?I/O系統(tǒng)的組成包括：
需要用于輸入、輸出和存儲(chǔ)信息的設(shè)備辟躏；
需要相應(yīng)的設(shè)備控制器谷扣；
控制器與CPU連接的高速總線；
有的大中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，配置I/O通道会涎；
1）I/O設(shè)備的類型
????I/O設(shè)備的類型繁多裹匙，從OS的觀點(diǎn)，按其重要的性能指標(biāo)進(jìn)行分類如下：
按傳輸速率分類：
低速末秃、中速概页、高速（鍵盤、打印機(jī)练慕、磁盤）
使用：存儲(chǔ)設(shè)備惰匙、輸入輸出設(shè)備
按信息交換的單位分類：
塊設(shè)備：有結(jié)構(gòu)、速率高铃将、可尋址项鬼、DMA方式控制
字符設(shè)備：無(wú)結(jié)構(gòu)、速率低劲阎、不可尋址绘盟、中斷方式控制
按設(shè)備的共享屬性分類：
獨(dú)占：打印機(jī)
共享：一個(gè)時(shí)刻上仍然是只被一個(gè)進(jìn)程占用∶跸桑可尋址龄毡、可隨機(jī)訪問(wèn)的色后備。磁盤锡垄。
虛擬：使一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備變換為若干臺(tái)邏輯設(shè)備沦零，供給若干用戶“同時(shí)使用”。
I/O設(shè)備中的接口
與控制器的接口有三種類型的信號(hào)
數(shù)據(jù)信號(hào)線(進(jìn)出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換偎捎、緩沖后傳送)
控制信號(hào)線(讀\寫\移動(dòng)磁頭等控制)
狀態(tài)信號(hào)線
2）設(shè)備控制器
設(shè)備并不直接與CPU通信
計(jì)算機(jī)中的一個(gè)實(shí)體——“設(shè)備控制器”負(fù)責(zé)控制一個(gè)或多個(gè)I/O設(shè)備蠢终，以實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。
控制器是CPU與I/O設(shè)備之間的接口茴她，作為中間人接收從CPU發(fā)來(lái)的命令寻拂，并去控制I/O設(shè)備工作，以使處理機(jī)脫離繁雜的設(shè)備控制事務(wù)丈牢。
常作成接口卡插入計(jì)算機(jī)
可編址祭钉，不同類：控制一個(gè)設(shè)備時(shí)只有一個(gè)地址，若連接多個(gè)設(shè)備則含有多個(gè)設(shè)備地址己沛；管理的復(fù)雜性因不同設(shè)備而異慌核，分為字符設(shè)備控制器、塊設(shè)備控制器申尼。
①基本功能
1.接收和識(shí)別CPU命令（控制寄存器：存放命令和參數(shù)）
2.標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)（狀態(tài)寄存器）
3.數(shù)據(jù)交換（數(shù)據(jù)寄存器）
4.地址識(shí)別（控制器識(shí)別設(shè)備地址垮卓、寄存器地址。地址譯碼器）
5.數(shù)據(jù)緩沖（協(xié)調(diào)I/O與CPU的速度差距）
6.差錯(cuò)控制
②組成
1.設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口
2.設(shè)備控制器與設(shè)備的接口
3.I/O邏輯
3）I/O通道
①I/O通道設(shè)備的引入
設(shè)備控制器已大大減少CPU對(duì)I/O的干預(yù)（如承擔(dān)了選擇設(shè)備师幕，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換粟按、緩沖等功能）
但當(dāng)主機(jī)的外設(shè)很多時(shí)诬滩，CPU的負(fù)擔(dān)仍然很重。
在CPU和設(shè)備控制器之間增設(shè)一個(gè)硬件機(jī)構(gòu)：“通道”
設(shè)置通道后CPU只需向通道發(fā)送一條I/O指令即可不再干預(yù)后續(xù)操作灭将。
通道形成通道程序疼鸟，執(zhí)行I/O操作，完成后向CPU發(fā)中斷信號(hào)庙曙。
主要目的：
建立更獨(dú)立的I/O操作空镜，解放CPU。
數(shù)據(jù)傳送的獨(dú)立
I/0操作的組織捌朴、管理及結(jié)束處理也盡量獨(dú)立吴攒。
實(shí)際上I/O通道是一種特殊的處理機(jī)：指令類型單一，只用于I/O操作男旗；通道沒(méi)有內(nèi)存舶斧，它與CPU共享內(nèi)存
②通道類型
