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IO

(計算機用語)

鎖定
I/O輸入/輸出(Input/Output),分為IO設備和IO接口兩個部分。 在POSIX兼容的系統上,例如Linux系統 [1] I/O操作可以有多種方式,比如DIO(Direct I/O),AIO(Asynchronous I/O,異步I/O),Memory-Mapped I/O(內存映射I/O)等,不同的I/O方式有不同的實現方式和性能,在不同的應用中可以按情況選擇不同的I/O方式。
中文名
輸入/輸出
外文名
IO
I/O輸入/輸出
分為IO設備和IO接口兩個部分
效    果
提高緩存
注意事項
緩存和磁盤陣列提高存儲IO性能

IO定義

輸入輸出I/O流可以看成對字節或者包裝後的字節的讀取就是拿出來放進去雙路切換;實現聯動控制系統的弱電線路與被控設備的強電線路之間的轉接、隔離,以防止強電竄入系統,保障系統的安全;
與專線控制盤連接,用於控制重要消防設備(如消防泵噴淋泵、風機等),一隻模塊可控制一台大型消防設備的啓、停控制;
插拔式結構,可像安裝探測器一樣先將底座安裝在牆上,佈線後工程調試前再將切換模塊插入底座。易於施工、維護;
通過無源動合接點或切換AC220V電壓作為回答信號。
確認燈動作燈—紅色,回答燈—綠色;動作時,動作燈常亮、回答燈常亮。
IO輸出口可接繼電器,繼電器接點負載AC250V/3A、DC30V/7A啓動為一組常開/常閉觸點、停止為一組常開觸點

IO安裝與接線

安裝孔距為65mm,用2只M4螺釘或A4自攻釘固定在安裝位置。
端子1接多線盤啓動端;端子2接多線盤停止端;
端子3接多線盤迴答端;端子4接電源地G;
端子5、6為停止命令對應的常開觸點輸出;
端子11、12接220V回答信號;
端子13、14為啓動命令對應的常開觸點輸出;端子14、15為啓動命令對應的常閉觸點輸出;
觸點輸出均為無源。
端子16接24V電源正極;
應用(接專線控制盤)
注意事項:可使用AC220V或無源閉合信號作為回答反饋信號。
JBF-151F/D只有1個回答輸入,它是啓動1的回答。
JBF-151F/D啓動發出後可提供一組常開或常閉觸點,停止命令輸出時只輸出一對常開點。

IO提高緩存

衡量性能的幾個指標的計算中我們可以看到一個15k轉速的磁盤在隨機讀寫訪問的情況下IOPS竟然只有140左右,但在實際應用中我們卻能看到很多標有5000IOPS甚至更高的存儲系統,有這麼大IOPS的存儲系統怎麼來的呢?這就要歸結於各種存儲技術的使用了,在這些存儲技術中使用最廣的就是高速緩存(Cache)和磁盤冗餘陣列(RAID)了,本文就將探討緩存和磁盤陣列提高存儲IO性能的方法。

