不同I/O控制方式下磁盘开销计算

中断控制I/O方式

例题

假定一个字长为$32$位的CPU的主频为$500MHz$，即CPU每秒产生$500\times 10^6$个时钟周期。硬盘使用中断控制I/O方式进行数据传送，其传输速率为$4MB/s$，每次中断传输一个$16$字节的数据，要求没有任何数据传输被错过。每次中断的开销（包括用于中断响应和中断处理的时间）是$500$个时钟周期。如果硬盘仅有$5\%$的时间进行数据传送，那么，CPU用于硬盘数据传送的时间占整个CPU时间的百分比为多少？

解答

硬盘数据传送采用中断控制I/O方式，每次中断传输一个$16$字节的数据。为保证没有任何数据传输被错过，CPU每秒应该至少执行$4MB/16B=250\times 10^3$次中断，每秒内用于硬盘数据传输的时钟周期数为$250\times 10^3\times 500=125\times 10^6$，故CPU用于硬盘数据传送的时间占整个CPU时间的百分比为$125\times 10^6/(500\times 10^6)=25\%$。

假定硬盘不是一直在操作，而是仅有$5\%$的时间在工作，则CPU用于硬盘数据传送时的时间占整个CPU时间的百分比为$25\%\times 5\%=1.25\%$。

DMA控制I/O方式

例题

假定CPU的主频为$500MHz$。硬盘采用DMA方式进行数据传送，其数据传输率为$4MB/s$，每次DMA输的数据量为$8KB$，要求没有任何数据传输被错过。如果CPU在DMA初始化设置和启动硬盘操作等方面用了$1000$个时钟周期，并且在DMA传送完成后的中断处理需要$500$个时钟，则在硬盘$100$处于工作状态的情况下，CPU用于硬盘I0操作的时间占整个CPU时间的百分比大约是多少？

解答

从硬盘上读/写$8KB$的数据所需时间为$8KB/4MB/s=2.048ms\approx 2ms$，如果硬盘一直处于工作状态的话，为了不错过任何数据，CPU必须每秒有每秒有$1/(2\times 10^{-3})=0.5\times 10$次DMA传送，一秒内CPU用于硬盘I/O操作的时钟周期数为$0.5\times 10\times (1000+500)=750\times 10^3$。

因此，CPU用于硬盘I/O的时间占整个CPU时间的百分比大约为$750\times 10^3/(500\times 10^6)=1.5\times 10^{-3}=0.15\%$。