根據(jù)其控制的外圍設(shè)備的不同類型，信息交換方式也可分為以下三種類型：字節(jié)多路通道察皇；數(shù)組選擇通道；數(shù)組多路通道泽台。
中斷機(jī)構(gòu)和中斷處理程序
1.中斷簡(jiǎn)介
⑴中斷和陷入
中斷：CPU對(duì)I/O設(shè)備發(fā)來(lái)的中斷信號(hào)的一種響應(yīng)什荣，中斷是由外部設(shè)備引起的，又稱外中斷怀酷。
陷入：由CPU內(nèi)部事件所引起的中斷稻爬，通常把這類中斷稱為內(nèi)中斷或陷入（trap）。
中斷和陷入的主要區(qū)別：是信號(hào)的來(lái)源蜕依。
I/O控制方式
程序I/O方式
中斷驅(qū)動(dòng)I/O方式
直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)DMA（字節(jié)—塊）
I/O通道控制方式（組織傳送的獨(dú)立）
宗旨：減少主機(jī)對(duì)I/O控制的干預(yù)桅锄，將CPU從繁雜的I/O控制事物中解脫出來(lái)。
1）程序I/O方式
cpu對(duì)I/O設(shè)備的控制采取程序I/O方式样眠，或稱忙—等待方式
向控制器發(fā)送一條I/O指令友瘤；啟動(dòng)輸入設(shè)備輸入數(shù)據(jù)；把狀態(tài)寄存器busy=1檐束。
然后不斷測(cè)試標(biāo)志辫秧。為1：表示輸入機(jī)尚未輸完一個(gè)字，CPU繼續(xù)對(duì)該標(biāo)志測(cè)試被丧；直到為0：數(shù)據(jù)已輸入控制器數(shù)據(jù)寄存器中盟戏。
CPU取控制器中的數(shù)據(jù)送入內(nèi)存單元，完成一個(gè)字的I/O甥桂。
高速CPU空閑等待低速I/O設(shè)備柿究，致使CPU極大浪費(fèi)。
2）中斷驅(qū)動(dòng)I/O方式
CPU向相應(yīng)的設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O命令
然后立即返回繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)黄选。
設(shè)備控制器按照命令的要求去控制指定I/O設(shè)備蝇摸。
這時(shí)CPU與I/O設(shè)備并行操作。
I/O設(shè)備輸入數(shù)據(jù)中，無(wú)需CPU干預(yù)探入，因而可使CPU與I/O設(shè)備并行工作狡孔。從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量。
但cpu真的不需要干預(yù)么蜂嗽？
中斷方式比程序I/O方式更有效
但仍以字（節(jié)）為單位進(jìn)行I/O苗膝，每當(dāng)完成一個(gè)字（節(jié)），控制器便要請(qǐng)求一次中斷植旧。
CPU雖然可與I/O并行辱揭，但效率不高，存在頻繁的中斷干擾病附。
改進(jìn)：CPU下指令通知控制器完成一塊數(shù)據(jù)的I/O问窃，控制器完成后才發(fā)中斷，而不是每個(gè)字節(jié)都要向CPU發(fā)中斷完沪；多字節(jié)傳輸入內(nèi)存過(guò)程不需要CPU搬運(yùn)域庇，由控制器控制完成（所以稱直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)）——DMA（Direct Memory Access）控制方式引入
3）直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)DMA 方式
①該方式的特點(diǎn)是：
1)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊；
2)所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的覆积，或者直接從內(nèi)存進(jìn)設(shè)備听皿；不需要CPU操作。
3)CPU干預(yù)進(jìn)一步減少：僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時(shí)宽档，才需CPU干預(yù)尉姨，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的。
???? 可見DMA方式又是成百倍的減少了CPU對(duì)I/O的干預(yù)吗冤，進(jìn)一步提高了CPU與I/O設(shè)備的并行操作程度又厉。
②DMA控制器的組成
DMA控制器由三部分組成：
1.主機(jī)與DMA控制器的接口；
2.DMA控制器與塊設(shè)備的接口椎瘟；
