1. I/O系统组成
包括：
需要用于输入、输出和存储信息的设备；
需要相应的设备控制器；
控制器与CPU连接的高速总线；
有的大中型计算机系统，配置I/O通道；
（1）I/O设备的类型
从OS的观点，按其重要的性能指标进行分类如下：
按传输速率分类：
低速、中速、高速（键盘、打印机、磁盘）
使用：存储设备、输入输出设备
按信息交换的单位分类：
块设备：有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制
字符设备：无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制
按设备的共享属性分类：
独占：打印机
共享：一个时刻上仍然是只被一个进程占用。可寻址、可随机访问的色后备。磁盘。
虚拟：使一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供给若干用户“同时使用”
（2）I/O设备中的接口
与控制器的接口有三种类型的信号：
a) 数据信号线(进出数据转换、缓冲后传送)
b) 控制信号线(读\写\移动磁头等控制)
c) 状态信号线
（3）设备控制器
控制器是CPU与I/O设备之间的接口，作为中间人接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，以使处理机脱离繁杂的设备控制事务
① 基本功能：
*接收和识别CPU命令（控制寄存器：存放命令和参数）
*标识和报告设备的状态（状态寄存器）
*数据交换（数据寄存器）
*地址识别（控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器）
*数据缓冲（协调I/O与CPU的速度差距）
*差错控制
②组成：
*设备控制器与处理机的接口
*设备控制器与设备的接口
*I/O逻辑：通过一组控制线与处理机交互
（4）I/O通道
设备控制器已大大减少CPU对I/O的干预，但当主机的外设很多时，CPU的负担仍然很重。在CPU和设备控制器之间增设一个硬件机构：“通道”
*设置通道后：
CPU只需向通道发送一条I/O指令即可不再干预后续操作。
通道形成通道程序，执行I/O操作，完成后向CPU发中断信号
*实际上I/O通道是一种特殊的处理机
*主要目的：
建立更独立的I/O操作，解放CPU
*通道类型：
根据其控制的外围设备的不同类型，信息交换方式也可分为以下三种类型：
1) 字节多路通道
2) 数组选择通道
3) 数组多路通道
（5）
2. 设备管理
管理对象：
I/O设备和相应的设备控制器（I/O系统组成）
基本任务：
完成用户提出的I/O请求，
提高I/O速率、改善I/O设备的利用率。
为更高层进程方便使用设备提供手段
（1）中断
中断处理流程：
a) 测定是否有未响应的中断信号
b) 保护被中断进程的CPU环境
c) 转入相应的设备处理程序
d) 中断处理
e) 恢复CPU的现场
（2）
3. I/O系统的基本功能及模型
(1)功能：
*隐藏物理设备细节
*实现设备无关性
*提高处理机和设备的并行性
*对I/O设备进行控制
*确保对设备正确共享
*错误处理
（2）层次结构：
系统中的设备管理模块分为若干个层次
下层为上层提供服务，完成输入输出功能中的某些子功能，并屏蔽功能实现的细节
①用户层软件
实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数，对设备进行操作。
②设备独立软件
用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。
③设备驱动程序
与硬件直接相关，用于具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作的驱动程序。
④中断处理程序
用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完后再恢复被中断进程的现场后，返回到被中断进程。
4. I/O控制方式
1）程序I/O方式
2）中断驱动I/O方式
3）直接存储器访问DMA 方式
①该方式的特点是：
1) 数据传输的基本单位是数据块；
2) 所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者直接从内存进设备；不需要CPU操作。
3) CPU干预进一步减少：仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。
可见DMA方式又是成百倍的减少了CPU对I/O的干预，进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。
②DMA控制器的组成
DMA控制器由三部分组成：
主机与DMA控制器的接口；
DMA控制器与块设备的接口；
3.I/O控制逻辑
③DMA工作过程
CPU先向磁盘控制器发送一条读命令。
该命令被送到命令寄存器CR中。
同时发送数据读入到内存的起始地址，该地址被送入MAR中；
要读数据的字数则送入数据计数器DC中；
将磁盘中的数据原地址直接送入DMA控制器的I/O控制逻辑上，按设备状态启动磁头到相应位置。
启动DMA控制器控制逻辑开始进行数据传送
DMA控制器读入一个数据到数据寄存器DR中，然后传到内存MAR地址中；
接着MAR+1,DC-1，判断DC是否为0,如否，继续，反之控制器发中断请求，传送完毕。
4）I/O通道控制方式
5．用户层的I/O软件
小部分I/O系统软件放在了用户应用层上
1) 系统调用与库函数
a) 不允许运行在用户态的应用进程，去直接调用运行在核心态（系统态）的OS过程。
b) 用进程在运行时，又必须取得OS所提供的服务。
于是：
OS在用户层中引入了系统调用，应用程序可以通过它，间接调用OS中的I/O过程，对I/O设备进行操作
2) 设备分配中的虚拟技术
—— SPOOLing
技术
SPOOLing系统的组成：
*输入井和输出井：磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备，输出井模拟脱机输出时的磁盘。
