I/O系統(tǒng)的組成
包括：
需要用于輸入恍飘、輸出和存儲信息的設備常侣；
需要相應的設備控制器胳施；
控制器與CPU連接的高速總線；
有的大中型計算機系統(tǒng)焦辅，配置I/O通道筷登；
I/O軟件的層次結構及層功能
用戶層軟件//產(chǎn)生I/O請求哩盲、格式化I/O、Spooling
設備獨立性軟件//映射廉油、保護抒线、分塊嘶炭、緩沖抑进、分配
設備驅(qū)動程序//設置設備寄存器单匣，檢查狀態(tài)
中斷處理程序//
硬件//執(zhí)行I/O操作
設備管理
管理對象：
I/O設備和相應的設備控制器(I/O系統(tǒng)組成)
基本任務：
完成用戶提出的I/O請求
提高I/O速率户秤，改善I/O設備的利用率
為更高層進程方便使用設備提供手段
I/O系統(tǒng)的基本功能
###主要功能：
隱藏物理設備細節(jié)鸡号，方便用戶
用戶使用抽象的I/O命令即可
實現(xiàn)設備無關性鲸伴，方便用戶
用戶可用抽象的邏輯設備名來使用設備府蔗，同時也提高了OS的可移植性和易適應性汞窗。
提高處理機和設備的并行性姓赤，提高利用率：緩沖區(qū)管理
對I/O設備進行控制：控制方式仲吏、設備分配、設備處理
確保對設備正確共享：虛擬設備及設備獨立性等
錯誤處理
I/O系統(tǒng)的層次結構
層次結構：系統(tǒng)中的設備管理模塊分為若干個層次
層間操作：下層為上層提供服務裹唆，并完成輸入輸出功能中的某些子功能誓斥，并屏蔽功能實現(xiàn)的細節(jié)
I/O軟件的分層
用戶層軟件
實現(xiàn)與用戶交互的接口，用戶可直接調(diào)用在用戶層提供的许帐、與I/O操作有關的庫函數(shù)，對設備進行操作距芬。
設備獨立軟件
用于實現(xiàn)用戶程序與設備驅(qū)動器的統(tǒng)一接口框仔、設備命名奕剃，設備的保護以及設備的分配與釋放等衷旅，同時為設備管理和數(shù)據(jù)傳送提供必要的存儲空間
設備驅(qū)動程序
與硬件直接相關，用于具體實現(xiàn)系統(tǒng)對設備發(fā)出的操作指令操软，驅(qū)動I/O設備工作的驅(qū)動程序
中斷處理程序
用于保存被中斷進程的CPU環(huán)境嘁锯，轉入相應的中斷處理程序進行處理，處理完后再恢復被中斷進程的線程后聂薪，返回到被中斷進程家乘。
I/O軟件系統(tǒng)的層次
中斷處理程序
處于I/O系統(tǒng)的底層，直接與硬件進行交互
設備驅(qū)動程序
處于次底層藏澳，是進程和控制器之間的通信程序
功能：將上層發(fā)來的抽象I/O請求仁锯，轉換為對I/O設備的具體命令和參數(shù)，轉化為對I/O設備具體命令和參數(shù)翔悠，并把它裝入到設備控制其中的命令和參數(shù)寄存器中业崖。
設備獨立性軟件
包括設備命名野芒，設備分配，數(shù)據(jù)緩沖等軟件
I/O 系統(tǒng)接口
塊設備
數(shù)據(jù)的存取和傳輸都是以數(shù)據(jù)塊為單位的設備
基本特征是傳輸率較高双炕、可尋址狞悲。磁盤設備的I/O常采用DMA方式。
特點
隱藏了磁盤的二維結構妇斤，塊設備接口隱藏了磁盤地址是二維結構的情況摇锋。每個扇區(qū)的地址需要用磁道號和扇區(qū)號來表示。
將抽象命令映射為底層操作趟济，塊設備接口將上層發(fā)來的抽象命令乱投，映射為設備能識別的較低層具體操作。
字符設備
數(shù)據(jù)的存取和傳輸是以字符為單位的設備顷编，如鍵盤打印機等戚炫。基本特征是傳輸速率較底媳纬、不可尋址常采用中斷驅(qū)動方式双肤。
get和put操作
