1.I/O系统的功能、模型和接口 

1）主要功能

（1）隐藏物理设备细节

（2）实现设备无关性

（3）提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理

（4）对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理

（5）确保对设备正确共享：虚拟设备及设备独立性等

（6）错误处理

2）层次结构和模型

（1）层次结构

（2）层间操作

3）I/O软件系统的层次

（1）中断处理程序

（2）设备驱动程序

（3）设备独立性软件

4）I/O系统接口

（1）块设备接口

（2）流设备接口

（3）网络通信接口

2.I/O设备和设备控制器

1）I/O设备的类型

（1）按传输速率分类：

低速、中速、高速

（2）使用：

存储设备、输入输出设备

（3）按信息交换的单位分类：

块设备、字符设备

（4）按设备的共享属性分类：

独占、共享、虚拟

2）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。

常作成接口卡插入计算机

可编址，不同类

（1）基本功能

①接收和识别CPU命令（控制寄存器：存放命令和参数）

②标识和报告设备的状态（状态寄存器）

③数据交换（数据寄存器）

④地址识别（控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器）

⑤数据缓冲（协调I/O与CPU的速度差距）

⑥差错控制

（2）组成

①设备控制器与处理机的接口

②设备控制器与设备的接口

③I/O逻辑

（3）处理机与设备控制器间

①实现CPU与设备控制器之间的通信。

②共有三类信号线：

数据线：数据线通常与两类寄存器相连接，第一类是数据寄存器；第二类是控制/状态寄存器。

地址线

控制线

3）I/O通道

（1）I/O通道设备的引入

①设备控制器已大大减少CPU对I/O的干预（如承担了选择设备，数据转换、缓冲等功能）

②但当主机的外设很多时，CPU的负担仍然很重。

③在CPU和设备控制器之间增设一个硬件机构：“通道”

④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

主要目的：

      建立更独立的I/O操作，解放CPU。

      数据传送的独立

     I/0操作的组织、管理及结束处理也尽量独立。

   实际上I/O通道是一种特殊的处理机：

   指令类型单一，只用于I/O操作；

  通道没有内存，它与CPU共享内存

（2）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：

字节多路通道

数组选择通道

数组多路通道

（3）“瓶颈问题”

字节多路通道

一个通道常通过多个子通道连接多个设备控制器

多个设备，通过非分配型子通道以字节为单位交叉轮流使用主通道传输自己的数据。

主通道扫描子通道速率足够快，子通道上的设备速率又不太高时，一般不丢失信息。

适用于并行、低速设备

数组选择通道

针对高速设备：分配型子通道

设备利用子通道占用通道后，一段时间内一直独占，直至设备传送完毕释放。

利用率低。

数组多路通道

结合上述两种方式。

含多个非分配型子通道。数据传送则按数组方式进行。

3.中断机构和中断处理程序

1）中断简介

（1）中断和陷入

中断：CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应，中断是由外部设备引起的，又称外中断。

陷入：由CPU内部事件所引起的中断，通常把这类中断称为内中断或陷入（trap）。

中断和陷入的主要区别：是信号的来源。

（2）中断向量表

为每种设备配以相应的中断处理程序，并把该程序的入口地址，放在中断向量表的一个表项中，并为每一个设备的中断请求，规定一个中断号，它直接对应于中断向量表的一个表项中。

（3）对多中断源的处理方式

①屏蔽（禁止）中断：

所有中断都将按顺序依次处理。

当处理机正在处理一个中断时，将屏蔽掉所有新到的中断，让它们等待，直到处理机已完成本次中断的处理后，处理机再去检查并处理。

优点是简单，但不能用于对实时性要求较高的中断请求。

②嵌套中断：

中断优先级：系统根据不同中断信号源，对服务要求的紧急程度的不同，它们分别规定不同的优先级。

当同时有多个不同优先级的中断请求时，CPU优先响应最高优先级的中断请求；

高优先级的中断请求，可以抢占正在运行低优先级中断的处理机，该方式类似于基于优先级的抢占式进程调度。

2)中断处理程序

(1)主要工作

①进行进程上下文的切换

②对处理中断信号源进行测试

③读取设备状态

④修改进程状态

(2)中断处理流程

测定是否有未响应的中断信号

保护被中断进程的CPU环境

转入相应的设备处理程序

中断处理

恢复CPU的现场

4. 设备驱动程序 

1）驱动程序的功能

(1)接收由与设备无关的软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求，转换为与设备相关的低层操作序列；

