使用虚拟镜像光盘系统是提高海量光集成存储性能的重要途径,因此虚拟镜像系统本身的I/O性能是影响整个多级存储系统性能的重要因素。本文对影响虚拟镜像系统I/O性能的因素作了细致的分析,对优化虚拟镜像系统I/O性能的方法进行了深入研究。论文的主要内容包括:深入分析对比了当前各项I/O传输协议的特点,尤其是SCSI和ATA这两种存储领域最普及的传输标准。对SCSI磁盘和ATA磁盘的I/O响应和控制特性作了研究比较,在控制实现和单设备应用环境之下,ATA磁盘的I/O性能和实现成本均要优于SCSI磁盘。因此,本课题选用ATA磁盘作为虚拟镜像系统的实现单元。在此基础上,实现了ATA半并行的集成模式,充分利用了ATA协议的上述优点。深入分析了在ATA集成模式下影响缓存性能的因素,包括缓存容量、缓存单元、条块单元等。对不同的I/O请求类型,分析了缓存性能优化的细节,提出并实现了缓存的并行机制。最后利用马尔可夫过程建立了缓存占有率的随机模型,在此基础上提出了一个解决RAID5小写问题的办法。理论计算和实验测量结果均表明,该方法在重负载、小缓存容量条件下比现有方法拥有更好的I/O性能。运用排队论对虚拟镜像系统的各组成部分进行了理论分析,建立了随机数学模型。首先,分析了单个ATA磁盘的随机访问模型,并测试了相关参数。在此基础上,运用随机数学理论分析了同构同步磁盘阵列的I/O响应时间特性。然后,建立了完整的带缓存的同步同构磁盘阵列的排队模型,从理论上对影响整个系统I/O性能的关键因素展开分析和研究,指出了不同参数条件下系统瓶颈的分布状况。最后,通过仿真运算,进一步验证和总结上述的性能分析结果。本文最后给出了系统优化的软、硬件实现方案;并以该方案构建了实验平台。在实验平台的基础上,给出了最后的测试结果。