IO高速緩存

在當下的各種存儲產品中,按照速度從快到慢應該就是內存閃存>磁盤>磁帶了,然而速度越快也就意味着價格越高,閃存雖然説是發展勢頭很好,磁盤的速度無疑是計算機系統中最大的瓶頸了,所以在必須使用磁盤而又想提高性能的情況下,人們想出了在磁盤中嵌入一塊高速的內存用來保存經常訪問的數據從而提高讀寫效率的方法來折中的解決,這塊嵌入的內存就被稱為高速緩存。
説到緩存,到操作系統層,再到磁盤控制器,還有CPU內部,單個磁盤的內部也都存在緩存,所有這些緩存存在的目的都是相同的,就是提高系統執行的效率。
當然在這裏我們只提跟IO性能相關的緩存,與IO性能直接相關的幾個緩存分別是文件系統緩存(File SySTem Cache)、磁盤控制器緩存(Disk CONtroller Cache)和磁盤緩存(Disk Cache,也稱為Disk Buffer),不過當在計算一個磁盤系統性能的時候文件系統緩存也是不會考慮在內的,我們重點考察的就是磁盤控制器緩存和磁盤緩存。
不管是控制器緩存還是磁盤緩存,他們所起的作用主要是分為三部分:緩存數據、預讀(Read-ahead)和回寫(Write-back)。
緩存數據
首先是系統讀取過的數據會被緩存在高速緩存中,這樣下次再次需要讀取相同的數據的時候就不用再訪問磁盤,直接從緩存中取數據就可以了。當然,使用過的數據也不可能在緩存中永久保留的,緩存的數據一般是採取LRU算法來進行管理,目的是將長時間不用的數據清除出緩存,那些經常被訪問的卻能一直保留在緩存中,直到緩存被清空。
預讀
預讀是指採用預讀算法在沒有系統的IO請求的時候事先將數據從磁盤中讀入到緩存中,然後在系統發出讀IO請求的時候,就會實現去檢查看看緩存裏面是否存在要讀取的數據,如果存在(即命中)的話就直接將結果返回,這時候的磁盤不再需要尋址、旋轉等待、讀取數據這一序列的操作了,這樣是能節省很多時間的;如果沒有命中則再發出真正的讀取磁盤的命令去取所需要的數據。
緩存的命中率跟緩存的大小有很大的關係,理論上是緩存越大的話,所能緩存的數據也就越多,這樣命中率也自然越高,當然緩存不可能太大,畢竟成本在那兒呢。如果一個容量很大的存儲系統配備了一個很小的讀緩存的話,這時候問題會比較大的,因為小緩存緩存的數據量非常小,相比整個存儲系統來説比例非常低,這樣隨機讀取(數據庫系統的大多數情況)的時候命中率也自然就很低,這樣的緩存不但不能提高效率(因為絕大部分讀IO都還要讀取磁盤),反而會因為每次去匹配緩存而浪費時間。
執行讀IO操作是讀取數據存在於緩存中的數量與全部要讀取數據的比值稱為緩存命中率(Read Cache Hit Radio),假設一個存儲系統在不使用緩存的情況下隨機小IO讀取能達到150IOPS,而它的緩存能提供10%的緩存命中率的話,那麼實際上它的IOPS可以達到150/(1-10%)=166。
回寫
要先説一下,用於回寫功能的那部分緩存被稱為寫緩存(Write Cache)。在一套寫緩存打開的存儲中,操作系統所發出的一系列寫IO命令並不會被挨個的執行,這些寫IO的命令會先寫入緩存中,然後再一次性的將緩存中的修改推到磁盤中,這就相當於將那些相同的多個IO合併成一個,多個連續操作的小IO合併成一個大的IO,還有就是將多個隨機的寫IO變成一組連續的寫IO,這樣就能減少磁盤尋址等操作所消耗的時間,大大的提高磁盤寫入的效率。
寫緩存雖然對效率提高是很明顯的,但是它所帶來的問題也比較嚴重,因為緩存和普通內存一樣,掉電以後數據會全部丟失,當操作系統發出的寫IO命令寫入到緩存中後即被認為是寫入成功,而實際上數據是沒有被真正寫入磁盤的,此時如果掉電,緩存中的數據就會永遠的丟失了,這個對應用來説是災難性的,解決這個問題最好的方法就是給緩存配備電池了,保證存儲掉電之後緩存數據能如數保存下來。
和讀一樣,寫緩存也存在一個寫緩存命中率(Write Cache Hit Radio),不過和讀緩存命中情況不一樣的是,儘管緩存命中,也不能將實際的IO操作免掉,只是被合併了而已。
控制器緩存和磁盤緩存除了上面的作用之外還承當着其他的作用,比如磁盤緩存有保存IO命令隊列的功能,單個的磁盤一次只能處理一個IO命令,但卻能接收多個IO命令,這些進入到磁盤而未被處理的命令就保存在緩存中的IO隊列中。
RAID(Redundant ArrayOf Inexpensive Disks)
如果你是一位數據庫管理員或者經常接觸服務器,那對RAID應該很熟悉了,作為最廉價的存儲解決方案,RAID早已在服務器存儲中得到了普及。在RAID的各個級別中,應當以RAID10和RAID5(不過RAID5已經基本走到頭了,RAID6正在崛起中,看看這裏瞭解下原因)應用最廣了。下面將就RAID0,RAID1,RAID5,RAID6,RAID10這幾種級別的RAID展開説一下磁盤陣列對於磁盤性能的影響,當然在閲讀下面的內容之前你必須對各個級別的RAID的結構和工作原理要熟悉才行,這樣才不至於滿頭霧水,推薦查看wikipedia上面的如下條目:RAID,Standard RAID levels,Nested RAID levels。

IORAID0

RAID0將數據條帶化(striping)將連續的數據分散在多個磁盤上進行存取,系統發出的IO命令(不管讀IO和寫IO都一樣)就可以在磁盤上被並行的執行,每個磁盤單獨執行自己的那一部分請求,這樣的並行的IO操作能大大的增強整個存儲系統的性能。假設一個RAID0陣列有n(n>=2)個磁盤組成,每個磁盤的隨機讀寫的IO能力都達到140的話,那麼整個磁盤陣列的IO能力將是140*n。同時如果在陣列總線的傳輸能力允許的話RAID0的吞吐率也將是單個磁盤的n倍。
其他RAID區域
RAID1鏡像磁盤,使用2塊硬盤,一般做系統盤的鏡像,讀IO為一塊硬盤的IO,寫IO為2塊硬盤的IO。
RAID10既能增加IO的讀寫性能又能實現數據的冗餘,使用盤的數量為2的倍數且要大於等於4,且硬盤空間相同,這樣的缺點是要實現IO擴展就必須增加相應的硬盤數量,實現同樣的性能硬盤成本要成倍增長。允許不同硬盤數據的任何一塊丟失。
RAID3拿出單獨一塊盤做奇偶校驗盤,做到數據的冗餘
這種情況下允許一塊硬盤損壞。由於磁盤的任何數據發生改變都會重新對校驗盤進行改寫,所以過多的寫操作會成為整個系統的瓶頸,此種RAID級別只能用於對讀請求相對較高,寫請求不多的環境。RAID3已基本淘汰,一般用RAID5技術替代。
參考資料