由于字符設備是不可尋址的，因而對它只能采用順序存取方式钮惠。獲取或輸出字符的方式是采用get和put操作
in-control
因字符設備的類型非常多茅糜，且差異甚大，系統(tǒng)以統(tǒng)一的方式提供了一種通用的in-control指令來處理他們素挽。
網(wǎng)絡通信接口
通過某種方式把計算機鏈接到網(wǎng)絡上
操作系統(tǒng)必須提供相應的網(wǎng)絡軟件和網(wǎng)絡痛心接口蔑赘。使得計算機能通過網(wǎng)絡與網(wǎng)絡上其他計算機進行通信≡っ鳎或上網(wǎng)瀏覽缩赛。
I/O通道
I/O通道設備的引入
設備控制器已大大減少CPU對I/O的干預
（如承擔了選擇設備，數(shù)據(jù)轉換撰糠、緩沖等功能）
但當主機的外設很多時酥馍，CPU的負擔仍然很重。
在CPU和設備控制器之間增設一個硬件機構：“通道”
設置通道后
CPU只需向通道發(fā)送一條I/O指令即可不再干預后續(xù)操作阅酪。
通道形成通道程序旨袒，執(zhí)行I/O操作，完成后向CPU發(fā)中斷信號术辐。
主要目的：
建立更獨立的I/O操作砚尽，解放CPU。
數(shù)據(jù)傳送的獨立
I/0操作的組織辉词、管理及結束處理也盡量獨立尉辑。
實際上I/O通道是一種特殊的處理機：
指令類型單一，只用于I/O操作较屿；
通道沒有內(nèi)存隧魄，它與CPU共享內(nèi)存
通道類型
根據(jù)其控制的外圍設備的不同類型卓练，信息交換方式也可分為以下三種類型：
字節(jié)多路通道
數(shù)組選擇通道
數(shù)組多路通道
字節(jié)多路通道
一個通道常通過多個子通道連接多個設備控制器
多個設備，通過非分配型子通道以字節(jié)為單位交叉輪流使用主通道傳輸自己的數(shù)據(jù)购啄。
數(shù)組選擇通道
針對高速設備：分配型子通道
設備利用子通道占用通道后襟企，一段時間內(nèi)一直獨占，直至設備傳送完畢釋放狮含。
利用率低顽悼。
數(shù)組多路通道
結合上述兩種方式。
含多個非分配型子通道几迄。數(shù)據(jù)傳送則按數(shù)組方式進行蔚龙。
中斷
中斷和陷入
中斷：CPU對I/O設備發(fā)來的中斷信號的一種響應，中斷是由外部設備引起的映胁，又稱外中斷木羹。
陷入：由CPU內(nèi)部事件所引起的中斷，通常把這類中斷稱為內(nèi)中斷或陷入（trap）解孙。
中斷和陷入的主要區(qū)別：是信號的來源坑填。
對多中斷源的處理方式
屏蔽（禁止）中斷：
所有中斷都將按順序依次處理。
當處理機正在處理一個中斷時弛姜，將屏蔽掉所有新到的中斷脐瑰，讓它們等待，直到處理機已完成本次中斷的處理后廷臼，處理機再去檢查并處理苍在。
優(yōu)點是簡單，但不能用于對實時性要求較高的中斷請求荠商。
嵌套中斷：
中斷優(yōu)先級：系統(tǒng)根據(jù)不同中斷信號源寂恬，對服務要求的緊急程度的不同，它們分別規(guī)定不同的優(yōu)先級结啼。
當同時有多個不同優(yōu)先級的中斷請求時掠剑，CPU優(yōu)先響應最高優(yōu)先級的中斷請求屈芜；
高優(yōu)先級的中斷請求郊愧，可以搶占正在運行低優(yōu)先級中斷的處理機，該方式類似于基于優(yōu)先級的搶占式進程調(diào)度
中斷處理程序
主要工作
進行進程上下文的切換
對處理中斷信號源進行測試
讀取設備狀態(tài)
修改進程狀態(tài)
中斷處理流程
測定是否有未響應的中斷信號
保護被中斷進程的CPU環(huán)境
轉入相應的設備處理程序
中斷處理
