小部分I/O系統(tǒng)軟件放在了用戶應(yīng)用層上绿聘。
庫函數(shù)（與應(yīng)用程序鏈接）
假脫機(jī)技術(shù)（虛擬設(shè)備）
1)系統(tǒng)調(diào)用與庫函數(shù)
¨不允許運(yùn)行在用戶態(tài)的應(yīng)用進(jìn)程岛啸，去直接調(diào)用運(yùn)行在核心態(tài)（系統(tǒng)態(tài)）的OS過程奕锌。
¨應(yīng)用進(jìn)程在運(yùn)行時(shí)焙蚓，又必須取得OS所提供的服務(wù)痕寓。
于是：
¨OS在用戶層中引入了系統(tǒng)調(diào)用寝受，應(yīng)用程序可以通過它偎窘，間接調(diào)用OS中的I/O過程乌助，對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行操作。
2）設(shè)備分配中的虛擬技術(shù)——SPOOLing技術(shù)
虛擬性是OS的四大特征之一陌知。
多道程序技術(shù)將一臺(tái)物理CPU虛擬為多臺(tái)邏輯CPU他托，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶共享一臺(tái)主機(jī)；
如何將一臺(tái)物理I/O設(shè)備虛擬為多臺(tái)邏輯I/O設(shè)備仆葡，允許多個(gè)用戶共享“同時(shí)使用” 赏参？
假脫機(jī)技術(shù)
多道程序技術(shù)，專門利用程序模擬脫機(jī)I/O的外圍機(jī)沿盅，完成設(shè)備I/O操作把篓。
¨稱這種聯(lián)機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)的同時(shí)外圍操作為SPOOLing 技術(shù)（Simultaneaus Periphernal Operating On—Line，或稱為假脫機(jī)操作）
¨一般進(jìn)程對(duì)獨(dú)占設(shè)備的需求被假脫機(jī)模擬到磁盤上腰涧。所以實(shí)現(xiàn)設(shè)備虛擬韧掩，多道是前提，還需高速窖铡、大容量揍很、可隨機(jī)存取的外存支持。
SPOOLing系統(tǒng)的特點(diǎn)
1.提高了I/O的速度万伤。利用輸入輸出井模擬成脫機(jī)輸入輸出，緩和了CPU和I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾呜袁。
2.將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備敌买。并沒有為進(jìn)程分配設(shè)備，而是為進(jìn)程分配一存儲(chǔ)區(qū)和建立一張I/O請(qǐng)求表阶界。
3.最終虹钮，實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能聋庵。多個(gè)進(jìn)程可“同時(shí)”使用一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備。
緩沖管理
I/O控制方式減少CPU對(duì)I/O的干預(yù)提高利用率芙粱；
緩沖則通過緩和CPU和I/O設(shè)備速度不匹配矛盾祭玉，增加CPU和I/O設(shè)備的并行性，提高利用率春畔。
現(xiàn)代OS中脱货，幾乎所有的I/O設(shè)備與處理機(jī)交換數(shù)據(jù)時(shí)，都用了緩沖區(qū)律姨。
①循環(huán)緩沖的組成
多個(gè)緩沖區(qū)振峻。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)指針择份。
¨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)過程來使用循環(huán)緩沖區(qū)扣孟。
主要就是利用指針，操作上述不同類型緩沖區(qū)
Getbuf過程：使用緩沖區(qū)時(shí)荣赶，可調(diào)用該過程
計(jì)算進(jìn)程确锛邸：current=Nextg,G—>C，nextg下移一個(gè)拔创。
輸入進(jìn)程放：current=nexti利诺，R—>C，nexti下移一個(gè)
Releasebuf過程：
計(jì)算進(jìn)程：C->R
輸入進(jìn)程：C->G
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)行伏蚊，如何控制相應(yīng)的兩個(gè)指針不斷順時(shí)針方向移動(dòng)立轧，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)算速度躏吊，緩沖區(qū)滿氛改，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)算限制比伏。
2.Nextg趕上Nexti胜卤。意味著輸入速度低于計(jì)算速度，緩沖區(qū)空赁项，只能阻塞計(jì)算進(jìn)程等輸入進(jìn)程放葛躏，此情況稱為系統(tǒng)受I/O限制。
3）緩沖池（Buffer Pool）
循環(huán)緩沖的問題
不能同時(shí)雙向通訊
利用率不高悠菜。緩沖區(qū)是專用緩沖舰攒。（每個(gè)進(jìn)程都要維護(hù)自己的一個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)），使用有剩余時(shí)也不給其他進(jìn)程使用悔醋，消耗大量內(nèi)存空間摩窃。
系統(tǒng)并發(fā)程序很多時(shí)，許多這樣的循環(huán)緩沖需要管理，比較復(fù)雜猾愿。
為提高緩沖區(qū)的利用率鹦聪，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)蒂秘。
①緩沖池的組成
對(duì)于既可輸入又可輸出的公用緩沖池泽本，至少應(yīng)含有下列三種類型的緩沖區(qū)：
1.空緩沖區(qū)；
2.裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)姻僧；
