1. I/O系統(tǒng)組成
包括：
需要用于輸入男旗、輸出和存儲信息的設(shè)備舶斧；
需要相應的設(shè)備控制器；
控制器與CPU連接的高速總線察皇；
有的大中型計算機系統(tǒng)捧毛，配置I/O通道；
（1）I/O設(shè)備的類型
從OS的觀點让网，按其重要的性能指標進行分類如下：
按傳輸速率分類：
低速呀忧、中速、高速（鍵盤溃睹、打印機而账、磁盤）
使用：存儲設(shè)備、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)因篇、速率高泞辐、可尋址、DMA方式控制
字符設(shè)備：無結(jié)構(gòu)竞滓、速率低咐吼、不可尋址、中斷方式控制
按設(shè)備的共享屬性分類：
獨占：打印機
共享：一個時刻上仍然是只被一個進程占用商佑【馇眩可尋址、可隨機訪問的色后備茶没。磁盤肌幽。
虛擬：使一臺獨占設(shè)備變換為若干臺邏輯設(shè)備，供給若干用戶“同時使用”
（2）I/O設(shè)備中的接口
與控制器的接口有三種類型的信號：
a)? 數(shù)據(jù)信號線(進出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換抓半、緩沖后傳送)
b) 控制信號線(讀\寫\移動磁頭等控制)
c)? 狀態(tài)信號線
（3）設(shè)備控制器
控制器是CPU與I/O設(shè)備之間的接口喂急，作為中間人接收從CPU發(fā)來的命令，并去控制I/O設(shè)備工作笛求，以使處理機脫離繁雜的設(shè)備控制事務(wù)
①?基本功能：
*接收和識別CPU命令（控制寄存器：存放命令和參數(shù)）
*標識和報告設(shè)備的狀態(tài)（狀態(tài)寄存器）
*數(shù)據(jù)交換（數(shù)據(jù)寄存器）
*地址識別（控制器識別設(shè)備地址廊移、寄存器地址。地址譯碼器）
*數(shù)據(jù)緩沖（協(xié)調(diào)I/O與CPU的速度差距）
*差錯控制
②組成：
*設(shè)備控制器與處理機的接口
*設(shè)備控制器與設(shè)備的接口
*I/O邏輯：通過一組控制線與處理機交互
（4）I/O通道
設(shè)備控制器已大大減少CPU對I/O的干預探入，但當主機的外設(shè)很多時狡孔，CPU的負擔仍然很重。在CPU和設(shè)備控制器之間增設(shè)一個硬件機構(gòu)：“通道”
*設(shè)置通道后：
CPU只需向通道發(fā)送一條I/O指令即可不再干預后續(xù)操作新症。
通道形成通道程序步氏，執(zhí)行I/O操作，完成后向CPU發(fā)中斷信號
*實際上I/O通道是一種特殊的處理機
*主要目的：
建立更獨立的I/O操作徒爹，解放CPU
*通道類型：
根據(jù)其控制的外圍設(shè)備的不同類型荚醒，信息交換方式也可分為以下三種類型：
1)????字節(jié)多路通道
2)????數(shù)組選擇通道
3)????數(shù)組多路通道
（5）??
2. 設(shè)備管理
管理對象：
I/O設(shè)備和相應的設(shè)備控制器（I/O系統(tǒng)組成）
基本任務(wù)：
完成用戶提出的I/O請求芋类，
提高I/O速率、改善I/O設(shè)備的利用率界阁。
為更高層進程方便使用設(shè)備提供手段
（1）中斷
中斷處理流程：
a)?測定是否有未響應的中斷信號
b)? 保護被中斷進程的CPU環(huán)境
c)? 轉(zhuǎn)入相應的設(shè)備處理程序
d)?中斷處理
e)? 恢復CPU的現(xiàn)場
（2）
3. I/O系統(tǒng)的基本功能及模型
(1)功能：
*隱藏物理設(shè)備細節(jié)
*實現(xiàn)設(shè)備無關(guān)性
*提高處理機和設(shè)備的并行性
*對I/O設(shè)備進行控制
*確保對設(shè)備正確共享
*錯誤處理
（2）層次結(jié)構(gòu)：
系統(tǒng)中的設(shè)備管理模塊分為若干個層次
下層為上層提供服務(wù)侯繁，完成輸入輸出功能中的某些子功能，并屏蔽功能實現(xiàn)的細節(jié)
①用戶層軟件
實現(xiàn)與用戶交互的接口泡躯，用戶可直接調(diào)用在用戶層提供的贮竟、與I/O操作有關(guān)的庫函數(shù)，對設(shè)備進行操作较剃。
②設(shè)備獨立軟件
用于實現(xiàn)用戶程序與設(shè)備驅(qū)動器的統(tǒng)一接口咕别、設(shè)備命名、設(shè)備的保護以及設(shè)備的分配與釋放等写穴，同時為設(shè)備管理和數(shù)據(jù)傳送提供必要的存儲空間惰拱。
③設(shè)備驅(qū)動程序
與硬件直接相關(guān)，用于具體實現(xiàn)系統(tǒng)對設(shè)備發(fā)出的操作指令啊送，驅(qū)動I/O設(shè)備工作的驅(qū)動程序偿短。
④中斷處理程序
用于保存被中斷進程的CPU環(huán)境，轉(zhuǎn)入相應的中斷處理程序進行處理馋没，處理完后再恢復被中斷進程的現(xiàn)場后昔逗，返回到被中斷進程。
4. I/O控制方式
1）程序I/O方式
2）中斷驅(qū)動I/O方式
3）直接存儲器訪問DMA 方式
①該方式的特點是：
1)???數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊篷朵；