恢復CPU的現(xiàn)場
設備驅(qū)動程序
設備驅(qū)動程序是I/O系統(tǒng)的高層與設備控制器之間的通信程序井佑，主要任務是：
接收上層軟件發(fā)來的抽象I/O要求如read属铁、write等命令
再把它轉化為具體要求，發(fā)送給設備控制器躬翁，啟動設備去執(zhí)行焦蘑。
反方向，它也將由設備控制器發(fā)來的信號傳送給上層軟件
驅(qū)動程序的功能
（1）接收由與設備無關的軟件發(fā)來的命令和參數(shù)盒发，并將命令中的抽象要求例嘱，轉化為與設備相關的低層操作序列
（2）檢查用戶I/O請求的合法性狡逢，了解I/O設備的工作狀態(tài)，傳遞與IO設備操作有關的參數(shù)拼卵，設置設備的工作方式
（3）發(fā)出IO命令奢浑，如果設備空閑，便立即啟動IO設備腋腮，完成指定的IO操作雀彼，如果設備忙碌則獎請求者掛在設備隊列上等待
（4）及時響應由設備控制器發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)其中斷類型即寡，調(diào)用相應的中斷處理程序進行處理徊哑。
設備驅(qū)動程序的特點
（1）驅(qū)動程序是與設備無關的軟件和設備控制器之間通信和轉換的程序
（2）驅(qū)動程序，與設備控制器和IO設備的硬件特性緊密相關
（3）驅(qū)動程序與IO設備所采用的IO控制方式緊密相關聪富。
（4）由于驅(qū)動程序與硬件緊密相關莺丑，因而其中的一部分必須用匯編編寫
（5）驅(qū)動程序應允許可重入，一個正在運行的驅(qū)動程序會在一次調(diào)用完成前被再次調(diào)用善涨。
設備處理方式
具體分類
（1）為每一類設備設置一個進程窒盐，專門用于執(zhí)行這類設備的IO操作，這種方式比較適合于較大的系統(tǒng)
（2）在整個系統(tǒng)中設置一個IO進程钢拧，專門用于執(zhí)行系統(tǒng)中所有各類設備的IO操作也可以設置一個輸入進程合一個輸出進程蟹漓，分別處理系統(tǒng)中的輸入和輸出操作
（3）不設置專們的設備處理進程而只為各類設備設置相應的設備驅(qū)動程序，供用戶或系統(tǒng)進程調(diào)用源内。這種方式目前用得較多葡粒。
驅(qū)動程序處理過程
I/O設備與控制器間的通信轉換程序
了解抽象命令，了解控制器內(nèi)部的寄存器結構
與硬件密切相關膜钓，每類設備配備一種驅(qū)動程序
功能：接受解釋指令（有通道的系統(tǒng)嗽交，自動通道程序）、相關判斷颂斜、發(fā)送設備命令夫壁、響應中斷
特點，控制方式不同程序不同沃疮，部分固化進硬件盒让，代碼可重入。
IO控制方式
分為
程序IO方式
中斷驅(qū)動方式
直接存儲器訪問DMA
IO通道控制方式
宗旨：減少主機對IO控制的干預司蔬，將CPU從繁雜的IO控制事務中解脫出來
程序IO方式
cpu對I/O設備的控制采取程序I/O方式邑茄，或稱忙—等待方式
向控制器發(fā)送一條I/O指令；啟動輸入設備輸入數(shù)據(jù)俊啼；把狀態(tài)寄存器busy=1肺缕。
然后不斷測試標志。為1：表示輸入機尚未輸完一個字，CPU繼續(xù)對該標志測試同木；直到為0：數(shù)據(jù)已輸入控制器數(shù)據(jù)寄存器中浮梢。
CPU取控制器中的數(shù)據(jù)送入內(nèi)存單元，完成一個字的I/O 彤路。
高速CPU空閑等待低速I/O設備黔寇，致使CPU極大浪費。
中斷驅(qū)動IO方式
CPU向相應的設備控制器發(fā)出一條I/O命令