*输入缓冲区和输出缓冲区：为缓解速度矛盾，内存中开辟两大缓冲空间，输入缓冲区暂存输入设备送来的数据，再送给输入井；输出缓冲区暂存输出井送来的数据，再送输出设备
*输入进程和输出进程：
用一进程模拟脱机输入时外围设备控制器的功能，把低速输入设备上的数据传送到高速磁盘上；
用另一进程模拟脱机输出时外围设备控制器的功能，把数据从磁盘上传送到低速输出设备上
3)SPOOLing系统的特点
*提高了I/O的速度
*实现了虚拟设备功能
6. 缓冲区管理
[if !supportLists]n [endif]I/O控制方式减少CPU对I/O的干预提高利用率；
[if !supportLists]n [endif]缓冲则通过缓和CPU和I/O设备速度不匹配矛盾，增加CPU和I/O设备的并行性，提高利用率。
[if !supportLists]n [endif]现代OS中，几乎所有的I/O设备与处理机交换数据时，都用了缓冲区。
[if !supportLists]n [endif]引入缓冲区的主要原因：
[if !supportLists]n [endif]缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
[if !supportLists]n [endif]缓冲区数据成批传入内存，也可进一步减少对CPU的中断频率
[if !supportLists]n [endif]最终目的：提高CPU和I/O设备的并行性。
[if !supportLists]1）[endif]单缓冲与多缓冲
（1）单缓冲
每当用户进程发出一I/O请求时，OS在主存中为之分配一个缓冲区。CPU和外设轮流使用，一方处理完后等待对方处理。
（2）双缓冲
两个缓冲区，CPU和外设不再针对一块交替
可能实现连续处理无需等待对方。前提是CPU和外设对一块数据的处理速度相近
* 双缓冲还适合双向通讯：一个用作发送缓冲区，另一个用作接受缓冲区。
2）循环缓冲
设置多块缓冲区
用循环结构组织，只供两个相关进程使用
顺一个方向放入或取出
① 循环缓冲的组成
多个缓冲区。大小相同，三种类型：
b) 备装输入数据的空缓冲区R
c) 装满数据的缓冲区G
d) 计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
多个指针。
e) 指示正在使用的缓冲区C的指针Current
f) 指示计算进程下一个可取的缓冲区G的指针Nextg
g) 指示输入进程下次可放的缓冲区R的指针Nexti
②循环缓冲区的使用
③进程同步
[if !supportLists]3）[endif]缓冲池
提高缓冲区的利用率。在池中设置多个可供若干个进程共享的缓冲区
[if !supportLists]n [endif]组织形式：队列及队列指针
[if !supportLists]① [endif]缓冲池的组成
对于既可输入又可输出的公用缓冲池，至少应含有下列三种类型的缓冲区：
[if !supportLists]a) [endif]空缓冲区；
[if !supportLists]b) [endif]装满输入数据的缓冲区；
[if !supportLists]c) [endif]装满输出数据的缓冲区；
为方便管理，将上述类型相同的缓冲区连成队列
[if !supportLists]¨ [endif]空缓冲区队列（所有进程都可用）
[if !supportLists]¨ [endif]输入队列（n个进程有各自的队列）
[if !supportLists]¨ [endif]输出队列（n个进程有各自的队列）
*（队列长度不固定，根据进程实际情况灵活变动，需要多少用多少）
[if !supportLists]② [endif]缓冲区的工作方式
收容输入
提取输入
收容输出
提取输出
使用：Getbuf（队列，工作区）
Putbuf（队列，工作区）
缓冲池：可双向缓冲；缓冲区整体利用率高
7、磁盘存储器的性能和调度
1）磁盘性能
与格式有关
[if !supportLists]n [endif]数据的组织和格式
*盘片、面、磁道、扇区
*为方便处理，每条磁道存储容量相同，每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块
与速度有关
[if !supportLists]n [endif]磁盘类型
[if !supportLists]¨ [endif]固定磁头（每道一磁头）
[if !supportLists]¨ [endif]移动磁头（每盘一磁头）
[if !supportLists]n [endif]访问时间的计算
[if !supportLists]¨ [endif]寻道时间（到磁道）
[if !supportLists]¨ [endif]旋转延迟（到扇区）
[if !supportLists]¨ [endif]传输时间
传输时间占总时间的比例最小，磁盘读写速度的提高要选择合适的调度算法，减少前两项用时，使所有作业的磁盘处理时间均衡。
2）磁盘调度方法
对所有请求访问磁盘的进程进行合理调度，使对磁盘的平均访问时间最小
目标：使平均寻道时间最少
算法：
① FCFS
*多个进程的磁盘I/O请求构成一个随机分布的请求队列。
*磁盘I/O执行顺序按磁盘请求的先后顺序。
② 最短寻道时间优先SSTF
选择从当前磁头位置出发移动最少的磁盘I/O请求
③ 扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
SSTF会导致“饥饿”现象
总选择最近的磁道访问，远磁道请求的进程会长时间得不到执行。
改进：
考虑距离的同时，更优先考虑方向
SCAN算法
规定磁头移动方向：自里向外，再自外向里移动。
后续的I/O磁道请求，哪个在规定方向上距离最近，就先执行哪个。
循环扫描CSCAN
SCAN的错过问题：
容易错过与当前磁道距离近，但方向不一致的磁道。
修改：将SCAN规定的移动方向改为“单向移动”
由里向外后，再由里向外