I/O系统层次结构与功能实现，足够详细了

层次结构图

功能介绍

用户层软件：用于实现用户与I/O设备交互；
设备独立性软件：用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保护，以及设备分配与释放等；
设备驱动程序：与硬件直接有关，用来具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作；
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，处理完后恢复现场，并返回到被中断的进程；
硬件：I/O设备。

请求与访问顺序

I/O请求：用户层软件–>设备独立性软件–>设备驱动程序–>中断处理程序–>硬件
I/O应答：硬件–>中断处理程序–>设备驱动程序–>设备独立性软件–>用户层软件

层次功能实现

用户层软件：假脱机技术
设备独立性软件：I/O调度，设备保护，设备分配与回收，缓冲区管理

假脱机技术

SPOOLING系统 是对脱机输入/输出工作的模拟，它必须有大容量的且可随机存取的存储器
的支持。
主要思想：在联机的条件下，进行两个方向的操作，在数据输入时，将数据从输入设备传送到磁盘或磁带（块设备），然后把这些块设备与主机相连；反过来，在数据输出时，将输出数据传送到磁盘或磁带上，再从磁盘或磁带传送到输出设备。这样，可以将一台独占的物理设备虚拟为并行使用的多态逻辑设备，从而使该物理设备被多个进程共享。

设备的分配与回收

设备分配时应考虑的因素：

1. 设备的固有属性
   设备的固有属性可分为三种：独占式设备、共享式设备、虚拟设备。
   独占式设备：一个时间段只能分配给一个进程
   共享式设备：可同时分配给多个进程使用，各个进程往往是宏观上同时共享使用设备，微观上交替使用。
   虚拟设备：采用假脱机技术将独占式设备改造成虚拟共享设备，可同时分配给多个进程使用。
2. 设备的分配算法
   先来先服务算法、短作业优先算法，优先级高优先算法等。
3. 设备分配中的安全性
   从进程运行的安全性上考虑，设备分配有两种方式：
   安全分配方式：为进程分配一个设备后就将进程阻塞，本次IO完成后才将这个进程唤醒。这种方式是安全的破坏了“请求和保持条件”，不会发生死锁。但是对于进程来说，CPU和IO设备只能串行工作。
   不安全分配方式：进程发出IO请求后，系统为其分配IO设备，进程可以继续执行，之后还可以发出新的IO请求。只有某个IO请求得不到满足的情况下才将进程阻塞。
   静态分配与动态分配：
   静态分配：进程运行前，为其分配全部所需资源，运行结束后归还资源。
   动态分配：进程运行过程中，动态的申请设备资源。

设备分配管理中的数据结构：

设备与控制器通道之间的关系：一个通道可以有多个控制器，一个控制器又能控制多台 设备。所以他们三者之间是一对多的关系，也就可以用树状结构来描述。

1. 设备控制表（DCT）
   统会为每个设备配置一个设备控制表（DCT），用来记录设备情况。
   这个设备控制表中包含有一下字段：设备类型（扫描仪/键盘），设备标识符（系统中每个设备的唯一ID），设备状态，指向控制表的指针（因为每个设备都有对应的控制器控制，所以这个指针就是用来指向控制它的控制器），重复执行次数或时间（当IO操作多次仍然不成功，才认为此次IO失败），设备队列的队首指针（这个指针指向一个队列，这个队列里面是PCB，这些PCB是正在等待该设备的）

2. 控制器控制表(COCT)
   每个设备控制器都会对应一张COCT。
   控制器控制表中的属性有：控制器标识符（各个控制器的唯一ID）,控制器状态（忙碌，空闲，故障），指向通道的指针（每个控制器都有对应的通道，该指针用来找到对应的通道），控制器队列的队首指针，控制器队列的队尾指针（指向正在等待该控制器的阻塞队列（由PCB组成的队列））

3. 通道控制表(CHCT)
   每个通道都会对应一张CHCT。操作系统根据CHCT信息对通道进行操作和管理。
   通道控制表中含有的属性：
   通道标识符：各个通道的唯一ID
   通道状态
   与通道连接的控制器表首地址
   通道队列队首指针，通道队列队尾指针

4. 系统设备表(SDT)
   记录系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目录。

设备分配的步骤

1. 按照进程请求的物理设备名查找SDT
2. 根据系统设备表找到DCT（设备控制表），若设备忙碌则将进程挂到设备等待队列中，不忙碌则将设备分配给进程。
3. 根据设备控制表找到COCT（控制器控制表），若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中，不忙碌则将控制器分配给进程。
4. 根据COCT找到CHCT（通道控制表），若通道忙碌则将PCB挂到通达等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程。
5. 备注：只有设备。控制器、通道三者都分配成功时，这次设备分配才算成功，之后便可以启动IO设备进行数据传送

缺点

缓冲区管理

1. 用户编程时必须使用物理设备名，底层细节对用户不透明，不方便编程
2. 若换了一个物理设备，则程序无法执行
3. 若进程请求的物理设备正在忙碌，则即使系统中还有同类型的设备，进程也必须阻塞等待缓冲的引入
   　　引入缓冲区的原因有很多，可归结为以下几点：
   　　(1) 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
   　　(2) 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制。
   　　(3) 解决数据粒度不匹配的问题。
   　　(4) 提高CPU和I/O设备之间的并行性。

单缓冲与双缓冲

1. 单缓冲
   过程：设备）—T----缓冲区—（M）—工作区----（C）—处理
   处理一块数据平均耗时 Max（C,T）+M
   分析问题的初始状态:工作区满，缓冲区空
2. 双缓冲
   过程：设备）—T----缓冲区—（M）—工作区----（C）—处理
   处理一块数据平均耗时 Max（T,C+M）
   分析问题的初始状态:工作区空，缓冲区满，另一个缓冲区空

缓冲池

三个队列：空缓冲队列，输入队列，输出队列。
四种工作缓冲区

1. 用于收容输入数据的工作缓冲区
2. 用于提取输入数据的工作缓冲区
3. 用于收容输出数据的工作缓冲区
4. 用于提取输入数据的工作缓冲区