I/O控制邏輯覆致。
DMA控制器中的寄存器
為實(shí)現(xiàn)主機(jī)與控制器之間塊數(shù)據(jù)的直接交換，必須設(shè)置如下四類寄存器：
1.數(shù)據(jù)寄存器DR：暫存設(shè)備到內(nèi)存或從內(nèi)存到設(shè)備的數(shù)據(jù)降传。
2.內(nèi)存地址寄存器MAR：它存放把數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到內(nèi)存的起始的目標(biāo)地址或內(nèi)存原地址篷朵。
3.數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC：存放本次CPU要讀或?qū)懙淖郑ü?jié)）數(shù)。
4.命令/狀態(tài)寄存器CR：用于接收從CPU發(fā)來(lái)的I/O命令或有關(guān)控制和狀態(tài)信息婆排。
③DMA工作過(guò)程
CPU先向磁盤控制器發(fā)送一條讀命令声旺。
該命令被送到命令寄存器CR中。
同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存的起始地址段只，該地址被送入MAR中腮猖；
要讀數(shù)據(jù)的字?jǐn)?shù)則送入數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC中；
將磁盤中的數(shù)據(jù)原地址直接送入DMA控制器的I/O控制邏輯上赞枕，按設(shè)備狀態(tài)啟動(dòng)磁頭到相應(yīng)位置澈缺。
啟動(dòng)DMA控制器控制邏輯開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送
DMA控制器讀入一個(gè)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)寄存器DR中坪创，然后傳到內(nèi)存MAR地址中；接著MAR+1,DC-1姐赡，判斷DC是否為0,如否莱预，繼續(xù)，反之控制器發(fā)中斷請(qǐng)求项滑，傳送完畢依沮。
4）I/O通道控制方式
DMA適用于讀一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊；
如一次讀多個(gè)數(shù)據(jù)塊到內(nèi)存不同區(qū)域枪狂，須由CPU分別發(fā)送多條I/O指令危喉、進(jìn)行多次DMA中斷處理。
再進(jìn)一步減少CPU的干預(yù)（減少中斷）州疾，引入通道辜限。
實(shí)現(xiàn)對(duì)一組數(shù)據(jù)塊的讀（寫）及有關(guān)的控制和管理為單位的干預(yù)。
此時(shí)严蓖，CPU只需發(fā)一條I/O指令薄嫡，給出通道程序的首地址及要訪問(wèn)設(shè)備即可。
CPU颗胡、通道和I/O設(shè)備三者的并行操作岂座，提高整系統(tǒng)資源利用率。
通道是一種通過(guò)執(zhí)行通道程序管理I/O操作的控制器杭措，它使主機(jī)（CPU和內(nèi)存）與I/O操作之間達(dá)到更高的并行程度。由于它的任務(wù)是管理實(shí)現(xiàn)輸入/輸出操作钾恢，提供一種傳送通道手素，所以將這種部件稱作“通道”。
緩沖區(qū)管理
緩沖管理
I/O控制方式減少CPU對(duì)I/O的干預(yù)提高利用率瘩蚪；
緩沖則通過(guò)緩和CPU和I/O設(shè)備速度不匹配矛盾泉懦，增加CPU和I/O設(shè)備的并行性，提高利用率疹瘦。
現(xiàn)代OS中种吸，幾乎所有的I/O設(shè)備與處理機(jī)交換數(shù)據(jù)時(shí)米奸，都用了緩沖區(qū)。
引入緩沖區(qū)的主要原因：
緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。
緩沖區(qū)數(shù)據(jù)成批傳入內(nèi)存艺糜，也可進(jìn)一步減少對(duì)CPU的中斷頻率
最終目的：提高CPU和I/O設(shè)備的并行性。
使用緩沖區(qū)的方式：
1）單緩沖磨德、多緩沖
2）循環(huán)緩沖
3）緩沖池（Buffer Pool）
1）單緩沖與多緩沖
單緩沖（Single Buffer）
每當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出一I/O請(qǐng)求時(shí)屯援，
OS在主存中為之分配一個(gè)緩沖區(qū)。
CPU和外設(shè)輪流使用起便，一方處理完后等待對(duì)方處理棚贾。
