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Storage, Networks and Other Peripherals

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上面的设备统称为I/O设备，包括存储设备、网络设备和其他外设。

Three characters of I/O:

  • Behavior:Input (read once), output (write only, cannot read) ,or storage (can be reread and usually rewritten)

  • Partner:Either a human or a machine is at the other end of the I/O device, either feeding data on input or reading data on output.

  • Data Rate:The peak rate at which data can be transferred between the I/O device and the main memory or processor.

Disk

Disk由platters(盘片), tracks(磁道), sectors(扇区)组成。每个扇区的大小通常为512字节。

Info

Disk访问的时包括:

  • Seek Time:磁头移动到指定磁道的时间

  • Rotational Latency:等待所需扇区旋转到磁头下的时间

  • Transfer Time:读取或写入数据的时间

  • Controller Time:控制器处理数据的时间

Measure

  • MTTF:Mean Time To Failure,平均无故障时间

  • MTTR:Mean Time To Repair,平均修复时间

  • MTBF:Mean Time Between Failure = MTTF + MTTR,平均故障间隔时间

根据以上量，我们定义Availability为:

\[ Availability = \frac{MTTF}{MTTF + MTTR} \]

有三种方式提高MTTF:

  1. Fault Avoidance:避免故障

  2. Fault Tolerance:容错,增加冗余。Using redundancy to allow the service to comply with the service specification despite faults occurring, which applies primarily to hardware faults。

  3. Fault Forecasting:预测故障，适用于硬件与软件故障

RAID

RAID(Redundant Array of Independent Disks)是一种磁盘阵列技术，通过将数据分布在多个磁盘上，提高数据的可靠性和性能。

其可概括如下:

RAID 0

RAID 0是条带化技术，将数据块分布在多个磁盘上，提高读写性能。

但是它没有Redundancy，一旦一个磁盘损坏，所有数据都丢失。

RAID 1

RAID 1是镜像技术，每一个磁盘都有它的镜像，提高了数据的可靠性。

但是存储空间浪费比较严重，并且写入性能较差，因为需要同时写入两个磁盘。

RAID 3

RAID 3是通过奇偶校验位来实现冗余.它需要一个额外的盘来存储奇偶校验的结果。当一个硬盘损坏时，可以通过奇偶校验位来恢复数据。

图中的P(Parity)是奇偶校验盘。

Question

上课时有一个疑惑:这样通过奇偶校验的硬盘怎么知道哪个盘坏了呢?因为奇偶校验对不上可能是任何一个盘出现了问题。

RAID 4

RAID 3在Small Read(只读一个盘)上性能较差，因为每次读取都需要读取奇偶校验盘。而在RAID 4中，每个Sector都有自己的Error Detection,这样就可以同时读多个硬盘。

RAID写入的过程如下:

但是，RAID 4还存在一个问题，例如在同时写入上面的D0和D5时，由于它们都同时要写入P盘，这样就会造成P盘的写入冲突。

RAID 5

RAID的改进在于它将奇偶校验盘交错放置，这样就避免了RAID 4的写入冲突。

RAID 6

When a single failure correction is not sufficient, Parity can be generalized to have a second calculation over data and anther check disk of information.

Bus

一个总线通常由两部分组成:

  • Control Lines:signal requests and acknowledgments, and to indicate what types of information is on the data lines

  • Data Lines:carry information (e.g., data, addresses, and complex commands) between the source and the destination.

总线的传输有两部分:传输地址，送/收数据

Definition

input :inputting data from the device to memory

output :outputting data to a device from memory

异步时钟的总线通过握手协议来进行数据传输。

Bus Arbitration

总线仲裁是指多个设备同时请求总线时，如何决定哪个设备可以使用总线。

  • Centralized Arbitration:由一个中心设备来决定哪个设备可以使用总线

  • Self Selection:设备自己决定是否可以使用总线

  • Daisy Chain:设备按照顺序来决定是否可以使用总线

  • Collision Detection:设备检测到冲突后，等待一段时间再次请求总线

仲裁需要考虑优先级与公平性。

I/O与其他设备交互

I/O有三种交流是必备的:

  1. 操作系统必须能给I/O设备发送命令

  2. 设备必须能够在 I/O 设备完成操作或遇到错误时通知操作系统

  3. 数据必须能在内存与I/O之间传输

I/O与处理器交互

有三种方式:

  1. Polling:处理器每隔一段时间询问I/O设备是否完成操作(检查status bit)，能否进行下一个I/O操作

  2. Interrupts:I/O设备完成操作后，向处理器发送中断信号，处理器暂停当前操作，处理中断

  3. DMA:Direct Memory Access,直接内存访问，I/O设备直接访问内存，不需要处理器参与

Polling

缺点是处理器需要不断询问I/O设备是否完成操作，浪费CPU时间。

Interrupts

如图:

DMA

DMA的过程如下:

这里，CPU只负责告诉DMA什么时候要读写，DMA负责实际的读写操作。用文字描述的话，是以下三步:

  1. 处理器通过提供设备标识、操作类型、作为数据传输源或目标的内存地址以及传输字节数等信息来配置DMA。

  2. DMA控制器通过总线请求总线控制权，然后将数据从设备传输到内存或从内存传输到设备。

  3. 传输完成后，DMA控制器通过中断通知处理器，处理器检查中断，判断是成功还是出现error。

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