3.裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)规丽；
? 為方便管理，將上述類型相同的緩沖區(qū)連成隊(duì)列
¨空緩沖區(qū)隊(duì)列（所有進(jìn)程都可用）
¨輸入隊(duì)列（n個(gè)進(jìn)程有各自的隊(duì)列）
¨輸出隊(duì)列（n個(gè)進(jìn)程有各自的隊(duì)列）
*（隊(duì)列長度不固定段化，根據(jù)進(jìn)程實(shí)際情況靈活變動(dòng)嘁捷，需要多少用多少）
②緩沖區(qū)的工作方式
四種工作方式：
1.收容輸入：Getbuf(emq),hin；輸入數(shù)據(jù)填入一空緩沖區(qū)显熏；Putbuf(inq,hin)
2.提取輸入： Getbuf(inq),sin雄嚣；從輸入緩沖隊(duì)列中取出一數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容；Putbuf(emq,sin)
3.收容輸出： Getbuf(emq),hout喘蟆；輸出數(shù)據(jù)填入一空緩沖區(qū)缓升；Putbuf(outq,hout)
4.提取輸出： Getbuf(outq),sout；從輸出緩沖隊(duì)列中取一數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容蕴轨；Putbuf(emq,sout)
磁盤調(diào)度方法
對(duì)所有請(qǐng)求訪問磁盤的進(jìn)程進(jìn)行合理調(diào)度港谊，使對(duì)磁盤的平均訪問時(shí)間最小。
目標(biāo)：使平均尋道時(shí)間最少橙弱。
算法：
¨FCFS
¨最短尋道時(shí)間優(yōu)先SSTF
¨掃描算法SCAN（磁盤電梯調(diào)度算法）
循環(huán)掃描算法CSCAN
N-Step-SCAN算法
FSCAN算法
③掃描算法SCAN（磁盤電梯調(diào)度算法）
SSTF會(huì)導(dǎo)致“饑餓”現(xiàn)象
¨總選擇最近的磁道訪問歧寺，遠(yuǎn)磁道請(qǐng)求的進(jìn)程會(huì)長時(shí)間得不到執(zhí)行。
改進(jìn)：
¨考慮距離的同時(shí)棘脐，更優(yōu)先考慮方向
SCAN算法
¨規(guī)定磁頭移動(dòng)方向：自里向外斜筐，再自外向里移動(dòng)。
¨后續(xù)的I/O磁道請(qǐng)求蛀缝，哪個(gè)在規(guī)定方向上距離最近顷链，就先執(zhí)行哪個(gè)。
¨如當(dāng)前為100屈梁，后續(xù)要求55嗤练，86，95在讶，180煞抬，165，105
先由內(nèi)向外：選最近的105執(zhí)行构哺，再判斷剩余的此疹，選165，180。
再由外向內(nèi)：95蝗碎，86，55
循環(huán)掃描CSCAN
SCAN的錯(cuò)過問題：
¨容易錯(cuò)過與當(dāng)前磁道距離近旗扑，但方向不一致的磁道蹦骑。
修改：將SCAN規(guī)定的移動(dòng)方向改為“單向移動(dòng)”
¨由里向外后，再由里向外臀防。
N-Step-SCAN
前述最近尋道算法共同問題：
¨“磁臂粘著”——磁頭靜止在一個(gè)磁道上眠菇，導(dǎo)致其它進(jìn)程無法及時(shí)進(jìn)行磁盤I/O。（因：高密度盤袱衷，進(jìn)程的讀寫可能集中在某一磁道）
¨如現(xiàn)有一系列請(qǐng)求：
3 5 2 3 3 3 2 3 3 2 3 3 4 4 5 2 3 3 3 4 4 2 3 3 3 2 2 2 3
不管哪種算法捎废，從3開始向下執(zhí)行會(huì)是
3 3 3 3 3 3 3 3 3….2 2 2 2 2 2 … 4 4 ….
對(duì)磁盤的訪問總是由缺頁引起的：
¨CPU給出地址，需要訪問某存儲(chǔ)單元致燥；
¨并行進(jìn)行TLB查找和cache查找登疗；
¨TLB查找后申明沒有找到；
¨停止并行查找嫌蚤，并通知操作系統(tǒng)處理辐益；
¨操作系統(tǒng)檢查頁表，發(fā)現(xiàn)該頁不在內(nèi)存中脱吱，需要從硬盤調(diào)入智政。應(yīng)該如何進(jìn)行呢？
磁盤訪問：
1 操作系統(tǒng)從主存中選擇一頁準(zhǔn)備換出箱蝠，為調(diào)入的頁安排存放空間续捂；
2 若被換出的頁是“臟”頁，需要將其寫回磁盤存儲(chǔ)宦搬；
3 操作系統(tǒng)申請(qǐng)I/O總線牙瓢；
4 獲得批準(zhǔn)后，發(fā)送寫命令給I/O 設(shè)備（磁盤）床三。
5 緊跟著傳送需要寫回的頁的全部數(shù)據(jù)一罩。
6 I/O控制器發(fā)現(xiàn)發(fā)給自己的寫命令
7 加入到握手協(xié)議，并接受數(shù)據(jù)撇簿。
8 根據(jù)數(shù)據(jù)要寫入的地址聂渊，讀/寫頭移動(dòng)到正確的柱面，同時(shí)四瘫，將數(shù)據(jù)接收到緩沖區(qū)汉嗽。
9 尋道結(jié)束后，等待相應(yīng)的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下面找蜜，將數(shù)據(jù)寫入扇區(qū)中饼暑。?
10 在寫入數(shù)據(jù)間隙，計(jì)算校驗(yàn)碼并寫入扇區(qū)中。
11 下一步弓叛，操作系統(tǒng)繼續(xù)申請(qǐng)總線（如果還保持總線控制權(quán)彰居，則不必申請(qǐng)）。
12 得到授權(quán)后撰筷，向磁盤發(fā)出讀命令陈惰。?
13 然后，磁盤識(shí)別地址毕籽，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的地址段抬闯。
14 尋道，將讀/寫頭移動(dòng)到指定位置关筒。
15 從指定扇區(qū)中讀去數(shù)據(jù)溶握，并進(jìn)行校驗(yàn)。
16 磁盤申請(qǐng)I/O總線蒸播。
17 得到授權(quán)后睡榆，將數(shù)據(jù)通過總線送到內(nèi)存。