單位：字符設(shè)備輸入時(shí)窖维，緩沖區(qū)用于暫存用戶輸入/輸出的一行數(shù)據(jù)；塊設(shè)備輸入則是成塊數(shù)據(jù)妙痹。
多緩沖引入
I/O與CPU速度基本相匹配铸史，采用雙緩沖能獲得較好的效果，基本上能并行操作怯伊。
但琳轿，若兩者的速度相差甚遠(yuǎn)，雙緩沖的效果仍不夠理想震贵；
為進(jìn)一步協(xié)調(diào)速度差利赋，可增加緩沖區(qū)數(shù)量，同時(shí)進(jìn)行一定的多緩沖管理入和出的同步猩系。
? 引入多緩沖機(jī)制媚送。組織形式：循環(huán)緩沖、緩沖池寇甸。
①循環(huán)緩沖的組成
多個(gè)緩沖區(qū)塘偎。大小相同，三種類型：
預(yù)備裝輸入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū)R
裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)G
計(jì)算進(jìn)程正在使用的現(xiàn)行工作緩沖區(qū)C
多個(gè)指針拿霉。
指示正在使用的緩沖區(qū)C的指針Current
指示計(jì)算進(jìn)程下一個(gè)可取的緩沖區(qū)G的指針Nextg
指示輸入進(jìn)程下次可放的緩沖區(qū)R的指針Nexti
②循環(huán)緩沖區(qū)的使用
計(jì)算進(jìn)程(CPU)和輸入進(jìn)程(I/O操作)可利用兩個(gè)過(guò)程來(lái)使用循環(huán)緩沖區(qū)吟秩。
主要就是利用指針，操作上述不同類型緩沖區(qū)
Getbuf過(guò)程：使用緩沖區(qū)時(shí)绽淘，可調(diào)用該過(guò)程
計(jì)算進(jìn)程群馈：current=Nextg,G—>C，nextg下移一個(gè)沪铭。
輸入進(jìn)程放：current=nexti壮池，R—>C，nexti下移一個(gè)
Releasebuf過(guò)程：計(jì)算進(jìn)程：C->R杀怠；輸入進(jìn)程：C->G
一個(gè)時(shí)段只能用于輸入或輸出椰憋，不能同時(shí)雙向通信。
③進(jìn)程同步
兩個(gè)進(jìn)程的控制：輸入進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程并行執(zhí)行赔退，如何控制相應(yīng)的兩個(gè)指針不斷順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)橙依，這樣就可能出現(xiàn)兩種情況：
1.Nexti趕上Nextg。意味著輸入速度大于計(jì)算速度硕旗，緩沖區(qū)滿窗骑，只能阻塞輸入進(jìn)程等計(jì)算進(jìn)程取，此情況稱為系統(tǒng)受計(jì)算限制卵渴。
2.Nextg趕上Nexti慧域。意味著輸入速度低于計(jì)算速度，緩沖區(qū)空浪读，只能阻塞計(jì)算進(jìn)程等輸入進(jìn)程放昔榴，此情況稱為系統(tǒng)受I/O限制辛藻。
3）緩沖池（Buffer Pool）
循環(huán)緩沖的問(wèn)題
不能同時(shí)雙向通訊
利用率不高。緩沖區(qū)是專用緩沖互订。（每個(gè)進(jìn)程都要維護(hù)自己的一個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)）吱肌，使用有剩余時(shí)也不給其他進(jìn)程使用，消耗大量?jī)?nèi)存空間仰禽。
系統(tǒng)并發(fā)程序很多時(shí)氮墨，許多這樣的循環(huán)緩沖需要管理，比較復(fù)雜吐葵。
為提高緩沖區(qū)的利用率规揪，目前廣泛流行緩沖池，在池中設(shè)置多個(gè)可供若干個(gè)進(jìn)程共享的緩沖區(qū)温峭。
系統(tǒng)將多個(gè)緩沖區(qū)形成一個(gè)緩沖池猛铅。
池中緩沖區(qū)為系統(tǒng)中所有的進(jìn)程共享使用（如UNIX系統(tǒng)在塊設(shè)備管理中設(shè)置了一個(gè)15個(gè)緩沖區(qū)組成的緩沖池）
組織形式：隊(duì)列及隊(duì)列指針
磁盤存儲(chǔ)器的性能和調(diào)度
2）磁盤調(diào)度方法
對(duì)所有請(qǐng)求訪問(wèn)磁盤的進(jìn)程進(jìn)行合理調(diào)度，使對(duì)磁盤的平均訪問(wèn)時(shí)間最小凤藏。
目標(biāo)：使平均尋道時(shí)間最少奸忽。
算法：FCFS；最短尋道時(shí)間優(yōu)先SSTF揖庄；
掃描算法SCAN（磁盤電梯調(diào)度算法）栗菜；
循環(huán)掃描算法CSCAN
N-Step-SCAN算法
FSCAN算法
