Если зависание компьютера и необходимость его перезапуска людей просто раздражает, то авария запоминающего устройства с потерей информации приводит их в ярость. Поэтому стандарт надежности для средств хранения информации намного выше, чем для средств вычисления. Сети также рассчитаны на сбои при передаче данных, включая ряд механизмов для обнаружения сбоев и восстановления после них. Поэтому в системах ввода-вывода обычно уделяется намного больше внимания надежности и стоимости, а в процессорах и памяти основное внимание уделяется производительности и стоимости.
При разработке систем ввода-вывода также должны учитываться возможности расширения и разнообразия устройств, что не характерно для процессоров. Возможности расширения зависят от емкости запоминающих устройств, еще одного конструктивного параметра для устройств ввода-вывода; для выполнения задач системам могут понадобиться минимально допустимые емкости запоминающих устройств.
Хотя для устройств ввода-вывода производительность играет не самую важную роль, здесь тоже не все так просто. Например, при работе с некоторыми устройствами основное внимание уделяется латентности доступа, а при работе с другими устройствами критическим параметром считается пропускная способность. Кроме того, производительность зависит от многих аспектов системы: характеристик устройства, связью между устройством и остальной системой, иерархии памяти и операционной системы. Все компоненты, от отдельных устройств ввода-вывода и до процессора и системного программного обеспечения, будут влиять на надежность, расширяемость и производительность задач, включающих ввод-вывод.
Устройства ввода-вывода отличаются невероятным разнообразием. Для организации этого разнообразия используются три характеристики:
- Поведение. Ввод (однократное чтение), вывод (только запись, без возможности чтения) или сохранение (может подвергаться повторному считыванию и обычно повторной записи).
- Партнер. Либо человек, либо машина на другом конце устройства ввода-вывода, либо поставка данных на вход, либо чтение данных на выходе.
- Скорость передачи данных. Пиковая скорость, с которой данные могут быть перенесены между устройством ввода-вывода и оперативной памятью или процессором. При проектировании систем ввода-вывода полезно знать максимальные требования, предъявляемые устройством.
Например, клавиатура в качестве устройства ввода используется с пиковой скоростью передами данных около 10 байт в секунду.
Четыре важных устройства ввода-вывода: мышь, графический дисплей, диск и сети. В данной главе будут более подробно рассмотрены запоминающие устройства и связанные с ними вопросы.
Порядок оценки производительности устройств ввода-вывода зависит от способа его применения. В некоторых обстоятельствах основное внимание уделяется полосе пропускания системы. В таких случаях наиболее важным показателем будет ширина полосы пропускания. Даже ширина полосы пропускания может быть оценена двумя разными способами:
- Какой объем данных можно переместить через систему за определенное время?
- Сколько операций ввода-вывода может быть выполнено за единицу времени?
Какая из оценок производительности лучше, может зависеть от конкретных обстоятельств. Например, во многих мультимедийных приложениях большинство запросов ввода-вывода касается длинных потоков данных, и важной характеристикой становится ширина полосы пропускания при передаче данных. При иных обстоятельствах может понадобиться обработка большого количества непродолжительных, не связанных между собой обращений к устройству ввода-вывода. Примером подобной среды может послужить офис по обработке налоговой информации в U.S. National Income Tax Service (NITS). Эта служба главным образом занимается обработкой большого количества форм в отведенные для этого сроки; каждая налоговая форма сохраняется отдельно и имеет сравнительно небольшой размер. Ей вполне может подойти система, ориентированная на передачу больших файлов, но система ввода-вывода, способная поддерживать одновременную передачу множества небольших файлов, может обойтись намного дешевле и может справиться с обработкой миллионов налоговых форм намного быстрее.
Разнообразие устройств ввода-вывода. Эти устройства могут различаться по предназначению: для ввода, для вывода или для хранения информации, по своим партнерам по связи (людям или другим компьютерам) и по пиковой скорости передачи данных. Скорости передачи данных охватывают восемь порядков. Заметьте, что сеть может быть как устройством ввода, так и устройством вывода, но не может быть использована для хранения информации. Скорости передачи данных для устройств всегда приводятся по основанию 10, поэтому J0 Мбит/с = 10 000 000 бит/с.
В других приложениях основное внимание уделяется времени отклика, которое, если вспомнить, является обшим временем, затраченным на выполнение конкретной задачи. Если запросы ввода-вывода слишком длинные, время отклика будет во многом зависеть от пропускной способности, но во многих средах большинство обращений будут короткими, и система ввода-вывода снизит латентность каждого обращения и предоставит наилучшее время отклика.
Большое количество приложений, особенно те, что используются для вычислений на обширном коммерческом рынке, требуют как высокой пропускной способности, так и короткого времени отклика. В качестве примера можно привести банкоматы, системы приема заказов и отслеживания имеющегося количества. В таких средах внимание уделяется и времени, которое затрачивается на каждую задачу, и количеству задач, обрабатываемых в секунду. Количество запросов к банкомату, которое можно обработать за час, не играет роли, если каждый такой запрос займет 15 минут — вы просто растеряете всех клиентов! Точно так же, если вы сможете быстро обработать каждый запрос к банкомату, но одновременно сможете обработать лишь небольшое количество запросов, вы не сможете обслуживать большое количество банкоматов, или же стоимость компьютерного оборудования, приходящаяся на каждый банкомат, будет слишком высока.
Таким образом, от безотказности и стоимости систем ввода-вывода зависят три класса: настольных компьютеров, серверов и встроенных компьютеров. Настольные компьютеры и встроенные системы фокусируются главным образом на времени отклика и многообразии устройств ввода-вывода, а серверные системы – на пропускной способности и расширяемости устройств ввода-вывода.