行分析。 设计出来的设计出来的I/OI/O系统还可以通过基准测试程序系统还可以通过基准测试程序 进行实际测量。进行实际测量。 第六章 输入/输出系统虚拟存储器的特点2232. 衡量I/O系统的性能的标准 I/O I/O系统的多样性：哪些系统的多样性：哪些I/OI/O设备可以和计算设备可以和计算 机系统相连接。机系统相连接。 I/O I/O系

2、统的容量：系统的容量：I/OI/O系统可以容纳多少系统可以容纳多少I/OI/O 设备。设备。 I/OI/O吞吐量吞吐量有时也被称为有时也被称为I/OI/O带宽。带宽。 I/OI/O响应时间响应时间有时被称为响应延迟。有时被称为响应延迟。6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点3233. 一个简单的生产服务模型 6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点4234. 吞吐量和响应时间 0501001502002503000%20%40%60%80%100%实际吞吐量实际吞吐量/ /最大吞吐量最大吞吐量响应时间（响应时间（msms）6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点523 获得较大吞

3、吐率和较小响应时间是相互矛获得较大吞吐率和较小响应时间是相互矛盾的，如何进行折衷是计算机体系结构要研究盾的，如何进行折衷是计算机体系结构要研究的问题。的问题。 051015图形系统（图形系统（0.3s0.3s）图形系统（图形系统（1s1s）键盘系统（键盘系统（0.3s0.3s）键盘系统（键盘系统（1s1s）时间（时间（s s）进入时间系统响应时间思考时间键盘输入系统和图形输入系统的事务处理时间键盘输入系统和图形输入系统的事务处理时间 6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点623计算机的一次事务处理的时间被分为三个部分：计算机的一次事务处理的时间被分为三个部分： (1)(1) 进入时间：进

4、入时间：用户输入命令的时间。用户输入命令的时间。 (2)(2) 系统响应时间：系统响应时间：用户输入命令后到计算机的响用户输入命令后到计算机的响 应结果被显示出来的时间间隔。应结果被显示出来的时间间隔。(3) (3) 思考时间：思考时间：系统响应后到用户开始输入下一条系统响应后到用户开始输入下一条 命令的时间间隔。命令的时间间隔。 研究表明研究表明: : 用户的工作效率与事务处理时间成反比，用户的工作效率与事务处理时间成反比， 可以用单位时间内处理的事务数量来衡可以用单位时间内处理的事务数量来衡 量工作效率。量工作效率。 6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点7236.6.2 Littl

5、e定律1. 黑箱（Black Box）黑箱黑箱到达任务到达任务离开任务离开任务稳定状态：稳定状态：系统的输入速率系统的输入速率= = 输出速率输出速率 2. Little定律系统中的平均任务数到达率系统中的平均任务数到达率平均响应时间平均响应时间6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点8233. 证明 假定对一个系统测量时间假定对一个系统测量时间: :T Tobserveobserve统计在此期间统计在此期间: : 完成的任务数完成的任务数: :N Ntaskstasks 每个任务的实际完成时间每个任务的实际完成时间 将这些时间求和得到将这些时间求和得到T Taccumulatedaccu

6、mulated6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点923Little定律：定律：系统中的平均任务数为到达率与平系统中的平均任务数为到达率与平 均响应时间的乘积。均响应时间的乘积。observedaccumulateTT=平均任务数平均任务数tasksdaccumulateNT=平均响应时间平均响应时间observetasksTN=任务到达率任务到达率observetaskstasksdaccumulateobservedaccumulateTNNTTT =6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点10236.6.3 M/M/1排队系统1. 简单的排队系统I/O控制器及外设队列队列服务

7、员服务员任务到达任务到达 假定假定I/OI/O请求的到达时间和服务员的服务时请求的到达时间和服务员的服务时间服从指数分布。间服从指数分布。 6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点11232. 排队系统参数 S：任务的平均服务时间任务的平均服务时间 ：任务的服务速率，任务的服务速率， = 1/S W：平均排队延迟平均排队延迟 R：平均响应时间；平均响应时间；R = S + W ：任务的到达率任务的到达率 ：服务员利用率（服务强度），服务员利用率（服务强度）， = / ns：正在服务的平均任务数正在服务的平均任务数6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点1223nq：队列的平均长度队列的

8、平均长度n：平均任务数，平均任务数，n=ns+nq；n = Rm：服务员个数服务员个数3. M/M/1排队系统的一般假设 系统为一个平衡系统；系统为一个平衡系统； 连续两个到达请求的间隔时间服从指数分连续两个到达请求的间隔时间服从指数分 布，其均值为平均到达时间；布，其均值为平均到达时间； 请求的个数不受限制；请求的个数不受限制；6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点1323 队列的长度不受限制，排队规则为队列的长度不受限制，排队规则为FIFOFIFO； 系统只有一个服务员。系统只有一个服务员。4. 若M/M/1模型的到达率为，服务率为，1个服务 员。相关的分析结论有： 系统服务强度系统

9、服务强度 = = / / 系统中没有任务的概率系统中没有任务的概率 P P0 0=1-=1- 系统中有系统中有n n个任务的概率个任务的概率 P Pn n=(1-=(1- ) )* * n n ， n=0,1,2,n=0,1,2, , 6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点1423 系统中平均任务数量系统中平均任务数量 E(n)=E(n)= /(1-/(1- ) ) 队列中平均任务数队列中平均任务数 E(nE(nq q)=)= 2 2/(1-/(1- ) ) 系统平均响应时间系统平均响应时间 E(R)=(1/E(R)=(1/ )/(1-)/(1- ) ) 任务在队列中的平均等待时间任务在

