【正文】 yr) and bandwidth (40%/yr) ? Slow improvement in seek, rotation (8%/yr) ? Time to read whole disk Year Sequentially Randomly (1 sector/seek) 1990 4 minutes 6 hours 2022 12 minutes 1 week(!) 2022 56 minutes 3 weeks (SCSI) 2022 171 minutes 7 weeks (SATA) 北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室 存貯設(shè)備 : 磁盤 扇區(qū)（ Sector） 磁道（ Track） 柱面（ Cylinder） 磁頭（ Head） 盤片（ Platter） ? 用途 ? 長(zhǎng)期、非易失的存貯 ? 在存貯層次中，大容量、廉價(jià)、較慢的級(jí)別 ? 特性 ? 尋道時(shí)間 (平均 8 ms左右 ) ? 定位延遲（ positional latency） ? 旋轉(zhuǎn)延遲（ rotational latency） ? 傳輸率 ? 大約每毫秒一個(gè)扇區(qū) (515 MB/s) ? 成塊 ? 容量 ? Gigabytes ? 三年四倍 7200 RPM = 120 RPS = 8 ms per rev ave rot. latency = 4 ms 128 sectors per track = ms per sector 1 KB per sector = 16 MB / s 響應(yīng)時(shí)間 = 排隊(duì) + 控制器 + 尋道 + 旋轉(zhuǎn) + 傳輸 服務(wù)時(shí)間 北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室 磁盤面密度： Disk Areal Density ? Bits recorded along a track ? Metric is 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 Ye a r A re a l D e n s i t y1973 2 1979 8 1989 63 1997 3 , 0 9 0 2022 1 7 , 1 0 0 2022 1 3 0 , 0 0 0 1101001 , 0 0 01 0 , 0 0 01 0 0 , 0 0 01 , 0 0 0 , 0 0 01970 1980 1990 2022 2022Y e a rAreal Density北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室 1 inch disk drive! ? 2022 IBM MicroDrive: ? ” x ” x ” ? 1 GB, 3600 RPM, 5 MB/s, 15 ms seek ? Digital camera, PalmPC? ? 2022 MicroDrive? ? 9 GB, 50 MB/s! ? Assuming it finds a niche in a successful product ? Assuming past trends continue 北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室 磁帶與磁盤 ?縱向磁帶使用與磁盤相同的工藝技術(shù)；同樣的密度改進(jìn) ? 磁盤的磁頭在磁盤表面上方，而磁帶在表面上（接觸） ? 磁盤固定、磁帶可移動(dòng) ?內(nèi)在的成本 性能 依賴于 其幾何形狀： ? 具有一定縫隙固定的旋轉(zhuǎn)盤片 (隨機(jī)訪問(wèn)、限制尺寸、 1 media / reader) 與 ? 可移動(dòng)的長(zhǎng)帶、纏繞在線軸上 (順序訪問(wèn)、“無(wú)限”長(zhǎng)度、 multiple / reader) ?新工藝技術(shù)趨勢(shì) ? 螺旋掃描 (錄像帶 , 數(shù)字錄音帶 ) ? 與磁帶成一定角度旋轉(zhuǎn)磁頭來(lái)改進(jìn)密度 北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室 當(dāng)前磁帶的缺陷 ? 磁帶磨損 ? 螺旋式磁帶上百次 縱向磁帶上千次 ? 磁頭磨損 ? 螺旋式 2022小時(shí) ? 兩者都必須考慮 經(jīng)濟(jì) /可靠 ? 纏繞、退帶、裝帶、旋轉(zhuǎn)次數(shù)多 并不是必然如此，只是目前為止尚沒(méi)有進(jìn)一步市場(chǎng)需求 ? 針對(duì)歸檔需求設(shè)計(jì) 北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室 Current Drawbacks to Tape ? Tape wear out: ? Helical 100s of passes to 1000s for longitudinal ? Head wear out: ? 2022 hours for helical ? Both must be accounted for in economic / reliability model ? Bits stretch ? Readers must be patible with multiple generations of media ? Long rewind, eject, load, spinup times。 + + D039。I/O總線 沒(méi)有獨(dú)立的 I/O指令 CPU Interface Interface Peripheral Peripheral Memory $ CPU L2 $ 存儲(chǔ)器總線 Memory Bus Adaptor I/O 總線 北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室 可編程 I/O (輪詢） CPU IOC device Memory 數(shù)據(jù)是否 準(zhǔn)備好 ? 讀數(shù)據(jù) 存數(shù)據(jù) yes no done? no yes 若忙就循環(huán)等待 不能很有效地利用 除非設(shè)備非?？?！ 但需要不斷檢測(cè) I/O I/O工作可以分散到 計(jì)算代碼之中 北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室 中斷驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸 CPU IOC device Memory add sub and or nop read store ... rti 存儲(chǔ)器 用戶程序 (1) I/O中斷 (2) 保存 PC (3) 中斷服務(wù)地址 中斷 服務(wù) 例程 (4) 設(shè)備傳輸率 = 10 MBytes/sec = 0 .1 x 106 sec/byte = ?sec/byte = 1000 bytes = 100 ?sec 1000次傳輸 x 100 ?sec = 100 ms = CPU seconds 用戶程序僅在實(shí)際傳輸中才暫停 以每 1ms一次的速率傳輸 1000次： 1000次中斷（每 2微秒一次中斷） 1000次中斷服務(wù)（每次 98微秒） = CPU秒 離設(shè)備傳輸率還有很大空間！中斷開銷的 1/2 北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室 直接存儲(chǔ)器訪問(wèn) CPU IOC device Memory DMAC 以每毫秒一次的速率完成 1000次傳輸?shù)臅r(shí)間： 1 DMA建立時(shí)間 50 ?sec 1 次中斷 2 ?sec 1 次中斷服務(wù) 48 ?sec 秒的 CPU時(shí)間 CPU向 DMAC發(fā)送開始地址、方向 ； 然后，發(fā)射“開始”命令。 北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室 基于總線的互聯(lián)（續(xù)） ? 兩種基本總線類型： ? I/O總線：很長(zhǎng)、互聯(lián)很多類型的設(shè)備、數(shù)據(jù)帶寬的變化范圍大，并且遵從總線標(biāo)準(zhǔn) (有時(shí)，也被稱為一個(gè)“通道（channel）” ) ? CPU的存儲(chǔ)總線：高速、 與存儲(chǔ)系統(tǒng)匹配以獲得最大的存儲(chǔ)器 CPU帶寬，單一設(shè)備 (有時(shí)也稱為“ backplane”) ? 為降低成本，將低成本 (較舊的 ) 系統(tǒng)聯(lián)接起來(lái) ? 總線事務(wù) ? 發(fā)送地址，并接收或發(fā)送數(shù)據(jù) 北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室 總線協(xié)議 主設(shè)備 從設(shè)備 控制線 地址線 數(shù)據(jù)線 Multibus: 20根地址線、 16根數(shù)據(jù)線、 5根控制線， 50ns暫停 總線主設(shè)備 : 具有控制總線的能力，發(fā)起總線事務(wù) 總線從設(shè)備： 被總線事務(wù)激活的模塊 總線通信協(xié)議： 在傳輸信息中的事件序列的規(guī)范和定時(shí)需求規(guī)范。Proc I/O Contr oller 請(qǐng)求 /響應(yīng) 阻塞接口（ block interface） 訪問(wèn)主機(jī)存儲(chǔ)器的后門 北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室 I/O 數(shù)據(jù)流 高性能的障礙：多拷貝、復(fù)雜層次 存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器拷貝 外設(shè)總線上的 DMA 磁盤通道上的傳輸 串行接口上的傳輸 應(yīng)用 地址空間 操作系統(tǒng)緩沖器（ 10M字節(jié)） 緩沖器（ 1M~4M字節(jié)） Track緩沖器（ 32K~256K字節(jié)） I/O設(shè)備 主處理器 I/O控制器 嵌入式控制器 磁頭 /磁盤 北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室 Main ponents of Intel Chipset: Pentium 4 ? Northbridge: ? Handles memory ? Graphics ? Southbridge: I/O ? PCI bus ? Disk controllers ? USB controllers ? Audio ? Serial I/O ? Interrupt controller ? Timers