然后立即返回繼續(xù)執(zhí)行任務斩萌。
設備控制器按照命令的要求去控制指定I/O設備缝裤。
這時CPU與I/O設備并行操作。
I/O設備輸入數(shù)據(jù)中颊郎，無需CPU干預憋飞，因而可使CPU與I/O設備并行工作。從而提高了整個系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量姆吭。
中斷方式比程序I/O方式更有效
但仍以字（節(jié)）為單位進行I/O榛做，每當完成一個字（節(jié)），控制器便要請求一次中斷内狸。
CPU雖然可與I/O并行检眯，但效率不高，存在頻繁的中斷干擾昆淡。
改進：
CPU下指令通知控制器完成一塊數(shù)據(jù)的I/O锰瘸，控制器完成后才發(fā)中斷，而不是每個字節(jié)都要向CPU發(fā)中斷昂灵；
多字節(jié)傳輸入內(nèi)存過程不需要CPU搬運避凝，由控制器控制完成（所以稱直接存儲器訪問）——DMA（Direct Memory Access）控制方式引入
直接存儲器訪問DMA方式
該方式的特點是：
數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊；
所傳送的數(shù)據(jù)是從設備直接送入內(nèi)存的眨补，或者直接從內(nèi)存進設備管削；不需要CPU操作。
CPU干預進一步減少：僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結束時撑螺，才需CPU干預含思，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I/O的干預甘晤，進一步提高了CPU與I/O設備的并行操作程度含潘。
DMA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；
DMA控制器與塊設備的接口安皱；
I/O控制邏輯调鬓。
IO通道控制方式
DMA適用于讀一個連續(xù)的數(shù)據(jù)塊艇炎；
如一次讀多個數(shù)據(jù)塊到內(nèi)存不同區(qū)域酌伊，須由CPU分別發(fā)送多條I/O指令、進行多次DMA中斷處理。
再進一步減少CPU的干預（減少中斷）居砖， 引入通道虹脯。
實現(xiàn)對一組數(shù)據(jù)塊的讀（寫）及有關的控制和管理為單位的干預。
此時奏候，CPU只需發(fā)一條I/O指令循集，給出通道程序的首地址及要訪問設備即可。
CPU蔗草、通道和I/O設備三者的并行操作咒彤，提高整系統(tǒng)資源利用率。
設備獨立性的基本含義：
指應用程序中所使用的設備咒精，不局限于使用某個具體的物理設備镶柱，也稱為設備無關性。
為了實現(xiàn)設備獨立性模叙，在設備驅(qū)動程序之上設置一層軟件歇拆，稱為與設備無關的I/O軟件，或設備獨立性軟件范咨。
設備無關的軟件是I/O系統(tǒng)最高層軟件故觅，但它和其下的設備驅(qū)動程序之間的界限，將隨操作系統(tǒng)和設備的不同而有所差異渠啊。
獨占設備的分配過程
分配設備：
根據(jù)請求設備名输吏，查找SDT，找到DCT替蛉；
狀態(tài)评也、安全性等因素都可能導致本申請進程阻塞，掛入DCT等待隊列中灭返。
分配控制器
通過1步分配設備后盗迟，從DCT找到COCT；
檢查COCT狀態(tài)字熙含，若忙碌罚缕，進程PCB掛到其等待隊列
分配通道
COCT找到CHCT
判斷狀態(tài)，…
當上述三步都通過后怎静，才可啟動設備進行數(shù)據(jù)傳輸
