第六章 计算机输入输出系统.doc

第六章 计算机输入输出系统 6.1 引言 计算机输入输出系统(通称I/O系统)担负着计算机与外界交换信息的任务，早在冯.诺依曼时代就被作为计算机体系结构的一个重要组成部分。然而，许多年以来，I/O系统没有得到足够的重视，它只是被作为外围设备看待。计算机体系结构设计者们重视的是用户程序运行的CPU时间，而I/O系统在程序执行所花的时间无论是多是少，都作为一种额外的开销而被忽略了。 但实际上I/O系统的速度是重要的，对用户而言，他们感受的不是单纯的CPU时间，而是程序的执行时间(Execution time)，I/O系统的速度对整个程序的执行时间有重要影响，我们假设某计算机CPU处理的时间占总处理时间的90%，而I/O处理时间仅占总处理时间的10%，根据Amdahl定理，即使CPU的处理速度提高10倍，而I/O系统的速度没有提高，则程序总的处理速度(执行时间的倒数)只能提高1/(0.1+0.9/10)=1/(0.1+0.09)=1/0.19≈5倍，也就是说，有一半的CPU速度提高被浪费了。即使CPU处理速度提高100倍，在同样的情况，总的性能也仅能提高1/(0.1+0.1/100=1/(0.1+0.009)≈10倍，我们可以清楚地看到，这已经是总的处理速度提高的上限了，无论再使用什么办法，使CPU与I/O系统并行工作也好，再提高CPU速度也好，都不可能使总的处理速度提高了。如果I/O系统的速度停滞不前，在计算机体系机构方面的任何其它改进工作都将是徒劳的。 但这只是单进程操作系统的情况，也许有人会这样说，在多进程操作系统中，通过合适的进程调度可使CPU不是空下来等待I/O系统工作的结束，而是继续执行其它进程，这样I/O速度的快慢就无关轻重了。然而事实并非如此。首先，这种方法虽能维持整个操作系统中吞吐量不变，提高CPU的利用率。但对于用户来说，仍然没有解决执行时间延长的问题，他仍然必须等待I/O操作结束，甚至，由于进程切换带来的开销，他的程序运行时间反而会更长、更费时，在大多数桌面系统的PC机和工作站上，并没有很多的进程可以进行这种时间共享，从而使CPU的空闲成为不可避免。另外，多进程操作系统中，一般都必须使用盘交换区和虚拟内存技术以容纳好几个进程，而这两项技术的性能，深深地依赖于I/O系统，依赖于外部存储系统的速度。 在计算机技术突飞猛进的今天，I/O系统的重要性正与日俱增，除了存储系统(Storage System)的重要性已经为人所知之外，随着计算机网络化和网络并行计算技术的发展，网络I/O的性能提高也正成为一个引人注目的研究焦点，在第十章将介绍这方面的研究，此外，一直为人们所忽视，并被看作低速设备的数据表示系统(data presentation)，也由于多媒体技术的兴起，而有了新的研究课题。 6.2输入/输出设备类型 I/O设备可分为三大类： 6.2.1数据表示设备 这类I/O设备的主要功能是在计算机处理器和用户之间传递信息，它主要包括显示器，键盘等人-机交互设备，但也有一些用于控制其它电子设备的信号输出输入设备可归入此类。这些设备通常为计算机提供其运行时所需的大部分输入信息，同时输出计算机运行的最后结果，并反馈给用户。图6.1引出了一些最常用的数据表示设备和它们的数据速率(data rate)。 设备 传感器 键盘 通讯线 CRT显示器 行式打印机 磁带机 数据速率 1B/s-1kB/s 10B/s 30B/s--- 200kB/s 2kB/s 1.8kB/s 0.5-2MB/s 图6.1 常见数据表I/O设备及其数据率 以前，数据表示设备常被认为是非常慢速的设备，但随着计算机多媒体技术的发展，许多新的数据表示方法出现了，如图6.2，它们要求很高的速度，并对时延有着很高的要求，这些新的表示技术包括高速图形显示及视频显示，声音输入/输出。要达到满意的输出结果，需要计算数量庞大的数据，以至于不得不设计专用的处理器来处理诸如色彩显示，三维造型的动画这样一些图形的数据来源，而视频显示的主要问题来自于它的实时显示要求，因为视频显示两帧之间的时间不能大于1/30秒，否则会产生闪烁感。为了减轻对设备的压力，通常都采用数据压缩的方法，使数据量下降，但也产生了解压缩的问题。声音是又一种数据量很大的数据表示方式，它的实时输出和识别也是很费时的，这些新的数据表示方法不仅对I/O系统提出了很高的要求，对处理器的速度也提出了新的要求。同时这样新的技术也扩展了计算机输入/输出设备的范畴，促进了I/O系统技术的发展。 多媒体数据表示设备 图形 视频 声音 数据速率 1MB/s 100MB/s 64kB/s 最大允许时延 1-5秒 约20毫秒 50-300毫秒 图6.2 多媒体数据表示设备的参数一览 6.2.2网络通讯设备 网络通讯设备的功