IO-time梳理

IO-机械硬盘

访问机械硬盘（HDD）时的 I/O 操作时间由多个因素决定，主要包括寻道时间、旋转延迟以及数据传输时间。以下是对这三个时间的详细解释：

1. 寻道时间（Seek Time）

定义：寻道时间是指磁盘驱动器的读/写磁头移动到目标磁道所需的时间。由于机械硬盘的读/写磁头需要物理移动到正确的位置，这一过程会消耗一定的时间。
典型值：对于现代机械硬盘，寻道时间通常在 3 到 12 毫秒 之间。平均寻道时间通常是指磁头从一个随机位置移动到另一个随机位置的平均时间。

2. 旋转延迟（Rotational Latency）

定义：旋转延迟是指在磁头到达目标磁道后，等待目标扇区旋转到磁头下方所需要的时间。由于磁盘是旋转的，磁头可能需要等待目标扇区旋转到磁头位置。
典型值：旋转延迟取决于磁盘的旋转速度（通常以 RPM，即每分钟转速来表示）。对于一个 7200 RPM 的磁盘，旋转一圈需要 60 / 7200 ≈ 8.33 毫秒。平均旋转延迟是半圈时间，大约是 4.17 毫秒。
公式：平均旋转延迟 = (60 秒 / RPM) / 2

3. 数据传输时间（Data Transfer Time）

定义：数据传输时间是指从磁盘读取数据或向磁盘写入数据所需的时间。传输时间取决于磁盘的传输速率以及要传输的数据量。
典型值：现代机械硬盘的传输速率通常在 100 到 200 MB/s 之间。传输时间通常远小于寻道时间和旋转延迟，尤其是当数据量较小时。

4. 单次 I/O 操作的时间估算

对于一次随机 I/O 操作，假设访问的目标数据不在缓存中，具体时间由以下部分组成：

寻道时间：假设为 10 毫秒。
旋转延迟：对于 7200 RPM 的磁盘，平均旋转延迟约为 4.17 毫秒。
数据传输时间：假设传输 4 KB 数据，传输速率为 150 MB/s，传输时间为：

因此，一次 I/O 操作的总时间大致为：总时间≈寻道时间+旋转延迟+传输时间≈10 毫秒+4.17 毫秒+0.027 毫秒≈14.197 毫秒

IO-固态硬盘

SSD 的工作原理，包括 NAND 闪存的特性、SSD 控制器的作用、以及 I/O 操作的具体类型（读、写、或擦除）。以下是从原理角度对 SSD I/O 操作时间的详细分析。

1. SSD 结构与工作原理

1.1 NAND 闪存架构

页（Page）：
- NAND 闪存的最小可编程单元。
- 通常为 4 KB 或 8 KB 大小。
- 读取和写入操作通常以页为单位进行。
块（Block）：
- 多个页组成一个块，通常为 128 KB 到 256 KB 大小。
- 写入操作之前，如果目标页所在的块未被擦除，必须先擦除整个块。
- 擦除操作只能以块为单位进行。
NAND 闪存操作的典型时序：
- 读取时间：通常在 50 微秒到 100 微秒 之间。
- 写入时间：通常在 200 微秒到 1 毫秒 之间。
- 擦除时间：通常在 1 到 3 毫秒 之间。

1.2 SSD 控制器

并行访问和通道：
- 现代 SSD 控制器可以并行访问多个 NAND 闪存芯片，从而提高 I/O 操作的吞吐量。
- 通过多通道架构，SSD 能够同时处理多个 I/O 请求。
缓存（DRAM 缓存和 SLC 缓存）：
- SSD 使用 DRAM 缓存暂存数据和元数据，以加速数据访问。
- 部分 SSD 使用 SLC 闪存作为写入缓存，以提高写入性能。
垃圾回收和磨损均衡：
- 为了延长 NAND 闪存的寿命，SSD 控制器会执行垃圾回收、磨损均衡等操作，这些操作会占用部分 I/O 带宽。

2. I/O 操作时间的计算

2.1 读取操作

基础读取操作：
- 读取操作的时间主要由 NAND 闪存的读取延迟决定。
- 典型的 NAND 闪存页读取时间在 50 到 100 微秒 之间。
并行性与缓存：
- 如果数据位于 DRAM 缓存中，读取时间可能降至 几微秒。
- 如果 SSD 控制器能够并行访问多个闪存芯片，单次读取操作的有效时间可能会进一步降低。

2.2 写入操作

基础写入操作
- 写入操作时间取决于 NAND 闪存页的编程时间，通常为 200 微秒到 1 毫秒 之间。
缓存写入
- 如果 SSD 使用 SLC 缓存，写入操作会首先写入 SLC 缓存，这种情况下写入速度会更快。
写入放大效应
- 写入操作可能涉及垃圾回收，即在写入新数据之前需要擦除旧数据所在的块。这种额外的操作会增加写入时间。

2.3 擦除操作

块擦除时间
- 擦除一个块的时间通常在 1 到 3 毫秒 之间。
- 擦除操作通常在后台进行，并由 SSD 控制器管理，尽量避免影响前台 I/O 操作的性能。

3. 实际 I/O 操作时间估算

3.1 典型的读取操作时间

假设读取操作需要访问 NAND 闪存，且没有缓存命中：
- 页读取时间：100 微秒。
- 如果并行度较高，实际读取时间可能会小于 100 微秒。
结论：一次典型的 SSD 读取操作时间大约在 50 到 100 微秒 范围内。