(2)检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递与I/O设备操作有关的参数，设置设备的工作方式；

(3)发出I/O命令，如果设备空闲，便立即启动I/O设备，完成指定的I/O操作；如果设备忙碌，则将请求者挂在设备队列上等待；

(4)及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。

2）设备驱动程序的特点

(1)驱动程序是与设备无关的软件和设备控制器之间通信和转换的程序。

(2)驱动程序，与设备控制器和I/O设备的硬件特性，紧密相关。     

(3)驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。

(4)由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编语言编写。

(5)驱动程序应允许可重入，一个正在运行的驱动程序常会在一次调用完成前被再次调用。

3）设备处理方式

具体分类：

(1)为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的I/O操作。这种方式比较适合于较大的系统；

(2)在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中所有各类设备的I/O操作。也可以设置一个输入进程和一个输出进程，分别处理系统中的输入或输出操作；

(3)不设置专门的设备处理进程，而只为各类设备设置相应的设备驱动程序，供用户或系统进程调用。这种方式目前用得较多。

4）驱动程序处理过程

5）I/O控制方式

（1）程序I/O方式

（2）中断驱动I/O方式

CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令

然后立即返回继续执行任务。

设备控制器按照命令的要求去控制指定I/O设备。

这时CPU与I/O设备并行操作。

I/O设备输入数据中，无需CPU干预，因而可使CPU与I/O设备并行工作。从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。

中断方式比程序I/O方式更有效 

但仍以字（节）为单位进行I/O，每当完成一个字（节），控制器便要请求一次中断。

 CPU虽然可与I/O并行，但效率不高，存在频繁的中断干扰。 

改进： CPU下指令通知控制器完成一块数据的I/O，控制器完成后才发中断，而不是每个字节都要向CPU发中断； 

多字节传输入内存过程不需要CPU搬运，由控制器控制完成（所以称直接存储器访问）——DMA（Direct Memory Access）控制方式引入

（3）直接存储器访问DBA方式

①DBA的特点

a. 数据传输的基本单位是数据块；

b. 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。

c.  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；

I/O控制逻辑

③DMA工作过程

④I/O通道控制方式

通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器，它使主机（CPU和内存）与I/O操作之间达到更高的并行程度。由于它的任务是管理实现输入/输出操作，提供一种传送通道。

5.与设备无关的I/O软件 

设备分配：

1）数据结构

设备控制表

控制器控制表

通道控制表

系统设备（总）表

2）设备分配需考虑的因素

3）设备的分配过程

分配设备：

根据请求设备名，查找SDT，找到DCT；

状态、安全性等因素都可能导致本申请进程阻塞，挂入DCT等待队列中。

分配控制器：

通过1步分配设备后，从DCT找到COCT；

检查COCT状态字，若忙碌，进程PCB挂到其等待队列

分配通道：

COCT找到CHCT

判断状态，…

当上述三步都通过后，才可启动设备进行数据传输

6.用户层的I/O软件 

1）系统调用与库函数

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。

应用进程在运行时，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

虚拟性是OS的四大特征之一。

多道程序技术将一台物理CPU虚拟为多台逻辑CPU，实现多个用户共享一台主机

SPOOLing系统的组成

主要有三大部分

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。

7.缓冲区管理 

1）引入缓冲池的主要原因

缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。

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

最终目的：提高CPU和I/O设备的并行性。

2）使用缓冲区的方式

（1）单缓冲、多缓冲

（2）循环缓冲

（3）缓冲池（Buffer Pool）

8.磁盘存储器的性能和调度

1）磁盘性能简述

（1）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。

（2）与速度有关

磁盘类型

固定磁头（每道一磁头）

移动磁头（每盘一磁头）

访问时间的计算

寻道时间（到磁道）

旋转延迟（到扇区）

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

（1）FCFS

（2）最短寻道时间优先SSTF

（3）扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）

      循环扫描算法CSCAN

    N-Step-SCAN算法

     FSCAN算法