2)???所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的勾怒，或者直接從內(nèi)存進設(shè)備；不需要CPU操作款票。
3)????CPU干預進一步減少：僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時控硼，才需CPU干預，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的艾少。
????可見DMA方式又是成百倍的減少了CPU對I/O的干預，進一步提高了CPU與I/O設(shè)備的并行操作程度翼悴。
②DMA控制器的組成
DMA控制器由三部分組成：
主機與DMA控制器的接口缚够；
DMA控制器與塊設(shè)備的接口；
3.I/O控制邏輯
③DMA工作過程
CPU先向磁盤控制器發(fā)送一條讀命令鹦赎。
該命令被送到命令寄存器CR中谍椅。
同時發(fā)送數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存的起始地址，該地址被送入MAR中古话；
要讀數(shù)據(jù)的字數(shù)則送入數(shù)據(jù)計數(shù)器DC中雏吭；
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，按設(shè)備狀態(tài)啟動磁頭到相應位置陪踩。
啟動DMA控制器控制邏輯開始進行數(shù)據(jù)傳送
DMA控制器讀入一個數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)寄存器DR中杖们，然后傳到內(nèi)存MAR地址中悉抵；
接著MAR+1,DC-1，判斷DC是否為0,如否摘完，繼續(xù)姥饰，反之控制器發(fā)中斷請求，傳送完畢孝治。
4）I/O通道控制方式
?
?
5．用戶層的I/O軟件
小部分I/O系統(tǒng)軟件放在了用戶應用層上
1)?系統(tǒng)調(diào)用與庫函數(shù)
a)?不允許運行在用戶態(tài)的應用進程列粪，去直接調(diào)用運行在核心態(tài)（系統(tǒng)態(tài)）的OS過程。
b)?用進程在運行時谈飒，又必須取得OS所提供的服務(wù)岂座。
于是：
OS在用戶層中引入了系統(tǒng)調(diào)用，應用程序可以通過它杭措，間接調(diào)用OS中的I/O過程掺逼，對I/O設(shè)備進行操作
2) 設(shè)備分配中的虛擬技術(shù)
?????? —— SPOOLing
技術(shù)
SPOOLing系統(tǒng)的組成：
*輸入井和輸出井：磁盤上開辟兩大存儲空間。輸入井模擬脫機輸入的磁盤設(shè)備瓤介，輸出井模擬脫機輸出時的磁盤吕喘。
*輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)：為緩解速度矛盾，內(nèi)存中開辟兩大緩沖空間刑桑，輸入緩沖區(qū)暫存輸入設(shè)備送來的數(shù)據(jù)氯质，再送給輸入井；輸出緩沖區(qū)暫存輸出井送來的數(shù)據(jù)祠斧，再送輸出設(shè)備
*輸入進程和輸出進程：
用一進程模擬脫機輸入時外圍設(shè)備控制器的功能闻察，把低速輸入設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；
用另一進程模擬脫機輸出時外圍設(shè)備控制器的功能琢锋，把數(shù)據(jù)從磁盤上傳送到低速輸出設(shè)備上
3)SPOOLing系統(tǒng)的特點
*提高了I/O的速度
*實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能
6. 緩沖區(qū)管理
[if !supportLists]n? [endif]I/O控制方式減少CPU對I/O的干預提高利用率辕漂；
[if !supportLists]n? [endif]緩沖則通過緩和CPU和I/O設(shè)備速度不匹配矛盾，增加CPU和I/O設(shè)備的并行性吴超，提高利用率钉嘹。
[if !supportLists]n? [endif]現(xiàn)代OS中，幾乎所有的I/O設(shè)備與處理機交換數(shù)據(jù)時鲸阻，都用了緩沖區(qū)跋涣。
[if !supportLists]n? [endif]引入緩沖區(qū)的主要原因：
[if !supportLists]n? [endif]緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。
[if !supportLists]n? [endif]緩沖區(qū)數(shù)據(jù)成批傳入內(nèi)存鸟悴，也可進一步減少對CPU的中斷頻率
[if !supportLists]n? [endif]最終目的：提高CPU和I/O設(shè)備的并行性陈辱。
[if !supportLists]1）[endif]單緩沖與多緩沖
（1）單緩沖
每當用戶進程發(fā)出一I/O請求時，OS在主存中為之分配一個緩沖區(qū)细诸。CPU和外設(shè)輪流使用沛贪，一方處理完后等待對方處理。
（2）雙緩沖
兩個緩沖區(qū)，CPU和外設(shè)不再針對一塊交替