3.2 典型的写入操作时间

假设写入操作需要写入 NAND 闪存，且需要进行垃圾回收：
- 页写入时间：200 微秒到 1 毫秒。
- 擦除时间（如果涉及）：1 到 3 毫秒。
结论：一次典型的 SSD 写入操作时间大约在 200 微秒到 1 毫秒 范围内。如果涉及块擦除，时间可能会增加到 1 到 3 毫秒。

4. 影响 I/O 性能的其他因素

4.1 并行性与多通道架构

现代 SSD 通过并行访问多个 NAND 闪存芯片来提高吞吐量和降低延迟。因此，实际的 I/O 操作时间可能小于理论上的单次操作时间。

4.2 缓存效应

DRAM 缓存和 SLC 缓存可以显著降低 I/O 操作的延迟，尤其是对于小规模的随机读写操作。

4.3 垃圾回收与磨损均衡

这些后台操作可能增加写入操作的时间，尤其是在 SSD 容量接近满载时。

4.4 I/O 合并与调度

SSD 控制器可以合并多个小 I/O 请求，从而提高整体 I/O 性能，减少单次操作的平均时间。

总结

读取操作时间：一次典型的 SSD 读取操作时间大约在 50 到 100 微秒 之间。
写入操作时间：一次典型的 SSD 写入操作时间大约在 200 微秒到 1 毫秒 之间，如果涉及垃圾回收，时间可能增加到 1 到 3 毫秒。

在内存（RAM）中执行 I/O 操作的速度是非常快的。相比于机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD），内存的访问时间在几个数量级上更短。以下是从原理角度详细说明在内存中进行一次 I/O 操作需要的时间。

IO-内存

1. 内存架构与访问原理

1.1 内存层次结构

计算机系统的内存层次结构通常包括以下几层，从最快（但容量最小）到最慢（但容量最大）依次是：

寄存器（Registers）：CPU 内部的存储单元，访问时间通常在 1 纳秒 以内。
L1、L2、L3 缓存：位于 CPU 内部或与 CPU 紧密耦合，访问时间通常在 1 到 10 纳秒（L1 缓存）和 10 到 50 纳秒（L2、L3 缓存）之间。
主内存（DRAM）：即通常所说的内存条，访问时间通常在 50 到 100 纳秒 之间。

1.2 内存访问的基本操作

当 CPU 需要访问内存中的数据时，通常会经历以下几个步骤：

地址生成：CPU 根据指令生成内存地址。
缓存查找

：CPU 查询内部缓存（L1、L2、L3）是否包含所需数据。
- 如果缓存命中（Cache Hit），数据直接从缓存中读取，访问时间在几纳秒到几十纳秒之间。
- 如果缓存未命中（Cache Miss），则需要访问主内存（DRAM）。
内存控制器操作：如果需要访问 DRAM，内存控制器（通常集成在 CPU 或芯片组中）将管理数据的读取或写入操作。
数据传输：数据通过内存总线传送到 CPU 或写入到内存中。

2. 内存 I/O 操作时间的构成

2.1 DRAM 访问时间

内存访问的时间主要由以下几个部分构成：

CAS 延迟（Column Access Strobe Latency, CL）：
- 这是内存控制器发出列地址后，数据准备好所需的时间。
- 典型值为 10 到 20 纳秒，具体取决于内存类型和频率。
行预充电（Row Precharge Time, tRP）：
- 在访问新的行（即不同的内存地址）之前，必须关闭当前行，这个操作称为行预充电。
- 典型值为 10 到 15 纳秒。
RAS 到 CAS 延迟（Row Address to Column Address Delay, tRCD）：
- 这是内存控制器发出行地址到列地址之间的延迟时间。
- 典型值为 10 到 15 纳秒。
总线传输时间：
- 一旦数据准备好，通过内存总线传输到 CPU 的时间通常非常短，特别是对于现代高频率内存，总线传输时间通常在 几纳秒到十几纳秒。

2.2 内存访问时间估算

假设我们正在使用 DDR4-3200 内存，以下是一个典型的内存访问时间估算：

CAS 延迟：假设为 15 纳秒（CL = 15）。
行预充电时间：假设为 15 纳秒（tRP = 15 纳秒）。
RAS 到 CAS 延迟：假设为 15 纳秒（tRCD = 15 纳秒）。

总的访问时间可以估算为：

总访问时间≈tRCD+CL+tRP≈15 纳秒+15 纳秒+15 纳秒=45 纳秒总访问时间≈tRCD+CL+tRP≈15 纳秒+15 纳秒+15 纳秒=45 纳秒

3. 内存与 CPU 缓存的交互

3.1 缓存命中和未命中

缓存命中：如果所请求的数据已经在 CPU 缓存中，则访问时间会非常短，通常在 1 到 10 纳秒 之间（L1 缓存通常为 1 纳秒左右，L2 缓存为几纳秒，L3 缓存为十几纳秒）。
缓存未命中：如果数据不在缓存中，则需要访问 DRAM，访问时间通常在 50 到 100 纳秒 之间。

3.2 内存带宽与并行性