I/O设备的电子部件：CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备还要有一个电子部件座位CPU和I/O设备机械部件的“中介”，用于实现CPU对设备的控制。
I/O控制器的功能：

接受和识别CPU发出的命令：I/O控制器中会有相应的控制寄存器，来存放命令和参数
向CPU报告设备的状态：会有响应的状态寄存器，用于记录I/O设备的当前状态
数据交换：设置响应的数据寄存器
地址识别：需要给各个寄存器设置一个特定的“地址”
一个I/O控制器可能会对应多个设备
数据存储器、控制寄存器、状态机村可能有多个（内存映像I/O、寄存器独立编址）
- 内存映射I/O：控制器中的寄存器与内存统一编制，可以采用堆内存进行操作的指令来对控制器进行操作
- 寄存器独立编制：控制器中的寄存器独立编址，需要设置专门的指令来操作控制器

I/O控制方式

程序直接控制方式

cpu会向I/O模块进行轮询检查，判断所对应的I/O模块的状态，从而进行相关操作。
CPU干预很频繁，I/O操作开始之前、完成后需要CPU介入，并且在等待I/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。
每次读写一个字，每个字的读写都需要CPU帮助

优点：实现简单
缺点：CPU和I/O设备只能串行工作，CPU需要移植轮询检查，长期处于“忙等”状态，CPU利用率低。

中断驱动方式

引入中断机制。由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可将等待I/O的进程阻塞，先切换到别的进程执行。当I/O完成后，控制器回想CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序该中断。处理终端过程中，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入主存。接着，CPU恢复等待I/O的进程的运行环境，然后继续执行。

CPU会在每个指令周期的末尾检查中断
中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境，这个过程是需要一定时间开销的。如果中断发生的频率过高，会降低系统性能。
每次读/写一个字

优点：CPU和I/O设备并行工作，CPU利用率得到明显提升
缺点：频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间

DMA方式

直接存储器存取。主要用于块设备的I/O控制。数据的传送单位是“块”，多个块必须是连续存放，仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才需要CPU干预。
DMA控制器（==本身就是I/O设备==）：

DR（数据寄存器）：暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据
MAR（内存地址寄存器）：在输入时，MAR表示数据应放到内存中的什么位置；输出时MAR表示要输出的数据放在内存中的什么位置
DC（数据计数器）：表示剩余要读/写的字节数
CR（命令状态寄存器）：用于存放CPU发来的I/O命令，或设备的状态信息
优点：数据传输效率增加，CPU利用率高。
缺点：读取离散的块需要执行多条I/O指令，进行多次中断处理才能完成。

通道控制方式

通道可以识别并执行一系列通道指令。
与CPu相比，通道可以执行的指令很单一，并且通道程序是放在主机内存中，也就是说通道与CPU共享内存。

优点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持
缺点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率高

I/O软件层次

用户层软件：实现了与用户交互的接口，用户可直接使用该层提供的、与I/O操作相关的库函数对设备进行操作（SPOOLING技术）
设备独立性软件：用户层软件将用户请求翻译成格式化的I/O请求，并通过“系统调用”请求操作系统内核的服务
设备驱动程序：向上层提供统一的调用接口；设备的保护；差错处理；设备的分配与回收；数据缓冲区管理；建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系：根据设备类型选择调用相应的驱动程序（逻辑设备表LUT）
中断处理程序：根据中断信号类型找到中断处理程序并执行

输入输出应用接口

字符设备接口：get/put
块设备接口：read/write、seek（寻址）
网络设备接口：socket、bind、connect、read/write
阻塞I/O：应用程序发出I/O系统调用，进程需转为阻塞态等待
非阻塞I/O：应用程序发出I/O系统调用，系统调用可迅速返回，进程无需阻塞等待
设备驱动程序接口会被统一规定好

I/O核心子系统

SPOOLING系统

引入脱机技术后，缓解了CPU与慢速I/O设备的速度矛盾。另一方面，即使CPU在忙碌，也可以提前将数据输入到磁带；即使慢速的输出设备正在忙碌，也可以将数据输出到磁带。
SPOOLING技术需要多道批道程序支持

设备的分配

设备的固有属性：独占设备、共享设备、虚拟设备
从进程运行的安全性上考虑：

安全分配方式：为进程分配一个设备后就将进程阻塞，本溪I/O完成后才将进程唤醒
不安全分配方式：进程发出I/O请求后，系统为其分配I/O设备，进程可继续执行，之后还可以发出新的I/O请求。只有某个I/O请求得不到满足时才将进程阻塞（==死锁避免==）
根据进程的分配过程：
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（破坏了“请求和保持”条件，不会发生死锁）
动态分配：进程运行过程中动态申请设备资源
设备控制表（DCT）、控制器控制表（COCT）、通道控制表（CHCT）、系统设备表（记录系统全部设备情况）
设备分配步骤：

根据进程请求的物理设备名查找系统设备表（物理设备名是进程请求分配设备时提供的参数）
根据系统设备表找到设备控制表，若设备忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列中，不忙碌则将设备分配给进程。
根据设备控制表找到控制器控制表，若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中，不忙陆泽将控制器分配给进程
根据控制器控制表找到通道控制表，若通道忙碌则将进程PCb挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程
缺点：

底层细节对用户不透明，不方便编程
换物理设备则程序无法运行
若进程请求的物理设备正在忙碌，则机试系统中还有同类型的设备，进程也必须阻塞等待
改进方法：建立逻辑设备名与物理设备名的映射机制，用户编程时只需提供逻辑设备名

缓冲区

缓冲区是一个存储区域，可以有专门的硬件寄存器组成，也可利用内存作为缓冲区。
使用硬件作为缓冲区的成本较高，容量也较小，一般金庸在队速度要求非常高的场合。
缓冲区的作用：

缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾
减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
解决数据粒度不匹配的问题
提高CPU与I/O设备之间的并行性

单缓冲

操作系统在主存中为一个进程分配一个缓冲区。当缓冲区数据非空时，不能往缓冲区冲入数据，只能从缓冲区把数据传出；当缓冲区为空时，可以往缓冲区冲入数据，但必须把缓冲区充满以后，才能从缓冲区把数据传出。

双缓冲

处理一个数据块的平均耗时为MAX（T，C+M）

循环缓冲区

将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列

缓冲池

缓冲池由系统中共用的缓冲区组成。这些缓冲区按使用状况可以分为：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列、装满输出数据的缓冲队列

磁盘调度算法

寻找时间（寻道时间）：在读/写数据前，将磁头移动到制定此岛所花的时间
延迟时间：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间
传输时间：从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。
先进先出算法、最短寻找时间优先（容易产生饥饿现象）、扫描算法（SCAN）、LOOK调度算法（边移动边观察）、循环扫描算法（C-Scan，磁头返回时直接快速移动至起始端而不处理任何请求）、C-LOOK算法
减少延迟时间的方法：

交替编号：让逻辑上相邻的扇区在物理上有一定的间隔，可以实读取连续的逻辑扇区所需要的延迟时间更小
错位命名

磁盘管理

一个扇区通常可划分为头、数据区域、尾。
完整的自举程序放在磁盘的启动块（引导块），启动块位于磁盘的固定位置。

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第五章-IO管理