可能實現(xiàn)連續(xù)處理無需等待對方利赋。前提是CPU和外設(shè)對一塊數(shù)據(jù)的處理速度相近
* 雙緩沖還適合雙向通訊：一個用作發(fā)送緩沖區(qū)水评，另一個用作接受緩沖區(qū)。
2）循環(huán)緩沖
設(shè)置多塊緩沖區(qū)
用循環(huán)結(jié)構(gòu)組織隐砸，只供兩個相關(guān)進程使用
順一個方向放入或取出
①?循環(huán)緩沖的組成
多個緩沖區(qū)之碗。大小相同，三種類型：
b)? 備裝輸入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū)R
c) 裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)G
d) 計算進程正在使用的現(xiàn)行工作緩沖區(qū)C
多個指針季希。
e) 指示正在使用的緩沖區(qū)C的指針Current
f)? 指示計算進程下一個可取的緩沖區(qū)G的指針Nextg
g) 指示輸入進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
③進程同步
[if !supportLists]3）[endif]緩沖池
提高緩沖區(qū)的利用率褪那。在池中設(shè)置多個可供若干個進程共享的緩沖區(qū)
[if !supportLists]n?? [endif]組織形式：隊列及隊列指針
[if !supportLists]①? [endif]緩沖池的組成
對于既可輸入又可輸出的公用緩沖池，至少應含有下列三種類型的緩沖區(qū)：
[if !supportLists]a)??[endif]空緩沖區(qū)式塌；
[if !supportLists]b)??[endif]裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)博敬；
[if !supportLists]c)??[endif]裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；
為方便管理峰尝，將上述類型相同的緩沖區(qū)連成隊列
[if !supportLists]¨?? [endif]空緩沖區(qū)隊列（所有進程都可用）
[if !supportLists]¨?? [endif]輸入隊列（n個進程有各自的隊列）
[if !supportLists]¨?? [endif]輸出隊列（n個進程有各自的隊列）
*（隊列長度不固定偏窝，根據(jù)進程實際情況靈活變動，需要多少用多少）
[if !supportLists]②? [endif]緩沖區(qū)的工作方式
收容輸入
提取輸入
收容輸出
提取輸出
使用：Getbuf（隊列武学，工作區(qū)）
Putbuf（隊列祭往，工作區(qū)）
緩沖池：可雙向緩沖；緩沖區(qū)整體利用率高
7火窒、磁盤存儲器的性能和調(diào)度
1）磁盤性能
與格式有關(guān)
[if !supportLists]n? [endif]數(shù)據(jù)的組織和格式
*盤片硼补、面、磁道熏矿、扇區(qū)
*為方便處理已骇，每條磁道存儲容量相同，每個磁道上的每個扇區(qū)相當于一個盤塊票编。磁盤”格式化”的過程就是按規(guī)定的格式規(guī)劃盤塊
?
與速度有關(guān)
[if !supportLists]n? [endif]磁盤類型
[if !supportLists]¨? [endif]固定磁頭（每道一磁頭）
[if !supportLists]¨? [endif]移動磁頭（每盤一磁頭）
[if !supportLists]n? [endif]訪問時間的計算
[if !supportLists]¨? [endif]尋道時間（到磁道）
[if !supportLists]¨? [endif]旋轉(zhuǎn)延遲（到扇區(qū)）
[if !supportLists]¨? [endif]傳輸時間
????????????????? 傳輸時間占總時間的比例最小褪储，磁盤讀寫速度的提高要選擇合適的調(diào)度算法，減少前兩項用時慧域，使所有作業(yè)的磁盤處理時間均衡鲤竹。
2）磁盤調(diào)度方法
對所有請求訪問磁盤的進程進行合理調(diào)度，使對磁盤的平均訪問時間最小
目標：使平均尋道時間最少
?
算法：
①? FCFS
*多個進程的磁盤I/O請求構(gòu)成一個隨機分布的請求隊列吊趾。
*磁盤I/O執(zhí)行順序按磁盤請求的先后順序宛裕。
②? 最短尋道時間優(yōu)先SSTF
選擇從當前磁頭位置出發(fā)移動最少的磁盤I/O請求
③? 掃描算法SCAN（磁盤電梯調(diào)度算法）
SSTF會導致“饑餓”現(xiàn)象
總選擇最近的磁道訪問，遠磁道請求的進程會長時間得不到執(zhí)行论泛。
改進：
考慮距離的同時，更優(yōu)先考慮方向
SCAN算法
規(guī)定磁頭移動方向：自里向外蛹屿，再自外向里移動屁奏。
后續(xù)的I/O磁道請求，哪個在規(guī)定方向上距離最近错负，就先執(zhí)行哪個坟瓢。
循環(huán)掃描CSCAN
SCAN的錯過問題：
容易錯過與當前磁道距離近勇边，但方向不一致的磁道。
修改：將SCAN規(guī)定的移動方向改為“單向移動”
由里向外后折联，再由里向外
