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並行輸入輸出

鎖定
計算機與外部設備之間的信息交換,是通過輸入輸出接口實現的。按照數據傳送方式來分,輸入輸出接口( 即I/O接口)有並行輸入輸出接口和串行輸入輸出接口兩種。串行I/O接口所需傳輸線少、比較經濟、傳送信息距離較遠,但傳輸速度較慢。並行I/O接口為輸入輸出設備提供了能使信息並行傳送的輸入輸出端口,並行輸入輸出接口特點與串行I/O接口相反。並行輸入輸出有兩種解釋,1、是指輸入輸出設備同時傳輸多位比特信息;2、設備能同時進行輸入輸出操作。
中文名
並行輸入輸出
外文名
Parallel input output
學    科
計算機
定    義
I/O設備能同時進行輸入輸出操作
有關術語
廉價磁盤冗餘陣列
領    域
計算機系統

並行輸入輸出簡介

計算機系統的一個重要組成部分是 I/O 系統。在I/O 系統中,最頻繁是進行輸入輸出操作,這也是I/O 系統最重要的功能。並行輸入輸出一般是指設備能同時進行輸入輸出操作。這裏並行輸入輸出並不是只指外存設備實現輸出輸入操作的並行,在內存上也可以實現並行輸入輸出,例如,雙端口DRAM(動態隨機存取存儲器)有兩個獨立的數據端口,可以分別進行數據的輸入和輸出,其中一個可以直接由CPU存取,另一個端口可以獨立地被其他部件經過直接存取,這樣雙端口DRA可以實現並行輸入輸出。並行輸入輸出在一定程度上提高了系統效率,把主機從繁雜的 I/O 控制事務中解脱出來,以便更多地去完成數據處理任務。

並行輸入輸出並行性

並行性是指計算機系統具有可以同時進行運算或操作的特性,在同一時間完成兩種或兩種以上工作。它包括同時性與併發性兩種含義。同時性指兩個或兩個以上事件在同一時刻發生。併發性指兩個或兩個以上事件在同一時間間隔發生。
計算機中提高並行性的措施多種多樣,就是基本思想而言,可以歸納為如下3條途徑:
(1)時間重疊。相鄰處理過程在時間上錯開,輪流重疊使用同一套硬件的各部分。
(2)資源重複。重複設置硬件資源提高可靠性和性能。
(3)資源共享。讓多個用户按照一定的時間順序輪流使用同一套資源,提高資源利用率。

並行輸入輸出廉價磁盤冗餘陣列

廉價磁盤冗餘陣列(RAID, Redundant Array of Inexpensive Disk)是 1987 年由美國加利福尼亞大學伯克萊分校提出的,現在已開始廣泛地應用於大、中型計算機系統和計算機網絡中。它是利用一台磁盤陣列控制器,來統一管理和控制一組(幾台到幾十台)磁盤驅動器,組成一個高度可靠的、快速的大容量磁盤系統。

並行輸入輸出並行交叉存取

為了提高對磁盤的訪問速度,已把在大、中型機中應用的交叉存取(Interleave)技術應用到了磁盤存儲系統中。在該系統中,有多台磁盤驅動器,系統將每一盤塊中的數據分為若干個子盤塊數據,再把每一個子盤塊的數據分別存儲到各個不同磁盤中的相同位置上。在以後,當要將一個盤塊的數據傳送到內存時,採取並行傳輸方式,將各個盤塊中的子盤塊數據同時向內存中傳輸,從而使傳輸時間大大減少。例如,在存放一個文件時,可將該文件中的第一個數據子塊放在第一個磁盤驅動器上;將文件的第二個數據子塊放在第二個磁盤上;……;將第 N 個數據子塊,放在第 N 個驅動器上。以後在讀取數據時,採取並行讀取方式,即同時從第 1~N 個數據子塊讀出數據,這樣便把磁盤 I/O 的速度提高了 N-1 倍。

並行輸入輸出RAID 的分級

RAID 在剛被推出時,是分成 6 級的,即 RAID 0 級至 RAID 5 級,後來又增加了 RAID6 級和 RAID 7 級。
(1) RAID 0 級。本級僅提供了並行交叉存取。它雖能有效地提高磁盤 I/O 速度,但並無冗餘校驗功能,致使磁盤系統的可靠性不好。只要陣列中有一個磁盤損壞,便會造成不可彌補的數據丟失,故較少使用。
(2) RAID 1 級。它具有磁盤鏡像功能,例如,當磁盤陣列中具有 8 個盤時,可利用其中 4 個作為數據盤,另外 4 個作為鏡像盤,在每次訪問磁盤時,可利用並行讀、寫特性,將數據分塊同時寫入主盤和鏡像盤。故其比傳統的鏡像盤速度快,但其磁盤容量的利用率只有 50%,它是以犧牲磁盤容量為代價的。
(3) RAID 3 級。這是具有並行傳輸功能的磁盤陣列。它利用一台奇偶校驗盤來完成數據的校驗功能,比起磁盤鏡像,它減少了所需要的冗餘磁盤數。例如,當陣列中只有 7 個盤時,可利用 6 個盤作數據盤,一個盤作校驗盤。磁盤的利用率為 6/7。RAID 3 級經常用於科學計算和圖像處理。
(4) RAID 5 級。這是一種具有獨立傳送功能的磁盤陣列。每個驅動器都各有自己獨立的數據通路,獨立地進行讀/寫,且無專門的校驗盤。用來進行糾錯的校驗信息,是以螺旋(Spiral)方式散佈在所有數據盤上。RAID 5 級常用於 I/O 較頻繁的事務處理中。
(5) RAID 6 級和 RAID 7 級。這是強化了的 RAID。在 RAID 6 級的陣列中,設置了一個專用的、可快速訪問的異步校驗盤。該盤具有獨立的數據訪問通路,具有比 RAID 3 級及RAID 5 級更好的性能,但其性能改進得很有限,且價格昂貴。RAID 7 級是對 RAID 6 級的改進,在該陣列中的所有磁盤,都具有較高的傳輸速率和優異的性能,是目前最高檔次的磁盤陣列,但其價格也較高。 [1] 

並行輸入輸出RAID 的優點

RAID 自 1988 年問世後,便引起了人們的普遍關注,並很快地流行起來。這主要是因為 RAID 具有下述一系列明顯的優點:
(1) 可靠性高。RAID 最大的特點就是它的高可靠性。除了 RAID 0 級外,其餘各級都採用了容錯技術。當陣列中某一磁盤損壞時,並不會造成數據的丟失,因為它既可實現磁盤鏡像,又可實現磁盤雙工,還可實現其它的冗餘方式。所以此時可根據其它未損壞磁盤中的信息,來恢復已損壞的盤中的信息。它與單台磁盤機相比,其可靠性高出了一個數量級。
(2) 磁盤 I/O 速度高。由於磁盤陣列可採取並行交叉存取方式,故可將磁盤 I/O 速度提高 N-1 倍(N 為磁盤數目)。或者説,磁盤陣列可將磁盤 I/O 速度提高數倍至數十倍。
(3) 性能/價格比高。 利用 RAID 技術來實現大容量高速存儲器時, 其體積與具有相同容量和速度的大型磁盤系統相比,只是後者的 1/3,價格也只是後者的 1/3,且可靠性高。換言之,它僅以犧牲 1/N 的容量為代價,換取了高可靠性;而不像磁盤鏡像及磁盤雙工那樣,須付出 50%容量的代價。
參考資料
  • 1.    湯小丹.計算機操作系統:西安電子科技大學出版社,2010