10、队列中的平均等待时间 E(W)=E(W)= - - 1/16.6 I/O系统性能分析 1523 例例6.36.3 某处理器每秒发出某处理器每秒发出4040次磁盘次磁盘I/OI/O请求，这请求，这些请求服从指数分布。些请求服从指数分布。 假定磁盘完成这些请求的服务时间服从均值假定磁盘完成这些请求的服务时间服从均值 为为20ms20ms的指数分布。试计算磁盘的平均利用的指数分布。试计算磁盘的平均利用 率、请求在队列中的平均等待时间以及磁盘率、请求在队列中的平均等待时间以及磁盘 请求的平均响应时间。请求的平均响应时间。 假定磁盘完成这些请求的服务时间服从均值假定磁盘完成这些请求的服务时间服从均值 为

11、为10ms10ms的指数分布，重新计算。的指数分布，重新计算。6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点1623 解解 如果磁盘完成这些请求的服务时间服从均值如果磁盘完成这些请求的服务时间服从均值为为20ms20ms的指数分布，则的指数分布，则磁盘磁盘I/OI/O请求的到达率请求的到达率 =40(=40(个个/s)/s)磁盘完成磁盘完成I/OI/O请求的服务率请求的服务率 =1/0.02=50(=1/0.02=50(个个/s)/s)磁盘的平均利用率磁盘的平均利用率 = = / / =40/50=0.8=40/50=0.8该系统可以用该系统可以用M/M/1M/M/1排队模型的结论，故：排队模型

12、的结论，故：平均等待时间平均等待时间= = = =磁盘利用率磁盘利用率磁盘利用率磁盘利用率平均服务时间平均服务时间1 ) s (0808 . 018 . 002. 0= =- - 6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点1723平均响应时间平均响应时间 = = 平均等待时间平均等待时间+ +平均服务时间平均服务时间 = 0.08+0.02=0.1(s)= 0.08+0.02=0.1(s)即：有即：有80%80%的响应时间花费在队列中等待的响应时间花费在队列中等待 如果磁盘完成这些请求的服务时间服从均值为如果磁盘完成这些请求的服务时间服从均值为 10ms的指数分布，的指数分布，磁盘磁盘I/O

13、I/O请求的到达率请求的到达率 =40(=40(个个/s)/s)完成完成I/OI/O请求的服务率请求的服务率 =1/0.01=100(=1/0.01=100(个个/s)/s)磁盘的平均利用率磁盘的平均利用率 = = / / =40/100=0.4=40/100=0.46.6 I/O系统性能分析 1823平均等待时间平均等待时间 = = 平均响应时间平均响应时间= 平均等待时间平均等待时间+平均服务时间平均服务时间 = 0.0067 +0.01= 0.0167(s)服务速率提高服务速率提高1倍，响应时间减少倍，响应时间减少5/6 。磁盘利用率磁盘利用率磁盘利用率磁盘利用率平均服务时间平均服务时间

14、1 ) s (0067. 04 . 014 . 002. 0= =- - 6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点19235. 若M/M/m模型将M/M/1模型的服务员修改为m个， 相关的分析结论有： 系统服务强度系统服务强度 = = /(m/(m* * ) ) 系统中没有任务的概率系统中没有任务的概率 P P0 0= = 系统中有系统中有n n个任务的概率个任务的概率 P Pn n= =11m1nnm!n)m()1 ( !m)m(1 - - -= = + + - - + + mn,!mmPmn,!n)m(Pnm0n06.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点2023 队列中有顾客的概率

15、队列中有顾客的概率 P Pe e= = 系统中平均任务数量系统中平均任务数量 E(n)=mE(n)=m +P+Pe e /(1-/(1- ) ) 队列中平均任务数队列中平均任务数 E(nE(nq q)=P)=Pe e /(1-/(1- ) ) 系统平均响应时间系统平均响应时间 E(R)=E(R)= 队列中的平均等待时间队列中的平均等待时间 E(W)=PE(W)=Pe e/m/m (1-(1- ) 0mP)1 ( !m)m( - - )1 (mP1 (1e - -+ + 6.6 I/O系统性能分析 2123 例例6.46.4 在例在例6.36.3的基础上，给磁盘的基础上，给磁盘I/OI/O系统增

16、加系统增加一个磁盘，该磁盘是另一个磁盘的镜像，故访问可一个磁盘，该磁盘是另一个磁盘的镜像，故访问可以从任意一个磁盘上得到数据。假定对磁盘的以从任意一个磁盘上得到数据。假定对磁盘的I/OI/O操操作均为读操作，重新计算。作均为读操作，重新计算。 解解 使用两个磁盘，该系统为使用两个磁盘，该系统为M/M/2M/M/2系统。系统。 磁盘磁盘I/OI/O请求的到达率请求的到达率 =40(=40(个个/s)/s) 完成完成I/OI/O请求的服务率请求的服务率 =1/0.02=50(=1/0.02=50(个个/s)/s) 磁盘的平均利用率磁盘的平均利用率 =(=( / / )/2=0.4)/2=0.4 该

17、系统可以用该系统可以用M/M/mM/M/m排队模型的结论：排队模型的结论：6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点2223系统中没有任务的概率系统中没有任务的概率 P P0 0= =395. 08 . 0533. 01 !n)2()1 (! 2)2(1 1111nn2 + + += = + + - - + +- - -= = 该系统可以用该系统可以用M/M/mM/M/m排队模型的结论：排队模型的结论：队列中有顾客的概率队列中有顾客的概率 P Pe e= = 229. 0395. 0)4 . 01 ( ! 2)4 . 02(P)1 ( ! 2)2(202= =- - = = - - 6.6 I/O系统性能分析 虚拟存储器的特点2323平均等待时间平均等待时间 E(W)=PE(W)=Pe